XK0824立式数控铣床进给驱动部件设计

1、I XK0824 型数控铣床是一种精密、轻便型立式数控铣床。本机床结构合理紧凑，操作方便灵活，维护方便。机床主轴采用变频无极调速，进给为三坐标驱动。三进给轴进给驱动可采用步进电机驱动开环伺服系统或交流伺服电机驱动半闭环伺服系统，驱动电机带动精密滚珠丝杠副移动坐标，精度高、稳定、加工快捷、高效。机床控制系统可选配各种国产及进口系统（Mashin-03M；KND；广数 90 系列； SIEMENS） ，系统功能完善。若配套供应完善的数控编程仿真软件，特别适合于高等工科院校、中专、技工学校的机械制造、机电一体化等相关专业的综合实验，以及学生的金工实习、数控操作培训等，是数控教学的理想设备，亦可满足一

2、些生产企业加工有色金属小型较复杂零件生产需求。II1 数控机床的组成和分类数控机床的组成和分类1.2.1 数控机床的组成数控机床的组成数控机床是数值控制的工作母机的总称。一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图 1-1。图 1-1 数控机床的组成框图1.2.2 数控机床的分类数控机床的分类 数控机床品种繁多、功能各异，可以从不同的角度对其进行分类。1、按机械加工的运动轨迹分类1）点位控制数控机床 2）直线控制数控机床 3）轮廓控制数控机床 2、按伺服系统的控制原理分类1）开环控制的数控机床 这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置零件程序处理后，输出数字指令信号

3、给伺服系统，驱动机床运动。指令信号 是单向的，如图 12 所示。图 1-2 开环控制的数控机床 2）闭环控制的数控机床 这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实2际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，有其差值控制进给轴运动，知道差值为零时，进给轴停止运动，如图 13 所示。图 1-3 闭环控制的数控机床3）半闭环控制的数控机床 闭环控制的数控机床与半闭环控制的数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台，而是来自电动机端或丝杠连接的测量元件，见图14。实际位置的反馈值是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯量工

4、作台被排除在控制环外而提高，调试方便，因而广泛用于数控机床中。图 1-4 半闭环控制的数控机床3、按照功能水平分类数控机床的分类按所使用的控制系统的配置及功能而分。它分为高级型、普通型和经济型数控机床。对每一种数控机床的分类主要看其内涵，即主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平。分类见表 11。表 1-1 数控机床的分类类 型主控机进 给联动轴数进给分辨率进给速度(mmin)自动化程度3高级型32 位微处理器交流伺服驱动5 轴以上联动0.1m24具有通信，联网，监控管理功能普及型16 位或32 位微处理器交流或直流伺服驱动4 轴及以下1m24具有人机对话接口经济型单板机单片机步进电动机3

5、轴及以下10m6-8功能较简单1.3 数控机床的特点及使用范围数控机床的特点及使用范围1.3.1 数控机床的特点数控机床的特点现代数控机床具有许多普通机床无法实现的特殊功能，其特点有：1）加工零件适应性强，灵活性好2）加工精度高，产品质量稳定3）生产效率高4）减少工人劳动强度5）生产管理水平提高1.3.2 数控机床的适用范围数控机床的适用范围机械加工工业中，大批量零件的生产宜采用专用机床或自动线。对于小批量产品的生产，由于产品品种变换频繁、批量小、加工方法的区别大，宜采用数控机床。数控机床的使用范围见图 1-5。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量较大时，宜采用专用机床；

6、而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。4 专用机床通用机床数控机床零件复杂程序零件批量图 1-5 数控机床的使用范围1.4 我国数控技术发展现状我国数控技术发展现状我国于 1958 年研制出了首台 NC 机床到 1979 年为止。由于缺乏技术基础，总体设C 机床，各类机、电、液、气基础元件等进行合作生产，提高了产品的质量，解决了可靠性问题，由此 NC 机床开始批量生产，并正式用于生产制造。1980 年，我国 NC 机床产量为 692 台，至 1999 年，产量达 9007 台，2000 年超万台，各类 NC 全切机床、成形机床、激光加工机床等在品种上已系列化。对于中高档次的数控机床还得依靠进

7、口。52.1 数控铣床的分类及工作原理数控铣床的分类及工作原理2.1.1 数控铣床的分类数控铣床的分类1、立式数控铣床 其主轴垂直于水平面。它主要用于水平面内的型面加工，增加数控分度头后，可在圆珠表面上加工曲线沟槽。立式数控是数控铣床中数量最多的一种，应用范围最广。小型数控 X、Y、Z 方向的移动一般都由工作台完成，主运动由主轴完成，与普通立式升降台铣床相似，一般采用升降台式布局。中型数控立铣的纵向和横向移动一般由工作台完成，且工作台还可手动升降，主轴除完成主运动外，还能沿垂直方向伸缩，一般可采用工作台不升降式布局，其中又可分为十字工作台式和立柱式两种。而对于大型数控立铣，由于需要考虑扩大行程

