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立式加工中心床身结构设计【机械毕业设计含7张CAD图+说明书1.8万字40页任务书开题报告】

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床身与立柱装配图.dwg

床身结构图.dwg

滚动直线导轨组图.dwg

滚珠丝杠组图.dwg

电机座.dwg

联轴器.dwg

轴承座.dwg

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关键词：: 立式加工中心床身结构设计机械毕业设计 cad 说明书仿单 40 任务书开题报告讲演呈文

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任务书开题报告.docx

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设计说明书.doc[18000字，40页]

床身与立柱装配图.dwg

床身结构图.dwg

滚动直线导轨组图.dwg

滚珠丝杠组图.dwg

电机座.dwg

联轴器.dwg

轴承座.dwg

摘要

床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用，主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。床身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性,因此，床身结构的优化对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义，本课题即结合沈阳机床厂VMC850B立式加工中心的性能特点与相关参数，对立式加工中心床身结构进行了科学系统的设计，具体内容如下：

（1）借鉴于同类型的床身结构，根据VMC850B的整机结构设计了床身上表面布局，通过查阅《实用机床设计手册》《机械设计手册》等参考书，科学的设计了床身的截面形状，包括壁厚的选定以及加强肋、方孔、圆孔的合理布置。同时对床身进行了受力分析并利用ANSYS软件对床身模型采取了静态力有限元分析。

（2）针对与床身相关的重要零部件，包括Y方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、直线导轨、轴承、联轴器，进行了分析与计算，并最终确立了型号与参数。

（3）提出了床身的精度要求，包含加工和装配过程中的几何精度。

关键词：立式加工中心；床身；结构设计；选型计算；有限元分析；精度设计

Abstract

The bed is a very important basis for supporting parts in the vertical machining center, it plays a role that supporting the column, the slide, the workbench and some other important parts. The bed mainly withstands the static load of the machine tool and the cutting load in the processing. The static and dynamic performance of the bed directly affects the machining accuracy and stability. Therefore, the optimization of the bed structure has great significance for the development of the vertical machining centers. The subject, which is combined with the performance characteristics and parameters of the vertical machining center 850B of the Shenyang Machine Tool Factory, have designed the bed structure of the vertical machining center scientifically and systematically, the details are as follows:

(1)Learnt from the bed structure of the same type and designed the layout of the bed top surface under VMC850B’s whole structure, through accessing to <Practical Machine Design Manual> and <Mechanical Design Manual> and other reference books, scientifically designed the cross-sectional shape of the bed, including the selection of the wall thickness as well as the reasonable layout of the reinforcing rib, the square and circle holes. The subject also did the stress analysis for the bed and used the software called ANSYS to do the finite element analysis of the static force for the model of the bed.

(2)For the important parts of the bed, including the Y-direction servo feed drive motor, ball screws, linear guides ,bearings and couplings, did the analysis and the calculation, and eventually established the models and the parameters.

(3)Put forward the accuracy requirements of the bed, including the geometric precision of the machining and assembly process.

Keywords: the vertical machining ；center the bed ； structural design ；selection calculation finite element analysis ； precision design

