机械毕业设计（论文）-数控龙门铣床设计【完整图纸】

本科毕业设计（论文） 数控龙门铣床设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 燕 山 大 学 2010 年 6 月 摘 要 从研究数控龙门铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台用于板 材及多种工件加工的数控龙门铣床，满足了生产和设计的要求。整个龙门 铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。 其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主 轴箱安装在龙门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。 全面阐述了数控龙门铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电 机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控龙门铣床的结构设计及校核， 并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、 应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式 选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。 关键词关键词 龙门铣床 数控 伺服电机 滚珠丝杠 II Abstract Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request. Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machines structure principle, the design feature, elaborated has used step-by- steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machines structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter. In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on. Keywords planer type milling machine Board Numerical control Step-by-steps the electrical machinery Ball bearing guide screw nut III 目 录 摘 要 .I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 背景.1 1.2 数控技术的应用与发展.1 1.2.2 数控技术的发展趋势.2 1.3 数控机床的分类.2 1.3.1 按工艺用途分类.3 1.3.2 按运动方式分类.3 1.3.3 按控制方式分类.3 1.4 经济型数控机床.4 1.4.1 经济型数控机床的概念.4 1.4.2 经济型数控机床的分类.4 1.4.3 经济型数控机床的特点.5 1.5 数控机床的组成及工作原理.5 1.5.1 数控机床的组成.5 1.5 本章小节.8 第 2 章 数控龙门铣床总体方案设计.8 2.1 机床的设计要求.8 2.2 设计方案.8 2.3 本章小节.11 第 3 章 机床主轴箱的设计.12 3.1 主轴箱的设计要求.12 3.2 主传动系统的设计12 3.2.1 主传动功率.12 3.2.2 驱动源的选择.13 3.2.3 转速图的拟定.13 3.2.4 传动轴的估算15 3.2.5 齿轮模数的估算17 IV 3.3 主轴箱展开图的设计18 3.3.1 设计的内容和步骤18 3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定.18 3.3.3 各轴结构的设计.21 3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算.22 3.4 零件的校核23 3.4.1 齿轮强度校核23 3.5 本章小节.25 第 4 章 进给伺服系统设计.26 4.1 对进给伺服系统的基本要求.26 4.2 进给伺服系统的设计要求27 4.3 滚珠丝杠的选择27 4.3.1 滚珠丝杠副的导程28 h P 4.4 同步齿形带的选择30 4.5 伺服电机的选择30 4.6 滚珠丝杠副的安全使用.31 4.6.1 润滑.31 4.6.2 防尘.31 4.6.3 使用32 4.6.4 安装.32 4.7 伺服进给系统结构图的设计.32 4.8 本章小节.34 第 5 章 床身、横梁导轨和工作台.35 5.1 床身结构.35 5.1.1 对床身结构的基本要求.35 5.1.2 床身的结构.36 5.2 导轨.38 5.2.1 导轨的润滑与防护.38 5.2.2 导轨的安装调整.39 5.3 工作台.39 5.4 本章小节.39 结论.39 V 参考文献.40 致谢.41 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 背景 二十世纪中期以来，由于航空和航天技术的快捷发展，对于各种飞行 器的加工提出更好更快的要求。这些零件形状大都相当复杂，材料多为难 加工的合金，用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难 提高生产效率，随着计算机的发明和发展，是数控机床的设想成为现实， 且已经或即将成为现代机械制造生产过程的基本环节。 也就是说，结合现实的生产实际，根据我国的国情，在满足系统基本 功能的前提下，尽可能降低价格、提高生产率、提高产品质量、降低废品 率、提高加工精度、节约工装费用、降低生产成本、缩短生产周期、减轻 工人的劳动强度，以致使企业取得最好的技术经济效果，在这种总的前提 和要求下，就必须使机械加工自动化，适应于生产对象经常改变的情况， 并且具有较好的通用性，较大的柔性。因此经济性数控机床就这样被设计 并被广泛的应用在现代化生产当中。 1.2 数控技术的应用与发展 随着社会生产和科学技术的发展，机械加工产品的形状和结构不断改 进，对加工质量的要求越来越高。