5轴加工中心毕业设计论文

兰州理工大学毕业设计（论文）专用纸第页

设计内容主要结论前言机械工业担负着国民经济各部门，包括工业，农业和社会生活各个方面提供各种性能先进、价格低廉、使用安全可靠的技术装备的任务，所以在现代化建设中举足轻重。市场竞争的生命力在于产品的水平，任何科技成果要转变为竞争力的商品，设计起着关键性的作用。机械设计是机械产品研发的第一道工序，设计工作的质量和水平直接关系到产品质量、性能、研发周期和技术经济效益。工业发达的国家的都非常重视产品的是设计：美国认为，设计是一本万利的事，对于产品的设计投资1美元，带来的利润却是1500美元；英国认为：产品设计师是英国的工业命脉，英国工业革新必须以设计为中心，始终应该把产品设计作为企业的头等大事。应时常探索研究使产品尽善尽美。随着科学的进步与发展，数控机床及加工中心的应用已日趋普及。现代数控加工技术使得制造过程发生了巨大的变化，对技术人员的要求也越来越高。因此，我们要充分了解和熟悉现代数控机床的基本知识，使企业经可能投入少，见效快。让资源合理化运用，让投资更加合适已成为众多企业所不可忽视的一项重要任务，课题的设计对于我们综合运用所学的理论知识和技能方面有很大帮助，并要求我们必须具备扎实的机械设计基础，具有安全方面的机械专业知识，熟悉加工中心等相关部件的设计原理，并且在设计过程中遇到的问题要及时反馈哈查阅相关资料，对于那些计算的设计过程，更是要保证计算数据的准确，同时也要考虑设计的情况能否符合实际生产加工的要求。中文摘要针对网架螺栓节点球的加工问题，详细概述了虚拟球心基准的加工思路和数控坐标回转分度及夹紧的方法。同时介绍了节点球加工中心的总体设计方案，CNC控制系统及工作循环，为网架螺栓节点球的加工提供了一种新的工艺方法和高效，高精度的设备。说明书完成了总体方案的设计，Y轴进给系统的设计计算，及主电机，经给电机的选择。导轨副的选用校核，以及立柱的结构材料分析。关键词：节点球；滚珠丝杠；立柱；数控；分度夹紧；网架螺栓节点球加工中心。英文摘要AbstractSectionforspacetrussboltspenaltyprocessingproblem,detailedoverviewofthevirtualglobebenchmarkprocessingandCNCjigrotaryindexingandclampingofthemethod.Atthesametimeintroducesthepenaltyoveralldesignschemeofmachiningcenter,CNCcontrolsystemandtheworkcycle,forthemachiningofthespacetrussboltssectionpenaltymethodprovidesanewprocessandhighefficiency,highprecisionoftheequipment.Instructionstocompletetheoverallschemedesign,Yaxisfeedsystemdesignandcalculation,andthemainmotor,themotortochoose.Guidetheselectionofchecking,aswellasthepostanalysisofthestructuralmaterial.Keywords:Sectionapenalty;Ballscrew;Pillar;Numericalcontrol;Dividingsteppedup;Racksectionboltpenaltyprocessingcenter.概述1.1毕业设计的选题意义与背景大量实践和理论计算表明，螺栓节点球的加工质量是决定空间结构网格质量的主导因素，其中，螺栓球的行为误差和螺纹误差是加工中影响质量的最主要问题，依照标准，目前行业中的螺纹孔精度和角度误差的合格率普遍不超过30%，有的误差甚至超过国家规定标准的10倍以上，施工时多采用强迫安装，使局部应力过大，应力集中显著，严重影响空间结构的安全，随着大型、超大型空间结构日益增多，对螺栓球精度的要求越来越高，安全性问题日益突出。造成以上结果的原因是行业内采用改造的普通机床和人工加工方式，手工操作分度，精度低，工序分散多次装夹中很难保证节点球的精度要求，且补偿繁琐，生产率低，劳动强度大，不能适应螺栓球加工的特点。随着数控技术的发展，采用数控加工中心是一种解决方案，行业上曾出现利用美国辛辛那提数控加工螺栓球的生产方式，采用普通立式加工联合2轴数控转台进行加工，但螺栓球受力巨大，为维持加工刚性，需减少进给速度，而无法在行业中推广。开发螺栓球专用加工中心，适应螺栓球的加工特点，是空间网架结构行业有待解决的问题。本次毕业设计根据45号钢螺栓球的全系列直径10~50mm螺纹孔的加工特点，设计专用加工机床及专用分度装置，保证工件在一次装夹后完成节点球上任意孔口端面的设计。（二）毕业设计的主要内容及技术指标1.设计参数球面孔系加工用4轴卧式加工中心设计专用于网架螺栓节点球（锻造钢球）上过球心任意分布的螺纹孔及孔口端面加工。要求根据螺栓节点球加工工艺内容，确定加工工序及完整加工一个螺纹孔的加工循环过程，进而确定整个螺栓球上的螺纹孔的加工循环过程。