异型石材平面数控铣床设计说明书

- 1 -1 前言1.1 石材行业的发展天然石材自古以来就成为一种优质的建筑材料，具有质感好、外观庄重、机械以及物理化学性能好，如耐压、耐磨及耐腐蚀等优点。在古代，石材的加工完全是靠手工来完成。直至到了 19 世纪，欧洲才出现了第一台用于加工石材的机械，这给石材加工行业带来了一场革命，从此，石材加工开始从手工操作向机械化方向发展。进 30 年来，我国石材开采和加工业的持续发展推动了我国的石材机械制造业的兴旺。11.2 异型加工机械由于异型加工制品附加值高，无论碑石和石材家具制造还是现代的建筑装饰，对异型石材加工机械的需求与日俱增。石材的异型加工如果用人工，则劳动量大、生产效率低、抛光成本高，难于满足质量要求，而且运用金刚石工具耗损快。因此国内外出现了许多专门针对异型石材设计的机械设备。异型石材加工机械按制品加工形状的不同可大致分为两类：一类是用来加工等截面的异性石材制品；另一类是来加工截面不等的立体制品，二者控制维数是不同的。对于异型石材制品的加工形状不同，对机械的要求也是不同的。对于用来加工等截面的石材异性制品，或者截面相似，但面积不等的异型制品以金刚石串珠绳锯和高压水射流技术为主，而对于用来加工截面形状不等的空间立体制品则主要是仿形、数控机械为主 。21.3 国内外发展动向1.3.1 国内发展特点（1）单机设备多能化；目前，国内异性石材制品加工设备的功能越来越多、用途也越来越广。（2）向专业化、集成化生产配套方向发展；为了满足高自动化要求的石材生产项目的需要，国内石材专业化生产配套设施越来越完善。（3）向智能化、机电一体化方向发展，设备自动化程度逐渐升高；异型石材设备已经开始使用可编程控制器、计算机控制技术及变频调速器等，提高了工作效率和使用寿命 。31.3.2 国外发展特点（1）石材设备品种越来越全；各种功能的异性石材加工设备以及加工中心应有- 2 -尽有，几乎所有形状的异性石材制品都有相应的加工设备以供选择。（2）设备的性能和控制系统日益改善，加工设备的功能逐步提高；用各种电脑程控设备来加工形状比较复杂的立体雕刻制品或画像，有的可以选配激光扫描器，对于小型模型，通过配备专用的软件，直接进行加工，不再需要琐碎的编程工作。（3）功能更加完善、操纵系统的兼容性更好的数控加工中心的应用；由CNC/CAM，刀具库来提供加工各种曲面的刀具，可实现铣、磨、切削、钻孔、抛光等工序。（4）向高自动化、高效化的方向发展；石材生产除了单机设备的自动化以外，主要是通过配备自动输送系统，使生产线连接成一个整体，实现生产的连续自动化，提高了生产的效率 。4总而言之，异型石材加工机械正向数控、多功能、单机智能化的方向发展，但是与世界先进水平相比我国石材设备在技术性能、自动化的程度、品种的匹配等综合性能上还存在着很大差距，所以我们应该积极发展，努力开拓、研制出更高水平的异型石材加工机械，提升我国在国际市场上的竞争力。- 3 -2 总体方案的设计及最优方案的选择2.1 总体方案设计异性石材平面加工异性制品的平面加工所需要的运动都比较简单，三个运动轴无需联动、选用一般的平面铣加工工具就可完成加工。影响铣床布局的主要因素 ：5机床的抗振性以及刚性要求； 铣削系统进行铣削时切削力变动所产生的振动较大，所以机床刚度是个值得注意的问题。一般来说，框架式的布局（如龙门铣床）比悬臂梁式的布局（如单臂铣床）刚度要高，工作台不升降式的布局比升降式的布局刚度要高。宽导轨双壁联结和窄导轨单壁联结加垂直筋条，都是为了提高床身的刚度。工件本身的大小和形状；工件的形状和大小及各个坐标的行程和方向都要求不同，工作台的布置也是不同的，如加工大型的工件时一般都采用龙门式的；加工中型的工件一般都采用工作台固定不升降的，而加工小型的工件一般都采用升降台式布局。选用材料要合理；床身、立柱等支撑件一般都采用钢板或型钢焊接而成，具有减轻重量提高刚度的特点。将型砂或者混凝土等阻尼材料填充在支承件的夹壁中，可以有效地提高阻尼特性，增加支承件刚度。2.2 总体方案模块划分机械设备一般按主轴在空间所处状态划分为立式的和卧式的，因为立式结构的机械设备适应于加工复杂的轮廓、曲面以及板类工件等，根据加工的异性制品的特点，首先可把数控铣床的结构形式确定为立式的，并且采用封闭式结构。