8、，缩小占地面积和刚性等技术问题，多采用龙门架移动式布局。2、卧式数控铣床 它与通用卧式铣床相同，其主轴平行于水平面。它主要用于垂直平面内的各种型面加工，配置万能数控转盘还可以对工件侧面上的连续回转轮廓进行加工，能在一次安装后加工箱体零件的四个表面。3、立、卧式两用数控铣床 它既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使用范围更大，功能更强，若采用万能主轴，就可以加工出与水平面成各种角度的工作表面，若采用数控回转工作台，还能对工件实现除定位面外的五面加工。 综上所述，本次设计机床采用半自动立式工作台不升降铣床。2.1.2 数控铣床的工作原理数控铣床的工作原理数控铣床工作前，要预先根据被加工零件的要

9、求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即将被加工零件的集合信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方式将此加工程序输入到数控铣床的数控装置中。此时，即可启动机床运行数控加工程序。在运行数控加工程序的过程中，数控装置会根据数控加工程序的内容，发出各种控制命令，如启动主轴电机、打开冷却液，并进行刀具轨迹计算，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制，正常情况下可直到程序运行结束，零件加工完毕为止。具体而言，数控的工作过程，即加工了解到过程，如图 2-1 所示。其主要步骤如下。6图 2-1 数控铣床的加工过程

10、1）根据被加工零件图中所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计。2）规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。3）按照程序单上的代码制作控制介质。4）通过输入装置把加工程序输入给数控装置。5）启动机床后，数控装置根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲形式送往机床的伺服系统。6）伺服系统驱动机床的运动部件，使机床按程序规定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。2.2 数控铣床的用途数控铣床的用途数控铣床可以用来加工许多普通铣床难以加工甚至无法加工的零件。以铣削功能为主，主要适合铣削下列 3

11、 类零件。1、平面类零件的铣削 平面类零件的各个加工单元面均是平面，或可以展开为平面。这类零件的数控铣削相对比较简单，一般只用三坐标数控铣床的两坐标联动就可以加工出来。目前数控铣床加工的绝大多数零件属于平面类零件。2、变斜角类零件的铣削 变斜角类零件是指加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件，其加工面不能展开为平面。这类零件大多为飞机上零件，一般采用多坐标联动的数控铣床加工，也可以在三坐标数控铣床上通过两轴联动近似加工。3、曲面类零件的铣削 曲面类零件的加工面为空间曲面，其加工面不但不能展开为平面，而且在加工过程中，加工面与铣刀的接触始终为点接触。这类零件在数控铣床的加工中也较为常见，通常利用三

12、坐标数控铣床通过两轴联动、一轴周期性移动的方式来加工。若用功能更好一点的三坐标联动数控铣床还能加工形状更加复杂的空间曲面。7数控铣床除了可以用来铣削零件外，般还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令进行系列的孔的加工过程，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹孔等。随着科学技术的发展，数控铣床的功能将越来越多，其用途也必将更加广泛。8机床的总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济性指标起着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟订出性能先进，紧急性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸

13、图；确定所设计机床的主要技术参数。1、机床总体布局的基本要求1）机床布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工范围，工作精度，生产率和经济性等。2）确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。3）确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平。4）就便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于输送、装卸工件和排除切屑；注意机床防护确保生产安全。5）机床结构应简单，合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术。6）体积小，重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面积，外形美观大方。2、影响铣床类机床布局的主要因素有：1）工件的大小，重量和形状。

14、2）机床的万能性要求。3）机床的刚度和抗振性性要求。铣削运动时，因切削力变动而产生的振动较大，因而机床刚度是一个值得注意的问题。机床刚度要求不同也将引起布局的改变。一般说来，工作台不升降式布局比升降台式布局刚度高。4）机床的生产率要求。要提高机床生产率，必须缩短单个工件加工过程的总时间，包括切削加工时间、装卸工件等辅助时间及分摊到每个工件上准备和终了时间机床的自动化程度越高，它的生产率就越高。另外，机床的自动化可减少人对加工的干预，保证被加工工件的精度稳定性，还可减少操作者的劳动强度。5）机床的“三化”要求。布局时应力求提高机床部件的通用化程度。3.1 机床总体设计机床总体设计3.1.1 机床