由此对专用机床及专用分度装置进行设计，并保证工件一次装夹后，完成节点球上任意分布的所有螺纹孔及孔口端面的设计，主要技术要求及参数如下：（1）.加工范围：钢球尺寸Φ150mm-Φ300mm（球坯椭圆度误差≤2.5mm）；最大攻丝直径M48mm，最大钻孔直径Φ50mm。（2）.加工精度:1）相邻两螺纹孔轴线夹角误差≤20´2）同一轴线上两螺纹孔端面平行度≤0.2mm3）螺纹孔端面与轴线的垂直度≤r×0.5%mm（r为孔口端面半径）4）螺纹加工精度6H（3）专用机床及分度装置由一个数控系统统一控制，自动换刀；工件夹紧采用手动夹紧。2.设计内容及要求《球面孔系加工用4轴立式加工中心》的设计内容为：加工中心总体方案设计（包括加工机床及夹紧分度装置的机械结构与控制方案）、运动设计、动力设计及部件机械结构设计（具体任务分开，根据设计任务书要求的图纸工作量内容进行），编写设计说明书。具体设计任务及工作量要求如下：（1）图纸部分：1）总体方案图A01张2）机械装配图：Y轴进给系统A01张3）立柱零件图（CAD绘制）A01.5张4）控制面板装配图A11张5)关键零件工艺卡A415张（2）设计说明书（不少于15000字）：1）概述阐述课题的目的意义及需要解决的主要问题2）总体方案的制定加工工艺分析、机床布局、机械传动方案及控制方案设计3）运动及动力设计机床的运动及动力参数的确定4）部件设计针对具体任务的结构设计，设计计算、精度要求、针对特殊工艺要求所采取的措施。5）控制系统系统原理根据机床功能阐述控制系统的原理6）技术经济分析7）其他要说明的问题（3）英文资料翻译与课题相关的资料，原稿用A4纸打印，不少于5张，翻译稿手写。（4）毕业设计的基本要求1）建立正式设计笔记，记录反应各阶段的任务、出现的问题及解决的方案;2）设计过程中有关计算或验算必须与绘图同期进行，并且在设计笔记中反映出来；3）设计图纸必须符合有关国家标准，图面清晰整洁；4）遵守作息时间，在设计教室不得进行与设计无关或有碍他人的活动。(3)毕业设计的关键问题及难点1）选择何种总体布局形式来满足加工中心的功能，提高整体刚性、定位精度、换刀可靠性和提高加工效率2）本设计的重点是实现一个具有换刀功能的数控机床的总体方案及其运动系统的详细设计。3）设计的难点是机床结构方案布局，使所设计机床既便于操作又美观大方，能够实现要求工序内容的自动加工。设计内容主要结论总体方案的制定机床布局确定1.零件的工艺分析铣平面─钻孔─攻丝2.机床总体方案布局比较卧式加工中心按照立柱移动式、立柱不移动、工作台有无升降选择了四种方案进行比较图1方案一图2方案二图3方案三图4方案四（1）方案一如图1所示：主轴上下运动完成Y方向的进给，工作台带动两轴分度置完成Z方向的进给。采用双立柱框架结构形式，主轴箱在两立柱之间沿导轨上下移动，与传动的主轴箱侧挂式相比，大大提高了整机的刚度，另外，主轴箱从左右两导轨的内侧定位，热变形产生的主轴中心变位被限制在垂直方向上，因此可以通过对Y轴的补偿，减少热变形的影响。这种结构钢性大，热对称性好，稳定性好。缺点：立柱不移动，由工作台实现Z轴方向的进给，床身刚性较差。多用于中小型卧式加工中心。（2）方案如图2所示：主轴运动完成Y方向进给，立柱的前后移动完成Z轴方向的进给。分度装置在前床身上安装。与传统的四层十字滑鞍相比，减少了机床的结构层次，更容易保证机床大件的结构刚性，与此同时，降低了工作台的高度提高了操作性能，Z轴的进给力与主轴的轴向切削力在同一平面内，使主轴承受的弯曲力矩减小，镗孔铣削精度高。由于Z轴导轨用来承受随立柱部件移动的全部重量，该重量不随工件的重量改变而改变，因此，有利于提高Z轴的定位精度及其精度保持性，，有利于保证孔的形位精度。，缺点：立柱连同主轴箱一起运动，其质量较大，对提高z轴的快速性不，对导轨、丝杠、电动机的要求较高，相对于方案一，经济性不好。适用于较大型的加工中心。（3）方案三如图3所示：滑枕式加工中心，主轴箱侧挂，由滑枕带动主轴箱实现Y方向的平动。滑枕的运动代替立柱式工作台运动，从而使工件以良好的固定状态进行切削加工，滚珠丝杠安在中间，受力均匀。缺点：钻削时，副导轨面承受的倾覆力矩太大，导轨容易损坏，滑枕悬臂的自重平衡影响切削精度。（4）方案四如图4所示：Y轴Z轴的平动都由工作台完成。占地面积小，结构紧凑。缺点:这种设计累计误差大，工作台承受的重量过大，对驱动装置的要求较高，不经济。综上所述：结合设计题目中对工件加工精度的要求及对同类型机床的参考，考虑经济性和实用性，确定第一种方案作为本次毕业设计最终方。3.加工示意图运动及动力设计1.主电机的选择已知螺栓球的最大直径D=300,最大钻孔直径φ50mm,最大攻丝直径M48。(1)铣削计算刀具：端铣刀材料：高速钢铣削时切削速度计算公式：V=查刀具手册得：=5,=78,=0.13，C=186,T=1.08×10x=0.1,y=0.4,u=0.2,p=0,m=0.2,q=0.2代入公式中得:V=1.776转速n=圆周力的计算公式：F=查切削手册得：C=790，x=1.0,y=0.75,u=1.1,w=0.2,q=1.3代入公式得：F=3961.974N铣削功率P=进给速度V（f:每齿的进给量，Z:铣刀的齿数）f,z=5V根据端铣时切削力的比值:所以:FP==13W(2)钻削计算钻削时切削速度的计算公式:V=CF=0.5,y,k代入公式得：V=0.48根据公式V=得：n=3.057钻削力计算公式F=9.81CC,d,f=0.5,k,x,y,代入公式得：F=18.478KN扭矩的计算公式：T=9.81CC代入公式得：T=381.1209N钻削功率计算公式：PTn×10KW计算得：P（3）攻螺纹计算切削速度计算公式：V=C计算得：V=12转速:n=D=M12时，n=318.3D=M24时，n=159.155D>M24时，选择铣螺纹。