加工中心侧铣头结构设计

加工中心侧铣头结构设计

摘要本设计主要是根据设计要求，依据机械设计和机械制图的基本原理对一台重型数控龙门铣床的侧铣头进行结构设计，该侧铣头能够在X 方向和Z方向两个方向上进行铣削运动。本设计主要分四部分：

第一部分是根据设计要求对侧铣头的结构进行总体方案的设计，主要包括伺服进给运动和主运动方式的确定。

第二部分是利用机械设计基本原理对设计中伺服进给运动和主运动系统的机械部分的设计计算，主要包括进给电动机、主轴电动机、滚珠丝杠副的选则、计算和校核以及对同步带和带轮进行设计。

第三部分是根据所选择设计的主要零件，先进行大体结构设计，之后在此基础之上，利用机械制图的基本原理，应用CAXA电子图版对侧铣头的结构进行二维设计，并生成三张二维装配图纸和一张二维零件图纸。

最后一部分是依据所设计的二维图，利用SOLIDWORKS软件对侧铣头结构中零件进行三维建模，并将所有建模零件进行装配，生成三维装配体；在此基础上，利用该软件做一个三维动画，显示装配体内部结构及运动方式。

关键字：重型数控龙门铣床侧铣头结构设计总体方案设计

二维设计三维建模三维动画

Structural Design of the Profile Cutter Head of

a Machining Centre

Abstract:The design is mainly to design the profile cutter head structural of a heavy numerically controlled planomiller according as the rationale of mechanism design and theory of machines on the bases of design specification. The design is mainly divided into four 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 choose 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.

The finally part is to model the parts of the profile cutter head, and create three dimensional drawings using SOLIDWORKS software according to two dimensional drawings designed in the third part；The following is to create a three-dimensional animation to show the inside structure of the three-dimensional assembly drawing and the motion manner using the software on the bases of the three-dimensional assembly drawing.

Keywords:Heavy numerically controlled planomiller, The profile cutter head, Structural design, total project design, two dimensional design, three dimensional modeling，three-dimensional animation。

目录

摘要...................................................................................................I ABSTRACT.......................................................................................П第一章绪论 (1)

1.1 国内外数控机床的发展状况 (1)

1.2 数控技术的发展趋势 (2)

1.3 设计目的和意义 (3)

第二章总体方案设计 (5)

2.1设计基本要求 (5)

2.2总体设计方案 (6)

第三章伺服系统机械部分设计计算 (8)

3.1滚珠丝杠副的选择计算 (8)

3.1.1 已知参数 (8)

3.1.2 切削力的确定 (8)

3.1.3 滚珠丝扛螺母副的设计、计算 (8)

3.2 进给伺服系统传动计算 (11)

3.2.1 电动机选择 (11)

3.2.2 同步带的设计计算 (17)

3.3 机床主轴部分设计计算 (18)

3.3.1 主轴电机及其减速器的选择计算 (18)

3.3.2 同步带的设计计算 (19)

第四章二维设计 (21)

4.1 大体结构设计 (21)

4.2 利用 CAXA 电子图版进行二维设计 (22)

第五章三维设计 (27)

5.1 Solidworks2005软件介绍 (27)

5.2 三维建模 (28)

5.3 三维动画 (34)

经济技术性与环保分析 (35)

结论 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

外文翻译 (39)

第一章绪论

1.1 国内外数控机床的发展状况

２０世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从１９５２年美国第１台数控铣床问世至今已经历了５０个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有１０～２０万台，产值上百亿美元。尤其是以美国和德国为代表的数控技术最为先进。只就数控铣床来说，已经出现了各式各样适应于不同加工形式的数控铣床，而只就数控龙门铣床来说，自从西班牙尼古拉斯·克雷亚集团公司(Nicolas Correa，下称NC公司)80年代中期开发出第一台龙门式数控铣床，在这短短的几十年里，数控龙门铣床技术的不断发展，先后出现了各种形式的龙门铣床，到目前为止数控龙门铣床技术的发展已经相当完善。

从整体上看，现在在机械行业中使用的数控龙门铣床大部分只带有立式铣头，也就是说只能对工件上表面进行Y向和X向铣削或是带有侧铣头但该侧铣头只能进行Z向进

给运动。也就是说带有能够做两个方向进给运动的侧铣头还是少见的。特别是对于重型龙门铣床来说，加工工件一般都是很大很重的，移动工件时很不合理的，所以这时采用能够做两个方向进给运动的侧铣头是必要的。

