环形打孔铣平面机的结构设计说明

. . . 结构设计环形打孔铣平面机的结构设计环形打孔铣平面机的结构设计1 国外组合机床发展概况1.1组合机床的概念专用机床是为一定的加工对象设计和制造的，用来专门完成一种工件的一道或几道工序。这种机床通常是用很多刀具同时进行切削，且实现了辅助动作的自动化，故生产效率高，能稳定地保证加工质量，同时还可减轻劳动强度。但专用机床是针对某种特定零件的特定工序设计的，当产品更新或加工对象稍有改变时，它很难重新改装，往往需要另行设计制造。组合机床是专用机床的一种重要类型，是由通用部件与少量专用部件组合起来的高效率专用机床。组合机床是一种自动化或半自动化的机床。无论是机械电气或液压电气控制的都能实现自动循环。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。组合机床克服了一般专用机床的缺点。它概括分析了各种专用机床的构造，将其划为若干具有一定功能的独立部件。一些独立的部件在配置各种不同结构型式的专用机床时可以互相通用。1.2组合机床的特点专用机床区别于普通机床的最基本的特点是，专用机床是随着汽车工业的兴起而来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。组合机床与一般专用机床相比较，具有如下优点:(l)、设计与制造周期短。这是因为组合机床的通用化程度高，通用部件、通用零件和标准件约占70一90%，其中许多是预先制造好的，在制造新机床时可以根据需要选用。需要设计、制造的只是少量专用零部件。(2)、组合机床的通用零部件，是经过生产实践考验多次反复修改定型的，因而结构的可靠性和工艺性较好，使用性能较稳定，有利于稳定地保证加工质量。(3)、组合机床的通用零部件都已标准化、系列化，因而可以组织成批生产，这样不仅可提高制造精度，而且可以降低机床的成本，加快专用机床制造的速度。(4)、组合机床自动化程度高，便于维修，通用的易耗易损件可以提前准备，必要时甚至可以改换整个通用部件。(5)、便于产品更新。当改变加工对象时，通用部件可以重新利用，改装成新的专用机床。但由于组合机床的通用部件不是为某一种机床设计的，具有较广的适应性，而且规格也有限，这样就使组合机床的结构较一般专用机床稍为复杂。组合机床改装时，约有10一20%的零件不能利用，改装劳动量也较大。.1.3组合机床的应用围从生产规模方面考虑，由于组合机床是一种高效率自动化机床，并且能从多方面、多工位对一个或多个工件同时进行多刀加工，因而特别适用于成批、大量定型产品的加工。目前，我国组合机床己经越来越广泛地应用于汽车、拖拉机、燃机、电机、阀门、自行车、缝纫机、仪器仪表、机床制造与国防工业等部门。从工艺容考虑，组合机床的一个显著特点是加工时零件大都固定不动，由刀具旋转与进给来完成加工循环。因此目前主要用于孔加工和平面加工，如钻孔、扩孔、铰孔、沟槽与成型表面加工、铣端面、惚平面和螺纹加工。此外，还可进行短外圆车削、平面磨削、拉孔和刨小槽等加工，也可完成一些非切削加工，如简单的装配工序、检查等。组合机床最适于加工箱体类零件，如气缸体、气缸盖、变速箱体、电机座与仪器仪表壳体等。对于轮盘类、轴类、叉架类和盖板类零件也可以完成许多加工工序。1.4组合机床的发展概况组合机床与其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床与组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件(近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额)，完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、膛孔、车端面和凸台，在孔膛各种形状槽，以与铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等;随着技术的不断进步，一种新型的组合机床一一柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器(PLC)、数字控制(Nc)等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机(清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线)等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床与其