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摘要
本設(shè)計(jì)主要是依據(jù)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)機(jī)械制圖基本原理和機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理對(duì)應(yīng)用于重型數(shù)控龍門銑床的側(cè)銑頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得該側(cè)銑頭能夠在 X向和Z向兩個(gè)方向上進(jìn)行銑削運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要分為四部分：
第一部分是根據(jù)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，即對(duì)側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。這部分主要包括主運(yùn)動(dòng)方式以及伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的確定。
第二部分是基于機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理，對(duì)設(shè)計(jì)中的伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。主要包括滾珠絲杠，主軸電機(jī)，進(jìn)給電機(jī)的選型，計(jì)算和驗(yàn)證，同步帶和皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。
第三部分是根據(jù)機(jī)械制圖的基本原理，應(yīng)用繪圖軟件進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，生成三張二維裝配圖紙和一張二維零件圖紙。
第四部分是在完成二維設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，采用SOLIDWORKS軟件對(duì)零件進(jìn)行三維建模，并將所有建模零件進(jìn)行組裝生成三維裝配體; 在此基礎(chǔ)上，使用該軟件完成一個(gè)三維動(dòng)畫，以顯示組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：重型數(shù)控龍門銑床；側(cè)銑頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二維設(shè)計(jì)；三維建模
ABSTRACT
The design is mainly to design the profile cutter head structural of a heavy numerically controlled planomiller according as the rationale of mechanism design and theory of machines on the bases of design specification. The design is mainly divided into four parts:
The first part is a content of total project design of the profile cutter head Structure according as design specification, including confirming the manner of the main motion and the servo feed motion.
The second part is design of calculations of machine parts of servo feed motion system and the main motion system according as the rationale of mechanism design. Its mainly including choose the type, the calculation and the verification of the ball screw, the principal axis electromotor and the feed electromotor, and the design of hold-in range and synchronous pulley.
The third part is to design the mainly structure firstly on the bases of main parts choosed and designed in the second part, then to design two dimensional drawings, and create three assembly drawings and one detail drawings using CAXA software according to the rationale of theory of machines.
The finally part is to model the parts of the profile cutter head, and create three dimensional drawings using SOLIDWORKS software according to two dimensional drawings designed in the third part；The following is to create a three-dimensional animation to show the inside structure of the three-dimensional assembly drawing and the motion manner using the software on the bases of the three-dimensional assembly drawing.
Key Words：Heavy numerically controlled planomiller；The profile cutter head；Structural design；two dimensional design；three dimensional modeling
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
