立式加工中心总体方案设计

1、郑州航空工业管理学院毕 业 论 文（设 计） 2010 届 机械设计制造及其自动化 专业 班级题 目 JCS-018型立式加工中心总体方案设计 姓 名 学号 指导教师 职称 二一0 年 五 月 一 日摘 要本文主要是对JCS-018型立式加工中心总体方案进行设计。立式加工中心是一种工序高度集中、自动化程度高的机电一体化设备。工件在一次装夹后，可以自动连续地完成镗,铣,钻,铰,扩,锪和攻螺纹等多种工序的加工。本文论述了JCS-018立式加工中心总体方案的拟定过程和设计方法，完成了机床传动系统的分析计算。进行了三向进给传动系统的设计计算，包括驱动电机和进给丝杠等的设计分析和校核计算。完成了主传动系

2、统设计计算，确定了主传动功率扭矩关系曲线。论文完成了加工中心总体结构的原理性设计。重点进行了三向进给传动，主轴传动的结构设计，并分析了优化加工中心传动性能的结构措施。论文还对X、Y工作台、刀库等扩展功能辅助部件的结构进行了分析。论文研究中充分应用先进设计手段辅助加工中心总体设计，利用SolidWorks技术进行加工中心三维布局及造型设计，确定加工中心外观造型的初步方案。既使产品设计过程可视化，也提高了设计效率。关 键 词 立式加工中心； 总体设计 ；计算机辅助设计AbstractThis artthe overall program designed of JCS-018 vertical m

3、achining center . Vertical machining center is a equipment that is process highly concentrated, high degree of automation and electrical integration. With workpiece in a single setup, you can automatically and continuously to complete boring, milling, drilling, joint, expansion, countersink and tapp

4、ing and other machining processes . This article discusses the JCS-018 vertical machining center of the overall program design process and completed the analysis and calculation of machine tool drive system. It carries out design and calculation in three directions to the transmission system, which

5、including analysis and checking calculation to the drive motor and feed screw design. Article also comples the main drive system design and calculation to determine the main driving power - torque curve. Paper completes the schematic design of the CNCS overall structure. Article carries out the impo

6、rtant design of spindle drive to feed drive and analysis of transmission performance to optimize the structure of machining center measures. The structure of extension such as X, Y table and tool accessories were analyzed. In this paper the advanced processing were applicated to support the of cente

7、r overall design. It also uses SolidWorks 3D technology for machining center layout and design and determines processing center to the initial appearance program.It not only visualizats product design and process but also improves the design efficiency.Key wordsVertical Machining Center; Overall Des

8、ign; Computer Aided Design目 录第一章 绪论11.1课题的背景11.2国内外相关产品及现状31.3本文主要研究内容及技术路线4第二章 加工中心设计方案的拟定62.1 立式加工中心结构类型的分析62.1.1 主传动结构形式62.1.2 进给传动结构形式62.2 立式加工中心布局形式分析72.2.1 中速实用型72.2.2 高速加工型72.3 加工中心布局形式的确定72.4 加工中心传动系统方案的确定8第三章 加工中心传动系统的理论计算103.1 三向进给传动系统理论计算10丝杆导程和轴颈的选定103.1.2 X轴方向滚珠丝杠规格的选择及验算103.1.3 Y、Z向丝杠的

9、确定153.1.4 滚珠丝杠螺母形式的确定153.2 主传动系统理论计算153.2.1 主传动功率的选定153.2.2 主传动功率一扭矩特性16第四章 加工中心主体结构原理性设计1941 三向进给传动结构设计194.1.1 X、Z向进给传动结构204.1.2 Z向进给传动结构224.2主轴传动结构设计244.2.1 齿形皮带及带轮(结构图4-7中件5、3)244.2.2 编码器(结构图4-7中件4)254.2.3 主轴组件(结构图4-7中件6)264.2.4 刀具松开夹紧机构(结构图4-7中件7)264.3 主轴组件的设计计算26主轴轴承的选择264.3.2 主轴主要参数的确定274.4 刀库

10、294.5 机械手294.6 其它辅助机构31第五章 机床三维布局及造型辅助设计325.1 三维CAD软件SolidWorks简介325.2 机床主要功能部件三维参数化建模345.2.1 床身345.2.2 立柱345.2.3 主轴箱355.3 加工中心整体三维结构布局设计35第六章 结论37致 谢38参考文献38第一章 绪论1.1课题的背景装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业，承担着为国民经济各部门提供工作母机、带动相关产业发展的重任，可以说它是工业的心脏和国民经济的生命线，是支撑国家综合国力的重要基石。我国的装备制造业经过了50多年的发展，取得了令人瞩目的成就，形成

11、了门类齐全、具有相当规模和一定水平的产业体系，成为我国经济发展的重要支柱产业。但我国装备制造业还存在自主创新能力弱、对外依存度高、产业结构不合理、国际竞争力不强等问题。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。其实，纵观振兴装备制造业意见的关键领域，每个领域的振兴都需要大批先进的数控机床来装备。同时，数控机床作为国防军工的战略装备，是各种武器装备最重要的制造手段，是国防军工装备现代化的重要保证。因此，国际上一些发达国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严加控制，限制我国进口高性能数控机床。随着世界科技进步和制造业的发展，机

