机械制造专业-毕业设计-小型龙门加工中心主轴系统模块化设计(ANSYS模态分析PROE建模)

小型龙门加工中心主轴系统模块化设计第一章 概述随着全球化经济竞争的愈演愈烈，产品小批量、客户化、快速交货要求的不断加强，迫切要求企业具有快速响应市场能力。企业对市场响应速度的快慢、产品开发一次成功率的高低，不仅决定了企业在市场上所占份额的大小，而且决定了企业能否立足市场的命运。如何在短期内设计出符合客户的个性化要求、质量可靠、性能优良、成本低廉的优质产品，是企业在市场竞争中占据有利地位的关键。目前，国内大部分制造业企业的设计、制造手段比较落后，与发达国家的差距较大。随着市场竞争日益激烈，如何使企业的产品快速响应市场，在较短时间内以较高性能价格比的产品占领市场，是企业得以生存和发展的关键。模块化、并行设计等快速设计技术的发展和应用，大大缩短了机床新产品开发的周期;有限元分析、仿真技术、虚拟样机技术等新技术不断地运用到新产品的开发过程中，极大地提高了新产品的性能，并降低了开发的费用。结构的动态特性分析理论经过科学工作者多年努力，发展到一定程度，随着有限元方法的应用，为数控机床结构设计理论建模提供了必要的数据和结构修改依据，使基于理论模型的新产品性能预测和优化设计变得可能。1.1 模块化设计研究现状模块化设计是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元模块，并使模块系列化、标准化，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同的需求的设计方法。模块化设计方法已经在机械、电工电子、船舶、建筑、电力、武器装备等行业中得到广泛应用，并取得了显著的效益。因此，模块化设计理论研究也得到学术界和工业界的广泛关注。1.1.1 模块化设计与制造的意义模块化设计是快速响应设计的核心，它用功能模块组成产品，模块的可互换性和可组合性是实现产品快速设计的基础。根据模块化思想，产品将由传统产品一部件一零件的构成模式转变为以模块和模块单元组成产品的模式。模块化制造是用模块化的概念构造整个生产系统圈，即以模块化装备构造模块化生产系统(MPS)，以产品模块组织生产和管理，形成企业的经营模式。从产品设计、制造系统设计，制造过程的实施和管理，均采用模块化技术，按这一原则组成的制造系统称为模块化制造系统网。模块化设计与制造具有以下优点:(1)缩短产品的设计与制造周期。据统计，在设计过程中利用模块化设计能节约时间50%。在新产品开发时，由于系统中存在大量通用模块，产品设计时间可大为缩短;进行新产品开发时，只要增加少量专用模块就可组成满足用户所需的特定产品品种。(2)有利于提高新产品的开发质量。因为模块为独立单元，可根据科技发展的情况和可能，将新技术用于模块的设计，并进行实验考核，待结构可靠、性能稳定后，取代老的模块结构，以加速产品更新换代。(3)有利于降低成本，增强产品的竞争能力。由于按模块组织生产，使得大多数的零部件由单件、小批量生产转变为批量化生产，于是便于采用先进工艺和专用设备组织专业化生产。在提高产品质量的同时，有助于提高劳动生产率，降低制造成本和减小废品率。(4)适于产品的大规模定制和满足产品客户化的需求。大规模定制是企业采用各种技术和管理手段在大规模生产模式下实现产品对顾客的个性化定制，并要满足预定的成本和时间目标。采用模块化设计，建立合理的产品族结构，用大批量生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。因此模块化设计是实现大规模定制的前提和条件。基于模块化方法的机床设计有着重要的技术经济意义，主要体现在:1、节约设计时间，缩短供货周期:采用模块化设计方法，企业产品系列中已有很多通用模块，在用户提出要求后，可用己有模块或设计制造少量专用模块便可组成用户所要求的产品。如德国SCHIESS公司，其机床产品采用模块化设计后，从订货到供货一般只需四个月时间。2、便于产品更新换代，发展变型产品:根据用户需要，设计新的功能模块，组合成具有新功能的模块系统.用新技术设计性能好的模块，取代原有功能模块，发展性能好的变型产品。3、提高产品质量，降低生产成本:模块精心设计，批量加工，有利于组织专业化生产，既提高质量又降低成本。模块化不仅是设计方法的改革，而且是推动整个工厂技术、生产、管理及组织体制的改革。