1. 緒論 1
1.1 設(shè)計(jì)目的和意義 1
1.2 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 3
2. 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 設(shè)計(jì)基本要求 5
2.2 總體設(shè)計(jì)方案 6
3. 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 8
3.1滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 8
3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 10
3.3 機(jī)床主軸部分設(shè)計(jì)計(jì)算 13
4. 二維設(shè)計(jì) 16
4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.2 利用CAXA電子圖版進(jìn)行二維設(shè)計(jì) 16
5. 三維設(shè)計(jì) 19
5.1 三維建模 19
5.2 三維動(dòng)畫 26
6. 結(jié)論 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
附錄一外文譯文 30
附錄二外文原文 36
50
1. 緒論
1.1設(shè)計(jì)目的和意義
1.3.1設(shè)計(jì)目的
（1）用重型數(shù)控龍門銑床對(duì)大型工件進(jìn)行加工時(shí)，移動(dòng)工件和重新安裝工件是相當(dāng)困難的，所以設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)Υ笮凸ぜ?cè)表面兩個(gè)方向進(jìn)行加工的側(cè)銑頭，來減少實(shí)際工件的移動(dòng)和安裝次數(shù)，進(jìn)而減少安裝的時(shí)間和由于多次安裝引起的定位精度誤差,是十分必要的。
（2）對(duì)于即將走向社會(huì)的畢業(yè)生來說，了解機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程、在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮到哪些因素及應(yīng)注意的問題、以及掌握機(jī)械行業(yè)中一些常用的繪圖軟件和分析軟件，使學(xué)生能夠?qū)⒃谛Ｆ陂g學(xué)的理論知識(shí)與具體實(shí)踐相結(jié)合起來，是十分必要的。
（3）加強(qiáng)對(duì)繪圖軟件的應(yīng)用能力?，F(xiàn)在的社會(huì)是高科技的社會(huì)，對(duì)于機(jī)械行業(yè)來說更是如此?，F(xiàn)在的機(jī)械行業(yè)中很少有用手工繪制的圖紙，而且現(xiàn)在的人們都有一種安全的理念和結(jié)構(gòu)的美感，運(yùn)用三維軟件和分析軟件對(duì)工程師所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和強(qiáng)度分析，可以事先發(fā)現(xiàn)不合理之處，以便提早加以改正。
1.3.2設(shè)計(jì)意義
（1）在現(xiàn)實(shí)中，帶有側(cè)銑頭的數(shù)控龍門銑床是不常見的一種形式，而帶有能夠在兩個(gè)方向上進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的側(cè)銑頭的龍門銑床更是不常見。這項(xiàng)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的側(cè)銑頭與其他龍門銑床部分相配合，可以應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中對(duì)工件進(jìn)行三個(gè)方向上的加工，從而很可能能夠?qū)ぜM(jìn)行一次性安裝加工，這無疑可以省去很多調(diào)整時(shí)間并保證良好的安裝精度。而且這是對(duì)一臺(tái)重型數(shù)控龍門銑床側(cè)銑頭的設(shè)計(jì)，對(duì)于一臺(tái)重型銑床來說，加工的工件一般都是很大很重的，要對(duì)工件進(jìn)行多次安裝是很困難的也很浪費(fèi)時(shí)間，且定位精度不容易保證，而該課題所設(shè)計(jì)的側(cè)銑頭正適合這種情況，所以說這項(xiàng)設(shè)計(jì)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
（2）在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中學(xué)習(xí)掌握二維和三維繪圖軟件，為以后更好的適應(yīng)社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)。
（3）了解機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，掌握設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題和應(yīng)考慮的因素。
1.2 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
如今，機(jī)械加工業(yè)繁榮昌盛，繁榮的現(xiàn)象離不開加工中心的突出貢獻(xiàn)。加工中心經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，其應(yīng)用越來越成熟，為加工企業(yè)帶來了巨大的幫助。
1.1.1國外加工中心發(fā)展概況
加工中心最初是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的。1958年，美國Carney-Trick首先研制出第一臺(tái)加工中心。它在CNC臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了一臺(tái)自動(dòng)換刀裝置，可以一次夾緊一個(gè)工件。它可以執(zhí)行各種過程的集中加工，如銑削，鉆孔，鏜孔，鉸孔和攻絲。到八十年代初，經(jīng)過了三十年，發(fā)展最快的是加工中心的控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了五代電子管，晶體管，集成電路，小型計(jì)算機(jī)和微處理器的發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，加工中心的精度，效率，功能和可靠性得到進(jìn)一步提高。當(dāng)前加工中心和自動(dòng)交換工作臺(tái)組成的柔性加工單元 FMC 以及幾臺(tái)加工中心等組成的柔性加工系統(tǒng) FMS 都得到了廣泛的發(fā)展。