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉与到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床与组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国所需的一些高水平组合机床与自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高，高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床与其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业，因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面，加强数控技术的应用，提高组合机床产品数控化率;另一方面，进一步发展新型部件，尤其是多坐标部件，使其模块化、柔性化，适应可调可变、多品种加工的市场需求。由于专用机床是一种“量体裁衣”产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普与，专用机床的数控化发展也很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本2001年专用机床产值占机床产值的比达到8.8%;我国省这一数字达到6.9%;而我国仅0.67%。所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题。专用机床与其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不一样，也与普通机床的制造性质不一样，它具有两个极其鲜明的特征:一是集成性。用户订购专用机床求交钥匙工程，它集加工工艺(含工艺方法与工艺参数)、机床、夹具、工具(包含辅助)的开发设计与选择，检验测量(包括进入机床前的毛坯检验、加工中与成品的检验测量)物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中的某一问题，而是要解决好涉与较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。二是单一性。专用机床几乎都是单台性生产，要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，而且还要保证一次性成功。2 环形打孔铣平面机的总体设计方案2.1机床的加工对象与工艺分析2.1.1机床的加工对象1、回转盘:(l)、平面针齿轮轨道加工，直径必5000一12o00mm，宽度100一200mm;(2)、针齿轮加工:直径必60一75mm，孔深150一300mm，孔距精度0.55mm;2、环梁:(1)、水平滚轮轨道加工，垂直面，直径价5000一9000mm;(2)、针齿轮加工:直径必60一75mm，孔深150一300 mm，孔距精度0.55mm;3、机台:平面轨道加工，直径沪2800一3000mm，工件高度600一2500mm;2.1.2机床的组成1、数控回转工作台数控回转工作台承载机床的大部分载荷，分度定位精度高，定位刚性好，分度所需时间短，精度保持时间长，工作安全可靠是对回转工作台的要求。工作台由伺服系统、减速器、齿轮回转支撑等几部分组成。2、钻铣回转臂钻铣回转臂是机床的重要组成部分，为铣削动力头与钻削动力头提供支撑，可以实现360“旋转，完成对工件各种工序的加工。3、动力头进给部分由伺服电机驱动，导轨与滚珠丝杠共同实现动力头的水平进给与垂直进给，同时由磁栅尺进行计数。4、滚动支撑与电磁锁紧装置电磁锁紧装置主要是保证加工过程中机床的平稳，提高加工精度，同时也对机床的伺服系统提供一定的保护。5、环形导轨支撑车在环形导轨上滚动，为回转臂提供支撑。6、通用部件通用部件主要包括铣削动力头、钻削动力头以与切削液系统。切削液系统主要包括切削液供给系统和切削液。切削液的主要作用是润滑、冷却、清洗、防锈等。2.1.3机床的加工工艺一、分度钻孔:(l)、数控回转工作台，由伺服电机、减速器、齿轮式回转支撑、回转工作台组成;由数控系统实现分度回转，保证孔距精度0.55Inln，实现环形针齿轮的分度加工。在回转工作台上安有环形磁栅尺，记录分度定位位置，形成闭环数控系统。(2)、回转臂上设置钻削动力头，由数控系统控制进行分度打孔，回转臂上设置移动滑台，钻削动力头可在半径2000一6000围移动，保证沪4000一12000mm围的打孔要求。