立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真论文

立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 摘要 ： 本书简述机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本书详细介绍了立式数控铣床主传动系统的设计过程，该立式数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点。书中介绍了立式数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计 算、主轴组件的设计、轴承的选用基润滑、关键零件的校核、以及主轴电动机的控制等设计过程。 关键词 ： 立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承；主轴电动机 of of a NC of of a NC of in of is by as is as of of of of of NC of 关键词 ： 立式数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承；主轴电动机 目 录 . 1 . 1 . 2 . 8 立式数控铣床主传动系统简介 . 8 立式数控铣床主传动系统的要求 . 8 传动的类型及方案选择 . 9 . 11 算切削功率 . 11 . 11 . 11 . 12 算主传动功率 . 12 速级数 . 13 动机的功率的确定 . 13 . 14 级变速箱的传动系统变速机构的确定 . 14 . 16 . 16 . 16 立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 主轴材料 . 16 . 16 . 16 . 18 . 18 . 19 轴段直径与的确定 . 19 高主轴强度的措施 . 20 的结构工艺性 . 21 . 21 . 21 度校核计算 . 22 5. 轴承的设计 . 26 . 26 . 26 承游隙等级的选择 . 27 承的寿命计算 . 27 . 28 . 28 . 28 . 29 承的润滑 . 30 . 31 . 32 . 32 . 32 . 34 . 34 . 34 . 35 . 37 总结 . 41 致谢 . 42 参考文献 . 43 述 数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。一般情况下，在数控铣床上可以加工平面曲线轮廓。 数控铣床也像通 用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆 、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。 综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。 数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点： 易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度 ，减少所需工人数量等。 数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 2 性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。 数控机床是高精度和高生产 率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。 控机床的发展 随着机械制造生产模式 的演变 ,对机械制造装备提出了不同的要求 0 年代“刚性 ”生产模式下，通过提高效率，自动化程度 ,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济 ”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高 ,采用拟实制造和快速成形制造技术。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加 专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致 “刚性 ”强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是 “一个工人，一把刀，一台机床 ”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距 ,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中 国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们 3 应该能进世界前 4名。 数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华 中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。 机床精度 工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等 5 种。 前我们国家内承认的大致是四种体系：德国 准、日本 准、国际标准 准、国标 标和国际标准差不多。 看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到 准 .、统计法 ),就是一台高精度机床，在 准 .、统计法 )以 下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。 只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。 目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（ 宁夏银川投资建了名为 “宁夏小巨人机床公司 ”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产 600 台，目前正在建 2 期工程，建成后可以年产 1200 台。 2. 2003 年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床 和立式加工中心 120 台左右。 3. 2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为 1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 前生产能力不知。 生产能力 800 台。 民营企业进入机床行业情况 2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力 300 台。 2 2004年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 3 2002 年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。 军工企业技改情况 军工企业得到国家拨款开始于当年 “大使馆被炸 ”，后来台湾阿立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 4 扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近 3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能 “顶 ”三年，我们的整体水平会上一个台阶。 其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过 10 年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础 离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标 较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。 我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在 800010000 转 /分以上的数控机床。 我国数控机床行业近年来大力推广应用 多企业已开始和计划实施应用 和电子商务。如，济南第二机床集团有 限公司的 及率达 100%，是国家级“ 企业的 系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。 但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 （ 1） 信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术 5 开 发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、 复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 （ 2） 产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000 小时以上，国内自主开发的数控系统仅 3000时；整机平均无故障工作时间国外达 800小时以上，国内最好只有 300小时。 (3)创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求 。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 基于 数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前 数控技术发展的新趋势。它是利用 计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现 集成。随着 术的发展，当前又出现了 编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 据库获 得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 6 断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 (1)是高速加工技术发展迅速 高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展 趋势 高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到 10秒、 3 秒、 1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。 (2)是精密加工技术有所突破 通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采 用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每 8 年提高 1 倍，从 1950 年至2000 年 50 年内提升 100 倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到 1m，进入亚微米超精加工时代。 (3)是技术集成和技术复合趋势明显 技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型 车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合 金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到 零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床 复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。 (4)是数字化控制技术进入了智能化的新阶段 数字化控制技术发展经历了三个阶段 :数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监 控可以实现 7 工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通 受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误 差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。 (5)是极端制造扩张新的技术领域 极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型 舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制； 业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。 式数控铣床主传动系统简介 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统 和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 在主传动系统方面，具有下列特点： (1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。 (2)转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 (3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般 100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 (4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。 立式数控铣床主传动系统的要求 （ 1） 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。 （ 2） 主电动机具有足够的功率，全 部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足 9 机床的动力要求。 （ 3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。 （ 4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 （ 5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 传动的类型及方案选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速 。 为了适 应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式 1具有变速齿轮的主传动 这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图 部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。 图 图 图 通过带传动的主传动 通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图 3由调速电机直接驱动的主传动 这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图 立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 10 近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工 中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达 20000r/ 本次设计采用 调速电机直接驱动的主传动 。 使主轴获得较高的转速 和骄傲大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用 调速电机直接驱动的主传动 。 算切削功率 削力的计算 铣削时的切削力，公式如下 0 . 7 40 . 8 60 . 8 60 . 9 8 （ 3 式中 铣削时的主切削力（ N） 加工材料影响的系数 每齿进给量（ 背吃刀量（ B 铣削宽度 Z 铣刀齿数 D 铣刀直径 (用直径 D =50四齿锥柄立铣刀，铣刀宽 B =40刚工件， 468 计算得：32N 削功率的计算 切削时所消耗的功率称为切削功率 。 切削功率的公式计算： 立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 12 6000C （ 3 式中： 切削功率（ 切削力（ N） 切削速度（ m/ 根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取 00m/算得： 主轴转速范围的确定 主轴最高转速为 4 0 0 0 /m a x r m ，最低转速为 4 0 /m in r m 算主传动功率 用下列粗略估算主电动机的功率 （ 3 式中，C为铣床主传动系统总机械效率，主运动为回转运动时，0 ；主运动为直线运动时， 0 。 取主传动的总效率 =初选电动机功率 2 . 2 / 0 . 7 3 . 1 4d 取 4d 电动机额定转速为 1 5 0 0 /d r m ； 额定最高转速为 13 m a x 4 5 0 0 /d r m 速级数 如取变速箱的公比 3 则由于无级变速时 1p d 故变速箱的变速极数 lg l g 1 9 . 5 2 . 7 0 4l g 3 可取 Z=3 （ 3 虽然此中方法功率特性图示连续的、无缺口 (即没有功率降低区 )和无重但是 Z=3，变速箱机构较复杂。 因此为简化变速箱机构，取 Z=2。 动机的功率的确定 由公式（ 3 4）可知，应增大f 即 所以 比 3大很多。 此时变速箱每挡内有部分低转速只能恒 转矩变速，主传动系统的功率特性图中出现缺口区。 缺口处的功率为 / 3 4 / 4 . 4 2 2 . 7 1d p d fP k 低谷处功率应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。所以选用 交流变频电动机。 则缺口处的功率为 / 3 5 . 5 / 4 . 4 2 3 . 7 3d p d fP k 。有很大的改善。 立式数控铣床主轴部件设计及铣床加工仿真 14 动机参数 电动机性能指标 电机采用 型号： 434,主要技术指标如下。 （ 1）电压 :三相 380V/50 （ 2）变频调速范围 :5 1005 5050 100级数为 4级 ,额定转速 1440r/（ 3）电机应能承受额定转矩的 60%过载 ,历时 1速时转矩平滑 ,无爬