加工中心及Z轴进给系统设计说明书

摘 要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。加工中心综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种更为适合。它也是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛用于机械制造中。加工中心及Z轴进给系统主要设计的是主传动系统、进给传动系统、支承系统；各个系统的原理和结构，以及几个部件之间的装配关系；每个零件的零件图。设计工作：1.设计准备工作，做好资料的收集和整理2.拟定总体设计方案，确定各个部件的装配关系和传动关系；3.机械结构设计，根据收集的资料，设计各个部件的结构；4零件设计，各个零件的结构和校核5.编写设计说明书关键字：加工中心，内容，方法第 45 页 共 45 页AbstractCNC machining center is typically mechanical processing equipments which gathered the high and new technique, its development represented a level of national design and manufacturing. The processing center has stronger comprehensive ability to process, it can complete to the more step of processing after setting up the work-pieces, and suited for singer or the medium lot work-piece which has complicated shape or high accuracy. It is an aspect to judge the technique ability of enterprise and the level of craft. Now, the processing center has become the direction of modern machines development, widely used for the machinery fabrication.Processing center and z axis feed motion system designed is motion system and feed motion system.The principle and structures of each system, and assembly relation between a few assembly unit; the part drawing of each parts.Work of design:A: The prepare job of design, completing to collection and tidy up the data.B: Draft the overall project of design, make the relation of assembly and transmissions of each assembly unit;C: The design of machine. according to the collected data, design the structure of assembly unit: D; design of parts, the structure and reference of each partsE: Write the manual of design.Key word: CNC machining center, contents, method目 录摘 要1Abstract2目 录3前 言4第一章加工中心概论51.1.加工中心的功能和特点51.2.加工中心的组成61.3.加工中心的分类71.4.加工中心结构特点8第二章总 体 设 计9第三章主传动系统设计113.1.加工中心主传动系统的要求113.2.主轴变速方式113.3.加工中心主轴组件123.4.主轴部件的设计及校核15第四章数控机床进给传动系统334.1.加工中心进给传动系统的要求334.2.滚珠丝杠副334.3.电机的选择36第五章支 承 件375.1.导轨375.2.立柱38第六章加工中心的设计结论40致 谢41参考文献42附 录43前 言加工中心及Z轴进给系统是我们学完技术基础课及有关专业课后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、液压与气动技术、测试技术、数控技术、材料力学、机械制造技术基础、机电一体化设计基础等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来。加工中心应用机械手换刀代替了人工换刀，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，对于中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍。加工中心的高质量、高效率适应社会的需要，在机床行业都能应用。加工中心提高了普通机床加工零件的精度和效率，降低了工人的劳动强度，解决了普通机床无法加工某些零件的问题。第一章 加工中心概论1.1. 加工中心的功能和特点一、加工中心的功能加工中心（Machining Center-MC）是一种功能较全的数控加工机床。他把铣、镗削、钻削和切削螺纹等功能集中在一台设配上，使其具有多种工艺功能。