(3)、锁紧机构:在支撑车与导轨面之间设置电磁锁紧装置，在分度打孔时进行定位锁紧。二、铣削环形平面和圆柱面:(l)、数控回转工作台上安装回转臂，回转臂上安装动力头垂直进给机构。由垂直进给机构实现动力头对不同加工工件高度的调整，调整行程可达1.2m。(2)、铣环形平面和圆柱平面:铣削动力头的铣刀可以90。回转，即可实现动力头的垂直位置和水平位置变换。当加工平面时动力头垂直，加工垂直面时动力水平。2.2机床的总体布局根据加工对象的特点，通过对机床加工工艺的分析，本机床采用环形布局，可以大大提高加工效率，降低劳动强度，总体布局简图见图2一1。机床由数控回转工作台、钻铣回转臂、垂直升降装置、环形导轨、铣削动力头、钻削动力头、支撑动力车等几部分组成。数控回转工作台通过伺服电机驱动，由磁栅尺保证精确分度，带动钻铣回转臂360“转动。铣削动力头与钻削动力头可以在导轨上水平移动，同时可以在垂直方向上移动，以确保零件加工要求。地基采用钢筋混凝土结构，环形导轨安装在地基外圆的凸台上，地基部呈放射状铺设工字钢垫铁，放置工件。鉴于本机床属于大型机床，为了保证加工过程中的安全稳定，在钻铣回转臂的外侧加装支撑滚动与电磁锁紧机构。2.3机床的主要技术参数回转台伺服电机:20.4kw铣削动力头电机:7.skw钻削动力头电机:7.skw水平进给电机:0.75kw垂直进给电机:3.skw磁力吸盘:72W总功率:43.9kw外形尺寸:13x13x3m2.4机床的电气控制设计方案机床的设计分为机械结构部分与电气控制部分，本文重点对机床的机械结构部分展开研究论述，本节只对电气控制系统做简要概述。2.4.1数控系统的选择鉴于本系统主要用于完成高精度分度的单轴数控系统，因此选用西门子sinumerik802CBL数控系统，其主要特点如下:(l)、结构紧凑，高度集成于一体的数控单元、操作面板和输入输出单元。(2)、机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。(3)、简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。(4)、可独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置。(5)、操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制按键以与8英寸LcD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。工作方式选择(6种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。( 6)、可以达到4层嵌套子程序功能，子程序运行可达9999次。(7)、256K超大容量掉电保护存储器，最大50个程序的容量，确保复杂程序装载。回转工作台采用西门子IFT6高性能交流伺服电机与SIMODRIVE611驱动，系统定位采用性能优越的高精度全闭环控制方式。2.4.2控制方式为便于远程调试和操作，该设备设置主辅两个操作站，主站和电气柜一起放置，辅站随回转臂一起移动。逻辑10采用 sinumerik802CBL数控系统置的PLC控制，为弥补PLC点数的不足，系统再配置一块32输入犯输出的PLC扩展模块。这样PLC的总点数可以达到80点输入和48点输出，可以充分满足设备需求。此外，采用PLC控制可以使接线大为简化，不但安装十分方便，而且工作可靠，降低了故障率，减小了维修量，提高了工效。2.43电气定位精度由于分度要求的精度高，而且钻铣回转臂较长，为保证系统的定位精度，考虑到机床的工作环境，数控回转工作台采用圆磁栅作为位置反馈元件，圆磁栅安装在回转臂回转支撑一端，随回转臂同步转动，与伺服电机形成闭环控制。动力头的进给采用长磁栅作为反馈元件，读数头安装在动力头的移动支座上，进行进给控制与反馈。2.5小结从机床的总体出发机床进行了总体布局设计，根据机床的加工对象，对机床进行了工艺分析，同时对确定了机床的相关配置，这为下面的进一步设计奠定了基础。3 环形打孔铣平面机的机械结构设计在总体方案设计的基础上，本章主要阐述环形打孔铣平面机机械结构部分的详细设计过程。环形打孔铣平面机由数控回转工作台、钻铣回转臂、滚动支撑与电磁锁紧、通用部件等几部分组成，如图3一1所示。1一底座2一推力轴承3一箱体4一大齿轮5一环形导轨6一主轴7一回转支撑8一圆磁栅9一回转臂10一长磁栅11一导轨12一滚珠丝杠13一滚珠丝杠14一铣削动力头 15一伺服电机16一滚珠丝杠17一导轨18一伺服电机19一滚珠丝杠20一导轨 21一钻削动力头22一伺服电机23一伺服电机24一电磁锁紧25一滚动支撑26一小齿轮 27一小轴28一行星减速器29一伺服电机3.1数控回转工作台的设计数控回转工作台承载机床的大部分载荷。