龙门式可换头五轴联动加工中心3D设计-论文

1、摘 要本次毕业设计的主要任务是龙门式可换头五轴联动加工中心3D设计。该机床具有很强的数控功能，是高效率高精度加工空间曲面类零件，如各类模具、水轮机和汽轮机叶片、三元流离心压气机、船用螺旋浆和推进器及螺旋锥齿轮的关键设备。可一次装夹工件在多种空间角度进行铣、镗、钻等工序加工，加工各种具有复杂轮廓表面、型腔的工件，可作铣镗、钻孔等加工。广泛适用于各种机械制造业，特别是模具制造业。它可以实现五轴控制、五轴联动，高速运转。主轴电机采用交流伺服驱动系统，可实现主轴的自动无级变速。该部分的主要内容是龙门立柱、床身及进给部件的3D设计。在掌握PRO/E软件的基本功能后，对机床的各部件进行造型设计，然后，进行

2、装配和运动仿真，达到设计的目的。第一章 概 述第一节 加工中心加工中心是有机械设备与数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床。由于它具有自动换刀能力，能在一次装卡后完成多道工序，如钻、铣、镗、铰、攻螺纹、切内槽等加工，形成多工序自动换刀数控镗铣床，它用于加工各种箱体类、板类复杂零件。各种高精床加工中心，可代替精密坐标镗床，还可作为基础组成柔性制造单元和柔性制造系统。一、加工中心的定义 加工中心(Machining Center简称MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及

3、传感技术及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，它综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工件装卡、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床34倍，达80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。二、加工

4、中心的发展历程及在我国的发展状况1952年，美国麻省理工学院首次实现了三坐标铣床数控化，数控装置采用真空管电路。1955年第一次进行数控机床的批量制造，年产量为100台。数控铣床是电子技术、自动控制技术、机械技术的结合运用，是机械加工领域划时代重大技术性突破，数控机床利用编程软件，可方便地将简单工序集中起来，从而大大提高了零件的加工效率和加工质量，并具有相当大的柔性。在复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换刀具，以便提高生产效率，为了解决自动换刀问题，最早出现了转塔头立式钻镗铣床，在转塔头上有6-12根短主轴，每根主轴上装有一把刀具，当处于工作位置的刀具加工完毕之后，机床控制转塔头松开，转位，让

5、下一工序的刀具进入工作位置，夹紧转塔头之后，再继续加工，直至完成全部工序。1958年，美国K&T公司首先把铣钻镗等多种工序集中于一台机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，引起了日、美、德、英、法、意等先进工业国家高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快，需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有一千多个品种规格。 北京机床研究所于1973年研制出了JCS013型卧式加工中心。1980年该所引进了日本FANUC公司的数控系统制造技术，并投入批量生产，为我国数控机床的进一

6、步发展准备了先决条件，使我国的加工中心的研制出现了良好的局面，加工中心的产量出现了稳定上升的趋势。在第七届中国国际机床展览会上，展出数控龙门镗铣床、龙门加工中心11台，其中龙门加工中心8台数控龙门镗铣床3台，除3台是台湾厂商生产的展品外，其余8台是大陆展品。这表明我国加工中心的发展取得神速进步，引起了国内外的关注，但离世界的先进水平还有很大的差距。 三、加工中心的工作原理加工中心的工作原理如图11所示，根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机编程进行零件的程序编制，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息、代码，并把这些代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置

7、，读出信息，并送入数控装置。进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算能变成脉冲信号，有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关部件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动，还有的信号，送到可编程控制器中，以顺序控制机床的其它辅助动作，实现刀具的自动更换。手工编程穿孔机零件图计算机自动编程穿孔带输入装置数控装置伺服系统机 床自动换刀装置 图11 加工中心的工作原理四、加工中心的组成加工中心的组成随机床的类别、功能、参数的不同而有所不同。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统由基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。但同类型机床产品的基本

8、功能和部件组成一般差别不大。从总体上看加工中心大体由以下几部分组成。（1）基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件、也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中中心质量和体积最大的部件。（2）主轴部件 它由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。（3）控制系统 单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程系控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。（4）伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机

9、床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半封闭环、闭环和混合环三种控制方式。（5）自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置。（6）辅助系统 包括润滑、冷却、排屑、防护、液压河水及检测系统等部分。它们是加工中心不可缺少的部分。（7）自动托盘更换系统 有的加工中心为进一步缩短非切屑时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。五、加工中心的特点及应用 （1） 应变能力强 适用于多品种、单件小批量零件的加工。 （2） 加工精度高 多轴联动可实现复杂轮廓的插补运动， （3）大大减

10、轻了工人的体力劳动，适用于工序集中且工序较多的零件加工（4） 有较高的加工生产率和较低的加工成本（5） 有利于实现加工的现代管理第二节 虚拟制造虚拟制造技术是刚提出的面向21世纪的先进制造技术，目前仍处于研究和探索阶段，它是以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。综合国内外学者们已有的观点，都认同把虚拟制造分为三类：以设计为中心的虚拟制造（Design-Center

