Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設(shè)計(jì)含開(kāi)題及3張CAD圖

Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設(shè)計(jì)含開(kāi)題及3張CAD圖,Xk714,數(shù)控,銑床,床身,立柱,部分,設(shè)計(jì),開(kāi)題,CAD Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設(shè)計(jì) [摘要] 在現(xiàn)代工業(yè)中，數(shù)控機(jī)床的優(yōu)劣直接影響著生產(chǎn)率的高低和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位越來(lái)越高。本文主要是針對(duì)立式數(shù)控銑床床身、立柱、導(dǎo)軌及Z向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。床身和立柱是機(jī)床最重要的支撐件，它的好壞對(duì)數(shù)控機(jī)床有著決定性作用，設(shè)計(jì)中床身和立柱采用分離式結(jié)構(gòu)；導(dǎo)軌為燕尾型導(dǎo)軌，主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用；Z向進(jìn)給采用半閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，最終使立式數(shù)控銑床床身和立柱部分性能得到了極大的改善。 [關(guān)鍵詞] 數(shù)控銑床 床身 立柱 THE DESIGN OF VERTIAL CNC MILLING MACHINE BED AND THE COLUMN PART Abstract: In modern industry, CNC machine directly influence the level of productivity and product quality . Status is improved and became important more and more. This article is mainly directed the bed, column, and Z Guide to the feed system design of vertical CNC milling machine. The bed and column is the most important of support, it has a pair of CNC machine tools have a decisive role, Bed design and columns were used to structure; dovetail guideway for the type guide, the major components of the campaign with guidance and support; Z to feed semi-closed-loop control system, the ball screw drive nut agencies for transmission. After design, and finally to the vertical bed CNC milling machine and columns of the great performance improvements. Key words : CNC milling Machine bed Column 目 錄 1.緒論 1 1.1 數(shù)控機(jī)床的基本組成及加工原理 1 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 1 1.1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控的概念與發(fā)展 1 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 2 1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 3 1.2.1數(shù)字控制和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 3 1.2.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 4 2.總體設(shè)計(jì) 6 2.1立式數(shù)控銑床設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)方法 6 2.1.1 基本要求 6 2.1.2設(shè)計(jì)方法 6 2.2機(jī)床設(shè)計(jì)步驟 6 2.3總體方案設(shè)計(jì) 7 2.3.1幾何運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 8 2.3.2機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8 2.4機(jī)床主要參數(shù)設(shè)計(jì) 9 3.床身、立柱及Z方向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 3.1切削力計(jì)算 11 3.2床身設(shè)計(jì) 11 3.2.1床身材料的選擇 12 3.2.2.對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 12 3.2.3．床身的結(jié)構(gòu) 12 3.2.4床身的截面形狀 12 3.2.5床身的剛度 13 3.2.6箱體封沙結(jié)構(gòu) 14 3.3導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 14 3.3.1導(dǎo)軌材料選擇 15 3.3.2導(dǎo)軌的類(lèi)型 15 3.3.3導(dǎo)軌間隙的調(diào)整. 15 3.3.4導(dǎo)軌的計(jì)算 16 3.3.5.導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 18 3.4.滾珠絲杠副的計(jì)算及選用 19 3.4.1.滾珠絲杠的介紹 19 3.4.2滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算 20 3.5 伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 23 3.6確定滾珠絲杠副型號(hào) 25 3.7聯(lián)軸器的選擇 29 3.7.1.聯(lián)軸器的介紹 29 3.7.2聯(lián)軸器的選用 30 4.檢測(cè)元件與數(shù)控系統(tǒng) 32 4.1位置檢測(cè)裝置的要求與分類(lèi) 32 4.2位置檢測(cè)裝置的選擇 33 4.3數(shù)控系統(tǒng)的選擇 34 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37 1. 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床的基本組成及加工原理 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 1、產(chǎn)生原因 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜，改型也日益頻繁，對(duì)機(jī)床的性能、精度、自動(dòng)化程度等提出了越來(lái)越高的要求。 在機(jī)械制造工業(yè)中，單件、小批量生產(chǎn)的零件約占機(jī)械加工總量的 70％～80％。為滿(mǎn)足多品種、小批量，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件的自動(dòng)化生產(chǎn)，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適于產(chǎn)品頻繁變化的“柔性”自動(dòng)化機(jī)床。 2、產(chǎn)生過(guò)程 1947年美國(guó)帕森斯公司（Parsons）首先提出利用脈沖信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的的概念 1949年美國(guó)空軍資助，帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學(xué)院(MIT)合作開(kāi)始研制。 1952年研制成功了世界上第一臺(tái)以數(shù)字計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制(numerical control，簡(jiǎn)稱(chēng)NC)3坐標(biāo)直線插補(bǔ)銑床，從而使機(jī)械制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新階段。 1.1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控的概念與發(fā)展 1.計(jì)算機(jī)數(shù)控的概念 （1）數(shù)控的概念 GB8129—1997中對(duì)NC的定義為：用數(shù)值數(shù)據(jù)的控制裝置，在運(yùn)行過(guò)程中不斷的引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而對(duì)某一生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 （2）數(shù)控機(jī)床（NC machine tools） 若機(jī)床的操作命令以數(shù)值數(shù)據(jù)的地式描述，工作還在改照規(guī)定的程序自動(dòng)地進(jìn)行，則這種機(jī)床稱(chēng)為數(shù)控機(jī)床。 （3）數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程序控制器、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)裝置等相關(guān)設(shè)備的總稱(chēng)。為區(qū)別起見(jiàn)將其中的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置稱(chēng)為數(shù)控裝置。 2．計(jì)算機(jī)數(shù)控的發(fā)展 先后經(jīng)歷了電子管（1952年）晶體管（1959年）、小規(guī)模集成電路（1965年）、大規(guī)模集成電路及小型計(jì)算機(jī)（1970年）和微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)（1974年）等五代數(shù)控系統(tǒng)。 前三代屬于采用專(zhuān)用控制計(jì)算機(jī)的硬接線（硬件）數(shù)控裝置，一般稱(chēng)為NC數(shù)控裝置。，第四代數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)了采用小型計(jì)算機(jī)代替專(zhuān)用硬件控制計(jì)算機(jī)，這種數(shù)控系統(tǒng)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（omputerized numrical control，即 CNC）。自 1974年開(kāi)始，以微處理機(jī)為核心的數(shù)控裝置（microcomcuperized numerical control即MNC）得到迅速發(fā)展。 我國(guó)從1958年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，20世紀(jì)60年代中期進(jìn)入實(shí)用階段。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，引進(jìn)日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)外著名數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商的技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在性能、可靠性等方面得到了迅速發(fā)展。經(jīng)過(guò)“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻關(guān)，我國(guó)已掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的核心內(nèi)容。目前我國(guó)已有數(shù)控系統(tǒng)（含主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元）生產(chǎn)企業(yè)五十多家，數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)百余家。 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過(guò)程分以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)： （1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫(xiě)程序。 （2）所編程序指令輸入機(jī)床數(shù)控裝置中。 （3）數(shù)控裝置對(duì)程序（代碼）進(jìn)行翻譯、運(yùn)算之后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件，并控制所需要的輔助運(yùn)動(dòng)。 （4）在機(jī)床上加工出合格的零件。 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)如圖1．1．2所示，下面對(duì)其各組成部分加以介紹。 1．輸入裝置 數(shù)控加工程序可通過(guò)鍵盤(pán)，用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。還可由編程計(jì)算機(jī)用RS232C或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過(guò)程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲(chǔ)器，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。 2．?dāng)?shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置它的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過(guò)程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿(mǎn)足要求。因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)各執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。 3．驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅(qū)動(dòng)裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中。數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。 4．輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開(kāi)關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟停，工件和機(jī)床部件的松開(kāi)、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)作。 現(xiàn)廣泛采用可編程控制器（PLC）作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。 5．機(jī)床本體 數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。 1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1數(shù)字控制和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 微電子技術(shù)，自動(dòng)信息處理，數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，給自動(dòng)化帶來(lái)了新的概念，推動(dòng)了機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展。1952年試制成功世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)，這是一臺(tái)采用脈沖乘法原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代。1953年自動(dòng)編程系統(tǒng)開(kāi)始。1958年帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床成功研制出來(lái)，稱(chēng)為加工中心。數(shù)控機(jī)床不斷的發(fā)展，1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于它的體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展到第三代。1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（柔性制造系統(tǒng)）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降，小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始取代專(zhuān)用數(shù)控計(jì)算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱(chēng)為CNC。1970年在美國(guó)芝加哥國(guó) 際機(jī)床展覽會(huì)上，首次出現(xiàn)了這種系統(tǒng)，稱(chēng)為第四代數(shù)控。1974年出現(xiàn)了第五代數(shù)控系統(tǒng)MNC。 20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。FMC和FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)CIMS的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。 1.2.