立式加工中心直线回转工作台设计毕业设计

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1、摘要摘 要本文主要设计立式加工中心直线、回转工作台，工作台承担纵向X和横向Y轴两个方向的移动及一个绕Z轴的转动。设计内容包括：1.总体结构方案的拟定。确定了工作台结构，方案拟定为纵向、横向两个方向移动的直线工作台，在直线移动工作台的T型槽中固定一个可拆卸夹具式数控回转工作台。2.部件概述。这一部分详细描述了在工作台设计过程中所用到的几个典型部件，如伺服进给系统、工作台、导轨，陈述选用这几个部件的原因和对它们的基本要求。3.结构力学的设计计算。结合给定的主要参数对伺服进给系统和回转工作台进行选择计算，得到必需的几何参数，基本确定工作台的结构尺寸。4.工作台装配图与零件图的绘制。清楚地表示工作台及

2、其组成部分的连接、装配关系和其中主要零件结构、大小及技术要求。 关键词：加工中心，工作台，伺服进给系统，回转工作台。-I-AbstractAbstractIn this paper,It mainly designs the moving working table and NC rotary table of vertical machining centre.The tables can move along X-axis and Y-axis also can rotate around Z-axis. whats this pater content is as follows:1.

3、Draft the overall scheme of the structure of the tables.the moving working table moves along X-axis and Y-axis is drawn up,of which in the T-typle groove the NC rotary table is fixed which can be removed and fixed easily like a jig.2. Descripe the typical components of vertical machining center.In t

4、his part, the components used in the design, such as servo feed system、tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require-ments for them.3. Design and calculate structural mechanics.Use the given main parameters to select and compute the components to get other indispe

5、nsable parameters,then identify the physical demension of the tables4. Draw assembly drawings and part drawings.Express the connection the tables and their components、assembly relations，also the structures and the sizes of the main components、technical requirements, clearly.Key words: Machining Cent

6、er, Working Table, Servo Feed System，Rotary Working Table - V -目录目录摘 要IAbstractII目录III第一章引 言11.1课题的背景和意义11.2加工中心的基本组成、分类及结构特点21.3设计方案的预期目标41.4设计方案的可行性分析4第二章加工中心工作台的主要部件72.1加工中心伺服进给系统72.2伺服驱动装置82.3滚珠丝杠螺母副结构92.3.1滚珠丝杠副特点92.3.2滚珠循环方式102.3.3轴向间隙的调整和预紧方法112.3.4滚珠丝杠的安装122.3.5滚珠丝杠螺母的计算和选用132.4伺服电动机与丝杠的连接14

7、2.5回转工作台142.6加工中心本体设计152.6.1支承件的基本要求152.6.2导轨的设计16第三章加工中心的工作台和伺服进给的设计183.1工作台的主要参数及结构183.1.1主要参数的确定183.1.2工作台质量及工作台承重初估183.1.3切削力估算193.2纵向伺服进给系统与直线工作台的设计193.2.1滚珠丝杆副的设计计算203.2.2滚动直线导轨的选择233.2.3纵向直线位移工作台结构243.2.4伺服电机的选择243.2.5传动精度的设计253.2.6丝杠拉压振动和扭转振动固有频率验算263.3横向伺服进给系统与直线工作台的设计283.3.1滚珠丝杆副的设计计算283.3

8、.2滚动直线导轨的选择313.3.3横向直线位移工作台结构323.3.4伺服电机的选择333.3.5传动精度的设计333.3.6丝杠拉压振动和扭转振动固有频率验算343.4夹具式数控回转工作台的设计363.4.1双蜗杆传动的结构设计363.4.2锥齿轮设计计算363.4.3采用夹紧机构的计算383.4.4总结39第四章 结 论40致 谢41参考文献42第一章 引言第一章 引 言1.1 课题的背景和意义加工中心是一种在计算机控制下带有自动换刀系统的能完成多工序复合加工的自动化机床，并正向高速高效、高精度、模块化、网络化和复合化方向发展。由于加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，其生产效

