龍門式可換頭五軸聯(lián)動(dòng)加工中心3D設(shè)計(jì)-論文

1、摘 要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是龍門式可換頭五軸聯(lián)動(dòng)加工中心3D設(shè)計(jì)。該機(jī)床具有很強(qiáng)的數(shù)控功能，是高效率高精度加工空間曲面類零件，如各類模具、水輪機(jī)和汽輪機(jī)葉片、三元流離心壓氣機(jī)、船用螺旋漿和推進(jìn)器及螺旋錐齒輪的關(guān)鍵設(shè)備?？梢淮窝b夾工件在多種空間角度進(jìn)行銑、鏜、鉆等工序加工，加工各種具有復(fù)雜輪廓表面、型腔的工件，可作銑鏜、鉆孔等加工。廣泛適用于各種機(jī)械制造業(yè)，特別是模具制造業(yè)。它可以實(shí)現(xiàn)五軸控制、五軸聯(lián)動(dòng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸電機(jī)采用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)無(wú)級(jí)變速。該部分的主要內(nèi)容是龍門立柱、床身及進(jìn)給部件的3D設(shè)計(jì)。在掌握PRO/E軟件的基本功能后，對(duì)機(jī)床的各部件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，然后，進(jìn)行

2、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。第一章 概 述第一節(jié) 加工中心加工中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于復(fù)雜零件加工的高效自動(dòng)化機(jī)床。由于它具有自動(dòng)換刀能力，能在一次裝卡后完成多道工序，如鉆、銑、鏜、鉸、攻螺紋、切內(nèi)槽等加工，形成多工序自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床，它用于加工各種箱體類、板類復(fù)雜零件。各種高精床加工中心，可代替精密坐標(biāo)鏜床，還可作為基礎(chǔ)組成柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。一、加工中心的定義 加工中心(Machining Center簡(jiǎn)稱MC)是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及

3、傳感技術(shù)及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，它綜合了數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能并聚集在一臺(tái)加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫(kù)，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可以減少工件裝卡、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床34倍，達(dá)80%以上。所以說(shuō)，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。二、加工

4、中心的發(fā)展歷程及在我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院首次實(shí)現(xiàn)了三坐標(biāo)銑床數(shù)控化，數(shù)控裝置采用真空管電路。1955年第一次進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的批量制造，年產(chǎn)量為100臺(tái)。數(shù)控銑床是電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，是機(jī)械加工領(lǐng)域劃時(shí)代重大技術(shù)性突破，數(shù)控機(jī)床利用編程軟件，可方便地將簡(jiǎn)單工序集中起來(lái)，從而大大提高了零件的加工效率和加工質(zhì)量，并具有相當(dāng)大的柔性。在復(fù)雜零件工序高度集中時(shí)，必須頻繁更換刀具，以便提高生產(chǎn)效率，為了解決自動(dòng)換刀問(wèn)題，最早出現(xiàn)了轉(zhuǎn)塔頭立式鉆鏜銑床，在轉(zhuǎn)塔頭上有6-12根短主軸，每根主軸上裝有一把刀具，當(dāng)處于工作位置的刀具加工完畢之后，機(jī)床控制轉(zhuǎn)塔頭松開(kāi)，轉(zhuǎn)位，讓

5、下一工序的刀具進(jìn)入工作位置，夾緊轉(zhuǎn)塔頭之后，再繼續(xù)加工，直至完成全部工序。1958年，美國(guó)K&T公司首先把銑鉆鏜等多種工序集中于一臺(tái)機(jī)床上，通過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，引起了日、美、德、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家高度重視，競(jìng)相開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快，需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有一千多個(gè)品種規(guī)格。 北京機(jī)床研究所于1973年研制出了JCS013型臥式加工中心。1980年該所引進(jìn)了日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)，為我國(guó)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一

6、步發(fā)展準(zhǔn)備了先決條件，使我國(guó)的加工中心的研制出現(xiàn)了良好的局面，加工中心的產(chǎn)量出現(xiàn)了穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。在第七屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，展出數(shù)控龍門鏜銑床、龍門加工中心11臺(tái)，其中龍門加工中心8臺(tái)數(shù)控龍門鏜銑床3臺(tái)，除3臺(tái)是臺(tái)灣廠商生產(chǎn)的展品外，其余8臺(tái)是大陸展品。這表明我國(guó)加工中心的發(fā)展取得神速進(jìn)步，引起了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，但離世界的先進(jìn)水平還有很大的差距。 三、加工中心的工作原理加工中心的工作原理如圖11所示，根據(jù)零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行零件的程序編制，把零件所需的機(jī)床各種動(dòng)作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床數(shù)控裝置能接受的信息、代碼，并把這些代碼存儲(chǔ)在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置

7、，讀出信息，并送入數(shù)控裝置。進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過(guò)一系列處理和運(yùn)算能變成脈沖信號(hào)，有的信號(hào)送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件，使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，還有的信號(hào)，送到可編程控制器中，以順序控制機(jī)床的其它輔助動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)更換。手工編程穿孔機(jī)零件圖計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程穿孔帶輸入裝置數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī) 床自動(dòng)換刀裝置 圖11 加工中心的工作原理四、加工中心的組成加工中心的組成隨機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所不同。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)由基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。但同類型機(jī)床產(chǎn)品的基本

8、功能和部件組成一般差別不大。從總體上看加工中心大體由以下幾部分組成。（1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成，是加工中心的基礎(chǔ)構(gòu)件，它們可以是鑄鐵件、也可以是焊接鋼結(jié)構(gòu)件，均要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削載荷。故必須是剛度很高的部件，亦是加工中中心質(zhì)量和體積最大的部件。（2）主軸部件 它由主軸箱、主軸電機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。（3）控制系統(tǒng) 單臺(tái)加工中心的數(shù)控部分是由CNC裝置、可編程系控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電機(jī)等部分組成。們是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過(guò)程中的控制中心。（4）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，其性能是決定機(jī)

9、床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半封閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。（5）自動(dòng)換刀裝置 它由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。刀庫(kù)是存放加工過(guò)程所使用的全部刀具的裝置。（6）輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓河水及檢測(cè)系統(tǒng)等部分。它們是加工中心不可缺少的部分。（7）自動(dòng)托盤(pán)更換系統(tǒng) 有的加工中心為進(jìn)一步縮短非切屑時(shí)間，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤(pán)，一個(gè)安裝在工作臺(tái)上進(jìn)行加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外進(jìn)行裝卸工件。五、加工中心的特點(diǎn)及應(yīng)用 （1） 應(yīng)變能力強(qiáng) 適用于多品種、單件小批量零件的加工。 （2） 加工精度高 多軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)， （3）大大減

