毕业设计（论文）-立式加工中心设计与机床刚度分析.docx

目录摘要2Abstract3第一章 概述41.1 加工中心的发展状况41.1.1 加工中心的国内外发展41.1.2 立式加工中心简介51.1.3 立式加工中心的研究进展51.1.4 加工中心发展趋势51.2 课题的目的及内容61.2.1毕业设计内容61.2.2毕业设计的基本数据61.3 课题拟解决的关键问题7第 2 章 立式加工中心的机械结构部分82.1 加工中心的机械结构组成82.1.1 基础支承件82.1.2 进给传动系统82.1.3 主传动系统82.1.4 辅助装置82. 2机械结构部分的特点8第 3 章 总体设计方案的拟定103. 1 设计题目103. 2 主要内容103. 3 拟定总体设计方案103.3.1 拟定总体设计方案的设计原则103.3.2 拟定总体设计方案10第 4 章 基础结构部件的设计124.1 床身的设计124.1.1 床身的作用124.1.2 床身的基本要求124.1.3 床身结构设计及材料选择134.1.4 床身的肋板布置和截面的形状134.2 立柱的设计144.2.1 设计立柱的基本要求144. 2. 2 立柱的结构设计144. 2. 3 立柱导轨形式及精度144. 2. 4 立柱与床身的联结154. 3 工作台的设计154. 3. 1 工作台的设计尺寸图154. 3. 2 工作台的其他结构设计154. 3. 3 工作台的材料164. 4 导轨的设计164. 4. 1 导轨的功用及要求164. 4. 2 导轨的结构类型174. 4. 3 滚动导轨的材料174. 4. 4 直线滚动导轨的技术要求184. 4. 5 滚动导轨的设计计算18第五章 丝杆设计195.1滚珠丝杠副的设计计算195.2伺服电机的选择205.2. 1 伺服电机的选型条件205. 2. 2 X向伺服电机的选择20第六章 电动机与联轴器的选择216.1电动机的选择216.1.1进给电动机的选择216.2 联轴器的设计计算21第七章 基于ANSYS的铣床立柱刚度分析237.1目的与意义237.2刚度分析237.2.1模型建立并导入到workbench237.2.2 划分网格237.2.3 施加载荷24第八章 结论27致谢28参考文献29摘要本设计完成了立式加工中心的设计并介绍了立式加工中心的一些基本概况包括加工中心的国内外发展、研究进展、发展趋势。该机床再配置一个CNC系统就构成了一台完整的立式加工中心。针对了加工中心机械结构部分进行了动静刚度分析、抗振性分析、热稳定性分析。在设计中主要对基础结构部件、进给传动系统、主传动系统和一些辅助装置进行了选型及设计计算。对其机械机构部分进行分析包括静、动刚度计算、抗振性、热稳定性。(1)基础结构部件包括床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型。其中工作台随螺母旋转而移动，其螺母是磨损元件。(2)进给传动系统中滚珠丝杠副 、伺服电机 、滚珠丝杠轴上轴承以及伺服电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型。(3)主传动系统中的设计计算，主轴箱配重的设计及相关零件的强度校核。包括主轴电机的选用，主轴的结构设计、受力分析、强度以及刚度校核、主轴轴承的类型、配置、同步带的设计、键的设计。(4）辅助装置中刀库结构选型设计及换刀机构选型。（5）电动机与联轴器的选择，包括进给电动机、联轴器的设计计算。（6）对本次设计的总结以及一些设计心得。关键词：加工中心、机械结构部件、滚珠丝杆、主轴组件、电动机、联轴器。全套图纸加扣3012250582 AbstractThis design has completed the design of vertical machining center and introduces some basic situation of vertical machining center processing center development at home and abroad, the research progress and development trend. The machine configuration of a CNC system constitutes a complete vertical machining center. The static and dynamic stiffness analysis, vibration resistance analysis and thermal stability analysis of the mechanical structure of the machining center are carried out.In the design of the main structural components, on the basis of the feed drive system and main driving system and some auxiliary device for the calculation selection and design. The mechanical part of the analysis, including static calculation, anti vibration, thermal stability and dynamic stiffness.(1)The design calculation and selection of basic structural components including bed, column, table, guide. The working table is moved with the screw nut, and the nut is a wear element.