[优秀毕业设计]数控雕铣机电主轴系统设计

1、目录1绪论 411 数控雕铣机的概述 412 数控雕铣机和数控铣床的区别 413 数控雕铣机和数控雕刻机的区别 514 数控雕铣机的开展与现状 6 典型数控雕铣机的介绍 624040S数控模具雕铣机的简介 721 4040S数控模具雕铣机的工艺范围 822 4040S数控模具雕铣机的特点 823 4040S数控模具雕铣机的主要技术参数 834040S数控模具雕铣机布局设计方案 931 机床总体布局设计 932 设计方案分析 104电主轴单元简介 1141 电主轴概述 1242 电主轴对现代数控机床开展的意义 1343 电主轴的根本结构 145电主轴系统的设计 1551 Z向主传动系统的方案设计

2、 15511 电主轴的冷却与润滑 15512 3KW电主轴的安装 1652 Z向进给系统方案设计 17521 滚珠丝杠副的选择 17522 滚珠丝杠的支承结构 18523 支撑轴承的选择 18524 滚珠丝杠的制动装置 19525 Z向伺服电机与进给丝杠的联结结构 19526 Z向导轨 196主轴系统零部件的计算与校核 2061 主轴系统的重力计算 2062 主轴切削力计算 2163 滚珠丝杠副的选择计算 2264 Z向进给伺服电机功率的计算及选择 317. 数控编程软件Mastercam简介 37小结 39致谢 40附录：参考文献典型零件数控加工程序相关专业英文翻译图纸4040S数控雕铣机电

3、主轴系统设计摘要：调查研究了雕铣机的开展和电主轴对数控机床的开展意义。介绍4040S数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和Z向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了3KW主轴安装座的机械机构和电主轴的冷却和润滑的方式。Z向进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和Z轴伺服电机的选择计算和校核。最后，通过模拟编程软件Mastercam,对相关零件进行加工。关键词: 数控雕铣机床；电主轴；滚珠丝杠；直线滚动导轨；Z轴The design of the electric spindle system in

4、 the 4040S CNC engraving and milling machineAbstract:The development of the CNC engraving and milling and the meaning of the electric spindle to the NC machine was investigated. The process of design for 4040S CNC engraving and milling machine was introduced, including the design project of the mach

5、ine, the design of main driving system and the mechanical structures of the feeding mechanism of Z axis. In the section of main driving system, the 3KW fastening seat of the electril spindle and the coling and lubrication of the electric spindle was analysised. In the section of the feeding mechansi

6、m of Z axis , the assembly of the straight guide-way and the bearing of the ball screw and so forth was presented.The calculation mainly includes two aspects: choosing and verifying the ball screw and the servo-motor of Z axis. At last, via the simulation programming software Mastercam, the related

7、part was generated.Keywords: CNC engraving and milling machine; Electric spindle; Ball screw; straight guide-way; Z axis1绪论1.1 数控雕铣机的概述近年来，在模具加工行业中，人们一直在探索用一种比拟完美的加工方式来替代电火花成型加工，以防止工件外表质量因电加工后产生型面微观裂纹。 深型腔加工优势 深槽窄缝加工传统的电火花成型加工 微细复杂型腔加工 花纹加工 缺点 图案型腔加工 大型面良好的外表粗糙度加工工艺较多、时间较长高速铣削方式在这些模具加工中具有很大的优势，同时，伴随

8、着加工高硬度材料刀具技术的开展，高速数控铣床在模具加工中的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工外表质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具高速数控雕铣机。通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅具有高效率强力粗铣半精铣加工能力，同时具有高外表加工质量的精细雕刻功能，使高效率和良好外表质量得以有机统一。 数控雕铣机和数控铣床的比拟 = 1 * ROMAN I. 机型上的区别： = 1 * roman i 数控铣床主要用于完成较大铣削量的产品的加工； = 2 * roman ii

9、 雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工；或对软金属的加工。 = 2 * ROMAN II. 从机床的主轴转速分析 = 1 * roman i 数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速08000RPM左右； = 2 * roman ii 雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速150030000RPM左右。 = 3 * ROMAN III. 从机床采用的数控系统的角度来看 = 1 * roman i 数控铣床对数控系统的要求：稳定可靠，操作方面，维修方便等，现 在市场上的数控系统主要集中在FANUC和西门子及MITISUBISH控制器； = 2 * roman ii 雕刻机大局部采用企业自主研发或

