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第二章 整体结构方案
方案一:采用数控龙门移动结构，龙门移动 ，工作台固定在龙门底座上，且配置为二轴联动的旋转工作台。X轴采用双丝杠驱动加线性滚珠导轨，Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态 ，Z轴采用大规格线性滚珠导轨。
方案二:与方案一1样，采用龙门移动结构，工作台与龙门底座采用一体结构，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案1一样。 方案三:机床采用定梁式龙门铣床结构。配置二轴联动的旋转工作台，且工作台，且工作台在线性滚珠导轨上作X向运动，滚珠丝杠螺母副与导轨配置方面，与方案1一样。
方案四:与方案3一样，采用定梁式龙门铣床结构，工作台在线性滚珠导轨上作X向运动，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案1一致。
对比分析以上4种方案设计，方案1与方案2都采用动梁式龙门结构。此结构的最大缺陷：①由于是靠滚珠丝杠与线性滚珠导轨驱动形式，则难以保证机床的刚性；② 采用双丝杠驱动技术，对机床控制部分要求提高了，同时提高了零件加工工艺难度。优点在于机加工效率较高。方案1采用了二轴联动的旋转工作台结构；方案2采用了五轴联动铣头结构。相比之下，二轴联动的旋转工作台因受结构及空间的约束。不宜加工大型工件；而五轴联动铣头相对结构紧凑，在空问上自由度较大。
方案3与方案4都采用定粱式龙门结构，此结构的最大优点：在结构上具有较高的刚度。且不用担心质量不当而影响机床的加速度方面的性能；结构的缺陷在于工作台移动，从而在x轴方向上占用的空间较大，也不利机床x轴向上的加速度性能。其旋转工作台结构与五轴联动铣头方面的特点前面已作说明，此处不再重述旧[5]。
综合上述资料，本课题采用方案4的总体结构设计。
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图2-1 五轴数控龙门铣床
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第三章 伺服进给系统机械传动机构的设计
§3.1伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求[4]
伺服进给系统机械传动机构是指将电动机的旋转运动，变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆副、齿轮或齿链副及其支撑部件等。
由于进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，在机械传动机构的设计中应满足下列要求： (1)提高传动部件的刚度
一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。 (2)高谐振
为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2～3倍。 (3)摩擦阻力小
为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨 。 (4)减小传动部件的惯量
传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高
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速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。 (5)无间隙
机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。
§3.2滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式
滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。 滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换[1]。 §3.2.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点
滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，基结构原理如图3.1所示。
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图3-1 滚珠丝杠螺母副
在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。当丝杠(或螺母)固定时，螺母(或丝杠)即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。
滚珠丝杠副具有如下特点： (1)传动效率高
滚动摩擦的摩擦损失小，传动效率n=0.92~0.94，是普通滑动丝杠的3~4倍。 (2)摩擦力小
因其动、静摩擦系数小，故传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行，随动精度和定位精度高。 (3)可预紧
滚珠丝杠副经预紧后可消除轴向间隙，有助于定位精度和刚度的提高，即使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。
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