數(shù)控銑床Z軸進給系統(tǒng)設(shè)計(畢業(yè)設(shè)計論文).doc

圖書分類號：密 級：畢業(yè)設(shè)計(論文)數(shù)控銑床z軸進給系統(tǒng)設(shè)計z-axiscncmilling machine feedsystem design學(xué)生姓名學(xué)院名稱專業(yè)名稱指導(dǎo)教師20*年5月27日 摘要本論文主要研究數(shù)控銑床的z軸進給系統(tǒng)。數(shù)控銑床是數(shù)控機床中的典型機床，它對國家的機械行業(yè)的發(fā)展具有重要的貢獻，其加工精度也決定了一個國家的機械行業(yè)的發(fā)展水平。其z軸進給系統(tǒng)主要內(nèi)容包括進給部件的計算與選用。進給部件首選滾珠絲杠螺母副，它擁有摩擦損失小、傳動效率高、運動平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行，并且軸向剛度高、反向定位精度高精度穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維護簡單、傳動具有可逆性等特點，對于數(shù)控銑床的精確傳動提供了保障，使其加工精度精度越來越高。關(guān)鍵詞 數(shù)控銑床；z軸進給系統(tǒng)；滾珠絲杠螺母副；abstractin this thesis, the z-axis cnc milling machine feed systems.cnc milling machine is a typical cnc machine tools in the machinebed, its countrys machinery industry has an important contribution to the development of its precision also determine a countryhome level of development of machinery industry.the z-axis feed system mainly includes the calculation of the feed components with the electionuse.feed components preferred ball screw pair, it has friction loss, high transmission efficiency, movement instability, small friction, high sensitivity, low speed without crawling, and axial stiffness, high precision positioning reverseaccuracy, good stability, wear and tear, long life, easy maintenance, transmission characteristics are reversible, the number ofcontrolled milling machine to provide a guarantee for the precise transmission, making it more and more high precision accuracy.keywords cnc milling machine z-axisfeed system ball screw pair徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)目 錄摘要iabstractii1 緒論11.1 數(shù)控銑床11.1.1 數(shù)控銑床的簡介11.1.2數(shù)控的加工過程11.1.3數(shù)控銑床的組成11.1.4 數(shù)控銑床的分類21.1.5 數(shù)控銑床的用途和工藝特點21.2我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)31.2.1我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀31.2.2數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題31.2.3數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢41.3數(shù)控機床的優(yōu)點41.4數(shù)控銑床z軸進給系統(tǒng)的大致整體設(shè)計62 z軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計72.1z軸傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定72.2數(shù)控機床對主傳動的要求72.3數(shù)控銑床變速機構(gòu)形式72.4主軸的設(shè)計82.4.1主軸材料的選擇82.4.2主軸結(jié)構(gòu)的確定82.4.3軸的校核計算92.5齒輪傳動的設(shè)計計算122.5.1模數(shù)的估算：132.5.2齒輪分度圓直徑的計算132.5.3齒輪寬度b的確定142.5.4齒輪其他參數(shù)的計算142.5.5齒輪的校核（接觸疲勞強度）：143 z軸進給系統(tǒng)總體方案的設(shè)計153.1設(shè)計參數(shù)153.2工作原理153.3總體方案設(shè)計153.