石墨數控銑床設計目錄TOC\o"1-2"\h\u31241第一章緒論 164771.1課題研究背景與意義 183261.2國內外現狀 3142081.3課題研究主要內容 66544第二章總體方案設計 6142352.1數控機床結構組成 795302.2數控機床設計要求 919942.3教學型石墨數控機床的總體設計 95571第三章電主軸系統設計 11253593.1電主軸系統 1133163.2電主軸選型 1114553.3主軸支座的設計 1325749第四章進給運動系統設計 1548024.1機床進給系統原理設計分析 1521224.2電機選型 15177824.3絲桿選型 16371第五章教學型石墨數控銑床排屑系統 18125575.1排屑系統原理設計分析 18289145.2排屑系統主軸防塵 1867445.3排屑系統的粉塵收集 189046第六章總結 20305871、確定數控銑床的總體設計方案 20290842、各個結構的設計 205052參考文獻 21第一章緒論1.1課題研究背景與意義當智能制造的理念作為工業發展的目標時，智能工廠的發展方式被國內外廣泛應用[1]。所謂智能工廠就是以一個工廠作為整體布局，通過數控機床、智能傳送裝置和監控系統等相互關聯和反饋，共同組成和完成自動化生產。數控機床作為智能工廠中必不可少的一環，其地位極為重要[2]。與此同時，自動化技術普遍應用，對數控技術的標準也在不斷地提高，也要保證符合時代的需求。制造工業作為任何一個國家國力的代表，其中數控技術水平的高度，標志著其智能化和自動化的前沿程度，也體現著一個國家現代化水平和國防水平的高度[3]。作為市場經濟的今天，數控機床應以追求更高柔性的方向發展，不僅要滿足國家發展生產的需要，同時需要為各高校的研究提供加工基礎，因此，小型數控機床這個想法被提出[4]。在滿足精密的加工要求的情況下，可以解決傳統機床占地面積大，加工成本高以及結構無法達到最優的問題[5]。小型數控機床由于體積小，因此其運動慣量低，并且機床加工時產生的熱量和熱變形相對較少，可以盡可能地提供更高精度和穩定性的定位控制和減少加工時產生的誤差，因此小型數控機床對于機床、數控加工以及智能制造的發展提供了一種新的思路[6]。隨著CAD/CAE技術的提高，尤其是虛擬仿真軟件的大力發展，為小型機床的設計提供良好的開發環境。通過虛擬模型代替實際機床，在虛擬環境中進行工況實驗與模擬仿真，可以預測產品的各項整體性能，并且為結構優化提供最優的結構位置和結構尺寸，最終得到各項性能更加優良的產品[7]。為了滿足行業市場對小型零件的加工要求需求、機床可移動性和更優的機床性能的追求，對于小型精密機床的設計開發提出了新的要求，即需要對數控機床進行輕量化優化，進而優化機床的機械性能[8]。輕量化設計的方法一直在探索和改進，仍然需要有更多的研究和突破，因此研究和改進輕量化的設計方法，是目前數控機床被認為是最需要提高的部分，從而設計出輕量化程度更高、機床性能更好以及加工精度更高的數控設備[9]。本次課將要研究和設計一臺以輕量化為目標的三軸數控銑床，同時也滿足對精度、可靠性以及操控技術的要求。新的小型機床的開發通常以經驗法進行設計，往往存在著很多不夠合理的結構或仍有優化空間的結構，因此為了更加合理的、更加符合加工能力的機床設計，引入CAD/CAE的方法和軟件，同時，可借助靈敏度和響應譜相結合的多目標優化方法和有限元分析方式對選取尺寸進行輕量化優化，進一步地提高關鍵部件的結構性能，并完成研究方法的改進[10-12]。通過理論和分析實驗相結合的方法，解決了經驗設計法存在的問題和不足，并且避免了實際加工時無法達到設計要求造成的經濟損失，其對機床關鍵部件和整機的結構性能、設計優化和輕量化設計提供了具有典型意義的現實和理論基礎。