分度定位精度高，定位刚性好，分度所需时间短，精度保持时间长，工作安全可靠是对回转工作台的要求。工作台由伺服系统、减速器、齿轮回转支撑等几部分组成。3.1.1伺服系统的组成转台伺服系统由以下几部分组成:(l)、上位机系统:提供用户一个人机界面，向下位机发送转台工作状态参数并显示转台的工作状况。(2)、运动控制系统:包括使转台按照一定的运动规律转动的伺服电机、伺服驱动单元、角度检测单元与实时控制计算机，它们组成一个位置闭环控制系统，可以精确地控制电机的转角，从而保证转台的运动规律与稳定在任意角度和连续跟踪。(3)、机械系统:传动机构(减速器)、执行机构(转台)。3.1.2伺服电机的选择伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。常用的伺服电机有三类:直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机。直流伺服电机具有体积小、转矩大、功率重量比大、功率体积比大、稳定性好等优点，缺点是维护性不好，散热不好。交流伺服电机特点是高可靠性、低维护保养要求，散热容易，转子转动惯量小，快速性好，功率体积比更大，同时克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。步进电机转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的频率，优点是误差不会长期积累，它的最大缺点在于容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。直流伺服电机的维护费用高，且无法保证长时间运转，故本系统不宜选用直流伺服电机;步进电机用于开环伺服系统，所研制的系统为闭环控制系统，也不适合选为该系统的执行电机;转台伺服系统对所用的伺服电机要求如下:灵活方便的位置控制，定位准确精度高;可靠性好，方便计算机控制;响应快，换向性能好;.能长时间连续工作不需要维护。交流伺服电机控制技术很成熟市面上有很好的产品，从性能上完全满足本伺服系统的要求，故本伺服选用了交流伺服电机。根据负载惯量来选择电机型号，由CATIA软件建立实体模型，计算出最大负载惯量约为，选取行星减速器传动比为100，圆柱齿轮减速比为7，负载的转动惯量转换到伺服电机惯量约为:为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.5倍的电机惯量之，故伺服电机的转动惯量应本设计选用西门子IFT6交流伺服电机。该型号电机特性如下:高功率、小体积;如图3一2所示，电机参数见表3一1:表3一1伺服电机参数3.1.3减速器的选择减速器采用行星减速器，行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。减速器减速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速器额定扭矩。减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。本设计中选用泰星减速机股份生产的NGW42A型行星减速器，传动比为100。3.1.4圆磁栅尺的选择为了记录分度位置，保证定位精度，回转臂安装圆磁栅尺，与伺服电机形成闭环控制。磁栅传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的磁信号而制成的。磁栅尺测量的工作原理:如图3一3所示，磁栅尺是在非导磁材料上涂一层10一2伽m的磁胶。这种磁胶多是镍合金高导磁性材料与树胶相混合制成的，其抗拉强度要高一些，不易变形。然后在这条磁性带上记录磁极，N极和S极相间变化，在磁带上录成N极和s极是用录磁磁头来制成的，将相等节距(常为20伽m或5伽m)周期变化的电信号以磁的方式记录到磁性尺上，用它作为测量位移的基准尺在检测位移时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号，通过检测电路将位移量用数字显示出来或送入位置环。测量用的磁栅与普通的磁带不同。测量用的磁栅磁性标尺的等距，录磁的精度需在高精度的专用录磁设备上对磁栅标尺进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处于静止状态时，也能进行位置测量，测量只与位置有关，与速度无关。