4、便于维修:由于产品由相对独立的模块组成，因此，很便于维修，必要时可更换模块，而不致影响生产。5、便于实现标准化功能模块:传统的标准化建立在零件级基础上，而模块化则是根据产品的不同建立在模块级上的标准化，是一种趋向于宏观的标准化。它具有两个特点:一是面向功能，而不是具体的形状、结构和制造上的标准化;二是注重结合面的标准化，从而把标准化管理部分地从细节中解脱出来，分层次、有侧重。1.2课题的提出及论文的结构体系现代加工技术日益向着高速、大切削量的方向发展，这就要求所设计的机床具有高速、高刚度、高精度的优良胜能。为了适应生产线的快速可重组性，现代数控机床对地基的要求越来越弱，或者根本就不需要特殊的地基，数控机床加工中的振动不仅产生噪音，还将严重影响零件加上表面的质量。由于我国数控机床结构设计技术和手段落后，因此有进行数控机床结构研究的必要性。本课题研究的目的在于采用先进、科学的CAD手段，根据“模块化设计”阶段提出的方案设计，对加工中心的三种主轴系统进行结构设计，关键部位的计算。直至零部件和整机的各项性能指针都能满足现在的高效率、高精度的要求，使机床在工作过程中实现低速、准高速、高速三种主轴系统之间的快速调换，以增强机床的生产效率和竞争力。本课题的研究成功，可以为加工中心主轴系统部分提出有普遍意义的结构设计方案，必将有助于缩短新产品开发周期、保证新产品特性、降低设计费用。为推动机床工业的发展起到一定的促进作用。1.2.1论文研究的主要内容论文主要的章节和内容：1.第一章综述了龙门加工中心主轴系统模块化设计的发展状况，阐述课题提出的目的和意义，明确了本文研究的主要内容。2.第二章对小型龙门加工中心的总体进行研究，进行总体布局设计。3.第三章对加工中心的三种主轴系统进行整体的设计，进行关键部件的设计与计算。4.第四章对加工中心主轴系统进行总体的装配，完善各个主轴系统的整体设计。5.第五章对三种主轴系统进行三维设计建模。6.第六章结束语。第二章 龙门加工中心总体设计机床设计从常用的功能设计进一步发展为机床结构的刚度设计、精度设计、高速化设计、误差补偿技术、寿命设计和可靠性设计等现代先进机床设计技术。为了实现精密机床设计要求，在机床设计中要对各方面进行综合考虑。数控机床造型设计强调功能与造型的统一,造型以功能为基础并体现外观美。过分强调功能而忽视外观美的创造,或者在不体现功能的条件下追求外观美,都会影响产品的功能。数控机床是一种具有强烈的时代感和技术特征的产品,造型应充分体现加工中心高技术、高效率、多功能、高精度、高可靠性、高自动化等特点,也就是通过理性、严谨、整体的造型语言表达产品品质优异、工艺技术精湛,以及高效率的内在品质。具体到产品设计上就是处理好形体线型、形体之间的过渡、表面肌理和装饰、色彩搭配等,并把握好产品造型的视觉情感。图2-1 龙门加工中心整体布局2.1、机床支承大件的功能要求机床大件通常指床身、立柱、工作台、横梁、箱体、底座等部件，它们是其他零、部件赖以连接、固定和运动的基础。机床的整体功能，在很大程度上取决于其支撑大件的结构功能。一般机床支撑大件的功能要求如下表2-1：支承大件功能技术经济要求1尺寸容量支承大件的形体尺寸，如镗床、车床等机床，应能容纳加工零件的最大轮廓尺寸；但如龙门刨床、平面磨床等机床，不仅要包容工件的轮廓尺寸，还用考虑刀具与工件之间相对运动所涉及的最大行程。2性能要求支承大件的性能要求，旨在为实现整机功能提供可靠的刚度和强度支承，其结构功能应保证在工作情况下的工作应力、变形、挠度和位移保持在规定范围以内。因此要满足以下要求：1静刚度要高，在承受最大载荷时，变形量不超过规定值；在大件本体移动时，或者其他部件在大件上移动时，静刚度的变化要小2动刚度要好，在预定的切削条件 工作时，其振动和躁声应在允许范围内3温度分布合理，工作时的热变形对加工精度的影响小4导轨的受力合理,耐磨性良好3技术及其经济效率1.保证造作者在最安全合最方便的情况下进行机床调整和操作2.保证机床维护和修理具有满意的条件,易于安全运输和装卸3.结构的总重量与元件重量的分布,要满足技术和经济要求,并能低成本,高效率地进行制造和安装4外观造型要求 要考虑到诸多的人机关系和时代的审美要求.现代科学和工艺的高速发展,机床产品的造型情趣,一般崇尚明快,简洁的直线方角造型,提倡古典魅力与现代造型和技术的巧妙柔和,以突出独立自主的,有自我个性的造型情趣.2.2、机床大件的结构特征2.2.1、形体结构特征 机床的床身、立柱、工作台、横梁、箱体、底座等支承大件,就其形体结构有如下两个特征:从形体上看,是空间板系结构;从载荷上看，是空间立系的载体。