毕业设计（论文）-数控铣床结构设计【全套图纸】.doc

The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign on The Structure of NC Milling Machine全套图纸，加153893706Candidate： Liu JinbaoSpecialty: Mechanical Design and Manufacture & AutomationClass： B03-34Supervisor： Prof. Meng ZhaoshengHeilongjiang Institute of Technology2007-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要本文首先对数控铣床的具体功能作了简要地阐述,然后对机床的布局做了设计,再分步设计机床的主轴系统、进给系统、回转工作台以及机床的外观等,进行了机床主要参数的确定，完成了传动零件的初步计算以及对齿轮、轴的弯曲载荷的验算。实践了金属切削机床设计与计算的基本原则及方法。最终完成了以下工作：简化了主运动系统的设计，增加了系统的可靠性。优化设计工艺，提高效率，降低成本。设计了数控回转工作台和机床的总体结构，机床主传动系统和主轴箱。 关键词：数控铣床；结构；主轴；回转工作台；机床的外观 ABSTRACTIn this paper a milling machine is designed. The concrete function of the numerical control milling machine has been explained briefly at first. Then the overall arrangement to the milling has been designed. And the main spindle system, feeding system, rotating work flat and the appearance of the milling machine are designed, importance parameters are decided, the calculation to transmission part and bending loads of shaft are completed. The basic principle and method of the design and calculation of metal cutting machine are carried out. Finally the following work has been completed. Simplified the design of main movement system, increased system reliability, improved efficiency and reduced costs. The NC rotating work flat, the overall structure of the machine and the main driving system are designed. Key wards: NC Milling Machine；Structure；Main Spindle；Rotating Work Flat； Appearance of the Milling MachineII目录摘要 Abstract 第1章绪论 1 1.1课题背景及研究意义 11.1.1数控机床的加工原理11.2 数控机床的分类11.2.1按工艺用途分21.2.2按运动方式21.2.3按控制方式分21.3本设计要完成的工作3第2章 数控铣床的总体设计42.1铣床的功能及主要参数42.1.1铣床的功能42.1.2数控铣床的主要参数42.2铣床床身的设计42.2.1床身的结构要求42.2.2床身的结构设计52.3铣床的总体布局52.4 本章小结6第3章 铣床主传动系统和主轴箱设计73.1主轴及传动系统的设计要求73.2主传动系统的设计73.2.1主传动功率73.2.2主传动速系统的设计83.2.3主轴轴承的选择113.2.4刀具的夹紧机构113.2.5验算123.3 本章小结14第4章 伺服进给系统设计154.1对伺服进给系统的基本要求154.1.1对伺服进给系统的基本要求154.1.2伺服进给系统的设计要求154.2机械传动部件的设计164.2.1选择伺服电机类型164.2.2工作台导轨184.2.3滚珠丝杠螺母传动装置设计184.2.4减速机构及齿隙消除234.3 本章小结23第5章 数控回转工作台245.1 数控回转工作台245.1.1数控回转工作台的功能245.1.2数控回转工作台的工作原理245.2蜗轮蜗杆的设计245.2.1蜗轮蜗杆基本参数的计算245.2.2轮强度的校核275.3本章小结29结论30参考文献31致谢32第1章 绪论11课题背景及研究意义随着社会生产和科学技术的发展，人们对装备机械的质量和效率提出越来越高的要求。