我国数控机床制造业在８０年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型，但数控龙门铣床并没有得到很大发展。从１９９５年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在１９９９年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣，数控龙门铣床也得到了很大发展。但从２０００年８月份的上海数控机床展览会和２００１年４月北京国际机床展览会上，也看到了一些问题：

(1)低技术水平的产品竞争激烈，相互之间靠压价促销；

(2)高技术水平、全功能产品主要靠进口；

(3)配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；

(4)应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；

(5)自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或

进口件组装。

当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近３００万台），但我们的机床数控化率仅达到１．９％左右，这与西方工业国家一般能达到２０％的差距太大。日本不到８０万台的机床却有近１０倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国２１世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床３０００～４０００台，日本１年产５万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口７０００～９０００台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达８～１０万台，需投入８０～１００亿资金，但得到的经济效益将是投入的５～１０倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入６．８亿元，用于对１．２～１．８万台机床的数控化改造。

有专家指出专家说，从整体上提高我国机床水平刻不容缓。但当前需要特别注意的是，必须快速提高数控机床产品的自主开发、制造能力。为此，要建立有效的数控技术开发中心，加强对重点工艺的研究、试验，形成成套开发能力；同时，通过国际合作生产、合资经营，实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化。

1.2 数控技术的发展趋势

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳

米级(0.01μm)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

（2）5轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬火钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。

当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

（4）重视新技术标准、规范的建立

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

1.3 设计目的和意义

(a) 目的

（1）根据设计要求，设计一个重型数控龙门铣床的侧铣头，使其能够在横向和纵向两个方向作进给运动，对于一台重型数控龙门铣床来说通常加工的工件都是很大很重

的，在加工过程中要让工件移动或是进行多次安装是很费时费力的，所以设计一个能够在横向和纵向两个方向作进给运动的侧铣头，来减少实际工件的移动和安装次数，进而减少安装的时间和由于多次安装引起的定位精度误差。

（2）使学生了解机械设备的设计过程。对作为一名将来从事机械行业的大学生来说，了解机械设备的设计过程是一个必须的。而对数控铣床侧铣头的设计完全能够体现出机械设备的设计过程以及在设计过程中应注意的问题和一般要考虑的因素。

（3）使学生能够将在大学期间所学的理论知识与具体实践相结合。当今大学生大部分都存在着不知道如何将大学所学的东西运用到实际中去，甚至认为大学所学的东西根本没有用处。

（4）使学生在实际过程中学习新的软件。通过完成这个毕业设计，以掌握当今社会上一些常用的制图软件和分析软件。现在的社会是高科技的社会，对于机械行业来说也是如此。现在的机械行业中很少有用手工绘制的图纸，而且现在的人们都有一种安全的理念和结构的美感，运用三维软件和分析软件对工程师所设计的结构进行三维建模和强度分析，可以事先发现不合理之处，以便提早加以改正。

(b) 意义

（1）、在现实中，带有侧铣头的数控龙门铣床是不常见的一种形式，而带有能够在两个方向上进行进给运动的侧铣头的龙门铣床更是不常见。这项设计所设计的侧铣头与其他龙门铣床部分相配合，可以应用在现实中对工件进行三个方向上的加工，从而很可能能够对工件进行一次性安装加工，这无疑可以省去很多调整时间并保证良好的安装精度。而且这是对一台重型数控龙门铣床侧铣头的设计，对于一台重型铣床来说，加工的工件一般都是很大很重的，要对工件进行多次安装是很困难的也很浪费时间，且定位精度不容易保证，而该课题所设计的侧铣头正适合这种情况，所以说这项设计有重要的现实意义。