1一磁性膜2一基体3一磁尺4一磁头5一铁芯6-励磁绕组7一拾磁绕组设计中选用德国ELGO公司的EMixZ磁栅尺，如图3一4所示其分辨率可达0.01mm。3.1.5主轴的设计轴是机床中的重要零件，它的功能是用来支撑机器中旋转零部件，如带轮、齿轮、蜗轮、链轮、联轴器、离合器、滚动轴承等，使其定位，并传递运动和转矩。轴的失效形式与轴的应力性质和大小、轴材料的力学性能、轴的结构形状、轴的加工方法与轴的工作环境等因素有关。轴常见的失效形式有:疲劳断裂、塑性变形或脆性断裂、过大的弯曲变形或扭转变形、高速工作振幅过大等。主轴的结构如图3一5所示:3.1.5.1主轴的强度校核轴的强度计算主要有三种方法:许用切应力计算，许用弯曲应力计算，安全系数校核计算。许用切应力计算只需知道转矩的大小，方法简便，但计算精度较低。它主要用于传递以转矩为主的传动轴;许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴颈等参数，主要用于弯扭复合的轴，计算精度中等;安全系数校核计算也要在结构设计后进行，计算精度较高，但计算复杂，且常需足够的资料才能进行。在机床运转过程中，由于回转臂有回转支撑，主轴主要传递转矩，故本设计采用许用切应力计算方法。将上述数据代入，可得由计算结果可知，主轴的强度符合要求。3.1.5.2主轴的刚度校核对于受扭转的圆轴来说，除了强度要求之外，还要求有足够的刚度，即要求轴在弹性围的扭转变形不能超过一定的限度。如果轴的刚度不足，则会影响机器的加工精度或引起扭转振动。故为保证受扭圆轴具有足够的刚度，通常规定，最大单位长度扭转角不超过规定的许用值，即将数据代入，可得。3.1.6齿轮传动设计回转工作台部分采用直齿圆柱齿轮传动。齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构，它可用来传递空间任意两轴间的运动和动力。齿轮传动的主要优点是:( 1)传动比准确，工作平稳，传动效率高，一般可以达到95%以上，精度较高的圆柱齿轮副可以达到99%;(2)传递功率围广，可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传动;(3)速度围大，齿轮的圆周速度可以从v7时，应采用二级或多级传动。(3)齿宽系数齿宽系数大，所需小齿轮分度直径d1和齿轮传动中心距a减小，圆周速度降低。但齿宽系数越小，齿越宽，轮齿接触线载荷越不均匀，所以应合理选择齿宽系数。本设计，采用闭式圆柱齿轮传动，传动比u=7，模数m=12，小齿轮齿数z1=21，大齿轮齿数z2=zlu=147，齿宽系数，故小齿轮几何尺寸如下，结构如图3一6所示:大齿轮几何尺寸如下，结构如图3一7所示:3.1.6.2齿轮传动的强度计算(1)齿面接触疲劳强度计算为了防止齿面出现疲劳点蚀，齿面接触疲劳强度条件为:式中: 为接触应力(MPa); 为许用接触应力。齿面最大接触应力由赫兹公式计算，可以得出齿面最大接触应力为计入载荷系数K后，得最大接触应力为其中: 计算结果表明，接触疲劳强度满足要求。(2)轮齿弯曲疲劳强度计算轮齿弯曲强度以齿根最低，齿根弯曲应力计算公式为式中:M为齿根最大弯矩，W为抗弯截面系数，将M、W代入式(3.21)，得到其中，为失效概率为1%时，试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，为弯曲疲劳强度的最小安全系数，;将上述数据代入可得计算结果表明，弯曲疲劳强度满足要求。3.1.7箱体的设计箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。由于箱体的结构形状比较复杂，对箱体的强度和刚度进行计算极为困难，故箱体的结构与各部分尺寸多采用经验值。与标准件有关的尺寸(如螺栓、螺钉、销的直径)应取相应的标准值。3.2钻铣回转臂的设计钻铣回转臂在本系统中是个关键部件，其强度直接关系到整个机床的稳定性与加工精度。第四章利用ANSYS软件对钻铣回转臂进行了有限元分析，在此仅就钻铣回转臂的结构作简要论述，回转臂结构如图3一8所示。导轨是用来实现给定运动轨迹的导向机构或导向装置，它支承并引导机械中的运动部件，使其完成规定的直线运动或曲线运动。导轨采用矩形和燕尾形组合导轨，如图3一9所示，该导轨具有调整方便、承受力巨大的特点，多用于横梁、立柱和摇臂导轨，以与多车床刀架导轨等。3.3动力头进给的设计铣削动力头与钻削动力头在回转臂上的水平进给与垂直进给均采用导轨与滚珠丝杠组合，由磁栅尺进行计数。伺服电机依然选用西门子IFT6型，用于垂直进给的伺服电机采用带制动的伺服电机，防止断电情况下由于动力头重力导致自动下滑现象。