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳動(dòng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，體對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需要裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前世界上 數(shù)控技術(shù)及其裝備的發(fā)展呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì): 1高速、高精密化 2高可靠性 3數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)CAD、功能多樣化 1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化 2)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新 3)數(shù)控機(jī)床功能的多樣化 4智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化 5開(kāi)放性 1) 為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)字控制制造系統(tǒng)不久能完成通常的加工功能，而且還要具備自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換主軸頭、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛應(yīng)用機(jī)器人、物流系統(tǒng)。 2) FMC,FMS Web-based制造及無(wú)圖紙制造技術(shù)。 3) 圍繞數(shù)控技術(shù)、制造工程技術(shù)在 快速成型、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床、機(jī)器人化機(jī)床、多功能機(jī)床等整機(jī)方面和高速電主軸、直線電機(jī)、軟件補(bǔ)償精度等 單元技術(shù)方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床實(shí)用化。這種虛擬軸數(shù)控機(jī)床，用軟件的 復(fù)雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，開(kāi)拓了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新領(lǐng)域。 4) 以計(jì)算機(jī)輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫(kù)、因特網(wǎng)等 為主體的制造信息支持技術(shù)和 智能化決策系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械加工中海量信息進(jìn)行存儲(chǔ)和 實(shí)時(shí)處理。應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使機(jī)械加工整個(gè)系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應(yīng)用。 5) 由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，機(jī)械加工向虛擬制造愛(ài)的方向發(fā)展。 6復(fù)合化 7串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 8重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范得的建立 雖然近年來(lái)我們?cè)跈C(jī)床上出現(xiàn)的流血事件在減少，但仍然是無(wú)法杜絕，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮一下機(jī)床外形的布置，造作人員與機(jī)床的協(xié)作。所以對(duì)機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)補(bǔ)充兩條:1綠色設(shè)標(biāo)準(zhǔn)2在設(shè)計(jì)時(shí)考慮人機(jī)和諧化。 我國(guó)機(jī)床的精度不怎么高，我們要從機(jī)床的零件精度著手 ，注重機(jī)床的裝配精度，也要時(shí)刻注重新技術(shù)的應(yīng)用來(lái)提高機(jī)床精度。所以對(duì)機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)補(bǔ)充一項(xiàng):高精度化。 近年來(lái)我國(guó)仿真技術(shù)的發(fā)展也是十分突出的，但我國(guó)的這項(xiàng)技術(shù)只是剛剛起步，有很大的發(fā)展空間，這樣可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間，交貨周期短，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，可在未完成物理實(shí)體前就解決裝配中的問(wèn)題，對(duì)零件中出現(xiàn)的問(wèn)題加以解決，也不會(huì)造成浪費(fèi)。這項(xiàng)技術(shù)主要集中在裝配建模、計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝規(guī)化等，提高了裝配效率和質(zhì)量，減少了成本。所以想在補(bǔ)充一點(diǎn):建模和仿真的可視化處理。 2. 總體設(shè)計(jì) 2.1立式數(shù)控銑床設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)方法 2.1.1 基本要求 機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)床的基本要求，機(jī)床所能加工的工件特性及機(jī)床自身應(yīng)具有的特性。數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求包括機(jī)床工藝范圍、加工精度、柔性、開(kāi)放性、噪聲、生產(chǎn)率和自動(dòng)化、成本、生產(chǎn)周期、可靠性、機(jī)床宜人性等等。其中許多要求與加工對(duì)象有關(guān)。在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，綜合考慮以上眾多要求，在機(jī)床滿(mǎn)足上述要求的條件下，盡量將機(jī)床設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低、效率大。 2.1.2設(shè)計(jì)方法 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)理論和方法由人工繪圖向計(jì)算機(jī)繪圖，由定性設(shè)計(jì)向定量設(shè)計(jì)、由靜態(tài)和線性分析向動(dòng)態(tài)和非線性分析、由可行性設(shè)計(jì)向最佳設(shè)計(jì)過(guò)度。數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，采用伺服驅(qū)動(dòng)省去了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)，不但提高了傳動(dòng)效率和加工精度，同時(shí)使機(jī)床的結(jié)構(gòu)與布局發(fā)生了很大變化，縮小了占地面積。 機(jī)床的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)其設(shè)計(jì)類(lèi)型而定。通用機(jī)床采用系列化設(shè)計(jì)方法。系列中基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新設(shè)計(jì)類(lèi)型，其他屬變形設(shè)計(jì)類(lèi)型。有些機(jī)床，如組合機(jī)床屬組合設(shè)計(jì)類(lèi)型。 在創(chuàng)新設(shè)計(jì)類(lèi)型中，機(jī)床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設(shè)計(jì)或創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。前者是用類(lèi)比分析、推理方法產(chǎn)生方案，是目前創(chuàng)新設(shè)計(jì)一般采用的方法。后者則用創(chuàng)成分析的方法生成方案，創(chuàng)新能力強(qiáng)，這種方法尚在研究發(fā)展之中。 2.2機(jī)床設(shè)計(jì)步驟 機(jī)床的設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟大致可概括為：主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)；總體方案設(shè)計(jì)；總體方案綜合評(píng)價(jià)與選擇；總體方案的設(shè)計(jì)修改或優(yōu)化；詳細(xì)設(shè)計(jì)（技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)）；機(jī)床整機(jī)綜合評(píng)價(jià)。機(jī)床設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如2.1所示： 上述步驟可反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)意為止。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)反復(fù)進(jìn)行，可以提高一次設(shè)計(jì)成功率。 