数控铣床设计(毕业设计)

1、第一章 引 言第一章引言1.1课题的来源数控机床的教学由于比较抽象，需要借助实验来加深对课堂知识的理解。但由于一般数控机床体积大，价格高，软硬件不是很开放，不适合学生的教学实验。为此设计一 种功能齐全、结构简单、软硬件结构开放、成本低，且有代表性的教学实验型铣床系统。 要求结构简单，经济适用，易于推广普及，且能完成教学目的的机床。通过本次毕业设 计，得到全面的锻炼，为将来机电产品的设计和使用打下良好的基础。1.2 课题的背景和意义数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平的高低和应用程度关系到国家的战略地位和综合国力。数控技术是一门理论性和实践 性都非常强的课程，其

2、教学必须理论联系实际。长期以来，数控技术教学遇到几大难题： （1）课堂教学难 教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不着，如听天书。（2）实 验教学难 由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这些机床体 积大、造价高、使用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是老师演示、 学生观看，很少有学生自己直接操作。教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题，为解决数控技术教学设备 问题，特进行了微型三坐标数控铣床的设计，完成了微型数控铣床的总体方案设计，确 立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件(主轴系统、进给系统等)的选型与设计， 机床的本体尺寸为 320mmx220m

3、mx400mm ，机床的工作空间尺寸为 180mmx180mm。 该机床体积小、重量轻、功能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训教学， 节省设备购置费用和使用费用的同时，将大幅度提高教学效率和教学效果，对于改变我 国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大意义。第二章 教学型数控铣床设计方案1.3 近年来国内外研究现状：国内：教学型数控铣床作为高校机械类教学数控机床操作的实验与实训，已 经在一些方面达到了一定水平。现在，教学实验型数控铣床能够实现三轴联动控 制，具有直线插补、圆弧插补、点动运行、 mdi 运行、自动运行、模拟运行、程序 的动态显示、加工轨迹的动态显示等

4、基本功能，采用 iso 规定的数控加工代码编 程，同一台计算机既是编程系统又是数控系统，可以完成从复杂型面的造型、自 动编程、加工模拟仿真到数控实验、数控机床使用操作培训的全过程。教学实验 型数控铣床是科研院所、高校、尤其是高职学院理想的实验、实训设备。该微型 数控铣床的研制和推广，对于改变我国数控技术人才的培养模式，降低培养成本、 缩短培养周期，具有重大的意义。但是，近几年来随着国内外数控技术的迅速发 展，原来的数控铣床在硬件和软件方面都暴露出诸多缺点，该机床的重新设计、 改造也迫在眉睫。因此，为了更好的达到教学的目的，需要在原有机床的基础上 进行改造和升级。国外：美、德、日三国是当今世界上

5、在数控机床科研、设计、制造和使用等 方面技术最先进、经验最多的国家。国外对于数控机床的研究要比较早，而且在 各个方面都达到了先进的水平。从数控机床出现至今的 60 年，数控机床随科技、 特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。目前，国外对数控机床的研究正 朝着高速化、高精度化、功能复合化、控制智能化、微型化等方面发展，产品的 技术创新与自主开发始终走在前列。当前数控机床正向着高速高效、高精度、高可靠性、复合化、多轴化、智能 化、网络化、柔性化、绿色化的方向发展。1.4 数控铣床加工的特点:数控切削加工除了包含普通铣床加工优点以外，还具有如下的特点：(1) 零件加工的范围广，能加工各种形状复杂

6、的零件并且灵活性好。(2) 能够加工普通机床难以加工的零件、加工速度快。(3) 在零件一次装夹后能加工零件的多道工序。(4) 加工的零件精度高质量稳定性好。(5) 自动化程度高，劳动者的生产强度得以减少。(6) 生产效率高。1.5 设计方案的可行性分析：第一章 引 言所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用 交流电机，所有电机均由电脑数控装置进行控制。设计主要对数控铣床的机构进行设计， 主要有以下几个方面：x、y,z 工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整 体结构的设计，主轴传动系统设计，多种方案比较了解优缺点，择优选取 本课题原理 可靠，具体方案为