见下表2-2：结构特征简要说明1、空间板系组合结构机床支承大件属于空间板系结构或者板、梁等空间组合结构。2。、空间力系载体机床在静态和动态中可能产生的各种作用力，都直接或间接的由大件来承受。机床大件的设计，通常把各种力归纳为静态力和动态力，再分别研究结构的静刚度和动刚度。对于大型、重型、高速精密机床的大件，还要考虑到冲击或振动干扰力的作用下，可能产生位移、速度和加速度，以及由于板壁失稳而出现的结构断面形状畸变和躁声等动力响应问题；对于高速精密机床，如磨床，由于加工过程中产生大量的切削热，以及电动机和液压系统的发热，因此还应考虑到大件的热变形问题。所以，机床支承大件的设计需要进行受力、变形和刚度分析。2.2.2、结构工艺性特征 结构工艺性是指在一定生产规模条件下，实现产品特定功能所需的材料、加工和装配方法的经济性原则。以传统的铸造结构作为比较的基础，机床大件的结构工艺性特征，见下表2-3：表2-3机床大件的结构工艺性特征结构工艺类别材料生产方法周期经济性原则市场适应性生产规模产品类型产品精度铸造结构灰铸铁铸造工艺长大、中批量中、小型普通、精密一般焊接结构钢板与型钢焊接工艺短单件、小批大、中型精密、高精度好复合结构钢与铸铁综合工艺长单件、小批大、中型高精度不好金属与金属钢、铁与混凝土、环氧树脂混凝土、花岗岩金属与非金属2.2.3、机床搭建的组合与支承机床支承搭建，主要之床身、底座、横梁、横臂和定量等。根据机床的不同功能要求，对它们进行不同的组合和布局。目前，机床整体布局的设计还没有一套规范化的构建方法。一般以同类型机床的响应部件作为参考，然后再对主要问题进行一些力学的定性分析和比较，即采用类比设计的方法。布局设计时要注意以下几个方面：1、尽量减少固定结合面 支承大件在静力和力矩作用下，除了会发生本体弹性变形、断面畸变和局部变形以外，还会在大件与大件之间的结合面上产生接触变形。大件与大件之间的结合面，有固定结合面和活动结合面，如车床主轴箱与床身的连接，是固定结合面；尾坐与床身的连接，是活动结合面。在作用力传递回路内的结合面越多，产生接触变形的地方就越多。所以，在机床设计时应尽量减少固定结合面的数量，即构成机床整机的支承大件数越少越好。但不可避免的固定结合面的面积应尽量加大。2、改善大件的支承条件在确定采用的大件后，要考虑通过改善支承条件，减少外力及自重引起的弹性变形等提高大件刚度的问题。改善支承条件，首先通过提高支承条件常数来提高支承刚度。其次，使加工工件的作用力点尽量靠件支承大件，也是提高支承刚度的有效方法。2.3、机床结构特点：1、床身床身是机床的基础部件，是支承机床其它各部位的部件，是整个机床的支撑部分。为了避免机床重量过大，应该将床身设计为空心结构，中间加上肋板保证机床刚度强度等。装有滑座的横梁落座在床身上，并在床身上完成Y轴进给运动，本机床Y轴采用双边驱动方式，这可以保证机床在Y轴的两个方向上不至于因为受力不均匀造成精度不好等问题。Y轴由直线滚柱导轨副支承和导向。Y轴伺服电机通过驱动滚珠丝杠螺母旋转机构实现驱动。此外，工作台还要放置在床身上，为了保证和工作台配合一致，应将床身和工作台设计为一致。2、工作台 工作台是固定、加工工件的部分。它要承受切削力并能保证一定定位精度。应选用优质材质，应用先进工艺铸造成型，承载能力大。3、横梁横梁是实现机场纵向加工的部件，主轴箱的移动是实现机床在Z轴方向的运动。为提高刚度，采用直线滚珠导轨副。由于本机床要求的加工精度较高，所以对横梁的要求比较高，尤其是横梁的重量及其受力分析。4、主轴系统本机床的主轴系统能够快速的在三种即：低速主轴3000转/min;准高速主轴8000转/min;高速电主轴1.8万转/min三种主轴的互换。从而使本机床在加工过程中能在各个转速情况下保持很高的加工精度。5、润滑本机床轴承采用油脂润滑，丝杠、导轨均采用自动润滑站供油，油脂润滑。6、机床冷却和防护机床采用大流量高扬程水冷和油雾冷却两套冷却系统，适用于铝合金和钛合金等多种金属加工。冷却效率高，提供切削时对刀具、工件的冷却，排屑清洗，并将切屑冲送到自动排屑器上，以便自动回收切屑。切屑由两个链式排屑器传送到集屑小车里。本机床是一种工作台固定，A、C两轴的运动由双摆铣头实现，这样的设计其动态响应特性好。