机床系统设计

数控机床设计包括的基本内容

1.主体设计（机械结构设计）:基础和前提

2.控制部分设计：数控系统设计和PLC设计

3.伺服系统设计：驱动装置、反馈系统

4.辅助装置设计：自动换刀、自动交换工作台自动装卸零件、测量和搬运零件等）精度：是指机床主要部件的形状、相互位置及相对运动的精确程度。刚度是指机床系统抵抗变形的能力

运动设计的任务：先了解工件表面形成的几何方法，确定机床上的基本成形运动有哪些，分别由那些部件完成。机床的主要技术参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数、动力参数，主参数：代表机床的规格大小及反映机床最大工作能力的一种参数。一般用机床的最大加工尺寸或加工能力确定。动力参数：电动机的功、液压缸的牵引力、液压马达或步进电动机的额定转矩等

确定主轴结构的总体原则：一般为空心阶梯轴，其直径从前往后逐渐减小或者从中间往两端逐渐缩小，各阶梯之间留有退刀槽，可根据需要在加工花键，螺纹等。主轴前端的结构形式用作安装刀具和夹具，故已经标准化主轴材料: 主轴的材料，应根据主轴的耐磨性、热处理方法和热处理后的变形来选择。①钢材E值较大，刚度好，故主轴材料首选钢材。②只有载荷大和有冲击时，或精密机床需要减少热处理后的变形时或有其他特殊要求时，才考虑选用合金钢。③对于高精度加工机床的主轴，采用微晶玻璃的新材料。

主轴传动件布置形式1.主轴不承受传动力2.主轴尾端承受传动力 3.主轴前端承受传动力4.主轴两支承间承受传动力轴承选择：根据主轴组件的转速、承载能力及回转精度等要求选择。★中小型数控机床（车床、铣床、加工中心、磨床）的主轴组件多采用滚动轴承；★重型数控机床采用液体静压轴承；

★高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承；转速达（2-10）×104r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚动轴承。

在使用中，应根据主轴组件工作性能的要求、制造条件和经济效果综合考虑，合理选用。轴承预紧：径向预紧是利用轴承内圈膨胀来消除间隙量(a)无控制装置(b)控制螺母(c)控制环轴向预紧轴承都是通过内、外圈之间的相对轴向位移来调整间隙的。（a修磨内圈（b内、外隔套（c无控制装置（d弹簧预紧主轴组件设计计算步骤

1）根据机床类型、主轴的工作条件、使用要求和经验值估算，参照同类机床初步选择主轴直径。2）为了提高主轴组件的刚度和抗振性，在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a 3）根据刚度和变形量反复计算得到主轴最佳跨距

4）初步确定主轴组件的尺寸参数，进行主轴组件的初步设计（轴向结构及空间位置），并对上述尺寸参数予以修正。5）对主轴组件进行必要的刚度验算，对于高速主轴组件还需要对其临界转速进行验算。提高主轴组件的措施

1提高旋转精度(1)选配法首先对轴承进行选配（高点导向）使其偏心量最小，然后再对轴承进行一次选配，位于同一轴向平面内且在轴线的左侧，应使后轴承的的精度比前轴承的精度第一级(2)装配后精加工2改善动态特性，减少共振①使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。②主轴轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大，特别是前轴承。③采用三支承结构时，其中辅助支承的作用在很大程度上是为提高抗振性。④采用消振装置。3控制主轴组件温升，减少热变形①减少轴承发热量合理选择轴承类型和精度，保证支承的制造和装配质量，采用适当的润滑方式，均有利于减少轴承发热。②采用散热装置通常采用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法，这些方法能够有效地降低轴承温升减少主轴组件热变形。主轴直径的选择

主轴直径选择直接影响主轴部件的刚度，直径越粗，刚度越高，同时与他相配的的轴承等零件的尺寸越大，故设计之初，只能根据统计资料选择主轴直径，铣床一般D2=(0.7到0，9)D1 刚度限制一般应取d/D ≤0.7 主轴悬伸量的确定

悬伸量大小：对主轴组件的刚度和抗振性有显著影响。悬伸量小，轴端位移就小，刚度得到提高。悬伸量确定：主轴端部的结构型式及尺寸、刀具或夹具的安装方式、前轴承的类型及配置、润滑与密封装置的结构尺寸等。主轴最佳跨距的选择

