立式数控加工中心主轴箱设计含三维说明书二维图
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佳木斯大学本科毕业论文（设计）摘 要立式数控加工中心是一种精密高效机床，可进行一次装夹，自动连续完成对零件的铣削、镗孔、钻孔、铰孔、扩孔及攻丝等多种工序的加工。使用加工中心可以节省工装，缩短产品生产周期，提高加工的精度，保证零件加工的质量，提高产品的生产率，适用于中小批量生产的各种孔、平面、复杂形状表面的多品种加工，是汽车制造、轻工行业、及箱体零件加工的理想加工设备。本文分析了立式数控加工中心主传动设计的基本要求以及主传动系统设计的特点及步骤等要求，设计了主轴箱。主轴电机选择交流伺服电机，交流伺服电机在两对圆柱齿轮的驱动下驱动主轴，其主电机功率11kw,总速比1:1和1：4；主轴刚性好，轴径为85mm，采用高刚性、高精度的成组角接触球轴承，转矩高，功率大，最高转速能达到达6000r/min；运动比较平稳，抗振性比较好，精度保持性好，使用寿命长。 该设计运用PROE软件进行三维建模和装配以及仿真分析的运行情况，通过试装配和仿真分析确定整机设计的合理性和安全性；以保证机构运行的可靠性，达到了设计目的。关键词：加工中心;主传动；主轴；设计AbstractVertical Maching Center is a high efficinecy modern machine .It can continuously finish various kinds of proccessing such as milling,cutting,boring,drilling,reminging as well as taping after setting up once.This machining can save cost, short produceding period, promote working accuracy and ensure a high working quality which all can improve product efficiency on a large margin .It is suitable for complicated processing of small and medium sized parts, and it is an ideal equiment for processing of light-industries, automobiles ,as well as case sized parts.This paper introduced basic requiment of main driving system in Vertical Maching Center design and feature are also described, as well as main driving system are designed.Main motor is driven by digital servo motor via pair of synchronized wheels,which has power of 11 KW ,and a ratio being1:1or1:4;High rigidity spindle with diameter of being 85mm and group spindle bearings with high accurcy and high rigidity, larger power , high torque, and its speed up to 6000rpm, the spindle ensures stable running, high rigidity, long life and a good anti-vibration.This design uses PROE software for three-dimensional modeling and assembly simulation and analysis operation, determined by trial assembly and simulation analysis of the rationality and safety of the machine design; to ensure the reliability of operation, achieve the design objective.Key Words: machining center；main driving system；chief axis；design目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 数控加工中心的目的和意义11.1.1 数控加工中心的目的11.1.2 上下料机械手的意义11.2 上下料机械手的背景11.3 文献综述21.3.1 加工中心的定义21.3.2 加工中心的组成21.3.3 加工中心的优点31.4 本领域存在的问题41.5 本课题主要研究内容4第2章 主传动系统的总体设计62.1 主传动系统的要求62.2 主传动系统的设计62.2.1 确定电动机72.2.2 总传动比的确定72.2.3 传动组数和转速级数的确定72.2.4 结构分析式82.2.5 绘制转速图82.2.6 绘制传动系统图112.3 传动方式的确定112.4 本章小结13第3章 主轴组件的设计143.1 轴的设计概述143.1.1 轴设计的主要内容143.1.2 