小型數控機床為了滿足智能制造的理念，需要為其配備電氣伺服系統和數控操作系統，為其無論是單獨使用還是應用于智能流水線提供操作和控制功能。本文將采用開放式數控系統，可以解決傳統閉環系統無法開發、無法實時修改程序的問題以及開環系統加工精度低、加工時間長的問題，進而完成一臺完整的小型數控銑床的開發，為小型數控銑床的結構開發和系統開發都提供了理論依據和實驗實例，對我國制造業的發展和數控機床水平的提高具有重大的推動作用[13-16]。1.2國內外現狀1.2.1小型數控銑床國外現狀在20世紀40年代末，美國開始投入大量資金來研制數控機床，由于世界上第一臺電子計算機的誕生，數控機床研制成功才有了可能。1948年，為了滿足美國空軍對高科技機械產品的需求，PARSONS公司和麻省理工學院伺服系統研究所對數控機床進行了合作研究[17]。通過將精密加工、自動檢測和控制、新型機械結構設計、伺服驅動等最新技術結合在一起，于1952年成功研制出世界上第一臺通過計算機來實現直線插補運動控制功能的三軸聯動立式數控銑床，之后又對其進行了多次優化改進，在1955年實現了產業化生產并開始投入市場[18]。桌面NC銑床美國的沃特公司于1976年開發出轉速高達20000r/min的超高速銑床[19]。1978年德國對各類材料進行了高速切削試驗，并開始研究超高速切削理論，為支持高速切削的研究工作，動員了數十家公司投入了約2000萬馬克的資金[20]。20世紀80年代后，小型超高速機床迅速市場化，從傳統的超高速銑床發展成為超高速鉆銑機床、超高速車銑機床和各種加工中心等。同時，瑞士、英國、日本等國家也相繼推出他們自己的超高速機床[21]。其中，日本新瀉鐵工開發的UHS10系列數控銑床刀具轉速為100000r/min，進給速度為15m/min；Kitamura開發出了型號為SPARKCUT6000的加工中心，刀具轉速為150000r/min，進給速度可以達到60m/min[22]。美國辛辛那提公司開發的HyperMach超高速機床速度為60000r/min，進給速度達到了100m/min[23]。瑞士米克龍公司開發的HSM系列高速數控銑床最高轉速可達40000r/min，最高進給速度可達40m/min[24]。雖然這樣的高速數控機床的加工速度非常快，但規格會非常大，X、Y方向的行程均超過1000mm，Z方向要超過800mm，用于加工相對較大的零件[25]。Brother公司生產的數控雕銑機，一般情況下X、Y方向的行程都小于550mm，Z方向不超過420mm，主軸轉速可達16~16000r/min，進給速度為20m/min，機床整體尺寸相對較小，比較適用于中小型零配件的加工[26]。這類數控機床的動靜態性能很好，但價格昂貴難以買到，所以很難在國內市場中得到廣泛應用。1.2.2小型數控銑床國內現狀我國也很早就進入了微型機械領域的研究，自從1990年東南大學開展了微型馬達方面的研究之后，清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學等單位也相繼開展了微型機械的研究，都取得了豐碩的成果。但與國外相比，還是有一定的差距。2005年，哈爾濱工業大學孫雅洲教授成功研制國內首臺三軸微型數控銑床。該機床為臥式結構，尺寸為300mm×165mm×150mm。機床主軸采用了日本NSK公司的氣動式主軸，徑向跳動小于1μm，最高轉速可達140,000rpm。電機選用了以色列Nanomotion公司HR系列的壓電陶瓷直線電機，配以專用的AB1A驅動器直接驅動，最大推力大16N。工作臺采用了瑞士施耐博格的NK型無摩擦滑臺，配以雷尼紹公司生產的光柵，進行位置反饋。