X7132數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)設計

1、X7132型數(shù)控銑床結構設計摘要數(shù)控銑床可以加工許多普通機床難以加工甚至無法加工的零件，在現(xiàn)代制造業(yè)中應用越來越廣，也是發(fā)展的必然方向。數(shù)控銑加工技術正向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展，我國一部分普及型數(shù)控機床的生產已經形成一定規(guī)模，尚不完善，所以對數(shù)控銑加工技術的研究很必要。數(shù)控銑床的組成：主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、基礎支承件、輔助裝置；機械結構方面，機床主機是數(shù)控銑床的主體，它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架等機械部件，它是在數(shù)控銑床上自動地完成各種切削加工的機械部分。機床傳動系統(tǒng)核心部分是主軸，對于主軸的設計要全面、合理、科學。機床主軸是機床在加工時

2、直接帶動刀具或工件進行切削和表面形成運動的旋轉軸,其設計內容包括主傳動系統(tǒng)的工作原理、結構特點、設計基本要求、配置方式、組件具體參數(shù)設計：主軸及與其直接有關的軸承、轉動件和其他相關件等。主軸是數(shù)控機床的關鍵部件,對加工質量的影響極其明顯,因此,對它的要求很高。該論文對X7132數(shù)控銑床為的主傳動系統(tǒng)進行研究，研究內容是結構方面的設計和改進。從基本功能入手，運動功能的分配，傳動功率的選擇，結構的布局設計，總體結構方案模型設計，總體方案概略尺寸設計，總體結構剛度及精度分配，總體結構方案綜合評價等各方面來研究數(shù)控機床。在論文里設計的內容有主傳動系統(tǒng)和機床本體結構。主傳動系統(tǒng)是主要研究內容；機床本體介

3、紹了支撐件，床身、和導軌，只作概述；對于伺服進給系統(tǒng)和機床檢測裝置可以參考文獻資料。主傳動系統(tǒng)的設計中主軸箱傳動系統(tǒng)通過UG進行建模，達到運動功能的實體在現(xiàn)，便于學習機床的機械結構，可以更好的觀察機床工作，發(fā)現(xiàn)不足之處，有利于提前發(fā)現(xiàn)問題，減少不必要的浪費，加快研究改進的效率?？傮w上，參照已經在使用的機床和加工需求，不斷完善。關鍵詞數(shù)控銑床；主傳動系統(tǒng)；UG建模；結構設計CNC milling machine structural design of X7132 AbstractCNC milling machine can be difficult to process many ordin

4、ary processing can not even spare parts processing, the application of modern manufacturing in the increasingly wide, is the inevitable development direction. CNC milling processing technology being more agile, intelligent and integrated way, part of our universal CNC machine tool production has for

5、med a certain scale, is not yet perfect, so the CNC milling technology research is necessary . CNC milling machine: the main drive system, into the transmission system, based on supporting pieces, assistive devices; mechanical structure, the host machine is the main CNC milling machine, which includ

6、es bed, the base, column, beam, Waterloo Block, working platforms, spindle box, feed, Turret, and other mechanical components, it is in CNC milling machine automatically on the completion of various cutting the mechanical parts. Machine drive system is the core of the spindle, the spindle to the des

7、ign of a comprehensive, rational, scientific. Machine spindle is in the processing machine tool or directly led to the workpiece and the cutting movement formed on the surface of the rotation axis, the main drive system design including the principle of structural features, basic requirements for th

8、e design, configuration, the design parameters of specific components: Spindle And directly related to the bearing, rotating pieces and other related items, such as. Spindle CNC machine tools are the key components, the impact on processing quality is extremely clear, so its very demanding. The pape

9、r on the X7132 CNC milling machine for the main drive system to study, research is the structure of the design and improvement. Start from the basic function, the function of the distribution, transmission power of choice, the layout of the structure, the overall structure of the programme model des

10、ign, the approximate size of the overall plan design, structural rigidity and precision of the overall distribution, the overall structure of comprehensive evaluation, and other areas to study a few Controlled Machine Tools. In the paper, the design of the contents of the main drive system and machi

11、ne body structure. Main drive system is the main content of machine body on the support pieces, bed and the rails, just outlined, the servo feed system and machine detection devices can make reference to literature. Main drive system in the design of transmission through the UG spindle box model, to

12、 the entities in the motor function is to facilitate the mechanical structure of machine learning, can better observe the machine, found deficiencies, to identify problems in advance, Reduce unnecessary waste and speeding up research to improve efficiency. Overall, the design has more in reference t

13、o the use of the machine tools and processing needs, and constantly improve.Keywords CNC milling machine；UG Modeling； Main drive system；Structural Design不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 數(shù)控銑床的組成和特點11.3 數(shù)控加工的特點21.4 國內外數(shù)控銑的加工現(xiàn)狀31.5 數(shù)控銑加工的發(fā)展趨勢4第2章 主傳動系統(tǒng)設計52.1 數(shù)控銑床的結構設計52.1.1 數(shù)控銑床的結構組

