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11第一章绪论1.1设计背景随着社会进步、科技发展的迅速发展，人们对产品更新换代的需求越来越强烈，产品的形状也随之变得更加复杂，要求产品精度也越来越高，对于多品种、小批量产品的需求也明显增加。传统的机床难以继续满足以上要求，为适应时代的发展，数控机床如雨后春笋应运而生，并且发展良好，已经形成了比较齐全的数控机床种类。数控机床的主要优点：1、适应性强、灵活性大当加工的产品类型发生变化时，只需要改变数控程序就可以满足转型要求，无需对机床结构进行调整，如此一来能够缩短生产周期，节约成本，提高生产效率。2、加工精度高、产品质量稳定进给传动系统大都采用滚轴丝杠传动机构，其误差可有数控装置进行补偿；数控机床在加工时，人为的干扰因素较少，加工过程由程序控制，从而减少了人为误差。3、自动化程度高、生产率高数控机床能够根据具体情况合理的选择机械加工余量，缩短了机械加工时间。数控机床配有各种检测元件，可以进行精确的定位、测量，无需人工定位、测量，进一步提高生产效率，同时工人的劳动强度也减小了。4、经济效益好用数控机床加工工件时，可以减少工艺装备的使用、缩短生产周期同时具有管理方便、废品率低等优点，这些都能够提高紧急效益。21世纪数控技术将是各国机械制造业竞争的核心。随着中国制造业的发展，数控技术的广泛应用也是支撑我国未来制造业发展的前提和必要。对于学习机械相关专业的在校大学生掌握一定的数控技术也是十分必要的。我们有一个数控技术与数控机床的加工设计实验，用三维软件建模，然后设计加工工艺路线，在三维软件中自动生成程序导入到数控机床加工仿真软件中去，进行加仿真。此次试验有效地提高了我们软件运用、加工理论的运用能力，但是没能亲身体验一下用真实的数控机床去加工一个真实的工件。现在的数控机床大都是为企业生产设计的，外形尺寸较大，价格较为昂贵，用于教学用的小型数控机床还是比较少的，为此我们参照企业数控机床与教学用数控机床设计了主要用于教学的小型数控钻铣床。221.2设计理念本产品的设计定位行业主要是：高等学校实验室、数控编程课程设计、职业技术院校、数控实训基地、工艺品加工、科研院所等。就涉及行业的实际情况给设计应该满足一些设计理念：1、外形尺寸本产品主要用于轻载加工尺寸无需过大。另外为适应教职专用，必须能够在实验室里成群安放，供学生集体使用，占用面积不宜过大。由于需要安放在实验室，所以噪音不宜过大，这就要求所选用的电机功率不要过大，运转平稳，同时这也考虑到安全问题，由于学生在大学期间一般是首次接触数控机床，所以对数控机床安全操作知识掌握有限。2、加工精度本产品主要用于供学生做实验用，掌握数控机床的使用方法、编程方法，所加工出的零件没有实际应用，所以本机床的加工精度不需要太精确，以降低制造成本。3、控制系统大学期间学生对于数控编程的要求在于基础水平，当参加工作时继续深入，所以本设计的数控系统应力求操作简便，人机关系合理，人机对话简单，适合简单程序的应用。4、经济性当今大学教育正向大众教育发展，所以对实验设备要求数量较多，这就需要院校花费大量资金购买，从而应尽量减少制造成本，经济性好，适应大众教育。1.3设计内容本设计的设计内容主要包括一下内容：1、机床总体结构设计包括机床的整体布局形式、底座的设计、立柱的设计、导轨设计等。2、主传动的设计包括主轴的轴颈设计计算、同步齿形带的传动设计、同步齿形带轮结构设计、轴承的寿命计算、联轴器的选择、主轴安装形式等。3、进给系统的设计包括丝杠的有关计算、步进电机的选择、丝杠的安装、联轴器的选择等。4、零件三维建模及装配包括运用UG进行各个零件的三维建模、装配，二维图纸的生成，装配动画与运动仿真的生成。