数控钻床设计

第1章绪论1.1数控加工数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势。结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。1.2数控三轴钻床采用3轴数控系统，孔加工机床。1.3设计的技术要求与数据工件台面尺寸：350mmx900mm工作行程：X350mm、Y250mm、Z25mm主轴头数：3主轴间距：300mm主轴高度调整量：50mm主轴转速：0〜8000（无级）r/min主轴进给速度：0〜3000mm/min钻孔直径：0.8〜3.5mm1.4本设计课题的指导思想1•机械结构设计合理，控制系统功能完备，原理正确，制图符合国家标准，图面洁。2•设计说明书论述清楚，计算无误，数值单位明确，引用公式及资料有出处。1.5本次设计需解决的问题与本人的设计任务对工作台的总体设计以及对丝杆螺母、导轨选择和安装及连轴器的技术要求。第2章数控机床和数控钻床2.1数控机床简介2.1.1什么是数控机床数字程序控制机床一般简称为数控机床。它是由数控装置或计算机进行控制的一种高效能自动化机床，它综合应用了自动控制技术、计算机技术、精密测量技术、液压气动等技术。并在机床结构等方面运用了最新技术。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、航天、深潜以及国防工业的各个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。像这样的产品，如果采用一般的自动机床或组合机床和自动线来加工，就显得很不经济、不合理，一般机床又不能加工。数控机床就是在这样的条件下产生和发展起来的，它能有效地适应产品不断变化、多品种、小批量的自动化生产。数控机床就是把加工所需要的各种操作，例如变速、松夹工件、进刀、退刀、开车与停车、冷却液的自动供给等等，以及刀具相对于工件之间的位移。采用数值数据的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为机床的各种操作，实现零件的自动加工。2.1.2机床数控技术及分类数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。 1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。 由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。机床数控技术是70年代发展起来的一种机床自动控制技术。数控机床是典型的机电产品，是高新技术的重要组成部分。采用数控机床，提高机械工业的自动化生产水平和产品质量，是当前机械制造业技术改造、技术更新的必由之路。现代数控机床是柔性制造单元（FMC），柔性制造系统（FMS）乃至计算机集成制造系统（CIMS）中不可缺少的基础设备。2.1.3数控机床及其加工特点数控机床与普通机床加工零件的区别，在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由工人手工操作来加工零件。在数控机床上加工零件只要改变控制机床动作的程序，就可以达到加工不同零件的目的。因此，数控机床特别使用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件。数控机床具有以下三大突出的特点：利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对於加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性；利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度；是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易於实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。2.1.4数控机床上加工零件的步骤在数控编程之前，编程员应了解所用数控机床的规格、性能、数控系统所具备的功能及编程指令格式等。根据零件形状尺寸及其技术要求，分析零件的加工工艺，选定合适的机床、刀具与夹具，确定合理的零件加工工艺路线、工步顺序以及切削用量等工艺参数，这些工作与普通机床加工零件时的编制工艺规程基本是相同的。确定加工方案此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性，并充分发挥数控机床的功能。