Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設計含開題及3張CAD圖

Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設計含開題及3張CAD圖,Xk714,數(shù)控,銑床,床身,立柱,部分,設計,開題,CAD Xk714數(shù)控銑床床身及立柱部分設計 [摘要] 在現(xiàn)代工業(yè)中，數(shù)控機床的優(yōu)劣直接影響著生產率的高低和產品質量的好壞，它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位越來越高。本文主要是針對立式數(shù)控銑床床身、立柱、導軌及Z向進給系統(tǒng)的設計。床身和立柱是機床最重要的支撐件，它的好壞對數(shù)控機床有著決定性作用，設計中床身和立柱采用分離式結構；導軌為燕尾型導軌，主要是對運動部件起導向和支承作用；Z向進給采用半閉環(huán)系統(tǒng)進行控制，滾珠絲杠螺母機構進行傳動。經過設計，最終使立式數(shù)控銑床床身和立柱部分性能得到了極大的改善。 [關鍵詞] 數(shù)控銑床 床身 立柱 THE DESIGN OF VERTIAL CNC MILLING MACHINE BED AND THE COLUMN PART Abstract: In modern industry, CNC machine directly influence the level of productivity and product quality . Status is improved and became important more and more. This article is mainly directed the bed, column, and Z Guide to the feed system design of vertical CNC milling machine. The bed and column is the most important of support, it has a pair of CNC machine tools have a decisive role, Bed design and columns were used to structure; dovetail guideway for the type guide, the major components of the campaign with guidance and support; Z to feed semi-closed-loop control system, the ball screw drive nut agencies for transmission. After design, and finally to the vertical bed CNC milling machine and columns of the great performance improvements. Key words : CNC milling Machine bed Column 目 錄 1.緒論 1 1.1 數(shù)控機床的基本組成及加工原理 1 1.1.1 數(shù)控機床的產生 1 1.1.2 計算機數(shù)控的概念與發(fā)展 1 1.1.3 數(shù)控機床的基本結構及工作原理 2 1.2數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 3 1.2.1數(shù)字控制和數(shù)控機床的發(fā)展 3 1.2.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 4 2.總體設計 6 2.1立式數(shù)控銑床設計的基本要求和設計方法 6 2.1.1 基本要求 6 2.1.2設計方法 6 2.2機床設計步驟 6 2.3總體方案設計 7 2.3.1幾何運動設計 8 2.3.2機床總體結構方案設計 8 2.4機床主要參數(shù)設計 9 3.床身、立柱及Z方向系統(tǒng)的設計 11 3.1切削力計算 11 3.2床身設計 11 3.2.1床身材料的選擇 12 3.2.2.對床身結構的基本要求 12 3.2.3．床身的結構 12 3.2.4床身的截面形狀 12 3.2.5床身的剛度 13 3.2.6箱體封沙結構 14 3.3導軌的設計 14 3.3.1導軌材料選擇 15 3.3.2導軌的類型 15 3.3.3導軌間隙的調整. 15 3.3.4導軌的計算 16 3.3.5.導軌的潤滑與防護 18 3.4.滾珠絲杠副的計算及選用 19 3.4.1.滾珠絲杠的介紹 19 3.4.2滾珠絲杠螺母副的選擇計算 20 3.5 伺服電機的選擇及計算 23 3.6確定滾珠絲杠副型號 25 3.7聯(lián)軸器的選擇 29 3.7.1.聯(lián)軸器的介紹 29 3.7.2聯(lián)軸器的選用 30 4.檢測元件與數(shù)控系統(tǒng) 32 4.1位置檢測裝置的要求與分類 32 4.2位置檢測裝置的選擇 33 4.3數(shù)控系統(tǒng)的選擇 34 致謝 36 參考文獻 37 1. 緒論 1.1 數(shù)控機床的基本組成及加工原理 1.1.1 數(shù)控機床的產生 1、產生原因 機械產品日趨精密、復雜，改型也日益頻繁，對機床的性能、精度、自動化程度等提出了越來越高的要求。 在機械制造工業(yè)中，單件、小批量生產的零件約占機械加工總量的 70％～80％。為滿足多品種、小批量，特別是結構復雜、精度要求高的零件的自動化生產，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適于產品頻繁變化的“柔性”自動化機床。 2、產生過程 1947年美國帕森斯公司（Parsons）首先提出利用脈沖信號控制機床運動的的概念 1949年美國空軍資助，帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學院(MIT)合作開始研制。 1952年研制成功了世界上第一臺以數(shù)字計算機為基礎的數(shù)字控制(numerical control，簡稱NC)3坐標直線插補銑床，從而使機械制造業(yè)進入了一個新階段。 