1 机床设计现状 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状与发展趋势 2

1.3 本论文内容概要 4

2 床身结构设计 4

2.1 床身材料 4

2.2 床身时效处理 4

2.3 床身结构设计 5

2.3.1床身重要表面设计 5

2.3.2床身截面形状设计 5

2.4 床身热变形 10

2.5 床身结构确定方案 11

3 床身零部件的计算与选型 12

3.1 Y方向滚珠丝杠副的选择 12

3.1.1 初步计算丝杠导程 13

3.1.2 滚珠丝杠副当量载荷与当量转速计算 14

3.1.3计算预期额定动载荷 17

3.1.4 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形 18

3.1.5估算滚珠丝杠副的底径 18

3.1.6 计算滚珠丝杠副预紧力 20

3.1.7 滚珠丝杠副剩余结构尺寸确定 20

3.2 伺服电机的选择 21

3.2.1电机的负载转矩计算 21

3.2.2 惯量匹配计算 22

3.2.3空载启动时最大加速力矩计算： 24

3.2.4快速空载启动时所需最大启动力矩计算 24

3.2.5 电动机连续匀速工作时的最大力矩 25

3.2.6 电动机输出端轴的直径计算 25

3.3 滚动轴承的选择 25

3.3.1 滚动轴承使用条件 26

3.3.2 初选止动球轴承型号 26

3.3.3 止推轴承组配方式 26

3.3.4 止推轴承的选用计算 27

3.3.5 圆柱滚子轴承的选型计算 29

结论 31

致谢 33

参考文献 34

A0X向进给系统装配图.jpg

A0滑座.jpg

A1电机座.jpg

A3导轨组图.jpg

A3滚珠丝杠组图.jpg

A3轴承盖 .jpg

A3轴承座.jpg

目录1.jpg

目录2.jpg

全部文件.jpg

字数统计.jpg

内容简介：: 毕业设计（论文）附件题目：立式加工中心床身结构设计专业：机械设计制造及其自动化学号： 10604116 姓名：贾宏宝指导教师：马晓波机械与运载学院沈阳工学院毕业设计（论文）课题申报表课题名称立式加工中心床身结构设计课题来源实践课题类型题简介：（主要内容、进行方式、工作量大小及准备程度、现有技术和物质条件、时间安排、预期成果）在所学专业理论知识基础上，结合实际生产要求，立式加工中心床身应设计应包括以下内容： 1. 床身结构设计，满足立式加工中心的功能要求，满足立式加工中心加载力和加载频率等技术指标要求，提高其动态特性； 2. 床身系统设计，结合立柱、滑座等其他零部件，满足立式加工中心整体的强度、刚度、稳定性要求与加工精度要求；进行方式：学生应在校外短期调研的基础上，在老师的指导下在校内独立完成。工作量大小及准备程度：作量不少于 5000 汉字； 2. 结合毕业设计题目撰写 3 5千字的开题报告； 3. 绘制张，可包括装配图、零件图； 4. 撰写不少于 2万字的设计说明书。学生从基础工作做起完成全部设计任务。现有技术和物质条件：工艺工装设计在机械制造企业应用非常广泛，其设计过程比较规范，技术成熟，学生在设计过程中有较多的调研与参考机会。该课题现有轴承座等零件图及机床设计手册、图册和相关参考资料，同时可到相关企业调研。时间安排： 1：下发任务书，学生完成开题报告； 3：学生完成零件图绘制、床身结构图绘制； 7：学生完成床身装配图绘制； 14：学生完成设计计算说明书的编写； 16 周：准备答辩。预期成果：形成规范技术文件，可以应用实际生产。申报人姓名：马晓波日期： 2016 年月日学院毕业设计（论文）工作领导小组意见：组长签字：年月日说明：课题类型（ 1） A 工程设计； B 技术开发； C 软件工程； D理论研。（ 2） X 真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题。（ 1）、（ 2）均要填写，如。毕业设计（论文）任务书课题名称立式加工中心床身结构设计专业机械设计制造及其自动化姓名贾宏宝学号 10604116 主要内容、基本要求、主要参考资料、进度安排等：主要内容： 1. 调研、查阅相关资料，了解国内外床身的工作原理、结构形状；2. 建立数学模型，进行动力学参数设计计算； 3. 结构设计：床身等零部件； 4. 绘制零件图、装配图，折合；设计说明书一份。基本要求：通过毕业设计巩固和扩展学生所学知识，提高学生综合运用知识分析问题和解决问题的能力。要求学生清楚设计参数，明确设计内容；查阅资料，合理选用；设计方案合理，计算准确；制图符合国家标准，设计说明书语言简练，文字通顺，主体部份 1万字以上；按时间进度独立完成。主要参考资料 : 1. 向久浩编著中国轻工业出版社 . 闻邦椿振动机械的理论与动态设计方法 2001 3. 王鹰王国华等编著中国铁道出版社间安排： 1：下发任务书，学生完成开题报告； 3：学生完成零件图绘制、床身结构图绘制； 7：学生完成床身装配图绘制； 14：学生完成设计计算说明书的编写； 16 周：准备答辩。