定梁式数控雕铣机结构设计-说明书

1、编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 定梁式数控雕铣机结构设计定梁式数控雕铣机结构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 秦友蕾 指导教师： 黄 敏（职称： 副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）定梁式数控雕 铣机结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用， 表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已

2、发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者姓名： 年 月 日 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 定梁式数控雕铣机结构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 数控雕铣机是一种具备雕刻和铣削加工功能的数控机床，被广 泛地应用于模具工业、零件精密加工等行业。随着模具工业和工艺 美术品制造业的快速发展，国内外市场对数控雕铣机的需求不断扩 大，特别是高端的数控雕铣中心，需求更为旺盛对于很多人而言,数 控雕铣机的概念还比较陌生。但是

3、实际上,很多消费者已接触到雕铣 机的应用。比如 iphone4 的外壳就是通过数控雕铣机直接加工出来 的。 数控雕铣机(CNC engraving and milling machine)是数控机床的 一种。一般认为数控雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机 的数控铣床。雕铣机的前身是雕刻机,雕刻机的优势在雕,如果加工 材料硬度比较大也会显得力不从心,而如果采用高速加工中心来加工 这应运而生。雕铣机的出现可以说填补了两者之间的空白。数控雕 铣机既可以雕刻,也可铣削, 是一种高效高精的数控机床,是我国高 端制造业的新产品。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的

4、要求： （1）了解数控雕铣机的工作原理，国内外的研究发展现状； （2）完成定梁式数控雕铣机的总体方案设计 （3）完成零部件的选型计算、结构强度校核； （4）熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折 合 A0 不少于 3 张； （5）完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 秦友蕾 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名

5、 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长签名签名 系主任系主任 签名签名 年年 月月 日日 摘摘 要要 雕铣机的出现弥补了通用数控机床 （铣床、钻床等）加工功能单一，加工中心加工 小型产品成本过高的不足。数控雕铣机既可以雕刻,也可铣削, 是一种高效高精的数控机 床，为我国制造业的发展提供了一种性价比很高的新型机床产品，是我国机床工业中的 新产品 本文介绍数控雕铣机机械结构设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计， X 向和 Z 向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了电主轴机 械结构，电主轴的冷却和润滑的方式，3KW 主轴安装座的机械机构。Z

6、 向进给传动系统 中主要分析了丝杠、轴承，导轨的安装。计算主要有：主轴切削力计算，主轴系统重力 计算对滚珠丝杠的选择计算和 Z 轴伺服电机的选择计算支承轴承的选择。最后完成机床 装配图、部装图、零件图等。 关键词：数控雕铣机；电主轴；伺服电机；滚珠丝杠；导轨 Abstract The Emergence of engraving and milling machine makes up for deficiencies of general CNC machine tools (milling machine, drilling machine , etc.) .The shortcoming

7、s are single processing function and high cost of machining center processing of small products . The CNC engraving and milling machine,a highly efficient high-precision CNC machine tools, can not only be used to sculpturing but also milling providing a highly valued new machine products for the dev

8、elopment of Chinas manufacturing industry ,which is the new product of new-style high-end manufacturing industry in Chinas machine tool industry. This paper introduces the design process of the mechanical structure on the CNC engraving and milling machine , including the overall program design of th

9、e machine tool, the design of the main drive system in X and Z axis to the feed the transmission system of mechanical structure . In the design of the main transmission system, this paper mainly analysis the mechanical structure of electric spindle ,the way of cooling and lubrication of the electric

10、 spindle , a mechanical mechanism of 3 kW spindle soleplate , the feed drive system in the Z direction mainly analysis the installation of the screw, guide rail bearing, and the relevant fixing and supporting . There are calculation of spindle cutting force, calculation of spindle system of gravity

11、,calculation of the choice of ball screw , calculation of Z axis servo motor selection and calculation of the rolling bearing selection. Finally, complete machine assembly drawing, part assembly drawing, part drawing etc. Key words: CNC engraving and milling machine; spindle; servo motor; ball screw

12、;Guide; 目目 录录 摘 要.III ABSTRACT.IV 目 录 .V 1 绪 论.1 1.1 数控雕铣机的概述.1 1.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较.1 1.3 雕铣机与雕刻机的比较.2 1.4 国内数控雕铣机的发展和现状.3 1.5 本章小结.6 2 数控雕铣机总体方案设计.7 2.1 机床总体结构设计.7 2.2 主运动方案设计.8 2.3 进给运动方案设计.9 2.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式.9 2.3.2 以上几种传动方案的简介和比较.9 2.4 本次设计主要技术参数.10 2.5 本章小结.10 3 主轴部件设计.11 3.1 电主轴的基本结构.1