1.1.2 計算機數(shù)控的概念與發(fā)展 1.計算機數(shù)控的概念 （1）數(shù)控的概念 GB8129—1997中對NC的定義為：用數(shù)值數(shù)據(jù)的控制裝置，在運行過程中不斷的引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而對某一生產過程實現(xiàn)自動控制。 （2）數(shù)控機床（NC machine tools） 若機床的操作命令以數(shù)值數(shù)據(jù)的地式描述，工作還在改照規(guī)定的程序自動地進行，則這種機床稱為數(shù)控機床。 （3）數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是指計算機數(shù)字控制裝置、可編程序控制器、進給驅動與主軸驅動裝置等相關設備的總稱。為區(qū)別起見將其中的計算機數(shù)字控制裝置稱為數(shù)控裝置。 2．計算機數(shù)控的發(fā)展 先后經歷了電子管（1952年）晶體管（1959年）、小規(guī)模集成電路（1965年）、大規(guī)模集成電路及小型計算機（1970年）和微處理機或微型計算機（1974年）等五代數(shù)控系統(tǒng)。 前三代屬于采用專用控制計算機的硬接線（硬件）數(shù)控裝置，一般稱為NC數(shù)控裝置。，第四代數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)了采用小型計算機代替專用硬件控制計算機，這種數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)（omputerized numrical control，即 CNC）。自 1974年開始，以微處理機為核心的數(shù)控裝置（microcomcuperized numerical control即MNC）得到迅速發(fā)展。 我國從1958年開始研制數(shù)控機床，20世紀60年代中期進入實用階段。自20世紀80年代開始，引進日本、美國、德國等國外著名數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商的技術，使我國數(shù)控系統(tǒng)在性能、可靠性等方面得到了迅速發(fā)展。經過“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻關，我國已掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術的核心內容。目前我國已有數(shù)控系統(tǒng)（含主軸與進給驅動單元）生產企業(yè)五十多家，數(shù)控機床生產企業(yè)百余家。 1.1.3 數(shù)控機床的基本結構及工作原理 數(shù)控機床加工零件的工作過程分以下幾個步驟實現(xiàn)： （1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序。 （2）所編程序指令輸入機床數(shù)控裝置中。 （3）數(shù)控裝置對程序（代碼）進行翻譯、運算之后，向機床各個坐標的伺服驅動機構和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅動機床的各運動部件，并控制所需要的輔助運動。 （4）在機床上加工出合格的零件。 數(shù)控機床的基本結構如圖1．1．2所示，下面對其各組成部分加以介紹。 1．輸入裝置 數(shù)控加工程序可通過鍵盤，用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。還可由編程計算機用RS232C或采用網(wǎng)絡通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內部的存儲器，加工時再從存儲器中逐段調出進行加工。 2．數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的中樞。數(shù)控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經過數(shù)控裝置它的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進行規(guī)定的有序運動和動作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進行運動，即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求。因此要進行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標值，并向相應坐標輸出脈沖信號，控制各坐標軸（即進給運動各執(zhí)行部件）的進給速度、進給方向和進給位移量等。 3．驅動裝置和檢測裝置 驅動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅動機床的移動部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機構兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構。 檢測裝置將數(shù)控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置中。數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較，控制驅動裝置按指令設定值運動。 4．輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關量指令信號，經過編譯、邏輯判別和運算，再經功率放大后驅動相應的電器，帶動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟停，工件和機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉位分度等開關輔助動作。 