特别是在宇航，造船，军事等领域所需的零件，精度要求高，形状复杂，普通的机床已经不能适应这些要求。为了满足上述要求，一种新型的机床-数字程序控制机床（简称数控机床）应运而生。最早进行数控机床研制的是美国人。1952年，美国麻省理工学院成功的研制了世界上第一台数控机床。但这台数控机床仅仅是一台实验性质的数控机床，直到1954年11月，第一台工业用的数控机床才生产出来。从此以后，世界上其它的一些工业国家也开始开发，生产及应用数控机床。我国的数控机床研究制造是1958年起步的。数控机床又称为CNC （Computer Numerical Control）机床，普通机床是靠手工来完成机床的操作的，而数控机床是将编好的加工程序输入到数控系统中去来执行加工操作的，因此它能提高产品质量，提高生产率，降低成本，还能大大改善工人的劳动强度。因此大力发展数控机床是提高我国制造装备的一个有效途径1。1.1.1数控机床的加工原金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间的相对运动的参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。在数控机床中，刀具或工件的最小位移量是机床坐标运动的一个分辨单位，由检测装置辨识，称为分辩率（闭环系统），或称为脉冲当量（开环系统），又叫做最小设定单位。因此刀具的运动轨迹在微观上是由小线段构成的折线，不可能绝对地沿着刀具所要求的零件廓形运动，只能用折线逼近所要求的轮廓曲线。机床数控系统依据一定方法确定刀具运动轨迹，进而产生基本轮廓曲线，如直线、圆弧等。其它需要加工的复杂曲线由基本轮廓曲线逼近，这种拟合方式称为“插补”（Interpolation）。“插补”实质是数控系统根据零件轮廓线形的有限信息（如直线的起点、终点，圆弧的起点、终点和圆心等），计算出刀具一系列加工点、完成所谓的“数据密化”工作2。1.2 数控机床的发展现状目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类，但归纳起来，常见的是以下三种方法来分类。1.2.1 按工艺用途分(1)普通数控机床普通数控机床一般指加工工艺过程中的一个工序上实现自动控制的自动化机床。普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工完成。这类机床和传统的普通机床品种一样，有数控车、铣、镗、钻、磨床等，而且每一类又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣，卧铣，龙门铣等。(2)加工中心加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将数控铣床，数控镗床，数控钻床的功能结和在一起。这使数控机床更进一步的向自动化和高级化方向发展。它和一般数控机床的最大区别就是：工件经过一次装夹后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件的各个加工面自动地完成铣，镗，钻，铰等多种工序。这类机床大多是以镗铣为主，主要用来加工箱体零件。(3)计算机群控计算机群控也称为直接数控（DNC）系统，它是一台大型通用计算机直接控制一群数控机床的系统。1.2.2 按运动方式(1)点位控制系统点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确移动到另一点，而点与点之间的轨迹不需要严格控制的系统。至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。(2)点位直线控制系统点位直线控制系统指数控系统不仅控制刀具或工作台从一点准确地移动到另一点，而且保证两点之间是一条直线的控制系统。它和点位控制系统的区别在于，当机床的移动部件移动时，可以沿一个座标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制系统多。(3)轮廓控制系统轮廓控制系统也称连续控制系统，是指控制系统能对两个或两个以上坐标轴同时进行严格连续控制的系统。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每个点的速度和位置，使得机床加工出符合图纸要求的复杂形状零件，它的辅助功能也比较齐全。1.2.3 按控制方式分(1)开环控制系统开环控制系统是指没有反馈装置的控制系统。数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在着系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不检测，所以机床的加工精度不高。