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沈陽理工大學應用技術學院畢業(yè)設計說明書
緒 論
隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，企業(yè)選用數(shù)控設備已是大勢所趨。并且隨著生產(chǎn)的多元化，機械加工已走入實驗教學及家用生產(chǎn)之中。
本次龍門式家用數(shù)控模擬銑床設計是結(jié)合教學實訓要求，設計的簡單易學，具有教學實驗功能的簡易數(shù)控銑床。其結(jié)構參考南京機械?？茖W校教學設備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。
原產(chǎn)品為單立柱式結(jié)構，結(jié)構單一，切削范圍較窄，穩(wěn)定性和加工精度較差，現(xiàn)將原單立柱式結(jié)構改為龍門式結(jié)構，其機床剛度和精度比以前有所提高，工藝范圍也大大提高。結(jié)構簡圖如下圖a。
對一個制造企業(yè)來說，提高生產(chǎn)能力往往從生產(chǎn)管理、制造工藝、生產(chǎn)設備等方面入手進行技術改造，而這幾部分內(nèi)容又是互為影響和制約的。在技改中對生產(chǎn)設備、數(shù)控機床的更新、維修、采購等的選擇上必須考慮到要在什么樣環(huán)境下使用、如何管理、怎樣能達到最好的經(jīng)濟效果等問題。
選擇制造設備是要為制造某一些產(chǎn)品服務的，選擇的設備可能用于產(chǎn)品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工。制造水平的高低首先取決于工藝過程的設計，它將決定用什么方法和手段來加工，從而也決定了對使用設備的基本要求，這也是對生產(chǎn)進行技術組織和管理的依據(jù)。設備選擇的基本要求確定后還要根據(jù)市場上能提供什么樣技術水平的裝備來選擇，針對大部分中小批量生產(chǎn)的制造企業(yè)，選擇數(shù)控機床來替代舊機床或增強生產(chǎn)能力已是發(fā)展趨勢。
比較普通和數(shù)控兩類機床的性能，數(shù)控機床具有加工復雜形面零件能力強、適應多種加工對象（柔性強）；加工質(zhì)量、精度和加工效率高；適應CAD/CAM聯(lián)網(wǎng)、適合制造加工信息集成管理；設備的利用率高、正常運行費用低等特點。
圖a. 龍門式家用數(shù)控銑床簡圖
1 機械結(jié)構概述
機床特征規(guī)格應包括機型、機床規(guī)格參數(shù)和機床主電機功率等。在確定工藝內(nèi)容的前提下，機型選擇就較明確了。
目前，數(shù)控機床已發(fā)展成品種繁多、可供廣泛選擇的商品，在機型選擇中應在滿足加工工藝要求的前提下越簡單越好。例如，車削中心和數(shù)控車床都可以加工軸類零件，但一臺滿足同樣加工規(guī)格的車削中心價格要比數(shù)控車床貴幾倍，如果沒有進一步工藝要求，選數(shù)控車床應是合理的。在加工型腔模具零件中，同規(guī)格的數(shù)控銑床和加工中心都能滿足基本加工要求，但兩種機床價格相差20%～50%，所以在模具加工中要采用常更換刀具的工藝可安排選用加工中心，而固定一把刀具長時間銑削的可選用數(shù)控銑床。
數(shù)控機床的最主要規(guī)格是幾個數(shù)控軸的行程范圍和主軸電機功率。選用工作臺面比典型工件稍大一些是出于安裝夾具考慮的。機床工作臺面尺寸和三個直線坐標行程都有一定的比例關系，比如工作臺（80 mm ×100 mm）的機床，x軸行程一般為（100～200）mm、y軸為（80～120）mm、z軸為（60～100）mm左右。因此，工作臺面的大小基本上確定了加工空間的大小。個別情況下也允許工件尺寸大于坐標行程，這時必須要求零件上的加工區(qū)域處在行程范圍之內(nèi)，而且要考慮機床工作臺的允許承載能力，以及工件是否與機床交換刀刀具的空間干涉、與機床防護罩等附件發(fā)生干涉等系列問題。
數(shù)控機床的主電機功率在同類規(guī)格機床上也可以有各種不同的配置，一般情況下反映了該機床的切削剛性和主軸高速性能。主軸電機功率反映了機床的切削效率，從另一個側(cè)面也反映了切削剛性和機床整體剛度。在現(xiàn)代中小型數(shù)控機床中，主軸箱的機械變速已較少采用，往往都采用功率較大的交流可調(diào)速電機直聯(lián)主軸，甚至采用電主軸結(jié)構。這樣的結(jié)構在低速中扭矩受到限制，即調(diào)速電機在低轉(zhuǎn)速時輸出功率下降，為了確保低速輸出扭矩，就得采用大功率電機，所以同規(guī)格機床數(shù)控機床主軸電機比普通機床大好幾倍。當使用單位的一些典型工件上有大量的低速加工時，也必須對選擇機床的低速輸出扭矩進行校核。輕型機床在價格上肯定便宜，要求用戶根據(jù)自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（單位時間金屬切除量）、要求達到的加工精度、實際能配置什么樣刀具等因素綜合選擇機床。