加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或量具，在加工过程中由程序自动选用和更换。加工中最少有三个运动坐标系，多的达十几个。其控制功能最少可实现两轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补。多的可实现五轴联动、六轴联动，从而保证刀具进行复杂加工。加工中心还具有不同的辅助功能；如:刀具半径自动补偿，刀具长度自动补偿，刀具破损报警，故障自动诊断，人机对话，离线编程等，这些功能提高了数控机床的加工效率，保证了产品的加工精度和质量，使普通加工设备无法相比的。二、加工中心的特点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。它也是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛用于机械制造中。与普通数控机床相比，它有以下几个突出特点。1 工序集中 加工中心备有刀库，能自动换刀，并能对工件进行多工序加工。现代加工中心可使工件在一次装夹后实现多表面、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。2 加工精度高 加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心可一次装夹工件，实现多工序集中加工，减少了多次装夹带来的误差。故加工精度更高，加工质量更加稳定。3 适应性强 加工中心对加工对象的适应性强。加工中心改变加工零件时，只需改变编制程序，输入新的程序就能实现对新的零件的加工，这对结构复杂零件的单件、小批量生产及新产品试制带来极大的方便。同时，它还能自动加工普通机床很难加工或无法加工的精密复杂零件。4 生产效率高 加工中心带有刀库，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，机床的切削利用率高。5 经济效益好 加工中心加工零件时，虽分摊在每个零件上的设备费用较昂贵，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用。由于是数控加工，加工中心不必准备专用钻模等工艺装备，加工之前节省了划线工时，零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间。6 自动化程度高，劳动强度低 加工中心的加工零件是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度可大为减轻。7 有利于生产的现代化管理 用加工中心加工零件，能够准确的计算零件的加工工时，并有效的简化检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。1.2. 加工中心的组成加工中心是计算机控制下的自动化机床，一般其控制方式大致如图1-1所示，总体结构主要由以下几部分组成。1、基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载。2、主轴部件由主轴伺服电源、主轴电机、主轴箱、主轴、主轴轴承和传动轴等零件组成。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。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。3、数控系统单台加工中心的数控部分由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。CNC装置根据它的包含功能、可控轴数、主运算器的性能等分成各种供配置加工中心用的系统，数控系统是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。4、自动换刀系统该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具自动存储、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手等部件组成。5、自动托盘交换系统一个工件安装在工作台上加工的同时，另外一个或几个可交换的工作台面上还可以装卸别的工件。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。6、辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率，加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。1.3. 加工中心的分类1、加工中心的型号目前我国机床型号的编制方法是按GB/T 15375-94金属切削机床 型号编制方法规定，加工中心的型号编制方法，根据通用或专用机床型号的编制方法套用。机床的类别用汉语拼音字母标示，“T”表示镗床类等；通用特性代号在类别代号之后也用汉语拼音字母予以表示，加工中心通用特性代号为H；组别、系别代号用阿拉伯数字组成，位于类别代号或通用特性代号之后，第一位数字表示组别，第二位数字表示类别；机床主参数用阿拉伯数字表示，阿拉伯数字表示的是机床主参数的折算值，上述加工中心用两位数字表示工作台宽度的1/10；机床重大改进顺序号，在原机床型号后用A、B、C、D等英文字母表示。2、加工中心的分类按工艺用途分镗铣加工中心 镗铣加工中心是机械加工应用最多的一类加工设备。其加工范围主要是铣削、钻削和镗削，适用于多品种小批量生产的箱体、壳体以及复杂零件特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工。钻削加工中心 钻削加工中心的加工以钻削为主，刀库形式多为转塔头。