7、用套筒式联轴器连接步进电机与滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端（两 端）支撑，采用圆形导轨，实现 x、y、z 轴的运动，这种设计结构简单，安装方便， 所需要的仪器设备、材料都较常用，成本较低。有足以保证该项目完成的科研能力和充 分的研发时间，和相关软硬件的配合支持。1.6 预期目标：1. 运动功能的设计。确定 x、y、z 三坐标运动形式（直线运动，回转运动）、功能 （主运动，进给运动和其他运动）和步进电机、主轴电机和滚珠丝杠、轴承、导轨的选 取。2. 基本参数的设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数（床身、底座、立柱、工作 台、主轴、夹具），运动参数，动力参数的设计。3. 传动系统的设计。包括传动方式

8、、传动原理图和传动系统的设计。4. 总体结构布局的设计。包括总体布局结构形式及总体结构布局方案图的设计。第二章第二章 教学型数控铣床设计方案教学型数控铣床设计方案2.1 数 控 铣 床 组 成 和 总 体 布 局2. 1.1 数 控 铣 床 的 组 成数控机床的种类繁多， 但从组成一台完整的数控机床上讲， 它由控制 介质、数控装置、伺服系统和机床本体以及辅助设备组成。（1）主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀 具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。（2）进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动

9、和旋转运 动。（3） 控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机 床进行加工。（4） 辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。（5）机床基础件 础和框架。通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基2.1.2 数 控 铣 床 的 常 用 布 局数控铣床的常用布局形式有卧式铣床和立式铣床。为了减少微型铣床 占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台x 、 y 轴相互叠加的十字结构，主轴在z 轴方向上移动，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。总体机床外型尺寸长为 高为 400mm

10、 ，工作台宽 180mm ，长 180mm 。 2.2 教学型数控铣床总体传动方案的设计320mm ，宽为 220mm ，本机床可以实现x 轴、y 轴和 z 轴三坐标联动， 采用套筒联轴器连接步进电机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠采用一端支撑，采用圆形导轨，通过- 4 -第二章教学型数控铣床设计方案步进电机带动丝杠旋转，后通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为 轴的水平直线运动和 z 轴的上下移动。x 和 y教学型数控铣床大致三维图- 5 -第二章 教学型数控铣床设计方案h7n7/h7h7n7/h6f7/h6 f7/h6n7/h6n7/h6 教学型数控铣床大致二维图由 于 所 设 计 的 实 验 型 数

11、控 铣 床 不 同 于 一 般 实 用 加 工 型 数 控 铣 床 ， 它 主 要 用 来 教 学 实 验 ， 加 工 材 料 主 要 是 石 蜡 或 塑 料 ， 机 床 设 计 手 册 中 没 有 针 对 此 种 材 料 列 出 铣 削 力 的 计 算 公 式 ， 即 使 套 用 软 的 材 料 来 估 算 铣 削 力 ， 也 难 免 引 起 大 的 误 差 。 因 此 ， 不 能 完 全 按 照 以 前 的 设 计 计 算 方 法 来 进 行 设 计 ， 必 须 综 合 考 虑 各 个 方 面 的 因 素 和 在 教 学 中 的 实 际 情 况 ， 力 争 做 到 最 优 化 的 设 计

12、。 接 下 来 一 章 就 来 介 绍 实 验 型 数 控 铣 床 机 械 部 分 的 主 要 设 计 过 程 。- 6 -xfamaxmzzp fgfz mfzfz kfzgfzokfzgfz第三章 机械部分设计第三章机械部分设计3.1 电机的选取3.1.1 主电机的选取3.1.1.1 铣削力的计算长期以来人们已经对铣削加工时的铣削力有了广泛深入的研究。但人们对铣削力的研究只是针对特定特定加工条件下的特定工件，没有一套应 用于各种场合的铣削力计算公式。现实生活中人们设计的数控的通用机床 希望应用性强，能满足各种加工要求，能应用于大多数场合。因此，在对 切削力的计算上，不能不考虑实际情况而用一

13、些依靠纯理论推倒的公式和 理论。但是，此次设计我们可以用切削力的经验计算公式，因为切削力的 经验计算公式是人们在现实生活中积累的，可以满足现实生活中大多数机 床的切削力计算，具有很强的实用性。因此，对于本次设计切削力的计算 可采用经验公式，切削力可分解为三个分力： z 向的主铣削力 fz 以及 x 、y向的铣削分力f、 y 。现假设刀具材料为高速钢，工作材料为铝 ( s z 轴铣削工作时铣削力的计算：b=100 mp ) 。最大铣削直径d =10 mm，最小直径 d min =5mm 。由实用机床手册得：铣削功率 p =f v6 104铣削力 f =642 a a0.72aw0.86do-0.

