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数控龙门铣床主轴箱及进给系统设计

摘 要

从研究数控龙门铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台用于板材及多种工件加工的数控龙门铣床，满足了生产和设计的要求。整个龙门铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主轴箱安装在龙门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。

全面阐述了数控龙门铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控龙门铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。

其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。

关键词：龙门铣床    数控   伺服电机   滚珠丝杠

 

 目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章  绪论 1

1.1 背景 1

1.2 数控技术的应用与发展 1

1.2.2 数控技术的发展趋势 2

1.3 数控机床的分类 2

1.3.1 按工艺用途分类 3

1.3.2 按运动方式分类 3

1.3.3 按控制方式分类 3

1.4 经济型数控机床 4

1.4.1 经济型数控机床的概念 4

1.4.2 经济型数控机床的分类 4

1.4.3 经济型数控机床的特点 5

1.5 数控机床的组成及工作原理 5

1.5.1 数控机床的组成 5

1.5 本章小节 8

第2章 数控龙门铣床总体方案设计 8

2.1 机床的设计要求 8

2.2 设计方案 8

2.3 本章小节 11

第3章 机床主轴箱的设计 12

3.1 主轴箱的设计要求 12

3.2主传动系统的设计 12

3.2.1 主传动功率 12

3.2.2 驱动源的选择 13

3.2.3 转速图的拟定 13

3.2.4传动轴的估算 15

3.2.5齿轮模数的估算 17

3.3主轴箱展开图的设计 18

3.3.1设计的内容和步骤 18

3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定 18

3.3.3 各轴结构的设计 21

3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算 22

3.4  零件的校核 23

3.4.1齿轮强度校核 23

3.5 本章小节 25

第4章 进给伺服系统设计 26

4.1 对进给伺服系统的基本要求 26

4.2进给伺服系统的设计要求 27

4.3滚珠丝杠的选择 27

4.3.1 滚珠丝杠副的导程 28

4.4同步齿形带的选择 30

4.5伺服电机的选择 30

4.6 滚珠丝杠副的安全使用 31

4.6.1 润滑 31

4.6.2 防尘 31

4.6.3使用 32

4.6.4 安装 32

4.7 伺服进给系统结构图的设计 32

4.8 本章小节 34

第5章 床身、横梁导轨和工作台 35

5.1 床身结构 35

5.1.1 对床身结构的基本要求 35

5.1.2 床身的结构 36

5.2 导轨 38

5.2.1 导轨的润滑与防护 38

5.2.2 导轨的安装调整 39

5.3 工作台 39

5.4 本章小节 39

结论 39

 

第1章  绪论

1.1 背景

二十世纪中期以来，由于航空和航天技术的快捷发展，对于各种飞行器的加工提出更好更快的要求。这些零件形状大都相当复杂，材料多为难加工的合金，用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率，随着计算机的发明和发展，是数控机床的设想成为现实，且已经或即将成为现代机械制造生产过程的基本环节。

也就是说，结合现实的生产实际，根据我国的国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格、提高生产率、提高产品质量、降低废品率、提高加工精度、节约工装费用、降低生产成本、缩短生产周期、减轻工人的劳动强度，以致使企业取得最好的技术经济效果，在这种总的前提和要求下，就必须使机械加工自动化，适应于生产对象经常改变的情况，并且具有较好的通用性，较大的柔性。因此经济性数控机床就这样被设计并被广泛的应用在现代化生产当中。

1.2 数控技术的应用与发展

随着社会生产和科学技术的发展，机械加工产品的形状和结构不断改进，对加工质量的要求越来越高。由于产品更新换代的速度加快，目前在一般机械加工中单件、小批量生产的产品约占70%-80%。为了保证产品的质量，提高生产效率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程要尽可能实现自动化。数控技术就是在这种条件下发展起来的，适用于精度高、零件形状复杂的单价及小批量生产，以数字形式实现控制的一门技术。

1.2.1 数控技术领域与计算机应用的特点              1.2.1.1 数控的技术领域  数控就是以数字程序的形式实现控制的一门技术，它是随着电子计算机的发展而发展起来的，综合了各技术领域里的新成就，具有广泛的通用性，是高自动化程度的工业自动控制技术。现代数控技术所涉及到的技术领域学科很多，范围较广，除机械技术本体之外，还有以下关键技术：

1.计算机及接口技术                                           

2.自动控制技术

3.传感器技术

4.信息技术

数控技术首先在机床行业获得广泛应用，现在已有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控加工中心及数控线切割机床等。                         
1.2.1.2 数控技术中计算机技术应用的特点  计算机数控多以通用的小型或微型计算机为核心，在增加适当的接口电路及外围设备，来代替数控柜中的专用计算装置。   

计算机数控系统有以下特点

1.灵活性强

2.通用性好

3.可靠性高

4.易于实现多功能、高复杂程度的控制

5.使用维修方便

6.具有通信功能

1.2.2 数控技术的发展趋势

从数控系统的发展来看，数控机床已发展了五代在实际应用中，除了机床行业之外，数控技术还应用在其他部门，产生了各种数控设备。例如：数控绘图机、数控绕线机、数控测量机等。随着数控技术向其他行业的推广，计算机技术、成组技术及系统等技术在各工业部门的应用，推动了机械工业从传统的概念和方法中解脱出来，向着综合自动化的方向变革。在产品设计方面，采用计算机辅助设计（CAD）技术，可以提高设计质量，缩短设计周期，发现和修正设计中的错误。在加工制造方面，采用计算机辅助制造技术（CAM），使计算机参与从零件材料选择到加工和装配检验直至成品出库的整个过程。

