加工中心主轴传动系统设计说明书

摘 要加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。关键词 主轴组件；加工中心；数控机床 IAbstractMachining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.Key words spindle unit;machining center; NC machine tool-II-目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 加工中心的发展状况11.1.1 加工中心的国内外发展11.1.2 主轴部件的研究进展21.3 课题拟解决的关键问题31.4 解决上述问题的策略4第2章 方案拟定52.1 加工中心主轴组件的组成52.2 机械系统方案的确定52.2.1 主轴传动机构52.2.2 主轴进给机构62.2.3 主轴准停机构72.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定9第3章 主轴组件的主运动部件113.1 主轴电动机的选用113.1.1 主电机功率估算113.1.2 主电机选型123.2 主轴123.2.1 主轴的结构设计123.2.1.1 主轴轴径的确定133.2.2 主轴受力分析133.2.3 主轴的强度校核163.2.4 主轴的刚度校核173.2.5 轴承的配合183.2.6 主轴轴承设计计算183.2.6.1 轴承受力分析183.2.6.2 轴承7017AC寿命计算193.2.6.3 轴承7015AC寿命计算193.3同步带的设计计算20第4章 主轴组件的进给运动部件244.1 进给电动机的选用244.1.1 进给电动机功率的估算244.1.2 进给电动机的选用244.2 联轴器的设计计算254.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算254.3.1 切力削估算254.3.2 滚珠丝杠副的设计计算264.3.2.1 滚珠丝杠的导程的确定264.3.2.2 确定丝杠的等效转速264.3.2.3 确定丝杠的等效负载264.3.2.4 确定丝杠所受的最大动载荷27结 论28致 谢30参考文献31附录133附录237-IV-第1章 绪 论1.1 加工中心的发展状况1.1.1 加工中心的国内外发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上，最高已达到。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在左右，高的已达，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程以下，定位精度可控制在之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右，个别达到。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比13。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.1.2 主轴部件的研究进展典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成4。图1-1所示为立式加工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 图1-1 立式加工中心结构图1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全1.2课题的目的及内容加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。 本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有：(a)主轴孔锥度：；(b)主轴孔直径：；(c)主轴箱行程（Z轴）：；(d)主轴转速范围：；(e)快速移动速度（Z轴）：；(f)进给速度（Z轴）：。1.3 课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求6：旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。1.4 解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。第2章 方案拟定2.1 加工中心主轴组件的组成主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。2.2 机械系统方案的确定2.2.1 主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达（有时允许达），传动功率可达，传动比可达（有时允许达），传动效率可达。同步带传动的优点是9：无滑动，能保证固定的传动比；预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格。由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动。