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数控铣床主轴箱结构设计论文.doc

数控铣床主轴箱结构设计【8张CAD图纸+毕业论文+开题报告+外文翻译】

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关键词：: 数控铣床主轴箱结构设计 cad 图纸毕业论文开题报告数控铣床主轴箱结构外文翻译

资源描述：

数控铣床主轴箱结构设计

39页 16000字数+论文说明书+开题报告+外文翻译+8张CAD图纸【详情如下】

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外文翻译--五轴铣床运动链的设计与分析中文版.doc

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数控铣床主轴箱结构设计开题报告.doc

数控铣床主轴箱结构设计论文.doc

摘要：

本文是对数控铣床主轴箱结构做的设计。主轴箱是数控铣床的重要部件，而主轴是主轴箱内部件的重中之重。主轴箱是通过电机驱动带传动来带动主轴作回转运动，使得主轴获得了一定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计以及内部组件的设计直接影响了数控铣床的性能。本设计是对主传动系统的分析研究以及对主轴箱内主轴、轴承、电机、带轮等组件的设计以及选型。并且对主轴轴承寿命以及预紧的大小做了深入的分析与计算，在轴承润滑剂的选用方面也做了深入的研究，还进行了零件的成本分析以及成本材料分析，对整个设计工作进行了总结，得到了很多有参考的价值。

关键词：数控机床主传动主轴结构设计

Title CNC milling machine spindle box structure design

Abstract

This article is about the design of the CNC milling machine spindle box structure.Spindle box is an important part of a CNC milling machine, and the main shaft is the most important parts in the headstock.Spindle box is driven by motor driven belt drive spindle rotary motion, make the main shaft for a certain speed and direction.The design of spindle box transmission system and the design of the internal components directly affects the performance of the CNC milling machine.This design is the analysis of the main transmission system research and the main shaft, bearing, motor, belt wheel in the headstock and the design and selection of components.And on the size of the spindle bearing life and preload do a thorough analysis and calculation, in the selection of the bearing lubricant has also done in-depth research, also analyzed parts cost analysis and cost of materials, to the whole design work is summarized, got a lot of have the reference value.

Keywords The structure design The spindle Main drive

前言 3

第一章绪论 4

1.1数控机床的产生与发展 4

1.1.1数控机床国内的发展现状及存在的问题 5

1.1.2数控机床国外的发展现状及存在的问题 6

1.2 数控铣床的功能和特点 6

1.2.1数控铣床的功能 6

1.2.2数控铣床的分类及特点 7

1.3数控铣床的组成 8

1.4数控铣床主传动系统的简介 8

第二章主轴箱总体方案设计 10

2.1数控铣床总体布局形式 10

2.1.1卧式数控铣床的常用布局形式 10

2.1.2立式数控铣床的常用布局形式 10

2.2主传动的结构特点和传动方式 10

2.2.1主传动的结构特点 10

2.2.2传动方式的分类及特点 11

2.3数控铣床的导轨主传动导轨类型及确定 11

2.3.1导轨的技术要求 11

2.3.2导轨的分类 11

2.4数控铣床主传动系统的配置方式及电机选取 13

2.4.1主传动系统的配置方式 13

2.4.2电机型号的选取 13

2.4.3 V带参数的计算 14

第三章主轴组件的设计 17

3.1 对主轴组件的基本要求 17

3.2主轴的功用及结构设计 17

3.2.1主轴的功用 17

3.2.2主轴的结构设计 18

3.3 主轴主要参数的确定 18

3.3.1主轴参数的确定 18

3.3.2主轴强度校核 19

3.4主轴材料的选择及热处理 19

第四章主轴轴承的选择 20

4.1轴承的选择及寿命计算 20

4.1.1轴承的功用及特点 20

4.1.2主轴轴承配置方式 20

4.1.3主轴轴承寿命的计算 21

4.2轴承的润滑及密封 23

4.2.1主轴滚动轴承的润滑 23

4.2.2主轴部件的密封 24

4.3轴承的预紧 24

4.3.1轴承预紧的意义 24

4.3.2轴承预紧方式 24

4.3.3轴承预紧力方式、大小的选择原则 25

4.3.4轴承预紧力大小的确定 25

第五章技术经济分析 30

5.1 技术经济分析的目的与意义 30

5.2成本材料分析 30

5.2.1 非标准件的成本材料分析 30

5.2.2 标准件的成本材料分析 30

5.3成本计算依据 31

5.4.成本经济计算 32

第六章结论 33

致谢 35

参考文献 36

前言

一个国家能够实现经济快速发展的重要一点就是制造业发展迅速，一个国家可以从它的经济实力以及科技水平等方面看出该国家的发展情况以及有没有可以提升的空间。每个国家在制造生产方面以及制造装备方面存在着很大的竞争力，这些会直接影响到该国家的发展。制造业最主要的设备是机床，而数控机床是最能表现出其高精度、高效率的自动化生产设备。目前我国数控机床正向着高性能、高精度、高效率、高自动化等方向迅猛发展。虽然我国数控机床的一些相关技术得到了相对的发展，但是一与国外对比，差距还是很大，主要体现在以下几点方面：可靠性相对比较差、应变能力较差、产品开发时间比较长、设计方式比较落后等，这种差距主要体现在高精度、高速度等方面。所以我们必须紧跟着国际机床技术发展的前端，进一步发展机床的设计、制造等方面的技术。

数控机床相比于普通机床存在着很多优点，比如说适用各种零件的加工、能够自动生成程序并进行加工、操作数控机床的工人的工作强度也比较低等方面。数控机床应用范围最广的就是数控铣床，数控铣床的功能有很多，目前大多数的加工方式都是通过数控铣床来实现加工的，我们一般都采用铣削的方法。数控铣削加工是最为复杂的，因为它的程序比较多而且存在的技术问题也特别多，需要我们一一去解决。所以我们在开发这方面的软件时，就需要把铣削加工放在第一位去考虑。

第一章绪论

1.1 数控机床的产生与发展

随着数控技术的飞速发展，我国机械产品的精度以及效率得到了大幅度的提高。数控机床适用场合：加工种类多批量小的零件、结构复杂、精度高的零件、需要经常改变形状的零件、需要缩短生产周期的零件等[1]。

由于现在计算机技术发展越来越快，数控机床技术的发展也日益提升，适用于越来越多的场合，为了能够满足新的市场需求，使得数控技术能够适应更高的要求，那么当前数控技术及其设备就要朝着以下特点发展：

（1）高速化：目前我国对数控机床加工的要求越来越高，为了满足其加工要求，就需要从以下几点去考虑。1)主轴回转速度；2)进给率；3)运算速度:目前数控系统正向着高速、高精度方向发展，而由于微处理器的运算速度的较高,使得在加工过程中，分辨率比较低时候仍能获得高的进给速度[1]；4)换刀速度:现如今国外刀具的装卸时间普遍比较短，有的甚至只有0.5s[2]。

（2）高精度化：如今我们对于数控机床精度的要求越来越高，不仅仅只有几何精度以及运动精度，热变形也成为了影响数控机床精度要求的因素之一。1)数控系统的控制精度需要提高:可以采取插补技术,采用一段程序来保持持续进给,这样可以使数控系统的控制更加完善；2)采用补偿技术:通过间隙补偿技术以及刀具误差补偿等技术来实现设备产生的一系列的误差。3)我们可以通过使用网格解码器来查看工件的运动轨迹,以确保机床的定位精度要求,使其性能能够长时间保持稳定,并且完成各种各样的加工要求,还能保证零件的加工质量要求[3]。

第六章结论

一、主要工作及结论

从2016年5月初，我开始进行了我的毕业论文的撰写，到今天为止，我的论文已经基本完成。从一开始的不知道从何处下手，到慢慢的步入状态。经过了几个月的努力奋斗，毕业设计终于要结束了。回想这段时间的所经历的事情，感觉累到不行，用了不知道多少的脑细胞，但在论文基本完成的时候，又感觉很有成就感，因为这是自己独立完成的一项任务。在这次毕业设计的过程中，我收获了很多也学到了很多。

2月初，我的题目定了下来，是：数控铣床主轴箱结构设计。当知道这个课题的时候，我立刻着手资料的收集，但是面对如此多的资料我却无从下手。所以我与老师进行了沟通，通过老师的指导与帮助，让我在面对书籍的选择时可以更快的选择到我所需要的书籍，这样方便了我在完成课题时所要用到的知识，并且使我对自己现在的任务有了基本的了解。为了写好我的论文，我向学校图书馆借了很多资料，还在网上找了很多资料。等资料差不多准备好了的时候，我就开始了我的论文工作。在写论文的过程中，我遇到了很多困难，不过我与老师进行了沟通，并且与同学进行了交流。通过大家的帮助，困难被解决了，论文也逐步成型。