10、輕了工人的體力勞動(dòng)，適用于工序集中且工序較多的零件加工（4） 有較高的加工生產(chǎn)率和較低的加工成本（5） 有利于實(shí)現(xiàn)加工的現(xiàn)代管理第二節(jié) 虛擬制造虛擬制造技術(shù)是剛提出的面向21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，目前仍處于研究和探索階段，它是以信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)中，采用群組協(xié)同工作，通過(guò)虛擬模型來(lái)模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問(wèn)題，在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的全過(guò)程，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行過(guò)程管理與控制。綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已有的觀點(diǎn)，都認(rèn)同把虛擬制造分為三類：以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造（Design-Center

11、ed VM）、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造(Production-Centered VM)和以控制為中心的虛擬制造(Control-Centered VM)。其中，由于CAD技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，以CAD為基礎(chǔ)的以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造得到了更快、更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，也更容易獲得實(shí)際效果。虛擬制造被譽(yù)為21世紀(jì)的新型生產(chǎn)模式，是制造業(yè)迎接21世紀(jì)挑戰(zhàn)的有效技術(shù)，盡管對(duì)它的研究只有短短的幾年，但它對(duì)制造業(yè)起著革命性的影響，成為制造業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本課題采用虛擬制造技術(shù)開(kāi)發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，對(duì)研究虛擬制造技術(shù)在機(jī)床開(kāi)發(fā)領(lǐng)域起著重要的作用，它將促進(jìn)虛擬制造理論系統(tǒng)的研究和應(yīng)用實(shí)施。虛擬制造技術(shù)重點(diǎn)研究

12、工作集中在產(chǎn)品的虛擬仿真技術(shù)和應(yīng)用上。例如應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析軟件分析產(chǎn)品的功能。特別是在機(jī)床的虛擬制造技術(shù)中，最早是進(jìn)行切削過(guò)程的仿真。在虛擬制造的另一各方面，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的裝配仿真、生產(chǎn)過(guò)程仿真、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生產(chǎn)組織仿真等也是虛擬制造技術(shù)研究的熱點(diǎn)。制造領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品開(kāi)始于90年代中期，首先是在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始應(yīng)用，與此同時(shí)，虛擬產(chǎn)品制造的理論和相關(guān)技術(shù)研究也在同步進(jìn)行。運(yùn)用三維CAD建立虛擬模型是首要的工作。在虛擬建模技術(shù)基礎(chǔ)上，提出虛擬產(chǎn)品模型，它是一個(gè)集成的數(shù)字模型，包含產(chǎn)品各方面的信息，以便于進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實(shí)分析和基于網(wǎng)絡(luò)的分析制造等。在國(guó)

13、內(nèi)，虛擬制造的研究開(kāi)始于90年代中期。上海交通大學(xué)CIMS研究所和機(jī)械院機(jī)電研究所分別得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，開(kāi)始虛擬制造基本技術(shù)的研究應(yīng)用。清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室也是我國(guó)最早的虛擬制造技術(shù)研究部門之一。綜合上述資料分析，虛擬制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用已成為近階段新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主流技術(shù)，由于采用該技術(shù)硬件設(shè)備和資金的投入少、見(jiàn)效快，在國(guó)際國(guó)內(nèi)都引起了足夠的重視。但是，目前虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域中尚存許多有待研究的題目，如合理的虛擬制造體系、虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品制造的理論與相關(guān)技術(shù)，以及構(gòu)筑虛擬制造系統(tǒng)（VMS）的各種支撐技術(shù)和異構(gòu)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。盡管虛擬制造發(fā)展迅速，但是目前

14、還缺乏從產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的高度開(kāi)展虛擬制造的研究。在應(yīng)用虛擬制造技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)尚未自行開(kāi)發(fā)成熟的應(yīng)用軟件，幾乎都是在國(guó)外商品工具軟件的平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用和二次開(kāi)發(fā)。第三節(jié) 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式。高技術(shù)、高性能數(shù)控機(jī)床是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)國(guó)防建設(shè)的重要條件，數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)是高精度、高速度、高效率化（精度、速度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)）、柔性化、工藝復(fù)合性和多軸化、實(shí)時(shí)智能化。五軸數(shù)控機(jī)床和三軸數(shù)控加工相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜型面工件的加工，得到更好

15、的表面加工質(zhì)量。隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展，五軸機(jī)床越來(lái)越多的應(yīng)用于國(guó)家重要工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。五軸加工機(jī)床由于生產(chǎn)制造技術(shù)上的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三軸機(jī)床，很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有解決國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。主要存在三方面的問(wèn)題：1）五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng)；2）可實(shí)現(xiàn)五個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜；3）五軸聯(lián)動(dòng)加工數(shù)控程序的編制。目前主要問(wèn)題正在逐步解決，對(duì)五軸加工中心的開(kāi)發(fā)和國(guó)產(chǎn)化提供了條件。近年來(lái)，在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，五軸聯(lián)動(dòng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于數(shù)控滑枕銑床、數(shù)控龍門銑床和數(shù)控加工中心，實(shí)現(xiàn)四面和五面加工，大大提高了銑床的自動(dòng)化水平和工藝范圍以及工作效率。在國(guó)內(nèi)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的開(kāi)發(fā)中，目前國(guó)內(nèi)已有廠家開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，但是對(duì)于自動(dòng)萬(wàn)

16、能銑頭目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廠家開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，主要還處于搜集技術(shù)資料和研究階段。在國(guó)內(nèi)，通過(guò)合作生產(chǎn)、引進(jìn)技術(shù)、合資、自主開(kāi)發(fā)，數(shù)控機(jī)床取得了可喜的進(jìn)步.普及型數(shù)控機(jī)床基本滿足國(guó)內(nèi)需要。但是，對(duì)于汽車工業(yè)、航天航空工業(yè)、船舶工業(yè)、兵器工業(yè)急需的高速、高精、復(fù)合、多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,如,五軸聯(lián)動(dòng)的立臥轉(zhuǎn)換加工中心，高速加工中心，精密加工中心，五軸龍門加工中心，高精度數(shù)控機(jī)床，高性能車削中心，高精度電加工機(jī)床等等，有的處于攻關(guān)階段，有的正處于試制和試生產(chǎn)階段，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比尚有不小差距。高性能數(shù)控機(jī)床是發(fā)展我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)國(guó)防建設(shè)的重要條件，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家常把它作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度，對(duì)社會(huì)主

