面向加工现场的数控铣床设计
随着我国经济的快速发展，大型加工设备也越来越多的在工厂中应用，同时也有了大型设备维修的需求。由于设备过大，运输维修多有不便。传统的修复过程由于缺少必要的工具和设备，主要依赖工人进行手工修复，效率很低，表面粗糙度也往往达不到要求。因此修复周期很长，严重制约了企业的正常生产。本课题分析了加工现场的条件和可能状况，设计出一种能够加工大型环状类零部件的数控铣床机构。机床主运动和径向运动采用了步进电机驱动，绕圆运动采用异步电机驱动。并对三个方向上的运动结构进行了分析设计，对主要的运动部件进行了计算与分析。本课题研制出加工现场数控铣床用来解决大型设备的在线修复加工的难题，可以给大型设备的使用厂家带来最直接的经济效益，提高企业在市场上的竞争力。关键词 大型设备，环状零部件，加工现场，数控铣床目 录
1 引言 1
1.1 非标设备的概述 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题研究意义 3
1.4 研究方法及内容 3
2 结构设计方案 3
3 齿轮设计计算 4
3.1 选择齿轮材料 4
3.2 选择齿数、齿宽系数和压力角 4
3.3 确定轮齿的许用应力 5
3.4 按齿面接触强度设计 5
3.5 确定模数和齿宽 5
3.6 验算齿根的弯曲强度 5
3.7 齿轮齿条传动的几何尺寸 6
3.8 圆形机架计算 7
4 数控铣床主轴电机安装台（Z轴）设计 8
4.1 概述 8
4.2 设计计算 9
4.2.1 主切削力及其切削分力计算 9
4.2.2 坐标轴导轨上摩擦力的计算 10
4.2.3 滚珠丝杠螺母副上的轴向负载力计算 10
4.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算以及滚珠丝杠直径的估算 10
4.3 主轴部件的装配图设计 18
4.4 校验滚珠丝杠螺母副的承载性能 18
4.4.1 滚珠丝杠螺母副在临界压缩载荷作用力下的校验 18
4.4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速
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的计算 10
4.2.3 滚珠丝杠螺母副上的轴向负载力计算 10
4.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算以及滚珠丝杠直径的估算 10
4.3 主轴部件的装配图设计 18
4.4 校验滚珠丝杠螺母副的承载性能 18
4.4.1 滚珠丝杠螺母副在临界压缩载荷作用力下的校验 18
4.4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验。 18
4.4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 19
4.5 计算机床进给系统的刚度 19
4.5.1 机床进给系统的刚度计算 19
4.5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 21
4.6 驱动电动机的选型与计算 21
4.6.1 计算折算到丝杠电机轴上的负载惯量 21
4.6.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 22
4.6.3 计算折算到电动机轴上的各种力矩 22
4.6.4 选择驱动滚珠丝杠螺母副的电动机型号 23
4.7 机械传动系统的动态分析 23
4.7.1 计算丝杠—主轴安装台上安装的执行部件的系统的振动频率ωnc 23
4.7.2 计算丝杠扭转振动系统的频率ωnt 23
4.8 机械传动系统的误差计算与分析 24
4.8.1 计算机械传动系统的反向死区? 24
4.8.2 计算进给系统由综合拉伸刚度变化引起的误差δkmax 24
4.8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 24
4.9 确定滚珠丝杠螺母副参数 25
4.9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 25
4.9.2 选定滚珠丝杠螺母副 25
5 机床实体造型 25
5.1 机床主要结构的SOLIDWORKS三维建模 25
5.2 机床SOLIDWORKS装配模型 26
5.3 机床的组成及技术参数 27
5.3.1 机床的组成 27
5.3.2 机床技术参数 28
5.4 机床工作原理 28
5.5 拟定机床控制电路 29
6 机床主要结构的设计 30
6.1 主轴电机安装台 30
6.2 连接块 31
6.3 径向运动部件 32
6.4 机床旋转运动机构 33
6.5 机床整体结构及其安装 34
7 其他零部件选择标准 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
1 引言
1.1 非标设备的概述
非标设备，即非标准设备。它是指在设计制造过程中不按国家或者国际颁布的统一的行业标准和规格设计制造出来的，而是根据需要自行设计和研发，没有列入国家设备标准目录的非通用设备。在社会经济飞速发展的大环境下，企业要想继续生存和发展，就必须要有技术革新，用机械取代人工生产，这不仅提高了生产效率，而且提高了企业的经济效益。许多行业的生产过程都需要用到大型设备，因此也就对一些非标设备有了需求。非标设备因为加工对象的不同和没有标准遵循，因此形式多种多样。但非标设备一般都是单件少量生产。
非标设备与普通设备相比有下面几点特征：
第一，非标设备的毛坯精度低，提供的加工余量大；第二，加工制造非标设备时使用普通机床，效率低；第三，非标设备的工艺装备多数采用通用的，比如夹具，刀具和万能量具等，因此非标设备加工出的零件精度不高；第四，依赖工人技术。要求操作机床的工人有相关的技能和一定的水平；第五，由于是非标准制造，零件互换性差，维修时主要靠钳工，大多不能找到能够互换的零件；第六，非标设备制造成本比普通的通用机床高。
在设计非标设备时要有明确的思路和具有明确的目的性，由于设备需要人工维修和移动，还要考虑设备的结构设计是否满足生产需要和工艺要求，并且要求设计的设备结构简单，易于加工，维护方便。
1.2 国内外研究现状