(2)Design calculation and selection of ball screw pair, servo motor, ball screw shaft bearing and servo motor and feed lead screw in feed drive system.(3) In the main transmission system design and calculation, strength check design of spindle box counterweight and related parts. Including the selection of spindle motor, spindle structure design, stress analysis, strength and stiffness checking, spindle bearing type, configuration, synchronous belt design, key design.(4) Auxiliary device in database structure design and selection of knife tool changing mechanism selection.(5) Motor and coupling selection, design and calculation, including feed motor coupling.(6) A summary of this design and some design experience.Keywords: Machining center, Mechanical structure parts, Ball screw, Spindle assembly, Motor.Coupling.第一章 概述1.1 加工中心的发展状况1.1.1 加工中心的国内外发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上，最高已达到。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在左右，高的已达，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程以下，定位精度可控制在之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右，个别达到。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.1.2 立式加工中心简介立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。1.1.3 立式加工中心的研究进展图1.1 立式加工中心结构图1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成。图1.1所示为立式加工中心结构图。1.1.4 加工中心发展趋势随着科学技术的发展机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强 ，产品品种增多，产品更新换代加速使得数控机床在生产中得到更广泛的应用 ，并不断地发展。尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床 CNC 系统 提出更高的要求。现代数控机床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自动化、更高可靠性及更完善的方向发展。1、高速度：加工中心向高速度发展的主要目的是提高生产率，主要措施是提高主轴转速、提高进给速率和缩短辅助时间等 。2、高精度：提高加工中心加工精度的主要措施是提高编程时的圆弧插补精度、机床定位精度和精度补偿技术。3、高度自动化:在现代数控机床上，装有各种类型监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床 长时间工作时的产品质量。4、可靠性的提高:现代 CNC 系统大量采用大规模或超大规模集成电路 ，采用专用芯片或混合式集成电路，提高了集成度 ，减少了元器件数量，降低了功耗，提 高了可靠性。5、采用自动程序编制技术:现代机床 CNC 系统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入 CNC 系统。在一些新型的系统中，还装入了小型工艺数据库，使得 CNC 系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中 ，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量有的 CNC 系统还具有自适应控制功能。1.2 课题的目的及内容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。1.2.1毕业设计内容1.进行立式加工中心设计主体机械结构分析，刚度计算分析研究；2.完成立式加工中心主体机械结构设计（即床身，底座，工作台，立柱及其附属的导轨，丝杠设计）；3.完成立式加工中心主体机械结构静刚度计算设计；1.2.2毕业设计的基本数据1.工作台体积1060500mm.2.主轴转速：8000rpm3.精度：进给速度/定位精度： 1-5000mm/min 0.0075/300mm4. 