17、義國(guó)家實(shí)行禁運(yùn)，限制其國(guó)防軍事工業(yè)發(fā)展、高技術(shù)發(fā)展和綜合國(guó)力的提高。近年來(lái)，高速銑及高速加工中心；五面體龍門加工中心及龍門仿型加工中心成為兩大進(jìn)口熱點(diǎn)，反映了面臨入世的中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)升級(jí)。五軸加工中心可實(shí)現(xiàn)多軸結(jié)構(gòu)，可用于更復(fù)雜曲面的加工，工業(yè)用途范圍大，使用靈活，易于實(shí)現(xiàn)高速，是一些產(chǎn)品加工必須使用的機(jī)床設(shè)備，也是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品中的高技術(shù)難度產(chǎn)品。第二章 總體方案設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品制造全過(guò)程中的第一步。設(shè)計(jì)師經(jīng)過(guò)構(gòu)思、分析和計(jì)算，并充分考慮制造工藝及產(chǎn)品使用和維修等多方面的問(wèn)題，將產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)和全部細(xì)節(jié)通過(guò)圖紙、技術(shù)文件和計(jì)算機(jī)軟件，具體和確切地描述出來(lái)，以之作為制造工作的全面和唯

18、一的依據(jù)。機(jī)械設(shè)計(jì)的水平和質(zhì)量不但對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能，而且也對(duì)產(chǎn)品在制造和使用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響都起全面的和決定性的作用?？傮w設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，它對(duì)機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和外觀造型具有決定意義?？傮w方案的擬定，就是要提出和確定所設(shè)計(jì)機(jī)床設(shè)備的工藝方法、運(yùn)動(dòng)和布局、傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)、控制和性能等方面的方案?？傮w方案設(shè)計(jì)包括下列內(nèi)容：（1） 查研究 包括調(diào)查和分析工件，了解所設(shè)計(jì)機(jī)床的使用要求和制造條件，調(diào)查研究同類型機(jī)床和有關(guān)科技成就等文獻(xiàn)資料；（2） 工藝方案的確定。在進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)不同類型的工藝方案進(jìn)行分析比較，選擇符合實(shí)際情況的具有先進(jìn)性的工藝方案。（3） 確定機(jī)床的

19、總體參數(shù)?？傮w參數(shù)是表明機(jī)床技術(shù)性能的主要指標(biāo)，包括機(jī)床性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩方面。性能參數(shù)是指生產(chǎn)率、載荷、速度、功率和重量等。結(jié)構(gòu)參數(shù)是指主要結(jié)構(gòu)尺寸。（4） 機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。根據(jù)工藝動(dòng)作過(guò)程選用合適執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成各個(gè)基本運(yùn)動(dòng)，再用一定的組合方式構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。（5） 機(jī)床總體布置。主要是確定主要機(jī)床設(shè)備和輔助設(shè)備的相互位置和連接方式。并考慮安全操作、整體造型等問(wèn)題。（6） 機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)所需的載荷，選擇或設(shè)計(jì)機(jī)床的工作構(gòu)件，本機(jī)床采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)和滑枕座進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。（7） 動(dòng)力源特性分析。采用交流伺服電機(jī)。（8） 機(jī)器造型設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器外形、

20、色彩進(jìn)行藝術(shù)處理。（9） 畫(huà)出總裝配圖、零件施工圖。（10） 編寫(xiě)全部設(shè)計(jì)技術(shù)文件。2.1 總體方案設(shè)計(jì)的依據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的主要依據(jù)包括零部件、同類型機(jī)床的有關(guān)科技成就、使用要求以及制造條件等。（1） 充分調(diào)查，掌握有關(guān)資料，本次設(shè)計(jì)任務(wù)是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，主要用于曲面加工，切削力不大，但要求被加工面的尺寸精度、位置精度較高，表面粗糙度較好，生產(chǎn)率高。（2） 本課題來(lái)源于1999年底，北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院、北京航天航空大學(xué)和桂林機(jī)床股份有限公司開(kāi)始共同開(kāi)發(fā)研制五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。在設(shè)計(jì)過(guò)程中參考了該機(jī)床的一些具體方案。2.2 工藝分析、方案確定本次設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，主要任務(wù)是完成立柱、橫梁、床

21、身、工作臺(tái)和鐵屑輸送裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模和裝配，并完成立柱、橫梁的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)調(diào)研并在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，確定設(shè)計(jì)的具體方案為： 整機(jī)采用固定龍門式結(jié)構(gòu)，剛性好，外形美觀，上下工件與操作方便。 主軸采用高速電主軸，主軸轉(zhuǎn)速高，加工效率高。 工作臺(tái)面及三向行程參數(shù)大，加工范圍廣，整機(jī)剛性高，承載重量大。 主要大件采用箱形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度與剛性好。 縱向?qū)к壊捎镁匦未慊鹳N塑結(jié)構(gòu)，橫向?qū)к壊捎镁匦闻c燕尾形的組合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌強(qiáng)度高，剛性好，耐磨性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈敏度高。 三向進(jìn)給采用精密滾珠絲桿傳動(dòng)。 采用自動(dòng)集中潤(rùn)滑裝置。 配置兩組平板鏈?zhǔn)阶詣?dòng)排屑裝置，自動(dòng)化程度高。 可選擇配置四周封閉式防護(hù)圍罩，密封性好。2.

22、3設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)及來(lái)源：基本數(shù)據(jù)（長(zhǎng)度單位：）：工作臺(tái)面積（寬長(zhǎng)）：16004000工作臺(tái)縱向行程：4000滑枕行程： 橫向：1000；縱向：2500主軸斷面到工作臺(tái)面的距離：最?。?5；最大：1095主電機(jī)功率：28 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍（rpm）：010000A（B）軸擺角100、C軸轉(zhuǎn)角180、刀庫(kù)容量40機(jī)床體積（長(zhǎng)寬高）：940043003900工作臺(tái)最大承受重量：10000數(shù)據(jù)來(lái)源：桂林機(jī)床股份有限公司XK2316/3-5X五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床第三章 機(jī)床設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié) 機(jī)架設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)器的床身、立柱、橫梁、工作臺(tái)通稱為機(jī)架。機(jī)架在機(jī)器的總重量中占有很大的比例（約占機(jī)床總質(zhì)量的7090）。機(jī)架支

