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加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
作 者 姓 名： 安浩鵬
指 導 教 師： 馬曉波
學 院 名 稱：機械設(shè)計制造與自動化
專 業(yè) 名 稱：機械設(shè)計制造及自動化
沈陽工學院
2016年4月
3
加工中心側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
Structural Design of the Profile Cutter Head
of a Machining Centre
作 者 姓 名： 安浩鵬
指 導 教 師： 馬曉波
學 院 名 稱：機械設(shè)計制造與自動化
專 業(yè) 名 稱：機械設(shè)計制造及自動化
開 始 日 期：2016年04月05日
終 止 日 期：2016年05月19日
沈陽工學院
2016年4月
沈陽工學院畢業(yè)設(shè)計說明書
摘要
本設(shè)計主要是根據(jù)設(shè)計要求，依據(jù)機械設(shè)計和機械制圖的基本原理對一臺重型數(shù)控龍門銑床的側(cè)銑頭進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，該側(cè)銑頭能夠在X 方向和Z方向兩個方向上進行銑削運動。本設(shè)計主要分三部分：
第一部分是根據(jù)設(shè)計要求對側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)進行總體方案的設(shè)計，主要包括伺服進給運動和主運動方式的確定。
第二部分是利用機械設(shè)計基本原理對設(shè)計中伺服進給運動和主運動系統(tǒng)的機械部分的設(shè)計計算，主要包括進給電動機、主軸電動機、滾珠絲杠副的選則、計算和校核以及對同步帶和帶輪進行設(shè)計。
第三部分是根據(jù)所選擇設(shè)計的主要零件，先進行大體結(jié)構(gòu)設(shè)計，之后在此基礎(chǔ)之上，利用機械制圖的基本原理，應(yīng)用CAXA電子圖版對側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)進行二維設(shè)計，并生成三張二維裝配圖紙和一張二維零件圖紙。
關(guān)鍵字： 重型數(shù)控龍門銑床 側(cè)銑頭 結(jié)構(gòu)設(shè)計 總體方案設(shè)計
二維設(shè)計
Abstract
The design is mainly to design the profile cutter head structural of a heavy numerically controlled plan miller according as the rationale of mechanism design and theory of machines on the bases of design specification. The design is mainly divided into three 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 servo feed motion and the main 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 chooses the type, the calculation and the verification of the feed electromotor, the principal axis electromotor and the ball screw, 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.
Keywords: Heavy numerically controlled plan miller, The profile cutter head, Structural design, total project design, two dimensional design。
I
沈陽工學院畢業(yè)設(shè)計說明書
目 錄
摘 要................................................................................................................................I
ABSTRACT.....................................................................................................................П
一、緒 論 1
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展狀況 1
1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 2
1.3 設(shè)計目的和意義 3
二、總體方案設(shè)計 5
2.1設(shè)計基本要求 5
2.2總體設(shè)計方案 6
三、伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 8
3.1滾珠絲杠副的選擇計算 8
3.1.1 已知參數(shù) 8
3.1.2 切削力的確定 8
3.1.3 滾珠絲扛螺母副的設(shè)計、計算 8
3.2 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 11
3.2.1 電動機選擇 11
3.2.2 同步帶的設(shè)計計算 17
3.3 機床主軸部分設(shè)計計算 18
3.3.1 主軸電機及其減速器的選擇計算 18
3.3.2 同步帶的設(shè)計計算 19
四、二維設(shè)計 21
4.1 大體結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
4.2 利用 CAXA 電子圖版進行二維設(shè)計 22
經(jīng)濟技術(shù)性與環(huán)保分析 27
結(jié) 論 28
致 謝 29
參考文獻........................................................................................................................30
第1章 緒論
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展狀況