铣床的总体的功能是由相应的功能模块来完成的，按照模块化的设计特点以及模块划分的原则，将设备的总体功能可分解成四大功能模块，包括控制、机械、冷却及润滑以及其它辅助的扩展功能模块 。6根据各种异形石材制品的加工特点、设备运动的功能分析来对设备模块分解：1 动力模块 是带动加工工具来进行主旋转运动、带动加工刀具进行辅助旋转运动以及带动工件进行 X、Y、Z 三个方向的直线运动。2 运动模块 是实现加工工具相对工件的 X、Y、Z 三方向的运动部件的模块。3 支承模块 是用来支承、连接其它的部件，并使其在工作过程中保持准确的- 4 -相对位置和运动关系。4 功能扩展模块 是扩大设备功能的模块为以后设备功能做准备。2.3 最优方案的选择2.3.1 方案一图 2.1 龙门式铣床2.3.2 方案二图 2.2 工作台移动式单臂铣床示意图立式数控铣床的应用范围在数控铣床中最为广泛。小型立式数控铣床与普通立式升降台铣床的工作原理相差不大，铣床的工作台可以自由移动，但是升降台和主轴固定不能移动；中型立式数控铣床的工作台通常可以纵向和横向移动，主轴可沿- 5 -垂直方向的溜板上下运动；大型历史数控铣床在设计过程中通常考虑扩大行程、缩小占地面积以及刚性等技术上的问题，所以往往采用龙门式，主轴可在龙门架的横向和垂直方向的溜板上做纵向运动。（1）图 2.2 铣床的运动方式：铣头可沿立柱上下移动，立柱可沿底座横向移动，工作台可作纵向移动。（2）特点：纵、横向行程都可根据需求增减，以改变加工的范围。这两个方向移动精度较高，但横向移动部件比较重，需设置卸荷的装置。一般 B=5001250m由于铣床的规格为：800*1200mm，因此对铣床的刚度要求并不是很高，从机床的刚度和抗振性及操作方便性和制造成本等方面比较，最优方案选择二。2.3.3 机构原理1主电机；2横梁；3丝杠；4主轴；5工作台；6立柱：7铣刀； 8丝杠； 9步进电动机； 图 2.3 异型石材数控铣床工作原理：1 主电动机通过一法兰与主轴箱连接，再将运动传递到 4 主轴，主电- 6 -动机带动主轴旋转，主轴带动 7 铣刀旋转，完成对石材的铣削。 9 步进电动机通过锥销套筒联轴器与 3 丝杠连接将旋转运动转换成直线运动实现主轴箱通过溜板在 2横梁上完成 X 方向的运动。2 横梁通过手轮的调节在 6 立柱中间的 8 丝杠上完成 Z方向的运动。石料置于 5 工作台上，工作台由另一台步进电动机带动通过联轴器与滚珠丝杠连接，完成 Y 方向上的进给运动，从而完成整个对石材平面的加工。- 7 -3数控铣床的机械结构典型的数控铣床的机械结构主要有以下几个部分组成 。7（1）机床基础件，如床身、底座等。（2）主传动系统。（3）进给系统。（4）实现工件回转、定位的装置和附件。（5）刀架或自动换刀装置（ATC） 。（6）自动托盘交换装置（APC） 。（7）辅助装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等装置。（8）特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置等。（9）各种反馈信号装置及组件。3.1 基础件数控铣床的基础件通常指的是床身、立柱、横梁、工作台、底座等结构件，由于它尺寸较大，俗称为大件，是构成机床的基本框架。其它部分则附着在基础件上，有的构件还需要沿着基础件运动。由于基础件起着支撑和导向作用，因而对基础件的基本要求是刚度好。此外，由于基础件通常固有频率较低，在设计时希望它的固有频率应尽量高一些，阻尼尽量大一些。3.1.1 立柱的设计立柱的功能是支承部件载荷和引导横梁沿其导向面完成准确的相对运动。立柱导轨应满足下列要求：导向精度高、寿命长、刚度及承载能力大、结构简单、便于加工和维修等优点，因此立柱导轨选用滑动导轨。滑动导轨的类型有：1 山形与 V 形截面，2 矩形截面，3 圆柱形截面，4 平面环形截面，5 燕尾形截面由于立柱的导向精度不太高，根据要求可选择燕尾型的导轨如下图所示：- 8 -图 3.1.1 立柱立柱由铸铁制造，中间部分装有丝杠，两侧为燕尾型的导轨，悬臂横梁悬挂在立柱上并通过螺纹与立柱中的固定丝杠联结。