9、率高、柔性好、一机多用和易于加工复杂的曲线、曲面零件等特点，早已成为工业发达国家军民机械工业的主力加工设备。一个国家的加工中心拥有量、消费量及总体技术水平与这个国家机械工业的加工制造技术水平息息相关。我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远远不能适应我国的经济、技术发展的需要。进入21世纪以后，中国加工中心的消费量随着军民机械工业的大规模技术改造而迅速增长，如2001年中国加工中心的消费量仅为2662台（其中进口2290台），而同年美国、日本和德国的加工中心消费量分别为11505、6090和5291台。到了2005年，中国加工中心的消费量猛增至约13200台（估计

10、值，加工中心的产量数据未公布），其中进口10343台。2005年加工中心的消费量是2001年的4.96倍，年均增幅达49.2%，一举超过美、日、德诸国，成为世界上消费加工中心最多的国家。根据机械工人杂志社等单位的调查，从近600份重点用户的有效问卷中得出的结果是，加工中心机床的应用已遍及全国26个行业，其中汽车、摩托车及其零部件制造业占24%，航空航天和军工行业占18%，机床工具业占11%，模具行业占8%，轻工机械行业占4%。在这些企业拥有的加工中心中，虽然普及型的立式和卧式加工中心仍占多数，但多轴联动、高速、大型精密等高档加工中心也占有一定比重，如在所调查的近600户用户中，拥有5轴联动加工

11、中心的占24%。说明中国市场消费的加工中心虽然以普及型的中档机为主，但高档机在消费量中所占比重估计已达15%至20%。中国消费的加工中心大部分依靠进口（2005年进口量占消费量的七成多），进口金额12.97亿美元，居各类机床进口额之首，主要从日本、中国台湾、德国和韩国等地进口。2006年上半年，中国进口加工中心5511台，金额6.88亿美元，同比分别增长20%和11%，仍保持两位数增长，说明中国加工中心市场的规模还有增长空间。1.2 加工中心的基本组成、分类及结构特点加工中心是一种功能较全的自动化加工机床。它把切削、铣削、镗削和钻削等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺功能。加工中心自问世至

12、今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形各异，但从总体结构来看主要由以下几大部分组成。（1）基础部件 由床身、立柱、工作台等组成。它们是加工中心的基础结构，它们不仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的切削负载，所以要求加工中心的基础部件必须有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的部件。（2）主轴部件 由主轴伺服电源、主轴电动机、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、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

13、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。（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动机等部分组成。CNC装置是一种位置控制系统，其控制过程根据输入的信息进行数据处理、差补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。可编程序控制器（PLC）替代一般机床中机床电器柜，执行数控系统指令，控制机床执行动作。数控系统主要功能有：控制功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能和第二辅助功能、补偿功能、字符图形显示功能、自动诊断功能、通信功能、人机对话程序编制功能等。数控系统是加工中心执行顺序控制功能和完成加工过

14、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储存、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。（5）自动托盘交换系统 有的加工中心为了实现进一步的无人化运行或进一步缩短非切削时间，采用多个自动交换工作台方式储备工件。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些别的工件。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）辅助装置 包括润滑、冷却、排泄、防护、液压、气动检测系统等部分。这些装置虽然不直

15、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着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 表1-1 加工中心控制结构数控系统可编程控制器机床辅助系统自动刀具交换装置主轴伺服主轴电机伺服单元X轴伺服机构Y轴伺服机构Z轴伺服机构转台伺服机构加工中心的分类（1） 按工艺用途分为镗铣加工中心、钻削加工中心、车削加工中心、复合加工中心。（2） 按机床形态分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、虚轴加工中心。（3） 按加工精度分为普通加工中心、高精度加工中心。加工中心的结构特点（1） 机床的刚度高、抗震性好。（2） 机床的传动系结构简单，传递精度高、速度快。（3） 主轴系统结构简单，

16、无齿轮箱变速系统。（4） 加工中心的导轨采用了耐磨材料和新结构，能长期保持导轨的精度。（5） 控制系统功能较全，其智能化程度越来越高。1.3 设计方案的预期目标 设计任务定为立式加工中心工作台，工作台承担运动功能为纵向（X）轴和横向（Y）轴两个方向的移动及一个绕Z轴的转动。1.4 设计方案的可行性分析立式加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和编程技术的高科技产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并

17、聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床34倍，达80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。本次设计是以数控机床立式加工中心为参考，设计加工中心的工作台，这一部件结构上兼有一般机械的基本特点，又采用