对主轴组件的要求143.1.3 轴的结构设计153.2 主轴的设计163.2.1 主轴的结构设计163.2.2 切削力的计算173.2.3 主轴直径和刚度的计算183.2.4 主轴轴承的选择213.2.5 轴承寿命的计算213.3 电机的选择213.3.1 伺服电机的概述213.3.2 伺服电机的选用223.4 本章小结23第4章 液压缸的设计244.1 液压驱动系统244.2 液压缸的组成244.3 液压缸的设计254.4 本章小结25第5章 Pro/Engineer三维建模265.1 Pro/Engineer软件简介265.2 Pro/Engineer绘制三维模型275.2.1 拨叉设计275.2.2 主轴齿轮结构275.3 整体结构设计285.4 本章小结29第6章 运动仿真306.1 Pro/Engineer 5.0运动仿真功能介绍306.2 虚拟样机运动仿真分析306.3 本章小结32结 论33致 谢34参考文献35附 录 136附 录 237不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第 V 页第1章 绪论1.1 数控加工中心的目的和意义1.1.1 数控加工中心的目的现代的加工中心的内容是什么?第一，它是在数控铣床或数控镗床的基础上增加的自动换刀装置，可以使工件在一次的装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、镗孔、钻孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸,不影响加工的进行。第三，加工中心上如果带有自动转角度的主轴箱和自动分度回转工作台，可使工件在一次的装卡中，自动完成多个角度位置多个平面的多工序加工。由以上分析可知，数控加工中心在加工效率上和数控加工的柔性自动化程度上使数控机床上了一个新的台阶,是一次新的变革，具有很大的意义。1.1.2 上下料机械手的意义数控加工中心的定义是什么?世界上也并无标准得定义，但目前普遍认为是：在工件一次的装夹中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多种工序的数控组合机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。数控加工中心能够实现工业零件生产的自动化，解决利用人力生产产生的费用，同时避免了工人在加工过程中的危险，通过数控加工中心集成效果好，它具有多轴和自动换刀功能，能够实现多道工序一次性完成，这个在一定程度上大大提高了工作效率，节约了成本，促进了科技的发展。1.2 上下料机械手的背景 加工中心是数控机床各类产品中所占比重最大的、发展最快的一类产品，也是制造业应用最广的一类设备。数控机床是国民经济的基础，是发展其它高新技术的手段，是国家防务的战略物资，是国家综合实力的标志，以加工中心为代表的数控机床的发展直接关系到国防安全和国家经济建设。当前国外先进数控技术的发展很迅速，形势逼人。目前国内加工中心与国际水平有很大的差距。我们必须高度重视国内加工中心与国外同类产品先进水平的差距。作为一名机械专业的大学生更应该努力学好专业知识，研究数控机床共性的核心技术，为提高国内加工中心的技术水平尽最大的努力。1.3 文献综述数控加工中心在工业生产行业已经占据着不可替代的作用，因为它的工作效率高，集成效果好，能够解决工业生产中的疑难问题，加工出很多不规则的零件，减少加工的难度。1.3.1 加工中心的定义现代加工中心的内容是什么?第一，它是在数控铣床或数控镗床的基础上增加的自动换刀装置，可以使工件在一次的装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、镗孔、钻孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸,不影响加工的进行。第三，加工中心上如果带有自动转角度的主轴箱和自动分度回转工作台，可使工件在一次的装卡中，自动完成多个角度位置多个平面的多工序加工。由以上分析可知，加工中心在加工效率上和数控加工的柔性自动化程度上使数控机床上了一个新的台阶,是一次新的变革，具有很大的意义。加工中心的定义是什么?世界上也并无标准得定义，但目前普遍认为是：在工件一次的装夹中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多种工序的数控组合机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。1.3.2 加工中心的组成加工中心的组成随机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。机床部件本身分为基本部件和选择部件。数控系统包括基本功能和选用功能。机床参数有主参数和其它参数。机床制造厂可根据客户需求进行生产，但是同类机床的基本功能和相同部件的组成一般差别不大。尽管出现了各种类型的加工中心，它们虽然外形结构各种各样，但总体来看由以下几部分组成。1.基础部件 由床身、立柱、工作台等大件组合而成，是加工中心的基础部件，要承受加工中心在加工时的切削载荷和静载荷。因此它们的部件对刚度要求很高，也是加工中心体积和质量最大的部件。2.主轴组件 它由主轴和主轴轴承、主轴箱、主轴电机等零件组成。它的转动、运动和停止等动作都是由数控系统控制，装在主轴上的刀具同时参与切削运动，主轴组件是切削加工的功率输出部件。3.控制系统 单台加工中心的数控部分是由CNC（computer numerical control） 装置、伺服驱动装置、可编程序控制器以及电机等部分组成。