指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日系主任签字：年月日毕业设计（论文）开题报告课题名称立式加工中心床身结构设计课题来源企业课题类型导教师马晓波开题报告内容：（调研资料准备情况，设计的目的、要求、思路与预期成果；工作任务分解，各阶段完成的内容及时间分配；完成设计（论文）所具备的条件、存在的问题等。）调研资料：自动机械设计振动机械的理论与动态设计方法连续输送机械设计手册变压器铁心制造工艺变压器绕阻制造工艺，设计目的：巩固和扩大学生所学知识，训练学生综合运用所学知识、解决问题的能力，同时使学生的创造力得到充分发挥。要求：清楚设计参数，明确设计内容；查阅资料，合理选用；设计方案合理，计算准确；制图符合国家标准，设计说明书语言简练，文字通顺思路： 1. 调研、查阅相关资料，了解国内外床身的工作原理、结构形状； 2. 建立数学模型，进行动力学参数设计计算； 3. 结构设计：床身等零部件； 4. 绘制零件图、装配图，折合计说明书一份。任务分解： 1. 1：下发任务书，学生完成开题报告； 2. 3：学生完成零件图绘制、床身结构图绘制； 3. 7：学生完成床身装配图绘制； 4. 14：学生完成设计计算说明书的编写； 5. 16 周：准备答辩。。条件：先进行足够的调研，明确设计目的，理清设计思路，提前预知设计中可能存在的问题，然后逐步完成设计。指导教师意见：指导教师签名：年月日课题类型（ 1） A 工程设计； B 技术开发； C 软件工程； D 理论研。（ 2） X 真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题。（ 1）、（ 2）均要填写，如。毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名贾宏宝专业机械设计制造及其自动化学号 10604116 指导教师马晓波职称工程师工作进度已完成的内容：课题设计的整体构思，了解国内外床身的工作原理、结构形状；建立数学模型，进行动力学参数设计计算；待完成的内容：对立式加工中心床身结构的设计已完成百分比： 55% 存在问题：指导教师签字：年月日指导教师毕业设计（论文）评审表课题名称：立式加工中心床身结构设计序号评审项目指标满分评分 1 工作量、工作态度按期完成规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实；善于与他人合作。 20 2 调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。 10 3 设计、实验方案、分析与技能综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。 40 4 设计说明书论文质量条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。 20 5 创新能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。 10 总分评语：指导教师签字：年月日评阅教师毕业设计（论文）评审表课题名称：立式加工中心床身结构设计序号评审项目指标满分评分 1 课题完成量能按期完成任务书规定的任务，课题达到教学基本要求。难易程度、工作量大小合适。 20 2 调查论证根据课题任务，能独立查阅文献资料和从事其它有关调研，能较好的书写出开题报告，有收集、综合和正确利用各种信息的能力。 10 3 设计、计算论证、推导综合分析科学，方案设计合理，数据采集、计算、处理正确，推导正确，计算准确，论证充分；结构合理、工艺可行；图样绘制与技术要求符合国家标准要求。 40 4 设计说明书条理清楚、文理通顺、用语符合技术规范，图表完整、正确、书写格式规范。 20 5 创新点能利用最新技术手段，有重大改进或独特见解；有一定应用价值。 10 总分评语：评阅组负责人签字：年月日毕业设计（论文）答辩申请表申请时间： 2016 年 5 月 18 日课题名称立式加工中心床身结构设计专业机械设计制造及其自动化姓名贾宏宝学号 10604116 已完成情况：加工中心床身结构图张，装配图张以及电机座等零件图和毕业设计说明书。同意答辩指导教师： 2016 年 5 月 18 日评阅教师：年月日备注：毕业设计（论文）答辩评审表课题名称：立式加工中心床身结构设计序号评审项目指标满分评分 1 报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。 40 2 报告过程准备工作充分，时间符合要求。 10 3 创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 10 4 答辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确、深入。 