11、ed VM）、以生产为中心的虚拟制造(Production-Centered VM)和以控制为中心的虚拟制造(Control-Centered VM)。其中，由于CAD技术的应用和发展，以CAD为基础的以设计为中心的虚拟制造得到了更快、更广泛的应用，同时，也更容易获得实际效果。虚拟制造被誉为21世纪的新型生产模式，是制造业迎接21世纪挑战的有效技术，尽管对它的研究只有短短的几年，但它对制造业起着革命性的影响，成为制造业领域研究的热点之一。本课题采用虚拟制造技术开发五轴联动数控加工中心，对研究虚拟制造技术在机床开发领域起着重要的作用，它将促进虚拟制造理论系统的研究和应用实施。虚拟制造技术重点研究

12、工作集中在产品的虚拟仿真技术和应用上。例如应用运动学和动力学分析软件分析产品的功能。特别是在机床的虚拟制造技术中，最早是进行切削过程的仿真。在虚拟制造的另一各方面，应用虚拟现实技术进行产品生产过程中的装配仿真、生产过程仿真、新产品开发生产组织仿真等也是虚拟制造技术研究的热点。制造领域中应用虚拟技术开发新产品开始于90年代中期，首先是在少数发达国家开始应用，与此同时，虚拟产品制造的理论和相关技术研究也在同步进行。运用三维CAD建立虚拟模型是首要的工作。在虚拟建模技术基础上，提出虚拟产品模型，它是一个集成的数字模型，包含产品各方面的信息，以便于进一步进行产品虚拟现实分析和基于网络的分析制造等。在国

13、内，虚拟制造的研究开始于90年代中期。上海交通大学CIMS研究所和机械院机电研究所分别得到国家自然科学基金的资助，开始虚拟制造基本技术的研究应用。清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室也是我国最早的虚拟制造技术研究部门之一。综合上述资料分析，虚拟制造技术的发展应用已成为近阶段新技术开发应用的主流技术，由于采用该技术硬件设备和资金的投入少、见效快，在国际国内都引起了足够的重视。但是，目前虚拟制造技术领域中尚存许多有待研究的题目，如合理的虚拟制造体系、虚拟产品设计、虚拟产品制造的理论与相关技术，以及构筑虚拟制造系统（VMS）的各种支撑技术和异构环境下的实验平台等。尽管虚拟制造发展迅速，但是目前

14、还缺乏从产品设计全过程的高度开展虚拟制造的研究。在应用虚拟制造技术开发新产品的基础技术研究方面，国内尚未自行开发成熟的应用软件，几乎都是在国外商品工具软件的平台上进行应用和二次开发。第三节 五轴联动数控机床随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。高技术、高性能数控机床是发展国民经济和加强国防建设的重要条件，数控机床发展趋势是高精度、高速度、高效率化（精度、速度和效率是机械制造技术的关键性能指标）、柔性化、工艺复合性和多轴化、实时智能化。五轴数控机床和三轴数控加工相比，能够实现更复杂型面工件的加工，得到更好

15、的表面加工质量。随着机床制造技术的发展，五轴机床越来越多的应用于国家重要工业的各个领域。五轴加工机床由于生产制造技术上的难度远远大于三轴机床，很长时间没有解决国产化问题。主要存在三方面的问题：1）五轴联动机床控制系统；2）可实现五个坐标进给运动的机床结构复杂；3）五轴联动加工数控程序的编制。目前主要问题正在逐步解决，对五轴加工中心的开发和国产化提供了条件。近年来，在国外一些发达国家中，五轴联动已经普遍应用于数控滑枕铣床、数控龙门铣床和数控加工中心，实现四面和五面加工，大大提高了铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。在国内五轴联动数控加工中心的开发中，目前国内已有厂家开发和生产，但是对于自动万

16、能铣头目前国内还没有厂家开发和生产，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。在国内，通过合作生产、引进技术、合资、自主开发，数控机床取得了可喜的进步.普及型数控机床基本满足国内需要。但是，对于汽车工业、航天航空工业、船舶工业、兵器工业急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床,如,五轴联动的立卧转换加工中心，高速加工中心，精密加工中心，五轴龙门加工中心，高精度数控机床，高性能车削中心，高精度电加工机床等等，有的处于攻关阶段，有的正处于试制和试生产阶段，与国外同类产品相比尚有不小差距。高性能数控机床是发展我国国民经济和加强国防建设的重要条件，国际上发达国家常把它作为战略物资实行出口许可证制度，对社会主