14、成52.1.2 數(shù)控銑床機械結構的主要特點52.1.3 數(shù)控鏗銑床的布局形式62.2 數(shù)控銑床的工作原理和主傳動系統(tǒng)的特點62.2.1 數(shù)控銑床的工作原理62.2.2 主傳動系統(tǒng)的特點72.3 主傳動系統(tǒng)的設計要求72.4 主傳動系統(tǒng)配置方式和運動參數(shù)設計82.5 主傳動系統(tǒng)結構設計102.6 主軸組件的設計112.6.1 主軸組件的基本要求112.6.2 主軸參數(shù)設計122.6.3 主軸結構設計142.7 主傳動控制裝置設計192.7.1 主傳動的開停裝置192.7.2 主傳動的制動裝置19第3章 機床本體設計213.1 床身總體設計213.1.1 機床支承件的設計總論213.1.2 機床床

15、身基本框架和筋板密度對床身動態(tài)特性影響的研究223.2 導軌簡介23結論26致謝27參考文獻28附錄29千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入具資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于遺一體。數(shù)控銑加工是數(shù)控加工技術最為重要的應用之一。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在

16、大中企業(yè)已有較多使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)也普遍開始使用。目前數(shù)控銑床主要用于加工精度高、品種多、批量小，形狀復雜零件，而且數(shù)控銑床可以加工許多普通機床難以加工甚至無法加工的零件，主要用于銑削以下四類零件：平面類零件、空間曲面類零件、變斜角類零件、進行孔加工和攻螺紋等。工件上的曲線輪廓內、外型，特別是由數(shù)學表達式給出的非圓曲線與列表曲線等輪廓；形狀復雜，尺寸繁多，劃線與檢測困難的部位；用通用機床加工時難以觀察，測量和控制進給的內、外凹槽；以尺寸協(xié)調的高精度控與面；能在一次安裝中一起銑削出來的簡單表面或形狀，常采用銑削加工。1.2 數(shù)控銑床的組成和特點機床主機是數(shù)控銑床的主體，它包括床身、底座

17、、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架等機械部件。它是在數(shù)控銑床上自動地完成各種切削加工的機械部分。 數(shù)控銑床中的機床本體，在開始階段使用通用機床，只是在自動變速、刀架或工作臺自動轉位和手柄等方面作些改變。實踐證明，數(shù)控銑床除了由于切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱多等影響工件精度外，還由于是自動控制，在加工中不能像在通用機床上那樣可以隨時由人工進行干預。所以其設計要求比通用機床更嚴格，制造要求更精密。因而在后來的數(shù)控銑床設計時，采用了許多新的加強剛性、減小熱變形、提高精度等方面的措施，使得數(shù)控銑床的外部造型、整體布局、傳動系統(tǒng)及刀具系統(tǒng)等方面都發(fā)生了很大的變化。機床示意圖見圖1-1。 數(shù)控

18、銑床主體的主要結構特點如下: 1.采用具有高剛度、高抗振性及較小熱變形的機床新結構。通常用提高結構系統(tǒng)的靜剛度、增加阻尼、調整結構件質量和固有頻率等方法來提高機床主體的剛度和抗振性，使機床主體能適應數(shù)控銑床連續(xù)自動地進行切削加工的需要。采取改善機床結構布局、減少發(fā)熱、控制溫升及采用熱位移補償?shù)却胧蓽p少熱變形對機床主體的影響。 2.現(xiàn)代數(shù)控銑床廣泛采用高性能的主軸伺服驅動和進給伺服驅動裝置，使數(shù)控銑床的傳動鏈縮短，可簡化機床機械傳動系統(tǒng)的結構。 3.采用高傳動效率、高精度、無間隙的傳動裝置和傳動元件，如滾珠絲杠螺母副、塑料滑動導軌、直線滾動導軌、靜壓導軌等傳動元件。另外，數(shù)控銑床還應包括輔助

19、裝置。輔助裝置作為數(shù)控銑床的配套部件，揮數(shù)控銑床功能所必需的。常用的輔助裝置包括氣動、液壓裝置，排屑裝置，置，回轉工作臺和數(shù)控分度頭，防護、照明等各種輔助裝置。氣動和液壓裝置是應用氣動、液壓系統(tǒng)，使機床完成自動換刀所需的動作，實現(xiàn)運動部件的制動和滑移齒輪變速移動，完成工作臺的自動夾緊、松開，工件、刀具定位表面的自動吹屑等輔助功能。排屑裝置的作用是將切屑從加工區(qū)域排出。迅速有效地排除切屑可以保證數(shù)控銑床高效率運行。1.3 數(shù)控加工的特點1.加工精度高。數(shù)控機床是精密機械和自動化技術的綜合產品，所以機床的傳動系統(tǒng)與機床的結構設計都考慮到很高的剛度和熱穩(wěn)定性。在設計傳動機構時采取了減少誤差的措施，并

20、由數(shù)控裝置進行補償，所以數(shù)控機床有較高的加工精度。由于加工過程自動化，加工精度不受人的操作技能、情緒和疲勞的影響。計算機還可以自動進行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和一致性。另外，數(shù)控系統(tǒng)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度得到進一步提高。2.可以加工出具有復雜的曲線、曲面的零件。由于計算機有高速的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時的運動量，因此可以方便地復合成復雜的曲線或曲面。3.加工效率高，可實現(xiàn)自動化生產。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸人的程序記住和存儲下來，然后按程序的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。對夾具要求低，只需通用夾具，又可免去劃線等