由于产品更新换代的速度加快，目前在 一般机械加工中单件、小批量生产的产品约占 70%-80%。为了保证产品的 质量，提高生产效率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活 性，而且加工过程要尽可能实现自动化。数控技术就是在这种条件下发展 起来的，适用于精度高、零件形状复杂的单价及小批量生产，以数字形式 实现控制的一门技术。 1.2.1 数控技术领域与计算机应用的特点 1.2.1.1 数控的技术领域 数控就是以数字程序的形式实现控制的一门技术， 它是随着电子计算机的发展而发展起来的，综合了各技术领域里的新成就， 具有广泛的通用性，是高自动化程度的工业自动控制技术。现代数控技术 所涉及到的技术领域学科很多，范围较广，除机械技术本体之外，还有以 燕山大学本科生毕业设计（论文） 2 下关键技术： 1.计算机及接口技术 2.自动控制技术 3.传感器技术 4.信息技术 数控技术首先在机床行业获得广泛应用，现在已有数控车床、数控铣 床、数控钻床、数控加工中心及数控线切割机床等。 1.2.1.2 数控技术中计算机技术应用的特点 计算机数控多以通用 的小型或微型计算机为核心，在增加适当的接口电路及外围设备，来代替 数控柜中的专用计算装置。 计算机数控系统有以下特点 1.灵活性强 2.通用性好 3.可靠性高 4.易于实现多功能、高复杂程度的控制 5.使用维修方便 6.具有通信功能 1.2.2 数控技术的发展趋势 从数控系统的发展来看，数控机床已发展了五代在实际应用中，除了 机床行业之外，数控技术还应用在其他部门，产生了各种数控设备。例如： 数控绘图机、数控绕线机、数控测量机等。随着数控技术向其他行业的推 广，计算机技术、成组技术及系统等技术在各工业部门的应用，推动了机 械工业从传统的概念和方法中解脱出来，向着综合自动化的方向变革。在 产品设计方面，采用计算机辅助设计（CAD）技术，可以提高设计质量，缩 短设计周期，发现和修正设计中的错误。在加工制造方面，采用计算机辅 助制造技术（CAM） ，使计算机参与从零件材料选择到加工和装配检验直至 成品出库的整个过程。 1.3 数控机床的分类 第 1 章 绪论 3 1.3.1 按工艺用途分类 （1）一般数控机床 这类机床和传统的通用机床品种一样，其工艺可能性和通用机床相似， 且能加工复杂形状零件。 （2）数控加工中心机床 它是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的一种带 自动换刀装置的数控机床。其主要来加工箱体零件。 （3）多坐标数控机床 其特点是数控装置的轴数较多，机床结构也比较复杂。 （4）计算机群控 它也称为直接数控系统，是一台大型通用计算机直接控制一群数控机 床的系统。 1.3.2 按运动方式分类 （1）点位控制数控机床 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置（点）精确的 移动到另一个位置（点） ，在移动过程中不进行任何切削加工。 （2）点位直线控制数控机床 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置，还要控制两相关 点之间的移动速度和路线。 （3）轮廓控制数控机床 这种机床的控制装置能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制。 加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个过程中每点的速度和位置。 1.3.3 按控制方式分类 （1）.开环控制数控机床 在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图 1-1，数控装置发出信 号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题，故机床加工精度不高， 其精度主要取决于伺服系统的性能。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 4 图 1-1 开环控制示意图 这种机床工作比较稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，其控制精 度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。 （2）.半闭环控制控制数控机床 这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量。这种控制方式介 于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试比闭环方便。 （3）.闭环控制数控机床 这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。 （4）.混合控制机床 它集中了上述三种控制方式的特点。 1.4 经济型数控机床 1.4.1 经济型数控机床的概念 所谓经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，适合我国国情 的装有数控系统的高效自动化机床。 1.4.2 经济型数控机床的分类 以驱动和定位方式划分，经济数控系统可分为以下三类： （1）.步进电机式 采用步进电机驱动与定位，是开环系统，不采用其他措施进行补偿位 置误差。其力矩不太大，所以机床行程速度较低。可加工锥面、螺纹、简 单外形的曲面等，十分灵活。由于性能价格比合适，所以被广泛采用。 第 1 章 绪论 5 （2）.交流点位式 它采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制。它可提高精度。但 只能加工柱面，且成本高，其性能价格比下降。 （3）.半闭环连续控制式 它采用了高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，承载能力强， 可进行强力切削，但造价太高不经济，不适用于中小企业。 1.4.3 经济型数控机床的特点 经济型数控机床有以下特点： 1价格便宜，其性能价格比适中。 2适用于多品种，中小批量产品的自动化生产，对产品的适应性强。 3提高产品质量，降低废品损失。 4能解决复杂零件的加工精度控制问题。 5节约大量工装费用，降低生产成本。 6减轻工人的劳动强度。 7提高工人素质，促进技术进步。 8增强了企业应变能力，为提高企业竞争能了创造了条件。 