15、设计步骤机床设计步骤1、调查研究9调查研究的内容一般包括有：（1）到使用单位调查，了解所设计的新机床将要承担的生产任务和加工工艺，了解使用单位对新机床的要求；（2）到制造单位调查，了解制造厂的设备条件、技术能力和生产经验；（3）收集国内外同类型机床的技术文献和图纸资料，并注意调查它的结构性能、使用和制造情况等，尤应注意了解新技术在同类型机床上应用情况；（4）对于新采用的工艺和结构，必须先经科学实验，通过实验取得足够数据后，才能应用于设计。2、方案拟订在调查研究和科学实验的基础上，通常可拟订出几个方案进行比较。每个方案所包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、电气系统、

16、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济效果分析等。3、工作图设计首先，绘制机床总图和各部件装配图。其次，绘制机床的全部零件图。然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写说明书等技术文件。最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。4、样机试制和鉴定如果所设计的新机床是成批生产的产品，在工作图设计完成后，应进行样机试制以考验设计。对样机要进行试验和鉴定，合格后再进行小批试制以考验工艺。这时，设计工作就基本完成。3.1.2 XK0824 数控立式铣床的总体布局的确定数控立式铣床的总体布局的确定XK0824 数控立式铣床的总体布局是在做了周密的和必要的调查研究后和满足用户需

17、要的前提下，查阅了大量的设计手册和参照了同类型机床比较成熟的设计实例而设计的。在整个机床的各个组成部分中，机床床身是一个极其重要的大件，它起着支撑工件和连接工作台、立柱等关键零部件的作用。数控机床床身结构的设计尺寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。往往由于床身结构设计不合理，导致床身的刚度不足，产生各种变形、振动。加工时刀具与工件间产生相对变形和振动会使零件加工精度降低。XK0824 数控立式铣床采用的是立式工作台不升降布置，机床主轴采用变频无级调速，操作方便，三坐标联动。立柱导轨采用燕尾形设计，立柱受的载荷为扭转和弯曲两个方向的力，而且主轴箱在导轨上作垂直运动，所以取燕尾形截面是正确的

18、。因为主轴功率低，主轴所受的切削力不大，所以立柱中间不需加矩形筋。导轨间的跨距较大有利于提10高主轴箱的运动精度。主轴与电机，Y、Z 轴丝杠与电机之间均采用同步 V 型带进行传动。这样有利于提高传动精度和减小传动时的震动。而 X 轴丝杠与电机通过张紧套联轴器直接连接。主轴前端采用锥孔，用于装夹刀柄刀具。工作台采用十字滑台，中间层与底面采用燕尾形导轨，顶层采用燕尾形导轨有利于抗颠覆力矩。三坐标驱动采用步进电机系统，带动精密滚珠丝杠副移动坐标，尺寸精确、稳定、加工快捷、高效，有利于提高机床的进给精度。润滑系统采用手动润滑。冷却系统与机床本体分开，有利于减小温度的升高对机床精度的影响。这样的布局方式

19、（如图 3-1）合理，有效。本台机床适用于小批量、中小型零件复杂轮廓曲面的铣削加工，可完成平面、斜面、孔槽内廊、螺旋面及三维空间型面的切削成型。除可满足一般金属加工或模具企业生产要求外，特别适用于高等工科院校、中专技校的机械制造、机电一体化、模具等相关专业的综合实验，以及学生的金工实习，数控培训等，因此，我们设计的主要目的是使学生在使用数控机床时对它有初步的了解，在学习中能联系到实际，更好的理解和掌握理论知识。同时在设计的过程中考虑经济性，可行性等相关问题，来设计了这台 XK0824 立式工作台不升降式数控铣床。我们设计的这台数控机床的整体结构特点有：1、立住坐落在工作台部分的底座上，由螺栓固

20、定从而与工作台部件结合成一体。整体刚度好，精度稳定。在立柱内有配重块通过钢丝绳与主轴箱随动保持重力平衡。2、在应用艺术规律和造型美学法则加以精练和塑造，使得整机外形美观大方且机床的造型与功能相适应。3、底座稳固，防护充分，半封闭式防护罩保证切屑及油污不外溅，操作方便安全，整洁美观。4、控制电气安装在方柱两侧的电柜内，稳定可靠，检修方便。11图 3-1 总体布局结构图3.1.3 主要技术参数主要技术参数工作台面积 mm 800240 工作台最大负荷 kg 50工作台 T 型槽尺寸/间距/槽数 1445/5工作台纵向行程 X/横向行程 Y mm 400/200主轴头上下行程 Z mm 400主轴转

