加工中心工作臺(tái)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘要摘 要本文主要設(shè)計(jì)立式加工中心直線(xiàn)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)承擔(dān)縱向X和橫向Y軸兩個(gè)方向的移動(dòng)及一個(gè)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1.總體結(jié)構(gòu)方案的擬定。確定了工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，方案擬定為縱向、橫向兩個(gè)方向移動(dòng)的直線(xiàn)工作臺(tái)，在直線(xiàn)移動(dòng)工作臺(tái)的T型槽中固定一個(gè)可拆卸夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。2.部件概述。這一部分詳細(xì)描述了在工作臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中所用到的幾個(gè)典型部件，如伺服進(jìn)給系統(tǒng)、工作臺(tái)、導(dǎo)軌，陳述選用這幾個(gè)部件的原因和對(duì)它們的基本要求。3.結(jié)構(gòu)力學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)合給定的主要參數(shù)對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行選擇計(jì)算，得到必需的幾何參數(shù)，基本確定工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸。4.工作臺(tái)裝配圖與零件圖的繪制。清楚地表示工作臺(tái)及

2、其組成部分的連接、裝配關(guān)系和其中主要零件結(jié)構(gòu)、大小及技術(shù)要求。 關(guān)鍵詞：加工中心，工作臺(tái)，伺服進(jìn)給系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。-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. what's this pater content is as follows:

3、1. 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.I

4、n this 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 indi

5、spensable 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 C

6、enter, Working Table, Servo Feed System，Rotary Working Table - III -目錄目錄摘 要IAbstractII目錄III第一章引 言11.1課題的背景和意義11.2加工中心的基本組成、分類(lèi)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)21.3設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo)41.4設(shè)計(jì)方案的可行性分析4第二章加工中心工作臺(tái)的主要部件72.1加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)72.2伺服驅(qū)動(dòng)裝置82.3滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)92.3.1滾珠絲杠副特點(diǎn)92.3.2滾珠循環(huán)方式102.3.3軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法112.3.4滾珠絲杠的安裝122.3.5滾珠絲杠螺母的計(jì)算和選用132.4伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠

7、的連接142.5回轉(zhuǎn)工作臺(tái)142.6加工中心本體設(shè)計(jì)152.6.1支承件的基本要求152.6.2導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)16第三章加工中心的工作臺(tái)和伺服進(jìn)給的設(shè)計(jì)183.1工作臺(tái)的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)183.1.1主要參數(shù)的確定183.1.2工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重初估183.1.3切削力估算193.2縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)與直線(xiàn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)193.2.1滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算203.2.2滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇233.2.3縱向直線(xiàn)位移工作臺(tái)結(jié)構(gòu)243.2.4伺服電機(jī)的選擇243.2.5傳動(dòng)精度的設(shè)計(jì)253.2.6絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率驗(yàn)算263.3橫向伺服進(jìn)給系統(tǒng)與直線(xiàn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)283.3.1滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算

8、283.3.2滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇313.3.3橫向直線(xiàn)位移工作臺(tái)結(jié)構(gòu)323.3.4伺服電機(jī)的選擇333.3.5傳動(dòng)精度的設(shè)計(jì)333.3.6絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率驗(yàn)算343.4夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)363.4.1雙蝸桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)363.4.2錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算363.4.3采用夾緊機(jī)構(gòu)的計(jì)算383.4.4總結(jié)39第四章 結(jié) 論40致 謝41參考文獻(xiàn)42第一章 引言第一章 引 言1.1 課題的背景和意義加工中心是一種在計(jì)算機(jī)控制下帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的能完成多工序復(fù)合加工的自動(dòng)化機(jī)床，并正向高速高效、高精度、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)合化方向發(fā)展。由于加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備

9、，其生產(chǎn)效率高、柔性好、一機(jī)多用和易于加工復(fù)雜的曲線(xiàn)、曲面零件等特點(diǎn)，早已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家軍民機(jī)械工業(yè)的主力加工設(shè)備。一個(gè)國(guó)家的加工中心擁有量、消費(fèi)量及總體技術(shù)水平與這個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)的加工制造技術(shù)水平息息相關(guān)。我國(guó)的加工中心從70年代開(kāi)始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國(guó)加工中心的消費(fèi)量隨著軍民機(jī)械工業(yè)的大規(guī)模技術(shù)改造而迅速增長(zhǎng)，如2001年中國(guó)加工中心的消費(fèi)量?jī)H為2662臺(tái)（其中進(jìn)口2290臺(tái)），而同年美國(guó)、日本和德國(guó)的加工中心消費(fèi)量分別為11505、6090和5291臺(tái)。到了2005年，中國(guó)加工中心的消費(fèi)量猛增至約1320

10、0臺(tái)（估計(jì)值，加工中心的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未公布），其中進(jìn)口10343臺(tái)。2005年加工中心的消費(fèi)量是2001年的4.96倍，年均增幅達(dá)49.2%，一舉超過(guò)美、日、德諸國(guó)，成為世界上消費(fèi)加工中心最多的國(guó)家。根據(jù)機(jī)械工人雜志社等單位的調(diào)查，從近600份重點(diǎn)用戶(hù)的有效問(wèn)卷中得出的結(jié)果是，加工中心機(jī)床的應(yīng)用已遍及全國(guó)26個(gè)行業(yè)，其中汽車(chē)、摩托車(chē)及其零部件制造業(yè)占24%，航空航天和軍工行業(yè)占18%，機(jī)床工具業(yè)占11%，模具行業(yè)占8%，輕工機(jī)械行業(yè)占4%。在這些企業(yè)擁有的加工中心中，雖然普及型的立式和臥式加工中心仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動(dòng)、高速、大型精密等高檔加工中心也占有一定比重，如在所調(diào)查的近600戶(hù)用戶(hù)中，擁有5