12、床工业作为制造业的基础产业和国防军工发展的战略产业，其地位和作用越来越明显。数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，数控机床的拥有量及其性能水平的高低是衡量一个国家综合实力的重要标志。振兴装备制造业首先要发展机床工业，重点是发展数控机床，这已被近代世界产业发展史所证实。近年来，我国机床工业的快速发展为振兴装备制造业初步奠定了发展的基础。“十五”期间，我国机床工业连续几年快速发展，到2005年我国机床产值从“九五”末期列世界第八位，跃居到世界第三位。其中，2005年数控金切机床产量达到6万台，是2000年1.4万台的4.3倍，数控机床品种已达到了1500多种。但从总

13、体来看，我国机床工业与世界先进水平相比。差距仍然十分明显：一是国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展需求，高档数控机床目前仍然大量进口；二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后。成为我国数控机床产业发展瓶颈；三是机床制造企业技术装备水平不高，制造能力、综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏发展的要求。可以说，我们的高速发展更多地是依靠中低档机床数量的膨胀，而在技术含量高、利润大、持续生命力强的高端市场，我们与国际品牌差距甚大。以加工中心为例，国产卧式加工中心以低廉的价格，基本可靠的性能和质量占据了国内大部分市场，而在立式加工中心等高自动化、高附加值、高利润的产品市场却鲜见达

14、到量产的本土企业。目前，中国机床工业面临全球化的新的发展机遇，主要表现在：1、世界制造业开始向中国转移，中国已经成为吸引外资最多的国家。2、国内机床市场需求持续高速增长由于受固定资产投资连续几年快速上升的拉动，国内机电装备市场需求持续以30左右的速度增长，振兴装备制造业带动了机床市场需求以高于30的速度增长。中国汽车工业。高新技术产业，国防军工、民营企业成为机床的需求大户，中西部开发、东北等老工业基地振兴、东南沿海的快速发展，为机床工业打开新的市场。自2002年以来，中国已经成为世界第一机床消费大国。3、经济全球化为中国机床工业发展提供了国际合作、引进技术，资源重组的机遇。4、中国机床工业经过

15、多年发展，特别是近几年快速发展，已经积累了一定的产业和技术基础，目前，机床行业重点企业大都生产任务超负荷运行，有的企业订货合同已远远超过生产能力，行业的供销形势反映了加快发展机床工业的紧迫性。1.2国内外相关产品及现状加工中心是机床生产企业为装备制造业提供的致力于满足用户高效、高精度、高可靠性和自动化生产要求的全套加工方案，是不同技术领域最新研究成果的融合与集成。按照传统机床加工方式可区分为车削中心、铣削中心、钻削中心、磨削中心等，机床行业通常把使用面最广的铣削中心特指为加工中心。而以铣加工为主的加工中心机床从结构上可区分为升降台式、滑枕式、床身式(包括十字滑台和动柱式)、龙门式等。一般情况下

16、，前两种机床较经济，精度稍低，而龙门式机床多为大型机床。中小型加工中心多为床身式机床，以主轴工作状态的不同，又可以划分为立式和卧式加工中心。加工中心车削中心铣削中心磨削中心钻削中心升降台式滑枕式龙门式车身式立式主轴卧式主轴在这次毕业设计中我接到的课题是对JCS-018型立式加工中心总体方案进行设计，接到课题后，进行了充分的调研工作，查阅了大量的相关资料。立式加工中心是一种工序高度集中、自动化程度高的机电一体化设备。工件在一次装夹后，可连续地进行铣、钻、镗、铰、锪、攻螺纹等多种工序的加工。这种机床适用于小型板件、盘件、壳体件、模具和箱体件等复杂零件的多品种、小批量加工。为了充分发挥数控机床自身的

17、优越性，加工中心机床在结构设计上要比一般的数控机床设计得更加完美，制造得更精密。加工中心机床的结构除了具有一般数控机床的结构特点外，还具有独特的结构要求：（1）具有存储加工所需刀具的刀库 刀库用于存储刀具，并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置。（2）具有自动装卸刀具的机械手 在加工中心机床上刀具的自动更换，多数借助机械手来进行。（3）具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清除装置 这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所具备的结构特征。（4）具有自动排屑、自动润滑和自动报警的系统等。1.3本文主要研究内容及技术路线本论文将针对卧式