他们是加工中心完成加工过程的、执行顺序动作的控制中心。4.伺服系统 也称为随动系统，是用来精确地复现或跟随某个过程的反馈控制系统。伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能决定机床的表面质量、加工精度，是决定生产效率的主要因素之一。5.自动换刀装置 由机械手、刀库和驱动机构等部件组成。换刀过程是在可编程序控制器以及数控装置的控制下，由液压和电机或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。6.辅助系统 它包括排屑、防护、润滑、冷却、液压和随机监测系统等部分。辅助系统虽然不直接参与切削运动，但对加工精度、加工中心的效率和可靠性起到保障作用。1.3.3 加工中心的优点（1）加工质量高 由于工件是进行一次装夹，即可实现多工序集中加工，所以大大减少多次装夹所造成的误差。由于数控加工不太需要操作者的技术水平，因此稳定精度比较高。（2）加工准备时间短 由于加工中心可以顶替多台通用机床，所以加工个零件所需要的准备时间，是每一个加工单元所损耗的准备时间之和。从这个角度来说，加工中心的准备时间明显短得多。除此之外,由于是数控程序控制加工，不必准备专用工艺装备，可以节省很多的准备时间。（3）刀具费少 把分散布置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀具库上，用最少量的刀具，实现最大的利用。这样既可以提高刀具利用率，又减少了刀具费用。（4）直接劳务费少 由NC装置（即数控装置）实现用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无入运转、多工序加工的信息集约化和一人多台管理。这些都可缩减直接劳务费。（6）最少的间接劳务费 由于工序比较集中，质量检查部门和工件搬运工作量大大减少。这样就大大减少了间接劳务费。（7）设备利用率高 由于工序比较集中，适应中小批量、多品种生产。加工中心设备利用率为通用机床的几倍。1.4 本领域存在的问题国外加工中心技术发展的总趋势是精密和多功能（多轴和复合加工）、高速。产品开发针对复杂形状加工的智能多轴控制NC装置、针对难加工材料的重切削机种和综合多轴控制CAM系统。国内的加工中心，已经形成一定的生产批量，与国外同类产品相比，有一定性价比优势，但在高档加工中心方面与国外相比还有很大的差距。我国加工中心与国外的差距总体来说有以下几个方面：1. 高速化的差距。国外高速加工中心的主轴转速一般在1200015000r/min，快速行程为4060m/min。空气静压轴承和磁浮轴承的高速主轴开始商品化，主轴转速可以达到5000070000r/min，甚至可以达到100000r/min。2. 精密化的差距。目前，国外精密加工中心采取了一系列补偿和稳定精度的措施，定位精度已经可以控制在0.006mm以内，有的接近坐标镗床的加工精度。3. 多功能化的差距。国外最近发展将多工序和多工种加工集中在一台机床上如铣车复合加工中心、棒料加工中心、棒料铣车加工中心、双主轴加工中心等。4. 制造技术上的差距。国外多用柔性制造系统、柔性单元、数控机床对零件进行加工，设备投资费用较大国内很少见。1.5 本课题主要研究内容本设计主要是根据现有的数控加工中新的主轴箱原理进行改进设计，满足自动化生产的需求，它的结构里面包括了变速原理和驱动原理等的设计。具体的设计内容分为以下几部分：1）介绍本课题研究的目的、意义、背景和内容，并针对内容阐述了数控给加工中心主轴箱的发展状况、机械手的分类和应用；2）分析数控加工中心主轴箱的工作原理和工作过程，确定所需要完成的具体任务，提出设计方案，综合分析这些方案的优缺点，确定最终的设计方案；3）对确定的方案进行机械手的结构设计，相关零件的计算和校核；4）对机械手控制部分和执行部分的分析确认，对驱动系统进行设计。5）论文的编写。第2章 主传动系统的总体设计2.1 主传动系统的要求1. 转速范围 目前加工中心主传动系统所用电机，大多为宽调速主轴电机，其调速范围达1:100。对某些中小型加工中心来说，这样大的调速范围已经够用了，不需要再经过齿轮变速。当然，如果系统所需转速范围超过1:100(如中型以上规格的加工中心)，则需通过齿轮换档变速的方法去实现。2. 足够的功率和扭矩 加工中心的发展趋势之一就是重切削和精切削集中在一台机床上，这就要求有比较大的主电动机功率和扭矩。由于加工中心是具有通用性的数控机床不能像专用机床那样，针对待定工件计算功率和扭矩。一般是采用电动机功率统计归纳法来确定主电动机功率。加工中心在工作时需要经常换刀，因此不能看作长期连续工作，所以加工中心主电动机功率一般是指30min额定值。加工中心的主轴转速不断向高速化发展,主轴转速一般都达到50006000r/min。主轴转速的提高，不仅与机床本身技术的发展有关，还与刀具技术的发展有着密切的关系。加工中心主轴系的最高转速，一般选用5000r/min左右，就能基本满足使用要求。3. 主传动系统各零部件的刚度、强度和抗振性 加工中心主轴带动刀具进行切削运动，因此主轴是由它引起的振动和切削力的首要承受者，所以各零部件必须强度高、刚度高、抗振性强。加强主轴系统的刚度和强度，不仅要加强主轴系统本身的刚度和强度，还要加强它的进给系统的刚度和强度。 为了使其抗振性增强，大型和中型加工中心的主铀箱导轨，应该采用滑动导轨，同时还要校验主轴系统的固有颇率，避免在有效转速范围内发生共振。4. 噪声小、运转平稳性高 齿轮传动中使用较小的传动比，可以降低主传动系统的噪声。5. 为了使其运转平稳性高，在完成主轴旋转件的组装后，应该对其进行整体动平衡测试。