14、86zkfz铣削力修正系数 k = k k k高速钢铣刀 r =15,前角系数 k =0.93 主偏角 k = 75 k =1.0因此 k =10.93 1.0- 7 -pfwofpow-0.860.72 0.86zozm-0.860.72 0.86zomzmmsb第二章 教学型数控铣床设计方案工件材料的抗拉强度；a 铣削深度； a 毎齿进给量； a 铣削宽度； d 铣削直径； z 铣刀齿数，现 取 a =0.05mm/za =4mm z=2d =10mma =5 mmn=400 r/min ，f =64240.05 5 10 20.9255=302.9nv =pd n /1000 =3.14

15、10400/1000=12.56 m/minf vp = =302.912.56/60000=85.32 w6 10 43,1,1,2 主电机的选择选主轴电机时按铣削计算。因为铣削时最大的铣削力为：f =64240.05 5 5 20.9255=549.86n v =pdn /1000 =3.1451500/1000=23.55m/minp =f v6 104=549.8623.55/60000=0.215 kw主轴功率 p = p / 0.88 =0.25/0.88=0.244 kw所以选电动机为 p =300 w ，型号：57bl-3030h1-ls-b3.1.2 步进电机的种类、结构、工

16、作原理及选型计算步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此伺服驱动系统中，步进 电机作为执行元件。而步进电机受驱动控制系统控制，驱动控制系统通过控制 步进电机电极的通电顺序和脉冲频率，将电信号转化为具有一定速度、大小和 方向的机械转角位移量，后通过传动机构实现工作台的运动。但由于此驱动系 统没不存在反馈检测环节，因此精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。- 8 -第三章 机械部分设计但它的结构和控制简单、比较容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具 有一定的使用价值。3.1.2.1 步进电机的种类步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出 力矩的大小以及按定子和转子

17、的数量进行分类等。由于分类方式的不同，步进 电机可以分为多种类型，如表所示。表 步进电机的分类分 类 方 式按力矩产生的原理按输出力矩大小按定子数按各相绕组分布具 体 类 型（1） 反应式步进电机：转子上没有绕组，而是由定子被励磁 所激产生反应力实现电机运动。（2） 激磁式步进电机：在电机的定子和转子上都有励磁绕组， 由磁场产生的电磁力实现电机的运动。（1） 伺服式步进电机：电机工作时产生的力矩在几百分之一 到几十分之一之间，只能带动较小负载的部件运动，在带动 较大负载的部件运动时需要液压扭矩放大器。（2） 功率式步进电机：输出的力矩一般在 50 nm 以上，可 以带动较大负载的部件运动。（1

18、）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 （1）径向分布式步进电机：电机的每一项按照圆周顺序排列 （2）轴向分布式步进电机：电机的每一项按照轴向顺序排列3.1.2.2 步进电机的结构目前，我国使用的步进电机大多为反应式步进电机。反应式步进电机可分 为轴向和径向分相两种形式，见表所述。图 4-2 为一个典型的径向分相、单定子式、反应式的步进电机的结构原理图。 此步进电机和普通的电机一样，由定子和转子两部分组成，定子由定子铁心和 定子绕组组成。其中由电工钢片堆叠挤压形成定子铁心，详细形状见图示。由 绕值在定子铁心上的分布均匀的线圈组成定子绕组，控制绕组由直径的方向上 的相对的两齿上的线

19、圈串联构成的，图 1 的步进电机可为三相控制绕组，也称 为三相步进电机。其中给任一项绕组通电，就能形成一组定子磁极，磁极方向- 9 -第二章 教学型数控铣床设计方案为图示的 ns 极。定子磁极上开了 5 个齿槽等宽，齿间夹角为 9的小齿，在转子 上没有绕组，只有分布均匀的 40 个齿槽等宽、齿间夹角为 9的小齿，结构上和 磁极上的小齿类似。不同的是定子磁极上的小齿错开了三分之一齿距的空间位 置，见图 2。当 a 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐的时是，b 相磁极上的小 齿刚好超前(或滞后)转子齿 1/3 齿距角，c 相磁极上的小齿超前(或滞后)转子齿 三分之二齿距角。图 1 单定子径向分相反应