适用于中小零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等多工序加工。车削加工中心 车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，机床上配备有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的刀库。复合加工中心 在一台设备上可以完成车、铣、镗、钻等多工序加工的加工中心称之为复合加工中心，可代替多台机床实现多工序加工。工件一次装夹后，能完成多个面的加工。按机床形态分立式加工中心 主轴为垂直状态的加工中心，能完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹等多工序加工。立式加工中心适宜加工高度尺寸较小的零件。卧式加工中心 主轴水平状态的加工中心，卧式加工中心同长度带有自动分度的回转工作台，具有35个运动坐标。龙门式加工中心 形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置，除带有自动换刀装置外，还带有可更换主轴头附件，数控装置的功能较齐全，能一机多用，适合大型工件和形状复杂工件的加工。虚轴加工中心 改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现株洲多自由度运动，完成工件复杂曲面的加工。虚轴加工中心一般采用六根可以伸缩的伺服轴，支承并连接装有主轴头的上平台与装有工作台的下平台的构架结构形式，取代传统的床身、立柱等支承结构。按加工精度分普通加工中心 普通加工中心，分辨率为1m，最大进给速度1525m/min，定位精度10m左右。高精度加工中心 分辨率为0.1m，最大进给速度15100m/min，定位精度为2m左右。介于210m之间的，亦5m较多，称为精密级加工中心。1.4. 加工中心结构特点加工中心本身的结构同样分为两大部分；一是主机部分，二是控制部分。主机部分包括：床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、刀库、换刀机构、辅助系统（气液、润滑、冷却）等。控制部分包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括:计算机数字控制装置（CNC）、可编程序控制器（PLC）、输入输出设备、主轴驱动装置、显示装置。软件部分包括系统程序和控制程序。加工中心的结构特点如下：机床的刚度高、抗震性好。机床的传动系统结构简单，传递精度高、速度快。加工中心传动装置主要有：滚珠丝杠副，静压蜗杆-蜗姆条，预加载荷双齿轮-齿条。它们由伺服电动直接驱动，传递速度快。一般速度可达15m/min，最高可达100m/min。主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统。目前，加工中心基本都采用交流主轴伺服系统，速度可达10200000r/min。主轴功率大，调速范围宽，并可无极变速。加工中心的导轨都采用了耐磨材料和新结构，能长期保持导轨的精度，在高速重切削下，保证运动部件不振动，低速进给时不爬行及运动中的高灵敏度。控制系统功能较全，其智能化程度越来越高。如FANUC16系统可实现人机对话，在线自动编程，加工过程中可实现在线检测，检测出的偏差可自动修正，保证首件加工一次成功，从而可防止废品的产生。第二章 总 体 设 计2.1. 数控加工中心的基本理论数控机床不同于一般的机械，它是用来生产其他机械的工作母机，和其他机床一样在刚度、精度及运动特定方面有其特殊要求。下面简单介绍一下与上述特性相关的一些基础理论和概念。2.1.1 精度 机床精度是指机床主要部件的形状、相互位置及相对运动的精确程度，包括几何精度、传动精度、运动精度、定位精度及精度保持性等几个方面。一、几何精度几何精度是指机床空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动等情况下）或运动速度较低时个主要部件的形状、相互位置和相对运动的精确程度，如导轨的直线度、主轴径向跳动及轴向窜动等。几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。二、运动精度运动精度是指机床的主要零部件以工作状态的速度运动时的精度。如高速回转主轴的回转精度。运动精度和几何精度是不同的。它还受到运动速度（转速）、运动件的重力、传动力和摩擦力的影响。它与结构设计及制造等因素有关。三、传动精度传动精度是指机床运动系统各末端执行件之间相对运动的协调性和准确性。这方面的误差就成为该传动链的传动误差，传动精度由传动系统的设计、传动件的制造和装配精度等决定。四、定位精度定位精度是指机床的定位部件运动到达规定位置的精度。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和行位精度。机床构件和进给控制系统的精度、刚度及动态特性，机床测量系统的精度都将影响机床定位精度。五、工作精度机床加工规定的试件所能达到的加工精度，称为机床的工作精度，用试件的加工精度表示。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、工件的刚度及热变形等。六、精度保持性在规定的工作期间，保持机床所要求的精度，称为精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损。磨损的影响因素十分复杂，如结构设计、工艺、材料、热处理、润滑、防护及使用条件等。2.1.2 刚度一、定义机床刚度指机床系统抵抗变形的能力，通常用式（2-1）来表示，即 （2-1）式中 K机床刚度，N/m； F作用在机床上的载荷，N； Y在载荷作用下，机床或主要零部件的变形，m。 作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击力和振动干扰力等。