d则n=633.4综上计算：选择电动机MDFA系列异步伺服电动机，功率P=11KW。设计内容主要结论部件设计3.1Y轴进给系统设计3.1.1技术要求在设计数控机床的进给传动系统时，一般已知以下条件：移动部件（即机床执行部件）的总质量（包括移动部件自身的质量、夹具的质量和工件的质量），移动部件的最大移动速度（mm/min），电动机的最高转速（r/min），移动部件的定位精度（mm）和重复定位精度（mm），移动部件的行程（mm）。进给传动系统设计的主要任务是进行满足上述已知条件的移动部件的结构设计，解决的主要问题是：导轨的选型与结构设计，滚珠丝杠支撑方式的确定，滚珠丝杠螺母副的选型与计算，进给传动系统的刚度验算、动态特性分析与固有频率计算、误差分析与验算，驱动电动机的选型与计算。已知技术要求：（1）Y轴方向丝杠主轴箱总质量m=500kg（2）最大行程Lp=1000mm（3）快速移动速度υmax=15000mm/min（4）采用滚动直线导轨，导轨动静摩擦系数均为0.01（5）定位精度20μm，重复定位精度10μm（6）机床工作寿命10年（20000h）主电机功率PE=11kW，采用端面铣刀铣削，铣刀直径D=100mm3.1.2设计方案（1）采用滚动直线导轨（2）对滚珠丝杠螺母副进行预紧（3）采用伺服电动机驱动采用弹性膜片联轴器连接电动机与丝杠3.1.3设计过程滚珠丝杆螺母副，是在丝杆和螺母间，以滚珠为滚动体的螺旋传动机构。是回转运动和直线运动相互转换的一种新型传动装置，其结构的主要特点是普通丝杆螺母间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，因而摩擦系数小，且它的传动负载比梯形的滑动丝杆要大得多，精度又高，平稳性好。在设计过程中，滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择，最大动载荷必须小于丝杆的额定动载荷。滚珠丝杆螺母副是标准化生产，其规格型号都按国家标准。其选择的详细计算如下：进给传动系统的轴向负载实际上就是滚珠丝杠螺母副所受的轴向力。它主要有两部分组成：一是来自主切削力在该坐标轴方向的切削分力，二是来自各坐标轴导轨副的摩擦力。主切削力及其切削分力计算铣削铣削抗力分析铣削运动的特征是：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可是键槽铣刀沿轴向进给）。铣刀类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看作车刀刀头的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车刀相似所不同的是铣刀回转，刀齿数多。通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿上某点上。设刀齿上受到铣削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx、径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗机床主电动机功率（即铣削功率）最多。因此，切向铣削力Fz可按铣削功率Pm（kW）或主电动机功率PE（kW）。FzN或FzN式中：v—机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度，m/s）；—机床主传动系统的传动效率。3.2Y轴进给系统的相关计算3.2.1主切削力及各切削分力的计算(1)主切削力的计算：铣削时圆周切削力Fc刀具：端铣刀刀具材料：高速钢工件材料：碳钢钻φ50的孔至少要切深5mm的平台根据《金属切削用量手册》查得铣削力计算公式：查得：代入切削力计算公式得：根据《金属切削用量手册》查得铣削速度计算公式：根据《金属切削用量手册》查得代入切削速度计算公式得最大快进速度：vmax=15000mm/min(2)计算各切削分力横向切削力：Fx：=F纵=0.35×Fc=0.35×3961.97N=1383.69N垂直切削力：Fy：=F横=0.9×Fc=0.9×3961.97N=3565.77N纵向切削力：Fz：=F垂=0.525×Fc=0.525×3961.97N=2080.03N丝杠垂直方向（Y向）承重初步估计为：G=pvg=7.85×103×6.8×107×9.81×10-9N≈5000N3.2.2导轨摩擦力的计算(1)计算在切削状态下的导轨摩擦力Fμ，此时导轨摩擦系数μ=0.01，查《数控技术课程设计》表2-3得导轨紧固力fg=125N,则：Fμ=μ=0.01×（0.5×5000+125+3565.77+2080.03）N=82.708N(2)由《数控技术课程设计》式（2-9b）计算在不切削状态下的导轨摩擦力Fμ0和导轨静摩擦力F0。