21、速范围 rpm 10004000(变频无级) 主轴孔锥度 7:24主轴中心线到立柱前端距离 mm 320主轴端面至工作台距离 mm 38430进给速度范围（三轴）mm/min 11000最大运动速度（三轴）mm/min 4000最小输入单位（三轴）mm 0.001 定位精度 mm 0.001 重复定位精度 mm 005. 0 机床外形尺寸（长 宽 高）mm 19001250220012 机床净重 kg 约 10003.2 传动装置布局设计传动装置布局设计3.2.1 确定传动方案确定传动方案传动方案一般都是用机构简图来表示的。机械结构是组成机器的主体单元，所以设计机械传动方案时应从机器整体出发对

22、该构件提出的具体要求，满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性好等要求。要同时满足这些要求是比较困难的，必须拟定几个可行方案，选择保证重点要求并兼顾其他要求的方案。对于工作台横向传动机构我们拟定了两个可行方案：方案一（图 3-2 所示） ，步进电动机直接带动滚珠丝杠旋转，使底部装有丝杠螺母副的工作台 3 作进给运动。图 3-2 方案一方案二（图 3-3 所示）混合式步进电动机 1 的轴上装有梯形齿同步齿形带轮 2，通过同步齿形带 3 和装在丝杠左端的同步齿形带轮 4 带动滚珠丝杠 5 旋转，使底部装有丝杠螺母副的工作台 6 作进给运动。同步齿形带轮与电动机轴，

23、以及与丝杠之间的连接均采用平键，这种结构简单实用，径向尺寸小。滚珠丝杠采用悬臂的单支承结构。选择单列向心推力球轴承和单列向心球轴承组合支承形式，同时承受轴向力和径向力，提高支承的轴向刚度，且使用方便。13图 3-3 方案二方案一的 X 轴横向进给传动装置虽然结构比较简单，但这样的机床要使板金加长，不方便工人操纵，难于掌握，且不利于整体机床结构的布置，外形不合乎时代的要求。出于种种因素考虑，相对之下，方案二的进给传动装置就比较合理，它的结构比较紧凑人性化，操作方便外形美观大方，使操作者有舒适宜人的感觉，从而提高工作效率。因此，方案二的传动比较好。14数控机床的进给运动链中，将旋转运动转换为直线运

24、动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。4.1 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。4.1.1 工作原理和特点工作原理和特点滚珠丝杠螺母副系由丝杠 7、螺母 6 和置于二者螺纹滚道之间的适量滚珠 3（图 4-1）所构成。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道 4 上装有挡珠器 2（又叫回珠器或反向器） ，并用回路管道 5 将滚珠 3 引回，构成滚珠连续工作的循环通路。图 4-1 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副的优点是摩擦因数小。传动效率高，可达 0.920.96，所需传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行，随动精度和定位

25、精度高；磨损小，寿命长，精度保持性好；可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度；运动具有可逆性，不仅可以将旋转运动变为直线运动，也可将直线运动变为旋转运动。缺点是制造工艺复杂，成本高，在垂直安装时不能自锁，因而需附加制动机构。滚珠丝杠螺母别的结构有内循环与外循环两种方式。图 4-2 所示滚珠在循环过程中，有时与丝杠脱离接触者叫外循环；始终与丝杠保持接触者叫内循环。15图 4-2 循环方式其中内循环系列均采用反向器实现滚珠循环。反向器有两种形式：如图 4-3图 4-3 反向器形式a）圆柱凸键反向器如图所示，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位，以

26、保证与螺纹滚道的方向对准。b）扁圆镶块反向器如图所示，反向器为一半圆头平头键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽。反向槽靠镶块的外轮廓定位，以保证与螺纹滚道的方位对准。4.1.2 滚珠丝杠副的计算选用滚珠丝杠副的计算选用由于滚珠丝杠副已标准化系列化并由专业厂生产和供应，故对使用者主要是选用计算问题。选定进给传动用滚珠丝杠副时，应权衡下列几项内容：1、机床定位精度要求与丝杠精度2、丝杠的刚性与转动惯量3、丝杠的临界转速4、丝杠的压曲载荷165、丝杠寿命滚珠丝杠副的承载能力用额定负载表示，其定义、计算和选用方法与滚动轴承基本相同。一般根据额定动载荷选用滚珠丝杠副，只有当 n10r/min