17、义国家实行禁运，限制其国防军事工业发展、高技术发展和综合国力的提高。近年来，高速铣及高速加工中心；五面体龙门加工中心及龙门仿型加工中心成为两大进口热点，反映了面临入世的中国机床市场需求结构升级。五轴加工中心可实现多轴结构，可用于更复杂曲面的加工，工业用途范围大，使用灵活，易于实现高速，是一些产品加工必须使用的机床设备，也是数控机床产品中的高技术难度产品。第二章 总体方案设计机械设计是机械产品制造全过程中的第一步。设计师经过构思、分析和计算，并充分考虑制造工艺及产品使用和维修等多方面的问题，将产品的总体结构和全部细节通过图纸、技术文件和计算机软件，具体和确切地描述出来，以之作为制造工作的全面和唯

18、一的依据。机械设计的水平和质量不但对产品的技术性能，而且也对产品在制造和使用过程中的经济性和环境影响都起全面的和决定性的作用。总体设计是机床设计的中心环节，它对机床产品的技术性能、经济指标和外观造型具有决定意义。总体方案的拟定，就是要提出和确定所设计机床设备的工艺方法、运动和布局、传动和结构、控制和性能等方面的方案。总体方案设计包括下列内容：（1） 查研究 包括调查和分析工件，了解所设计机床的使用要求和制造条件，调查研究同类型机床和有关科技成就等文献资料；（2） 工艺方案的确定。在进行机床总体设计时，应对不同类型的工艺方案进行分析比较，选择符合实际情况的具有先进性的工艺方案。（3） 确定机床的

19、总体参数。总体参数是表明机床技术性能的主要指标，包括机床性能参数和结构参数两方面。性能参数是指生产率、载荷、速度、功率和重量等。结构参数是指主要结构尺寸。（4） 机床运动系统方案设计和确定机床运动简图。根据工艺动作过程选用合适执行机构，完成各个基本运动，再用一定的组合方式构成机械系统来实现产品的功能。（5） 机床总体布置。主要是确定主要机床设备和辅助设备的相互位置和连接方式。并考虑安全操作、整体造型等问题。（6） 机床驱动系统设计。根据所需的载荷，选择或设计机床的工作构件，本机床采用滚珠丝杠驱动工作台和滑枕座进给运动。（7） 动力源特性分析。采用交流伺服电机。（8） 机器造型设计。对机器外形、

20、色彩进行艺术处理。（9） 画出总装配图、零件施工图。（10） 编写全部设计技术文件。2.1 总体方案设计的依据总体方案设计的主要依据包括零部件、同类型机床的有关科技成就、使用要求以及制造条件等。（1） 充分调查，掌握有关资料，本次设计任务是五轴联动加工中心，主要用于曲面加工，切削力不大，但要求被加工面的尺寸精度、位置精度较高，表面粗糙度较好，生产率高。（2） 本课题来源于1999年底，北京机械工业学院、北京航天航空大学和桂林机床股份有限公司开始共同开发研制五轴联动加工中心。在设计过程中参考了该机床的一些具体方案。2.2 工艺分析、方案确定本次设计的五轴联动加工中心，主要任务是完成立柱、横梁、床

21、身、工作台和铁屑输送装置的结构设计、三维建模和装配，并完成立柱、横梁的运动仿真。通过调研并在导师的指导下，确定设计的具体方案为： 整机采用固定龙门式结构，刚性好，外形美观，上下工件与操作方便。 主轴采用高速电主轴，主轴转速高，加工效率高。 工作台面及三向行程参数大，加工范围广，整机刚性高，承载重量大。 主要大件采用箱形结构，强度与刚性好。 纵向导轨采用矩形淬火贴塑结构，横向导轨采用矩形与燕尾形的组合结构，导轨强度高，刚性好，耐磨性强，运动灵敏度高。 三向进给采用精密滚珠丝杆传动。 采用自动集中润滑装置。 配置两组平板链式自动排屑装置，自动化程度高。 可选择配置四周封闭式防护围罩，密封性好。2.

22、3设计的数据及来源：基本数据（长度单位：）：工作台面积（宽长）：16004000工作台纵向行程：4000滑枕行程： 横向：1000；纵向：2500主轴断面到工作台面的距离：最小：95；最大：1095主电机功率：28 机床主轴转速范围（rpm）：010000A（B）轴摆角100、C轴转角180、刀库容量40机床体积（长宽高）：940043003900工作台最大承受重量：10000数据来源：桂林机床股份有限公司XK2316/3-5X五轴联动数控铣床第三章 机床设计计算第一节 机架设计计算机器的床身、立柱、横梁、工作台通称为机架。机架在机器的总重量中占有很大的比例（约占机床总质量的7090）。机架支

23、撑着机器中所有基本部件，并承受作用在机器中的全部作用力。机架对机器的安装精度、工作精度、耐磨性、抗振性及可靠性有很大影响。因此，在计算机架零件时，合理选用机架材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量，节约金属材料，提高工作精度，增强机器刚度及耐磨性等重要途径。在设计机架零件的过程中应满足下列一些基本要求：1.要有足够的刚度和强度。机架零件经常以刚度作为主要设计准则。实践证明，机架零件的刚度满足了，则强度一般也是足够的。2.要有合适的外形与内部结构，便于安装、操作、制造及维修。3.要有较好的吸振性能；对于带有导轨的机架零件，还应有良好的耐磨性。4.材料价格低廉，工艺性好，易于制造。5.在满