Fμ0==0.01×(0.5×5000+125)N=26.25NF0=Fμ0=26.25N3.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力(1)计算最大轴向负载力Famax。Famax==3565.77+0.01×(125+2080.03)=3587.82N(2)计算最小轴向负载力FaminFamin=Fμ0=26.25N3.2.4滚珠丝杠的动载荷与直径估算确定滚珠丝杠的导程L0根据已知条件，取电动机的最高转速为nmax=1500r/min,则L0==mm=10mm计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，估算结果如下立式加工中心滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度(m/min)时间比例/（%）备注强力切削3587.82v1=0.610F1=Famax粗加工775.27v2=0.830F2=Famin+20%Famax精加工237.10v3=150F3=Famin+5%Famax快移和钻镗定位57.71v4=vmax10F4=Famin（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。立式加工中心的切削情况切削方式进给速度/（m/min）时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给n1==r/min=60r/minn2==r/min=80r/minn3==r/min=100r/minn4==r/min=1500r/min计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nmnm==()r/min=230r/min(4)计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷FmFm===1078.3N确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam由预定工作时间计算。《数控技术课程设计》式（2-19）。载荷性质系数fw载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或者震动fw1~1.21.2~1.51.5~2由上表，根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷系数fw=1.3；查表2-29，根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取精度系数fa=1；查表2-30，一般情况下可靠性应达到97%，故取可靠性系数fc=0.44。Cam==N=21540.56N因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以还须估算最大轴向载荷。预加载荷系数fe预加载荷类型轻预载中预载重预载fe查上表，按中预载选取预加载荷系数fe=4.5，则Cam=feFamax=4.5×3587.82N=16145.19N确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。取以上两种结果的最大值，即Cam=21540.56N。按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为20μm，重复定位精度为8μm，根据《数控技术课程设计》式（2-23）、式（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求得δmax1=()×8μm=(2.67~4)μmδmax2=()×20μm=(4~5)μm取上述计算结果的较小值，即δmax=2.67μm。估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。该滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定，一端游动的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度≈（1.2~1.4）行程+（25~30）L0L=1.4×行程+30L0=（1.4×1000+30×10）mm=1700mmΔt=有效行程Lu=行程+安全行程+2×余程+螺母长度=1000+100+2×20+146=1286mmδt=11ΔtLu×0.03又F0=Fμ0=1.25N，由式（2-25）得d2m≥2×10×=0.078mm=0.078×mm=10.08mm3.2.