13、1 3.2 主轴系统的计算.11 3.3 主轴设计.13 3.4 轴承选用及寿命校验.14 3.4.1 轴承受力分析.14 3.4.2 轴承寿命检验.14 3.4.3 轴承的寿命 L.16 3.5 电主轴的冷却与润滑及安装.16 3.6 本章小结.17 4 Z 向进给传动设计计算.18 4.1 滚珠丝杠副的选择.18 4.2 Z 向进给伺服电机功率的计算及选择.23 4.3 滚珠丝杠的支承结构及制动装置.27 4.4 联轴器的类型和选择.28 4.5 Z 向导轨.28 4.6 本章小结.29 5 X 向进给运动计算 .30 5.1 滚珠丝杠的选型与校核.30 5.1.1 计算丝杠最大动载荷.3

14、0 5.1.2 滚珠丝杠螺母副的选型.30 5.1.3 传动效率计算.30 5.1.4 刚度计算.30 5.1.5 稳定性校核.31 5.2 电动机的计算与选型.31 5.2.1 初选步进电动机.31 5.2.2 校核步进电动机转矩.32 5.3 本章小结.34 6 结 论.35 6.1 课题研究的主要结论.35 6.2 展望.35 致 谢.36 参考文献.37 附 录.38 1 绪绪 论论 1.1 数控雕铣机的概述数控雕铣机的概述 雕铣机的前身是雕刻机，雕刻机的优势在雕，不适合加工材料硬度比较大的材料， 随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的 更新换代也

15、不断加快，因此采用雕铣机来加工应运而生。数控雕铣机既可以雕刻，也可 铣削，是一种高效高精的数控机床，是我国高端制造业的新产品。数控雕铣机主要用于 雕、铣各种型腔模具，也可以用于各种工艺品、凹凸图案的加工，可加工各种钢材、铝 材、铜材或非金属材料等。 从工作原理来讲，雕铣机是数控钻铣组合机床，但由于它主要用来“雕刻” ，因此机 床结构、雕刻加工工艺及雕刻 CAD/CAM 软件的功能与数控铣床都有很大的差异， “CNC 雕铣”是一项独特的新型数控加工技术。雕铣机的出现填补了两者之间的空白，弥补了 通用数控机床（铣床、钻床等）加工功能单一，和加工中心加工小型产品成本过高的不 足，为我国制造业的发展提

16、供了一种性价比很高的新型机床产品，是我国机床工业中的 新军。 CNC 雕铣机主要由雕铣机床、电控柜、数控系统三个基本部分组成，数控系统 处理解释雕铣 CAD/CAM 软件生成的 NC 代码，发出加工控制指令，指挥雕铣机进行各 种复杂的加工动作，完成雕铣产品的加工。电控柜雕铣机的驱动和信号检测部分， 根据数控系统发送的控制的控制指令连接驱动雕铣机本体产生机械运动，并对雕铣机的 各种状态进行检测、反馈给数控系统进行识别和处理。雕铣机床雕铣机的机械设备 部分，通过它完成雕刻、铣削、切割和钻孔等各种加工方式的机械加工1。 近年来在模具加工行业中，为了避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹， 人们一

17、直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，在这些模具加工中 高速铣削方式具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，在模具 加工中高速数控铣床的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高， 所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具高速数控雕铣机。 通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。 数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅 具有高表面加工质量的精细雕刻功能，同时具有高效率强力粗铣半精铣加工能力,使良好 表面质量和高效率得以有机统一2。 1.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较数控雕铣

18、机和数控铣床及加工中心的比较 在国外很早就有雕铣机的名词 （CNC engraving and milling machine），严格地 讲雕是铣的一部分 3。 （1）应用对象的区别 1）雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工或对软金属的加工，大部分用于模 具行业。 2）数控铣床主要用于完成较大铣削量的工件的加工设备 ，硬度比较高的材料，大 型的模具，也适合普通模具的开粗 ，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的 加工。 3）控铣加工主要面向规则的工件，平面加工区域比较开阔，而曲面比较光滑但是雕 铣加工除了加工数控铣类似的小区域或小曲面外，还要加工随意的平面图形和跌荡起伏 的纹理曲面，比