21、工作還可以實現(xiàn)自動換刀，利用交換工作臺可進行自動換位加工，加工準備時間大大縮短。4.可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、鑊、攻絲、擴孔等多種工序的加工。這些多種工序是在同一基面、同一次裝夾下實現(xiàn)的，從而提高了加工精度，現(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等。5.擁有自動報帶、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能這是在配備多種傳感器條件下，計算機威力的體現(xiàn)，可以實現(xiàn)白班有人看管和作好充分準備工作，使得二班、三班在無人條件下進行自動加工(國外稱為“熄燈生產”)。工人只工作8小時，而機床可工作24小時。這樣，機床利用率大幅度提高

22、。一臺機床在不增加占地面積的條件下，等價于2-3臺機床。國外有少數(shù)工廠不僅實現(xiàn)了夜間無人，周六和周日兩天也可實現(xiàn)無人加工。因此帶來的勞動生產率的提高和生產周期的縮短等效率是非常明顯的。6.有利于生產管理。數(shù)控機床是由數(shù)字信息的標準代碼輸人，有利于計算機通信，構成由計算機來控制的批量生產系統(tǒng)，使之在技術上和管理上共同達到自動化，這就是柔性制造系統(tǒng)（FMS）。床身立柱主軸座圖1-1 機床示意圖十字工作臺 1.4 國內外數(shù)控銑的加工現(xiàn)狀國外近年來發(fā)展迅速，主軸轉速可達4000r/min10000r/min，快速進給可達30m/min40m/min，加速度可達1G，換刀時間提高到1s2s。大幅度提高了

23、加工效率，并可獲得Ra1m的粗糙度。另外，還可以加工硬度達60HRC 的模塊，形成對電火花加工的挑戰(zhàn)。高速切削加工與傳統(tǒng)切削加工相比具有溫度低（加工工件只升高3）、熱變形小等優(yōu)點。目前它已經向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。高速銑削必須與相應的軟件、加工工藝、刀具及夾緊頭相配合。高速銑削加工的發(fā)展促進了模具加工技術的發(fā)展，特別是對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新活力。近年來，我國的數(shù)控銑加工技術發(fā)展迅速，數(shù)控產品的技術水平和質量在不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產已經形成一定規(guī)模，產品技術性能指標較為成熟，價格合理，在國際市場上有一定的競爭力。但是我國數(shù)控加工技術的發(fā)展

24、還存在著以下不足： 1.信息化技術基礎薄弱，對國外技術依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術開發(fā)能力和技術基礎薄弱，信息化技術應用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術來源主要依靠引進外國技術，對國外技術依存度教高，對引進技術的消化吸收停留在掌握已有技術和提高國產效率上，沒有上升到形成產品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新的高度。具有高精度、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還的依賴進口。 2.產品成熟度低，可靠性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000H以上，國內自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000H-5000H；整機平均無故障工作時間國外達800H以上，國內最好只有300小時。 3.創(chuàng)新能力

25、低，市場競爭力不強。我國生產數(shù)控機床的企業(yè)雖達百余家，但大多數(shù)位能形成規(guī)模生產，信息化技術利用不足，制造成本高，產品市場競爭力不強。1.5 數(shù)控銑加工的發(fā)展趨勢目前，世界先進制造技術不斷興起，超高速切削、超精密加工技術的應用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高要求。當今數(shù)控加工技術正朝以下幾個發(fā)面發(fā)展： 1.高速度、高精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產品質量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的處理速度。同時采用大規(guī)模的集成電路和多微處理器，以提高系統(tǒng)的數(shù)據處理能力，即提高插補運算的速度。并采用直線電動機直接驅動機床

26、工作臺的直線進給伺服進給方式，其高速度和動態(tài)響應特性相當優(yōu)越。采用前饋控制技術，使追蹤滯后誤差大大減小，從而改善拐角切削的加工精度。為適應超高速加工的要求，數(shù)控機床采用主軸電動機與機床主軸和二為一的結構形式，實現(xiàn)了變頻電動機與機床主軸一體化，主軸電動機的軸承采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承或陶瓷滾動軸承等形式。2.多功能化配有自動換刀機構 各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、餃孔、擴孔、攻螺紋等多種工序加工。3.智能化現(xiàn)代數(shù)控機床將引進自適應控制技術。4.數(shù)控編程自動化隨著計算機應用技術的發(fā)展，UG、CAD/CAM/CAPP集成應用于數(shù)控編程。5.可靠性最大化，數(shù)控機床的

27、可靠性一直是用戶最關心的指標。6.控制系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機、電裝置結合為一體。第2章 主傳動系統(tǒng)設計2.1 數(shù)控銑床的結構設計數(shù)控銑床是機械和電子技術相結合的產物，它的機械結構隨著電子控制技術在銑床上的普及應用，以及對銑床性能提出的技術要求，而逐步發(fā)展變化。從數(shù)控銑床發(fā)展史看，早期的數(shù)控銑床是對普通銑床的進給系統(tǒng)進行革新、改造，而后逐步發(fā)展成一種全新的加工設備。1952年，美國研制的世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床，其特點是用三個數(shù)控伺服系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機械進給系統(tǒng)。早期的數(shù)控銑床同普通銑床相比，除進給系統(tǒng)是數(shù)控伺服系統(tǒng)外，外形和結構基本相同。國內現(xiàn)生產的經濟型數(shù)控銑床，就屬于這種類型，