18、加工中心项目开发过程的核心问题展开研究。并重点进行以下几个方面设计和论述：l、机床整体设计方案的拟定类比国内外立式加工中心厂家的参数，综合分析操作适应性、市场竞争力、技术保障手段等因素，确定合适的机床参数指标；收集分析国内外各种立式加工中心布局，运用三维仿真手段，构造可能的几种机床总体造型，综合考虑占地面积、机床造价、能达到的性能等因素，确定切合实际的最优方案。2、机床传动系统设计重点进行三向进给传动原理设计，分析、计算、校核丝杠的型式和规格；进行主轴传动原理设计，确定主传动功率扭矩关系曲线。3、机床结构设计重点进行三向进给传动、主轴传动结构的方案设计，分析提高传动性能的结构措施。简要介绍X-

19、Y工作台、刀库等扩展功能机构的结构设计。4、机床三维布局及造型辅助设计运用计算机三维建模设计手段进行机床总体仿真建模，细化机床辅助部件布局，形成能指导机床详细设计的机床总图。本论文在机床结构设计过程中，采用了CAD计算机辅助设计手段，还运用工程界普遍使用的三维设计软件之一的SolidWorks应用软件进行了机床布局、外观造型的虚拟仿真设计，极大地保障了新产品的开发质量。在机床开发设计的初期，即获得了机床制造完成后的三维仿真图片，为机床的市场营销宣传提供资料，促进了机床的商品化。 第二章 加工中心设计方案的拟定2.1 立式加工中心结构类型的分析机床能够到达的参数指标与实现机床各项功能的方式方法直

20、接相关。立式加工中心结构上的组成包括构成刀具切削动力的主传动、构成工件持续加工的进给传动以及使加工优化的辅助功能。 主传动结构形式立式加工中心的主传动形式包括：齿轮副变速传动主轴、一级皮带轮传动主轴、直联主轴、高转速电主轴等。其产生的时间依次由早到晚，可以说发展的脉搏是主轴转速的不断提高。主轴箱体与机床立柱部件的联结方式有侧挂式、龙门框架式。随着进给速度的不断提升，主轴箱体作为一个移动部件越来越注重加速度能力，注重结构的对称，重心驱动等因素。 进给传动结构形式进给传动从结构要素来讲，由驱动链与运动执行副组成。一般来讲，进给传动的驱动链是由齿轮变速机构齿形皮带变速直联传动高速直线电机，传动速度由

21、慢及快的发展过程。进给传动执行副是指进给运动的导轨副，主要有滑动导轨、静压导轨、滚动导轨。其中导轨一般贴塑（聚四氟乙烯），淬火铸铁导轨（或镶铁导轨）改善滑动摩擦性能，制造工艺性好，支撑刚性好，但速度性差。静压导轨支撑刚性、动态性能均良好，但辅助液压系统复杂，制造及转配工艺性差；滚动导轨动态性能良好，导轨的功能组件化，装配工艺性良好。随着滚动导轨的不断优化，以及滚动导轨对承载的扩大，其应用前景越来越好。2.2 立式加工中心布局形式分析 中速实用型机床主传动形式上一般采用齿形皮带+高速主轴件的方式，到达主轴次高转速。通过引用标准的齿轮变速箱功能部件，还可兼顾传统加工方式的主轴低速大转矩。进给传动方

22、面，采用滚动导轨+滚珠丝杆驱动。机床布局大量采用主轴箱龙门框架对称支撑结构；工作台尽量少参与直线坐标运动；从提高实用性出发，工作台往往具有旋转坐标，采用圆形或正方形台面；实用自动化发展的需要，采用多工作台系统。这种类型的加工中心造价相对较低，实用面广。 高速加工型以大量进口厂家为代表，遵循现代高速加工的最新概念，机床传动采用电主轴，进给传动采用高速滚珠丝杆甚至直线电机。机床布局以适应高速加工为目标，实践着对称结构、重心驱动、高速化、自动化等全新的方式，其特点之一是机床按不同的侧重需求，采用了多样化的结构形式。2.3 加工中心布局形式的确定经过收集分析国内外各种立式加工中心的布局，确定如下布局方

23、案：1 加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上；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，主轴箱在立柱导轨上做Z向移动；4 三向导轨采用滚珠丝杆导轨，三向驱动均采用伺服电机通过弹性联轴器与滚珠丝杠直联的方式驱动；5 机床电柜及操纵站放置在机床主机（正对机床）右面，操纵者在机床右边操作，刀库及交换装置放置于机床的左面。根据以上的布局形式的初步确定，加工中心的布局形式如下图 2-1所示：1床身 2滑座 3工作台 4后底座 5立柱 6数控柜 7刀库 8换刀机械手 9主轴箱 10操作面板 11驱动电机图2-1 立式加工中心总体布局2.4 加工中心传动系统方案的

24、确定JCS018型立式加工中心传动系统方案如下图2-2所示，共存在五条传动链：主运动传动链，纵向、横向、垂向传动链，刀库的旋转运动传动链，分别用来实现刀具的旋转运动，如工作台的纵横向进给运动，主轴箱的升降运动，以及选择刀具时刀库的旋转运动。图2-2 JCS018型立式加工中心传动系统图第三章 加工中心传动系统的理论计算加工中心传动系统的理论计算是加工中心总体设计的重要部分。在总体设计阶段，重点进行三向进给和主传动的理论计算。3.1 三向进给传动系统理论计算进给传动的特点是在许可的进给速度范围内，都要承受移动部件的摩擦反力，都有可能承受最大切削力，它需要的是恒扭矩拖动。加工中心一般采用伺服电机驱