19、如加工一些网格曲面等。雕铣加工的图形必须比较精细，比如雕铣加工 时常加工 0.1 毫米的薄壁，雕刻加工路径的计算精度一般是传统的数控铣的 5 倍左右4。 （2）从机床的主轴转速分析 1）雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速 150030000RPM 左右。 2）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速 08000RPM 左右。 （3）结构上讲 1）加工中心一般采用悬臂式 。 2）雕铣机和雕刻机一般多用龙门式架构，龙门式又分为栋梁式和定梁式，目前雕 铣机以定梁式居多。 （4）从机床采用的数控系统的角度来看 1）雕铣机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。 2）数控铣床对数控系统的要求：操作方

20、便，稳定可靠，修方便等，现在市场上的数 控系统主要集中在 FANUC 和 MITISUBISH 及西门子控制器。 综上所述：雕铣机进行一些小切削量的铣削。而数控铣床大部分在机械加工行业中 使用。 1.3 雕铣机与雕刻机的比较雕铣机与雕刻机的比较 雕刻机：它主轴转速高 ，矩比较小， 适合小刀具的加 ，着重于“雕刻”功能， 例如木材（专门加工木板的称为木雕机）亚克力板、双色板、等硬度不高的板材，不 太适合强切削大工件。目前市面上的 用于大多数加工工艺品为主 的是雕刻机，成本 低，由于精度不高，不宜用于模具开发；但也有例外的例如晶片雕刻机 5。数控雕铣 机是在雕刻机的基础上加大了床身承受力， 伺服电

21、机、主轴功率，同时保持主轴的 高速，更重要的是精度很高。雕铣机还向高速发展，一般称为高速机，加工精度非 常高，切削能力更强，还可以直接加工硬度在HRC60 以上的材料，一次成型。 （1）从用途上分：雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕 刻，雕刻一次进刀深度约在 1mm3mm 左右，在标牌、标志方面应用较为普遍。 （2）从机械构造方面：雕刻机的设计轻巧，X、Y 轴移动速度快，Z 轴行程较短，适 合雕刻 5mm8mm 的材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平 3mm 以下的薄板材。雕刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以此使转速增大，这样雕 刻出来的工件质量就较

22、为光滑，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。 （3）外观体积方面: 雕铣机比较大型的 750 型机一般在 2.2m*2m，雕刻机较小。 雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂铣。例如做三维雕刻，尽管落 差很大，但 200mm 宽材料可一次完成，一次进刀量相当大。雕铣机可供选用的刀具直径 规格从 1mm16mm，其刀具长度为 50mm80mm。我们可以灵活使用，装细刀干细活， 装粗刀干大活。由于机器设计注重重型负载，机架刚性大，Z 轴行程大，因此不仅可以做 小型雕刻机的工艺，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达 20mm30mm，这是雕刻 机根本做不到的工艺制造。 1.4 国内数控

23、雕铣机的发展和现状国内数控雕铣机的发展和现状 改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长，近年来 尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，现今模具业流行谈 论高速铣床对模具加工影响，高速加工论说甚多，尤其在中国市场，模具行业飞速发展， 对于能加快模具生产之机床，需求极高，因此高速铣床理论成为热点所在,最近的一两年 综合铣削与高速雕刻优点的 CNC 雕铣机在国内有了较大的发展4。 CNC 雕铣特有的专业优势为：“小刀具的快速铣削” ，擅长做“常规大刀具无法加工 的业务” 。目前，在下述行业中 CNC 雕铣方式用得较为得心应手：模具雕刻业和广告雕 刻业。

24、（1）模具行业-小刀具独领风骚 CNC 雕铣在工业领域中应用最广泛的是模具业，在模具生产过程中 CNC 雕铣不是主 要加工方式和生产手段，但其作用却非同一般，可谓是“画龙点睛” ，这是由雕刻对象的 “图案、文字和复杂的曲面”特点所决定，当前 CNC 雕铣在模具雕刻领域主要的业务为： 1）紫铜和石墨电极加工 2）五金冲模和精密冲头加工 3）鞋材模具和鞋底模型加工 5）钟表零件加工和轻型 CNC 加工 6）压花（皮纹、花纹）辊轮和圆柱体工件雕刻 7）首板（手板、样板）模型加工 （2）广告雕刻精雕细刻、力求创意 CNC 雕刻在广告主要应用于沙盘模型、广告标牌和文字标志的制作，这些业务在雕 刻工艺上相