1.5 数控机床的组成及工作原理 1.5.1 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机 床主机组成，如图 1-2： 1控制介质 控制介质是存贮数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工作位置信 息的媒介物，它记载着加工零件的加工程序。常用的有穿孔带、穿孔卡片、 磁带和磁盘等。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 图 1-2 数控机床的组成 2数控装置 它是数控机床的核心。先导数控机床都采用计算机数控装置，既 CNC(computerized numerial control)装置。他能完成信息输入、存储、 变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3伺服系统 伺服系统世界手术控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。 包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。 4测量反馈装置 该装置由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并 将信息反馈出来，构成闭环控制。 5机床主机 主机是数控机床的主体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。 1.5.2 数控机床的工作原理 当机床进行加工零件时，对加工要求零件尺寸及其参数，加工步骤等 专用代码化的数字表示，通过控制介质，输入到控制装置，经微机处理后， 发出控制与运算的信息，在由伺服系统把脉冲信号转换为机床移动部 件的运动，从而实现加工需要。 数控装置的基本组成框图如图 1-3： 第 1 章 绪论 7 图 1-3 数控装置的基本组成 程序编制的一般步骤：图 1-4 表示的零件图到成品的全过程，虚线框 图中即为程序编制的内容及步骤。 图 1-4 零件图到成品的全过程 7 位坐标轴或执行机构的测量装置，用于对坐标轴（或工作台）实际 位置的测量，并反反馈到控制系统或伺服系统，形成全封闭控制。后者用 以对驱动电机轴位置检测并反馈到数控系统或伺服系统形成半闭环控制若 不需要检测装置到形成开环控制。 开环系统简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，变速扭矩小，一 半用于倾覆在变化不太大或经济型数控机床上。 全闭环系统适用于具有传动部件精度高，性能稳定，使用过程温度差 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 变化不大的高精度数控机床。 1.5 本章小节 本章主要讲述了数控技术的发展趋势以及数控机床的相关知识，包括 数控机床的类型，其组成部分和工作原理，着重讲解了其控制原理。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 第 2 章 数控龙门铣床总体方案设计 数控机床的总体设计方案由以下三部分组成： 1.技术参数设计：主要尺寸规格、运动参数（转速和进给范围)、 动力参数（电机功率，最大拉力） 。 2.总体布局设计：相互位置关系、运动分析、运动仿真（干涉检 查） 、外观造型。 3.结构优化设计：整机静刚度、整机的运动性能、整机的热特性。 总布局与使用要求： 1.便于同时操作和观察。 2.刀具、工件，装卸、夹紧方便。 3.排屑和冷却。 2.1 机床的设计要求 本机床的设计，符合国家机床标准。已定设计参数： 工作台：30001200mm 工作台最大荷重 2t 高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于 铣削板材以及多种工件等。 2.2 设计方案 我设计的主要内容是工作台移动数控龙门铣床。工作台数控龙门铣床 是指工作台作纵向移动的龙门铣床。工作台移动龙门铣床的最大特点是： （1）造价便宜,容易制造生产。工作台移动式龙门铣床，整机长度必须两 倍于纵向行程长度，而移动式龙门铣床的整机长度只需纵向行程加上龙门 架侧面宽度即可。 （2）机床的动态响应好。工作台移动式龙门铣床采用的 是固定龙门架,工作台移动可以铣刀做切削运动时更加稳定，从而保证了加 工精度和机床的响应性能。 第 2 章 数控龙门铣床总体方案设计 9 1、机械部分设计 整机分为床身、龙门架、滑台、主轴箱、三轴进给驱动机构机械部分 及相关数控伺服部分。现把设计过程中的重点阐述如下： 床身是本次设计工作的基础，床身的尺寸设计影响着对整机的设计， 而且设计的合理性直接影响到整机的刚度。床身的上平面即工作台面设计 有 K 条T形槽，为方便床身工作台面和T形槽的精刨加工，槽完全贯通。床 身的左、右两下脚各设计有一个狭长平面，用来安放滚动直线导轨副。我 把导轨面设计在床身的两下侧，主要是考虑力的传递方向与卸荷问题。因 床身会受到龙门框架的重力、切削力和工件的重力，这样的设计可使龙门 框架的重力直接传入到机床的基础上，而床身只受到工件的重力。 龙门框架采用的是整体龙门架的设计概念，即把横梁与左右立柱设计 成一体，虽然使铸造和装配调整时的难度加大，但整体龙门框架的刚性更 好，更重要的是使主轴箱、滑台等部件有了装配基准。 滑台的设计是在龙门架和主轴箱的几何尺寸确定后，按照主轴的中心 尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把Z轴驱动安装位置设计在滑台上，有 效地减轻滑台的重量。 设计进给驱动机构的构思如下：X 轴的进给驱动机构采用双边齿轮齿 条副加重预压滚动直线导轨副，Y 轴与 X 轴采用大直径预压滚珠丝杠副加 硬导轨副，且导轨滑动部分贴有工程塑料，避免低速时产生爬行现象，而 且导轨部分设计有斜镶条可调装置。这样设计使机床的整体进给性能得以 协调，各轴的进给速度和进给力得到了最佳匹配。 主轴箱的上下垂直运动Z轴采用滚珠丝杠副传动。由于本机床不是高速 铣床，Z轴的进给系统为伺服电动机通过传动比为4的平行轴定比齿轮箱带 动滚珠丝杠旋转。Z 轴的安全问题。首先选用带电磁刹车的伺服电动机， 其次在滚珠丝杠上装有一双向超越离合器，防止滚珠螺母自转引起主轴箱 机械式下垂。当然，为了保护Z轴进给机构的精度，还在滑台上装有两个平 衡油缸。 平衡力Q等于主轴箱部件质量的85。 