开题报告1课题名称XKM754型精密数控卧式床身铣床的研究与设计2任务2.1 技术参数工作台工作面面积（长×宽）：1000×400mm；行程（X×Y×Z）：600×400×500mm；快速移动速度（X、Y、Z）：12000mm/min；进给速度范围（X、Y、Z）：1～6000mm/min；主轴箱重量：1000kg、工件及工作台重量600kg、滑鞍重量500kg；主电机功率：15KW；主轴计算转速：200r/min；主轴锥孔序号：ISON050；拉刀力：1000kg；定位精度：0.02mm；重复定位精度：0.16mm。

2.2 方案要求（1）机床总体布局；（2）确定导轨型式；（3）确定滚珠丝杠的支撑方式与型号及安装型式；（4）确定主传动系统的驱动方案；（5）确定低档降速比及高档降速比；（6）确定传动轴数，拟定转速图、主轴功率扭矩特性图；（7）确定主轴箱的平衡结构。

2.3 成果形式（1）提交资料：论文；图纸（手工图、CAD图）；（2）答辩。

3主传动系统设计方案3.1 概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级变速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统以扩大电动机的恒功率调速的范围。

3.2 技术方案3.2.1 无级变速主传动链数控机床一般都采用直流或交流调速电动机作为驱动源并采用电气无级调速。

由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满足；另一方面调速电动机的功率和转矩特性也难以直接与机床的功率和转矩要求完全匹配。

因此，需要在无级调速电动机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范围和功率、转矩特性的要求。

本主轴箱采用交流主轴伺服电机调速，两档齿轮变速，以实现本床身铣床的无级变速。

（1）主轴电动机加工中心上常用的主轴电动机为交流调速电动机和交流伺服电动机。

交流调速电动机通过改变电动机的供电频率调整电动机的转速。

交流主轴伺服电动机是一种高效能的主轴驱动电动机，其工作原理与交流伺服进給电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。

交流伺服电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且以很大转矩实现微小位移。

（2）交、直流无级调速电机的功率转矩特性图3-1所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。

这两条特性曲线是以计算转速n j 为界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，恒功率调速范围为RDP，该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，最大转矩则随主轴转速的下降而上升。

从最低转速n min 至nj的区域Ⅱ为恒转矩区，恒转矩调速范围为RDT，在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax 。

在Ⅱ区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。

通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3～3/4；恒转矩区约占1/4～1/3。

如图3-2所示，变速电机的调速范围RD也包括两部分：从额定转速nd 到最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区（调磁调速范围RDT）；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区（调压调速范围RDP）。

直流电机的额定转速通常为1000～1500r/min。

从nd 至nmax用调节磁通Φ的办法得到，称为调磁调速；从n min至n d用调节电枢电压的办法得到，称调压调速。

交流调频电机用调节电源频率来达到调速的目的。

额定转速通常为1500r/min。

这两种电机的恒功率转速范围常为2～4；恒转矩变速范围则可达100以上。

显然，变速电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配。

变速电机的恒功率范围小而主轴要求的范围大。

因此，单凭总变速范围设计主传动系统是不能满足加工要求的，必须考虑性能匹配问题。

通常采用的办法是在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱。

图3-1 主轴的功率扭矩特性图3-2 变速电动机的功率特性（3）床身铣床无级变速的设计显然，变速电机的功率特性与机床主轴的要求不匹配。

变速电机的恒功率范围小而主轴要求的范围大。

因此，单凭总变速范围设计主传动系统是不能满足加工要求的，必须考虑性能匹配问题。

通常采用的办法是在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱。

在本床身铣床中，由交流主轴伺服电机实现电机无级调速，由齿轮实现两档变速。

其中，传动轴有四根，Ⅰ轴、Ⅱ轴为固定轴，Ⅲ轴为变速轴，Ⅳ轴为主轴，主轴与编码器通过齿轮传动，将主轴的转速1:1反馈给脉冲编码器。

Ⅲ轴为花键轴，轴上装有二联滑移齿轮，通过长销与轴内的拉杆相连，轴的上端装有变档液压油缸，油缸进油，活塞杆带动拉杆移动，拉杆带动长销在Ⅲ轴的槽内移动，同时带动滑移齿轮移动，从而实现两档变速。

图3-3为主传动系统图，图3-4为主轴的转速图，图3-5为主轴的功率、转矩特性图：图3-3 主传动系统图图3-4 转速图图3-5 功率、扭矩特性图3.2.2 主轴组件设计主轴组件是机床的重要部件之一，它是机床的执行件。

主轴组件包括主轴和主轴轴承。

主轴是主轴组件的重要组成部分。

它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及其热处理对主轴组件的工作性能有很大的影响。

同时，主轴结构要保证轴上各个零件定位可靠，工艺性好等要求。

主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。

(1)主轴本床身铣床的主轴的前端结构形式取决于机床类型和安装夹具或刀具的结构形式。

主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。

图3-6所示为铣、镗类机床主轴的端部，铣刀或刀杆在前端7:24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。