按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷。不随时间变化或变化极为缓慢的力。凡随时间变化的力，称为动载荷。故机床刚度相应的分为静刚度激动刚度，后者是抗振性的一部分。通常所说刚度一般指静刚度。（2）整机刚度机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用下各构件及结合部都要产生变形，这些变形直接或间接引起到几何工件之间相对位移，这个位移的大小代表了机床的整机刚度。因此，机床整机刚度不能用某个零部件的刚度评价，而是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。2.2. 立式数控镗铣床的常用布局形式立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降机主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴眼垂直溜板上下运动；大型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿机床作纵向运动。第三章 主传动系统设计3.1. 加工中心主传动系统的要求加工中心主传动系统是加工中心成形运动的重要执行部件之一，它包括主轴电动机、传动系统和主轴组件。由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度，因此，其主传动系统须满足如下要求：一、大的调速范围 加工中心为了适应不同工件材料和刀具等切削工艺要求，为了获得最佳的切削效率、加工精度和表面质量，加工中心主传动系统必须具有一定的变速范围。加工中心的电机一般采用直流或交流电动机。电动机在额定转速时输出全部功率和转矩，随着转速的变化，功率和转矩也将发生变化，在调压范围内为恒转矩，功率随转速成正比例下降。在调速范围内为恒功率，转矩随转速成正比例减小。二、较高精度 加工中心加工精度与主轴系统精度密切相关。主轴精度包括旋转精度和运动精度。主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。三、较高的刚度和抗振性加工中心加工精度高，而主轴转速也很高，因此对主轴的刚度和抗振性要求也高。主轴的轴颈、轴承的类型和配合方式、轴承的预紧量、主轴跨距、前端的悬伸量和主轴组件对主轴部件的静刚度有影响。四、良好的耐磨性为了保持高的加工精度，主轴组件必须有足够的耐磨性。凡有机械摩擦的部位，都必须有足够的硬度。五、刀具自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证加工过程的连续性，加工中心必须有刀具自动夹紧功能。3.2. 主轴变速方式变速方式有无极变速和有极变速。由于无极变速简化了主轴箱的结构，也保证了加工时能选用合理的切削用量，获得好的加工质量，一般都采用无极变速，为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有极调速和电机无极调速相结合的调速方式。目前主传动系统的变速方式主要有三种，如图3-1：1、带有变速齿轮的主传动大中型数控机床常采用这种变速方式。如图3-1a所示，通过少数几对齿轮变速，扩大调速范围，扩大输出转矩，满足主轴低速是对主轴扭矩特性要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。2、通过带传动的主传动这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机床。如图3-1b。结构简单，安装调试方便，且在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。带传动可以避免齿轮传动的噪声与振动。常用的带有三角带和同步齿形带。3、调速电机直接驱动如图3-2c。电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高了主轴刚度。但主轴输出扭矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。近年来出现另外一种内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合二为一。其优点是主轴部件结构更紧凑，质量小，惯性小，可提高启动、停止的响应特性，缺点同样是热变性问题。由于我们使用的机床变速范围大，属于大中型机床，我们选择带有变速齿轮的无极变速方式。3.3. 加工中心主轴组件加工中心主轴组件是机床的一个重要组成部分，除了具有一般数控机床主轴组件所具有的主轴、主轴支承及装在主轴上的传动件和密封件外，还具有刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。3.3.1. 电机的选择由已知条件查新编工厂电气设备手册，选Z2-62直流电动机，P2-22额定功率13Kw，额定电压220V，额定转速1500r/min，最高转速2400r/min额定电流68.7A，最大励磁功率264w，重量196Kg。3.3.2. 主轴一、主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具，在设计要求上，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。主轴端部的结构形状都已标准化，如图3-2所示。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，而且由前端的端面建传递转矩。二、主轴主要结构参数1、主轴前轴颈的选取一般按机床类型、主轴传递的功率或最大加工直径（参考表3-1）选取。