23、撐著機(jī)器中所有基本部件，并承受作用在機(jī)器中的全部作用力。機(jī)架對(duì)機(jī)器的安裝精度、工作精度、耐磨性、抗振性及可靠性有很大影響。因此，在計(jì)算機(jī)架零件時(shí)，合理選用機(jī)架材料和正確設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機(jī)器質(zhì)量，節(jié)約金屬材料，提高工作精度，增強(qiáng)機(jī)器剛度及耐磨性等重要途徑。在設(shè)計(jì)機(jī)架零件的過(guò)程中應(yīng)滿足下列一些基本要求：1.要有足夠的剛度和強(qiáng)度。機(jī)架零件經(jīng)常以剛度作為主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)踐證明，機(jī)架零件的剛度滿足了，則強(qiáng)度一般也是足夠的。2.要有合適的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于安裝、操作、制造及維修。3.要有較好的吸振性能；對(duì)于帶有導(dǎo)軌的機(jī)架零件，還應(yīng)有良好的耐磨性。4.材料價(jià)格低廉，工藝性好，易于制造。5.在滿

24、足使用要求和經(jīng)濟(jì)要求的前提下，力求造型美觀。一. 機(jī)架的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)在進(jìn)行機(jī)床機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮機(jī)架的工作性能和工藝性，應(yīng)在滿足工作性能的前提下，減輕機(jī)架重量，節(jié)約金屬，提高機(jī)架的靜剛度和動(dòng)態(tài)性能，減少機(jī)架鑄造和加工的工作量。 因此，靜剛度的提高和重量的減輕，同時(shí)都可提高機(jī)架的固有頻率。在大多數(shù)情況下，提高固有頻率可改善機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性。1.斷面形狀的選擇(1) 一般概念根據(jù)材料力學(xué)的理論和實(shí)踐證明,桿件的抗拉和抗壓剛度取決于桿件斷面面積的大小,而與斷面的形狀無(wú)關(guān);而桿件的抗彎剛度和抗扭剛度則除與斷面的面積大小有關(guān)外,還取決于斷面的形狀。桿件的抗彎和抗扭剛度與桿件斷面慣性矩成正比。

25、(2) 床身斷面形狀的選擇圖1 床身斷面形狀這類床身工作時(shí)，主要承受彎曲載荷，由于無(wú)需經(jīng)床身排除切屑，所以頂面多采用封閉的，臺(tái)面也不能太高，以便與工件安裝調(diào)整。斷面尺寸的h/b比一般小于1。適用于小型無(wú)升降臺(tái)式銑床、龍門刨床、龍門銑床、鏜床、插床等。(3) 立柱斷面形狀的選擇矩形閉式斷面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有筋板和筋條，抗扭及抗彎剛度高，應(yīng)用于復(fù)雜空間載荷的機(jī)床，如銑床鏜床等機(jī)床。斷面尺寸h/b約為1。圖2 立柱斷面形狀(4) 橫梁斷面形狀的選擇龍門機(jī)床的橫梁工作時(shí)承受復(fù)雜的空間載荷，其龍門垂直方向上的剛度，對(duì)機(jī)床總剛度影響很大。剛度小的橫梁的變形量，有時(shí)在機(jī)床的綜合變形量中可占到2040，其中又以扭轉(zhuǎn)

26、變形為主，占60。根據(jù)受力情況，橫梁的斷面一般選取矩形封閉式斷面。在橫梁內(nèi)部均布置有縱、橫筋板合筋條。圖3 橫梁斷面形狀2.筋板和筋條的布置（1） 基本概念開(kāi)式斷面的結(jié)構(gòu)和半開(kāi)式斷面結(jié)構(gòu)的抗扭剛度較差，在其內(nèi)部安置筋板，可增加抗扭剛度。閉式斷面結(jié)構(gòu)，當(dāng)尺寸大而壁薄時(shí)，在其內(nèi)部安裝筋板，可減小其局部變形和斷面形狀的畸變。合理布置大件內(nèi)部的筋板是提高大件剛度、減輕大件重量的重要途徑之一。筋板之所以能夠提高大件的剛度，是因?yàn)榻畎迥苁勾蠹獗诘木植枯d荷傳遞給其它壁板，使它們均衡地承受載荷，并將外壁的彎曲變形轉(zhuǎn)化為筋板的拉伸和壓縮變形，由于這類變形的值很小，因此可阻止外壁的彎曲變形，筋板可大大地加強(qiáng)大件

27、的四壁一個(gè)整體的作用，在承受扭矩時(shí)，可減小形狀的畸變。（1） 的筋板布置龍門銑床的床身相當(dāng)于斷面中三面封閉的鉸支梁。半封閉式斷面的鉸支梁抗扭剛度較低，內(nèi)部必須布置筋板。圖4 床身筋板布置形狀（1） 橫梁的筋板布置龍門型機(jī)床的橫梁一般均為封閉式斷面。閉式斷面的鉸支梁較其它斷面的鉸支梁的抗彎和抗扭剛度都高，但機(jī)床橫梁的變形對(duì)機(jī)床加工精度的影響很大，所以內(nèi)部一般仍多布置有各種筋板或筋條。 圖5 橫梁內(nèi)部筋板布置形狀（2） 立柱的筋板布置立柱由于支承條件不利并承受復(fù)雜載荷，所以斷面形狀一般為閉式矩形或雙矩形。長(zhǎng)度和斷面尺寸較大時(shí)，內(nèi)部均布置有縱、橫的筋板和筋條，以減少大件的局部變形和斷面畸變，并提高抗

28、彎和抗扭剛度。圖6 橫梁內(nèi)部筋板布置形狀（3） 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和筋板布置 本機(jī)床采用矩形工作臺(tái)，其寬度較大，為了減輕重量，提高剛度，均取斷面為封閉式的箱形結(jié)構(gòu)，為了保證工作臺(tái)有足夠的抗彎剛度，閉式斷面的工作臺(tái)內(nèi)部均應(yīng)布置縱向筋和大量的橫向筋。橫向筋一般每隔300400mm布置一條，縱向筋布置在T形槽下，以減小臺(tái)面卡緊時(shí)的局部變形。工作臺(tái)周圍需安排水槽供排泄切屑液用。圖7 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 其中 槽數(shù) 9 槽寬 22 槽距 160 （單位：mm）3.機(jī)架外壁上的窗孔機(jī)架內(nèi)部由于安置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓、電氣裝置及線道管道等，因而在外壁及內(nèi)部筋板上需要作出各種窗孔。窗孔的形狀、大小及位置，對(duì)機(jī)架的剛度有一