为了提高刚度和抗振性除了合理的选择截面外还要在两侧布肋。采用鑲条调整导轨的侧向间隙。尺寸为： mHLB102973.1.2 工作台的设计工作台不升降的铣床也称无降台式铣床。工作台以及滑座支承在床身上，工作台做纵横两个方向的运动，主电动机带动主轴做旋转运动，同时，整个主轴箱沿立柱做垂直的升降运动。故机床刚性好，适合高速切削加工比较重和大尺寸的工件。目前有两种工作方式：（1）十字工作方式 这种铣床工作台在滑座和床身上完成纵横两个方向的移动，主轴箱沿立柱作上下移动，同时主轴作旋转运动。（2）立柱移动式 这种铣床的工作台只作纵向移动，立柱带着主轴箱一起作横向运动，同时主轴箱主轴沿立柱作垂直升降移动。综合考虑，选择第二种立柱移动式工作台。 工作台主要由步进电动机、联轴器、滚珠丝杠、夹紧机构等组成。其特点是整机紧凑，调整灵活。工作台导轨承载大，结构简单，要求导向精度高，制造维修方便。根据上述要求选择矩形截面导轨，设计工作台如图所示：- 9 -图 3.1.2 工作台所以材料选择冷硬铸铁，硬度一般在 HB320 以上。采用鑲条调整导轨间隙，导轨的平面度应达到 0.05mm。工作台的尺寸：960mm1400mm3.1.3 横梁的设计横梁是数控铣床上的一个重要大件，横梁结构尺寸和布局形式决定它本身的静动态特性，而这些特性对设备的性能影响很大，体现在加工精度、抗振性、使用寿命等。铣床在布局规划时已经确定了横梁的外观，而横梁的内部结构的设计需对其动静态性能研究获得，由于石材设备加工精度要求没有机械行业的设备的要求高，所以无需采用复杂的横梁结构，横梁的导轨选用滑动导轨，截面形状采用燕尾型导轨。根据要求横梁的设计如下：- 10 -图 3.1.3 横梁结构图横梁由结构钢焊接而成，用鑲条调整间隙，横梁的导轨面可采用磨削加工。按加工规格，选定横梁尺寸为 mBL201396横梁的受力分析：图 3.1.4 横梁的受力分析P1=1814NP2=2775NMc=P1L1+P2L2=18140.996+27750.508=3217N.m（3.1.1）342210.56.08mbhwc - 11 -（3.1.2）MPaMPawc2003.6)(630971.54横梁符合要求3.1.4 主轴箱的设计铣床的主轴箱也是铣床的一个重要组成部分，箱体的设计是根据被加工件的要求，主轴的放置，运动以及动力的传递，转速的要求。主轴箱通常是由前端盖、后端盖和箱体三部分组成。主轴箱的尺寸：bh=192mm495mm，为了减轻横梁上的载荷，主轴箱的厚度=10mm连接方式：用以法兰与主电机连接，如图 3.1.5 所示主轴箱的两侧有几个凸台，是为了方便将主轴箱固定到溜板上。图 3.1.5 主轴箱的结构图3.1.5 溜板的结构设计溜板是带动主轴箱在横梁的导向面上完成 X 方向的相对运动。材料选择：HT200。结构图如下所示：- 12 -图 3.1.6 溜板3.2 数控铣床传动系统数控铣床的传动装置是指将电动机的旋转运动变成直线运动的整个机械传动链及其附属机构。传动装置是一个重要环节，因此，数控铣床传动装置的设计除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特征。3.2.1 主传动系统数控铣床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴部件。主传动是由三相异步电动机带动主轴旋转实现刀具的转动。由于异型石材数控铣床的主轴转速要求很高一般都在 1500r/min，所以电动机出来无需使用减速器，可直接通过一个法兰与轴连接，实现刀具转动。3.2.2 主轴电动机的选择铣床规格为：800*1200mm、主动电压工作电压：380v 主电动机转速：1420r/min按照以上条件，选用三相异步电动机，其中 Y 系列电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有防止灰尘或其它杂物进入电动机内部的特点，所以选择 Y 型。