10、者外购的工业控制器。 综上所述： 雕铣机大局部用于模具行业，也进行一些小切削量的铣削。而数控铣床大局部在机械加工行业中使用，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的加工。 雕铣机与雕刻机的比拟对雕铣机(Router)与雕刻机(Engraver)的区别，很多人都不清楚。人们直观上的感觉是小幅面的是雕刻机，大幅面的是雕铣机，或叫雕凿机、镂铣机，或干脆统称大雕刻机。其实它们是两类不同结构的机器，但工作原理大致相同，都是由X、Y、Z三轴驱动，由电子控制器控制移动。 = 1 * ROMAN I. 从用途上分：雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕刻，雕刻一次进刀深度约在1mm3mm左

11、右，在标志、标牌方面应用较为普遍。 = 2 * ROMAN II. 从机械构造方面：雕刻机的设计轻巧，X、Y轴移动速度快，Z轴行程较短，适合雕刻5mm8mm的材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平3mm以下的薄板材。雕刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以此使转速增大，这样雕刻出来的工件质量就较为光滑。其使用的雕刻刀具较长，长度约在，直径为左右。由于设计方面的限制，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂铣。例如做三维雕刻，尽管落差很大，但200mm宽材料可一次完成，一次进刀量相当大。雕铣机可供选用的刀具直径规格从1mm16mm，

12、其刀具长度为5080mm。我们可以灵活使用，装细刀干细活，装粗刀干大活。由于机器设计注重重型负载，机架刚性大，Z轴行程大，因此不仅可以做小型雕刻机的工艺，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达20mm30mm，这是雕刻机根本做不到的工艺制造。 国内数控雕铣机的开展和现状随着家具制造业、广告招牌业、模具业的开展，尤其是模具业对外表加工要求的提高，以及传统电火花加工的缺乏，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的开展。国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比方北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻CAD/CAM技术、CNC

13、数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。 典型数控雕铣机的介绍北京精雕-睿雕系列Carver600G_UCarver600G_U机械性能参数指标主要性能指标项标准值工作台尺寸700650mmX、Y、Z轴工作行程600500300mm快速移动速度10m/min主轴转速2100-24000rpm最高切削进给速度6m/minX/Y/Z轴运动定位精度300mmX/Y/Z轴重复定位精度机床外形尺寸204218902144mm图1-1 Carver600G_U模具雕刻机特点及应用： Carver600G_U在合理的工艺方法下，最大可以使用16的刀具进行加

14、工。Carver600G_U使用精雕最新的JD45数控系统，各轴快速移动速度达10m/min,进给速度达6m/min；配备手轮，操作方便、控制平稳。Carver600G_U适合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。上海洛克MEII-4540模具雕刻机 MEII-4540模具雕刻机技术参数表主要性能指标项标准值工作台尺寸510 x500mm最大雕刻尺寸(X、Y、Z)450 x400 x145mm高雕刻速度4.0 m/min主轴电机2200 W主轴电机最高转速24000 r/min刀柄直径4、6、3.175 mm外型尺寸1310 x1330 x1700 mm图1-2 ME

15、II-4540模具雕刻机特点及应用： 2003年最新推出的新型模具雕刻机,机身采用双立柱龙门式结构,装夹进料都十分方便.采用德国原装滚珠丝杆,进口矩形直线导轨副,精密细分驱动系统,满足模具加工所需要的刚性和精度要求,2.2kw意大利变频电主轴使此款模具雕刻机拥有更大的切削率。特别适用于注塑模,冷冲模等各种钢模以及滴塑模、烫金模、紫铜电极等铜模的制作加工。左右、最高切削速度在46m/min之间。2. 4040S数控雕铣机的简介：数控模具雕铣机是一款集雕刻机和铣床功能于一身的数控机床。它充分集合了两种机床的优势，即能完成铣削任务，又能完成雕刻功能，使被加工工件到达高精度和高质量外表。 图2-1 4