11、軸聯(lián)動(dòng)加工中心的占24%。說(shuō)明中國(guó)市場(chǎng)消費(fèi)的加工中心雖然以普及型的中檔機(jī)為主，但高檔機(jī)在消費(fèi)量中所占比重估計(jì)已達(dá)15%至20%。中國(guó)消費(fèi)的加工中心大部分依靠進(jìn)口（2005年進(jìn)口量占消費(fèi)量的七成多），進(jìn)口金額12.97億美元，居各類(lèi)機(jī)床進(jìn)口額之首，主要從日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)和韓國(guó)等地進(jìn)口。2006年上半年，中國(guó)進(jìn)口加工中心5511臺(tái)，金額6.88億美元，同比分別增長(zhǎng)20%和11%，仍保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，說(shuō)明中國(guó)加工中心市場(chǎng)的規(guī)模還有增長(zhǎng)空間。1.2 加工中心的基本組成、分類(lèi)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加工中心是一種功能較全的自動(dòng)化加工機(jī)床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺(tái)設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中

12、心自問(wèn)世至今世界各國(guó)出現(xiàn)了各種類(lèi)型的加工中心，雖然外形各異，但從總體結(jié)構(gòu)來(lái)看主要由以下幾大部分組成。（1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱、工作臺(tái)等組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載，所以要求加工中心的基礎(chǔ)部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件。（2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動(dòng)軸等零件組成。主軸的啟動(dòng)、停止、變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工

13、中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。（3）數(shù)控系統(tǒng) 單臺(tái)加工中心的數(shù)控部分由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分組成。CNC裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過(guò)程根據(jù)輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、差補(bǔ)運(yùn)算，獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）替代一般機(jī)床中機(jī)床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機(jī)床執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補(bǔ)償功能、字符圖形顯示功能、自動(dòng)診斷功能、通信功能、人機(jī)對(duì)話(huà)程序編制功能等。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制功能和

14、完成加工過(guò)程的控制中心。（4）自動(dòng)換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機(jī)床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動(dòng)儲(chǔ)存、選擇、搬運(yùn)和交換任務(wù)。它由刀庫(kù)、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。（5）自動(dòng)托盤(pán)交換系統(tǒng) 有的加工中心為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的無(wú)人化運(yùn)行或進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，采用多個(gè)自動(dòng)交換工作臺(tái)方式儲(chǔ)備工件。一個(gè)工件安裝在工作臺(tái)上加工的同時(shí)，另外一個(gè)或幾個(gè)可交換的工作臺(tái)面上還可以裝些別的工件。當(dāng)完成一個(gè)托盤(pán)上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤(pán)，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時(shí)間，提高加工效率。（6）輔助裝置 包括潤(rùn)滑、冷卻、排泄、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。這些裝

15、置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 表1-1 加工中心控制結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)可編程控制器機(jī)床輔助系統(tǒng)自動(dòng)刀具交換裝置主軸伺服主軸電機(jī)伺服單元X軸伺服機(jī)構(gòu)Y軸伺服機(jī)構(gòu)Z軸伺服機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)加工中心的分類(lèi)（1） 按工藝用途分為鏜銑加工中心、鉆削加工中心、車(chē)削加工中心、復(fù)合加工中心。（2） 按機(jī)床形態(tài)分為立式加工中心、臥式加工中心、龍門(mén)式加工中心、虛軸加工中心。（3） 按加工精度分為普通加工中心、高精度加工中心。加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1） 機(jī)床的剛度高、抗震性好。（2） 機(jī)床的傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度高、速度快。（3） 主軸系統(tǒng)

16、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)齒輪箱變速系統(tǒng)。（4） 加工中心的導(dǎo)軌采用了耐磨材料和新結(jié)構(gòu)，能長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌的精度。（5） 控制系統(tǒng)功能較全，其智能化程度越來(lái)越高。1.3 設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計(jì)任務(wù)定為立式加工中心工作臺(tái)，工作臺(tái)承擔(dān)運(yùn)動(dòng)功能為縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個(gè)方向的移動(dòng)及一個(gè)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。1.4 設(shè)計(jì)方案的可行性分析立式加工中心是一種備有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的，它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆

17、床的功能并聚集在一臺(tái)加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫(kù)，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床34倍，達(dá)80%以上。所以說(shuō)，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。本次設(shè)計(jì)是以數(shù)控機(jī)床立式加工中心為參考，設(shè)計(jì)加工中心的工作臺(tái)，這一部件結(jié)構(gòu)上兼有一般機(jī)械的基本特