40 总分评语：对申请评优或答辩不合格的补充说明：答辩委员会（小组）负责人：年月日沈阳工学院毕业设计（论文）成绩评定表论文题目学生姓名学号指导教师姓名职称设计（论文）说明书页数图纸张数加工零件数有、无产品模型评分项目标准得分权重折合得分指导教师评分评阅组评分答辩组评分综合得分论文评定等级毕业设计（论文）答辩委员会意见：机械与运载学院答辩委员会负责人：年月日沈阳工学院毕业论文（设计）答辩记录表答辩日期： 2016 年 5 月 19 日答辩地点： 5312 学院（或系）机械与运载学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名贾宏宝学号 10604116 成绩论文（设计）题目立式加工中心床身结构设计指导教师马晓波答辩纪录：（用简明语言记录答辩过程，答辩委员会提出的问题及学生回答情况）提出问题：回答摘要：答辩组组长签名：答辩委员会记录人（签字）：摘要床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用，主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。床身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性 ,因此，床身结构的优化对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义，本课题即结合沈阳机床厂能特点与相关参数，对立式加工中心床身结构进行了科学系统的设计，具体内容如下：（ 1）借鉴于同类型的床身结构，根据整机结构设计了床身上表面布局，通过查阅实用机床设计手册机械设计手册等参考书，科学的设计了床身的截面形状，包括壁厚的选定以及加强肋、方孔、圆孔的合理布置。同时对床身进行了受力分析并利用（ 2）针对与床身相关的重要零部件，包括 Y 方向伺服进给系统的驱动电机、滚珠丝杠、直线导轨、轴承、联轴器，进行了分析与计算，并最终确立了型号与参数。（ 3）提出了床身的精度要求，包含加工和装配过程中的几何精度。关键词：立式加工中心；床身；结构设计；选型计算；有限元分析；精度设计 he is a in it a of in of of of is of 50B of of as (1)of of s of of as as of to do of of (2)of (3)of of 目录 1 机床设计现状 . 1 题研究的背景和意义 . 1 内外研究现状与发展趋势 . 2 论文内容概要 . 4 2 床身结构设计 . 4 身材料 . 4 身时效处理 . 4 身结构设计 . 5 身重要表面设计 . 5 身截面形状设计 . 5 身热变形 . 10 身结构确定方案 . 11 3 床身零部件的计算与选型 . 12 方向滚珠丝杠副的选择 . 12 步计算丝杠导程 . 13 珠丝杠副当量载荷与当量转速计算 . 14 算预期额定动载荷 . 17 算滚珠丝杠允许最大轴向变形 m . 18 算滚珠丝杠副的底径 . 18 算滚珠丝杠副预紧力. 20 珠丝杠副剩余结构尺寸确定 . 20 服电机的选择 . 21 机的负载转矩计算 . 21 量匹配计算 . 22 载启动时最大加速力矩算： . 24 速空载启动时所需最大启动力矩. 24 动机连续匀速工作时的最大力矩. 25 动机输出端轴的直径计算 . 25 动轴承的选择 . 25 动轴承使用条件 . 26 选止动球轴承型号 . 26 推轴承组配方式 . 26 推轴承的选用计算 . 27 柱滚子轴承的选型计算 . 29 结论 . 31 致谢 . 33 参考文献 . 34 1 机床设计现状随着机械制造业的飞速发展与竞争市场需求的不断扩大，数控机床的应用范围持续扩张，同时，为了应对市场日新月异的变化及加工要求难度的不断提高，数控机床产业的水平也在飞速进步，不断向高速化、复合化、高精度化、智能化转变。如今，为了提高自身经济发展水平，应对激烈的国际竞争，各工业强国均认识到制造装备的重要性，将装备制造业作为国家发展的关注重点之一，致力于提高装备品质，抢占市场前沿。面对当下的产业状况与市场模式，我国也认识到了数控机床产业的绝对地位和有力前景，在长期的发展与探索中，我国更是发现了国内产业中存在的问题，以及与其他发达国家的差距。因此，党中央国务院领导层对此高度重视，并在“十二五”规划中将振兴装备制造业作为推进工业结构优化升级的主要内容，其中，数控机床的研究与探索成为举足轻重的振兴内容。此文即立足于数控机床领域，立足全局，就立式加工中心的现状与发展做了深入的分析与研究；从一点出发，针对立式加工中心床身的结构及其相关的零部件进行了科学的、详细的设计与优化。题研究的背景和意义为了深入了解我国数控机床产业现状，学习先进的数控机床设计方法和生产技术，本次课题研究特进入国内产业销量多年屈居首位的沈阳机床厂，针对的立式加工中心，在其设计、加工与装配现场开展实地学习与研究。并结合该型号的具体加工需求与机能，参考其床身的结构设计，对立式加工中心的床身进行了结构设计的优化，同时对与其相关的重要零部件，如电机、滚珠丝杠、导轨等，进行了系统的学习，并结合实际情况，完成了选型的计算与分析。立式加工中心在具有普通数控机床的加工精度高、加工柔性好、生产效率高等优点的同时，相较于传统的数控机床，其还具备许多特色与优势，在原有的基础上，结合市场需求进行了发展与优化，首先其切削速度与进给速度均得到大幅提高，其次，其可在一次装夹中连续完成铣、钻、扩、铰、镗、攻丝及二维三维曲面、斜面的精确加工，且切削厚度基本保持不变，实现了加工的程序化，提高了加工的生产效率，更具经济效益。