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1、引言1.课题的意义从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。 数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、 改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机 电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、 需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩 短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成 为国民经济和国防建设发展的重要装备。复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯全成品的多种要素加 工。根
2、据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复 合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复 合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加 工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了 零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对 于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推 出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、 激光热处理等多种工序，可完成复杂
3、零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提 高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。2我国数控机床发展现状及思考我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术， “七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成 绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费 量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2 002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中 国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占
4、有率连年下降， 1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），20 03年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机 床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上 的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高 档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不 够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才 缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大
5、技术创 新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。1数控机床的进给传动系统概要数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。伺服进给系统的作用是根据数 控系统传来的指令信息，进给放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度， 同时还要精确控制刀具相对与工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床进给系统，尤其 是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动速度的两个方面同时实现自动控制。一 个典型的数控机床闭环控制进给系统，通常由位置比较、放大元件、驱动单元、机械传 动装置和检测反馈元件等部分组成，而其中的机械传动装置是控制中的一个重要环节。 而本次设计zx5725钻铣床主轴上下往复装置，便是一
6、个机械传动装置。1.1对数控机床进给传动系统的要求数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴，回转坐标轴的定位和切削进 给，进给系统的传动精度，灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精 度。为了保证数控机床进给传给系统的定位精度和动态性能，对数控机床进给传动系统 的要求主要有以下几个方面。（1）低惯量进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动，若机械传动装置惯量大， 就会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减少 运动部件的自重及各传动远见的直径和自重。（2）低摩擦阻力进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应特性好、必须减少运动部件的摩
7、擦阻力和动摩擦系数与静摩擦系数之差。所以导轨采用具有较小的摩擦系数和高耐磨性 的滚动导轨、静压导轨和滑动导轨。此外进给传动系统还普遍采用了滚珠丝杠副。（3）高刚度数控机床进给传动系统的高刚度主要取决于滚珠丝杠副（直线运动）或涡轮蜗杆副 （回转运动）及其支撑部件的刚度（4）高谐振。为了提高进给的抗振性，应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼，一般要 求进给传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统的固有频率23倍。(5) 无传动间隙。为了提高位移精度，减小传动误差，对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工 精度，其次要尽量消除各种间隙，因为机械间隙是造成进给传动系统反向死去的另一主 要原因。因此对