選用PMAC作為運動控制卡進行XYZ三軸的運動控制。該機床還安裝了瑞士Kistler測力儀和CCD攝像機，可進行切削力的測量和對加工過程的觀察。隨后，哈爾濱工業大學的趙巖等人研制了一臺微型精密三軸聯動立式銑床該銑床采用光柵系統實現閉環控制，滑臺進給速度為每秒1微米至250微米。選用日本NSK公司的氣動式主軸和英國雷尼紹公司的光柵。且安裝了工業顯微鏡頭進行加工過程監測。他們用這臺微型銑床進行了薄膜微槽加工實驗，被加工件具有良好的加工質量。他們還使用這臺機床研究了微細銑削加工過程中表面粗糙度和殘余應力之間的關系，也取得了顯著的實驗結果。北京航空航天大學邱時前等開發了一臺五坐標微銑削機床。采用PMA作為運動控制器，機床床身選用大理石作為材料，進給系統包括三個直線運動軸和兩個轉臺，XYZ三軸的行程都為102mm，光柵系統的分辨率為100nm，機床定位精度為±0.5μm。主軸采用了日本NSK公司氣動式主軸，最高轉速可達40,000rpm,徑向跳動小于0.1μm。他們還開發了一套專用的數控系統，并且對G代碼進行了譯碼轉換，可直接使用NC程序來控制機床的運動。之后他們使用這臺機床薄壁和直槽等的加工實驗，取得了顯著的實驗成果。2010年，哈爾濱工業大學的張鵬研制了一臺微小型超精密加工機床。機床的床身尺寸為700mm×600mm×500mm，X、Y、Z運動平臺的行程均為75mm。該機床的床身采用花崗巖作為材料，以保證足夠的剛性和穩定性。機床采用了直線電動機直接驅動氣體靜壓導軌，使機床具有足夠的靜動態剛度。使用PMAC作為運動控制器，并由超高分辨率的光柵系統作為位置反饋。經過誤差補償之后，通過使用激光干涉儀測量表明，該機床定位精度小于±0.25μm運動精度可以達到納米級。經過加工實驗表明，工件的表面粗糙度可達40nm。綜上可知，目前關于微小型機床國內外學者已經做了大量的研究。從微型機床出現初期，在探索階段研究者都傾向于縮小微型機床的尺寸，卻使得機床的精度、剛性及加工能力有所下降；再到近年來這項技術逐漸成熟，微小型機床的發展更加集中于中尺度機床的研究，通過適當增加機床的尺寸，來彌補機床性能的不足。盡管如此，微型機床的研究目前仍存在一些問題。微型機床屬于高速切削加工機床，主軸的高速切削加工容易引起振動，這對微型機床的結構設計和總體布局具有較高的要求。而之前所做的研究沒有重點關注機床的結構和布局設計。另外，大部分學者并沒有充分的考慮微型機床的動態特性，以致在加工過程中出現振動現象。所以，對微銑削機床進行研究仍然具有重要意義。1.3課題研究主要內容本課題在小型數控銑床研制方面進行了大量技術資料的搜集查閱以及國內外研究現狀的調研，將依據機床設計原則及要求對小型三軸數控銑床的結構和技術參數進行設計，并對該機床進行靜動態特性分析和結構優化設計，在保證機床結構物理性能、強度、剛度等良好的前提下，完成小型三軸數控銑床的研制。具體研究內容包括以下幾個方面：1、搜集關于小型數控機床的研究資料，了解國內外關于小型數控機床的研究現狀，明確本課題研究的現實意義。2、以機床結構設計的基本原則為基礎，結合小型三軸數控銑床實際加工需求，確定機床總體設計方案和技術參數，并對機床主軸系統、進給系統、支承系統進行設計和說明。3、根據機床技術要求對主軸系統、進給系統和數控系統的關鍵部件進行選型，通過對關鍵部件進行數學計算，確定關鍵部件的尺寸和性能參數并對其選型。在SolidWorks軟件上創建機床各零部件的三維模型，并完成機床整機的裝配。4、使用有限元分析軟件對機床主要結構及整機進行靜力學分析，觀察其靜態位移和應力分布情況，得到其靜剛度和強度值，分析機床部件能否滿足使用要求；對機床主要結構及整機進行模態分析，獲得其各階固有頻率和振型等動態性能參數，研究機床的振動特性，分析機床結構薄弱之處，為下一步結構優化做基礎；對機床部件進行諧響應分析，研究其共振頻率，為規避系統共振區域提供理論依據。