(2)半闭环控制系统半闭环控制系统是在开环控制系统中装有角位移装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令进行比较，用比较后的差值进行控制的控制系统。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。(3)闭环控制系统闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有位置检测装置的控制系统。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试和维修比较麻烦，其关键是系统的稳定性，所以在设计使用时必须对稳定性给予、足够的重视。(4)混合控制数控机床将以上三种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案。这在大型数控机床中是人们多年研究的题目，现在已经成为现实。由于大型数控机床不仅需要高得多的进给速度和返回速度，而且还需要相当高的精度。如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制链中，因素十分复杂，尽管安装高度多经周折，仍然困难重重。为了避开这些矛盾适，宜采用混合控制方式。在具体的方案中又可以分为两种方式：开环补偿型和半闭环控制型。1.3 本设计要完成的工作本设计的内容主要进行数控铣床的总体设计，包括床身的设计和总体布局；机床主传动系统和主轴箱的设计，包括数控铣床主传动系统的设计、主轴轴承的选择、刀具夹紧机构的设计；数控铣床X，Y进给伺服系统设计，包括伺服电机的类型选择、工作台导轨的设计、滚珠丝杠螺母传动装置的设计、减速机构设计和齿隙的消除措施；数控铣床数控回转工作台设计，包括蜗轮蜗杆基本参数的计算、蜗轮的强度校核等；并进行齿轮，轴的弯曲载荷,两支承传动轴弯曲方向的验算。本设计要实现结构的紧凑性和理合制动装置的先进安全性。第2章 数控铣床的总体设计2.1 铣床的功能及主要参数2.1.1 铣床的功能与通用立式铣床相同，数控铣床的主轴垂直于水平面。数控铣床可以加工许多普通铣床难加工的零件，它的主要加工对象有平面类零件、变斜角类零件、曲面类（立体类）零件等。为了扩大加工范围和扩充功能，立式数控铣床通常采用数控回转工作台或万能数控转盘来实现4，5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。尤其是万能数控转盘可以把工件上各种不同角度或空间角度的加工面摆成水平来加工。可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的立式铣床进行加工是非常合适的。2.1.2 数控铣床的主要设计参数主轴转数： 454500r/min走刀速度： 30180mm/min最大水平拖动力： 7500N 纵向最大进给速度： 4000mm/min横向最大进给速度： 4000mm/min工件最大重量： 500kg机动范围： 纵向750mm 横向470mm升降台470mm2.2 床身的设计2.2.1 床身的结构要求机床的床身是整个机床的基础支承件，用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为了满足数控机床的高速度，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，数控机床有更高的静、动刚度和更好的抗振性。数控机床的床身一般有以下3个主要方面的要求：(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都要求很高，而且需要能长时间的保持。(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。动刚度直接影响机床的动态特性，可以通过适当提高固有频率，增加阻尼等方法措施避免共振以及噪音等等。(3)较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度的数控机床，热稳定性已经成为了一个突出的问题，在设计上要做到使整机的热变形较小，或使热变形对加工的影响较小。2.2.2 床身的结构设计我设计的是立式铣床，床身结构是直立床身。由于我设计的是中小型铣床，它的床身立柱选择固定立柱式。主轴箱为箱体结构，在内部使用了合理的筋板结构，可以在较小的质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率4。2.3 铣床的总体布局机床的总体方案设计的目的，在于从整体上保证设计的优化。数控机床与普通机床一样有主运动和进给运动以及一些辅助运动。这些运动组合在一起决定它们的相互关系，即进行机床的布局设计时需要考虑多方面问题：一是从机床的加工原理来考虑，并结合工件的形状，尺寸和位置等因素，来确定各主要部件之间的相对关系和配置。