25、对简单，关键是在效果表现上，而且主要突出的是“精雕细刻和求新创异” 。 国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东 佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻 CAD/CAM 技术、 CNC 数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进 技术向产业化的转化5。 典型的数控雕铣机如下: （1）横梁移动式数控雕铣机 横梁移动式，工作台不移动，承载工件可达 5 吨以上，尤其适合汽车保险杠等特大 模具的加工；横梁移动式，机床运行惯最性，机床使用寿命大提高；使加工的表面光洁 度在提高；机床主体高强度树脂砂铸件，体稳吸震耐用；台

26、湾产滚珠丝杆及精密锁紧螺 母；进口轴承与联轴器，台湾新代 900M 系统。如图 1.1 所示： 图 1.1 横梁移动式数控雕铣机 主要技术参数，如表 1-1： 表 1-1 横梁移动式数控雕铣机的主要技术参数 技术参数 项目 SYDX800SYDX1200 工作台面积9601540mm12001540mm X、Y、Z 行程8001400500 mm12002000500 mm 主轴端面到工作台距离356856mm420820mm 龙门宽度1130 mm1620 mm 最大可通过工件高度800 mm850mm 最大承载800kg1000kg 主轴型号松野水冷电主轴（可选台湾产高精密主轴） 主轴功率

27、4kw/5.5kw 主轴最高转速18000/24000rpm/min 主轴锥孔ER25/ER32 最大快移速度10000mm/min 最大加工速度6000mm/min 重复定位精度0.005 /300mm 定位精度0.01/300 mm 数控系统台湾新代 900M （2）龙门式数控雕铣机 如图 1.2 所示： 图 1.2 龙门式数控雕铣机 主要技术参数，如表 1-2 所示： 表 1-2 龙门式数控雕铣机主要技术参数 机器型号X.GRAPH 600 CNC 行程 X 轴/Y 轴/Z 轴600/400/250mm 主轴端面至工作台距离50-300mm 工作台尺寸600400mm 最大承重300kg

28、 T 型槽宽度12mm T 型槽间距63mm T 型槽数量4 主轴额定功率2.2KW 主轴转速3000-24000rpm 主轴锥度规格ER20 主轴冷却系统水冷 快速移动速率10000mm/min 切削进给速率5-3000mm/min 数控系统（标准配置）Syntec controller (or KNUTH GPlus 450) 定位精度0.004mm 重复定位精度0.003mm 润滑系统自动润滑(32#油) 龙门宽度720mm 轴向电机连接方式直联 气压0.6Mpa 机器重量2000kg 机器外形尺寸160016002000mm 电源AC380V/3PH,50Hz 总功率6KW 1.5 本

29、章小结本章小结 本章主要介绍了雕铣机的概念以及与雕刻机，加工中心等的区别，雕铣机的应用前 景以及国内外雕铣机发展的趋势，紧接着介绍了两种典型的雕铣机以及它们的主要参数。 2 数控雕铣机总体方案设计数控雕铣机总体方案设计 2.1 机床总体结构设计机床总体结构设计 现在流行的雕铣机工作台主要有两种，第一种是刀具作X方向和Z方向的移动即定梁 式结构。第二种则工作台作X，Y方向的移动，而刀具只作Z方向的移动即动梁式结构。 理论设计上，数控模具雕铣机总体结构布局如图2.1和2.2所示。 1-Y 轴工作台（整体式） ，2-主轴组建，3-主轴冷却泵及冷却液泵站，4-立柱，5-X-Z 轴二维工作台 （横 梁）

30、 ，6-操作及控制 图 2.1 定梁式数控雕铣机布局设计图 1-床身，2-Y 轴工作台，3-横梁，4-拖板，5-电主轴，6-刀具，7-工作台 图 2.2 动梁式数控雕铣机布局设计图 结构1的优点是制作容易，结构稳定。但由于工件随工作台移动，所以不能加工太重 的工件，而且雕刻机尺寸不能太大。结构2虽然制作也较容易，然而稳定性要比结构1差 很多。由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便，加工工件的质量也是比较 轻，因此选用结构1。 本设计中，数控雕铣机选用龙门式定梁式结构。该结构具有良好的刚性和对称性，一 直是高速切削设备的首选结构。为克服不良力矩的问题，从整体布置保证机床的刚性， 采用较宽

31、的立柱和横梁，尽量加宽了 X、Y、Z 三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，尽 量加粗导轨和丝杆5。在该结构中，在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计 的结构和缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金制造，减轻整机重量， 防护件用塑料件制造，用标准的紧固件和定位销连接6。 本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成，因为铸铁具有良好的稳定性、吸振性和 耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，采用箱形结构，内部筋板采用米字 型筋配合的网状结构，确保了对 Y 轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳 定性可达最好。为了加强刚性，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加 工

