毕业设计论文终稿 龙门移动式数控机床设计

1、xx毕业论文大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：龙门移动式数控机床设计姓名xx学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化年级2009 级指导教师xx教授二0一三年六月八日xx大学毕业论文目录摘要 m前言 v第1章 龙门移动式数控机床总体方案设计 11.1 设计要求 11.2 总体方案 11.3 本章小结 3第2章主传动系统设计 42.1 设计要求 42.2 无级变速主传动系统设计 42.2.1 功率选择 42.2.2 转速图的拟定 62.2.3 确定各齿轮副齿数 72.2.4 各轴尺寸的确定 82.2.5 各齿轮参数的确定与校核 112.2.6 轴承选型的确定与校核 152.3 本章小结 1

2、7第3章三轴进给传动系统的设计 183.1 X轴导轨和齿轮齿条副传动设计 203.2 Y轴导轨和滚珠丝杠的选型与计算 213.3 Z轴导轨和滚珠丝杠的选型与计算 243.4 滚动导轨和滚珠丝杠的安装使用与注意事项 273.5 本章小结 28第4章其他有关零部件的设计 294.1 床身设计 294.1.1 床身设计要求 304.1.2 具体设计内容及步骤 314.2 工作台的设计 314.3 横梁与立柱的设计 324.4 滑座的设计 324.5 本章小结 33结论 34参考文献 35致谢 37原文和译文 385摘要龙门式数控机床是机械制造业中加工箱体类零件的主流装备，是市场热门商 品。本文阐述了

3、移动式数控龙门铳床的总体设计，包括其结构原理，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铳床的结构 设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。本文所述的移动式数控龙门铳床是指龙门框架作纵向移动的龙门铳床。移动 式龙门铳床的最大优点是机床占地面积小并且动态响应性能好。整个龙门铳床主 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。进给机构均 采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机或齿轮齿条进行驱动。关键词 移动式龙门铳床；滚动导轨；滚珠丝杠AbstractGantry type numerical control machine is key equ

4、ipment in manufacturing industry today and the product is strategic material in developed industry country. This paper describes the NC milling roller, the overall design.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, e

5、laborated 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 machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis.This paper described the mobile CNC mill

6、ing refers to longmen framework Vertical milling movement. The biggest advantage of milling roller is the machine cover an area of an area small and the dynamic response of the machine is goodhe whole gantry milling machine mainly includes horizontal vertical feed mechanism, column, beam and the bas

7、e, workbench, etc. Theeed mechanism takes ball screw or gear rack as drive machine, driven by servo motor.Keywords : Movable gantry CNC milling machine; rolling guide; ball screw前言龙门型数控机床主要用于对平面，孔和其他复杂型面进行加工。在总体布局 上分为定龙门和动龙门两种。其结构形式则可分为定梁和动梁两种类型。工作台 移动龙门加工中心影响加工精度的因素涉及面广，调整时互相有一定的干涉，但 因是整体的结构所以相对稳定性

8、较好，加工产品的精度有一定的保证。龙门移动 加工中心的工作台承载能力大，不受上下工件的冲击和其他因素而干涉变形，最 大的优点是占地面积小，工件夹装方便，可以按工作台的实际有效长度来加工工 件。龙门式数控机床的开发及产业化的实施，将具有很好的国内外市场需求前景， 应用领域为铁路、航空、航天、桥梁、汽车、军工、造船、化工、印刷、建筑、 能源、模具、机械、纺织等行业。本次设计内容主传动采用调速电机串联机械式齿轮箱，采用主轴箱液压平衡 系统，降低了 Z轴丝杠的磨损，提高了主轴箱部件的移动性能；采用了 HIWIN重 载荷滚动直线导轨，大大提高了机床的移动速度及动态响应性能，保证了机床运 动精度的长期稳定

9、；床身、工作台、立柱、横梁、滑鞍、主轴箱等大件均采用高 强度铸铁铸造而成，经多到工序消除应力，不易变形，精度保持性好，工艺性高， 便于加工。xx大学毕业论文第1章龙门移动式数控机床总体方案设计数控机床的总体设计方案由以下部分组成：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、外观造型。1.1 设计要求技术参数1 .立柱跨距：3500mm2 .工作台：3000 15000mm3 .行程：X 15000mm Y 3000mm Z 1000mm4 .加工进给速度：1000mm/min5 .主轴箱转速：1050