当我完成了所有的打字、排版、检查后，整个人已经累到不行，感觉这真的很复杂，要求特别多，但是在我看到完成的毕业论文时，我觉得一切都是值得的。此次完成毕业论文过程是我的一次很有意义的学习经历，在撰写过程中我运用到了很多在大学期间所学到的知识，当然这些并不全面，还需要查看别的资料。

在本次毕业设计中，我非常感谢帮助过我的同学，我有什么不懂的问题就会问他们，听听他们的看法，让我更好的解决了问题。在此我更要感谢我的指导老师，因为每当我有问题来请教您的时候，您总是不厌其烦的指导我，告诉我哪里有问题该怎么解决。通过您的指导，我学到了很多除了课本以外的知识。在此我要向我的老师致以最衷心的谢意！

二、存在的问题

1、缺乏的完整的方案

在一开始不知道从哪里下手，做事情不考虑先后顺序，想到什么做什么，结果什么都没完成，到头来还得重新开始。

2、只会依靠网络

一到不会的时候就去网上搜索，也很少参考图书馆的资料，完全依赖网络资源。所以要多看看专业书籍，扩大自己的知识面，这样在要用到专业知识的时候，不会手忙脚乱。

3、画图的功底不扎实

虽然我会一些制图软件，像AutoCAD,UG,CAXA等，不过都是接触不深，只会一些简单的操作，所以在画图的时候出现了许多错误，总的来说还是自己没有花时间学好它。

致谢

不知不觉三个月过去了，在这三个月的毕业设计过程中，看到了自己专业知识的不足，在设计过程中完成的很费力。在本次毕业设计过程中遇到了很多专业上的问题，不过在刘桂芝老师的帮助下解决了问题并且很好的完成了它，非常感谢老师对我毕业设计的帮助。在本次设计的过程中，我运用到了很多在大学四年期间学习到的知识，同时也参考了一些网上的资料，这些知识对我的毕业设计有着很大的帮助，让我对专业知识的运用更加熟练。

在我的毕业论文写作过程中，刘桂芝老师给我的毕业设计提出了很多有用的建议，并且给我提供了很多的有参考价值的资料，老师认真细心的回答我的问题没有一丝烦躁的情绪，在论文写作完成后也仔细的帮我检查，看看有没有问题并提出有哪些需要修改的地方，还给了我很多宝贵的意见，让我在撰写论文的时候少走了很多冤枉路，直接切入了重点。

在此我向所有帮助过我的老师们表达我最真诚的谢意，感谢你们在百忙之中给我的指导，让我很好的完成了我的毕业设计。

参考文献

1. 易红主编.数控技术.北京.机械工业出版社.2005

2. 徐正平.机床制造技术的精品盛会.制造技术与机床.2005(6):18～ 24

3. 张曙.数控机床的未来展望.2005.2

4. 盛伯浩.我国数控机床现状与技术发展策略.现代金属加工.2005(6):38～ 45

5. 文广,马宏伟.数控技术的现状及发展趋势.机械工程师.2003(1):9～ 12

6. 陈吉红.浅论我国数控产业.湖南工业职业技术学院学报.2002.2(1):1～ 4

7. 王宪文.从中国机床海外并购试看机床版的“市场与技术”博弈.数控机床市场.2005(3):80～ 82

8. 杨杰.浅谈数控人才培养.承德民族职业技术学院学报.2004(4):46～ 47

9. 机床滚动轴承应用手册.机械工业出版社.1993

10.蒋兴奇.主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究.浙江大学博士论文.2001: 15-81