18、點(diǎn)，又采用了滾珠絲杠、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌、無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)等新型機(jī)電產(chǎn)品，對(duì)提高我們的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)能力很有幫助。工作臺(tái)用于安裝工件，并帶動(dòng)工件進(jìn)給，以完成各種切削加工，是任何切削機(jī)床必不可少的重要部件。與普通切削機(jī)床不同的是，加工中心的工作臺(tái)是在數(shù)控系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成進(jìn)給的，能夠自動(dòng)完成各種輪廓和曲面的加工。加工中心直線(xiàn)工作臺(tái)主要在數(shù)控系統(tǒng)控制下完成縱向（X方向）和橫向（Y方向）進(jìn)給。為了實(shí)現(xiàn)任意角度和在切削過(guò)程中轉(zhuǎn)臺(tái)能夠回轉(zhuǎn)，加工中心還要設(shè)置數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這樣加工中心就多了一個(gè)NC坐標(biāo)，能夠完成更加復(fù)雜的見(jiàn)曲面的加工。加工中心常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它們的功用各不相同。分度工作

19、臺(tái)的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動(dòng)換刀裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個(gè)面的加工。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)除了分度和轉(zhuǎn)位的功能外，還能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的可拆卸夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái), 具有兩大優(yōu)點(diǎn)： 第一, 使用時(shí), 工作臺(tái)如夾具固定在直線(xiàn)進(jìn)給工作臺(tái)的T 形槽內(nèi), 不用時(shí), 即可拆下, 工作臺(tái)是一個(gè)獨(dú)立體, 可以由幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床共用; 第二, 本結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)高溫、高速和便于保證裝配精度的特點(diǎn)。工作臺(tái)的進(jìn)給精度和性能，直接影響加工中心的加工精度和性能。所以，只有有了進(jìn)給精度高、性能安全可靠的直線(xiàn)工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，加工中心才能精確完成各種輪廓和曲面的加工，加工出高質(zhì)量的零件。1.操縱面板 2

20、.驅(qū)動(dòng)電柜 3.冷卻液箱 4.床身 5.滑座 6.切屑箱 7.X軸伺服電機(jī) 8.工作臺(tái) 9.機(jī)械手 10.刀庫(kù) 11.主軸箱 12.數(shù)控柜 13.刀庫(kù)電機(jī) 14.Z軸電機(jī) 15.主軸電機(jī) 16.吊運(yùn)孔 17.間歇潤(rùn)滑油箱 18.立柱圖1-1 立式加工中心的組成- 44 -第二章 加工中心工作臺(tái)的主要部件第二章 加工中心工作臺(tái)的主要部件2.1 加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)是一機(jī)床移動(dòng)位置為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置輸出的電脈沖信號(hào)，是機(jī)床工作臺(tái)、主軸等移動(dòng)部件按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位置要求做相應(yīng)的移動(dòng)，并對(duì)其定位精度加以控制。加工中心性能在很大程度上取決于進(jìn)給伺服系

21、統(tǒng)的性能。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床成型運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分，其傳動(dòng)質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能。加工中心的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象被加工工件最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。加工中心對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)等方面。為滿(mǎn)足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。因此加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)需滿(mǎn)足如下要求。（1）高的傳動(dòng)精度與定位精度 加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和定位精度，是機(jī)床最重要的性能指標(biāo)。傳動(dòng)精度直接影響機(jī)床加工輪廓面的精度，定位精度直接關(guān)系到加工的尺寸精度。（2）寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 為保證加工中心

22、在不同工況下對(duì)進(jìn)給速度的選擇，進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)該有較大的調(diào)速范圍。加工中心的伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般為3-10000mm/min。（3）快的響應(yīng)速度 所謂快速響應(yīng)，是指進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)指令信號(hào)的變化跟蹤要快，并能迅速趨于穩(wěn)定。目前，加工中心已較普遍的采用了伺服電動(dòng)機(jī)不通過(guò)減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方案。本次設(shè)計(jì)就是采用了這個(gè)方案來(lái)獲取快的響應(yīng)速度。（4）低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 此次設(shè)計(jì)采用的是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度雖然比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)整比較簡(jiǎn)單。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)角測(cè)量表較容易實(shí)

23、現(xiàn)。應(yīng)用非常廣泛。圖2-1 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖2.2 伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給指令信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為角位移或直線(xiàn)位移，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該滿(mǎn)足如下要求。（1）精度高。輸出位移有足夠的精度，即實(shí)際位移與指令位移之差要小。（2）應(yīng)該具有較長(zhǎng)時(shí)間的大過(guò)載能力，以滿(mǎn)足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)要求數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4-6倍而不損壞。（3）調(diào)速范圍寬，而且從最低速到最高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)均能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，特別是在低速（如0.1r/min或更低）時(shí)，速度平穩(wěn)而無(wú)爬行現(xiàn)象。（4）能承受頻繁振動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。在加工中心的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，

24、伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要采用交、直流伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便地在寬調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)極調(diào)速，故多用在對(duì)伺服電機(jī)的調(diào)速性能要求較高的加工中心上。交流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電動(dòng)機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出的功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%-70%，可達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。2.3 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)2.3.1 滾珠絲杠副特點(diǎn) 圖2-2 滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，它具有下列特點(diǎn)。（1）摩擦損失小、傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可達(dá)0.92-0.96，使普通滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的3-4倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的四分