铣床后轴颈的直径 （3-1）取，。2、主轴内孔直径d的确定很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关。主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小，若超出此范围则能使主轴刚度急剧下降。有材料力学可知，刚度K正比于截面惯性I，它与直径之间有下列关系，即 （3-2）式中 ，空心主轴的刚度和截面惯性矩; K,I实心主轴的刚度和截面惯性矩。由上式可知，当时，空心主轴的刚度与实心主轴的刚度相差甚小，当时，刚度降低约25%。一般，取。 取d=60mm表3-1 主轴前轴颈直径功率P/kw1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.714.818.418.5222229.5车床608070907010595130110145140165150190220230升降台铣床5090609060957510090105100115 外圆磨床 50605570708075907510090100105105二、主轴材料和热处理主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远小于钢的强度极限。主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。精密主轴希望淬火变形和应力小些，选用40Cr渗碳淬硬至HRC60。三、主轴的支承目前数控机床主轴轴承配置的主要形式有三种，如图3-3：图3-3a所示为数控机床前支承采用双列短圆柱滚子轴承和角结触双列向心推力球轴承，后支承采用成对向心推力球轴承。此种配置形式能使主轴获得较大的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切削的要求，普遍应用于各类数控机床的主轴。图3-3b所示为前支承采用多个高精度向心推力球轴承，这种配置有良好的高速性能，但它的承载能力较小，适用于高速轻载和精密数控机床，为提高主轴刚度，前支承可以用四个或更多个轴承相组配，后支承用两个轴承相组配。图3-3c所示为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置形式能使主轴承受较重载荷，径向和轴向刚度高，安装和调整性好。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度，适用于中等精度、低速与重载的数控主轴。3.3.3. 刀具自动拉紧机构及切削清除装置主轴组件除具有较高的精度和刚度外，还带有刀具自动装卸装置和主轴孔内切削清除装置，如图3-4，主轴前端有7:24的锥孔，用于装夹锥柄刀具。端面键既作刀具定位用，又可通过它传递转矩。为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有自动夹紧装置。刀杆的自动夹紧机构由液压缸活塞10、拉杆6、碟形弹簧5和弹力卡爪2等组成（图3-4）。标准刀杆安装在主轴的锥孔中。图示为刀具夹紧状态。当需要松开刀杆时，液压缸上腔进油，活塞杆10向下移动，推动拉杆6向下移动，由于弹力卡爪2与拉杆6卡在一起，弹力卡爪2随拉杆6一起向下移动，卡爪2松开，刀具连同刀杆一起被机械手拔下。新刀装入后，液压缸上油腔接通回油，在碟形弹簧5的弹力作用下，圆螺母13向上移动，因为圆螺母13与拉杆6固定，拉杆6随圆螺母13一起向上移动，活塞10在拉杆6推动下也向上移动，弹力卡爪2上移，卡爪下端的外周是锥面，与拉套3的锥孔相配合，使爪收紧，从而卡紧刀杆。刀杆夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，可保证工作中突然停电时，刀杆不会自行松脱。行程开关11和12用于发出“刀杆已放松”和“刀杆已夹紧”信号。这种拉紧方法的优点是接触应力较小，不易压溃。还有用钢球拉紧机构，如图3-5。钢球随拉杆一起移动，移至主轴孔径较大处时，便松开刀杆。这种拉紧方法的缺点是接触应力太大，易将主轴孔和刀杆压出坑来。自动清除主轴孔中的切削和尘埃是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切削和其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破化刀具的正确定位，影响加工零件的精的，甚至使零件报废。机械手把刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆10和拉杆6吹出，将锥孔清理干净。3.3.4. 主轴准停装置在数控机床的加工中心上，由于需要进行自动换刀，要求主轴每次都停在一个固定的位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工得孔径的一致性。准停装置分为机械式和电气式。机械准停装置比较准确可靠，但结构复杂。一般都采用电气式主轴准停装置，利用磁力传感器检测定向。原理图如3-4，主轴上安装一个磁感应盘，数控系统发出主轴停转信号后，主轴减速，以很低的速度慢转，磁传感器发出准停信号，电动机制动。3.3.5. 主轴箱对于加工中心来说，由于采用了电动机无极变速，减少了机械减速机构，简化了主轴箱的结构，但对主轴箱材料要求高，选用HT250。加工中心的主轴箱如图3-6所示。主轴转速分为低速区域和高速区域。高速区域传动线路是：直流电动机经连轴器经齿轮、齿轮、齿轮到主轴。低速区域传动线路是：直流电动机经连轴器、齿轮、齿轮、齿轮到主轴。3.4. 主轴部件的设计及校核3.4.1 调速范围主轴计算转速：电机的额定功率KW T主轴受的最大转矩N/m主轴输出的恒功率调速范围：主轴的最高转速r/min主轴输出的恒转矩调速范围：主轴的最低转速r/min上式出于专用机床设备设计P53电机恒转矩调速的最低转速：（r/min）电机的额定转速r/min电机调磁调速范围： （恒功率）电机调速范围：电机的最低转速r/min主轴调速范围：因此，机械变速传动的调速范围：为了简化结构，一般取，取。