2.2 主传动系统的设计主传动系统的设计应满足的基本要求：1、满足机床使用性能要求，机床的末端执行件（如主轴）应有足够的转速范围和变速级数。2、机床传递动力要求，机床的动力源和传动机构应能够输出和传递足够的功率和转矩，并有较高的传动效率。3、机床的工作性能要求，机床的传动结构特别是末端执行件，必须有足够的精度、刚度、抗振性能和较小的热变形。4、产品经济性要求。5、机床的操作和控制要灵活、安全可靠、噪声小、成本低、维修方便。2.2.1 确定电动机已知条件：加工中心的加工范围为800500600，主轴输出功率10KW，最高转速6000转/分，采用BT40标准刀柄确定公比：初定公比=1.41初选选用广州数控设备有限公司生产的ZJY系列主轴伺服电动机电机型号 ZJY160-11额定功率 11kw额定转速 1500rmin恒功率范围 15006000rmin最高转速7000rmin（注：为了减小主轴箱尺寸，本人设计将电机轴部分放入主轴箱，为防止轴的长度不够，采用了凸缘联轴器）2.2.2 总传动比的确定=1 =1/4 （在这两种传动比的综合配置下主轴可以获得最大的转速范围）2.2.3 传动组数和转速级数的确定1）由于总传动比=1，=1/4不是太大,故用轴不宜多，又由于主轴箱工作在机床上，对噪声控制的要求比较严格，所以采用了两组传动（A组和B组），大大降低了主轴箱的噪声。2）为了提高机床的利用率，本人采用拨叉推动齿轮滑移的方法使主轴得到一个较低转速，故转速级数z = 2。2.2.4 结构分析式（1）2 = 2x1 (2) 2 = 1x2由于从电动机到主轴的运动主要为减速传动，传动副较多的传动组如果放在较接近电动机处可使轴的扭矩加大，对联轴器的要求也变得更高了，也就是说它不满足传动副前多后少的原则，如将传动副较少的传动组放在较接近电机处可以大大缓解这一问题，而且所使用的材料也变得少了。 在升速时为防止产生过大的噪音和振动常限制最大转速比 2 ，又，所以B 组升速传动比设置为 在降速传动中，为了防止齿轮直径过大而使径向尺寸常限制最小传动比，在此次设计中采用。 满足了要求。2.2.5 绘制转速图（1）确定传动轴数 由于采用了两个传动组，因此至少需要三个传动轴。（2）确定各级转速 由于本次设计的主轴箱转速超出了标准转速的范围，所以确定的各轴转速默认为都合格。 在四根轴中（算上电机轴为四根轴），除去电机轴，其余三轴I 、II、III上的齿轮按照顺序依次设为、。其中，与 与 与之间的传动组分别设为a、b 、c。1. 确定I轴的转速因为I轴要和电动机直接相连在一起，所以它的转速和电动机的转速相等，即=1500 r/min。2. 确定二轴的转速由于传动组a的变速范围为=1/1.41，结合结构式，II轴转速只有一种可能，即3. 确定主轴的转速结合结构式，主轴有两个速度即 (3) 由以上分析，画出转速图如表2-1.表2-1 主轴箱各轴转速表（4）确定各传动组传动副齿数1.传动组a查表得 a=1/1.41 时=. 80、81、82、83、84、85、86、87、88 .可取= 84由此得到轴I齿轮齿数=35则轴II上的相应固定齿轮齿数=492.传动组b=1.41 查表得 =1.41 =.100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112.取=1103.传动组c=时 =.100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112.可取=110于是可得轴II上两联齿轮齿数分别为：=64 =29从而得到轴III上两齿轮齿数分别为： =46 =81（5）配合运动部分1）拨叉部分拨叉：用于变速的，主要用在操纵机构中，主要就是把两个咬合的齿轮拨开来再把其中一个可以在轴上滑动的齿轮拨到另一个齿轮上以获得另一个速度，即改变车床滑移齿轮的位置实现变速。在本次设计中，由于主轴箱的结构因素，例如电动机尺寸较大，导致拨叉的尺寸较大，为了使拨叉正常工作，除了有一根拨叉驱动轴之外本人在设计中增加了一根可供拨叉前后移动的滑移轴拨叉驱动轴在油箱活塞的推动下以及位移传感器的控制下作上下移动，位移传感器在轴的一端，它的作用是控制拨叉移动的距离，从而控制传动组b、c的齿轮啮合，使主轴得到不同的转速油箱位于位移传感器的旁边，它有两个腔，每一个腔里有一个进油孔，当位移传感器发出指令让拨叉向右移动时，油箱右腔进油，左腔出油；当位移传感器发出指令让拨叉向左移动时，油箱右腔进油，左腔出油拨叉部分装配图如下图2-1所示。2）主轴刀具装夹控制装置原理和上述位移控制装置一样，通过控制油箱的进、出油顺序来实现活塞的前后运动，进而推动主轴箱中的拉杆向前或向后移动，实现主轴的换刀功能。图2-1 拨叉装配图2.2.6 绘制传动系统图根据电动机、齿轮副、轴数、控制部分等条件做出传动系统图，如下图2-2所示：图2-2 系统传动图2.3 传动方式的确定电机通过齿轮传动带动主轴旋转。主轴为中空外圆柱零件，用来安装刀具自动夹紧松开机构，主轴前端装定向键，与刀柄配合部位采用7：24的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个SP级角接触球轴承组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个SP级角接触球轴承，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不定位。 刀具自动夹紧松开机构及切屑清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动夹紧松开机构由拉杆和拉杆端部的四个钢球、碟形弹簧、活塞和液压缸组成。