在機床精度的選擇中，要考慮典型零件的關鍵部位的加工精度要求，這就決定了選擇數(shù)控機床的精度等級。數(shù)控機床根據(jù)用途又分為簡易型、全功能型、超精密型等，其能達到的精度也是各不一樣的。簡易型目前還用于一部分車床和銑床，其最小運動分辯率為0.01mm，運動精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工，其精度可達0.001mm以下。這里主要討論應用最多的全功能數(shù)控機床（以加工中心為主）。
按精度可分為普通型和精密型，一般數(shù)控機床精度檢驗項目都有20～30項，但其最有特征項目是：單軸定位精度、單軸重復定位精度和兩軸以上聯(lián)動加工出試件的圓度。
定位精度和重復定位精度綜合反映了該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復定位精度，它反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標。目前數(shù)控系統(tǒng)中軟件都有豐富的誤差補償功能，能對進給傳動鏈上各環(huán)節(jié)系統(tǒng)誤差進行穩(wěn)定的補償。
1.1 數(shù)控機床概述
1.1.1 數(shù)控機床的特點
(1)具有高度柔性
在數(shù)控機床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機床。因此，數(shù)控機床適用于零件頻繁更換的場合。也就是適合單件、小批生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了生產(chǎn)準備周期，節(jié)省了大量工藝設備的費用。
(2)加工精度高
數(shù)控機床的加工精度，一般可達到0.005～0.1mm，數(shù)控機床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置每輸出一個脈沖信號，則機床移動部件移動一個脈沖當量（一般為0.001mm），而且機床進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機床定位精度比較高。
(3)加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠
加工同一批零件，在同一機床，在相同加工條件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀軌跡完全相同，零件的一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定。
(4)生產(chǎn)率高
數(shù)控機床可有效地減少零件的加工時間和輔助時間，數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍大，允許機床進行大切削量的強力切削，數(shù)控機床目前正進入高速加工時代，數(shù)控機床移動部件的快速移動和定位及高速切削加工，減少了半成品的工序間周轉(zhuǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。
(5)改善勞動條件
數(shù)控機床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸入程序并啟動，機床就能自動連續(xù)的進行加工，直至加工結(jié)束。操作者主要是程序的輸入、編輯、裝卸零件、刀具準備、加工狀態(tài)的觀測，零件的檢驗等工作，勞動強度極大降低，機床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機床一般是封閉式加工，即清潔，又安全。
(6)利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化
數(shù)控機床的加工，可預先精確估計加工時間，所使用的刀具、夾具可進行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機床使用數(shù)字信號與標準代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）有機地結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成制造技術的基礎。
1.1.2 數(shù)控機床使用中應注意的事項
使用數(shù)控機床之前，應仔細閱讀機床使用說明書以及其他有關資料，以便正確操作使用機床，并注意以下幾點：
(1)機床操作、維修人員必須是掌握相應機床專業(yè)知識的專業(yè)人員或經(jīng)過技術培訓的人員，且必須按安全操作規(guī)程及安全操作規(guī)定操作機床；