29、定影響，設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)考慮。4.機(jī)架壁厚的選擇機(jī)架的重量在一臺(tái)機(jī)床的總重量中占很大比例，在節(jié)約金屬材料方面有較大的潛力。機(jī)架的壁厚應(yīng)在剛度要求和鑄造工藝允許的條件下，盡量采用較小的值。根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，鑄鐵機(jī)架的壁厚可根據(jù)大件外形的最大尺寸或外性空間尺寸來(lái)選定。筋板的厚度一般取壁厚的80。機(jī)架在導(dǎo)軌處、與其它機(jī)架聯(lián)結(jié)處及安裝軸承和軸承支架處的壁板和筋板，除需合理布筋外，還應(yīng)適當(dāng)增加厚度，以局部變形。外壁和縱向主筋 1020mm筋 816mm導(dǎo)軌支承壁 2332mm5.機(jī)架間的聯(lián)接與固定機(jī)床的床身、立柱、橫梁等機(jī)架，在裝配時(shí)用螺釘互相聯(lián)接成為整體。，一般機(jī)床在工作時(shí)，床身或底座大都需用螺釘固定在地基

30、上。機(jī)架的這些聯(lián)接部分的結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)適當(dāng)，否則在工作中容易產(chǎn)生較大的局部變形。機(jī)架接合面處的變形和位移主要來(lái)源于接合面的接觸變形、固定螺釘?shù)淖冃我约皺C(jī)架聯(lián)接部位的局部變形。為了保證機(jī)架的聯(lián)接剛度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a.重要的固定接合面的光潔度應(yīng)規(guī)定的適當(dāng)，一般不應(yīng)低于6，最好能經(jīng)過(guò)初刮工序，每25*25mm2面積內(nèi)的接觸點(diǎn)數(shù)不少于48點(diǎn)。B.固定螺釘?shù)闹睆綉?yīng)足夠大，以期有足夠的抗拉剛度。數(shù)量需充分，一般用812個(gè)，布置在接合部分的整個(gè)四周。裝配時(shí)應(yīng)保證接合面上的預(yù)壓力為1520kgf/cm2 C.機(jī)架的聯(lián)接部位應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。機(jī)架連接部位的構(gòu)造有三類：爪座式、翻邊式、壁龕式二. 機(jī)架剛度

31、、變形及其對(duì)刀具工件相對(duì)位移量的影響 在機(jī)床和大件的主要尺寸、結(jié)構(gòu)初步確定后，即可用一定方法核算機(jī)架的剛度、變形和所引起的刀具工件相對(duì)位移量的大小。機(jī)架變形與相對(duì)移量的計(jì)算，大致按以下步驟進(jìn)行：（1） 繪制機(jī)床和機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算簡(jiǎn)圖；（2） 選定大件的代表性斷面，計(jì)算其抗彎和抗扭慣性矩I、In,或直接計(jì)算抗彎和抗扭斷面剛度系數(shù)EI、GIn ;（3） 根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)情況,確定有關(guān)修正系數(shù),如剪切分配系數(shù),輪廓畸變系數(shù)等；（4） 列出機(jī)架變形反應(yīng)至刀具與工件相對(duì)位于量的計(jì)算式,將以上已確定的數(shù)據(jù)代入,計(jì)算相對(duì)位移量的大小。1.切削力的計(jì)算高速鋼銑刀銑削力計(jì)算式(查表7.1-27) 在什么地方或標(biāo)

32、準(zhǔn)？Fc=CFae1.1af0.8dt-1.1ap0.95Z式中 CF系數(shù) 見(jiàn)表7.1-28ae銑削接觸弧(mm)af每齒進(jìn)給量( mm/齒)dt銑刀直徑( mm)ap銑削深度(mm)z銑刀齒數(shù) 各系數(shù)的取值CF =82 ae =50mm af =0.3m/z dt =50mm ap =5.4mm z=4 工件材料為45# 計(jì)算結(jié)果P(所需功率)=27.92 KW進(jìn)給力約為 1382 N徑向力約為 2303 N主切削力約為 4606 N切削分力的計(jì)算 (查表7.1-16) FH/FG=0.3 FH=1380 N FV/FG=1 FV=4600 N Fa/FG=0.5 Fa=2300 N 2.立

33、柱剛度對(duì)刀具工件相對(duì)位移量的影響計(jì)算公式（查表5.1596）fx=pxlp3/3EIy+u2lp/GF+yp2lpN3/k0GIn-pyxpyplpN4/koGIn-pzxplpN1/px2EIy fy=py-lp3/3EIy-u1lp/GF-xp2lpN5/k0GIn+pxxpypN4/pyk0GIn+pzyplpN6/py2EIx fz=pz-yp2/EIx-xp2lpN2/EIy+pylp2ypN6/pz2EIx+pxlp2xpN1/pz2EIy式中 L立柱高度 (cm) b立柱寬度 (cm) h立柱長(zhǎng)度 (cm) c刀具至立柱側(cè)面距離 (cm) lp立柱的計(jì)算高度(cm) 取2L/3

34、xc立柱側(cè)面至立柱主形心軸距離 (cm) Ix、IZ立柱斷面抗彎慣性矩(cm4)In立柱斷面抗扭慣性矩(cm4)F力柱斷面面積(cm2)Px 、Py 、Pz切削分力(kgf) 建議比例取0.3：0.5：1u1 u2剪切分配系數(shù)，見(jiàn)圖5.1590K0窗孔系數(shù)，見(jiàn)圖5.1591N1 N2 N3 N4 N5 N6 斷面畸變系數(shù)，確定方法見(jiàn)表5.1599或表5.15100其中 L=300cm b=60cm h=70cm c=68cm lp=200cm xc=30cm a=50cm Ix=2.0*105cm4 Iz=1.5*105cm4 u1=2.3 u2=2.5K0=0.5 N1=0.32 N2=0.