加工中心自20世紀(jì)70年代以來發(fā)展迅速。出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。目前，國外加工中心的速度已達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，進(jìn)給速度達(dá)到每分鐘數(shù)百米。 定位精度達(dá)到了納米級(jí)，這些一般都是通過智能補(bǔ)償?shù)瓤刂品椒▽?shí)現(xiàn)的，再加上使用高速電主軸，直線電機(jī)，高分辨率檢測(cè)元件等機(jī)器零件。其高精度高速加工中心是瑞士MIKRON生產(chǎn)的超高速加工中心XSM400，其主軸轉(zhuǎn)速為 60000rpm，進(jìn)給速度達(dá)到80m/min。
1.1.2國內(nèi)加工中心發(fā)展概況
我國對(duì)數(shù)控機(jī)床的研制起步較晚，于 1958 年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。早期由于發(fā)展條件差，基礎(chǔ)薄，發(fā)展緩慢，嚴(yán)重影響了我國制造業(yè)的發(fā)展。于 1979 年我國開始引進(jìn)國外先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，經(jīng)過不斷的發(fā)展，我國在上世紀(jì) 80 年代末開始研究加工中心，北京機(jī)床研究所等聯(lián)合機(jī)構(gòu)研發(fā)出第一臺(tái)加工中心。隨著科技的進(jìn)步和市場的需求量上升，促進(jìn)了我國的數(shù)控技術(shù)發(fā)展，國產(chǎn)加工中心在質(zhì)與量上都取得了很大的進(jìn)步。目前國內(nèi)有很多生產(chǎn)加工中心的機(jī)床廠，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。但是相對(duì)于美國、日本、德國等國家，我國在高檔數(shù)控機(jī)床方面還有很大的差距，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
a、數(shù)控率低。目前我國的數(shù)控機(jī)床擁有量最多，但是我國的數(shù)控化率卻比西方國家低得多。
b、功能部件差距大。數(shù)控機(jī)床的功能部件主要是數(shù)控系統(tǒng)、主軸、刀庫、滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副等。這些主要的功能部件決定了機(jī)床能夠達(dá)到的精度級(jí)別和水平。目前，我國制造的數(shù)控機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)還是日本的 FANUC、德國的 SIEMENS 和 DMG 等的系統(tǒng)。
1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì)
近年來，加工中心作為數(shù)控機(jī)床的重要代表性產(chǎn)品，頻繁出現(xiàn)在世界四大國際機(jī)床展上（歐洲國際機(jī)床展覽會(huì) EMO、美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì) IMTS、日本國際機(jī)床展覽會(huì) JIMTOF 和中國國際機(jī)床展覽會(huì) CIMT 并列被稱為世界四大國際機(jī)床名展），世界各大機(jī)床廠商紛紛在展會(huì)上展示各公司新研發(fā)的加工中心。加工中心制造技術(shù)已成為各展會(huì)的重頭戲。總的來說，加工中心的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)同其他數(shù)控機(jī)床一樣仍是：高效、高精、高速，同時(shí)也可看到五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、機(jī)床的復(fù)合化、與機(jī)器人有效的結(jié)合以及“綠色生態(tài)機(jī)床”是當(dāng)前加工中心發(fā)展的主要方向。
（1）加工中心向高效、高精、高速化發(fā)展
加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，在一臺(tái)機(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之比）高于普通機(jī)床 3～4 倍，因而比普通機(jī)床更高效。同時(shí)，加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為干擾，因此加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。
隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對(duì)加工中心的速度和生產(chǎn)效率要求也越來越高，主軸轉(zhuǎn)速在 12000r/min 以上的高效、高精、高速化加工中心已經(jīng)是數(shù)控機(jī)床行業(yè)流行的趨勢(shì)。
（2）加工中心五軸聯(lián)動(dòng)趨勢(shì)
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。