5、根據機床的靜動態特性分析結果，對不滿足設計要求或存在缺陷的部件進行結構優化，尋找最優的結構布局方案。通過對比優化前后的分析結果，驗證優化后機床具有更優的動靜態特性。購買和加工機床零部件并完成樣機的搭建。第二章總體方案設計教學型石墨數控銑床在系統組成上與普通銑削加工機床的系統類似，主要由主軸系統、支承系統、進給系統和控制系統等組成，通過控制機床X、Y、Z三個軸的相對運動使主軸系統運動實現三維數控加工。由于小型數控銑床部件的尺寸相對較小，微細銑削加工的精度要求又比較高，這就要求組成機床的各個零部件都具有較高的精度以保證微細銑削加工的精度要求。同時，在機床設計過程中由尺度效應所帶來的結構優化問題是不能忽略的。2.1數控機床結構組成2.1.1機床總體布局機床總體布局設計主要是確定機床各主要部件之間的相互位置關系和相對運動，在機床設計中有著全局性的重要意義，對機床的制造和使用都有著深遠影響。三軸數控銑床的布局要點在于三個運動功能部件的布置，如何合理的布置結構以適用于加工對象的加工，并保證機床的加工精度及其整機特性是總體布局設計的重要內容。為了實現不同厚度小型零件的微銑削加工，需要小型銑床的主軸部件在Z方向上可以調整高度，Z方向上采用主軸的升降來實現[27]。為了實現零件的加工長度和寬度，X、Y方向要有相對運動，而對于X、Y方向相對于主軸的運動，可以用X、Y方向的進給系統驅動工作臺來實現。圖為小型銑床運動模型圖。本課題組在研究了當今小型機床發展現狀的基礎上，通過市場調査并結合自身的現實條件，決定研制一臺剛度良好、精度高、易于操縱、工作范圍大、結構簡單、能夠實現沿三個直線運動坐標移動的小型三軸聯動數控機床。根據設計要求，本課題組設計了完整的整體構型方案。2.1.2機床機械結構設計機床機械結構主要由三部分組成：主軸系統、進給系統、支承系統。主軸系統通常通過主軸電機和中間傳動裝置將動力傳遞給機床主軸，以完成刀具切削動力的輸出；進給系統分為提供動力的驅動部分、動力承載部分以及動力的輸出執行部件；支承系統一般起承載機床零部件的重力及將運動部件連接在一起的作用。主軸系統主軸系統一般由傳動機構、主軸電機、支承部件等組成，是數控機床的重要組成部分，主要負責為刀具的高速旋轉提供動力，是數控機床進行機械加工的主要動力輸出機構，對零件的加工精度影響較大。考慮到機床的技術要求以及安裝的方便性等因素，本文采用了主軸電機、傳動機構、和主軸輸出部分合為一體電主軸結構，轉速范圍為1000~24000r/min，電主軸通過電主軸支座與Z軸部件相連接。(2)進給系統進給系統是執行數控機床運動指令的機構，主要是通過X、Y、Z三個軸之間的相對運動將刀具和工件移動到相應位置以實現切削加工，是影響機床加工精度的重要部件。X、Y、Z三個軸運動的動力分別由各軸伺服電機提供，電機通過電機支座固定在各軸支承部件的一端，通過高精度聯軸器與滾珠絲杠連接，伺服電機輸出的旋轉動力傳遞給滾珠絲杠，再轉換為絲杠螺母座的直線運動，工作臺或其他部件通過與絲杠螺母座相連接實現直線運動，絲桿通過軸承和軸承座固定在各軸支承部件的相應位置上。(3)支承系統支撐系統是數控銑床各運動部件之間的連接機構，主要對機床的其它機構起支承作用。同時，合理的設計支承系統有利于提高數控銑床的剛度、抗震性及可靠性。支承部件采用精密鑄造成型，主要包括底板、各軸支承件、龍門架、十字滑座等組成。各軸部件由各軸電機、電機座、導軌、導軌滑塊、聯軸器、絲杠、絲杠螺母座、軸承座、支承板等部件組成，其中支承板和導軌等部件組成的支承對其他部件起支承和連接作用，Z軸部件安裝在龍門橫梁上，龍門架安裝在底板上，底板通過支撐板和直線導軌連接到十字滑塊，支撐滑臺和工作臺。