(2)非專業(yè)人員不得打開電柜門，打開電柜門前必須確認已經(jīng)關掉了機床總電源開關。只有專業(yè)維修人員才允許打開電柜門，進行通電檢修；
(3)除一些供用戶使用并可以改動的參數(shù)外，其它系統(tǒng)參數(shù)、主軸參數(shù)、伺服參數(shù)等，用戶不能私自修改，否則將給操作者帶來設備、工件、人身等傷害；
(4)修改參數(shù)后，進行第一次加工時，機床在不裝刀具和工件的情況下用機床鎖住、單程序段等方式進行試運行，確認機床正常后再使用機床；
(5)機床的PLC程序是機床制造商按機床需要設計的，不需要修改。不正確的修改，操作機床可能造成機床的損壞，甚至傷害操作者；
(6)建議機床連續(xù)運行最多24小時，如果連續(xù)運行時間太長會影響電氣系統(tǒng)和部分機械器件的壽命，從而會影響機床的精度；
(7)機床全部連接器、接頭等，不允許帶電拔、插操作，否則將引起嚴重的后果。
1.1.3 數(shù)控機床的維護
科學技術的發(fā)展，對機械產(chǎn)品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產(chǎn)品的更新?lián)Q代也在加快，這對機床設備不僅提出了精度和效率的要求，而且也對其提出了通用性和靈活性的要求。數(shù)控機床就是針對這種要求而產(chǎn)生的一種新型自動化機床。數(shù)控機床集微電子技術、計算機技術、自動控制技術及伺服驅(qū)動技術、精密機械技術于一體，是高度機電一體化的典型產(chǎn)品。它本身又是機電一體化的重要組成部分，是現(xiàn)代機床技術水平的重要標志。數(shù)控機床體現(xiàn)了當前世界機床技術進步的主流，是衡量機械制造工藝水平的重要指標，在柔性生產(chǎn)和計算機集成制造等先進制造技術中起著重要的基礎核心作用。
而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部件，因此，數(shù)控機床的維護主要是數(shù)控系統(tǒng)的維護。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過一段較長時間的使用，電子元器件性能要老化甚至損壞，有些機械部件更是如此，為了盡量地延長元器件的壽命和零部件的磨損周期，防止各種故障，特別是惡性事故的發(fā)生，就必須對數(shù)控系統(tǒng)進行日常的維護。概括起來，要注意以下幾個方面。
1、 制訂數(shù)控系統(tǒng)日常維護的規(guī)章制度
根據(jù)各種部件特點，確定各自保養(yǎng)條例。如明文規(guī)定哪些地方需要天天清理（如CNC系統(tǒng)的輸入／輸出單元——光電閱讀機的清潔，檢查機械結(jié)構部分是否潤滑良好等），哪些部件要定期檢查或更換（如直流伺服電動機電刷和換向器應每月檢查一次）。
2、 應盡量少開數(shù)控柜和強電柜的門
因為在機加工車間的空氣中一般都含有油霧、灰塵甚至金屬粉末。一旦它們落在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的印制線路或電器件上，容易引起元器件間絕緣電阻下降，甚至導致元器件及印制線路的損壞。有的用戶在夏天為了使數(shù)控系統(tǒng)超負荷長期工作，打開數(shù)控柜的門來散熱，這是種絕不可取的方法，最終會導致數(shù)控系統(tǒng)的加速損壞。正確的方法是降低數(shù)控系統(tǒng)的外部環(huán)境溫度。因此，應該有一種嚴格的規(guī)定，除非進行必要的調(diào)整和維修，不允許隨便開啟柜門，更不允許在使用時敞開柜門。
3、 定時清掃數(shù)控柜的散熱通風系統(tǒng)
應每天檢查數(shù)控系統(tǒng)柜上各個冷卻風扇工作是否正常，應視工作環(huán)境狀況，每半年或每季度檢查一次風道過濾器是否有堵塞現(xiàn)象。如果過濾網(wǎng)上灰塵積聚過多，需及時清理，否則將會引起數(shù)控系統(tǒng)柜內(nèi)溫度高（一般不允許超過55℃），造成過熱報警或數(shù)控系統(tǒng)工作不可靠。
4、 經(jīng)常監(jiān)視數(shù)控系統(tǒng)用的電網(wǎng)電壓
本次畢業(yè)設計數(shù)控系統(tǒng)欲采用FANUC公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，允許電網(wǎng)電壓在額定值的85%～110%的范圍內(nèi)波動。如果超出此范圍，就會造成系統(tǒng)不能正常工作，甚至會引起數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部電子部件損壞。
5、 定期更換存儲器用電池
FANUC公司所生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的存儲器有兩種：
(1)不需電池保持的磁泡存儲器。
