毕业设计（论文）立式加工中心垂直工作台及主轴设计方案选型.doc

论文题目： 立式加工中心垂直工作台及主轴设计方案选型 专 业： 机械设计与制造 目录第1章 绪论21.1 加工中心21.2 加工中心的发展21.3 我国机械加工中心发展的现状分析31.4 我国机械加工中心的发展趋势4第2章 加工中心概述62.1 加工中心的结构特点62.2 加工中心的分类72.3 加工中心的用途92.4 加工中心的构成92.5 JCS018A型加工中心的传动系统112.6 JCS018A型加工中心主运动传动系统112.7 JCS018型加工中心进给传动系统122.8 JCS018型加工中心主轴部件132.9 JCS018A型加工中心主轴准停装置142.10 JCS018型加工中心进给伺服系统14第3章 立式加工中心主传动系统方案的确定183.1 确定主运动的配置形式及变速方式183.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定203.2.1 主轴端部的结构形式203.2.2 主轴轴承的选择213.2.3 滚动轴承的间隙与预紧223.2.4 滚动轴承的精度223.2.5 主轴轴承的支撑形式223.2.6 主轴的准停24第4章 立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择254.1 机床对垂直工作台的要求254.2 垂直工作台的组成结构选型264.2.1 进给系统机械部分的组成264.2.2 进给系统机械部分方案确定27绪论1.1 加工中心加工中心(Computerized Numerical Control Machine )简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。1.2 加工中心的发展（1）高速化 加工中心的高速化，主要是指主轴转速、进给速度、进给单元的加速度、自动换刀装置和自动托盘交换装置的高速化。目前，日本新泻铁工机床厂生产的USH10型数控铣床主轴的最高转速可达100000r/min。1996年日本还研制出了一台卧式加工中心，其最大进给速度可达80m/min。德国目前也已研制出加速度为2.5g（普通机床的进给加速度只有0.10.3g），主轴转速为60000r/min，进给速度为60m/min的高速机床。 （2）进一步提高精度 进一步提高精度就是使工件加工精度逐渐接近坐标镗床。例如，瑞士迪克西(DIXI)公司的DIX1280TCA型精密加工中心，其坐标定位精度已达到每500mm行程±0.003mm，B坐标(回转工作台)精度已达到3。 （3）功能的完善 加工中心功能的完善首先表现在愈来愈完善的自诊断功能。为了尽可能地减少加工中的故障，现代加工中心大多配备完善的自诊断功能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测功能、适应控制功能、备用刀具选择功能、温度传感器、声传感器和电流传感器等。这些功能和传感器使机床具有一定的人工智能。其次，加工中心的性能，在很大程度上取决于数控系统的性能，所以不断开发出相对高精度、高速度、高效率要求的数控装置，把控制机器人、测量、上下料等功能纳入到CNC内。例如，德国WERNER公司的TC系列卧式加工中心，它采用了主轴功率监控、切削负荷监控、刀具长度监控和声纳技术检测刀具破损情况等新技术，从而使加工中心的使用更加安全、可靠。 1.3 我国机械加工中心发展的现状分析加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。 2009年3月在上海举行的“中国数控机床展览会”上，展出了多台国内生产的五轴加工中心。如济南二机床集团公司展出的龙门式五轴联动加工中心，工作台长6m,宽2m，采用立式主轴回转，A轴转角±100度，C轴转角±200度，这个庞然大物吸引了许多参观者，它标志着中国数控机床工业达到了先进水平。上海第三机床厂、第四机床厂制造的立卧加工中心，工作台630mm2，采用高速内冷电主轴，主轴可立、卧转换，工作台可以360度等分，类似于上述简单配置为立、卧转换的三轴加工中心，可对工件实现五面体加工，尽管还没有配置五轴，也非常实用。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。 1.4 我国机械加工中心的发展趋势加工中心高效、高精、高速的发展趋势 随着国民经济飞速发展工业自动化，制造业向着高、精、尖方向发展，特别是汽车、船舶、纺织、电子技术、航空航天的迅猛发展，对机床的精度和生产效率要求也越来越高，主轴转速12 000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精机床已经是机床行业流兴的趋势。立式加工中心五轴联动的趋势 五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的hang空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。 机床的复合化，与机器人的有效结合提高了生产效率 为了提高生产效率，最大限度降低生产成本，把工业机器人同机床有效地结合在一起，让机器人从事简单而且重复的劳动www.MMS，不但可以节省大笔的人工费用，同时，机器人不会疲劳且不会产生错误，因而对生产质量的稳定起到了很大的作用。 