18、了滚珠丝杠、滚动直线导轨、无级调速电机等新型机电产品，对提高我们的学习和设计能力很有帮助。工作台用于安装工件，并带动工件进给，以完成各种切削加工，是任何切削机床必不可少的重要部件。与普通切削机床不同的是，加工中心的工作台是在数控系统的控制下自动完成进给的，能够自动完成各种轮廓和曲面的加工。加工中心直线工作台主要在数控系统控制下完成纵向（X方向）和横向（Y方向）进给。为了实现任意角度和在切削过程中转台能够回转，加工中心还要设置数控回转工作台，这样加工中心就多了一个NC坐标，能够完成更加复杂的见曲面的加工。加工中心常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功用各不相同。分度工作台的功用只

19、是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的加工。而数控回转工作台除了分度和转位的功能外，还能实现圆周进给运动。本文设计的可拆卸夹具式数控回转工作台, 具有两大优点： 第一, 使用时, 工作台如夹具固定在直线进给工作台的T 形槽内, 不用时, 即可拆下, 工作台是一个独立体, 可以由几台数控机床共用; 第二, 本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。工作台的进给精度和性能，直接影响加工中心的加工精度和性能。所以，只有有了进给精度高、性能安全可靠的直线工作台和回转工作台，加工中心才能精确完成各种轮廓和曲面的加工，加工出高质量的零件。1.操纵面板 2.驱动电柜

20、 3.冷却液箱 4.床身 5.滑座 6.切屑箱 7.X轴伺服电机 8.工作台 9.机械手 10.刀库 11.主轴箱 12.数控柜 13.刀库电机 14.Z轴电机 15.主轴电机 16.吊运孔 17.间歇润滑油箱 18.立柱图1-1 立式加工中心的组成- 66 -第二章 加工中心工作台的主要部件第二章 加工中心工作台的主要部件2.1 加工中心伺服进给系统加工中心伺服进给系统是一机床移动位置为控制量的自动控制系统。它根据数控装置输出的电脉冲信号，是机床工作台、主轴等移动部件按照规定的运动速度、运动方向和位置要求做相应的移动，并对其定位精度加以控制。加工中心性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。

21、进给运动是机床成型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是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需满足如下要求。（1）高的传动精度与定位精度 加工中心进给系统的传动精度和定位精度，是机床最重要的性能指标。传动精度直接影响机床加工轮廓面的精度，定位精度直接关系到加工的尺寸精度。（2）宽的进给调速范围 为保证加工中心在不同工况

22、下对进给速度的选择，进给系统应该有较大的调速范围。加工中心的伺服进给系统一般为3-10000mm/min。（3）快的响应速度 所谓快速响应，是指进给系统对指令信号的变化跟踪要快，并能迅速趋于稳定。目前，加工中心已较普遍的采用了伺服电动机不通过减速环节直接连接丝杠带动运动部件实现运动的方案。本次设计就是采用了这个方案来获取快的响应速度。（4）低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 此次设计采用的是半闭环伺服系统。半闭环系统的精度虽然比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调整比较简单。而且，在半闭环系统中，转角测量表较容易实现。应用非

23、常广泛。图2-1 半闭环进给伺服系统原理图2.2 伺服驱动装置伺服驱动装置接收数控系统发出的进给指令信号，并将其转换为角位移或直线位移，从而驱动执行部件实现要求的运动。伺服驱动装置应该满足如下要求。（1）精度高。输出位移有足够的精度，即实际位移与指令位移之差要小。（2）应该具有较长时间的大过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电动机要求数分钟内过载4-6倍而不损坏。（3）调速范围宽，而且从最低速到最高速时，电动机均能平滑运转，转矩波动小，特别是在低速（如0.1r/min或更低）时，速度平稳而无爬行现象。（4）能承受频繁振动、制动和反转。在加工中心的闭环或半闭环进给伺服系统中，伺服驱动装

24、置主要采用交、直流伺服电动机。直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽调速范围内实现平滑无极调速，故多用在对伺服电机的调速性能要求较高的加工中心上。交流伺服电动机，转子惯量比直流电动机小，动态响应好，输出的功率可比直流电动机提高10%-70%，可达到更高的电压和转速。2.3 滚珠丝杠螺母副结构2.3.1 滚珠丝杠副特点 图2-2 滚珠丝杆副的结构滚珠丝杠螺母结构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，它具有下列特点。（1）摩擦损失小、传动效率高 滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.92-0.96，使普通滑动丝杠螺母机构的3-4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。（2

