立式加工中心滑座及X向进给系统结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 数控机床是装备制造业的基础，一个国家数控机床业的水平已经成为衡量该国制造业水平、工业现代化程度的重要标志。立式加工中心是数控机床的集中体现，对它进行研究，可深入了解数控技术及数控机床。但是立式加工中心的工作性能受机床进给系统、滑座等功能部件的直接影响。设计合理的进给系统，滑座结构对提高立式加工中心工作性能有重要的意义。本文主要研究内容如下： （ 1） 本文对 座进行了结构设计及精度设计，并进行了进行了静力计算及有限元分析。 （ 2） 本文对 进给系统进行了总体方案设计与零部件设计。 （ 3） 本文对 进给系统中伺服电机进行了选择计算与校核。 （ 4） 本文对 进给系统中滚珠丝杠副进行了选择计算与校核。 （ 5） 本文对 进给系统中滚动轴承进行了选择计算与校核。 （ 6） 本文对 进给系统中直线导轨进行了选择计算与校核。 关键词 ： 立式加工中心；滑座； X 向进给系统；滚珠丝杠；伺服电机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he is of of NC an to of s of is of NC By we NC NC of is by of as of of is to of of as (1)of of of (2)of (3)of of (4)of of (5)of of (6)of of X 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 1 绪论 . 1 国产数控机床现状 . 1 立式加工中心的特点 . 2 研究的意义 . 3 本论文的内容 . 4 2 滑座结构设计 . 5 滑座材料选择 . 6 滑座结构 . 6 滑座截面设计 . 6 滑座肋布置 . 8 滑座上圆孔和方孔设计 . 9 滑座壁厚及肋厚度计算 . 10 滑座最终结构 . 11 滑座的静力计算 . 12 滑座有限元分析 . 12 3 . 17 X 向进给系统总体方案设计 . 17 技术参数 . 17 X 向进给系统结构及工作原理 . 17 滚珠丝杠副的设计计算 . 18 导程 确定 . 19 当量载荷及当量转速的计算 . 20 预期额定动载荷的确定 . 22 允许最大轴向变形的估算 . 23 底径 估算 . 23 预紧力 计算 . 24 其它尺寸的确定 . 24 伺服电机 的选择计算 . 24 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 作用在滚珠丝杠副上转矩的计算 . 25 负荷转动惯量及传动系统转动惯量的计算 . 26 加速转矩 最大加速转矩 . 27 电机的最大启动转矩 . 27 电机连续工作时的最大转矩 . 27 电机输出轴直径的计算 . 28 联轴器的选择 . 28 滚动轴承的选择计算 . 28 初选轴承型号 . 28 计算轴承的径向载荷 轴向载荷 . 29 计算当量动载荷 当量静载荷 . 29 计算寿命 . 30 校核静载荷 . 31 校核动载荷 . 31 校核极限转速 . 31 游动端轴承的选用 . 32 滚珠丝杠的校核 . 32 传动系统刚度计算 . 32 传动系统刚度验算 . 34 滚珠丝杠副压杆稳定性的效验 . 34 滚珠丝杠副极限转速的校验 . 35 校验 . 35 额定静载荷校验 . 36 直线导轨的选用 . 36 初选导轨型号 . 37 校核静安全系数 . 37 计算导轨寿命 . 38 确定导轨型号 . 39 4 滑座精度要求 . 40 滑座加工几何精度要求 . 40 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V 滑座装配几何精度要求 . 41 5 总结 . 43 致 谢 . 44 参考文献 . 45 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 装备工业 是制造业和国民经济产业的基础 ，数控技术 及 装备 技术是制造工业的重要基础 。数控技术是 运用电脑程序控制机器，按照提前编写的 程式对零件进行自动加工 ，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。数控装备是 依靠数控技术为代表的新技术对传统以及新兴 制造业的 侵蚀从而产生 机电一体化 的 产品。数控技术 作为生成自动化的重要基础，是现代制造设备的重中之重，是我国工业和 工业自动 化的重要技术手段 。 加工中心 从 数控 铣床 发展而来的，具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能 。