移动式数控龙门铣床的总体设计
微型移动龙门式铣床结构优化设计
微型移动龙门式铣床结构优化设计卜雪梅（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）摘 要：在进行微型移动龙门式铣床结构优化设计过程中，通过利用有限元和正交实验等多种形式的结果分析，表明机床在进行结构优化调整之后，会全面提高机床本身所具有的静态性能，从而验证了结构优化的有效性。
本文主要将微型移动龙门式铣床为主要的研究对象，对其本体的主要结构进行了有限元仿真模型的建立，以此来分析其动态特性，结合这些结果内容来仔细的辨识机床所具有的薄弱环节，明确立柱对工作台所造成的性能影响，将立柱的优化和工作台优化作为主要的优化目标。
关键词：微型；移动龙门式铣床；结构优化；设计分析中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）04-0219-2收稿日期：2019-04作者简介：卜雪梅，黑龙江佳木斯人，男，生于1984年，满族，硕士研究生，研究方向：机床设计，机床开发。
微型移动龙门式数控铣床的主要结构存在不足之处，为了解决这一问题需要将拓扑优化、正交实验设计方法等作为设计调整的主要依据，首先需要建立本体的有限元模型，再结合当前的加工情况进行静力学分析，从而得出位移和应力云图的主要内容和基本结论。
通过模态化分析，来了解前十阶模态所具有的频率和主振类型，通过对有限元结果的分析，运用拓扑优化原理，将其所具有的最小应变能力作为主要的目标函数，并且设计好立柱的整体质量来作为主要约束条件，对当前所采用的微型铣床立柱进行优化设计。
同时还可以采用正交实验的方式，来保证工作台的自重下最大位移程度，控制好T 形槽的大小，以及槽与槽之间的间距，安排好工作台建设的厚度，将工作台支承面积作为主要的设计变量，从而提高工作台的工作能力，保证优化后机体的正常运行，通过有限元仿真实验，来提高优化后整机的静态性能。
1 本体有限元模型的建立在进行有限元模型创建的过程中，需要充分的考量有限元网格的计算准确率和精度，因此需要对铣床的几何模型进行适当的优化，减少给电机和传动系统对机床运行所产生的影响，要将主轴电机作为钢体，摘除螺纹孔，控制好部分加工角的一些细小问题，保证各部件之间的有机结合。
水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心设计
水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心设计摘要：水室封头专用控龙门移动式双柱立式铣车加工中心是一种超大型、高精度、复合型金属切削机床，是关系到国计民生、国家安全的重要装备。
适用于核电、军工、航天、造船、发电、石油化工等行业复杂零件的高效率、高精度加工，有迫切的市场需求。
目标：完成最大加工直径6.3米，共有X、U、Y、Z、W、C、C’和B轴等八个数控轴，可实现五轴联动，工件一次装卡即可完成车、铣、钻、镗、攻丝等多种工序复合加工的超重型、高精度立式铣车复合加工机床的研究与开发，形成相关技术规范、标准、专利及专有技术。
技术方案：首先进行初步方案设计，经专家论证后，转入结构设计分析、静动态特性分析、干涉检查、精度分析、关键部件可靠性和精度稳定性研究阶段，期间针对技术难点，进行联合攻关，确定最终的实施方案，后续阶段分为关键部件加工、装配工艺方法研究、装配调试和鉴定验收等主要阶段。
目标是水室封头专用DMVTM630数控龙门移动式双柱立式铣车加工中心的研究与开发，该机床可达到的主要技术指标如下所示:◆ 最大加工直径Φ6300mm◆ 工作台直径≥Φ5700mm◆ 最大加工高度 4000mm◆ 最大工件重量 200t◆ 最大车削力 100KN◆ 回转工作台转速范围 0.2～20r/min◆ 回转工作台分度、进给转速范围 0.001～1r/min◆ 龙门架移动行程 13000mm◆ 铣削主轴转速范围 2～800r/min◆ 铣削主轴额定扭矩 8000N.m◆ C轴分度精度≤4″◆ 铣削主轴端面、径向跳动≤0.005mm◆ 工作台端径跳≤0.03mm◆ 万能铣头转角角度范围（B轴）±105°要使所研发的水室封头专用DMVTM630数控龙门移动式双柱立式铣车加工中心达到上述技术指标，就必须针对该机床的工艺特点和难点，包括机床的整体布局、零部件相关设计、机床可靠性及精度保持性、动态监测、状态预警及热变形补偿等进行攻关，解决如下几方面的重大问题：1、机床整机结构及其合理布局问题整机结构分析尤其是大型数控机床整机结构分析和合理布局，对机床设计是至关重要的一环。
数控龙门铣床机械结构设计