8、传动链的各个环节，包括联轴器、齿轮传动副及其支撑部件均应采用消 除间隙的各种结构措施。但是采用预紧等各种措施后仍有可能留有微量间隙，所以在进 给传动系统反向运动时仍有数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。2确定传动方案2.1设计传动方案本次设计为zx5725主轴上下往复装置设计，其主要目的是实现主轴加工精度，并 且除能实现钻削加工外，还能实现实现镗削和铣削。传动系统为进给传动系统，可以列 出以下传动方案 方案1电机齿轮传动一滚动丝杠螺母机构主轴箱方案2电机链传动主轴箱2.2比较优缺点链传动是一种扰性传动，优点是制造安装精度要求低，成本低，整体尺寸较小，其 缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。滚珠丝杠具
9、有以下优点，摩擦损失小，机械效率高，滚珠丝杠螺母的机械效率在 0.92-0.96之间，运动灵敏，低速时无爬行，轴向刚度高，反向定位精度高，数控机床 可利用大扭矩的步进电机经滚珠丝杠螺母机构直接带动主轴箱，可以减少电机的功率， 手摇时可用滚珠丝杠螺母机构来减轻疲劳强度。故选用方案1。2.3工作原理图图2.1工作原理图由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用，故必须装有制动装置（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时）。所以必须加一个单向超越离合器，起自锁作用。3电机、联轴器及离合器的选择3.1概述联轴器和离合器是机械中常用的部件。他们主要用来连接轴与轴（或连接轴与其他 回转零件），以传递运动与转矩；有时也可
10、用做安全装置。根据工作特性，它们可以分 为以下4类：1）联轴器用来把两轴连接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车后 并将连接拆开后，两轴才能分离。2）离合器在机器运转过程中，可使两轴随时结合或分离的一种装置。它可用来操 纵机器传动系统的断续，以便进行变速或换向等。3）安全联轴器及安全离合器在机器工作时，如果转矩超过规定值时，这种联轴器 及离合器即可自行分离或打滑，以保证机器中的主要零件不致因过载而损坏。4）特殊功用的联轴器及离合器用于某些特殊要求出处，例如在一定的回转方向或 达到一定的转速时，联轴器或离合器即可自动结合或分离。3.2联轴器的计算及校核由于机器启动时的动载荷和运转中可能
11、出现的过载现象，所以按轴上的最大转矩为 计算转矩I KATT = KT=1.3x9.55x106 孺 N mm= 5.696 x103N mm式中：T为公称转矩，Nmm； K为工作情况系数，取1.33.3确定联轴器的型号根据计算转矩T所选取联轴器类型为弹性套柱销联轴器，其型号为TL4。选取电机 ca为步进电机，其额定功率为0.5kw、额定转矩235.363.4联轴器的校核(1) 类型选择为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销联轴器。(2) 载荷计算公称转矩 T = 9.55 x106g N mm = 2.101x103 N mm1000计算转矩T =KTT = KT=1.3x9.55x106* N
12、 mm1000= 5.696 x 103N mm(3) 型号选择从GB4323-84查得TL4弹性套柱销需用转矩为250N mm，许用最大转速为3800rmin轴 径在2042之间，故合用。4传动件的有关计算4.1齿轮的估算按接触疲劳和弯曲强度计算次论模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都 已知的情况先才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选 用标准齿轮模数。选取q=38，z =19齿轮弯曲疲劳强度的估算:齿面点蚀的估算:A为齿轮中心矩，由中心矩A及齿数zi，Z2求出模m 32其中nj为大齿轮的计算转速数mj =2A/（七 + 知）mm根据估算所得mw和mj中较大
13、的值，选择相近的标准模数，各齿轮的计算转数为：n1 =2000r/minn2=1000r/min轴III间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算:NA 370=370x3 n齿轮点蚀的估算:7.5=81.76 mm695m =2A/( Z1 + Z2) =2x81.76/(38+76)=1.94 mm所以模数为m=2.所以齿轮1的直径为76,齿轮2的直径为384.2传动轴的计算传动轴应满足强度和刚度的要求。强度方面的要求是，保证轴在反复弯曲载荷和扭 转载荷下不发生疲劳破坏。刚度方面的要求是，轴在弯曲和扭转载荷下不致产生过大的 变形。如果刚度不足，则装在轴中不的齿轮会因轴的扰度过大而破坏他们的正常
14、啮合关 系，并产生振动：装在轴两端的齿轮和轴承，会因倾角过大而压强分布不均，产生不均 匀的磨损和过大的噪声。如果扭转刚度不足，则会产生扭振。4.2.1轴的材料选择选用45号钢，调质处理HB=260初步估计轴的直径按扭转刚度传动轴直径进行估算d =叫工、勺加 mm其中：d 传动轴的直径mm；P该轴传递的功率Kw；nj 该轴的计算转速r/min；中该轴允许的扭转角deg/m，在1 中按表21选取，取中=1 deg/m。4.2.2轴的估算=91=91:0.4442000 x1=11.08 mm由于该轴与联轴器连接，初选联轴器为弹性套注销联轴器，初选轴孔内径为18mm， 所以该轴公称为18mm。因为该
15、轴为空心轴，根据表15-1键联结的类型、特点、和 应用选普通平键，键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽bx键高h表示）与长度l。 键的截面尺寸bxh按轴的直径d由标准中选定。键的长度一般按轮毂的长度而定，即键 长等于或略短于轮毂的长度，一般轮毂的长度可取1=（1.5 2）d： 8X4X401）初选滚动轴承传动采用的是直齿轮，因其基本不受轴向力影响故采用角接触球轴承62032）.初步确定传动轴的轴向径向尺寸（1）考虑到初步估计的直径与轴承内圈的通用性的要求由轴承产品目录中初步选取0 基本游隙组、标准精度级的背靠背角接触轴承70000AC，故此段轴径d=20mm。（2）考虑到整体布局的紧凑性，安装的方便性以及润滑等，参考结构系统图；I轴的 长度为：L=200mm4.2.3轴的校核1）.按弯扭合成强度校核轴的强度绘制轴受力简图图4.1（a）受力简图M刮1 A1图4.1（b）垂直受力图图4.1（c）垂直弯矩图图4.1(d)水平受力图图4.1(e)水平弯矩图图(f)扭矩图