刀库容量：24把1.3 课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件和进给组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件和进给组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求：旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度指主轴组件和进给组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转和进给的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。第 2 章 立式加工中心的机械结构部分2.1 加工中心的机械结构组成立式加工中心的机械结构主要由以下几部分组成：2.1.1 基础支承件由床身、立柱、工作台和导轨等大件组成 ，是加工中心的基础构件 ，是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向，使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。这些大件和部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件 ，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。2.1.2 进给传动系统包括动力源、传动件及进给运动执行件一一工作台、刀架等。进给传动系统的作用是将伺服驱动装置的运动和动力传给执行件，实现进给运动。主要是协助完成加工表面的成形运动。2.1.3 主传动系统包括动力源、传动件及主运动执行件主轴等。主传动系统的作用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，实现主切削运动。2.1.4 辅助装置 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，也是加工中心不可缺少的部分。2. 2机械结构部分的特点立式加工中心是高精度、高效率的自动化机床。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。立式加工中心的结构设计己形成自己的独立体系。动、静刚度高：数控机床要在高速和重负荷条件下工作，机床床身、底座、立柱、工作台、刀架等支承件的变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差。因此，这些支承件均应具有很高的静刚度和动刚度。抗振性好：机床工作时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。热稳定性好：机床的热稳定性好是多方面综合的结果。包括机床的温升小：产生温升后，使温升对机床的变形影响小：机床产生热变形肘，使热变形对精度的影响较小。灵敏度高：数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。自动化程度高：为了提高数控机床的生产率，必须最大限度地压缩辅助时间。许多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，除了减少换刀时间之外，还大幅度地压缩多次装卸工件的时间。几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能，使空程时间缩短 。第 3 章 总体设计方案的拟定3. 1 设计题目立式加工中心设计与机床刚度分析。3. 2 主要内容查阅相关资料，设计立式加工中心。包括：1、 进行立式加工中心设计主体机械结构分析，刚度计算分析研究；2、 完成立式加工中心主体机械结构设计（即床身，底座，工作台，立柱及其附属的导轨，丝杠设计）；3、 完成立式加工中心主体机械结构静刚度计算设计；3. 3 拟定总体设计方案3.3.1 拟定总体设计方案的设计原则1) 总体布局流畅，结构合理紧凑，实现机电一体化，外形美观。2） 结构简单，功能齐全，操作安全方便。3） 满足功能要求，造型要求，技术参数要求，便于制造，安装和维护。3.3.2 拟定总体设计方案经过收集了有关立式加工中心布局的各方面资料，确定如下布局方案：1） 加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上，床身与立柱都通过双头螺栓连接。2） 工作台为矩形工作台，在床身导轨上做 X、Y 两向移动。3） 立柱采用封闭的箱型结构，主轴箱内采用滑移齿轮进行二级变速。主轴箱在立柱导轨上上下移动实现 Z 轴的进给运动、主轴箱配重采用链条、链轮机构，配重置于立柱内，使整体结构紧凑、美观。4) X、Y、Z 三向导轨均采用滚珠丝杠导轨，三个进给方向通过伺服电机及联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台作 X、Y、Z 三个方向的直线运动。5） 机床电柜及操纵站放置在机床主机（正对机床）的右侧，操纵者在机床右边操作，刀库及交换装置放置在机床的左侧，换刀装置采用圆盘式换刀装置。6） 润滑油冷却液由外部液压泵提供，设计中要留出液压泵的安装位置。7） 整个机床用防护罩罩起来，有利于保护机床和操作人员，外形也相对美观。根据以上布局形式的初步确定，立式加工中心的总体布局图如下：图3立式加工中心的总体布局图以上为本次设计的总体方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况做出改动，不断完善此设计。