机床更注重细节处理和环境保护 “绿色生态机床”是近年来机床行业的一种发展趋势，其强调了机床、环境、人三者之间的关系，目地是大幅度提高机床生产效率的同时降低对环境的影响和对操作者健康的危害。机床行业加工中心发展现状及未来走势情况过去五轴加工中心多为德国、美国、日本、意大利制造，令人欣喜的是今年3月在上海举行的“中国数控机床展览会”上，展出了多台国内生产的五轴加工中心。如济南二机床集团公司展出的龙门式五轴联动加工中心，工作台长6m,宽2m，采用立式主轴回转，A轴转角±100度，C轴转角±200度，这个庞然大物吸引了许多参观者，它标志着中国数控机床工业达到了先进水平。上海第三机床厂、第四机床厂制造的立卧加工中心，工作台630mm2，采用高速内冷电主轴，主轴可立、卧转换，工作台可以360度等分，类似于上述简单配置为立、卧转换的三轴加工中心，可对工件实现五面体加工，尽管还没有配置五轴，也非常实用。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。领先一步的机床制造商正在构想2010年的“加工中心”，它将是万能型的设备，可用于车、铣、磨、激光加工等，成为真正意义上的加工中心。全自动地从材料送进，到成品产出，粗精加工、淬硬处理、超精加工，自动检测、自动校正，将无所不能。设备将重视环保、节能，呈现出绿色制造业的标志。21世纪时代特征的IT功能是绝对不可少的，设备将通过网络与外界交换信息，获得最新的技术成果，人类的智慧将在高科技产品加工中心上得到充分的展现。第2章 加工中心概述2.1 加工中心的结构特点（1）机床的刚度高、抗振性好 为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床(机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度)。 （2）机床的传动系统结构简单，传递精度高，速度快 加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆-蜗母条；预加载荷双齿轮-齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15mmin，最高可达100mmin； （3）主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统(特殊的也只保留12级齿轮传动) 主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速。目前加工中心95以上的主轴传动都采用交流主轴伺服系统，速度可从1020000rmin无级变速。驱动主轴的伺服电机功率一般都很大，是普通机床的12倍，由于采用交流伺服主轴系统，主轴电动机功率虽大，但输出功率与实际消耗的功率保持同步，不存在大马拉小车那种浪费电力的情况，因此其工作效率最高，从节能角度看，加工中心又是节能型的设备； （4）加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新结构 能长期的保持导轨的精度，在高速重切削下，保证运动部件不振动，低速进给时不爬行及运动中的高灵敏度。导轨采用钢导轨、淬火硬度HRC ，与导轨配合面用聚四氟乙烯贴层。这样处理的优点：a摩擦系数小；b耐磨性好；c.减振消声；d工艺性好。所以加工中心的精度寿命比一般的机床高； （5）设置有刀库和换刀机构 这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可通过控制系统对刀具寿命进行管理； （6）控制系统功能较全 它不但可对刀具的自动加工进行控制，还可对刀库进行控制和管理，实现刀具自动交换。有的加工中心具有多个工作台，工作台可自动交换，不但能对一个工件进行自动加工，而且可对一批工件进行自动加工。这种多工作台加工中心有的称为柔性加工单元。随着加工中心控制系统的发展，其智能化的程度越来越高，如FANUCl6系统可实现人机对话、在线自动编程，通过彩色显示器与手动操作键盘的配合，还可实现程序的输入、编辑、修改、删除，具有前台操作、后台编辑的前后台功能。加工过程中可实现在线检测，检测出的偏差可自动修正，保证首件加工一次成功，从而可以防止废品的产生。2.2 加工中心的分类按加工工序分类，可分为两大类（1）镗铣（2）车铣按换刀形式分类1）带刀库、机械手的加工中心该加工中心的换刀装置(AutomaticToolChanger)是由刀库和机械手组成的，并由机械手来完成换刀工作。这是加工中心最普遍采用的形式，JCS018A型立式加工中心就属于这一类。 2）无机械手的加工中心无机械手的加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成的，一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或者是整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置的办法。