另一方面还要全面考虑机床的外部因素，如外观，操作维修，生产管理和人机关系等问题对机床总布局的要求。在设计时主要从以下几点来考虑的：(1)总布局与工件形状，尺寸和质量的关系。(2)运动分配与部件的布局。(3)总体布局与机床的结构性能。(4)机床的使用要求与总布局。图3.2 整体外形图2.4 本章小结 本章主要确定了铣床的功能和设计的主要参数，提出了床身的设计要求，确定了床身的总体布局方案。第3章 主传动系统和主轴箱设计3.1 主轴及传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床的主传动要求外，还应满足以下要求：(1)实现无级调速。数控机床就是为了保证加工时能选用合理的切削量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率，加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更大的调速范围。(2)具有较高的精度和刚度，传动平衡，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火以增强耐磨性。(3)良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般既要进行精加工还要进行粗加工。加工时可能由于连续切削，加工余量不均匀，运动部件不平衡以及切削过程中的自激振荡等原因引起的冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法完成。3.2 主传动系统的设计3.2.1 主传动功率(1)机床主传动的功率P机床主传动的功率P可根据切削功率Pc与主运动传动链的总效率 由下式来确定P=Pc/ (3.1)数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率Pc 可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力Fz按下式来确定 (3.2)式中 FZ主切削力的切向分力（N），FZ取200N；V切削速度（m/min）,V取180m/min;M切削扭矩（Ncm）n主轴转速（r/min）代入上面的公式中得： 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来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。所以机床的主传动功率P=4.5/0.85=5.29(KW)由于主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动功率来确定的，如果传动功率定得过大，将使得传动件的尺寸粗大，而造成浪费，电机常在低负荷下工作，功率因素很小而浪费资源。如果功率定得过小，将限制机床的切削能力而降低生产率。因此，要较准确的选择合适的传动功率。根据所算得的数据，查阅电机手册，选取FANUC的交流变频调速电机，电机的功率为5.5kW，额定转速为1500r/min，最高转速为4500r/min，最低转速为45r/min。(2)确定最小输出功率计算主轴在最低转速达到最小功率时，电机应输出的功率PDsmin=Pnmin = (3.3)(3)电机适用最低转速nDsmin=PDsmin/PD*nd(r/min) (3.4)式中： nd-电机的基本转速（r/min），nd=1500r/min; P-电机额定功率（kW），PD=5.5kW；所以电机适用的最低转速nDsmin=（0.225/2.5）1500=61.36r/min。(4)计算机额定转速根据上述计算画出电机实用转速范围的功率转矩特性图，图中电机额定转矩TDd(Nm)按下式计算：TDd=9550PD/nd=95505.5/61.36=856(Nm) (3.5)电机的最小转矩TDmin(Nm)计算TDmin=9550PD/ndmax=95505.5/1500=1071(Nm) (3.6)式中 ndmax-电机的最高转速为1500（r/min）电机实用的恒转矩变速范围RDT为：RDT=nd/ndsmin=1500/45=33.3电机实用的恒转矩区的变速范围RDT，也将是主轴恒转矩区高速范围的对应值RNT，即：RNT= RDT；3.2.2 主传动变速系统的设计由于所选电机ndmax=1500r/min,ndmin=45r/min,nj=750r/min。所以Rn=4500/45=100。恒功率变速范围Rp=4500/750=6。而对于交流调频电机恒功率调速范围Rpm=4500/1500=3。因此电机远小于主轴的要求的Rp=6，虽然我选的电机的最低转速ndmin=45r/min,总的调速范围可以超过Rn=100,但由于恒功率范围不够，性能上不能匹配，因此需要在电机与主轴之间串联一个分级变速箱。