32、，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。 2.2 主运动方案设计主运动方案设计 主轴的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接传动等。主轴传动方式的选 择主要决定于主轴的转速、所传递的转矩、对于平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修 方便等要求7。 （1）齿轮传动，特点：结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，能适应变转速、变载 荷工作，应用最广。缺点：线速度不能过高，通常小于 12m/s，不如带传动平稳。 （2）带传动，特别适用于中心距较大的两轴间传动，传动平稳，噪声小，适宜高速 传动。带传动在过载时会打滑，不能用在速比要求准确的场合。同齿形带传动的优点： 无相对滑动，传动比准确，传动精度高；不需

33、要润滑，耐水、耐腐蚀，能在高温下工作， 维护保养方便；传动比大，可达 1:10 以上。缺点：制造工艺复杂，安装条件要求求高。 （3）电动机直接驱动，而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动” 。可将主轴与电动机制成一体，使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，有效的提高 了主轴部件的刚度，简化机床设计，易于实现主轴定位，其缺点是温升和散热问题。 目前，随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械 结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。用电动机通过带轮或齿轮 等方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加 工表面粗糙度

34、，而产生的噪声导致环境质量的恶化，将电动机内置，省掉齿轮、带轮等 一系列中间环节，将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小可提高主轴系统的刚度， 也就提高了系统的固有频率、从而提高了其临界转速值。由于没有中间传动环节的传动 冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使得主轴轴承的使用寿命相应得到延长。电 主轴与传统的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，这样便于把它用在多轴联动 机床、多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床上8。 2.3 进给运动方案设计进给运动方案设计 2.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式数控机床进给传动系统的基本形式 数控机床的进给运动可以分为两大类：（1）直线运动；（2）

35、圆周运动。 在数控机床上，实现直线进给运动主要有三种形式： 1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将电动机的旋转运动变为直线 运动。 2）通过齿轮、齿条副，将电动机的旋转运动变为直线运动。 3）直接采用直线电动机进行驱动。 2.3.2 以上几种传动方案的简介和比较以上几种传动方案的简介和比较 （1）滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副具有传动无间隙，传动精度高且平稳的优点。在现代机床业中采用 较多，但是在 Z 向进给运动中有不能自锁的缺点3。 （2）静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母接触面之间，产生一层保持一定厚度，且 具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母由边界摩擦变为液

36、体摩擦。静压丝杠螺母的优 点是：摩擦系数很小，其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。油膜可以吸振，提高 了运动的平稳性。机床的加工精度和光洁度高。缺点是：静压丝杠螺母副应有一套供油 系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。 （3）齿轮齿条副 大型数控机床不宜采用丝杠传动，因为制造长丝杠成本较大，而且容易下垂弯曲， 影响传动精度；同时也降低了扭转刚度与轴向刚度。如果加大丝杠直径，则转动惯量增 大，不易保证伺服系统的动态特性，故常用齿轮齿条副。 齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直 线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传

37、动精度不高，而且还不能自锁。 采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小时，也可采用双片 薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大 时，可采用双厚齿轮传动结构。 （4）直线电动机驱动 采用直线电动机驱动具有以下优点：不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实 现直线运动，因此，它大大简化了进给系统结构，提高了传动效率。旋转电动机无法避 免必须通过丝杠、齿条转换成直线运动等转换机构，降低了传动环节对精度、刚度、快 速性和稳定性的影响 直线电动机的缺点：主要表现在起动推力受电源电压的影响较大，故对驱动器的要 求较高，应采用措施保证或改变电动机的有

38、关特性来减少或消除这种影响直线电动机的 效率和功率因数要低由于电动机直接和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以防止磁 力和热变形对加工的影响 综上所述，本次进给机构采用滚珠丝杠副作为传动系统。 2.4 本次设计主要技术参数本次设计主要技术参数 如表 2-1 所示： 表 2-1 定梁式数控雕铣机主要技术参数 序号项目参数单位 1工作台尺寸（X/Y）500*480mm 2最大行程（X/Y/Z）400*400*150mm 3最大工件尺寸（X/Y/Z）460*600*200mm 4最大刀具直径（ER20）13mm 5最大进给速度6m/min 6主轴电机功率3kW 7主轴电机转速范围1500-24000