11.戴曙.机床滚动轴承应用手册.北京:机械工业出版社. 1993: 289-303

12.吴宗泽.机械零件设计手册.北京：机械工业出版社. 2003.11

13.成大先.机械设计手册.单行本.减（变）速器.电机与电器.北京：化学工业出版社.2004.1

14.机械设计手册.滚动轴承.北京：机械工业出版社.2007.3

内容简介：: 1 毕业设计 (论文 )外文资料翻译原文题目：原文来源： 2 (2002) 505520 学生姓名：所在院 (系 )部：工业中心专业名称：五轴铣床运动链的设计与分析作者：要：现如今五轴数控加工中心已经非常普及。大部分机床的运动学分析都基于笛卡尔直角坐标系。本文罗列了现有的概念设计与实际应用，这些从理论上都基于自由度的综合。一些有用的参数都有所规定，比如工件使用系数，机床空间效率，方向空间搜索以及方向角等。每一种概念，它的优缺点都有所分析。选择的标准及机器参数设置的标准都给出来了。据于关键词：五轴；机床；运动链；工作区；转轴设计一台数控机床主要遵循以下规则： 1、刀具和工件在空间方向上要有足够的灵活性。 2、方向和位置的改变要尽可能的快。 3、方向和位置的改变要尽可能的准确。 4、刀具和工件快速变、换。 2 5、环保 6、切削材料速度快一台数控机床的轴的数目通常取决于其自由度数目或者独立控制运动的导轨数目。国际标准委员会推荐通过右手笛卡儿坐标系来命名坐标轴，刀具相应的为 Z 轴。一台三轴铣床上有三条导轨， X,Y,们可用来在长度范围内在任意位置上移动。加工过程中刀具轴的位置始终不变。这就限制了刀具相对于工件在方向上变化的灵活性，并且导致多次工装的出现。为了尽可能的提高刀具相对于工件的灵活性，无需再次装夹工件，必须要加入多个自由度。对于传统三轴机床来说这可以通过提供旋转滑台来实现。图 1给出了一个五轴铣床的例子。图 1 五轴数控机床通过制作机器的运动链图表对于机器的分析来说十分有用。通过运动简图得知两组轴可以迅速的区分开：工件装夹轴和刀具轴。图 2给出了图 1五轴机床的运动链简图。由图上可以看出工件由四根轴承载，刀具仅在一根轴上。这个五轴机床与两工位操作机器人很相似，一个机器人夹住工件，另一个夹住刀具。为了获得刀具工件方向上的最大自由，五个自由度已是最低要求，这就意味着工件和刀具可以在任意角度位置相对定位。最低需求的轴数也可以通过刚体运动学的方法来分析。两个刚体在空间确定相对位置，每个刚体需要 6 个到 12个自由度。然而由于任意的移动或转动并不改变相对位置就允许将自由度减少到 6。两个刚体之间的距离通过刀具轨迹来描述，并且允许去掉一个额外的自由度，结果也就是 5个自由度。 3 图 2 运动链图最早（ 1970年）到目前并且仍就有参考价值的对五轴数控铣床的介绍之一是由提出的并清楚的阐述了它的应用。处理阶段的问题也在数控发展的早期由清楚的表述出来，并且大部分问题到现在仍然有效。 3也是最早引进数控机床的先驱之一。的书也是非常有用的介绍。在他的小型铣削加工的书里对多轴机床也有非常简短但启发性的定义。目前一篇适用于解决五轴数控机床工作空间计算的文章，通过使用改进的算法应用于多弧段切削。许多对机床的类型和概念设计，可以被应用于五轴机床 7但不是专门为五轴机床。对部分机床设置的数量和最优取向上进行了探讨 8。关于对刀具路径生成的技巧和新需求由 et 给出。工件与刀具的图像模拟也是研究的热点并且是一个好的入门读物 10。从 R 轴（旋转轴）和 T 轴（移动轴）划分大致可以分为四大部分：（ i） 3 个移动轴和2个转动轴；（ 2个个 R 轴；（ 1个移动轴和 4个转动轴以及（ 5个转动轴；几乎所有五轴机床都是第一组。也有一些焊接机器人，弯折机器以及激光机器也属于这一类。只有限距五轴机床属于第二组，用以制造船舶螺旋桨用。第三组和第四组用于制造机器人，常常另加三个自由度。在不同的制品中，五根轴可以在工件或刀具之间分配。第一分类可以由工件和刀具所承载的轴数以及每根轴在运动链中的功能来划分。另一种分法是据于旋转轴的位置，在工件一边还是在刀具一边。五自由度基于笛卡尔坐标系的机床是： 3个移动轴 X,Y,Z(通常表述为 2个旋转运动 C,常称作拥有 3个旋转轴和 2个移动轴的制品并不多见。如果一个轴装夹工件，习惯上不另加东西在这根轴上。由4 图 1五轴机床可记为 X Y A B Z. 3展示的是型机床， 3个移动轴装夹刀具， 2个旋转轴装工件。图 3 B 型机床理论上，如果工具和工件承载轴的两个运动链的顺序算作一个不同的配置，可能配置的数目是相当大的。也只有两个线性轴和三个旋转轴的组合包括在内。一个工具承载轴和四个工件承载轴可以在一个五轴机床组合如下：对每一个可能的工具承载轴 X， Y， Z， A， B，以四轴组合的数量与另一个配置是考虑不同排列 54！ =120为每个可能的工具轴选择（ 1出 6或 6的可能性）。所以理论上有 6120=720可能五轴机床使用一个工具承载轴。同样的分析可以用于所有其他组合。 w+t=5）的组合的总数量如下。 5,3! 66 o m b(1) 5,3! 66 o m b(2) 该方程的值总是等于 6！或 720 W + T =5时。这些 720的组合将只包含两个线性轴。如果只有五轴机床被认为带有三个线性轴，那么只有 35！ =360组合是可能的。在定义五轴机床工作空间之前，有必要说明一下刀具工作空间和工件工作空间。刀具工作空间就是通过刀具参考点沿着刀具轨迹生成轴来获得。工件空间也是同样定义的（工作台中心可以被选择为工件参考原点）。这些工作空间可以通过计算切削量来定义。 5 基于上述定义一些参数量可以定下来，这些参数对比较，选择以及设计不同类型机床都是十分有用的。图 11 3组中的 R 完全学习好如何为专用机床选择或设计一个五轴机床是不现实的。只有使用主要标准，来核实五轴机床并加以讨论。轴机床的应用应用程序可以分为位置和轮廓。图 12和图 13展示了五轴位置机床和五轴轮廓机床。 2展示了一个多孔以及不同角度有平台的工件。要用一个三轴磨床加工这个工件，一步也无法完成。如果用五轴机床则可以加工。轮廓更多的参数等信息可以在参考文献13中去查看。五轴机床用于加工轮廓的有：（ i）叶片类产品，例如空气压缩机的叶片和涡轮机的叶片；（料泵的喷嘴；（胎的轮廓；（学假肢，例如人工心脏瓣膜；（ v）复杂表面的模具。 6 图 12 五轴加工多孔复杂方位角零件图 13 五轴加工复杂轮廓零件轴轮廓图 13 显示了一个五轴轮廓的例子，机器的表面形状复杂，我们需要控制工具相对部分切割过程中的方向。该工具工件每一步方向的改变。制器需要同时控制在材料去除过程中所有的五轴。轮廓上更多详情可参考文献 13。五轴机床用于加工轮廓的有：（ i）叶片类产品，例如空气压缩机的叶片和涡轮机的叶片；（料泵的喷嘴；（胎的轮廓；（学假肢，例如人工心脏瓣膜；（ v）复杂表面的模具。轴配置选择的大小和重量是非常重要的一部分作为第一标准来设计或选择一个配置。非常沉重的工件需要短的工件运动链。也有一个工件偏爱横机表内，使之更方便修复和处理。把非常沉重的工件放在一个旋转轴运动链上将增加方向的灵活性。提供一个单一的横向旋转轴的工件，会使机器更加灵活。在大多数情况下，工具携带的运动链将尽可能保持简短，因为刀具主轴驱动器必须同时进行。轴加工的首饰图 14 中一个典型的工件可以作为花形图的一部分。此应用程序是清楚轮廓。将部分组装成相对比较小的工具。小直径工具也需要一个高速主轴。水平旋转表将作为经营者一个很好的选择将有一个良好的视图部分（ 360 范围）。所有工件承载轴将是一个很好的选择，因为刀具主轴可以固定，并且非常严格。有 20种方法，可以使轴合并起来，组合成工件运7 动链。这里只有两个运动链将被考虑。案例一是图 15 动链图。案例二是图 16 于机器模型 I X= 300Y = 250 = 200C = 60 ，A= 360 ，以及 100此运动工作区的工具链是一个单点。参考点的设置也可以选择小。如果两轴中心线的相交点在旋转参考，移动工件的工作空间将得到大小 00 250 200立方毫米。如果两个旋转轴的中心线的不相交的工件，工件参考点，有较大的工作空间。这将是一个圆边棱柱形。这个圆角半径边缘的偏心距，工件相对于每一个参考中心线。模型 15 中转轴运动链开始时的运动。这里还有两种不同值的旋转偏心距将被考虑。第 5条中定义的参数计算为每个模型的偏心率总结于表 1。可以看出，随着旋转轴的运动链的结束（模型 I），机床工作空间要小得多。有两个主要原因。工具和工件的波及体积要小得多，第二个原因是由于很大一部分机床的工作空间无法使用的情况，因为线性干扰轴。然而工作区利用系数较大的模型没有偏心距，因为工具的工作区与工件的工作区相比还是相对较小的模型 e = 50间索引的定位是相同的这两种情况，如果该表直径保持不变。模型以处理更大的工件在相同范围的线性转动轴运动链开始时，形成一个更大的机床工作空间，也少了很多干扰机床工作空间的幻灯片。其他 18个可能的选择将在索引值之间。图 14 珠宝的应用程序模型 I - 偏心距 = 50 模型 I - 偏心距 = 0 15 轴机床 8 模型偏心距 = 150 模型偏心距 = 0 16 表一比较两种机床的工作区二转盘选择两台机器使用相同的运动图并且在相同的范围将会比较（图 17）。有两个可供选择的旋转轴：两轴垂直表（模型一），两轴水平表（模型二）。表 2和表 3提供的功能比较重要。TT 模型 I RRTTT 模型心距 e=0 mm e=50 mm e=0 mm e=150 8.0 2.4 除 8.0 2.4 5 07.7 9.8 R 大范围中 100 100 300 250 S： A： 2 2 2 2 空间 32 5 可以看出，减少轴旋转范围则增加了机床的工作空间。所以模型常需要轮廓申请。模型适合大工件的定位与变化较少的工具或将需要两个设置。这种额外的安装要求可能没有那么重要那么大的规模。水平表可以使用托盘的内部体制转换的外部设置。在 B 轴较大的角度范围 +105。模型 45 到 +20，模型因为高的角速度范围。选择最高的主轴转速，应该选择并且允许使用较小直径的切削刀具导致更少的削弱和较小的切削力。高主轴转速会更容易降低开模电火花加工机床的铜电极。垂直表也更好的去除芯片。