16、040S数控雕铣机2.1 4040S数控模具雕铣机的工艺范围：4040S是一款经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备外观大方、结构稳定、易操作、通用性强，主要用于各种钢模、注塑模、紫铜电极、精密滴塑模、烫金模，以及冷冲模等的加工，在合理的工艺条件下，可加工出外表极佳的效果。2.2 4040s数控模具雕铣机的特点： 床身整体铸造，刚性好，减震好 采用高精密级直线导轨 采用日本三菱Mitsubishi公司伺服系统，精度高，性能好 主轴配置千瓦恒功率电机，大功率，可满足加工要求 有一定模具刚的粗加工能力 定位精度 重复定位精度 使用英国Renishaw公司激光干预仪进行精度保证 采用台湾新代控制器，

17、性能稳定，操作方便，支持G代码，常用的CAM软件后处理，都可以运行加工，独有的手轮模拟功能和自动对刀功能使在加工中保证了效率 4040S数控模具雕铣机主要技术参数：表2-1名称参数工作台尺寸X/Y500480mm最大行程(X/Y/Z)400400150mm最大工件尺寸X/Y/Z460600200mm最大刀具直径Er2013mm最大进给速度5m/min主轴电机功率3KW主轴转速范围150024000r/min分辨率/脉冲定位精度重复定位精度外型尺寸长/宽/高150012001800机器总功率5 KW机器轴联动数33. 4040S数控模具雕铣机总体布局设计方案数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中

18、小型经济型数控加工设备。它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。 机床总体布局设计：数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达24 000rmin左右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。 对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上。

19、 理论设计上，4040S数控模具雕铣机总体结构布局如下图。图3-1 4040S数控雕铣机布局设计图机床主要组成： 二维数控十字工作台5( X-Z向) 立柱4 一维数控工作台1(Y向) 主轴组件2 泵站3 操作及控制柜6 设计方案分析：本设计中，数控雕铣机选用龙门式结构。龙门式结构具有良好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用龙门架式铣床结构，并设计了较宽的立柱和横梁。为克服不良力矩的问题，尽量加宽了X、Y、Z三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床的刚性。因孕育铸铁米汉那铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故

20、本机床整体式床身底座采用孕育铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对Y轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动局部在高速移动时对非移动局部的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比拟细小的加工，加工精度比拟高，对软金属可进行高速切削。4 电主轴单元简介 电主轴概述高速数控机床是装备制造业的技术根底和开展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机

21、架等几个局部，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作本钱也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支承轴承、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。如果通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动

22、和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成困难。目前，随着电气传动技术变频调速技术、电动机矢量控制技术等的迅速开展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，根本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元，俗称“电主轴。它在英文中有多种称谓，如Electric Spindle, Motor spindle和Motorized Spindle等等。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电

23、动机，故也称为“高频主轴High Frequency Spindle。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴Direct Drive Spindle。电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，不但转速高、功率大，还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与平安性。使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定

24、位，是高速主轴单元中的一种理想结构。当然，将电动机内置也会带来不少麻烦，但在高速加工时，采用该举措几乎是惟一的选择，也是最正确的选择。原因如下：1如果电动机不内置，仍采用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，那么在高速运转条件下，由此产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加工外表粗糙度，而产生的噪声导致环境质量的恶化，这些问题都很难解决。2高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，即要求主轴回转时具有很高的角加速度和角减速度。到达这个要求的最经济的方法是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮、带轮等一系列中间环节，才有可能到达这一

25、目的。3电动机内置于主轴两支承之间，与用带轮、齿轮等作末端传动的结构相比，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率、从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速运转时的平安。4由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使得主轴轴承的使用寿命相应得到延长。5电主轴与传统的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，这样便于把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联虚拟轴机床上。电主轴内置于主轴部件后，不可防止的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变

26、换。高速轴承有时要有专门的润滑装置。另外为了保证高速回转部件的平安，还要有报警及停车因此，“电主轴的概念不应简单地理解为只一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统，如图4-1所示。图4-1 完整的电主轴系统 电主轴对现代数控机床开展的意义采用电主轴高速加工的优势：1加工时间大幅度缩短，加工节拍只有原来的1/4，这意味着一台高速机床可以代替4台普通CNC机床。2外表质量很高，不用在进行比方打磨等外表处理工序。3零件可换性好，有利于模具行业制造4零件变形小，可以加工很薄的零件。5从管理角度看，高速机床的投资可以很快收回，并能缩短交货期，占地面积小，人工数量可减少。表4-1 高速加