10、00rpm6 .定位精度：± 0.01mm要求高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于铳 削板材以及多种工件等。1.2 总体方案设计的主要内容是龙门移动式铳床。移动龙门铳床的最大特点是：（1）造价便宜，容易制造生产。工作台移动式，整机长度必须两倍于纵向行程长度，而移动 式龙门铳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。工作台移动式龙门铳床采用的是固定龙门架，工作台移动可以铳刀做切削 运动时更加稳定，从而保证了加工精度和机床的响应性能。整机分为床身、龙门、滑座、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

11、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 10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。床身和工作台分开铸造， 安装调整后用螺钉紧固，保证刚性。床身用来安放滚动直线导轨副。导轨面设计 在床身上表面，通过精磨或铲刮加工，保证平面度。龙门框架采用整体龙门架的设计概念，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

12、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：由于工作台长达 15米，不宜采用滚珠丝杠驱 动方式，所以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轴与采用大直径预压滚珠丝杠副加滚动直线导轨副， 主轴箱的左右移动为Y轴， 为了保证Y轴的传动精度，并使丝杠只受水平轴向力，故采用伺服电动机与滚珠 丝杠直联方式。主轴箱的上下垂直运动 Z轴采用滚珠丝杠副传动。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。其中平衡力Q等于主轴箱部件质量的85%。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最 佳匹配。图1-1机床

13、总体方案设计图1.3 本章小结这一章主要是按照毕业设计的要求对机床整体机械部分的设计，集中主要为床 身、工作台、横梁立柱以及三轴的进给控制设计。下面的部分将展开论述。42第2章主传动系统设计2.1 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。2.2 无级变速主传动系无级变速是指在一定范围内转速（或速度）能连续变换的特点，从而获取最 有利的切削速度。机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速 装置和液压无级变速装置。考虑到本次设计的具体问题，采用变速电动机变速。 机床上通常使用的变速电动机

14、有直流复激电动机和交流变频电动机，在额定转速 以上为恒功率变速，通常调速范围仅为 23,较小；额定转速以下为恒转矩变速, 调速范围很大，可达30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用 要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱， 这种方式应用于数控机床和大型机床当中。同是也正好符合本次龙门移动式数控 机床的设计。2.2.1 功率选择首先，根据切削力来计算大致所需的电机功率根据参考文献，铳床切削力由下式计算：P = 11500ap.06af0.88D 0.13aW.9n 0.18z= 11500 X2O106 X0,2088 X100 0.13 X4000

15、.9 X400 0.18 X12=10149N可算得切削功率P0 =Fz x6000010149 X125.660000=20.3kw机床主传动的功率P可由下式来确定:式中P机床主传动的功率K一切削功率-主传动链的总效率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

16、动功率。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？?向上至最高转速？?是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定 转速？?向下至最低转速？?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21Kw,选才? BESK系列交 流主轴电动机，电机的最高转速 ？?乎4

17、500 r/min,基本转速？3= 1500 r/min,最低 转速？?亓 45 r/min,功率 22Kw。2.2.2 转速图的拟定1 .先确定机床主轴的计算转速。由参考文献对于大型机床，混合公比或无极调速的主轴计算转速?= ?私?夕？?？?1.35带入数据，计算转速?= 10 X (5000/10) 0.35 = 88.03r/min对于数控机床，调速范围比普通机床宽，计算转速可以取高些，这里取？?=100r/min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包功 率转速范围?= 22?22?= 4500/1500 = 3而主轴要求的恒功率转速范围？?= ?必?>?