27、 时按额定静负荷选用。对于细长承受压缩的滚珠丝杠副需作压杆稳定性计算；对转速高、支承距大的滚珠丝杠副需作临界转速的校核；对精度要求高的传动要进行刚度验算，转动惯量校核，对闭环控制系统还要进行谐振频率的验算。1、铣削要素假设选择一零件进行工况分析，如图 4-4 图 4-4 零件工况图1）选择铣刀直径 ,16mmd 3Z查金属机械加工工艺人员手册表 14-69 硬质合金立铣刀1119P2） 计算铣削用量 铣削深度pa由于本台机床主要用于教学实验和一些中小型企业，铣削深度的选择主要由加工余量和表面质量决定。比如：在工件表面粗糙度值要求为=12.525um 时，如果端铣削的加工余量小于 6mm，aR粗

28、铣一次走刀就可以达到要求。但在余量较大，或工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次走刀完成。在工件表面粗糙度值要求为17=3.212.5um 时，可分为粗铣及半精铣两个工序进行。粗铣时铣削深度选取同前面一aR样。粗铣后留 0.51.0 余量，在半精铣时切除掉。在工件表面粗糙度值要求为=0.812.5um 时，可分为粗铣、半精铣、精铣三步进aR行。半精铣时铣削深度选取 1.22.0 mm；精铣时切削深度取 0.30.5 mm查金属机械加工工艺人员手册表 14-69 得切削深度 取1119P,31mmapmmap2铣削进给量（铣刀每齿进给量）zf考虑到工件的刚性与铣刀的强度,粗铣时铣削力不大,硬

29、质合金铣刀的每齿进给量受工艺系统钢性的限制；精铣时，每齿进给量受工件表面粗糙度的限制。查金属机械加工工艺人员手册表 14-69 得每齿进给量，1119Pzmmfz/07. 005. 0取zmmfz/07. 0铣削宽度ea查机械工程及自动化简明手册表 6-20 得 取dae)8 . 04 . 0(mmdae8165 . 05 . 0铣削速度v 查金属机械加工工艺人员手册表 14-67 得： min)/(1 . 01 . 05 . 05 . 033. 045. 0mzafatdCvezpv式中： 系数；查金属机械加工工艺人员手册表 14-67 得vC53vC 铣刀直径（）；d,16mmd 刀具耐用

30、度; 查机械加工工艺手册表 2.4-72 得 T=60mint 铣削深度（）; pammap3 铣削进给（m/z）; zfzmmfz/07. 0 铣削宽度（mm）; eammae8 铣刀齿数；Z3Zmin/89.753807. 036016531 . 01 . 05 . 05 . 033. 045. 0mv18计算铣刀转速 n 查机械加工工艺手册得：578p min/1000rdvn式中：v 铣削速度（m/s）; v=75.89m/mind 铣刀外径（mm）; d=16mmn 铣刀转速（r/s）min/15101614. 389.751000rn计算进给速度查机械加工工艺手册得：578p zn

31、ffnvzf式中： 铣刀每齿进给量； zfzmmfz/07. 0Z 铣刀齿数；Z=3n 铣削速度；n=1510r/minf 铣刀每转工作台移动距离，即每转进给量（mm/r） 进给速度（mm/s）fv min/1 .3171510307. 0mmvf计算有效动力查金属机械加工工艺人员手册表 14-69 得1113p )(72. 086. 014. 0510KWnzazpCPePfad式中： 系数；查表 14-69 取PC1113p36. 3PCd 铣刀外径（mm）; d=16mm 铣削深度（）; pammap3 铣削进给（m/z）; zfzmmfz/07. 0 铣削宽度（mm）; eammae8

32、19Z 铣刀齿数；Z=3n 铣削速度；n=1510r/minP 切削功率（KW）KWKWp2 . 268. 015103807. 03161036. 372. 086. 014. 053）计算铣削力铣刀上的切（铣）削力工件为镁铝合金；刀具采用立铣刀，材料为高速钢；铣削形式为端铣且是对称铣削，铣刀直径 16。查实用金属切削加工工艺手册得：164P)(8 . 986. 074. 086. 0NDzBfaCFzPFc式中： 加工材料的影响系数，取FC68FCB 铣削宽度（mm）D 铣刀外径（mm） 铣削时的主切削力（N）cFNFc82.373163807. 036886. 074. 086. 0工件

33、所受的切削力查金属切削加工技术表 3-1 得纵向切削力=(0.30.4) fFcF取 NFFcf837.13082.37335. 035. 0横向切削力=(0.850.95) eFcF 取 NFFec438.33682.3739 . 09 . 0垂直方向切削力cvFF)55. 05 . 0( 取NFv601.20582.37355. 02、滚珠丝杠副的计算以 X 向为例。已知条件：工作台重量： ，工件最大重量，工Nm8501Nm1002作台最大行程：，摩擦系数：mml400120f=0.04。丝杠寿命 15000 小时（两班制工作十年），工作可靠性为 95%。电动机通过轴与滚珠丝杠相联，用旋转