25、动并无级变速，伺服电机在全速范围内能够基本维持恒定的扭矩。数控机床为了提高进给系统的灵敏性和定位精度，肪止爬行，必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。为此，直线运动机构一般采用滚珠丝杠副。从最大限度缩短传动链，减少传动误差角度出发，本机床进给传动采用电机与丝杠直联的形式。丝杆导程和轴颈的选定由已知参数知X、Y、Z滚珠丝杆的尺寸为:40mm×10mm。丝杠两端的支持形式均为固定，这样能获得最大的允许转速。我们的丝杠支持形式需要选择两端固定方式。3.1.2 X轴方向滚珠丝杠规格的选择及验算已知参数：工作台重量 N工件最大重量 N工作台最大行程 mm工作台导轨采用聚四氟乙烯为基体加入抗磨青

26、铜粉的塑料导轨，摩擦系数=0.04。支撑轴承为60°接触角球轴承，每一个支座四个，单侧紧邻的两个轴承为同向安装，轴承左右间为面对面组合。丝杆两端固定安装形式，进行预拉伸。伺服电机为FAUNC-BESK宽调速直流电动机FB15，电动机与滚珠丝杆采用直联的安装方式，用旋转变压器作为位置检测元件，半闭环控制脉冲当量为0.005mm，系统增益，速度开环增益。切削方式及定位精度：铣削（直线控制），定位精度钻镗（点位控制），定位精度0.01/300mm各种切削方式的纵向切削力F、速度v和时间比例见表3-1；丝杆寿命10年；工作可靠性96%；选择滚珠丝杠副，并验算系统系数。表3-1 各种切削方式的

27、切削力、速度、时间比例切削方式纵向切削力速度时间比例q/%强力铣削20000.615一般铣削10000.830精细铣削500160快移和钻镗定位0105丝杠载荷，导轨摩擦力=0.04（4960+1960）=274（N）各种切削力方式下的丝杆载荷为纵向切削力加摩擦力。最大载荷发生在强力切削时，2274N。其余分别为F=1274N，精铣F=774N，快移F=274N。1、丝杆副选择（1）丝杆导程。丝杆转速：强力切削60r/min;一般铣削80r/min；精细铣削100r/min；快移1000r/min。（2）当量转速和当量载荷 = 60=1096（N）（3）丝杆长度 丝杆螺纹部分长度，等于工作台最

28、大行程（750mmm）加螺母长度（150mm）加两端余程(40mm)=750+150+240=980（mm）初选滚珠丝杆副初选丝杆为内循环、浮动返回器，双螺母垫片预紧，3列，2级精度，型号为FFZD4010-3-2/980750（4）支撑跨度 应略大于，取=1300mm（5）临界转速 32-1.27.144=23.4(mm)滚珠丝杆为两端固定的支撑形式，因此支撑系数为=4.73。临界转速计算长度 =(mm) （r/min） 两端固定，丝杆一般不会受压，故不需要进行压杆稳定性验算。(6) 预拉伸计算a.温升引起的伸长量 设温升为3.5，则螺纹部分伸长量为（m）丝杆全长的伸长量为 =50（m）为此

29、，丝杆的目标行程可定为比公称行程小0.04/1.30mm。丝杆在安装时，进行预拉伸，拉伸量为0.05mm。b. 预拉伸力 根据材料力学欧拉公式 =(N)2、 验算（1）加速能力验算负载及机械传动装置总的转动惯量：直流伺服电动机FB15的转动惯量：转动总惯量：=0.0232惯量匹配符合要求（对于直流伺服电动机：0.50.8）工作台能达到的最大的速度（m/）系统要求的最大加速度（在快移时）=6067（m/）可见的加速度能力满足要求（2）定位精度验算a.丝杆在拉压载荷下的最大弹性位移=0.0036F(m)快移时 F=274N, =1.0m强力切削时 F=2274N, =8.2m精细切削时 F=774

30、N, =2.8mb.滚珠丝杠与螺母间的接触变形 =FFZD4010-3滚珠丝杆的=1179（N/m）快移时 =274/1170=0.23(m)强力切削时 =2274/1170=1.9(m)精细切削时 =774/1170=0.66(m)c.轴承的接触变形角接触球轴承的轴向刚度按下式计算=23.6式中 z-滚动体个数，这里z=13；-接触角，这里=60°；-滚动体直径，这里=0.007114m；-轴向预紧力，这里=2900N。故=23.6(N/m)快移时 =274/282=1.0(m)强力铣削时 =2274/282=8.06(m)精细铣削时 =774/282=2.74(m)d.丝杠系统总