机床工作台和工件均固定不动，避免了质量大的工作台和工件对动态性能的影响，还避免了工件质量变化造成的动态性能变化。机床移动部份为质量较轻的横梁、滑座和主轴滑枕，同时X、Y、Z向导轨采用滚柱直线导轨，摩擦阻力小，使机床具有很好的动态响应特性。并且成功地应用了双驱技术，大大提高了机床性能。机床基础铸件采用薄壁多筋结构，结构紧凑，使机床具有高的刚度。滚珠丝杠安装时，进行了预拉伸，提高传动刚度，消除热膨胀误差，确保高精度。结构上采用了丝杠螺母旋转技术，避免了长丝杠旋转的诸多弊病。 第三章 主轴系统模块化设计及计算主轴系统是一个机床的重要部件。由于机床对不同工件的加工，要保持很高的加工精度，刀具就要在加工不同工件时选用不同的转动速度，在保证加工精度的情况下就不能通过一种主轴系统的传动，因为在转速大幅度变化下会使加工精度受到很大的影响。所以在模块化的理念下对加工中心的主轴系统也进行模块化设计。模块化设计能够使机床快速的在三种主轴系统件快速的互换，为了能够实现这一目的，所设计的三种主轴系统的外型尺寸相同，在同一卡具下能够快速的装载和卸载。确定三中主轴系统的传动方式；低速主轴采用带轮传动，准高速采用电机与主轴直连方式传动，高速主轴直接选用型号合适的电主轴。机床设计的基本要求：1、设计的加工中心刀具主轴最高转速1.8万转/min；3000转/min；8000转/min；主轴功率15KW；2、设计的加工中心的加工范围为1.2mX1.6m；3、设计的机床要求可以进行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm.3.1、主轴系统结构设计的原则轴的结构设计的原则是：（1）受力合理，有利于提高州的刚度和强度；（2）轴和轴上零件有确定的工作位置。即保证轴相对与机架定位可靠性，轴上零件的轴向定位可靠；（3）轴有良好的结构公益性包括：便于加工制造，轴上应力集中小，材料省、重量轻；轴上零件装、拆和调整方便，保证每个零件装配到周上市，不论其配合性质如何，均能自由地通过前面各轴段，而不损伤其表面。3.2主轴部件精度 加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，它是加工中心成型运动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久的精度保持性以及长时 期运行的精度稳定性。加工中心通常作为精密机床使用，主轴部件的运转精度决定了机床加工精度的高低考核机床的运转精度一般有动态检验和静态检验两种方法。静态检验是指在低速或手动转动主轴情况下，检验主轴部件各个定位面及工作表面的跳动量。动态检验则需使用一定的仪器在机床主轴额定转速下采用非接触的检测方法检验主轴的回转精度。由于加工中心通常具有自动换刀功能，刀具通过专用刀柄由安装在加工中心主轴内部的拉紧机构紧固。因此主轴的回转精度要考虑由于刀柄定位面的加工误差所引起的误差。加工中心主轴轴承通常使用C级轴承，在二支承主轴部件中多采用4-1、2-2组合使用，即前支承和后支承分别用四个向心推力轴承和一个向心球轴承，或前、后支承都使用两个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系对于轻型高精度加工中心，也有前、后支承各使用一个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系，该种结构适宜高精度、高速主轴部件的场合。简单的主轴轴承组合，可以大大降低主轴部件的装配误差和热传导引起的主轴隙丧失，但主轴的承载能力会有较大幅度的下降。3.3主轴部件结构主轴组件的设计计算应按如下程序进行：（1）根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案（2）选择轴的合适材料 （3）初步估算轴的直径（4）进行轴系、零部件的结构设计 （5）进行强度设计（6）进行刚度设计 （7）校核键的联接强度（8）验算轴承 （9）根据计算结果修改设计（10）绘制轴的零件工作图3.4传动方案设计常见的传动形式有如下三种：即变速齿轮传动，皮带传动和调速电机直接驱动。如图3-1所示。图3-1 传动方案 本设计采用皮带传动和联轴器直接传动，由于同步齿形带传动时没有滑动，故加工出现故障时容易烧毁电机，所以采用平带传动;联轴器的传动精度高,对于中级转速的传动较为合适。