機床支承部件材料選用HT250。該材料具有抗拉強度高、減振性好、耐磨性好、可鑄性好、內部結構穩定、不易變形等優點。2.2數控機床設計要求2.2.1研究內容為滿足社會對高校就機械制造專業實踐教學的要求，進行教學型石墨數控銑床的結構設計。分析石墨數控銑床的基本結構與參數，通過設計軟件對石墨數控銑床的各結構進行模塊分析和簡化、并進行縮小比例的石墨數控銑床設計。2.2.2技術要求（1）調查分析石墨數控銑床結構及的加工特點，確實主要技術參數；（2）完成石墨數控銑床的主運動和進給的機械結構設計；（3）完成該教學型石墨數控銑床制造過程工藝路線的設計；（4）進給系統采用步進電機開環控制，主要計算校核工作是：主運動和進給機構、電機的選型和校核。（5）圖紙要求：完成總裝配圖零號圖1張，主體框架部件圖一號圖紙1張及相關的零件圖若干，合計工作量為零號圖紙2張；（6）按學校規定完成設計說明書一份。2.3教學型石墨數控機床的總體設計如圖所示，整個系統分為四部分：主軸系統、進給系統、支承系統與排屑系統。主軸系統主軸箱就是主軸驅動系統，用來驅動和夾緊刀具的運動，機床最主要的影響是基礎主軸的輸出轉矩和轉速范圍。本文采用一體化電主軸來搭建主運動系統，既可以實現高精度、高轉速同時其優秀的封閉性也可以防止石墨加工過程中的粉塵進入電機影響加工精度。進給電機和進給執行器組成了進給伺服系統，根據控制系統設定的指令實現工件和刀具之間的進給運動和主軸的旋轉運動。本文采用伺服電機連接聯軸器并與滾珠絲桿相連接，通過伺服電機驅動高精度滾珠絲桿，從而實現機床的XYZ方向上運動。機床的基礎部分是機床的基礎和框架，通常指柱、底座、梁等。主要進給傳動系統，回轉工作臺，基礎部件，傳動系統等機械構件構成了數控銑床的基礎機械結構。本文采用30x30鋁合金型材搭建機床的基礎框架，具有成本低、安裝簡單等優點。石墨加工過程中會產生大量的粉末，所以需要考慮到粉塵的排屑，本文設計了一個密封外殼用來防止粉末外泄，同時采用了一個吸氣風扇用來將粉末吸出。

第三章電主軸系統設計3.1電主軸系統小型機床通常要求主軸具有較高的轉速和良好的穩定性。隨著當今科學技術的發展，特別是電氣傳動系統的快速發展，使得數控機床主傳動系統的機械結構已經大大簡化，在主軸轉速要求較高的機床上齒輪傳動和帶傳動已基本上取消。直驅式主軸采用電機內置的結構，電機可直接驅動主軸旋轉，這種結構布置方式可在減少主軸系統傳動鏈的同時增加主軸剛度[28]。這種結構的主軸被稱作電主軸，該類型的主軸將驅動電機和機床主軸合為一體，把主軸部件從機床的整體結構和傳動系統分離出來，對機床的模塊化設計起到很大作用。與一般齒輪傳動和帶傳動的主傳動系統相比，電主軸軸芯在高速旋轉時產生的振動很小，使加工工件具有更好的表面粗糙度和更高的精度；電動機內置的布局結構使電主軸具有更高的靜剛度，同時也增大了主軸系統的轉矩，使電主軸具有較高的回轉角加、減速度，中間傳動鏈的減少使主軸系統的剛度和固有頻率都得到了提高，確保了高速加工過程中電主軸的穩定性，主軸系統的尺寸也得到了有效縮減，對機床模塊化設計起到了積極作用。典型電主軸結構如圖所示3.2電主軸選型（1）切削力的計算在銑削過程中，銑刀上各個刀齒由切入到切出時都會受到摩擦力和變形阻力的作用，銑刀的切削厚度和切割位置也是隨時改變的，因此刀齒上銑削力的大小和方向也會隨之改變。銑刀在銑削過程中銑削力可分解為主銑削力Ft、徑向銑削力Fr和軸向銑削力Fn，其受力示意圖如圖3.2所示。其中，主銑削力Ft作用在銑刀周圍的切線方向上，主要消耗銑削功率。這里對銑削力進行計算的目的在于得到電主軸的功率以便對其選型，因此只需對主銑削力進行計算即可。