(2)需要用電池保持的CMOS RAM器件，為了在數(shù)控系統(tǒng)不通電期間能保持存儲的內(nèi)容，內(nèi)部設有可充電電池維持電路，在數(shù)控系統(tǒng)通電時，由+5V電源經(jīng)一個二極管向CMOS RAM供電，并對可充電電池進行充電；當數(shù)控系統(tǒng)切斷電源時，則改為由電池供電來維持CMOS RAM內(nèi)的信息，在一般情況下，即使電池尚未失效，也應每年更換一次電池，以便確保系統(tǒng)能正常工作。另外，一定要注意，電池的更換應在數(shù)控系統(tǒng)供電狀態(tài)下進行。
6、 數(shù)控系統(tǒng)長期不用時的維護
為提高數(shù)控系統(tǒng)的利用率和減少數(shù)控系統(tǒng)的故障，數(shù)控機床應滿負荷使用，而不要長期閑置不用，由于某種原因，造成數(shù)控系統(tǒng)長期閑置不用時，為了避免數(shù)控系統(tǒng)損壞，需注意以下兩點：
(1)要經(jīng)常給數(shù)控系統(tǒng)通電，特別是在環(huán)境濕度較大的梅雨季節(jié)更應如此，在機床鎖住不動的情況下（即伺服電動機不轉(zhuǎn)時），讓數(shù)控系統(tǒng)空運行。利用電器元件本身的發(fā)熱來驅(qū)散數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的潮氣，保證電子器件性能穩(wěn)定可靠，實踐證明，在空氣濕度較大的地區(qū)，經(jīng)常通電是降低故障率的一個有效措施。
(2)數(shù)控機床采用直流進給伺服驅(qū)動和直流主軸伺服驅(qū)動的，應將電刷從直流電動機中取出，以免由于化學腐蝕作用，使換向器表面腐蝕，造成換向性能變壞，甚至使整臺電動機損壞。
1.2 家用銑床機械零件的失效形式及設計計算準則
機械零件喪失預定功能或預定功能指標減低至許用值以下的現(xiàn)象，稱為機械零件的失效。機械零件設計時必須根據(jù)零件的失效形式分析其失效原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式得出不同的設計計算準則。
1.2.1 失效形式
主要的失效形式大致上有以下幾種：
1、 斷裂 機械零件的斷裂通常有以下兩種情況：
（1）、零件在外載荷的作用下，某一危險截面上的應力超過零件的強度極限時將發(fā)生斷裂。
（2）、零件在循環(huán)交變應力的作用下，危險截面上的應力超過零件的疲勞強度而發(fā)生疲勞斷裂。
2、 過大的變形 當零件的應力超過材料屈服極限時，零件將發(fā)生塑性變形，使零件的尺寸和形狀改變，破壞各零件的相對位置和配合，使機器不能正常工作。
3、 表面失效
（1）、在過大的表面接觸應力作用下，可能造成零件的表面失效，有如下幾種形式：
1）、膠合失效（又稱粘著磨損）
2）、點蝕失效（又稱疲勞磨損）
3）、磨損失效（又稱磨粒磨損）
4）、塑性變形
（2）、壓潰 面接觸的零件，在外載荷作用下，接觸表面因互相擠壓作用將產(chǎn)生擠壓應力。
（3）、腐蝕失效 多產(chǎn)生在化學腐蝕物質(zhì)的接觸和作用下而造成表面腐蝕失效。
（4）、破壞正常工作條件引起的失效 有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，否則就會引起失效，如帶傳動因過載發(fā)生打滑，使傳動不能正常工作，但帶本身未發(fā)生疲勞失效等。
1.2.2 設計計算準則
同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力的判定條件，稱為設計計算準則。零件設計時的主要計算準則有：
1、強度準則
強度是零件必須首先滿足的基本計算準則。強度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂，塑性變形及表面失效（磨粒磨損、腐蝕除外）的能力。強度可分為整體強度和表面強度（接觸和擠壓強度）兩種。
整體強度的計算準則為：零件在危險截面處的最大應力σ、τ不應超過零件的許用應力[σ][τ]，即
σ≤[σ]
τ≤[τ]
另一種表達形式為：危險截面處的實際安全系數(shù)S應大于或等于許用安全系數(shù)[S]，即
S≥[S]
（1）、許用應力
1）、靜壓力下，[σ]= σB/S或[σ]= σs/S,式中σB為強度極限，σs為屈服極限，S為安全系數(shù)。根據(jù)不同的工況，選用σB或σs。
2)、變應力下，當零件中應力為變應力時，由于其失效除與材料性質(zhì)、熱處理和使用條件等因素有關外，還與零件形狀（不同形狀的應力集中不同）、尺寸、表面狀態(tài)、要求的壽命以及工作的重要性等因素有關，故在計算其許用應力時，應在其計算公式中考慮。
對許用切應力[τ]，上述關系式概念上亦適用。
（2）、強度計算內(nèi)容
在強度計算中，一般有兩種計算形式：①設計計算，可求出零件的主要幾何參數(shù)；②校核計算，判斷是否符合強度條件。
2、剛度準則
