数控立式铣床机械结构设计--结构设计

数控立式铣床机械结构设计

数控机床作为一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备，决定了它在现代制造业中占有越来越重要的作用。近年来，我国在中高档数控机床关键技术上有了较大突破，创造出一批具有自主知识产权的研究成果。目前，在实际应用中有部分工件在加工微型孑L或铣削平面时，加工精度不高。如果我们用传统的数控铣床对其加工，将导致加工效率低且加大设备和电力的损耗。根据这种情况，我们设计了一种小型数控立式铣床。该铣床造价大大低于传统数控机床，还能够满足教学上的使用，提高学生对数控铣床的理解与认识。下文就对它的机械结构设计作一介绍。

1 机床的总体布局

本机床是一台采用立式布置的小型数控铣床，机床床身尺寸(长×宽×高)为600 mm×8OO mm×1 405

1Tim，主要由(如图1机床的结构简图所示)机床底座，横向溜板，X、y、Z方向进给步进电动机，工作台，机床床身，三相异步电动机，主轴箱以及相关的电气系统等部分组成。机床的加工过程为：被加工零件固定于工作台4上，能够实现横向、纵向的进给运动；铣刀装夹在主轴箱8上，能够沿立柱的上下移动，进行铣削

加工。整个加工过程由PC进行控制，实现工件的自动加工。该数控铣床的主要技术参数为：

最大钻孔直径：28 mm；

最大铣削能力：平面2．6×10 mm。；

主轴箱上下移动最大行程：345 mm；

工作台工作面积：730 n'ln3×350 n3n3；

工作台最大纵向行程：450 mm；

工作台最大横向行程：250 n3m；

机床底座面积：400 ITlm×680 n3n3；

主轴变速范围：8O～ 1 650 r／min

2 机床主传动系统及主轴组件设计

2．1 机床主传动系统

数控铣床主传动系统由主轴电动机、传动系统和主轴部件等部分组成，它与普通机床主传动系统相比结构较简单，这是由于变速功能主要由无级变速电动机来承担。机床主传动为主轴的旋转运动，负载为恒功率型，选用Y802—4型号的三相异步电动机即可满足要求。由于主轴要求的恒功率变速范围R坤远大于电动机的恒功率变速范围R却，在电动机与主轴之间串联了一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率要求。通过计算，变速箱的变速级数确定为2级传动。对于降速传动，为

防止从动齿轮的直径过大而使变速机构的径向尺寸太大，常限制传动副的最大传动比i ≤4，并且采用“前慢后快”的原则，即前面传动组的传动比小些，后面的传动组的传动比大些。由此可确定第1级的传动比如一2．65，第2级高速档的传动比i。一1，第2级低速档i 一0 o3。小齿轮齿数分别为22、40、20，即

i=0.38,i=1,i=0.33，如图2所示。

2．2 主轴组件

主轴组件由主轴、轴承、传动件和固定件等部分组成，如图2所示。机床工作时，由主轴夹持着刀具直接进行表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工零件的质量和机床生产率都有重要的影响。机床主轴承受的轴向载荷较大，径向载荷稍小，精度要求不高。通过分析，机床的主轴支撑方案确定为：前轴承选用3个推力角接触球轴承7015AC，其中前面2个轴承开口向主轴前端，接触角为25。用以承受轴向载荷；第3个轴承开口朝里，接触角为14。。3个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向载荷。后轴承由一对背对背的推力角接触球轴承7010AC组成，只承受径向载荷。

3 机床伺服进给系统设计

数控机床的伺服进给系统作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机，

功率步进电动机，电液脉冲电动机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。机床的纵向进给系统结构简图如图3所示，它的基本参数为：工作台及夹具总重力为1 000 N，工作台纵向行程为450 mm，进给速度为1O～ 400mm／min，快速进给速度为V⋯ 7--15 m／min，定位精度为±0．02／300 mm。机床选择NL2505型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直径为25mm，导程为5 mm，滚珠直径为3．969 mm，每个螺母滚珠有4列，经计算符合设计要求。机床的滚珠丝杠采用两端轴向固定，用一对接触角为25的7001AC型角接触球轴承面对面组配。此种固定方法能对丝杠施加预紧力，又能通过轴承端盖来补偿丝杠的热变形，保持预紧力几乎不变。步进电动机轴的力矩经计算，选用90BF003型步进电动机可满足设计要求。

机床主轴箱的进给系统结构简图如图4所示，工作台上下运动最大行程为345 mm，进给速度为1O到——2OO mm／min，快速进给速度为 =10 m／min

主传动系统是铣床传动系统的核心环节。传统的铣床主传动系统采用有级传动方式，其计算和设计方法早已有详细论述。随着机床技术的发展，数控铣床和加工中心的主传动系统已普遍采用无级传动方式。尽管一些大型的机床设计手册对无级传动方式的分析计算和设计方法已有论述，也已形成一些设计原则，但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样，随着机床技术的发展，随着机床产品设计越来越理性化，在进行主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高、低档减速比、主轴额定转速、功率损失等进行计算，对这些参数的相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析。而以往的技术文献对这方面的介绍、论述较为笼统和简单，有关结论也显得简单，已不能满足分析和设计要求，因此有必要不断地深入研究，完善主传动计算与设计方法。笔者多年来主管多项数控铣床和加工中心产品的设计，对各种主传动系统设计进行了较深入的分析，积累了较多的分析和设计经验，对主传动系统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分析，得出了一些较为适用的结论，现介绍如下。

1主轴无级传动系统的特点

主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机械传动机构组成。1．1无级调速电机及驱动主要机械特性