但是，大范围的角定位降低了工件的最大尺寸为 300毫米和 100公斤。模型具有相同的线性轴范围，但在旋转范围要小的多，可以很容易地处理工件双倍的大小和重量。模型型我不适合大规模生产。模型自动工件交换适用于大规模生产的应用程序。不过模型型的并且需要大角度范围。模型 I 模型 17模型表二图 17中五轴机床的规格表三图 17中五轴机床工作区的比较机型模型 I 模型轴的范围 105 - 45 20 角速度 /s 8500/14,000 3000/3000 表的种类垂直水平直径表 320 20 大负载表 100 00 Y Z 范围 60000尖 0 0 重量 4500 500换板 0 台的新型加工概念传统机床结构是基于笛卡尔坐标系的。很多表面轮廓的应用只有通过五轴数控机床加工，才是最合适的。这种五轴机床结构还需要另外两个旋转轴。为了加工精确，达到加工硬度，能够装夹大型工件，又大又重的机械装置是必要的。从经典五轴机床的运动链图表可以看出，在运动链中设计第一个轴来承载后续的轴。因此传输动力将受到链接处惯性的限制。如果有这么样一个机构，它能够在移动工件的时候不带动其它轴，是理想的。一种新的设计理念就是 “使用。 16在 1965 年描述了理论。它最早是由20 于 1954年建成并担任轮胎测试仪。很多可能的使用都被提出来了，但它仅被使用在轻型模拟装置上。原因就在于控制六个执行机构十分复杂。最近由于在计算速度上惊人的加快，计算费用的降低，台技术被美国的两家公司使用，第一台机床是来自美国的司。第二台机床是来自美国司的叫做17。虚拟轴机床的工件的定义以及定位问题也有所讨论 18。从机构设计可以看出一旦装刀平台由点到矢量的唯一确定之后，装刀平台仍就可以绕刀具轴旋转。这就极大可能的扩展伸缩致动器对同种编程语言的结合。从理论上来讲，有很多方法可以用来制造五轴机床。几乎所有传统的五轴机床都属于 3根移动轴， 2根转动轴或者 3根转动轴 2根移动轴的类型。这一类还可以再细分成为 6个小群体， 720个例子。只有当考虑三轴实体时，每组仍然有 360个实体。不同例子根据装夹在运动链上的刀具和工件所在轴的顺序来划分。一旦在工件与刀具的运动链上的转动轴的位置被认为是区分 3根移动轴和 2根转动轴的五轴机床时， 3个组可以明显的区分开来。在第一组中 2根转动轴被应用于工件运动链中。在第二组中 2根转动轴应用于刀具链中。在第三组中，每个运动链有一个转动轴。每组有 20个可能的形式。确定选择哪中形式应用到具体领域还是一个复杂的问题。为了解决这个问题，就定义了一些比较检索，例如机床工作空间，工作空间使用面，工作方向索引，工作角索引以及机床空间效率。一个方程来计算机床工作模型 I 模型 45.6 除 45.6 34.5 80.5 R 大范围中 300 930 间 9000 000 1 空间，最大球形直径，当机床选择好后它就可以用来加工此球形。这些索引的使用有两个例子进行了讨论。第一个就是五轴机床加工珠宝。第二个就是当相同移动轴数范围确定时，旋转轴的选择。应用最广泛的五轴机床在运动链的工件端有两个旋转轴。这种结构为机床制造商提供了模块化设计。这种模块化设计，并不总是从应用的最佳角度看。因为大量理论上可能的配置，很显然，特定的五轴机床最适合一组特殊的工件。模块化设计应根据所有的五轴的模块化组合。当前的模块化设计是基于三个线性轴机器。五轴铣削提供减少装置。这有助于提高精度和减少批量大小。然而，有一些缺点：（一）五轴机床价格高；（二）附加旋转轴造成额外的位置误差；（三）为了相同的供给在机床轴上更高的切削速度购买五轴机床之前必须深刻研究被加工产品的范围。这部分应分类为五轴定位或五轴轮廓这两种。用转台机为例很好可以产生旋转的工件，如压缩机。在工具上侧的一个旋转轴和在工件上侧的一个旋转轴将提供一个较大的工作空间利用率因素。最近推出的虚拟轴机器有一个主要优势，高动态响应和高刚性的可能性。然而工作空间利用率与经典五轴机床相比要低得多。这些机器的高刚性的设计使它们非常适合于高速主轴19需要高速铣削的设计。参考 1. , 1970, 2712. , s 1970, 2993. 6 1974, 1344. P. 1972. 5. M. On 1991. 6. K. S. 1 (1999) 5677. 1, 2, 3, 4 1984. 8. on 2 (4) (1993) 3059. to 29 (9) (1997) 65712 10. C J. J. M. , 1990. 11. (3rd 1994. 12. A in of n 1961. 13. R. K. T. A 6 (16) (1997). 14. T. An NC a 2 (1997) 233248. 15. 1991. 16. D. A of 965180 , 15, 37117. G. of of 6 (1) (1997). 18. T. J. to of 21 (1999). 19. of 3 (1) (1989). 20. 9 962, p. 117. 2 (2002) 505520, 12120 3 000; in 2 001; 3 001NC of of on on of of as of of a on in 2002of a 50539 of of of of a of of or on SO of to A , Y be of +66+08902/$ - 2002 1)00134of to in a of in of of be a be by 1 an of a 1. . 2 (2002) 5055202. it is to of of 2 of 1. As be is by by is to of in to of be a of in to of 2 is of . is of an of in a of 1970) to 1PT to in 2. 2 in of 3 of is a 5 of in on A to of is 6of be to 7 of on is 8. of is et 9of of is a of be 10of R) T) be (i) ( ( in i). of in of in ii)of in of of be or in A be on of of be on or of in a ,Y,Z (in B, AC C (in R)of If an is it is of it 1 3 of 2 (2002) 5055203. on of of if of in of is a be in a as ,Y,Z,A,B,C be So of of as 4!=120 1 So 120=720 be t of w of w+t=5) of as 208736208736t+w=5 (1)208736208736t+w=5 (2)of is ! w+t=5. of 20 If !=360 t of is by a of t. is to by a of w, w=5of i) 0/(1/(3/(v) 4/(5/0is 4 a of to in be a to in 5is is 4. . 2 (2002) 50514 . 1 is of a 2be or 5 of a by of is by as 3, 6 3be RR)or 7 on of be on 5. 6. 7. 2 (2002) 5055208. be a) on b) on c) of of in or is if . In if in in 11:(R(3)of of be by of 0. of a of to be be or by T), or of is of i) 0/is in 0 ( 2), (6).(1/R=1, T=1 R=0,is 3) . 9 2/T , , 2) 2/of 10.(If TT So it be on 1, 3, 6 . 9. of 1/. 2 (2002) 50552010. in 2/n is of he is of So of a of in Y of be in he of in C of as 50539 a he is of ,Y he of AM of to ) is on of on in of is be by of in C be In of a NC be of AM of 50539 of DM of a a be of a of 0) is as in of of on be 4 50539 he of C YZ,on A of is a a in of 50539 of is is is is a is At 000 a of be a in is in a in be by in a of or of of 50539 of as is in in 7)4/1, 2, 2on on 2 (2002) 505520on of of of is as on of R=1T=3. of 110011100111001+6+6+4=20 i) T=3 T=2 T=1 11): T=0 of a of it is to of 11. in 2/of is by of is in be as be by 6on be of of RA is of o工业中心本科毕业设计（论文）开题报告题目：数控铣床主轴箱结构设计专业：机械设计制造及其自动化班级：学生姓名：指导教师： 20年 2 月 29日本科毕业设计 (论文 )开题报告学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名职称研究员级高工所在院系工业中心课题来源课题性质课题名称数控铣床主轴箱结构设计毕业设计的内容和意义采用分析比较法、文献查找法等方法，进行数控铣床主轴箱结构设计。该部件性能输出及机械性能直接影响工件的加工质量和切削生产率，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。毕业设计的具体内容： 1、数控铣床的主传动系统的设计，涉及到主轴的精度，电机的选择，以及对主传动系统的各项要求等。 