2.2.2 主轴进给机构表2-1 滑动螺旋、滚动螺旋的特点与应用场合滑动螺旋滚动螺旋结构示意图使用性能(1) 摩擦系数大，传动效率低，约；(1) 摩擦系数很低，传动效率高达；(2) 低速运行时有爬行或振动；(2) 低速运行时无爬行、振动；(3) 磨损大，使用寿命较短；(3) 耐磨性好，磨损极小；(4) 运转时无噪声。(4) 高速运行有噪声。结构工艺性结构简单，加工及安装精度要求较低。结构复杂，加工及安装精度要求较高。成 本较低。高，是滑动螺旋的倍。应用场合适用于中、高速的轻、中、重载荷，如一般机床的进给机构。适用于高、中、低速的轻、中、重载荷，如数控、精密机床的进给机构。对于主轴的进给机构，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所作的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比较，见表2-1由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时运行的稳定性要求较高。故对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。2.2.3 主轴准停机构主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置一个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在某一固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式两种。图2-1 机械式主轴准停装置 1 无触点开关；2 感应块； 3 V形槽轮定位盘4 定位液压缸；5 定向滚轮；6 定向活塞图2-1所示为V形槽轮定位盘准停装置，在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系，其工作原理为：准停前主轴必须是处于停止状态，当接受到主轴准停指令后，主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时46s，保证主轴转稳后接通无触电开关1的电源，当主轴转到图示位置即V形槽轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.20.4s后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮5顶入定位盘的V形槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1s后行程开关LS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。目前常采用的电气方式有两种，一种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号；另一种是用磁力传感器检测定向，其工作原理如图2-2。图2-2 电气式主轴准停在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到以上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达，能满足一般换刀要求。并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在一个圆盘的边缘，但这对较精密的、高转速加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另一种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上 采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择12。本课题采用电气式主轴准停装置，此方式避免了机械装置的复杂结构，只需要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定综合2-2节中的方案，本课题的总体设计方案现确定如下：由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保Z轴的进给精度。由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于主运动系统中。第3章 主轴组件的主运动部件3.1 主轴电动机的选用3.1.1 主电机功率估算(1) 计算主铣削力经验公式6： （3.1）式中： 铣削力，即主切削力（切向圆周分力）， 铣削深度， 每齿进给量， 铣削宽度， 铣刀直径， Z 铣刀齿数 铣削力修正系数， 工件材料抗拉强度，已知：高速钢刀具；刀具前角；主偏角；工件材料为碳钢；每齿进给量；刀具直径为，齿数；工件宽度，切削深度将上述各条件代入公式（3.1），则主切削力为切削速度6 (2) 主电机功率估算6铣削功率 主电机功率 式中：机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率0.996，同步带传动效率0.9863.1.2 主电机选型利用交流伺服系统可进行精密定位控制，可作为CNC机床、工业机器人等的执行元件。FANUC交流主轴电机S系列从0.65kW37kW共分13种。它的特点是转速高、输出功率大、性能可靠、精度好、振动小、噪音低，既适合于高速切削又适合于低速重切削。该系列可应用在各种类型的数控机床上。