变速级数： 取Z=2。主传动系统原理如图3-7a所示。根据机械变速传动的调速范围，取齿轮参数Z1=Z2=70、，Z3=96、，Z4=71、，Z5=73、，Z6=141、。齿宽都为40mm。因为公比=2，大于电机恒功率调速范围1.6，所以在功率特性图中将出现较大的缺口，如上图所示，在缺口处的功率为（KW）3.4.2 齿轮的校核一、齿轮Z6 圆周力：径向力：法向载荷：式中：T齿轮传递的转矩，单位为Nm;齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，单位为mm；啮合角。上式出于机械设计P195。1、变位系数查机械零件设计手册知啮合角总变位系数：查表15-16知： 查机械零件设计手册图15-2知齿轮Z6的变位系数X1=0.3，齿轮Z4变位系数为X2=0.077。2、齿根弯曲疲劳强度的校核、疲劳强度查机械零件设计手册P663知使用系数线速度：查机械零件设计手册图15-7知动载系数查机械零件设计手册表15-24知齿向载荷分配系数查机械零件设计手册图15-8知：查机械零件设计手册表15-25知齿间载荷分配系数：查机械设计表10-5知齿形系数：应力校正系数：由机械设计式10-4知齿根弯曲疲劳强度：式中b齿宽，单位为mm；m模数，单位为mm。、许用应力由机械零件设计手册式15-16知,齿轮使用期内的齿面应力循环数和齿根应力循环数:式中：n齿轮转速，r/min；t齿轮的设计寿命h；j齿轮每一转内，同一齿侧面啮合次数。从机械零件设计手册图15-36查知：齿根圆角参数从机械零件设计手册图15-12查得取1mm。由机械零件设计手册图15-30查得相对齿根圆角敏感系数：由机械零件设计手册图15-39查得尺寸系数：由机械零件设计手册图15-40查得相对齿根表面状况系数：由机械零件设计手册图15-28查得齿轮疲劳极限：由机械零件设计手册表15-31查得最小安全系数：由机械零件设计手册表15-20查得应力修正系数：由机械零件设计手册表15-19知：齿根弯曲许用应力因为，所以，齿轮Z6满足齿根弯曲疲劳强度。2、齿面接触疲劳强度疲劳强度由机械零件设计手册表15-25知：由图15-5查：齿轮Z6：齿轮Z4:端面重合度：纵向重合度：求单对齿轮啮合系数，先求参数M1和M2：上式出于机械零件设计手册式15-9，15-10因为，所以因为，所以单对齿啮合系数：节点区域系数，由机械零件设计手册式15-5得式中端面分度圆压力角；基圆螺旋角；节圆端面啮合角。由机械零件设计手册表15-26知材料弹性系数：由机械零件设计手册式15-7 知，接触强度计算的重合度系数：由机械零件设计手册式15-8，接触强度计算的螺旋角系数：疲劳强度：许用强度由机械零件设计手册表15-29查得，润滑油膜影响系数：由机械零件设计手册表15-37查得，齿面工作硬化系数：由机械零件设计手册图15-38查得，尺寸系数：由机械零件设计手册表15-31查得，强度计算最小安全系数：由机械零件设计手册图15-20查得，齿轮的疲劳极限：由机械零件设计手册图15-35查得，寿命系数：许用应力：因为，所以，齿轮Z6满足齿面接触强度。所以，齿轮Z6满足设计要求。二、齿轮Z4 圆周力：径向力：法向载荷：1、齿根弯曲疲劳强度的校核、疲劳强度查机械零件设计手册P663知使用系数线速度：查机械零件设计手册图15-7知动载系数查机械零件设计手册表15-24知齿向载荷分配系数查机械零件设计手册图15-8知：查机械零件设计手册表15-25知齿间载荷分配系数：查机械设计表10-5知齿形系数：应力校正系数：由机械设计式10-4知齿根弯曲疲劳强度：式中b齿宽，单位为mm；m模数，单位为mm。、许用应力由机械零件设计手册式15-16知,齿轮使用期内的齿面应力循环数和齿根应力循环数:式中：n齿轮转速，r/min；t齿轮的设计寿命h；j齿轮每一转内，同一齿侧面啮合次数。从机械零件设计手册图15-36查知：齿根圆角参数从机械零件设计手册图15-12查得取1mm。由机械零件设计手册表15-30查得相对齿根圆角敏感系数：由机械零件设计手册图15-39查得尺寸系数：由机械零件设计手册图15-40查得相对齿根表面状况系数：由机械零件设计手册图15-28查得齿轮疲劳极限：由机械零件设计手册表15-31查得最小安全系数：由机械零件设计手册表15-20查得应力修正系数：由机械零件设计手册表15-19知：齿根弯曲许用应力： 因为，所以，齿轮Z4满足齿根弯曲疲劳强度。2、齿面接触疲劳强度疲劳强度由机械零件设计手册表15-25知：求单对齿轮啮合系数，先求参数M1和M2： 因为，所以因为，所以单对齿啮合系数：节点区域系数，由机械零件设计手册式15-5得式中端面分度圆压力角；基圆螺旋角；节圆端面啮合角。由机械零件设计手册表15-26知材料弹性系数：由机械零件设计手册式15-7 知，接触强度计算的重合度系数：由机械零件设计手册式15-8，接触强度计算的螺旋角系数：疲劳强度：许用强度由机械零件设计手册表15-29查得，润滑油膜影响系数：由机械零件设计手册图15-37查得，齿面工作硬化系数：由机械零件设计手册图15-38查得，尺寸系数：由机械零件设计手册表15-31查得，强度计算最小安全系数：由机械零件设计手册图15-22查得，齿轮的疲劳极限：由机械零件设计手册图15-35查得，寿命系数：许用应力：因为，所以，齿轮Z4满足齿面接触强度。所以，齿轮Z4满足设计要求。