数控加工中心主轴立柱部件设计

1、本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 数控加工中心主轴立柱部件设计数控加工中心主轴立柱部件设计 学学 院：院： 机械电子工程学院机械电子工程学院 专专 业：业： 机械电子工程机械电子工程 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 摘 要 加工中心由于备有刀库并能自定更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多种工 序的加工。加工中心一般不需要人为加工。当机床开始执行程序后，它将一直运行到程 序结束后。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点：降低机床的故障率，提高生产 效率，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以 它深受全球制造企

2、业的青睐。 加工中心主要有主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其他 机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床的重要组成部件，其运行性直接影响机床加 工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中 心主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性进行了探讨， 并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效的增 加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。 关键词：主轴组件、加工中心、数控机床、导轨关键词：主轴组件、加工中心、数控机床、导轨 abstractabstract machining cen

3、ter with the sword and library because the tools for change, making the workpiece in a fixture in various process can be completed in the processing. processing center generally do not need to artificial processing. when machine start executing the program, it will run until after the end of the pro

4、gram. processing center also endowed with professional workshop some many advantages: reduce machine failure rates and improve production efficiency, shorten test time and lower cost cutting tools, improve inventory, etc. because of the many advantages processing center, so it by global manufacturin

5、g enterprises favor. processing center main have spindle component, rotary worktable, mobile workstation, library and automatically change the knife knife device and other mechanical function. parts. one of the spindle component of machine tool is an important component parts, its operation sex dire

6、ctly affect machining precision machine tools and surface roughness. this paper in consulting a large number of domestic and foreign literatures, and on the basis of different processing by study and analysis center spindle component structure scheme. at the same time, it is main spindle, bearing an

7、d ball screw, and other important parts of the machinery is discussed, and the parts of the stiffness and strength for a check. in addition, the design of the ceramic bearing can effectively increase the stiffness of the spindle, so as to increase the processing center of reliability and stability.

8、keywords: spindle component, processing center, nc machine tools 目录目录 1 1 前前 言言 .2 1.1 本课题提出的背景.2 1.2 设计题目.2 1.3 数控加工中心主轴立柱部件设计的意义及目的.3 1.4 数控加工中心主轴立柱部件设计要求及内容.3 1.5 数控加工中心主轴设计实验、数据及图纸要求.3 1.6 数控加工中心的特点.4 1.7 国内外同类研究概.5 2 2 数控加工中心的机械结构数控加工中心的机械结构 .6 2.1 数控加工中心的组成及工作原理.6 2.2 加工中心的分类.7 2.3 加工中心的构成.8 3

9、 3 数控加工中心主轴部件设计总方案的确定数控加工中心主轴部件设计总方案的确定 .9 3.1 主轴端部的结构形式.9 32 主轴轴承的选择 .9 3.3 滚动轴承的间隙与预紧 .9 3.4 滚动轴承的精度 .9 3.5 主轴轴承的支撑形式.9 3.6 主轴的准停.11 4 4 立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择 .12 4.1 机床对垂直工作台的要求.12 4.2 垂直工作台的组成结构选型.12 4.2.1 进给系统机械部分的组成 .12 4.2.2 进给系统机械部分方案确定 .13 5 5 导轨的设计导轨的设计 .15 5.15.1 导轨的设计导

10、轨的设计 .15 6 6 箱体的结构设计箱体的结构设计 .18 6 61 1 箱体的材料箱体的材料 .18 6 62 2 箱体的结构箱体的结构 .18 7 7 总总 结结 .18 致致 谢谢 .20 参考文献参考文献 .21 1 1 前前 言言 1.1 本课题提出的背景本课题提出的背景 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，

11、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

12、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

13、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。 1.21.2 设计题目设计题目 设计题目为：数控加工中心主轴立柱部件设计 1.31.3 数控加工中心主轴立柱部件设计的意义及目的数控加工中心主轴立柱部件设计的意义及目的 采用 pro/e，进行数控加工中心主轴的设计，这是机械制造类专业的学生一次较为完 整的自主设计。通过这样一个设计，优化数控加工中心主轴的结构，改善各系统的功能 并将其大量运用于工

14、业生产中，提高生产质量与劳动生产率，保证加工的稳定性，实现 生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度。同时也可以把机械原理、机械设计、 数控技术、机械制造技术基础、工程图学等专业课程中获得的理论知识在实际中综合地 运用，以及熟练掌握 autocad 和 pro-e 这两个当下十分热门的绘图软件的运用，培养自 己独立的机械设计能力，树立正确的设计思想，熟练应用有关参考资料、手册、图册和 规范，熟悉有关国家标准和部颁标准，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，完成一个 工程技术人员所具备的基本技能，为以后的工作打下良好的基础。 1.41.4 数控加工中心主轴立柱部件设计要求及内容数控加工中心主轴立柱