24、足使用要求和经济要求的前提下，力求造型美观。一. 机架的结构和设计参数在进行机床机架的结构设计时，必须综合考虑机架的工作性能和工艺性，应在满足工作性能的前提下，减轻机架重量，节约金属，提高机架的静刚度和动态性能，减少机架铸造和加工的工作量。 因此，静刚度的提高和重量的减轻，同时都可提高机架的固有频率。在大多数情况下，提高固有频率可改善机架的动态特性。1.断面形状的选择(1) 一般概念根据材料力学的理论和实践证明,杆件的抗拉和抗压刚度取决于杆件断面面积的大小,而与断面的形状无关;而杆件的抗弯刚度和抗扭刚度则除与断面的面积大小有关外,还取决于断面的形状。杆件的抗弯和抗扭刚度与杆件断面惯性矩成正比。

25、(2) 床身断面形状的选择图1 床身断面形状这类床身工作时，主要承受弯曲载荷，由于无需经床身排除切屑，所以顶面多采用封闭的，台面也不能太高，以便与工件安装调整。断面尺寸的h/b比一般小于1。适用于小型无升降台式铣床、龙门刨床、龙门铣床、镗床、插床等。(3) 立柱断面形状的选择矩形闭式断面结构，内部有筋板和筋条，抗扭及抗弯刚度高，应用于复杂空间载荷的机床，如铣床镗床等机床。断面尺寸h/b约为1。图2 立柱断面形状(4) 横梁断面形状的选择龙门机床的横梁工作时承受复杂的空间载荷，其龙门垂直方向上的刚度，对机床总刚度影响很大。刚度小的横梁的变形量，有时在机床的综合变形量中可占到2040，其中又以扭转

26、变形为主，占60。根据受力情况，横梁的断面一般选取矩形封闭式断面。在横梁内部均布置有纵、横筋板合筋条。图3 横梁断面形状2.筋板和筋条的布置（1） 基本概念开式断面的结构和半开式断面结构的抗扭刚度较差，在其内部安置筋板，可增加抗扭刚度。闭式断面结构，当尺寸大而壁薄时，在其内部安装筋板，可减小其局部变形和断面形状的畸变。合理布置大件内部的筋板是提高大件刚度、减轻大件重量的重要途径之一。筋板之所以能够提高大件的刚度，是因为筋板能使大件外壁的局部载荷传递给其它壁板，使它们均衡地承受载荷，并将外壁的弯曲变形转化为筋板的拉伸和压缩变形，由于这类变形的值很小，因此可阻止外壁的弯曲变形，筋板可大大地加强大件

27、的四壁一个整体的作用，在承受扭矩时，可减小形状的畸变。（1） 的筋板布置龙门铣床的床身相当于断面中三面封闭的铰支梁。半封闭式断面的铰支梁抗扭刚度较低，内部必须布置筋板。图4 床身筋板布置形状（1） 横梁的筋板布置龙门型机床的横梁一般均为封闭式断面。闭式断面的铰支梁较其它断面的铰支梁的抗弯和抗扭刚度都高，但机床横梁的变形对机床加工精度的影响很大，所以内部一般仍多布置有各种筋板或筋条。 图5 横梁内部筋板布置形状（2） 立柱的筋板布置立柱由于支承条件不利并承受复杂载荷，所以断面形状一般为闭式矩形或双矩形。长度和断面尺寸较大时，内部均布置有纵、横的筋板和筋条，以减少大件的局部变形和断面畸变，并提高抗

28、弯和抗扭刚度。图6 横梁内部筋板布置形状（3） 工作台的结构和筋板布置 本机床采用矩形工作台，其宽度较大，为了减轻重量，提高刚度，均取断面为封闭式的箱形结构，为了保证工作台有足够的抗弯刚度，闭式断面的工作台内部均应布置纵向筋和大量的横向筋。横向筋一般每隔300400mm布置一条，纵向筋布置在T形槽下，以减小台面卡紧时的局部变形。工作台周围需安排水槽供排泄切屑液用。图7 工作台结构示意图 其中 槽数 9 槽宽 22 槽距 160 （单位：mm）3.机架外壁上的窗孔机架内部由于安置传动机构、液压、电气装置及线道管道等，因而在外壁及内部筋板上需要作出各种窗孔。窗孔的形状、大小及位置，对机架的刚度有一