20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應(yīng)用，計算機及控制技術(shù)在機械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進步。自從1952年美國第1臺數(shù)控銑床發(fā)明出來到現(xiàn)在已有50年。數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機，形成了龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，全世界每年的產(chǎn)量有10～20萬臺，產(chǎn)值上百億美元。尤其是以美國和德國為代表的數(shù)控技術(shù)最為先進。只就數(shù)控銑床來說，已經(jīng)出現(xiàn)了各式各樣適應(yīng)于不同加工形式的數(shù)控銑床，而只就數(shù)控龍門銑床來說，自從西班牙尼古拉斯·克雷亞集團公司(Nicolas Correa，下稱NC公司)80年代中期開發(fā)出第一臺龍門式數(shù)控銑床，在這短短的幾十年里，數(shù)控龍門銑床技術(shù)的不斷發(fā)展，先后出現(xiàn)了各種形式的龍門銑床，到目前為止數(shù)控龍門銑床技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當完善。
從整體上看，現(xiàn)在在機械行業(yè)中使用的數(shù)控龍門銑床大部分只帶有立式銑頭，也就是說只能對工件上表面進行Y向和X向銑削或是帶有側(cè)銑頭但該側(cè)銑頭只能進行Z向進給運動。也就是說帶有能夠做兩個方向進給運動的側(cè)銑頭還是少見的。特別是對于重型龍門銑床來說，加工工件一般都是很大很重的，移動工件時很不合理的，所以這時采用能夠做兩個方向進給運動的側(cè)銑頭是必要的。
我國數(shù)控機床制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型，但數(shù)控龍門銑床并未得到很大發(fā)展。
??有專家指出專家說，從整體上提高我國機床水平刻不容緩。但當前需要特別注意的是，必須快速提高數(shù)控機床產(chǎn)品的自主開發(fā)、制造能力。為此，要建立有效的數(shù)控技術(shù)開發(fā)中心，加強對重點工藝的研究、試驗，形成成套開發(fā)能力；同時，通過國際合作生產(chǎn)、合資經(jīng)營，實現(xiàn)主流產(chǎn)品生產(chǎn)的高起點、成批量、專業(yè)化。
1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：
（1） 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
? ? 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。
?在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
? ? 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
? （2）5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬火鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。
?當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
? （3） 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
? ? 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
（4）重視新技術(shù)標準、規(guī)范的建立
數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。
1.3 設(shè)計目的和意義
(a) 目的
（1） 根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計一個重型數(shù)控龍門銑床的側(cè)銑頭，使其能夠在橫向和縱向兩個方向作進給運動，對于一臺重型數(shù)控龍門銑床來說通常加工的工件都是很大很重的，在加工過程中要讓工件移動或是進行多次安裝是很費時費力的，所以設(shè)計一個能夠在橫向和縱向兩個方向作進給運動的側(cè)銑頭，來減少實際工件的移動和安裝次數(shù)，進而減少安裝的時間和由于多次安裝引起的定位精度誤差。
（2） 使學生了解機械設(shè)備的設(shè)計過程。對作為一名將來從事機械行業(yè)的大學生來說，了解機械設(shè)備的設(shè)計過程是一個必須的。而對數(shù)控銑床側(cè)銑頭的設(shè)計完全能夠體現(xiàn)出機械設(shè)備的設(shè)計過程以及在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題和一般要考慮的因素。
（3） 使學生能夠?qū)⒃诖髮W期間所學的理論知識與具體實踐相結(jié)合。當今大學生大部分都存在著不知道如何將大學所學的東西運用到實際中去，甚至認為大學所學的東西根本沒有用處。
（4） 使學生在實際過程中學習新的軟件。通過完成這個畢業(yè)設(shè)計，以掌握當今社會上一些常用的制圖軟件和分析軟件。現(xiàn)在的社會是高科技的社會，對于機械行業(yè)來說也是如此。現(xiàn)在的機械行業(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，運用分析軟件對工程師所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行強度分析，可以事先發(fā)現(xiàn)不合理之處，以便提早加以改正。
(b) 意義
（1）、在現(xiàn)實中，帶有側(cè)銑頭的數(shù)控龍門銑床是不常見的一種形式，而帶有能夠在兩個方向上進行進給運動的側(cè)銑頭的龍門銑床更是不常見。這項設(shè)計所設(shè)計的側(cè)銑頭與其他龍門銑床部分相配合，可以應(yīng)用在現(xiàn)實中對工件進行三個方向上的加工，從而很可能能夠?qū)ぜM行一次性安裝加工，這無疑可以省去很多調(diào)整時間并保證良好的安裝精度。而且這是對一臺重型數(shù)控龍門銑床側(cè)銑頭的設(shè)計，對于一臺重型銑床來說，加工的工件一般都是很大很重的，要對工件進行多次安裝是很困難的也很浪費時間，且定位精度不容易保證，而該課題所設(shè)計的側(cè)銑頭正適合這種情況，所以說這項設(shè)計有重要的現(xiàn)實意義。
（2）、在做畢業(yè)設(shè)計的過程中學習掌握二維繪圖軟件，為以后更好的適應(yīng)社會打下良好的基礎(chǔ)。