五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，主要用于葉輪、葉片加工，也是每次國際機(jī)床展的重點(diǎn)展品之一。例如，在第十一屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT 2009）上，德國 DMG 公司是展示五軸聯(lián)動(dòng)加工中心品種最多的供應(yīng)商，其展出的加工中心品種琳瑯滿目，有多軸聯(lián)動(dòng)加工中心（包括銑頭兩聯(lián)動(dòng)和工作臺(tái)兩聯(lián)動(dòng)）、立柱移動(dòng)式及工作臺(tái)移動(dòng)式、立柱與床身分體式及立柱與床身鑄成一體式等，其中，最具代表的是該公司展出的 DMU 210 P 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，它的造型設(shè)計(jì)采用大視窗、大空間，這是一種國際新潮流，日本馬扎克（MAZAK）公司也推崇這種理念，以方便操作工實(shí)施觀察。DMU 210 P 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的可移操作臺(tái)用 19 英寸大屏幕顯示，比通常的顯示屏幕要大，這個(gè)操作臺(tái)的視角可以調(diào)節(jié)而且和一個(gè)可調(diào)的柔軟坐椅連接，讓操作者使用更方便舒適，這種宜人化的工業(yè)造型設(shè)計(jì)，突出了以人為本的理念。此外，德國Hermle、意大利C.B.Ferrari等公司也都展示了加工葉輪、葉片的高效五軸加工中心技術(shù)；豐富多彩的龍門五聯(lián)動(dòng)加工中心展品也各顯其長。我國華中數(shù)控、南京四開等數(shù)控制造企業(yè)也都成功開發(fā)出五聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，北京機(jī)電院、江蘇新瑞等也先后制造出中、高檔的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。
（3）加工中心復(fù)合化，與機(jī)器人有效結(jié)合
打破工藝界限，機(jī)床的復(fù)合加工也是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一大趨勢(shì)。自 20 世紀(jì) 90 年代德國 WFL 公司發(fā)明車銑復(fù)合加工中心以來，日本 MAZAK、韓國大宇（斗山）以及德國 DMG 等均不斷有新款推出。我國的北京一機(jī)床、青海一機(jī)床、秦川發(fā)展等也相繼推出車銑、銑車、銑磨等復(fù)合加工中心機(jī)床，在 CIMT2009 上，北一、沈陽機(jī)床、大連機(jī)床以及陜西三豐、長沙金嶺等都有產(chǎn)品展出。沈陽機(jī)床展出的 GTM500200 龍門移動(dòng)式車銑中心，是一臺(tái)龍門框架移動(dòng)式復(fù)合機(jī)床。工作臺(tái)有兩部分組成，外端是回轉(zhuǎn)直徑為φ4500mm 的車削圓工作臺(tái)，轉(zhuǎn)速 40r/min；內(nèi)端是 4500 ×7000mm 的銑削工作臺(tái)，承重 15t。按不同工件的工藝要求，選擇不同的工作臺(tái)面。機(jī)床主傳動(dòng)功率 52kW，刀庫容量 60 把。
工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上的應(yīng)用，也是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一大趨勢(shì)，在歐、美、日
等許多 24 小時(shí)無人化工廠內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人已起到了主角作用。在 CIMT 2009 上，日本FANUC、日本 DENSO 等公司詳盡地展示了此項(xiàng)技術(shù)，機(jī)器人不僅僅起到物流搬運(yùn)作用，甚至還可進(jìn)行切削加工。德國 DMG 在展會(huì)期間的新聞發(fā)布會(huì)上也介紹了其將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在機(jī)床上的創(chuàng)新應(yīng)用，這種機(jī)器人有 6-7 軸運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可直接在機(jī)床上做抓取工件的各種動(dòng)作。工業(yè)機(jī)器人同機(jī)床有效地結(jié)合在一起，讓機(jī)器人從事簡單而且重復(fù)的勞動(dòng)，不僅可提高生產(chǎn)效率，最大限度降低生產(chǎn)成本，同時(shí)，機(jī)器人不會(huì)疲勞且不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，因而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定起到了很大的作用。
（4）綠色生態(tài)機(jī)床成為研究熱點(diǎn)
從近幾年舉行的國際機(jī)床展看，數(shù)控機(jī)床除了向高速、高精度、多軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)合加工和智能化方向發(fā)展外，也更重視環(huán)?；?，綠色生態(tài)機(jī)床開始成為研究熱點(diǎn)并日益受到重視?！熬G色生態(tài)機(jī)床”是近年來機(jī)床行業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)，其強(qiáng)調(diào)了機(jī)床、環(huán)境、人三者之間的關(guān)系，目地是大幅度提高機(jī)床生產(chǎn)效率的同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)操作者健康的危害。加工中心作為數(shù)控機(jī)床的重要代表性產(chǎn)品，也具有向環(huán)?；较虬l(fā)展的趨勢(shì)。
2.總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)基本要求
1） 側(cè)銑頭的行程為600mm；
2） 定位精度為5ηm ；
3） 與立柱連接部分橫跨度為1300mm；
4） 最大進(jìn)給速度為10 m/min；
5） 兩側(cè)銑頭中間能通過最大零件寬度為3150mm；
6） 主切削力5000N。
圖 2.1方案圖1
圖 2.2方案圖2
2.2 總體設(shè)計(jì)方案
2.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)要求，為了縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，把側(cè)銑頭分成兩個(gè)部分來設(shè)計(jì)，一是完成 Z向銑削的垂直導(dǎo)軌，二是完成橫向銑削的水平滑枕，并且安裝有導(dǎo)軌。 考慮到所設(shè)計(jì)的側(cè)銑頭要應(yīng)用于重型數(shù)控龍門銑床，側(cè)銑頭的重量必然會(huì)很大，再加上在整個(gè)加工過程中還要收到較大的切削力， 所以在導(dǎo)軌的選擇上必須要考慮到是否能承擔(dān)較大的重力。 因此，選擇了貼塑滑動(dòng)式矩形導(dǎo)軌，之所以選用貼塑方式是因?yàn)橘N塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小、不易爬行、工藝性能好。在本設(shè)計(jì)中，選用了斜鑲條來完成導(dǎo)軌主要承載面的間隙調(diào)整。