采用交流调速电机的无级变速系统中，主轴的正，反启动与停止制动是直接控制电机来实现的，主轴转速的变换则由电机转速与齿轮有级变速机构的变换配合来实现的。(1)分级变速箱的设计数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间，因此，设计时除遵循一般有级变速箱的设计外，必须处理好公比之间的选择，在设计数控机床时，选取变速箱的公比等于电机的恒功率调速范围Rpm，即=Rpm。则机床的主轴的恒功率变速范围为：Rp=-1Rpm=z，变速箱的变速级数：z=lgRp/lg。计算z=lg6/lg3=1.63。z必须是整数，可以取变速箱的级数为2，总降速传动比为un=，考虑到要增加定比的传动副，使得转数列符合标准或是有利于减少齿数和轴向尺寸，并分担总的降速比，然后降速传动比按着“先缓后急”的递减原则分配给每个变速组中的最小传动比。分级变速箱要实现二级变速，传动比可分别为1：1和2：1，查文献2得Sn=120。(2)传动轴轴径的计算传动轴的轴径按扭转刚度来进行计算：D=91 (mm) (3.7)式中： D传动轴的直径（mm）；N该轴的传递功率（kW），N=5.5KW；nj该轴的计算转数（r/min），nj=1500r/min； 该轴每米长度允许扭转角（ deg/m），一般的传动轴取=0.51。所以 D=91=85.3mm对于数控机床的主轴，多由结构上的需要来确定，可以从参考资料上查找，经过上面的计算和参考文献2可知，主轴的轴径确定为120mm。(3) 齿轮模数的计算一般对于同一变速系统中的齿轮采取同一模数。选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度进行计算：mf=16338 (mm) (3.8)式中：mf按齿轮疲劳强度计算的模数（mm）；Nd驱动电机的功率，为5.5Kw；nf计算齿轮的计算转速1500r/min；u大齿轮与小齿轮的齿数之比为2；Z1小齿轮的齿数40；m齿宽系数，m=（B为齿宽，m为模数），m=610；f许用接触应力（MPa），f=1377 Mpa。所以 mf=16338=2.16mm联系到主轴的轴径，并从文献2中可知，可以取mf=3，则两对齿轮的齿数分别是60/60，40/80。这两对齿轮要在工作过程中实现自动变速，我采用的是气压变速机构。图3.1系统传动图3.2.3 主轴轴承的选择主轴是数控铣床的主要部件。它的性能直接对整机的性能有很大的影响。主轴直接随切削力，转速范围又大，所以对主轴的轴承性能提出了更高的要求：(1) 旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面的径向和轴向的跳动。(2) 刚度 刚度主要反映机床或部件抵抗外部载荷的能力。(3) 温升 温度温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑油的粘度，恶化润滑条件。(4) 可靠性 数控机床是高度自动化机床，必须保证其可靠性。(5) 精度保持性 对数控机床的主轴部件必须有足够的耐磨性，以使其长期保持精度。根据以上的要求，为了适应主轴转数高和工作性能要求，我在前后支承都采用了向心推力球轴承。前支承是3个向心推力球轴承，背靠背安装，前面两个轴承大口朝向主轴前端，后一个轴承大口朝向主轴尾端。前支承既承受径向载荷，又承受两个方向的轴向载荷。后支承为两个向心推力球轴承，也是背靠背安装，小口相对。后支承受径向载荷，故轴承的外圈轴向不定位。主轴轴承采用的油脂润滑方式，迷宫式密封。如图3.2图3.2迷宫式密封3.2.4 刀具的夹紧机构刀具的自动夹紧机构是由活塞，螺旋弹簧，拉杆，碟形弹簧和四个钢球组成的。本机床采用锥柄刀具，刀具的锥度为1:3，它与主轴前端锥孔锥面定心，装卸方便。夹紧时，活塞上端接通回油路无油压，螺旋弹簧使活塞向上移动至图中的位置，拉杆在碟形弹簧的作用下也向上移动，钢球被迫进入刀柄尾部拉钉的环行槽内，将刀具的刀柄拉紧。放松时，即需要换刀松开刀柄时，油缸上腔能入压力油，使活塞向下移动，活塞推动动拉杆也向下移，直到钢球被推至主轴孔径较大处，便松开了刀柄，这时就可以将刀取下。3.2.5 验算(1)齿轮的验算在验算变速箱中的齿轮时，选相同模数中随载荷最大的，齿数最小的齿轮进行接触应力和弯曲应力的验算。接触应力验算的公式为: (3.9)弯曲应力验算公式为： (3.10)式中 N传递的额定功率（kW），N=Nd=7.5kWNd电动机功率（kW），Nd=5.5kW;从电动机到所计算齿轮的传动效率，0.85;nj计算转速为1500r/min;m初算的齿轮模数3mm;B齿宽24mm;Z*小齿轮齿数40；U大齿轮齿数与小齿轮齿数之比u1，“+”号用于外啮合，“-”用于内啮合，u=2；外啮合；u=2；ks寿命系数：ks=ktknkNkq2.4dt工作期限系数：dt=T齿轮在机床工作的期限，对于中型机床的齿轮取 1500020000h；n1齿轮的最低转速（r/min）；C0基准循环次数，对于钢和铸铁件：接触载荷取C0=107，弯曲载荷取C0=2108；m疲劳曲线指数，对于钢和铸铁件：接触载荷取m=3，弯曲载荷取9；kn转数变化系数；kN功率利用系数；kv材料强化系数；k3工作状况系数，考虑到载荷冲击的影响，取k3=1.21.6；k2动载荷系数；k1齿向载荷分布系数；Y齿形系数0.424；j许用接触应力580MPa；w许用弯曲应力290 MPa。 