25、）运动平稳、摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行 由于存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦系数都很小，且其差值很小，因而启动转矩小，动作灵敏 ，即使在低速情况时也不会出现爬行现象。（3）轴向刚度高、反向定位精度高 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程。（4）磨损小、寿命长、维护简单 使用寿命是普通滑动丝杠的4-10倍。（5）传动具有可逆性、不能自锁。（6）同步性好。（7）有专业厂生产，选用配套方便。2.3.2 滚珠循环方式滚珠循环方式可分为内循环和外循环两大类型。（1）内循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。内循环滚珠的回路短，滚珠数目

26、少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。（2）外循环 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环，根据滚珠回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式、盖板式。表2-1 滚珠丝杠副结构特点比较种类 特 点 循环圈数 螺母尺寸 圈数 列数 内循环结构 通过反向器组成滚珠循环回路，每一个反向器组成1圈滚珠链。因此承载小。适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副。 1 2列以上 小 外循环结构 通过插管组成滚珠循环回路，每一个插管至少1.5圈滚珠链，因此，承载大。适应于小导程、一般导程、大导程与重型滚珠丝杠副。 1.5以上 1列以上 大 端盖结构 通过螺母两端的端盖组成滚珠循环回路

27、，每个回路至少1圈滚珠链，承载大。适应于多头大导程、超大导程滚珠丝杠副。 1以上 2列以上 小 盖板结构 通过盖板组成滚珠循环回路，每个螺母一个盖板，每个盖板组成至少1.5圈滚珠链。适应于微型滚珠丝杠副。 1.5以上 1 中图2-3 内循环滚珠丝杠及滚珠回流方式图2-4 外循环滚珠丝杠及滚珠回流方式2.3.3 轴向间隙的调整和预紧方法加工中心通常采用施加预紧力来消除间隙、提高传动刚度。滚珠丝杠螺母轴向间隙和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面。但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高，要求能做微调以获得准确的间隙或预紧量。

28、常用的方法有下列几种。（1）垫片调隙式 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，已达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。（2）螺纹调隙式 其中一个螺母的外端有凸缘而另一螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。（3）齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮。这种调整方法精确可靠，但结构复杂，多用于对调整准确度要求较高的场合。2.3.

29、4 滚珠丝杠的安装加工中心的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。加工中心由于要求具有高精度、高进给速度，因此常采用一端固定，一端游动以及两端固定的丝杠安装形式。 （1）一端固定一端游动 对于高精度、中等转速较长的卧式安装丝杠，为了防止热变形造成丝杠伸长的影响，常采用一端轴向固定的支承方式。这种支承形式的特点安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杠的轴向刚度比两端固定低；丝杠有热膨胀的余地。（2）两端固定 对于高精度、高速旋转的滚珠丝杠应该采用两端固定的安装方式，为了给丝杠施加预紧拉力

30、，可采用两端固定方式，并可在丝杠一端安装碟型弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力几乎不变。这种支承形式的刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍。安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较复杂；要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量。因此这种形式适用于对刚度和位移精度要求高的场合，丝杠的支承轴承应采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承。丝

31、杠两端轴承座孔与滚珠螺母座孔保证严格的同轴度，同时保证滚珠丝杠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度、接触刚度等。 图2-5 滚珠丝杆的安装2.3.5 滚珠丝杠螺母的计算和选用滚珠丝杠螺母副的承载能力用额定负载表示，其动、静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定负载表示，其动、静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定动载荷选用滚珠丝杠副，只有当n10r/min时，按额定动载荷选用。对于细长承受压缩的滚珠丝杠副需做压杆稳定性计算；对于高速、支承距大的滚珠丝杠副需要做临界转速的校核；对于精度要求高的传动要进行刚度验算，转动惯量校核，对闭环控