20、式伺服步进电机结构原理图图 2 步进电机的齿距- 10 -第三章 机械部分设计图 3 是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。图示， 在轴向步进电机的转子和定子分成五段，其中每段都由一相独立的定子绕组、 定子铁心和转子，具体见图 3。其中每段定子铁心用硅钢片叠压形成其形状像内 齿轮。转子也是有硅钢片叠压形成的其形状像外齿轮。每段钉子上的齿均匀分 布在圆周方向，各齿间搓开五分之一的齿距，但在转子上的齿彼此间不错位。 当对为位于定子铁心环形槽内的定子绕组通电时就会形成环行绕组，构成如图 所示的磁力线。除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁 式步进电机和永磁

21、反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。3.1.2.3 步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上就是电磁铁的工作原理。图 5 为一种最简单的 反应式步进电机，下面我们就以此为例来说明步进电机的工作原理。图 5 中，当直流电通入 a 相绕组时，由电磁学的原理，在 aa 的方向上便 会产生磁场，在磁场力的作用下，便会吸引转子，便会使转子上的齿和定子 aa 极上的齿相对齐。但若 b 相通电，a 相断电，于是便会形成新的磁场，新的磁 场力便会使转子上的齿定子 bb 极上的齿相对齐，于是转子便会以顺时针的方向 转过 60 度的角。所谓的步距角 为步进电机的绕组每改变一次通断电的状态其 转子

22、转过的角度。因此在图 5 中步进电机的步距角 为 60 度。如果控制线路无 限的按 abca 的顺序控制步进电机绕组的通断电状态，步进电机的转子 便会一直按顺时针的方向转动。若通电顺序为 acba，步进电机的转子 将会按逆时针得方向不停地转动。- 11 -第二章 教学型数控铣床设计方案图 3 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图 4 一段定子、转子及磁回路以上所述通电方式为三相三拍的。除此之外还有三相六拍的通电方式，它 的通电顺序是：顺时针为 a ab b bc c ca a 无限循环；逆时 针为 a ac c cb b ba a 无限循环。当电机以三相六拍的通电方式工作时，当由单一的

23、 a 相通电变为 a、b 相 同时通电时，转子上的磁极将同时受到 a 相和 b 相绕组产生的磁场共同作用， 在两力的相互作用下转子磁极便会位于 a 相和 b 相磁极之间，此时步距角 为- 12 -第三章 机械部分设计30 度。当 a 相和 b 相同时通电变为 b 相单独通电时，电机如果以三相六拍的方 式工作，当 a 相单独通电变为 a、b 两相同时通电时，转子上的磁极便会同时 受到 a 相和 v 相绕组产生的磁场的同时作用，在两力的相互作用下转子的磁极 便会停留在 a、b 两相之间，此时步距角 为 30 度。当 a 相和 b 相同时通电变 为 b 相单独通电时，转子上的磁极将再以顺时针的方向旋

24、转 30 度与 b 相磁极对 齐。这样依此类推重复。因此当采用三相六拍得通电方式工作时，可使步距角 减小一半。图 5 步进电机工作原理图图 5(b)所示的步进电机，定子仍然为 a ，b ，c 三相，每相为两极，但是 转子由原来的两级变为四级。当 a 相绕组通电时，1、3 两极和 a 相的两极相对 齐，以此类推，当 b 相通电、a 相断电时，2、4 两极和 b 相的两极对齐。因此， 在三相三拍的通电方式中，步距角 为 30 度，在三相六拍通电方式中，步距角 为 15 度。综上所述，我们可以得到如下的结论：(1) 当步进电机定子绕组改变一次通电状态，转子便会转过一个步距角 ； (2) 步进电机定子

25、绕组的通电顺序改变，转子的旋转方向也会改变；(3) 步进电机的定子绕组通电状态改变的越快，转子转速越快，即通电状态 的频率越高，转子的转速越快；(4) 步进电机步距角 与定子绕组的相数 m、转子的齿数 z、通电方式 k 有- 13 -第二章 教学型数控铣床设计方案关，可用下式表示：a=3600/ (mzk)式中 m 相 m 拍时，k=1；m 相 2m 拍时，k=2；依此类推。对于图 1 所示的径向分相、单定子式、反应式的步进电机，当在三相三拍 通电方式下工作时，其步距角为a=3600/ (mzk)=3600/ (3041)=30若在三相六拍通电方式下工作，则步距角为a=3600/ (mzk)=

