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寧
畢業(yè)設計(論文)
XK6125數控銑床總體及
縱向進給伺服系統設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
摘 要
從研究銑床著手，借鑒國內外先進經驗，設計了一臺用于多種工件加工的銑床數控化改造，滿足了生產和設計的要求。整個銑床主要包括橫縱向進給機構、垂直進給機構、立柱、橫梁、底座、工作臺等主要組部件。其中所有進給機構均采用滾珠絲杠進行傳動，并由伺服電機進行驅動。主軸箱安裝在門架上，運用類比法自行設計了滾珠絲杠螺母副的制動裝置。
全面闡述了數控銑床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數控銑床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統地對滾珠絲杠生產、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。
關鍵詞：銑床，數控，伺服電機，滾珠絲杠
Abstract
Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.
Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated 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. And has compiled the related technical parameter.
In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.
Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 1
第1章 數控機床發(fā)展概述 4
1.1 數控機床及其特點 4
1.1.1 數控機床與普通機床的區(qū)別 4
1.1.2 數控機床的適用范圍 5
1.2 數控機床的工藝范圍及加工精度 5
1.3數控機床的經濟分析 6
1.3.1控制系統的選擇 7
1.3.2 選擇設計對象要適宜 8
1.3.3 機床的機械設計范圍要適當 8
1.3.4 輔助設計要合適 9
1.4 數控機床發(fā)展趨勢 9
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較 11
2.1總體方案設計的內容 11
2.1.1系統運動方式的確定 11
2.1.2伺服系統的選擇 12
2.1.3執(zhí)行機構傳動方式的確定 12
2.1.4計算機的選擇 12
2.2總體設計方案的確定 13
2.2.1系統的運動方式與伺服系統的選擇 13
2.2.2計算機系統 13
2.2.3機械傳動方式 13
第3章 確定切削用量及選擇刀具 14
3.1刀具選擇 14
3.2切削用量確定 14
3.3切削三要素 14
3.4加工精度和表面粗糙度 15
3.5刀具材料 18
第4章 傳動系統圖的設計計算 19
4.1 傳動系統設計 19
4.1.1 參數的擬定 19
4.1.2 傳動結構或結構網的選擇 19
4.1.3 轉速圖擬定 21
4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統圖的繪制 24
4.2 展開圖設計 27
4.2.1 結構實際的內容及技術要求 27
4.2.2 齒輪塊的設計 28
4.2.3 傳動軸設計 31
4.3 截面圖設計 34
4.3.1 軸的空間布置 34
4.3.2 潤滑 34
4.3.3 箱體設計的有關問題 35
第5章 縱向進給機構的裝配圖和零件圖設計與計算 36
5.1已知參數條件 36
5.2滾珠絲桿副主要參數的確定 36
5.3設計步驟 37
5.4設計計算 37
5.5滾珠絲杠選擇 39
5.5.1滾珠絲杠精度 39
5.5.2滾珠絲杠選擇 39
5.6滾珠絲杠支承選擇 40
5.7滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 43
5.8選擇伺服電機 44
5.8.1最大的切削負載轉矩計算 44
5.8.2負載慣量計算 45
5.8.3空載加速轉矩計算 46
5.9伺服系統增益 47
5.10精度驗算 48
5.10.1伺服剛度 48
5.10.2滾珠絲杠的拉壓剛度 49
5.10.3絲杠軸承的軸向剛度 49
5.10.4滾珠絲杠螺母的接觸剛度 49
5.10.5撓性聯軸節(jié)扭轉剛度 50
5.10.6綜合剛度 50
5.10.7彈性變形 50
5.10.8定位誤差驗算 50
總結 52
參考文獻 53
致謝 54
第1章 數控機床發(fā)展概述
近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，數字控制技術已經廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，尤其是機械制造業(yè)中，普通機械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數控機械所代替。目前國外機械設備的數控化率已達到85%以上，而我國的機械設備的數控化率不足20%，隨著我國機制行業(yè)新技術的應用，數控技術的應用不但給傳統制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（汽銑、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。1.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢2.軸聯動加工和復合加工機床快速發(fā)展3.智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發(fā)展的主要趨勢4.重視新技術標準、規(guī)范的建立其中包括：a.關于數控系統設計開發(fā)規(guī)范b. 關于數控系統設計開發(fā)規(guī)范，加強數控銑床的整機設計中應該把握的主要問題的訓練。