3.5主轴材料的选择轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：1、轴的强度、刚度及耐磨性要求；2、轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3、轴的材料来源和经济性等。合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAlA等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。由表3-1选择38CrMoAlA材料，并经氮化处理850-1000HV。表3-1 主轴材料材料牌号 热处理毛坯直径（mm） 硬度(HBS) 抗拉强度极限b 屈服强度极限s 弯曲疲劳极限 -1 剪切疲劳极限 -1 许用弯曲应力-1 备注 Q235A热轧或锻后空冷 100 400420 225170 105 40 用于不重要及受载荷不大的轴 100250 375390 215 45 正火回火1017021759029522514055应用最广泛 100300162217570285245135调质2002172556403552751556040Cr 调质100100300 241286735685 540490 355355 200185 70用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴 40CrNi 调质 100100300 270300240270 900785 735570 430370 260210 75用于很重要的轴 38SiMnMo调质100100300 229286217269 735685 590540 365345 210195 70用于重要的轴，性能近于40CrNi 38CrMoAlA调质 6060100100160 293321277302241277 930835785 785685590 440410375 280270220 75 用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴 20Cr 渗碳淬火回火 60 渗碳5662HRC640 390 305 160 60 用于要求强度及韧性均较高的轴3Cr13 调质 100 241 835 635 395 230 75 用于腐蚀条件下的轴 1Cr18Ni9Ti 淬火 100 192 530 195 190 115 45 用于高低温及腐蚀条件下的轴 180 110 100200 490 QT600-3 190270 600 370 215 185 用于制造复杂外形的轴 QT800-2 245335 800 480 290 250 3.6主轴结构设计基于CMC3000加工中心的自身情况，主轴前端设有锥孔，用于装夹BT50的刀柄。加工中心的主轴支承形式很多。其中立式加工中心的主轴前支承采用四个向心推力球轴承，后支承采用一个向心球轴承，这种支承结构使主轴的承载能力较高，且能适应高速的要求。主轴支承前端定位，主轴受热向后伸长，能较好地满足精度需要，只是支承结构较为复杂。3.7 刀具自动夹紧机构加工中心可以白动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量，其基本类型有以下几种：转刀架换刀、换主轴换刀、更换主轴箱换刀及带刀库的自动换刀系统。本加工中心采用钢球拉紧油缸松开结构，如图3.3所示。图3-2 钢球拉紧机构3.8主轴参数设计（1） 轴颈直径的确定初选前轴颈直径为170mm，后轴颈直径为120mm，主轴平均直径D=(+)=145mm主轴内孔作用： 1.通过棒料、夹紧刀具或工件用的拉杆、冷却管等 2.大型、重型机床的空心主轴，减轻重量初选内孔直径为45mm。（2） 前悬量及跨距的选择主轴悬伸量指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，主轴悬伸量a值愈小愈能提高主轴组件刚度。在满足结构要求的前提下，尽可能取小值。一般a主要取决于以下几点： 主轴端部的结构形状和尺寸 工件或刀具的安装方式 前轴承的类型及组合方式 润滑与密封装置的结构等由表7初定前悬量，a=1.6x170=272mm表3-2 前悬量与前轴径关系如图3.3所示，L即为跨距，即前后两支承点之间的距离。