主轴箱的左右移动为Y轴，为了保证Y轴的传动精度，并使丝杠只受水 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 平轴向力，故采用伺服电动机与滚珠丝杠直联方式。笔者选用的联轴器带 有过载保护装置，在过载时联轴器会自动脱开。 2、数控系统选型 数控系统采用的是西门子 4-05，因为此系统提供了龙门轴的同步功 能。使用此功能，本机床可以对龙门框架进给轴（X1，X2）实现无机械偏 差的位移。运动的实际值可进行连续比较，即使最小的偏差也可以得到纠 正，因此提高了轴的运动精度。 图 1-1 数控龙门铣床总装图（主视图） 第 2 章 数控龙门铣床总体方案设计 11 图 2-2 数控龙门铣床总装图（右视图） 2.3 本章小节 本章主要讲解了数控龙门铣床的总理方案设计，其主要内容有机械部 分的设计和数控部分设计，根据所给要求制定出总体设计方案。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 第 3 章 机床主轴箱的设计 3.1 主轴箱的设计要求 1. 具有更大的调速范围，并实现无级调速。 2. 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 3. 良好的抗震性和热稳定性。 3.2 主传动系统的设计 3.2.1 主传动功率 机床主传动的功率 P 可由下式来确定： c P P 式中 机床主传动的功率 P 切削功率 c P 主传动链的总效率 数控机床的加工范围一般都比较大，可根据有代表性的加工情况， c p 由下式确定： )(65500/60000/KWnMvFP zc 式中 主切削力的切向力（N） z F 切削速度（m/min） v 切削扭矩 （N/cm） M 主轴转速 （r/min）n 主传动的总效率一般可取为 0.700.85，数控机床的主传动多用 调速电机和有限的机械变速来实现，传动链比较短，因此，效率可以取较 第 3 章 机床主轴箱的设计 13 大值。 主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动的功率确定的，如果传动效率定 的过大，将使传动件的尺寸笨重而造成浪费，电动机常在低负荷下工作， 功率因数太小从而浪费能源。如果功率定的过小，将限制机床的切削加工 能力而降低生产率。因此，要较准确合适的选用传动功率。 3.2.2 驱动源的选择 机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从 额定转速 nd 向上至最高转速 nmax 是调节磁场电流的方法来调速的，属于 恒功率，从额定转速 nd 向下至最低转速 nmin 是调节电枢电压的方法来调 速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于 交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到 的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小 功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调 速电动机。 根据主轴要求的最高转速 4500r/min，最大切削功率 5.5KW,选择北京 数控设备厂的 BESK-8 型交流主轴电动机，最高转速是 4500 r/min。 3.2.3 转速图的拟定 根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机 的恒功率转速范围 Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3- 1） 而主轴要求的恒功率转速范围 Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,远大于交 流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法 来扩大其恒功率转速范围。 设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素， 取变速箱的公比 f 等于交流主轴电动机的恒功率调速范围 Rdp，即 f=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。 变速箱的变速级数: 燕山大学本科生毕业设计（论文） 14 Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2) 取 Z=3 确定各齿轮副的齿数： 取 S=114 由 u=2 得 Z1=38 Z1=76 由 u=0.67 得 Z2=68 Z2=46 由 u=0.22 得 Z3=94 Z3=20 如取总效率 =0.75，则电动机功率 P=5.5/0.75=7.3kw。可选用北京 数控设备厂的 BESK-8 型交流主轴电动机，连续额定输出功率为 7.5kw。 由此拟定主传动系统图、转速图以及主轴功率特性图分别如图 3-1、图 3- 2、图 3-3。 图 3-1 主传动系统图 第 3 章 机床主轴箱的设计 15 图 3-2 转速图 图 3-3 主轴功率特性 3.2.4 传动轴的估算 传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在 反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较 高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比 较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴 向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角） 。如果刚度不够，轴 上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振 动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置 和有关尺寸，验算弯曲刚度。