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇153.3.2傳動機構(gòu)的選擇163.3.3聯(lián)軸器選擇164 主要零部件的計算與選用184.1z軸工作載荷分析184.2 z軸工作載荷計算184.3滾珠絲杠螺母副的計算與選用184.3.1絲杠導(dǎo)程的確定184.3.2動載荷c計算194.3.3效率計算204.3.4滾珠絲杠的精度選擇204.3.5滾珠絲杠的制動204.4滾珠絲杠螺母副支承的選擇214.5滾珠絲杠螺母副的間隙消除與預(yù)緊224.6軸承的計算與選用224.6.1軸承初選224.6.2軸承的計算234.6.3確定軸承的規(guī)格型號244.7傳動系統(tǒng)的剛度計算244.7.1絲杠拉壓剛度kt244.7.2滾珠絲杠螺母副的軸向接觸剛度kn254.7.3支承軸承的軸向剛度kh254.7.4絲杠傳動的綜合拉壓剛度k254.8伺服電動機的選擇計算254.8.1確定步進電動機的類型254.8.2確定脈沖當量264.8.3最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的選擇264.9負載轉(zhuǎn)動慣量的計算264.9.1工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量274.9.2絲杠折算到電動機的轉(zhuǎn)動慣量274.9.3傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量274.10負載力矩的計算274.10.1計算折算到電動機主軸上切削負載力矩274.10.2計算折算到電動機上的摩擦負載力矩274.10.3計算附加負載力矩284.10.4加速力矩284.10.5計算空載時的快進力矩284.10.6計算切削時的工進力矩284.10.7計算空載啟動力矩284.10.8確定步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩294.11導(dǎo)軌的選擇294.11.1導(dǎo)軌的介紹294.11.2導(dǎo)軌的參數(shù)選取304.11.3導(dǎo)軌的間隙調(diào)整314.11.4導(dǎo)軌材料與熱處理325主要零件的校核335.1 滾珠絲杠螺母副的校核335.1.1 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校核335.1.2滾珠絲杠螺母副壽命的校核33結(jié)論34致謝35參考文獻36謝謝朋友對我文章的賞識，充值后就可以下載此設(shè)計說明書（不包含cad圖紙）。我這里還有一個壓縮包，里面有相應(yīng)的word說明書（附帶：外文翻譯）和cad圖紙。需要壓縮包的朋友聯(lián)系qq客服1：1459919609或qq客服2：1969043202。需要其他設(shè)計題目直接聯(lián)系！ 61 緒論1.1 數(shù)控銑床1.1.1 數(shù)控銑床的簡介科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動、機床結(jié)構(gòu)等提山了更高的性能指標；fms的迅速發(fā)展和cims的不斷成熟，又將對數(shù)控機的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。 數(shù)控銑床是在數(shù)控加丁中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機床，在數(shù)控機床中所占的比率最大，數(shù)控加工中心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來的。它具有功能性強、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等特點，主要用于各種復(fù)雜的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時還可以進行鉆、擴、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機械加工和模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。1.1.2數(shù)控的加工過程數(shù)控車床加工零件的主要過程主要包括一下內(nèi)容：（1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工作方案，用規(guī)定的代碼與程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式，即編寫加工程序。（2）將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。（3）數(shù)控裝置對輸入的程序（代碼）進行譯碼、運算處理，并像各坐標軸的伺服驅(qū)動裝置和輔助功能控制裝置發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以控制車床各部件的運動。（4）在運動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需隨時檢測車床坐標軸的位置、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。（5）操作者隨時對車床的加工情況、工作狀態(tài)進行觀察和檢查，必要時還需要對車床動作和加工程序進行調(diào)整，以保證車床安全、可靠的運行。1.1.3數(shù)控銑床的組成數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。(1)數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是機床運動控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補、圓弧插補、刀具補償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能，能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。(2)機床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個機床的基礎(chǔ)和框架。(3)主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動大多采用專用的無級調(diào)速電動機驅(qū)動。(4)進給伺服系統(tǒng) 由進給電動機和進給執(zhí)行機構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，其主軸垂直方向進給運動及工作臺的橫向和縱向進給運動均由各自的交流伺服電機來驅(qū)動。(5)輔助裝置 包括液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。