現(xiàn)廣泛采用可編程控制器（PLC）作數(shù)控機床的輔助控制裝置。 5．機床本體 數(shù)控機床的機床本體與傳統(tǒng)機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。 1.2數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 1.2.1數(shù)字控制和數(shù)控機床的發(fā)展 微電子技術，自動信息處理，數(shù)據(jù)處理以及電子計算機的發(fā)展，給自動化帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機床實驗性樣機，這是一臺采用脈沖乘法原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機床的第一代。1953年自動編程系統(tǒng)開始。1958年帶自動換刀裝置的數(shù)控機床成功研制出來，稱為加工中心。數(shù)控機床不斷的發(fā)展，1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于它的體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數(shù)控機床發(fā)展到第三代。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（柔性制造系統(tǒng)）。隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機的價格急劇下降，小型計算機開始取代專用數(shù)控計算機，數(shù)控的許多功能由軟件實現(xiàn)，這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為CNC。1970年在美國芝加哥國 際機床展覽會上，首次出現(xiàn)了這種系統(tǒng)，稱為第四代數(shù)控。1974年出現(xiàn)了第五代數(shù)控系統(tǒng)MNC。 20世紀80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。FMC和FMS被認為是實現(xiàn)CIMS的必經階段和基礎。 1.2.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的應用不但給傳動制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，體對國計民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需要裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當前世界上 數(shù)控技術及其裝備的發(fā)展呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢: 1高速、高精密化 2高可靠性 3數(shù)控機床設計CAD、功能多樣化 1)結構設計模塊化 2)數(shù)控機床結構的創(chuàng)新 3)數(shù)控機床功能的多樣化 4智能化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化 5開放性 1) 為適應制造自動化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備，要求數(shù)字控制制造系統(tǒng)不久能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭、自動誤差補償、自動診斷、進線和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛應用機器人、物流系統(tǒng)。 2) FMC,FMS Web-based制造及無圖紙制造技術。 3) 圍繞數(shù)控技術、制造工程技術在 快速成型、并聯(lián)機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線電機、軟件補償精度等 單元技術方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結構的新型數(shù)控機床實用化。這種虛擬軸數(shù)控機床，用軟件的 復雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床結構的復雜性，開拓了數(shù)控機床發(fā)展的新領域。 4) 以計算機輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)等 為主體的制造信息支持技術和 智能化決策系統(tǒng)，對機械加工中海量信息進行存儲和 實時處理。應用數(shù)字化網(wǎng)絡技術，使機械加工整個系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應用。 5) 由于采用了神經網(wǎng)絡控制技術、模糊控制技術、數(shù)字化網(wǎng)絡技術，機械加工向虛擬制造愛的方向發(fā)展。 6復合化 7串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng) 8重視新技術標準、規(guī)范得的建立 雖然近年來我們在機床上出現(xiàn)的流血事件在減少，但仍然是無法杜絕，在設計時應該考慮一下機床外形的布置，造作人員與機床的協(xié)作。所以對機床的發(fā)展趨勢補充兩條:1綠色設標準2在設計時考慮人機和諧化。 我國機床的精度不怎么高，我們要從機床的零件精度著手 ，注重機床的裝配精度，也要時刻注重新技術的應用來提高機床精度。所以對機床的發(fā)展趨勢補充一項:高精度化。 近年來我國仿真技術的發(fā)展也是十分突出的，但我國的這項技術只是剛剛起步，有很大的發(fā)展空間，這樣可以減少設計時間，交貨周期短，提高了設計質量，可在未完成物理實體前就解決裝配中的問題，對零件中出現(xiàn)的問題加以解決，也不會造成浪費。