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的L0、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为：FFZD4010-3，其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下：d0=40mm,L0=10mmCa=30000N>Cam=21540.56Nd2=34.3mm>d2m=10.08mm故满足要求。1)确定滚珠丝杠螺母副的预紧力FpFp===1195.94N2)计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力Δt=有效行程Lu=行程+安全行程+2×余程+螺母长度=1000+100+2×20+146=1286mmδt=11ΔtLu×0.03计算滚珠丝杠的预拉伸力3)确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax。FBmax=Famax=3587.82N计算轴承的预紧力FBp。FBp===1195.94N(3)计算轴承的当量轴向载荷FBamFBam=FBp+Fm=(1195.94+1078.3)N=2274.24N计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速nm相同，取n=nm=230r/min；轴承的基本额定寿命L=20000h，轴承所承受的轴向载荷FBa=FBam=2274.24N。轴承的径向载荷Fr和轴向载荷Fa分别为Fr=FBamcos60°=1137.12NFa=FBamsin60°=1839.90N因为==1.62<2.17，查《数控技术课程设计》表2-25得，径向系数X、轴向系数Y分别为X=1.9，Y=0.54。故P=XFr+YFa=(1.9×1137.12+0.54×1839.9)N=3154.07NC==N=20535.64N3.2.6确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定，一端游动的支承方式，所以将在固定端和游动端都采用60°角接触球轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠的螺纹底径d2为34.3mm，所以选择轴承的内径d为30mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。选择国产角接触球轴承两件一组背对背安装，型号为7306C，尺寸（内径×外径×宽度）为，选用油脂润滑。在脂润滑状态下的极限转速为8500r/min,高于本机床滚珠丝杠的最高转速,故满足要求。该轴承的额定动载荷为，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷,故也满足要求。3.2.7立柱部件的装配图设计计算简图如下图一3.2.8滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1、滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验根据图一得滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠竖直安装时，，查手册得,得本立柱滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为,远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的校验由图一可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，已知材料密度，重力加速度，安全系数，查得与支承有关的系数。滚珠丝杠的最小惯性矩为滚珠丝杠的最小截面积为故得本立柱滚珠丝杠螺母副的最高转速为,远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验查手册得滚珠丝杠的额定动载荷，轴向载荷，运转条件系数，滚珠丝杠的转速，得一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命,故满足要求。3.2.9计算机械传动系统的刚度1、机械传动系统的刚度计算（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度本机床滑座的丝杠支承方式为两端固定。