1.1.4 數(shù)控銑床的分類數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不一，可按通用銑床的分類方法分為以下3類： (1)數(shù)控立式銑床：數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。日前三坐標數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進行三軸聯(lián)動加工。 (2)臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴大加工范同和擴充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)同轉(zhuǎn)輪廓，又可以實現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進行立式加工和臥式加工，同時具備立臥式銑床的功能。1.1.5 數(shù)控銑床的用途和工藝特點銑床是用銑刀進行銑削加的機床，銑床的加工情況如圖1-1所示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、t形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分度頭或叫回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺面寬度及長度。銑床的工藝特點如下：(1)銑床的主軸帶動銑刀作旋轉(zhuǎn)主運動；(2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削；(3)多數(shù)銑床由工作臺帶動工件作直線進給運動；(4)銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數(shù)是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動；(5)銑削時，銑刀同時參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進給量，因而生產(chǎn)效率高。圖1-1銑床的加工情況1.2我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)1.2.1我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀當前，我國的數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達到國外先進水平。日前，已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。1.2.2數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題當前，我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內(nèi)市場占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明，1999年國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率僅為38.88%。造成這種嚴峻的形勢，除客觀原因外，主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性不過硬?！笆濉逼陂g，我國機械制造工業(yè)止朝著精密化、柔性化、集成化、自動化、智能化方面迅速發(fā)展，國內(nèi)數(shù)控機床需求強勁，我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)適逢極好的發(fā)展機遇。然而，我國加入wto后，國外生產(chǎn)的數(shù)控機床將會更多的進入我國市場，市場競爭更為激烈。提高國產(chǎn)數(shù)控機床市場占有率，關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性。幾年來，經(jīng)過對國內(nèi)外數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研，探索和總結(jié)了數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的新技術(shù)?，F(xiàn)時主要存在有以下幾個問題：(1)缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模(2)缺乏發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系(3)缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在往動力(4)面臨同外強手競爭的巨大壓力1.2.3數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、制造技術(shù)的進步和人類生活水平的提高，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化的要求趨勢日益增強。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，對數(shù)控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護和培訓(xùn)的成本，同時還要求具有網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。為此，近10年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，發(fā)展很快。同前正朝標準化開放體系結(jié)構(gòu)的方向前進。就體系結(jié)構(gòu)而言，當今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致分為4種類型：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、“pc嵌入nc”結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)、“nc嵌入pc”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進入20世紀90年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。