- 13 -表 3.2 电动机的参数堵转转矩 最大转矩电动机型号 额定功率/kw满载转速/(r/min) 额定转矩 额定转矩质量/kg同步转速 1500r/min,4 级Y100l2-4 3 1430 2.2 2.3 383.3 主轴组件主轴组件是数控铣床的一个重要的组成部分。它包括主轴、轴承以及安装在主轴上的传动件。机床工作时，主轴要夹持刀具来完成表面成型运动，所以主轴组件的工作性能好坏将直接影响到工件的质量和机床的生产率。与一般的传动轴一样，主轴也需要在一定的转速下来传递一定的转矩。但主轴要带动着刀具参与铣削工作，已完成工件表面加工。因此一台铣床的加工质量在一定程度上决定与主轴组件质量。主轴要传递转矩，直接承受铣削力，还要满足各种不同要求 。81 旋转精度主轴组件旋转精度是指装配后，在无载荷、低速的条件下，主轴前端安装工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。当主轴以工作转速旋转时，由于润滑油膜的产生和不平衡的扰动，旋转精度将会有所变化，主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。旋转精度还取决于主轴转速、支撑的设计和性能，润滑剂以及主轴组件的平衡。2 静刚度主轴组件的静刚度反映组件抵抗静止状态下外载荷的变形能力。主轴组件的弯曲刚度 K 定义为：使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力即：K=F/ （N/um）影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、配置形式和预紧，滑动轴承的类型和油膜刚度，前后支撑的距离和主轴组件的制造和装配质量等。3 抗振性主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量和刀具的耐用度，缩短主轴寿命，还会产生噪声影响环境。- 14 -振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。主轴组件产生自激振动，不仅严重影响加工质量，甚至使切削无法进行下去。抵抗强迫振动则要提高动刚度。动 刚度是指激振力幅值与振动幅值之比。影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，以使它不易发生共振。4 温升、热变形主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化。主轴组件受热伸长，是轴承间隙发生变化。温升使润滑油粘度下降， ，降低润滑轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。因此，对主轴轴承的温升要作出限制，主轴轴承在高速空转、连续运转情况下的允许温升：高精度机床为 8-10，精密机床和数控机床为15-20,普通机床为 30-40。5 耐磨性主轴组件耐磨性是能够长期保持原始精度的能力，即为精度保持性。使精度受影响的部位首先是轴承，其次是安装刀、夹具或工件的部位，如锥孔、定心轴劲等。装有滚动轴承的主轴，支承处的耐磨性则决定于滚动轴承。如果用滑动轴承，则轴颈的耐磨性在很大程度上影响精度保持性。为了提高耐磨性，一般机床主轴的上述部分应淬硬至 HRC60 左右，此硬度层厚约 1mm。3.3.1 主轴的结构为了提高刚度，主轴的直径应尽量大些。前轴承至主轴前端面的距离应尽可能小些。为了便于装配，主轴常做成阶梯形。主轴的结构与形状和主轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法有直接的关系。为了便于在主轴上安装各种标准刀具或夹具，主轴前段部以标准化，图 3.3.1为铣床的主轴端部，铣刀或刀杆靠 7:24 的锥孔定位，用拉杆从主轴后端拉紧，前段用双键传递扭矩。- 15 -图 3.3.1 主轴端部主轴材料的选择主要依据耐磨性和热处理变形来考虑。此铣床的主轴可用 45 号优质钢，调质到 220-250HB。