（2）、在做毕业设计的过程中学习掌握二维和三维绘图软件，为以后更好的适应社会打下良好的基础。

（3）、了解机械产品的设计过程，掌握设计过程中应注意的问题和应考虑的因素。

第二章总体方案设计2.1 设计基本要求

1）侧铣头的行程为600mm；

2）定位精度为5ηm ；

3）与立柱连接部分横跨度为1300mm；

4）最大进给速度为10 m/min；

5）两侧铣头中间能通过最大零件宽度为3150mm；

6）主切削力5000N。

图2.1 加工中心方案图1

图 2.2 加工中心方案图2

2.2 总体设计方案

根据设计要求，侧铣头能够在横向和纵向进行切削进给，即在X向和Z向进行切削进给。为实现这两个运动，所以将侧铣头主要分为实现纵向运动的垂直导轨和实现横向运动的水平滑枕两部分。同时需要在这两部分上安装有实现的导轨，考虑到此数控机床是一台重型数控龙门铣床，侧铣头本身有很大的重量并且在加工过程中要受到很大的切削力的作用，这就要求所选择的导轨必须能够承受很大的重力及较高的刚度，除此之外，因为本数控机床要求有很高的加工精度，根据这一点本设计采用承载能力大结构简单刚性好的贴塑滑动式矩形导轨，在这之中之所以采用贴塑方式是因为普通的滑动导轨摩擦系数大，容易产生爬行现象，而贴塑导轨具有摩擦系数小、抗咬合磨损性能好、不易爬行、工艺性能好等优点，但是由于矩形导轨磨损后不能自动补偿间隙，这就会影响加工精度和定位精度，因此对于导轨主要承载面需要有间隙调整装置，在本设计中，采用斜镶条对其进行调整。

对于主轴的运动，初步考虑了两种方案：一、采用电动机通过联轴器带动主轴运动；

二、采用电动机通过同步带带动主轴运动。但是考虑到此设计是一台重型数控龙门铣床，侧铣头本身有很大的重量并且在加工过程中要受到很大的切削力的作用，要带动侧铣头

运动并实现进给，这就要求选择功率很大的电动机，而这就导致电动机有很大的结构尺寸，如果采用联轴器进行连接，势必会增加侧铣头的结构尺寸，从而导致侧铣头重量的增加浪费原材料。而采用同步带传动，可以将电动机放置在侧铣头结构以外，这不但会减小侧铣头的结构尺寸，同时也大大降低了原材料的使用；除此之外，采用同步带传动，还具有传动比准确，传动效率高，噪音小的优点。这符合经济环保的要求。为保证加工精度，在这部分设计中，主轴采用高精密主轴B50-190。

为了实现横向进给运动，也初步考虑了两种方案：一、采用电动机通过联轴器与滚珠丝杠螺母副连接带动水平滑枕运动；二、采用电动机通过同步带与滚珠丝杠螺母副带动水平滑枕运动。如果采用联轴器连接的方式，就要将电动机及联轴器安置在水平滑枕的尾部，而一个大功率的电动机有很大的重量，这样就会导致水平滑枕尾部承受很大的重力，从而产生很大的扭矩，这对实现水平滑枕的运动精度、定位精度产生影响，并会导致摩擦性能的降低，而且为实现设计要求，水平滑枕需要有很长的结构尺寸，如果在将电动机放置在水平滑枕尾部，这就增加了整体机床的安装空间；而采用电动机通过同步带与滚珠丝杠螺母副带动水平滑枕运动的方式，可以将电动机放置在垂直导轨上，这无疑可以减少安装空间，而且合理利用空间。之所以采用滚珠丝杠螺母副进行传动，是因为它具有摩擦损失小，传动效率高；摩擦阻力小，动静摩擦力之差极小，因而运动灵活、平稳、低速时不易产生爬行、且磨损小、精度保持性好、寿命长；丝杠螺母之间进行消隙或预紧，可以消除反向间隙、市反向无死区，定位精度高、轴向刚度大；传动具有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动等优点，此设计中采用的滚珠丝杠螺母副是BNFN 5020-2.5。

对于主轴电动机的选择，初步选用西门子公司生产的风冷式交流感应电动机。对于伺服进给电动机，初步选用西门子公司生产的自冷式三相交流同步伺服电动机。交流伺服电动机结构简单、体积小、制造成本低；其没有电刷和换向器，不需要经常维护，没有直流伺服电动机因换向火花影响运行速度提高这种限制。

为了提高水平滑枕的X方向定位精度，在该方向上安装直线光栅尺进行位置检测并构成闭环控制系统。闭环控制系统可以消除整个系统的误差，包括机械系统的传动误差等，其控制精度和动态性能都比较理想，但是系统结构复杂，安装和调试比较麻烦，成本高。