目前，國外數(shù)控機床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動化、高可靠性、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)等方向迅速發(fā)展，這將對數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求。“十五”期問，我國機械制造行業(yè)必須瞄準國際數(shù)控機床發(fā)展的科學(xué)前沿，開拓創(chuàng)新，消化吸收國外先進技術(shù)，開創(chuàng)我國數(shù)控機床設(shè)計和制造技術(shù)的新局面。1.3數(shù)控機床的優(yōu)點（1）加工對象改型的適應(yīng)性強由于在數(shù)控機床上改變加工零件時，只需要重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。因此，數(shù)控車床可以快速的從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單間，小批以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產(chǎn)準備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費用。（2）加工精度高數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機床移動的部件相應(yīng)的移動量）一般達到0.001mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控車床能達到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。這可是由數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了必要的措施，以及機電結(jié)合的特點決定的。首先是在結(jié)構(gòu)上引入了滾珠絲杠螺母機、各種消除間隙的結(jié)構(gòu)等，使機械傳動的誤差盡可能?。黄浯问遣捎昧塑浖妊a償技術(shù)，使機械誤差進一步減?。坏谌怯贸绦蚩刂萍庸?，減少了人為因素對加工精度的影響。這些措施不僅保證了較高的加工精度，同時還保證了較高的質(zhì)量穩(wěn)定性。（3）生產(chǎn)效率高零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控車床能有效的減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般車床高的多。數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有力的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進行大切削用量的強力切削，有效的節(jié)省了機動時間。數(shù)控車床移動部件的快速移動和定位采用了加速與減速的措施，因而選用了很高的空行程運動速度，消耗在快進、快退和定位的時間要比一般車床少的多。數(shù)控車床的加工精度比較穩(wěn)定，一般只做首件檢驗或工序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗，因而可以減少機停檢驗的時間。在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控車削中心的數(shù)控車床時，在一臺機床上實現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率的提高就更為明顯。（4）自動化程度高數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度與緊張程度均大為減少，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。（5）良好的經(jīng)濟效益使用數(shù)控車床加工零件時，分攤在每個零件上的設(shè)備費用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)條件下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費用以及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。（6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化用數(shù)控車床加工零件，能夠準確的計算工件加工的工時，并有效的簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。1.4數(shù)控銑床z軸進給系統(tǒng)的大致整體設(shè)計對于數(shù)控銑床z軸進給系統(tǒng)，將采用立式加工的結(jié)構(gòu)。z軸進給系統(tǒng)包括z軸主軸箱帶刀具隨主軸箱豎直運動來完成,z軸的進給傳動初步設(shè)定為絲杠來滿足系統(tǒng)的傳動精度。 2 z軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計2.1z軸傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定工作臺寬度長度 4001600mm主軸錐孔 724主軸箱z軸行程 160mm主軸轉(zhuǎn)速范圍 951400r/min主電動機的功率 4.0kw主軸電動機轉(zhuǎn)速 1440r/min主軸的傳動功率 3.513kw2.2數(shù)控機床對主傳動的要求為了達到高效，高精度等特點，數(shù)控機床（銑床）除了在控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)上又比較高的要求外，對傳統(tǒng)的機械部分如主傳動系統(tǒng)也提出如下幾點要求：（1）具有更高的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無極調(diào)速。