最后，其加工的柔性也得到了提高，可加工多品种小批量、结构复杂、工序多、精度要求高的零件，由于切削速度的提高，其切削力可相应得到降低，尤其是径向切削力，因此立式加工中心还特别有利于加工薄壁件等刚性差的零件。沈阳机床厂的行了自主研发创新的一款数控机床，其结构设计更为合理，机床的刚性、精度保持性和可靠性都得到了不同程度的提高，市场需求量日益扩大。然而，实际生产加工的过程中，立式加工中心仍存在着许多的问题与不足有待解决与改善，比如在高速切削速度下，容易引起机床的振动、噪声以及热变形等典型问题。因此，合理优化机械结构，加强整体配置，提高数控精度，改善立式加工性能是一项具有发展前景和重要意义的工作。本课题即立足于这一观点，以立式加工中心的床身结构为重点，通过优化其结构设计，综合提高床身的刚度、精度、稳定性、可靠性等。由于床身是立式加工中心非常重要的基础支撑件，直接影响着机床整机的性能，因此，其对于立式加工中心的发展具有十分重要的意义。内外研究现状与发展趋势总体来说，经历了几十年的学习发展与探索创新，我国的数控机床产业已经逐步向美、德、日等处于发展前沿的发达国家靠近，相对成熟的、面向市场的数控机床已达到 1500种，在五轴联动数控机床、立式卧式加工中心、数控车床等制造装备技术领域甚至已达到了世界先进水平，改变了长期被国际对手实行产业垄断的不利局面。如今，国内生产立式加工中心的企业逐渐增加，其中以沈阳机床集团、大连机床集团、济南机床厂、南京机床厂为首，日益带动了许多中小企业的建立与发展，活跃了国内机械装备制造产业，同时，这些企业也逐步从单纯复制进口数控机床的结构、购买进口的数控系统发展为拥有自主知识产权、优化装备结构、创新生产技术的较为成熟的阶段。其中，五轴联动数控机床即具有我国数控机床技术的里程碑式的意义，它集计算机控制、高性能伺服驱动系统和精密加工技术与一身，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。纵向比较，虽然我国近 30年来确实取得了飞跃式的发展与提高，但横向比较于世界工业发达国家，我们所生产的数控机床的各项性能仍处于世界相对落后的地位，尤其是数控系统的控制可靠性方面，如今，我国 90%的数控系统仍需进口，还有很大的进步空间，急需早日建立我国自主的数控产业。在沈阳机床厂实际考察期间即体现出我国在数控机床产业中所面临的核心技术缺乏问题，国内所生产的数控机床关键零部件和关键技术主要依赖进口，比如，在进行床身结构及其零部件的学习过程中发现，其导轨、滚珠丝杠、电机、轴承等重要的功能部件均来自进口。国产的功能部件存在很大的故障率，精度、寿命、可靠性方面与进口的功能部件存在明显差距，这严重滞留了数控机床的发展进程。另外，我国虽然认识到了在这一领域自主创新的重要性，然而，其自主创新的能力以及对于创新成果的市场转化机制仍然十分欠缺与落后。创新是一项需要长足发展和长效机制的问题，其决定与技术人员和企业的素质，我国不可盲目追随发达国家，而是要结合自身国情与市场需求，在稳中求发展，重在提高创新能力，而非一味求效益，没有长远的发展策略。另外，我国还面临着技术创新和成果转化与市场脱节的问题，往往在取得了一项创新成果之后，没有完善的市场安排和健全的成果转化体系，也缺乏相应的规范和标准，使得制造工艺的发展举步维艰。最后，我国还数控机床产业还严重缺乏质量保证体系、质量反馈体系和服务体系，企业与用户欠缺沟通与交流，没有对于产品的追踪调查，这也对于产品的优化与改善造成了消极的影响。相较于我国，国外的立式加工中心则处于领先的地位，仍然占据了相当大的市场，其数控机床具备高精度、高速度和高可靠度，技术成熟且生产厂家众多，其中比较著名的有德国本司、德国司、日本通快公司、美国哈斯、美国于数控机床关键零部件和关键技术，处于世界领先地位的厂家分别为：日本国西门子，还有日本的三菱，其余还有法国的扭姆和西班牙的凡高。面对国际市场的发展与挑战，我国立式加工中心产业具有如下的发展趋势： 1、智能、高速、高精度化：未来的立式加工中心，将致力于提高生产效率，向超高速、超精密的方向发展，采用更加先进的功能部件，使主轴转速达到 15000r/前立式加工中心的最高精度可达到亚微米级水平，未来所设定的目标为达到纳米级水平。同时，研发功能性更为强大的计算机软件系统，从而更有利于数控机床结构的简化，提高其智能化程度。 2、一体化与复合化数控机床逐步向一体化发展，将加工与检测相结合，从而提高加工与检测的精度；将多轴加工一体化结合，从而满足产品对于外观曲线的更高要求。另外，由于立式加工中心已能实现工件一次装夹而实现多种工序的负荷加工，而为了更大限度的缩短生产周期，满足于对制造速度的要求，数控机床也将向高度复合化发展。 3、设计、加工绿色化环保问题现已成为全球化的不可忽视的问题，数控机床产业作为装备制造业的核心，必须符合环保需求，因此应该遵循绿色设计的原则，采用绿色环保材料，进行节能性的、可回收性的设计，使得资源利用率最高、对环境负面影响最小。论文内容概要本文主要结合沈阳机床厂立式加工中心工与装配的经验，对立式加工机床床身的结构进行优化设计，同时也对床身相关功能部件进行了选型的计算与分析，设计过程中除了查取了大量文献资料作为理论支撑，还利用具体内容如下：第一章绪论说明了本次课题研究的背景与意义，同时介绍了当下的数控机床产业国内外研究现状与发展趋势第二章床身的结构设计对床身的结构进行了分析计算与优化设计，主要包含床身材料的选择，床身的时效处理，床身重要表面的设计，床身截面，即壁厚、肋板、方孔与圆孔的选择，以及床身热变形的分析与预防，最红进行了结构方案的确定，并利用证了设计的合理性。