27、工与传统加工的比拟机床类别技术参数普通CNC机床HSC高速机床刀具直径/mm66主轴转速/(r/min)200024000计算进给速度/(mm/min)60010000切削速度/(mm3/min)12004800外表粗糙度/m6加工时间/h由表4-1 可见，电主轴带给数控机床的是高切削速度、高进给速度、高加工精度。这将会是数控雕铣机及各类机床的主要开展方向。 电主轴的根本结构高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个局部进行精心设计和制造。电主轴根本结构原理如下图。 图4-2 电主轴的结构原理图轴壳 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常

28、将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，应该严格控制整机装配精度。转轴转轴是速电主轴的主要回转主体，其制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。当转轴高速运转时，由偏心质量引起的振动，严重影响其动态性能。因此，必须对转轴进行严格的动平衡，局部安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡。轴承高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。这种轴承具有高速性能好、动载荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发研制了陶瓷轴承、动静压轴承和磁

29、浮轴承。5 电主轴系统的设计方案5.1 Z向主传动系统的方案设计主传动系统是实现主运动的系统，它的转速高，传递的功率大，是数控机床的关键部件之一。数控雕铣机转速高，不适合采用传统的“主电机+皮带传动+齿轮变速 的传动方式，因而采用了铣削电主轴。电主轴是为高速数控机床而开发的一种新型的主轴部件， 目前在高速切削机床上得到了广泛的应用。它结构紧凑，重量轻，惯最小，可提高启动、停止的响应特性，且利于控制振动和噪声。 电主轴的冷却与润滑电主轴的工作转速极高，为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂。本机床电主轴采用水冷却，其冷却装置配置在机床的后部。电主轴的润滑方式有脂润滑、油

30、雾润滑和油气润滑三种方式，可以根据不同情况下的需要任选其一。当采用脂润滑时，一般其相应的速度相对油雾润滑、油气润滑要低。因本机床主轴要求的最高转速相对较低(最高转速为24000rmin)，故采用脂润滑。5.1.2 3KW电主轴的安装3KW电主轴安装座的3维造型如图5-1所示图5-1 3KW电主轴安装座的3D建模在电主轴系统上的安装如图5-2所示。通过三个M10内六角圆柱头螺钉3将电主轴锁紧，这种锁紧方式，操作简单，夹紧可靠。在两个M10内六角圆柱头锁紧螺钉之间，分别打两个M10的螺纹孔6。其作用是在拆卸的时候，通过拧入M10的内六角圆柱头螺钉，将距离为2mm的安装间隙扩大，从而起到方便拆卸的作

31、用。 1. 电主轴 2. 3KW主轴安装座 3. M10内六角螺钉3 4. Z向滑座5. Z向拖板 6. M10螺纹孔图5-2 电主轴安装图 Z向进给系统方案设计在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，4040S数控雕铣机Z向进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，Z轴方向上采用高精度直线导轨。 滚珠丝杠副的选择本设计中Z向工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动

32、转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸开展。选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。本机床Z向进给方向的滚珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。

33、但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定Z轴滚珠丝杠的公称直径为25mm，导程为5mm。 滚珠丝杠的支承结构因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧，虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直线度，影响机床的精度。4040S数控雕铣机的Z向滚珠丝杠副的支承结构如图5-3所示。1. 伺服电机2. 联轴器3. 角接触球轴承4. 滚珠丝杠 图5-3 Z向滚珠丝杠支承和联结结构 支承轴承的选择为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠

34、支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移(丝杠微小转角)响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组合形式有背靠背组配(DB方式)、面对面组配(DF方式)、串联组配(DT方式)。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用DF组配方式。 滚珠丝杠的制动装置由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，

35、逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。4040S雕铣机采用拉伸弹簧和伺服电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。Z向伺服电机经连轴器带动Z轴丝杠，实现Z向工作台的升降。防止Z向工作台及其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是Z向弹簧拉板装置(由弹簧拉板、拉伸弹簧、M8内六角圆柱头螺钉等组成)和伺服电机的制动器。当工作台上升时，拉伸弹簧无逆止作用，伺服电机带动滚珠丝杠转动从而带开工作台向上运动。当伺服电机停止转动时(电机带制动)，工作台及其主轴组件由于自重而要下滑，这时，Z向弹簧拉