25、之一。（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無(wú)爬行 由于存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦系數(shù)都很小，且其差值很小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)作靈敏 ，即使在低速情況時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。（3）軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時(shí)無(wú)空行程。（4）磨損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單 使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的4-10倍。（5）傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖。（6）同步性好。（7）有專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。2.3.2 滾珠循環(huán)方式滾珠循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大類(lèi)型。（1）內(nèi)循環(huán) 滾珠在循環(huán)過(guò)程中與絲杠始終保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)滾珠的回路短

26、，滾珠數(shù)目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸緊湊，軸向剛度高。（2）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)回路中與絲杠脫離接觸的稱(chēng)為外循環(huán)，根據(jù)滾珠回路結(jié)構(gòu)形式的不同可分為螺旋槽式、插管式、蓋板式。表2-1 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較種類(lèi) 特 點(diǎn) 循環(huán)圈數(shù) 螺母尺寸 圈數(shù) 列數(shù) 內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu) 通過(guò)反向器組成滾珠循環(huán)回路，每一個(gè)反向器組成1圈滾珠鏈。因此承載小。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。 1 2列以上 小 外循環(huán)結(jié)構(gòu) 通過(guò)插管組成滾珠循環(huán)回路，每一個(gè)插管至少1.5圈滾珠鏈，因此，承載大。適應(yīng)于小導(dǎo)程、一般導(dǎo)程、大導(dǎo)程與重型滾珠絲杠副。 1.5以上 1列以上 大 端蓋結(jié)構(gòu) 通過(guò)螺母兩端的端蓋組成滾

27、珠循環(huán)回路，每個(gè)回路至少1圈滾珠鏈，承載大。適應(yīng)于多頭大導(dǎo)程、超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。 1以上 2列以上 小 蓋板結(jié)構(gòu) 通過(guò)蓋板組成滾珠循環(huán)回路，每個(gè)螺母一個(gè)蓋板，每個(gè)蓋板組成至少1.5圈滾珠鏈。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副。 1.5以上 1 中圖2-3 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式圖2-4 外循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式2.3.3 軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法加工中心通常采用施加預(yù)緊力來(lái)消除間隙、提高傳動(dòng)剛度。滾珠絲杠螺母軸向間隙和預(yù)緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，即通過(guò)調(diào)整雙滾珠螺母的軸向相對(duì)位置，使兩個(gè)螺母的滾珠分別壓向螺旋滾道的兩側(cè)面。但滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)間隙調(diào)整的精度要求高，要求能做微調(diào)以獲得準(zhǔn)確的間隙

28、或預(yù)緊量。常用的方法有下列幾種。（1）墊片調(diào)隙式 通常用螺釘來(lái)連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，已達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，并且在工作中不能隨意調(diào)整，除非更換厚度不同的墊片。（2）螺紋調(diào)隙式 其中一個(gè)螺母的外端有凸緣而另一螺母的外端沒(méi)有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個(gè)圓螺母固定。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)緊力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺母把它鎖緊。（3）齒差調(diào)隙式 在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪。這種調(diào)整方法精確可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于對(duì)調(diào)整準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)合

29、。2.3.4 滾珠絲杠的安裝加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)要求獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。加工中心由于要求具有高精度、高進(jìn)給速度，因此常采用一端固定，一端游動(dòng)以及兩端固定的絲杠安裝形式。 （1）一端固定一端游動(dòng) 對(duì)于高精度、中等轉(zhuǎn)速較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠伸長(zhǎng)的影響，常采用一端軸向固定的支承方式。這種支承形式的特點(diǎn)安裝時(shí)需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲杠的軸向剛度比兩端固定低；絲杠有熱膨脹的余地。（2）兩端固定 對(duì)于高精度、高速旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠應(yīng)該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施

30、加預(yù)緊拉力，可采用兩端固定方式，并可在絲杠一端安裝碟型彈簧和調(diào)整螺母，既能對(duì)絲杠施加預(yù)緊力，又能讓彈簧來(lái)補(bǔ)償絲杠的熱變形，保持預(yù)緊力幾乎不變。這種支承形式的剛度最高，只要軸承無(wú)間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍。安裝時(shí)需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難；絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高；可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補(bǔ)償熱膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜；要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱(chēng)行程，減少量等于拉伸量。因此這種形式適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合，絲杠的支承軸承應(yīng)采用滾珠絲杠專(zhuān)用軸承，這是一種特殊的向心推力

31、球軸承。絲杠兩端軸承座孔與滾珠螺母座孔保證嚴(yán)格的同軸度，同時(shí)保證滾珠絲杠螺母與座孔的配合良好以及孔對(duì)端面的垂直度，保證軸承支座和螺母支座的整體剛度、局部剛度、接觸剛度等。 圖2-5 滾珠絲桿的安裝2.3.5 滾珠絲杠螺母的計(jì)算和選用滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負(fù)載表示，其動(dòng)、靜載強(qiáng)度計(jì)算原則與滾動(dòng)軸承相類(lèi)似。一般根據(jù)額定負(fù)載表示，其動(dòng)、靜載強(qiáng)度計(jì)算原則與滾動(dòng)軸承相類(lèi)似。一般根據(jù)額定動(dòng)載荷選用滾珠絲杠副，只有當(dāng)n10r/min時(shí)，按額定動(dòng)載荷選用。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)承受壓縮的滾珠絲杠副需做壓桿穩(wěn)定性計(jì)算；對(duì)于高速、支承距大的滾珠絲杠副需要做臨界轉(zhuǎn)速的校核；對(duì)于精度要求高的傳動(dòng)要進(jìn)行剛度驗(yàn)算，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校核