机床执行换刀命令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的槽内，刀柄尾部的拉钉被松开，机械手即可拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和液压缸内圆弹簧的恢复力作用下，使拉杆，刚球和活塞退回到图2-3所示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具被夹紧。图2-3主传动方式的确定1端面键 2主轴 3轴承 4箱体 5两联齿轮 6碟形弹簧 7拉杆 8弹簧 9活塞 10行程开关（松刀） 11行程开关（夹刀） 12电动机 13行程开关（上位） 14行程开关（下位） 15联轴器 16拨叉 17拨叉驱动杆 18花键轴 19拨叉滑移轴工作原理：端面键（1）通过螺钉与主轴（2）联接在一起，主轴（2）通过轴承（3）安装在箱体（4）上，两联齿轮（5）通过键安装在主轴（2）上，拉杆（7）上装有碟形弹簧（6），拉杆（7）与通过轴套安装在主轴（2）的空轴上，活塞（9）安装在固定在机架上的液压缸上，在液压缸的活塞杆前后分别装有行程开关（松刀）（10）和行程开关（夹刀）（11），弹簧（8）安装在活塞杆上，电动机（12）通过联轴器（15）与主动轴连接在一起，拨叉驱动杆（17）的上面装有行程开关（上位）（13）和行程开关（下位）（14）上，拨叉（16）一端安装在拨叉驱动杆（17）上，另一端与花键轴（18）上的滑移齿轮固联在一起，拨叉滑移轴（19）穿过拨叉（16）安装在箱体（4）上。主轴箱的工作过程是通过拨叉的来回移动来带动滑移齿轮的前后移动给，进而实现变速，液压缸的进气和出气带动活塞杆前后移动带动拉杆松开和夹紧 。从而实现主轴箱的自动换刀功能。2.4 本章小结本章主要对上主轴箱的传动结构进行了设计分析，确定了主轴箱的电机规格，设计了主轴箱的传动比，确定传动组数和转速级数。接下来我们根据设计绘制了转速级数图，确定了各轴的转速，同时绘制了传动系统图，设计了主轴的传动方式。最后我对整个主轴箱的结构进行了阐述，描述了其工作原理。通过本章我了解了数控加工中心的主轴箱的工作原理。第3章 主轴组件的设计3.1 轴的设计概述3.1.1 轴设计的主要内容轴的结构设计是根据主轴上零件的安装、定位以及主轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定主轴的结构形式和尺寸。主轴的结构设计不合理，会影响主轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加主轴的制造成本和主轴上零件装配的困难等。因此，主轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度，刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这是指要对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的主轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。3.1.2 对主轴组件的要求主轴组件是机床主要部件之一。它的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能持提出如下要求：1）旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面的径向和轴向跳动。旋转精度取决于各主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。2）刚度 刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，改动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的跨距和主轴前端悬伸，传动件的布置方式等。数控机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。主轴的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型及配置型式、轴承间隙的调整、主轴上的传动元件的位置有关。3）温升 温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件，严重时会出现“抱轴”。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。4）可靠性 数控机床是高度自动化机床，所以必须保证工作可靠性。5）精度保持性 数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低温升，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。（相关设计取自机械制造装备设计第三章典型部件设计中的主轴部件设计）。3.1.3 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构设计。轴的结构设计主要决定于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。下面讨论轴的结构设计中要解决的几个主要问题。（1）拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。