1.3 数控机床的分类

1.3.1 按工艺用途分类

（1）一般数控机床

这类机床和传统的通用机床品种一样，其工艺可能性和通用机床相似，且能加工复杂形状零件。

（2）数控加工中心机床

它是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床。其主要来加工箱体零件。

（3）多坐标数控机床

其特点是数控装置的轴数较多，机床结构也比较复杂。

（4）计算机群控

它也称为直接数控系统，是一台大型通用计算机直接控制一群数控机床的系统。

1.3.2 按运动方式分类

（1）点位控制数控机床

这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置（点）精确的移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行任何切削加工。

（2）点位直线控制数控机床

这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线。

（3）轮廓控制数控机床

这种机床的控制装置能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个过程中每点的速度和位置。

1.3.3 按控制方式分类

（1）.开环控制数控机床

在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图1-1，数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题，故机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。

图1-1开环控制示意图

这种机床工作比较稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，其控制精度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。

（2）.半闭环控制控制数控机床

这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试比闭环方便。

（3）.闭环控制数控机床

这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。

（4）.混合控制机床

它集中了上述三种控制方式的特点。

1.4 经济型数控机床

1.4.1 经济型数控机床的概念

所谓经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，适合我国国情的装有数控系统的高效自动化机床。

1.4.2 经济型数控机床的分类

以驱动和定位方式划分，经济数控系统可分为以下三类：

（1）.步进电机式

采用步进电机驱动与定位，是开环系统，不采用其他措施进行补偿位置误差。其力矩不太大，所以机床行程速度较低。可加工锥面、螺纹、简单外形的曲面等，十分灵活。由于性能价格比合适，所以被广泛采用。

（2）.交流点位式

它采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制。它可提高精度。但只能加工柱面，且成本高，其性能价格比下降。

（3）.半闭环连续控制式

它采用了高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，承载能力强，可进行强力切削，但造价太高不经济，不适用于中小企业。

1.4.3 经济型数控机床的特点

经济型数控机床有以下特点：

1．价格便宜，其性能价格比适中。

2．适用于多品种，中小批量产品的自动化生产，对产品的适应性强。

3．提高产品质量，降低废品损失。

4．能解决复杂零件的加工精度控制问题。

5．节约大量工装费用，降低生产成本。

6．减轻工人的劳动强度。

7．提高工人素质，促进技术进步。

8．增强了企业应变能力，为提高企业竞争能了创造了条件。

1.5 数控机床的组成及工作原理

1.5.1 数控机床的组成 

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成，如图1-2：

1．控制介质

控制介质是存贮数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工作位置信息的媒介物，它记载着加工零件的加工程序。常用的有穿孔带、穿孔卡片、磁带和磁盘等。

图1-2数控机床的组成

2．数控装置

它是数控机床的核心。先导数控机床都采用计算机数控装置，既CNC(computerized numerial control)装置。他能完成信息输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3．伺服系统

伺服系统世界手术控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。

4．测量反馈装置

该装置由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈出来，构成闭环控制。

5．机床主机

主机是数控机床的主体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。

1.5.2数控机床的工作原理

当机床进行加工零件时，对加工要求零件尺寸及其参数，加工步骤等专用代码化的数字表示，通过控制介质，输入到控制装置，经微机处理后，

发出控制与运算的信息，在由伺服系统把脉冲信号转换为机床移动部件的运动，从而实现加工需要。

数控装置的基本组成框图如图1-3：

图1-3数控装置的基本组成                                             

程序编制的一般步骤：图1-4表示的零件图到成品的全过程，虚线框图中即为程序编制的内容及步骤。

图1-4零件图到成品的全过程

7位坐标轴或执行机构的测量装置，用于对坐标轴（或工作台）实际位置的测量，并反反馈到控制系统或伺服系统，形成全封闭控制。后者用以对驱动电机轴位置检测并反馈到数控系统或伺服系统形成半闭环控制若不需要检测装置到形成开环控制。

开环系统简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，变速扭矩小，一半用于倾覆在变化不太大或经济型数控机床上。

全闭环系统适用于具有传动部件精度高，性能稳定，使用过程温度差变化不大的高精度数控机床。

1.5 本章小节

本章主要讲述了数控技术的发展趋势以及数控机床的相关知识，包括数控机床的类型，其组成部分和工作原理，着重讲解了其控制原理。

 

结论

本次设计的课题为数控龙门铣床。整个龙门铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。

由于设计的是数控龙门铣床，是个非常接近于实际的题目，也是个较现实的想法。其中参考了许多机床厂、零件生产公司的此类型铣床及主要部件。

从整体上说，本次设计较好的实现了设计要求，控制简单，加工精度比较高等特点，基本达到了设计目的。

当然由于经验上的欠缺，本设计还存在一些不足，真诚地希望老师和同学们给予批评指正。

 

参考文献

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