數(shù)控機床為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和和更大的調(diào)速范圍。（2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高和主傳動系統(tǒng)的剛度有密切關(guān)系。為此，應(yīng)提高傳動件的剛度和精度，齒輪齒面進行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性;最后一級還可采用斜齒輪，是傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承和合理支承跨距等等，以提高主軸組件的剛性。（3）良好的抗振性。數(shù)控機床上一般既要進行粗加工，又要進行精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時破壞道具和零件，使加工無法進行。因此在主軸傳動系統(tǒng)中的各主要零件不但要具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力抗振性?？拐裥杂脛觿偠群秃蛣尤岫葋砗饬?。（4）良好的熱穩(wěn)定性。機床在切削加工過程中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零件產(chǎn)生熱變形，破壞零部件之間的相對位置精度和運動精度，造成加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低了傳動效率，影響到生產(chǎn)效率。為此，要求主軸部件具有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合間隙，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。（5）相比普通銑床簡單的變速系統(tǒng)。由于數(shù)控銑床的主軸轉(zhuǎn)速是由機器控制系統(tǒng)控制（不是由操作人員完成），在檢測裝置的監(jiān)測下，能實現(xiàn)通過簡單的變速系統(tǒng)來完成切削時的速度變換，這樣也有利于提高系統(tǒng)可靠性，響應(yīng)特性，以及更便捷地拆裝維修等。2.3數(shù)控銑床變速機構(gòu)形式1.帶有二級齒輪變速的主傳動主軸通過二級齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列，是比較常見的一種配置方式。屬于分段無級變速，能確保低速時的大扭矩，滿足機床對轉(zhuǎn)矩特性的要求。齒輪變速自動換擋可以通過撥叉，電液控制撥叉原理是利用控制系統(tǒng)輸出的電信號來控制電磁閥的開關(guān)，再通過電磁閥的機械運動，操縱液壓系統(tǒng)的動作，最后用液壓缸、活塞桿代動撥叉撥動滑移齒輪實現(xiàn)離合變速，特點是工作平穩(wěn)，以實現(xiàn)自動化，目前也比較普遍。2、通過帶傳動的主傳動主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調(diào)速就能滿足要求，可以避免齒輪傳動引起的振動和噪聲，適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性的要求的主軸。保證主軸的伺服功能，須使用同步帶。同步帶兼有帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的優(yōu)點，與一般的帶傳動相比，它不會打滑，且不需要很大的張緊力，減小或消除了軸的靜態(tài)徑向力；有傳動效率高，傳動比準確，質(zhì)量輕等優(yōu)點。3、用兩種電機分別驅(qū)動主軸這是一種混合傳動式，具有上述兩種性能。高速時電動機通過皮帶輪直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)；低速時，另一電機通過通過兩級齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴大了變速范圍，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電動機功率不能充分利用的缺陷。4、有主軸電動機直接驅(qū)動的主傳動電動機軸與主軸用聯(lián)軸器直接相連。用伺服電動機的無級調(diào)速直接驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，這種方式大大簡化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效的提高了主軸組件的剛性。但主軸輸入的轉(zhuǎn)矩小，電動機的發(fā)熱對主軸影響較大。5電主軸傳動電主軸的轉(zhuǎn)子和主軸合二為一，優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊，慣性小，可提高啟動停止的響應(yīng)特性，缺點是主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，更重要的缺點是熱變形問題。2.4主軸的設(shè)計2.4.1主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度和強度，選擇主軸的材料為40cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；2.4.2主軸結(jié)構(gòu)的確定1.主軸直徑的選擇 根據(jù)機床主電機功率p4kw，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機床來確定，所以可取。2.主軸內(nèi)孔直徑 主軸的內(nèi)孔直徑可由公式（2.1） 式（2.1） 其中 ，-空心主軸的剛度和截面慣性矩 k, i -實心主軸的剛度和截面慣性矩當則主軸的剛度急劇下降，故取0.7。對于銑床，推薦d=拉桿直徑+（510）mm因此設(shè)定主軸的尺寸為mm ，d=32mm ，mm ， d18mm，mm l=730mm。2.4.3軸的校核計算 軸的計算簡圖2-1在xz平面內(nèi)：圖2-1軸的計算簡圖同理可得在yz平面內(nèi)的受力圖，在此不在畫出。1.主軸轉(zhuǎn)矩由公式（2.2）： t =156900 式（2.2）2.