根据主电机功率PE=5.48kW6，故本课题选用FANUC交流主轴电机6S型号6。其主要技术参数如下：a) 额定输出功率：；b) 最高速度：；c) 额定输出转矩：；d) 转子惯量：。3.2 主轴3.2.1 主轴的结构设计主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径；主轴内孔径；主轴悬伸量和主轴支承跨距，见图3-1。图3-1 主轴主要参数示意图3.2.1.1 主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈直径按主电动机功率来确定，由表3.11-62查得。由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径后，由式3.11-12可知前轴颈直径和后轴颈直径有如下关系：3.2.2 主轴受力分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。 (a) (b) (c)图3-3 轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示3-3a为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图3-3b）和水平面（图3-3c）两个平面力系。由公式（3.1）得出切向铣削力径向负荷22 切向负荷22 轴向负荷22 图3-4 静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示3-4为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求。利用叠加法，得挠度为： （3.6）式中： 径向（切向）负荷分力，单位为； 径向（切向）负荷，单位为； 材料的弹性模量，； 轴惯性矩，。由公式（3.5）得。将，代入公式（3.6），则铅垂面的挠度为：得得得将，代入公式（3.6），则水平面的挠度为：得得得3.2.3 主轴的强度校核从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面C、D处承受了较大的弯矩，并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算。轴的弯扭合成强度条件为23 （3.7）式中： 轴的计算应力，； 轴的抗弯截面系数，； 折合系数； 轴的许用弯曲应力，； 轴所受的扭矩，单位为； 轴所受的弯矩，单位为。轴的抗弯截面系数为23式中： 轴颈处直径，单位为； ，此处，为轴孔直径。得根据主轴材料为，由表15-123查得许用弯曲应力。按扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数。将上述参数代入公式（3.7），则轴的计算应力为因为，所以主轴的强度符合要求。3.2.4 主轴的刚度校核轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 （3.8）式中： 轴的计算挠度，单位为； 轴惯性量，单位为； 轴所用材料的弹性模量，单位为； 支承跨度，单位为； 轴所受圆周力，单位为； 轴所受径向力，单位为。 轴的允许挠度，单位为已知：，。由表15-1-4224查得轴的允许挠度为将上述参数代入公式（3.8），则轴的计算刚度为由于，所以轴能够满足刚度要求。综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。3.2.5 轴承的配合由于主轴轴承在工作时基本上都是内圈旋转、外圈相对固定不动,且主轴承受载荷多为定向载荷。因此,为了提高轴承的刚性,防止轴承在工作期间因摩擦发热而引起内圈膨胀,导致内圈与主轴之间产生相对转动现象, 精密机床主轴轴承内圈与主轴之间一般选择过盈配合。另外,为了使轴承外圈沟道不只在某一局部受力,允许轴承外圈在轴承座内出现蠕动现象, 以尽可能地延长轴承的使用寿命。同时,为防止轴承外圈因热膨胀引起与轴承座之间的过紧现象, 引起轴承预紧增加,导致摩擦发热加剧,故轴承外圈与轴承座之间一般选择间隙配合。在本课题中，固定端前支承的7017C角接触球轴承与轴承座的配合采用间隙配合,配合目标间隙值取38m。为了提高机床的切削刚性，该轴承与主轴的配合采用过盈配合, 配合目标过盈量取04m。而后支承的7015C角接触球轴承与主轴选用过盈配合, 配合目标过盈量取03m。与轴承座之间为间隙配合,配合目标间隙值取915m21。3.2.6 主轴轴承设计计算3.2.6.1 轴承受力分析轴承的受力简图参见图3-3。从图上可知，在A、B两处所用的是同种型号的角接触球轴承，且D处的轴承是成对使用，共同承担支承作用。所以，校验C、D处7017AC轴承只需取受力最大处即可。已知： ， ，则轴承7017AC所受径向合力为轴承7015AC所受径向合力为3.2.6.2 轴承7017AC寿命计算轴承的工作年限为7年（一年按300天计算），每天两班工作制（按16h计算），则轴承预期计算寿命为已知轴承7017AC所受的轴向负荷，径向负荷。由表13-523查得分界判断系数。由表13-523查得径向动载荷系数X=1，轴向动载荷系数Y=0。根据载荷性质为中等冲击，由表13-623查得载荷系数一般为，取。则轴承的当量动载荷为23 以小时数表示的轴承寿命（单位为h）为 （3.9）式中： 失效率（可靠度）的基本额定寿命（） 轴承的转速，单位为； 基本额定动载荷，单位为； 当量动载荷，单位为； 寿命指数，对球轴承，滚子轴承。