這項技術主要集中在裝配建模、計算機輔助裝配工藝規(guī)化等，提高了裝配效率和質量，減少了成本。所以想在補充一點:建模和仿真的可視化處理。 2. 總體設計 2.1立式數(shù)控銑床設計的基本要求和設計方法 2.1.1 基本要求 機床在設計時，首先要考慮對所設計機床的基本要求，機床所能加工的工件特性及機床自身應具有的特性。數(shù)控機床設計中應滿足的基本要求包括機床工藝范圍、加工精度、柔性、開放性、噪聲、生產率和自動化、成本、生產周期、可靠性、機床宜人性等等。其中許多要求與加工對象有關。在設計機床時，綜合考慮以上眾多要求，在機床滿足上述要求的條件下，盡量將機床設計的結構簡單、可靠、成本低、效率大。 2.1.2設計方法 隨著科學技術的進步，設計理論和技術的發(fā)展，數(shù)控機床的設計理論和方法由人工繪圖向計算機繪圖，由定性設計向定量設計、由靜態(tài)和線性分析向動態(tài)和非線性分析、由可行性設計向最佳設計過度。數(shù)控機床的傳動和結構也發(fā)生了巨大的變化，采用伺服驅動省去了復雜的機械傳動，不但提高了傳動效率和加工精度，同時使機床的結構與布局發(fā)生了很大變化，縮小了占地面積。 機床的設計方法是根據(jù)其設計類型而定。通用機床采用系列化設計方法。系列中基型產品屬創(chuàng)新設計類型，其他屬變形設計類型。有些機床，如組合機床屬組合設計類型。 在創(chuàng)新設計類型中，機床總體方案的產生方法可采用分析式設計或創(chuàng)成式設計。前者是用類比分析、推理方法產生方案，是目前創(chuàng)新設計一般采用的方法。后者則用創(chuàng)成分析的方法生成方案，創(chuàng)新能力強，這種方法尚在研究發(fā)展之中。 2.2機床設計步驟 機床的設計內容及步驟大致可概括為：主要技術指標設計；總體方案設計；總體方案綜合評價與選擇；總體方案的設計修改或優(yōu)化；詳細設計（技術設計和施工設計）；機床整機綜合評價。機床設計的系統(tǒng)框圖如2.1所示： 上述步驟可反復進行，直到達到設計結果滿意為止。在設計過程中，設計與評價反復進行，可以提高一次設計成功率。 圖2.1 機床設計體統(tǒng)框圖 2.3總體方案設計 根據(jù)前面提到的數(shù)控機床應滿足的基本要求，就可進行總體設計。所有要求中，工藝要求最為重要，它決定機床所需要的運動，完成每個運動又有相應的功能部件，這就可以確定各部件的相對運動和相對位置關系，機床的總體布局也就大體能確定下來。在進行機床總體設計時可以從兩方面進行考慮。一方面從機床內部考慮，要處理好工件與刀具間的相對關系，如位置與運動、工件重量和形狀特點等。另一方面還要考慮到機床外部的因素，也就是人機之間的關系，如外形、操作和維護等。 總體方案設計是一項全局性的設計工作，直接影響機床產品的結構、性能、工藝和成本，關系到產品的技術水平和市場競爭能力。 2.3.1幾何運動設計 機床是依靠刀具與工件之間的相對運動，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面。不同的工件幾何表面，往往需要采用不同類型的刀具，作不同的表面形成運動，而成為不同類型的機床。因此，要進行機床的幾何運動設計需要先了解工件幾何表面的形成方法。 （1）幾何表面的形成方法 ①幾何表面的形成 任何一個表面都可以看作是一條曲線（或直線）沿另一條曲線（或直線）運動的軌跡。這兩條曲線稱為該表面的發(fā)生線，前者稱為母線，后者稱為導線。 ②發(fā)生線的形成 工件加工表面的發(fā)生線是通過刀具切削刃與工件接觸并產生相對運動而形成的。有如下四種方法：軌跡法、成型法、相切法和范成法。 ③加工表面的形成方法 加工表面的形成方法是母線形成方法和導線形成方法的組合。因此，加工表面形成所需要的刀具與工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。 （2）運動功能方案設計 對所設計的機床的工藝范圍進行分析，選擇確定加工方法；然后選擇坐標系；寫出機床幾何運動功能關系式；最后繪制機床運動機構原理圖。機床運動功能圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，不表示運動之間的傳動關系。若將動力源與執(zhí)行件、不同執(zhí)行件之間的運動及傳動關系同時表示出來，就是傳動原理圖。 2.3.2機床總體結構方案設計 機床幾何運動功能關系式只描述了刀具與工件之間的相對運動，但基礎支承件設在何處尚未確定，哪些運動是由刀具一側完成，哪些運動由工件一側完成也還不清楚，所以首先是運動功能的分配問題。通過幾何運動功能分配設計可確定基礎支承件。 （1）結構布局設計 機床的結構布局形式有立式、臥式及斜置式等；其中基礎支承件的形式又有底座式、立柱式、龍門式等；基礎支承件的結構又有一體式和分離式等。因此同一種運動分配式又可以有多種結構布局形式，這樣運動分配設計階段評價后保留下來的運動分配式方案的全部結構布局方案就有多種，因此需要再次進行評價，去除不合理方案。該階段評價的主要依據(jù)主要是定性分析機床的剛度、占地面積以及對物流系統(tǒng)的開放性等因素。該階段設計結果得到的是機床總體結構布局形態(tài)圖，本次設計的是立式數(shù)控銑床，支承件為立柱式，基礎支承件的結構為分離式。 （2）機床總體結構的概略形狀與尺寸設計 設計的主要依據(jù)是機床總體結構布局設計階段評價后所保留的機床總體結構布局形態(tài)圖、驅動與傳動設計結果、機床動力參數(shù)、加工空間尺寸參數(shù)以及機床整機的剛度及精度分配。其設計過程為： ①首先確定末端執(zhí)行件的概略形狀和尺寸。 ②與末端執(zhí)行件相臨的下一個功能部件的結合部的形式、概略尺寸。 ③考慮上述功能部件的剛度要求，確定下一個功能部件的概略形狀與尺寸。 ④重復上述過程，直到基礎支承件（底座、立柱、床身等）設計完畢。 ⑤若要進行機床結構模塊設計，則可將功能部件細分成子部件，根據(jù)制造廠的產品規(guī)劃，進行模塊提取與設置。 ⑥初步進行造型與色彩設計。 ⑦機床總體結構方案的綜合評價。 上述設計完成后，得到的設計結果是機床總體結構方案圖，如圖2.4所示。然后對得到的各個總體結構方案進行綜合評價比較，評價的主要因素有：性能、制造成本、制造周期、生產率、物流系統(tǒng)的開放性、外觀造型以及機床總體結構方案設計修改與確定。 