（3）、了解機械產(chǎn)品的設(shè)計過程，掌握設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題和應(yīng)考慮的因素。
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沈陽工學院畢業(yè)設(shè)計說明書
第2章 總體方案設(shè)計
2.1 設(shè)計基本要求
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 加工中心方案圖1
圖 2.2 加工中心方案圖2
2.2 總體設(shè)計方案
根據(jù)設(shè)計要求，側(cè)銑頭能夠在橫向和縱向進行切削進給，即在X向和Z向進行切削進給。為實現(xiàn)這兩個運動，所以將側(cè)銑頭主要分為實現(xiàn)縱向運動的垂直導軌和實現(xiàn)橫向運動的水平滑枕兩部分。同時需要在這兩部分上安裝有實現(xiàn)的導軌，考慮到此數(shù)控機床是一臺重型數(shù)控龍門銑床，側(cè)銑頭本身有很大的重量并且在加工過程中要受到很大的切削力的作用，這就要求所選擇的導軌必須能夠承受很大的重力及較高的剛度，除此之外，因為本數(shù)控機床要求有很高的加工精度，根據(jù)這一點本設(shè)計采用承載能力大結(jié)構(gòu)簡單剛性好的貼塑滑動式矩形導軌，在這之中之所以采用貼塑方式是因為普通的滑動導軌摩擦系數(shù)大，容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而貼塑導軌具有摩擦系數(shù)小、抗咬合磨損性能好、不易爬行、工藝性能好等優(yōu)點，但是由于矩形導軌磨損后不能自動補償間隙，這就會影響加工精度和定位精度，因此對于導軌主要承載面需要有間隙調(diào)整裝置，在本設(shè)計中，采用斜鑲條對其進行調(diào)整。
對于主軸的運動，初步考慮了兩種方案：一、采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主軸運動；二、采用電動機通過同步帶帶動主軸運動。但是考慮到此設(shè)計是一臺重型數(shù)控龍門銑床，側(cè)銑頭本身有很大的重量并且在加工過程中要受到很大的切削力的作用，要帶動側(cè)銑頭運動并實現(xiàn)進給，這就要求選擇功率很大的電動機，而這就導致電動機有很大的結(jié)構(gòu)尺寸，如果采用聯(lián)軸器進行連接，勢必會增加側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸，從而導致側(cè)銑頭重量的增加浪費原材料。而采用同步帶傳動，可以將電動機放置在側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)以外，這不但會減小側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)尺寸，同時也大大降低了原材料的使用；除此之外，采用同步帶傳動，還具有傳動比準確，傳動效率高，噪音小的優(yōu)點。這符合經(jīng)濟環(huán)保的要求。為保證加工精度，在這部分設(shè)計中，主軸采用高精密主軸B50-190。
為了實現(xiàn)橫向進給運動，也初步考慮了兩種方案：一、采用電動機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠螺母副連接帶動水平滑枕運動；二、采用電動機通過同步帶與滾珠絲杠螺母副帶動水平滑枕運動。如果采用聯(lián)軸器連接的方式，就要將電動機及聯(lián)軸器安置在水平滑枕的尾部，而一個大功率的電動機有很大的重量，這樣就會導致水平滑枕尾部承受很大的重力，從而產(chǎn)生很大的扭矩，這對實現(xiàn)水平滑枕的運動精度、定位精度產(chǎn)生影響，并會導致摩擦性能的降低，而且為實現(xiàn)設(shè)計要求，水平滑枕需要有很長的結(jié)構(gòu)尺寸，如果在將電動機放置在水平滑枕尾部，這就增加了整體機床的安裝空間；而采用電動機通過同步帶與滾珠絲杠螺母副帶動水平滑枕運動的方式，可以將電動機放置在垂直導軌上，這無疑可以減少安裝空間，而且合理利用空間。之所以采用滾珠絲杠螺母副進行傳動，是因為它具有摩擦損失小，傳動效率高；摩擦阻力小，動靜摩擦力之差極小，因而運動靈活、平穩(wěn)、低速時不易產(chǎn)生爬行、且磨損小、精度保持性好、壽命長；絲杠螺母之間進行消隙或預(yù)緊，可以消除反向間隙、市反向無死區(qū)，定位精度高、軸向剛度大；傳動具有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動等優(yōu)點，此設(shè)計中采用的滾珠絲杠螺母副是BNFN 5020-2.5。
對于主軸電動機的選擇，初步選用西門子公司生產(chǎn)的風冷式交流感應(yīng)電動機。對于伺服進給電動機，初步選用西門子公司生產(chǎn)的自冷式三相交流同步伺服電動機。交流伺服電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制造成本低；其沒有電刷和換向器，不需要經(jīng)常維護，沒有直流伺服電動機因換向火花影響運行速度提高這種限制。
為了提高水平滑枕的X方向定位精度，在該方向上安裝直線光柵尺進行位置檢測并構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)可以消除整個系統(tǒng)的誤差，包括機械系統(tǒng)的傳動誤差等，其控制精度和動態(tài)性能都比較理想，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和調(diào)試比較麻煩，成本高。
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第3章 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算
3.1 滾珠絲杠副的選擇計算
3．1．1 已知參數(shù)
絲杠的公稱直徑50mm，導程20mm，螺紋長度1245mm，BNFN5020-2.5。
3．1．2 切削力的確定
按照立銑（不對稱順銑）計算各向分力，如下圖所示：已知主切削力
圖2.1 銑頭受力示意圖
取
3．1．3 滾珠絲扛螺母副的設(shè)計、計算
（1） 計算進給牽引力
作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導軌的類型有關(guān)，此處為貼塑矩形導軌，則的計算公式為：
(3.1)
其中，
、、—各向切削分力，；
— 移動部件的重量，；
— 導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌形勢而不同，取0.05；
— 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，取1.1。
（2）計算最大動負載C