计算： 接触应力j=63MPa580Mpa 弯曲应力w=6.4Mpa290Mpa经过计算，齿轮的接触应力和弯曲应力都满足设计要求，能够保证机床的正常运转。(2)轴的弯曲载荷齿轮传动轴同时受扭矩的齿轮和驱动力a和输出扭矩的齿轮驱动阻力b的作用而产生弯曲变形，当齿轮为直齿圆柱齿轮，其啮合角a=20o，齿面磨擦角P5.72o时，则：a（或b）=2.12107 (3.11) 式中 N该齿轮传动的全功率7.5(kW);m,z该齿轮的模数3，齿数40；n该传动轴的计算工况转速1500（r/min）;naj该轴输入扭矩的齿轮计算转速1500（r/min）；nbj该轴输出扭矩的齿轮计算转速750（r/min）。a=2.12107=883.3(N)，满足设计要求。(3)验算两支承传动轴的弯曲方向机床齿轮变速箱里的传动轴，如果弯曲刚度不够，将破坏轴及齿轮，轴承的正常条件，引起轴的横向振动，齿轮的轮齿偏载，轴承内，外圈相互倾斜，加剧零件的磨损，降低寿命。齿轮传动轴的抗弯刚度的验算，包括轴的最大挠度，滚动轴承处及齿轮安装处的倾角的验算，其值均应小于变形量。传动轴的抗弯刚度满足要求时，除重载荷轴外，一般无需再进行强度验算。以齿轮实现变速的传动轴上，每个齿轮在轴上的工作位置不同，使轴产生的挠度也不同，其挠度一般在（0.430.57）L间变化。为了计算上的简便，可近似地认为该轴的中点挠度代替最大挠度，其最大误差不超过3%。若两支承的齿轮传动轴为实心的圆形钢轴。忽略其支承变形，在单一弯曲载荷的作用下，其中点挠度为：ya(或yb)=171.39mm (3.12)式中 ：L两支承间的跨距400mm; D该轴的平均直径120mm; N,m,z,n与上式相同。代入数据得： ya=171.39=0.33516mm计算在驱动力a和驱动阻力b同时作用下，传动轴中点的合成挠度yh，可按余弦定理计算：yh=(mm) (3.13)式中 yh被验算轴的中点全盛挠度；ya输入扭矩的齿轮在轴的中点引起的挠度；yb输出扭矩的齿轮在轴的中点引起的找度； 驱动力a和驱动阻力b在横剖面上，两向量合成的夹角。在恒剖面上，被验算的轴与其前，后传动轴连心线的夹角，按被校验的轴的旋转方向计量，可得啮合角a=20o，齿轮面摩擦角P=5.72o。当支承处轴的倾角小于齿轮安装处的倾角允许值时，则齿轮处的倾角不必验算。当轴的各段直径相差不大，而且计算精度要求不高时，可按等径轴计算。经过上述的验算，齿轮的接触应力和弯曲应力及轴的挠度都满足设计的要求。3.3本章小结 本章主要进行了主传动系统和主轴箱的设计，其中包括：机床的主传动功率的确定、主传动变速系统的设计，包括分级变速箱的设计，确定分级变速箱2级变速，传动轴的设计计算，齿轮模数的计算，选择了主轴轴承，完成了刀具夹紧机构的设计和验算。第4章 进给伺服系统设计4.1 对进给伺服系统的基本要求 4.1.1 对进给伺服系统的基本要求带着数字调节的进给驱动系统都是属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可以归纳为：定位精度高；跟踪指令响应快；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，启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减震荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。(2)精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度（偏差），即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差。常用的精度指标有定位精度，重复精度和轮廓跟随精度。(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。因此要选择合适的快速响应特性。4.1.2 进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求，其中在表态设计方面主要有：(1)能够克服摩擦力和负载。(2)很小的进给位移量。目前最小的分辩率能达到0.1m。(3)高的表态扭转刚度。(4)足够的调速范围。电机的最大转矩由快进速度决定。目前快进速度通常为 60100m/min。(5)进给速度平稳，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矩，以便快速的完成启动制动过程。