33第二章小型数控钻铣床的总体结构设计2.1小型数控钻铣床的技术参数根据所选定的设计领域以及参考实际情况，对照相应领域的有关参数，确定本设计的产品技术参数如表2-1：表2-1产品技术参数2.2机床的总体布局常用的数控钻铣床的整体布局形式如图2-1：图2-1常见数控钻铣床布局形式根据上图结构结合实际情况我们选择图（a）所示的结构：X、Y轴分别在步进电机的驱动下做水平的往复运动，Z轴在步进电机的驱动下做垂直于工作台的上下往复运动；主轴在电机的带动下经传同步齿形带传动机构做回转运动，完成切削任务。此布局构造比较简单适合本产品使用的领域。最终确定本产品的总体布局结构如图2-2所示：441、电配箱2、底座3、立柱4、Z轴进给步进电机5、主轴直流无刷电机6、数控装置7、主轴箱8、导轨9、工作台10、Y轴进给步进电机图2-2本产品总体布局2.3主要部件结构设计2.3.1底座的设计图2-3底座55⑴、底座的结构设计：如图2-3所示为底座的结构图：1、沉头空用于连接底座与电配箱；2、螺纹孔用于连接立柱与底座；3、底座导轨用于携带承载移动导轨与工作台按加工路线运动；4、轴承座凸台用于固定Y轴进给系统的末端轴承座，同时设有凸台可以减小加工面积，从而保证轴承座的定位精度；5、电机座凸台用于固定Y轴进给系统的电机座，同时具有与④相同的作用；此外，底座与箱体安装接触的表面中部向内凹陷，这样可以减小加工面积，提高加工时的效率，同时可以减小机体重量。⑵、底座材料的选择：选择铸铁件1、抗震性好和耐磨性。机床在运转时不可避免的会发生震动，而铸铁材料内部的石墨含量较高，可以起到减震的作用，减小噪音。同时，铸铁内部存在许多微孔可以存储一些润滑油，本身的脱落也能够起到润滑作用；2、加工工艺性好，造价低。铸铁含碳量比较高，熔点低，在生成铸件时流动性好，收缩率小，比较适合生产结构复杂或薄壁零件。此外，铸铁在切削工时容易断屑，有效避免积屑瘤的产生，提高了加工时的表面加工精度。3、强度和刚度较高，不易发生变形。⑶、底座的热处理：底座铸件作为机床中比较基础的部件，需要承载较大的载荷，必须要经过热处理才能改善内部组织，提高其实用性能。本底座的热处理主要有：①、去应力退火。在底座铸造完毕时，由于内外冷却速度不同，壁的厚薄也存在差异，所以冷却后内部含有很大应力。在加工前要进行去应力退火。②、表面淬火。可以提高铸件的表面硬度，但不改变铸件内部韧性。从而获得足够的表面硬度和较好的内部刚度，提高工件性能。2.3.2立柱的设计⑴、立柱基本要求。基本要求：①、使用要求：能够顺利完成其功能，吊运、安装方便以及外形美观大方。②、工艺要求：在结构设计上应力求减小内应力的产生，壁厚均匀；铸造完成以及粗加工完成后要进行时效处理。③、性能要求：要有较高的刚度、抗震性能好、在温度变化较大的情况下的变形小。⑵、立柱的结构设计：原则：立柱的合理设计要本着以最小的自身重量去承受最大的静刚度。静刚度与截面惯性矩成正比。即使所用材料、截面面积相等，如果横截面形状不66同，则其截面惯性矩也不同。因此，合理的选择立柱的截面形状，获得较大的截面惯性矩可以有效地提高立柱的刚度和强度。常用的机床立柱截面形状表2-2所示：表2-2立柱截面形状查《使用机床设计手册》表10-7（截面形状与惯性矩和及惯性矩的关系），比较截面面积相同，截面形状不同的惯性矩计算值和相对值，可以得出：1、空心截面的刚度比实心截面的大，在相同的截面面积的情况下，如果扩大轮廓尺寸，减小壁厚，可以有效的提高截面惯性矩。故立柱的截面应做成中空，外轮廓适当做大，使壁厚减小。2、与矩形或方形截面相比，圆形或是环形截面的抗扭刚度相对来说是比较高的。但是，抗弯刚度要小。由于立柱主要承受的是弯曲力矩，所承受的扭转力矩较小，所以本设计选择矩形或是方形，由于矩形截面与方形相比其高度方向的抗弯刚度较大，所以选择矩形截面。3、封闭的截面要比有开口截面的刚度大，对于抗弯刚度的影响更为明显。因此77立柱的截面应该选择封闭的。4、要合理选择机床立柱的宽度和高度的比值。