選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：
(3.2)
式中：L—壽命，以為一單位，
—絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min），用下式計算
—為最大切削力條件下的進給速度（m/min），可取最高進給速度的1/2～1/3；
— 絲杠導程，（mm）；
—絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min），
—為使用壽命，，對于數(shù)控機床取T=15000h；
—運轉(zhuǎn)系數(shù)，見下表。
運轉(zhuǎn)系數(shù)
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
運轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊運轉(zhuǎn)
1.0～1.2
一般 運 轉(zhuǎn)
1.2～1.5
有沖擊運轉(zhuǎn)
1.5～2.5
計算：
計算結(jié)果小于絲杠額定動載荷72.5KN，滿足要求。
（3）傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率η：
η (3.3)
式中： η —摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004，摩擦角η約為,即0.1667°
— 絲杠螺旋升角
絲杠中徑
= 6.8880°
= = 0.976
（4）剛度計算
滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：
絲杠的拉伸或壓縮變形量：
在總的變形量中占的比重較大，可以用計算方法確定。
先用下式計算滾珠絲杠受工作負載的作用引起導程的變化量在計算滾珠絲杠總長度上的拉伸或壓縮變形量（兩端固定）：
(3.4)
式中，
—在工作負載作用下引起每一導程的變化量，（mm）；
— 工作負載，即進給牽引力，；
—滾珠絲杠的導程，（mm）；
— 材料彈性模數(shù)，對鋼（）；
—滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）（mm2） “+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。
計算滾珠絲杠在總長度上拉伸或壓縮的變形量
（3.5）
式中：—滾珠絲杠在支承間的受力長度，。
根據(jù)《實用機床設(shè)計手冊》滾珠絲杠副的傳動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，因此近似取拉壓剛度的1/3(變形近似為拉壓變形的3倍)。
，
符合要求定位精度。
3.2 進給伺服系統(tǒng)傳動計算
3.2.1電動機選擇
1、初選電動機和減速器
（a）電動機和減速器參數(shù)
電機西門子1FK7101-5AF7：額定轉(zhuǎn)速3000r/min，最大輸出靜力矩，額定轉(zhuǎn)矩，自身慣量。
減速器：LP155-M01，轉(zhuǎn)動慣量，。
（b）轉(zhuǎn)動慣量的計算
絲杠導程，公稱直徑為50mm。
，取
工作臺重量M=1000 Kg。
(3.6)
其中絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：
電機軸同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：
絲杠同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：
則：
慣量匹配，符合要求。
（c）電機力矩的計算
① 快速空載起動時所需力矩:
(3.7)
式中，
— 快速空載起動力矩，；
—空載起動時折算到電機軸上的加速力矩，；
—折算到電機軸上的摩擦力矩，；
— 由于絲杠預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩，；
上式中 T—時間常數(shù)
摩擦力矩：
—導軌摩擦力（N），空載快速起動時；
—傳動鏈總效率，一般可取。
附加摩擦力矩:
—滾珠絲杠預(yù)加載荷，一般取，為進給牽引力。
—滾珠絲杠導程；
—滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
空載快速啟動所需力矩：
21.94Nm小于電機輸出最大靜轉(zhuǎn)矩27Nm，電機滿足使用要求。
② 最大切削負載時所需力矩:
（3.8）
—折算到電機軸上的切削負載力矩，：
式中：—進給方向最大切削力；
最大切削負載時摩擦力矩Mf，：
附加摩擦力矩:
最大切削負載所需力矩M切：
（d）加速運行加速度
① 計算折算到電機軸的等效轉(zhuǎn)矩
② 計算工作臺空載加速度
電機軸角加速度：
2、更換電動機和減速器
（a）電機和減速器參數(shù)
電機西門子1FK7100-5AF7：額定轉(zhuǎn)速3000r/min，最大輸出靜力矩，額定轉(zhuǎn)矩，自身慣量。
減速器：LP155-M01，轉(zhuǎn)動慣量，。
（b）轉(zhuǎn)動慣量的計算
絲杠導程，公稱直徑為50mm。
，取，
工作臺重量W=1000 Kg。
其中絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：
則：
慣量匹配，符合要求。
（c）電機力矩的計算
① 快速空載起動時所需力矩:
式中，
— 快速空載起動力矩，；
—空載起動時折算到電機軸上的加速力矩，；
—折算到電機軸上的摩擦力矩，；
— 由于絲杠預(yù)緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩，；
上式中 T—時間常數(shù)
摩擦力矩：
—導軌摩擦力（N），空載快速起動時；
—傳動鏈總效率，一般可取。
附加摩擦力矩:
—滾珠絲杠預(yù)加載荷，一般取，為進給牽引力。
—滾珠絲杠導程；
—滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
空載快速啟動所需力矩：
17.08Nm小于電機輸出最大靜轉(zhuǎn)矩18Nm，電機滿足使用要求。
（d）加速運行加速度
① 計算折算到電機軸的等效轉(zhuǎn)矩
② 計算工作臺空載加速度
電機軸角加速度：
（e）最大運行速度：
，滿足設(shè)計要求。
3.2.2同步帶的設(shè)計計算
（1） 初步選擇基本參數(shù)數(shù)據(jù)
帶輪傳動中心距224mm，同步帶規(guī)格：800-8M，慈溪恒力。
帶輪：8-M，44齒，慈溪恒力。
按照圓弧齒計算，8M型，基本參數(shù)如下：傳動比，
節(jié)距mm，齒形角，齒根厚s=5.15mm，齒高mm，齒根角半徑mm，齒頂園半徑mm，帶高mm。
（2） 同步帶的選擇計算
從動帶輪節(jié)徑mm，外徑mm，
主動帶輪節(jié)徑mm，外徑mm.