剛度是指零件受載后抵抗彈性變形的能力，其設計計算準則為：零件在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形量應小于或等于機器工作性能允許的極限值，其表達式為
撓度 Y≤[Y]
偏轉(zhuǎn)角 θ≤[θ]
扭轉(zhuǎn)角 φ≤[φ]
3、耐磨性標準
耐磨性是指零件抗磨損的能力。設計時應使零件的磨損量在預定限度內(nèi)，并部超過允許量。通過對接觸表面的正壓力p與pv值等參數(shù)的計算，使其小于許用值，即零件的耐磨性合格，用公式表示為
p≤[p]
pv≤[pv]
4、熱平衡準則
零件工作時因摩擦產(chǎn)生過多的熱量導致潤滑劑失去作用，從而使零件不能正常工作。熱平衡準則是：根據(jù)熱平衡條件，工作溫度t不應超過許用工作溫度[t],即
t≤[t]
5、可靠性準則
可靠性用可靠度表示。零件的可靠度用零件在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)能正常工作的概率來表示，即用在規(guī)定的壽命時間內(nèi)能連續(xù)工作的件數(shù)占總件數(shù)的百分比表示。如有NT個零件，在預期壽命內(nèi)只有NS個零件能連續(xù)正常工作，則其系統(tǒng)的可靠度為
R=NT/NS
1.3軸的基本設計
通?，F(xiàn)場對于一般軸的設計方法有類比法和設計計算法兩種。
1.3.1類比法
這種方法是根據(jù)軸的工作條件，選擇與其相似的軸進行類比及結(jié)構設計，畫出軸的零件圖。用類比法設計軸一般不進行強度計算。由于完全依靠現(xiàn)有資料及設計者的經(jīng)驗進行軸的設計，設計結(jié)果比較可靠、穩(wěn)妥，同時又可加快設計進程，因此類比法較為常用，但有時這種方法也會帶有一定的盲目性。
1.3.2設計計算法
用設計計算法設計軸的一般步驟為：
(1)根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應力。
(2)按扭轉(zhuǎn)強度估算出軸的最小直徑。
(3)設計軸的結(jié)構，繪制出軸的結(jié)構草圖。具體內(nèi)容包括以下幾點：
1)根據(jù)工作要求確定軸上零件的位置和固定方式；
2)確定各軸段的直徑；
3)確定各軸段的長度；
4)根據(jù)有關設計手冊確定軸的結(jié)構細節(jié)，如圓角、倒角、退刀槽等的尺寸。
(4)按彎扭合成進行軸的強度校核。一般在軸上選取2～3個危險截面進行強度校核。若危險截面強度不夠或強度裕度太大，則必須重新修改軸的結(jié)構。
(5)修改軸的結(jié)構后再進行校核計算。這樣反復交替地進行校核和修改，直至設計出較為合理的軸的結(jié)構。
（6)繪制軸的零件圖。
需要指出的是：
(1) 一般情況下設計軸時不必進行軸的剛度、振動、穩(wěn)定性等校核。如需進行軸的剛度校核時，也只作軸的彎曲剛度校核。
(2) 對用于重要場合的軸、高速轉(zhuǎn)動的軸應采用疲勞強度校核計算方法進行軸的強度校核。具體內(nèi)容可查閱機械設計方面的有關資料。
1.4 軸的強度計算
1.4.1軸的扭轉(zhuǎn)強度計算
開始設計軸時，通常還不知道軸上零件的位置及支點位置，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結(jié)構設計基本完成后，才能對軸進行受力分析及強度、剛度等校核計算。因此，一般在進行軸的結(jié)構設計前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對軸的直徑進行估算。
設軸在轉(zhuǎn)矩T的作用下，產(chǎn)生剪應力τ。對于圓截面的實心軸，其抗扭強度條件為
…………………………（1.1）
式中T軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為m m3 P為軸所傳遞的功率，單位為kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r／min；r，[r]分別為軸的剪應力、許用剪應力，單位為MPa;d為軸的估算值徑，單位為mm
…………………………（1.2）
常用材料[r]值、c值。[r]值、c值的大小與軸的材料及受載情況有關。當作用在軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小，或軸只受轉(zhuǎn)矩時:τ值取較大值、C值取較小值;否則相反。
表1.1 常用材料的[]值和C值
由式(1．2)求出的直徑值，需圓整成標準直徑，并作為軸的最小直徑。如軸上有一個鍵槽。
可將算得的最小直徑增大3％～5％，如有兩個鍵槽可增大7％～10％。
1.4.2 軸的彎扭合成強度計算
完成軸的結(jié)構設計后，作用在軸上外載荷(轉(zhuǎn)矩和彎矩)的大小、方向、作用點、載荷種類及支點反力等就已確定，可按彎扭合成的理論進行軸危險截面的強度校核。