18、万5000/100 = 50 ，远大 于交流主轴电动机所能提供的包功率转速范围，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？多筹于交流主轴电动机的恒功率调速范围RdN,即？?)=?加?=3,功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。2 .变速箱的变速级数：由于？?= ?/?= ?第-1所以，Z = 1 + lg?/lg?= 1 + lg16.7/lg3 = 3.5这里取Z=40考虑如果没有一些特殊情况和要求，合理的转速图要遵循下列原则：(1)、前多后少”原则。(2)、前紧后松”原则。(3)、对直齿滑移齿轮变速组，

19、最高传动比取 2,最低传动比取1/4,最大变 速范围为8。(4)、前缓后急”原则。(5)、变速组的传动比尽量去E ,这里E取正整数。3 .拟定转速图如下：图2-1转速图和功率图4 .2.3确定各齿轮副的齿数：I II轴之间的传动副共有2对，传动比为1:1.6、1:4.47如果采用模数相同的标准齿轮，则三对传动副的齿轮和相同查表可取SZ = 108.可以确定三个传动副的齿数为1:1.6传动副42 661:4.47 传动副 20 88同理可确定Hm轴间的传动副也有两对，传动比分别为1:3.55、2.24:1采用模数相同的标准齿轮，则三对传动副的齿数和相同查表，齿数和取841: 3.55传动副齿数取

20、24 862.24:1传动副齿数取76 34主传动系统图如下:图2-2主传动系统图2.2.4各轴尺寸的确定：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

21、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。1 .各轴计算转速的确定由前面的计算已知，主轴的计算转速约为 88r/min,在转速图上，按照相应的 传动比找上去，可以确定II轴的计算转速为 270r/min, I轴的计算转速为1200r/min2 .计算各传动轴传递的效率：其中？?= 0.995为滚动轴承的效率；？?= 0.97为齿轮传动的效率。?乳=22Kw?= 22 X0.97 X 0.995 = 21.23Kw?= 22 X0.97 X 0.995 Xo.97 = 20.6Kw?= 22 X0.97 X 0.995 X0.97 X 0.995 = 19.89Kw3 .具体尺

22、寸参数的确定：主轴部件应满足的基本要求包括旋转精度，刚度，抗震性，温升和热变形以 及精度保持性。其主要结构参数包括主轴前后轴颈直径大小、主轴内孔直径、前 段悬伸量和主要支撑间的跨距。a、材料选取主轴采用45号钢，调制处理。b、计算直径根据功率P=22KW,查文献得主轴前轴颈直径？?=130160mm,取？=140mm,主轴后轴颈直径？=（0.70.85） ? = 91119mm取 D2 = 105 mm主轴内孔直径的确定：D0.7Di + D2-=245d < 0.7D = 171mm5 mma、材料选取：采用45号钢，调质处理。b、查文献得：Ao = 112,n = 270 r/min

23、d2 Y=11220.6270=38.9 mm取 d2 =45mm。轴Ia、材料选取：采用45号钢，调质处理。b、查文献得：Ao = 112,P=21.23Kwn = 1200 r/mind2% 21.23112 x3,1200=28.84 mm取 d2 =35mm。2.2.5各齿轮参数的确定查文献得齿轮模数计算推算公式:N m = 323 nz其中N为功率，？秋计算转速以成对的齿轮副中的小齿轮为例，对各个齿轮副，代入上述公式中求出其模21.23.m1 =323 = 2.79 取m1=31 1200 X20120.6可m2 = 323- = 4.19 取m2 = 4.52 V270 X242齿

24、宽B= ?其中？?取610。小齿轮齿宽比大齿轮宽 510mm。齿轮模数校核，以齿数Z=20的最小齿数齿轮校核为例即可（校核中文献【1】 为 邱宣怀 主编机械设计（第四版）材料选择：小齿轮40Cr,调制处理，硬度214-286HB,平均取260HB,大齿轮 45钢，调制处理，229-286HB,平均240HB。转矩6 P6 21.23=9.55X106 = 9.55 X106 义=55708 N - mmn1900由文献【1】图12.17c取接触疲劳极限Him1 =710MpaH lim2 = 580 Mpa初步计算许用接触应力H2 0.9 Hlim2 = 0.9 X580 =522 Mpa校核