支點上的力由公式（2.3）： 式（2.3） 3.根據(jù)彎矩平衡公式（2.4）： 式（2.4）求得：rhe=-84.9根據(jù)力得平衡：則彎矩圖為圖2-2：圖2-2彎矩圖3.垂直平面受力有公式（2.5）： =951.71n 式（2.5） =761.4n4.根據(jù)平面內(nèi)得彎矩平衡由公式（2.6）： 式（2.6）得再根據(jù)力得平衡： 則可得b、c點得彎矩圖2-3：圖2-3彎矩圖在b點和c 點為最危險截面，要滿足要求，b、c點滿足即可，則b、c截面得彎矩由公式（2.7）=803403.1n 式（2.7） =675702.3 n扭矩圖為圖2-4：圖2-4扭矩圖經(jīng)分析可知b所在得位置為最危險截面，只要b滿足條件即可，則剛度滿足。5.計算彎矩由公式（2.8） 式（2.8）=862517.2 nmm6.計算抗彎截面系數(shù)由公式（2.9）： 式（2.9）53.96故滿足第三強度理論7.剛度驗算：在水平面內(nèi)，單獨作用時其撓度由公式（2.10）： 式（2.10） = =-0.02598mm其中i=2747500nm在單獨作用下，其撓度見公式（2.11）： 式（2.11） = =-0.0182mm在兩力得共同作用下其撓度見公式（2.12）： 式（2.12）在垂直面內(nèi)有(在單獨作用時)其撓度見公式（2.13）： 式（2.13） = =-0.0072mm其中i=2747500nm在單獨作用下其撓度見公式（2.14）： 式（2.14） = =-0.0182mm在兩力得共同作用下見公式（2.15）： 式（2.15）故在共同作用下，x處為危險截面，其最大繞度見公式（2.16）： 式（2.16）而一般的剛度 =0.210.35mm故符合剛度要求。2.5齒輪傳動的設(shè)計計算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，而且直齒圓柱齒輪傳動也能滿足設(shè)計要求，所以本次設(shè)計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計步驟如下：2.5.1模數(shù)的估算：按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算公式（2.17）：mm 式（2.17）齒面點蝕的估算公式（2.18）：mm 式（2.18）其中為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，為齒輪中心距。由中心距及齒數(shù)求出模數(shù)見公式（2.19）：mm 式（2.19）根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標準模數(shù)。 mm mm mm所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm綜上所述，為了降低成本，機床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因為軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計中在齒輪模數(shù)為=2.5mm，2.5.2齒輪分度圓直徑的計算根據(jù)漸開線標準直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑見公式（2.20）：mm 式（2.20）2.5.3齒輪寬度b的確定齒寬影響齒的強度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反兒容易引起振動和噪聲。一般取b=（610）m。本次設(shè)計中，取主動齒輪寬度b=8m=82.5=20mm2.5.4齒輪其他參數(shù)的計算根據(jù)機械原理中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其它參數(shù)都可以由以上計算所得的參數(shù)計算出來，本次設(shè)計中，這些參數(shù)在此不在一一計算。2.5.5齒輪的校核（接觸疲勞強度）： 計算齒輪強度用的載荷系數(shù)k，包括使用系數(shù),動載荷系數(shù),齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)見公式（2.21）： 式（2.21） =1.251.071.11.12=1.65 查表得：=0.88，=2.5 ，=189.8則齒輪的接觸疲勞強度見公式（2.22）= 式（2.22）將數(shù)據(jù)代入得：1100mpa齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。3 z軸進給系統(tǒng)總體方案的設(shè)計3.1設(shè)計參數(shù)（1）假定主軸箱和工作臺總質(zhì)量為140kg，（2）脈沖當量為0.001mm，（3）z軸的行程為160mm，（4）導(dǎo)軌的摩擦為0.1，（5）定位精度為0.02mm/300mm，（6）絲杠的進給速度為1000mm/min，（7）最小進給速度為1mm/min，3.2工作原理系統(tǒng)將控制指令經(jīng)變換與放大后，經(jīng)過伺服進給系統(tǒng)將指令轉(zhuǎn)化為機械執(zhí)行元件的準確位移、速度、加速度，用來控制被控對象的位移（或轉(zhuǎn)角）、速度、加速度，使其能自動、連續(xù)、穩(wěn)定、快速、精確的復(fù)現(xiàn)輸入指令的變換規(guī)律。3.3總體方案設(shè)計3.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇(1)數(shù)控系統(tǒng)的類型l)步進電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要有步進電動機、功率步進電動機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電動機的角位移精度，齒輪、絲杠等傳動部件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對傳動部件和制造精度要求高，運動副之間摩擦力要小，要實行無間隙傳動。這種系統(tǒng)的最高速度受步進電動機的頻率響應(yīng)限制，容易失步，低速時易發(fā)生共振和噪聲，影響表面加工質(zhì)量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低。 