進行強度計算時通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，作用于軸上零件的力作為集中力，其作用點取為零件輪轂寬度的中點。支點反力的作用點一般可近似地取在軸承寬度的中點上。具體的計算步驟如下：
(1)畫出軸的空間力系圖。將軸上作用力分解為水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面上的支點反力。
(2)分別作出水平面上的彎矩(MH)圖和垂直面上的彎矩(MV)圖。
(3)計算出合成彎矩，繪出合成彎矩圖。
(4)作出轉(zhuǎn)矩圖。
(5)計算當量彎矩。，繪出當量彎矩圖。
式中a為考慮彎曲應力與扭轉(zhuǎn)剪應力循環(huán)特性的不同而引入的修正系數(shù)。通常彎曲應力為對稱循環(huán)變化應力，而扭轉(zhuǎn)剪應力隨工作情況的變化而變化。對于不變轉(zhuǎn)矩取a=[σ-1b]／[σ+1b]≈O．3；對于脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩取a=[σ-1b]／[σ+1b]≈0 6；對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩取a=1。其中[σ-1b]、[σ0b]、[σ+1b]分別為對稱循環(huán)、脈動環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，其值列于表1. 2中。對正反轉(zhuǎn)頻繁的軸，可將轉(zhuǎn)矩r看成是對稱循環(huán)變化=當不能確切知道載荷的性質(zhì)時，一般軸的轉(zhuǎn)矩可按脈動循環(huán)處理：
(6)校核危險截面的強度。
根據(jù)當量彎矩圖技出危險截面，進行軸的強度校核，其公式如下：
……………………（1.3）
式中W為軸的抗彎截面系數(shù)．單位為mm3；M、T、Me的單位均為N·mm；d的單位為mm；σe為當量彎曲應力，單位為MPa。
表1.2 軸的許用應力
1.4.3 軸的剛度計算
軸受載荷的作用后會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，如變形過大會影響軸上零件的正常工作，例如愛有齒輪的軸，如果變形過大會使嚙合狀態(tài)惡化。因此對于有剛度要求的軸必須要進行軸的剛i校核計算。軸的剛度有彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，n面分別討論這兩種剛度的計算方法。
1、 軸的彎曲剛度校核計算
應用材料力學的計算公式和方法算出軸的撓度y或轉(zhuǎn)角自，并使其滿足下式
式中[y]、[θ]分別為許用撓度和許用轉(zhuǎn)角，其值列于表1. 3中。
2、 軸的扭轉(zhuǎn)剛度計算
應用材料力學的計算公式和方法算出軸每米的扭轉(zhuǎn)角φ，并使其滿足下式
φ≤[φ]
式中[φ]為軸每米長的許用扭轉(zhuǎn)角。一般傳動的[φ]值列表1.3中
表1.3 軸的許用應力變形量
圖1.1 軸的彎矩圖
3、 軸的校核：
軸的剪應力為：
τ=T/WT=9.55×106P/(0.2d3n)
式中 P=0.3kw
d=12mm
n=200r/min
τ=(9.55×106×0.3)/(0.2×123×200)
τ= 41.45Pa
根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，滿足使用強度。
1.5 軸的材料及選擇
軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼：軸的毛坯一毀采用碾壓件和鍛件，很少采用鑄件。由于碳素鋼比合金鋼成本低，且對于應力集中的敏感性較小，所以得到廣泛的應用。常用的碳素鋼有30、40、45鋼等，其中最常用的為45鋼：為保證軸材料的機械性能，應對軸材料進行調(diào)質(zhì)或正火處理。軸受載荷較小或用于不重要的場合時．可用普通碳素鋼(如Q235A、Q275等)作為軸的材料。合金鋼具有較高的機械性能，可淬火性也較好．可以于傳遞大動力、要求減輕軸的重量和提高軸頸耐磨性時采用，如20Cr、40Cr等,軸也可以采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵制造．其毛坯是鑄造型的．所以易于得到更合理的形狀。合金鑄鐵和球墨鑄鐵的吸振性高，可用熱處理方法提高材料的耐蝕性．材料對應力集中的敏感性也較低。但是鑄造軸的質(zhì)量不易控制，可靠性較差。
軸的常用材料及其部分機械性能見表1．4。
表1.4 軸的常用材料及部分機械性能
經(jīng)查表可確定，本次設計所需主軸材料為 45 鋼。
2 結(jié)構設計計算
2.1 切削力的計算
在銑削過程中，銑刀上所有參與切削的各切削部分所產(chǎn)生的總切削力的合力，稱為切削力，用符號F表示。
通常把切削力分解成三個分力：
