数控龙门铣床设计

本科毕业设计（论文）

轻型龙门铣床XKQ2010×30

设计

曲红军

燕 山 大 学

2010年 6月

本科毕业设计（论文）

轻型龙门铣床XKQ2010×30设计

学院（系）： 机械工程学院 专 业： 机制 学生 姓名： 曲红军 学 号：060101010155 指导 教师： 答辩 日期： 2010.6.24

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：机械工程学院 系级教学单位：机械制造工程系 学 学生 专 业 60101010155 曲红军 机制06-1 号 姓名 班 级 题目名称 题 目 题目类型 题目性质 题目来源 轻型龙门铣床XKQ2010×30设计 工程设计 真实 自选 1. 方案设计（工艺分析、工作原理、经济技术分析）; 2. 龙门架，主轴箱、工作台部件设计; 主 3. 动力及其控制系统 要 原始参数与目标参数：最大加工尺寸3000×1200×1200 (毫米); 工作台最大荷内 重2吨,主轴箱3个,回转角度垂直±30o 水平+30o -15o。 容 ? 机器总装配图、部件装配图 不少于A0 3 张 基 ? 典型零件图 A3 1 张 本 ? 主电控系统图 A1 1 张 要 ? 设计说明书 1 份，设计说明书2万字以上，分析、计算准确详尽，格式符合“毕业设计撰写规范” 求 ? 参考文献（不包括教科书）15篇以上，含一篇外文文献并译成中文（5千字） 参 ? 原始资料教师提供 考 ? 《机械设计手册》、《机床设计手册》、《机床设计图册》等 资 ? 自查科技论文 料 周次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17周 调研、查资料、总体设计（草总图、部件图控制系统设设计评审，答辩准备 应 方案设计、完成图）、部件设计绘制。 计、典型零件完 开题报告 （草图）、所有图绘制、译成 分析与计算 文、设计说明的 编制 内 容 指导教师：李金良 系级教学单位审批： 职称：教授 年 月 日 2010年2月28日

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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

Abstract

I

摘要

Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.

Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.

In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.

Keywords planer type milling machine Board Numerical control Step-by-steps the electrical machinery Ball bearing guide screw nut

II

目 录

摘 要 ..................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. I 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

III

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 ......................................................................... 20 3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算 ......................................... 21 3.4 零件的校核 ....................................................................................... 23 3.4.1齿轮强度校核 .............................................................................. 23 3.5 本章小节 ............................................................................................. 24 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Ph ................................................................ 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

IV

5.4 本章小节 ............................................................................................ 39 结论 .................................................................................................................... 39 参考文献 ............................................................................................................ 40 致谢 .................................................................................................................... 41 附录1 ................................................................................................................. 42 附录2 ................................................................................................................. 48 附录3 ................................................................................................................. 53

V

第1章 绪论

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

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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

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第1章 绪论

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。

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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。

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第1章 绪论

（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。

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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：

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第1章 绪论

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

图1-3数控装置的基本组成

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。

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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。

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第2章 数控龙门铣床总体方案设计

数控机床的总体设计方案由以下三部分组成：

1.技术参数设计：主要尺寸规格、运动参数（转速和进给范围)、动力参数（电机功率，最大拉力）。

2.总体布局设计：相互位置关系、运动分析、运动仿真（干涉检查）、外观造型。

3.结构优化设计：整机静刚度、整机的运动性能、整机的热特性。 总布局与使用要求： 1.便于同时操作和观察。

2.刀具、工件，装卸、夹紧方便。 3.排屑和冷却。

2.1 机床的设计要求

本机床的设计，符合国家机床标准。已定设计参数： 工作台：3000×1200mm 工作台最大荷重2t

高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于铣削板材以及多种工件等。

2.2 设计方案

我设计的主要内容是工作台移动数控龙门铣床。工作台数控龙门铣床是指工作台作纵向移动的龙门铣床。工作台移动龙门铣床的最大特点是：（1）造价便宜,容易制造生产。工作台移动式龙门铣床，整机长度必须两倍于纵向行程长度，而移动式龙门铣床的整机长度只需纵向行程加上龙门架侧面宽度即可。（2）机床的动态响应好。工作台移动式龙门铣床采用的是固定龙门架,工作台移动可以铣刀做切削运动时更加稳定，从而保证了加工精度和机床的响应性能。