工夹具的设计和选择应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间。使用组合夹具，生产准备周期短，夹具零件可以反复使用，经济效果好。此外，所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系之间的尺寸关系。选择合理的走刀路线合理地选择走刀路线对于数控加工是很重要的。应考虑以下几个方面：尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产效率。合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳，没有冲击。(3)保证加工零件的精度和表面粗糙度的要求。(4)保证加工过程的安全性，避免刀具与非加工面的干涉。(5)有利于简化数值计算，减少程序段数目和编制程序工作量。选择合理的刀具根据工件材料的性能、机床的加工能力、加工工序的类型、切削用量以及其它与加工有关的因素来选择刀具，包括刀具的结构类型、材料牌号、几何参数。确定合理的切削用量在工艺处理中必须正确确定切削用量。2.1.5我国数控技术的现状长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。2.2数控钻床2.2.1数控钻床的类型、结构特点及控制系统数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。工作台可进行两座标移动，主轴可以是数控的也可以是非数控的。也就是说，采用3轴数控系统或2轴数控系统。数控立式钻床的数控系统一般是点位控制系统。数控钻床的类型较多，其结构特点各异，数控系统也各不相同，功能主要包括：孔加工循环、插补、刀具补偿、工件坐标系设定、宏程序等。2.2.2数控钻床的选用数控钻床是线路板加工中的一种重要设备，该设备价格昂贵，选用数控机床不但对于操作、工艺设定和维护包括对于生产产品的质量都有十分重要。作为一个工艺人员出于纯的技术及操作方面的考虑，数控机床的选用指标一般从以下方面着手：机床台面的刚性和稳定性为了使机床有足够的稳定性、刚性避免振动许多厂商都采用大理石作为床身的材料，某些日本的厂商采用钢材做床身，由于钢材在不同的温度下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来消除变形造成的精度损失。目前大多数厂商采用都是天然大理石或人造大理石作为床身，建议采用大理石床身的设备，大理石在平时维护使用洗洁精和水擦洗，不可用酒精。擦完以后用干布擦干，等水分完全挥发后才可以工作。转轴的转速和稳定度目前采用的转轴有两种一种为滚动轴承转速最高8万转，另一种为空气轴承转速最高可达12万转。如果是铣床应采用滚动轴承，因其纵向的承载较空气轴承好，其钻夹头也是采购是重点的考察范围，有些钻夹头不容易更换维护困难，有些钻夹头磨损很快成了耗材且更换费用很贵，有些则需每日维护浪费时间。转轴的压脚也是另一个，其寿命和设计不合理也会造成很大的麻烦，如轴和压脚之间没有密封造成吸尘器要很大的功率造成吸尘器采购的资金浪费或中央吸尘的功率浪费，并有可能产生线路板孔内排屑不良的情况。3•台面的移动精度和位移重复精度这是选用时最重要的一点，也是无法通过图片或普通的运行可看见的，只有购买以后经测试才可认证，目前的设备在刚出厂时都可以达到设计标准，关键是运行一至二年以后的精度是否十分稳定，在这方面欧洲生产的机床做的较好。X、Y、Z轴的进给速率进给速率目前一般的用丝杆步进电机，速度为25米每分钟，而新的产已采用伺服电机，高的进给速度可提高产能20%-40%，Z轴的速度受到钻头和所钻材料的影响进给速率，对生产效率影响不是很大。5•台面的移动及固定装置台面的移动承载以前许多以导轨为主.最大加工尺寸最大加工尺寸是根据需要来采购，目前大部分机床都能满足你的需要，除了某些单轴或双轴的用于试样或制作测试夹具的机床外。操作系统和控制系统现在许多机床采用通用的windows操作系统界面十分友好，有的还采用中文，较容易上手学习和操作，但是其缺点会中计算机病毒稳定性稍差且管理较困难，有的采用工业系统或Unix系统，该种系统优点是稳定性好，不易出故障，管理方便。但操作界面都是英文，操作上手稍慢。从工艺和设备维护的角度来讲推荐采用后者。刀具管理系统以前的机床刀具较少有的只有8个刀具夹，现在大部分的数控机床刀具都可安放上百个钻头，有的系统还有断钻自动检测及直径检测长度和径向跳动系统，在选型的时候需注意的项目是，大部分数控床的钻头放在台面的前端，该设计方式有一个缺点，如果在工作时加工的线路板因固定出问题跳起逃出很容易打坏全部钻头包括钻头夹具。