第三章床身功能部件的计算与选型对与床身相关的各功能部件进行了选型所需的分析与计算，包含珠丝杠、联轴器与轴承，还有滚动直线导轨，最终确定了各功能部件的参数与型号。 2 床身结构设计在切削时，刀具与工件之间相互作用力沿着部分支撑件传递并使之变形；机床的动态力（如变动的切削力、往复运动件的惯性、旋转件的不平等）使支撑件和整机振动；支撑件的热变形将可能改变执行件的相对位置或运动轨迹，这些均将影响工件的加工精度和表面质量。故支撑件对于数控机床而言至关重要，床身作为数控机床中最为基础的支撑件，它起到了支撑立柱、滑座、工作台等重要零部件的作用，主要承受机床的静载荷以及在加工时产生的切削负载。床身的静动态性能直接影响机床的加工精度和稳定性 , 其结构及布局是否合理将直接影响机床的加工质量和生产率。故对床身的基本要求如下：（ 1）具有足够的刚度和较高的刚度质量比（ 2）具有较好的动态特性（ 3）使整机热变形较小（ 4）可顺利排屑、安全吊运，且有利于加工与装配。身材料立式加工中心床身结构复杂，一般采用铸造。灰铸铁材料流动性好，体收缩和线收缩小，易于铸造，获得形状复杂的铸件。其可加工性好、制造成本低，易于大量生产，并具有良好的耐磨性和减振性，铸铁的内摩擦大，阻尼作用强，故动态刚性好，是传统的床身结构材料。本设计中床身材料采用属于较高强度的铸铁，耐磨性、耐热性均较好，铸造性能好，需进行人工时效处理，用于承受较大应力（弯曲应力 ,摩擦面间压强大于需表面淬火的铸件，以及要求保持气密性的铸件，如气缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面。身时效处理床身结构在加工完成后需进行时效处理，其目的是在不降低铸铁力学性能的前提下，使铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或稳定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。为了降低生产周期，提高效率，节省能源，本设计中采用机械振动法进行时效处理。身结构设计床身主要承受主轴箱、立柱、滑座、工作台的重力，同时，由于主轴箱与刀库固定在立柱不同的侧面上，因此床身承受不同方向的弯矩与扭矩，以及由主轴轴线折算到床身上的切削载荷。因此，为提高床身结构的刚度，需要考虑弯曲刚度与扭转刚度的影响。身重要表面设计如前文所述，床身是机床组成部件中重要的支撑构件，其上需要连接立柱、滑座和保证各部件有效发挥其工作机能，互不干涉，有效配合，以满足机床工作要求，需要对床身表面进行优化设计，参照现有的立式加工中心床身上表面设计，结合本次床身结构设计要求，身截面形状设计在弯、扭载荷作用下，床身的变形与截面的惯性矩和极惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同时，截面惯性矩相差很大。（ 1）截面积相同时空心截面的刚度大于实心截面，仅此床身采用空心截面。同时，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的条件下尽可能减小壁厚，也可大大提高截面的抗弯和抗扭刚度。（ 2）方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，方形截面的抗扭刚度则较低。由于床身既承受弯矩也承受扭矩，且以弯矩为主，则应采用方形或矩形截面。（ 3）应尽量将截面设计为封闭式结构，因为开放式的截面，其抗扭刚度相较于封闭式的下降很多，因此，在本设计中，将床身的截面设计为封闭的箱体。结合立式加工中心 850保证床身具有良好的静刚度和动态特性，满足床身性能要求，还需对床身截面结构进行更为细致的分析与设计。厚的确定 : 依据不同的铸造方法，铸件所允许的最小壁厚也不同。最小壁厚的确定与铸件表面积、铸造方法及铸造材料有关，在机械加工工艺手册中节选各种铸造方法的铸件最小壁厚依据上文初步确定的床身结构，查表即可知，铸件最小壁厚应为7 铸件的壁厚取决去其强度、刚度、材料、铸件尺寸、质量和工艺等因素。如上所述，床身为铸铁材料，采用砂型铸造工艺，其壁厚可利用当量尺寸左面表格为在机械设计手册机架、箱体及导轨中节选“表铁机架的壁厚”所得，其中推荐的是铸件最薄部分的壁厚，支撑面、凸台等应根据强度、刚度及结构上的需要适当加厚，且壁厚应尽量均匀。已知本设计中床身的尺寸参数为： L = 1905 B = 1660 H = 433 2 2 1 . 9 1 1 . 6 6 0 . 4 3 1 . 9 733L B 2 查表可知，外壁厚最小取 16壁厚最小取 12设计中取外壁厚为 20 强肋的设计床身作为立式加工中心的支撑部件，其上承载着立柱、滑座、工作台等重要部件的重力，同时在加工工件的过程中，还需要承受切削载荷，由于主轴系统和盘式刀库的作用，床身上还作用着不同方向的弯矩与扭矩，使其在导轨 Y、生变形，从而影响加工精度。因此，需要设置合理的加强肋结构，提高床身结构刚性。加强肋的作用如下：（ 1）可以提高床身的强度、刚度，减轻床身的质量。