2、绘制主轴箱装配图以及零件图 3、绘制主轴动平衡图，输出功率及扭矩图 4、完成主轴部件的设计计算 5、完成主轴的受力分析及主轴前后轴承寿命的分析计算 6、完成主轴预紧力的计算 7、完成各零件的成本分析和计算本课题研究的意义：本课题对数控铣床主轴箱结构进行了设计，其意义如下： 1、主轴箱内主轴部件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等，因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是最重要的部件之一。 2、通过对主传动系统的设计，解决了主轴系统存在的问题，包含速度、精度、刚度、发热、润滑、噪音等问题。 3、通过研究高效率、高性能、高的使用寿命，提高数控铣床的进步性、合理性以及出产成本的经济性。 4、锻炼了我对所学知识的综合能力、对文献资料的查阅检索能力以及对新知识的自学能力。综合考查了我运用所学知识进行发现问题、分析问题和解决问题的能力。文献综述进入 21 世纪 ,我国经济与国际全面接轨 ,进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机 ,也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力 ,加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步 ,数控机床的应用范围还在不断扩大 ,并且不断发展以更适应生产加工的需要。一、数控机床的发展趋势 1、高速化：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用 ,对数控机床加工的高速化要求越来越高。 2、高精度化：数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度 ,机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视 1。 3、功能复合化：复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工 2。采用复合机床进行加工相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 4、控制智能化：随着人工智能技术的发展 ,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求 ,数控机床的智能化程度在不断提高。 5、极端化（大型化和微型化） 2：国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术 ,需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备 ,所以微型机床包括微切削加工 (车、铣、磨 )机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 6、信息交互网络化：对于面临激烈竞争的企业来说 ,使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能 ,以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。 7、新型功能部件：为了提高数控机床各方面的性能 ,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。 8、高可靠性：为了保证数控机床有高的可靠性 ,就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。 9、多媒体技术的应用 3：多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体 ,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力 ,因此也对用户界面提出了图形化的要求。二、数控机床国内发展现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代 ,通过“六五”期间引进数控技术 ,“七五”期间组织消化吸收“科技攻关” ,我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。文献综述特别是最近几年 ,我国数控产业发展迅速 ,1998 2004 年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为尽管如此 ,进口机床的发展势头依然强劲 ,从 2002 年开始 ,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国 ,2004 年中国机床主机消费高达美元 ,但进出口逆差严重 ,国产机床市场占有率连年下降。 1999年 2003年仅占 1999年机床进口额为 7624台 ),2003年达 23320 台 ),相当于同年国内数控机床产值的。国内数控机床制造企业在中高档大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显 ,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力 ,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势 ,充分认识国产数控机床的不足 ,努力发展先进技术 ,加大技术创新与培训服务力度 ,以缩短与发达国家之间的差距 4 三、存在的问题 1、不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键国产数控机床缺乏核心技术 ,从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口 ,即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌 ,但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术 ,但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究 ,忽视了自主开发能力的培育 ,国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距 ,同样难以得到大多数用户的认可。 2、制造水平与管理手段依然落后一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高 ,加工手段基本以普通机床与低效刀具为主 ,装配调试完全靠手工 ,加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式 ,工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品 ,而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 3、服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素由于数控机床产业发展迅速 ,一部分企业不顾长远利益 ,对提高自身的综合服务水平不够重视 ,甚至对服务缺乏真正的理解 ,只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解 ,不会使用或使用不好数控机床 ,更不能指导用户使用好机床 ;有的对先进高效刀具缺乏基本了解 ,不能提供较好的工艺解决方案 ,用户自然对制造商缺乏信心。文献综述制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手 ,帮助用户进行设备选型 ,推荐先进工艺与工辅具 ,配备专业的培训人员和良好的培训环境 ,帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品 ,这样才能逐步得到用户的认同 ,提高国产数控机床的市场占有率。四、数控机床国外发展现状 1、发展“廉价的数控装置”：这种“廉价数控装置” ,结构简单 ,功能虽有限 ,但工作可靠 ,制造容易 ,成本低。它对于大量通用机床实现“数字控制化”和旧有数字控制机床的更新 ,具有特别重大的意义。因为 ,并不要求对现有普通机床或已运转陈旧了的数控机床作大幅度的改动 ,就能装上这种“廉价的数控装置”。 2、发展适应控制机床：（ 1）只能对予定的个别参数（如刀具的切削用量）在不超过规定的极限范围内，进行调整控制。这是一种简单的适应控制系统。（ 2）能连续地适应加工过程多种因素的突然变化（如切削功率、扭矩、刀具磨损、轴承升温），改变若干参数，使系统和机床保持在最佳切削条件下工作。这种系统复杂一些。 3、发展计算机数字控制 (多机数字控制 (计算机控制的生产系统：（ 1）计算机数字控制是将一台小型通用计算机装入数控装置中去 ,以代替原来采用的很多逻辑电路。（ 2）多机数字控制采用通用计算机来直接控制一群数控机床。（ 3）计算机控制的生产系统，采用计算机控制生产系统的工厂 ,其全部的生产活动 ,都已综合为一个单一的控制管理体系。数控铣床主传动系统系统是指将主轴电动机的原动力变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度的传动系统。主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出转矩。还要有良好性能的主传动系统和具有高精度、高刚度、振动小、热变形及噪声均能满足需要的主轴部件。五、数控铣床对主传动的要求 1、热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。 2、主轴的静刚度和抗振性：由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。 