初定中心距： （3.9）
即
取=224mm。
帶的節(jié)線長度：
（3.10）
選擇，齒數(shù)
實際中心距按照可調(diào)方式：
，取224mm。(3.11)
中心距調(diào)整范圍：
基準額定功率：
帶寬 (3.12)
— 圓弧齒帶長系數(shù)，取1.00；
—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)；
—設(shè)計功率，
計算帶寬：
根據(jù)實際情況帶寬取為45mm.
作用在軸上的力：，其中：—矢量相加修正系數(shù)
(3.13)
3．3 機床主軸部分設(shè)計計算
3．3．1 主軸電機及其減速器的選擇計算
主軸電機型號及性能參數(shù)：西門子1PH7-137 2NG--—0L
額定功率：28KW，額定轉(zhuǎn)速2000rpm，額定轉(zhuǎn)矩134Nm，最高轉(zhuǎn)速10000rpm，轉(zhuǎn)動慣量0.109，重量130Kg，主軸高度132mm。
與1PH7-137 2NG--—0L 配套的減速機型號為2LG4312, 取i=4；其性能參數(shù)為：重量62Kg。
電機聯(lián)接減速器，減速器連接同步帶輪，帶動主軸，帶傳動1：1
主軸的轉(zhuǎn)動慣量估計值：0.043
同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量估計值：材料鑄鋼，
慣量匹配計算：不采用減速機的同步帶1：1傳動，
0.109/（0.109+0.043+0.0295）=0.60，慣量匹配符合要求。
帶輪傳動中心距320mm，同步帶規(guī)格：1200-8M，慈溪恒力。
帶輪：8-YU，60齒，慈溪恒力。
3．3．2 同步帶的設(shè)計計算
（1） 初步選擇基本參數(shù)數(shù)據(jù)
按照圓弧齒計算，8M型，基本參數(shù)如下：傳動比，
節(jié)距mm，齒形角，齒根厚s=5.15mm，齒高mm，齒根角半徑，齒頂圓半徑mm，帶高mm。
（2） 同步帶的選擇計算
從動帶輪節(jié)徑mm，外徑mm，
主動帶輪節(jié)徑mm，外徑mm.
初定中心距：
即
取=320mm。
帶的節(jié)線長度：
選擇，齒數(shù)
實際中心距按照可調(diào)方式：
，取320mm。
中心距調(diào)整范圍：
帶寬取為85mm.