研究此課題的意義在于：針對大學畢業(yè)生技能的需求，在培養(yǎng)過程中，加強實踐環(huán)節(jié)，把自己置身于工程背景之中，以提高我們的專業(yè)水平。通過此設計，我們可以初步掌握改造一般銑床的方法與步驟，可為我們今后工作打下良好的基礎。將大學三年所學到的知識進行匯總，考核我們所學知識的牢固度，檢驗我們運用知識的能力。
1.1 數控機床及其特點
1.1.1 數控機床與普通機床的區(qū)別
數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點：
1. 適合于復雜異形零件的加工
數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。
2. 加工精度高
3. 加工穩(wěn)定可靠
實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。
4. 高柔性
加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統—FMS。
5. 高生產率
數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
6. 勞動條件好
機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。
7. 有利于管理現代化
采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。
8. 投資大，使用費用高
9. 生產準備工作復雜
由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。
10. 維修困難
數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。
1.1.2 數控機床的適用范圍
由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有：
·批量小而又多次重復生產的零件；
·幾何形狀復雜的零件；
·貴重零件加工；
·需要全部檢驗的零件；
·試制件。
對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。
1.2 數控機床的工藝范圍及加工精度
數控銑床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。
由于數控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控銑床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。
1.精度要求高的回轉體零件
由于數控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉體零件
數控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。
3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件
由于數控銑床具有直線和圓弧插補功能，部分銑床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。
1.3數控機床的經濟分析
由于歷史的原因，我國普通加工設備多，數控加工設備少；老設備多，新設備少。許多企業(yè)的機床精度差、故障率高。通過機床數控設計使普通機床不僅具有好的加工精度，而且還具有數控機床的功能。對于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數控機床，但是使用單板機控制步進電機的經濟型開環(huán)數控機床，具有花錢少、見效快的特點。采用經濟型數控技術改裝加工批量零件的機床非常合適。微機技術實現機床簡易數控的工作原理采用微機技術實現機床簡易數控的裝置，主要由單板機、控制程序、零件加工程序、驅動電源裝置，收發(fā)信板、功率步進電機等部件組成。
圖1.1 經濟型數控銑床的系統裝置框圖。
在圖1.1所示的系統裝置中，單板機在控制程序的控制下，可以使數控系統具有直線插補和圓弧插補加工工件輪廓的功能；具有進給速度控制和快速回零的功能；具有刀具補償和反向間隙補償的功能，以及其它多種功能。當零件加工程序給出具體的位移尺寸、位移方向和進給速度后，控制程序就會通過單板機按照所輸入的零件加工程序發(fā)出一系列的脈沖信號。經隔離放大以后，分別驅動 向和 向功率步進電機，使刀架按照要求的方向、速度和位移量實現縱向和橫向運動。從而構成了一個經濟型開環(huán)數控系統。用微機技術實現機床簡易數控優(yōu)化方案的確定原則
1.3.1控制系統的選擇
目前數控系統的類型較多，選擇前應對被設計機床的功能有個充分了解，再依據價格合理、技術先進、服務方便的原則選擇數控系統。其中和單片機數控系統是用得較多的兩種系統。系統的核心是系列的單片微機。它用三路驅動電路，分別控制、和向步進電動機，它進行機床的位移運動，并能實現任意二坐標聯動或三坐標聯動。單片機是系列微機的典型產品，其硬件功能遠遠高于單板機，尤其適合實時控制、智能儀表、自動機床，是控制類型領域中最理想的八位微型計算機，在全世界都得到廣泛應用。數控裝置是三坐標（銑床）數控系統，它用國際標準代碼進行編程，除了能執(zhí)行本身的編程指令外，還能執(zhí)行二坐標機床數控系統的編程指令，而且三坐標系統的各種操作方法（如輸入、修改、刪除及運行加工程序）相同于二坐標系統。