圖2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)體統(tǒng)框圖 2.3總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)前面提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求，就可進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。所有要求中，工藝要求最為重要，它決定機(jī)床所需要的運(yùn)動(dòng)，完成每個(gè)運(yùn)動(dòng)又有相應(yīng)的功能部件，這就可以確定各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置關(guān)系，機(jī)床的總體布局也就大體能確定下來(lái)。在進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計(jì)時(shí)可以從兩方面進(jìn)行考慮。一方面從機(jī)床內(nèi)部考慮，要處理好工件與刀具間的相對(duì)關(guān)系，如位置與運(yùn)動(dòng)、工件重量和形狀特點(diǎn)等。另一方面還要考慮到機(jī)床外部的因素，也就是人機(jī)之間的關(guān)系，如外形、操作和維護(hù)等。 總體方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性的設(shè)計(jì)工作，直接影響機(jī)床產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本，關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 2.3.1幾何運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 機(jī)床是依靠刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面。不同的工件幾何表面，往往需要采用不同類(lèi)型的刀具，作不同的表面形成運(yùn)動(dòng)，而成為不同類(lèi)型的機(jī)床。因此，要進(jìn)行機(jī)床的幾何運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)需要先了解工件幾何表面的形成方法。 （1）幾何表面的形成方法 ①幾何表面的形成 任何一個(gè)表面都可以看作是一條曲線（或直線）沿另一條曲線（或直線）運(yùn)動(dòng)的軌跡。這兩條曲線稱(chēng)為該表面的發(fā)生線，前者稱(chēng)為母線，后者稱(chēng)為導(dǎo)線。 ②發(fā)生線的形成 工件加工表面的發(fā)生線是通過(guò)刀具切削刃與工件接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的。有如下四種方法：軌跡法、成型法、相切法和范成法。 ③加工表面的形成方法 加工表面的形成方法是母線形成方法和導(dǎo)線形成方法的組合。因此，加工表面形成所需要的刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也是形成母線和導(dǎo)線所需相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合。 （2）運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì) 對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)床的工藝范圍進(jìn)行分析，選擇確定加工方法；然后選擇坐標(biāo)系；寫(xiě)出機(jī)床幾何運(yùn)動(dòng)功能關(guān)系式；最后繪制機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖。機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能圖只表示運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示運(yùn)動(dòng)之間的傳動(dòng)關(guān)系。若將動(dòng)力源與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運(yùn)動(dòng)及傳動(dòng)關(guān)系同時(shí)表示出來(lái)，就是傳動(dòng)原理圖。 2.3.2機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)床幾何運(yùn)動(dòng)功能關(guān)系式只描述了刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但基礎(chǔ)支承件設(shè)在何處尚未確定，哪些運(yùn)動(dòng)是由刀具一側(cè)完成，哪些運(yùn)動(dòng)由工件一側(cè)完成也還不清楚，所以首先是運(yùn)動(dòng)功能的分配問(wèn)題。通過(guò)幾何運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)可確定基礎(chǔ)支承件。 （1）結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局形式有立式、臥式及斜置式等；其中基礎(chǔ)支承件的形式又有底座式、立柱式、龍門(mén)式等；基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)又有一體式和分離式等。因此同一種運(yùn)動(dòng)分配式又可以有多種結(jié)構(gòu)布局形式，這樣運(yùn)動(dòng)分配設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)后保留下來(lái)的運(yùn)動(dòng)分配式方案的全部結(jié)構(gòu)布局方案就有多種，因此需要再次進(jìn)行評(píng)價(jià)，去除不合理方案。該階段評(píng)價(jià)的主要依據(jù)主要是定性分析機(jī)床的剛度、占地面積以及對(duì)物流系統(tǒng)的開(kāi)放性等因素。該階段設(shè)計(jì)結(jié)果得到的是機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖，本次設(shè)計(jì)的是立式數(shù)控銑床，支承件為立柱式，基礎(chǔ)支承件的結(jié)構(gòu)為分離式。 （2）機(jī)床總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)后所保留的機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局形態(tài)圖、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果、機(jī)床動(dòng)力參數(shù)、加工空間尺寸參數(shù)以及機(jī)床整機(jī)的剛度及精度分配。其設(shè)計(jì)過(guò)程為： ①首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀和尺寸。 ②與末端執(zhí)行件相臨的下一個(gè)功能部件的結(jié)合部的形式、概略尺寸。 ③考慮上述功能部件的剛度要求，確定下一個(gè)功能部件的概略形狀與尺寸。 ④重復(fù)上述過(guò)程，直到基礎(chǔ)支承件（底座、立柱、床身等）設(shè)計(jì)完畢。 ⑤若要進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)，則可將功能部件細(xì)分成子部件，根據(jù)制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃，進(jìn)行模塊提取與設(shè)置。 ⑥初步進(jìn)行造型與色彩設(shè)計(jì)。 ⑦機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案的綜合評(píng)價(jià)。 上述設(shè)計(jì)完成后，得到的設(shè)計(jì)結(jié)果是機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案圖，如圖2.4所示。然后對(duì)得到的各個(gè)總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)比較，評(píng)價(jià)的主要因素有：性能、制造成本、制造周期、生產(chǎn)率、物流系統(tǒng)的開(kāi)放性、外觀造型以及機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)修改與確定。 圖2.4 立式銑床總體結(jié)構(gòu)方案圖 2.4機(jī)床主要參數(shù)設(shè)計(jì) 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)包括機(jī)床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)可包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)。 （1）主參數(shù)和尺寸參數(shù) 機(jī)床主參數(shù)是反映機(jī)床規(guī)格大小及機(jī)床最大工作能力的一種參數(shù)。為了更完整地表示機(jī)床的工作能力及工作范圍，有些機(jī)床還規(guī)定有第二主參數(shù)。立式數(shù)控銑床的主參數(shù)為機(jī)床所能加工的最大工件，任務(wù)書(shū)中已明確說(shuō)明工作臺(tái)為900400mm，X行程為600mm，Y行程為500m，Z行程為600mm。