（ 2）可以减少床身截面的畸变，在大面积的薄壁上布肋可以减少局部变形，并防止床身变形，降低噪音。（ 3）肋可使床身铸件壁厚均匀，防止金属堆积而产生缩孔、裂纹等缺陷；作为补缩通道，扩大冒口的补缩范围；改善铸型的充满性，防止出现夹沙等缺陷。（ 4）散热，切削过程中，压系统和机械摩擦都会产生热量，加强肋的设置有助于帮助散热，降低床身热变形。加肋后可以把载荷传递到下壁，并把上壁的弯曲变形转化为肋板的压缩和拉伸变形，因而有效的减少了上壁的弯曲变形。加强肋的布置实际上就是横向肋、纵向肋和对角肋的组合。纵向肋主要是提高抗弯刚度，横向肋主要是提高抗扭刚度，而对角肋兼具提高抗弯刚度和抗扭刚度的作用。（ 1）相对于高度方向的尺寸而言，床身上表面的尺寸很大，因此，为了保证床身的整体刚度，需要重点加强床身上表面的支撑肋板的静刚度和动刚度。（ 2）由于式加工中床身的上表面采用倾斜结构，目的是为了方便排屑，而造成导轨所在的位置使其成为悬空的结构，作为主要的受力面，需要通过设置加强肋以保证其刚度。（ 3）由于床身采用铸件，在铸造工艺中需要设置许多拔摸孔等开放式结构，故床身结构设计中还需考虑其不封闭性。（ 4）局部增设加强肋，以提高支撑件的支撑刚度。由于床身上表面相对于箱体面较大，使得大于箱体面的凸缘部分局部刚度较差，为提高床身支撑刚度，在凸缘处设置了加强肋。具体箱体加强肋的布置方式如图图身截面结构图床身箱体剖视图壁孔的设计出于床身自身结构与加工工艺的要求，为减轻床身的质量，节省材料，同时满足铸造工艺与结构性能，床身的壁板和加强肋上需要设置孔结构。这些孔的形状、大小和位置对床身的刚度均有一定影响，在受载壁板中，孔的边缘会出现一个高应力区，特别是在转矩作用下，对刚度的影响更为明显。在铸造工艺上，为了制造方便，对于铸件的最小孔径进行了限定。由于本设计采用的是砂型铸造、成批生产，故孔径要大于 30与此同时，随着孔径的增大，刚度持续下降，当 d/h 度削弱尤其显著，尽量使其值小于下图所示，且应尽量使孔布置在板壁的中线上，同样有利于提高床身刚度。为使身箱体开孔对床身刚度影响尽量降低，应使箱体开孔的面积小于板壁面积的 10%。当孔面积大于 10%时，随着孔面积加大，刚度急剧下降。因此，设计床身板壁开孔方式如下图所示，两侧壁上开 5个直径为 80后壁上分别开 5 个方孔，且厚壁的方孔均小于前壁，因此保证前壁的设计满足要求即可。图身板壁开孔示意图首先验证 d/h 值：侧壁： d = 80h = 352 d/h = 8052 壁： d = 105mm,h = 352 d/h =10552 证孔面积：侧壁： 2 2 2= r 3 . 1 4 4 0 5 0 2 4S m m 孔， 2= h 3 5 2 1 4 5 5 5 1 2 4 6 0S b m m 壁故 5 5 0 2 45 / = = 0 . 0 5 = 5 %512460孔壁小于 10%，满足要求。前壁： 2= 3 6 0 1 0 5 2 5 0 1 0 5 = 2 9 4 0 0 m 孔21 0 6 0 3 5 2 = 3 7 3 1 2 0 m 壁故 29400/ = 0 . 0 8 = 8 %373120孔壁小于 10%，满足要求。身连接结构设计床身与立柱、电机座、轴承座，包括床身与地基的固定连接，主要是用凸缘和螺钉连接。连接结构的主要形式有：爪座式、翻边式和壁龛式。床身连接处的刚度对于机床整体的工作性能具有重要影响，故为保证机床机能，必须保证连接处的刚度，影响连接刚度的因素如下： (1)预压力的大小。 (2)参与力传递的接触面的大小。传力接触面越大，接触变形就越小，接触刚度就越高。 (3)床身自身刚度的大小，在集中载荷的作用下，床身的自身刚度与局部刚度较高时，接触压强的分布就比较均匀，反之，若床身刚度不足，接触压强的分布不均匀，接触变形也将不均，使接触刚度降低。故为保证床身连接刚度，对于床身连接结构进行如下设计：（ 1）使螺栓位置尽量靠近壁板。因为螺栓中心线与板壁的偏心距栓越靠近壁板，弯曲变形就越小。因此为了提高接触处的刚度，床身与电机座、床身与立柱连接固定处的螺栓位置均根据这一原则，尽量靠近了立柱与电机座的壁板，并依此确定了螺栓孔在床身重要接触面上的位置。（ 2）合理提高接触表面的平面度公差等级，改善其表面粗糙度。床身上的重要表面包括床身与立柱接合面，床身与电机座、轴承座接合面，导轨面，这些接触表面的平面度均要求达到面粗糙度要求小于等于时这些表面需要在装配过程中进行配磨与刮研，提高其几何精度与接触精度，使表面更加平整。（ 3）螺栓均对称、均布排列，从而提高其接触刚度。图身与立柱连接结构身与地基连接结构本设计中，床身与立柱，床身与地基的连接与固定的结构形式均采用壁龛式，如上图所示，采用壁龛式的原因为，其局部刚度比爪座式大 3倍，以上。适用于床身这种载荷较大的支撑件与地基、立柱的连接，并且壁龛连接还有效的节省了占地的面积。试验表明，螺钉的预紧力使接触平面具有 2通常接合面的刚度可较好的得以保证。铸铁的接触变形可用如下经验公式进行计算： f = 中： f 接触变形（ m） p 接合面之间的平均压强（ c 接合面表面粗糙度因素值在实用机床设计手册中查“表 10合面表面粗糙度因素值 c” 可得精刮工艺下，取 f = 2 = 1m 可知，接触变形很小，满足床身接触精度要求。