(2)具有良好的动态传递性能，以保证在加工过程中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。(3)负引起的轨迹误差尽可能小。对于数控机床机械传动部件则有以下要求：(1)被加速的运动部件具有较小惯量。(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，磨擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性。4.2 机械传动部件的设计一台机床所具有的加工精度，工件表面粗糙度和生产率与机械传动部件有很大的关系。机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能有很大的影响.此外还要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。4.2.1 选择伺服电机类型闭环和半闭环伺服进给系统的驱动元件，目前主要是直流伺服电动机，交流伺服电动机及电液伺服马达。本设计选择FANUC的交流伺服电动机。北京数控设备厂生产的这种电机属于永磁型多极电机。其特点是：定子磁极是高性能铁氧体，加减速性能好；转子惯量大，热容量大，过载能力强；低速高转矩，可与进给结构直接连接；调速范围大，在0.1r/min低速下仍能平滑运转；电刷换向性能好，可靠性高；绝缘性能好，寿命长，可装配各种反馈元件。(1)电机应满足的条件在所有的进给速度范围内，空载进给力矩应小电动机的额定转矩；最大切削力矩小于电动机的额定转矩；加减速时间应符合所希望的时间常数；快速进给频繁度在希望值以内。(2)计算参数、选取电机为了选取满足上述条件的电机，需要进行负载扭矩计算，惯量匹配计算和加减速扭矩计算。 负载扭矩计算 在实际机床上，由于存在传动效率和磨擦系数因数，滚珠丝杠克服外部载荷P作等速运动所需力矩，应按下式计算：Ml= (4.1)式中 M1等速运动时的驱动力矩（Nmm）; Fao预紧力，通常预紧力取最大轴向工作载荷Fmax的1/3，即Fao=Fmax/3。大约为300N。K双螺母滚珠丝杠的预紧力矩，500Nmm；Lsp丝杠导程，10mm；P滚珠丝杠轴向外部载荷，1000N；F作用于丝杠的轴向的切削力，大约为200N；W法向载荷； 导轨磨擦系数，取=0.0030.004；1滚珠丝杠的效率，取0.900.95；MB支承轴承的磨擦力矩，大约为2.5Nm;Z1齿轮一的齿数40；Z2齿轮二的齿数80。代入上面的公式得：M1=（500+2.5）=1134.6 Nmm最后按满足下式的条件选伺服电机：M1 MS (4.2)式中： Ms一伺服电机的额定转矩。惯量匹配的计算 为使伺服进给系统的进给部件有快速的响应能力，必须选用加速能力大的电动机，亦即能快速响应的电机，但又不能盲目的追求大惯量，否则由于不能充分发挥其加速能力，会不经济的。因此必须使电机惯量与进给负载管量相匹配。通常在电动机惯量Jm与负载Jl或总惯量Jt之间，有下列匹配关系： (4.3) 或 0.5 0.8 (4.4)电动机的转子惯量JM，可以从产品的目录中找到。定位加速时的最大扭矩的计算 定位时的最大转矩按下列公式计算： M=（Jm+Jl）+ML (4.5)式中 nm快速移动的电机转速，取1000r/min;ta加速，减速时间，取5s；Jm电机惯量；Jt负载惯量；ML负载转矩。若是M小于伺服电机的最大转矩Mmax，则电机能以所取的时间常数进行加速和减速。热时间常数 电机的热时间常数越大，允许的超载运行的时间也越长，大惯量的电机的热时间常数可达到120min左右，电机可以自然的冷却状态下，长时间超负荷运转，通常可以在三倍额定转矩条件下，工作30min，温升不超过150oC。因为它采用了耐高温的绝缘材料，绕组允许温升可以达到155oC。通过上述条件的计算，我选择电机的型号是FANUC的交流变频调速电机。它的基本参数是：输出功率1.4kW；额定转矩17.6Nm；最大转矩17.6Nm；最高转速1500r/min。4.2.2 工作台导轨工作台导轨对数控机床的精度有很大的影响。导轨的制造误差直接影响工作台运动的几何精度。导轨的磨擦特性影响工作台的定位精度和低速进给的均匀性。导轨的材料和热处理影响工作精度的保持性。按机床调节技术的要求，希望工作台导轨刚度大，磨擦小和阻尼性能好。设计的工作台与滑座之间为燕尾形导轨，丝杠装在两导轨中间。滑座与床身之间为矩型导轨。工作台与滑座之间，滑座与床身之间，以及立柱与主轴箱之间的动导轨面上，均有氟化乙烯导轨板。实验证明使用氟化乙烯铸铁磨擦副后，X，Y两轴均以本机床的最低进给速度1mm/min运动时，无爬行现象发生。4.2.3 滚珠丝杠螺母传动装置设计滚珠丝杠螺母传动装置主要有两种：(1)外循环插管式；(2)内循环反向器式。在设计时采用了内循环反向器式滚珠丝杠螺母传动装置。这种内特环反向器式与外循环插管式相比，其结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，磨擦损失也小。