刀库中刀具存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。采用40号以下刀柄的小型加工中心多为这种无机械手式的，XH754型卧式加工中心就是这一类型。 3）转塔刀库式加工中心小型立式加工中心一般采用转塔刀库形式，它主要以孔加工为主。ZH5120型立式钻削加工中心就是转塔刀库式加工中心。 按数控系统分类按数控系统的不同有两种分类方法：一种可分为两坐标加工中心、三坐标加工中心和多坐标加工中心；另一种可分为半闭环加工中心和全闭环加工中心。 按控制轴数分类按控制轴数可分为：（1）三轴加工中心（2）四轴加工中心（3）五轴加工中心。按主轴与工作台相对位置分类(1)卧式加工中心 是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。(2)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。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。(3)万能加工中心(又称多轴联动型加工中心) 是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。多工序集中加工的形式扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。2.3 加工中心的用途用途：加工中心承担精密、复杂的多任务加工。加工中心既可以单机使用，也能在计算机辅助控制下多台同时使用，构成柔性生产线，还可以与工业机器人、立体仓库等姐合成无人化工厂。2.4 加工中心的构成加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体上是由以下几大部分组成。（1） 基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。（2）主轴部件由主轴箱、主袖电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。（3）数控系统由 CNC 装置、可编程序控制器、伺眼驱动装置以及电动机等部分组成是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心（4） 自动换刀装置 （ATC）加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，有一套自动换刀装置。加工中心的结构如图21所示。图21 l-底座 2-立柱 3-X轴伺服驱动 4-Y轴伺服驱动 5-Z轴伺服驱动 6-十字滑台与工作台 7-操作箱 8-斗签式刀库 9-主轴 10-主轴箱 11-Z向防护罩 12-水箱 13-排屑装置 14-整体防护 15-电器柜 16-X向导轨防护 17-Y向导轨防护 18-气动与润滑2.5 JCS018A型加工中心的传动系统JCS018A型加工中心的传动系统如图2-2所示，它存在五条传动链：主运动传动链，纵向、横向、垂直方向传动链，刀库的旋转运动传动链。它们分别用来实现刀具的旋转运动，工作台的纵向、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2-2JCS018A型加工中心传动系统 图2-22.6 JCS018A型加工中心主运动传动系统主轴电动机通过一对同步带轮将运动传给主轴，使主轴在22.52250rmin的转速范围内可以实现无级调速。 主轴电动机采用了FANUCAC12型交流伺服电动机，该电动机30min超载时的最大输出功率为15kW，连续运转时的最大输出功率为11kW，计算转速为1500rmin。JCS018A型加工中心在主轴电动机的伺服系统中加了功率限制，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750rmin，即加大了恒功率区域。 图2-3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2-3（a）所示，电动机转速范围为454500rmin，其中在7504500rmin转速范围内为恒功率区域。电动机的运动经过12齿形带轮传给主轴，主轴的转速范围为22.52250rmin，主轴的计算转速为375rmin，转速在3752250rmin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5.5kW（连续运转）或7.5kW（30min超载）。其扭矩特性曲线如图2-3（b)所示，电动机转速在45750rmin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22.5375rmin，最大输出扭矩分别为140N·M和191N·M。图2-3JCS018A型加工中心的功率、扭矩特性曲线(a)功率特性曲线；(b)扭矩特性曲线 2.7 JCS018型加工中心进给传动系统JCS018A型加工中心沿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。其任意两个坐标都可以联动。该立式加工中心X、Y轴的快速移动速度为14mmin，Z轴的快移速度为10mmin。