圖2.4 立式銑床總體結構方案圖 2.4機床主要參數(shù)設計 機床的主要技術參數(shù)包括機床的主參數(shù)和基本參數(shù)，基本參數(shù)可包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)及動力參數(shù)。 （1）主參數(shù)和尺寸參數(shù) 機床主參數(shù)是反映機床規(guī)格大小及機床最大工作能力的一種參數(shù)。為了更完整地表示機床的工作能力及工作范圍，有些機床還規(guī)定有第二主參數(shù)。立式數(shù)控銑床的主參數(shù)為機床所能加工的最大工件，任務書中已明確說明工作臺為900400mm，X行程為600mm，Y行程為500m，Z行程為600mm。（2）運動參數(shù) 運動參數(shù)是指機床執(zhí)行件，如主軸、工作臺和刀架的運動速度。 3. 床身、立柱及Z方向系統(tǒng)的設計 3.1切削力計算 在以工作壽命為基礎進行計算時，應按實際加工過程中最高銑削條件為準：刀具：硬質合金， 工件：碳鋼、灰口鑄鐵， 此時的銑削力最大， 查表：金屬切削與刀具實用技術取： ， ， z=10， 。 則： = =3128N 切削功率為： 根據(jù)經驗計算電動幾空載功率為準，電動機的輸出功率為： 3.2床身設計 3.2.1床身材料的選擇 灰鑄鐵具有良好的鑄造性能，便于鑄造復雜的形狀，有很好的抗振性能，價格也便宜，一般機床大件都用鑄鐵鑄造而成。HT200適用于外形比較簡單，抗壓和抗彎應力都較大的大件。故這里選擇HT200來制造床身。 3.2.2.對床身結構的基本要求 機床的床身是整個機床的基礎支撐件，一般用來放置導軌，主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床應有更高的靜、動剛度，更好的抗振性，對數(shù)控機床在以下方面提出了要求。 （1）很高的精度保持性。 （2）應具有足夠的精度。 （3）較好的熱穩(wěn)定性。 3.2.3．床身的結構 床身的結構形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控銑床、加工中心等這一類數(shù)控機床的床身結構，有固定立柱式和移動立柱式兩種。前者一般適用于中小型力式和臥式加工中心；而后者有分為整體T形床身和前后床身分開組合的T型床身。所謂T型床身是指床身是由橫直的前置床身和它垂直的后床身組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造加工帶來很大不便，尤其是大中型機床的整體床身，制造時需要有大型設備。而分離式T型床身，鑄造工藝和加工工藝性都大大改善。前后床身聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時用定位鍵和專用定位銷定位，然后沿截面四周，用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接的床身，在剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。 3.2.4床身的截面形狀 數(shù)控機床的床身通常為箱體結構，合理設計床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的筋板結構可以在較小質量下獲得較高的靜剛度和值當適當?shù)墓逃蓄l率。床身中常用的幾種截面筋板布置有V形筋、對角筋、斜方筋。 床身筋板一般根據(jù)床身結構和載荷分布情況進行設計，滿足床身剛度和抗振性要求，V形筋有利于加強導軌支承部分的剛度，對角筋和斜方筋結構可明顯增強床身的扭轉剛度并且便于設計成全封閉的箱形結構。 此外，還有縱向筋板和橫向筋板，分別對抗彎剛度和抗扭剛度有顯著效果：米字形筋板和井字形筋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形筋板更高。 3.2.5床身的剛度 根據(jù)床身所受載荷性質的不同，床身剛度分為靜剛度和動剛度。床身的靜剛度直接影響機床的加工精度極其生產率。靜剛度和固有頻率，是影響動剛度的重要因素。合理設計床身的筋板結構，可提高床身的剛度。床身的筋板布置形式對閉式箱體結構剛度的影響如表3.1所示。 表3.1 筋板布置對封閉式箱體結構剛度的影響 序號 模型 彎曲剛度指數(shù)（X-X） 扭轉剛度指數(shù) 1 1.0 1.0 2 1.16 1.44 3 1.02 1.33 4 1.11 1.67 5 1.13 2.02 3.2.6箱體封沙結構 床身封砂結構是利用筋板隔成封閉箱體結構，將大件的泥芯留在鑄件中不清除，利用砂粒良好的吸振性能，可以提高結構件的阻尼比，有明顯的消振作用。提高床身結構的靜剛度，由剛度和質量的關系式k=m(為系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率)可以看出，增加質量m可以提高靜剛度。 對于焊接結構的床身，在床身內腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當振動時，利用相對摩擦來消散振動能量。 封砂結構降低了床身的重心，有利于床身結構的穩(wěn)定性，可提高床身的抗彎和抗扭剛度。 經過以上的分析在本次設計中，床身設計為上部為圓弧，以便于安裝絲杠；在圓弧下面增加一條筋板，以增加床身的剛度和強度，進一步提高床身的安全和可靠性。 3.3導軌的設計 導軌的作用主要是對運動部件起導向和支承作用，也就是支承運動部件（如刀架、工作臺等），并保證運動部件在外力作用下能準確沿著規(guī)定方向運動。因此，導軌的制造精度及性能對機床加工精度、承載能力等有著重要影響。數(shù)控機床對導軌主要有以下幾方面要求。 ①導向精度高 導向精度是指機床的運動部件沿導軌移動時與有關基面之間的相互位置的準確性。無論是空載還是加工，導軌都應具有足夠的導向精度。這是對導軌的基本要求。各種機床對于導軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標準，以保證導軌的導向精度。 ②精度保持性 精度保持性是指導軌能否長期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導軌的磨損，此外，還與導軌的結構形式及支承間（如床身）的材料有關。