（2）運(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指機(jī)床執(zhí)行件，如主軸、工作臺(tái)和刀架的運(yùn)動(dòng)速度。 3. 床身、立柱及Z方向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1切削力計(jì)算 在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際加工過(guò)程中最高銑削條件為準(zhǔn)：刀具：硬質(zhì)合金， 工件：碳鋼、灰口鑄鐵， 此時(shí)的銑削力最大， 查表：金屬切削與刀具實(shí)用技術(shù)?。? ， ， z=10， 。 則： = =3128N 切削功率為： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算電動(dòng)幾空載功率為準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率為： 3.2床身設(shè)計(jì) 3.2.1床身材料的選擇 灰鑄鐵具有良好的鑄造性能，便于鑄造復(fù)雜的形狀，有很好的抗振性能，價(jià)格也便宜，一般機(jī)床大件都用鑄鐵鑄造而成。HT200適用于外形比較簡(jiǎn)單，抗壓和抗彎應(yīng)力都較大的大件。故這里選擇HT200來(lái)制造床身。 3.2.2.對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支撐件，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌，主軸箱等重要部件。為了滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性，對(duì)數(shù)控機(jī)床在以下方面提出了要求。 （1）很高的精度保持性。 （2）應(yīng)具有足夠的精度。 （3）較好的熱穩(wěn)定性。 3.2.3．床身的結(jié)構(gòu) 床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控銑床、加工中心等這一類(lèi)數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)，有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種。前者一般適用于中小型力式和臥式加工中心；而后者有分為整體T形床身和前后床身分開(kāi)組合的T型床身。所謂T型床身是指床身是由橫直的前置床身和它垂直的后床身組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造加工帶來(lái)很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體床身，制造時(shí)需要有大型設(shè)備。而分離式T型床身，鑄造工藝和加工工藝性都大大改善。前后床身聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專(zhuān)用定位銷(xiāo)定位，然后沿截面四周，用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接的床身，在剛度和精度保持性方面，基本能滿(mǎn)足使用要求。 3.2.4床身的截面形狀 數(shù)控機(jī)床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的筋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和值當(dāng)適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身中常用的幾種截面筋板布置有V形筋、對(duì)角筋、斜方筋。 床身筋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足床身剛度和抗振性要求，V形筋有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度，對(duì)角筋和斜方筋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 此外，還有縱向筋板和橫向筋板，分別對(duì)抗彎剛度和抗扭剛度有顯著效果：米字形筋板和井字形筋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形筋板更高。 3.2.5床身的剛度 根據(jù)床身所受載荷性質(zhì)的不同，床身剛度分為靜剛度和動(dòng)剛度。床身的靜剛度直接影響機(jī)床的加工精度極其生產(chǎn)率。靜剛度和固有頻率，是影響動(dòng)剛度的重要因素。合理設(shè)計(jì)床身的筋板結(jié)構(gòu)，可提高床身的剛度。床身的筋板布置形式對(duì)閉式箱體結(jié)構(gòu)剛度的影響如表3.1所示。 表3.1 筋板布置對(duì)封閉式箱體結(jié)構(gòu)剛度的影響 序號(hào) 模型 彎曲剛度指數(shù)（X-X） 扭轉(zhuǎn)剛度指數(shù) 1 1.0 1.0 2 1.16 1.44 3 1.02 1.33 4 1.11 1.67 5 1.13 2.02 3.2.6箱體封沙結(jié)構(gòu) 床身封砂結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)，將大件的泥芯留在鑄件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高結(jié)構(gòu)件的阻尼比，有明顯的消振作用。提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度，由剛度和質(zhì)量的關(guān)系式k=m(為系統(tǒng)無(wú)阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率)可以看出，增加質(zhì)量m可以提高靜剛度。 對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的床身，在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)振動(dòng)時(shí)，利用相對(duì)摩擦來(lái)消散振動(dòng)能量。 封砂結(jié)構(gòu)降低了床身的重心，有利于床身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可提高床身的抗彎和抗扭剛度。 經(jīng)過(guò)以上的分析在本次設(shè)計(jì)中，床身設(shè)計(jì)為上部為圓弧，以便于安裝絲杠；在圓弧下面增加一條筋板，以增加床身的剛度和強(qiáng)度，進(jìn)一步提高床身的安全和可靠性。 3.3導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌的作用主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用，也就是支承運(yùn)動(dòng)部件（如刀架、工作臺(tái)等），并保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用下能準(zhǔn)確沿著規(guī)定方向運(yùn)動(dòng)。因此，導(dǎo)軌的制造精度及性能對(duì)機(jī)床加工精度、承載能力等有著重要影響。數(shù)控機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌主要有以下幾方面要求。 ①導(dǎo)向精度高 導(dǎo)向精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。無(wú)論是空載還是加工，導(dǎo)軌都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。這是對(duì)導(dǎo)軌的基本要求。各種機(jī)床對(duì)于導(dǎo)軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)，以保證導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。 ②精度保持性 精度保持性是指導(dǎo)軌能否長(zhǎng)期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導(dǎo)軌的磨損，此外，還與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及支承間（如床身）的材料有關(guān)。數(shù)控機(jī)床的精度保持性要求比普通機(jī)床高。 ③足夠的剛度 機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件所受的外力，最后都有道軌面來(lái)承受，若導(dǎo)軌受力后變形過(guò)大，不僅破壞了導(dǎo)向精度，而且惡化了導(dǎo)軌的工作條件。導(dǎo)軌的剛度主要決定與導(dǎo)軌類(lèi)型、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、導(dǎo)軌與床身的聯(lián)結(jié)形式、導(dǎo)軌材料、表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌截面積通常較大，有時(shí)還需要在主道軌外添加輔助導(dǎo)軌來(lái)提高剛度。 ④良好的摩擦特性 數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小，而且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)應(yīng)盡量接近，以減小摩擦阻力和導(dǎo)軌熱變形，是運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)，低速無(wú)爬行。 