由于铣削动力头与钻削动力头的进给均采用同一型号的滚珠丝杠，故本节以铣削动力头的水平进给丝杠为例进行论述。3.3.1滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠是数控机床进给伺服系统中重要的机械传动部件，滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成。在具有螺旋槽的丝杠和螺母中间装有传动元件，即滚珠，滚珠组成循环的滚珠链。当丝杠旋转时，滚珠沿螺纹滚道滚动，在此过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚珠不但与丝杠、螺母产生摩擦，而且相互间也产生摩擦。为了防止滚珠从滚道滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺旋滚道形成循环回路，使滚珠在滚道既自转又沿螺旋滚道循环转动。滚珠丝杠副的特点是:摩擦损失小、传动效率高滚珠丝杠副的摩擦损失小，传动效率可达92%一98%，是普通丝杠的2一4倍。磨损小、寿命长通常，滚珠丝杠副的丝杠、螺母以与滚珠都是经过淬硬的，表面粗糙度低，滚动的磨损小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。轴向刚度高由于滚珠丝杠副可以完全消除传动间隙，而不至于影响丝杠运动的灵活性，因而可以获得较高的轴向刚度，而且通过预紧可再次提高轴向刚度。摩擦阻力小、运动平稳由于滚珠丝杠是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象。不能自锁、具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动系统时，必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。滚珠丝杠的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度，因此在数控机床维修和机床的数控改造过程中，滚珠丝杠的选用显得尤为重要。3.3.2滚珠丝杠副的选取本系统中滚珠丝杠副对运转灵敏度、平稳性和精度保持性要求很高。丝杠工作行程较长，如果刚度不足，则丝杠副本身自重与丝杠副与导轨连接处对丝杠造成的挠度将影响到滚珠丝杠副的运行精度。因此，设计中选用了亚瑞传动机械贸易的SFU4005一4型、精度等级为P5级精密滚珠丝杠。SFU型螺母的特点是:部循环方式、精密研磨法兰型。其结构尺寸如图3一10所示:3.3.3滚珠丝杠的安装与支承滚珠丝杠的安装主要有三种方式，详见表3一2:显然，在这里要求该丝杠中等速度、高精度运行，故采用一端固定、一端游动的安装方式。滚珠丝杠副对滚动轴承的要求，与主轴和传动轴对滚动轴承的要求有一样点，即应保证足够的精度和疲劳寿命。但滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠自重外，一般无径向载荷。因此，滚珠丝杠轴承的轴向精度和刚度要求高。进给系统要求运转灵活，对微小位移响应要灵敏，因此轴承的摩擦力矩应尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高速运转时间很短，因而发热不是主要问题。滚珠丝杠支承中用得最多的滚动轴承是60“接触角推力角接触球轴承，其次是滚针和推力滚子轴承的组合轴承，后者多用于牵引力大、要求刚度高的大型与重型机床。由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，当滚珠丝杠反向转动时，就会产生空程误差，从而影响丝杠的传动精度。于是，通常采用施加预紧力的方法来减小丝杠、螺母间的间隙和丝杠的弹性变形，提高滚珠丝杠副的刚度与传动精度。施加了预紧力的滚珠丝杠与没有施加预紧力的滚珠丝杠的弹性变形曲线如图3一11所示:根据这个曲线图可知，当施加的负荷恰好为预紧力的3倍时，预紧的滚珠丝杠的刚度是没有预紧的滚珠丝杠的2倍，而弹性变形量是没有预紧的滚珠丝杠的1/20。对于不同的螺母结构，采用的预紧方式也不同。双螺母常采用垫片调隙式、螺纹调隙式和齿差调隙式三种预紧方式，其中垫片调隙式应用更为普遍。单螺母滚珠丝杠的预紧多采用变位导程的结构形式。此外，还有采用压电瓷进行实时调整预紧力的预紧方法。3.3.5滚珠丝杠的校核滚珠丝杠选用之后，不能盲目进行安装使用，否则会出现一些意想不到的事故和现象。因此，为保证机床安装调试后能正常运转和工作，必须对滚珠丝杠进行一系列的校核和验算。