1、主轴的计算 9主轴的输出功率 P1，P1=P一般选择弹性联轴器效率 为 0.99-0.995 选用 0.99则，P1=P=30.99=2.97kw转速 n=1420r/min转矩 T(3.3.1)(197420.959501 mNnP2、初步估算轴的最小直径先按机械设计书中式 15-2。选择轴的材料为 45 号钢，调质处理。根据表15-3 机械设计手册 ，取 A0=112，于是得：(3.3.2)(3.14297.1233min mPd输出轴的最小直径显然是安装轴承器处轴的直径 d- （图 3.3.2） 。选择联轴器型号联轴器的孔径应与轴的直径相适应联轴器的计算转矩 Ta=kT,查机械设计手册表 14-1，考虑到转矩变化很小，- 16 -故取 k=1.3 则 Ta=199741.3=25966.2（Nmm）按照计算转矩 Ta 应小于联轴器公称转矩条件，查标准 GB/T5014-2003,查得 N23型挠性爪型联轴器，其半联轴器的孔径 d =28mm，故取 d- =28mm。3、轴上的各段直径和长度的确定1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，-轴段右端需制出一轴肩，故取-轴段的直径 dII-III=40mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径 D=45mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故取 LI-II=60mm。2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受到径向力和轴向力作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 dII-III=40mm 由轴承产品目录中初步选取 O 基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承 7310，其尺寸为 ，5.2910TDd故 dIII-IV=dV-IV=50mm,而 LIII-IV=28mm。两端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，需将 IV-V 段直径放大以构成轴肩。有手册上查得， 7310 型轴承，它的定位轴肩高度 h=6mm，现取 dIV-V=62mm。取安装铣刀处的轴段 V-VI 部分 dV-VI=50mm，内部需加内螺纹，内螺纹直径为M25mm，L V-VI=105mm。轴上零件的周向定位。本联轴器与轴的周向定位采用平键联接，由表 6-1 查得平键截面 b h=8mm 7mm，键槽用键槽铣刀加工，长为 40mm。滚动轴承与轴的周向定位借过渡配合来保证的。此处选轴的直径尺寸公差为 m6.参考机械设计表 15-2 确定轴肩处的圆角半径 r=25mm。轴端倒角均为2 45。图 3.3.2 主轴4、求轴上的载荷首先根据轴的结构图（图 3.3.2）做出轴的计算简图，毛坯直径小于 200mm,由材- 17 -料查表得 MPa15306B图 3.3.3 主轴的受力分析)(12673501593281 NRRNFar轴的剖面 D 处的弯矩为（3.3.3）)(908)4(mFMr 扭矩 17209.5T计算扭矩 Mca：)(532)4.(1822 Nca 5 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时， ，通常只校核轴上承受最大计算弯矩的剖面（即剖面 D）的强度（3.3.4）)(9.8501.32MPawcac 按机械设计表 15-3，对于 的碳钢，承受对称循环应力时的许B60用应力 aMPac9.85故该轴安全。3.3.2 主轴轴承配置- 18 -滚动轴承和滑动轴承都可用于机床主轴，都能满足旋转精度的要求。相比之下滚动轴承有下述优点：在转速和载荷变化范围很大的情况下滚动轴承仍能稳定工作，而滑动轴承在低速时难以形成具有足够压力的油膜；滚动轴承能在零间隙甚至负间隙的条件下工作，对提高旋转精度和刚度有利，而滑动轴承必须有一定的间隙才能正常工作；滚动轴承摩擦系数小，发热少；滚动轴承容易润滑，可以用脂润滑，填装一次用到修理时才更换，若用油时所需的油量也远小于滑动轴承。