29、定影响，设计时需适当考虑。4.机架壁厚的选择机架的重量在一台机床的总重量中占很大比例，在节约金属材料方面有较大的潜力。机架的壁厚应在刚度要求和铸造工艺允许的条件下，尽量采用较小的值。根据实践的经验，铸铁机架的壁厚可根据大件外形的最大尺寸或外性空间尺寸来选定。筋板的厚度一般取壁厚的80。机架在导轨处、与其它机架联结处及安装轴承和轴承支架处的壁板和筋板，除需合理布筋外，还应适当增加厚度，以局部变形。外壁和纵向主筋 1020mm筋 816mm导轨支承壁 2332mm5.机架间的联接与固定机床的床身、立柱、横梁等机架，在装配时用螺钉互相联接成为整体。，一般机床在工作时，床身或底座大都需用螺钉固定在地基

30、上。机架的这些联接部分的结构必须设计适当，否则在工作中容易产生较大的局部变形。机架接合面处的变形和位移主要来源于接合面的接触变形、固定螺钉的变形以及机架联接部位的局部变形。为了保证机架的联接刚度，设计时应注意以下几点：a.重要的固定接合面的光洁度应规定的适当，一般不应低于6，最好能经过初刮工序，每25*25mm2面积内的接触点数不少于48点。B.固定螺钉的直径应足够大，以期有足够的抗拉刚度。数量需充分，一般用812个，布置在接合部分的整个四周。装配时应保证接合面上的预压力为1520kgf/cm2 C.机架的联接部位应选择适当的结构。机架连接部位的构造有三类：爪座式、翻边式、壁龛式二. 机架刚度

31、、变形及其对刀具工件相对位移量的影响 在机床和大件的主要尺寸、结构初步确定后，即可用一定方法核算机架的刚度、变形和所引起的刀具工件相对位移量的大小。机架变形与相对移量的计算，大致按以下步骤进行：（1） 绘制机床和机架结构尺寸的计算简图；（2） 选定大件的代表性断面，计算其抗弯和抗扭惯性矩I、In,或直接计算抗弯和抗扭断面刚度系数EI、GIn ;（3） 根据机架的结构情况,确定有关修正系数,如剪切分配系数,轮廓畸变系数等；（4） 列出机架变形反应至刀具与工件相对位于量的计算式,将以上已确定的数据代入,计算相对位移量的大小。1.切削力的计算高速钢铣刀铣削力计算式(查表7.1-27) 在什么地方或标

32、准？Fc=CFae1.1af0.8dt-1.1ap0.95Z式中 CF系数 见表7.1-28ae铣削接触弧(mm)af每齿进给量( mm/齿)dt铣刀直径( mm)ap铣削深度(mm)z铣刀齿数 各系数的取值CF =82 ae =50mm af =0.3m/z dt =50mm ap =5.4mm z=4 工件材料为45# 计算结果P(所需功率)=27.92 KW进给力约为 1382 N径向力约为 2303 N主切削力约为 4606 N切削分力的计算 (查表7.1-16) FH/FG=0.3 FH=1380 N FV/FG=1 FV=4600 N Fa/FG=0.5 Fa=2300 N 2.立

33、柱刚度对刀具工件相对位移量的影响计算公式（查表5.1596）fx=pxlp3/3EIy+u2lp/GF+yp2lpN3/k0GIn-pyxpyplpN4/koGIn-pzxplpN1/px2EIy fy=py-lp3/3EIy-u1lp/GF-xp2lpN5/k0GIn+pxxpypN4/pyk0GIn+pzyplpN6/py2EIx fz=pz-yp2/EIx-xp2lpN2/EIy+pylp2ypN6/pz2EIx+pxlp2xpN1/pz2EIy式中 L立柱高度 (cm) b立柱宽度 (cm) h立柱长度 (cm) c刀具至立柱侧面距离 (cm) lp立柱的计算高度(cm) 取2L/3

34、xc立柱侧面至立柱主形心轴距离 (cm) Ix、IZ立柱断面抗弯惯性矩(cm4)In立柱断面抗扭惯性矩(cm4)F力柱断面面积(cm2)Px 、Py 、Pz切削分力(kgf) 建议比例取0.3：0.5：1u1 u2剪切分配系数，见图5.1590K0窗孔系数，见图5.1591N1 N2 N3 N4 N5 N6 断面畸变系数，确定方法见表5.1599或表5.15100其中 L=300cm b=60cm h=70cm c=68cm lp=200cm xc=30cm a=50cm Ix=2.0*105cm4 Iz=1.5*105cm4 u1=2.3 u2=2.5K0=0.5 N1=0.32 N2=0.