2.2.2 主軸的運(yùn)動(dòng)方案
初步擬定了以下兩種方案：一、電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)；二、電動(dòng)機(jī)通過同步帶帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)。
由于側(cè)銑頭自身具有較大的重量，加工過程中受到的切削力又很大，因此只有選擇功率較大的電動(dòng)機(jī)才可以帶動(dòng)側(cè)銑頭運(yùn)動(dòng)， 這樣一來，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸也必然很大，若此時(shí)采用聯(lián)軸器連接，側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸也勢(shì)必會(huì)增大，這也會(huì)導(dǎo)致側(cè)銑頭重量的增加。但是，如果采用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)就可以放置在側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)以外， 如此一來，既可以減小側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸，也可以減少對(duì)材料的使用。 故此，關(guān)于主軸的運(yùn)動(dòng)，選擇方案二。 主軸選取高精密主軸B50-190。
2.2.3 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案
初步擬定了以下兩種方案：一、電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠螺母副相連接，從而帶動(dòng)水平滑枕運(yùn)動(dòng)；二、電動(dòng)機(jī)通過同步帶與滾珠絲杠螺母副相連接，從而帶動(dòng)水平滑枕運(yùn)動(dòng)。
若選擇方案一，電動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器就要安裝在水平滑枕尾部，水平滑枕的結(jié)構(gòu)尺寸又比較大，這樣安裝的話一定使機(jī)床的整體安裝空間增大，不僅如此，功率較大的電動(dòng)機(jī)的重量也會(huì)很大，這也將導(dǎo)致水平滑枕尾部承受的重力增大，從而會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，這樣一來不僅會(huì)導(dǎo)致摩擦性能降低，還會(huì)導(dǎo)致水平滑枕的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度降低。而若選擇方案二，就可以將電動(dòng)機(jī)放置在垂直導(dǎo)軌上，從而減少安裝空間。故此，選擇方案二。
設(shè)計(jì)中所使用到的滾珠絲杠螺母副作為一種高精度的傳動(dòng)裝置，具有運(yùn)動(dòng)摩擦小、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、壽命長、精度高便于消除傳動(dòng)間隙等優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)中選擇滾珠絲杠螺母副進(jìn)行傳動(dòng)，選取的型號(hào)為BNFN 5020-2.5。
2.2.4 主軸電動(dòng)機(jī)的選擇
關(guān)于主軸電動(dòng)機(jī)的選擇，初步擬定為風(fēng)冷式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)初步擬定為自冷式三相交流同步伺服電動(dòng)機(jī)。。
2.2.5 定位精度的提高
在水平滑枕的X方向安裝直線光柵尺進(jìn)行位置檢測(cè)并構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，來提高該方向上的定位精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有定位精度高、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
3.設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 滾珠絲杠副的計(jì)算
所選型號(hào)為：BNFN5020-2.5，螺紋長度為1245mm。
3.1.1計(jì)算切削力
3.1.2
（1）進(jìn)給牽引力
(3.1)
（2）計(jì)算最大動(dòng)載C
(3.2)
）
47KN<72.5KN額定動(dòng)載荷所以符合要求。
（3）計(jì)算傳動(dòng)效率
η (3.3)
η —摩擦角，滾動(dòng)摩擦系數(shù)，,即0.1667°
= 6.8880°
= = 0.976
（4）剛度計(jì)算
導(dǎo)程受工作負(fù)載：
(3.4)
（）
：
（3.5）
滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度主要由絲杠本身拉壓剛度，絲杠副內(nèi)的接觸剛度，軸承和軸承座剛度決定，因此可近似取拉壓剛度的1/3(變形近似為拉壓變形的3倍)。
，符合定位精度要求。
3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算
3.2.1選定電動(dòng)機(jī)
（1）電動(dòng)機(jī)和減速器的選擇
選擇的電動(dòng)機(jī)和減速器參數(shù)如下：
電動(dòng)機(jī)：西門子公司生產(chǎn)的自冷式三相交流同步伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為1FK7100-5AF7。
，， ， 。
減速器：LP155-M01， ，。
（2）計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
，
M（工作臺(tái)的質(zhì)量）=1000kg
慣量匹配，符合要求。
(3)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的力矩
—總效率，。
（滾珠絲杠預(yù)加載荷）=
（滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率）
所以，
17.08Nm<18Nm（電機(jī)輸出最大靜轉(zhuǎn)矩）所以，所選電動(dòng)機(jī)滿足使用要求。
（4）
（5）最大運(yùn)行速度：
，滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2.2同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）基本參數(shù)
帶輪傳動(dòng)中心距：224mm，同步帶規(guī)格：800-8M
帶輪：8-M，44齒
傳動(dòng)比，mm， ，齒根厚s=5.15mm
,
（2） 同步帶的選擇計(jì)算
：mm， mm
：節(jié)徑mm， mm
（3.6）
帶的節(jié)線長度：
（3.7）
選擇，齒數(shù)
:
(3.8)
中心距調(diào)整范圍：
(3.9)
,取0.37
，
根據(jù)實(shí)際情況，取帶寬為45mm。
作用在軸上的力：
(3.10)
3．3 主軸部分設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1主軸電動(dòng)機(jī)及其減速器的選擇計(jì)算
主軸電機(jī)：西門子公司生產(chǎn)的風(fēng)冷式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，1PH7-1372NG——0L。
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.109，重量130Kg，主軸高度132mm。
與1PH7-1372NG——0L 配套的減速機(jī)型號(hào)為2LG4312, 取i=4，重量62Kg。
0.043
帶輪：8-YU，60齒。
3.3.2同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）基本參數(shù)
按照?qǐng)A弧齒計(jì)算，8M型，基本參數(shù)如下：
傳動(dòng)比 ， 齒根厚s=5.15mm
（2） 同步帶的選擇計(jì)算
從動(dòng)帶輪：，
主動(dòng)帶輪：，
初定中心距：
。
選擇，齒數(shù)
，
：
4. 二維設(shè)計(jì)
4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，側(cè)銑頭要實(shí)現(xiàn)在X向以及Z向兩個(gè)方向上的切削進(jìn)給。為了能夠完成這兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可以將側(cè)銑頭分為進(jìn)行X向運(yùn)動(dòng)的水平滑枕，以及進(jìn)行Y向運(yùn)動(dòng)的垂直導(dǎo)軌兩部分。同時(shí)，還要在這兩部分上安裝導(dǎo)軌，使水平滑枕和垂直導(dǎo)軌之間能相互運(yùn)動(dòng)?？紤]到所設(shè)計(jì)的側(cè)銑頭要應(yīng)用于重型數(shù)控龍門銑床，側(cè)銑頭的重量必然會(huì)很大，再加上在整個(gè)加工過程中還要收到較大的切削力，因此導(dǎo)軌是否能夠承受較大的重量的問題應(yīng)當(dāng)加以重點(diǎn)考慮。此外，數(shù)控機(jī)床的加工精度要求很高，所以綜合以上因素，選擇貼塑滑動(dòng)式矩形導(dǎo)軌。還應(yīng)考慮到矩形導(dǎo)軌磨損后，不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，會(huì)降低定位精度和加工精度，因此在本設(shè)計(jì)中采用斜鑲條作為間隙調(diào)整裝置對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。
側(cè)銑頭要完成對(duì)工件的側(cè)銑，主軸要安裝在水平滑枕上，這樣一來關(guān)于主軸電機(jī)的安裝位置就有兩個(gè)方案可供選擇：一是安裝在水平滑枕上方，二是安裝在水平滑枕下方。如果采用方案二由于所選的主軸電機(jī)重量會(huì)比較大，就對(duì)連接電動(dòng)機(jī)和水平滑枕的部分的強(qiáng)度有較高的要求，而且，工作過程中如果發(fā)生意外情況，將電動(dòng)機(jī)放置在水平滑枕下方，更容易給電動(dòng)機(jī)造成較大的損害。綜上考量，選擇方案一。此外，主軸電機(jī)和水平滑枕之間的結(jié)構(gòu)連接要通過帶輪箱來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了做到合理利用空間、節(jié)約原材料，水平滑枕的寬度要適宜。為了減少水平滑枕的扭矩以及水平滑枕的橫向移動(dòng)空間，我們可以合理的利用豎直導(dǎo)軌側(cè)面的剩余空間，將進(jìn)給電機(jī)放置在豎直導(dǎo)軌的側(cè)面，不僅可以減小水平滑枕的扭矩，還達(dá)到了合理利用空間的目的。進(jìn)給電動(dòng)機(jī)與豎直導(dǎo)軌之間的連接依舊選擇帶輪箱來完成。
側(cè)銑頭用來實(shí)現(xiàn)X向運(yùn)動(dòng)的水平滑枕對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，無疑是一個(gè)相對(duì)而言比較復(fù)雜的零件，要考慮到的影響因素也比較多。比如說，側(cè)銑頭的行程要求為600 mm，為實(shí)現(xiàn)這一要求，水平滑枕本身要到達(dá)一定的長度，這就要考慮到水平滑枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在長度較長的情況下，在保證強(qiáng)度的前提之下為了減輕水平滑枕的重量，采用水平滑枕中空的結(jié)構(gòu)。
4．2 利用CAD軟件進(jìn)行二維設(shè)計(jì)
二維圖紙的繪制是將自己的整個(gè)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出來的一個(gè)過程，因此，要細(xì)致耐心地完成。繪制工作主要包括側(cè)銑頭整、具體位置以及各個(gè)零件之間連接部分的連結(jié)和配合方式，以及對(duì)各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)的逐步細(xì)化。最終成果包括：三張裝配圖、一張零件圖，總計(jì)四張0號(hào)圖紙。如下圖所示：
圖4.1二維裝配圖1
圖4.2二維前視圖
圖4.3二維俯視圖
圖4.4二維零件圖
5. 三維設(shè)計(jì)