由此分析，在一般情况下尽量采用滚动轴承尤其是立式主轴，因轴承同时受到径向力和轴向力作用，故可选用单列圆锥滚子轴承。查表 6-7（机械设计手册）现选用 30310型轴承（ ） 。15轴承的计算：轴承的受力分析：查机械设计表 13-7 得：)(18.0.4.2211NctgpS求轴承的轴向力，由于 12)(6SFa由式 13-11 得： )(1821NSa按表 13-5，对 30310 型轴承， 40.,15e- 19 -40.65.0321epFa .782a对轴承 1： 87.0,4.1YZ对轴承 2：按表 13-6， =1.21.8.pf取 =1.5。pf则 （3.3.5）)(483)2167.0354.(1)(11 NFYZfapr 96.222fapr轴承 2 的型号根据轴承 2 的受力大小选择轴承型号 ，轴承应具有的径向基本额定动载)(21rP荷值为： (3.3.6)610hrnLPC其中 310小 时46.hL )(213106.325.1903104NCr 查机械设计手册选 30310 型轴承， 。)(780Cr3.4 进给传动系统数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论试点位控制还是轮廓控制，工件的最后尺寸精度还是轮廓控制，工件的最后尺寸精度和轮廓精度都受进给运动的传动精度、灵敏度、和稳定性的影响。为确保数控铣床进给系统的传动精度和工作稳定性在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率以及有适宜的阻尼比。为了达到这些要求，采取以下措施 ： 10摩擦阻力小。为了提高数控铣床进给系统的快速响应性能和运动精度， 。必须减- 20 -小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。为了满足上述要求，在数控铣床进给系统中，采用滚动丝杠螺母副；滑动导轨、静压导轨和塑料导轨。传动精度和刚度。进给传动系统的传动精度和刚度，从机械结构方面考虑主要取决于传动间隙和丝杠螺母副及其支承结构的精度和刚度，因此提高进给系统的传动精度和刚度所采取的措施：缩短传动链，加大丝杠直径以及对丝杠螺母副、支承部件、丝杠本身施加预紧力。运动部件惯量小。运动部件的惯量对伺服系统的启动和制动等动态特性都有影响 ，尤其是处于高速运转的零部件。因此在满足部件刚度和强度前提下，尽可能减小运动部件的质量、减小旋转零件的直径和质量，以降低其惯量。尽量消除传动间隙，减少反向死去误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套，用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等） ，采用消除间隙措施的传动副。3.4.1 步进电动机的选择数控机床伺服系统的性能在很大程度上取决于伺服驱动电动机及其驱动技术的发展。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电动机。其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍能保持通电状态，则还具有自锁能力。每输入一个脉冲信号给步进电动机，步进电动机的转子就转过一定角度。伺服电动机直接传动滚珠丝杆螺母副，带动工作台和横梁在导轨上移动，实现刀具和工件之间的相对运动，已形成加工零件表面 。11 工作台和横梁上的电动机的选择初选电动机的步距角 5.0传动比 i= =t3617.滚珠丝杠的转动惯量 J1=0.77D L 46代入数据得 J1=1.510 Kg.m2工作台折算到丝杠的 J210 （3.4.1）MsJ22)(6代入数据得 24210.mKg丝杠传动系统折算到电机总惯量 J=J1+J2=3.610 Kg.m42初选电动机型号 150BF002，最大静转矩 13.72N.m，转动惯量为- 21 -J3=9810 Kgm52Jd=J1+J2+J3=1.3410 3验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决与负载特性。