35、4 N3=1.5 N4=3.5 N5=15N6=0.1 F=256cm2 In=3.4*105cm4 E=1*106kgf/cm2G=0.4*106kgf/cm2計(jì)算結(jié)果fx=0.09mm fy=0.012mm fz=0.01mm3.橫梁剛度對(duì)刀具工件相對(duì)位移量的影響計(jì)算公式（見(jiàn)表5.15102）fx=pxL3/48EIz+(PxZp-pzxp)Lzp/4GInfz=pz/E(zp2L/12Ix+xp2L/12Iz)fy=pyL3/48EIx-(pxzp-pzxp)LS/4GIn 式中 L立柱跨距（cm）h橫梁高度 (cm)x1 z1橫梁重心位置(cm)xp=zp=x1Ix Iz In橫梁斷面

36、的抗彎和抗扭慣性矩(cm4)G主軸箱系統(tǒng)的重量(kgf)其中 L=240cm h=70cm x1 =z1=200cm Ix=Iz=2.2*105cm4 In=3.7*105cm4 E=1*106kgf/cm2 G=0.4*106kgf/cm2計(jì)算結(jié)果 fx=0.03mm fy=0.06mm fz=0.02mm結(jié)論？是否滿足要求？第二節(jié) 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動(dòng)部件能沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)，并承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量和切削力。導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：精度高、壽命長(zhǎng)、剛度及承載能力大、摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工、裝配、調(diào)整、維修、成本低。一.縱向?qū)к売捎诠ぷ髋_(tái)只做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，承受的載荷較大

37、，且不受向上的力和大的顛覆力矩；因此，工作臺(tái)導(dǎo)軌選用兩條淬火貼塑矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌。矩形導(dǎo)軌制造維修方便，承載能力大，新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，可用鑲條調(diào)節(jié)，保證導(dǎo)向精度。1. 導(dǎo)軌的截面形狀 圖8 導(dǎo)軌的截面形狀這種導(dǎo)軌的特點(diǎn)：承載能力大，制造簡(jiǎn)便；必須留有側(cè)面間隙，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，需用鑲條調(diào)整，將降低導(dǎo)向精度；應(yīng)注意導(dǎo)軌的防護(hù)。2. 導(dǎo)軌的尺寸（查表6.29 矩形導(dǎo)軌型式尺寸 單位：mm） 圖9 矩形導(dǎo)軌型式尺寸H=80 B=280 B1=65 A=1360 h=50 h1=h-1=49 b=203. 導(dǎo)軌的比壓計(jì)算（1） 計(jì)算目的導(dǎo)軌的損壞形式主要是磨損，而導(dǎo)軌的磨損又與導(dǎo)軌表

38、面的比壓有密切的關(guān)系，隨著比壓的增加，導(dǎo)軌的磨損量也增加。此外，導(dǎo)軌面的接觸變形又與比壓近似成正比。在初步選定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸后，應(yīng)核算導(dǎo)軌面的比壓，時(shí)期限制在允許范圍內(nèi)。此外，通過(guò)導(dǎo)軌的受力計(jì)算，可以求出牽引力的大小，判斷其配置是否合理；得知是否必須設(shè)置壓板。分析導(dǎo)軌面上比壓的分布情況，還可檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理。（2） 導(dǎo)軌面比壓的分布規(guī)律及比壓計(jì)算公式導(dǎo)軌面比壓分布比較復(fù)雜，為了能進(jìn)行工程計(jì)算，作如下假設(shè)：A 導(dǎo)軌所在部件本身剛度很高，受力后導(dǎo)軌接觸面仍保持為一平面；B 導(dǎo)軌面上的接觸變形與比壓成正比例；C 導(dǎo)軌面寬度遠(yuǎn)比接觸長(zhǎng)度小，沿導(dǎo)軌寬度方向上的比壓各處相等。導(dǎo)軌面平均比壓 圖10 導(dǎo)軌的

39、壓強(qiáng)如圖10所示，由F和M在導(dǎo)軌上引起的壓強(qiáng)為 Pm=F/S (Mpa) S=La式中 F作用在導(dǎo)軌面上的法向力（N） S動(dòng)導(dǎo)軌的承載面積(mm2) L導(dǎo)軌接觸面長(zhǎng)度（mm） a 導(dǎo)軌接觸面寬度( mm) 其中 F=20000kg L=4000mm a280mmP m=0.2 (Mpa)Pm=1/2(Pmax+Pmin)按梯型分布的比壓與一個(gè)按矩形分布的比壓等效時(shí),按矩形分布比壓圖形的高度就等于平均比壓。這時(shí)只要平均比壓不超過(guò)許用的平均比壓，則最大比壓必然不會(huì)超過(guò)許用的最大比壓。如果導(dǎo)軌受力后導(dǎo)軌面沒(méi)有脫離接觸，則只須計(jì)算平均比壓。鑄鐵導(dǎo)軌的許用平均比壓Pm=0.40.5 (Mpa) 由于導(dǎo)軌

40、的平均比壓在許用平均比壓范圍內(nèi),因此,導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸符合要求。4. 導(dǎo)軌的間隙調(diào)整裝置 平面導(dǎo)軌的間隙調(diào)整裝置廣泛采用了鑲條和壓板。設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮保證調(diào)整容易外，應(yīng)注意增強(qiáng)它們的剛性。當(dāng)壓板受力不大，或?qū)к壒ぷ鏖L(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，只須在運(yùn)動(dòng)部件的兩端或中間（受力區(qū)）裝短的壓板。短壓板的長(zhǎng)度可取為導(dǎo)軌工作長(zhǎng)度的1/31/4。（1）鑲條、壓板的材料和技術(shù)要求查表6.225 材料與熱處理 ZQSn6-6-3 ZQAl9-4特點(diǎn) 加工、配刮容易，耐磨性好，成本高應(yīng)用場(chǎng)合 用于較大壓力，中等尺寸，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、移動(dòng)精度和耐磨性要求較高的精密機(jī)床作鑲條查表6.226鑲條滑動(dòng)接合面平面度 由接觸點(diǎn)保證接觸點(diǎn) 101

41、2點(diǎn)/25*25mm裝配后允許間隙 0.03mm塞尺塞入滑動(dòng)接合面接觸點(diǎn) 68點(diǎn)/25*25mm接觸點(diǎn) 1012點(diǎn)/25*25mm 壓 板滑動(dòng)接合面平面度 由接觸點(diǎn)保證接觸點(diǎn) 68點(diǎn)/25*25mm接觸點(diǎn) 1012點(diǎn)/25*25mm滑動(dòng)接合面平面度 由接觸點(diǎn)保證接觸點(diǎn) 1012點(diǎn)/25*25mm裝配后允許間隙 0.03mm塞尺塞入鑲條或壓板上可開(kāi)適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油槽，保證有足夠的潤(rùn)滑油。5.導(dǎo)軌的材料與熱處理用于機(jī)床導(dǎo)軌的材料，應(yīng)具有以下性能：（1） 良好的耐磨性。導(dǎo)軌的磨損不但影響機(jī)床加工精度的保持性，而且在許多情況下還影響與導(dǎo)軌相聯(lián)系的摩擦副的工作性能。決定搗鬼耐磨性的因素很多，但最重要的四導(dǎo)軌