32、，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)還要進(jìn)行諧振頻率的驗(yàn)算。在選擇滾珠絲杠螺母的過(guò)程中，一般首先根據(jù)動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算或靜載強(qiáng)度計(jì)算來(lái)確定其尺寸規(guī)格，然后對(duì)其剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。2.4 伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接采用鍵連接，鍵用于連接軸和軸上的傳動(dòng)件,使軸和傳動(dòng)件不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳遞扭矩或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。常用鍵的型式有：普通平鍵、半圓鍵和鉤頭楔鍵。圖2-6 常用普通平鍵 A型 B型 C型 半圓鍵 鉤頭楔鍵普通平鍵分A型、B型、C型，本設(shè)計(jì)中所用到的鍵有普通A型平鍵、C型平鍵、半圓鍵。2.5 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)加工中心是一種高頻率的加工設(shè)備，當(dāng)零件被裝夾在工作臺(tái)上以后，為了盡可能完成較多工藝內(nèi)容，除了要求機(jī)床有沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)

33、軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)之外，還要求工作臺(tái)在圓周方向有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和分度運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)通常用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要功能有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給分度運(yùn)動(dòng)，即在非切削時(shí)，裝有工件的工作臺(tái)在整個(gè)圓周（360°范圍內(nèi)）進(jìn)行分度旋轉(zhuǎn)；二是實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)圓周方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即在進(jìn)行切削時(shí)，與X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，加工復(fù)雜的空間曲面。所設(shè)計(jì)的加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是由傳動(dòng)系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪蝸桿等傳動(dòng)裝置組成的。2.6 加工中心本體設(shè)計(jì)2.6.1 支承件的基本要求支承件受力受熱后的變形和振動(dòng)將直接影響機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。因此，正確設(shè)計(jì)支承件結(jié)構(gòu)、尺寸及布局具有十分重要的意義。它們應(yīng)滿(mǎn)足

34、下列要求：（1）剛度要求 支承件的剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱(chēng)為靜剛度，后者為動(dòng)剛度。靜剛度取決于支承件本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。動(dòng)剛度不僅與靜剛度有關(guān)，而且與支承系統(tǒng)的阻尼和固有頻率有關(guān)。（2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度、支承件的固有頻率、支承件的阻尼、支承件的支承情況、支承件的材料等。抵抗受迫振動(dòng)的能力是指受迫振動(dòng)的振幅不超過(guò)許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振動(dòng)的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。實(shí)際中常常通過(guò)選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善

35、支承件的支撐情況等措施來(lái)增加支承件的抗振性。（3）熱變形要求 機(jī)床工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械摩擦及切削過(guò)程等都會(huì)發(fā)熱，機(jī)床周?chē)h(huán)境溫度的變化也會(huì)引起支承件溫度變化產(chǎn)生熱變形，從而影響機(jī)床的工作精度和幾何精度。因此應(yīng)對(duì)支承件的熱變形及熱應(yīng)力加以控制。影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱及外部熱源。通過(guò)采用熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、隔離熱源、強(qiáng)制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。（4）內(nèi)應(yīng)力要求 支承件在鑄造、焊接及粗加工的過(guò)程中，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。在使用中，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布和逐漸消失會(huì)使變形增大，超出許用的誤差范圍。支承件的設(shè)計(jì)應(yīng)從結(jié)構(gòu)上和材料上保證其內(nèi)應(yīng)力要小，并應(yīng)

36、在焊、鑄等工序后進(jìn)行時(shí)效處理。（5）其他 支承件還應(yīng)使排屑通暢，操作方便，吊運(yùn)安全，切削液及潤(rùn)滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。支承件的性能對(duì)整臺(tái)機(jī)床的性能影響很大，其重量約為機(jī)床總重的80%以上，因此，應(yīng)正確地對(duì)支承件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)主要支承件進(jìn)行必要的驗(yàn)證和試驗(yàn)，使其能夠滿(mǎn)足對(duì)它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節(jié)省材料。2.6.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)由于加工中心的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)其執(zhí)行部件沿著它的床身、立柱、橫梁等支承大件的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)軌的作用是用來(lái)支撐和引導(dǎo)機(jī)床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌的剛度以及摩擦特性又對(duì)執(zhí)行部件的定位精度有重要影響，因此，導(dǎo)軌是加工中心進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)

37、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的基本要求是：a. 導(dǎo)向精度要高 導(dǎo)向精度是指機(jī)床執(zhí)行部件的動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌的直線(xiàn)度（對(duì)于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌）或圓度。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾何精度，導(dǎo)軌的接觸剛度，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，動(dòng)導(dǎo)軌及導(dǎo)軌的剛度和熱變形，還有裝配質(zhì)量。導(dǎo)軌的幾何精度一般用低速下的導(dǎo)向精度來(lái)衡量。對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌而言，檢驗(yàn)的內(nèi)容主要是導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)的直線(xiàn)度。在水平面內(nèi)，兩條導(dǎo)軌的還有平行度的要求。b. 精度保持性要好 精度保持性是指導(dǎo)軌保持其原始精度的時(shí)間是否足夠長(zhǎng)。導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保持性。動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起導(dǎo)軌的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，從而影響機(jī)床的加工精度。此外，導(dǎo)