查表22-425得基本额定动载荷。将上述参数代入公式（3.9），则以小时数表示的轴承寿命为由于，所以能够满足要求。3.2.6.3 轴承7015AC寿命计算轴承的工作年限为7年（一年按300天计算），每天两班工作制（按16h计算），则轴承预期计算寿命为已知轴承7015AC所受的轴向负荷，径向负荷。由表13-523查得分界判断系数。由表13-523查得径向动载荷系数X=0.41，轴向动载荷系数Y=0.87。根据载荷性质为中等冲击，由表13-623查得载荷系数一般为，取。则轴承的当量动载荷为23 查表22-425得基本额定动载荷。将上述参数代入公式（3.9），则以小时数表示的轴承寿命为由于，所以能够满足要求。3.3同步带的设计计算 (1) 设计功率根据工作机为加工中心，原动机为交流电动机，每天两班制工作（按计），由表5查得。故设计功率为5：式中： 传递的功率， 载荷修正系数(2) 选定带型和节距根据设计功率，小带轮转速，由图5确定带轮的带型为H型。按照同步带的带型为H型，由表5查得节距(3) 小带轮齿数根据小带轮转速，同步带的带型为H型，由表5查得小带轮的最小齿数，故取(4) 小带轮节圆直径式中： 小带轮齿数； 节距。按照小带轮齿数，同步带的带型为H型，由表5查得其外径(5) 大带轮齿数式中： 小带轮转速； 大带轮转速。大带轮齿数 (6) 大带轮节圆直径式中： 节距。按大带轮齿数，同步带带型为H型，由表5查得其外径(7) 带速式中： 小带轮节圆直径； 小带轮转速。(8) 初定轴间距经验公式5： （3.10）式中： 小带轮节圆直径； 大带轮节圆直径。将，值代入公式（3.10），得。故取。(9) 带长及其齿数式中： 带长； 初定轴间距； 小带轮节圆直径； 大带轮节圆直径。按带长，同步带的带型为H型，由表5查得应选用带长代号为的H型同步带，节线长，节线长上的齿数。(10) 实际轴间距实际轴间距 式中： 初定轴间距； 节线长； 带长。(11) 小带轮啮合齿数式中： 小带轮啮合齿数； 节距。(12) 基本额定功率按照同步带的带型为H型，由表5查得带的许用工作拉力，带的单位长度的质量。基本额定功率为：式中： 宽度为的带的许用工作拉力 宽度为的带单位长度的质量(13) 带宽按同步带的带型为H型，由表5查得；按小带轮啮合齿数，由表5查得啮合齿数系数。带宽为：式中： 啮合齿数系数 同步带的基准宽度，按照带宽，同步带带型为H型，由表5确定选带宽代号为的H型带，其带宽第4章 主轴组件的进给运动部件4.1 进给电动机的选用4.1.1 进给电动机功率的估算1.传动效率根据本课题的结构设计，在进给部分中主要的机械传动效率由联轴器、滚珠轴承及滚动丝杠传动组成。其中，联轴器效率为0.996，滚珠轴承效率为0.996，滚动丝杠传动效率为0.956。总传动效率：2.电动机功率6式中： 进给传动电动机功率，； 进给牵引力，； 进给速度，； 进给传动链的总机械效率。4.1.2 进给电动机的选用宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。日本法纳克（FANUC）公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心（MC）的L系列适合于在频繁启动、制动场合应用。根据估算得出的电动机功率，选用FANUC的6L型电动机，其主要性能指标如下：a) 输出功率：；b) 额定转矩：；c) 最大转矩：；d) 最高转速：；e) 转子惯量：。4.2 联轴器的设计计算(1) 类型选择为了隔离振动与冲击，选用凸缘联轴器。(2) 载荷计算已知进给电动机的额定转矩为。根据工作机的转矩是变化的，且冲击载荷较大，原动机类型为电动机，由表14-123查得工作情况系数。则计算转矩为：(3) 型号选择选择联轴器时，联轴器的许用转矩要大于计算转矩，许用最大转速要大于电动机转速。由GB5843-86中查得YL5型凸缘联轴器的许用转矩为，许用最大转速为，适合于尺寸在之间的轴颈。故能够满足要求。4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算4.3.1 切力削估算由公式（3.1）得出切向铣削力纵向切削力22 横向切削力22 垂直切削力22 丝杠承重初估 4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算4.3.2.1 滚珠丝杠的导程的确定在本课题中，电机和丝杠直接相连，所以传动比，选择电机6L型的最高工作转速，最大转矩，则丝杠的导程为：4.3.2.2 确定丝杠的等效转速最大进给时，丝杠的转速为 最慢进给时，丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速（估算）为式中： 轴向载荷F1，F2作用下的转速，单位为； 轴向载荷F1，F2作用下的时间，单位为s。4.3.2.3 确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为，取摩擦系数为，则丝杠所受的最大工作负载为式中： 颠覆力矩影响系数，一般取为。而丝杠的最小工作负载为故其等效负载可按下式计算（估算；）：4.3.2.4 确定丝杠所受的最大动载荷取丝杠的工作寿命为，同时取精度系数，负荷性质系数，温度系数，硬度系数，可靠性系数7；平均转速为。则最大动载荷为根据动载荷要求，选用插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为5。