第 4 章 基础结构部件的设计基础结构部件通常是指构成立式加工中心主体的那些功能部件，如床身部件、 立柱部件和工作台部件等。基础结构部件是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向。这些部件要或受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。 4.1 床身的设计4.1.1 床身的作用床身是整个加工中心的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱和工作台等重要部件。为了满足加工中心机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化要求，加工中心床身主要有以下两大功能：1、支承作用：即支承其它零部件，在机床承受切削肘，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、以及夹紧力。2、基准作用：即保证机床在使用中或者长期使用后，能够保证各部件之间正确 的相互位置关系和相对运动轨迹。4.1.2 床身的基本要求1、刚度要求：在切削力、机床部件的和工件重量的作用下，床身本身与其它部件的接触面就会产生形变，机床原有的儿伺精度就会被破坏，从而给加工带来误差；如果床身的刚度不足，不仅会产生变形，还会产生爬行和振动，从而影响机床的定位精度及其它性能。因此床身要有足够大的刚度。2、抗震性要求：振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响力口工质量，因此床身应有足够的抗震性，具有合乎要求的动态特性。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都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起床身植度变换，产生热变形。从而影响机床的工作精度和几何精度。因此应对床身的热变形及热应力加以控制。4、内应力要求：床身在铸造、焊接以及粗加工过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。床身的设计应从结构、材料上保证其内应力要小，例如对于铸造床身，各处金属分布应均匀，尽可能避免壁厚突然转换的过度面。5、其它床身还应该使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油回收方便，加工及装配工艺性好等。 4.1.3 床身结构设计及材料选择床身是机床的关键基础件之一，要求有足够的静、动刚度和精度保持性。为减少连接环节，增大支承件的重量，提高床身的刚性，通常都把它设计成整体件，并选择稳定性较好的横截面形式。床身设计往往会受机床总体设计和工艺手段的制约在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。中、小型立式加工中心，一般都采用固定立柱式，把床身与支承立柱的底座连接在一起，构成了一个整体床身，这类床身的加工工艺性、刚性、精度保持性都比较好。平面上的两个坐标移动是由滑块和工作台实现的，床身结构比较简单。本立式加工中心采用立柱全行程移动、工作台固定。这样不仅便于操作，易于配置NC 转台，还可以有效提高生产效率。 加工中心床身图材料选择灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为床身的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。床身铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状加工中心的静刚度和适当的固有频率靠合理的截面形状与尺寸、恰当的肋板布置来获得。加工中心内部肋板布置形式很多，归纳起来可分为纵向 、横向和斜向三大类。纵向肋板可以加强纵向抗弯强度：横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果：斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度又较好的效果。虽然斜向肋板抗弯扭刚度综合效果好一些，但考虑到斜向肋板铸造工艺的复杂性及机床经济性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板 。当肋板厚度相同时米字形肋板结构的抗弯刚度接近与井字形肋板结构，而抗扭刚度却是井字形肋板结构的两倍。但制造工时却比井字形肋板多2 倍，而工艺性差。综合考虑，本次设计采用了井字形肋板。4.2 立柱的设计4.2.1 设计立柱的基本要求加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同，但是他们既然是加工中心的立柱，就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣环境条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样，是加工中心的主要基础零部件，是主轴箱支承和导向的主体，要求具有足够的构建刚度和良好的抗震性以及热变形性。为了满足对立柱的这一要求，在设计结构和肋板布局上，要有合理的安排 。4. 2. 2 立柱的结构设计1、结构设计：由于立、卧式两种加工中心结构上的差异和受力不同等原因，通常把立式加工中心的立柱的横截面设计成矩形或下正方形。米字型肋板，它的抗扭刚度比字形肋板的高得多。只是米字型肋板的铸造工时 比井字形肋板多2-3 倍。出于这种原因，本立柱，仍采用井字型肋板。平衡主轴箱重量的平衡室，一般设在立柱里腔，随主轴箱的升降而升降。