38、軌的結(jié)構(gòu)形式和導(dǎo)軌材料也與精度保持性有關(guān)。c. 有足夠的剛度 因?yàn)闄C(jī)床執(zhí)行部件在工作過(guò)程中所承受的各種阻力，最后都轉(zhuǎn)化到導(dǎo)軌面來(lái)承受。如果導(dǎo)軌在載荷的作用下產(chǎn)生過(guò)大的變形，不僅破壞了導(dǎo)向精度，惡化了導(dǎo)軌的工作條件，而且使機(jī)床各部件間的相對(duì)位置發(fā)生變化。導(dǎo)軌的剛性主要取決于導(dǎo)軌類(lèi)型、結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小、導(dǎo)軌與床身的連接方式，還取決于導(dǎo)軌材料和表面加工質(zhì)量。d. 有良好的摩擦特性 機(jī)床在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行，將影響低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。爬行與導(dǎo)軌的摩擦特性有關(guān)，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)越小，并且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)越接近，則導(dǎo)軌低速運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，將不會(huì)產(chǎn)生爬行，這對(duì)于精度要求較高的加工中心來(lái)說(shuō)尤其重要。e. 加

39、工工藝性要好 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，要注意到制造、調(diào)整和維護(hù)的方便；力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好和經(jīng)濟(jì)性好，而且要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑措施等等。 本設(shè)計(jì)采用的是直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分。導(dǎo)軌通常有兩根，裝在支承件上，每根導(dǎo)軌條上有兩個(gè)滑塊，固定在移動(dòng)件上。在兩條導(dǎo)軌條中，一條為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，上有基準(zhǔn)面，另一條為從動(dòng)導(dǎo)軌。第三章 加工中心的工作臺(tái)和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三章 加工中心的工作臺(tái)和伺服進(jìn)給的設(shè)計(jì)加工中心工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的。伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能,在很大程度上決定了機(jī)床的性能。因此, 研究和開(kāi)發(fā)高性能伺服進(jìn)給系統(tǒng),始終是研究現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵之一。本文所介紹的加工中心為立

40、式,其工作臺(tái)可進(jìn)行X 和Y 向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng), 另外工作臺(tái)上面可固定夾具式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)( Z 向轉(zhuǎn)動(dòng)) 。使用時(shí),回轉(zhuǎn)工作臺(tái)如夾具固定在直線(xiàn)進(jìn)給工作臺(tái)的T 形槽內(nèi), 不用時(shí)即可拆下。文中除作了工作臺(tái)、滾珠絲杠副、伺服電機(jī)、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算外,還作了傳動(dòng)精度計(jì)算、絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率驗(yàn)算。3.1 工作臺(tái)的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)3.1.1 主要參數(shù)的確定 工作臺(tái)面尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：900 ×500 ×50 ，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)面尺寸(直徑×高) ：320 ×222 ,材料為HT200。設(shè)定工作臺(tái)進(jìn)給速度為11500mm/ min ,快速進(jìn)給速

41、度15m/ min ,工作臺(tái)X向工作行程為750mm , Y向工作行程為500mm ,銑削最大直徑為100mm。3.1.2 工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重初估直線(xiàn)工作臺(tái)質(zhì)量G1 = Vg = 7.85×103 ×900×500×50×9.81×10-9 = 1733N回轉(zhuǎn)工作臺(tái)質(zhì)量G2 = Vg = 7.85×103 ××1602×222×9.81×10-9 = 1362N工作臺(tái)承重初估為G3=4500N根據(jù)以上估算得總的質(zhì)量為G= G1+ G2+ G3=1733+1363+4500

42、7600N3.1.3 切削力估算根據(jù)最大切削條件為：端銑刀直徑為100mm, Z=10齒，每齒進(jìn)給量 S齒=0.13mm/齒，工件寬度B=80mm,加工b=80kg/mm的高碳鋼。查銑工工藝學(xué)中級(jí)本得：切削力p=4230N/mm2,則得切向銑削力： 查銑工工藝學(xué)中級(jí)本得：縱向切削力橫向切削力垂直切削力3.2 縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)與直線(xiàn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 工作臺(tái)伺服進(jìn)給傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)在整個(gè)加工中心設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，其關(guān)系到加工中心的使用性能和加工精度。下面就加工中心進(jìn)給傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌和伺服電動(dòng)機(jī)的選擇問(wèn)題等進(jìn)行討論。3.2.1 滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算在本設(shè)計(jì)中,電機(jī)

43、和絲杠直接相連,傳動(dòng)比為1 ,選擇電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速1500r/ min ,最大轉(zhuǎn)矩Mmax=1570kgf·cm，工作負(fù)載的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌, 從而設(shè)定摩擦系數(shù), 可算出最大牽引力。（1） 絲杠的導(dǎo)程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm（2） 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=0.1r/min則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算t1=2t2）為Nm = = 1000r/min（3） 確定絲

44、桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.0025-0.005，取摩擦系數(shù)為0.0026，則絲杠所受的最大牽引力為Fmax=KFX+f(FY+FZ+G)其中，K為顛覆力矩影響系數(shù)，K一般取為1.1-1.15，現(xiàn)取K為1.10，則得最大工作負(fù)載：Fmax=1.1×1715+0.0026×(4410+2573+7600)1924.5N而絲杠的最小工作負(fù)載荷為摩擦力為Fmin= fG =0.0026×760020N故其等效載荷可按下式計(jì)算（估算t