25、计算圆周速度diniX60 X1500,=4.71 m/s 60 X100060 X1000精度等级 由文献【1】表12.6选8级精度由文献【1】表12.9,取使用系数Ka = 1.1由文献【1】表12.9,取动载系数Kv =1.12,由文献【1】表12.10,求齿间载荷分配系数KhFt 二2T1 d12 X55708-=1857N 60KaE 1.1X1857=34.04N / mm < 100N / mmb 6011= 1.88 3.2() cosZ1 Z2,11 = 1.88 3.2() = 1.6820 884 1.68= 0.883Z =r由文献【1】表12.11,求齿向载荷分

26、布系数_4b 2b 2_3Kh a B1 0.6()2()2 C?103bd1d11.17 0.161 0.6 12 12 0.61 10 3 601.38载荷系数K KaKvKh Kh 1.1 1.12 1.29 1.38 2.19由文献【1】表12.12取弹性系数Ze 189.8 . MPa由文献【1】图12.16取节点区域系数Zh 2.5由文献【1】表12.14SHmin 1.05总工作时间由文献【1】式12.12得应力循环次数th 10 300 16 0.2 9600hNli =60 nth = 60 X1 X900 X9600 = 5.18 X108Nl2 =NL2/i =2.59X

27、108由文献【1】图12.18得Zn1 = 1.02Zn2 = 1 .1则许用接触应力验算H1 =H2 =hiZni710X1.02=760.41Sh min1.05H lim 2ZN 2580 X1.1=-=607.62SH min1.05=189.8 X2.5 X0.88 XX2.19 X55708 X5.47260 XS02 X4.47= 543.5 < 607.62齿根弯曲疲劳强度验算0.750.75重合度系数 Y=°.25 + = 0.25+ .=0.70由文献【1】表12.10,齿间载荷分配系数KF =1Y =1 0.70 = 1.49b/h = 60/(2.25

28、X2.5) = 10.67由文献【1】图12.14取Kf = 1.18载荷系数 K =KaKvKf Kf =1.1 X1.12 X1.43 X1.18 = 2.08，、一一，YFa1 =2.65由文献【1】图12.21得齿形系数Fa1YFa2=2.35，、一- Y 一，Ysai =1.57由文献【1】图12.22得应力修正系数、: 彳彳Ysa2 =1.71Flim1 =600MPa由文献【1】图12.23c得弯曲疲劳极限小,口Fiim2 =450MPa由文献【1】表12.14得弯曲最小安全系数SFmin = 1.25、山一Yn1=0.91由文献【1】图12.24得弯曲寿命系数、, 八八Yn2

29、=0.95由文献【1】图12.25得尺寸系数YX = 1许用弯曲应力F1F1 =F2 =Flim1YN1Yx600 X0.91 X1SF minF lim2YN2YXSF min1.25= 682.5MPa450 XQ.95 X1 =342MPa1.252KTibd面g丫2 X2.08 X55708=cc “ 八X2.65 X1.57 X0.7 60 X60 X3验算二 75MPa< F1 2KTiF2 =YFa2YSa2Ybd1m2 X2.08 X5570860 X60 那= 72.4MPa< X2.35 X1.71 X0.7F2 各齿轮参数的确定齿顶圆直径da = (Zi +2

30、h*a )m ；齿根圆直径df =(z1 2ha 2C )m ;分度圆直径d = mz ；*齿顶局 ha = h am ；* 、齿根局 hf =(h a+c)m ；其中，h?R,?= 0.25B=?mXz ( ?=610)齿轮尺寸表(单位：mm)齿轮齿数模数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿顶局齿根高1203606652.533.75252883264270256.533.75203423126132118.533.75254663198204190.533.75205764.5342351330.754.55.625306344.5153162141.754.55.625357244.5108

31、11796.754.55.625358864.5387396375.754.55.62530表2-1齿轮尺寸表2.2.6轴承的选择与校核传动轴轴承的选择因为传动轴只收到径向力的作用，而不受轴向力的作用，故只需选择深沟球轴承就够了主轴轴承的选择因为主轴箱的结构较为简单，级数也较低，主轴采用轴向后端定位的两支承 主轴组件。前支承采用双列圆柱滚子轴承和推力球轴承，后支承采用圆柱滚子轴 承。双列圆柱滚子轴承用于承受主轴径向力，推力球轴承全部用于承受轴向力轴承的校核校核n轴上的深沟球轴承为例。II轴装轴承端直径为 045,选用2系列的轴承，故轴承型号为 6208。轴承寿命的校核：轴承的预期计算寿命为：.