26、3600/(3042)=1.503.1.2.4 步进电机的主要特性(1) 步距角。所谓的步进电机的步距角为电机定子每改变一次通电状态转子 转过的角度。它决定着步进伺服驱动系统的脉冲当量。在数控机床上常见的反 应式步进电机的步距角为 30 度。步距角越小，机床的控制精度会越高。(2) 矩角特性、最大静态转矩 mjmax 和启动转矩 mq。电机的一个重要特性 为矩角特性，矩角特性反映电机失调角和静态转矩之间的变化关系。(3) 启动频率 fq。启动频率为步进电机又静止到瞬间启动时，在保证不丢步 的情况下步进电机所能承受的最高频率。如果启动的时候启动频率不小于瞬跳 频率，电机就无法保证正常的工作。在电

27、机空载状态启动时电机定子通断状态 的频率要小于该瞬跳频率。(4) 无间断运行时的最高频率 fmax。最高频率 fmax 是指步进电机在持续工 作时在不发生丢步时所能接受的最高频率，电机的速度的调整由最高频率 fmax 决定。电机速度调整的特性是指在电机由静止状态到启动状态和电机由启动状 态到静止状态的过程中定子绕组的通断电状态的频率和实践之间的关系。如果 步进电机的瞬跳频率小于启动频率时，频率的变化速度逐渐上升；当大于启动 频率的工作频率时，频率的变化速度逐渐下降。但逐渐上升和逐渐下降的加速 时间和减速时间不太小，否则便会出现失步和超步现象。这里我们用加速时间 的常数 ta 和减速的时间常数

28、td 来描述步进电机的升速和降速特性，如图 6 所 示。- 14 -p1第三章 机械部分设计图 6 加减速特性曲线机的最高转速。3.1.2.5 步进电机的选型计算交流伺服的控制系统在许多性能方面都好于步进电机。然而在部分要求不 高的场合比如机床进给运动通常用步进电机来完成进给运动。因此在机床控制 系统使用设计过程中需要对控制系统的要求、控制系统的成本等各方面的因素 进行综合的考虑从而选出性价比较高的控制电机。(1)电机与丝杠是通过套筒联轴器直接相连，传动比 i=1，则步距角360d ia = =t360 0.01 i6=0.9/ step(2)移动部件的转动惯量计算机床移动部件的质量等效到电机

29、轴上转动的惯量180 d 180 0.01j =( p ) 2 w =( ) 2 30 =12.17 kg cm pa p0.9机床丝杠对轴线转动惯量计算公式如下- 15 -2samaxf0att第二章 教学型数控铣床设计方案1 pd2 j = m r 2 , m =rv =2 4代入数据得 m =0.2367kg ， d =1.6cm ，rl所以j =s126.313 1.04 1.62=0.75 n cm2因此总的转动惯量为j =j +j =121.7 +0.75 =122.45 n cm s 12(3)电机所需的转动力矩的计算电机空载快速启动时所需力矩计算公式如下：m =ma max+m

30、 +mf0机床最大的切削负载所需力矩的计算公式如下： m =m +m +mtf 0机床快速进给工作时所需的力矩计算公式如下：m =m +m f0式中 m - 步进电机空载启动等效到电机轴上加速度力矩 m - 步进电机等效到电机轴上的摩擦力的矩m - 由电机丝杠的预紧引起的折算到电机轴的附加的摩擦力矩 m - 机床工作时等效到步进电机轴上的加速度的力矩m - 机床正常工作时等效到电机轴上得到的切削力矩- 16 -max20第三章 机械部分设计电机最高转速 n =500r/minj n 122.45 500mamax = max 10 -4 =9.6t 9.6 0.025 v i 2000 1n

31、= =500 r / min1t 410-4=25.5 n cm等效摩擦力的矩计算公式如下所示f l f g lm =0 0 = 0f2phi 2p h i当 h =0.85，f=0.15 时， m =f0.15 300 0.4 2 3.14 0.85 1=3.37 n cmm =0p l 8.5 0.4 0 0 (1 -h ) =2phi 2 3.14 0.85 1(1 -0.9572) =0.56 n cmm =tf lf 02phi=8.5 0.42 3.14 0.85 1=6.37 n cm因此机床空载情况下快速启动需要的力矩计算如下：m =ma max+m +m 代入数据得 f 0m

32、 =25.5 +3.37 +0.56 =29.43 n cm机床最大的切削负载所需力矩代入数据如下：m =m +m +mt =3.37+0.56+6.37=10.3 n cmf 0机床快速进给工作时所需的力矩代入数据计算如下m =m +m =3.37+0.56=3.93 n cmf 0显然由上述计算得知：电机所需最大的力矩取在切削工作进行时- 17 -q第二章 教学型数控铣床设计方案即 m=10.3 n cm maxmm为满足工作要求，电机选用的工作方式为两相四拍，查表得 - 电动机的启动所需力矩- 电动机的静载荷力矩qjmmqmjm=0.866m =qm 29.43= =73.6 n cm