31、的位移为=+快速时 =1.0+0.23+1.0=2.23(m)强力切削时 =8.5+1.9+8.06=18.16(m)精细铣削时 =2.8+0.66+2.74=6.2(m)发生在丝杠中部，和与螺母位置无关，故以上的均为/650mm。丝杠精度等级为2级时，任意300mm行程公差为8m，加上快移时的=2.23m/650mm，基本满足±0.012/300mm的要求，且可利用半闭环系统予以修正。加上精细铣削时的=6.2m/650mm，可以满足系统的精度要求。 Y、Z向丝杠的确定L=各向行程+丝杆螺母长度+两富裕量;Y、Z三向行程分别为40、470，丝杆螺母长度预估150，两端共富裕40，则X

32、、Y、Z三向丝杆导程为270、700。 滚珠丝杠螺母形式的确定加工中心的进给系统需要消除反向间隙，其驱动丝杠与螺母间需要施加预紧载荷，以提高定位精度和轴向刚度。故此，丝杠螺母选择能施加预载的双螺母形式，再考虑到通常的安装方式及螺母制造的经济性，将滚珠丝杠螺母确定为法兰型、内循环、浮动返回器、垫片式预加载荷双螺帽形式。3.2 主传动系统理论计算3.2.1 主传动功率的选定主传动功率P是选择主电机的依据。加工中心零件和结构的强度设计也是依据它进行的。它包括切削功率、空载功率、附加功率三个部分，即其中，切削功率是按照在各种加工情况下较经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即，（Kw）式中-主切削

33、力，Nv-切削速度，m/min 空载功率是当机床无切削负荷(=0)时，主传动系统空运转所消耗的功率，包括传动系统所有机械零件的摩擦消耗、克服空气阻力等消耗的功率。它与负荷大小无关，而随传动件转速增大而增大传动件越多、转速越高、皮带与轴承的预紧力越大、装配质量越差，则空载功率越大。要精确地确定空载功率是很困难的，因为它不仅跟传动系统的结构、制造和装配质量有关，而且和环境温度、工作持续时间等诸多因素有关系。一般可选择一台在传动结构上相似的机床进行实测，类比确定。机床主传动功率P可根据切削功率与主传动链的总效率由下式确定： =/主传动的效率一般可取=0.700.85，数控机床的主传动多采用调速电机和

34、有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。则： =7.50.6=6 kw （取0.80）。3.2.2 主传动功率一扭矩特性立式加工中心机床的主传动不同于进给传动，它的最终执行器官(刀具)是做旋转运动。在刀具切削速度相当的情况下，主轴转速需要随刀具的直径而调整。从加工对象和加工方式分析，主轴低速区一般使用大直径刀具、攻铰大孔、精镗大孔、成型铣削等，要求高的相对恒定的输出扭矩，并不需要传递满功率。而在中高速区域，加工需求的扭矩与转速成反比，但需要相对恒定的加工功率。加工中心广泛使用主轴伺服电机进行主传动的无级变速，它基本适合主传动低速恒扭矩、高速恒功率的特性。主轴伺服电机有一个额

35、定转速，从额定转速到电机允许的最高转速区域属于恒功率变速，额定转速以下属于恒扭矩变速。主轴伺服电机恒功率变速范围较小，一般为2-4倍的变速范围。恒扭矩范围则可达30、300倍。在高速区使用更为频繁的加工中心机床上，如果直联主轴伺服电机，加工特性将略有欠缺。按传统的加工特性划分，机床主轴转速的恒功率区域应约占23-34范围。解决主轴电机与机床加工需求的功率特性不匹配的措施是在电机与主轴间串联一个分级变速箱。机床主轴功率与扭矩的换算公式如下：式p-主轴功率，kwM-主轴扭矩，NMn-主轴转速，r/min该设计主轴电动机采用FANUCAC12型直流伺服电动机，该电动机30min超载时的最大输出功率为

36、15kW，连续运转时的最大输出功率为11kW，计算转速为1500r/min。加工中心可以在主轴电动机的伺服系统中加功率限制，使电动机的额定输出功率为7.5kW(30min超载)和5.5kW(连续运转)，电动机的计算转速为750r/min,即加大了恒功率区域。 图3-1为该加工中心的功率，扭矩特性曲线，图中实线为电动机的特性，虚线为主轴的特性。其功率特性曲线如图3-1(a)所示，电动机转速范围为454500r/min，其中在7504500r/min转速范围内为恒功率区域。电动机的运动经过1/2齿形带轮传给主轴，主轴的转速范围为22.52250r/min，主轴的计算转速为375r/min，转速在3

37、752250r/min的范围内为主轴的恒功率区域，在该区域内，主轴传递电动机的全部功率为5.5kW(连续运转)或7.5kW(30min超载)。其扭矩特性曲线如图3-1(b)所示,电动机转速在45750r/min 范围内为恒扭矩区域，其连续运转的最大输出扭矩为70N·M，电动机30min超载时的最大输出扭矩为95.5N·M。主轴恒功率区域的转速范围为22.5375r/min，最大输出扭矩分别为140N·M和191N·M。通过本章的设计计算和选型，确定了JCS-018型立式加工中心总体设计需要的基本参数。构成机床主体功能的三向进给运动以及主传动的传动链的动力