图3-6 主轴部件的结构形式(2)主轴轴承本床身铣床采用的是滚动轴承，支承方式为一端固定，一端游动。

前支承采用的是三个角接触球轴承三联（DBD），前两个轴承大口方向相同朝右，能承受较大的单向轴向载荷。

后支承采用的是两个深沟球轴承，由于在运转中发热，主轴必然产生热膨胀，为了吸收这个膨胀量，后支承为游动形式。

图3-7 主轴轴承配置方式3.2.3 主轴的刀具自动夹紧机构在自动换刀的数控机床中为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。

刀杆采用7:24的大锥度锥柄，这样既有利于定心，也为刀具的夹紧和松开带来了方便。

装夹刀具时，锥柄的尾端轴颈被拉紧，同时通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。

在碟形弹簧的作用下，拉杆始终保持约1000kg的拉力，并通过拉杆将刀杆的尾部轴颈拉紧。

换刀时，首先将液压油通入主轴尾部液压缸的左腔，活塞拖动拉杆向右移动，将刀柄松开，同时碟形弹簧被压紧，消除了刀杆上的拉力。

换刀结束后，电磁换向阀动作使液压油通入液压油缸右腔，活塞左移退回原位，碟形弹簧复原又将刀杆拉紧。

3.2.4 主轴箱平衡机构XKM754型精密数控卧式床身铣床主轴箱的平衡机构，采用液压平衡系统。

经过鉴定和生产试验表明，这种液压平衡系统工作可靠，速度转换平稳，满足机床使用性能的要求。

4进给传动系统设计方案4.1 概述在设计数控机床的进给传动系统时，一般已知以下条件：移动部件（即机床执行部件）的总质量（包括移动部件自身的质量、夹具的质量和工件的质量），移动部件的最大移动速度（mm/min），电动机的最高转速（r/min），移动部件的定位精度（mm）和重复定位精度（mm），移动部件的行程（mm）。

进给传动系统设计的主要任务是进行满足上述已知条件的移动部件的结构设计，解决的主要问题是：导轨的选型与设计，滚珠丝杠支撑方式的确定，滚珠丝杠螺母副的选型与计算，进给传动系统的刚度验算、动态特征分析与固有频率计算、误差分析与验算，驱动电动机的选型与计算。

4.2 总体布局XKM754型精密数控卧式床身铣床主要由如下几大部件组成：底座、滑鞍、工作台、立柱、主轴箱。

其总体布局图如图4-1、图4-2。

总体布局图主要反映了各坐标方向的行程、悬出端长度，总体的长宽高，以及各部件在工作时是否干涉等情况。

X轴方向上，工作台的长度1200mm，行程600mm，当工作台到达-X、+X方向行程极限位置时，悬出端200mm，工作台的中心仍在滑鞍导轨跨距之内。

Y轴方向上，滑鞍的宽度540mm，行程400mm，当滑鞍到达-Y、+Y方向行程极限位置时，工作台和滑鞍的边界仍在底座的长度方向的范围内。

并且当滑鞍到达+Y方向行程极限位置时，工作台与主轴不发生干涉，此时滑鞍中心距离主轴端面50mm。

图4-1 布局图（主视）图4-2 布局图（左视）Z轴方向上，行程500mm，当主轴到达+Z方向行程极限位置时，主轴箱顶端与立柱不发生干涉。

当主轴到达-Z方向行程极限位置时，主轴箱底端与立柱不发生干涉，并且主轴与工作台不发生干涉，此时主轴中心距离工作台台面150mm。

在各个坐标上，电机支架、螺母座、轴承座严格要求同轴度，通过控制安装面距离导轨面的尺寸，来控制各零件中心距离导轨面的尺寸，从而保证同轴度。

总体尺寸为1800×2060×2830mm。

4.3 主要技术4.3.1 导轨的设计与选型XKM754型精密数控卧式床身铣床X、Y、Z三个坐标上的导轨均采用矩形导轨（如图4-3），在与之相配的滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板，同时采用斜镶条消除导向面的间隙。

矩形导轨易加工制造，刚度和承载能力大，安装调整方便。

矩形导轨中M面起支撑兼导向作用，起主要导向作用的N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。

适用于在和大且导向精度要求不高的机床。

图4-3 直线滑动导轨的截面形状4.3.2 滚珠丝杠螺母副的选型（1）预紧方式本数控卧式床身铣床三个坐标轴上滚珠丝杠螺母均采用双螺母垫片调隙式（图4-4），调整垫片的厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。

这种方法结构简单，刚度好，但调整不便，当滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。

图4-4 垫片调隙式（2）支承方式此设计方案中，三个坐标轴上均采用两端固定的支承方式，这种方式丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，机械系统的固有频率比一端固定的要高。

可以预拉伸，预拉伸后可以减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要设计一套预拉伸机构，结构与工艺都比较困难，适用于对刚度和位移精度要求高的场合。

图4-5 固定端角接触球轴承配对方式4.3.3 驱动电动机的选型进给系统中，驱动电动机采用华中数控GK6交流永磁同步伺服电机，该电机采用自冷式，防护等级为IP64-IP67，具有响应迅速、精度和效率高、负载能力大、控制性能优越等优点，被广泛使用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。