39、n/min 8分辨率0.001mm /p 9定位精度0.008mm 10重复定位精度0.005mm 11外型尺寸1500*1200*1800mm 12机器净重1400kg 13电源电压AC380V5V 14机器总功率5kW 15机器轴联动数3轴 16龙门宽度650mm 17装料高度170mm 2.5 本章小结本章小结 本章主要是总体方案的设计比较和选择，首先对龙门定梁式结构和龙门动梁式结构 这两种总体结构方案进行分析和比较，最后确定龙门定梁式结构，以及提高雕铣机的刚 度和稳定性的措施。对主运动设计方案分析比较，最后决定采用电主轴的形式，对进给 运动设计方案的比较分析，确定采用伺服电机和滚珠丝杠

40、副将旋转运动变成直线运动的 形式的方案。最后确定雕铣机的技术参数。 3 主轴部件设计主轴部件设计 主轴部件是机床的重要部件之一。作为机床的执行件，它的功能是支承并带动工件 或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。 数控机床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加 工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、 功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也应适中。要满足这些要求， 主轴的制造及动平衡、主轴的支承（轴承） 、主轴系统

41、的润滑和冷却、主轴系统的刚性等 是很重要的7。 3.1 电主轴的基本结构电主轴的基本结构 高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计 和制造。电主轴基本结构原理如图 3.1 所示。 图 3.1 电主轴的结构原理图 电主轴转速的实现是通过变频器改变电动机电源频率来控制电主轴的转速，把主轴 的转速从 1500 至 24000r/min，实现无级转速。变频器是通过电脑给的信息，发出一种脉冲， 通过脉冲来实现 1500 至 24000r/min 的不同转速8。 其变频器的工作原理是： s)/p60f(1n （3.1） 式中：n 为异步电动机的转速；f 为异步电动机的频率；

42、s 为电动机转差率；p 为电动 机极对数。 由公式（3.1）可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机转速， 当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改 变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 3.2 主轴系统的计算主轴系统的计算 主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据图纸分别计算 3KW 主轴安装座、滑块和拖板的体积 V 及其重力 G。 查表 1-812，可知灰铸铁的密度 HT250=7.0 103(kg/m3) ,工业用铝合金的密度 铝合金 =2.7103(kg/m

43、3)； 3kW 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算： V1=(268155200-502200-20.54040200-212554200)10-9 3.7210-3m3 G1=m1g=铝合金 V1g （3.2） =2.71033.7210-39.8 98.43N 滑块体积 V2及重力 G2计算： V2=(27096730-16081246-12981570-24048570-2973157)10-9 7.2510-3m3 G2=m2g= V2g 250HT =7.01037.2510-39.8 =493.75N （3.3） 拖板体积 V3及重力 G3计算： V3=(24227505+49

44、07212-1802006-702554-1208642)10-9 3.2410-3m3 G3=m3g= V3g 250HT （3.4） =7.0 1033.2410-39.8 222.26N 表 3-1 主轴系统的重力计算值 计算项计算值 3KW 主轴安装座98.43N 滑块493.75N 拖板222.26N 数控雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。 主铣削力 Fc 计算： 数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材，查表4， 选用公式： Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap （3.5） 式（5-1）中 CF：切削系

45、数。查表 30204 取 CF=669 KF：修正系数。查表 30214 取 CF=1.08 ae：铣削宽度。查表 30354 取 ae=1.6mm af：每齿进给量。查表 30354 取 af =0.1mm d0：铣刀直径。 查表 30354 取 d0 =6mm Z： 铣刀齿数。查表 30354 取 Z =6 ap：铣削深度。查表 30354 取 ap=0.5mm 代入式（5-1）得： Fc=6691.081.60.860.10.726-0.8660.5 132.53N 垂直分力 Fz、横向分力 Fx，纵向分力 Fy 计算： 根据表 8-67，各铣削分力的比值可得： ； ； 85. 0 x

46、c F F 77 . 0 y c F F 38 . 0 z c F F 计算可得： =112.65N； =102.05N ； =50.36N；FxFyFz 表 3-2 主轴铣削力相关计算值 计算项计算值 主铣削力 Fc132.53N 横向分力 Fx112.65N 纵向分力 Fy102.05N 垂直分力 Fz50.36N 3.3 主轴设计主轴设计 主轴前、后轴颈的设计:查金属切削机床手册下册图 4-289得： 前轴颈： mmD50 1 后轴颈： mmDD4874 . 0 12 主轴内孔直径：根据d5 . 0 D d 有 mm DD Dd225 . 0 2 )( 5 . 0 21 主轴前端悬伸量：