主轴组件初步确定后，通常还需对主轴组件进行刚度验算和稳定性验算；对于高速主轴组件还需对其临界转速进行验算。大型机床、重型机床还要进行强度验算。

滚珠丝杠螺母副的计算和选用

选择导程：L0应按承载能力及传动精度、传动速度选取。L0大，承载能力大；L0小，传动精度高。原则：在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些。计算作用于丝杠轴向动载荷Cc，根据最大动载荷大小选择丝杠副的型号。当丝杠转速n≥10r/min时，滚珠丝杠螺母副的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此选择丝杠以计算动载荷为依据。当丝杠转速n<10r/min时，以最大静载荷Foc为选择丝杠依据

伺服进给系统设计包括的内容

①按照需要达到的加工精度要求，选择开环系统、半闭环系统还是闭环系统②传统系统的设计包括传动方式的选择；根据传动精度要求，确定数控机床的脉冲当量③滚珠丝杠导程及精度等的确定；滚珠丝杠支承选择；

④伺服电动机及其反馈装置选择的选择⑤精度验算。

一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况

（1）根据负载转矩选择电机M负载≤Mr）

（2）电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配

（3）快速移动时，转矩不得超过伺服电动机的最大转矩

（4）加速转矩应等于最大转矩（即由放大器限制的转矩）减去负载转矩

(5) 电机最大转速＞系统所需之最高转速

1.什么是“惯量匹配”？

(1)加速转矩Ma等于加速度a乘以总惯量J(电动机惯量+负载惯量)，即Ma=aJ。

在伺服电机的选型中，伺服电机的旋转惯性动量JM 与电机轴换算的负载惯性动量JL需满足一定的关系.这就是电动机惯量与负载惯量的“惯量匹配”。关系式：J1 / JM =(A-B)/(K-A)

2. “惯量匹配”如何确定？

转动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应（加减速）都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制

大多要求J1与JM的比值小于十以内。对于基础金属切削机床，对于伺服电机来说，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。有些材料说要求3倍甚至2.5倍以内。在实际中选择J1与JM 相等是没有的

支承件的作用是支承和基准作用

刚度支承件的刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，后者称为动刚度。一般所说的刚度往往指静刚度。静刚度包括与材料性质、形状及尺寸有关的结构刚度，以及与接触材料、几何尺寸、硬度、接触面的表面粗糙度、几何精度、加工方法等有关的接触刚度。

热变形①散热和隔热②均衡温度场③对称温度场

承件设计要求：1、足够的静刚度和较高的刚度重量比2、良好的动态特性。（主要指抗振性）3、较小的热变形和内应力。

4、便于制造、装配、维修、排屑和吊运及考虑切削液及润滑油回收、液压、电器装置的安置等。支承件的设计基本步骤

1)根据支承件的同类型的使用要求进行受力分析，再根据所受的力、热变形和其它要求如排屑、切削液及润滑油回收、其它零部件安置等），并参考机床件，初步设计其基本形状和尺寸2）可以用有限元法，借助于电子计算机进行验算，求解支承件的静刚度和动态刚度，进行热应力分析，避免盲目性，提高成功率3根据计算结果对设计进行修改，或对几个方案进行对比，选择最佳方案支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形。设计时，要注意这三类变形的匹配，提高支承件的自身刚度局部刚度和接触刚度，并应对薄弱环节予以加强。

自身刚度支承件抵抗自身变形的能力支承件的自身刚度主要为弯曲刚度和扭转刚度。自身刚度取决于支承件材料、构造、形状、尺寸和隔板的布置等。

)提高支承件的自身刚度设计方案

取决于支承件的材料、形状、尺寸和肋板的布置等①正确选择截面的形状和尺寸②合理布置肋板和肋条③合理开窗和加盖提高支承件连接刚度和局部刚度

①支承件连接刚度a.合理选择连接部件的结构b. 合理选择螺钉尺寸和布置②支承件局部刚度a、导轨的连接部位结构b合理配置加强筋C 提高支承件接触刚度

改善支承件动态特性的措施1) 提高静刚度2) 增加阻尼3) 调整固有频率4) 采用减振器

时效方法有自然时效、人工时效和振动时效三种。

机床振型主要有整机摇晃振动，弯曲振动，扭转振动，接合面间的平移或扭转最低几阶振动及薄壁振动