33、0.4 0.4mjmm= =0.86673.60.866=84.99 n cm步进电机运行时的最大频率为fmaxv 2000= max = =3333.3 hz 60d 60 0.01p另外，为了防止在机床加工的过程中在某些地方需要停止时而产生的 少量滑动从而影响零件的使用寿命和加工精度，电机需要具备在停机时自 锁功能，所以所选电机为混合式步进电机。另外，步进电机的步距角在理 论上说是固定的，但实际上生产上还是有误差的。另外，负载转矩也将会 引起步进电机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位 误差和传动机构的误差都考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位 误差。初选步进电动机的

34、型号为 42byg250b-sassml，由表查得该型号电动机的最大静转矩 tj max=0.43n m。可见，满足要求。3.2 主轴设计3.2.1 主轴设计分析主轴的相关的组件构成了机床的重要组成部分。主轴的重要组件一般- 18 -第三章 机械部分设计由轴承、主轴、固定件（如螺母）和传动件（齿轮、带轮）等组成。机床 在工作的时候，由主轴带动着工件（车床）或者刀具直接参加工件表面的 成型运动。所以，主轴组件的好坏对机床生产率和加工性能有着重要的影 响。生产中对机床主轴的要求，有着与一般传动轴要求的相似之处：都要 保证在要求的转速的情况下下传递要求的转矩，保证轴承和轴上的传动件 在正常工作条件工

35、作。但是在工作中主轴直接带动着刀具或工件进行切削 的，主轴组件很大程度上决定着机床的加工精度。主轴受到刀具切削时所 受到的切削力，在机床（含数控机床）上转速变化范围又很大。因此，我 们对主轴组件又有许多特殊要求。为了提高刚度，主轴的直径应该略微大一些。前轴承到主轴前端的距 离我们称为悬伸。悬伸量应尽量小一些。为了利于装配，主轴应该制成阶 梯形。材料的热处理。轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常要求远远小 于杆强度极限。因此，强度一般不是我们选材的依据。当主轴的尺寸和几 何形状已经确定，材料的弹性模量决定着主轴的刚度。但各种各样钢材的 弹性模量几乎一样。因此，刚度也不是我们选材的依据。主轴的材料

36、，主 要应该根据材料的热处理后的变形、耐磨性选择。普通铣床的主轴，可用 45 号获 60 号优质中碳钢， 调质到 220-252hbs 左右。对于教学型数控铣床， 不要求有太高的精度和加工难加工材料的刚度，因此主轴做成实阶梯心 轴，材料 45# ，表面调质处理。轴结构图- 19 -2 31第二章 教学型数控铣床设计方案3.2.2 主轴校核主轴材料选用 45 钢，调质处理,sb=650mpa，ss=360mpap =0.30 0.98 0.98 =0.29kwp3.3.1 轴受力： 转矩 t= 9.55 10nd铣削力 t = f =5 f =923.17铣削 铣削所以 f=184.6 n铣削6

37、=923.17 n mm需用应力值用插入法查表得： s0b=100 mp as-1b=60mpa应力校正系数当量转矩aats60= -1b = =0.6s 1000b=0.6 923.17=553.9n mm当量弯矩m1= m2+(at )2=553.9n.mm轴径md = 10.1 s-1b=3927.170.160=5.35mmd 10mm1此铣削力满足工件加工要求。3.3 主轴轴承的选择对于教学实验型数控铣床的主轴，主轴构造相对简单，主轴所受的力相对 较小，精度和刚度也不是太高。因此，对于主轴轴承的要求也相对比较宽松， 又由于数控铣床主要载荷为轴向力，所受的径向力可以忽略。又因为深沟球轴

38、承主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷， 工作的时候内外圈轴线允许偏斜 816。 摩擦阻力小，极限转速高，结构 简单，价格便宜，应用最广泛。又此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和- 20 -第三章 机械部分设计刚度要求不太高的地方。根据以上分析，主轴轴承可选用深沟球轴承就可以满足设计的要求。 由于实验型数控铣床的主轴比较细，所选的轴承的型号也相对较小，所选深沟 球轴承型号为 16002，其基本尺寸参数如下 d=15mm,d=32mm,b=8mm, 基本额定载 荷 cr=5.9kn，基本额定载荷 c0r=2.85kn，极限转速脂润滑:20000r/min，极限 转速油润滑: 3000