15、部件设计要求及内容 1.51.5 数控加工中心主轴设计实验、数据及图纸要求数控加工中心主轴设计实验、数据及图纸要求 1、撰写开题报告； 2、确定总体方案，绘制三维零件图及总体装配图； 3、进行必要的匹配计算，选择适当的元器件 4、关键零件二维图设计 5、设计说明书 1.5 万字。内含设计方案选择过程、结构设计、关键零部件设计计算、 控制系统的设计等内容。a4 纸，小四号宋体打印。要求计算正确，书写工整，字句通顺， 简图清晰。符合南京林业大学毕业设计规范 1工作台尺寸350350 2工作台最大承重40kg 3x 轴行程500mm 4y 轴行程300mm 5z 轴行程500mm 6工作台回转（c

16、轴）360 7主轴头摆动（a 轴）90 8工作台进给速度1150mm/min 9主轴轴孔bt40 10数控系统华兴数控 hnc-21m 1.61.6 数控加工中心的特点数控加工中心的特点 （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

17、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

18、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

19、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。 1.71.7 国内外同类研究概国内外同类研究概 随着国民经济飞速发展工业自动化，制造业向着高、精、

20、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不但可以节省大笔的人工

21、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

22、 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

23、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

24、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。 2 2 数控加工中心的机械结构数控加工中心的机械结构 2.1 数控加工中心的组成及工作原理数控加工中心的组成及工作原理 数控加工中心 是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进 行多种加工操作的数控机床。 在加工中心上加工零件的特点是：被加工零件经过一次装夹后，数控系统能 控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具 相对工件的运动轨迹及其它辅助

25、功能，连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、 铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种 工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、 搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。加工 中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。工件在加工中心上经 一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机 床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面 上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。 加工中心由于工序的集

26、中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间， 使机床的切削时间达到机床开动时间的 80左右(普通机床仅为 1520)；同时也减少 了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加 工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。 2.2 加工中心的分类加工中心的分类 按加工工序分类，可分为两大 （1 1） 镗铣（镗铣（2 2）车铣）车铣 （2 2）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

27、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

28、控系统分类按数控系统分类 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

29、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

30、、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。 2.3 加工中心的构成加工中心的构成 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）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

31、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）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。 3 3 数控加工中心主轴部件设计总方案的确定数控加工中心主轴部件设计总方案的确定 3.13.1 主轴端部的结构形式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

32、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。 3 32 2 主轴轴承的选择主轴轴承的选择 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 3.3.3 3 滚动轴承的间隙与预紧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

33、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。 3.3.4 4 滚动轴承的精度滚动轴承的精度 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

34、 b 级。 3.3.5 5 主轴轴承的支撑形式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， 图 31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， 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 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。

35、（3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承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。 3.3.6 6 主轴的准停主轴的准停 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 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

36、，刀具就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精 镗孔 图 32主轴准停换刀示意图 图 33主轴准停阶梯孔或精镗孔示意图 4 4 立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择立式加工中心垂直工作台进给传动链方案选择 4.14.1机床对垂直工作台的要求机床对垂直工作台的要求 一、机床对垂直工作台的要求一、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

37、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

38、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 4.24.2垂直工作台的组成结构选型垂直工作台的组成结构选型 4.24.2.1.1进给系统机械部分的组成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

39、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。 4.4.2.22.2进给系统机械部分方案确定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

40、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

41、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

42、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 5 5 导轨的设计导轨的设计 5.15.1 导轨的设计导轨的设计 5.1.1 导轨的功用及分类 导轨的公用是导向和承载，即引导运动部件沿一定轨迹准确地运动，并承受运动 部件及其上安装件的重量和切削力。导轨俺摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨，本文 主要讨论滑动导轨。 5.1.2 对导轨的基本要求 机床导轨用来支承与引导机床中的刀架、工作台、拖板等执行件沿着一定的轨

43、迹得 到准确的相对运动。机床导轨的质量，在很大程度上决定了机床的加工精度、工作能力、 使用寿命。因此机床导轨必须满足下列工作要求： （1）导轨的导向精度 导轨在空载和切削时，都要有足够的导向精度。所谓导向精度，首先是指执行 件沿导轨运动时的直线度或真圆度，其次是指执行剑件沿导轨运动时应与有关部件之间 保持相互位置的准确性。执行件运动的轨迹不直和位置不准确，就会引起工件的尺寸误 差、形状误差、相互位置误差，从而影响到机床加工精度。影响导向精度的因素有：导 轨的类型、组合形式与尺寸；导轨的间隙及调整方法；导轨本身的制造精度和装配精度 等。 （2）导轨的耐磨性能 一般情况下，导轨的耐磨性能是保持导轨