与普通数控机床相比，其优点为： 大大的减少了工装数量加工质量稳定，加工精度高，重复精度高，极大的提 高 了生产效率 。 加工中心按照主 轴轴线与工作台 设置方式不同分为立式加工中心与卧式加工中心。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 一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回 转台，用以加工螺旋线类零件。立式加工中心能完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行 五轴 、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工 表面；三个坐标轴与 笛卡儿坐标系 吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。 国产数控机床现状 数控机床是当代装备制造业的基础，国产数控机床经历了 30 年的发展， 期间发展迅猛 ， 并且已运用到各行各业中 。 国内产品可谓百花齐放，在 国际机床展会均有亮相 ，达到世界先进水平。 虽然国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小，但由于中国制造工业起步晚，技术水平和基础相对落后，数控机床的 性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，还存在一定的差距。目前主要问题有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 1、核心技术严重缺乏 目前国内能做的中、高端数控机床，多数处于组装和制造环节，关键零部件和关键技术主要依赖进口，未掌握其核心技术。数控功能部件是另一个薄弱环节。功能部件是构筑 21 世纪现代数控机床的基础，其性能和价格决定了数控机床的性能和价格。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。从国产数控机床的开发和使用来看，功能部件急需技术攻关。 2、技术创新和成果转化与市场脱节 适销对路的产品是企业在市场竞 争中取胜的根本，技术创新是产品满足市场需要的关键。目前，国内多数企业 在技术创新方面都不重视 ， 也 没有明确的市场定位，只是 参考模仿主流技术 。数控机床产业 自身发展还是要靠人才培养来提高，企业素养也很重要 。虽然近年来的改制、改组有一些初步成效，但这些成就来之不易。所以在市场需求 巨大的形势下 ， 要看清趋势 ，稳 健 求发展， 重点 抓能力。 我 国要成为制造大国，而非加工大国，这是机床行业 要重视的 ，否则可能造成科技攻关的新产品与发达国家产品的差距很大，白白浪费有限的人力物力。其次在技术创新取得成果后，推广缺乏市场化的全面安排。不健全 的质量保证体系、未制定的相应规范和标准以及严重滞后的制造工艺研究使得国产数控机床市场占有率逐年下降。 立式加工中心的特点 1、机床的刚度高、抗振性好。为了满足立式加工中心自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，立式加工中心的静刚度、动刚度和机械系统的阻尼比都高于普通机床（机床在静态力作用下缩表现的刚度称机床的静刚度；机床在动态力作用下缩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。立式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、预加载荷齿轮双齿轮 齿条。它们由伺服电动机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高、速度快。一般速度可达15m/高可达 100m/ 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。目前立式加工中心 95%以上的主轴传动都采用交流伺服系统，速度可从（ 1020000级调速。驱动主轴的伺服电动机功率一般都很大，都是普通机床的 12 倍，由于采用了交流伺服主轴系统，主轴电机的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 功率虽然大，但输出的功率与实际功率消耗功率保持同步，不存在大马拉小车 那种浪费电力情况，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。导轨采用刚导轨、淬火硬度 57导轨配合面用聚四氟乙烯贴层。这样处理的优点： （ 1）摩擦系数小； （ 2）耐磨性好； （ 3）减振消声； （ 4）工艺性好。 综合以上优点，可知立式加工中心的精度寿命比一般的机床高。 5、设备有刀库和换刀结构。