銑刀受力示意圖簡明金屬切削計算手冊數控銑床加工時的銑削力的計算通過查閱《簡明金屬切削計算手冊》的表2-6銑削，得如下列公式：Fc——銑削時的主切削力（N）；CFfZaPB——銑削的寬度；Z——銑刀的齒數；D——銑刀的直徑mm此次設計所采用的直徑是D為25mm的立銑刀，其銑削寬B為20mm的45#，其中fz=0.05mm、ap=3mm、CF=6mm，計算得到Fc=8.34N。（2）切削功率的計算銑床切削功率的計算公式：pc——切削功率（kw）；Fc——切削力（N）；Vc——切削速度（m/min）；通過查閱《機械切削工藝參數速查手冊》，此次設計選切削速度Vc=160m/min，計算得到：PC=0.22kw（3）機床的主傳動功率P=PC/η數控銑床做回轉運動時η=0.8~0.9，數控銑床做直線運動時η=0.7~0.8，所以選取數控銑床主傳動的總效率η=0.8，計算得P=0.28kw。（4）主軸選型選型時遵循高回轉精度、高剛度、高轉速、尺寸小及成本低的原則，采用了JSZD60-24/030X型電主軸，其外形圖如圖所示，實體圖如圖所示。電主軸外形圖電主軸實體圖JSZD62-24/030X型電主軸最大轉速為24000r/min，主軸徑向跳動量小于2μm。圖中所標注的電主軸的尺寸參數及電主軸性能參數為：外形尺寸D*L=?60mm×182mm,額定功率0.3KW.3.3主軸支座的設計

主軸系統是微切削機床的關鍵部件之一，主軸回轉精度及其位置精度直接影響微切削機床的加工精度。因此，除了要求電主軸有微米級的回轉精度外，還必須保證主軸在機床上占有正確的位置[29]。設計主軸支座時首先要保證電主軸能夠順利安裝，其次能保證主軸具有較高的回轉精度和位置精度，最后能保證鎖緊螺釘不能與主軸直接接觸，以免引起主軸的變形及對內部零件的損壞。微切削機床的設計要求之一便是要盡量減小移動部件的重量，以減小運動沖擊慣量對加工精度的影響。因此主軸支座材料選用鋁合金，鋁合金密度相對較低且延展性、較好，可以減輕支座重量，便于電主軸的安裝。另外，在支座的右側設計有三個由上至下的沉頭孔，用于安裝螺釘鎖緊電主軸，底部的兩側均有兩個螺孔，用以與主軸支架相連接，本課題設計的主軸支座外形圖如圖所示。

第四章進給運動系統設計4.1機床進給系統原理設計分析 進給系統由驅動電機、執行機構和兩者之間的機械傳動部件組成[]30。它的作用是通過驅動電機接收數控系統的運動指令信號，將旋轉動力經機械傳動機構傳遞轉換為絲杠螺母座的直線運動，從而驅動數控機床的工作臺、十字滑臺及主軸支座等部件實現進給運動和快速移動。進給系統的定位精度要求為0.005mm，重復定位精度為0.002mm，最快進給速度為300mm/s，因此，理論上傳動系統的各個零部件都應具有很高的精度。但全部都使用精度等級非常高的零部件去組裝，高額成本會降低整機的經濟性，可以考慮在結構上應用配合好各零部件，使進給系統整體達到技術要求。4.2電機選型驅動電機作為進給系統動力傳輸裝置，在數控銑床中使用伺服電機可使控制速度和位置精度非常準確。本文選用了型號為JSMA-SC04ABK01的伺服電機，該系列伺服電機尾部的旋轉編碼器提供轉子運轉速度的反饋信號，保證了電機轉子定位的準確性，還具有動力強勁、轉動慣量低、動態性能和加減速性能良好的優點。所選伺服電機的外形圖如圖所示。該電機的額定功率為0.4KW,轉速3000r/min，額定轉矩1.27Nm。本課題選用了與JSMA-SC04ABK01型伺服電機相配套的JSDEP-15A型伺服驅動器，伺服驅動器將來自運動控制器發出的位置和速度控制指令轉換為電流與電壓信號，控制伺服電機的速度和轉矩等。4.3絲桿選型滾珠絲杠的含義：滾珠絲杠是教學型雙主軸數控銑床的傳動系統中最重要的組成部分，絲杠軸，滾珠和保持架是其基本組件。