2)異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴格，設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標。但是閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)整都有較大技術(shù)難度，設(shè)計調(diào)整不當，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。改造時可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否有必要采用這種系統(tǒng)。 3)交直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電動機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。(2)數(shù)控系統(tǒng)方案的確定根據(jù)本設(shè)計所給的題目要求分析可知，本設(shè)計所采用的數(shù)控系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)控制。3.3.2傳動機構(gòu)的選擇本課題設(shè)計選用的是滾珠絲杠螺母副。因為滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構(gòu)，在數(shù)控機床上得到廣泛應(yīng)用。它的傳動特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動元件。當絲杠和螺母相對運動時，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動導(dǎo)軌，起動力矩很小，運動靈敏，低速時不會出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)動的傳動裝置。它具有以下優(yōu)點：(1)摩擦損失小、傳動效率高 傳動效率可達92%-96%，是普通絲杠傳動的34倍，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機構(gòu)的25%。(2)運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動轉(zhuǎn)矩小，動作靈敏。(3)軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程，定位精度高。(4)滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過熱處理，其滾道表面的硬度值可達60-62hrc，因而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。(5)磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的410倍。(6)傳動具有可逆性、不能自鎖 由于摩擦因數(shù)小、不能自鎖，因而使該機構(gòu)的傳動具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，還可以把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。由于不能自鎖，在作垂直運動時應(yīng)附加防止逆轉(zhuǎn)的裝置，防止工作臺因自重而下降。 3.3.3聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器是聯(lián)結(jié)兩軸使之一同回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩的一種部件，聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩種。剛性聯(lián)軸器適用于兩軸能嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方；撓性聯(lián)軸器適用于兩軸有偏移（可分為同軸線、平行軸線、相交軸線）或在工作中有相對位移（可分為軸向位移、徑向位移、角位移、綜合位移）的地方。撓性聯(lián)軸器又有無彈性元件的、金屬彈性元件和非金屬元件之分。在本設(shè)計中，電機主軸與滾珠絲杠軸是同軸的，所以選擇剛性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器可以分為凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器具有對中精度高，傳遞轉(zhuǎn)矩大的特點，采用鉸制孔和受剪螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器具有拆裝方便的優(yōu)點，這符合本設(shè)計簡化操作的原則，所以選擇了采用鉸制孔和受剪螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器來聯(lián)結(jié)電機軸和滾珠絲杠軸。4 主要零部件的計算與選用4.1z軸工作載荷分析滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機床加工的特點，當銑削槽時，工作載荷最大，由于銑削時，工作載荷既包括銑削時沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力）。4.2 z軸工作載荷計算在以工作壽命為基礎(chǔ)進行計算時，應(yīng)按實際加工過程平均銑削條件為準，因此取 =2.5mm，=0.2mm/齒，=10mm，z=4，=50mm，對圓柱銑刀，=68.2，則主切削力的計算見公式（4.1）。 = 式（4.1） 式中 主切削力，n； 加工不同工件材料時的銑削力系數(shù)； 銑削寬度，mm； 進給量，mm； 銑刀直徑，mm； z銑刀齒數(shù)； 對于圓柱銑刀加工時，各切削分力有進給抗力,垂直銑削分力和軸向銑削分力。