摘 要

本文从重型数控龙门铣床起手，运用摆碾机的原理，借鉴国内外研究现状，给出了一种用于板材碾压成型的重型数控加工设备的设计方案，设计符合基本制造生产的要求。整个重型数控加工设备主要包括底座、龙门架、导轨、三轴伺服进给系统和工作台等组成部分。本次设计的重点在三轴进给系统，该系统由伺服电机驱动，经由行星齿轮减速器减速增矩后带动滚珠丝杆副旋转，进而转为刀具箱和工作台的轴向直线运动。参照学习用品设计了简易的刀具夹。

论文全面阐述了重型数控加工设备的结构形式和传动系统，对比挑选了伺服电机和滚珠丝杆作为传动系统的组成部分，重点讲解了滚珠丝杆副的构成和原理，并对重要受力部件进行了计算校核。

关键词：机床；传动系统；滚珠丝杆

Abstract

This paper starts from the heavy-duty CNC gantry milling machine, uses the principle of pendulum mill, draws on the research status at home and abroad, and gives a design scheme of heavy-duty CNC machining equipment for sheet metal forming, which meets the requirements of basic manufacturing. The entire heavy-duty CNC machining equipment mainly includes the base, gantry, guide rail, three-axis servo feed system and workbench. The focus of this design is on the three-axis feed system. The system is driven by a servo motor. After being decelerated and attenuated by a planetary gear reducer, the ball screw is rotated, which is converted into axial movement of the tool box and the table. The design reference learning kit is designed with a simple tool holder, and a two-way overrunning clutch is also installed on the Z-axis to prevent the Z-axis from slipping due to gravity.

The paper comprehensively expounds the structural form and transmission system of heavy-duty CNC machining equipment. The servo motor and ball screw are selected as the components of the transmission system. The composition and principle of the ball screw pair are explained, and the calculation and verification of important parts are carried out.

Key Words： machine tool; transmission system; ball screw

目 录

第1章 绪论 1

1.1背景 1

1.2数控加工技术 1

1.2.1数控机床的结构与原理 1

1.2.2数控机床的分类 2

1.3重型加工设备 3

1.4传统机床 4

1.5重型数控加工设备 4

1.6本章小结 5

第2章 重型数控加工设备传动设计方案 6

2.1设计要求 6

2.2设计理念 6

2.3本章小结 7

第3章 硬导轨的设计 8

3.1导轨设计要求 8

3.2导轨设计 8

3.2.1类型材料选择 8

3.2.2设计导轨截面 9

3.3导轨的润滑与防护 10

3.4本章小结 11

第4章 进给伺服传动系统 12

4.1系统方案设计 12

4.1.1执行元件 13

4.1.2传动机构 13

4.2滚珠丝杆计算选型 14

4.2.1滚珠丝杆导程 14

4.2.2当量载荷 14

4.2.3平均转速 15

4.2.4预计额定动载荷 15

4.2.5选择滚珠丝杠 15

滚珠丝杆轴承的选用 16

4.3伺服电机选型 17

4.4减速器设计选型 18

4.5滚珠丝杆使用与护理 19

4.6伺服进给系统结构图 20

4.7本章小结 20

第5章 机床刀具箱的设计 21

5.1刀具箱的设计要求 21

5.2刀具夹持方案分类 21

5.3刀具夹设计 23

5.3.1筒夹式 23

5.3.2 手动螺丝式 23

5.4主轴的设计 24

第6章 机床床身、龙门架与工作台 25

6.1床身设计 25

6.2 工作台设计 26

第7章 结论 27

参考文献 28

致谢 29

1. 绪论

1.1背景

近些年来，随着我国航空航天工业快速不断发展，零部件材料性能的要求也随之不断升高。航空用的合金材料，与传统机械相比，要求更高的精度，更好的力学性能，更高的材料利用率。传统的车床、铣床已无法满足当今科技飞速发展的要求，随着计算机辅助设计技术的普及，先进航天工业的需求，重型数控加工设备的构想由此而生^[1]。