采用这种平衡方式的立式加工中心，其立柱内腔是空的。故本立柱内腔是空的。在设计立柱时，还要考虑在运输中固定平衡重的稳妥可靠地方法。2、立柱的材料选择：立柱材料选为灰铸铁 HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为立柱的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。立柱铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。 4. 2. 3 立柱导轨形式及精度1、导轨形式：从工艺性角度考虑，采用平一平导轨形式。2、导轨精度：本次设计的是高精度的中型立式加工中心，立柱导轨精度可取推荐值如下：直线度：0.006-0.015mm。两导轨扭曲度：0.01-0.015立柱底面对主导向面垂直度：小于 O.Olmm 安装滚动导轨基面的直线度：0.005-O.Olmm。 4. 2. 4 立柱与床身的联结立柱与床身的联结，一般采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。为了提高圆锥销的定位效果，必须用专用圆锥销。它是根据所用锥饺刀的实际锥角，配磨圆锥销，以提高圆锥销在困锥孔内的接触效果。标准圆锥销，因与实际锥饺刀有角度差别，接触效果不理想，故在关键定位部位不能用标准圆锥销，而必须用专用圆锥销。为了提高立柱与床身的联结刚度，通常采用如下措施：1) 采用预紧力：螺栓联结时，应使结合面保持在不小于2Mpa的预紧力 。2） 提高有效接触面积的平面度，减小接触丽的粗糙程度值，以提高结合强度。 通常采用刮研或磨削手段来实现。3） 增加局部刚度：在紧国螺栓位置处，加大加厚凸缘或增添加强肋。4. 3 工作台的设计工作台是加工中心最重要的零部件，它是工件和夹具安装的基准。其精度和刚性都会直接影响到工件的加工质量。该部件要承受工件的夹紧力和加工过程中产生的切削力、弯矩和转矩。因此要求工作台及工作台部件有较高的精度和刚度。4. 3. 1 工作台的设计尺寸图立式加工中心和卧式加工中心的工作台结构形式是不同的。立式加工中心的工作台不作分度运动，其形状一般为长方形，采用 T 型槽形式。加工中心工作台图4. 3. 2 工作台的其他结构设计1) 为了安装方便，使零件尽量减少，我们采用工作台在导轨上滑动的形式，所以需要在工作台上钻出油孔和油槽，以便于润滑。2） 为了安装方便，Y向丝杠螺母座采用的是与工作台分离式结构，具体结构见装配图。3） 为了防止切屑落入螺纹孔中影响螺钉的安装，用橡胶塞堵住。4） 防止切屑对导轨影响，安装防护板，大小由加工中心工作需求而定 ，其具体尺寸见装配图 。5） 防止切屑对防护罩影响，在工作台两边加挡板。4. 3. 3 工作台的材料工作台材料选用HT250。因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为工作台的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。工作台铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。4. 4 导轨的设计4. 4. 1 导轨的功用及要求机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。对导轨设计的具体要求如下：1、导向精度：导轨在空载和在切削时都应具有足够的导向精度。也就是运动部件沿着导轨运动时的直线度，以及与有关基面间的相对位置的准确性。2、精度保持性：精度保持性是导轨设计的关键，也是衡量机床质量好坏的关键指标之一，精度保持性主要是有导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、制造导轨的方法以及受力情况有关。3、低速运动的平稳性：导轨低速运动的平稳性，是指要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现爬行现象。它与导轨的结构与润滑、动静摩擦系数的差值以及传动导轨运动的传动机构的刚度有关。4、刚度：导轨受力后变形会影响各个部件之间的相对位置和导向精度，因此， 要求导轨油足够的刚度。5、结构工艺性：在满足设计要求的前提下，应尽量做到加工、装配和维修方便，成本低廉等。6、移动灵敏度和定位精度：移动灵敏度指工作台完成一次移动能达到的最短距离。定位精度指工作台按要求由运动状态停止在某一指定点的能力。灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度 、传动系统刚度、移动件质量等因素有关。 7、振动性和稳定性：对于闭式控制的数控机床，不仅要求导轨的起动、制动跟踪灵敏度高，还要求有适当的粘滞阻尼特性，以防止在起动、制动过程中发生不稳定现象。8、对温度变化的适应能力：环境温度变化和局部热源产生的不均匀的温度场， 都会引起导轨变形，导轨应有较好的适应能力。4. 4. 2 导轨的结构类型加工中心的伺服进给系统无论是静态误差还是动态误差都与导轨的摩擦力有关。因此数控机床、加工中心要求机床的导轨刚性好，运动平稳，精度高，有良好的起动特性：高速无冲击，低速无爬行，运动方向变化时响应速度快、灵敏。能满足上述要求的有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨。目前，加工加工中心中用得最多的是滑动导轨与滚动导轨这两种。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，动静摩擦系数很接近。因此，运动灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，一般没有爬行现象，移动精度和定位精度较高。