3.3.5.1滚珠丝杠的刚度滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大，刚度好，但直径大，转动惯量也大大增加。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。;将上述数据带入公式，则得将上述数据带入公式，则得3.3.5.2滚珠丝杠副临界转速滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速。因此，只要此时的转速不转速就可以了。丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近。如果接近，迫共振，影响机床正常工作。从自振频率角度校核的临界转速nc一端固定、一端自由适用于短丝杠和垂直安装丝杠，几=l.875;两端固于长丝杠和对刚度与位移精度要求较高的场合，几=4.370;一端固定，一端用于长丝杠或卧式安装丝杠，=3.927。将上述数据带入公式，则得由计算结果可知，所选滚珠丝杠可以满足设计要求。3.3.6长磁栅尺的选择磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁用于角位移测量。磁栅尺的工作原理见3.1.4小节。磁栅尺以耐水、耐油污、耐粉尘、耐震动性见长，长度在2米以上性价比加明显，并且长度越长优势越明显。磁栅尺的量程可达30米。在大型金属切削大的铿床、铣床，水下测量，木材石材加工机床(工作环境粉尘很重)，金属板设备(大型成套设备)等应用方面有明显优势。此处选用瑞普科技生产的CT一05一A型磁栅尺，如图3一12所示栅尺的特点如下:电磁读数头与磁栅尺非接触位移，无磨损;快速测量、响应反映灵敏;极强的耐水、耐油、耐粉尘、耐震动型;安装容易，电磁头与磁栅允差较大;磁栅尺的测量长度可达30m。3.4滚动支撑与电磁锁紧的设计鉴于本机床的回转臂较长，动力头横向移动围较大，为了保证机床加工与运转的稳定性，同时为了保护回转工作台的伺服系统，在回转臂外侧加装滚轮，并设置电磁锁紧装置。如图3一13所示，滚动轮在环形导轨上滚动，支撑电磁锁紧通过电磁吸盘产生的吸力来完成。工作时，回转臂通过回转工作台驱到一定角度，电磁吸盘通电吸附在环形导轨上，对回转臂进行锁紧固定，待钻后，电磁吸盘断电，通过回位簧复位。l一支撑架2一导向杆3一复位弹簧4一电磁吸盘5一滚轮电磁吸盘由铁芯、线圈、面板和支架等几部分构成。其中由线圈与铁芯共的电磁铁是电磁吸盘的主要部分。如图3一14所示，它的外壳由钢制箱体和盖在它的中部凸起的芯体4上绕有线圈5，盖板2则用非磁性材料隔离成若干钢圈5入直流电流，芯体4和隔离的钢条将被磁化，当被吸附体3被放在电上时，也将被磁化而产生与磁盘相异的磁极而被牢牢吸住。电磁吸盘因设计方法或使用材料的差别而不同，也在不断的发展和改进。业的发展，企业对电磁工具的需求越来越大，提出的要求也越来越高，促使人电磁吸盘作一系列的改进，使之能够满足生产的需要。本设计采用临清市艾特限公司生产的XZI圆形电磁吸盘。1一吸盘体2一盖板3一被吸附体4一芯体5一线圈3.5通用部件的选择通用部件是具有特定功能，按标准化、系列化、通用化原则设计制造的组基础部件。它有统一的连接尺寸，结构合理，性能稳定。通用部件的选择是组设计的重要容之一。3.5.1铣削动力头的选择铣削动力头选用智博机械设备生产的DX系列多面铣削如图3一15所示，可实现动力头的垂直位置与水平位置的变化，实现多平面加。其基本参数如下:电机功率:7.5kw电机转数:1440转/分分度头角度90铣刀盘直径:125一300mm主轴转数:I:250、11:415、111:500、IV:675外形尺寸:1200x560x490mm结构特色:主轴在箱体外的分度头，使传动箱体积减小，结构更加紧凑便于刀具的拆装。3.5.2钻削动力头的选择钻削动力头选用中捷机床生产的23080x25钻削头，如图3主要关键件选用高强度铸铁和特供钢材，经世界第一流热处理设备处理，经久耐专门化设备连续加工，确保基础部件精良;多级主轴转速与进给可选配出经济高效切削。电机功率:7.5kw电机转数:16一1250转/分最大孔直径:80mm3.5.3切削液系统的选择切削液系统是切削加工系统的重要组成部分。切削液系统主要包括切削液统和切削液。传统的压力供液式喷雾冷却系统通常由以下部分构成:切削液要求的压力和流量向切削区供给切削液;切削液箱:储存待用切削液与沉淀切削液;输送装置:将切削液送达加工区;净化装置:从切削液中去除切中产生的切屑与其它机械杂质，使加工区使用的切削液保持清洁;防护装置削液四处飞溅并浸入机床部件。