32、制系统还要进行谐振频率的验算。在选择滚珠丝杠螺母的过程中，一般首先根据动载强度计算或静载强度计算来确定其尺寸规格，然后对其刚度和稳定性进行校核计算。2.4 伺服电动机与丝杠的连接采用键连接，键用于连接轴和轴上的传动件,使轴和传动件不发生相对转动，以传递扭矩或旋转运动。常用键的型式有：普通平键、半圆键和钩头楔键。图2-6 常用普通平键 A型 B型 C型 半圆键 钩头楔键普通平键分A型、B型、C型，本设计中所用到的键有普通A型平键、C型平键、半圆键。2.5 回转工作台加工中心是一种高频率的加工设备，当零件被装夹在工作台上以后，为了尽可能完成较多工艺内容，除了要求机床有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线运

33、动之外，还要求工作台在圆周方向有进给运动和分度运动。这些运动通常用回转工作台实现。数控回转工作台的主要功能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周（360范围内）进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X、Y、Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。所设计的加工中心回转工作台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮蜗杆等传动装置组成的。2.6 加工中心本体设计2.6.1 支承件的基本要求支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。它们应满足下列要求：（1）刚度要

34、求 支承件的刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，后者为动刚度。静刚度取决于支承件本身的结构刚度和接触刚度。动刚度不仅与静刚度有关，而且与支承系统的阻尼和固有频率有关。（2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。影响支承件的抗振性的主要因素是：支承件的刚度、支承件的固有频率、支承件的阻尼、支承件的支承情况、支承件的材料等。抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。实际中常常通过选择高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振垫改善支承件的支撑情况等措施

35、来增加支承件的抗振性。（3）热变形要求 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度。因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。影响支承件热变形的主要因素是：支承件的结构，运动部件的发热及外部热源。通过采用热对称结构、隔离热源、强制冷却、快速排屑等措施减少热变形。（4）内应力要求 支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊、铸等工序后进行时

36、效处理。（5）其他 支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油的回收方便，加工及装配工艺性好等。支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，因此，应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。2.6.2 导轨的设计由于加工中心的进给运动都是通过其执行部件沿着它的床身、立柱、横梁等支承大件的导轨运动实现的。导轨的作用是用来支撑和引导机床执行部件的运动，导轨的刚度以及摩擦特性又对执行部件的定位精度有重要影响，因此，导轨是加工中心进给传动系统的重要组成部分。对导轨设计的基本要求是：

37、a. 导向精度要高 导向精度是指机床执行部件的动导轨沿支承导轨的直线度（对于直线运动导轨）或圆度。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度，导轨的接触刚度，导轨的结构形式，动导轨及导轨的刚度和热变形，还有装配质量。导轨的几何精度一般用低速下的导向精度来衡量。对直线运动导轨而言，检验的内容主要是导轨在水平平面内和垂直平面内的直线度。在水平面内，两条导轨的还有平行度的要求。b. 精度保持性要好 精度保持性是指导轨保持其原始精度的时间是否足够长。导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。动导轨沿支承导轨长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度。此外，导轨的结构形式和导轨材料

38、也与精度保持性有关。c. 有足够的刚度 因为机床执行部件在工作过程中所承受的各种阻力，最后都转化到导轨面来承受。如果导轨在载荷的作用下产生过大的变形，不仅破坏了导向精度，恶化了导轨的工作条件，而且使机床各部件间的相对位置发生变化。导轨的刚性主要取决于导轨类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的连接方式，还取决于导轨材料和表面加工质量。d. 有良好的摩擦特性 机床在低速运动时，动导轨易产生爬行，将影响低速运动的平稳性。爬行与导轨的摩擦特性有关，导轨的摩擦因数越小，并且动、静摩擦因数越接近，则导轨低速运动越平稳，将不会产生爬行，这对于精度要求较高的加工中心来说尤其重要。e. 加工工艺性要好 设计导轨

39、时，要注意到制造、调整和维护的方便；力求结构简单、工艺性好和经济性好，而且要有合理的导轨防护和润滑措施等等。 本设计采用的是直线滚动导轨副，它包括导轨条和滑块两部分。导轨通常有两根，装在支承件上，每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。在两条导轨条中，一条为基准导轨，上有基准面，另一条为从动导轨。第三章 加工中心的工作台和伺服进给系统的设计第三章 加工中心的工作台和伺服进给的设计加工中心工作台的进给运动是通过伺服驱动装置实现的。伺服驱动装置的性能,在很大程度上决定了机床的性能。因此, 研究和开发高性能伺服进给系统,始终是研究现代数控机床的关键之一。本文所介绍的加工中心为立式,其工作台可进行X