有些钻头夹具设计放在机床上方，如部分瑞士生产的机床则不会产生该问题，检测机构的灵敏度太高和太低对机床都不好一般以偏低一点好。光尺系统的选购目前大部分的数控机床的测量系统都采用了光尺作为位置与精度测量反馈系统，也有采用磁尺，采用光尺的系统稳定性及分辩率高，因光尺的读头与尺身没有接触摩擦，所以寿命很长，但平时要保持设备清洁尽量减少粉尘污染。吸尘系统如公司没有中央吸尘系统而采用普通工业吸尘器作为配套的话，要注意吸尘器功率要大，最好比原设计需要的功率大30-50%，因在实际的使用过程中由于过滤器的堵塞功率会下降很多，其次吸尘器的粉袋要有足够的容量，如果容量太小会使工人经常停工处理粉尘影响生产效率。保护系统指设备的软件及设备上防止意外伤害事故发生及设备本身的遇到意外而设计的保护系统，如光栅保护红外线保护空气开关等等，如红外保护等需设计合理，有些保护设计对维修并不是很方便。所以要全面权衡。作为一个工艺人员出于纯的技术及操作方面的考虑，数控机床的选用指标一般从以下方面着手：机床台面的刚性和稳定性：为了使机床有足够的稳定性、刚性避免振动许多厂商都采用大理石作为床身的材料，某些日本的厂商采用钢材做床身，由于钢材在不同的温度下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来消除变形造成的精度损失。目前大多数厂商采用都是天然大理石或人造大理石作为床身，建议采用大理石床身的设备，大理石在平时维护使用洗洁精和水擦洗，不可用酒精。擦完以后用干布擦干，等水分完全挥发后才可以工作。

第3章数控钻床的总体设计3.1选择机床种类卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标（沿X、Y、Z轴方向）加一个回转坐标（工作台），它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高。立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装一个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工简单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。3•龙门加工中心，与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。4.万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式:一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样,也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转900完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。本设计采用的是立式加工中心。3.2选择控制方式控制方式分为：开环控制系统，半闭环控制系统以及闭环控制系统。1）开环控制数控机床：这类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角，再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。I—主轴冒―貝MCU机床工作台轴承MCU机床工作台轴承图3-1开环控制系统框图2）半闭环控制数控机床：在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用。[ 主轴图3-2半闭环控制系统框图3）闭环控制数控机床：这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。图3-3闭环控制系统框图综上所述故选择半闭环控制系统。3.3选择运动方式：1）点位控制数控机床：数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确位置，而不控制运动轨迹，各坐标轴之间的运动是不相关的，在移动过程中不对工件进行加工（图1）。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。