36、板装置对工作台及其主轴组件自重的反作用力和伺服电机的制动作用，阻碍其下滑的运动，从而防止了逆传动。这种结构的特点结构简单。 Z向伺服电机与进给丝杠的联结结构在数控机床进给系统中，伺服电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步，影响机床的加工精度和传动精度。在4040S数控雕铣机床中，Z轴采用直联式，即通过非金属弹性元件联轴器属于带弹性元件扰性联轴器把伺服电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证伺服电机与丝杠的同轴度，即使伺服电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过非金属弹性元

37、件连轴器来调节。非金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高机床的抗震性。弹性联轴器的装卸也非常方便。丝杠和伺服电机的联结可参看图5-3 Z向导轨因数控雕铣机床要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床Z轴方向上采用艾必希SBG 25 FL带法兰形Flange type型高精度直线导轨。直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以垂直或倾斜安装。为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨。其安装形式有单导轨定位和双导轨定位，数控雕铣机床X、Y、Z三轴方向上均采用双导轨定位，数控雕铣机床直线导轨的安装结构如图5-

38、4所示。1. 内六角圆柱头螺钉 2. 基准导轨 3. Z向拖板 4. 非基准导轨图5-4 直线导轨的安装结构对Z向工作台，导轨2和4均采用台肩定位，基准侧导轨2用内六角圆柱头螺钉顶紧定位，使基准导轨的基准侧面紧贴滑座的的侧基面(台肩)；非基准侧的导轨6在用螺钉顶紧定位时，侧面只需轻靠在定位台肩上，不能顶紧，以防止因过定位影响运行的灵活性和精度。基准侧滑块座和非基准侧滑块座的安装均采用螺钉顶紧定位，使滑块座的基准侧面紧靠在拖板3的基准面上。这种双导轨定位方式，能有效抵抗高速加工时的振动和冲击，且安装调整简单方便。6 主轴系统零部件的计算与校核6.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由三局部组成：3

39、KW主轴安装座、滑块及拖板。根据附录中的图纸分别计算3KW主轴安装座、滑块的体积V及其重力G。查12表1-8 P5，可知工业用铝合金的密度铝合金=103(kg/m3);灰铸铁的密度HT250 103(kg/m3)。3KW主轴安装座的体积V1及重力G1计算： V1=268155200-502200-212554200-2404020010-910-3m3 G1=m1g=铝合金 V1g10310-398N滑块体积V2及重力G2计算： V2=27096730-16081246-24048570-12981570-297315710-910-3m3 G2=m2g=HT250 V2g=7.0 10310

40、-3=N拖板体积V3及重力G3计算 V3=24227505+4907212-1802006-1208642-70255410-910-3m3 G3=m3g=HT250 V3g=7.0 10310-32N主轴系统的重力计算值 表6-13KW主轴安装座N滑块拖板6.2 主轴铣削力计算4040S数控雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力Fc计算：4040S数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材，查8表，选用公式： Fc=CFKFaeafd0Zap 1式1中，CF：切削系数。查8表3020 P1020取CF=669KF：修正系数。查8表3

41、021 取CFae：铣削宽度。查8表3035取ae=af：每齿进给量。查8表3035取af =d0：铣刀直径。 查8表3035取d0 =8mmZ： 铣刀齿数。查8表3035取Z =6ap：铣削深度。查8表3035取ap= 代入式1得： Fc=66986 垂直分力、横向分力，纵向分力计算：根据7表8-6 P202，各铣削分力的比值可得：； ； 计算可得：; ; N主轴铣削力相关计算值 表6-2主铣削力Fc垂直分力横向分力纵向分力6.3 滚珠丝杠副的选择计算1)确定滚珠丝杠副的导程Ph Ph = 2Ph：滚珠丝杠副的导程mmVmax: 工作台最高移动速度m/minnmax: 电机最高转速r/min

42、i: 传动比因4040S雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1根据表2-1的技术参数可知，Vmax =5m/min ;根据电动机功率为400W, 查得nmax =3000r/min 代入式2得 Ph = = 根据16表1 P1选择导程为5mm的滚珠丝杠副2确定当量转速与当量载荷当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用时机均等时，可采用以下公式计算。当量转速nm = 3nm:当量转速r/minnmax：滚珠丝杠副的最高转速。因4040S雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副采用直联方式连接，传动比i=1。电动机所能到达的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以nmax =3000r