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 16 计算转速 nj 是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计 算转速可以从转速图上直接得出如表 3-1 所示: 表 3-1 各轴的计算转速 各轴功率和扭矩计算： 已知一级齿轮传动效率为 0.97（包括轴承） ，则： 轴：P1=Pd0.99=7.50.99=7.42 KW 轴：P2=P10.97=7.420.97=7.20 KW III 轴：P3=P20.97=7.200.97=6.98 KW 轴扭矩：T1=9550P1/n1 =95507.42/1500=47.24 N.m 轴扭矩：T2=9550P2/n2 =95507.20/750=91.68N.m III 轴扭矩：T3=9550P3/n3 =95506.98/173=385.31N.m 是每米长度上允许的扭转角（deg/m） ，可根据传动轴的要求选取，其选取的原则 如表 3-2 所示: 表 3-2 许用扭转角选取原则 轴主轴一般传动轴较低的轴 （deg/m）0.5-11-1.51.5-2 根据表 2-2 确定各轴所允许的扭转角如表 3-3 所示: 表 3-3 许用扭转角的确定 轴III （deg/m）111 把以上确定的各轴的输入功率 N=7.5KW、计算转速 nj（如表 2-1） 、允 许扭转角（如表 2-3）代入扭转刚度的估算公式 (3-3)40.011 T d 轴III 计算转速 （r/min） 1500750173 第 3 章 机床主轴箱的设计 17 可得各个传动轴的估算直径： 轴： d1=28.8mm 取 d1=30mm 轴： d2=34.0mm 取 d1=35mm 主轴轴径尺寸的确定： 已知铣床最大加工直径为 Dmax=400mm, 则： 主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax15=85115mm 取 D1=95mm 主轴后轴颈直径 D2=(0.70.85)D1=6781mm 取 D2=75mm 主轴内孔直径 d=0.1Dmax10=3555mm 取 d=40mm 3.2.5 齿轮模数的估算 按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只 有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在 画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。 齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，第二 种是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的 齿数必须已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。 根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于 17，在该设计中，即 最小齿轮的齿数不小于 17。而由于 Z3,Z3这对齿轮有最大的传动比，各 个传动齿轮中最小齿数的齿轮必然是 Z3 。取 Z3=20,S=114，则 Z3=94。 从转速图上直接看出直接可以看出 Z3 的计算转速是 750r/min。 根据齿轮弯曲疲劳估算公式 m=2.4 (3-4) 332 N z nj 根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得: m=2.84 由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为 m =3mm，对比上述结果， 可知这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根 弯曲疲劳强度，而且考虑到两传动轴的间距，故取同一变速组中的所有齿 轮的模数都为 m=3mm。现将各齿轮齿数和模数列表如下： 表 3-4 齿轮的估算齿数和模数列表 齿轮Z0Z0 Z1 Z1Z2Z2Z3Z3 齿数3570387668469420 模数 （mm） 33333333 燕山大学本科生毕业设计（论文） 18 3.3 主轴箱展开图的设计 主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。 因此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为 依据绘制零件工作图。 3.3.1 设计的内容和步骤 这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号， 确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。 3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定 传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其它零件的结构和尺寸 是根据主要零件的位置和结构而定。所以设计时先画主要零件，后画其它 零件，先画传动零件的中心线和轮廓线，后画结构细节。 1）传动轴的估算 这一步在前面已经做了计算。 2）齿轮相关尺寸的计算 为了确定轴的轴向距离，齿轮齿宽的确定是必须的。 而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数 m =(6-10)m。这里取齿宽 系数 m=10, 则齿宽 B=mm=103=30mm.现将各个齿轮的齿厚确定 如表 3-5 所示: 表 3-5 各齿轮的齿厚 齿轮Z1Z1Z2Z2Z3Z3 齿厚 （mm） 303030303030 齿轮的直径决定了各个轴之间的尺寸，所以在画展开图草图前，各个 齿轮的尺寸必须算出。现将主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如表 3-6 所示: 表 3-6 各齿轮的直径 齿轮Z1Z1Z2Z2Z3Z3 分度圆直径114 228 204 138 282 60 第 3 章 机床主轴箱的设计 19 （mm） 齿顶圆直径 （mm） 120234 210 144 288 66 齿根圆直径 （mm） 106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 Z0Z0 105210 111216 97.5 202.5 由表 3-2 可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表 3-7 所示: 表 3-7 各轴的中心距 轴 距离（mm）160175 3）确定齿轮的轴向布置 为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的 间距，应大于滑移齿轮的宽度，一般留有间隙 1-2mm，所以首先设计滑移 齿轮。 