当主轴组件的D、a、 和为定值时，必存在一个能使主轴轴端挠度y=的跨距（对应于曲线c的最低点）。当所设计的主轴支承跨距L=L0时，可使主轴组件的刚度K，称为“最佳跨距”。在具体设计时，常由于结构上的限制，实际跨距LL0，这样就造成主轴组件的刚度损失，当L/=0.751.5时，刚度损失不大（5左右），应认为在合理范围之内，称为合理跨距。合理跨距=（0.751.5），是一个区间，最佳跨距只是一个点。图3-3 跨距计算前支承刚度 =1700=22.55Nmm ，后轴承直径小于前轴承， 取/=1.4, 则=16.10xNmm。计算综合变量=0.3376 此处弹性模量E=2Nm,I=/64(-)由图3-4可知，/a=2.2 则有=2.2x272=598.4mm所以=（0.751.5）=（448.8897.6）mm 取=460mm图3-43.9主轴组件的刚度计算机床主轴往往有较高的刚度要求, 因此, 轴承直径的尺寸往往较大, 根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承, 其疲劳寿命往往是富裕的, 因此常常不需要作疲劳寿命的计算, 这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度。而主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴向刚度, 下面主要对主轴组件的径向刚度进行校核计算。（1） 轴承的选择本加工中心主轴是装在前后支承之间, 通过后端皮带轮传动运动的。而影响主轴部件旋转精度的主要因素有主轴的制造精度、轴承的制造精度与支承座孔的制造精度、调整螺母与衬套隔圈等的制造精度、主轴装配与调整质量以及工作时的温升等, 其中起决定性作用的是轴承的精度, 尤其是前轴承, 故将前轴承精度取为P4 级, 后轴承精度取为P5 级。影响主轴组件刚度的主要因素有主轴的结构尺寸、轴承类型与配置形式、轴承间隙的大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造和装配质量等。由于该机床主轴要求高刚度、高转速, 因此前轴承采用双列圆柱滚子轴承, 内孔为锥面, 型号为61919, 主要承受径向载荷; 轴向载荷由一对背靠背组配A= 30、型号为100BA 10XDBEL 推力角接触球轴承承受, 由于一对背靠背角接触球轴承支承点的距离较大, 因而能产生一个较大的抗弯力矩。主轴后轴承采用30230 双列圆柱滚子轴承, 主轴运转发热后膨胀, 该轴承外圈是可分的,膨胀主轴带着内圈及滚子, 沿轴向方向上在外圈滚道上自由移动, 减小了主轴的轴向受力。由于运动是由电机通过皮带直接传给主轴, 减少了产生热变形和振动的因素, 这样就保证了主轴的旋转精度和刚度。（2） 支承的简化先将主轴组件简化为主轴组件计算模型, 由于一对背对背角接触球轴承只承受轴向力, 故可将支承点简化为双列圆柱滚子轴承中心, 见图3-5。图3-5主轴组件计算模型（3） 主轴刚度计算已知主轴前轴承61919内径=150mm , 后轴承32030内径= 130mm , 跨距L= 460mm , 主轴前悬伸a=2720mm , 主轴孔直径=45mm , 前轴承预紧量= 3m, 后轴承预紧量= 0,主轴前端加载F = 6000N , 则主轴的径向刚度为:K = F/= F/(+)式中: 主轴的前端挠度, m 前轴承的径向弹性变形量, m 后轴承的径向弹性变形量, m(1) 计算轴承支反力：前轴承支反力 为: = F ( l+ a)/l= 9547.83N。后轴承支反力 为: = - F = 3547.83N。(2) 主轴前端挠度的计算主轴的当量直径d 为:d = (+)/2= 140mm。在轴端载荷F 的作用下, 主轴前端挠度Ds 可按下式计算:Ds= Fl/30 (-)。将有关数据代入计算得Ds= 5.015m(3) 轴承径向弹性变形量计算前轴承径向弹性变形量计算：由公式可以计算，=221.93 则有=404.49N其中， 轴承预紧量, m; 滚子所受预载荷,N; 滚动体有效长度,mm=4853.88N 则前轴承所受载荷为：=7.116m =12672N轴承径向弹性变形为：=5.363m同理推出后轴承径向弹性变形量=0.413m（4） 主轴组件的径向刚度主轴组件的径向刚度K为: =551.42N/m图3-6 轴承内径与径向刚度曲线与图3.7相比较，轴承刚度合适。