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使立式加工中心的功能和自动化加工能力更强了。立式加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀结构自动调用和更换，也可通过控制系统对刀具寿命进行管理。 6、控制系统安全。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管理，实现刀具自动交换。有的立式加工中心还具有多个工作台，工作台可自动交换，不但能对对一个工件进行自动加工，而且还可对一批工件进行自动加工。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 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 ，还可以实现程序的输入、编辑、修改、删除，具有前台操作、后台编辑的前后台功能。加工过程中实现在线检测，检测出的偏差可自动修正，保证工件加工一次成功，从而可防止废品产生。 研究的意义 滑座是立式加工中心的主要组成部分，其强度、刚度、热变形、基本阶固有频率在很大程度上影响机床的性能。为提高立式加工中心性能，降低成本必须设计结构合理的滑座。 X 向进给系统的设计是立式加工中心设计进给系统的一部分，其设计准确度直接影响到立式加工中心加工零件的精度。在科技水平日益提高的今天，准确设计立式加工中心进给系统尤为重 要。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 本论文的内容 本毕业设计说明书共分为五章。 第一章 绪论 介绍国产数控机床现状，并对本次设计设计的意义及目的做以说明。 第二章 滑座结构设计 主要介绍滑座的设计思路及方法，包括滑座材料选择，滑座结构，同时对滑座进行受力计算和分析。 第三章 X 向进给系统设计与分析 主要介绍 X 向进给系统总体方案设计，滚珠丝杠副的选择计算及校核，伺服电机的选择计算及校核，直线导轨的选择计算及校核。 第四章 主轴系统和立柱精度要求 主要介绍滑座的加工几何精度要求、装配几何精度要求。 第五章 总结 给出本文的主要结论 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2 滑座结构设计 滑座是立式加工中心的重要基础构件，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。如图 示，工作台通过 X 向导轨及滑块安装在滑座上，在 向导轨上沿 X 向运动。滑座通过 Y 向导轨及滑块安装在床身上，在 Y 向进给系统的带动下可在 Y 向导轨上沿 Y 向运动。在 X、 Y 向进给系统的配合下，立式加工中心可在 面内加工出复杂零件的曲线轮廓。 图 座与周围部件连接图 1、 滑 座 2、工作台 3、床身 4、 X 向丝杠 5、 X 向导轨与滑块 6、 X 向电机座 7、Y 向丝杠 8、 Y 向导轨与滑块 9、 Y 向电机座 静态时滑座主要承受工作台的重力，在立式加工中心加工工件过程中，刀具及工件之间的相互动态力沿着工作台传递给滑座并使之振动，所以滑座不仅受到静态力作用还受到动态力作用。考虑到立式加工中心的加工质量及生产率，对滑座的基本要求有以下几点： （ 1）应具有足够的刚度和较高的刚度质量比，后者在很大程度上反应了设计的合理性； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 （ 2）应具有较好的动态特性； （ 3）应使整机的热变 形较小； （ 4）应该排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性，以便于制造和装配。 滑座材料选择 灰铸铁材料易于铸造，且加工性好 、制造成本低，并具有良好的耐磨性和减震性。可 选择 为滑座的材料。 珠光体类型的灰铸铁 ，具有很好的流动性，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件，但铸件 需进行人工时效处理 。在铸造过程中加入少量磷 、钛、钒等 合金元素可提高耐磨性能。 滑座结构 在上面，本文已经分析立式加工中心滑座受力工况。滑座主要承受由重力产生的弯矩、压应力，由加工产生的动态力。因此 结构必须具有较高的抗弯惯性矩。 滑座截面设计 参考机械设计手册 机架、箱体、导轨，零件的抗弯、抗扭强度和刚度除了与截面面积有关外，还取决于截面形状。因此在设计过程中，合理的改变滑座截面形状，增加其惯性矩和截面系数，可以提高滑座的强度和刚度，从而充分的发挥材料的作用。因此正确选择截面形状是结构设计中的一个重要问题。表 举了截面积相等而截面形状不同的等截面杆的抗弯和抗扭惯性矩的相对值。