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第4章 二維設(shè)計
4．1大體結(jié)構(gòu)設(shè)計
這部分設(shè)計是在紙面上進行的，歷時一周左右。這部分工作對以后的設(shè)計工作有著重要影響，因為這部分工作關(guān)系到結(jié)構(gòu)的準確性、合理性及設(shè)計的原理是否正確。所以雖然這部分的內(nèi)容看起來不是很多，但是卻要花費心思慎重思考和設(shè)計，稍有不慎就會對以后的設(shè)計工作產(chǎn)生重大影響，甚至會使以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全不正確，以致有進行重新設(shè)計的危險。
從整體上看該側(cè)銑頭的結(jié)構(gòu)主要分為豎直導軌和水平滑枕兩部分。要使這兩部分之間能相互運動，就是設(shè)計兩個部分的連接部分，由于該側(cè)銑頭的重量比較大并且在加工過程中切削力比較大，所以就要采用承載能力較大的矩形導軌，兩部分的連接部分都采用矩形導軌，為使結(jié)構(gòu)固定，兩導軌之間采用壓板，壓板安裝在豎直導軌上。豎直導軌與立柱之間的導軌也通過壓板進行固定，壓板通過固定在豎直導軌上。
由于本次設(shè)計的是側(cè)銑頭，故名思意就是可以對零件進行側(cè)面銑削，這就要求主軸要安裝在水平滑枕上，而這樣主軸電機就有兩個位置可以安裝：一是放在水平滑枕上方，二是放在水平滑枕下方。由于所選的電機重量較大，如果放在下方，就要求連接電機和水平滑枕的部分的強度很高，而且如果發(fā)生意外會造成電機的較大損壞。所以將主軸電機放在水平滑枕上方。主軸和水平滑枕之間通過帶輪箱進行結(jié)構(gòu)連接。對于水平滑枕的寬度，就要考慮電機的結(jié)構(gòu)尺寸，既要安置下電機，又不能有太大的空余空間，這樣不但可以節(jié)省原材料而且減少安裝空間。
對于僅給電機的布置方式，采用將僅給電機安置在豎直導軌側(cè)面，這樣可以減小水平滑枕的扭矩，并合理利用豎直導軌側(cè)面的多余空間，同時減少水平滑枕的橫向移動空間。電機與豎直導軌之間同樣通過帶輪箱連接。
由于將電機安裝在豎直導軌上，這就要求滾珠絲杠螺母副也要安裝在豎直導軌上，滾珠絲杠螺母副與水平滑枕通過絲杠螺母座連接，這樣就實現(xiàn)了豎直導軌和水平滑枕之間的相互運動。
既然絲杠螺母副安裝在豎直導軌上，就要考慮絲杠與豎直導軌的連接，為實現(xiàn)容易安裝，并實現(xiàn)定位，采用模塊結(jié)構(gòu)，將絲杠的一個滾動軸承座做成塊，并采用三面定位，另一個軸承座與進給電機帶輪箱做成一體，這樣不安結(jié)構(gòu)簡單，而且容易實現(xiàn)進給電機與絲杠之間的中心距調(diào)整。
對于該側(cè)銑頭來說，最復(fù)雜的零件莫過于水平滑枕。為實現(xiàn)行程的要求就要使水平滑枕的長度很長，達到2055mm，這就要考慮水平滑枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了減輕重量，在保證強度的基礎(chǔ)之上，本設(shè)計采用水平滑枕中空的結(jié)構(gòu)。
考慮水平滑枕與豎直導軌連接的下部導軌承受的力較大，所以在這兩導軌之間加鑲條進行調(diào)整。豎直導軌與立柱之間靠近主軸方向的導軌同樣用鑲條進行調(diào)整。
對初步考慮的結(jié)構(gòu)進行不斷修改，最后形成比較準確的結(jié)構(gòu)和尺寸，所設(shè)計的尺寸在二維圖上有所體現(xiàn)，這里不作說明。
4．2 利用CAXA電子圖版進行二維設(shè)計
（1）關(guān)于CAXA電子圖版
（a）軟件介紹
1，用戶多、套數(shù)多
10萬正版用戶，連續(xù)七年在CAD/CAM市場銷量第一，已在眾多大中型企業(yè)普及應(yīng)用，久經(jīng)各種用戶應(yīng)用的考驗。
2，學得快、繪圖快
易學易用，稍有基礎(chǔ)者一天可學會，學習過流行CAD軟件者可迅速掌握，繪圖效率高。
3，圖庫好、標注好
符合最新國標的圖庫，使繪圖變得非常方便、快捷。工程標 注符合國標，處處體現(xiàn)“所見即所得”的智能化思想。
4，時間省、費用省
功能強大，品質(zhì)卓越。以實惠的價格，即可擁有上萬元軟件的功能和品質(zhì)。
5，兼容AUTOCAD
數(shù)據(jù)接口與AutoCAD進行數(shù)據(jù)交換暢通無阻。支持DWG、DXF、IGES文件讀入和輸出；支持WMF、HPGL圖形文件的讀入。讀入DWG文件后能保持相同的圖面效果，其線型、圖層、顏色和文字風格的一致，并進行風格的編輯修改。
提高對不同文字編碼的處理能力，保證字符和文字讀入正確，不出現(xiàn)亂碼。
讀入DWG文件時，增加按顏色匹配線寬的高級選項。增加打印時按顏色設(shè)置線寬的功能，保證用戶在電子圖板中可以按所熟悉的AutoCAD方式處理線寬。
批量轉(zhuǎn)換電子圖板的數(shù)據(jù)為DWG格式的數(shù)據(jù)，方便AutoCAD用戶利用電子圖板的數(shù)據(jù)。
6，在狀態(tài)欄增加顯示目前執(zhí)行功能的鍵盤輸入命令提示，可幫助用戶快速掌握各種鍵盤命令。
7，CAXA電子圖板是被中國工程師廣泛采用的二維繪圖軟件，可以作為繪圖和設(shè)計的平臺。它易學易用、符合工程師的設(shè)計習慣，而且功能強大、兼容AutoCAD，是普及率最高的CAD軟件之一。
8，CAXA電子圖板受用戶喜愛的核心原因是電子圖板能為用戶解決實際問題，幫助用戶提高繪圖和設(shè)計的效率。所以，CAXA電子圖板才能在全國各地的機械、電子、航空、船舶、教育、科研等多個行業(yè)廣泛應(yīng)用，其中有相當部分大中型企業(yè)、大中專院校的規(guī)模應(yīng)用.