2）直线控制数控机床：数控系统除了控制点与点之间的准确位置外，还要保证两点间的移动轨迹为一直线，并且对移动速度也要进行控制，也称点位直线控制（图2）。这类数控机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。单纯用于直线控制的数控机床已不多见。3）轮廓控制数控机床：轮廓控制的特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，它不仅要控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，也称为连续控制数控机床（图3）。这类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、加工中心等。第4章工作台部件的设计4.1工作台部件的概述及其应用4.1.1工作台的种类数控机床中常用的工作台有分度工作台和回转工作台，他们的功用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面，与自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装完成几个面加工的多种工序，因此，大大提高了工作效率；数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。4.1.2工作台的设计参数工件台面尺寸：350mmx900mm；工作行程：X350mm、Y250mm、Z25mm4.2导轨的比较和分析机床设计者在设计机床时，导轨的设计形式是多种多样的。人们不禁要问，哪一种导轨是最佳的。本文阐述的是各种导轨的比较和分析其不同的原因。机床控制元件的运动实现了机床的精密加工，这是手动工具和机床的主要区别，下面讨论的是机床的控制元件之一一一导轨系统。机床制造者最关心的莫过于机床的精度，刚性和使用寿命。对导轨系统的研究途径是很不够的，至少在机床制造技术方面没有把它放在重要的位置上，在机床样本，宣传广告上，最具有吸引力的技术参数是：主轴转速、进给速度、换刀时间和快速进给速度。当然,这些参数对机床的性能是很重要的。但导轨为机床功能的实现奠定了可靠的基础。各种类型的机床工作部件，都是利用控制轴在指定的导轨上运动，机床设计者根据机床的类型和用途选用各种不同形式的导轨系统，用得较为广泛的有下列三种；即平面导轨、直线滚动导轨和循环滚柱与平面导轨的组合所构成的滚动体导轨。当然系统远不止上述三种形式，还有其它形式的导轨。导轨的功能尽管导轨系统的形式是多种多样的，但工作性质都是相同的，机床工作部件在指定导轨系统上移动，尤如火车沿着铁轨在指定的方向上行驶。无论是机床导轨还是铁路上的铁轨，都是体现如下三种基本功能：为承载体的运动导向为承载体提供光滑的运动表面把火车的运动或机床的切削所产生的力传到地基或床身上，减少由此产生的冲击对乘客和被动加工零件的影响。沿导轨系统的运动，大多数为直线运动，也有少数为弧线运动。本文讨论的重点是直线导轨系统。当然，直线导轨的很多技术可以直接应用弧形导轨。导轨为什么被称为“系统”呢？这是因为导轨系统的工作包含着若干元件的同时工作，最基本的元件为一个运动元件和一个固定元件。运动元件的形式有多种多样，以后将予以详细介绍，固定元件一般为道轨式，它是导轨精度的保证，如果导轨弯曲变形，运动元件或滑动元件便失去精确的导向。机床制造厂都在尽最大的努力，确保导轨安装的精确性。导轨被加工前。导轨和工作部件都已经过时效处理。以消除内应力。为了保证导轨的精度和延长使用寿命，刮研是一种常用的工艺方法。镶钢导轨机床上最常用的导轨形式是镶钢导轨，它的使用已有很长的历史。镶钢导轨是导轨系统的固定元件，其截面为矩形。它可水平装在机床的床身上，也可以与床身铸成一体，分别被称为镶钢式或整体式。镶钢式导轨是由钢制成的，经淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把镶钢导轨用螺钉或粘结剂（环氧树脂）贴在机床床身或经刮研的立柱配合表面上，确保导轨获得最佳的平面度。这种形式，维修更换方便、简单，很受维修工人的欢迎。整体导轨或铸造导轨，即钢导轨与底座铸成一体，加工后再经精磨到要求的尺寸和光洁度。导轨必须经过火焰淬火提高表面硬度，以提高导轨的耐磨性。床身一般为球墨铸铁，当然球墨铸铁的硬度比不上钢，整体导轨可以重新修理和淬硬，但更换它几乎是不可能的。为了实现上述的目的，机床制造者过去的通常做法是：钢导轨的边缘设计有钩形的“耳朵”在浇铸底座前，把钢导轨置于底座的铸模内，再把铁水浇入铸模内，这样便把钢导轨与底座铸成一体。滑动导轨传统导轨的发展，首先表现在滑动元件和导轨形式上，滑动导轨的特点是导轨和滑动件之间使用了介质，形式的不同在于选择不同的介质。液压被广泛用于许多导轨系统。静压导轨是其中的一种，液压油在压力作用下，进入滑动元件的沟槽，在导轨和滑动元件之间形成油膜，把导轨和移动元件隔开，这样大大减少移动元件的摩擦力。