此外，導(dǎo)軌工藝性要好，便于制造和裝配，便于檢驗(yàn)、調(diào)整和維修，而且有合理的導(dǎo)軌防護(hù)、潤(rùn)滑措施等。 3.3.1導(dǎo)軌材料選擇 ①鑄鐵——是一種成本底，有良好的減振性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、孕育鑄鐵和耐磨鑄鐵等幾種。在硬粒磨損的條件下，鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性隨硬度的增加而提高。淬硬后金相組織為馬氏體的鑄鐵耐磨性最好，因?yàn)樗挠捕纫严喈?dāng)于或超過(guò)硬粒的硬度。 ②鋼——為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用淬硬的剛導(dǎo)軌。鑄鐵-淬火鋼摩擦副能夠防止導(dǎo)軌面的撕傷，抗硬粒磨損的耐磨性可比未淬硬的鑄鐵-鑄鐵副提高5-10倍，并隨合金的成分和硬度的增加而提高。淬火鋼的導(dǎo)軌都是鑲裝或焊接上去的。 ③有色金屬——用于鑲裝導(dǎo)軌的有色金屬片的材料主要有：錫青銅、鋁青銅和鋅合金等。它們多用于重型機(jī)床的導(dǎo)軌上，與鑄鐵的支承導(dǎo)軌相配合，用以防止撕傷、保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和提高移動(dòng)精度。 ④塑料——鑲狀塑料導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)底、耐磨性好、抗撕傷能力強(qiáng)、可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，在精密、數(shù)控和重型機(jī)床導(dǎo)軌上的應(yīng)用也在逐漸增多。塑料導(dǎo)軌多與未淬硬的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。 綜合上述：我們選擇鑄鐵導(dǎo)軌，直接和立柱一起鑄造的導(dǎo)軌 。 3.3.2導(dǎo)軌的類(lèi)型 機(jī)床導(dǎo)軌的類(lèi)型基本上有四種：三角形導(dǎo)軌、平導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌和圓柱形導(dǎo)軌。 ①三角形導(dǎo)軌——常用于精度要求較高的機(jī)床上，但它制造比較麻煩。 ②平導(dǎo)軌——制造和維修都比較方便，剛度好，在不增加導(dǎo)軌高度的條件下，能不受限制的增加導(dǎo)軌的寬度，故承載能力大。但它也是有缺點(diǎn)的：側(cè)表面磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，而且調(diào)整間隙也比較麻煩，同時(shí)它容易積存贓物，要求很好的防護(hù)。 ③燕尾形導(dǎo)軌——能承受顛覆力矩，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整間隙方便，特別適用于層次較多的運(yùn)動(dòng)部件上。但它制造較困難，剛度差，摩擦力大，存油性差，所以只適用于受力不大，移動(dòng)速度不高，精度要求不高的導(dǎo)軌 ④圓柱形導(dǎo)軌——它制造簡(jiǎn)單，容易保證精度，但磨損后間隙難于調(diào)整，所以?xún)H適用于以受軸向載荷為主的機(jī)床上，如拉床、沖床等。 根據(jù)上述：選擇燕尾形導(dǎo)軌。 3.3.3導(dǎo)軌間隙的調(diào)整. 燕尾導(dǎo)軌和平導(dǎo)軌磨損以后在水平方向和垂直方向都會(huì)產(chǎn)生間隙，如不及時(shí)調(diào)整，工作部件就不能平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，就會(huì)影響機(jī)床的加工精度和表面光潔度，因此必須設(shè)法消除。導(dǎo)軌間隙常用壓板、鑲條來(lái)調(diào)整。 1）壓板 壓板用來(lái)調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。 2）鑲條 鑲條用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾型導(dǎo)軌側(cè)向間隙。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。 在這里我選用鑲條來(lái)調(diào)整間隙。 3.3.4導(dǎo)軌的計(jì)算 表3.2鑄鐵導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)（M） 導(dǎo)軌種類(lèi) 平均壓強(qiáng) 最大壓強(qiáng) 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 滑動(dòng)速度低的 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 中型機(jī)床 1.2～1.5 2.5～3.0 重型機(jī)床 0.5 1.0～1.5 磨床 0.025～0.04 0.05～0.0.08 1)按線形分布的導(dǎo)軌壓強(qiáng) 每個(gè)導(dǎo)軌面所受的載荷都可以簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力P和一個(gè)顛覆力矩M的作用。 F—導(dǎo)軌所受的集中力（N） M—導(dǎo)軌所受的顛覆力矩（N·M） P—由集中力引起的壓強(qiáng)（M） B—導(dǎo)軌的寬度（mm） L—?jiǎng)訉?dǎo)軌的長(zhǎng)度 (3-1) 2）受力分析 對(duì)于燕尾槽： (3-2) —當(dāng)量摩擦系數(shù)， —滑動(dòng)摩擦系數(shù)， —燕尾輪廓角或三角形底角=55° 圖3.2 導(dǎo)軌受力分析圖 推力F平行與運(yùn)動(dòng)件軸線且與軸線相距h，如圖3.2所示，圖中為軸向阻力，和為反作用。為當(dāng)量摩擦系數(shù)。根據(jù)靜力平衡條件得 （+）+-F=0 -=0 --+=0 聯(lián)立解得：F= 欲推運(yùn)動(dòng)件，必須保證運(yùn)動(dòng)件不被卡死的條件是： 為了保證運(yùn)動(dòng)靈活，值可按下式取值： <0.5 對(duì)燕尾形和三角形導(dǎo)軌（=55°）<1 知道h=295故L>h 可取：L=300mm(兩導(dǎo)軌的間距) 3)滑動(dòng)導(dǎo)軌：導(dǎo)軌寬度B，兩導(dǎo)軌間距， 運(yùn)動(dòng)件長(zhǎng)度L。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)L=（1.2~1.8）=240~360。動(dòng)導(dǎo)軌為4段，每條靜導(dǎo)軌各有2段，故計(jì)算中L應(yīng)取1/4進(jìn)行計(jì)算。 導(dǎo)軌上所受到的力大約為：=3128N P根據(jù)許用壓強(qiáng)表可取為=1.2M 根據(jù)公式： ( M) 得： =60mm 故這里我取B為60mm。 3.3.5.導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 1.潤(rùn)滑的目的：要求和方式 對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行潤(rùn)滑的目的是：減少磨擦，提高機(jī)械效率；減少磨損，延長(zhǎng)壽命；降低溫度，改善工作條件和防止生銹。 對(duì)潤(rùn)滑的要求是：保證按規(guī)定提供清潔的融化油，油量可以調(diào)節(jié)，盡量采用自動(dòng)和強(qiáng)制潤(rùn)滑；簡(jiǎn)化潤(rùn)滑裝置，潤(rùn)滑元件要可靠；確保安全。 潤(rùn)滑方式：選擇壓力油強(qiáng)制潤(rùn)滑。這種方式效果較好，潤(rùn)滑可靠，與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，而且可以不斷地沖洗和冷卻導(dǎo)軌面。 導(dǎo)軌潤(rùn)滑油的粘度根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤(rùn)滑方式選擇。這里可采用30號(hào)機(jī)械油或40號(hào)機(jī)械油進(jìn)行潤(rùn)滑。 2.導(dǎo)軌的防護(hù) 導(dǎo)軌的磨損有兩種型式，即硬粒磨損和導(dǎo)軌面的咬焊，其中以硬粒磨損最為普遍，而且又不能完全避免。所以，必須有專(zhuān)門(mén)的供油系統(tǒng)，采用自動(dòng)和強(qiáng)制潤(rùn)滑。 3.提高導(dǎo)軌耐磨性 要提高導(dǎo)軌的耐磨性應(yīng)該控制接觸壓強(qiáng)，提高導(dǎo)軌面硬度和減小表面粗糙度的值；選擇良好的耐磨材料，對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行熱處理；使用塑料導(dǎo)軌，塑料導(dǎo)軌具有良好的耐磨性和自潤(rùn)滑功能，摩擦因數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦因素差小，減振性好，具有良好的阻尼性，加工性好，工藝簡(jiǎn)單，化學(xué)性能好（耐水、耐油），維修方便，成本低等特點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床采用的塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌有鑄鐵—塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌和鑲鋼—塑料導(dǎo)軌。