35、4 N3=1.5 N4=3.5 N5=15N6=0.1 F=256cm2 In=3.4*105cm4 E=1*106kgf/cm2G=0.4*106kgf/cm2计算结果fx=0.09mm fy=0.012mm fz=0.01mm3.横梁刚度对刀具工件相对位移量的影响计算公式（见表5.15102）fx=pxL3/48EIz+(PxZp-pzxp)Lzp/4GInfz=pz/E(zp2L/12Ix+xp2L/12Iz)fy=pyL3/48EIx-(pxzp-pzxp)LS/4GIn 式中 L立柱跨距（cm）h横梁高度 (cm)x1 z1横梁重心位置(cm)xp=zp=x1Ix Iz In横梁断面

36、的抗弯和抗扭惯性矩(cm4)G主轴箱系统的重量(kgf)其中 L=240cm h=70cm x1 =z1=200cm Ix=Iz=2.2*105cm4 In=3.7*105cm4 E=1*106kgf/cm2 G=0.4*106kgf/cm2计算结果 fx=0.03mm fy=0.06mm fz=0.02mm结论？是否满足要求？第二节 导轨设计计算导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动，并承受运动部件及工件的重量和切削力。导轨的设计应满足：精度高、寿命长、刚度及承载能力大、摩擦阻力小、运动平稳、结构简单、便于加工、装配、调整、维修、成本低。一.纵向导轨由于工作台只做直线往复运动，承受的载荷较大

37、，且不受向上的力和大的颠覆力矩；因此，工作台导轨选用两条淬火贴塑矩形滑动导轨。矩形导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，磨损后不能自动补偿，可用镶条调节，保证导向精度。1. 导轨的截面形状 图8 导轨的截面形状这种导轨的特点：承载能力大，制造简便；必须留有侧面间隙，磨损后不能自动补偿，需用镶条调整，将降低导向精度；应注意导轨的防护。2. 导轨的尺寸（查表6.29 矩形导轨型式尺寸 单位：mm） 图9 矩形导轨型式尺寸H=80 B=280 B1=65 A=1360 h=50 h1=h-1=49 b=203. 导轨的比压计算（1） 计算目的导轨的损坏形式主要是磨损，而导轨的磨损又与导轨表

38、面的比压有密切的关系，随着比压的增加，导轨的磨损量也增加。此外，导轨面的接触变形又与比压近似成正比。在初步选定导轨的结构尺寸后，应核算导轨面的比压，时期限制在允许范围内。此外，通过导轨的受力计算，可以求出牵引力的大小，判断其配置是否合理；得知是否必须设置压板。分析导轨面上比压的分布情况，还可检验设计是否合理。（2） 导轨面比压的分布规律及比压计算公式导轨面比压分布比较复杂，为了能进行工程计算，作如下假设：A 导轨所在部件本身刚度很高，受力后导轨接触面仍保持为一平面；B 导轨面上的接触变形与比压成正比例；C 导轨面宽度远比接触长度小，沿导轨宽度方向上的比压各处相等。导轨面平均比压 图10 导轨的

39、压强如图10所示，由F和M在导轨上引起的压强为 Pm=F/S (Mpa) S=La式中 F作用在导轨面上的法向力（N） S动导轨的承载面积(mm2) L导轨接触面长度（mm） a 导轨接触面宽度( mm) 其中 F=20000kg L=4000mm a280mmP m=0.2 (Mpa)Pm=1/2(Pmax+Pmin)按梯型分布的比压与一个按矩形分布的比压等效时,按矩形分布比压图形的高度就等于平均比压。这时只要平均比压不超过许用的平均比压，则最大比压必然不会超过许用的最大比压。如果导轨受力后导轨面没有脱离接触，则只须计算平均比压。铸铁导轨的许用平均比压Pm=0.40.5 (Mpa) 由于导轨

40、的平均比压在许用平均比压范围内,因此,导轨的结构尺寸符合要求。4. 导轨的间隙调整装置 平面导轨的间隙调整装置广泛采用了镶条和压板。设计时，除了考虑保证调整容易外，应注意增强它们的刚性。当压板受力不大，或导轨工作长度较长时，只须在运动部件的两端或中间（受力区）装短的压板。短压板的长度可取为导轨工作长度的1/31/4。（1）镶条、压板的材料和技术要求查表6.225 材料与热处理 ZQSn6-6-3 ZQAl9-4特点 加工、配刮容易，耐磨性好，成本高应用场合 用于较大压力，中等尺寸，运动平稳性、移动精度和耐磨性要求较高的精密机床作镶条查表6.226镶条滑动接合面平面度 由接触点保证接触点 101

41、2点/25*25mm装配后允许间隙 0.03mm塞尺塞入滑动接合面接触点 68点/25*25mm接触点 1012点/25*25mm 压 板滑动接合面平面度 由接触点保证接触点 68点/25*25mm接触点 1012点/25*25mm滑动接合面平面度 由接触点保证接触点 1012点/25*25mm装配后允许间隙 0.03mm塞尺塞入镶条或压板上可开适当的润滑油槽，保证有足够的润滑油。5.导轨的材料与热处理用于机床导轨的材料，应具有以下性能：（1） 良好的耐磨性。导轨的磨损不但影响机床加工精度的保持性，而且在许多情况下还影响与导轨相联系的摩擦副的工作性能。决定捣鬼耐磨性的因素很多，但最重要的四导轨