三、齿轮Z5 圆周力：径向力：法向载荷：1、齿根弯曲疲劳强度的校核、疲劳强度查机械零件设计手册P663知使用系数线速度：查机械零件设计手册图15-7知动载系数查机械零件设计手册表15-24知齿向载荷分配系数查机械零件设计手册图15-8知：查机械零件设计手册表15-25知齿间载荷分配系数：查机械设计表10-5知，齿形系数：应力校正系数：由机械设计式10-4知齿根弯曲疲劳强度：、许用应力由机械零件设计手册式15-16知,齿轮使用期内的齿面应力循环数和齿根应力循环数:从机械零件设计手册图15-36查知：齿根圆角参数从机械零件设计手册图15-12查得取1mm。由机械零件设计手册表15-30查得相对齿根圆角敏感系数：由机械零件设计手册图15-39查得尺寸系数：由机械零件设计手册图15-40查得相对齿根表面状况系数：由机械零件设计手册图15-28查得齿轮疲劳极限：由机械零件设计手册表15-31查得最小安全系数：由机械零件设计手册表15-20查得应力修正系数：由机械零件设计手册表15-19知：齿根弯曲许用应力因为，所以，齿轮Z5满足齿根弯曲疲劳强度。2、齿面接触疲劳强度疲劳强度由机械零件设计手册表15-25知：由机械零件设计手册图15-4知,端面重合度：求单对齿轮啮合系数，先求参数M1和M2：因为，所以因为，所以单对齿啮合系数：节点区域系数，由机械零件设计手册式15-5得式中 端面分度圆压力角； 基圆螺旋角； 节圆端面啮合角。由机械零件设计手册表15-26知材料弹性系数：由机械零件设计手册式15-7 知，接触强度计算的重合度系数：由机械零件设计手册式15-8，接触强度计算的螺旋角系数：疲劳强度：许用强度由机械零件设计手册表15-29查得，润滑油膜影响系数：由机械零件设计手册图15-37查得，齿面工作硬化系数：由机械零件设计手册图15-38查得，尺寸系数：由机械零件设计手册表15-31查得，强度计算最小安全系数：由机械零件设计手册图15-20查得，齿轮的疲劳极限：由机械零件设计手册图15-35查得，寿命系数：许用应力：因为，所以，齿轮Z5满足齿面接触强度。所以，齿轮Z5满足设计要求。四、齿轮Z1和Z2 圆周力：径向力：法向载荷：1、齿根弯曲疲劳强度的校核、疲劳强度查机械零件设计手册P663知使用系数线速度：查机械零件设计手册图15-7知动载系数查机械零件设计手册表15-24知齿向载荷分配系数查机械零件设计手册图15-8知：查机械零件设计手册表15-25知齿间载荷分配系数：查机械设计表10-5知，齿形系数：应力校正系数：由机械设计式10-4知齿根弯曲疲劳强度：、许用应力由机械零件设计手册式15-16知,齿轮使用期内的齿面应力循环数和齿根应力循环数:从机械零件设计手册图15-36查知：齿根圆角参数从机械零件设计手册图15-12查得取1mm。由机械零件设计手册表15-30查得相对齿根圆角敏感系数：由机械零件设计手册图15-39查得尺寸系数：由机械零件设计手册图15-40查得相对齿根表面状况系数：由机械零件设计手册图15-28查得齿轮疲劳极限：由机械零件设计手册表15-31查得最小安全系数：由机械零件设计手册表15-20查得应力修正系数：由机械零件设计手册表15-19知：齿根弯曲许用应力因为，所以，齿轮Z1和Z2满足齿根弯曲疲劳强度。2、齿面接触疲劳强度疲劳强度由机械零件设计手册表15-25知：由机械零件设计手册图15-4知,端面重合度：求单对齿轮啮合系数，先求参数M1和M2： 因为，所以因为，所以单对齿啮合系数：节点区域系数，由机械零件设计手册式15-5得式中 端面分度圆压力角； 基圆螺旋角； 节圆端面啮合角。由机械零件设计手册表15-26知材料弹性系数：由机械零件设计手册式15-7 知，接触强度计算的重合度系数：由机械零件设计手册式15-8，接触强度计算的螺旋角系数：疲劳强度：许用强度由机械零件设计手册表15-29查得，润滑油膜影响系数：由机械零件设计手册图15-37查得，齿面工作硬化系数：由机械零件设计手册图15-38查得，尺寸系数：由机械零件设计手册表15-31查得，强度计算最小安全系数：由机械零件设计手册图15-20查得，齿轮的疲劳极限：由机械零件设计手册图15-35查得，寿命系数：许用应力：因为，所以，齿轮Z1和Z2满足齿面接触强度。所以，齿轮Z1和Z2满足设计要求。3.4.3 轴的设计和校核一、轴的强度校核1、做主轴的计算简图如图3-8a，根据简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，画出水平面的弯矩如图3-8b和垂直面的弯矩如图3-8c，然后按下式计算总弯矩并作出总弯矩图如图3-8d;。作出扭矩图如图3-8e。已知，L1=233mm，L2=67mm。计算其他的未知数： T=200NM2、校核轴的强度 已知轴的弯矩和扭矩，针对危险截面作弯扭合成强度校核计算。由图3-8知危险截面在截面A处按第三强度理论，计算应力：式中：轴的计算应力，单位为MPa； M轴所受的弯矩，单位为Nmm； T轴所受的扭矩，单位为Nmm； W轴的抗弯截面系数，单位为由机械设计表15-4得查机械设计表15-1知，弯曲疲劳极限：因为，所以主轴满足强度要求。二、轴的刚度校核1、轴的弯曲刚度校核当量直径：式中：阶梯轴第i段的长度，单位为mm； 阶梯轴第i段的直径，单位为mm； L阶梯轴的计算长度，单位为mm； Z阶梯轴计算长度内的轴段数。查材料力学知，材料弹性模量：惯性矩： 作主轴的受力图，简化主轴，如图3-9，水平面受力如图3-9a，垂直面受力如图3-9b。已知：，L1=85mm,L2=233mm，L3=67mm。由专用机床设备设计表3-11得，水平面的主轴偏转角： 垂直面的主轴偏转角：总偏转角：查机械设计表15-5知水平面的主轴挠度： 垂直面的主轴挠度：主轴的挠度：查机械设计表15-5知因为，所以主轴满足弯曲刚度要求。2、轴的扭转刚度由机械设计式15-16得，扭转角：对于精密传动取因为，所以主轴满足刚度要求。第四章 数控机床进给传动系统4.1. 加工中心进给传动系统的要求进给运动是机床成形运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工性能。加工中心的进给运动时数字控制的直接对象，被加工工件最终坐标位置精度和轮廓精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。