1、机械部分设计

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第2章 数控龙门铣床总体方案设计

整机分为床身、龙门架、滑台、主轴箱、三轴进给驱动机构机械部分及相关数控伺服部分。现把设计过程中的重点阐述如下：

床身是本次设计工作的基础，床身的尺寸设计影响着对整机的设计，而且设计的合理性直接影响到整机的刚度。床身的上平面即工作台面设计有 K 条T形槽，为方便床身工作台面和T形槽的精刨加工，槽完全贯通。床身的左、右两下脚各设计有一个狭长平面，用来安放滚动直线导轨副。我把导轨面设计在床身的两下侧，主要是考虑力的传递方向与卸荷问题。因床身会受到龙门框架的重力、切削力和工件的重力，这样的设计可使龙门框架的重力直接传入到机床的基础上，而床身只受到工件的重力。

龙门框架采用的是整体龙门架的设计概念，即把横梁与左右立柱设计成一体，虽然使铸造和装配调整时的难度加大，但整体龙门框架的刚性更好，更重要的是使主轴箱、滑台等部件有了装配基准。

滑台的设计是在龙门架和主轴箱的几何尺寸确定后，按照主轴的中心尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把Z轴驱动安装位置设计在滑台上，有效地减轻滑台的重量。

设计进给驱动机构的构思如下：X 轴的进给驱动机构采用双边齿轮齿条副加重预压滚动直线导轨副，Y 轴与 X 轴采用大直径预压滚珠丝杠副加硬导轨副，且导轨滑动部分贴有工程塑料，避免低速时产生爬行现象，而且导轨部分设计有斜镶条可调装置。这样设计使机床的整体进给性能得以协调，各轴的进给速度和进给力得到了最佳匹配。

主轴箱的上下垂直运动Z轴采用滚珠丝杠副传动。由于本机床不是高速铣床，Z轴的进给系统为伺服电动机通过传动比为4的平行轴定比齿轮箱带动滚珠丝杠旋转。Z 轴的安全问题。首先选用带电磁刹车的伺服电动机，其次在滚珠丝杠上装有一双向超越离合器，防止滚珠螺母自转引起主轴箱机械式下垂。当然，为了保护Z轴进给机构的精度，还在滑台上装有两个平衡油缸。 平衡力Q等于主轴箱部件质量的85﹪。

主轴箱的左右移动为Y轴，为了保证Y轴的传动精度，并使丝杠只受水平轴向力，故采用伺服电动机与滚珠丝杠直联方式。笔者选用的联轴器带有过载保护装置，在过载时联轴器会自动脱开。

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2、数控系统选型

数控系统采用的是西门子 4-05，因为此系统提供了龙门轴的同步功能。使用此功能，本机床可以对龙门框架进给轴（X1，X2）实现无机械偏差的位移。运动的实际值可进行连续比较，即使最小的偏差也可以得到纠正，因此提高了轴的运动精度。

图1-1 数控龙门铣床总装图（主视图）

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第2章 数控龙门铣床总体方案设计

图2-2数控龙门铣床总装图（右视图）

2.3 本章小节

本章主要讲解了数控龙门铣床的总理方案设计，其主要内容有机械部分的设计和数控部分设计，根据所给要求制定出总体设计方案。

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第3章 机床主轴箱的设计

3.1 主轴箱的设计要求

1. 具有更大的调速范围，并实现无级调速。 2. 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 3. 良好的抗震性和热稳定性。

3.2主传动系统的设计

3.2.1 主传动功率

机床主传动的功率P 可由下式来确定：

P?Pc

?式中 P－机床主传动的功率 Pc－切削功率 ?－主传动链的总效率 由下式确定：

数控机床的加工范围一般都比较大，pc可根据有代表性的加工情况，

Pc?Fzv/60000?M?n/65500(KW)

式中 Fz－主切削力的切向力（N） v－切削速度（m/min） M－切削扭矩 （N/cm） n－主轴转速 （r/min）

主传动的总效率一般可取为?＝0.70～0.85，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速来实现，传动链比较短，因此，效率可以取较大值。