5．1 三維建模
完成二維設(shè)計(jì)之后，就要利用SolidWorks軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行三維建模，共歷時(shí)一周左右，經(jīng)過多次修改與完善，最終生成一個(gè)裝配體以及若干零件模型。完成的部分樣圖如下：
圖 5.1側(cè)銑頭三維裝配圖1
圖 5.2 側(cè)銑頭三維裝配圖2
圖5.3 側(cè)銑頭三維裝配圖3
圖5.4 水平滑枕
圖 5.5 主軸
圖5.6 主軸電機(jī)帶輪箱圖 5.7 主軸電機(jī)
圖5.8 進(jìn)給電機(jī)帶輪箱
圖5.9 主運(yùn)動(dòng)帶輪中心距調(diào)整板 圖5.10 豎直導(dǎo)軌絲杠螺母座
圖5.11 主軸電機(jī)帶輪 圖5.12 伺服進(jìn)給同步帶中心距調(diào)整蓋板
圖 5.13 鑲條調(diào)整座 圖 5.14 絲杠
圖 5.15 絲杠螺母 圖 5.16 進(jìn)給電機(jī)帶輪
圖 5.17 進(jìn)給絲杠帶輪 圖 5.18 水平滑枕絲杠螺母座
圖 5.19 液壓缸 圖 5.20 進(jìn)給電機(jī)
圖5.21 軸承 圖 5.22 軸承座
5.2 三維動(dòng)畫
為了使側(cè)銑頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)過程能夠更加清晰、直觀的展現(xiàn)，在完成建模工作后又應(yīng)用 SolidWorks軟件為裝配體制作了一個(gè)簡單的三維動(dòng)畫，效果圖如下：
圖5.23 爆炸圖
6.結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)應(yīng)用于重型數(shù)控龍門銑床的側(cè)銑頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的側(cè)銑頭要能夠在 X向、 Z向兩個(gè)方向進(jìn)行銑削。完成本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題就是如何實(shí)現(xiàn)側(cè)銑頭在橫向、縱向兩個(gè)方向上的切削進(jìn)給。經(jīng)過綜合考量，把側(cè)銑頭分成兩個(gè)部分來設(shè)計(jì)，一是完成 Z向銑削的垂直導(dǎo)軌，二是完成實(shí)現(xiàn)橫向銑削的水平滑枕，同時(shí)在這兩部分安裝有實(shí)現(xiàn)的貼塑滑動(dòng)式矩形導(dǎo)軌；在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，使用交流同步伺服電機(jī)，通過同步帶連接滾珠絲杠螺母副，從而帶動(dòng)水平滑軌運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X向進(jìn)給。在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，使用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通過同步帶帶動(dòng)高精密主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)。
致謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)共歷時(shí)三個(gè)半月，在此，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師—楊鐸老師，在楊老師悉心的指導(dǎo)下，我才能圓滿地完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。從最開始的對(duì)題目進(jìn)行分析，準(zhǔn)備開題答辯，到最后的畢業(yè)答辯，在此過程中，都得到了楊鐸老師細(xì)致、耐心的指導(dǎo)。尤其在剛開始的階段，由于自己對(duì)課題把握不到位，出現(xiàn)了一些問題與錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致后面的任務(wù)不能順利的進(jìn)行。楊老師得知了我所出現(xiàn)的問題后，耐心細(xì)致地給我進(jìn)行講解，幫助我打開思路，直到我弄懂弄通，使我少走了很多彎路，更好的完成以后的設(shè)計(jì)工作。
與此同時(shí)，楊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)和謙和的待人態(tài)度都讓我印象深刻，同時(shí)更是對(duì)我產(chǎn)生了深深的影響，這些優(yōu)秀的品質(zhì)也將激勵(lì)我在以后的學(xué)習(xí)工作中腳踏實(shí)地、一絲不茍、精益求精。值此畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束之際，在此謹(jǐn)向楊鐸老師表示示由衷的感謝、崇高的敬意和真心的祝福。
最后，我要感謝參與我論文評(píng)審和答辯的各位老師，他們給了我一個(gè)審視幾年來學(xué)習(xí)成果的機(jī)會(huì)，讓我能夠明確今后的發(fā)展方向，他們對(duì)我的幫忙是一筆無價(jià)的財(cái)富。我將在今后的工作、學(xué)習(xí)中加倍努力，不辜負(fù)老師們的教誨與期待，創(chuàng)造出更大的價(jià)值回報(bào)社會(huì)。
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附錄一 外文譯文
Electromechanical integration technology and its application
1. An electromechanical integration technology development
Mechatronics is the machinery, micro-, control, aircraft, information processing, and other cross-disciplinary integration, and its development and progress depends on the progress of technology and development, the main direction of development of a digital, intelligent, modular, and human nature , miniaturization, integration, with source and green.