43、/minnmin：滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0代入式3得nm =1500r/min当量载荷 Fm = 4Fm：当量载荷N；Fmax：机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。Fmax= G1+G2+G电主轴+=6975.38=N。 Fmin：机器空载时滚珠丝杠副的传动力。因所计算的丝杠带动Z轴方向的运动。所以Fmin=G1+G2+G电主轴 = +98N=69N代入式4得 Fm = 695.21N3确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh小时计算： Cam = N 5 Cam：确定预期额定动载荷N Lh：预期工作时间小时。查14表-6 P19 取Lh=20000h。 fa：精度系数。

44、根据初定的精度等级P4，查14表-7 P19 取fa。 fc：可靠性系数。一般情况下为fc=1。在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时fc根据14表-8 P19选。 fw：负荷系数。根据负荷性质选择，查14表-9取fw=1。代入式5得Cam= 9396N拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷Fmax计算 Cam =feFmax 6fe：预加负荷系数。查14表-10 P19 取fe代入式6得 Cam=3139N取以上2种结果的最大值 Cam =9396N4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量m = 1 * GB3

45、m 重复定位精度 = 2 * GB3 m 定位精度m：最大轴向变形量m由表2-1可知，重复定位精度为mm，定位精度为mm = 1 * GB3 mm = 2 * GB3 m=2m取两种结果的小值mm估算滚珠丝杠副的底径d2m丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式 d2m210=78 7d2m：最小螺纹底径mmE：杨氏弹性模量。E=105N/mm2 m：估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量m已求得为mm F0：导轨静摩擦力NF0 =0W0为静摩擦系数。根据14表查得0；W =G1+G2+G电主轴=N F0 =0=138N L为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离mmL 行程 + 平安行程

46、+ 两个余程 + 螺母长度+ 一个支承长度 1.1行程 + (1014) Ph由表2-1：Z向最大行程为150mm L 150 + 145 =250mm 代入式7得 d2m78 =mm5确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式；由计算出的Ph、Cam、d2m，可选择相应规格的滚珠丝杠副： FFZD2505-3Ph =5Ca =10200NCam =9396Nd2 =d2m =mm6确定滚珠丝杠副预紧力 Fp = Fmax 8 其中Fmax=N Fp233N 7行程补偿值与预拉伸力行程补偿值 tLu10-6 9其中，C：行程补偿值m t：温度变化值2-3,取t

47、= Lu：滚珠丝杠副的有效行程(mm)Lu工作台行程+ 螺母长度 + 两个平安行程 行程 + (814)Ph = 150 + 145 = 210mm代入式9得21010310-6 6m预拉伸力 Ft =td22 10 =2 2338N8确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格轴承所承受的最大轴向载荷 FBmax = Ft + Fmax 11 = 2338 + =3035N轴承类型一端固定，一端游动的支承形式，选面对面DF角接触球轴承轴承内径 d略小于d2 ，FBP = FBmax 取d =20mm 代入得 FBP =3035 =1011N轴承预紧力 预加负荷FBP =1011N选择轴承型号规格当d

48、=20mm,预加负荷FBP =1011N 所以选择7204AC型轴承9滚珠丝杠副工作图丝杠螺纹长度Ls= Lu + 2Le 12由14表-2 P11 查得余程Le=20代入式12得 Ls= 210+220=25010传动系统刚度丝杠最小抗压刚度丝杠最小抗压刚度 Ksmin =102 13 Ksmin：最小抗压刚度 N/m ：丝杠底径 ：固定支承距离。=375 代入式13得 Ksmin =102=211N/m丝杠最大抗压刚度 Ksmax=102 14Ksmax：最大抗压刚度 N/mL0：行程起点离固定支承距离，查14表，其滚珠螺母的全长为84mm，取L075mm Ksmax=102 =330N/

49、m11滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验验算压杆稳定性 丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力Ft滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc不用验算12滚珠丝杠副的极限转速nc的校验 nc =f107 15 nc：临界转速 n/min f：与支撑形式有关的系数，查14表-14 P24，取 Lc2：临界转速计算长度mm，Lc2= L1- L0=300mm 代入式15得 nc =107 =53290nmax =3000 合格13Dn值校验 Dn =DPWnm70000 16其中，DPW：滚珠丝杠副的节圆直径mm DPW d2 + DW DW：刚球直径，查14表 可得DW= DPW 代入式16得 Dn =DPW