47、a ，取 1.15 . 16 . 0 1 D 故有mmD551 . 1 1 主轴跨距： 按有关计算公式： mmNDKA/1087 . 5 1700 54 . 1 1 取 ，即 1.4 A B K K mmNKB/102 . 4 5 45 4444 105 . 4 64 )2856( 64 )( mm dD I 计算综合变量： 47 . 0 551087 . 5 105 . 4102 35 55 3 aK EI A 52 2 10/EN mm 确定最佳跨距： 查金属切削机床图 4-31，在横坐标上找的点向上作垂直线与的46 . 0 1.4 A B K K 斜直线相交得4 . 2 0 a L 14

48、8.5mm1.125184.4L5 . 175 . 0 132774 . 24 . 2 0 0 ）（合理L mmaL 取 L=300mm 3.4 轴承选用及寿命校验轴承选用及寿命校验 主轴前端用双列短圆柱滚子轴承，查机械设计手册表 12-27选型号为 NU208 GB/T283-1994 后端用角接触球轴承，才用背靠背，查机械设计手册表 12-27选型号 7210C/DB GB/T292-1994 3.4.1 轴承受力分析轴承受力分析 轴承受力如图 3.2 所示。 图 3.2 受力示意图 Q切削时，主轴所受的径向力，151.93 N 受力分析可得： 54.4293.15147.194 47.1

49、94 250 )70250(93.151 QFF F AB A 3.4.2 轴承寿命检验轴承寿命检验 主轴前端采用双列短圆柱滚子轴承 NU208 GB/T285-1994，只承受径向力，额定动载 荷为 76600N7 轴承所受的当量动载荷 r P 根据 rp Pf P 式中： pp ff 载荷系数，取1. 5 故NP 7 . 29147.1945 . 1 轴承寿命 L 根据 16667 r r C L nP （） 式中：基本额定动载荷，76600N r C 主轴转速，取 3000r/min n 轴承寿命指数，滚子轴承 10 3 故 安全。hhL150001021 . 5 7 . 291 766

50、00 3000 16667 7 3 10 主轴后端支承是采用角接触球轴承 7210C /DB GB/T292-1994 轴承的轴向派生力，如图 3.3 s F 图 3.3 派生力受力图 径向载荷 =151.93N R F R F 轴向载荷 a FNFa39.44336.5075.493 由图 3.3 可知， 轴向派生力 37.89 85 . 0 2 93.151 11 sa FF 由图分析，轴承 1 被放松，所以它的轴向负载即为派生轴向力 37.89 85 . 0 2 93.151 11 sa FF 即轴承 2 被压紧，所受的轴向负载 =532.76 2a F 每个轴承的当量动载荷 r P 因

51、为 e F F r a 01 . 7 2 93.151 76.532 2 2 故取 x=0.72，y=1.63 有： 88.1257 )32.49063 . 1 2 35.109 72 . 0 (5 . 1 )( 222 arpr yFxFfP 又因为 1 1 64.32 1.1760.56 109.35 2 a R F e F 故取 x=0.72，y=1.63 有： 31.216 )32.6463 . 1 2 35.109 72 . 0 (5 . 1 )( 111 arpr yFxFfP 3.4.3 轴承的寿命轴承的寿命 L 根据 16667 r r C L nP （） 式中：基本额定动载荷

52、， r C 4 3.92 10 N 当量动载荷Pr 轴承寿命指数，球轴承=3 n主轴转速，3000r/min 轴承 1 寿命：hhL1500092.126021) 6 . 1384 1092 . 3 ( 3000 16667 3 4 1 轴承 2 寿命： hh L 150001022 . 4 ) 55.300 1092 . 3 ( 3000 16667 7 3 4 2 4 3 16667 3.92 10 2000216.31 2 轴承2寿命：L（） 7 4.96 1015000hh 轴承 1、2 都安全 3.5 电主轴的冷却与润滑及安装电主轴的冷却与润滑及安装 电主轴不可避免的将会产生发热的问

53、题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷 或水冷系统。本机床电主轴采用水冷却，对电主轴的外壁通以循环冷却剂其冷却装置配 置在机床的后部。 电主轴的润滑方式有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式，可以根据不同情况下 的需要任选其一。当采用油雾润滑、油气润滑时，一般其相应的速度相对脂润滑要高。 因本机床主轴要求的最高转速相对较低(最高转速为 24000rmin)，故采用脂润滑5。 3KW电主轴安装座的3维造型如图3.4所示 图3.4 3KW电主轴安装座的3D建模 在电主轴系统上的安装如图3.5所示，通过三个M10内六角圆柱头螺钉将电主轴锁紧， 这种锁紧方式，夹紧可靠，操作简单。为了起到方便拆卸的作用