44、工作质量的关键。如果导轨的耐磨性 太差，就会很快丧失其导向精度。 磨损的快慢，一方面取决于导轨材料的耐磨性，另一方面取决于两个导轨面接触情况 有关的因素如摩擦的性质、载荷的性质、腐蚀性介质、导轨间磨粒、导轨表面的原始状 态等等。 （3）导轨的刚度 导轨的刚度是导轨工作质量的一个重要指标。因在外力的作用下，导轨要产生变形； 变形过大时，不仅严重破坏导向精度，而且也会恶化导轨工作条件，使导轨的比压分布 不均匀，加剧导轨磨损。因此，为了平衡或减轻外力的影响，就要增强导轨的刚度，尽 量减少导轨的变形。 5.1.3、导轨的材料导轨的材料 导轨的材料主要有铸铁、钢、有色金属和塑料等，对导轨材料的主要要求是

45、：耐 磨性高、工艺性好和成本低等。 （1）铸铁 铸铁是一种成本低，有良好减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。 在动导轨和支承件中都有应用。 采用淬火的方法提高铸铁表面的硬度，可以增强抗磨料磨损、粘着磨损的能力，防止 划伤与撕伤，提高导轨的耐磨性。导轨表面的淬火方法有感应淬火和火焰淬火等。感应 淬火有高频和中频感应加热淬火两种，硬度可达 4555hrc，耐磨性可提高近两倍。其中 中频加热淬硬层较深，可达 23mm。高频或中频淬火后的导轨面还要进行磨削加工。火 焰表面淬火的导轨因淬硬层深而使导轨耐磨性有较大提高，但淬火后的变形较大，增加 了磨削加工量。目前，采用铸铁做支承导轨的，多数都要

46、淬硬。 （2）钢 采用淬火钢或氮化钢的镶钢支承导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。 镶钢导轨工艺复杂、加工较困难、成本也较高，为便于热处理和减少变形，可把 钢导轨分段，钉接在床身上。目前，国内多用于数控机床和加工中心上。 （3）有色金属 用于镶装导轨的有色金属板材料，主要有锡青铜 zqsn6-6-3 和铝青铜 zqa19-4，他 们多用于重型机床的东导轨上，与铸铁的支承导轨相搭配。这种材料的优点是耐磨性较 高，可以防止撕伤和保证运动的平稳性和提高移动精度。 （4）塑料 在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易出 现爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各

47、类机床上都有应用， 特别是用作机密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸铁支承导轨和镶 钢支承导轨组成对偶摩擦副。 5.1.4、普通滑动导轨普通滑动导轨 普通滑动导轨是目前应用较普遍的一种导轨，其结构简单、使用维修方便。但由于导 轨面间没有形成完全的液体摩擦，容易产生爬行；运动中的“动压效应” ，使油膜厚度随 速度加大二增加，回产生浮起现象；磨损大、寿命低、运动精度不稳定等。 （1） 直线运动的滑动导轨 导轨截面形状：常用的界面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形四种，并又都有 凹凸之分。 滑动导轨常见的截面形状 (a)矩形导轨；(b)三角形导轨；(c)燕尾槽导轨；(d)圆柱形导轨 矩形

48、导轨：矩形导轨靠两个相互垂直的导轨面导向。若只用顶部平面时，又称平导轨。 根据载荷性质和大小，两个导轨面可分别选取相应的宽度，因此它具有承载能力大、刚 度高的优点，且导轨面在垂直和水平方向的误差相互没有影响，制造与维修也较方便； 缺点是导轨侧表面磨损后不能自动补偿，必须具有间隙调整装置。矩形导轨适用于载荷 较大、导向精度要求不高的场合。 三角形导轨：三角形导轨靠三角形的两个相交的面导向。凸形的三角形导轨习惯上 又称为扇形导轨，凹形则称为 v 形导轨。这种导轨由于在摩擦面磨损后，可以自行下沉 补偿其磨损量，消除间隙，故导向精度好。一般用于要求导向精度较高的机床上。由于 导轨面在垂直和水平方向的误