轴上的滑移齿轮的两个齿轮轮之间必须留有用于齿轮加工的间隙， 插齿时，当模数在 1-2mm 范围内时，间隙必须不小于 5mm,当模数在 2.5- 4mm 范围内时，间隙必须不小于 6mm，且应留有足够空间滑移，据此选取该 滑移齿轮三片齿轮之间的间隙分别为 d1= 45mm,d2=8mm。 由滑移齿轮的厚度以及滑移齿轮上的间隙可以得出主轴上的齿轮的间 隙。 现取齿轮之间的间距为 82mm 和 45mm。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 20 图 3-4 齿轮的轴向间距 4）轴承的选择及其配置 主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两 个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴的刚度， 承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。 同样尺寸的轴承，线接触的滚子轴承比电接触的球轴承的刚度要高， 但极限转速要低；多个轴承的承载能力比单个轴承的承载能力要大；不同 轴承承受载荷类型及大小不同；还应考虑结构要求，如中心距特别小的组 合机床主轴，可采用滚针轴承。 为了提高主轴组件的刚度，通常采用轻型或特轻型系列轴承，因为当 轴承外径一定时，其孔径（即主轴轴颈）较大。 通常情况下，中速重载采用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴 承（如配推力轴承，则极限转速低） ，或者成对圆锥滚子轴承，其结构简单， 但是极限转速较低，如配空心圆锥滚子轴承，其极限转速显著提高，但成 本也相应的提高了。高速轻载采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大 小分别选用 25或 15的接触角。轴向载荷为主且精度要求不高时， 选用推力轴承配深沟球轴承，精度要求较高时，选用向心推力轴承。 该设计的主轴不仅有刚度高的要求，而且有转速高的要求，所以在选 择主轴轴承时，刚度和速度这两方面都要考虑。主轴前轴承采用 3182119 型轴承一个，后支承采用 30215 型和 8215 型轴承各一个。 第 3 章 机床主轴箱的设计 21 3.3.3 各轴结构的设计 I 轴的一端与电动机相连，将其结构草图绘制如下图 42 所示 图 35 II 轴安装滑移齿轮，其结构如草图 32 所示 图 3-6 III 轴其结构完全按标准确定，根据轴向的尺寸将结构简图绘制如下 图 44 所示 图 4-4 3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算： 最佳跨距的确定： 取弹性模量 E=2.1X，D=（95+75）/2=85； 11 10 Pa 主轴截面惯距 64 (44) 2.48 10 2 Dd Im 燕山大学本科生毕业设计（论文） 22 截面面积：A=4415.63 2 mm 主轴最大输出转矩： 9550477.5 n p MNm n 床身上最大回转直径约为最大加工直径的 60%，即 240mm。故半径为 0.12m 3979.2 0.12 n z M FN Fy=0.5Fz=1989.6N 故总切削力为： F=4448.9N 22 FzFy 估算时，暂取 L0/a=3,即取 3x120=360mm. 前支承支反力 0 0 360 120 4448.94931.9 360 A la RFN l 后支承支反力 0 120 4448.91483.0 360 B a RFN l 取 2 13.976 10/ a KN m 2 2.67 10/ b KN m 5.23 a b K K 3 0.216 a EI Ka 则 0/ 2.96La 则 0 281Lmm 因在上式计算中，忽略了 ys的影响，故 L0应稍大一点，取 L0=300mm 计算刚度损失： 取 L=385mm,=4.61 因在上式计算中，忽略了 ys的影响，故 L0应稍大 一点，取 L0=300mm 计算刚度损失： 取 L=385mm,=4.61 表 3-8 弹 性 主 轴 y1 弹性支承 k 由 公 式 弯曲变形 yb 剪切变形 ys 前支 承 后支承 总 柔 度 总 刚度 第 3 章 机床主轴箱的设计 23 悬伸段跨距段悬伸段跨距 段 5.488 10-7 -7 2.224 10-6 2.361 10-7 1.165 10-7 11.12 10-7 2.28 10-7 44.6 51 0-7 2.24 105 L=3 85 12.29 49.85.29 2.61 24.9 5.1 100 5.488 10-7 -7 1.732 10-6 2.361 10-7 1.491 510 -7 12.4 10-7 3.756 10-7 42.8 31 0-7 2.33 105 L 0=3 00 12.81 40.46 5.51 3.48 28.9 8.77 100 由 LL0 引起的刚度损失约为 3.68,可知，主轴刚度损失较小，选 用的轴承型号及支承形式都能满足刚度要求。 3.4 零件的校核 3.4.1 齿轮强度校核 校核 II 轴齿轮 校核齿数为 20 的即可，确定各项参数 P=7.2KW, n=750r/min 轴扭矩: T2=9550P2/n2 =95507.2/750=91.68 N.m （5-1） 确定动载系数：=2.35m/s 60 1000 Dn v 齿轮精度为 7 级，由机械设计查得使用系数 05 . 1 v K 非对称 42 . 1 271023 . 0 )6 . 01 (18 . 0 12 . 1 3 查机械设计得 确定齿间载荷分配系数: =42.1 100N/m 由机械设计查得 =1.2 At K F b 1 2778.2 66 FH KK 223 1.120.18 1 0.60.23 10 Hdd Kb 24 . 1 F K 燕山大学本科生毕业设计（论文） 24 确定动载系数: =1 1.05 1.2 1.42=1.6 AvFH KK K KK 查表 10-5 2.65 1.58 F Y S F 计算弯曲疲劳许用应力，由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 540MPa 图 10-18 查得0.9,S = 1.3 FE N K 0.9 540 373.8 1.3 F MPa 373.8 89.3 2.65 1.58 F FS Y Y （5-3） t KF bm 49.489.3 故满足要求。 