控龙门铣床机械结构设计摘要现在世界上很多发达的工业化国家在生产中广泛应用数控机床。
随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。
随着科学技术的发展，世界先进技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。
当今数控机床正在不断采用最新成果，朝着高速化，超精度化，多功能化、智能化、系统化、网络化、高可靠性与环保等方向发展。
本次毕业设计就是通过对5轴数控龙门铣床机械结构设计来加深对数控机床的了解。
通过本次毕业设计了解数控龙门铣床的机械结构，并对一些关键的部件进行校核。
并通过此次毕业设计熟练掌握一门三维绘图工具-Inventor.关键词：滚珠丝杠，滚动导轨，五轴联动铣头，Inventor.A 5 AXIS NC MILLING PLANER MECHANICALSTRUCTURE DESIGNABSTRACTIn many advanced industrialized countries in the world now is widely used CNC machine in the production .With the rapid development of electronic technology and control technology, today's numerical control system function is very strong, and with the continuous development of numerical control technology and application field expands,it to some important industry of the national economy and people's livel is playing a more and more important role in the development.With the development of science and technology, the rise of the world's advanced technology and matures, we put higher requirements on numerical control technology.Modern nc machine tools Using the latest achievements , toward high speed, super precision, and multi-functional and intelligent, systematic, network, such as high reliability and environmental protection.This graduation design is based on the five axis nc milling planer mechanical structure design to deepen understanding of nc machine tools.Through the graduation design ,I have understanded the mechanical structure of the CNC gantry milling machine, and some of the key components for checking.And through the graduation design I master a 3 dimensinal drawing tool - Inventor.KEY WORDS：Ball screw , Rolling guide , Five-axis linkage milling head, Inventor目录前言 (1)第1章数控机床概述 (2)第2章整体结构方案 (3)第3章伺服进给系统机械传动机构的设计 (4)§3.1 伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求 (4)§3.2 滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式 (6)§3.2.