選擇控制系統時應該注意以下幾方面的問題：
（1）在資金充足的情況下，盡量選用質量好的產品。因為此類數控系統零件篩選嚴格，制造工藝規(guī)范可靠，能很好地預防電器元件的故障或提前失效引起的設備故障。
（2）應該注重數控功能的選擇，不應單純追求數控系統的高性能指標，這對實現較高的性能價格比非常重要。
（3）數控系統所具有的功能要與準備設計的數控機床所能達到的功能相匹配，盡量減少過剩的數控功能。
1.3.2 選擇設計對象要適宜
采用微機數控機床加工零件，必須首先編制出加工程序。通常適宜于加工具有一定批量的相類似零件。因此，在選擇適宜于進行設計的機床時，首先必須對各類機床的零件加工情況進行調查研究，分類統計，看零件有無批量，看各類批量主要在哪種機床上進行加工，以及在哪種型號的機床上進行加工，這樣才能確定出設計對象。一般中小銑床上的工件總是比較飽滿，成批量的零件也比較多。因此，用微機技術把中小銑床設計成經濟型數控銑床比較適宜。對于一些中小型企業(yè)，為了充分發(fā)揮銑床的作用，更需要經過設計的銑床。這樣既能用數控系統加工批量零件，又具有臥式銑床的功能，以適于加工單件零件。對于一些形狀復雜的零件，普通機床往往難于加工成形。如果采用機械仿形的方法進行加工，在不成批量的情況下很不合算。這時，用微機技術設計機床，就可以使問題得到解決，明顯提高企業(yè)加工能力。編程要比制作靠模容易得多，靈活得多。用數控機床加工形狀復雜的零件是非常適宜的。
1.3.3 機床的機械設計范圍要適當
機床設計范圍的大小，應根據機床自身精度及性能來決定。以臥式銑床為例加以說明。對于舊銑床的設計范圍，一般都是把原來的機床進給傳動系統，由主軸箱通過掛輪箱帶動進給變速箱，將運動傳給光杠或絲杠。然后再驅動溜板運動的傳動過程，設計為由功率步進電機通過消隙減速齒輪，直接帶動滾珠絲杠，使刀架分別實現縱向運動和
橫向運動，進行兩個坐標的控制。對于精度符合要求的銑床，為了實現簡易數控設計，一般都是對銑床的部件基本不動，只是把床鞍的縱向滑動絲杠副設計為縱向滾珠絲杠副。在縱向滾珠絲杠的右端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機。同時也把中滑板的橫向滑動絲杠副設計為橫向滾珠絲杠副，在橫向滾珠絲杠的外端安裝一套消隙減速箱和功率步進電機，從而使銑床的縱向和橫向運動既能用微機系統進行控制，又能由操作者進行普通操作。在機床設計過程中，只要把溜板箱中的開合螺母及中滑板上的滑動螺母拆除，在合適的位置上安裝好滾珠螺母座即可。在電氣控制方面，為了避免數控操作與普通操作相干涉，發(fā)生操作失誤現象，必須有電氣連鎖開關控制操作轉換。對于全新或較新銑床，在進行簡易數控設計時，一般都是全部保留機床的零部件。直接把消隙減速箱和功率步進電機分別按裝在縱向滑動絲杠的右端和橫向滑動絲杠的外端。從而也可以使銑床同時具有普通操作功能和簡易數控功能。
1.3.4 輔助設計要合適
如果在設計后的簡易數控銑床上，采用一把刀可以完成全部車工工序，就沒有必要對刀架進行設計。但有時會出現一個工件需要兩把刀或幾把刀來分別完成兩個或幾個工序的情況，這時可根據每把刀的使用情況，分別進行編程，通過一個程序，使用一把刀，來完成一個工序。使原來普通操作使用的刀架在數控操作時也可以使用。這樣，根據設計后銑床的主要加工對象，確定刀架是否需要進行設計，可以使設計費用使用得更加合理，避免發(fā)生設計過剩現象。如果設計后的簡易銑床，主要用來加工比較復雜的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部車工工序，就必須對刀架部件進行設計。一般可采用安裝有四把刀、由鼠牙盤定位、進行絕對刀位控制的自動回轉刀架比較合適。重復定位誤差可小于 ，精度持久性比較好。這種刀架出廠時，就規(guī)定了刀號位置。當需要幾號刀在加工位置時，只需對該刀控制信號口發(fā)出信號，刀架就會自動轉到需要的位置。設計后的簡易數控銑床需要加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件。目的是為了檢測主軸轉角的位置，并且將其變化情況輸送給單板機，使單板機能按照所需加工的螺距進行處理?？刂瓶v向步進電機運動，通過縱向滾珠絲杠帶動刀架完成螺紋加工。
1.4 數控機床發(fā)展趨勢
1. 高速、高效、高精度、高可靠性
（1） 高速、高效加工
進入21世紀，機床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度.上世紀90年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。
（2）高精度、超精密化加工
當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達到5微米;精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級(0.001微米)，主軸回轉精度要求達到0.01-0.05微米，加工圓度為0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(<10nm).其應用范圍日趨廣泛
（3）高可靠性
是指數控系統的可靠性要高于被控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF 就必須大于3000小時.當前國外數控裝置的MIBF值已達60000小時以上，驅動裝置達30000小時以上.