丝杠公称直径为，基本导程，其额定动载荷（），额定静载荷，圈数列数=，丝杠螺母副的接触刚度为，螺母长度为，取丝杠的精度为级。在本课题中采用双螺母垫片式预紧。结 论本课题的指导思想是在满足立式加工中心主轴组件的工作要求的前提下，尽可能使其性能优越，传动平稳，并且使加工中心的整体机构的体积、质量尽可能减小，从而降低成本。 本课题确定了立式加工中心主轴组件的总体设计方案，对主轴组件的各组成机构进行了方案论证、设计计算以及选型。同时，通过对加工中心主轴组件的主要部件，如：主轴、轴承、丝杠、键等进行校核，较为理想地实现了任务书中对立式加工中心主轴组件的技术指标。加工中心主轴组件的运转过程比较平稳，且主轴组件的结构简单，拆装方便，维修容易，价格低廉。主轴组件的结构主要分为两个部分，即主运动机构和进给运动机构。而在主运动机构中，按照功能来分，可主要分为主轴传动机构、主轴准停机构、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。本课题采用了FANUC6S型交流主轴电动机作为主轴传动的原动力，通过同步带传动来实现主轴电机和主轴之间的减速传动。通过对同步带带型的选择，确定了同步带传动的线速度、带长、轴间距等参数，并对大小带轮进行了结构设计。为了防止同步带的掉落，在带轮的两侧按分别安装了带轮挡圈。在大带轮上还安装了动平衡较好的圆盘，主轴准停中的发磁体被设置在圆盘上，而磁传感器则安放于距离发磁体23mm处，实现了主轴准停功能。在刀具自动夹紧机构中，为了控制活塞的行程，采用了2个型号为LX19-111的行程开关，避免了刀具产生夹持过紧或过松的现象。为了提高主轴的刚度，主轴的支承采用了三支承形式，并在前后支承处让角接触轴承进行背对背安装，使主轴能够承受双向的轴向载荷。通过计算校核，主轴的刚度和强度满足设计的要求。同时，由于采用了混合陶瓷轴承，使轴承的运转速度提高、刚性增大、热稳定性更好，改善了全钢轴承所存在的一些不足之处。轴承的润滑方式采用脂润滑，其润滑油的类型为高级锂基油脂。在主轴组件的进给传动机构中，本课题采用了FANUC-6L型直流伺服电动机作为原动机。电动机的输出轴与丝杠通过凸缘联轴器直接相连。丝杠的前支承采用了深沟球轴承，而后支承则采用了型号为35TAC72A的角接触轴承。考虑到丝杠在工作时的热膨胀，所以，在丝杠的配置形式中，选用了固定简支形式，使丝杠在受热膨胀后不会产生挠度。为了限制进给机构的行程，在滚珠丝杠副处设置了两个撞块，并在机架上安装了2个型号为LX12-2的行程开关，使进给机构行程控制在470mm。致 谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和老师，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。参考文献1 廖勇，黄容申数控机床发展现状及趋势重庆石油高等专科学报J，2002， 4（2）：25262 陈循介从日本2001年机电一体化展看机床发展新动向精密制造与自动化J，2002（1）：453 张育生从第六届中国国际机床展览看机床发展趋势制造技术与机床J，2000（5）：9104 Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid PeterComputer numerical control simplifiedMNew York：Industrial Press，2001.5 吴宗泽.机械设计师手册（上、下册）M.北京：机械工业出版社，2002.6 李洪.实用机床设计手册M.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.7 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导M.上海：同济大学出版社，2004.8 王世能.卧式机床主轴组件设计J.机械工程师.2005，（4）：92939 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社.2001.10 林宋，田建君现代数控机床M北京：化学工业出版社，2003.11 陈蔚芳机床数控技术及应用M北京：科学出版社，2005.12 田坤数控机床与编程M武汉：华中科技大学出版社，2001.13 机床设计手册编写组.机床设计手册M.北京：机械工业出版社，1986.14 廉元国，张永洪加工中心设计与应用M北京：机械工业出版社，1995.15 李善术数控机床及应用M北京：机械工业出版社，2005.16 罗学科，谢富春数控原理与数控机床M北京：化学工业出版社，2003.17 韩鸿鸾数控机床的机械结构与维修M山东：山东科学技术出版社，2005.18 中国机械工业教育协会组数控机床及其使用维修M北京：机械工业出版社，2001.19 张建民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社.2001.20 郭大庆，吴玉厚，张珂，张勇.陶瓷轴承电主轴系统的特性与分析J.机械与电子.2005，（7）：777821 李楠，姜韶峰.精密机床主轴轴承的安装方法分析J.轴承.2005，（11）：2322 张章福.铣工工艺学M.北京：科学普及出版社，1984.23 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2001.24 成大先.