40、和Y 向直线运动, 另外工作台上面可固定夹具式回转工作台( Z 向转动) 。使用时,回转工作台如夹具固定在直线进给工作台的T 形槽内, 不用时即可拆下。文中除作了工作台、滚珠丝杠副、伺服电机、滚动直线导轨的设计计算外,还作了传动精度计算、丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算。3.1 工作台的主要参数及结构3.1.1 主要参数的确定 工作台面尺寸（长宽高）：900 500 50 ，回转工作台面尺寸(直径高) ：320 222 ,材料为HT200。设定工作台进给速度为11500mm/ min ,快速进给速度15m/ min ,工作台X向工作行程为750mm , Y向工作行程为500mm ,铣削最大

41、直径为100mm。3.1.2 工作台质量及工作台承重初估直线工作台质量G1 = Vg = 7.85103 900500509.8110-9 = 1733N回转工作台质量G2 = Vg = 7.85103 16022229.8110-9 = 1362N工作台承重初估为G3=4500N根据以上估算得总的质量为G= G1+ G2+ G3=1733+1363+45007600N3.1.3 切削力估算根据最大切削条件为：端铣刀直径为100mm, Z=10齿，每齿进给量 S齿=0.13mm/齿，工件宽度B=80mm,加工b=80kg/mm的高碳钢。查铣工工艺学中级本得：切削力p=4230N/mm2,则得切

42、向铣削力： 查铣工工艺学中级本得：纵向切削力横向切削力垂直切削力3.2 纵向伺服进给系统与直线工作台的设计 工作台伺服进给传动装置的设计在整个加工中心设计中占有非常重要的地位，其关系到加工中心的使用性能和加工精度。下面就加工中心进给传动装置设计中的关键技术滚珠丝杠副、滚动直线导轨和伺服电动机的选择问题等进行讨论。3.2.1 滚珠丝杆副的设计计算在本设计中,电机和丝杠直接相连,传动比为1 ,选择电机的最高工作转速1500r/ min ,最大转矩Mmax=1570kgfcm，工作负载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, 从而设定摩擦系数, 可算出最大牵引力。（一） 丝杠的导程确

43、定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm（二） 确定丝杠的等效转速最大进给时，丝杠的转速为 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min最慢进给时，丝杠的转速为 nmin= Vmin/ Ph=1/10=0.1r/min则得到丝杠的等效转速（估算t1=2t2）为Nm = = 1000r/min（三） 确定丝杆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。选定导轨为滚动直线导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，取摩擦系数为0.0026，则丝杠所受的最大牵引力为Fmax=

44、KFX+f(FY+FZ+G)其中，K为颠覆力矩影响系数，K一般取为1.1-1.15，现取K为1.10，则得最大工作负载：Fmax=1.11715+0.0026(4410+2573+7600)1924.5N而丝杠的最小工作负载荷为摩擦力为Fmin= fG =0.0026760020N故其等效载荷可按下式计算（估算t2=t1;n2=2n1）Fm=()1/3=1334N（四） 确定丝杠所受的最大动载荷查表，取丝杠的工作寿命Th为15000h，同时取精度系数fa=1，负荷性质系数fw=1.5，温度系数ft=0.95，硬度系数fh=1，可靠性系数fk=0.53，平均转速为1000r/min。60Thnm

45、=60150001000=900106r查表选用插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号CDM5010-3，丝杠公称直径为50mm,基本导程Ph=10mm，其额定动载荷Ca = 38547N（Ca），额定静载荷Coa=112978N，圈数列数 = 1.52，丝杠螺母副的接触刚度KC为1692N，螺旋升角=339，丝杠底径42.3mm，螺母长度为170mm，取丝杠的精度为1级。在本设计中采用双螺母垫片式预紧。（五） 临界压缩负荷Fcr确定丝杠螺纹部分的长度Lu。Lu等于工作台的最大行程(750mm)加上螺母长度(170mm)加两端余程(40mm)。Lu为1000mm。支承跨距L1应略大于Lu，取