为使该系统的惯量达到较合理的配合，一般比值控制在 1/41 之间，J3/Jd=0.73由此可见此电动机符合要求。3.4.2 开环进给系统开环系统主要靠步进电动机实现伺服控制，步进电动机能够实现数/模转换，它将每一个输入脉冲信号转换成固定的步距角。图 3.4.1 开环系统开环系统结构简单，技术容易掌握，维修也容易，但因为没有测量及反馈装置，其位置精度主要由电动机、联轴器、丝杠螺母副和工作台导轨精度决定。因此对传动元件的制造精度要求高，运动件之间的摩擦力要小，要实现无间隙传动。3.4.3 丝杠的选择为了提高伺服进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低设备进给设备进给系统摩擦并减少静、动摩擦系数之差，滚动丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有区别，它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。 因此，根据结构需要，在 X 方向与 Z 方向进给系统中选用滚珠丝杆副传递驱动力，滚珠丝杆副的摩擦角小于 1 度，不自锁。1 滚动丝杠螺母副的特点- 22 -滚动丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。在数控铣床上得到广泛应用。它的机械效率（=0.920.96）比滑动丝杠（=0.200.40）高 34 倍。滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小。滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分为外循环和内循环两种。外循环过程中滚珠与丝杆脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环结构， ，工艺性好，结构简单，但滚到管突出于螺母外面，所以外循环丝杆螺母径向尺寸大。对于内循环方式，滚珠在循环过程中始终保持与丝杠接触。这时在左右螺母上各装 2 个回珠反向器，它迫使滚珠越过丝杆的螺母外径，进入相邻的螺纹滚道。内循环滚珠丝杆螺母副工作滚珠数目少，传动效率高，流畅性好，径向尺寸紧凑，轴向刚度好。但需三坐标数控机床才能加工。滚珠丝杠螺母副事先通过左右螺母的相互离开和相互靠近消除间隙；滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈时，即达到预紧。2 工作台滚珠丝杠的选择根据铣床的加工条件一般采用内循环。工作台重量 G1=（80960-129-208）14007.810 9.810 =8190N39工件重量 G2=1.20.80.42.810 9.8=10537N3丝杠上的力 G=G1+G2=8190+10537=2247N计算铣削力立铣刀 最大直径 d=15mm，立铣刀齿数 Z=3，最大切削宽度 mae15最大被吃刀量 p8每齿进给量 fz.0铣刀转速 n=300r/min由机床设计手册查得公式： （3.4.1）ZnadfaFpzcc 1.073.05.8.01代入上式得：Fc=1229N取 1.1)2.10(cfF取 0.253fn取 0.38)4.5.(ce- 23 -由此得 NFcezfnyx4683.0251.最大工作载荷： （3.4.2）NGyzfKxq1945)(设工作台承受铣削力最快进给速度 V=400mm/min，初选丝杆导程 P=5mm，则此丝杠转速 n=V/P=80r/min预计滚珠丝杠工作五年，每天工作八小时，由此使用寿命 T=53608=14400h（3.4.3）72106 nT（3.4.4）eqhdFfCc3代入数据得 Cc=10554N规格型号选择 FF25063，公称直径为 25mm，导程 6mm，循环圈数为 3，额定动载为 11.3KN，大于最大计算动载荷 Cc=10554N,满足要求。