1.6 2778.2 30 3 3.4.2 传动轴挠度的验算： II 轴的校核：通过受力分析，在一轴的三对啮合齿轮副中，中间的两 对齿轮对 II 轴中点处的挠度影响最大，所以，选择中间齿轮啮合来进行校 核 NdTF mNnPT t 1000)1060/(302/2 302272/2 . 79550/9550 3 NFFFP tt 1414 22 已知 d=60mm， E=2.1X，b=30mm ，x=180mm 11 10 Pa mm lIE bxlxbF YB 4 3 4 3 4 11 4 3222 222 1002 . 2 1036010 64 40 101 . 26 1030180360180301414 6 （5-4） 。 mmy12 . 0 403 . 0 所以合格,yYB 第 3 章 机床主轴箱的设计 25 3.5 本章小节 本章主要讲述了龙门铣床的主轴箱的设计，其主要内容包括传动比的 确定电机的选择，轴的设计和强度校核，齿轮的参数的确定等内容。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 26 第 4 章 进给伺服系统设计 4.1 对进给伺服系统的基本要求 带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服机床的一个 重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一控机床对进给伺服系统 的性能指标可归纳为：定位精度要高；响应要快；系统的稳定性要好。 1.稳定性 所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界输出量经过 几次衰减振荡后，能够迅速的稳定在新的或原有的是进给伺服系统能够正 常工作的基本条件。它包含绝对稳定性(稳定裕度)。 进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系适当的选择 系统的机械参数(主要有阻尼、刚度、谐振频率和失气参数，并使它们达到 最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标 2.精度 所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的差)，即准确 性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态过程结束后，系统存 在的偏差；静态误差，即元件误差和干常用的精度指标有定位精度、重复 定位精度和轮廓跟随精度。 来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另 一点时，指令值的最大差值。重复定位精度是指工作台进行一次循环动作 后， 偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标联动时，实际运动轨迹与给的最大 偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂。采用数提高伺服驱动系统 的精度。 3.快速响应特性 所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结 束的迅速程度。它包含系统的响应时间、传动装置的加速能力。它直接影 响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨 迹跟 随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不 第 4 章 进给伺服系统设计 27 稳定。因此，对于点位控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定 位时间。对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的 快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。对于开环及 半闭环的控制形式。主要是应满足定位精度的要求，而对于闭环控制系统， 则主要是稳定性问题。 4.2 进给伺服系统的设计要求 机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求。其中在静态设计 方面有： 1能够克服摩擦力和负载； 2很小的进给位移量； 3高的静态扭转刚度； 4足够的调速范围，满足快进和工进的需要； 5进给速度均匀，在速度很低时，无爬行现象。 在动态设计方面的要求有： 1具有足够的加速和制动转距，以便快速地完成启动和制动过程。 2具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满 意地表面质量； 3负载引起的轨迹误差尽可能小； 对于数控机床机械传动部件则有以下要求： 1被加速的运动部件具有较小的惯量； 2，高的刚度； 3良好的阻尼； 4传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可 能小的非线性。 4.3 滚珠丝杠的选择 在数控机床的设计中，滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转 变为直线运动，用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是 一种 燕山大学本科生毕业设计（论文） 28 应用较广的机构，尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中，滚珠丝 杠副是传动最简单、经济而又可靠的。所以滚珠丝杠副的选择对整个机床 的制造起着不可忽视的作用。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及 重复定位精度的最主要的因素。 为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副，使其充分发挥效能， 必须进行一系列的计算。 