46、为:L1=1200mm。丝杠全长为L=1340mm。临界压缩负荷Fcr为Fcr = K1 Fmax式中 E材料的弹性模量，E = 2.11011N/m2 ； I丝杠最小截面惯性矩：I = = =；L0最大受压长度，按照结构设计取L0=1140mm；K1安全系数，一般取K1=1/3；Fmax最大轴向工作载荷，Fmax = 1924.5N；f1丝杠支承方式系数,查表的f1=2，则Fcr= =1.7105NFmax=1924.5N可见Fcr远大于Fmax，满足要求。（六） 临界转速验算 Ncr r/min式中 A丝杠最小横截面：m2Lc临界转速计算长度：=1045mm1.05m，取Lc=L1=1.2

47、m； K2安全系数，一般取0.8； 材料的密度： = f2丝杠支承方式系数，查表f2=3.927,则ncr=99103.9272=4489r/minnmax=1500r/min 可见ncr远大于nmax，满足要求。 考虑到本设计的丝杠较长，故采用一端固定，另一端游动的支撑方式，固定端选用成对丝杠专用轴承组合，型号为30TAC62A，其额定动载荷Ca=33320N，预紧力Ft为3040N。（七） 计算轴承动负荷 寿命系数为： fh=式中 fh寿命系数； L10h可靠性为90%的额定寿命，取为10000h；fn转速系数：；计算转速nj取最高转速，取nj=1500r/min；故能满足要求。游动端的支

48、承查机械设计手册，选深沟球轴承，型号为6206。3.2.2 滚动直线导轨的选择采用两根滚动直线导轨副，每根导轨上有两个滑块，其总负荷为P=7600+2573=10173N单向行程长度为0.75，每分钟往返次数n=4，每日平均开机6个小时，使用5年以上，每年300个工作日。每个滑块上的计算载荷为选四方向等效载荷型，型号为GGB35AA1300。额定动载荷 C=35.1KN额定静载荷 C0=47.2KN。3.2.3 纵向直线位移工作台结构1.闷盖 2.深沟球轴承 3.导轨 4.工作台 5.内六角圆柱头螺钉 6滚珠丝杠副 7.丝杠 8.套杯 9.滚珠丝杠专用轴承 10.调整环 11.通盖 12.圆螺

49、母 13.密封圈 14.安装孔盖 15.联轴器 16.伺服电机 17.连接板18.压板 19.弹性挡圈图3-1 X向伺服进给系统结构3.2.4键的选择及校核公称直径22、键长l=25、bh=66、=3.5键的校核由于为静连接键采用抗挤压校核即其中T=153860N/mm、经校验满足要求3.2.5联轴器的选择及校核查联轴器、离合器设计与选用指南知GY型联轴器采用绞制孔螺纹实现两半联轴器的链接传递转矩和保证对中精度，连接螺栓个数较少，拆装市轴不需要做轴向移动但螺纹孔需配绞。选择GY3凸缘联轴器型号为型L=38、D=100、s=6转动惯量为0.0025质量2.38m/kg由于采用绞制孔螺栓连接，是由

50、螺栓孔壁的挤压传递转矩的，这时应验算螺栓连接的剪切强度和挤压强度。剪切强度和挤压强度的验算螺栓性能等级 9.8级 螺栓许用切应力 查机械设计表6.4得=3.5螺栓的许用挤压应力查机械设计表6.4得查联轴器、离合器设计与选用指南知剪切强度挤压强度键的校核由于键之间采用静连接需校核键的抗挤压校核T=经校核满足抗抗挤压强度要求3.2.6伺服电机的选择 选用FANUC - BESK宽调速直流伺服电机驱动,型号为FB - 15 ,半闭环控制。制动器、测速机、编码器配装在电机内部。它属于永磁型多极电机,其特点是:定子磁极是高性能铁氧体,能承受高的峰值电流,加速性能好;转子惯量大,在1r/min 低速下仍能

51、平滑运转。设系统增益Ks 为18 (1/ s) ,则速度环开环增益Kvos为54(1/ s) 。根据结构图计算各部分折算至丝杠轴的转动惯量,联轴节及锁紧螺母等传动件转动惯量Jc , 滚珠丝杠转动惯量Js , 工作台等移动件的换算值Jw ,加上电机FB - 15 的转动惯量JM , 全部转动惯量相加得Jr =0.45(kgfcm) ,验算： 满足惯量匹配原则，即 加速能力验算：工作台能达到的最大加速度 系统要求最大加速度 加速能力符合设计要求。 对数控机床,由于动态响应特性要求较高,所以电机力矩主要是用来产生加速度。 Tamax= 满足转速匹配要求。3.2.7传动精度的设计 滚珠丝杠的拉压刚度：