39、0 r/min。其结构简图及承载方向如下图所示：实验型数控铣床所受载荷较小，采用上述型号的轴承完全能够满足设计要求。 3.4 滚珠丝杠的选择3.4.1 滚珠丝杠传动的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种能让直线运动和回转运动 相互转化的传动机构，它在数控铣床中已经得到了非常高的应用。结构特点为 在有螺旋槽的丝杠螺母间装着滚珠，使螺母和丝杠之间的运动变为滚动，因而 能减小摩擦力。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动过 程的精度。丝杠螺母副的特点：1）在用很小的扭转力矩转动滚珠丝杠（或丝杠螺母），可使丝杠螺母（或 滚珠丝杠）获得很大的轴向力。- 21 -第二章 教学型数控

40、铣床设计方案2） 可以得到很大的降速比，使的降速机构大大的简化，传动链能够缩短。3） 能够得到很大的传动精度。在作为进给机构的时候 ,还可以作为测量元 件来使用，能够在刻度盘上得到直线位移尺寸，精确值能够达到 0.0001mm 。4） 传递的效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率为0.920.94,而一般 常规丝杠螺母副传动效率为 0.200.40。因此滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠传 动效率提升了 34 倍。因此功率损耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/31/4 。5） 给予适当的预紧，可消除螺母螺纹和丝杠之间的间隙，这样反向时就可 以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向

41、精度。6） 没有爬行现象，运动平稳，传动的精度很高。滚珠丝杠上受到的大多是 滚动摩擦力，摩擦阻力较小，这样受到的摩擦阻力几乎和运动件的运动速度完 全没有关系，这样我们就能够保证物运动件运动平稳性运动。滚珠丝杠受到的 基本上为滚动摩擦，这样和一般丝杠螺母副相比不容易有爬行现象，故其传动 的精度高。7） 有可逆性强，因为滚珠丝杠的摩擦系数较小，可以从直线运动变为旋转 运动，也可以从旋转运动变为直线运动。滚珠丝杠和丝杠螺母都可以作为主动 件和从动件。8） 制造的工艺复杂性很高，丝杠螺母和滚珠丝杠等的元件要求加工精度高， 光洁度也要很高，因此它的制作制成本会很高。比如滚珠丝杠和丝杠螺母上的 螺旋槽之间

42、滚道，其表面一般都要磨削成型。9） 不能够自锁，尤其垂直方向的丝杠，由于存在自重惯性力的，当下降时 候传动被切断以后，不能够立刻停止其运动，故需要常常添加制动的装置。为了保证滚珠丝杠螺母副的轴向刚度和反向旋转精度，我们必须消除其间 隙，通常我们采用双螺母预紧的方法消除轴向间隙。其原理是通过使两螺母产 生轴向位移的方法来消除他们之间间隙并且施加预紧力。常用的方法有垫片调 整间隙法、齿差调整间隙法和螺纹调整间隙法。在设计滚珠丝杠的时候，首先我们要确定它的螺距、名义直径及滚珠 直径等。在确定丝杠的上述参数的时候，我们经常采用的方法是，在防止- 22 -maxmaxmm xzy第三章 机械部分设计其疲

43、劳点蚀的情况下，也就是说滚性丝杠在工作过程中受到轴向负载的时 候，在滚道型面和滚珠间使产生接触应力。在这种交变接触应力下，经过 一定的应力循环次数后，就会要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，从而使 滚珠副丧失其工作的性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。3.4.2 竖直方向进给系统的设计计算1.初定参数：系统为开环，电机与丝杠直接由联轴器连接，传动比 i=1，工 作台快进速度要求达到 v =2m/min。取电机最高转速 n =500r/min,则丝杠最 高转速为 500 r/min，丝杠基本导程。1.丝杠的基本导程计算如下:t =1000 v 1000 2max = =4 mm / r n 500对

44、于进给运动电机，直线脉冲当量 d 小意味着加工精度相对较高，但是直p线脉冲当量选的越小数控系统就越复杂。一般机床的加工精度在 0.002-0.1mm 之间，直线脉冲当量 d 取 0.01mm/step。p3.滚珠丝杠设计的计算动载荷 c 的计算公式如下所示：c =3l fh 2f1fm其中 f 丝杠的载荷稳定性的系数，取为 1.0， 2f 丝杠精度的系数，1f 丝杠正常工作时的最大等效负载 l额定使用的寿命，取为 1.2，工作负载 f 指的是数控机床正常运行时，作用在丝杠上带动工作台实现进 给运动轴向压力，它可通过进给牵引力的实验公式进行计算：f= kf +f ( f +2 f +g )- 2