滾珠絲杠的功能是將銑刨機的旋轉運動和線性往復運動相互轉換。因為在銑床的工作過程中，螺桿和螺母之間沒有相對旋轉，所以螺桿和螺母之間將出現最大的軸向運動，即軸向間隙。為了達到提高傳動精度的目的，必須通過預緊措施消除滾珠絲杠的軸向間隙[29]，因此滾珠絲杠具有以下原理：1.選擇滾珠絲杠的精度必須按照滾珠絲杠的定位精度來選擇。2.滾珠絲杠的直徑要按照銑床載荷的大小來選定。3.必須按照滾珠絲杠的各項要求對滾珠絲杠進行計算機驗算。減小摩擦及動靜摩擦系數之差不僅可以防止進給系統發生爬行，還能有效提高數控機床進給系統的靈敏度和定位精度。滾珠絲杠副具有摩擦損失小、傳動效率高的優點，其傳動效率一般可達到85%~98%，是普通滑動絲杠副的2~4倍，其摩擦角通常小于1°，因此不會自鎖。滾珠絲杠副常運用于行程不太長的直線運動機構，所以本課題研究的傳動部件選用直線滾珠絲桿副。選定伺服電機的轉速最高為3000r/min，絲桿與電機之間通過聯軸器直接連接，所以二者之間傳動比為1，絲桿導程計算公式為：式中，進給系統最高進給速度Vmax=300mm/s，電機與絲桿之間的傳動比i=1，伺服電機最高轉速nmax本文所選絲杠的導程Ph=6mm，公稱直徑d=20mm，根據設計機床的整體尺寸及進給系統的行程可確定X軸絲杠總長為360mm，Y軸絲杠總長為360mm，Z軸絲杠總長為200mm。對所選絲杠的剛度進行校核，先計算絲杠在典型條件下的進給力，進給力的計算式中，Ff為進給力，CFrYFr和ZFr分別為切削速度Vc根據上述公式可求得典型條件下機床的進給力Ff式中：A為絲杠的橫截面積，Jc取驅動轉矩T=1.27Nm，將Ff=13.2N代入公式得：絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：?L=lJIS等級精度分為C0，C1，C3，C5，C7，C10等六個等級，各螺桿長度的導程誤差(單位為μm)如表3-4所示：各種螺桿長度的導程誤差由表3-4可知當絲杠長度為360mm時，螺桿最高精度等級的導程誤差為5μm，絲杠在典型條件下的導程誤差滿足最高等級導程誤差要求，因此所選絲杠滿足剛度要求。

第五章教學型石墨數控銑床排屑系統5.1排屑系統原理設計分析石墨電極材料具有質輕、導熱導電性好、耐高溫等優點,被廣泛應用于包括航天、航空、精密機械、生物工程等在內的許多工業領域。以模具行業為例,石墨因其具有電極消耗小、加工速度快、耐高溫、加工精度高等優點,逐漸代替銅電極成為電加工電極的主流。在加工方法上除了普通的機械加工外,高精度、高效率的高速加工技術也在石墨加工中廣泛應用。與此對應的,用于石墨加工的工具除了普通機床、加工中心外,針對石墨加工特點而設計的石墨高速加工中心也日益受到青睞。石墨加工中會產生大量的顆粒和粉塵,這些粉塵不但對人體有害,對機床和加工刀具的使用壽命也有影響,把石墨粉塵濃度控制在合理范圍內不僅能夠保護工人健康,也會延長機床和刀具的使用壽命、降低成本、提高生產效率,將石墨粉塵控制在合理范圍內,避免生產事故的發生也是安全生產的保證。如何將粉塵濃度降到最低,將粉塵的危害降到最小,是石墨加工過程需要解決的問題。本文將從機床的改造、石墨高速加工中心的推廣使用、車間防塵與除塵和工人的個體防護等方面具體闡述各種防除塵措施。5.2排屑系統主軸防塵主軸是機床的精密設備也是核心部件,主軸穩定性直接影響加工質量和加工效率。石墨加工中心采用空氣貫穿主軸設計,使用由空氣干燥除濕的潔凈空氣貫穿主軸,在換刀時主軸高壓吹氣清潔主軸內部表面和刀柄表面,避免石墨微粒粉塵進入主軸內部。部分加工中心還采用專門的防塵密封主軸如OKK的DGM400。本文采用一體化電主軸，防止主軸運動時粉塵進入電機影響加工精度。