數(shù)控機床的精度保持性要求比普通機床高。 ③足夠的剛度 機床各運動部件所受的外力，最后都有道軌面來承受，若導軌受力后變形過大，不僅破壞了導向精度，而且惡化了導軌的工作條件。導軌的剛度主要決定與導軌類型、結構形狀、尺寸大小、導軌與床身的聯(lián)結形式、導軌材料、表面加工質量等。數(shù)控機床的導軌截面積通常較大，有時還需要在主道軌外添加輔助導軌來提高剛度。 ④良好的摩擦特性 數(shù)控機床導軌的摩擦系數(shù)要小，而且動、靜摩擦因數(shù)應盡量接近，以減小摩擦阻力和導軌熱變形，是運動輕便平穩(wěn)，低速無爬行。 此外，導軌工藝性要好，便于制造和裝配，便于檢驗、調整和維修，而且有合理的導軌防護、潤滑措施等。 3.3.1導軌材料選擇 ①鑄鐵——是一種成本底，有良好的減振性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。常用的鑄鐵有灰鑄鐵、孕育鑄鐵和耐磨鑄鐵等幾種。在硬粒磨損的條件下，鑄鐵導軌的耐磨性隨硬度的增加而提高。淬硬后金相組織為馬氏體的鑄鐵耐磨性最好，因為它的硬度已相當于或超過硬粒的硬度。 ②鋼——為了提高導軌的耐磨性，可以采用淬硬的剛導軌。鑄鐵-淬火鋼摩擦副能夠防止導軌面的撕傷，抗硬粒磨損的耐磨性可比未淬硬的鑄鐵-鑄鐵副提高5-10倍，并隨合金的成分和硬度的增加而提高。淬火鋼的導軌都是鑲裝或焊接上去的。 ③有色金屬——用于鑲裝導軌的有色金屬片的材料主要有：錫青銅、鋁青銅和鋅合金等。它們多用于重型機床的導軌上，與鑄鐵的支承導軌相配合，用以防止撕傷、保證運動的平穩(wěn)性和提高移動精度。 ④塑料——鑲狀塑料導軌具有摩擦系數(shù)底、耐磨性好、抗撕傷能力強、可降低低速運動的臨界速度，在精密、數(shù)控和重型機床導軌上的應用也在逐漸增多。塑料導軌多與未淬硬的鑄鐵導軌搭配。 綜合上述：我們選擇鑄鐵導軌，直接和立柱一起鑄造的導軌 。 3.3.2導軌的類型 機床導軌的類型基本上有四種：三角形導軌、平導軌、燕尾形導軌和圓柱形導軌。 ①三角形導軌——常用于精度要求較高的機床上，但它制造比較麻煩。 ②平導軌——制造和維修都比較方便，剛度好，在不增加導軌高度的條件下，能不受限制的增加導軌的寬度，故承載能力大。但它也是有缺點的：側表面磨損后不能自動補償，而且調整間隙也比較麻煩，同時它容易積存贓物，要求很好的防護。 ③燕尾形導軌——能承受顛覆力矩，結構緊湊，調整間隙方便，特別適用于層次較多的運動部件上。但它制造較困難，剛度差，摩擦力大，存油性差，所以只適用于受力不大，移動速度不高，精度要求不高的導軌 ④圓柱形導軌——它制造簡單，容易保證精度，但磨損后間隙難于調整，所以僅適用于以受軸向載荷為主的機床上，如拉床、沖床等。 根據(jù)上述：選擇燕尾形導軌。 3.3.3導軌間隙的調整. 燕尾導軌和平導軌磨損以后在水平方向和垂直方向都會產生間隙，如不及時調整，工作部件就不能平穩(wěn)地運動，就會影響機床的加工精度和表面光潔度，因此必須設法消除。導軌間隙常用壓板、鑲條來調整。 1）壓板 壓板用來調整輔助導軌面的間隙和承受顛覆力矩。 2）鑲條 鑲條用來調整矩形導軌和燕尾型導軌側向間隙。鑲條應放在導軌受力較小的一側。 在這里我選用鑲條來調整間隙。 3.3.4導軌的計算 表3.2鑄鐵導軌的許用壓強（M） 導軌種類 平均壓強 最大壓強 直線運動導軌 滑動速度低的 進給運動導軌 中型機床 1.2～1.5 2.5～3.0 重型機床 0.5 1.0～1.5 磨床 0.025～0.04 0.05～0.0.08 1)按線形分布的導軌壓強 每個導軌面所受的載荷都可以簡化為一個集中力P和一個顛覆力矩M的作用。 F—導軌所受的集中力（N） M—導軌所受的顛覆力矩（N·M） P—由集中力引起的壓強（M） B—導軌的寬度（mm） L—動導軌的長度 (3-1) 2）受力分析 對于燕尾槽： (3-2) —當量摩擦系數(shù)， —滑動摩擦系數(shù)， —燕尾輪廓角或三角形底角=55° 圖3.2 導軌受力分析圖 推力F平行與運動件軸線且與軸線相距h，如圖3.2所示，圖中為軸向阻力，和為反作用。為當量摩擦系數(shù)。根據(jù)靜力平衡條件得 （+）+-F=0 -=0 --+=0 聯(lián)立解得：F= 欲推運動件，必須保證運動件不被卡死的條件是： 為了保證運動靈活，值可按下式取值： <0.5 對燕尾形和三角形導軌（=55°）<1 知道h=295故L>h 可取：L=300mm(兩導軌的間距) 3)滑動導軌：導軌寬度B，兩導軌間距， 運動件長度L。 根據(jù)經驗L=（1.2~1.8）=240~360。動導軌為4段，每條靜導軌各有2段，故計算中L應取1/4進行計算。 導軌上所受到的力大約為：=3128N P根據(jù)許用壓強表可取為=1.2M 根據(jù)公式： ( M) 得： =60mm 故這里我取B為60mm。 3.3.5.導軌的潤滑與防護 1.潤滑的目的：要求和方式 對導軌進行潤滑的目的是：減少磨擦，提高機械效率；減少磨損，延長壽命；降低溫度，改善工作條件和防止生銹。 對潤滑的要求是：保證按規(guī)定提供清潔的融化油，油量可以調節(jié)，盡量采用自動和強制潤滑；簡化潤滑裝置，潤滑元件要可靠；確保安全。 潤滑方式：選擇壓力油強制潤滑。這種方式效果較好，潤滑可靠，與運動速度無關，而且可以不斷地沖洗和冷卻導軌面。 導軌潤滑油的粘度根據(jù)導軌的工作條件和潤滑方式選擇。這里可采用30號機械油或40號機械油進行潤滑。 2.導軌的防護 導軌的磨損有兩種型式，即硬粒磨損和導軌面的咬焊，其中以硬粒磨損最為普遍，而且又不能完全避免。所以，必須有專門的供油系統(tǒng)，采用自動和強制潤滑。 3.提高導軌耐磨性 要提高導軌的耐磨性應該控制接觸壓強，提高導軌面硬度和減小表面粗糙度的值；選擇良好的耐磨材料，對導軌面進行熱處理；使用塑料導軌，塑料導軌具有良好的耐磨性和自潤滑功能，摩擦因數(shù)小，動、靜摩擦因素差小，減振性好，具有良好的阻尼性，加工性好，工藝簡單，化學性能好（耐水、耐油），維修方便，成本低等特點。 數(shù)控機床采用的塑料滑動導軌有鑄鐵—塑料滑動導軌和鑲鋼—塑料導軌。塑料導軌常用在導軌副的運動導軌上，與之相配的金屬導軌采用鑄鐵或鋼質材料。