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点 (6)§3.2.2 滚珠丝杠螺母副的支撑方式 (8)§3.2.3 支承轴承的选择 (9)§3.3 滚珠丝杠副的疲劳寿命计算 (9)§3.4 预加负荷 (11)§3.5 机床滚珠丝杠副总体校核 (11)§3.6 数控机床导轨 (16)§3.6.1 导轨的基本类型 (16)§3.6.2 对导轨的基本要求 (16)§3.6.3 直线滚动导轨 (17)第四章数控机床的进给驱动 (19)§4.1伺服系统的基本要求 (19)§4.2伺服电机的选择与计算 (21)结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)2III前言毕业设计是实现培养目标的重要教学环节，是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要过程。
机械制造工艺与设备
移 动式数控 龙 门铣床 的总体 设计＝ Ｄ ． ｅ
ｓｇ ｆｍｏ ａ ｌ ａ ｔ ｉｎｏ ｖ ｂｅｇ ｎｒ ＣＮＣ ｌｎ － ｙ ｍｉ ｉｇｍａ ｌ
ｃｉｅ［ ，中］ ｈ ｎ 刊 ， 张坚（ 浙江百业机械有限 公 司 ， 宁 波 ３５０ ）制 造 技 术 与 机 １２０ ＃
２０ （）—８ －９ ０ ６１．— ８ ０ —
ｍ ｃｉ 刊 ，中］ ａｈ ｅ［ ｎ ， 徐明刚（ 山东大学机械 工程学 院， 济南 ２ ０ ６ ） 张建华 。 ５ ０ １， 李丽 ， 任 升 峰， 造技 术 与机 床 ． ０６２一 ， 制 一２ｏ（ ． ）
６ ￣６ ７ ９
ｓ ｅ 刊 ，中］景璐璐（ 海交通大 学机 ｔ ｌ［ ｅ ， 上 械 与动力工程学 院， 上海 ２ ０ ３ ） ０ ０ ０，李铸 宇，陈明，孙方宏，胡祖光，祝新发， 励政 伟 ， 许辉 ， ， 上海 交 通 大 学学报 ． 一
气体介质 电火花加工实验机床．实验结
果表明，该机床能够满足超声振动辅助 气体介 质电火花 加工 的要求 ．图 １ ３ ０参 关键词：超声振动；电火花；实验机床
０ ０ ０ １ ６８６３ ４ Ｏ ・２ ６ ０
削温度之间的关系．结果表明，不锈钢 钻 削变 形 系数 反应 了轴 向力 的变化趋
实际生产 中，大大提高 了机械 自 动化程 度与生产效率 ．图 ４参 ｌ
关键词 ：自动上下料；数 控：钻尖磨床；
Ｐ ＬＣ ０ＯＯ１ ６８６１ ４ ０・２ ６ ０
域和最佳强化次数． 经过低幅载荷强化，
该 齿 轮 轮 齿 的弯 曲疲 劳 强 度 提 高 了 ３７ ９ ％，弯 曲疲劳寿命提高 了 １９ ０ ％．在 试验结果的基础上 ，得到 了该齿轮轮齿 弯 曲疲劳强度、弯 曲疲劳寿命随低载强 化次数和强化载荷变化的 函数关系．表
龙门式三坐标数控钻铣床设计
６ 【 要】 摘 普通钻铣床主要应用于 机械修配车间， 适合于 单件小批量生产， 可加工零件范围较广，ｌ ｌ具有较全面的通用 铣床功能， 既可以用于钻削 加工， －￣用于 也． ｊ － 铣削 加工。 提高 为了 普通钻铣床的自 ｌ 动 ６化程度和加工范围， 提出了 机床的总体设计方案， 讨论了 机床的总体布局与传动方案， 研究了 机械传动 ６ ｌ系 统和数控系 统硬件的设计方法， 设计了 一台小型龙门式．坐 Ｅ 标数控钻铣床。 － 该小型龙门式三坐标数 ｌ ｝ 控钻铣床具有结构简单， 性好， 动化程度和加工精度高以 刚 自 及操作维 修方便等优点。 ｌ
表 ２经运动变换虚拟； －后 Ｖ ＲＩ Ｔ测量结果 ｊｒ ￣ Ｅ ＣＵ
较为详细的论述 ， 推导出该类机床后置处理转角计算公式和刀位 点坐标转换计算公式 。 通过对 比工件设计与求解结果的虚拟加工 的结果表明， 该方法正确 、 可行 。另外 ， 该模型能适应不 同的机床 结构形式 ， 而且考虑 了机床结构误差 的影响 ， 为多坐标数控加工
平移运动副的运动量完全正确， 充分证明了所述机床运动变换建模 方法和求解方法的正确性 、 可行性， 同时具有较高的精确性。 表 ３ 比对 Ｕ Ｇ测量结果与 ＶＥ Ｉ Ｔ测量结果 ＲＣＵ
与液压 ，０ ９３ （ ） ７ １． ２ ０ ，７ １ ： — ９ １１
［］ ２ 陈涛 ， 彭芳瑜 ， 周云飞． 基于结构误差补偿 的多坐标 机床后置变换 ［］ Ｊ． 中国制造业信息化 ， ０ ，２２ ：８ ９ ． ２ ３３ （ ）８ — ０ ０
’ 中 图分类 号 ：Ｈ１ ，Ｇ 文 献标 识码 ： Ｔ ３Ｔ ５ Ａ
；
９
精度 、 效率、 品种等的要求越来 越大 ， 传统 的通用机床 、 专用机床
数控龙门铣床设计
（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。
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.