50、nm1500=3810070000 合格14根本轴向额定静载荷Coa验算 fsFamax Coa 17 式中： Coa：滚珠丝杠副的根本轴向额定静载荷N。查14表 P38，可得Coa =23600N fs：静态平安系数。一般载荷fs=12，有冲击或振动的载荷fs=23 Famax：轴向最大载荷N fsFamax=104723600 校验合格15强度验算 18式中:许用应力N/mm2。根据滚珠丝杠材料OCr13，查21，可知 =390 MPa代入式18得=146907N；Fmax =N 显然 Famax强度满足 滚珠丝杠副选择的主要计算值 表6-3滚珠丝杠副的导程Ph=5mm当量转速nm=150

51、0r/min当量载荷Fm预期额定动载荷Cam最小螺纹直径D2m滚珠丝杠副预紧力Fp=233N行程补偿值C=6m预拉伸力Ft=233N丝杠长度L=500mm丝杠最小抗压刚度Ksmin=211N/m丝杠最大抗压刚度Ksmax=330N/m极限转速nc=53290 n/min根本轴向额定静载荷Coa =23600N Z向进给伺服电机功率的计算及选择1建立计算模型三维结构示意图图6-1 计算模型三维结构示意图计算模型 图6-2 计算模型2加减速时间计算进给速度：V=2m/min进给时间：tm=4.6s行程: l=150mm加速时间：ta (s)减速时间：td (s) 当ta= td时： 图6-3 速度

52、变化曲线 代入条件得： 3换算到电机轴负载惯量的计算滚珠丝杠的惯量 19其中， ：滚珠丝杠重量。=V =L 20 L：滚珠丝杠直径。由表6-3，L= ：滚珠丝杠直径。查14表 P38，可知=20mm代入式20得 =1031.9kg代入式19得 负载的惯量 21其中，：负载质量。=10.044+10+kgkg ：滚珠丝杠导程。=5mm 代入式21得 换算到电机轴负载惯量 22 其中，：减速比。因无减速器，所以=1 、：中间机构的惯量。应没有采用减速机构，因此=0 代入得 4负载转矩的计算对外力的转矩 23其中，：外作用力。=10.044+10+5kgkg ：滚珠丝杠导程。=5mm 代入式23得

53、换算到电机轴负载转矩 24 ：效率。电机与丝杠采用弹性联轴器连接，其= 那么 5旋转数的计算 25 ：电机所需转速r/min V：进给速度m/min。V=2 m/min ：滚珠丝杠导程。=5mm ：减速比。因无减速结构，所以=1 代入得 6电机的初步选定 定电机的转子惯量为负载的以上的电机 初步选台达ASMT L250，规格：低惯量 400W。额定转速N：3000r/min额定转矩：1.27Nm瞬时转矩T：3.82Nm电动机惯量：选定电机的额定转矩 ASMT L250的额定转矩 7加减速转矩的计算 8瞬时最大转矩、有效力矩的计算必要的瞬时最大转矩为T1T1=TA+TL=0.076=3T2=TL

54、6 T3=TL-TA=0.49有效转矩Trms 9)校验负载惯量适用的惯量比=30 条件满足有效转矩 条件满足瞬时最大转矩T1=3T= 条件满足最大转数N=3000(r/min) 条件满足 经校验,所选电机符合要求。伺服电机主要计算值 表6-4负载惯量JL=1.4010-4kgm2负载转矩TLM有效转矩Trms=0.56NM瞬时最大转矩T13 NM最大转速NM=400r/min7 数控编程软件Mastercam的简介Mastercam是一套全面效劳于制造业的数控加工软件，它包括设计design、车削 (lathe) 、铣削 (mill) 、线切割 (wire) 4个模块。其中设计模块主要用于绘