28、因為這些產品是在普通銑床的總體結構基礎上經局部改進而發(fā)展起來的。2.1.1 數(shù)控銑床的結構組成 1.主傳動系統(tǒng)。它包括動力源、傳動件及主運動執(zhí)行件(主軸)等，其功用是將驅動裝置的運動及動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)主切削運動。 2.進給傳動系統(tǒng)。它包括動力源、傳動件及進給運動執(zhí)行件(工作臺、刀架)等，其功用是將伺服驅動裝置的運動與動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)進給切削運動。 3.基礎支承件。它是指床身、立柱、導軌、滑座、工作臺等，它支承機床的各主要部件，并使它們在靜止或運動中保持相對正確的位置。4.輔助裝置。輔助裝置視數(shù)控機床的不同而異，如自動換刀系統(tǒng)、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑冷卻裝置等。2.1.2 數(shù)控銑床機械結

29、構的主要特點 1.高剛度和高抗振性。銑床剛度是銑床的技術性能之一，它反映了銑床結構抵抗變形的能力。根據銑床所受載荷性質的不同，銑床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為銑床的靜剛度；銑床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為銑床的動剛度。在銑床性能測試中常用銑床柔度來說明銑床的該項性能，柔度是剛度的倒數(shù)。為滿足數(shù)控銑床高速度、高精度、高生產率、高可靠性和高自動化的要求，與普通銑床比較，數(shù)控銑床應有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。2.減少銑床熱變形的影響。銑床的熱變形是影響銑床加工精度的重要因素之一。由于數(shù)控銑床主軸轉速、進給速度遠高于普通銑床，而大切削量產生的熾熱切屑對工件和銑床部件的熱傳導影響遠比普通銑床嚴

30、重。而熱變形對加工精度的影響，操作者往往難以修正。因此，應特別重視減少數(shù)控銑床熱變形的影響。 3.傳動系統(tǒng)機械結構簡化。數(shù)控銑床的主軸驅動系統(tǒng)和進給驅動系統(tǒng)，分別采用交流、直流主軸電動機和伺服電動機驅動，這兩類電動機調速范圍大，并可無級調速。因此主鈾箱、進給變速箱及傳動系統(tǒng)大為簡化，箱體結構簡單，齒輪、軸承和軸類零件數(shù)量大為減少，甚至不用齒輪，由電動機直接帶動主軸或進結滾珠絲杠。 4.高傳動效率和無間隙傳動裝置。數(shù)控銑床在高進給速度下，要求工作乎穩(wěn)，具有高的定位精度。因此，對進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點。目前，數(shù)控銑床進給驅動系統(tǒng)中常

31、用的機械裝置主要有三種，即滾珠絲杠副、靜壓蝸桿蝸輪機構和預加載荷的雙齒輪齒條機構。5.低摩擦因數(shù)的導軌。銑床導軌是銑床的基本結構之一，銑床加工精度和使用壽命在很大程度上決定于銑床導軌的質量，數(shù)控銑床的導軌則有更高的要求。如在高速進給時不振動。低速進給時不爬行，具有很高的靈敏度，能在重載下長期連續(xù)工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。2.1.3 數(shù)控銑床的布局形式 立式數(shù)控銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。小型數(shù)控銑床一般都采用工作臺移動、升降及主軸轉動方式，與普通立式升降臺銑床結構相似；中型立式數(shù)控銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿垂直溜板上下運動；大型立式數(shù)控銑床

32、，因要考慮到擴大行程、縮小占地面積及剛性等技術問題，往往來用龍門架移動式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。2.2 數(shù)控銑床的工作原理和主傳動系統(tǒng)的特點2.2.1 數(shù)控銑床的工作原理 數(shù)控銑床工作前，要預先根據被加工零件的要求，確定零件加工工藝過程、工藝參數(shù)，并按一定的規(guī)則形成數(shù)控系統(tǒng)能理解的數(shù)控加工程序。即將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的代碼和格式編制成數(shù)控加工程序。然后用適當?shù)姆绞綄⒋思庸こ绦蜉斎氲綌?shù)控銑床的數(shù)控裝置中。此時，即可啟動機床運行數(shù)控加工程序。在運行數(shù)控加工程序的過程中，數(shù)控裝置會根據數(shù)控加工程序的內容，發(fā)出各種控制命令，如啟

33、動主軸電機、打開冷卻液，并進行刀具軌跡計算，同時向特殊的執(zhí)行單元發(fā)出數(shù)字位移脈沖并進行進給速度控制，正常情況下可直到程序運行結束，零件加工完畢為止。具體而言，數(shù)控銑床的工作過程，即加工零件的過程。其主要步驟如下： 1.根據被加工零件圖中所規(guī)定的零件形狀、尺寸、材料及技術要求等，制定工件加工的工藝過程，刀具相對工件的運動軌跡、切削參數(shù)及輔助動作順序等，進行軍件加工的程序設計。 2.用規(guī)定的代碼和程序格式編寫零件加工程序單。 3.按照程序單上的代碼制作控制介質。 4.通過輸入裝置把力D工程序輸入給數(shù)控裝置。 5.啟動機床后，數(shù)控裝置根據輸入的信息進行一系列的運算和控制處理，將結果以脈沖形式送往機床