塑料導(dǎo)軌常用在導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，與之相配的金屬導(dǎo)軌采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。塑料導(dǎo)軌分為注塑導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上的塑料常用環(huán)氧樹(shù)脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。本次設(shè)計(jì)我選用貼塑導(dǎo)軌。 圖3.3 導(dǎo)軌圖 3.4.滾珠絲杠副的計(jì)算及選用 3.4.1.滾珠絲杠的介紹 a.滾珠絲杠的原理及特點(diǎn)： 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置,是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置.其工作原理是:在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽,這兩個(gè)圓弧槽合起來(lái)便行成了螺旋滾道,在滾道內(nèi)裝入滾珠.但絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動(dòng),迫使兩者發(fā)生軸向相對(duì)位移.為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái),在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有會(huì)程引導(dǎo)裝置,使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個(gè)閉合回路.由于滾珠的存在,絲杠與螺母之間是滾動(dòng)摩擦,僅在滾珠之間存在滑動(dòng)摩擦.滾珠絲杠落幕機(jī)構(gòu)具有一下的特點(diǎn): 1）摩擦損失小，機(jī)械效率高。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率=0.92～0.96，而滑動(dòng)絲杠=0.20～0.40； 2）軸向剛度高，反向定位精度高。滾珠絲杠可以完全消除間隙并可預(yù)緊。因此與普通絲杠機(jī)構(gòu)比較有較高的軸向剛度，反向時(shí)無(wú)空程死區(qū)，反向定位精度高。 3）運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)無(wú)爬行。因此，目前數(shù)控機(jī)床廣泛地采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 4）具有傳動(dòng)的可逆性。因此，當(dāng)用滾珠絲杠傳動(dòng)豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須用附加的自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。 4）使用期限長(zhǎng)。 5）工藝復(fù)雜。 b.滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 目前世界各國(guó)所設(shè)計(jì)和制造的滾珠絲杠螺旋機(jī)構(gòu)，盡管在結(jié)構(gòu)上各式各樣，但其主要區(qū)別不外乎螺旋滾道型面的形狀，滾珠的循環(huán)方式，以及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力的方法等三方面。 1．螺旋滾道型面的形狀及其主要尺寸 它們的形狀有單圓弧結(jié)構(gòu)，即滾道型面是由一個(gè)圓弧組成。它的接觸角隨負(fù)載的大小而變化，因而軸向剛度及承載能力也都隨之變化，目前應(yīng)用較少。還有一種就是現(xiàn)在機(jī)床上大量采用的雙圓弧型，即滾道型面是由半徑為R的兩個(gè)圓弧組成。其接觸角是不變的。當(dāng)偏心距確定后，兩個(gè)接觸點(diǎn)也就確定了，滾珠與滾道兩圓弧相切的兩點(diǎn)就是兩個(gè)不變的接觸點(diǎn)。 2．滾珠的循環(huán)方式 滾珠有兩種循環(huán)方式：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。 （1）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)過(guò)程中與絲杠脫離接觸的成為外循環(huán)。 （2）內(nèi)循環(huán) 滾珠在循環(huán)過(guò)程中與絲杠始終保持接觸的叫內(nèi)循環(huán)。 在此，我們選擇的是內(nèi)循環(huán)。 3.軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 常用方法有：用背帽調(diào)整間隙和齒差調(diào)整間隙。前一種方法的缺點(diǎn)是軸向位移量很難精確地控制，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，因而應(yīng)用仍較廣泛。 3.4.2滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算 a.確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 根據(jù)機(jī)床傳動(dòng)要求，負(fù)載大小和傳動(dòng)效率等因素綜合考慮確定導(dǎo)程。先按機(jī)床傳要求確定，其公式為： 式中：——機(jī)床工作臺(tái)最快進(jìn)給速度; I——傳動(dòng)比，因電機(jī)與滾珠絲杠副直接連接，i=1; ——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，。 在滿(mǎn)足控制系統(tǒng)分辨率要求下，導(dǎo)程應(yīng)取較大的數(shù)值，選。 b.滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 工作載荷F是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向力，其數(shù)值可用下列進(jìn)給作用力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： (1)工作載荷 在數(shù)控銑床工作時(shí)查金屬切削與刀具實(shí)用技術(shù)，得順銑時(shí)軸向力最大順銑時(shí)的銑削力分垂直分力，走刀抗力和軸向分力。 按絲杠所受軸向力的最大值計(jì)算絲杠，所以取經(jīng)驗(yàn)公式中較大系得： 對(duì)于滑動(dòng)燕尾形導(dǎo)軌： =1751.68+1063.52+30=2845.2N K---考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) u——摩擦系數(shù)，對(duì)燕尾形導(dǎo)軌取0.2 （2）幾種工況下絲杠載荷的計(jì)算 1.由摩擦力引起的絲杠載荷： u——摩擦系數(shù) 2.強(qiáng)力銑削時(shí)： 3.一般銑削時(shí)： 4.精銑削時(shí)： 5.快速移動(dòng)和定位時(shí)： （3）最大工作載荷 最大載荷為機(jī)床承受最大切削力時(shí)作用于絲杠的軸向載荷。 (4)當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 式中： ——強(qiáng)力切削時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速； ——指一般切削時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速； ——精密切削時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速； ——快速移動(dòng)和定位時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速； ——強(qiáng)力切削所用時(shí)間占整個(gè)切削過(guò)程的百分比； ——一般切削所用時(shí)間占整個(gè)切削過(guò)程的百分比； ——精密切削所用時(shí)間占整個(gè)切削過(guò)程的百分比； ——快速移動(dòng)和定位所用時(shí)間占整個(gè)切削過(guò)程的百分比。 當(dāng)量負(fù)荷的計(jì)算公式為： c.確定預(yù)期額動(dòng)載荷 1）按預(yù)期壽命時(shí)間計(jì)算 式中：——滾珠絲杠副當(dāng)量載荷，N； ——當(dāng)量轉(zhuǎn)速，； ——預(yù)期工作時(shí)間，取15000小時(shí)； ——精度系數(shù)，取1.0； ——可靠性系數(shù)，取0.53； ——負(fù)荷系數(shù)，取1.2； =N 2）按最大軸向載荷計(jì)算 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)加載荷時(shí) 式中： ——與加負(fù)荷系數(shù)，取中預(yù)載 選取1）、2）計(jì)算結(jié)果中的大數(shù)值為滾珠絲杠副的預(yù)期額定動(dòng)載荷，即取為19323.18N。 d.確定絲杠最小螺紋底徑 1）估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 ——重復(fù)定位精度，0.004mm; c——定位精度，0.01mm. 