此外，滚动导轨润滑简单（可用脂润滑），维护比较方便 （只需更换滚动体），高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而浮起。根据设计要求本设计选用直线滚动导轨。直线滚动导轨是由长导轨和带有滚 珠的滑轨组成；在所有方向都承受载荷；通过钢球的过盈配合能实现不同的预载荷，使机床设计、制造方便。直线滚动导轨副的工作原理：导轨条是支承导轨，滑块装在移动件上，滑块中装有4 组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点，经端面挡板和回珠孔返回另一端，再次进入循环。4组滚珠和各自的滚道相当于 4 个直线运动的角接触球轴承。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷作用下接触区为椭圆。可以从油嘴注入润滑脂。密封垫用来防止灰尘进入轨道。4. 4. 3 滚动导轨的材料对导轨材料的要求：1、良好的耐磨性：在导轨不封闭，动导轨频繁停歇和反向，润滑不良的情况下， 导轨面的磨损较快而且不均匀。故要有良好的耐磨性。2、良好的摩擦特性：在设计滑动导轨时，为避免在低速运动时出现爬行，除合理选用润滑剂及加强传动系统的刚度以外，要求导轨副的静摩擦和动摩擦系数差以及滑动速度队动摩擦系数的影响都要小。3、良好的尺寸稳定性：导轨在加工和使用过程中，残余应力引起的变形，温度和温度变化，都会影响几何尺寸的稳定性。4、工艺性好，成本低。故综合各方面因素，滚动导轨材料选用铭轴承钢（GCr15 ），其硬度600-621，其特点是承载能力大，耐磨性好，而且整体碎火硬化层深，接触强度高，偶然接触时不宜产生凹坑，尺寸稳定性也好，适用于大载荷，有预加载荷，有冲击载荷，不易防护的导轨和高精度导轨，应用范围广。4. 4. 4 直线滚动导轨的技术要求加工中心上使用的直线滚动导轨，一般选用精密级。有关这种导轨的精度标准，在制造厂发行的样本资料中可查到。安装直线滚动导轨的安装基面精度，必须等同于或高于导轨精度。安装精密级直线滚动导轨的安装基面，平面度一般取 O.Olmm 以下，二个侧定位面之间的平行度一般取0.015mm左右，侧定位面对底平面安装丽的垂直度为0.005mm。4. 4. 5 滚动导轨的设计计算计算与说明：主要结果查 机械设计师手册 （下册）表 29-26 选择 HJG-D25AA 型直线滚动导轨。1. 导轨长度的计算根据工作台尺寸以及行程，查机械设计师手册 知：X 向：取动导轨450mm,动导轨不伸出，故取静导轨L1 = L550=1000mm2. 滚动体的尺寸数量选取滚珠直径d=9mm。3. 导轨寿命验算由机械设计师手册（下册）表29-21 查得导轨寿命。分析具体情况选中预加载荷型导轨动体沿着反向器不断循环，从而实现周而复始的滚动运动。即从滚动摩擦代替了滑动摩擦。第五章 丝杆设计滚珠丝杠副的优点滚珠丝杠副与普通丝杠副 相比较有如下几个方面的优点 ：1、传动效率高：滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比普通梯形丝杠副的高 2-4倍，其驱动转矩较普通丝副可减少2/3。2、灵敏度高，传动平稳：由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此无论是在静止时还是在低速、高速传动时摩擦转矩几乎不变。3、磨损小，寿命长：滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达到60-62HRC，并有较低的表面粗糙度，再者由于滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，可以高速运行。4、可消除轴向间隙，提高轴向精度：在滚珠丝杠副中可以用预加载荷的方式，使反向时无空行程，还可以用预拉伸丝杠的办法提高丝杠的系统刚度和减少丝杠 的热伸长，以提高其轴向刚度。5.1滚珠丝杠副的设计计算 工作台行程 XYZ:600 400 400 mm，工作台重量为lOOON，工件及卡具重量4000N ，工作台导轨的动摩擦因数u = 0.1，静摩擦因数f = 0 .2快速进给速度Vmax = 15m/min，全程定位精度g，重复定位精度6pm，要求寿命20000h（两 班制十年），可靠度97%。计算与说明 主要参照 机械设计手册 第五版第三卷 1. 初步确定丝杠导程 （mm )由于伺服电机与丝杠直接联接，且max =15m / min，ax=1500r/min2. 确定当量转速与当量载荷 F 由1 = 0.6，2= 0.8，31，4=15可得：n1=60,n2=80,n3=100,n4=1500。得： F = 1650 N3. 当量转速 n(r/min)n1= 60,n2=80,n3=100,n4=1500得:n=230 r/min4 ） 当量载荷 F由n=230r/min得：F=1129N4. 确定允许的最小螺纹底径：1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量。2） 估算最小螺纹底径d2。丝杠要求预拉伸，取两端固定支撑方式。5. 确定滚珠丝杠副的规格代号：1） 选内循环浮动反向法兰，直筒双螺母垫片预紧形式，2） 选择丝杠型号FFZD4010-3。6. 确定滚珠丝杠副预紧力7. 行程补偿值 C=19.5m。8. 确定滚珠丝杠副支承用的轴承型号规格1） 轴承所受的最大轴向载荷2） 轴承类型：两端固定的支承形式，选择正面接触角接触选 72068 型角球轴承。 3） 轴承内径d(mm)9. 