34、的伺服系統(tǒng)(如步進電機、直流伺服電機、電液脈沖馬達等)。6.伺服系統(tǒng)驅動機床的運動部件，使機床按程序預定的軌跡運動，從而加工出合格的零件。2.2.2 主傳動系統(tǒng)的特點1.加工精度高?？貦C床是精密機械和自動化技術的綜合產品，所有的傳動系統(tǒng)與機床的結構設計都考慮到很高的剛度和穩(wěn)定性。在設計傳動機構時采取了減少誤差的措施，并由數(shù)控裝置進行補償，所以數(shù)控機床有較高的加工精度。由于加工過程自動化，加工精度不受人的操作過程、情緒和疲勞的影響，計算機還可以自動進行刀具補償，不會因刀具磨損而影響工件精度和一致性。數(shù)控系統(tǒng)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償，使加工精度得到進一步提高。2.可以加工出具有復雜的曲線

35、、曲面的零件。由于計算機有高速的運算能力，可以瞬時準確地計算多個坐標軸瞬時的運動量，因此可以方便地復合成曲線或曲面。3.主軸變速迅速可靠。數(shù)控銑床的變速是按控制指令執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于直流、交流主軸電動機的調速系統(tǒng)日趨完善，所以不僅能夠方便的實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠行。4.主軸組件耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。2.3 主傳動系統(tǒng)的設計要求1.主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數(shù)，能夠實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和控制，以滿足機床的運動要

36、求。2.主軸電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有足夠高的強度、硬度，以滿足機床的動力要求。3.主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪音要小，傳動效率要高，以滿足機床的性能要求。4.操作靈活可靠，調整維修簡便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。5.結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性能要求。2.4 主傳動系統(tǒng)配置方式和運動參數(shù)設計機床的調速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速結構必須適應自動操作的要求。為擴大調速范圍，適應低速大轉矩的要求，選擇以下配置方式，見圖2-1。主軸二軸一軸圖2-1 主傳動系統(tǒng)配置方式圖左至右為一軸、二軸、主軸，一軸接電機，采用變

37、速齒輪傳動，通過對少數(shù)幾對齒輪降速，擴大輸出轉矩，以滿足主軸低速時對輸出轉矩特性的要求。機床在交流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加拔叉，或者直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。選擇電動機。型號Y100-4,電機功率P=2.2KW,轉速N=1440r/min，切削速度V=0.44m/min,d為一軸直徑,d=0.36m。傳動系統(tǒng)圖見圖2-2：電動機主軸二軸一軸圖2-2 傳動系統(tǒng)圖該傳動系統(tǒng)有兩個變速傳動組串聯(lián)實現(xiàn)的。采用的是傳動變速系統(tǒng)的基本形式，即基型變速系統(tǒng)，使主軸得到不重復又排列均勻的等比數(shù)列的變速系統(tǒng)。，。設計時為了使傳動件可靠、結構緊湊，

38、必須對傳動件進行立計算。機床的功率特性。由切削理論可知，切削速度對切削立影響不大，所以可認為驅動直線執(zhí)行件的傳動件，在所有轉速下都可能出現(xiàn)最大轉矩。機床的應用范圍越廣，變速范圍越大，使用條件也復雜，主軸實際的轉速和傳遞功率，也就是經常承受的轉矩是變化的主軸所傳遞的功率或轉矩與轉速之間的關系，稱為機床的功率或轉矩特性，主軸最高轉速n到某一轉速n間，應能傳遞運動源的全部功率。在這個區(qū)域內，主軸的最大輸出轉矩應隨轉速的降低而增大，稱之為恒功率區(qū)，從 n以下到最低轉速n,這個區(qū)域內的各級轉速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出轉矩不在隨轉速的降低而加大，而是保持n的轉矩不變。在機床的整個轉速范圍內以計算轉

39、矩為界分為兩個區(qū)域，見圖2-3。功率轉矩圖2-3 功率、轉矩特性圖傳動鏈中其余動件的計算可根據主軸的計算轉速及轉速圖決定。傳遞全功率的最低轉速，就是該零件的最低轉速。2.5 主傳動系統(tǒng)結構設計 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應具有一定的轉速(速度)和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，與普通銑床的主傳動系統(tǒng)相比在結構上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三級齒輪變速機

40、構用以擴大電動機無級調速的范圍。 1.主傳動系統(tǒng)結構特點。數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電動機，通過帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉，由于這種電動機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化，也保證了加工時能選用合理的切削用量。主軸電動機在額定轉速時輸出全部功率和最大轉矩，隨著轉速的變化，功率和轉矩將發(fā)生變化。在調壓范圍內(從額定轉速調到最低轉速)為恒轉矩，功率隨轉速成正比例下降。在調速范圍內(從額定轉速調到最高轉速)為恒功率，轉矩隨轉速升高成正比例減小。這種變化規(guī)律是符合正常加工要求的，即低速切削所需轉矩大，高速切削消耗功率大。同時也可以看出電動機的有效轉速范圍并不一