第三章 伺服系统机械部分设计计算

3.1 滚珠丝杠副的选择计算

3．1．1 已知参数

丝杠的公称直径50mm ，导程20mm ，螺纹长度1245mm ，BNFN5020-2.5。

3．1．2 切削力的确定

按照立铣（不对称顺铣）计算各向分力，如下图所示：已知主切削力()N F c 5000=

图2.1 铣头受力示意图

取 ()N F F c a 200050004.04.0=?== ()N F F c H 400050008.08.0=?==

()N F F c ve 4000

50008.08.0=?=?= 3．1．3 滚珠丝扛螺母副的设计、计算

（1） 计算进给牵引力m F

作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小与导轨的类型有关，此处为贴塑矩形导轨，则()N F m 的计算公式为：

()x y Fm=K F + f'Fz+F +G (3.1)

其中，

x F 、y F 、z F —各向切削分力，()N ；

G — 移动部件的重量，()N ；

'f — 导轨上的摩擦系数，随导轨形势而不同，取0.05；

K — 考虑颠覆力矩影响的实验系数，取1.1。

()

()()

x y Fm=K F + f' Fz+F +G =1.1 2000 + 0.05 4000400010009.8=3090N ??++?

（2）计算最大动负载C

选用滚珠丝杠副的直径0d 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可用下式计算：

C L f F m =3ω (3.2) 式中：L —寿命，以106

为一单位，

L n T

=??60106 n —丝杠转速，（r/min ），用下式计算S

v n s 1000= v s —为最大切削力条件下的进给速度（m/min ），可取最高进给速度的1/2～1/3； S — 丝杠导程，（mm ）；

n —丝杠转速，（r/min ），

T —为使用寿命，()h ，对于数控机床取T=15000h ；

f w —运转系数，见下表。

运转系数

250r/min 20

510001000＝＝?=S v n s 225101500025060106066＝＝????=

T n L ()

2.5309047m C F KN ω==?=

计算结果小于丝杠额定动载荷72.5KN ，满足要求。 （3）传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率η：

η)

tan(tan ?+=r r (3.3) 式中： η —摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=f 0.003～0.004，摩擦角η约为'10,即0.1667°

r — 丝杠螺旋升角

丝杠中径 52.7d mm =

tan acr r =S d πtan acr =2052.7

π? = 6.8880° =η)

tan(tan ?+r r = tan 6.8880tan(6.88800.1667)??+? = 0.976 （4）刚度计算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：

丝杠的拉伸或压缩变形量δ1：

在总的变形量中占的比重较大，可以用计算方法确定。

先用下式计算滚珠丝杠受工作负载m F 的作用引起导程S 的变化量()mm L ?在计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量δ1（两端固定）：

EF S

F L m 4?±=? (3.4)

?L —在工作负载F m 作用下引起每一导程的变化量，（mm ）；

F m — 工作负载，即进给牵引力，()N ；

S —滚珠丝杠的导程，（mm ）；

E — 材料弹性模数，对钢E =?206104.（2mm N ）；

F —滚珠丝杠截面积（按内径确定）（mm 2） “+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。

()452.3090200.5210144 2.061042.94

m F S L mm EF π-??=±=±=±?????? 计算滚珠丝杠在总长度上拉伸或压缩的变形量δ1

()5

10 5.21012450.0032420

L L mm L δ-??==?= （3.5） 式中：L —滚珠丝杠在支承间的受力长度，()mm 。

根据《实用机床设计手册》滚珠丝杠副的传动刚度主要由丝杠本身拉压刚度，丝杠副内的接触刚度，轴承和轴承座刚度，因此近似取拉压刚度的1/3(变形近似为拉压变形的3倍)。

()1330.003240.00970.02mm δ=?=<，

符合要求定位精度()mm 300

/005.0±。 3.2 进给伺服系统传动计算

3.2.1电动机选择

1、初选电动机和减速器

（a ）电动机和减速器参数

电机西门子1FK7101-5AF7：额定转速3000r/min ，最大输出静力矩()m N .27，额定转矩()m N .5.15，自身惯量()2.0.00799m Kg 。

减速器：LP155-M01，转动惯量()

20.002573m Kg ?，5=i 。

（b ）转动惯量的计算