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。由于机床基础件刚度高，且采用贴塑导轨，因此，机床在高速移动时振动小，低速移动时无爬行，并有高的精度和稳定性。 2.8 JCS018型加工中心主轴部件图2-4中，主轴1的前支撑4配置了3个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后一个轴承大口朝上。前支撑按预加载荷计算的预紧量由预紧螺母5来调整。后支撑6为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，但不影响加工精度。2.9 JCS018A型加工中心主轴准停装置机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。本机床采用的是电气式主轴准停装置，即用磁力传感器检测定向。主轴的准停装置如图2-5所示，主轴的尾部安装有发磁体，它随主轴转动，在距发磁体外缘12mm处，固定了一个磁传感器，它与主轴驱动装置相连。主轴定向的指令由数控发出后，主轴便处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止。 图2-5主轴的准停装置 2.10 JCS018型加工中心进给伺服系统机床有三套(X、Y、Z轴)相同的伺服进给系统。图2-6为工作台的纵向(X向)伺服进给系统，该系统由脉宽调速直流伺服电动机1驱动，采用无键连接方式，用锁紧环将运动传至十字滑块联轴节2的左连接件。联轴节的右连接件与滚珠丝杠3用键相连，由滚珠丝杠3、螺母4和螺母7驱动工作台移动。滚珠螺母由左螺母4和右螺母7组成，并固定在工作台上。十字滑块联轴节2的左连接件与电机轴靠锥形锁紧环摩擦连接。锥形锁紧环(见左下方局部放大图)每套有两环，内环为内柱外锥，外环为外柱内锥，此处共用了两套。采用这种连接办法不用开键槽，没有间隙。电机轴与丝杠可相对转动任意角。 图2-6工作台的纵向伺服进给系统 图2-6工作台的纵向伺服进给系统横向(Y轴)伺服进给系统与纵向伺服进给系统结构相同。滚珠丝杠直径为40mm，导程为10mm。左支撑为成对的向心推力球轴承，其精度为D级，背靠背安装，大口向外，承受径向和轴向双向载荷，预紧力为1kN。右支撑为一向心球轴承，外圈轴向不定位，仅承受径向载荷，丝杠升温后可向右伸长。虽然这种结构较简单，但轴向刚度比两端轴向固定方式低。滚珠丝杠的螺母座固定在工作台下侧，螺母座中安装两个滚珠螺母4和7，两个螺母用连接键5固定它们之间的周向位置，螺母4固定在螺母座8中，螺母7可轴向调整位置。在两个螺母间安装两个适当厚度的半圆垫圈6，以消除丝杠和螺母间的间隙，并适当地预紧，以提高传动刚度。 在垂直向(Z向)伺服进给系统中，由于滚珠丝杠没有自锁能力，为了保证工作台能够停止在所需要的位置上，在电机上加有制动装置。当电机停转时，切断电磁线圈的电流，由弹簧压紧摩擦片使其制动。图2-7为Z轴进给装置中电机轴与滚珠丝杠的连接结构。电机轴2与轴套3之间采用锥环无键连接结构，4为相互配合的锥环。锥面有相互配合的内外锥环，当拧紧螺钉时，外锥环向外膨胀，内锥环受力后向电机轴收缩，从而使电机轴与轴套连接在一起。这种连接方式无须在连接件上开键槽，两锥环的内、外圆锥面压紧后，可以实现无间隙传动，而且对中性较好，传递动力平稳，加工工艺性好，安装与维修方便。选用锥环对数的多少，取决于所传递扭矩的大小。图2-7 Z轴进给装置中电机轴与滚珠丝杠的连接结构高精度十字联轴器由三个元件组成，其中与电机轴连接的轴套3的端面有中心对称的凸键，与丝杠连接的轴套6上开有中心对称的端面键槽，中间一件联轴节5的两端上有中心对称且互相垂直的凸键和键槽，它们分别与件3和件6相配合，用来传递运动和转矩。为了保证十字联轴器的传动精度，在装配时，凸键与凹键的径向配合面要经过配研，以便消除反向间隙，使传递动力平稳。 进给伺服系统为半闭环。电动机轴端安装脉冲编码器作为位置反馈元件，同时也可作为速度环的速度反馈元件。直流伺服电机是可控硅控制的脉宽调速伺服电机，它具有调速范围宽、扭矩大和响应速度快等特点。当采用FANUC7CM系统时，反馈装置采用旋转变压器为位置检测器，采用测速发电机为速度环的速度反馈元件。旋转变压器的分解精度为2000脉冲r，由电机轴到旋转变压器的升速比为51，滚珠丝杠导程为10mm，因此，位置检测分辨率为10(2000×5)=0.001mm。 图2-8为进给控制系统，从计算机来的位置指令脉冲Pp，在位置偏差检测器内与位置检测器送来的反馈脉冲P1比较，其差值为Pe，经数-模转换器(DA)转换为差值的模拟电压Ue。然后，位置控制放大器把Ue放大为Uc，送至速度误差检测器与速度检测器来的速度(转速)模拟电压Ug比较，其差值Ua经速度放大器放大为Um去控制伺服电机转速。 图2-8进给控制系统框图该机床是在工作台不升降式铣床的基础上设计的，工作台见图2-9，滑座见图6-20。工作台与滑座之间为燕尾形导轨，丝杠位于两导轨的中间。滑座与床身之间为矩形导轨。工作台与滑座之间、滑座与床身之间，以及立柱与主轴箱间的动导轨面上，都贴有氟化乙烯导轨板。X、Y轴以机床的最低进给速度运动时，皆无爬行现象发生。