41、定能完全滿足主軸的工作需要。所以主軸箱一般仍需要設置幾擋變速(2-4擋)。機械變速一般采用液壓缸推動滑移齒輪實現(xiàn)，這種方法結構簡單，性能可靠，一次變速只需1s。有些小型的或者調速范圍不需太大的數(shù)控銑床，也常采用由電動機直接帶動主軸或用帶傳動使主軸旋轉。的調速范圍受電動機調速范圍的約束。這種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，適用于低轉矩特性要求的主鈾。 2.調速電動機的功率和轉短特性。數(shù)控銑床常用的無級變速機構為直流或交流調速電動機。直流電動機從額定轉速向上至最高轉速，是用調節(jié)磁場電流(簡稱調磁)的辦法來調速的，屑于恒功率；從額定轉速向下至最低轉速，用調節(jié)電樞電壓(簡稱調壓)的辦法來調

42、速的，屑桓轉矩。通常，額定轉速為1000-2000r/min，恒功率調速范圍為2-4，恒轉矩調速范圍則很大，可達幾十甚至超過100。交流調速電動機靠調節(jié)供電頻率的辦法調速。如果直流或交流調速電動機用于拖動旋轉運動，如拖動主軸，則由于主軸要求的恒功率調速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率范圍，常用串聯(lián)分級變速箱的辦法來擴大其恒功率調速范圍。3.驅動電動機和主軸功率特性的匹配設計。在設計數(shù)控銑床主傳動時，必須要考慮電動機與機床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍反”遠大于電動機的恒功率變速范圍，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴大其恒功率調速范圍，滿足低速大功率切削時對電

43、動機的輸出功率的要求。2.6 主軸組件的設計機床主軸是機床在加工時直接帶動刀具或工件進行切削和表面形成運動的旋轉軸,其設計內容包括主軸及與其直接有關的軸承、轉動件和其他相關件等。主軸是數(shù)控機床的關鍵部件,對加工質量的影響極其明顯,因此,對其的要求很高。2.6.1 主軸組件的基本要求1.旋轉精度。主軸的旋轉精度是指裝配后，在無載荷、低轉速動條件下，主軸前端安裝工件或刀具的部位的徑向和軸向跳動。旋轉精度取決與主軸、軸承、箱體孔的制造、裝配、調整精度。如主軸支撐軸頸的圓度、軸承滾道及滾子的圓度，主軸隨其回轉零件的動平衡因素，均可造成頸向跳動。2.剛度。主軸組件的剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能

44、力，通常以主軸前端產生單位位移的彈性變形時，在位移方向施加的作用力來定義。主軸組件的剛度是組合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、主軸足見的制造和裝配質量等都影響主軸足見的剛度。3.抗振性。由主軸電機、齒輪和軸承等高速旋轉的不平衡引起的振動小。4. 熱變形小。主軸由電機、齒輪傳動、軸承、離合器和壓力油等引起的溫升和熱位移小。5.噪聲小。由電機、齒輪傳動和軸承等引起的噪聲小。以上5點要求是為了保證零件加工的高精度、高表面粗糙度、高效率和好的操作環(huán)境所需要的。X7132數(shù)控銑床的主軸就是在加工時直接帶動刀具進行切削的主旋轉軸,其主軸結構的設計除必須滿足上述要求外,還應具有

45、現(xiàn)代數(shù)控機床所必須具備的諸如自動拉刀,主軸徑向定位等功能。2.6.2 主軸參數(shù)設計X7132數(shù)控銑床主軸的主要參數(shù)包括:主軸前軸頸直徑D1、主軸序號、主軸懸伸量a和主軸支承跨距l(xiāng)，見圖2-4。圖2-4 主軸結構圖2.6.2.1 主軸前軸頸直徑D1的確定主軸前軸頸直徑D1是數(shù)控銑床主軸參數(shù)中最為重要的一個參數(shù)。在進行主軸結構設計時,要盡量使主軸不承受因齒輪傳動而產生的徑向力,從而避免主軸產生彎曲,這樣主軸只傳遞扭矩。當確定主軸參數(shù)時,就能夠僅從靜剛度條件出發(fā)來決定主軸參數(shù),也就是說,主軸的計算主要是從剛度觀點來考慮。一般認為,剛度夠了強度也就夠了。剛度足夠則主軸的抗振性能好,維持幾何中心位置的能

46、力強,從而對被加工件的幾何精度、表面粗糙度和生產率的提高都直接起著良好的作用。關于確定主軸前軸頸直徑D1的方法,有許多資料都有過介紹,但總的來說,要么給出的范圍過大、要么過于繁雜。尤其是在設計的初始階段,由于軸承及其位置均未決定,尚沒有一個確切而又行之有效的簡便計算方法。筆者根據多年來的工作實踐,認為在開始進行主軸設計時,可先用扭轉剛度的經驗公式對主軸前軸頸直徑D1進行初算,然后通過類比分析,最后圓滿確定有關參數(shù)。該方法是一種簡捷而又適用的方法,現(xiàn)介紹如公式2-1。根據經驗公式：D1= 1.93 （2-1） 式中 M為主軸所傳遞的最大扭矩Nm。X7132數(shù)控銑床主軸所傳遞的最大扭矩為5 000