45、3 -xyzz第二章 教学型数控铣床设计方案f 轴向切削力f 背向切削力f 切削力f 移动的部件的重力f导轨之间接触的动摩擦系数k颠复力矩对运动影响实验系数选用燕尾型导轨查表得 k=1.4 ， f =0.03在铣削过程中， f =302.9n ， f =0 ，xf =0.4 f =0.4 302.9 =121.16 n ，g=300ny z将以上数据带入到公式中得f =1.4 0 +0.03 （302.9 +2 121.16 +300）=25.36 n m而额定使用的寿命计算公式如下所示l =h60 n t 10 6式中 n滚珠丝杠的转速（r/min）t使用寿命（小时）对于数控机床，通常取 n

46、=1250 r/min，t=20000h，代入以上数据得l =h60 1250 2000010 6=1500因此将以上数据代入公式得 c =3 1500 1.01.325.36 =653.28 n查表初步选用的型号为 n 系列 1404-3，3 列即额定动载荷 q=4212 n 较为合 适，这种丝杠内循环单螺母的滚珠丝杠副。- 24 -maxo第三章 机械部分设计4 预紧力计算在丝杠副上施加上轴向压力之后，轴向刚度与传动精度可以的到一定程度 的改善，然而丝杠副预紧力不应该太大，太大影响到丝杠副使用寿命。因此在 设计时要在满足丝杠副正常工作所需的寿命和精度的要求下合理选择预紧力的 数值。由经验可

47、知，在丝杠螺母正常情况下预紧滚珠丝杠副，为了保证螺母和丝 杠配合紧密，不会出现间隙，应该令预紧力近似的等于最大轴向力的 1/3 左右。 载荷过小，难以保证无间隙的传动；载荷过大，降低传动副的效率和传动副的 承载能力。1 1预紧力： f =f = 25.36 =8.5 n13 3（3）校核效率计算：从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率 h=tg 式中： b 螺纹升角；b/ tg (b+f)ft 6b=arctg=arctg =4.67pd 14p螺纹与螺母间摩擦角；o丝杠副滚动摩擦的系数 f =0.0040.005，所以摩擦角 tanf=0.004 ，进而求得 f=0.17o代入上述数据得

48、滚珠丝杠效率为 h =tg 4.67tg (4.67+0.17 o)=0.956滚珠丝杠螺母副刚度验算滚珠丝杠在数控机床中属于精密传动的元件，它在外加载荷的作用下，会 发生长度的变化比如长度伸长或长度缩短，在外加扭矩 t 作用下，丝杠副会发 生扭转变形，因此滚珠丝杠副的螺距会发生变化，进而影响它的传动与定位精 度，所以滚珠丝杠应校核最大载荷时变形量。- 25 -11122cp-62第二章 教学型数控铣床设计方案从材料力学课本中查得，设滚珠丝杠副在轴向载荷 p 作用下引起的一 个螺距 t 变化量为 dt ,它的计算公式如下所示：dt =f te a其中：p轴向工作载荷；t滚珠丝杠的螺距；e弹性模

49、量，对碳钢而言（e=196 10 9）；a 滚珠丝杠横截面的面积（由内径确定）；dt =302.9 4 4 196 10 9 3.14 16 2=1.96 10-11mm滚珠丝杠副在扭矩 t 作用下产生的一个螺距变化量 dt ，计算公式如下所示：dt =tf2p(m)其中 f 为在扭矩 t 作用下，滚珠丝杠副上每一螺距两截面上的相对的扭转 角度得大小；ttf = 其中，t扭矩（nmm）,gjpt 302.9 4m = = =201.81nmm2ph 2 3.14 0.956g材料的切变的模量，对钢而言，g=80 gpaip滚珠丝杠的横截面对轴极惯性矩i =ppd4/ 32（其中 d滚珠丝杠副的内径)i =pp14324=3769.57 mm4mt 201.814f = =gi 80 10 3 3769.57 tf 4 2.68 10dt = =2p 2 3.14=2.68 10=1.71 10-6-6mm( 显然变形量忽略不计)如果滚珠丝杠副的长度为 1040mm, 则在整体工作的长度上螺距的变形总的误差为： =1046dt = 6.4 10 1-9