图2-9工作台第3章 立式加工中心主传动系统方案的确定3.1 确定主运动的配置形式及变速方式主传动系统方案的确定主传动系统主要包括电机、传动系统和主轴部件确定主运动的配置形式及变速方式（1）普通电机机械变速系统主轴部件特点：能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其它已很少采用。（2）变频器交流电机12机械变速主轴部件这种配置的结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求，但其调速范围及特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。主要用于经济型或中低档数控机床上。 （3）交、直主轴电机 主轴部件这种配置形式同上面一样，但电机是性能更好交直流主轴电机，其变速范围宽，最高转速可达8000 r/min，且控制功能丰富，可满足中高档数控机床的控制要求 （4）电主轴 目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High FrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle)。3.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定组成：主轴、支承、传动零件、刀具的自动夹紧装置、主轴的准停装置、主轴孔的清理装置等图为日本研制的立式加工中心主轴组件3.2.1 主轴端部的结构形式主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联结牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，图30所示为普通机床和数控机床所通用的几种主轴端部的结构形式。 图30主轴端部的结构形式(a)车床主轴端部；(b)铣、镗类机床主轴端部；(c)外圆磨床砂轮主轴端部；(d)内圆磨床砂轮主轴端部；(e)普通镗杆装在钻床主轴上的端部；(f)组合机床主轴端部 3.2.2 主轴轴承的选择鉴于加工中心和高速数控加工中心的大负荷、高转速和高精密度的要求，普通的主轴双联轴承已满足不了要求。现在对于高速加工中心，大多采用角接触球轴承的组合设计。因为角接触球轴承可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，允许的极限转速较高图31主轴常用的滚动轴承(a)锥孔双列圆柱滚子轴承；(b)双列推力向心球轴承；(c)双列圆锥滚子轴承； (d)带凸肩的双列空心圆柱滚子轴承；(e)带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承；(f)角接触滚子轴承 3.2.3 滚动轴承的间隙与预紧滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量的预变形，就可使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。但过盈量不宜太大，否则会使轴承的摩擦磨损加剧，承载能力显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。因此，主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。 3.2.4 滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前支撑的精度一般比后支撑的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支撑取C，D级，后支撑用D，E级。特高精度的机床前后支撑均用B级。 3.2.5 主轴轴承的支撑形式主轴轴承的支撑形式主要取决于主轴转速特性的速度因素和对主轴刚度的要求。主轴轴承常见的支撑形式有以下三种，如图32所示。 图32主轴轴承常见的支撑形式 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三 （1）前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承(见图98（a）) 此配置可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。它普遍用于各类数控机床主轴。（2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承(见图98（b）) 向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000rmin，但它的承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承(见图98（c）) 这种轴承的径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。其安装、调整性能好，但这种支撑方式限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。