49、差相互影响，给制造和维修带来一定困难。 燕尾形导轨：燕尾形导轨的高度较小，间隙调整方便，可以承受颠覆力矩；但摩擦 阻力较大，刚度差，制造，检验和维修都较困难。一般用于受力较小、速度较低且导向 精度要求不高的导轨。 圆形导轨：圆形导轨制造方便，不易积村较大的切屑，但磨损后较难调整和补偿间 隙。为防止转动可在表面上开出键槽或做出平面，但不能承受较大转矩，一般用于受轴 向载荷的场合。 （图） 5.1.5、导轨的间隙调整导轨的间隙调整 导轨某些接合面间留有适当的间隙，若间隙过小，则运动阻力大，不仅操作费 力，还会加剧导轨磨损；间隙过大，将降低导向精度，甚至会引起振动。因此，不仅在 装配过程中需要合理调

50、整间隙，而且在机床工作一段时间后，因磨损还需重调间隙。 压板调整： 压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩，见上图 5.1.6 、滑动导轨的验算滑动导轨的验算 导轨的变形主要是接触变形，有时也应考虑导轨部分局部变形的影响。导轨的设计， 首先初步确定导轨的形式和尺寸，再进行验算。对于滑动导轨，应验算导轨的压强和压 强的分布。压强的大小直接影响导轨表面的耐磨性，压强的分布影响磨损的均匀性。通 过压强的分布还可以判断是否应用压板，即决定导轨应采用闭式还是开式。 （1）导轨的受力分析 （2）导轨的压强分布 5.1.7、导轨的润滑与防护导轨的润滑与防护 （1）导轨的润滑 1)润滑方法 导轨最简单的润

51、滑方式是人工定期加油或用油杯供油。这种方法简单、成本低， 但不可靠，一般用于调节辅助导轨及运动速度低、工作不频繁的滚动导轨。对运动速度 较高的导轨大都采用润滑泵，以压力油强制润滑。这样不但可连续或间歇供油给导轨进 行润滑，而且可利用油的流动冲洗和冷却导轨表面。为实现强制润滑，机床必须备有专 门的供油系统。 （2）导轨的防护 为了防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨面上而引起磨损、擦伤和锈蚀，导轨面上应 有可靠的防护装置。常用的刮板式、卷帘式和叠层式防护罩，大多用于长导轨机床上， 如龙门刨床、导轨磨床等。另外，还有手风琴式的伸缩式防护罩等。在机床使用过程中 应防止损坏防护罩，对叠层式防护罩应经常用刷

52、子蘸机油清理移动接缝，以避免发生碰 壳现象。 6 6 箱体的结构设计箱体的结构设计 6 61 1 箱体的材料箱体的材料 箱体多采用铸造方法获得，也有用钢板焊接而成。铸造箱体常用材料为 ht15-33,强 度要求较高的箱体用 ht20-40，只有热变形要求小的情况下才采用合金铸铁，采用 ht20- 40。与床身做成一体的箱体材料应根据床身或导轨的要求而定。箱体要进行时效处理 6 62 2 箱体的结构箱体的结构 1、箱体结构设计要点 （1）根据齿轮传动的中心距、齿顶圆直径、齿宽 等几何尺寸，确定 减速器的箱体的内部大小。由中心距确定箱体的长度，由齿顶圆直径确定箱体 的高度。由齿宽来确定箱体的宽度。

53、 （2）依据铸造（或焊接）箱体的结构尺寸、工艺要求，确定箱体的结 构尺寸，绘制箱体。如箱盖，箱座及螺栓的尺寸。 （3）根据齿轮的转速确定轴承润滑的方法与装置，选择轴承端盖的类 型。 附件设计与选择。同时，可以进行轴系的结构设计，选择轴承和联轴器 2、铸造工艺性要求 为了便于铸造以及防止铸件冷却时产生缩孔或裂纹，箱体的结构应有良好的铸造 工艺性。 3、加工工艺性对结构的要求 由于生产批量和加工方法不同，对零件结构有不同要求，因此设计时要充分注意 加工工艺对结构的要求。 4、装配工艺对结构的要求 为了更快更省力地装配机器，必须充分注意装配工艺对接否设计的要求 7 7 总总 结结 在整个设计过程中，我对数控加工中心的组成和原理及其结构及特点都有了十分深 入的认识：不论是对主轴部件的设计结构、各类标准零件的选择及导轨等主要零件的材 料和技术要求、还是床身的设计等，这一系列机床设计方面的专业知识，能更好地培养 我独立思考问题、解决问题的能力，使我对自己所学习的专业的认识有了一个质的飞跃。 另外，在整个设计中，我查阅了很多的相关资料，运用的 pro/e 对普通机床零部件 进行了设计和绘制；又运用 cad 软件绘制各个零件的三视图。这让我接触了许多新的东 西，学到了许多关于设计方面的理论知识，同时使我对 pr0/e、cad 更加熟练。这让我在 设计软件的运用方面都取得了较