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第3章 机床主轴箱的设计

主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动的功率确定的，如果传动效率定的过大，将使传动件的尺寸笨重而造成浪费，电动机常在低负荷下工作，功率因数太小从而浪费能源。如果功率定的过小，将限制机床的切削加工能力而降低生产率。因此，要较准确合适的选用传动功率。

3.2.2 驱动源的选择

机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin是调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。

根据主轴要求的最高转速4500r/min，最大切削功率5.5KW,选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500 r/min。

3.2.3 转速图的拟定

根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围

Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1） 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。

设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比Фf等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp，即Фf=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。

变速箱的变速级数:

Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2) 取 Z=3

确定各齿轮副的齿数：

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取S=114

由u=2 得Z1=38 Z1′=76 由u=0.67 得Z2=68 Z2′=46 由u=0.22 得Z3=94 Z3′=20

如取总效率η=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3kw。可选用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5kw。 由此拟定主传动系统图、转速图以及主轴功率特性图分别如图3-1、图3-2、图3-3。

图3-1 主传动系统图

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第3章 机床主轴箱的设计

图3-2转速图 图3-3主轴功率特性

3.2.4传动轴的估算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。

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计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图上直接得出如表3-1所示:

表3-1 各轴的计算转速

轴 计算转速（r/min） Ⅰ 1500 Ⅱ 750 III 173 各轴功率和扭矩计算：

已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），则： Ⅰ轴：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KW Ⅱ轴：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KW III轴：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KW

Ⅰ轴扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=47.24 N.m

Ⅱ轴扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×7.20/750=91.68N.m III轴扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×6.98/173=385.31N.m

[φ]是每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表3-2所示:

表3-2 许用扭转角选取原则

轴 [φ]（deg/m） 主轴 0.5-1 一般传动轴 1-1.5 较低的轴 1.5-2

根据表2-2确定各轴所允许的扭转角如表3-3所示:

表3-3 许用扭转角的确定 轴 [φ]（deg/m）

Ⅰ 1 Ⅱ 1 III 1 把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW、计算转速nj（如表2-1）、允许扭转角[φ]（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式

d?0.0114T (3-3) [?]

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第3章 机床主轴箱的设计

可得各个传动轴的估算直径：

Ⅰ轴： d1=28.8mm 取d1=30mm Ⅱ轴： d2=34.0mm 取d1=35mm 主轴轴径尺寸的确定：

已知铣床最大加工直径为Dmax=400mm, 则：

主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax±15=85～115mm 取D1=95mm 主轴后轴颈直径 D2=(0.7～0.85)D1=67～81mm 取D2=75mm

主轴内孔直径 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取d=40mm

3.2.5齿轮模数的估算

按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。 齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，第二种是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。

根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于17，在该设计中，即最小齿轮的齿数不小于17。而由于Z3,Z3’这对齿轮有最大的传动比，各个传动齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z3’。取Z3’=20,S=114，则Z3=94。

N从转速图上直接看出直接可以看出Z3的计算转速是750r/min。 3?32z?nj=2.4 (3-4) 根据齿轮弯曲疲劳估算公式mω

根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得: m=2.84

由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m =3mm，对比上述结果，可知这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，而且考虑到两传动轴的间距，故取同一变速组中的所有齿轮的模数都为m=3mm。现将各齿轮齿数和模数列表如下：

表3-4 齿轮的估算齿数和模数列表

Z0 Z0’ Z1 Z1’ Z2 齿轮 35 70 38 76 68 齿数 3 3 3 3 模数（mm） 3 17

Z2’ 46 3 Z3 94 3 Z3’ 20 3 燕山大学本科生毕业设计（论文）

3.3主轴箱展开图的设计

主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。因此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为依据绘制零件工作图。

3.3.1设计的内容和步骤

这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。

3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定

传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其它零件的结构和尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。所以设计时先画主要零件，后画其它零件，先画传动零件的中心线和轮廓线，后画结构细节。 1）传动轴的估算

这一步在前面已经做了计算。 2）齿轮相关尺寸的计算

为了确定轴的轴向距离，齿轮齿宽的确定是必须的。

而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数Φm =(6-10)m。这里取齿宽系数Φm=10, 则齿宽B=Φm×m=10×3=30mm.现将各个齿轮的齿厚确定如表3-5所示:

表3-5 各齿轮的齿厚

齿轮 齿厚（mm） Z1 30 Z1′ 30 Z2 30 Z2′ 30 Z3 30 Z3′ 30 齿轮的直径决定了各个轴之间的尺寸，所以在画展开图草图前，各个齿轮的尺寸必须算出。现将主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如表3-6所示:

表3-6 各齿轮的直径 齿轮 分度圆直径（mm） 齿顶圆直径（mm） Z1 114 120 Z1′ 228 234 Z2 204 210 Z2′ 138 144 Z3 282 288 Z3′ 60 66 18

第3章 机床主轴箱的设计

齿根圆直径（mm） Z0 105 111 97.5 Z0’ 210 216 202.5 106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 由表3-2可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表3-7所示:

表3-7 各轴的中心距

轴 距离（mm） 3）确定齿轮的轴向布置 ⅠⅡ 160 ⅡⅢ 175 为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距，应大于滑移齿轮的宽度，一般留有间隙1-2mm，所以首先设计滑移齿轮。

Ⅱ轴上的滑移齿轮的两个齿轮轮之间必须留有用于齿轮加工的间隙，插齿时，当模数在1-2mm范围内时，间隙必须不小于5mm,当模数在2.5-4mm范围内时，间隙必须不小于6mm，且应留有足够空间滑移，据此选取该滑移齿轮三片齿轮之间的间隙分别为d1= 45mm,d2=8mm。

由滑移齿轮的厚度以及滑移齿轮上的间隙可以得出主轴上的齿轮的间隙。

现取齿轮之间的间距为82mm和45mm。

图3-4 齿轮的轴向间距

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

4）轴承的选择及其配置 主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。

同样尺寸的轴承，线接触的滚子轴承比电接触的球轴承的刚度要高，但极限转速要低；多个轴承的承载能力比单个轴承的承载能力要大；不同轴承承受载荷类型及大小不同；还应考虑结构要求，如中心距特别小的组合机床主轴，可采用滚针轴承。

为了提高主轴组件的刚度，通常采用轻型或特轻型系列轴承，因为当轴承外径一定时，其孔径（即主轴轴颈）较大。

通常情况下，中速重载采用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承（如配推力轴承，则极限转速低），或者成对圆锥滚子轴承，其结构简单，但是极限转速较低，如配空心圆锥滚子轴承，其极限转速显著提高，但成本也相应的提高了。高速轻载采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25°或 15°的接触角。轴向载荷为主且精度要求不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度要求较高时，选用向心推力轴承。

该设计的主轴不仅有刚度高的要求，而且有转速高的要求，所以在选择主轴轴承时，刚度和速度这两方面都要考虑。主轴前轴承采用3182119型轴承一个，后支承采用30215型和8215型轴承各一个。

3.3.3 各轴结构的设计

I轴的一端与电动机相连，将其结构草图绘制如下图4—2所示

图3—5

II轴安装滑移齿轮，其结构如草图3—2所示

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第3章 机床主轴箱的设计

图3-6

III轴其结构完全按标准确定，根据轴向的尺寸将结构简图绘制如下图4—4所示

图4-4

3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算：

最佳跨距的确定：

取弹性模量E=2.1X10Pa，D=（95+75）/2=85；

(D4?d4)I???2.48?10?6m42主轴截面惯距

截面面积：A=4415.63mm

主轴最大输出转矩：

p Mn?9550?477.5N?m

n床身上最大回转直径约为最大加工直径的60%，即240mm。故半径为0.12m

M Fz?n?3979.2N

0.12 Fy=0.5Fz=1989.6N

故总切削力为： F=Fz2?Fy2=4448.9N 估算时，暂取L0/a=3,即取3x120=360mm.