38、参数、执行元件规格得到了确定。第四章 加工中心主体结构原理性设计本章在加工中心传动设计计算的基础上，进行加工中心主体结构的原理性设计。作为加工中心的总体设计，需要对加工中心传动系统的结构进行统一的设计规划；对加工中心需要满足的主要辅助功能提供切实可行的实施方案。JCS-018型立式加工中心的结构设计主要进行三向进给传动结构、主轴传动结构，X-Y工作台、刀库等扩展功能机构的设计。41 三向进给传动结构设计JCS-018型立式加工中心的进给传动采用三个坐标分离传动。X、Y、Z三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统，分别与工作台、滑座和主轴箱相连。加工中心沿X，Y，Z三个坐标轴的进给运动分别是由三台功

39、率为1.4kW的FANUCBESKDC15型宽调速直流伺服电机直接带动滚珠丝杠旋转来实现的。该立式加工中心X、Y轴的快速移动速度为14m/min，Z轴的快移速度为10m/min。由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑，Z轴电机带有制动器。在前章三向进给传动系统设计计算中已经叙述，本机床采用进给电机与滚珠丝杠直联驱动的方式。联结件采用无齿隙弹性联轴器。滚珠丝杠的常用安装方式有三种：1一端固定，一端自由适用于短丝杠和竖直安装的丝杠。2一端固定，一端简支。适用于较长的卧式安装丝杠。3两端固定适用于长丝杠或高转速、要求高拉压刚度的场合。这种方式还可以对丝杠进行预拉伸。丝杠在工作时将

40、要发热，其温度将高于机床本体零件。由于丝杠的热膨胀，进给传动的定位精度将要超差，为此，需要将丝杠进行预拉伸。丝杠在定制时，全长的目标行程应等于公称行程减去预拉伸量。丝杠安装时，通过预拉伸恢复公称值。当丝杠发热膨胀时，公称行程保持不变，只是拉伸量减少，即丝杠拉伸力被抵消。数控机床进给传动的丝杠支撑需要采用可靠适用的预拉伸结构。滚珠丝杠的载荷主要是轴向的，径向除了立式丝杠的自重外。一般无外载荷，因此对丝杠两端支撑轴承的轴向精度和轴向刚度要求相对更高。作为进给系统，传动丝杠对微小的位移(即微小的转角)要有高灵敏的响应，故要求支撑轴承的摩擦力矩要低。按照这样的要求，需要采用专门的丝杠支撑轴承。目前使用

41、最广泛的有两种：接触角为60°的推力角接触球轴承和滚针一双向推力圆柱滚子组合轴承。其中，推力角接触球轴承的摩擦力矩比组合轴承小，但刚度更低，适用于较高速的进给传动；而组合轴承适用于重载、转速相对较低、需要丝杠预拉伸并且要求轴向高刚度的场合。本次JCS-018型立式加工中心丝杠支撑轴承选用接触角为60°的推力角接触球轴承。推力角接触球轴承需要进行组合安装以实现丝杠的两端固定以及预拉伸功能。推力角接触球轴承的基本组合方式有：背靠背、面对面和同向。其中，前两种方式能够承受双向的推力；同向组合只能承受单向的推力，但承载能力较高。在三种基本组合方式的基础上，根据具体的承载要求，可以派

42、生出其它复合配对组合方式。组合配对的角接触轴承需要施加一定的预加载荷，消除配对间隙。轴承制造厂可以按照用户需求，提供几种预紧状态的配对角接触轴承。从经济和快捷的角度出发，也提供精度稍差的万能配对(也称自由组合)轴承。4.1.1 X、Z向进给传动结构机床的X、Y向同为水平运动方向，可以采用相同的传动结构。结构示意图见图4-1。图4-l X、Y向进给传动结构示意图图中零件明细如下表：表41 X、Y向进给传动结构示意零件明细表序号名称分类规格备注1进给电机X向30日本FANUCY向222联轴器3丝杆轴承四个一组504滚珠丝杠副X向Y向5丝杆轴承三个一组5010060其中序号3的近电机端丝杠轴承采用4

43、个一组配对方式。如图4-2放大所示，单侧紧邻的两个轴承为同向安装，轴承左右间为面对面组合，这样可以承受轴向双向载荷。轴承的内环通过迷宫垫、螺母固定在丝杠一侧的轴颈和轴肩上；外环通过法兰盘固定在电机座上，从而实现了丝杠近电机端的固定安装。图4-2 近电机端支撑轴承配对示意图序号5的远电机端丝杠轴承采用3个一组的DFD配对方式。如图43放大所示。右侧两个轴承同向安装，然后与左侧轴承面对面组合。轴承的内环通过迷宫垫，螺母固定在丝杠另一侧的轴颈和轴肩上；外环同样通过法兰盘以及调整垫固定在电机座上，从而实现了丝杠远电机端的固定支撑。图4-3 远电机端支撑轴承DFD配对示意图同向组合的轴承组额定动载荷并不