静压导轨对大负荷是极其有效的，对偏心负荷有补偿作用。例如：一个大型的砂型箱在加工时，正好走到机床行程的末端，负载导轨能够增大油压，使导轨准确地保持着水平负载的状态。有的卧式镗铣床使用这种技术补偿深孔加工时主轴转速的下降。利用油作为介质的另一种导轨形式是动压导轨，动压导轨与静压导轨的不同点是：油不是在压力下起作用的，它利用油的粘度来避免移动元件和导轨之间的直接接触，优点是节省液压油泵。空气也可以用于移动元件和导轨之间的介质，它也有两种形式，气动静压导轨和气动动压导轨，工作原理与液压导轨相同。使用比较普通的抗摩擦导轨，它是在移动元件上安装一种抗摩擦材料（如聚氯乙烯或青铜混合材料等），以替代液体介质，如油或空气。其作用与液体介质相似，安装在移动元件上的抗摩擦材料应设计有油槽，满足移动元件和导轨表面之间油润滑或其它形式润滑的需要。

众所周知，平面导轨和移动元件之间的接触面积比较大，移动元件要作快速微量进给.需要克服移动元件的惯量，因此将会产生爬行现象。当滚珠丝杠或其它驱动力推动移动元件移动时，产生一个轻微粘附阻力，移动元件开始运动时，由于移动元件处于被抓住的状态，出现了轻微的跳动，导致产生爬行，这种现象对于大的移动影响不大，而对于微量移动，就成为一个问题。图4-1液压作用可调性是平面导轨特有的优点，根据导轨的使用情况，平面导轨系统至少有一个或一个以上的可调边。由于移动元件沿着直线导轨的侧边移动，保证移动元件与导轨侧面紧密接触是极为重要的。普遍使用调整的方法是斜铁，斜铁位于移动元件和导轨接触面相对的侧面之间。形状为锥形条块角铁，可以精确地调整，以消除移动部件和导轨之间的间隙。如果滑动部件或导轨磨损，接触表面之间的间隙加大，可调整斜铁进行补偿。机床制造厂已发明了斜铁自动调整的专利技术，它的基本原理是使斜铁保持固定的弹簧压力，一旦导轨系统被磨损，斜铁能自动地消除移动部件与导轨之间的间隙。「I良动补4HK块「I良动补4HK块2图4-2自动补偿直线导轨新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件,另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说.唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。

作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床要完成的功能。例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比.设计上有很大的不同。直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件（导轨）的基本功能如同轴承环，安装钢球的支架，形状为“V”字形。支架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。机床的工作部件移动时，钢球就在支架沟槽中循环流动，把支架的磨损量分摊到各个钢球上，从而延长直线导轨的使用寿命。为了消除支架与导轨之间的间隙，预加负载能提高导轨系统的稳定性，预加负荷的获得.是在导轨和支架之间安装超尺寸的钢球。钢球直径公差为±20微米，以0.5微米为增量，将钢球筛选分类，分别装到导轨上，预加负载的大小，取决于作用在钢球上的作用力。如果作用在钢球上的作用力太大，钢球经受预加负荷时间过长，导致支架运动阻力增大。这里就有一个平衡作用问题；为了提高系统的灵敏度，减少运动阻力，相应地要减少预加负荷，而为了提高运动精度和精度的保持性，要求有足够的预加负数，这是矛盾的两方面。图4-3工作原理工作时间过长，钢球开始磨损，作用在钢球上的预加负载开始减弱，导致机床工作部件运动精度的降低。如果要保持初始精度，必须更换导轨支架，甚至更换导轨。如果导轨系统已有预加负载作用。系统精度已丧失，唯一的方法是更换滚动元件。导轨系统的设计，力求固定元件和移动元件之间有最大的接触面积，这不但能提高系统的承载能力，而且系统能承受间歇切削或重力切削产生的冲击力，把作用力广泛扩散，扩大承受力的面积。为了实现这一点，导轨系统的沟槽形状有多种多样，具有代表性的有两种，一种称为哥待式（尖拱式），形状是半园的延伸，接触点为顶点；另一种为园弧形，同样能起相同的作用。无论哪一种结构形式，目的只有一个，力求更多的滚动钢球半径与导轨接触（固定元件）。决定系统性能特点的因素是：滚动元件怎样与导轨接触，这是问题的关键。直线滚柱导轨直线滚柱导轨系统是平面导轨与直线滚柱导轨的组合，用滚柱安装在平行导轨上，用滚柱代钢球承载机床的运动部件。优点是接触面积大、承载负荷大、灵敏度高。