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

l0?a360?120?4448.9??4931.9N l0360a120?1483.0N 后支承支反力 RB?F??4448.9?l0360取Ka?13.976?102N/m

前支承支反力RA?F?Kb?2.67?102N/m Ka?5.23 KbEI???0.216

Ka?a3则L0/a?2.96 则L0?281mm

因在上式计算中，忽略了ys的影响，故L0应稍大一点，取L0=300mm 计算刚度损失：

取L=385mm,χ=4.61因在上式计算中，忽略了ys的影响，故L0应稍大一点，取L0=300mm

计算刚度损失：

取L=385mm,χ=4.61

表3-8 由 弹 性 主 轴 y1 公 弯曲变形 yb 剪切变形式 ys 悬伸段 跨距段 悬伸段 跨距段 5.4882.2242.3611.165-6-7-7L=3×10-7 ×10 ×10 ×10 85 12.2949.8％ 5.29％ 2.61％ ％ L5.4881.7322.3611.491×10-7 ×10-6 ×10-7 5×0=300 10-7 12.8140.465.51％ 3.48％ ％ ％

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弹性支承k 前支后支承 承 总 总 柔 刚度 度 11.122.28×44.6-7-7×10 10 5×10-7 24.95.1％ 100％ ％ 12.43.75642.8×10-7 ×10-7 3×10-7 28.98.77％ 100％ ％ 2.245 ×10 2.33×105 由L≠L0引起的刚度损失约为3.68％,可知，主轴刚度损失较小，选用

第3章 机床主轴箱的设计

的轴承型号及支承形式都能满足刚度要求。

3.4 零件的校核

3.4.1齿轮强度校核

校核II轴齿轮 校核齿数为20的即可，确定各项参数 P=7.2KW, n=750r/min

Ⅱ轴扭矩: T2=9550P2/n2 =9550（5-1）

?Dnv?60?1000=2.35m/s 确定动载系数：

?7.2/750=91.68 N.m

齿轮精度为7级，由《机械设计》查得使用系数 Kv?1.05

非对称 KH??1.1?20.?1?81?d20.6d2???3?0?.b2310?3?1.12?0.18(1?0.6)?0.23?10?27?1.42

查《机械设计》得 确定齿间载荷分配系数:

KF??1.24

KAFt1?2778.2==42.1 ?100N/m由《机械设计》查得 KF??KH?=1.2 b66确定动载系数:

K?KAKvKF?KH?=1?1.05?1.2?1.42=1.6

查表 10-5 YF??2.65 FS??1.58

计算弯曲疲劳许用应力，由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ?FE?540MPa 图10-18查得KN?0.9,S = 1.3

??F??0.9?540?373.8MPa 1.3??F?YF?YS??373.8?89.32.65?1.5823

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（5-3） KFt1.6?2778.2??49.4?89.3 故满足要求。 bm30?33.4.2传动轴挠度的验算：

II轴的校核：通过受力分析，在一轴的三对啮合齿轮副中，中间的两对齿轮对II轴中点处的挠度影响最大，所以，选择中间齿轮啮合来进行校核

T?9550?P/n?9550?7.2/2272?30N?mFt?2?T/d?2?30/(60?10)?1000NP?F?Ft2?Ft2?1414N

?3

已知d=60mm， E=2.1X10Pa，b=30mm ，x=180mm

11?F?b?xl2?x2?b2YB???6?E?I?l?????4???1414??30?180?3602?1802?302?10?3?4411??406?2.1?10??10?3?360?10?364?2.02?10?4mm???

（5-4）

?y??0.03?4?0.12mm YB??y?,所以合格。

3.5 本章小节

本章主要讲述了龙门铣床的主轴箱的设计，其主要内容包括传动比的确定电机的选择，轴的设计和强度校核，齿轮的参数的确定等内容。

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第4章 进给伺服系统设计

4.1 对进给伺服系统的基本要求

带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；响应要快；系统的稳定性要好。

1.稳定性

所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界输出量经过几次衰减振荡后，能够迅速的稳定在新的或原有的是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性(稳定裕度)。

进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系适当的选择系统的机械参数(主要有阻尼、刚度、谐振频率和失气参数，并使它们达到最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标

2.精度

所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的差)，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差和干常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。 来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另一点时，指令值的最大差值。重复定位精度是指工作台进行一次循环动作后， 偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标联动时，实际运动轨迹与给的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂。采用数提高伺服驱动系统的精度。

3.快速响应特性

所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间、传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟 随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，对于点位控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定位时间。对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性

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