查《使用机床设计手册》，常用机床床身、立柱等高宽比值如表2-3所示：表2-3床身、立柱宽高比机架名称高宽比bh使用机床床身0.1普通机床5.1~2.1六角机床0.1中、大型镗床、龙门刨床立柱（包括立式床身）0.1立式镗床、单柱坐标镗床0.3~0.2立式钻床、组合机床4~3立式车床悬臂梁3~2摇臂钻床、单柱立式车床横梁2.2~5.1坐标镗床工作台18.0~1.0矩形工作台12.0~08.0圆形工作台底座1.0摇臂钻床2.3.3导轨的结构设计⑴、导轨的功能和分类导轨功能：导轨的主要作用是用来导向和承载，对静导轨起到导向作用使之能够按照一定的方向运动，并且能够承受一定载荷。导轨分类：按照摩擦性质分有：滑动导轨、滚动导轨；按照受力情况分有：开式导轨、闭式导轨。开式导轨如图2-4（a)所示，在其承载的部件的重力和载荷作用下，动导轨和支撑导轨的工作面始终保持相互接触、贴合。特点：结构简单、不能承受较大的倾覆力矩。闭式导轨如图2-4（b）所示，借助于压板使动导轨与静导轨相互连接，能够承受一定的倾覆力矩。⑵、导轨的基本要求1、导向精度高主要影响因素：①、导轨的加工精度和安装精度；②、导轨构造；③、导轨的抗变形能力即刚度和抗热变形能力；④、导轨的油膜厚度和油膜刚度。88图2-4按受力情况导轨的分类2、承载力大，刚性好主要影响因素：①、导轨的截面形状、尺寸；②、导轨、支承件之间的连接方式；③、载荷的性质、大小、方向即受力情况。3、耐磨性好主要影响因素：①、导轨所选用的材料；②、导轨与底座的摩擦性质；③、润滑和防护条件。4、低速时运转平稳在速度比较低或是进给量比较小时，不会出现“爬行”现象（即低速运动时不会出现“爬行”现象）。主要影响因素：①、静导轨与动导轨之间的摩擦系数的差别；②、传动系统的刚度；③、导轨的结构形式、运动部件的质量以及运动副之间的润滑状况。5、结构简单、工艺性好⑶、导轨的截面形状1、直线滑动导轨的截面形状主要有：燕尾形、三角形、矩形、圆柱形。具体的形状及其特点见表2-4所示：2、导轨的组合形式主要有：双三角形导轨、双矩形导轨、三角形-矩形导轨、矩形-燕尾形导轨等。具体特点及应用机床如表2-5所示：⑷、导轨的材料选择根据导轨的作用可以知道，对导轨材料的主要要求是耐磨性，其次要求工艺性好，便于加工，成本低。铸铁、塑料、钢等是常用的材料。导轨的静导轨与动导轨在工作时相互接触摩擦，为减小摩擦，两者的材料应尽量选择不同的材料，或者采用不同的热处理方法，防止摩擦力过大发生胶合现象。综合上述导轨的各种优缺点，参照实际类似机床的导轨形状，采用双矩形导轨，动、静导轨之间采用压板连接，确定具体导轨的结构形状如图2-5所示（a）图为导轨，下面直接扣压在底座上，上面承载工作台；（b)图为压板，开有储油槽，减小摩擦；（c)图为工作台，采用标准尺寸的12mm的T型槽：99表2-4导轨类型1010表2-5导轨组合形式（a)（b）（c)图2-5本设计所用的导轨、压板、工作台1111第三章主传动系统设计3.1整体结构设计3.1.1主传动系统设计要求1、主轴要有一定的转速范围，能够实现主轴的开启、停止、正反转等；2、主轴电机要有足够的功率，能够满足机床切削所用功率，传动件要有足够的强度和刚度，到达机床所需的动力要求；3、主轴组件要有较好的制造精度、平衡性、抗震性、抗变形能力，以减小变形、震动、噪音，满足机床工作性能的要求；4、结构简单，操作方便，便于安装、维修，满足使用要求；5、良好的工艺性，便于加工制造，满足经济性要求。3.1.2主传动系统的配置方式1、配有变速齿轮的主传动通过具有一定传动比的几对齿轮啮合来做到变速，降速时能够满足低速大转矩的要求，升速时能够满足高速小转矩的要求。多用于大中型数控机床。2、通过带传动的主传动通过电机本身的转速范围就能够满足要求，不需要复杂的齿轮变速，结构比较简单，传动平稳，噪音小，但是传动功率有限。多用于功率要求不大的中小型机床，常用V带或是同步带来完成。3、通过电主轴的主传动主轴直接没装于电机内部，结构更为简单，可获得较高的主轴转速，主轴刚度大，但是输出转矩有限，散热性能差。多用于中小型机床。4、两个电机带动的主传动需要转速较高时，采用高速电机带动，低速时用另一个低速电机带动。由于本设计所传递的功率较小，主