塑料導軌分為注塑導軌和貼塑導軌，導軌上的塑料常用環(huán)氧樹脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導軌軟帶。本次設計我選用貼塑導軌。 圖3.3 導軌圖 3.4.滾珠絲杠副的計算及選用 3.4.1.滾珠絲杠的介紹 a.滾珠絲杠的原理及特點： 滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置,是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置.其工作原理是:在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽,這兩個圓弧槽合起來便行成了螺旋滾道,在滾道內裝入滾珠.但絲杠相對螺母旋轉時,滾珠在螺旋滾道內滾動,迫使兩者發(fā)生軸向相對位移.為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來,在螺母的螺旋槽兩端設有會程引導裝置,使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構成一個閉合回路.由于滾珠的存在,絲杠與螺母之間是滾動摩擦,僅在滾珠之間存在滑動摩擦.滾珠絲杠落幕機構具有一下的特點: 1）摩擦損失小，機械效率高。滾珠絲杠螺母機構的機械效率=0.92～0.96，而滑動絲杠=0.20～0.40； 2）軸向剛度高，反向定位精度高。滾珠絲杠可以完全消除間隙并可預緊。因此與普通絲杠機構比較有較高的軸向剛度，反向時無空程死區(qū)，反向定位精度高。 3）運動靈敏，低速時無爬行。因此，目前數(shù)控機床廣泛地采用滾珠絲杠傳動機構。 4）具有傳動的可逆性。因此，當用滾珠絲杠傳動豎直運動時，必須用附加的自鎖機構或制動裝置。 4）使用期限長。 5）工藝復雜。 b.滾珠絲杠機構的結構 目前世界各國所設計和制造的滾珠絲杠螺旋機構，盡管在結構上各式各樣，但其主要區(qū)別不外乎螺旋滾道型面的形狀，滾珠的循環(huán)方式，以及軸向間隙的調整和預緊力的方法等三方面。 1．螺旋滾道型面的形狀及其主要尺寸 它們的形狀有單圓弧結構，即滾道型面是由一個圓弧組成。它的接觸角隨負載的大小而變化，因而軸向剛度及承載能力也都隨之變化，目前應用較少。還有一種就是現(xiàn)在機床上大量采用的雙圓弧型，即滾道型面是由半徑為R的兩個圓弧組成。其接觸角是不變的。當偏心距確定后，兩個接觸點也就確定了，滾珠與滾道兩圓弧相切的兩點就是兩個不變的接觸點。 2．滾珠的循環(huán)方式 滾珠有兩種循環(huán)方式：外循環(huán)和內循環(huán)。 （1）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠脫離接觸的成為外循環(huán)。 （2）內循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的叫內循環(huán)。 在此，我們選擇的是內循環(huán)。 3.軸向間隙的調整和加預緊力的方法 常用方法有：用背帽調整間隙和齒差調整間隙。前一種方法的缺點是軸向位移量很難精確地控制，但由于結構簡單，調整方便，因而應用仍較廣泛。 3.4.2滾珠絲杠螺母副的選擇計算 a.確定滾珠絲杠副的導程 根據(jù)機床傳動要求，負載大小和傳動效率等因素綜合考慮確定導程。先按機床傳要求確定，其公式為： 式中：——機床工作臺最快進給速度; I——傳動比，因電機與滾珠絲杠副直接連接，i=1; ——驅動電機最高轉速，。 在滿足控制系統(tǒng)分辨率要求下，導程應取較大的數(shù)值，選。 b.滾珠絲杠副的載荷及轉速計算 工作載荷F是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向力，其數(shù)值可用下列進給作用力的實驗公式計算： (1)工作載荷 在數(shù)控銑床工作時查金屬切削與刀具實用技術，得順銑時軸向力最大順銑時的銑削力分垂直分力，走刀抗力和軸向分力。 按絲杠所受軸向力的最大值計算絲杠，所以取經驗公式中較大系得： 對于滑動燕尾形導軌： =1751.68+1063.52+30=2845.2N K---考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù) u——摩擦系數(shù)，對燕尾形導軌取0.2 （2）幾種工況下絲杠載荷的計算 1.由摩擦力引起的絲杠載荷： u——摩擦系數(shù) 2.強力銑削時： 3.一般銑削時： 4.精銑削時： 5.快速移動和定位時： （3）最大工作載荷 最大載荷為機床承受最大切削力時作用于絲杠的軸向載荷。 (4)當量載荷與當量轉速 式中： ——強力切削時絲杠轉速； ——指一般切削時絲杠轉速； ——精密切削時絲杠轉速； ——快速移動和定位時絲杠轉速； ——強力切削所用時間占整個切削過程的百分比； ——一般切削所用時間占整個切削過程的百分比； ——精密切削所用時間占整個切削過程的百分比； ——快速移動和定位所用時間占整個切削過程的百分比。 當量負荷的計算公式為： c.確定預期額動載荷 1）按預期壽命時間計算 式中：——滾珠絲杠副當量載荷，N； ——當量轉速，； ——預期工作時間，取15000小時； ——精度系數(shù)，取1.0； ——可靠性系數(shù)，取0.53； ——負荷系數(shù)，取1.2； =N 2）按最大軸向載荷計算 當滾珠絲杠有預加載荷時 式中： ——與加負荷系數(shù)，取中預載 選取1）、2）計算結果中的大數(shù)值為滾珠絲杠副的預期額定動載荷，即取為19323.18N。 d.確定絲杠最小螺紋底徑 1）估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 ——重復定位精度，0.004mm; c——定位精度，0.01mm. 取為0.001mm. 1)估算確定滾珠絲杠副的底徑 滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端支撐時： 式中： ——估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量； L——滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距量； 行程+安全行程+余程+螺母長度一半+支承長度的一半 ）行程 e.