44、是按数量增加。多个同向组合角接触轴承的额定动载荷按一个轴承的额定动载荷乘以以下系数：两个1.63，三个2.16，四个2.64。该设计选择的配对方式同向轴承数量为2。 Z向进给传动结构机床的Z向为垂直进给方向，设计的驱动结构见图4-4。图4-4 Z向进给传动结构示意图图中零件明细如下表4-2。其中序号3的近电机端丝杠轴承采用3个一组的DFD配对方式。如图4-5放大所示，下端两个轴承同向安装，然后与上端轴承面对面组合，这样可以承受轴向双向载荷。轴承的内环通过螺母6固定在丝杠上端的轴颈和轴肩上；外环通过法兰盘固定在基体上，从而实现丝杠近电机端的固定支撑。表4-2 Z向进给传动结构示意零件明细表序号名

45、称分类规格备注1进给电机Z向40日本FANUC2联周器3丝杆轴承三个一组404滚珠丝杠副Z向5丝杆轴承四个一组图4-5 近电机端支撑轴承DFD配对示意图序号5的远电机端丝杠轴承采用4个一组的DFF配对方式。如图4-6放大所示，单侧紧邻的两个轴承为同向安装，轴承上下问为面对面组合，承受轴向双向载荷。外环通过法兰盘固定在基体上；轴承的内环首先由螺母8拧紧实现预拉伸功能，然后螺母7反向锁紧轴承组的内环。图4-6 远电机端支撑轴承DFF配对示意图4.2主轴传动结构设计立式加工中心需要实现的一个基本功能是自动换刀。刀具通过尾部的工具圆锥在主轴前端内圆锥孔上定位，刀具尾部安装拉钉，主轴尾部需要具备刀具夹紧

46、松开机构，该机构通常通过蝶簧组变形实现。换刀(或卸刀)时，需要有刀具夹紧松开机构施力压缩蝶簧组，放松对刀具的拉紧。由于主轴尾部需要配置刀具夹紧松开机构，驱动电机及直联的变速箱不能与主轴处在同一个轴线上。我们把两者设计成平行的两条轴线，动力的传递采用齿形形皮带。这样，我们拟定的主传动结构见图4-7。1-主轴电机 2-变速箱 3-齿形带轮 4-编码器 5-齿形形皮带 6-主轴组件7-刀具松开夹紧机构图4-7 主传动结构示意图4.2.1 齿形皮带及带轮(结构图4-7中件5、3)齿形皮带是一种广泛应用在机械制造行业的传动结构，兼备带传动、链传动和齿轮传动的优点。它的特点包括：1.传动不打滑，速比准确。

47、由于是由皮带上相等间隔的凸齿与皮带轮上相应的齿槽啮合传递动力，因而没有摩擦传动那样打滑而致速度变化的现象。并且，皮带采用玻璃纤维做芯线，伸长变形量极小，一次安装以后不需要再次调整，其啮合的返向间隙也很小，适宜于精密传动。2.不需要润滑油及润滑装置由于采用胶带代替了链条或齿轮那样的金属对金属的传动，因此也就不需要润滑油、润滑装置等附属机构。3.角速度稳定、机械效率高、噪音小由于是啮合传动，所以被动轮的角速度稳定，不会出现链条传动那样由于节距忽大忽小，而引起的忽松忽紧所产生的振动，它转动平稳，噪音小；也不会像平皮带或v型带那样会打滑，导致速度误差，降低传动效率。4.速度范围大链条传动只能在一定的速

48、度范围内正常运转。同步带传动的运转范围可以成倍增加传动的速比可达l：12，并且在全速度范围内的传动效率都很高。5.张力小，使用寿命长同步带与平皮带或v型带不同，不是依靠张力拉紧皮带，使皮带与轮之问进行摩擦传动，所以几乎没有摩擦热，传动的轴向力很小，同步皮带传动副的寿命得到了延长。6.其它，如负荷容量范围广；成本低廉等等。在加工中心主传动结构中，利用同步齿形皮带将电机经变速调整后的旋转运动传递到机床主轴上去。部件详细设计时，需要计算并选用合适的皮带规格。由于主轴位置是固定的，电机和变速箱的安装架需要考虑位置可调，达到调整皮带胀紧力的目的。4.2.2 编码器(结构图4-7中件4)为满足加工中心机床

49、换刀的需要，主轴轴线旋转的角度值需要准确定位，为此从结构上增加一个编码器，进行角度的准确检测和控制。4.2.3 主轴组件(结构图4-7中件6)机床主轴由其支撑套筒、拉刀机构、从动带轮等构成一个独立的组件，一方面套筒的外圆上可以很方便地加工出螺旋沟槽，在安装到主轴箱体内后，与主轴箱体内壁间构成一个螺旋管道，通以冷却的循环油，就可以对主轴旋转发热进行强制冷却；另一方面作为一个独立的组件，可以寻求专业配套供应商的整体供货。图4-8 主轴组件示意图4.2.4 刀具松开夹紧机构(结构图4-7中件7)刀具的拉紧依靠主轴组件中的拉紧机构，即在主轴内孔通过碟簧变形由拉杆拉疑刀具紧贴在主轴前端内锥孔上。而卸刀时