47、 Nm。由此可知：D1= 1.935 000 = 0.162 2 m然后,通過對國內外同類型產品進行類比分析,最后確定D1=0.16 m。確定了D1的尺寸后,主軸后軸頸直徑D2一般不計算,而在考慮裝配和加工工藝許可的情況下,盡量取大的尺寸。根據結構需要和類比分析,可確定 D2=0.14 m。2.6.2.2 主軸序號的確定數(shù)控銑床主軸的序號主要決定主軸端部的結構和尺寸大小,而主軸端部的結構應保證刀具安裝可靠、定位準確,并有高的聯(lián)接剛度以便傳遞足夠的扭矩。按國際標準有ISO30、40、50、60、65、70等規(guī)格的主軸序號。X7132數(shù)控床的主軸安裝刀具有二種方式,一是通過內錐孔,二是通過主軸端面

48、。內錐孔是用來安裝銑刀或銑刀心軸(包括附件心軸)的尾錐,再用拉桿從主軸后端拉緊,其錐孔的錐度為724。而主軸端面主要是為了安裝端銑刀,通過端面螺孔緊固,用端面鍵來傳遞扭矩。主軸序號的大小主要是依據機床規(guī)格大小而定,X7132數(shù)控銑床可選用的主軸序號為50或60號。通過參考國外同類型產品及針對X7132屬重型機床并要帶附件(直角銑頭)的情況,決定采用主軸序號為60號。2.6.2.3 主軸懸伸量a的確定主軸懸伸量a是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(一般即為前徑向支承中點)的距離,它主要由結構設計確定。但a值對主軸部件的剛度和抗振性影響很大,所以在定a值時,應在滿足結構要求的前提下盡量取小值。

49、根據結構需要, X7132數(shù)控龍門鏜銑床主軸的懸伸量a為0.1 m。其結構布置有如下特點:1.將角接觸球軸承7211AC安裝在主軸前端，深溝球球軸承6206（見圖2-5）安裝在主軸后端,以縮短a值。2.利用主軸前支承前端的調整套構成密封裝置的一部分,以減小a值。2.6.2.4 主軸支承跨距l(xiāng)的確定支承跨距l(xiāng)是指主軸相鄰兩支承的支承反力作用點之間的距離,合理確定支承跨距,是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。以往在確定主軸最佳支承跨距時,較多的是從保證主軸部件徑向剛度的角度來考慮,而對于在保證主軸部件軸向剛度的前提下,確定最佳跨距的討論較少,但隨著二支承卸荷主軸結構的普遍采用,這一問題已越來越

50、多地引起了人們的重視。結合生產實際的體會從這一新的角度來探討最佳跨距的確定。在進行X7132數(shù)控銑床主軸部件設計時,由變速箱傳給主軸的動力是靠與主軸同心的內、外接合齒傳遞的,所以主軸不承受因傳動而產生的徑向力。對于這種情況的二支承主軸結構,當軸端作用有偏心外力時,在確保軸向剛度的條件下,其最佳跨距可按公式2-2求得: （2-2）式中 E為彈性模量, N/mm2;J為主軸跨距部分的慣性矩, mm4;K1為主軸前支承的支承剛度, N/mm;K2為主軸后支承的支承剛度, N/mm;Dl為主軸跨距部分的平均直徑,d為主軸跨距部分的平均孔徑。對于X7132數(shù)控銑床,主軸所用材料為38 CrMoAl,屬合

51、金鋼,可查得: E=2.156105N/mm2。取Dl= 0.16 m = 160 mm;dl= 80 mm。同時,根據經驗得知,按估算求出的K1、K2值往往偏大,在計算時可適當取小。現(xiàn)取K1=850 000 N/mm,K2= 600 000 N/mm。將E,Dl,dl,K1和K2代入公式(2)可求得l0= 480.5 mm。考慮到適當加大跨距有利于提高主軸旋轉精度和抗振性,并根據結構需要取l= 0.5 m。2.6.3 主軸結構設計2.6.3.1 主軸軸承的選擇和配置衡量機床質量的兩個重要標準即精度和切削能力除了決定于機床的整體設計方案外,在很大程度上決定于機床的主軸軸承系統(tǒng)。因此,如何正確選

52、擇和配置主軸軸承是進行主軸結構設計最重要的一環(huán)。在進行X7132數(shù)控銑床設計時,通過對國外先進制造廠家的同類型產品進行類比分析并結合以往的設計經驗,決定主軸采用兩支點支承。前支承是兩個7211AC角接觸球滾子軸承（見圖2-5）的組合支承,精度均為C級;后支承是兩個6206深溝球滾子軸承組合,精度為D級。采用輕系列軸承可以調整徑向間隙,能保證無間隙傳動,使精度長期保持穩(wěn)定。這種軸承高剛度和高承載能力,軸承的運動學性能好,使允許的極限轉速較高,從而保證發(fā)熱量小、溫升低。因此,在要求高精度和高剛度的主軸結構中常常用它承受徑向力。這樣比過去采用兩套推力向心球軸承或者凹槽滾珠軸承的安裝方式省了十分麻煩的