4.3.1 滚珠丝杠副的导程 h P 工作台纵向行程 3000mm，速度为 10m/min，速度传动比为 i=0.5，伺 服电机最大转速为 2000r/min,，工作台进给速度为 0-6000mm/min,算得其 导程为： mm r m in V Ph10 min/2000.50 min/10 max max 4.3.2 滚珠丝杠副的载荷及选丝杠： 1.最小载荷 机床空载时滚珠丝杠副的传动力，如工作台重量引起的摩擦力： min F= G=0.04 3000 9.8=1176Nf 2.最大载荷 选机床承受最大负荷时滚珠丝杠的传动力。如机床切削时，切削力在 滚珠丝杠副轴向的分力与导轨摩擦力之和即为 Fmax（这时导轨摩擦力是由 工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同 引起的） 。 maxfp F=kF + (+F +G)=1.1 80000+0.04 16000+4000+3000 9.8 =10776 c f F 3.平均载荷 第 4 章 进给伺服系统设计 29 平均载荷为： 7576N maxmin m 2 F = 3 FF 4.当量载荷 工作台进给速度为 0-6000mm/min，故平均转速为： 2 600 1 nr/min=400r/min 3 av 丝杠的工作寿命取为 10000h。故：1 a f1.5 w f 6 6 60 240 10 10 av n h Lh 当量动载荷 3 m 7576240 1.5 70621 1 CNN 2.选择滚珠丝杠 查滚珠丝杠样本，选上海缙云机械设备有限公司的型号为，SFU8010-4 的丝杠。额定动载荷为。符合要求。丝杠直径为 80mm，75 a CkN ma CC 导程 10mm, 珠圈数 90，珠径为 4mm。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 30 图 4-1 滚珠丝杆及螺母副结构图 4.4 同步齿形带的选择 同步齿形带的传动装置的优点:结构简单,安装调试方便,且在一定条件 下能满足转速和转矩的输出要求，可以避免避免齿轮传动时引起的振动与 噪声，适用于低转矩特性的要求的主轴。 通过计算：带轮的结构尺寸为： 小带轮 1 20Z 1 80.85dmm 1 79.48 a dmm 大带轮 2 40Z 2 161.78dmm 2 160.41 a dmm 带轮间中心距为:：358amm 带宽：19.1 s bmm 4.5 伺服电机的选择 1. 基本原则 1） 考虑电动机的主要性能（启动、过载及调速等） 、额定功率大小、 额定转速及结构形式等方面要满足生产机械的要求。 2） 在以上前提下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便又价格 合理的电动机。 第 4 章 进给伺服系统设计 31 2. 电动机类型的选择 安装方式：立式和卧式 （本设计采用立式安装） 。 防护方式：开启式、封闭式、防护式、防暴式。 3. 额定电压的选择 交流 380220V，或根据需要配变压器。 4. 额定转速的选择 根据生产机械的具体情况来选择要求重复、短时、正反转工作的生产 机械，除应选择满足工艺要求的电动机额定转速外，还要保证生产机械达 到最大的加、减速度的要求而选择最恰当地传动装置，以达到最大生产率 或最小损耗的目标。一般都是直接传动，而不是减速器。 5.惯量匹配： 工件和工作台的最大质量为 3000kg,折算到电动机轴，其惯量为 0.007kg.m 22 1 2 h nPv Jmm wn 丝杠惯量：丝杠直径 80mm，决定长度为 6.2m。0.19 4 2 Jd l w 2 .kg m 大带轮惯量为： 2 3 0.00062.Jkg m 小带轮惯量为： 2 4 0.00053.Jkg m 负载惯量为：0.09934 123 4 2 L JJJ JJ 2 kgm 6.最大切削负载转矩： 10776 0.01 0.50.8220.38 20.9 TNmNm 选的直流伺服电机为： 额定功率 3KW 最高转速 2000 /minr 额定转距 22Nm 最大转矩 57Nm 转子惯量 0.12 2 .kg m 4.6 滚珠丝杠副的安全使用 4.6.1 润滑 燕山大学本科生毕业设计（论文） 32 为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的 方式主要有以下两种： 1润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 13，滚珠丝杠副出厂时 在螺母内部已经加注 GB7324942#锂基润滑脂。 2润滑油 运动粘度 28574cst(400T)的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有 所变化。 4.6.2 防尘 滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成 为破损的原因。因此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝 杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端 增加防尘圈。 4.6.3 使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免 螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 2滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使， 如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产 生的逆传动。 3滚珠丝杠副正常工作环境温度为60C。 4.6.4 安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 1.滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副 产生附加表面接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。因此，滚珠 丝杠副安装到机床时，应注意： 1）丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺 第 4 章 进给伺服系统设计 33 母座必须三点成一线； 2）安装螺母时，应尽量靠近支