（2）轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求之外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。1）零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h一般取为h=(0.070.1)d，d为与零件相配处的直径，单位为mm。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便于拆卸轴承，轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。为了使零件能靠近轴肩而得到准确可靠的定位，轴肩处的过渡圆角半径R必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C。轴和零件上的倒角和圆角尺寸的常用范围见表3-1。表3-1直径d6-1010-1818-3030-5050-8080-120120-180C或R0.5/0.60.811.2/1.622.53套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺钉固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可采用加圆柱销锁定轴端挡圈，用螺钉加止动垫片防松等固定方法。圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫圈两种形式。当轴上两零件的间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。轴承端盖用螺钉或槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。利用弹性挡圈、紧定螺钉及锁定挡圈等进行轴向定位，只适用于零件上的轴向力不大之处。紧定螺钉和锁紧挡圈常用于光轴上零件的定位。此外，对于承受冲击载荷和同心度要求较高的轴端零件，也可以采用圆锥面定位。2）零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中锁定螺钉只用在传力不大之处。3.2 主轴的设计3.2.1 主轴的结构设计轴的前端通过螺钉将端面键连接，前端轴承通过端盖作轴向定位 ，端盖的轴向有台阶定位。轴上车出螺纹用以安装预紧及轴向定位的螺母。 齿轮通过平键与轴连接。整个主轴做成中空的用来安放拉杆和碟形弹簧。如图3-1所示。图3-1主轴的结构3.2.2 切削力的计算目前人们已经积累了大量的切削力实验数据，对一般加工方法已建立了可直接利用的经验公式。常用的经验公式大体可分为两类：一类是指数公式；一类是按单位切削力进行计算。这里用经验公式计算。指数公式 (3-1) (3-2) (3-3)式中、 决定于被加工金属和切削条件的系数；切削力来自于三个方面:1、克服被加工材料对弹性变形的抗力 2、克服被加工材料对塑性变形的抗力 3、克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已知表面间的摩擦力。、三个公式中，背吃刀量进给量切削速度的指数。 、三个公式中，当实际工作条件与求得的经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积。已知硬质合金刀进行加工，切削用量为 查切削用量公式和指数表,带入上式3.2.3 主轴直径和刚度的计算主轴应满足强度和刚度要求，机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形（弯曲变形和扭转变形）。否则，轴上的零件和轴承由于轴的变形过大而不能正常工作。通常情况下，若轴的刚度能满足要求，则强度也能满足要求，因此，除了载荷很大的情况下，可不验算的强度，只计算轴的刚度。一般情况下按扭转刚度计算轴的直径，画出草图后再根据轴的受力情况、结构尺寸，验算轴的弯曲刚度。1. 主轴直径的估算传动轴直径按扭转刚度用下列公式进行估算 (3-4) (3-5)要实现空心主轴与实心主轴有相同的强度需满足最大剪应力相同 (3-6)取=0.25带入上式得 D=46.5取 D=60 d=40以上公式中d传动轴受扭部分的直径(mm) 该传动轴的输入功率(kw) 电动机到该传动轴之间传动间的传递效率 该传动轴的计算转速(r/min)每米长度允许的转角(deg/m)2. 主轴刚度的计算用简化的近似计算方法把主轴组件简化为一个均匀截面的简支梁模型。 已知前轴颈为85mm,后轴颈为64mm,跨距310mm,前端悬伸70mm,中空40mm.,主轴端加载8000N. (1)轴承支反力前轴承 后轴承 (2)挠度 (3-7)挠度：是指在受力或非均匀温度变化时，杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。上式中，外载荷(N)前悬伸（mm） l跨距（mm） ,主轴外径和孔径(3)前轴承前轴承相当于一个轴承支承，支反力为的1/2.6。支反力查轴承手册,预紧力为430N根据预紧力的计算公式 (3-8)式中和装配后与装配前的预紧力；轴承系数； 接触角系数；预紧级别系数。径向预紧力为 故轴承总载荷为db iz查表得轴承径向刚度为 (3-9)公式(3-9)式中径向载荷()；db球径（mm）；i,z列数和每列滚动体数；接触角；轴承总变形折算到前端 (4)后轴承后轴承变形 (3-10)式中径向变形()一个滚动体径向载荷()滚子有效长（）折算到前端(5)主轴单元径向刚度 (3-11) 3.2.4 主轴轴承的选择主轴组件负荷较大，要求的刚度也较高，所以前后支承都采用角接触球轴承。