32、'_ILh = 48000 h轴承的基本额定寿命 可由文献【1】式(18-7)计算：106 C16670 C 1Li0h =( ) = ( ) h60n P nP其中：C基本额定动载荷P当量动载荷n 转速£-对于球轴承，=3,对于滚子轴承， =10/3查得型号为6208的深沟球轴承的基本额定动载荷 C= 29.5KN。由文献【1】式(18-5)可计算出轴承的当量动载荷：P=fdFr载荷系数 可查文献【11表18-8可得fd =1.21.8,取fd =1.2径向载荷支反力Fr = 372.7 Ne取3代入公式可得所以可知P =fdF =1.2与72.7 =596 NLh1062

33、950060 X450 ( 596)3 = 4486720> Lh综上所述，所选用的轴承符合要求。2.3本章小结本章内容主要是设计了机床的主传动系统，对于数控机床，由于主轴转速要 求较高，采用调速电机，同时配搭齿轮箱来达到要求的调速范围。其中主要介绍 了齿轮箱各重要部件的设计。第3章三轴进给传动系统设计由于对于该次龙门移动式数控机床的设计，考虑到其工作台尺寸为3X15m,且工作台固定不动，X方向的运动为龙门框架沿着床身长度方向运动，由于行程 较长，驱动方面不宜采用滚珠丝杠，因为丝杆过长容易产生自重下垂，加重丝杆 的磨损，缩短其使用寿命，同时会大大影响机床运行时的精度和可靠性。所以，这里采

34、用双边消隙的齿轮齿条副来传动。对于Y轴和Z轴，均可采用装配滚珠丝杠的方法驱动。三轴的导轨均采用滚动直线导轨。滚动导轨是在静、动导轨面之间放置滚动体如滚珠、滚珠、滚针或者滚动导 轨块来组成的导轨。滚动导轨与滑动导轨相比，有如下优点：摩擦系数小，动、 静摩擦系数很接近，因此摩擦力小，启动轻便，运动灵敏，不易爬行；磨损小， 精度保持性好，寿命长；具有较高的重复定位精度，运动平稳；可采用油脂润滑， 润滑系统简单。滚动导轨常用于对运动灵敏度要求较高的地方，如数控机床和机 器人或者精密定位微量进给机床等。滚动导轨同滑动导轨相比，抗震性差，但可 以通过预紧方式提高，而且结构复杂，成本较高。由于三轴的进给运动

35、都由带有数字调节的进给驱动系统控制，所以都属于伺 服系统。它是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 的重要存在部分。数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

36、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

37、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。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

38、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；负载引起的轨迹误差尽可能小。本次课题的设计主要是对三轴进给伺服系统机械传动部件的设计，主要集中 在导轨计算与选型，滚珠丝杠计算选型上面。设计过程基本要满足以下要求：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。3.1 X轴导轨和齿轮齿条传动副的设计齿轮齿条传动副参数的确定：

39、根据机床技术参数，X方向快移动速度为10m/min。进给伺服电机电机转速3000rpm。设计传动齿轮的模数为4,则计算方案为： i i3000 X25 X4 X3.14 ><4><27= 10m/min导轨选择：考虑立柱横梁、滑鞍和主轴箱总重量在20t左右，应该选择滚柱型滚动直线导 轨。具体计算方案如下：图3-1导轨水平受力计算示意图上图为X导轨受力图。其中P为滑块承受负荷。考虑安全系数和寿命时间换算公式：?=?x 103?=-?X60其中，？为寿命时间，以小时为单位。L为寿命，以长度(km)计算。且有L = (?/?3 x 50 km上式中，C为基本动额定载荷，P为工