（b）功能特點
1，全中文人機界面
易學易用、界面友好，全中文人機界面，提供CAXA與AUTOCAD兩種操作風格的界面。
2，編輯與繪圖
強大的智能化圖形繪制和編輯功能，可繪制各種復(fù)雜的工程圖紙。
3，動態(tài)導航定位
繪制圖形時系統(tǒng)自動捕捉中點、端點、垂足點等特征點，成倍提高您的工作效率。
4，工程標注
符合國標，處處體現(xiàn)“所見即所得”的智能化思想，系統(tǒng)會自動捕捉設(shè)計意圖，所有細節(jié)自動完成。
5，標準圖庫
符合最新國標豐富的參量化國標圖庫，共有20多個大類，1000余種，近30000個規(guī)格的標準圖符，并提供完全開放式的圖庫管理和定制圖庫手段，可方便快捷的建立、擴充自己的參數(shù)化圖庫。
6，二維數(shù)據(jù)接口
豐富的數(shù)據(jù)接口功能，與AutoCAD進行數(shù)據(jù)交換暢通無阻。
工程圖輸出
7，支持市場上主流的Windows驅(qū)動打印機和繪圖儀，并提供了指定打印比例、拼圖、排版等多種輸出方式，保證您的出圖效率，節(jié)省您的時間和資源。
智能化的圖紙管理
8，圖紙管理功能按產(chǎn)品的裝配關(guān)系建立層次清晰的產(chǎn)品樹，自動提取相關(guān)數(shù)據(jù)，方便用戶對圖紙的管理、編輯和修改。并可對產(chǎn)品樹中的信息進行查詢、統(tǒng)計，按要求自動生成分類BOM表、裝配BOM表。
9，三維數(shù)據(jù)接口
讀入多種格式的三維數(shù)據(jù)(CatiaV4,Pro/E2001,STEP203,X_T,SAT等)，提供對三維模型的瀏覽（旋轉(zhuǎn)、放大、縮?。┖蜏y量功能。輸出多種格式的三維數(shù)據(jù)。（注：該功能僅為電子圖板專業(yè)版具有）
三維數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)為二維工程圖紙
10，將三維數(shù)據(jù)直接投影到二維工程圖紙，提供多種視圖功能，直接生成工程圖繪制要求的各種視圖（標準三視圖、剖視圖、局部放大圖、方向視圖等）。（注：該功能僅為電子圖板專業(yè)版具有）
個人管理工具XP（注：電子圖板專業(yè)版附贈的獨立安裝產(chǎn)品）
11，該產(chǎn)品主要是面向個人的文檔管理系統(tǒng)，可以管理CAXA系列的文檔及其它各類電子文檔。提供文檔分類存儲、文檔檢索和瀏覽、版本控制、生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、匯總輸出明細表的功能。
（2） 二維圖紙設(shè)計
在這部分設(shè)計中，主要是在先前對側(cè)銑頭的大體結(jié)構(gòu)的設(shè)計的基礎(chǔ)之上，在電子圖版上逐步細化設(shè)計并生成所需的二維圖紙。
（a）在設(shè)計前期，首先學習如何使用CAXA電子圖版。
在以前對CAXA電子圖版有一定了解掌握的基礎(chǔ)之上，利用一周的時間進一步熟悉CAXA電子圖版各個基本命令，在這期間不對側(cè)銑頭進行詳細的設(shè)計繪圖，主要是畫一些簡單的圖形來學習如何使用各個命令。從而為以后繪圖打下良好的基礎(chǔ)。
（b）利用CAXA軟件設(shè)計繪制二維圖紙。
利用CAXA軟件對側(cè)銑頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計繪制詳細的二維圖，這部分工作大約用時8周。在這期間逐步設(shè)計細化各個零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、具體位置及各個零件之間連接部分的結(jié)構(gòu)和配合方式。經(jīng)過兩個月的時間設(shè)計繪制，最后完成三張裝配圖、一張零件圖，總計四張0號圖紙。如下圖所示：
圖4.1 二維裝配圖
圖4.2 二維俯視圖
圖4.3 維前視圖
圖4.4 二維零件圖
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經(jīng)濟技術(shù)性與環(huán)保分析
如今的工業(yè)生產(chǎn)非常注重工作效率和經(jīng)濟效益，因此對產(chǎn)品設(shè)計做出適當?shù)慕?jīng)濟和技術(shù)分析是非常重要的。
在經(jīng)濟性這方面，本設(shè)計完全符合這方面特點。在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，我們在滿足強度要求和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了最小的結(jié)構(gòu)尺寸，使用了最少的原材料，這是經(jīng)濟性表現(xiàn)最為突出的一方面；除此之外，在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，大部分結(jié)構(gòu)都是比較簡單的結(jié)構(gòu)形式，這樣也減少了加工過程中的工作量；同時在設(shè)計中，認真分析計算，從而得出比較準確的數(shù)據(jù)，這樣在各個部件的選擇上就有了很大的優(yōu)勢，避免了不必要的資金浪費。例如對滾珠絲杠的選擇，選擇了傳動精度很高，而且價格適中的BNFN5020-2.5；以及對兩個電動機選擇也是經(jīng)過認真分析計算，從而選擇即滿足傳動的動力要求，又沒有出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這無疑也節(jié)省了一部分資金。