相对值是以圆形截面惯性矩为对比基准，其他惯性矩与之相比得到的相对值。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 表 见截面的抗弯、抗扭惯性矩比值 截面形状 （面积相等） 抗弯惯性矩相对值 抗扭惯性矩相对值 截面形状 （面积相等） 抗弯惯性矩相对值 抗扭惯性矩相对值 1 1 9 表 性矩的相对值可以看出，圆形截 面具有较高的抗扭刚度，但是抗弯刚度较差，故宜用于受扭为主的零件结构设计。工字形截面的抗弯刚度最大，但是抗扭刚度很低，故宜用于纯弯零件结构设计。矩形截面抗弯、抗扭分别低于工字形和圆形截面，但是其综合刚度最好。（各种形状的截面，其封闭空心截面的刚度比实心截面的刚度大）另外，截面面积不变，加大外形轮廓尺寸，减小壁厚，也使材料原理中性轴买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 的位置，提高截面的抗弯和抗扭刚度。封闭截面比不封闭截面得抗扭刚度高的多。 工作台经滑块、导轨传递给滑座的力主要集中在滑座两侧，所以滑座主要是弯曲扭矩，故其抗弯刚度必须得高，可采用工字 型截面形状设计。最终滑座的截面设计结果如图 示。 图 座截面图 滑座肋布置 参考机械设计手册 机架、箱体、导轨，肋分为肋板和肋条两种。肋条只有有限的高度，不能连接整个截面，所以在设计中选用肋板作为加强肋。 1、 在滑座截面中布置肋的作用 （ 1）可以提高滑座的强度、刚度和减轻滑座的质量。 （ 2）由于滑座采用薄壁矩形截面，布置肋可以减少滑座截面畸变，在大面积的薄壁上布肋可缩小局部变形和防止薄壁振动及降低噪声。 （ 3）滑座采用铸造工艺，肋可使铸件壁厚均匀，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。 （ 2） 散热。 2、 在滑座截面中合理布置肋的原则 （ 1） 肋的布置应有效提高滑座的强度和刚度。为有效的提高滑座抗弯刚度肋应该布置在弯曲平面内；为使载荷分布均匀，肋的布置应有利于将局部载荷传递给其他壁板；为提高滑座强度，带孔肋应避免布置在滑座主传力肋板的位置上。 （ 2）肋的布置应考虑弹性匹配。在设计过程中，滑座刚度设计应考虑弹性匹配，否则将影响整个立式加工中心的性能。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 （ 3）肋的布置应考虑经济性。在强度、刚度满足条件的前提 下，应选用材料消费少、焊接费用低的布肋方式。 3、 肋板的布置形式对滑座的影响如表 。 表 置对封闭式箱体结构刚度的影响 序号 模型 弯曲刚度指数（ 扭转刚度指数 1 据表 知，采用多纵向肋布置方式可有效提高滑座的抗弯刚度。 滑座上圆孔和方孔设计 由于结构上和工艺上的要求，在滑座壁上往往会开一些孔。这些孔的形状、大小和位置对 滑座的刚度均有一定的影响。图 面在弯矩、扭矩作用下，圆孔对箱型截面梁刚度的影响。从中可以发现，梁的刚度随着孔的直径变大而减小，当 D/H度明显下降；同时梁中性轴附近的孔对零件刚度的影响要小于远离中性轴孔。综合考虑其对主轴箱铸造性能和刚度的影响，主轴箱的圆孔尽量靠近中性轴。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 2的位置和直径对箱形截面梁刚度的影响 滑座壁厚及肋厚度计算 滑座壁厚的选择取决其强度、刚度、材料、铸件尺寸、质量、和工艺等因素。 参考机械设计手册，按照当前工艺水 平，铸铁件的壁厚可按表 据当量尺寸 N 选择。当量尺寸计算公式如下： 32 式 2中： N 当量尺寸 L 铸件的长度（ m） B 铸件的宽度（ m） H 铸件的高度（ m） 本文设计的滑座相关尺寸如下： L=B=H=式 算得： N=矩b b a 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 表 铸铁件的壁厚选择 当量尺寸 (m) 外壁厚 (内壁厚 ( 5 6 0 8 2 10 4 12 6 12 8 14 0 16 2 18 4 20 5 20 6 22 8 24 0 25 2 28 6 32 0 36 根据表 定滑座壁厚为 20厚度为 16 滑座最终结构 前几小节分别对滑座截面形状设计、肋板布置形式设计、圆孔方孔设计以及壁厚与肋板厚度选择进行了论述，最终参考机械设计手册、实用机床设计手册、沈阳机床相关产品，设计确定立式加工中心滑座结构。图 滑座的全剖图，从图中可以看出滑座的部分内部结构。 图 座的全剖图 如上设计的立式加工中心滑座 具有足够的刚度 、 较高的刚度质量比 、 较好的动态买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 特性 、 较小的热变形 、 良好的工艺性 、 便于制造和装配，能够满足立式加工中心的加工质量及生产率要求。 