主切削力 Fc 總切削力在主運動方向上的正投影。
背向力 Fp 總切削力在垂直于工作平面上的分力。
進給力 Ff 總切削力在進給運動方向上的正投影。
在以上三個分力中，主切削力Fc消耗動力最多，是計算切削功率和零件強度的主要依據(jù)。
主切削力常用金屬材料的單位切削力來近似計算。在實際生產(chǎn)中，為了方便起見，常用下列計算式近似計算主切削力Fc
…………………………………………………2.1
式中 P—單位切削力 （N/mm2）
f —每轉(zhuǎn)進給量 （mm/r）
ap—背吃刀量 （mm）
摘取《機械設計手冊》可得：
表2.1 常用金屬材料的單位切削力（N/ mm2）
類別
材料
牌號
單位切削力P
鑄造合金
鑄造錫青銅
ZCuSn5Pb5Zn5
700
鑄造鋁合金
ZAlCu5Mn
720
根據(jù)設計要求ap=5mm，每轉(zhuǎn)進給量f=1.0mm/r，銑床材料為鋁合金，取
P=720 N/ mm2
則，主切削力
………………………………………………………2.2
Fc =720*1*5（N）
= 3600 （N）
2.2 切削功率的計算
同一瞬間切削刃基點上的主切削力與切削速度的乘積，稱為切削功率，用符號Pc表示，單位為：Kw。
切削功率Pc的計算公式如下：
………………………………………………2.3
式中 Fc — 主切削力 （N）
Vc — 切削速度 （m/min）
因為切削時，在Fp方向上的運動速度等于零，在Ff方向上的運動速度也很小，故Fp和Ff消耗功率很少，約占總功率的1%~2%，所以在上式（2.3）中可略去不計。
根據(jù)設計要求，vc=5m/min，F(xiàn)c=3600N，
則 切削功率：
= 0.3 kW
2.3 高速鋼立銑刀銑削用量及功率
根據(jù)龍門式家用數(shù)控銑床設計要求：
銑削深度ap≤5mm、刀具直徑d0=ae≤8mm、刀具齒數(shù)Z取3。
查《機械加工工藝手冊》選取其中部分表格2.2。可知：
表2.2 V(m/s) Pm(Kw)
耐用度
T*103(S)
Do/z
Ae(mm)
Af(mm/z)
Ap(mm)
5
10
15
20
30
v
pm
v
pm
v
pm
v
pm
v
pm
2.7
8/3
8
0.008
0.78
0.23
0.73
0.44
-
-
-
-
-
-
V=0.78m/s, Pm=0.23Kw
故，選擇電動機功率應 P≥0.23Kw。
又，根據(jù)切削要求，刀具直徑d0=8mm，銑削速度vc=5m/min，查《新編銑工計算手冊》劉承啟編著，有：
…………………………………………2.4
代入數(shù)值，則有：
=199.045r/min
取n=200r/min
2.4 絲杠選擇
2.4.1 螺距的確定
根據(jù)機床設計要求，銑床其切削進給速度為500mm/min，絲杠轉(zhuǎn)速選擇為100r/min。
則根據(jù)螺距計算公式：
P=v/n………………………………………2.5
有： P=v/n=500/100=5mm/r
2.4.2 根據(jù)螺距選擇直徑
計算出絲杠螺距P=5mm,根據(jù)強度要求，選擇絲杠直徑為12mm。
2.5 導軌設計計算及選擇
2.5.1 導軌撓度的計算
1、龍門式家用數(shù)控銑床的Y方向?qū)к壠鸪兄刈饔?，故只需計算并校核Y方向?qū)к墦隙茸冃问欠穹显O計要求。
假設龍門式家用數(shù)控銑床Y方向?qū)к壍淖灾厥羌葹閝的均布載荷，主軸電機和主軸頭塊重力P為作用于跨度中點的集中力（當重力集中于中心位置時撓度變形量最大）。分析可知，導軌撓度變形是由于均布載荷q和集中力P共同引起的。在均布載荷q單獨作用下，導軌跨度中點C的撓度可由《簡明材料力學》中表7.1的第7欄查出為：
……………………………………2.6
在集中力P單獨作用下，導軌跨度中點C的撓度由表7.1的第5欄查出為：
……………………………………2.7
疊加以上結(jié)果，求得在q、P兩種載荷共同作用下，導軌跨度中點的撓度是：
…………………………2.8
其中：l為簡支梁跨距，設計中l(wèi)=0.18m，查表得45鋼EI=210GPa，均布載荷q= 112N/m,集中力P=50N。代入公式（2.4）求得（fc）：
（fc）= 0.000028928571429+0.00000729
= 0.0000289 +0.00000729
= 0.00003619
滿足設計要求[f]≤l/500=0.00036 。
2.5.2 導軌的選擇
根據(jù)設計計算要求，滑動導軌滿足其使用要求。如圖2.1例導軌，選用直線滑動導軌。
圖2.1 直線滑動導軌
2.6 步進電機的計算和選用
選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機。
2.6.1 轉(zhuǎn)動慣量計算
1）、軸、絲杠等圓柱體慣量計算。
圓柱體轉(zhuǎn)動慣量：
……………………………2.9
對于鋼材：
…………2.10
式中：M——圓柱體質(zhì)量 （Kg）
D——圓柱體直徑 （cm）