53、調整工序,同時由于雙向推力球軸承的套圈擋邊比凹槽滾珠軸承的“平”凹槽更好地承受了鋼珠的離心力,因而這種軸承也適用于較高的轉速。上述主軸軸承的組合,還有噪聲低、壽命長的優(yōu)點,已越來越多地在主軸結構中被采用。圖2-5 深溝球軸 62062.6.3.2 其他結構的設計在X7132數(shù)控銑床主軸部件設計中還有如下特點：1.主軸前支承軸承采用熱裝異徑套定位,定位準確、可靠。2.主軸不承受齒輪傳動的徑向力,只傳遞扭矩。這是因為由變速箱傳給主軸的動力是靠與主軸同心的內、外接合齒傳遞的。3.在主軸外層設計了一個套筒,可用來進行總裝前的試運轉,預調精度,還可用來修正主軸軸線與滑枕導軌平行性這項精度。4.結合數(shù)控機

54、床的特殊要求,在主軸結構中采用了自動拉刀機構,該機構是由碟簧配合液壓油缸通過卡爪提拉式拉刀,動作簡單可靠。5.為增強機床功能,在主軸上設置了徑向定位裝置(由固定在主軸上的信號塊與接近開關組成)。6.主軸各潤滑部位均采用高級潤滑脂進行潤滑,根除了漏油現(xiàn)象。2.6.3.3 齒輪的選擇1. 主軸齒輪。見圖2-6：圖2-6 主軸齒輪圖齒輪的齒數(shù)取決于傳動比和徑向尺寸要求。在同一變速組中，若模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時，則傳動副和齒數(shù)相同，若模數(shù)不同，則齒數(shù)與模數(shù)m成反比。即：齒輪參數(shù)：齒數(shù)Z=60，法向模數(shù)M=3，壓力角20，精度等級6-JL，螺旋角10，公法線長度60mm,公法線長度變動公差0.02

55、5，基節(jié)極限偏差，周節(jié)極限偏差，齒向公差0.009，詳見圖2-7:圖2-7 主軸齒輪參數(shù)圖2.滑移齒輪。見圖2-8：圖2-8 滑移齒輪齒輪參數(shù) 齒數(shù)Z=50，法向模數(shù)M=2.5，壓力角20，精度等級6-JL，螺旋角10，公法線長度60mm,公法線長度變動公差0.025，基節(jié)極限偏差，周節(jié)極限偏差，齒向公差0.009，詳見圖2-9。圖2-9 滑移齒輪參數(shù)2.7 主傳動控制裝置設計2.7.1 主傳動的開停裝置開停裝置是用來控制主軸的啟動與停止機構。開停方式 直接開停電動機和用離合器開停兩種，下面多作介紹。當電動機功率較小時，可直接開停電動機；電動機功率較大時，可以采用離合器來實現(xiàn)主軸的啟動與停止。

56、片式摩擦離合器可用于高速運轉的離合，離合過程比較平穩(wěn)，并能兼起過載保護作用。目前大多采用多片式摩擦離合器。離合器一般放置在傳動鏈前端轉速較高的傳動軸上，這樣，傳遞的轉矩小，可使結構緊湊；停止后可使傳動鏈的大部分運動件停止不動，從而減少空載功率的損失。2.7.2 主傳動的制動裝置在裝卸工件、測量被加工面尺寸、更換刀具及調整機床時，常需要機床的主運動執(zhí)行件（如主軸）盡快停止運動，所以主傳動系統(tǒng)必須安置制動裝置。一般可采用電動機反接制動、閘帶制動、扎瓦制動和片式摩擦制動。閘帶制動器操縱力小，作用于緊邊力大且不平穩(wěn)，這里主要介紹片式制動器。片式制動器與片式摩擦離合器相似，不同之處有：后者是將停止的從動

57、件與正在運轉的動件相結合；前者是將慣性運動的運動件與靜止不動的固定件相結合。片式制動器在制動時沒有單側壓力，但結構復雜，軸向尺寸大，可用于各種機床的主傳動。片式制動器有單片式和多片式結構，可采用機械、液壓或電磁等加力方式壓緊摩擦片。制動時應優(yōu)先采用電動機制動方式。對于制動頻繁，傳動良較長、慣量較大的主傳動，可采用機械制動方式。應將制動器放在接近主軸且轉速較高的傳動件上。這樣制動力矩小，結構緊湊，制動平穩(wěn)。第3章 機床本體設計3.1 床身總體設計X7132數(shù)控銑床床身結構動態(tài)設計及其分析。在整個機床的各個組成部分中，床身是一個極其重要的結構大件，它起著支撐工件和連接工作臺、立柱等關鍵零部件的作用。機床床身結構的設計尺寸和布局形式，決定了其動態(tài)特性的優(yōu)劣，如靜、動剛度的大小和結構的模態(tài)振型等特征。床身結構的動態(tài)特性與機床整機的性能有著密切關系，提高床身零件的動態(tài)特性，對保證機床的加工精度具有重要的意義。傳統(tǒng)的機床床身設計，很少考慮機床零部件的動態(tài)特性對整機性能的影響，往往由于床身結構設計的不合理，和床身結構的動剛度不足而導致其在工作狀態(tài)下產生大幅振動，引起工件和刀具之間出現(xiàn)較大的相對振幅，從而降低了機床的加