在技術(shù)性方面，本設(shè)計最突出的一個特點就是，在實現(xiàn)橫向移動時，另加了一個直線光柵尺進行位置檢測，這樣構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，這樣的結(jié)構(gòu)在定位精度上更具有優(yōu)勢。
現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計都會注意環(huán)保問題，因為環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展成為一個戰(zhàn)略性的問題已經(jīng)擺在人們面前，在產(chǎn)品的設(shè)計中一定要考慮到對于環(huán)境的影響，并應(yīng)把對環(huán)境的損害降到最低點，特別是在機械產(chǎn)品設(shè)計中更應(yīng)注意這個問題，因在機械產(chǎn)品中，都要對其進行潤滑，這樣勢必會對環(huán)境有一定影響，這就要求在設(shè)計中充分考慮潤滑油等循環(huán)問題。在本設(shè)計中，充分考慮了這一要求，在各個需要潤滑的表面都加工了油路，并注意了油路的配合，避免了潤滑油的滲透。
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結(jié) 論
本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是對一臺重型數(shù)控龍門銑床的側(cè)銑頭結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，具有一定的現(xiàn)實意義。在本設(shè)計中，為實現(xiàn)兩個方向上的運動，將側(cè)銑頭主要分為垂直導軌和水平滑枕兩部分，導軌采用貼塑滑動式矩形導軌；在伺服進給系統(tǒng)中，使用西門子公司生產(chǎn)的交流同步伺服電機通過同步帶連接滾珠絲杠螺母副帶動水平滑軌運動實現(xiàn)X向進給。在主運動系統(tǒng)使用西門子交流感應(yīng)電動機通過同步帶帶動高精密主軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)主運動。同步帶傳動都是采用1：1傳動。
但是本設(shè)計中只進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有考慮側(cè)銑頭的控制部分和潤滑油的循環(huán)機構(gòu)，希望以后能設(shè)計一個與之配合的電器控制部分和油路循環(huán)機構(gòu)。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，不僅對機械的基礎(chǔ)知識和機械結(jié)構(gòu)有了更深的理解，而且也實現(xiàn)了自己對自考三年所學到的知識的一個系統(tǒng)的復(fù)習。在設(shè)計過程當中，逐步了解了機械產(chǎn)品的一般設(shè)計過程以及在設(shè)計過程中應(yīng)該注意的問題和應(yīng)考慮的因素，并且對CAXA電子圖版軟件更加熟悉。
畢業(yè)設(shè)計雖然結(jié)束了，四年的學習生活也即將結(jié)束，但這只是人生的一個新的開始。我的知識，特別是在機械專業(yè)方面的知識還剛剛是打下了一個良好的基礎(chǔ)，學無止境，還有很多問題需要我去研究，去探索。因此，在以后的工作和學習生活中，我將繼續(xù)努力學習積累更寶貴的專業(yè)知識，爭取做到最好。
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致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計歷時一個半月，在此過程中，我特別要感謝的是指導我畢業(yè)設(shè)計的田芳老師。在設(shè)計過程中，從開始設(shè)計計算一直到提交畢業(yè)論文，都得到了田老師悉心的指導。在這一個月的時間里，老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、一絲不茍的工作作風和謙和的待人態(tài)度都對我產(chǎn)生了深深的影響，這些將激勵我在以后的學習工作中更加努力。在田老師悉心的指導下，我圓滿地完成了此次畢業(yè)設(shè)計。值此畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束之際，學生在此謹向?qū)煴硎居芍缘母兄x、崇高的敬意和真心的祝福。
在設(shè)計過程中，我也得到了單位同事的幫助，在此我也向他們表示深深的謝意和由衷祝福：祝福他們在以后的工作生活中笑口常開！
感謝所有幫助過我的老師、同學和同事！
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