从床身尾部看，支架与滚柱置于平面导轨的顶面和侧面，为了获得高精度，在机床工作部件和支架内面之间，设置一块楔板，使预加负载作用于支架的侧面。楔板的工作原理与斜铁相似，工作部件的重量作用于支架的顶面。由于作用在导轨系统上的预加负荷是可调的，为此楔板的损失得到补偿，这一特点被广泛用于中型或大型机床上，因为它对CNC指令反应灵敏,承受负荷大，直线滚柱导轨系统比传统的平面导机能经受高速运转，改善机床的性能。图4-4燕尾槽导轨&其它形式的导轨机床上常用的另一种导轨形式是燕尾槽导轨，一般用于机床运动部件的定位。例如：车削中心的尾架，导轨系统可以使尾架在上面移动或者移到要求的位置去支承被加工零件，然后迅速夹紧。机床很多附件，如定位工作台、回转工作台或旋转轴等，也采用燕尾槽导轨作为定位元件。然后夹紧在要求的位置上。如果机床往复行程较长，则采用V型导软，如平面磨床和刨床等。优点是V型导轨系统导向性好，能承受重力切削。有的采用V型导轨和平面导轨相结合的形式，V型导轨作为导向，平面导轨作为支承体。为了保证导轨系统的寿命。维修是很关键的。导轨是机床的精密部件之一，不可能100%有防尘保护，灰尘污染大。因此、用户要定期检查、维护。液压平面导轨一般为自身润滑,介质本身就是润滑剂。直线导轨和直线滚柱导柱则要求定期润滑，很多直线导轨系统的钢球和滚柱部分都安装有油脂接头与支架相连接。有的用导管连接，使油脂润滑更方便，有的备有自动润滑附件。无论采用什么形式的导轨系统，保持滚动元件的良好润滑，能减少导轨系统的磨损，延长机床精度的保持时间。4.3滚珠丝杠螺母机构的选用4.3.1滚珠丝杠螺母机构的特点及应用范围滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式分为两种：将回转运动转化成直线运动和将直线运动转化成回转运动。1•传动效率高-滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%〜98%,为传统的滑动丝杠系统的2〜4倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。运动平稳-滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。高精度-滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。高耐用性-钢球滚动接触处均经硬化（HRC58〜63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。同步性好-由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。高可靠性-与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。无背隙与预紧-采用歌德式（Gothicarch）沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。导程-同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离P=V/nxIhomaxmaxP 导程（mm）hoV工作台最大移动速度（mm/min）maxn 电机最大转速（r/min）maxI---传动比，从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比4.3.2滚珠丝杠螺母机构的结构滚珠丝杠螺母机构将上述偏心轮滑块机构的摆杆及其滑块的摆转振动分解为枪钻头所需要的3种形式的振动。其工作原理如图4-5所示。

7BE!CSS(c)7BE!CSS(c)1.枪钻头2.丝杠3.螺母4.滑块5.摆杆6、7.防转滑块

图4-5滚珠丝杠螺母机构简图枪钻头1固定在丝杠2上，见图4-5（a），在丝杠和螺母3的尾部开有通槽，见图4-5（b），通槽内嵌入滑块4,滑块与作摆转振动的摆杆5相固联，并可相对丝杠和螺母的径向以及丝杠的轴向作微小位移。滑块4的形状如图4-5（c）所示，有A、B、C3种类型。当采用A型滑块时，滑块同时与丝杠和螺母的尾部通槽相配合，摆杆的摆转振动通过滑块带动丝杠和螺母同步扭振，枪钻头即获得周向扭转振动。当采用B型滑块时，滑块只与螺母的尾部通槽相配合，即螺母作周向扭振，带动丝杠轴作往复运动，枪钻头即获得轴向往复振动。为防止摩擦力作用带动丝杠旋转，此时应将防转滑块6压入丝杠的凹槽中。当采用C型滑块时，滑块只与丝杠的尾部通槽相配合，丝杠作周向扭振，同时在螺旋副作用下又作轴向往复运动，枪钻头即获得周向和轴向合成振动。