加工中心对进给系统的要求集中在精度、稳定和快速响应等方面。为满足这种要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。因此加工中心的进给传动系统机械结构须满足如下要求。一、高的传动精度和刚度通常加工中心进给系统的直线位移精度达到微米级，角位移达到角秒级。进给传动的驱动力矩也很大，进给传动链的弹性会引起工作台运动的时间滞后，降低系统的快速响应特性，因此要求进给系统具有高的传动精度和刚度。丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副以及支撑结构等的刚度是决定传动精度和刚度的主要因素。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次才采用合理的预紧来消除轴向传动间隙。高质量的机械传动配合与高性能的伺服电机使数控加工中心的进给传动系统的性能有了很大的提高。二、小的摩擦阻力进给运动中的摩擦阻力，会降低传动效率，并产生摩擦热，特别是会影响系统的快速响应性。为了提高进给系统的快速响应特性，除了对伺服元件提出要求外，还必须减小运动间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控加工中心进给系统中，为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。在减小摩擦阻力的同时，还必须考虑传动部件有足够的阻尼，以保证它们的干扰能力。三、小的运动惯量传动元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响最大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的重量，减小旋转零件的直径和重量，以减少运动部件的惯量。4.2. 滚珠丝杠副在数控机床上，能实现直线进给运动主要有三种形式：1、滚珠丝杠螺母副；2、静压丝杠螺母副；3、静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副。静压丝杠螺母副摩擦系数小，比滚珠丝杠的摩擦损失更小，起动转矩很小，但避免了爬行，提高了运动的平稳性，提高了机床的加工精度和表面粗糙度。但静压丝杠螺母副应有一套共有系统，而且对有的清洁度要求高。齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床，进行高速运动，但其传动不够平稳，传动精度不高，而且不能自锁。滚珠丝杠副摩擦损失小，传动效率高，提高了传动刚度，摩擦阻力小，不易产生爬行现象，长期工作磨损小、使用寿命长、精度保持性好。比较以上方式的优缺点，选用滚珠丝杠副。4.2.1. 滚珠丝杠的设计与选择由机电一体化设计基础表2-6，2-7，2-8差得：载荷系数： 精度系数：硬度系数：由机电一体化设计基础式2-3计算载荷：已知：预先选滚珠丝杠副的导程：已知：最快线速度： 最快转速：最慢线速度：最慢转速: 由机电一体化设计基础式2-4，额定动载荷：根据以上值，选用FD型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于计算额定动载荷的原则，查机械零件设计手册光盘选一下型号：FD6308-44.2.2. 滚珠丝杠的校核查表得到丝杠副数据：公称直径: 滚珠直径 滚道半径 偏心距 丝杠内径 为丝杠工作长度(m)； 为长度系数，查表2-10得，为临界转速系数，查表2-10，临界转速：因为，所以丝杠工作时不会发生共振。滚珠丝杠副还受值得限制，通常要求所以该丝杠副工作稳定。4.2.3. 精度验算 拉压刚度 丝杠最大距离 查材料力学表2-2得钢的弹性模量 拉压刚度： 接触刚度 查表知，4.2.4. 滚珠丝杠螺母副的支承滚珠丝杠螺母副的支承方式与传动系统的结构、刚度密切相关。常用的支承形式有以下三种：、一端固定、一端自由的支承形式。这种安装方式仅在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推理角接触球轴承或滚针/推力圆柱滚子轴承，并进行轴向预紧；另一端完全自由，不做支撑。这种支承方式结构简单，但承载能力较小，总刚度较低，且随着螺母位置的变化刚度变化较大。通常是用于丝杠长度、行程不长的情况。一端固定、一端游动的支承方式。这种安装方式在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推理角接触球轴承或推理滚针/圆柱滚子轴承，另一端装深沟球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。适用于是丝杠长度、行程较长的情况。两端固定的支承方式，如图4-1所示。这种安装方式在两端度装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推理角接触球轴承或推理滚针/圆柱滚子轴承，那个两端采用双重支承，并进行预紧，提高了刚度。这种结构可使丝杠的热变形转化为轴承的预紧力。考虑各种情况，选择两端固定的支承方式。如图4-1所示。4.3. 电机的选择转矩： 根据转矩和最高转速，选择FANUC AC SERVO C8 SERIES第五章 支 承 件5.1. 导轨导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。一、对导轨的要求机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。1、导向精度导轨在空载和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。影响导向精度的主要因素有导轨的几