2. 模塊化、智能化、柔性化和集成化
(1)模塊化、專門化與個性化
為了適應數控機床多品種、小批量的特點.機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾午來特別明顯的發(fā)展趨勢.
(2)智能化
在數控系統中智能化的內容包括①為追求加工效率和加工質量方面的智能化:如自適應控制，工藝參數自動生成:②為提高驅動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算等:③簡化編程、簡化操作方面的智能化:④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容等。
(3)柔性化和集成化
數控機床向柔性自動化系統發(fā)展的趨勢是從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床) 、線(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段車間獨立制造島、工廠自動化FA)、體(CIMS,分布式網絡集成制造系統)的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展.
3. 開放性
為適應數控進線、聯網、普及型個性化、多品種、柔性化及數控迅速發(fā)展的耍求，最重耍的發(fā)展趨勢是體系結構的開放性，設計生產開放式的數控系統，例如美國的OMAC,歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開觸式數控的計劃等。
第2章 數控機床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設計的內容
根據設計任務要求，有三種方案可供選擇：
方案一：將工作臺升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進給改為微機控制，實現三坐標控制,三坐標聯動的開環(huán)控制。
方案二:將主軸升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進給改為微機控制，實現三坐標控制，任意兩坐標聯動的開環(huán)控制。
方案三:僅將工作臺X、Y軸進給運動改為微機控制，實現兩坐標控制，兩坐標軸聯動的開環(huán)控制
對上述三個改造方案綜合考慮，結合銑床升降臺需要修理等實際情況.在符合經濟型數控改造一般原則的前提下選擇確定第一方案，其具體方案如下:
(1)拆除機床工作臺X、 Y、 Z軸原進給系統。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電機。對機床傳動系統設計計算，選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。完成齒輪傳動機構設計，步進電機選擇等，垂向工作臺傳動升降機構在更換滾珠絲杠后會因失去自鎖而自動下滑.必須增加平衡裝置和制動裝置。
(2)選擇經濟型開環(huán)數控系統、實現機床工作臺X、Y、Z軸3/3數控。主軸的部分數控功能要求X、Y、Z向步進精度為O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;軸向定位精度0.015 mm;重復定位精度0.008 mm。
2.1.1系統運動方式的確定
數控系統按運動方式可分為點位控制系統、連續(xù)控制系統和點位/直線控制系統。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如，數控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數控系統可采用點位控制方式。對于點位控制系統的要求是快速定位，保證定位精度。
連續(xù)控制系統要求工作臺和刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數關系，能夠控制刀具沿任意直線或曲線運動，控制每一個軸的位置和速度，使得各個軸同步協調到達目標點。連續(xù)控制系統不僅控制目標點，而且控制刀具到達這些目標點的整個路徑，使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統的數控機床可以加工各種外形輪廓復雜的零件，故而連續(xù)控制系統又稱為輪廓控制系統或仿型系統。在點位控制系統中不具有連續(xù)控制系統中所具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統中卻具有點位系統的功能。例如，數控銑床、數控銑床等。
點位-直線系統，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工作，進行簡單的銑削和銑削作業(yè)。其控制方法與點位系統十分相似，故有時也將這兩種系統統稱為點位控制系統。例如，數控鏜銑床等。
2.1.2伺服系統的選擇
伺服系統可以分為開環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。
開環(huán)控制系統中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統主要由步進電機驅動。開環(huán)伺服系統結構簡單，成本低廉，容易掌握，調試和維修都比較簡單。目前國內大力發(fā)展的經濟型數控機床普遍采用開環(huán)伺服系統。
閉環(huán)控制系統具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅動。但閉環(huán)系統造價高、結構和調試較復雜，多用于精度要求高的場合。
半閉環(huán)控制系統與閉環(huán)控制系統不同，不直接檢測工作臺的位移半閉環(huán)控制系統與閉環(huán)控制系統不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是檢測元件測出驅動軸的轉角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統和閉環(huán)系統之間。
2.1.3執(zhí)行機構傳動方式的確定
為確定數控系統傳動精度和工件平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適當的阻尼比要求。在設計中應考慮以下幾點：
盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。
盡量消除傳動間隙。例如，采用消隙齒輪等。
提高系統剛度?？s短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度、減小傳動鏈誤差。也可以