54、，在两个M10内六角圆柱 头锁紧螺钉之间，分别打两个M10的螺纹孔。其作用是在拆卸的时候，通过拧入M10的内 六角圆柱头螺钉，将距离为2mm的安装间隙扩大。 1电主轴；23kW主轴安装座；3M10内六角螺钉3；4Z向滑座；5Z向拖板；6M10螺纹孔 图3.5 电主轴安装图 3.6 本章小结本章小结 本章主要是主轴部件的设计，包括了电主轴主轴的设计，电主轴轴承支承的选择， 冷却润滑方式的选择，安装方式的设计。主要计算了主轴系统的重力，铣削力，主轴的 尺寸计算，主轴轴承寿命的计算和校核。 4 Z 向进给传动设计计算向进给传动设计计算 在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和定位精度以及工作平稳性，

55、在设计机 械传动装置时，通常需足够的刚度，不爬行，运动平稳，灵敏度高的要求。机床的精度 很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，数控雕铣机Z向进给系统采用 伺服电机，内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，Z轴方向上采用高精度直线导轨10。 4.1 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副的选择 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件。本机床Z向进给方向的滚 珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施， 完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就 好但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定Z轴滚珠丝

56、 杠的公称直径为25mm，导程为5mm11。 滚珠丝杠副的选择计算： （1）确定滚珠丝杠副的导程 Ph9 Ph = max max ni v （4.1） Ph：滚珠丝杠副的导程 mm vmax：工作台最高移动速度 m/min nmax：电机最高转速 r/min i：传动比 因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比 i=1 根据表 2-110的技术参数可知，v max =5m/min ； 根据电动机功率为 400W，查得10 nmax =3000r/min 代入式（4.1）得： Ph = 30001 5 =1.67mm 根据表 1 11选择导程为 5mm 的滚珠丝杠副 （2

57、）确定当量转速与当量载荷 当量转速9 nm = 2 minmaxnn （4.2） nm：当量转速 r/min nmax：滚珠丝杠副的最高转速。传动比 i=1，电动机所能达到的最高转速即为滚 珠丝杠副的最高转速，所以 nmax =3000r/min nmin：滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0 代入式（4.2）得： nm =1500r/min 30000 2 当量载荷 Fm = 3 2 minmax FF （4.3） Fm：当量载荷 N；Fmax：机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。 Fmax= G1+G2+G电主轴+=690.18+0.1102.05=700.385N。Fy Fmin：机器

58、空载时滚珠丝杠副的传动力。Fmin=G1+G2+G电主轴 =（98.43+493.75+98）N=690.18N 代入式（4.3）得： Fm= 3 18.690385.7002 696.98N （3）确定预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期工作时间 Lh（小时）计算： Cam = （N） 3 60 hmL n ca wm ff fF 100 （4.4） Cam：预期额定动载荷 N Lh：预期工作时间。查表-6 10 取 Lh=20000h。 fa：精度系数。根据初定的精度等级 P4，查表-7 10 取 fa=0.9。 fc：可靠性系数。一般情况下为 fc=1 fw：负荷系数。根据负荷性质选择，查

59、表-912取 fw=1。 代入式（4.4）得： Cam= 3 20000150060 19 . 0100 198.696 9420.43N 按最大载荷 Fmax计算 Cam=feFmax （4.5） fe：预加负荷系数。查表-1012 取 fe=4.5 代入式（4.5）得： Cam =4.5696.98=3136.425N 取以上 2 种结果的最大值 Cam =9420.43N （4）按精度要求确定最小螺纹底径 d2m 滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m m （）重复定位精度 3 1 4 1 m （）定位精度 4 1 5 1 m：最大轴向变形量 m 由表（2-1）可知，重复定位精度为 0.005

60、mm，定位精度为 0.01mm m=1.25m m=2m 取两种结果的小值 m=1.25m 估算滚珠丝杠副的底径 d2m 丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式 d2m210=0.078 E LF m 0 10 m LF 0 （4.6） d2m：最小螺纹底径 mm E：杨氏弹性模量。E=2.1105N/mm2 m：m=1.25m F0：导轨静摩擦力（N） F0 =0W（0为静摩擦系数） 。根据表-1013查得 0=0.2；W =G1+G2+G电主轴=690.18N F0 =0W =0.2690.18=138N L 为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离（mm） L 行程+安全行程+