根據(jù)查表可知，各個銑削分力的經(jīng)驗比值如下:=11.2，=0.20.3，=0.350.4，取值=1.2，=0.3，=0.4則=651n, =163n，=217n則在燕尾槽導(dǎo)軌上滾珠絲杠的工作載荷fm見公式（4.2） 式（4.2）其中， =0.2， g=1400n則fm=1300n4.3滾珠絲杠螺母副的計算與選用4.3.1絲杠導(dǎo)程的確定絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計目標快速進給的最高速度為vmax，伺服電機的最高轉(zhuǎn)速nmax及電機與絲杠的傳動比來確定，基本絲杠導(dǎo)程應(yīng)滿足公式（4.3）： 式（4.3）式中 工作臺的最高轉(zhuǎn)速，rmin； 伺服電動機的最高轉(zhuǎn)速，rmin； i傳動比；因為本設(shè)計采用絲杠與電動機直接相連，所以i=1。根據(jù)查閱機械手冊可知步進電動機的最高轉(zhuǎn)速1000rmin，由本題的參數(shù)可知=1000mm/min。因此，p1mm。4.3.2動載荷c計算在選擇滾珠絲杠螺母過程中，一般首先根據(jù)動載強度計算或靜載強度計算來確定其尺寸規(guī)格，然后對其剛度和穩(wěn)定性進行校核計算。額定動載荷fr是指當一批規(guī)格相同的滾珠絲杠螺母副，在一負荷力的測試運轉(zhuǎn)下，能通過10轉(zhuǎn)運動，而有90%步產(chǎn)生疲勞損傷時所能承受的最大軸向載荷。當轉(zhuǎn)速n10r/min時，滾珠絲杠螺母副的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷c應(yīng)小于或等于滾珠絲杠螺母副的額定動負荷，見公式（4.4） 式（4.4）式中 動載荷系數(shù)，一般1.5； 當量動負荷，n； 滾珠絲杠螺母副的額定動載荷，n； l壽命，以10轉(zhuǎn)為1單位,見式（4.5） l= 式（4.5）式中 t使用壽命， h，一般機床可取t=10000h，數(shù)控機床可取t=15000h； 滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速見式（4.6），r/min； 式（4.6）由題目給的參數(shù)可知，絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，絲杠的最小進給速度為1mm/min，故最小轉(zhuǎn)速可取0.1mm/min。則平均轉(zhuǎn)速=500r/min，故絲杠的工作壽命見式（4.7） l= 式（4.7）=450h本題取fd=1.2，因此，計算動載荷ce=11954.4nm根據(jù)附錄1可以選擇的滾珠絲杠螺母副的型號與參數(shù)，使得cfr，初選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，基本導(dǎo)程lo=10mm，型號為cdm3205-5-p2,其額定動載荷是19249n，強度足夠用。4.3.3效率計算 根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率見公式（4.8） 式（4.8）式中 螺紋的螺旋升角，該絲杠為541； 摩擦角約等于10。則 0.971 故滿足滾珠絲杠螺母副傳動效率大于0.9的要求。4.3.4滾珠絲杠的精度選擇滾珠絲杠的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠的精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機床定位精度最明顯。一般的初步設(shè)計時，設(shè)定絲杠的任意300mm行程變動量v 300應(yīng)小于目標設(shè)定定位精度值的1/31/2.所以v300=0.006mm0.01mm，查表可知，滾珠絲杠的精度等級為2級。4.3.5滾珠絲杠的制動由于滾珠絲杠的傳動效率高，無自鎖功能（特別是本次設(shè)計中的z向傳動），為了防止自重下降，必須裝有制動裝置。目前常用的制動方式有機械式和電氣式兩種。電氣方式是采用電磁制動器，而且這種制動器就做在電動機內(nèi)部。加工中心工作時，在制動器線圈電磁力的作用下，使兩齒輪脫開，彈簧受壓縮，當停機或停電時，電磁鐵失電，在彈簧恢復(fù)力的作用下，兩齒輪嚙合，故與電機軸的聯(lián)接的絲杠得到制動。機械制動是采用摩擦離合器。加工中心工作時，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開，運動由伺服電機經(jīng)聯(lián)軸器傳給絲杠，帶動工作臺移動。當加工完畢，伺服電機和電磁鐵同時斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動，工作臺便停止。本次設(shè)計采用電氣方式。4.4滾珠絲杠螺母副支承的選擇滾珠絲杠兩端的支承的配置情況有3種情況如圖所示的軸向固定方式。其中，圖4-1為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，這種支承形式結(jié)構(gòu)簡單，絲杠的軸向剛度比兩端固定低，絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低，設(shè)計師時盡量使絲杠受拉伸。對于行程小轉(zhuǎn)速較低的短絲杠和豎直絲杠可采用懸臂支成機構(gòu)。圖4-2為一端軸向固定一端游動的支承配置方式，對于高精度、中等轉(zhuǎn)速的較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠變長的影響，常采用一端軸向固定的支承固定方式。圖4-3為兩端固定方式，對于高精度、高旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠應(yīng)該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施加預(yù)緊拉力，可采用兩端固定方式，并在絲杠一端安裝碟形彈簧和調(diào)整螺母，既能對絲杠施加預(yù)緊力，又能讓彈簧補償絲杠熱變形，保持預(yù)緊力近乎不變。圖4-1一端固定一端自由圖4-2一端固定一端游動圖4-3兩端固定由于本設(shè)計的行程較短，轉(zhuǎn)速較低，故采用一端固定，一段自由的支承形式。4.5滾珠絲杠螺母副的間隙消除與預(yù)緊為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，