前支承采用三联配置，前面2个串联，大口朝外(主轴前端)，接触角为25，后面一个大口朝里，接触角为15轴向切削力由前面两个轴承承受，故接触角较大。后轴承为2个接触角为15的角接触球轴承，背靠背布置，这2个轴承共同担负后支承的径向载荷。轴向载荷已由前支承承担，故后轴承的外圈轴向不定位，当受热膨胀时，主轴带着后轴承向后端移动。主轴轴承都属于超轻型，精度等级为SP级。3.2.5 轴承寿命的计算已知：轴承转速n=6000r/min，在平稳载荷下运转，预期寿命轴承所受径向力为 轴向力为 查表知轴承额定动载荷为C=95800,额定静载荷为C0=80600.故，用内插法可查得e=0.020故，查得X=0.56, 用内插法可查得Y=1.85当量动载荷P为: (3-12)计算寿命查表取 =99980h (3-13)以上公式中为径向负荷系数,为轴向负荷系数, 为温度系数, 为载荷系数3.3 电机的选择3.3.1 伺服电机的概述伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机有直流供电和交流供电之分，分别称为直流伺服电机和交流伺服电机，它们的工作原理与一般的交直流电机相似，但结构上有自己的特点。1）直流伺服电机 直流伺服电机从励磁方式上可分为电磁式和永磁式两种。电磁式是采用励磁绕组励磁，而永磁式则是采用永久磁铁励磁。电磁式按励磁绕组与电枢绕组的连接方式的不同，又分为并励、串励、复励直流伺服电机。按电机转子转动惯量量分，又有低惯量和大惯量之分。按结构不同又讨分为有槽式、无槽式、杯式及无刷式等，它们的主要差别是在转子上。2）交流伺服电机 交流伺服电机有鼠笼型交流异步伺服电机和永磁式交流同步伺服电机，有比直流伺服电机更优越的性能，因此，有广泛使用的趋势。交流伺服电机与直流伺服电机相比，具有下列特点： 无电刷磨损，无火花产生。故寿命长，长期不需维护，工作安全可靠。 输出转矩高。能在很宽的转速范围内保持较大的转矩。体积小，超载能力强。加工中心上常用的主轴电动机为交流调速电动机和交流伺服电动机。交流调速电动机通过改变电动机的供电频率可以调整电动机的转速。加工中心使用该类电动机时，大多数为专用电动机与调速装置配套使用，电动机的电参数(工作电流、过载电流、过载时间、起动时间、保护范围等)与调速装量一一对应。主轴驱动电动机的工作原理与普通交流电动机相同。交流调速电动机制造成本较低，但不能实现电动机轴在圆周任意方向的准确定位。交流伺服主轴电动机是近几年发展起来的一种高效能的主轴驱动电机其工作原理与交流伺服进给电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。交流伺服电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且可以以很大转矩实现微小位移11。用于主轴驱动的交流伺服电动机的电功率通常在十几千瓦至几十千瓦之间，其成本比交流调速电动机高出数倍。 3.3.2 伺服电机的选用选用广州数控设备有限公司生产的ZJY系列主轴伺服电机电机型号Y160L-2额定功率 18.5kw额定电压 三相AC330额定电流 26A额定频率 50Hz额定转矩 72Nm30min功率 11kw额定转速 3000rmin恒功率范围 30006000rmin最高转速7000rmin最低转速 50rmin转动惯量 0.0744kgm2重量 147.2kg安装型式 IM B5电机外形尺寸电机总长591mm轴径 48mm轴伸 110mm3.4 本章小结本章主要设计了主轴，包括对轴的组件的要求，拟定轴上零件的装配方案和安装形式，对主轴的结构进行了设计和力学计算，还有尺寸和刚度的设计，最后根据轴的设计结果选择了轴承的规格，接下来对伺服电机的参数进行了设计计算并选定了规格。在这章的设计过程中我学习到了机床主轴的结构特点，明白了数控加工中心的核心零件应该具有的要求。第4章 液压缸的设计液压缸的结构组成基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。4.1 液压驱动系统自60年代初到现在液压系统13已在机械手行业中获得广泛的应用。液压系统在机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压执行机构的运动速度、前进方向和位置要求等进行控制，以达到控制机械的手臂可以随着要求的运动规律进行一些列的动作。液压系统中动力机构在大多数情况下是采用摆动液压缸或是直线液压缸，用它们来实现机械手手臂的升降以及回转运动。4.2 液压缸的组成1）缸筒和缸盖一般地说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力 p100105Pa时使用铸铁，在p200105pa时使用铸钢或锻钢。2）活塞和活塞杆活塞和活塞杆的结构形式很多，常见的除一体式、锥销式连接外还有螺纹式连接和半环时连接等多种形式。螺纹连接结构简单，装拆方便，但在高压大负载下需备有螺纹防松装置。半环式构复杂，装拆不便，但工作较可靠。3）密封装置常见的密封装置有间隙密封、摩擦环密封、密封圈密封。4）缓冲装置液压缸中缓冲装置的工作原理，是利用活塞或缸筒在其走向终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。5）排气装置排气装职通常有两种形式：一种是在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道接到远排气；另一种是在缸盖最高部位安装排气塞。