3.10 主轴强度计算（1） 机床主要技术参数表3-5 机床主要技术参数行程:横梁移动行程(X向)主轴滑座移动行程(Y向)主轴滑枕上下移动行程(Z向)6000mm3000mm1250mm主轴转速25-2500 r/min主电机功率连续/30分钟22/30KW主轴扭矩1150NM主轴锥孔BT50工作台进给速度： X Y Z58000mm/min58000mm/min58000mm/min快速进给速度： X Y Z20000mm/min20000mm/min20000mm/min机床外形（长宽高）1060078004800 mm位置控制全闭环表8 机床技术参数（2） 强度计算1、初算最小直径 由得：232.5r/min取C=140，则轴的最小直径为：69.1mm最小直径是安装联轴器处的直径，该处有两个键槽，故=69.1x(1+10%)=76mm.取d=80mm2、选择联轴器取载荷系数=1.3，则联轴器的计算转矩为：=1.31150=1495 根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性膜片联轴器，其型号为：JMC93、 计算轴上的弯矩，并画弯、转矩图转矩按脉动循环变化计算, 取 , 则0.6x1150=690 以右端截面为例 = =716 考虑键槽影响， 图3-7 轴的弯、转矩图=42 MP 故安全3.11带传动设计带传动是由两个带轮和一根紧绕在两轮上的传动带组成，靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的一种挠性摩擦传动。本设计中，电机通过平带同步驱动主轴运动。在加工出现故障时，平带会出现打滑现象，但不会烧毁电机，优于同步齿形带。3.12联轴器设计联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器 鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。本设计使用的联轴器为键固定方式的联轴器，如图3-8所示。由于联轴器已经有国家标准，所以直接选用与本设计使用的联轴器型号方可。根据传递的转速数值（8000r/min）以及电机的尺寸选择YL6型联轴器。图3-8 刚性联轴器3.13伺服电动机的选择本设计中主轴的动力来源是有电动机提供的，由于对转速的要求不同但输出功率相同来选择不同的电动机。伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于1015和小于1525）等特点。所以在本设计中选用交流伺服电动机。图3-9为SY型伺服电动机的实物图片。图3-9 SY交流伺服电动机本设计中要求低速主轴系统转速3000r/min，准高速主轴系统是8000r/min；所以选择的电机的数据如表3-6所示；表3-6 伺服电动机参数型号空载转速（r/min）输出功率（kw）低速主轴系统电动机70SL003480015准高速主轴系统电动机55SL002900015各电动机的外型尺寸如图3-10所示；图3-10 伺服电机机座的外形尺寸示意图第四章 主轴系统的结构分析数控加工中心主轴系统的精度、灵敏度和稳定性，将直接到影响工件的加工精度。因此，加工中心主轴系统必须满足稳定性高、传动精度高、运动部件惯量小等要求。下面我来介绍一下本设计中三种主轴系统的结构:4.1低速主轴系统本设计中的低速主轴系统的传动方式为带轮传动,如图4-1所示；图4-1 低速主轴系统装配图图中所示的就是主轴系统的装备图，图纸中中的传动方式就是带传动方式；电机和主轴之间用皮带轮连接，用箱体把电机和主轴一起固定；通过带轮传动系统电机将动力传送到主轴。图中主轴是通过两个联轴器将上半轴、中间轴、下半轴连接在一起的。主轴外面是用滑枕包裹住的，为了使主轴的冷却系统能够正常工作，保持主轴内部的清洁，滑枕的密封效果应该较好。 图中主轴所选的轴承为深沟球轴承,该轴承的特点是深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高， 特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承比推力球轴承更有优越性；如图4-2所示；图4-2 深沟球轴承深沟球轴承结构简单，与别的类型相比易于达到较高的制造精度，所以便于成系列大批量生产， 制造成本也较低， 使用极为普遍。