L——圓柱體長度或厚度 （cm）
R——材料比重（N/cm3）,r=PG
P——材料密度（kg/cm3）,鋼材的密度=7.8
g——重力加速度 g=980cm/s
2.6.2 電動機力矩的計算
電動機的負載力矩再各種情況下時不同的，下面分快速空載起動時所需力矩，快速進給時所需力矩，最大切削負載時所需力矩等幾部分列出其計算方法。
（1）、快速空載啟動時所需力矩Mq。
Mq=Mamax+Mf+Mo…………………………2.11
式中：Mq——快速空載起動力矩（Ncm）；
Mamax——空載起動時折算到電機軸上的加速力矩（Ncm）；
Mf——折算到電機軸上的摩擦力矩（Ncm）；
Mo——由于四缸預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（Ncm）。
（2）、快速進給時所需力矩Mk。
Mk=Mf+Mo……………………………………2.12
因此時運動部件已啟動，故不包含Mamax，顯然Mk＜Mq。
（3）、最大且學負載時所需力矩Mj。
Mj=Mf+Mo+Mt…………………………………2.13
式中：Mt——折算到電機軸上的切削負載力矩（Ncm）。
2.6.3 步進電機的選擇
目前，經(jīng)濟型數(shù)控機床中多采用反應式步進電機，其技術參數(shù)可見《機電一體化設計手冊》相關圖表。
本次設計采用南京機械?？茖W院教學設備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。在原有設備基礎上進行創(chuàng)新設計，使新設計設備比原有設備精度和剛度都有大幅提高。
因其只進行了結(jié)構改動，故采用原有步進電機型號。
其具體數(shù)據(jù)為：
主軸電機選用《稀土寬調(diào)速直流伺服測速機組》，該電機參數(shù)為：
型 號： 60syr
額定轉(zhuǎn)矩：9.1N·M
最高電壓：30V
最高轉(zhuǎn)速：5000r/min
工作電流：1.12A
X軸、Y軸、Z軸絲杠進給驅(qū)動電機選擇同組電機，以方便安裝數(shù)控系統(tǒng)。該電機參數(shù)有：
TYPE 57BYG 060-01
2.6V/ PHASE(相)
2.0A/ PHASE
1.3Ω/ PHASE
1.8DEG(度)/STEP（步）
結(jié) 論
本設計說明書介紹了龍門式數(shù)控銑床機械結(jié)構的設計簡介，從銑床結(jié)構的確定、零部件的設計、電動機的選型以及導軌的強度計算等，簡明扼要地敘述了設計過程。龍門結(jié)構被廣泛應用于工程機械和起重傳輸設備中，具有較高的強度、穩(wěn)定性和工作精度。因其良好的工作性能，設計制造出龍門式家用數(shù)控銑床保證了加工精度，為工程和實驗室設計提供便捷的加工機械。提高設計水平，降低勞動強度。希望本設計說明書能對實際生產(chǎn)有一定幫助，能為設備改進、技術革新、生產(chǎn)率提高做出貢獻。
本次龍門式家用數(shù)控模擬銑床設計是結(jié)合教學實訓要求，設計的簡單易學，具有教學實驗功能的簡易數(shù)控銑床。其結(jié)構參考南京機械專科學校教學設備《立柱式模擬數(shù)控銑床》。在原有設備基礎上進行創(chuàng)新設計，使新設計設備比原有設備精度和剛度都有大幅提高。
同時通過本次畢業(yè)設計，從中總結(jié)出了機械工程行業(yè)基本設計理念，初步懂得了設計的基本步驟。為以后步入社會，從事機械行業(yè)打下了堅實的基礎。
本設計應用于實際生產(chǎn)時也許會有紕漏，不能溶于生產(chǎn)的情況發(fā)生，設計者會集眾人之意見，對本設計說明書作必要的改動及完善，同時也感謝讀者的支持，并提出寶貴意見與建議。
致 謝
尊敬的各位老師：
首先，我要感謝學校在這大學四年生活中給予我多方的指導和幫助，使我成為一名合格的大學本科畢業(yè)生。同時，我也要感謝在這四年生活中曾給我諸多方面無微不至關懷的各位各位領導、各位老師，尤其是我的畢業(yè)設計導師，讓我在困難中勇往直前。在本次畢業(yè)設計中，我得到了各位專業(yè)課老師、基礎課老師及工廠師傅的細心指導和熱情幫助，使我能夠順利完成畢業(yè)設計內(nèi)容。這與各位老師的不辭辛苦、認真耐心、詳細周全的指導是密不可分的，所以在此我衷心向各位老師道一聲：“各位老師，你們辛苦了！”我還要向在畢業(yè)設計中給予我無私幫助的同學們道一聲感謝。在學校的最后一次設計中，能夠跟同學緊密的協(xié)作，極大地鍛煉了與同學相互配合的團結(jié)協(xié)作能力，為以后步入工作崗位備下了堅實的契機。
在生產(chǎn)加工過程中，使我發(fā)現(xiàn)了圖紙設計過程中的許多疵漏。并在工廠師傅的幫助下得到及時糾正。對在此次設計加工中幫助過我的表示衷心的感謝。
最后，我再一次向?qū)W校以及各位評審老師，指導老師謹表我最深切的敬意和由衷的感謝。
謹祝：各位老師身體健康，工作順利，萬事如意。
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