随着工业的发展，大型设备被广泛的使用。大型设备的一些接头的密封性能要求很高，如果有泄漏则会对参与加工生产的人员产生危害，并且还会造成生产出的产品合格率很低，所以需要完好密封的大型设备对密封性要求很高。但是需要完好密封的设备生产产品时的环境很恶劣，致使接口密封性很容易损坏。为了保持设备的安全生产，必须定期对设备进行维护。由于大型设备占地面积大，质量大等特点，往往难以用普通机床维修。这将会对参与本设备生产的工作人员安全难以得到保障。数控现场铣床作为一种专用机床，主要用在一些的普通机床无法加工的特殊场合中，这种机床可以解决大型设备不能现场用机床加工的问题。<
1 引言 1
1.1 非标设备的概述 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本课题研究意义 3
1.4 研究方法及内容 3
2 结构设计方案 3
3 齿轮设计计算 4
3.1 选择齿轮材料 4
3.2 选择齿数、齿宽系数和压力角 4
3.3 确定轮齿的许用应力 5
3.4 按齿面接触强度设计 5
3.5 确定模数和齿宽 5
3.6 验算齿根的弯曲强度 5
3.7 齿轮齿条传动的几何尺寸 6
3.8 圆形机架计算 7
4 数控铣床主轴电机安装台（Z轴）设计 8
4.1 概述 8
4.2 设计计算 9
4.2.1 主切削力及其切削分力计算 9
4.2.2 坐标轴导轨上摩擦力的计算 10
4.2.3 滚珠丝杠螺母副上的轴向负载力计算 10
4.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算以及滚珠丝杠直径的估算 10
4.3 主轴部件的装配图设计 18
4.4 校验滚珠丝杠螺母副的承载性能 18
4.4.1 滚珠丝杠螺母副在临界压缩载荷作用力下的校验 18
4.4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速
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的计算 10
4.2.3 滚珠丝杠螺母副上的轴向负载力计算 10
4.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算以及滚珠丝杠直径的估算 10
4.3 主轴部件的装配图设计 18
4.4 校验滚珠丝杠螺母副的承载性能 18
4.4.1 滚珠丝杠螺母副在临界压缩载荷作用力下的校验 18
4.4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验。 18
4.4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 19
4.5 计算机床进给系统的刚度 19
4.5.1 机床进给系统的刚度计算 19
4.5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 21
4.6 驱动电动机的选型与计算 21
4.6.1 计算折算到丝杠电机轴上的负载惯量 21
4.6.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 22
4.6.3 计算折算到电动机轴上的各种力矩 22
4.6.4 选择驱动滚珠丝杠螺母副的电动机型号 23
4.7 机械传动系统的动态分析 23
4.7.1 计算丝杠—主轴安装台上安装的执行部件的系统的振动频率ωnc 23
4.7.2 计算丝杠扭转振动系统的频率ωnt 23
4.8 机械传动系统的误差计算与分析 24
4.8.1 计算机械传动系统的反向死区? 24
4.8.2 计算进给系统由综合拉伸刚度变化引起的误差δkmax 24
4.8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 24
4.9 确定滚珠丝杠螺母副参数 25
4.9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 25
4.9.2 选定滚珠丝杠螺母副 25
5 机床实体造型 25
5.1 机床主要结构的SOLIDWORKS三维建模 25
5.2 机床SOLIDWORKS装配模型 26
5.3 机床的组成及技术参数 27
5.3.1 机床的组成 27
5.3.2 机床技术参数 28
5.4 机床工作原理 28
5.5 拟定机床控制电路 29
6 机床主要结构的设计 30
6.1 主轴电机安装台 30
6.2 连接块 31
6.3 径向运动部件 32
6.4 机床旋转运动机构 33
6.5 机床整体结构及其安装 34
7 其他零部件选择标准 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
1 引言
1.1 非标设备的概述
非标设备，即非标准设备。它是指在设计制造过程中不按国家或者国际颁布的统一的行业标准和规格设计制造出来的，而是根据需要自行设计和研发，没有列入国家设备标准目录的非通用设备。在社会经济飞速发展的大环境下，企业要想继续生存和发展，就必须要有技术革新，用机械取代人工生产，这不仅提高了生产效率，而且提高了企业的经济效益。许多行业的生产过程都需要用到大型设备，因此也就对一些非标设备有了需求。非标设备因为加工对象的不同和没有标准遵循，因此形式多种多样。但非标设备一般都是单件少量生产。
非标设备与普通设备相比有下面几点特征：
第一，非标设备的毛坯精度低，提供的加工余量大；第二，加工制造非标设备时使用普通机床，效率低；第三，非标设备的工艺装备多数采用通用的，比如夹具，刀具和万能量具等，因此非标设备加工出的零件精度不高；第四，依赖工人技术。要求操作机床的工人有相关的技能和一定的水平；第五，由于是非标准制造，零件互换性差，维修时主要靠钳工，大多不能找到能够互换的零件；第六，非标设备制造成本比普通的通用机床高。
在设计非标设备时要有明确的思路和具有明确的目的性，由于设备需要人工维修和移动，还要考虑设备的结构设计是否满足生产需要和工艺要求，并且要求设计的设备结构简单，易于加工，维护方便。
1.2 国内外研究现状
随着工业的发展，大型设备被广泛的使用。大型设备的一些接头的密封性能要求很高，如果有泄漏则会对参与加工生产的人员产生危害，并且还会造成生产出的产品合格率很低，所以需要完好密封的大型设备对密封性要求很高。但是需要完好密封的设备生产产品时的环境很恶劣，致使接口密封性很容易损坏。为了保持设备的安全生产，必须定期对设备进行维护。由于大型设备占地面积大，质量大等特点，往往难以用普通机床维修。这将会对参与本设备生产的工作人员安全难以得到保障。数控现场铣床作为一种专用机床，主要用在一些的普通机床无法加工的特殊场合中，这种机床可以解决大型设备不能现场用机床加工的问题。<
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