3、主轴组件的耐磨性：主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑 6。六、数控铣床对主轴部件的要求文献综述 1、回转精度：造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量要控制在 /s 以下。 2. 主轴刚度：主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关 7。 3. 主轴抗振性主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。 4. 主轴温升：主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。 8严重时甚至会发生：“抱轴”。数控机床在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。 5. 主轴的耐磨性：主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度增加耐磨性 9。主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。以上这些要求，有的还是矛盾的，例如高刚度和高速，高速和高精度等，这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控铣床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控铣床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。同时，主轴结构要保证个部件定位可靠，工艺性能好等要求。为了满足以上要求，进行了以下措施： 1、提高主轴组件抗振性的措施（ 1）尽量缩短主轴前轴承结构的长度，适当增大跨矩；（ 2）尽量提高前轴承的刚度和阻尼；（ 3）提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性；（ 4）对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源 10；（ 5）对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞轮可减少振动；（ 6）应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施；考虑系统的固有频率，避免共振。文献综述 2、减少主轴组件热变形的措施（ 1）把热源移至机床以外。（ 2）改善主传动的润滑条件。如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等，特别注意前轴承的润滑情况。（ 3）采用冷却散热装置。例如用热管冷却减少机床各部位的温差 ,进行热补偿。如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展11。还可以在工艺上减少热变形的影响。如先空运转一段时间再加工。把粗、精加工分开等。以上这些措施可以提高主轴组件抗振性并且减少主轴组件热变形，从而达到主传动系统的要求。并且提高了主轴部件的精度，改善了速度、发热、刚度等因素造成的影响。参考文献： 1、张曙、盛伯浩现代金属加工 ,2005(6):38 45 3、吕红霞机械制造与自动化 ,2005,34(1):8 10 4、文广 ,马宏伟机械工程师 ,2003(1):9 12 5、王宪文场与技术”博弈 2005(3):80 82 6、李峻勤 ,费仁元 M国防工业出版社 ,2000. 7、张柱银 ,陈思义 ,明兴祖 M化学工业出版社 ,2003. 8、王爱玲 ,白思远 M国防工业出版社 ,2001. 9、张宝林，数控技术 M械工业出版社， 1997 10、李佳，数控机床及应用 M 清华大学出版社， 2002 11、林东 M北京理工大学出版社 ,1995. 研究内容 1、主轴电机的选取根据主电机功率虑电机的型号、额定转速、最高转速、恒功率范围等因素。 2、主轴受力分析分析采用的是哪种结构（简支梁、外伸梁、悬臂梁）进行设计，计算其跨距及受力情况。通过一对皮带轮传动，降速传动比 1：过皮带受力得出输出力，计算切削力得出输入力。 3、主轴轴承的选择根据载荷条件、转速条件、装调性能、经济性等方面进行选择前轴承型号： 752） /轴承型号： 602） /、润滑与密封件的设计研究计划研究周期与时间安排毕业设计起止日期： 1 周第 15 周）第 1 周 (收集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程中所要遵照的有关国家标准并进行学习第 2 周 (提出完成课题的基本思路和方法，暨完成该课题所采用的技术路线、方案，要设计和完成的任务完成第 3 周 (题报告及外文材料翻译第 4 周 (行主轴箱部件设计及草算，完成装配图设计，绘制主轴动平衡图，输出功率和扭矩图第 5 周 (完成主轴受力分析，完成主轴前后轴承寿命分析计算第 6 周 (完成装配图设计第 7 周 (业设计中期检查第 8 周 (行零件图计算机绘图第 9 周 (完成零件图计算机绘图第 10 周 (行各零件及课题成本分析，完成各零件成本及课题成本计算第 11 周 (递交论文初稿第 12 (修改论文并定稿第 14 周 (论文评审及答辩资格确定第 15 周 (毕业设计（论文）答辩第 16 周（理资料存档特色与创新本论文特色与创新如下：（ 1）主轴电机选择大容量，高转速的型号，满足工作所需的要求，确保正常运行。（ 2）主轴轴承承载能力好、刚度要求高、精度高。主轴轴承的良好的润滑提高了其耐磨性，降低了工作温度并且延长了使用寿命。（ 3）主轴回转精度高，刚度大，抗振性好，有足够的耐磨性保证长期的精度。（ 4）密封件防止了灰尘屑末和切削液进入，在密封装置中起到密封的作用。指导教师意见指导教师签名：年月日分中心意见中心意见分中心主任签名：年月日教学主任签名：年月日工业中心本科毕业设计说明书（论文）题目：数控铣床主轴箱结构设计专业：机械设计制造及其自动化班级：学生姓名：指导教师：起迄日期：设计地点： I 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本文是对数控铣床主轴箱结构做的设计。主轴箱是数控铣床的重要部件，而主轴是主轴箱内部件的重中之重。主轴箱是通过电机驱动带传动来带动主轴作回转运动，使得主轴获得了一定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计以及内部组件的设计直接影响了数控铣床的性能。本设计是对主传动系统的分析研究以及对主轴箱内主轴、轴承、电机、带轮等组件的设计以及选型。并且对主轴轴承寿命以及预紧的大小做了深入的分析与计算，在轴承润滑剂的选用方面也做了深入的研究，还进行了零件的成本分析以及成本材料分析，对整个设计工作进行了总结，得到了很多有参考的价值。关键词：数控机床主传动主轴结构设计业设计说明书（论文）英文摘要 is of NC is an of a is in is by a of of of NC is of in of on of do a in of of to is a of 业设计说明书（论文） 1 目录前言 . 3 第一章绪论 . 4 控机床的产生与发展 . 4 . 5 . 6 控铣床的功能和特点 . 6 控铣床的功能 . 6 控铣床的分类及特点 . 7 控铣床的组成 . 8 控铣床主传动系统的简介 . 8 第二章主轴箱总体方案设计 . 10 控铣床总体布局形式 . 10 式数控铣床的常用布局形式 . 10 式数控铣床的常用布局形式 . 10 传动的结构特点和传动方式 . 10 传动的结构特点 . 10 动方式的分类及特点 . 11 控铣床的导轨主传动导轨类型及确定 . 11 轨的技术要求 . 11 轨的分类 . 11 控铣床主传动系统的配置方式及电机选取 . 13 传动系统的配置方式 . 13 机型号的选取 . 13 带参数的计算 . 14 第三章主轴组件的设计 . 17 主轴组件的基本要求 . 17 轴的功用及结构设计 . 17 轴的功用 . 17 轴的结构设计 . 18 轴主要参数的确定 . 18 轴参数的确定 . 18 轴强度校核 . 19 轴材料的选择及热处理 . 19 第四章主轴轴承的选择 . 20 承的选择及寿命计算 . 20 承的功用及特点 . 20 轴轴承配置方式 . 20 轴轴承寿命的计算 . 21 承的润滑及密封 . 23 轴滚动轴承的润滑 . 23 毕业设计说明书（论文） 2 轴部件的密封 . 24 承的预紧 . 24 承预紧的意义 . 24 承预紧方式 . 24 承预紧力方式、大小的选择原则 . 25 承预紧力大小的确定 . 25 第五章技术经济分析 . 30 术经济分析的目的与意义 . 30 本材料分析 . 30 标准件的成本材料分析 . 30 准件的成本材料分析 . 30 本计算依据 . 31 . 32 第六章结论 . 33 致谢 . 35 参考文献 . 36 毕业设计说明书（论文） 3 前言一个国家能够实现经济快速发展的重要一点就是制造业发展迅速，一个国家可以从它的经济实力以及科技水平等方面看出该国家的发展情况以及有没有可以提升的空间。每个国家在制造生产方面以及制造装备方面存在着很大的竞争力，这些会直接影响到该国家的发展。制造业最主要的设备是机床，而数控机床是最能表现出其高精度、高效率的自动化生产设备。目前我国数控机床正向着高性能、高精度、高效率、高自动化等方向迅猛发展。虽然我国数控机床的一些相关技术得到了相对的发展，但是一与国外对比，差距还是很大，主要体现在以下几点方面：可靠性相对比较差、应变能力较差、产品开发时间比较长、设计方式比较落后等，这种差距主要体现在高精度、高速度等方面。所以我们必须紧跟着国际机床技术发展的前端，进一步发展机床的设计、制造等方面的技术。数控机床相比于普通机床存在着很多优点，比如说适用各种零件的加工、能够自动生成程序并进行加工、操作数控机床的工人的工作强度也比较低等方面。