42、配合副所用的材料以及工作表面的加工质量。材料硬度本身并不一定能保证导轨具有较高的耐磨性能，有时在同样使用条件下，硬的材料反而比软的材料容易磨损。（2） 良好的摩擦特性。包括较小的静摩擦系数和它受静接触延续时间的影响小，较小的动摩擦系数和它在低速进给范围内受滑动速度的影响小等。还希望静、动摩擦系数较小。（3） 加工与使用中由于残留内应力产生的变形小。（4） 工作环境与自身温升的尺寸稳定，强度不变。导轨摩擦副应尽量由异种材料相配组成。在直线运动的导轨副中，较长的一条导轨用较耐磨的和较硬的材料制造，这是因为：长导轨在全长上磨损不均匀，而且磨损后不能用调整的办法来补偿，对加工精度影响较大；短导轨耐磨性

43、较低，使用中误差会较快地消除，且便于刮研，减少修理的劳动量；长导轨通常是外露的，容易受到意外的损伤。 表6.237 导轨材料匹配及其相对寿命序号导轨材料和热处理 相 对 寿 命 1铸铁/铸铁 1 2 铸铁/淬火铸铁 23 3铸铁/淬火钢 2 4 淬火铸铁/淬火铸铁 45 6 塑料/铸铁 主要用于不易润滑和能保护下导轨，提高耐磨性 7 有色金属板/铸铁塑料具有化学稳定性高、摩擦系数低而且静、动摩擦系数接近与稳定、能在各种液体或无润滑条件下工作、耐磨损、耐腐蚀、吸振性好以及比重小、强度大、加工简便等许多优点，很适合做导轨材料；塑料还有良好的对异物的埋没性，极细小的磨粒等异物能埋入塑料内，减少金属表

44、面的磨粒磨损。而且磨损后，更换塑料贴片容易。导轨材料选用 铸铁/淬火钢 表面采用刮研贴塑材料选用 聚四氟乙烯F-4 （查表6.240）6.导轨的润滑滑动导轨润滑的目的：（1） 使导轨尽量接近纯液体摩擦，以减小摩擦阻力、降低驱动功率、提高效率。（2） 减少导轨磨损，延长使用寿命，防止导轨锈蚀。流动的润滑油还起冲洗作用。（3） 避免低速爬行并减小振动。（4） 降低高速时摩擦热，减少热变形。润滑方式：查表6.291 采用连续供油压力润滑方式7.导轨的防护装置设计完善的防护装置,是改善导轨工作条件, 提高导轨寿命的重要措施。刚性的防护装置还能防止工件、扳手等物偶然掉落而损伤导轨。导轨的防护装置应满足下

45、列要求：（1） 能挡住外物进入导轨，以免擦伤表面；（2） 能耐红热的切屑和冷却液的腐蚀；（3） 清理导轨时便于装卸；（4） 具有一定强度、刚度和使用寿命；（5） 外形美观，制造容易，成本低。参照表6.296 本方案采用伸缩板式防护装置伸缩板式防护装置用于水平导轨时，一般采用三面封闭，具有较大刚度的罩壳形式；用于移动速度不大和行程较短的垂直导轨时，可采用平板在槽内滑动的形式。其运动形式为：防护板在固定的支承板上移动。支承板的一侧弯曲，以防切屑掉入导轨。防护板用青铜板条导向。防护板的最后面一块固定在床身末端。在其余防护板周围有板条。与前一个防护板的板条配合用以导向。此外，板条还可以做防护板之间的密

46、封（约0.30.4mm）。板条也可以放在防护板内侧。所有板条都铆接在防护板上。二. 横梁导轨横梁导轨采用矩形与燕尾形的组合，其结构形式如下图，其结构特点：采用矩形导轨来承受较大的颠覆力矩，用燕尾导轨作侧导向面，减少一个压板接触面，调整间隙简便，卡紧容易。由于移动的滑枕较重，垂直向上的切削力相对来说较小；移动部件的重量作用在矩形导轨顶部水平面上，并且一部分重量由体重块装置来承担，这就减少了该面上的比压，同时卸荷力产生的力距可减少重力产生的颠覆力矩。第四节 丝杠螺母的设计一. 概述丝杆螺母传动的特点：（1） 用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。（2） 可达到很大

47、的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。（3） 能达到较高的传动精度。用于进给机构时，还可兼作测量元件。（4） 传动平稳，无噪声。（5） 在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。此特点特别适用于作部件升降传动，可防止部件因自重而自动降落。1. 丝杆螺母传动的导程、效率和驱动扭矩的计算（1） 导程S 丝杠螺母传动时，当回转件的转速为n(r/min),移动件的线速度为v(m/min)时，则丝杠的导程S S=1000v/n(mm) 设螺纹头数为k,则s=kt,t为螺距。当k=时，s=t. s=1*10=10 mm(2)效率正传动效率，即由回转运动转换为直线运动的效率为： tg/tg(