3 滚珠丝杠上的联轴器的选择为了消除传动间隙，减少反向死区误差，采用加锥销固定的连轴套。4 横梁和立柱的丝杠选择由于加工材料为石材，加工过程中易产生灰尘，横梁和立柱为半开放式的，所以选择滑动丝杠。5 丝杠支承的方式因为丝杠大多承受的是轴向力，所以选择单向推力球轴承，还可以选单列向心球轴承进行径向的定位 。1单向推力球轴承选择型号：8308单列向心球轴承选择型号：308.校核：因为轴承主要承受的是轴向力，轴向力为 P=5285（N） ，8308 额定动载荷，)(104.5NCrrCP符合要求。3.4.4 导轨机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，不动的配合面为支撑导轨，运动的配合面为动导轨。导轨的主要作用是导向和承载，为此，导轨副只许具有 1 个自由度。滚动导轨副工作面之间装有滚动体，使两导轨面之间形成滚动摩擦。普通滑动导轨以及静压导轨、动压导轨等导轨副工作面的摩擦性质为滑动摩擦 。21 导轨副的材料构成铸铁淬硬铸铁- 24 -动导轨常用灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨采用 HT20-HT40 铸铁并进行表面淬火提高硬度及耐磨性。一般说来，动导轨的硬度比支承导轨硬度低 HB15HB45 为宜。2 导轨的截面形状根据石材加工条件，精度要求并不是很高，而且速度低，所以选择滑动导轨，矩形和燕尾形导轨有调整方便、承受力矩大等特点，所以工作台选择矩形导轨，横梁和立柱选择燕尾形导轨。图 3.4.2 燕尾形导轨的截面形状图 3.4.2 是立柱和横梁的燕尾型导轨，用一根镶条可同时调整 M、J 2 个方向间隙。- 25 -图 3.4.3 工作台导轨4 数控机床中的其它装置4.1 键的选择和校核键的型号可选择圆头平键连接。查表 6-1（机械设计）得键的尺寸为;bhl=8740强度校核：（4.1）)(10)(9234.158)40(7.3.192033 MPaPakldTP 所以合格。4.2 刀具的选择在异性石材加工中刀具的选择也是至关重要的，因为石材属于脆硬材料，切削加工是比较困难的，普通材料的刀具加工实现比较困难，而金刚石是自然界已知最硬的物质，它优异的性能决定了其在石材加工领域中具有广阔应用。本铣床采用金刚石热压成型法制备的圆柱形铣刀 。13金刚石铣刀盘的结构图为图 4.1 所示，刀盘通过锥孔装在铣削头的主轴上，来确保刀盘具有很小的径向跳动。刀盘的直径为 150mm。刀盘基体材料采用65Mn，在刀盘上焊有金刚石的刀块，刀块长 25mm，宽 6mm，高 10mm，共 12 块，- 26 -刀块采用钴基结合剂，金刚石粒度号为 4050，浓度 50%。切削参数刀具的最大切削速度：12 米/秒，铣削深度：815mm，进给量可调，铣削速度 120140mm。最大直径 d=15mm。图 4.2 金刚石铣刀盘4.2.1 铣削受力分析异性石材对金刚石圆柱铣刀的作用，实际上是沿着铣削弧的区域分布，为了使研究方便，可将作用力的合力合成为一对力，为水平方向的力 Fx 和垂直方向的力Fy，也可分解成切向力 Ft 和法向力 Fn，规定 X 向右为正，Y 向向上为正。如图 4.1所示为一般的状态下的铣削，如果使其合力作用点与 Y 轴方向的夹角为 ，纵向的切深为 ap,a 为 Z 方向为轴向的切深 ，得： 14（4.2.1）（4.2.2）Ap 的值为铣刀直径 D 状态时铣削力，如图 4.1，即全弧在进给条件下进行铣削，cossinincFxrFt- 27 -可通过分别来改变主轴转速、进给速度及铣削速度这三个参数来获取数据，在此条件下的理想状态的合力的作用点应该在铣刀的最左端边缘，随着铣刀的切入值 ap 值的逐渐增大，当铣刀完全的切入时，切削深度 ap 的值等于铣刀得直径 D，而合力角 的值为 90，此时测得铣削力 Fx 和 Fy 大小即为所求的切向力与法向力的大小。合力大小为： 2Fyx图 4.3 铣刀受力示意图- 28 -5 润滑、冷却和密封系统5.1 润滑润滑的作用是减少摩擦、降低温升，并与密封装置一起