4.3 液压缸的设计由于该设备需要的动力较小，若液压缸的尺寸按负载计算，其数值可能很小，故按结构要求选定。活塞杆直径，取d=30mm,液压缸的内径取D=80mm则液压缸的长度按其最大行程确定，一般不大于20D，则长度L600mm取L=180mm活塞的长度按缸的工作压力和活塞的密封方式确定，则活塞杆的宽度取30mm。由于该系统压力变化不大，故端盖的尺寸、紧固螺钉的个数和尺寸由结构决定。活塞与活塞杆作成一体式。液压缸端部与端盖的连接方式采用螺纹连接，这种连接方式具有加工和装配方便等优点。液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏。要求密封装置有良好的密封性能，摩擦阻力小，制造简单，拆卸方便，成本低且寿命长，所以活塞杆与端盖间的密封，活塞与缸筒之间的密封采用毡圈油封。4.4 本章小结本章主要是对液压装置的设计，我们阐述了液压装置的设计原则，接下来我对液压系统的方案进行了初步设定和分析，并确定了最终设计方案。同时根据液压系统的设计需求我们对液压系统所需的元器件进行了选择比较。第5章 Pro/Engineer三维建模5.1 Pro/Engineer软件简介Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。应用Pro/ENGINEER 野火版5.0强大的三维建模功能，通过理论计算分析各个零件尺寸，绘制出如图所示三维模型，其中大部分零部件采用拉伸、旋转、扫描等命令绘制，装置中各零部件均是按产品设计需求所绘制，考虑到产品的加工及组装过程，该三维模型图更加人性化。通过Pro/ENGINEER 三维建模，该装置得以更加具体的展现在我们面前。图4-1 Pro/Engineer 5.0初始界面5.2 Pro/Engineer绘制三维模型应用Pro/ENGINEER野火版5.0强大的三维建模功能，通过设计所得的零件尺寸，各螺钉螺栓均采用标准件，通过Pro/ENGINEER的建模，该装置得以更直观的展现。建模之前，首先对 Pro/Engineer的建模环境进行相应设置，设置系统长度单位为毫米，力的单位为牛顿，时间的单位为秒，重量的单位为千克，材料选择为STEEL。对于销、立柱等这些较简单的部件，只需应用拉伸、剪切、旋转等操作就可以构建成功。而对于运动部分的复杂零件，则除了使用拉伸、剪切、旋转等简单操作外，还需要应用到扫描、阵列、等高级操作以及倒角、倒圆等修饰性操作。5.2.1 拨叉设计拨叉是数控加工中心的重要组成部件，它用来调节主轴的速度，满足不同的使用场合，本设计所设计的拨叉需要安装在滑移轴和拨叉轴上面。它的一端通过螺钉与滑移齿轮联接在一起。三维效果图如图5-2所示：图5-2 拨叉5.2.2 主轴齿轮结构主轴上的齿轮主要用来传动，三维效果图如图5-3所示：图 5-3 齿轮下图是主轴装配三维效果图，如图5-4所示：图5-4 装配体5.3 整体结构设计主轴箱的整体结构设计如下。三维效果图如图5-5和5-6所示： 图5-5 主轴箱图5-6 整体装配图5.4 本章小结本章主要是利用Pro/ENGINEER 野火版5.0三维建模软件进行建模，首先对我的设计中的零件的绘制和机构的组装，通过零件的组装我发现了自己设计中的不足，零件之间安装连接方式 不对，部分尺寸干涉等问题，我利用软件进行了优化，是我的设计更加完善，结构更加合理。第6章 运动仿真6.1 Pro/Engineer 5.0运动仿真功能介绍使用软件对设计模型进行仿真和分析，能够模拟真实环境中的工作状况，并对其进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，从而减少后期修改而付出的昂贵代价，减少设计的周期。Pro/Engineer(PROE)是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，其中CAE常用的模块有Mechanism Design eXtension (MDX)和Pro/MECHANICA(Pro/M)。MDX用于运动分析，与Pro/E完全集成，无需单独安装，操作简便易于使用，但功能不是很强。Pro/M包含Motion（运动分析）、Structure（结构分析）、Thermal（热力学分析）三部分，功能强大，但在易用性、可操作性方面欠佳，需要单独安装。集成模式（Integrated mode）集成模式运行于Pro/Engineer平台之上，操作及界面与Pro/Engineer相同，能够直接使用Pro/Engineer的参数进行分析及优化。6.2 虚拟样机运动仿真分析按照各个机构的传动关系，在整机装配过程中，对运动件使用约束定义约束集，其中包括“销钉”连接、“滑动杆”连接、“槽”连接和“圆柱”连接，其他固定零件，采用“基于所选参照的自动约束”进行固定装配，其中包括“配对”、“对齐”和“缺省”，完成整机装配后，在Pro/Engineer环境中点击下拉式菜单“应用程序”“机构”即可进入运动仿真界面，如图5-1（运动仿真界面）。图5-1 集膜机构三维模型 定义连接副依次添加“定义凸轮从动机构连接”、“定义齿轮副连接”、“定义带传动”（实际为链传动，由于链传动和带传动均为同向传动，因此可由带传动替代链传动），为整机运动仿真做前期机构连接准备。 添加“伺服电动机” 点选减速电机链轮的“销钉”旋转轴作为驱动图元，切换到“轮廓”选项卡，更改“规范”类型中的“位置”为“速度”，输入“模”类型中的A值500，点击“确定”，完成“伺服电动机”的添加定义，
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