55、图和加工零件的造型；车削模块主要用于生成车削加工的刀具路径；铣削模块主要用于生成铣削加工的刀具路径；线切割模块主要用于生成电火花线切割的加工路径。其中后3个加工模块内也包括设计模块的完整设计功能。Mastercam无论是在几何建模还是二维、三维编程方面，都提供了强大的功能。图7-1 3KW主轴安装座加工面图7-2 滑块加工面在运用Mastercam时，先将UG建模的图转换成为igs格式的文件，然后将igs文件导入Mastercam软件。然后在Mastercam软件中，进行预处理，再选择加工外表。在模拟加工时，选择的加工外表是3KW主轴安装座上与滑块的安装面如图7-1所示。同时设定直径为10的立

56、铣刀、主轴转速为1000rpm、进给速度为500mm/min、退刀高度为10mm、每刀切削深度为等加工参数来完成模拟加工。具体加工程序参见附录。 小结 本次4040S数控雕铣机电主轴系统的设计，让我了解了主轴局部的工作原理，伺服电机的传动方式。同时对各零部件进行合理的设计选择。Z向作为主传动系统是实现主运动的系统，是数控机床的关键部件之一。为实现其加工时的高速铣削采用铣削电主轴，其最高转速可达24000r/min来满足雕铣加工的需要。电主轴系统主要由三大局部组成：3KW主轴安装座、Z向滑块、Z向拖板。Z向进给主要通过伺服电机的旋转运动通过联轴器传递给滚珠丝杠来实现其直线往复的运动，实现Z向的进

57、给运动带动滑块和拖板。毕业设计是大学学习的最后一个局部。是对以前所学知识的一次复习和融会，也是对新知识的一次探索。在本次4040S 数控雕铣机电主轴系统设计中，让我在复习过去相关机械类知识的同时也掌握了一些新的知识。譬如对电主轴的了解，因为以前只接触过数控铣床、数控车床和加工中心，所以对电主轴的概念几乎没有。通过这次设计，查阅相关电主轴的资料，使我对电主轴有了清晰的认识从电主轴的根本结构、支承类型、润滑、冷却及其选用。在这个过程中，提高了自己查找资料，准确地找到自己所需知识点的能力。此外，学到了很多以前书本上学不到的知识，这些知识是对以前学的理论知识的扩充。同时稳固了测绘，运用AutoCAD、

58、UG绘图的技能。因为本次的设计是4个人一组来完成4040S数控雕铣机的整体设计，每个人负责一局部，分别设计电主轴系统、工作台、横梁及床身。所以，在联接局部就需要我们共同协商，来使我们所设计的4040S数控雕铣机机床更加合理。所以，在许多问题上，我们都做了相互之间的沟通，共同协作解决疑难问题，培养了我们的团队精神，为今后的工作奠定一定的根底。 致谢在本次的毕业设计过程中得到了教师的悉心指导，正是由于老师不辞辛苦的耐心讲解、检查，帮我改正设计中的错误与不妥之处，我的此次设计才能顺利完成。在这里表示衷心的感谢！也感谢我的同组同学予于我的帮助。参考文献1 吴玉厚电主轴单元技术M北京:工业出版社，200

59、62 文怀兴，夏田数控机床系统设计M 北京：化学工业出版社，20053 文怀兴 数控铣床设计M北京：化学工业出版社，20054 戴曙 金属切削机床M北京：机械工业出版社，19935 林宋，田建君 现代数控机床M北京：化学工业出版社，20036 韩鸿鸾等 数控机床的结构与维修M北京：化学工业出版社，20047 陈锡渠金属切削原理与刀具M北京：北京大学出版社 中国林业出版社，20068 杨叔子机械加工工艺师手册M北京：机械工业出版社， 20019 机械设计手册编委会机械设计手册第3版M北京：机械工业出版社，2004810 成大先机械设计手册第四版第2卷M北京：化学工业出版社，2003911 成大先

60、机械设计手册第四版第5卷M北京：化学工业出版社，2003912 吴宗泽机械零件设计手册M北京：化学工业出版社，20031113 张俊生金属切削机床与数控机床M北京：机械工业出版社，19981014 精密功能部件优秀制造商，中国艺工J滚动 科技 专家15 Linear Rail System(TOTAL LINEAR MOTION SOLUTION) 艾必希线形16 THK 精密滚珠丝杠副产品目录J NO200617 李明三维数控雕铣机的研制J机床与液压，2007，35(2)：959818 Malkin，TW Hwang Grinding mechanisms for ceramics anna