数控机床应用范围最广的就是数控铣床，数控铣床的功能有很多，目前大多数的加工方式都是通过数控铣床来实现加工的，我们一般都采用铣削的方法。数控铣削加工是最为复杂的，因为它的程序比较多而且存在的技术问题也特别多，需要我们一一去解决。所以我们在开发这方面的软件时，就需要把铣削加工放在第一位去考虑。毕业设计说明书（论文） 4 第一章绪论控机床的产生与发展随着数控技术的飞速发展，我国机械产品的精度以及效率得到了大幅度的提高。数控机床适用场合：加工种类多批量小的零件、结构复杂、精度高的零件、需要经常改变形状的零件、需要缩短生产周期的零件等 1。由于现在计算机技术发展越来越快，数控机床技术的发展也日益提升，适用于越来越多的场合，为了能够满足新的市场需求，使得数控技术能够适应更高的要求，那么当前数控技术及其设备就要朝着以下特点发展：（ 1）高速化：目前我国对数控机床加工的要求越来越高，为了满足其加工要求，就需要从以下几点去考虑。 1)主轴回转速度； 2)进给率； 3)运算速度 :目前数控系统正向着高速、高精度方向发展，而由于微处理器的运算速度的较高 ,使得在加工过程中，分辨率比较低时候仍能获得高的进给速度 1； 4)换刀速度 :现如今国外刀具的装卸时间普遍比较短，有的甚至只有。（ 2）高精度化：如今我们对于数控机床精度的要求越来越高，不仅仅只有几何精度以及运动精度，热变形也成为了影响数控机床精度要求的因素之一。1)数控系统的控制精度需要提高 :可以采取插补技术 ,采用一段程序来保持持续进给 ,这样可以使数控系统的控制更加完善； 2)采用补偿技术 :通过间隙补偿技术以及刀具误差补偿等技术来实现设备产生的一系列的误差。 3)我们可以通过使用网格解码器来查看工件的运动轨迹 ,以确保机床的定位精度要求 ,使其性能能够长时间保持稳定 ,并且完成各种各样的加工要求 ,还能保证零件的加工质量要求 3。（ 3）控制智能化：为了能够加快生产步伐，满足生产的需求 ,数控机床的水平在不断地提升。（ 4）极端化 4：这是为了实现超精密加工和超微型化加工提供技术支持。（ 5）信息交互网络化：目前，企业竞争十分激烈 ,为了能够让信息在各个部门一路畅通，我们就需要实现数控机床高速双向的通讯功能。（ 6）新型功能部件： 1)高频电主轴 :通过无级变速来实现主轴的回转运动，毕业设计说明书（论文） 5 回转速度比较高等优点； 2)直线电动机 :目前直线电动机已经普遍应用 ,虽然其价格比传统的系统高一点 ,但是结构简单 ,提高了机床的工作性能。 3)电滚珠丝杆 :结构简单 ,传动方便。（ 7）高可靠性：为了能使数控机床的性能提高 ,特别是可靠性，我们就需要明确设计并且完成目标，通过研究分析找出其较弱的环节 5。（ 8）多媒体技术的应用 5：多媒体技术是由计算机、声像和通信组合而成的 ,这样使得计算机拥有处理各种问题的能力。除此之外 ,多媒体技术还可以实现信息处理的综合化、智能化等各种功能。控机床国内的发展现状及存在的问题我国通过引进并且吸收国外的数控技术，使我国在数控方面取得了非常大的进步。但是我国的数控机床技术相比于国外的数控技术差距还是非常明显 ,我国的设备和以及各类部件十分依赖进口。从中可以看出我国数控机床特别缺乏市场竞争力 ,通过研究表明，形成这种情况最主要的原因是因为我国对数控机床的发展不够上心，研究开发比较少，制造的水平太低而且推广范围不广，对此有兴趣的人很少，数控机床方面的人才较少等 5目前针对国内数控机床的发展提出了以下几点问题： (1)创新能力不高、接收能力不够。目前国内的数控技术主要还是仿照国外的技术。自己创新的内容很少，十分依赖国外的技术，对国外技术的消化吸收能力不足，一直保持着自己的想法，没有独立开发技术的能力和创新能力。为了能够加快技术的发展，我们就必须独立创新数控技术，我们可以引进国外的技术作为参考，但不能一昧的依靠国外的技术，不做一点改变，这样根本改变不了我国的数控技术的水平。 (2)技术创新环境不完善。我国还没有建立适合技术发展创新的环境。我国技术创新发展的动力来自于对经济效益的追求以及各种竞争压力，因为我国的创新意识还不够强，还没有良好的技术创新体系，所以很难取得很好的成果。 (3)产品的可靠性以及稳定性不高。国外数控系统与国产数控系统相比，平均无故障时间长的多，这使得国外技术的可靠性以及稳定性比国内好的多。 (4)体系结构不够“开放”。目前国内的数控产品体系结构十分封闭，只有少数的产品“开放”，但是也只能是半成品状态。现如今 ,我国数控机床的发展在劳动力、资源等方面相比于其他国家具有很大的优势 ,但是我国在技术创新方面以及独立开创方面相比于国外还是有着很大毕业设计说明书（论文） 6 的差距。我们不能安于如今的状态 ,应该努力发展自己的技术 ,加强数控人才的培训力度 ,尽可能缩短与其他国家的差距。争取早日实现数控机床产品的蜕变。控机床国外的发展现状及存在的问题数控机床国外发展现状： (1)目前数控机床已经朝着高速高精度加工方向发展，纳米控制技术是其中的代表之一。 (2)目前机器人应用于机床已经普及，它有着结构形式种类多，应用范围广，运动速度快等优点。 (3)目前国外在数控机床监测与管理方面取得的很好的效果，可以及时获得机床本身的信息，分析有关数据，预知其状态，可以提前保护它，减少了机床出现的问题，提高了机床的效益。 (4)最新的术给数控机床的加工带来了极高的效益，提高了机床加工的效率。 (5)刀具技术发展十分迅速，大部分的刀具设计包含了整个加工过程，并且满足了抗振性的要求。存在的问题：（ 1）不能只局限于一种控制技术，要多去研究开发其他技术，以便提高数控机床的发展。（ 2）由于机器人的应用普及，会有越来越多的国家运用此类技术，所以不能这一种技术方式上下功夫。（ 3）目前数控机床一般都使用是随着越来越快的发展技术，控铣床的功能和特点数控铣床的功能（ 1）点位控制功能：能够满足位置精度要求很高的孔加工。（ 2）连续轮廓控制功能：能够满足直线与圆弧的插补以及非圆曲线的加工。毕业设计说明书（论文） 7 （ 3）刀具半径补偿功能：在编程时不用加入刀具的直径，方便了我们计算尺寸而且编程也简单。（ 4）刀具长度补偿功能：能够自动补偿刀具的长度，来满足加工过程中对刀具长度的要求。（ 5）镜像比例加工功能：镜像加工功能是可以通过坐标轴对称来实现，我们只需要一个象限的程序，就能得出其它象限的轮廓。比例功能就是把程序段按照 1： 1、 2： 1等比例进行加工的方法。（ 6）旋转功能：能够将编写的程序段以任意角度来实现。（ 7）子程序调用功能：可以让零件在各个位置重复加工上一次的程序，这样就可以完成对整个零件的加工。（ 8）宏程序功能：可以用一个总指令来代替任意一种指令，实现变量计算，使程序更加方便灵活。数控铣床的分类及特点（ 1）按主轴的位置分类。 1）数控立式铣床。数控立式铣床是我国应用范围最广的数控机床。从数控机床的坐标数目来说，目前三坐标数控立铣是应用最多的一种机床； 2）数控卧式铣床。其主轴轴线水平。卧式数控铣床一般通过添加数控转盘来实现其他坐标加工。 3）立卧两用数控铣床。现如今此类数控铣床已经不被使用，但是此类铣床具有很多优点，包括其主轴方向可以随意改变，既可以实现立式加工，又可以实现卧式加工，而同时拥有两种功能的机床，其应用范围更广，功能更齐全，给加工带来了不少的方便。（ 2）按构造上分类。 1）工作台升降式数控铣床。此类数控铣床采用是工作台移动、主轴不动的方法。不适用于小型数控铣床。 2）主轴头升降式数控铣床。此类数控铣床采用工作台移动、主轴上下运动的方法。主轴头升降式数控具有精度良好、承载力大等优点，已经成为数控铣床的主要部分。 3）龙门式数控铣床。此类数控铣床的主轴可以实现在横向、纵向移动。龙门式数控铣床一般用于大型的数控铣床，因为大型的数控铣床需要考虑行程以及占地面积等方面的问题，所以采用龙门式数控铣床是最合适不过的。数控铣床具有以下几点特点：（ 1）可以加工出一般机床加工不出或者很难加工出来的零件；（ 2）能够加工在装夹定位后还需要进行多次工序的零件；毕业设计说明书（论文） 8 （ 3）加工精度高、加工质量可靠、生产能力强。数控加工减少了工人的操作失误、减轻了工人的劳动强度。（ 4）生产效率高。数控铣床加工通常不使用专用夹具，在装拆工件时只要改变数控装置中有关于装拆工件时所用到的数据就行，使得生产周期短，提高了生产效率。再者，数控铣床还具备其他种类机床的功能，使得工序大幅度的提升，提高了生产效率。而且，数控铣床是通过无极变速来实现主轴的转速以及进给速度的，方便我们选择最适合加工的切削用量；（ 5）从切削原理上讲，数控铣床的切削方式不像车削那样能够进行持续切削，所以我们对刀具的要求比较高，要求具有良好耐磨性、刚度、硬度以及韧性。在某些情况下还需要有良好的红硬性。控铣床的组成（ 1）机床本身柱、主轴箱、铣头等机械部件。（ 2）数控系统含各种电子元器件、监视器以及键盘等。（ 3）伺服驱动含主电机、进给伺服电机等。（ 4）辅助装置含液压和气动装置、冷却和润滑装置以及排屑装置等。控铣床主传动系统的简介数控铣床主传动系统与普通机床主传动系统相比，结构更加简单，这是由于数控铣床主轴电动机采用的是无级变速。不再需要复杂的齿轮变速。数控铣床对主传动的要求：（ 1）范围：不同的数控机床对速度范围的要求也不经相同，用途比较广的机床，就要求主轴的速度范围大，而且还要求主轴转距大还要求高的主轴转速。（ 2）热变形：主轴电动机、传动系统以及主轴组件都有着比较高的温度。所以我们要求降低温升，减少热变形来达到主传动系统的要求。（ 3）旋转精度：是指主轴在低速轻载的情况下，所测量得到的轴向、径向值。（ 4）运动精度：是指主轴在以工作转速回转时，所测量的以上两种的精度。毕业设计说明书（论文） 9 数控机床的旋转精度及运动精度就比较高。（ 5）主轴的静刚度：因为数控机床的加工精度比普通机床高的多，而且主轴的工作转速也很高。主轴组件存在的一系列因素会对主轴的静刚度产生很大的影响。（ 6）主轴的抗振性：与主轴静刚度的理由一样，都是因为主轴组件存在的一系列因素对其造成的影响。（ 7）耐磨性：为了使主轴组件能够长时间保持精度要求，那么主轴组件就必须拥有足够的耐磨性。特别是摩擦比较大的部位就需要有足够的耐磨性，而且轴承处应保持良好的润滑效果。