数控龙门铣床设计
数控龙门铣床设计首先，机床结构部分。
数控龙门铣床一般采用龙门式结构，即横梁作为横梁纵向移动的导向梁。
这种结构可以提供稳定的支撑和刚性，保证机床的精度和稳定性。
同时，可以根据加工件的大小和形状调整龙门的高度和宽度，增强机床的适应性。
其次，轴向结构部分。
数控龙门铣床通常包括X轴、Y轴和Z轴三个轴向。
X轴为横梁沿纵向移动的轴向，Y轴为工作台沿横向移动的轴向，Z轴为刀具上下移动的轴向。
这三个轴向通过精密的滑轨和直线导轨实现，可以实现机床的高精度运动和定位。
再次，工作台结构部分。
数控龙门铣床的工作台一般采用液压或电机驱动的滑台，可以实现工作台的快速移动和定位。
工作台上通常有多个T型槽，用于夹持工件和夹具。
同时，工作台还可以通过液压系统或机械手动装置实现旋转和倾斜，以满足不同加工需求。
其次，导轨系统部分。
导轨系统是数控龙门铣床的重要组成部分，直接影响机床的定位精度和运动平稳性。
一般采用线性滚动导轨，包括滑块、滑轨和滚珠轮等。
滑块通过滑轨进行滑动，滚珠轮起到承载和导向作用，保证机床轴向的平稳运动。
最后，控制系统部分。
数控龙门铣床的控制系统一般采用PLC或CNC控制系统。
通过编程设定机床的速度、进给量、切削深度等加工参数，实现自动化加工。
同时，还可以通过监控系统实时监测机床的运行状态和工件加工情况，提高生产效率和加工质量。
综上所述，数控龙门铣床的设计涉及到机床结构、轴向结构、工作台结构、导轨系统、控制系统等多个方面。
只有充分考虑这些因素，合理设计机床的各个部分，才能提高机床的性能和加工精度，满足不同加工需求。
同时，还需要时刻关注新技术的发展和应用，不断改进和完善数控龙门铣床的设计。
超重型数控龙门移动镗铣床设计研究
超重型数控龙门移动镗铣床设计研究随着我国工业不断发展，对大型船舶等研究不断深入，工业部件体积不断增大，对机床设备要求也随之提高，为了满足我国工业发展需求，降低我国重型机床生产压力，技术人员设计了超重型数控龙门移动镗铣床。
本文将根据我国工业生产需求和国际机床发展现状，从超重型数控龙门移动镗铣床各个部件入手，对超重型数控龙门移动镗铣床设计中的重点和难点进行研究，希望能为超重型数控龙门移动镗铣床的设计、研究及开发工作提供一些帮助。
标签：超重型数控龙门移动镗铣床；机床设计；研究0 引言近年来，我国机械工业进入高速发展阶段，机械市场对重型机床、超重型机床要求明显提升。
为了满足市场需求，就一定要提升超重型数控龙门移动镗铣床效能，对其设计进行深入研究。
同时提高超重型数控龙门移动镗铣床加工能力，有利于提高我国工业实力和基础装配的制造实力，满足我国冶金业、电力业等大型通用、典型零件制作需求。
1 超重型数控龙门移动镗铣床发展趋势及现状1.1 国外超重型数控龙门移动镗铣床发展趋势及现状目前，先进超重型数控龙门移动镗铣床生产国家以德国和美国为主，其中德国Schiess公司已设计并制造超大型属龙机床为主，其设计并的大型数控机床超过30种。
国外超重型数控龙门移动镗铣床设计特点在于，规格大和稳定性、可靠性好，但是价格也相对较高。
1.2 国内超重型数控龙门移动镗铣床发展趋势及现状目前，我国大多数投入使用的超重型数控龙门移动镗铣床都为进口机床。
我国机械企业对超大型数控机床研究时间较短，在设计上，依托于和国外先进数控机床生产厂家的技术交流，数控机床主要零部件也都购买国外产品，可以说我国超重型数控龙门移动镗铣床发展前景广阔，但现状存在技术困难。
2 超重型数控龙门移动镗铣床整体设计2.1 超重型数控龙门移动镗铣床整体布局在进行超重型数控龙门移动镗铣床整体布局设计时，应严格胺致癌国家相关规定，设置超重型数控龙门移动镗铣床个零部件参数。
在设计时，要将超重型数控龙门移动镗铣床后续保养和维护工作考虑进去。
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移动式数控龙门铣床的总体设计
摘要：文章阐述了采用“化整为零”的设计方法，对移动式数控龙门铣床进行了总体设计，并重点分析了双边齿轮齿条副驱动机构的设计要点，并对X轴的导轨安装面提供了新的设计理念，为设计数控龙门铣床的相关人员提供了理论和实践知识。