由图一可知，滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度,得当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度得（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角，滚动体直径,滚动体个数，轴承的最大轴向工作载荷，得（3）计算滚珠与滚道的接触刚度查得滚珠丝杠的刚度，额定动载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷,得（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故2、滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由图一可知，扭矩作用点之间的距离，剪切模量，滚珠丝杠的底径，得3.2.10驱动电动机的选型与计算1、计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度，故得（2）计算联轴器的传动惯量（3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量已知主轴箱的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，则（4）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量2、计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩切削状态下坐标轴的轴向负载力,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，进给传动系统的总效率，则（2）计算摩擦负载力矩在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）,故（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，则3、计算坐标轴折算到电动机轴上各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速,电动机的转动惯量,坐标轴的负载惯量。取进给伺服系统的位置环增益，则加速时间，故（2）计算阶跃加速力矩加速时间,故（3）计算坐标轴所需的折算的电动机轴上的各种力矩①计算线性加速度时的空载启动力矩②计算阶跃加速时的空载启动力矩③计算空载时的快进力矩④计算切削时的工进力矩4、选择驱动电动机的型号（1）选择驱动电动机的型号根据以上计算，选择广州数控公司生产的型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率,;最高转速，；额定力矩，；转动惯量；质量，。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为，均大于本线性加速时的空载启动力矩或阶跃加速时的空载启动力矩,所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为，均大于主轴箱的快进力矩或工进力矩。因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。（2）惯量匹配验算为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般满足而在本例中，，故满足惯量匹配要求。3.2.11机械传动系统的动态分析1、计算丝杠-滑座横向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量，其中分别为机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量，已知则2、计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠上的系统总当量转动惯量为又丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠-滑座横向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高，一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.2.12机械传动系统的误差计算与分析1、计算机械传动系统的反向死去已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静摩擦力，得即，故满足要求。2、计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差即，故满足要求。3、计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量负载力矩，由图一可得扭矩作用点之间的距离，丝杠底径,则（2）由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响滑座的定位精度，得3.2.13确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1、确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床滑座采用半闭环控制系统，应满足下列要求：滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为3级，查手册得；查手册得，当螺纹长度为时，，故满足要求。