毕业设计说明书（论文） 10 第二章主轴箱总体方案设计控铣床总体布局形式式数控铣床的常用布局形式主轴轴线平行于水平面。适用于垂直水平面的各种加工，为了能够对工件侧面进行连续轮廓加工，我们就需要装配上万能数控转盘，这样就可以一次性加工工件的表面。我们经常通过添加数控转盘来完成四、五轴的加工。这样，工件在加工过程中，我们就可以通过数控转盘来改变位置，并进行各个方位的加工，这样卧式数控铣床在加工过程中比一般的机床优势明显大得多。式数控铣床的常用布局形式主轴轴线垂直于水平面。是最常用的布局形式之一，其应用范围最广，特别是以三轴联动铣床为主。其各坐标的控制方式有以下几种：（ 1）工作台横向、纵向移动并且升降，而主轴采取不动的方式。适用于小型数控铣床。（ 2）工作台横向、纵向移动，而主轴采取升降的方式。适用于中型数控铣床。（ 3）龙门架移动式，其主轴可以实现在横向、纵向移动。一般用于大型的数控铣床。传动的结构特点和传动方式传动的结构特点（ 1）回转速度高，功率比较大，适用于切削功率大以及切削速度高的场合，加工效率比较高。（ 2）因为主轴能够实现无极变速，所以主轴的回转速度转变可靠，使得切削加工过程能在最佳状态下进行加工。（ 3）主轴上一般都有设计刀具自动装卸功能，这样就可以快速实现刀具的自动装卸，而且，主轴还需要设计定向停止装置以及排屑装置。毕业设计说明书（论文） 11 动方式的分类及特点（ 1）二级以上变速的主传动系统可以实现各类切削运动的转矩的输出，并且具有良好的调速能力。但是因为二级以上变速的主传动系统结构十分复杂，需要添加温度控制装置以及润滑装置，这样就导致了我们所需成本的提高，另外，在制造和维修过程中，也会存在较多的问题，解决起来比较困难。（ 2）一级变速器的主传动系统现如今，数控机床大部分都通过带传动来实现机床的运动。因为带传动的结构相对其他传动方式更加简单，安装调试起来也比较方便，而且能够满足数控机床所要达到的转速以及输出转矩的要求。这种传动方式可以降低数控机床工作时产生的振动与噪音，一般都用于要求转矩较低的主轴。（ 3）调速电动机直接驱动的主传动系统相比于其他两种传动方式，调速电动机直接驱动的主传动系统的优点是：结构比较紧凑，使用范围较少，频率比较高。不过其转速的变化以及转矩的输出和普通电动机的特点完全相同，所以一般不使用这种传动方式。控铣床的导轨主传动导轨类型及确定轨的技术要求数控铣床对导轨的要求有以下几点方面：（ 1）导向精度高。导向精度是指机床导轨在运动过程中产生的直线度或者圆度。在加工过程中，不管是在运动还是空载，导轨都必须有着足够的导向精度，这是最基本的要求。（ 2）精度保持性好。精度保持性是指导轨在运动过程中能否长时间保证其一开始的精度。导轨的磨损是导致精度保持性降低的主要因素，另外，导轨的结构以及支承件的材料也是影响精度保持性的因素之一。为了能够保证精度，我们应采取摩擦因素较小的导轨。（ 3）足够的刚度。因为导轨会受到各个运动部件带来的外力，如果导轨受毕业设计说明书（论文） 12 运动部件带来的外力后变形过于大，就会降低了导轨的导向精度，使得导轨的工作条件恶劣，不便于零件的加工。导轨的刚度主要取决于导轨的类型选择、结构尺寸的大小等。（ 4）良好的摩擦特性。为了保证数控铣床的精度，数控铣床导轨的摩擦因素要经可能的小，这样就可以减少工件的摩擦以及导轨产生的变形，在运动时能够实现平稳、低速无爬行的状态。轨的分类（ 1）按导轨的摩擦性能分为：滑动导轨、滚动导轨以及静压导轨。 1）滑动导轨。优点：结构较简单而且制造很方便，其刚度较好而且抗振能力强，是应用最广泛的一种导轨。我们一般对导轨进行淬火以及磨削加工，这样就可以提高导轨的耐磨性以及精度要求。滑动导轨有三角形、矩形、燕尾形以及圆形等类型。 2）滚动导轨。优点：摩擦因数小，能够实现平稳、低速无爬行，精度要求较高而且精度保持性好，其寿命比较长。缺点：抗振性比较差而且对于其保护的要求比较高。 3）液压导轨。静压导轨是机床使用最多的一种。其摩擦因数最小并且功率最小。而且其精度保持性好，寿命比较长。能够保持平稳，无爬行的状态。（ 2）按导轨的运动性质分：主运动导轨、进给运动导以及移置导轨。（ 3）按导轨的受力情况分：开式导轨和闭式导轨。本设计采用的是矩形式的滑动导轨。利用压板压紧导轨与箱体，用螺钉及刹铁调整间隙。如图 2 图 2动导轨的结构形式 1 2 3 4毕业设计说明书（论文） 13 控铣床主传动系统的配置方式及电机选取传动系统的配置方式（ 1）带有变速齿轮的主传动适用于大中型数控机床。其传动方式是将几对齿轮进行降速，使其能够进行变速来保证在低速运行时能够拥有足够大的扭矩来满足主轴输出扭矩的要求。（ 2）通过带传动的主传动适用于中小型数控机床。其传动方式可以降低传动时产生的振动和噪音，但是其只适用于主轴输出扭矩要求较低的场合。（ 3）由调速电动机直接驱动的主传动其传动方式结构简单，主轴部件的刚度较高。但是主轴输出扭矩较低，电动机运动时产生的热量会影响主轴的精度要求。调速电动机的驱动系统速度精度高、刚度高，转距高以及恒功率运动范围广。机型号的选取电动机型号的选取直接影响着机床的结构及寿命，选取时要考虑机床的功能及结构设计等方面，然后选取合适的电机型号 13。根据设计要求，主电机功率定转速为 1500r/定转矩为 5 0 （ 2 图 2出功率和扭矩图毕业设计说明书（论文） 14 选取型号为图 2主轴电动机 1轮 7 带参数的计算本次设计选用 V 带传动。 V 带传动的运动原理是依靠带与带轮之间的摩擦力进行传递运动和动力的。 V 带传动的摩擦力比较大，适用于传递功率较大的场合。动平稳，是带传动中应用最广泛的传动之一。实现过载保护，具有缓冲吸振能力，运行时平稳无噪音，适用于距离较远传动并且制造安装精度要求不高。缺点：存在弹性滑动，使得传动比不恒定。结构尺寸较大、不紧凑，容易打滑，使得带的寿命较短。参数计算：（ 1）计算功率：（ 2 （ 2）小带轮直径： 00801 ，取 80 （ 2 （ 3）大带轮直径： 1 7)1(12 ，取 112 （ 2 （ 4）带速： 0 060 （ 2 满足 )/3025(/5m a x 要求。毕业设计说明书（论文） 15 （ 5）初定轴间距： )( ）（，即 a，0 （ 6）基准长度： )(2220122100 （ 2 基准长度10 （ 7）实际中心距： 32 00 （ 2 实际中心距取 204 （ 8）安装时最小轴间距： 6 90 1 （ 2 张紧或调整最大轴间距： 8 a x （ 2 （ 9）小带轮包角： 2 a 2 满足要求。（ 10）带的根数： 2)( 11 2P 带传递额定功率，取 P i 的额定功率增量，取 K m m （ 11）带的张紧力：）（（ 2 毕业设计说明书（论文） 16 （ 12）作用在轴上的力： r 11832s （ 2 以上公式都由机械零件设计手册提供。毕业设计说明书（论文） 17 第三章主轴组件的设计主轴组件的基本要求（ 1）旋转精度：是指主轴前端定位面的径向、轴向和端面的跳动值。（ 2）刚度：是指主轴组件在受外部力量的作用时，抵抗其所受到的变形的能力。为了能够降低主轴所受到的变形，我们就需要提高主轴组件的刚度。如果主轴组件的刚度不够高的话，那么在外力的作用下，主轴就会受到严重的变形，这样，不仅降低了工件的加工质量，而且还会使磨损速度变快从而降低主轴的精度。（ 3）抗振性：是指主轴组件在受到振动时还能保持平稳运转的能力。（ 4）温升和热变形：主轴组件在工作时会因为产生的摩擦以及损耗等因素而形成温升。而热变形是由于温升使得主轴组件的形状以及位置发生了改变。如果温升过高就是产生很严重的后果，主轴组件会因为温度过高而发生严重的变形，那么机床上的其他部件的位置就会随着主轴组件的变形而发生改变，严重影响了工件的加工精度。还有，轴承也会因为温度过高，其间隙大小也会发生改变，而且其润滑方式也会不合适，影响了轴承精度。（ 5）耐磨性：是指能够长时间保证其一开始精度的能力。主轴组件要求有足够的耐磨性，不然无法长时间保持所需要达到的精度要求。为了能够提高主轴组件的耐磨性，我们应该在主轴上容易磨损的部位进行淬硬处理或者进行氮化处理。主轴轴承还应具有良好的润滑效果，这样可以提高轴承的耐磨性。轴的功用及结构设计轴的功用主轴是数控铣床组成部分的重中之重，它的选择直接影响到铣床的精度要求。主轴部件在受外力作用时，很容易产生严重的变形，降低了工件加工精度要求以及零件的表面质量。我们在选择主轴时必须考虑主轴的刚度、变形、噪音等性能，特别是主轴部件的变形。带传动在主轴传动中运用最多的一种传动方式，是依靠带与带轮之间的摩擦力来传递运动和动力的，带传动的传动方式毕业设计说明书（论文） 18 具有结构简单、传动效率高的特点。轴的结构设计本次设计采用是“背对背”式的角接触球轴承。此类角接触球轴承可以承受径向和轴向载荷，但是在承受径向载荷同时会引起轴承内部的轴向力，所以在选择轴承时就需要成对使用，轴承配置方式的有“背对背”、“面对面”、“串联”和“多联”等配置方式，我们需要通过轴承预紧来提高主轴的刚度。主轴主要参数的确定主轴参数的确定（ 1）主轴直径如果选择很大的主轴直径，那么轴承的尺寸以及轴上其他零件的尺寸也会相应变大，但是这样主轴的刚度会很高 12。而且主轴直径越大，轴承的直径也会越大，如果前、后轴承直径相差不大，那么主轴的刚度会变高，其性能也会变好。根据主轴鼻端尺寸是定前轴承处直径为 75轴承处直径为 60 （ 2）主轴内孔直径主轴的内孔用来放置刀具夹紧装置。主轴内孔直径越大，那么主轴部件的重量也会越轻。主轴刚度的大小会直接影响到主轴内孔直径的大小。根据设计要求，由于主轴是空心转轴，因此根据设计，取 2， 0872mm，75805 图 3轴结构毕业设计说明书（论文） 19 主轴强度校核主轴的疲劳强度安全系数校核计算： s= s （ 3 s _许用安全系数； s= 1 1 （ 3 1-=2701- =155k=k= = =m=， )1(32 43 ， )1(16 43 3 所以 s=22 s=所以主轴设计符合要求。以上公式都是由机械零件设计手册提供。轴材料的选择及热处理本次设计选择的主轴材料为 20且经过渗碳淬火处理至其有着很高的表面硬度、冲

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