34、变压器作为位置检测元件。工作台导轨采用燕尾型滑动导轨。以下计算参照数控铣床设计1）工作台和工件的质量NG9501008501由吴振彪主编的机电综合设计指导P16 得)2(GFFfKFFcvLm式中：，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）;G 为移LFvFcF动部件的重力（N）；K 和分别为考虑颠簸力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数。f对于燕尾导轨：,，贴塑导轨，取4 . 1K2 . 0f05. 003. 0f05. 0f 2）丝杠的最小载荷 NGFFfFcv86375.70)950837.1302601.205(05. 0)2(min3）丝杠最大载荷 NGFFfKFFCvL87

35、695.541864.70438.3364 . 1)2(max4）平均载荷 NFFFm9 .38439 .709 .541232minmax假设丝杠最高转速为 2000r/min工作台最小进给速度为 1mm/min丝杠最低转速为 0.1r/min,可取为 0， 则平均转速 n=(2000+0)/2=1000r/min百万转18001015000200060106066nTL5）计算当量动载荷 mC滚珠丝杠最大动载荷可用下列公式计算：aCmWHaFffLC3式中：L滚珠丝杠寿命系数（单位为转，如果 1.5 则为 150 万转）。61 10 （ 其中 T 为使用寿命时间，h），普通机械 50001

36、0000 660/10LnTh，21数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为 15000h、航空机械 1000h； 载荷系数（平稳或轻度冲击时为 1.01.2,中等冲击时 1.21.5，Wf 较大冲击或振动时为 1.52.5）； 硬度系数（HRC58 时为 1.0，等于时为 1.11，等于 52.5 时为Hf1.35，等于 50 时为 1.56，等于 45 时为 2.40）；Wf滚珠丝杠的额定动载荷（N）。aC代入可得mWHaFffLC3NCa5 .56189 .3842 . 1118003 查启东华森精密滚珠丝杠副得：选择内循环滚珠丝杠 FND2004 型 3 系列主要参数如下：公称直径=2

37、0mm 导程=4mm hP 动载荷=5.7KNaC 钢球直径mmDw3812. 2 滚珠螺母安装连接尺寸mmL391螺纹滚道半径取一般，这里取0)58. 052. 0(dR mmdR31. 13812. 255. 055. 00偏心距mmdRe084. 0)2381. 231. 1 (707. 0)2(707. 00丝杠内径mmRedd55.1731. 12084. 02202221 则预紧力KNCFap425. 17 . 54141 丝杠最大载荷pFkKNF39 .541max 不必对预紧力提出额外的要求 该系列采用反向器实现滚动循环3、丝杠螺母的校核：(唐可洪主编的机电一体化设计基础 P2

38、5）1）压杆稳定性的核算：压杆稳定性的核算是对按照额定动载荷选定的丝杠名义直径，在给定的支承条件下，承受最大的轴向压缩载荷时，核算丝杠有没有产生纵向弯曲的危险。 22max/()kksFfEIKlF22 式中：为实际承受载荷能力kF 压杆稳定的支承系数（双推双推时为 4，单推时为 1，双推简支时为 2，kf双推自由式时为 0.25）； 钢的弹性模量；E52.1 10aMP 丝杆小径的抗弯截面惯性矩（）； I1d64/41dI 压杆稳定安全系数，一般取为 2.54，垂直安装时取小值。K如果40 F=213.025 D=25 b=52）X 轴的行程是 400，底座尺寸宽度比 500 多一点由此得滑

39、座与底座导轨的尺寸,得：H=50 H1=51.5 A=225 A1=233 B=295 B1=305.1 B280 F=307.050 D=50 b=829如下图 5-1图 5-1 燕尾型导轨5.1.6 导轨材料的选择导轨材料的选择导轨的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等，考虑到耐磨性和减振性好、工艺性好和成本低等因素，本次设计导轨材料选用铸铁材料。5.1.7 导轨的润滑与防护导轨的润滑与防护1、导轨的润滑为了能减小摩擦，提高机械效率；减少磨损，延长寿命；降低温度，改善工作条件和防止生锈。导轨可以采用润滑油润滑，通过手动润滑泵使润滑油经过分油管道对各个运动副进行润滑。这种方法效果较好，润滑可靠，