在金属切削过程中，为提高切削效率，提高工件的精度和降低工件表面粗延长刀具使用寿命，就必须减少刀具与工件、刀具与切屑之间磨擦，与时带走因材料变形而产生的热量。要达到这些目的，一方面是通过开发高硬度耐高具材料和改进刀具的几何形状，使金属切削的加工效率得到迅速提高;另一方性能优良的切削液往往可以明显提高切削效率，降低工件表面粗糙度，延长刀寿命，取得良好的经济效益。切削液的作用主要是:冷却、润滑、清洗、防锈等。3.6机床总体装配模型3.6.1CATL气软件简介CATIA是一套集成的应用软件包，其容覆盖了产品设计的各个方面:助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机辅助制造(CAM)，支持各种类型的协同产品设计的必要功能，也可以进行无缝集成完全支持“端的企业流程解决方案。CATIA为用户生产效率的提高、产品和流程的优化以体效率的提高提供了多方面的支持，具有诸多优点。高度集成化:CATIA是一个所有产品应用功能都是无缝集成的“端到端”系统。从概念设计到制造，CAT认不仅使单个用户与其团队进行工作，还能够个项目的产品数据。通过系统提供的唯一数据源，可以消除数据交换工程。知识积累与重用:CATIA的智能性功能可以帮助用户管理和积累公司里识，不仅节约了产品的研发时间和成本，而且提供了产品质量并鼓励设计的创产品虚拟测试:使用CATIA建立电子样机进行分析和仿真可以使设计者物理样机的数量，与早发现设计错误，节约宝贵的产品开发时间并降低生产成时可以建立知识库以确保整个设计过程的效率并激发设计的创新。高度的适应性:CATIA具有高度的适应性，用户根据自己的设计方案，使能使用于特定的行为方式、产品、经验知识以与制造过程。CAJIA能够使企业设计过程重新策划、有效简化与集成，从而达到多种交叉学科高水准的协调工高企业在全球围的生产能力。领先的技术:CATIA认的数据与应用集成可以方便地定义、共享、修改、验证琴欲特术信息。通过多种类型地规使产品地数字化表革膏，一而所有这些贯穿整个系统地规都在一个一致的、完全集成的、相关卡进看管理。建立在S二。产品模型与CORBA标准下的统一对象的实现方法，现在并行工程环境下的规驱动造型。CATIA具有强大的图形显示功能，从本质上支持大型装配环境下的设计、直对象的实时操作和控制、通过兼容的vR图形结构在虚拟现实系统下对产品进行其境的设计与检查。3.6.2CATIA实体装配模型根据前面的设计数据，使用CATIA软件对各零部件进行实体设计，然后按照关系进行装配，总体装配模型如图3一17所示。3.7小结根据机床总体设计方案，分别对数控回转工作台、钻铣回精臂几、种滚动妥覆乌奄磁锁景与通用部件等各部分的机械结构进行了详细的设寸悴彗菇亨屯寿认蔽祥的一特点，并用cAITA进行实体建模，根据机床的装配关系，总体结构装配模型。4 结论本文针对环形打孔铣平面机的技术要求，进行了系统的工艺分析与方案论证，对组成机床的几大部件进行了详细的设计，并用CATIA软件对机床进行了实体建模。机床是现代制造技术的重要生产工具，在某种意义上，一个国家机床设计和制造水平的高低，决定着这个国家整个制造业水平的高低。近年来，由于机床振动和机构分析理论的迅速发展，先进的动态实验和分析技术的不断实现，机床设计思想不断进步，为生产高速、高精度、高刚性的机床提供了条件。尤其是随着信息技术的发展，计算机在控制、计算、分析处理、仿真和管理等方面的广泛应用，使机床的设计方法和手段日渐丰富。现代机床正向高速、大功率、高精度、模块化、全自动方向发展。随着我国汽车工业的高速发展以与一些工业部门向集团化规模化经营的发展，中、大批量产品的增多，数控专用机床与柔性生产线的需求将急剧增多。组合机床行业企业应高度重视产品技术水平的提高和品种的增加，不断加强市场观念和技术创新意识，为交通、农业、能源、军工和轻工等各个工业部门提供高效、高质量和经济性生产的关键装备。目前，一些企业经过多年的努力，为汽车、柴油机等领域生产的数控组合机床与柔性线部分己达到或接近国际先进水平。随着市场经济的迅猛发展，产业集中度的进一步提高，行业的竞争更加激烈，价格竞争应逐步规化、有序化，维护行业的共同利益。用数控技术改造传统的组合机床制造业，这既可以提高组合机床的柔性，又可以使产品变得简单、可靠、可变，使产品的多品种加工和装备的可调可变形成统一，从而扩大柔性制造的实用性。本研究课题中将数控功能部件纳入组合机床功能部件畴，通过对市场上现成的数控功能部件进行必要的改造后结合其他传统的组合机床功能部件完成对机床的设计，提高了机床的整体柔性，克服了传统组合机床刚性有余而柔性不足的缺点，对今后企业应用组合机床技术具有一定的指导意义。25 / 25