深沟球轴承除基本型外， 还有各种变型结构，如：带防尘盖的深沟球轴承；带橡胶密封圈的深沟球轴承；有止动槽的深沟球轴承；有装球缺口的大载荷容量的深沟球轴承；双列深沟球轴承。系统中拉到系统的工作原理是通过油缸受到外界压力对拉杆产生压力，使拉杆向下运动，在拉杆的另一端有弹簧顶住拉杆；当油缸受到的眼里消失时，弹簧就会使拉杆恢复到初始位置完成拉到过程。图4.1中主轴系统通过滑枕可以做垂直运动，图4-3为滑枕的零件示意图；图4-3 滑枕4.2准高速主轴系统准高速主轴体统的传动方式为直连，用联轴器直接连接。图4-4为直连系统的装配图；图4-4 准高速主轴系统装配图准高速主轴系统的结构与低速主轴系统的结构大体相同，但是在电机与主轴连接的过程中所用的是联轴器连接。图中的拉到系统是通过主轴系统侧面的进油孔进入导油环，从而对油缸产生压力，使拉杆向下运动，在完成松刀后撤销压力，利用拉杆另一端的弹簧恢复到初始位置完成送拉刀。在这过程中，系统的在松拉刀过程中应保持良好的密封性。套筒联轴器结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低，但装差事需要沿轴向移动较大的距离，而且只能用与连接两周直径相同的援助行轴伸，一般用于工作平稳的小功率传动轴系。凸缘联轴器结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两周对中精度较低时，将引起较大的的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。如图4-5所示；图4-5 凸缘联轴器4.3高速电主轴系统由于电主轴的结构复杂，国内所用的电主轴大多是从国外引进；所以本设计中就不对电主轴进行整体设计。选择合适型号电主轴对其冷却系统进行设计方可。图4-6所示的就是一种高频电主轴的三维结构示意图：图4-6 高频电主轴由于电主轴是用于高速切削的，转速非常的高，所以产生的热量也会随之增加，为了使电主轴的使用周期长，寿命长久，工作过程稳定，需要配备完善的冷却系统；图4-7为电主轴的冷却系统，其选择的冷却方式为油-水冷却。本设计只对电主轴的内部冷却进行设计；图4-8为冷却示意图。 图4-7 主轴冷却系统图4-8 轴心、轴壳冷却第五章 三维建模5.1、三维建模通过建立正确的模型来描述和表现事物的各种属性,是现代科学探索事物本身发展、运行规律的一个普遍而且重要的方法。不论是在应用领域还是在科学领域,对整个世界进行三维建模研究,都是一个不断兴起的领域。对现实世界的建模和模拟,就是根据研究的目标和重点,在数字空间中对其形状、材质、运动等属性进行数字化再现的过程。随着先进的数字化仪器及设备不断投入实际应用,计算机辅助下的三维建模技术已经从最初费时费力的基于几何的手动建模,发展到包括三维扫描仪、基于图像的建模与绘制( IBMR) 等多种方法在内的三维建模。建模对象也从简单的几何体建模,发展到比较复杂的人脸、肢体、发丝等建模,甚至是流体的模拟。在完成总体设计，概念设计与尺度综合以及初步机械设计后，采用三维建模软件完成机床的三维造型和装配。5.2、三维建模软件经过多方面的调查，总结出了几种现在机械领域比较常用的几种三维建模软件：（1）CATIACATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。 是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。它是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。（2）UGUG软件是Unigraphics Solutions公司(简称UGS)开发的主要CAD产品，它在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。UG具 有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半 径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。（3）3DS MAX3D Studio Max，常简称为3ds Max或