用預緊的方法提高系統剛度。例如，采用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副等。
2.1.4計算機的選擇
微機數控系統由CPU、存儲擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等組成。
2.2總體設計方案的確定
2.2.1系統的運動方式與伺服系統的選擇
由于改造后的經濟型數控銑床應具有定位、直線插補、順圓插補、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統。考慮到屬于經濟型數控機床加工精度不高，為了簡化結構、降低成本容易調試和維護，經濟型數控銑床應選用步進電機開環(huán)控制系統。
2.2.2計算機系統
根據機床要求采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強性能價格比高等特點，決定采用MCS-51系列的80C31單片機擴展系統。
控制系統由微機部分、鍵盤、顯示器，I/O接口及光隔離電路，步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。
2.2.3機械傳動方式
為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動給絲杠。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，應盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。
18
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數量；裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質量、兼顧效率。
1、主軸轉速n：根據線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進給、低切速。
精加工：小切深、小進給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標準（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
（2）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
（3）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標準（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點高度：
Rz＝(+)
在常用數值范圍內（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
6.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
6.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動系統圖的設計計算
4.1 傳動系統設計
4.1.1 參數的擬定
選定公比，確定各級傳送機床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據給出的條件：主運動部分Z=18級，根據標準數列表，確定各級轉速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
4.1.2 傳動結構或結構網的選擇
1，確定變數組數目和各變數組中傳動副的數目
該機床的變數范圍較大，必須經過較長的傳動鏈減速才能把電機的轉速降到主軸所需的轉速。級數為Z的傳動系統由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .`````````個傳動副，即Z=```````。傳動副數由于結構的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個變速組。
2，傳動組傳動順序的安排
18級轉速傳動系統的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速率的具體結構，裝置和性能。I軸如果安置制動的電磁離和器時，為減少軸向尺寸。第一傳動組的傳動副數不能多，以2為宜，有時甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2 ，或一個定比傳動副。
這里，根據前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3，傳動系統的擴大順序安排
對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機構副和對應的結構網，傳動方案中，擴大順序與傳動順序可以一致，，結構式18=xx的傳動中，擴大順序與傳動順序一致，稱為順序擴大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結構式。
4驗算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2，決定了一個傳動組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動方案：
根據傳動比及指數 x, 的值
公比
極限值傳動比指數
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動方案。
5、最后擴大傳動組的選擇：
正常連續(xù)順序擴大傳動（串聯式）的傳動式為：
Z=*
最后擴大傳動組的變速范圍為：
r==
按原則，導出系統的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結構網如下圖4.1：
圖4.1 結構網圖
4.1.3 轉速圖擬定
運動參數確定后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定電機功率。在此基礎上，選擇電機的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉速圖，確定各中間軸的轉速。
1，主電機的選擇
中型機床上，一般都采用交流異步電動機為動力源，可在下列中選用，在選擇電機型號時，應注意：
（1）電機的N：
根據機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產品的功率已標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。
（2）電機的轉速
異步電動機的轉速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機的極對數P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機轉速與主軸最高速度和工軸轉速相近為宜，以免采用過大或過小的降速傳動。