42、配合副所用的材料以及工作表面的加工質(zhì)量。材料硬度本身并不一定能保證導(dǎo)軌具有較高的耐磨性能，有時(shí)在同樣使用條件下，硬的材料反而比軟的材料容易磨損。（2） 良好的摩擦特性。包括較小的靜摩擦系數(shù)和它受靜接觸延續(xù)時(shí)間的影響小，較小的動(dòng)摩擦系數(shù)和它在低速進(jìn)給范圍內(nèi)受滑動(dòng)速度的影響小等。還希望靜、動(dòng)摩擦系數(shù)較小。（3） 加工與使用中由于殘留內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形小。（4） 工作環(huán)境與自身溫升的尺寸穩(wěn)定，強(qiáng)度不變。導(dǎo)軌摩擦副應(yīng)盡量由異種材料相配組成。在直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副中，較長(zhǎng)的一條導(dǎo)軌用較耐磨的和較硬的材料制造，這是因?yàn)椋洪L(zhǎng)導(dǎo)軌在全長(zhǎng)上磨損不均勻，而且磨損后不能用調(diào)整的辦法來(lái)補(bǔ)償，對(duì)加工精度影響較大；短導(dǎo)軌耐磨性

43、較低，使用中誤差會(huì)較快地消除，且便于刮研，減少修理的勞動(dòng)量；長(zhǎng)導(dǎo)軌通常是外露的，容易受到意外的損傷。 表6.237 導(dǎo)軌材料匹配及其相對(duì)壽命序號(hào)導(dǎo)軌材料和熱處理 相 對(duì) 壽 命 1鑄鐵/鑄鐵 1 2 鑄鐵/淬火鑄鐵 23 3鑄鐵/淬火鋼 2 4 淬火鑄鐵/淬火鑄鐵 45 6 塑料/鑄鐵 主要用于不易潤(rùn)滑和能保護(hù)下導(dǎo)軌，提高耐磨性 7 有色金屬板/鑄鐵塑料具有化學(xué)穩(wěn)定性高、摩擦系數(shù)低而且靜、動(dòng)摩擦系數(shù)接近與穩(wěn)定、能在各種液體或無(wú)潤(rùn)滑條件下工作、耐磨損、耐腐蝕、吸振性好以及比重小、強(qiáng)度大、加工簡(jiǎn)便等許多優(yōu)點(diǎn)，很適合做導(dǎo)軌材料；塑料還有良好的對(duì)異物的埋沒(méi)性，極細(xì)小的磨粒等異物能埋入塑料內(nèi)，減少金屬表

44、面的磨粒磨損。而且磨損后，更換塑料貼片容易。導(dǎo)軌材料選用 鑄鐵/淬火鋼 表面采用刮研貼塑材料選用 聚四氟乙烯F-4 （查表6.240）6.導(dǎo)軌的潤(rùn)滑滑動(dòng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑的目的：（1） 使導(dǎo)軌盡量接近純液體摩擦，以減小摩擦阻力、降低驅(qū)動(dòng)功率、提高效率。（2） 減少導(dǎo)軌磨損，延長(zhǎng)使用壽命，防止導(dǎo)軌銹蝕。流動(dòng)的潤(rùn)滑油還起沖洗作用。（3） 避免低速爬行并減小振動(dòng)。（4） 降低高速時(shí)摩擦熱，減少熱變形。潤(rùn)滑方式：查表6.291 采用連續(xù)供油壓力潤(rùn)滑方式7.導(dǎo)軌的防護(hù)裝置設(shè)計(jì)完善的防護(hù)裝置,是改善導(dǎo)軌工作條件, 提高導(dǎo)軌壽命的重要措施。剛性的防護(hù)裝置還能防止工件、扳手等物偶然掉落而損傷導(dǎo)軌。導(dǎo)軌的防護(hù)裝置應(yīng)滿足下

45、列要求：（1） 能擋住外物進(jìn)入導(dǎo)軌，以免擦傷表面；（2） 能耐紅熱的切屑和冷卻液的腐蝕；（3） 清理導(dǎo)軌時(shí)便于裝卸；（4） 具有一定強(qiáng)度、剛度和使用壽命；（5） 外形美觀，制造容易，成本低。參照表6.296 本方案采用伸縮板式防護(hù)裝置伸縮板式防護(hù)裝置用于水平導(dǎo)軌時(shí)，一般采用三面封閉，具有較大剛度的罩殼形式；用于移動(dòng)速度不大和行程較短的垂直導(dǎo)軌時(shí)，可采用平板在槽內(nèi)滑動(dòng)的形式。其運(yùn)動(dòng)形式為：防護(hù)板在固定的支承板上移動(dòng)。支承板的一側(cè)彎曲，以防切屑掉入導(dǎo)軌。防護(hù)板用青銅板條導(dǎo)向。防護(hù)板的最后面一塊固定在床身末端。在其余防護(hù)板周圍有板條。與前一個(gè)防護(hù)板的板條配合用以導(dǎo)向。此外，板條還可以做防護(hù)板之間的密

46、封（約0.30.4mm）。板條也可以放在防護(hù)板內(nèi)側(cè)。所有板條都鉚接在防護(hù)板上。二. 橫梁導(dǎo)軌橫梁導(dǎo)軌采用矩形與燕尾形的組合，其結(jié)構(gòu)形式如下圖，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用矩形導(dǎo)軌來(lái)承受較大的顛覆力矩，用燕尾導(dǎo)軌作側(cè)導(dǎo)向面，減少一個(gè)壓板接觸面，調(diào)整間隙簡(jiǎn)便，卡緊容易。由于移動(dòng)的滑枕較重，垂直向上的切削力相對(duì)來(lái)說(shuō)較??；移動(dòng)部件的重量作用在矩形導(dǎo)軌頂部水平面上，并且一部分重量由體重塊裝置來(lái)承擔(dān)，這就減少了該面上的比壓，同時(shí)卸荷力產(chǎn)生的力距可減少重力產(chǎn)生的顛覆力矩。第四節(jié) 絲杠螺母的設(shè)計(jì)一. 概述絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的特點(diǎn)：（1） 用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。（2） 可達(dá)到很大