40、作负荷。设导轨承重20t,使用寿命为100000h,算得基本动额定载荷为3 60? X ?3 60X 100000 X5?= ?t=(20 X9.8 +8) X/ 50X103 = 206kN基本静额定载荷为?= ?/?= 4 X20 X 9.8/8 = 196kN根据相关技术手册及资料，参考导轨型号为HIWIN RGW 65CC。3.2 Y轴导轨及滚珠丝杠的选型与计算基本条件滑鞍质量：？=1000Kg主轴箱质量：？劣=3000Kg行程长度：L=3000mm快移速度：10m/min=0.167m/s加、减速时间：t=0.15s加速度：a=V/t=1.1m/?使用寿命：100000h导轨面摩擦系

41、数：？?= 0.003 无负荷时：f=35N导轨设计：图3-2水平导轨受力计算图?4x 9.8 X 0.5?=2?2X 0.616.33kN?= ?/M°O?= 16.33 X0 x 100000 X350 X 103=116.2kN?= ?x ?= 4 X 16.33 = 65.32kN参考导轨型号为 HIWIN HGL 55CA滚珠丝杠的设计：导程计算：Vmax10m/minmaxPh = 10 mminmax0.5 X2000r/minmax平均转速:?= 1000 X45% + 50 X35% + 100 X20% = 487.5rpm根据物理学知识，在去路和回路的加减速阶段

42、，滚珠丝杠承受较大轴向力。一共可以分为四个过程：去路加速轴向负荷：? = ? + ?2)?+ ?+ (? + ?>)?= 0.003 X4000 X9.8 + 35+ 4000 X 1.1=4552.6N去路减速轴向负荷：? = ?2 + ?2)?+ ?2 (?2 + ?2)?2 B1 '2 / 2 回路加速轴向负荷：?3 = -?回程减速轴向负荷小于去路等速轴向负荷，故不作考虑。综上可得，最大轴向力？?=4552.6N=464.55kgf查阅相关文献，滚珠丝杠寿命的表示方法有两种：以圈数计：?=(静 X106其中，C为额定动载荷(kgf)以回转次数换算成小时：? = 一 ?/

43、60由此可以推算出当量载荷3 ；3 /105 X 487.5 X60?= ?x V(?/106) = 464.55 X V10= 6643.7kgf查阅相关技术手册，参考滚珠丝杠选型为HIWIN FSV 80-10B3。3.3 Z轴导轨及滚珠丝杠的选型与计算基本条件主轴箱质量：？=3000Kg行程长度：L=1000mm快移速度：10m/min=0.167m/s加、减速时间：t=0.15s加速度：a=V/t=1.1m/?使用寿命：100000h导轨面摩擦系数：？?= 0.003 无负荷时：f=35N导轨设计：图3-3导轨垂直放置受力计算?2?=3X 9,8 X 0,4?=2X 0.69.8kN?

44、= ?丝粤=9.8 X50 X103X 100000 X2 50 X103=60.9kN?= 解?x?= 4 X9.8= 39.2kN参考导轨型号为 HIWIN HGL 45HA滚珠丝杠的设计：导程计算：c Vmax 10m/min “Ph = = 10mmh inmax 0.5 X2000r/minmax平均转速:?= 1000 义 30% = 300rpm由Y轴滚珠丝杠计算经验，容易算出上升加速时有最大轴向负荷：? = ? ?= 3000 X9.8+ 3000 X 1.1 = 32700?= 3336.7kgf查阅相关文献，滚珠丝杠寿命的表示方法有两种：以圈数计：?=图3 X106其中，C

45、为额定动载荷（kgf）以回转次数换算成小时：?=?>< 60由此可以推算出当量载荷=8744.6.7kgf3 -3 /105 x300 X60106?= ?X v(?/106) = 3336.7 xM查阅相关技术手册，参考滚珠丝杠选型为HIWIN FSV 80-12B3。图3-4滚珠丝杠示例图图3-5导轨示例图3.4 滚动导轨和滚珠丝杠的安装及使用注意事项：滚动导轨：（1）小心轻拿轻放，避免磕碰以影响导轨副的直线精度。不允许将滑块拆离 导轨或超过行程又推回去。（2）正确区分基准导轨副与非基准导轨副。（3）认清 导轨副安装时所需的基准侧面。（4）当使用接长导轨时，采用同一套导轨副编同