为防止摩擦力作用带动螺母旋转，此时应将防转滑块7压入螺母的凹槽中（此时防转滑块6提起）。4.3.3滚珠丝杠螺母机构的精度及其选择滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成，滚珠丝杠功能是将旋转运动转化成直线运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从CO-C7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠（精度分为从C7-C10的3个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠。作为滚珠丝杠的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。滚珠丝杠是当前较新的传动结构，因其摩擦力小，传动效率高,定位精度高,具有可逆性，常用在要求有精密传动的部件，比如精密磨床上的砂轮进给机构.滚珠丝杠结构分为内循环和外循环方式，根据成本及载荷确定结构•由于温度变化会导致导致丝杠热变形,所以为得到高钢度的定位精度,要对滚珠丝杠进行预拉伸，预拉伸力Ft=5t*A*E/Lu以此确定预紧力，此时的丝杠热变形可转化为推力轴承的预紧力.另外，还要滚珠螺母与丝杠的轴向间隙，此间隙调整也有多种方式，一般根据制造要求厂家自行预紧•滚珠丝杠的安装方式依据轴向定位精度高低，要求轴向钢度大小的不同而有所差别,轴承选择以轴向钢度大小为依据.4.3.4滚珠丝杠螺母机构的选用滚珠丝杠副传动效率高达85%〜98%，是普通滑动丝杠副的2〜4倍。在同样负荷条件下，驱动扭矩比滑动丝杠减少2/3〜3/4。它的静、动摩擦系数相差甚小，故传动灵敏而平稳。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°,所以不能自锁。它有正传动和逆传动两种形式，正传动是由回转运动转换成直线运动；逆传动是将直线运动转换成回转运动。正传动的效率比逆传动的效率高，所以在结构设计中采用正传动为宜。滚珠丝杠副用在机床中的直线运动机构中，可降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差，可提高进给系统的灵敏度和定位精度，防止爬行。另外，机床导轨应采用滚动导轨或静压导轨，以减少运动摩擦力，杜绝爬行现象。4.4伺服电机选用4.4.1伺服电机的概述定义：在伺服系统中控制机械元件运转的发动机•是一种补助马达间接变速装置。作用：伺服电机，可使控制速度,位置精度非常准确。分类：直流伺服电机和交流伺服电机。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。4.4.2伺服电机的选择根据同类产品，选择Siemens1FT6064交流伺服电机。4.5联轴器的选用4.5.1联轴器的分类联轴器：联接轴与轴（有时也联接轴和其他回转零件），以传递运动和转矩。联轴器的概念联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器 鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。联轴器的类型及特点为了适应不同需要，人们设计了形式众多的联轴器，部分已标准化。机械式的联轴器分类如下：1：安全联轴器：在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。 起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。2：刚性联轴器：刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。3：挠性联轴器：具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。非金属弹性元件的挠性联轴器在转速不平稳时有很好的缓冲减震性能；但由于非金属（橡胶、尼龙等）弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和低温，故适用于高速、轻载和常温的场合金属弹性元件的挠性联轴器：除了具有较好的缓冲减震性能外，承载能力较大，适用于速度和载荷变化较大及高温或低温场合。4.5.2联轴器的选择1、选用标准联轴器。设计人员在选择联轴器时首先应在已经制定为国家标准、机械行业标准以及获国家专利的联轴器中选择，只有在现有标准联轴器和专利联轴器不能满足设计需要时才需自己设计联轴器。