47、的降速傳動(dòng)比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈得以縮短。（3） 能達(dá)到較高的傳動(dòng)精度。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí)，還可兼作測(cè)量元件。（4） 傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲。（5） 在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進(jìn)行逆?zhèn)鲃?dòng)。此特點(diǎn)特別適用于作部件升降傳動(dòng)，可防止部件因自重而自動(dòng)降落。1. 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的導(dǎo)程、效率和驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算（1） 導(dǎo)程S 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)，當(dāng)回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速為n(r/min),移動(dòng)件的線速度為v(m/min)時(shí)，則絲杠的導(dǎo)程S S=1000v/n(mm) 設(shè)螺紋頭數(shù)為k,則s=kt,t為螺距。當(dāng)k=時(shí)，s=t. s=1*10=10 mm(2)效率正傳動(dòng)效率，即由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的效率為： tg/tg(

48、+) 式中 中徑處的螺紋升角（deg）,tg=s/d2 d2螺紋中徑（mm）；當(dāng)量摩擦角(deg)。對(duì)滾珠絲杠：tg-1f/dosina, 一般為812式中 a滾珠與滾道的接觸角(deg)，一般a=450; do滾珠直徑(cm); (查表5.735) f-滾動(dòng)摩擦系數(shù)（f=0.001cm）查表5.735 tg=3039 8.17 0.97397.3%（3） 驅(qū)動(dòng)扭矩由參數(shù)可知縱向進(jìn)給電機(jī)扭矩為39Nm二. 滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)1.工作原理和特點(diǎn)滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)在絲杠和螺母之間放入適量的滾珠，使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。它由絲杠、螺母、滾珠、及滾珠循環(huán)返回裝置等4個(gè)部分組成。

49、 圖11 滾珠絲杠當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠就沿絲杠螺旋滾道面滾動(dòng)。為防止?jié)L珠沿滾道面滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，能通過(guò)這個(gè)裝置自動(dòng)地返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的優(yōu)點(diǎn)：（1） 摩擦小，效率高。一般情況下，它的機(jī)械效率在90以上，約比滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)的機(jī)械效率高24倍。因此，在同樣負(fù)荷下，驅(qū)動(dòng)扭矩較滑動(dòng)絲杠減少2/33/4。同時(shí)它的逆?zhèn)鲃?dòng)效率也很高，接近于正傳動(dòng)效率，因此它可以較容易地把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。（2） 由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相對(duì)極小，無(wú)論是靜止，還是高、低速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變，因而靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。（3） 磨損少、壽命長(zhǎng)

50、。滾珠絲杠副中的主要零件，如絲杠、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置中部分零件，均經(jīng)熱處理，并有橫傲的表面光潔度，再加上滾動(dòng)摩擦的磨損很少，因而具有良好的耐磨性。（4） 可消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾珠絲杠副因其摩擦小、效率高，預(yù)緊后仍能輕快地傳動(dòng)，因此它能通過(guò)預(yù)緊完全消除間隙，是反向時(shí)無(wú)空行程，且可通過(guò)預(yù)緊給予一定的預(yù)緊變形來(lái)提高軸向剛度。滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的缺點(diǎn)：（1） 不自鎖。因其逆?zhèn)鲃?dòng)效率很高，滾珠絲杠副一般不能自鎖。因此在不允許產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)的地方，如橫梁的升降系統(tǒng)等，必須增設(shè)制動(dòng)或自鎖機(jī)構(gòu)。（2） 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝性差，成本高。2.材料及熱處理滾珠絲杠副的零件材料及熱處理可按下表零件名稱 材

51、 料 熱處理與硬度滾珠絲杠GCr15,GCr15SiMn G60 C60 CrWMn,9Mn2V C5638CrMoAlA D-850 50(限用于P級(jí)精度) G56滾珠螺母 GCr15，CrWMn C60 內(nèi)循環(huán)用反相器 40Cr D-HRC56外循環(huán)擋珠器 45，65Mn =HRC56具有抗腐蝕性的滾珠絲杠 9Cr18 中頻加熱表面淬火4. 預(yù)緊為了消除軸向間隙，提高軸向剛度，對(duì)滾珠絲杠副常采用雙螺母預(yù)緊，預(yù)緊后的絲杠與螺母的接觸剛度近似為常數(shù)，（若剛度為常數(shù)，其諧振頻率也為常數(shù)，這樣有利于閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的調(diào)試）。（1） 預(yù)緊力的確定預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。當(dāng)預(yù)緊力小于這個(gè)數(shù)值

52、時(shí)，在最大軸向載荷作用下，不僅非工作螺母的預(yù)緊變形將完全恢復(fù)，而且將產(chǎn)生間隙。但預(yù)緊力過(guò)大，將使效率和壽命降低，驅(qū)動(dòng)扭矩增加。但出現(xiàn)最大軸向載荷的機(jī)會(huì)很少，且此時(shí)略有軸向間隙，對(duì)工作無(wú)多大影響時(shí)，預(yù)緊力可以小于最大軸向載荷的1/3。這對(duì)效率、壽命和驅(qū)動(dòng)扭矩均有利。當(dāng)預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3時(shí)，在軸向載荷作用下，絲杠與螺母的接觸變形量比無(wú)預(yù)緊力是減少一半。 Pa=Nf Py=1/3Pa式中 Pa-最大軸向載荷（Mpa） Py-預(yù)緊力（kgf） N移動(dòng)部件的最大重量（kgf） f-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.05(查表5.723)其中 N=20000(kgf) Pa=20000*0.05=1000

53、(kgf) Py=1/3*1000=333(kgf)(2)預(yù)緊后的附加摩擦扭矩雙螺母預(yù)緊后，使摩擦力增加，引起的附加摩擦扭矩My為：MyPyS(1-2 )/2 (kgf.cm)式中 Py預(yù)緊力（kgf）； S-導(dǎo)程（cm）； 未預(yù)緊時(shí)的效率其中 Py333(kgf) S=1(cm) =97.3% My=3.2(kgf)(3)預(yù)緊后的傳動(dòng)效率滾珠絲杠副預(yù)緊后的傳動(dòng)效率y 為：y /1+(1-2)/n0式中 n0 預(yù)緊系數(shù)，n0 Pa/Py; Pa,Py, 意義同上式其中 0.97 n0 1/3y 0.95195.15. 安裝（1） 支承方式實(shí)踐證明：螺母座、軸承及其支架的剛度不足，將嚴(yán)重影響滾珠絲杠副系統(tǒng)的剛度。為此，螺母座和軸承支架宜增添加強(qiáng)筋，以減少受力變形；另外，它們與工作臺(tái)或床身的接觸面積要大，要有足夠的接觸剛度；聯(lián)接螺釘要粗而緊；定位銷要緊密配合，以免松動(dòng)。由于絲杠主要承受軸向力，大多采用推力