根据工作图确定丝杠全长（工作图见总装配图）1） 丝杠螺纹长度 Ls 则：Ls = 660 + 80 = 740 mm2 ） 两固定端距离L1 = 800 mm3） 丝杠全长L(mm)L = 1000 mm4） 行程起点离固定端距离L0 = 30 mm10. 滚珠丝杠副临界转速n的计算11. 滚珠丝杠压杆稳定性验算:因最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力，丝杠不会受压，不用验算。 12. 最终确定滚珠丝杠副的规定代号型号为 FFZD4010-3 -P3 ，具体尺寸见装配图。5.2伺服电机的选择5.2. 1 伺服电机的选型条件所选伺服电机，应满足下列条件：1、在所有进给调速范围内包括快速移动，空载荷进给力矩应小于电动机额定转矩。2、最大切削力矩小于电机额定转矩。3、加速时间应符合所希望的时间常数。4、快速进给频率在希望值以内。5. 2. 2 X向伺服电机的选择1、最高转速的选择伺服电机最高转速应根据进给系统 的快速进给速度丝杠螺距及传动系统的 减速比来确定。2、位置反馈编码器的选择 位置反馈编码器的选择应根据机床所需的最小移动单位 ，丝杠螺距及减速比为参数确定。4、 负载转矩计算 实际机床上 ，由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷。第六章 电动机与联轴器的选择6.1电动机的选择6.1.1进给电动机的选择宽调速直流伺服电动机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。当然，宽调速直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。日本法纳克（FANUC）公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心（MC）的L系列适合于在频繁启动、制动场合应用。根据估算得出的电动机功率，选用FANUC的6L型电动机，其主要性能指标如下：输出功率：；额定转矩：；最大转矩：；最高转速：；转子惯量：。6.2 联轴器的设计计算(1) 类型选择为了隔离振动与冲击，选用凸缘联轴器。(2) 载荷计算已知进给电动机的额定转矩为。根据工作机的转矩是变化的，且冲击载荷较大，原动机类型为电动机，由机械设计基础查得工作情况系数。则计算转矩为：(3) 型号选择选择联轴器时，联轴器的许用转矩要大于计算转矩，许用最大转速要大于电动机转速。由GB5843-86中查得YL5型凸缘联轴器的许用转矩为，许用最大转速为，适合于尺寸在之间的轴颈。故能够满足要求。第七章 基于ANSYS的铣床立柱刚度分析7.1目的与意义立式加工中心是精度和自动化程度很高的机电产品,与普通机床相比,对其机械部分的刚度、抗振性以及热变形的机械性能要求更高。并且立式加工中心在工作过程中,由于主轴高速旋转,刀具部位振动较大,因而会影响加工零件的表面质量和精度。采用有限元方法,利用ANSYS有限元分析软件,对结构设计中可预知的薄弱环节进行分析及参数优化。运用CAE强大的计算分析功能避免大量的人力、物力和财力的浪费,提高设计质量,降低设计成本,缩短设计周期。7.2刚度分析7.2.1模型建立并导入到workbench使用UG进行机械臂三维模型的建立并导入到workbench中。图1形象的展现了其三维外观与尺寸大小。图1 铣床立柱的三维模型图7.2.2 划分网格 对铣床立柱进行网格划分，参数如图2所示图2 铣床立柱的网格划分7.2.3 施加载荷把立柱的实体模型直接导入Workbench中,分析立柱的受力情况可知,在只计算立柱时可不必考虑立柱与床身结合面之间的关系,且立柱顶部的变形最大,因此将立柱的底部设置为固定端,选择在主轴箱的底部加力,分别在x、y、z方向施加力200 N。不考虑重力作用的影响。通过分析得出立柱在x、y、z， 3个方向变形云图。 图3 X方向变形云图 图4 Y方向变形云图图5 Z方向变形云图由Workbench可计算出立柱x、y、z方向刚度,见表1。表1 立柱x,y,z方向刚度X方向刚度/ 117.1921Y方向刚度/ 65.3211Z方向刚度/ 2156.8226由表1可以看出立柱y方向的刚度较弱,结合实体模型和变形云图可知,立柱y方向的尺寸较小,受力时变形较大,并且立柱的刚度达到设计要求(设计要求为x方向刚度100 N/m,y方向刚度60 N/m,z向刚度2100 N/m,因此此铣床立柱符合设计要求。第八章 结论本课题的指导思想是在满足立式加工中心主轴组件的工作要求的前提下，尽可能使其性能优越，传动平稳，并且使加工中心的整体机构的体积、质量尽可能减小，从而降低成本。 本课题确定了立式加工中心主轴组件的总体设计方案，对主轴组件的各组成机构进行了方案论证、设计计算以及选型。同时，通过对加工中心主轴组件的主要部件，如：主轴、轴承、丝杠、键等进行校核，较为理想地实现了任务书中对立式加工中心主轴组件的技术指标。加工中心主轴组件的运转过程比较平稳，且主轴组件的结构简单，拆装方便，维修容易，价格低廉。主轴组件的结构主要分为两个部分，即主运动机构和进给运动机构。而在主运动机构中，按照功能来分，可主要分为主轴传动机构、主轴准停机构、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。本课题采用了FANUC6S型交流主轴电动机作为主轴传动的原动力，通过同步带传动来实现主轴电机和主轴之间的减速传动。通过对同步带带型的选择，确定了同步带传动的线速度、带长、轴间距等参数，并对大小带轮进行了结构设计。为了防止同步带的掉落，在带轮的两侧按分别安装了带轮挡圈。在大带轮上还安装了动平衡较好的圆盘，主轴准停中的发磁体被设置在圆盘上，而磁传感器则安放于距离发磁体23mm处，实现了主轴准停功能。在刀具自动夹紧机构中，为了控制活塞的行程，采用了2个型号为LX19-111的行