机械设计手册（轴及其联接单行本）M.北京：化学工业出版社，2004.- 39 -附录1 中文名称：机械加工中心 英文名称：machining center 其他名称：自动换刀数控机床 定义：能自动更换工具，对一次装夹的工件进行多工序加工的数控机床。 机械加工中心,简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 按控制轴数可分为： （1）三轴加工中心 （2）四轴加工中心 （3）五轴加工中心。 项目二 机械加工中心设备技术分类 加工中心的品种、规格较多，这里仅从结构上对其作一分类。 一、立式加工中心 指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线零件。 立式加工中心装夹工件方便，便于操作，易于观察加工情况，但加工时切屑不易排除，且受立柱高度和换刀装置的限制，不能加工太高的零件。 立式加工中心的结构简单，占地面积小，价格相对较低，应用广泛。 二、卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。通常都带有可进行分度回转运动的工作台。卧式加工中心一般都具有三个至五个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类零件。 卧式加工中心调试程序及试切时不便观察，加工时不便监视，零件装夹和测量不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。与立式加工中心相比，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，价格也较高。 3、 龙门式加工中心 龙门式加工中心的形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置，除自动换刀装置外，还带有可更换的主轴附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型或形状复杂的零件，如飞机上的梁、框、壁板等。我国加工中心的未来发展趋势！ 未来发展的前景确实喜人，不过吴柏林也表示，由于我国工业基础相对薄弱、以企业为主体的创新体系尚未建立、数控车床产业化时间短等原因，技术上和产业上与西方发达国家相比还存在一定差距，当前的发展还需要注意四个方面的问题。 2008年12月，高档数控车床与基础制造装备科技重大专项得到国家批准。专项对高档数控车床等重大装备、数控系统、功能部件与关键部件、共性技术、创新平台建设及应用示范工程做出了部署。“今年专项将开始逐步启动实施，车床工具行业自主创新能力将进一步提高，将为国产高档数控车床持续发展奠定坚实的技术基础。”吴柏林说。 三年前接受中国工业报记者采访时，吴柏林提出需要重视功能部件的发展，此时又被他再一次重点提出。功能部件发展滞后的状况似乎并没有太多的改观。“数控车床的发展需要高水平、专业化、规模化生产的功能部件作基础，目前我国差距很大。”据了解，大多数中高档数控车床主要配套的还是发那科和西门子等国外数控系统，刀库机械手、数控刀架、滚珠丝杠和导轨、电主轴等主要还是日本、德国或中国台湾地区的产品，用户选购国产车床时普遍提出选用境外功能部件的要求。功能部件发展的滞后性，将制约国产中高档数控车床的发展。 吴柏林还认为，当前外商独资趋势应引起重视。近几年来，车床行业有些合资企业逐步扩资转为外商绝对控股或独资，同时又新成立一批外商独资企业，这些企业的产品以占领国内中高端市场为目标，其技术由国外母公司控制。“我们用市场换不到技术，又丧失市场，客观上压制了国内车床企业的产业升级。” 首先是新产品开发能力不足。从行业总体看，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究、基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求，全行业科技人才不足，缺乏高级技术人员，科技投入和科研设施尚不适应等。据了解，当前，国防军工生产科研和国家重大工程提出的一批高端数控车床，如超重型双龙门镗铣床等，由于车床企业开发能力不足或完成开发的周期太长而不能承接合同，一些数控专机也由于开发人员缺乏而拖延。 同时，扩大产能与未来实际需求错位也需引起重视。当前行业企业技术改造项目的产能目标过于庞大，技改项目产品的大型化、重型化趋势明显，高档数控车床制造能力和功能部件的投入显得不足。而且，车床企业自身装备的数控化率低，信息化管理水平不高，生产效率低，企业的竞争力没有得到足够的提高，“从行业整体看，是否与未来的市场需求相符，还需要研究。 数控机床是一种高技术设备,它可以通过改变数控程序,适应不同零件的自动加工,而且可以采用较大的切削用量,利用软件进行精度校正和补偿,从而提高生产效率、加工精度和加工质量,可以实现工序集中、一机多用,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。数控铣床是机械和电子技术相结合的产物，它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计通常，一个典型的数控机床进给系统，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几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保