50、，就需要有个机构压迫主轴组件尾部的拉杆，放松对刀具的拉紧。在这里我们选用立式安装的刀具松开夹紧机构，拟采用气液增压缸，不需要增加额外的液压系统，直接将低的气体压力转换为较高的液体压力，完成对拉杆的卸刀动作。在主轴部件的详细设计中，需要计算具体的卸刀力，选定合适的刀具松开夹紧机构。4.3 主轴组件的设计计算主轴轴承的选择主轴部件上的轴承应具有旋转精度高，刚度高，承载能力强，抗振性好，极限转速高，适应变速范围大，摩擦功耗小，噪音低，寿命长的性能，同时应满足制造简单，使用维修方便，成本低，结构尺寸小等要求。滚动轴承已经标准化，并有专门工程批量生产，而且它在旋转精度高，刚度，承载能力，转速，发热等主要

51、性能上能满足大多数主轴部件的要求，特别是它具有能在转速和载荷变动范围很大的条件下稳定工作的的优点。这里前支承选用3182100型，可承受径向力，反支承选用一对推力球轴承，承受径向和轴向载荷，使主轴轴向定位。1、轴承的配置大多数机床主轴采用两个支承,结构简单,制造方便,在配置轴承时,应注意以下几点:(1) 每个支承点都要能承受径向回力(2) 每个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受(3)径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上,即负载都由机床支承件承受 2、轴承的精度配合主轴轴承的精度要求比一般传动高,前轴承的误差对主轴前端的影响最大,所以前轴承的精度一般比后轴承的选择要高一级。普通精度级机床的主

52、轴,前轴承选C或D级,后轴承选D或E级。精密或高精级机床, 前轴承选B或C级, 后轴承选C或D级。这里前轴承选C精度, 后轴承选D级精度轴承与轴和轴承与箱体孔之间，一般都采用过渡配合，采用比一般轴要松一些。如:j5, js5, j6, js6。另外，轴承内外环都是薄壁件，轴的孔和形状误差都会反映到轴承滚道上去，如果配合精度选得过低，会降低轴承的回转精度，所以， 轴承孔的精度应与轴承精度相匹配。 主轴主要参数的确定主轴的主要参数是指:主轴平均直径D(主轴前轴颈直径D1)；主轴内孔直径d；主轴悬伸量a和主轴支承跨距L。这些参数直接影响主轴的工作性能。但为简化问题,主要从静刚度条件出发来确定这些参数

53、。即选择D,d,a,L使主轴获得最大的静刚度,也就是使主轴轴端位移最小,同时兼顾其他的要求,如高速性,抗振性能等。1、主轴轴颈直径的确定主轴轴颈直径对主轴部件刚度影响最大。 加大直径,可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形所引起的轴端位移,从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承值的限制,同时造成相配零件尺寸加大,制造困难,结构庞大和重量增加等。 因此在满足刚度要求下应取小值。查<<机床设计手册>>取=90mm,后轴颈=85mm。 平均轴颈 D= 87.5mm 取d=27mm。2、主轴内孔直径d的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆,冷却管等

54、,大型,重型机床的空心主轴还可以减轻重量。确定孔径d的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些。由材料力学知,轴刚度K与抗弯截面惯性矩I成正比,与直径之间有下列关系: 由上式可知,当 时,空心主轴的刚度与实心主轴的刚度相差甚小,即内孔对主轴刚度降低的影响很小, 当 时,刚度降低约25%。因此,为了不至于过分地削弱主轴刚度,一般应使 。 另外,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够。 推荐：d=拉杆直径+(5-10)mm。根据加工中心的主参数, 取d=29mm。则 ，满足要求。3、主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点(一般为前径向

55、支承中点)的距离,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多都有轴端标准),前支承的轴承配置和密封装置等。 有的还与机床其它结构参数有关,如工作台的行程等. 因此主要由结构设计确定。参考同类机床和<<金属切削设计机床>>,取 则悬伸量a=63mm。 4、主轴跨距的确定根据<<金属切削设计机床>>,计算前支承刚度 计算综合变量=此处取弹性横量 。 (钢的 )主轴的截面惯性距则有： 由主轴跨距计算线图,得: ， 所以 。合理跨距范围为: 为提高刚度,应尽量缩短主轴外延伸长度a,选择适当的跨距 ,一般推荐取 /a=3-5。跨距 小时,轴承变形对轴端变形影响大,所以轴承刚度小时，/a取大值,轴承刚性差时，则取小值。这里取 =4a=463=252(mm)。5、主轴部