(1)滚珠丝杠螺母副的间隙消除和预加载滚珠丝杠螺母在安装时还要进行消除间隙和预加载荷，实现这些功能有很多方法，采用的是齿轮差消隙法。齿轮差消隙法是在两个螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1和Z2的圆柱齿轮，且Z1和Z2仅相差一个齿，两个圆柱齿轮分别与两端相应的内齿轮相啮合。内齿轮用螺钉和定位销固定在套筒上。预紧时先脱开内齿轮，转动其中的一个螺母，然后再合上内齿轮。当两个滚珠丝杠螺母相对于套筒方向转动时，则其铀向位移量S=hsp/z1。如果两齿轮沿同一方向各转过一个齿时，其轴向位移量S=()hsp。当z1=99，z2=100，hsp=10mm时，则S=10/99001m，即两个螺母在轴向上产生1m，的位移。这种调整方式的结构复杂，但调整精确可靠，精度较高。目前在数控机床上应用较广泛。(2)滚珠丝杠螺母副的参数公称直径d0滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠的特征尺寸。导程L丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上的基准点的轴向位移。基本导程L0丝杠相对于螺母旋转2rad时，螺母上的基准点的轴向位移。接触角在螺纹滚道法向剖面内滚珠球心与滚道接触点连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想的接触角等于45o。滚珠直径db滚珠直径应根据轴承厂提供的尺寸选用。滚珠总数N一般N不超过150个。(3)滚珠丝杠副的设计基本参数的计算公称直径d0，导程L，滚珠直径db，基本导程L0都是按照尺寸来选取的。接触角为45o。根据最大工作负载pmax作用下的使用寿命T，和丝杠的转数n及工作长度l，计算出作用在滚珠丝杠上的最大动载荷，带入公式=fwfhP中，经过计算，我选择的滚珠丝杠的直径d0为40mm，基本导程为10mm。其余的参数均由公称直径d0来确定下来。强度计算滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道面之间产生接触应力，对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变接触应力作用下，经过一定次数的应力循环后，滚珠或滚道产生疲劳损失，从而使滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠失效的主要原因。在设计滚珠丝杠副时，必须保证它在一定的轴向负载的作用下，在回转了106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生。此时所能随的轴向载荷称为这种丝杠能随的最大动载荷。最大动载荷通过实验的方法来确定，一般采用滚珠丝杠在转速n=33r/min条件下，运行500h为标准。工作负载P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。它的数值可以由下列进给牵引力的实验公式计算：对于矩形导轨的机床 P=KPx+f(Pz+Py+G)(N) (4.6)对于燕尾形导轨的机床 P=KPx+f(Pz+2Py+G)(N) (4.7)式中 Px,Py,Pz为各个方向的切削分力，大约各为300N，200N，500N左右； f导轨上的磨擦系数，对于矩形导轨取0.15，对于燕尾形导轨为0.2。 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，对于矩形导轨取1.1，对于燕尾形导轨为1.4。所以，对于矩形导轨的机床 P=1.1300+0.15(300+200+400)=465N 对于燕尾形导轨的机床 P=1.4300+0.2(300+200+400)=600N在设计滚珠丝杠副时，从工作负载P推算出最大动负载，设计时采用滚珠轴承的方法，由疲劳强度计算公式：=（）3=（）3=3.79 (4.8)式中 Q最大动载荷，=78.29N P工作载荷，500N；L寿命 寿命L的值可以由下面的公式来计算： L=960 (4.9)N滚珠丝杠的转数，800r/min；T使用寿命时间20000h。预紧力的计算在滚珠丝杠上施加预紧力后，可提高轴向则度和传动精度。但预紧力不能太大，过大则影响使用寿命。因此，要在满足所需的使用寿命和精度的要求下，合理的决定预紧力的大小。滚珠和螺纹滚道间由于受轴向力的作用而产生轴向变形，在弹性变形范围内，变形量的大小可按赫兹公式计算：= KP (4.10)式中 K与道的半径曲率，材料的弹性模量有关的系数，取21106N/cm2；对于确定的滚珠丝杠来说，K是常数。只是P的函数。设对螺母A，B施加了预紧力P0，相应的变形量为P0,当外加轴向载荷P时，螺母B在接触点处又产生了的弹性变形。而螺母A由于弹性恢复，其接触点上的变形量反而减少了，其结果螺母A，B在P0和P的共同作用下，总