40、且经济方便。2、导轨的防护导轨的磨损使机床逐渐地丧失精度。除采用洁净的润滑油或对润滑油进行过滤外，还应对导轨进行良好的防护，防止或减少导轨副磨损、延长导轨寿命。在设计和选定导轨的防护装置时，考虑到：最好能使导轨面封闭起来，与各种硬粒隔绝；如果不能封闭，防护装置应能将落在导轨上的尘屑较彻底地排除，以防进入磨擦副；防护装置的材料应具有耐红热切屑的能力和有防冷却液浸蚀的能力；在结构上应便于装卸以保证清洗导轨方便，还应具有一定的强度和刚度，此外还要注意到成本低、寿命长、外形美观等等。我们初步选定叠层式防护罩，这种防护罩随着导轨的移动可以伸缩使用。由于防护装置已有专门工厂生产，可以外购。305.2 进给

41、电机的选择与计算进给电机的选择与计算正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重要问题之一。它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求、所设计的结构、工作状况等全面考虑，选择适宜的结构形式及容量。XK0824 立式数控铣床的进给电机均选用步进电机，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或直线位移的控制执行元件，可在宽广的范围内调速。在负载能力范围内，其出转角定位精度无积累误差，特别适合于开环数控系统。步进电机也称脉冲电动机。对步进电机输入一个控制脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移） ，称为一步。脉冲数增加，位移量随之增加；脉冲频率增高，则位移变化的速度增高；脉冲的

42、相序反向，则位移的方向反向。步进电机的工作原理就是电磁吸收原理。它具有控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态响应快、自启动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉等优点，但有带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步和断电后无定位转矩的缺点。选择电机参照文怀兴数控铣床设计P851）最大切削力负载扭矩计算滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩为mNPFThppo.191. 08 .29004. 010425. 18 .293mNiTTPFTfoPOh.214. 1164. 0191. 09 . 014. 32004. 088.5412max滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩查单个轴承的摩擦力矩为 0.

43、32Nm,故一对轴承的摩擦力矩1,.64. 0imNTfo2）负载惯量计算工件，夹具与工作台折算到电机轴上的惯量1J222221000038. 014. 32004. 010950)2()2()(mkgPmnnPmvmJhh式中：v 工作台移动速度 电机的角速度31m 直线移动件工件，夹具和工作台的质量丝杠加在电机轴上的惯量()2J33/1085. 7mkg2433420000592. 002. 0104801085. 714. 3321321mkgdJ联轴器加上锁紧螺母等的惯量3J230001. 0mkgJ负载总惯量22321972. 10001972. 0cmkgmkgJJJJr按照小型数

44、控机床惯量匹配条件：，所选电机的转子惯量应在41rmJJ2888. 7972. 1cmkg 选电机，根据东元微电机产品综合目录可选交流伺服电机 TSB13152C参数： 额定输出（W）：1500 额定线间电压（V）：200.3 额定相电流（A）：7.06 额定扭矩（N M）:4.782 转子惯量（kgcm2）：6.37 重量（kgf）:6.65.3 工作台的设计工作台的设计工作台不升降铣床有十字工作台型，立柱移动型，滑枕移动型每型都有立式和卧式及各种变型。初选十字工作台型。现在工作台用级铸铁，其硬度一般不低于 HB170240。并且要求时效处理。根据设计任务书要求，工作台尺寸是 800X240

45、mm。分配 T 型槽，工作台宽度为 240mm。分配为 5 个 T 型槽。据公司要求及参照机械设计手册。初选：T 型槽宽度 A=14mm， T 型槽间距 P=45 mm。 分配 5 个 T 型槽。32表 5-1 机床与通用机床附件配套时 T 形槽尺寸的选择（mm）工作台宽度125160200250320400500630T 型槽宽度 A12（10）12（10）14（12）14（12）18（14）18（14）22（18）22（18）T 型槽间距 P50506363801001251255.4 同步带传动设计同步带传动设计同步带传动是由一根内表面设有等间距齿形带及具有相应吻合的轮所组成。该传动机构

46、具有良好的动态特性，综合了带传动，链传动和齿轮传动各自的优点。传动时通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。5.4.1 同步带传动的特点同步带传动的特点同步带传动的具有准确的传动比，无滑差可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1：10。允许线速度可达 50，传动功率从几瓦到几千瓦。传动高利率高，一般可达 98%，结构紧凑，适宜用于多轴传动，不需要润滑，无污染，可在工作较为恶劣的场所下正常式作。因此适用于较多场合。5.4.2 同步带与带轮的选择同步带与带轮的选择同步带采用机械接头或硫化接头。机械接头是用一排钢制卡子接连同步带的两端，因对胶带损伤较大，接头处的强度仅为胶带