52、Ks=当导轨运动到两极位置时, 有最大和最小拉压刚度,其中L 值分别为750mm和100mm。则： 滚珠丝杠螺母的接触刚度为: Kc = 1692N/m,滚珠丝杠用轴承的轴向接触刚度: KB = 1080N/m,算得最小机械传动刚度：算的最大机械传动刚度：因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为：其中F0为空载时导轨的摩擦力。因为本设计选用的是1 级滚珠丝杠,其任意300mm的导程公差为6m ,机床定位精度0.012mm/ 300mm。所以），额定静载荷Coa=187997N，圈数列数 = 2.52，丝杠螺母副的接触刚度KC为2753N，螺旋升角=339，丝杠底径42.3mm，螺母长度为19

53、4mm，取丝杠的精度为1级。在本设计中采用双螺母垫片式预紧。（五）临界压缩负荷Fcr确定丝杠螺纹部分的长度Lu。Lu等于工作台的最大行程(500mm)加上螺母长度(194mm)加两端余程(40mm)。Lu为774mm。支承跨距L1应略大于Lu，取为:L1=974mm。丝杠全长为L=1126mm。临界压缩负荷Fcr为Fcr = K1 Fmax式中 E材料的弹性模量，E = 2.11011N/m2 ； I丝杠最小截面惯性矩：I = = =；L0最大受压长度，按照结构设计取L0=914mm；K1安全系数，一般取K1=1/3；Fmax最大轴向工作载荷，Fmax = 4881.9N；f1丝杠支承方式系数

54、,查表的f1=2，则 =2.6105NFmax=4881.9N可见Fcr远大于Fmax，满足要求。（六）临界转速验算 Ncr r/min式中 A丝杠最小横截面：m2Lc临界转速计算长度：=813mm0.8m，取Lc=L1=974m； K2安全系数，一般取0.8； 材料的密度： = f2丝杠支承方式系数，查表f2=3.927,则ncr=99103.9272=6814r/minnmax=1500r/min 可见ncr远大于nmax，满足要求。 考虑到本设计的丝杠较长，故采用一端固定，另一端游动的支撑方式，固定端选用成对丝杠专用轴承组合，型号为40TAC72A，其额定动载荷Ca=35280N，预紧力

55、Ft为3530N。（七）计算轴承动负荷 寿命系数为： fh=式中 fh寿命系数； L10h可靠性为90%的额定寿命，取为10000h；fn转速系数：；计算转速nj取最高转速，取nj=1500r/min；故能满足要求。游动端的支承查机械设计手册，选深沟球轴承，型号为6206。3.3.2滚动直线导轨的选择采用两根滚动直线导轨副，每根导轨上有两个滑块，其总负荷为P=7600+2573=10173N单向行程长度为0.5m，每分钟往返次数n=4，每日平均开机6个小时，使用5年以上，每年300个工作日。每个滑块上的计算载荷为选四方向等效载荷型，型号为GGB35AA1011。额定动载荷 C=35.1KN额定

56、静载荷 C0=47.2KN。3.3.3横向直线位移工作台结构20.导轨 21.螺钉 22.连接板 23.滚珠丝杠螺母副 24.丝杠 25.连接套筒 26.圆螺母 27.螺栓 28.滚珠丝杠专用轴承图3-2 Y向伺服进给结构系统3.3.4键的选择及校核公称直径28、键长l=28、bh=87、=4.0键的校核由于为静连接键采用抗挤压校核即其中T=153860N/mm、经校验满足要求3.3.5联轴器的选择及校核查联轴器、离合器设计与选用指南知GY型联轴器采用绞制孔螺纹实现两半联轴器的链接传递转矩和保证对中精度，连接螺栓个数较少，拆装市轴不需要做轴向移动但螺纹孔需配绞。选择GY3凸缘联轴器型号为型L=44、D=105、s=6转动惯量为0.003质量3.15m/kg由于采用绞制孔螺栓连接，是由螺栓孔壁的挤压传递转矩的，这时应验算螺栓连接的剪切强度和挤压强度。剪切强度和挤压强度的验算螺栓性能等级 9.8级 螺栓