5.3排屑系統的粉塵收集石墨高速加工中心的粉塵收集,是通過集塵器強力抽真空來實現的。粉塵的收集可分為3部分:吸塵、(集塵管由機床預留管道口引出)全密封結構粉塵完全回收輸送、集塵。加工時,集塵器強力抽真空,在工作區形成負壓,捕集粉塵;捕集的粉塵隨氣流通過專用管輸送到集塵器;集塵器將粉塵過濾收集并排除潔凈空氣。集塵器一般為漏斗型設計便于石墨粉塵的收集。本文設計了銑床防塵外殼，X軸和Y軸電機安裝在電機外側，不受到粉塵的影響，背面設計了開口，開口連接一個吸塵風扇，對粉塵進行回收。

第六章總結文主要針對小型三軸數控銑床的特點對其結構和技術參數進行了設計，通過理論計算完成了對主軸系統、進給系統、和控制系統關鍵部件的選型，并用SolidWorks對機床進行了三維建模，并對所設計零件進行了強度校核，在保證機床結構物理性能、強度、剛度等良好的前提下，完成了小型三軸數控銑床樣機的搭建。1、確定數控銑床的總體設計方案根據教學型雙主軸數控銑床一些最基本的設計參數，和最基本的理論數據等。首先，確定了數控銑床主要部件的位置設計，通過整體結構分析，首先先來設計出教學型雙主軸數控銑床的床身，之后再根據實際設計情況再設計出其他主要的構件。2、各個結構的設計數控銑床其他的設計主要是銑床的主軸的設計，滾珠絲杠的設計和軸承的設計，這些設計包括計算和校驗，最后在進行工作臺的設計和確定數控銑床的裝配精度。根據設計進行二維零件圖，三維模型的繪制和仿真運動，最后完成教學型雙主軸數控銑床的結構設計。此次設計是教學型雙主軸數控銑床的結構設計，主要目的在于使全國各大學習都可以實訓教學，放棄以前的純理論上課教學的方式，同樣也可將數控銑床改為數控車床，數控鏜床等，真正把教學型機床運用到教學中。教學型機床對未來的院校教學以及數控銑床的創新發展都具有重要的意義，不僅如此還能夠促進未來人才的技術水平、科學技術的發展和生產力的提高。當然，此次設計也存在著不足，比如電機的計算和校驗等都是我還沒有完成的，還有主軸還未能實現兩個主軸自由加工。此次設計主要進行了機械部分的設計，后續其他有關教學型機床的設計可以參考此次設計。參考文獻[1]李磊.五軸聯動微小型機床控制加工方法研究[M].西安：西安理工大學碩士學位論文，2017(02).[2]鄧勇軍.高精度微小型車銑復合加工機床誤差建模與補償研究[D].北京：北京理工大學博士學位論文，2015(03).[3]孫雅洲，梁迎春，程凱，微米和中間尺度機械制造.機械工程學報，2004,40(5):1~6.[4]孫雅洲，梁迎春.微細切削與微小型化機床.設備設計與維修，2005，(2):112~114.[5]E.M.Kussul,D.A.Rachkovskij,T.N.Baidyk,etal.AbasisfortheLow-Costmanufacturingofmechanicalmicrodevicesusingmicroequipment.Journalofmicromechanicsandmicroengineering.Micromechanicalengineering.1996,(6):410~425.[6]Huo,D.,Micro-Cutting:FundamentalsandApplications[M].JohnWiley&Sons:2013.[7]黃凱.微型三軸切削機床的設計與微細切削工藝實驗研究[M].上海：上海交通大學碩士學位論文，2015(05).[8]孫雅洲，劉亞忠等.制造設備與系統微型化技術.江蘇機械制造與自動化.2001,(4):31~33.[9]周濟，周艷紅.控制加工技術.北京：國防工業出版社,2001.[10]K.Okano.MicromachiningofMicromachi