47、强度的 3540；硫化接头是将接头部位的胶布层和覆盖层切割成对称的阶梯，涂以粘胶，加热而成。硫化接头的强度能达到胶带强度的 8590，且能防止带芯腐蚀、延长其使用寿命。本设计同步带采用硫化接头。5.4.3 同步带传动的设计计算同步带传动的设计计算以下计算参照圣龙王同步带轮已知条件：min/2000rn 1）设计功率)(KWPdKWPKPAd8 . 15 . 12 . 133式中：工况系数，取 AK2 . 1AK 传动功率P2）节距)(mmPb选取 H 型，7 .12bP3）小齿轮齿数1Z必须满足，取min1ZZ 241Z4）小带轮节圆直径)(1mmdmmZPdb07.9714. 3247 .1

48、211表 5-2 参数表型 号MXL、XXL、XLL、HXH、XXH模 数1、1.5、2、2.53、4、57、10maxV4050354025305）带速)/(smvmax11100060vndvsmsmv/35/2 .10100060200007.9714. 36）传动比101i7）大带轮齿数2Z2424122 iZZ8）大带轮节圆直径)(2mmdmmidZPdb07.971229）初定中心距)(0mma)(2)(7 . 021021ddadd34)207.97(2)07.9707.97(7 . 00a 28.388898.1350 a取mma300010）初定带的节线，长度以及齿数)(mm

49、LopbZ 02122104)()(22addddaLop =29040)207.97(214. 33002 =mm7998.904取72,40.914bpZmmL11）实际中心距)(mma20oppLLaa27998.9044 .914300mm8001.30412）小带轮啮合齿数mZ)(2212211ZZaZPZentZbm 612minZ13）基准额定功率)(0KWP1000)(20vmvTPa式中： 带宽的许用工作拉力aT0sb 带宽为的单位长度的质量m0sb根据带型号、和得：1n1ZKWP82. 1014)带宽)(mmbs14. 100PKPbbzdss35由型号 H 选定mmbs4

50、 .250得：15.25sb式中： 选定型号的基准宽度0sb 小带轮啮合齿数系数ZK表 5-3 小带轮啮合齿数系数mZ65432ZK10.80.60.40.215）作用在轴上的)(NFrNvPFdr47.1762 .1010008 . 1103366.1 对床身结构的要求对床身结构的要求机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴相等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在以下4 个方面提出了更高的要求。1、很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装零部件的加工面和

51、运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要能长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。2、应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度一质量比。动刚度直接反映机床的动态持性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共

52、振及因薄壁振动面产生的噪声。3、较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。6.2 底座的设计底座的设计由于 XK0824 数控立式铣床的底座未形成批量生产，所以从经济的角度考虑采用焊接结构比较划算。底座的材料采用了大量的钢板和型钢，因为用钢板和型钢焊接有许多优点：（1）不需要制造木模和浇铸，生产周期短，不易产生废品。 （2）减轻重量。钢的弹性模量约为铸铁的二倍。在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如果要求支承件的刚度相同，则钢焊接件的壁厚可为铸铁的一半。 （3）提高固有频率。无论是刚度相同减轻

53、重量或重量相同提高刚度，都可以提高固有频率，使得共振不易发生。 （4）可以采用完全封闭的箱形结构，不象铸件那样要留出砂孔。 （5）如发现结构有缺陷，如刚度不足，可以补救。例如可加焊隔板或筋。由于上述优点，焊接的支承件在自制设备等小批、单件生产的领37域得到广泛的应用。XK0824 数控立式铣床的底座均采用 Q235 的碳素结构钢，焊接方式采用手工电弧焊。底座刚度的计算所采用的方法为有限元法，这里就不展开叙述。38冷却系统冷却系统7.1 冷却系统的要求冷却系统的要求1、冷却系统应满足所选定得到切削液加注方法要求。2、中切削液的供给量应充足且能调节，切削液的输送应连续且均匀，在切削终了时停止供应。3、送往切削区的切削液应保持清洁，必要时应设置净化装置，使机床杂质的颗粒度和含量符合允许的要求。4、应有防护装置，以免切削液飞溅，影响工作地的清洁，不使切削液侵入机床部件内。5、冷却系统不工作时，全部切削液应回流冷却液箱。应能方便地更换全部切削液，冷却液箱应适于清理。6、冷却系统的工作情况应便于观察。7、喷嘴位置应能方便地调整。8、冷却箱的形状及整个冷却系统应满足机床总体布局的要求。7.2 冷却系统组成冷却系统组成1、冷却泵-以一定的压力和流量向切削区供应冷却液。2、冷却箱-沉淀用过的并贮存待用的冷却液。3、输液装置-管道、喷嘴等，把冷却液送到切削区。4、净化