根據以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉速為1500r/min的電機，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表
電機型號
額定功率KW
荷載轉速r/min
同步轉速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2、分配最小傳動比，擬定轉速圖
（1）軸的轉速：
軸從電機得到運動，經傳動系統轉化為主軸各級轉速，電機轉速和主軸最小轉速應相近，顯然，從動件在高速運轉下功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉速不宜將電機轉速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉速也不宜也太高，軸轉速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結構的徑向尺寸，在電機軸I到主傳動系統前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機床的設計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉速
對于中間傳動軸的轉速的考慮原則是：妥善解決結構尺寸大小和噪音，振動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸轉速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數小些：
d, m從而可使結構緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數，兩支承滾動軸承和滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值；
——主軸前后軸徑的平均值
——中間傳動軸的轉速之和
n——主軸轉速（r/min）
=20lg-K
式中：（——所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經過的齒輪對數
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數，根據機床類型及制造水平選取，我國中型銑床，銑床=3.5，銑床K=50.5
從上述經驗公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉速和 對機床噪音和發(fā)熱的關系，確定中間軸轉速時，應結合實際情況做相應的修正。
a，對高速輕載或精密機床，中間軸轉速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級齒輪精度)，在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉速。
（3），齒輪傳動比的限制
機床主傳動系統中，齒輪副的極限傳動比：
a, 升速傳動中，最大傳動比 2 ，過大，容易引起振動的噪音。
b, 降速傳動中，最小傳動比 1/4。過小，則主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大將導致結構龐大。
（4）分配最小傳動比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據臺式銑床的結構特點，及對同類銑床的比較，為使傳動平穩(wěn)取其傳動比為1，
b,決定各變速組的傳動比；
由前面2軸的轉速及中間軸轉速的分析，及齒輪傳動比的現在，根據“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉速圖：
根據結構圖及結構網圖及傳動比的分配，擬定轉速圖，如下圖4.2所示：
圖4.2 傳動系統圖
4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統圖的繪制
1，齒輪齒數的確定的要求：
可用計算法或查表確定齒輪齒數，后者更為簡便，根據要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數和，查表即可求出小齒輪齒數：
選擇是應考慮：
a,傳動組小齒輪不應小于允許的最小齒數，即：
推薦：
對軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對套裝在滾動軸承上的空套齒輪，=20；
當齒數少于不發(fā)生根切的最小齒數時（壓力角a=20的直齒標準，=17），一般需對齒輪進行正變位修正。
b,保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖4.3所示。
c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應相等。若摸數相等時，則齒數和亦相等，
但由于傳動比要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，
機床上可用修正齒輪，在一定范圍內調整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數差不能夠超過3~4個齒。
2，變速傳動組中齒輪齒數的確定
為了減少齒輪數目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個傳動組間的傳動比互相牽制，不能獨立地按照最緊湊的原則決定傳動件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側齒面同時嚙合會影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數。查《機床設計手冊》確定個齒輪齒數如下：
軸II-III間變速齒輪齒數的確定：
由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/
設：傳動組中最小齒輪齒數=16，查《機床設計手冊》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數的確定：
傳動比為=1/ =1/ =
根據=，主動輪齒數為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數的確定：
由于變數組齒輪傳動比和各傳動副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結構尺寸，可采用不同模數的齒輪副。
軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別?。剑?，＝３則
／＝／＝3／4
?。耍?0，＝30x3=90, =30x4=120
按傳動比將齒數分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結構尺寸及磨損振動和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數為29，ＶI-VII軸間齒輪齒數為67。
3、主軸轉速系列的驗算：
主軸轉速在使用上并要求十分準確，轉速稍高或稍低并無太大影響，但標牌上標準數列的數值一般也不允許與實際轉速相差太大。
由確定的齒輪齒數所得的實際轉速與傳動設計理論值難以完全相符，需要驗算主軸各級轉速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級實際轉速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經驗算，其他各級轉速也滿足要求。
4、傳動系統圖的繪制
轉速圖和齒輪齒數確定后，變速箱的結構復雜程度也基本確定了（如齒輪個數，軸數，支承軸，為使變速箱的結構緊湊，合理布置齒輪是一個重要的問題，因為它直接影響變速箱的尺寸，變速操作的方便性和結構實現的可行性問題，在考慮主軸適當的支承距和散熱條件下，一般應盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據計算結果，繪制出傳動系統圖，如圖2.4所示
主運動傳動鏈的傳動路線表達式如下：
電動機I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
4.2 展開圖設計
4.2.1 結構實際的內容及技術要求
1．設計內容：
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（傳動軸，軸承，齒輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機構，潤滑密封系統和箱體及其連接件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。
2．技術要求
主軸變速箱是指機床的主要部分，設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，著重考慮以下幾個方面的問題：
（1）精度
立式銑床主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動，〈0.01mm；主軸軸向串動〈0.01mm。
（2）剛度和抗振性
綜合剛度（主軸刀架之間的力與相對變形之比）；
綜合〉3400N/m
主軸與刀架之間的相對振幅的要求
等級
I
II
III
振幅（0.001mm）
1
2
3
(3)，傳動效率要求
等級
I
II
III
效率
0.85
0.8
0.75
（4）主軸總軸承處溫升和溫升應控制在以下范圍：
條件
溫度
溫升
用滾動軸承
70
40
用滑動軸承
60
30
噪聲要控制在以下范圍：
等級
I
II
III
dB
78
80
83
噪音
=20log
式中：——所有中間傳動齒輪分度圓直徑的平均值mm
——主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm
——傳到主軸所經過的齒輪對數
,k——系數，根據個類型及制造水平選取。我國中型銑床，銑床=3.5，銑床K50.5
（5）結構簡單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調整
（6）操作方便，安全可靠
（7）遵循標準化和通用化的原則
4.2.2 齒輪塊的設計
1，特點
齒輪是變速箱中的重要元件，齒輪同時嚙合的齒數是周期性變化的，也就是說，作用在一個齒上的載荷是變化的。同時由于齒輪制造及安裝誤差，不可避免要產生動載荷而引起振動和噪音，常常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉均勻性，在設計齒輪時，應充分考慮這些問題。
2，精度等級的選擇
變速箱中齒輪用于傳遞動力和運動。它的精度選擇主要取決于周圍速度。采用同一精度時，周圍速度越高，振動和噪聲越大，根據實驗結果，周圍速度增加一倍，噪音約增加6dB。工作平穩(wěn)性和接觸誤差對振動和噪音的影響比運動誤差更大。所以這兩項精度應選高一級，為了控制噪音，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，大都用7-6-6,這里主運動齒輪的精度選為7-6-6。
3、結構與加工方法
不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結構要求也有不同。
8級精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達到。
7級精度齒輪，用較高精度滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度下降，因此，需淬火的7級齒輪一般滾（插）后要剃齒，使精度高于7級或淬火和衍齒才能達到6級。機床主軸變速箱中齒輪一般都需要淬火。多聯齒輪塊的結構形式如下圖2.5所示，各部分的尺寸推薦如下：
（1）、空刀槽，
插齒時： 模數 12mm， 5mm;
模數2.54mm, 6mm。
剃齒時：
采用公式：
=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計算。
圖4.5
式中，k——為與剃齒刀傾斜角有關的系數。
若齒面要高頻淬火，為避免互相影響，應大于8。由于這里采用的齒輪的精度為7-6-6，需要剃齒或珩齒，需齒面淬火，所以8，取=8。
（2）、齒寬b 圖4.5
齒寬影響齒的強度。但如果太寬，由于齒輪誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取=(6~10)m
齒輪模數m小，裝在軸的中部或單片齒輪，取大值齒輪模數m大，裝在靠近支承處或多聯齒輪，取小值。薄的大齒輪容易產生板振動，成為噪音發(fā)射體，因此，齒輪基體不宜太薄，設計單片齒輪時要注意
這里均是單片齒輪，取齒寬（m為模數）。
（3）、其他問題
滑移齒輪進出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸（見圖1.6），圓齒和倒角性質不同，加工方法和畫法也不一樣，
圖1.6
部分（圖（一））用于安裝撥動齒輪的滑塊，一般取=或，這里我們選。
選折齒輪塊的結構時要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機械加工時的安裝和定位基面，盡可能做到省工，省料又容易保證精度。
4、齒輪的軸向定位
要保證正確嚙合，齒輪在軸上的位置應該可靠，空套齒輪和固定在軸上的齒輪的軸向定位可采用