45、2=t1;n2=2n1）Fm=()1/3=1334N（4） 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷查表，取絲杠的工作壽命Th為15000h，同時(shí)取精度系數(shù)fa=1，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)fw=1.5，溫度系數(shù)ft=0.95，硬度系數(shù)fh=1，可靠性系數(shù)fk=0.53，平均轉(zhuǎn)速為1000r/min。60Thnm=60150001000=900106r查表選用插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號(hào)CDM5010-3，絲杠公稱(chēng)直徑為50mm,基本導(dǎo)程Ph=10mm，其額定動(dòng)載荷Ca = 38547N（Ca>），額定靜載荷Coa=112978N，圈數(shù)×列數(shù) = 1.5×2，絲杠螺母副的接觸剛度KC

46、為1692N，螺旋升角=3°39，絲杠底徑42.3mm，螺母長(zhǎng)度為170mm，取絲杠的精度為1級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片式預(yù)緊。（5） 臨界壓縮負(fù)荷Fcr確定絲杠螺紋部分的長(zhǎng)度Lu。Lu等于工作臺(tái)的最大行程(750mm)加上螺母長(zhǎng)度(170mm)加兩端余程(40mm)。Lu為1000mm。支承跨距L1應(yīng)略大于Lu，取為:L1=1200mm。絲杠全長(zhǎng)為L(zhǎng)=1340mm。臨界壓縮負(fù)荷Fcr為Fcr = K1 Fmax式中 E材料的彈性模量，E = 2.1×1011N/m2 ； I絲杠最小截面慣性矩：I = = =；L0最大受壓長(zhǎng)度，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取L0=1140mm；K1安全系

47、數(shù)，一般取K1=1/3；Fmax最大軸向工作載荷，F(xiàn)max = 1924.5N；f1絲杠支承方式系數(shù),查表的f1=2，則Fcr= =1.7105N>Fmax=1924.5N可見(jiàn)Fcr遠(yuǎn)大于Fmax，滿(mǎn)足要求。（6） 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算 Ncr r/min式中 A絲杠最小橫截面：m2Lc臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度：=1045mm1.05m，取Lc=L1=1.2m； K2安全系數(shù)，一般取0.8； 材料的密度： = f2絲杠支承方式系數(shù)，查表f2=3.927,則ncr=99103.9272=4489r/min>nmax=1500r/min 可見(jiàn)ncr遠(yuǎn)大于nmax，滿(mǎn)足要求。 考慮到本設(shè)計(jì)的絲杠較長(zhǎng)，故

48、采用一端固定，另一端游動(dòng)的支撐方式，固定端選用成對(duì)絲杠專(zhuān)用軸承組合，型號(hào)為30TAC62A，其額定動(dòng)載荷Ca=33320N，預(yù)緊力Ft為3040N。（7） 計(jì)算軸承動(dòng)負(fù)荷 壽命系數(shù)為： fh=式中 fh壽命系數(shù)； L10h可靠性為90%的額定壽命，取為10000h；fn轉(zhuǎn)速系數(shù)：；計(jì)算轉(zhuǎn)速nj取最高轉(zhuǎn)速，取nj=1500r/min；故能滿(mǎn)足要求。游動(dòng)端的支承查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選深溝球軸承，型號(hào)為6206。3.2.2 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇采用兩根滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副，每根導(dǎo)軌上有兩個(gè)滑塊，其總負(fù)荷為P=7600+2573=10173N單向行程長(zhǎng)度為0.75，每分鐘往返次數(shù)n=4，每日平均開(kāi)機(jī)6個(gè)小時(shí)，使用

49、5年以上，每年300個(gè)工作日。每個(gè)滑塊上的計(jì)算載荷為選四方向等效載荷型，型號(hào)為GGB35AA1300。額定動(dòng)載荷 C=35.1KN額定靜載荷 C0=47.2KN。3.2.3 縱向直線(xiàn)位移工作臺(tái)結(jié)構(gòu)1.悶蓋 2.深溝球軸承 3.導(dǎo)軌 4.工作臺(tái) 5.內(nèi)六角圓柱頭螺釘 6滾珠絲杠副 7.絲杠 8.套杯 9.滾珠絲杠專(zhuān)用軸承 10.調(diào)整環(huán) 11.通蓋 12.圓螺母 13.密封圈 14.安裝孔蓋 15.聯(lián)軸器 16.伺服電機(jī) 17.連接板18.壓板 19.彈性擋圈圖3-1 X向伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2.4鍵的選擇及校核公稱(chēng)直徑22、鍵長(zhǎng)l=25、b×h=6×6、=3.5鍵的校核由于為