2、 选择联轴器品种、型式了解联轴器（尤其是挠性联轴器）在传动系统中的综合功能，从传动系统总体设计考虑，选择联轴器品种、型式。根据原动机类别和工作载荷类别、工作转速、传动精度、两轴偏移状况、温度、湿度、工作环境等综合因素选择联轴器的品种。根据配套主机的需要选择联轴器的结构型式，当联轴器与制动器配套使用时，宜选择带制动轮或制动盘型式的联轴器；需要过载保护时，宜选择安全联轴器；与法兰联接时，宜选择法兰式；长距离传动，联接的轴向尺寸较大时，宜选择接中间轴型或接中间套型。3、 联轴器转矩计算传动系统中动力机的功率应大于工件机所需功率。根据动力机的功率和转速可计算得到与动力机相联接的高速端的理论短矩T；根据工况系数K及其他有关系数，可计算联轴器的计算转矩Tc,。联轴器T与n成反比，因此低速端T大于高速端T。4、 初选联轴器型号根据计算转矩Tc,从标准系列中可选定相近似的公称转矩Tn，选型时应满足Tn鼻Tc。初步选定联轴器型号（规格），从标准中可查得联轴器的许用转速［n］和最大径向尺寸D、轴向尺寸L0,就满足联轴器转速nW［n］。5、 根据轴径调整型号初步选定的联轴器联接尺寸，即轴孔直径d和轴孔长度L，应符合主、从动端轴径的要求，否则还要根据轴径d调整联轴器的规格。主、从动端轴径不相同是普通现象，当转矩、转速相同，主、从动端轴径不相同时，应按大轴径选择联轴器型号。新设计的传动系统中，应选择符合GB/T3852中规定的七种轴孔型式，推荐采用J1型轴孔型式，以提高通用性和互换性，轴孔长度按联轴器产品标准的规定。6、 选择联接型式联轴器联接型式的选择取决于主、从动端于轴的联接型式，一般采用键联接，为统一键联接型式及代号，在GB/T3852中规定了七种键槽型式，四种无键联接，用得较多的是A型键。7、 选定联轴器品种、式、规格（型号）根据动力机和联轴器载荷类别、转速、工作环境等综合因素，选定联轴器品种；根据联轴器的配套、联接情况等因素选定联轴器型式；根据公称转矩、轴孔直径与轴孔长度选定规格（型号）。为了保证轴和键的强度，在选定联轴器型号（规格）后，应对轴和键强度做校核验算，以最后确定联轴器的型号。8、 联轴器的传动精度小转矩和以传递运动为主的轴系传动，要求联轴器具有较高的传动精度，宜选用非金属弹性元件的挠性联轴器。大转矩和传递动力的轴系传动，对传动精度变有要求，高转速时，应避免选用金属弹性元件弹性联轴器和可动元件之间的间隙的挠性联轴器，宜选用传动精度高的膜片联轴器。9、联轴器的工作环境联轴器于各种不同主机产品配套使用，周围的工作环境比较复杂，如温度、湿度、水、蒸汽、粉尘、砂子、油、酸、碱、腐蚀介质、盐水、辐射等状况，是选择联轴器时必须考虑的重要因素之一。对于高温、低温、有油、酸、碱介质的工作质量，不宜选用以一般橡胶为弹性元件材料的挠性联轴器，应选择金属弹性元件挠性联轴器，例如膜片联轴器、蛇形弹簧联轴器等。4.6工作台部件中的其他零件及其设计4.6.1轴承座的设计及其应用轴承座是用于支撑轴类零件的，镗孔的目的是为了满足滚动轴承的外圈和轴承孔的配合要求，或者是滑动轴承外园与轴承孔的配合，两个孔是用于固定轴承座的，单边固定是出于满足结构和安装位置的要求。4.6.2丝杠上的其他零件的选用选择适当的调整衬圈，法兰盘，尾座等。第5章床身设计5.1机床的支承件的功能支承件是机床的基础部件，包括床身、立柱、横梁、底座、工作台、箱体、升降台等。它们之间有的互相固定连接，有的在导轨上运动。支承件在加工过程中受各种力和热的作用会产生变形，从而改变执行机构的正确位置或运动轨迹，影响加工精度和表面质量。因此必须采取一定的措施提高支承件抵抗受力变形和受热变形的能力。5.2提高支承件自身刚度正确选择截面的形状和尺寸支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷自身刚度主要考虑一一弯曲刚度和扭转刚度在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。5.2.1刚度截面积相同时：空心大于实心；方形截面的抗弯刚度高于圆形截面抗扭刚度则较低；不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗扭刚度。为提高支承件刚度和抗振性,可采取合理设计其截面的形状尺寸以及合理布置筋板结构、选用吸振好的材料制造固定支承件、选用新型轻质材料制造移动支承件等措施。5.2.2合理布置隔板在两壁之间起连接作用的内壁一隔板，隔板功用一把作用于支承件局部地区的载荷传递给其它壁板，从而使整个支承件各壁板能比较均匀的承受载荷当支承件不能采用全封闭截面时，常常布置隔板来提高支承件的自身刚度。5.2.3合理开孔和加盖支承件外壁开孔，会降低抗弯及抗扭刚度，对抗扭刚度的