身热变形机床在切削过程中会产生大量的热，这些热量分别来自电动机、液压系统和机械摩擦。热量传导给床身即引起床身温度变化，改变了床身与机床其他执行机构的相对位置，从而降低了机床的加工精度。对于本床身来说，床身上的导轨在工作台与滑座高速运动的摩擦下，上表面的温度将高于下表面，引起导轨中凸，同时热量传递给床身导轨面，引起导轨面热变形，使得床身与导轨接触面接触刚度下降，影响导轨平行度、直线度，进而影响机床传动精度和加工精度。床身上连接的控制吸收热量产生热变形，由于其两端受到轴承固定的限制，不能自由膨胀变形，则产生了热应力，使滚珠丝杠弯曲变形，或使轴承内产生轴向附加载荷，这个载荷又将是轴承进一步发热，从而严重损坏了滚珠丝杠与轴承。由此可见，必须采取有效措施减少床身的热变形，主要从如下几个方面入手：（ 1）床身设置倾斜表面，可以有效进行排屑、排油，达到隔离热源的目的。由于切屑、润滑油、液压油和切削液都是主要的热源，如果滞留在床身中将使床身产生较大的温升和变形。因此利用此设计将这些热源排出床身以外，单独设立排屑装置、油箱，或是在热源外设置隔离罩，以减少热传导。（ 2）将床身结构设计为热对称结构。主要发热部件，如导轨、电动机均是处在床身对称位置，床身自身的结构也设计为左右对称的结构，这样热变形后可尽量不改变零部件的相对位置，从而减少热变形对工作精度的影响。身结构确定方案身最终结构图上图所示即为床身最终确定的结构方案，其融合了前文对床身重要表面、床身截面、床身连接结构和热变形的所有分析与设计，参考了同类型的机床，结合了所设计机床型号结构与尺寸要求，最终确立结构如上图，此结构满足对于机床床身的基本要求。 3 床身零部件的计算与选型立式加工中心伺服进给系统是直接控制机械位移，实现机床的进给运动和辅助运动的自动控制系统。它通常由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈单元组成。从位置控制的角度看，伺服系统有开环、闭环和半闭环之分。数控机床对伺服进给系统的设计基本要求如下：（ 1）稳定性。在系统的启动状态或在外界干扰作用下，经过锻短暂的调整过程后，应可以迅速地稳定在新的或原有平衡状态下。（ 2）精度高。实现准确的位置检测。（ 3）快速响应。系统的响应时间要尽量短，传动装置的加速能力要强。式加工中心进给伺服系统采用半闭环方式，反馈信号是由安装在伺服电机上的脉冲编码器反馈到位置偏差检测器。脉冲编码器与电机同轴，电机与丝杠直接相连，其特点是结构简单，产生误差的环节少，转动惯量减少，使伺服特性有较大改善。方向滚珠丝杠副的选择由于本机床程为 L=560于 2m,根据上表查得，采用丝杠螺母传动（丝杠旋转、螺母转动）作为执行机构。其次，在丝杠螺母传动机构中，由于滚珠丝杠滑动相对于滑动丝杠传动更适合应用于精密、高效的立式加工中心，故本设计采用滚珠丝杠副，其具体优势如下：（ 1）传动效率高，可达滑动热杠传动的 2 4倍。（ 2）运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。（ 3）可预紧、消除丝杠副间隙，提高轴向接触刚度。（ 4）定位精度、重复精度高。（ 5）使用寿命长，是普通滑动丝杠的 4 10倍甚至更高。（ 6）使用可靠，润滑简单，维修方便。（ 7）不自锁，可逆向转动，将旋转运动转化为直线运动。在确定滚珠丝杠副的主要尺寸参数时，需要根据机床的使用要求全面考虑。丝杠副的公称直径、基本导程、预紧力、负载滚珠的有效圈数与丝杠的寿命、位移精度、刚度、驱动力矩等有密切关系。在计算滚珠丝杠副尺寸之前，必须先确定对一立式加工中心型号，其具体的技术参数如（ 1）工作载荷：工作台重量1W：座重量2W：方向进给系统重量3W：轨重量4W：作台允许最大载荷5W： 600880N （ 2） 32m/ 3） 560 4）定位精度： 00 5）重复定位精度：于立式加工中心有精确位移要求的定位，故需要选择 P 类滚珠丝杠副。速力的求解如下：已知，加速时间 t = 32m/ 533 /则：加速度 a = （ 237+00） 6932N 加速力的进给速度为 22=16m/ 初步计算丝杠导程 hPi 式中：杠导程。（杠副 (m/ i - 传动比。由于 i = 1。 - (r/已知： 32m/方向驱动电机为 2/2000 型号，其最大转速为 2000r/ 故hPi 32/2000 = 16杠导程应不小于 16据确定丝杠导程为 16 珠丝杠副当量载荷与当量转速计算由于立式加工中心在工作过程中载荷是随时间变化的，而且不同载荷情况下，其对应的转速也不同。为了方便分析与计算，求解滚珠丝杠副的载荷与转速当量值如下： 3 3 3 31 1 1 2 2 2 3 3 331 1 2 2 3 3n n n t F n t F n t F n t n t n t n t 1 1 2 2 3 31 2 3t n t n t n tn t t t t 式中：1F、2F、 - 轴向变载荷（ N） 1n、2n、 - 对应1F、2F、的转速（ r/ 1t、2t、 - 对应1F、2F、的时间（ h）为求解要先求解轴向变载荷1F、2F、与对应转速1n、2n、的数值。具体计算过程如下

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