1.1 Digital
Microcontroller and the development of a number of mechanical and electrical products of the base, such as the continuous development of CNC machine tools and robots, and the rapid rise of the computer network for the digital design and manufacturing paved the way for, such as virtual design and computer integrated manufacturing. Digital request electromechanical integration software products with high reliability, easy operability, maintainability, self-diagnostic capabilities, and friendly man-machine interface. Digital will facilitate the realization of long-distance operation, diagnosis and repair.
Intelligent 1.2
Mechanical and electrical products that require a certain degree of intelligence, it is similar to the logical thinking, reasoning judgement, autonomous decision-making capabilities. For example, in the CNC machine increase interactive features, set up Intelligent I / O interface and intelligent database technology, will use, operation and maintenance of bring great convenience. With fuzzy control, neural network, gray, wavelet theory, chaos and bifurcation, such as artificial intelligence and technological progress and development and the development of mechanical and electrical integration technology has opened up a vast world.
Modular 1.3
As electromechanical integration products and manufacturers wide variety of research and development of a standard mechanical interface, dynamic interface, the environment interface modules electromechanical integration products is a complex and promising work. If the development is set to slow down. VVVF integrated motor drive unit with vision, image processing, identification and location of the motor functions, such as integrated control unit. Thus, in product development, design, we can use these standards modular unit quickly develop new products.
1.4 Network
As the popularity of the network, network-based remote control and monitoring of various technical ascendant. The remote control device itself is the integration of mechanical and electrical products, fieldbus technology to household appliances and LAN network possible, use a home network to connect various home appliances into a computer as the center of computer integrated appliances system, so that people in the home can be full enjoyment of the benefits of various high-tech, therefore, electromechanical integration products should be no doubt North Korea networks.
1.5 humanity
Electromechanical integration of the end-use product is targeted, how to give people electromechanical integration of intelligent products, emotion and humanity is becoming more and more important, electromechanical integration products in addition to improving performance, it also urged the color, shape and so on and environmental coordination, the use of these products, or for a person to enjoy, such as home robot is the highest state of human-machine integration.
1.6 miniaturization
Micro-fine processing technology is a necessity in the development, but also the need to improve efficiency. MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems, or MEMS) refers to quantities can be produced by the micro-collection agencies, micro-sensors, micro actuators and signal processing and control circuit until interface, communication and power is one of the micro-devices or systems . Since 1986 the United States at Stanford University developed the first medical microprobe, 1988 at the University of California, Berkeley developed the first micro-motor, both at home and abroad in MEMS technology, materials and micro-mechanism much progress has been made, the development of all sorts MEMS devices and systems, such as the various micro-sensors (pressure sensors, micro-accelerometer, micro-tactile sensor), various micro-component (micro-film, micro-beam, microprobes, micro-link, micro-gear, micro-bearings, micro-pump , microcoil and micro-robot, etc.).
1.7 Integration
Integration includes a mutual penetration of various technologies, and integration of various products of different structural optimization and composite, and included in the production process at the same time processing, assembly, testing, management, and other processes. In order to achieve more variety, small batch production of automation and high efficiency, the system should have a more extensive flexible. First system can be divided into several levels, allowing the system to function dispersed, and security and coordination with other parts of the operation, and then through software and hardware at various levels will be organically linked to its optimal performance, the most powerful.
1.8 with source of
Electromechanical integration refers to the product itself with energy, such as solar cells, fuel cells and large-capacity battery. As on many occasions not be able to use electricity, which campaigns for the mechanical and electrical integration products, has a unique power source comes with the benefits. Sources with the integration of mechanical and electrical product development direction of.
Green 1.9
The development of technology in people's lives brought great changes in the material at the same time has also brought rich resources, deterioration of the ecological environment consequences. Therefore, people calling for the protection of the environment, regression, and achieving sustainable development in the concept of green products such calls have emerged. Green products is low-power, low-wood consumption, clean, comfortable, coordination and utilization of renewable products. In its design, manufacture, use and destruction of human beings should be in line with environmental protection and health requirements, electromechanical integration of green products is mainly refers to the use of time is not pollute the ecological environmen