確定滾珠絲杠的預緊力 f.確定滾珠絲杠副其他尺寸 （1）滾珠絲杠的螺紋長度 =有效行程+螺母長度 ——余程， =600+150=750mm (2)絲杠全長L L=+兩端支承長度+連接長度+起始距離 綜合考慮各項幾何尺寸要求，取L為976mm. 3.5 伺服電機的選擇及計算 隨著交流伺服電機的快速發(fā)展，它以結構簡單，堅固耐用，體積小，重量輕，沒有機械換向，而無需多少維護而迅速代替直流伺服電機在現(xiàn)代數(shù)控設備中得到廣泛應用，所以我選擇了交流伺服電機。 1） 作用在滾珠副杠服上各種轉矩計算 外加載荷產生的摩擦力矩（Nm） ==4.04Nm 滾珠絲杠副預加載荷產生的預緊力矩（Nm） Nm 式中：——滾珠絲杠副導程 ——未預緊的滾珠絲杠副效率 取0.9 F——作用在滾珠絲杠上的外加軸向載荷 滾珠絲杠副預加載荷產生的預緊力矩 =0.149Nm 2)負載轉動慣量（）及傳動系數(shù)系統(tǒng)轉矩慣量J（）的計算。 式 中： ，——各旋轉件的轉動慣量（）和轉速（） ，——各直線運動件的質量（）和轉速（） ，——電機的轉動慣量（）和轉速（） 絲杠質量m估算： 1） 以絲杠的公稱直徑40mm來計算： =9.92 2） 以絲杠的底徑30mm來計算: =5.58 最終取絲杠的質量m=7. =28 = =1.333 初選伺服電機為三菱系列的HC-UFS2000. 3.6確定滾珠絲杠副型號 1）傳動系統(tǒng)剛度計算 a.傳動系統(tǒng)的剛度K計算 式中：——滾珠絲杠副的拉壓剛度； ——滾珠絲杠副的軸向剛度； ——滾珠絲杠副與滾道的接觸剛度； ——折合到滾珠絲杠副上的伺服剛度，可以忽略； ——滾珠絲杠副中螺母體剛度，按=4計算； ——折合到滾珠絲杠副上的聯(lián)軸節(jié)剛度，可忽略不計； ——螺母坐、軸承座剛度，可忽略不計； ——滾珠絲杠副的扭剛度，可忽略不計。 b.計算 滾珠絲杠副的拉壓剛度是滾珠螺母至絲杠軸向固定外距離a的函數(shù)。當絲杠支撐形式為一端固定，一段游動時 式中： ——拉壓剛度（）； E——楊式彈性模量； D——絲杠底徑（mm）。 當a=(滾珠螺母至固定端支承的最大距離)時剛度最小 當a=(靠固定端的行程起點處)時剛度最大 =1378.5 式中： =140mm. c.確定 對一端固定，一端游動的支撐結構，滾珠絲杠副支承軸承的剛度，查樣本，。 d.計算 對預緊的滾珠絲杠副 式中： ——查樣本上的剛度； ——額定動載荷； 2） 傳動系統(tǒng)剛度驗算及滾珠絲杠副的精度選擇 = =0.0075 = =0.0103 在空載下，稱摩擦死區(qū)誤差，是機床空載時導軌上的靜摩擦力，（）稱為傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差。數(shù)控機床反向差值主要取決于死區(qū)誤差，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副精度。其次是。 a. 傳動系統(tǒng)剛度驗算 重復定位精度為0.004mm; 定位精度為0.01mm. b. 滾珠絲杠副的精度選擇 選用CDM4008-3， 精度為3級。 3).滾珠絲杠副臨界壓縮載荷的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性） 式中： ——滾珠絲杠螺紋底徑（mm）; ——滾珠絲杠的最大受壓長度（mm）; ——滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷（N）； ——安全系數(shù)， 取= ——支承系數(shù)， 取=0.25 =28693.253465.2N 4).滾珠絲剛副的極限轉速的校驗 為了防止絲杠轉速接近其固定振動頻率時發(fā)生共振，需對絲杠極限轉速進行校驗。 式中： f----支承系數(shù)， f=3.4; ----臨界轉速計算長度 =600mm. =3230 5).值校驗，采用超。 6）.基本軸向額定靜載荷驗算。 式中： ——滾珠絲杠最大軸向載荷； ——靜態(tài)安全系數(shù)，一般取1~2。 經校核，該滾珠絲杠副符合要求。選用漢川機床廠的滾珠絲杠副。 圖3.4滾珠絲杠副 3.7聯(lián)軸器的選擇 3.7.1.聯(lián)軸器的介紹 聯(lián)軸器是用來把兩聯(lián)軸器聯(lián)結在一起,機器運轉時兩兩軸不能分離；只有在機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。所以要求設計聯(lián)軸器時，要從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。根據(jù)對各種相對位移有無補償能力，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩個類型。 剛性聯(lián)軸器 如凸圓聯(lián)軸器，它的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時或圓周速度大于30m/s時應用鑄鋼或鍛鋼。 由于凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，對所聯(lián)兩軸間的相對位移缺乏補償能力，故對兩軸對中性的要求很高。當兩軸有相對位移存在時，就會在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于構造簡單、成本低、可傳遞較大轉矩，故當轉速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時亦常用。 撓性聯(lián)軸器 無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移，但因無彈性元件，故不能緩沖減振；有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，這類聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力，彈性元件所能儲蓄的能量愈多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈好，彈性元件的彈性滯