1.2数控加工技术

上世纪中期，航空工业起步发展，人们寻求更高效率，更精准的加工方式，随着计算机的兴起，数控机床慢慢普及。数控机床与传统机床从加工流程来讲大体类似，但也有一定差别，数控是通过编程计算传递数字信号控制机床三向进给以及刀具的运动，更大程度保证了高精度、高效能，加工制作更为复杂多变的零部件。

图 1 数控加工机床

随着科学技术、计算机程序、人工智能的不断发展，产品结构设备升级转型改革，制造精度质量要求的不断提高，产品不断更迭，大批量零件的加工需求逐步增大，为了缓解技工制造压力，提高整体效率，同时保证产品质量优良，加工过程逐渐自动化。数控加工技术在这种背景下迅速发展，使用广泛，质量有保证，可大批量生产。

1.2.1数控机床的结构与原理

数控机床组成组成部分如图2，控制介质是已经编辑好的程序，也就是数据信息，传递给数控装置用来发送指令。数控装置是核心，它接收到数据信息后进行处理运算，进而控制后续伺服系统运动。在闭环系统中，数控装置还会接收来自反馈系统的信号，综合控制介质的信号进行判断。伺服系统是执行单元，执行数控装置发出的指令，操纵刀具、工作台加工零件。测量反馈装置通过各种传感器测量收集机床的现状，反馈给数控装置及时作出调整，有利于提高系统稳定性，提高精度^[2]。

图 2 数控机床构成

数控机床原理如图3，数控装置对给定图纸参数化，转化为坐标点，进而转为控制信号发送为伺服机构，伺服系统接收信号作出响应

图 3 数控机床原理

1.2.2数控机床的分类

按控制方式分为开环控制、半闭环控制和闭环控制。

• 开环控制流程简单，信号单向传递，只有输入和输出量，不受外界环境干扰，系统稳定性较差，精度主要由设计精度控制。结构简单也决定了他便于调试维修，响应快捷^[3]。

图 4 开环控制系统

• 闭环系统具有反馈系统，可对根据环境变量对输入量进行调节改变，稳定性好，精度高，但调试困难，系统复杂。
• 半闭环系统的稳定性和精度则介于两者之间。

经济型数控机床是指造价便宜，操作简单，稳定可靠，是适合我国发展现状的优先选择的数控机床类型。

经济型数控机床按结构类型分为^[4]：

• 步进电机式

属于上述控制分类中的开环控制类型，步进电机直接控制后续传力机构，没有反馈措施修正系统，所以稳定性一般。由于步进电机转速较低，适合扭矩较小的加工场所。在不规则面，螺纹等方面的加工独具优势，又因其低廉的价格和可靠地性能，目前广泛采用步进电机式经济型数控机床。

• 交流点位式

相比步进电机是，交流点位式的精度更高，但加工类型有限，且价格比较高，总性价比低，因此仅用于对加工精度要求较高的柱面。

• 半封闭持续控制式

这种类型的驱动源为高功率伺服电机，转速高，驱动力大，可承受重载，价格较高，得有一定经济基础才有实力采用此方案。

1.3重型加工设备

重型加工设备吨位大，对机床床身、导轨、进给系统等要求较高。吨位越高，实现难度越大。近年来，我国在机床方面的技术，通过引进合作等形式已经有了较大的进步，但与发达先进国家相比，我国的龙门数控加工中心，在承载能力、加工质量、产品性能等方面仍有一定的差距。

1.4传统机床

机床的字面解释是制造机器的机器，常用的加工方式有切削、冲压、铸造、焊接、锻造等。现代一般机床都用切削的方式加工零件，通过控制板料与刀具之间的位移和旋转来加工。然而切削加工都多多少少会浪费原料，接下来介绍我本次毕业设计的研究课题的主要内容。

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