3.2.6 主轴的准停主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。主轴准停换刀如图99所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精镗孔如图33所示。 图33主轴准停换刀示意图 图34主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图 第4章 立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择4.1 机床对垂直工作台的要求系统总体方案一、机床对垂直工作台的要求进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的，被加工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。被加工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为了保证数控加工中心的定位精度和轮廓的加工精度，应对垂直进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性有相应要求。其要求如下：1.运动件间的摩擦阻力小提高机床进给系统的快速响应性能和运动精度，减少爬行现象。2. 消除传动系统中的间隙进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。3.提高传动精度和刚度措施1 保证进给系统中滚珠丝杠螺母、蜗轮蜗杆和支承结构等各部件的加工精度；措施2 在传动链中加入减速齿轮或同步带传动，以减小脉冲当量，从设计角度提高传动精度；措施3 预紧支撑丝杠的轴承，以消除齿轮、蜗轮传动件间隙；措施4 预紧消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙。4. 减小各运动零部件的惯量高速运转零件的惯量影响伺服系统的启动和制动特性。5.稳定性好，寿命长4.2 垂直工作台的组成结构选型4.2.1 进给系统机械部分的组成传动机构+运动变换机构+导向机构+执行件（工作台）传动机构: 齿轮传动、同步带传动运动变换：丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等导向机构：导轨（滑动导轨、滚动导轨、静压导轨）进给系统机械部分的作用是将电机的旋转运动转变为工作台的直线运动，其实现方式主要有三种：（1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。电机与丝杠之间的连接又可以分为三种方式：带有齿轮传动的进给运动经同步带论传动的进给运动电机通过联轴器直接与丝杆连接（2）通过齿轮、齿条副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。（3）直接采用直线电动机进行驱动。4.2.2 进给系统机械部分方案确定（1）采用滚珠丝杠螺母副 使用滚珠丝杠螺母副，可有效减小摩擦，使传动效率提高；进行预紧后，可以消除间隙，提高传动效率；摩擦阻力几乎与运动速度无关，动、静摩擦力的变化也很小，不易产生低速爬行现象；长期工作磨损小，使用寿命长，精度保持性好。并且有专门厂家生产，可以有效降低成本，缩短设计周期。滚珠丝杠的支承方式有以下几种图a为一端装推力轴承，这种安装方式只是用于行程小的短丝杠，它的承载能力小，轴向刚度低。 图a图b一端装推力抽承，另一端装深沟球轴承，此种方式用于丝杠较长的情况，当热变形造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的轴向浮动。安装时应注意使热源和丝杠工作时的常用端远离止推端。图b图c为两端装推力轴承，把推力轴承装在丝杠的两端，并施加预紧力，可提高轴性刚度，而且丝杠工作失只承受拉力，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感。 图c 图d 为两端装推力轴承和深沟球轴承，它的两端均采用双重支座并施加预紧，适丝杠具有较大的刚度，这种方式还可以使丝杠的变形转化为推力轴承的预紧力。 图d通过上述各种方案的比较，选择方案3（2）采用滚动导轨 使用滚动导轨，可使导轨面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，因此具有灵敏度高运动，低速时不易出现爬行现象的特点；定位精度高，重复定位精度可达0.2m；摩擦阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。滚动导轨也有专门厂家生产，可按规格购买。（3）采用交流伺服电机驱动 交流伺服电机采用全封闭无刷结构，不需要定期检查和维修，它的定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻。（4）采用同步齿形带传动 同步齿形带传动具有带传动和链传动的共同优点，与齿轮传动相比它结构更简单，制造成本更低，安装调整更方便。并且不打滑、不需要的的张紧力；传动效率可以高达9899.5，最高线速度可以高达80m/s，可以广泛用于高速数控传动。3.进给系统机械部分组成示意图工作台导轨副