本文所述的移动式数控龙门铣床是指龙门框架作纵向移动的龙门铣床。
移动式龙门铣床的最大优点是：（1）机床占地面积小。
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。
移动式龙门铣床采用的是固定工作台，一般与床身整体铸出，龙门框架纵向运动的驱动力矩等值不变，不会因工件的承载重量的改变而变化，从而保证了加工精度和机床的响应性能。
笔者独立设计的移动式数控龙门铣床（图1），现已作为专机投入生产应用，能满足大型铸件、钢件的镗、铣、钻等多工序加工；配上直角铣头，还可对工件的4个侧面进行加工。
由于设计思想正确，配套零部件质量过关，该机床各项指标均已达到数控龙门铣床相关国家标准的要求。
该龙门铣床的主要设计参数如下：工作台面积为1800mm×4000mm，X轴行程为4000mm，Y轴行程为2000mm，Z轴行程为750mm，主轴功率18.5kW，各轴快速进给为10m/min。
一、机械部分设计
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。
床身的截面形状为Π形（图2）。
床身的上平面即工作台面设计有9 条T 形槽，为方便床身工作台面和# 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。
笔者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。
床身的基本壁厚由以下公式初定。
式中：L、B、H分别为床身的长、宽、高尺寸，单位为m。
根据当量尺寸C，查阅相关表格（略），取基本壁厚为38mm
主轴箱采300mm×300mm截面设计，其抗扭抗弯能力更强。
主轴变速箱采用两档滑移齿轮变速机构，可适应粗精加工需求。
主轴单元采用4支承结构，前面三组角接触球轴承用来承受切削力，主轴尾部一个深沟球轴承用来卸荷，使主轴不受到滑移齿轮产生的附加力矩的影响。
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，有效地减轻了滑台的重量。
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，X轴与Y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。
由于机床的纵向运动X轴是龙门框架移动，而龙门框架重达
10t，所以导轨必须选用直线滚动导轨。
因为滚动导轨副的摩擦系数小，非常适合龙门框架移动的动静刚度要求。
导轨的滑块选用加长加宽型，每个滑块的动载荷可达到10t。
考虑到安全系数，每根导轨安装3个滑块。
龙门框架的驱动源为双边齿轮齿条副（见图3），进给运动由轴2 输入，通过两对斜齿轮将运动传给轴1和轴3，然后由两个直齿轮4和5去传动齿条，从而带动龙门框架移动。
轴2上两个斜齿轮的螺旋线的方向相反。
通过弹簧在轴2上作用一个轴向力F，使斜齿轮产生微量的轴向移动，这时轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度，使齿轮4和5分别与齿条的两齿面贴紧，消除了间隙。
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。
笔者在设计中特别注意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。
二、数控系统选型
数控系统采用的是西门子840D，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X轴的运动精度。
三、结语
笔者最后要说明的是，根据专业机床零部件厂商提供的设计样本进行设计会达到事半功倍的效果。
在此次设计过程中，笔者对数控系统、主轴单元、变速箱、齿轮齿条副和丝杠导轨等都按照样本上的经验公式得出，不仅大大缩短了设计时间，同时使设计的可靠性更高。
同时在设计机床中要注重适时应用三维软件，如在部件草图确立后就应立即进行三维模型装配，通过进行装配干涉检查，避免机床在装配时出现的碰撞干涉返工现象。