50、靜連接鍵采用抗擠壓校核即其中T=153860N/mm、經(jīng)校驗(yàn)滿(mǎn)足要求3.2.5聯(lián)軸器的選擇及校核查聯(lián)軸器、離合器設(shè)計(jì)與選用指南>知GY型聯(lián)軸器采用絞制孔螺紋實(shí)現(xiàn)兩半聯(lián)軸器的鏈接傳遞轉(zhuǎn)矩和保證對(duì)中精度，連接螺栓個(gè)數(shù)較少，拆裝市軸不需要做軸向移動(dòng)但螺紋孔需配絞。選擇GY3凸緣聯(lián)軸器型號(hào)為型L=38、D=100、s=6轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.0025質(zhì)量2.38m/kg由于采用絞制孔螺栓連接，是由螺栓孔壁的擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩的，這時(shí)應(yīng)驗(yàn)算螺栓連接的剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度的驗(yàn)算螺栓性能等級(jí) 9.8級(jí) 螺栓許用切應(yīng)力 查機(jī)械設(shè)計(jì)表6.4得=3.5螺栓的許用擠壓應(yīng)力查機(jī)械設(shè)計(jì)表6.4得查聯(lián)軸器、離合

51、器設(shè)計(jì)與選用指南知剪切強(qiáng)度擠壓強(qiáng)度鍵的校核由于鍵之間采用靜連接需校核鍵的抗擠壓校核T=經(jīng)校核滿(mǎn)足抗抗擠壓強(qiáng)度要求3.2.6伺服電機(jī)的選擇 選用FANUC - BESK寬調(diào)速直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),型號(hào)為FB - 15 ,半閉環(huán)控制。制動(dòng)器、測(cè)速機(jī)、編碼器配裝在電機(jī)內(nèi)部。它屬于永磁型多極電機(jī),其特點(diǎn)是:定子磁極是高性能鐵氧體,能承受高的峰值電流,加速性能好;轉(zhuǎn)子慣量大,在1r/min 低速下仍能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)系統(tǒng)增益Ks 為18 (1/ s) ,則速度環(huán)開(kāi)環(huán)增益Kvos為54(1/ s) 。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算各部分折算至絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,聯(lián)軸節(jié)及鎖緊螺母等傳動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc , 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js , 工

52、作臺(tái)等移動(dòng)件的換算值Jw ,加上電機(jī)FB - 15 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM , 全部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相加得Jr =0.45(kgf·cm·) ,驗(yàn)算： 滿(mǎn)足慣量匹配原則，即 加速能力驗(yàn)算：工作臺(tái)能達(dá)到的最大加速度 系統(tǒng)要求最大加速度 加速能力符合設(shè)計(jì)要求。 對(duì)數(shù)控機(jī)床,由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求較高,所以電機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度。 Tamax= 滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速匹配要求。3.2.7傳動(dòng)精度的設(shè)計(jì) 滾珠絲杠的拉壓剛度：Ks=當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí), 有最大和最小拉壓剛度,其中L 值分別為750mm和100mm。則： 滾珠絲杠螺母的接觸剛度為: Kc = 1692N/m,滾珠絲杠用軸承的軸向接觸剛度:

53、KB = 1080N/m,算得最小機(jī)械傳動(dòng)剛度：算的最大機(jī)械傳動(dòng)剛度：因此得到由于機(jī)械傳動(dòng)裝置所引起的定位誤差為：其中F0為空載時(shí)導(dǎo)軌的摩擦力。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選用的是1 級(jí)滾珠絲杠,其任意300mm的導(dǎo)程公差為±6m ,機(jī)床定位精度0.012mm/ 300mm。所以<1/5= 2.4m ,可以滿(mǎn)足由于傳動(dòng)剛度變化所引起的定位誤差小于(1/ 31/ 5) 機(jī)床定位精度的要求。再加上半閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償,定位精度能進(jìn)一步提高。由于采用了滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌,因此由靜摩擦力引起的重復(fù)定位精度也很小,一般能滿(mǎn)足重復(fù)定位精度±0.006mm的要求。3.2.8絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率驗(yàn)

54、算由以上計(jì)算可知:軸承的接觸剛度KT = 1080N/m ,絲杠螺母的接觸剛度KC = 1692N/m ,絲杠的最小拉壓剛度Ksmin = 393.3N/m ,螺母座剛度KH =1000N/m。 (a).軸向拉壓總剛度 固定簡(jiǎn)支方式的軸向拉壓剛度Ke由下式計(jì)算：得到 Ke=217 N/m(b).絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率=由計(jì)算可知絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1500r/ min ,所以能滿(mǎn)足要求。(c).絲桿的扭轉(zhuǎn)剛度(d).平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ;絲杠上傳動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,則絲杠扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率T：顯然絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1500r/ min。所以,能滿(mǎn)足要求。本次設(shè)計(jì)中

55、滾珠絲杠副的潤(rùn)滑使用鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。滾動(dòng)軸承采用脂潤(rùn)滑,填充在螺母內(nèi)部及涂在絲杠螺紋滾道上,滾珠絲杠副防護(hù)用全封閉式鐵皮防護(hù)罩。3.3橫向伺服進(jìn)給系統(tǒng)與直線(xiàn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)3.3.1滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算在本設(shè)計(jì)中,電機(jī)和絲杠直接相連,傳動(dòng)比為1 ,選擇電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速1500r/ min ,最大轉(zhuǎn)矩Mmax=1570kgf·cm，工作負(fù)載的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌, 從而設(shè)定摩擦系數(shù), 可算出最大牽引力。（一）絲杠的導(dǎo)程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm（二） 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=0.1r/min則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算t1=2t2）為Nm = = 1000r/min（三）確定絲桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.0025-0.005，取摩擦系數(shù)為0.0026，則絲杠所受的最