滑座的静力计算 静态时，滑座受到的力主要为工作台、电机座、丝杠、导轨、轴承座及电机的压力与 Y 向导轨滑块的支撑力。上述各零部件的质量如表 述。所以滑座受到的压力约为 2956N，受到 Y 向导轨滑块的支撑力约为 6962N。 表 座及滑座上各主要零部件的质量 零部件 质量 (零部件 质量 (滑座 作台 机座 杠 16 导轨 16 轴承座 向电机 18 其他零件 2 滑座有限元分析 由于滑座的变形直接影响加工中心的精度，为了分析由于稳态外载荷所引起的滑座的位移、应力、应变和作用力，及对加工中心精度的影响。需要对滑座进行静力学分析。 下面是滑座的有限元分析步骤。 1、首先在 完成了滑座的三维建模，并给待分析零件添加铸铁材料；然 后在进入有限元分析模块（ 并选择静态分析选项。进入静态分析界面：如图 示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 座线性静力学分析系统 2、进行网格划分，由于此零件比较简单，为了更加准确的分析此滑座的相关参数，所以我们划分的网格比较小。 网格划分如图 示： 图 座网格划分结果 3、给滑座添加载荷和约束。 滑座通过底面的 16 个通孔，用螺钉与 Y 向导轨上的滑块连接，因此与滑块连接处限制了的除 Y 轴方向移动 自由度外的 5 各自由度，滑座的 Y 轴方向的移动自由度是通过滚珠丝杠实现，因此在与滚珠丝杠相连的丝杠螺母座位置限制滑座 Y 轴方向的移动自由度。 静态时滑座的受力情况在上文已经分析。 滑座添加约束结果如图 示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 图 座添加约束图 滑座添加载荷结果如图 示。 图 座添加载荷图 4、滑座线性静力学分析结果 经过计算得出滑座受静态力时，滑座的最大变形为 05N，。滑座的应力图和变形图分别由图 示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 图 座总体 应力图 图 座局部应力图 从图 可以发现滑座在 16 个固定孔处应力最大，其它部位都没有应力集中出现，可以发现已设计的滑座结构比较合理，应力分布比较均匀，因此具有较高的可靠性。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 图 座变形图 从变形图，可以发现变形量最大的位置出现在电机座安装端。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 3 X 向进给系统设计与分析 立式加工中心的性能很大程度上取决于伺服进给系统的性能，因此设计合理的高性能伺服进给系统是加工中心设计成败的关键之一。伺服进给系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，主要有伺 服控制电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。本章主要对 X 向进给系统的伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件的设计与选用进行详细介绍。 X 向进给系统总体方案设计 技术参数 X 向行程 850 向快速进给速度 32 m/作台长度 1000 作台宽度 500作台重量 2290N 工作台最大承重 600 位精度 00复定位精度 大进给加速时间 X 向进给系统结构及工作原理 如图 示，立式加工中心的 X 向进给系统主要由伺服电机、弹性联轴器、电机座、轴承、轴承座、滚珠丝杠副、直线导轨副等零件组成。丝杠螺母、滑块与工作台通过螺钉联接；滚珠丝杠通过轴承安装在轴承座、电机座内，轴承座、电机座、直线导轨与用螺钉固定在滑座上。进给系统工作时，伺服电机通 过弹性联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠副作 X 向移动，工作台在滚珠丝杠副带动下沿直线导轨作 X 向移动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 图 进给系统装配图 1、伺服电机 2、滚珠丝杠副 3、直线导轨副 4、工作台 5、滑座 6、弹性联轴器 7、电机座 8、轴承座 滚珠丝杠副的设计计算 滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，具有很高的传动精度、定位精度以及宽的进给调速范围，此外还有响应速度快，传动无间隙，稳定性好，寿命 长，使用维护方便等优点。故滚珠丝杠副在中等载荷、进给速度要求不十分高、行程范围不太大 (小于 4一般高速加工中心和其它经济型高速数控机床经常被采用。 滚珠丝杠副由丝杠、螺母