48、+) 式中 中径处的螺纹升角（deg）,tg=s/d2 d2螺纹中径（mm）；当量摩擦角(deg)。对滚珠丝杠：tg-1f/dosina, 一般为812式中 a滚珠与滚道的接触角(deg)，一般a=450; do滚珠直径(cm); (查表5.735) f-滚动摩擦系数（f=0.001cm）查表5.735 tg=3039 8.17 0.97397.3%（3） 驱动扭矩由参数可知纵向进给电机扭矩为39Nm二. 滚珠丝杠螺母传动1.工作原理和特点滚珠丝杆螺母传动时在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。它由丝杠、螺母、滚珠、及滚珠循环返回装置等4个部分组成。

49、 图11 滚珠丝杠当丝杠和螺母相对运动时，滚珠就沿丝杠螺旋滚道面滚动。为防止滚珠沿滚道面滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后，能通过这个装置自动地返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母传动的优点：（1） 摩擦小，效率高。一般情况下，它的机械效率在90以上，约比滑动丝杠传动的机械效率高24倍。因此，在同样负荷下，驱动扭矩较滑动丝杠减少2/33/4。同时它的逆传动效率也很高，接近于正传动效率，因此它可以较容易地把旋转运动转换为直线运动。（2） 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相对极小，无论是静止，还是高、低速时，摩擦扭矩几乎不变，因而灵敏度高，传动平稳。（3） 磨损少、寿命长

50、。滚珠丝杠副中的主要零件，如丝杠、螺母、滚珠和滚珠循环返回装置中部分零件，均经热处理，并有横傲的表面光洁度，再加上滚动摩擦的磨损很少，因而具有良好的耐磨性。（4） 可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其摩擦小、效率高，预紧后仍能轻快地传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，是反向时无空行程，且可通过预紧给予一定的预紧变形来提高轴向刚度。滚珠丝杠螺母传动的缺点：（1） 不自锁。因其逆传动效率很高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不允许产生逆传动的地方，如横梁的升降系统等，必须增设制动或自锁机构。（2） 结构较复杂，工艺性差，成本高。2.材料及热处理滚珠丝杠副的零件材料及热处理可按下表零件名称 材

51、 料 热处理与硬度滚珠丝杠GCr15,GCr15SiMn G60 C60 CrWMn,9Mn2V C5638CrMoAlA D-850 50(限用于P级精度) G56滚珠螺母 GCr15，CrWMn C60 内循环用反相器 40Cr D-HRC56外循环挡珠器 45，65Mn =HRC56具有抗腐蚀性的滚珠丝杠 9Cr18 中频加热表面淬火4. 预紧为了消除轴向间隙，提高轴向刚度，对滚珠丝杠副常采用双螺母预紧，预紧后的丝杠与螺母的接触刚度近似为常数，（若刚度为常数，其谐振频率也为常数，这样有利于闭环系统数控机床的调试）。（1） 预紧力的确定预紧力一般为最大轴向载荷的1/3。当预紧力小于这个数值

52、时，在最大轴向载荷作用下，不仅非工作螺母的预紧变形将完全恢复，而且将产生间隙。但预紧力过大，将使效率和寿命降低，驱动扭矩增加。但出现最大轴向载荷的机会很少，且此时略有轴向间隙，对工作无多大影响时，预紧力可以小于最大轴向载荷的1/3。这对效率、寿命和驱动扭矩均有利。当预紧力为最大轴向载荷的1/3时，在轴向载荷作用下，丝杠与螺母的接触变形量比无预紧力是减少一半。 Pa=Nf Py=1/3Pa式中 Pa-最大轴向载荷（Mpa） Py-预紧力（kgf） N移动部件的最大重量（kgf） f-导轨摩擦系数，f=0.05(查表5.723)其中 N=20000(kgf) Pa=20000*0.05=1000

53、(kgf) Py=1/3*1000=333(kgf)(2)预紧后的附加摩擦扭矩双螺母预紧后，使摩擦力增加，引起的附加摩擦扭矩My为：MyPyS(1-2 )/2 (kgf.cm)式中 Py预紧力（kgf）； S-导程（cm）； 未预紧时的效率其中 Py333(kgf) S=1(cm) =97.3% My=3.2(kgf)(3)预紧后的传动效率滚珠丝杠副预紧后的传动效率y 为：y /1+(1-2)/n0式中 n0 预紧系数，n0 Pa/Py; Pa,Py, 意义同上式其中 0.97 n0 1/3y 0.95195.15. 安装（1） 支承方式实践证明：螺母座、轴承及其支架的刚度不足，将严重影响滚珠丝杠副系统的刚度。为此，螺母座和轴承支架宜增添加强筋，以减少受力变形；另外，它们与工作台或床身的接触面积要大，要有足够的接触刚度；联接螺钉要粗而紧；定位销要紧密配合，以免松动。由于丝杠主要承受轴向力，大多采用推力