46、 一英文大写字母，连续阿拉伯数字表示连接顺序，对接端头由同一阿拉伯数字相 连。（5）紧固螺栓时，建议采用包扭矩扳手并按规定推荐扭矩值进行。（6）滚动直线导轨副的防护与润滑：要注意工作环境与装配过程中的清洁，不能有铁屑、 杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还 应考虑增加防尘装置。润滑的主要目的是减小磨擦和磨损以防止过热，破坏其内 部结构，影响导轨副的运动功能。当滚动直线导轨副的运行速度为高速时（V>15m/min，推荐使用 N32 润滑油（GGB443-84） ,40C 时 28.535.2cst,相当于 旧标准的20号机械油，定期润滑或接油管强制润滑（如

47、下图所示）。低速时（V<15m/min）推荐使用锂基润滑脂润滑。滚珠丝杠：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 承座与螺母座必须三点成一线。（2）安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承；（3）同 时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。2.滚珠丝杠安装到机床时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如果必须卸下 来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下几点：（1） 辅助套外径应小于丝杠底径0.1-0.

48、2 mm （ 2）辅助套早使用中必须靠紧丝杠螺纹轴 肩；（3）装卸时，不可使用过大力以免螺母损坏；（4）装入安装孔时要避免撞击 和偏心。3 .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± 60C4 .润滑和防尘：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

49、般是螺母内部空间 容积的1/3,滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已经加注 GB7324-942#锂基润滑脂。 （2）润滑油运动粘度28. 5 74cst（400T）的润滑油，给油量随使用条件等的不同 而有所变化。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。5 .5本章小结本章主要是对三轴滚珠丝杠和导轨进行计算和选型，这样基本确定了进给传 动要求。最后介绍了丝杠导轨使用时的注意事项。第4章其他有关零部件设计4.1 床身设计4.1.1 床身设计的

50、基本要求机床的床身是整个机床的基础支持件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部 件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的 要求，与普通机床相比，数控机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。一、对数控机床的床身主要在以下 3个方面提出了更高的要求：1 .很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精 度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时， 所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身受力很复杂。为此，为保 证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外， 还需要满足静、动

51、刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。2 .应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应 的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了 保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振 动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振 动而产生噪音。3 .较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已经成了一个突出问题, 必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变 形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平

52、面磨床， 立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面 不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生 中凸或中凹热变形。因此，床身结构设计时应使热变形尽量小。二、床身机架设计的一般要求 ：1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；2）抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内；3）躁声小；4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小；5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；6）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件；7）有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好；8）造型好。使之既适用经济，有美观大方。4.1.

53、2 具体设计内容及步骤：对于龙门移动式机床，床身部分要承受整个立柱横梁以及滑鞍和主轴箱的部分 的重量。同时，床身表面还要安放 X轴方向滚动直线导轨。床身采用铸件整体铸 出，具体加工设计的考量主要集中在以下两个方面：截面形状由于所设计机床属于大型和重型机床，采用双层壁结构床身，以便进一步调 整刚度。图4-1床身截面图肋板和肋条的布置：肋板是连接支承件四周外壁的内板，它能使支承件外壁的局部在和传递给其 他壁板，从而使整个支承件承受载荷，加强支承件的自身和整体刚度。这里采用 正方形布置，能够提高支承件垂直平面内的抗弯刚度。壁厚的选择：查阅相关文献，铸铁件的外壁厚可以根据当量尺寸C来确定。当量尺寸C可由下式确定：C=(2L+B+H)/3式中L、B、H分别为支承件的长、宽、高。根据算出的C值查表格选择最小壁厚t,再综合考虑工艺条件，受力情况，可 适当增加壁厚。壁厚应尽量均匀。经过计算，选择床身壁厚为500,肋板厚为400。4.2 工作台的设计机床工作时，工作台不动。其尺寸为 3000X15000O设计T型槽数量为10。壁厚和肋板选择原则上，与床身设计原理相同。由于工作台称重不及床身大，所以壁厚的选择与床身相比可以适当缩小。设计工作台截面形状如图：图4-2工作台截面图4