取為0.001mm. 1)估算確定滾珠絲杠副的底徑 滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端支撐時(shí)： 式中： ——估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量； L——滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距量； 行程+安全行程+余程+螺母長(zhǎng)度一半+支承長(zhǎng)度的一半 ）行程 e.確定滾珠絲杠的預(yù)緊力 f.確定滾珠絲杠副其他尺寸 （1）滾珠絲杠的螺紋長(zhǎng)度 =有效行程+螺母長(zhǎng)度 ——余程， =600+150=750mm (2)絲杠全長(zhǎng)L L=+兩端支承長(zhǎng)度+連接長(zhǎng)度+起始距離 綜合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求，取L為976mm. 3.5 伺服電機(jī)的選擇及計(jì)算 隨著交流伺服電機(jī)的快速發(fā)展，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，體積小，重量輕，沒(méi)有機(jī)械換向，而無(wú)需多少維護(hù)而迅速代替直流伺服電機(jī)在現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，所以我選擇了交流伺服電機(jī)。 1） 作用在滾珠副杠服上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩（Nm） ==4.04Nm 滾珠絲杠副預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩（Nm） Nm 式中：——滾珠絲杠副導(dǎo)程 ——未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 取0.9 F——作用在滾珠絲杠上的外加軸向載荷 滾珠絲杠副預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩 =0.149Nm 2)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）及傳動(dòng)系數(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩慣量J（）的計(jì)算。 式 中： ，——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）和轉(zhuǎn)速（） ，——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（）和轉(zhuǎn)速（） ，——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）和轉(zhuǎn)速（） 絲杠質(zhì)量m估算： 1） 以絲杠的公稱(chēng)直徑40mm來(lái)計(jì)算： =9.92 2） 以絲杠的底徑30mm來(lái)計(jì)算: =5.58 最終取絲杠的質(zhì)量m=7. =28 = =1.333 初選伺服電機(jī)為三菱系列的HC-UFS2000. 3.6確定滾珠絲杠副型號(hào) 1）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算 a.傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度K計(jì)算 式中：——滾珠絲杠副的拉壓剛度； ——滾珠絲杠副的軸向剛度； ——滾珠絲杠副與滾道的接觸剛度； ——折合到滾珠絲杠副上的伺服剛度，可以忽略； ——滾珠絲杠副中螺母體剛度，按=4計(jì)算； ——折合到滾珠絲杠副上的聯(lián)軸節(jié)剛度，可忽略不計(jì)； ——螺母坐、軸承座剛度，可忽略不計(jì)； ——滾珠絲杠副的扭剛度，可忽略不計(jì)。 b.計(jì)算 滾珠絲杠副的拉壓剛度是滾珠螺母至絲杠軸向固定外距離a的函數(shù)。當(dāng)絲杠支撐形式為一端固定，一段游動(dòng)時(shí) 式中： ——拉壓剛度（）； E——楊式彈性模量； D——絲杠底徑（mm）。 當(dāng)a=(滾珠螺母至固定端支承的最大距離)時(shí)剛度最小 當(dāng)a=(靠固定端的行程起點(diǎn)處)時(shí)剛度最大 =1378.5 式中： =140mm. c.確定 對(duì)一端固定，一端游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠副支承軸承的剛度，查樣本，。 d.計(jì)算 對(duì)預(yù)緊的滾珠絲杠副 式中： ——查樣本上的剛度； ——額定動(dòng)載荷； 2） 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 = =0.0075 = =0.0103 在空載下，稱(chēng)摩擦死區(qū)誤差，是機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力，（）稱(chēng)為傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差。數(shù)控機(jī)床反向差值主要取決于死區(qū)誤差，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副精度。其次是。 a. 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算 重復(fù)定位精度為0.004mm; 定位精度為0.01mm. b. 滾珠絲杠副的精度選擇 選用CDM4008-3， 精度為3級(jí)。 3).滾珠絲杠副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 式中： ——滾珠絲杠螺紋底徑（mm）; ——滾珠絲杠的最大受壓長(zhǎng)度（mm）; ——滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷（N）； ——安全系數(shù)， 取= ——支承系數(shù)， 取=0.25 =28693.253465.2N 4).滾珠絲剛副的極限轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 為了防止絲杠轉(zhuǎn)速接近其固定振動(dòng)頻率時(shí)發(fā)生共振，需對(duì)絲杠極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗(yàn)。 式中： f----支承系數(shù)， f=3.4; ----臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 =600mm. =3230 5).值校驗(yàn)，采用超。 6）.基本軸向額定靜載荷驗(yàn)算。 式中： ——滾珠絲杠最大軸向載荷； ——靜態(tài)安全系數(shù)，一般取1~2。 經(jīng)校核，該滾珠絲杠副符合要求。選用漢川機(jī)床廠的滾珠絲杠副。 圖3.4滾珠絲杠副 3.7聯(lián)軸器的選擇 3.7.1.聯(lián)軸器的介紹 聯(lián)軸器是用來(lái)把兩聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起,機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩兩軸不能分離；只有在機(jī)器停車(chē)并將聯(lián)接拆開(kāi)后，兩軸才能分離。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。所以要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對(duì)位移的性能。根據(jù)對(duì)各種相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類(lèi)型。 剛性聯(lián)軸器 如凸圓聯(lián)軸器，它的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時(shí)或圓周速度大于30m/s時(shí)應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。 由于凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，對(duì)所聯(lián)兩軸間的相對(duì)位移缺乏補(bǔ)償能力，故對(duì)兩軸對(duì)中性的要求很高。當(dāng)兩軸有相對(duì)位移存在時(shí)，就會(huì)在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點(diǎn)。但由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當(dāng)轉(zhuǎn)速低、無(wú)沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性較好時(shí)亦常用。 撓性聯(lián)軸器 無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器，這類(lèi)聯(lián)軸器因具有撓性，故可補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移，但因無(wú)彈性元件，故不能緩沖減振；有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，這類(lèi)聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對(duì)位移，而且具有緩沖減振的能力，彈性元件所能儲(chǔ)蓄的能量愈多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈好，彈性元件的彈性滯