2、确定滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为,其具体参数如下：公称直径；导程；螺纹长度；丝杠长度；类型与精度类，3级精度3.2.14导轨的选择滚动直线导轨型号为GGB45BAL滚动直线导轨的优点，滚动直线导轨副是在滑块和导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。能实现无间隙运动，运动提高机械系统的钢度成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可能性，心部保持良好的机械性能简化了机械结构的设计和制造额定寿命，额定动载荷C=64.4KN计算载荷温度系数，工作温度小于100度，接触系数，每根导轨上的滑块数为2，0.81-精度系数，精度等级为2级，载荷系数，无明显冲击或震动的中速运动场合，15-60m/min,硬度系数，滚道硬度不得低于58HRC,=）=>20000h故符合要求。设计内容主要结论3.3立柱设计3.3.1立柱的作用加工中心立柱主要是对主轴箱起到支撑作用，满足Y轴的进给运动。目前普遍采用的是双立柱框架结构形式，小型卧式加工中心的立柱一般直接固定在床身上，主轴箱装在立柱中间，沿立柱导轨上下运动。3.3.2立柱结构的优缺点卧式加工中心立柱结构有如下优点eq\o\ac(○,1)刚性好，受力时力的作用点在立柱中央，因此立柱受扭矩力的因素少，加之立柱的对称形状，大大加强了刚度。eq\o\ac(○,2)热对称性好，主轴箱是机床的主要热源，而它正好处在立柱中间，使立柱结构成为热对称结构，这就减小了热变形的影响。eq\o\ac(○,3)稳定性好，由于立柱内部板筋采用框架结构箱式布置，立柱的抗弯抗扭刚度以及构件的固有频率都能得到提高。卧式立柱结构的缺点是制造工艺差，装配、调试不方便。3.3.3结构工艺性一般情况下，零件的铸造及焊接，机械加工等对零件结构的要求，应该在结构设计方案中得到满足。在设计铸件时，应力求使铸件形状简单，拔模容易，型芯少并便于支承，保证铸件在浇铸时能自由收缩。要尽量避免截面的急剧变化，太突出的部位，很薄的壁厚，很长的分型线以及金属的局部积聚。所得铸件要便于机械加工，如加工面应集中在少数几个方向上，以减少加工时翻转和掉头次数。同一方向的加工面应尽可能安排在同一平面内，以便在一次进给加工中加工完毕。同时，所有加工面都应有支撑面较大的基准，以便于加工时的定位、测量和夹紧。此外，应避免在加工大件内部深处有加工面以致需专门设计工艺装备进行加工。对于焊接结构，在能充分发挥壁和助板的承载及抵抗变形的作用下，应使所需的焊接和钳工的工时尽可能的少。焊接时需尽量使操作者能用平焊或者角焊，尽可能不要仰焊。所以，设计时要为翻转工件提供一些方便，如设计一些吊装孔等。3.3.4立柱的结构特征和要求（1）立柱的基本要求立柱是机床的基础构件，在切削时，刀具与工件之间相互作用力沿着部分立柱传递并使之变形；机床的动态力（如变动的切削力、往复运动的惯性、旋转的不平衡等）使立柱和整机振动；立柱的热变形将可能改变执行件的相对位置或运动轨迹。这些都将影响工件的加工精度和表面质量。因此，立柱是机床十分重要的部件。立柱是机床的基础构件，其结构布局是否合理将直接影响机床的加工质量和生产率。对立柱的要求如下：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映了设计的合理性。应有较好的动态特性。这包括：较大的位移阻抗（动刚度）和阻尼；与其他部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与激振频率相重合而出现共振；不应发生薄壁振动而产生噪声等。立柱应使整机的热变形较小。应该吊运安全、并具有良好的工艺性，以便于制造和装配。立柱对整台机床的性能影响较大。因此，应该正确地进行立柱的结构设计，并对主要立柱进行必要的验算和试验。重要立柱的设计步骤，首先是根据使用要求进行受力分析；再根据所受的力和其他要求，并参考现有机床的同类部件，初步决定其形状尺寸；然后可以采用有限元法，借助计算机进行验算或进行模型试验，求的其静态和动态特性，并据此对设计进行修改或对几个方案进行对比，选择最佳方案。（2）立柱的结构特征机床的立柱，就其形体结构有如下两个特征：第一革特征从形体上看是空间板系结构；第二个特征从载荷上看是空间力系的载体机床在静态和动态中可能产生的各种作用力，都直接或间接地由立柱来承受。在设计立柱时，要注意结构的工艺性。一般情况下，零件的铸造、锻造和机械加工等对零件结构提出的工艺性要求，应该在结构设计中得到满足。在设计铸件时，应尽量使所设计的铸件能用最简单最经济的方法制造，不给以后的机加工带来困难，且应力求：铸件形状简单；拔模容易；模芯少且便于支撑；铸件能自由收缩，避免截面的急剧变化，避免过于突起的部位、很厚的壁厚、很长的分型面以及金属的局部积累。总之，结构工艺性是指在一定生产规模条件下，实现产品特定功能所需的材料、加工和装配方法的经济性原则。立柱的结构工艺性特征见表二。表二立柱的结构工艺特征结构工艺类别材料生产方式周期经济性原则市场适应性生产规模产品类型产品精度铸件结构灰铸铁铸造工艺长大、中批量中、小型普通、精密一般焊接结构钢板与型钢焊接工艺短单件、小批大、中型精密、高精度好复合结构钢与铸铁综合工艺长单件、小批大、中型高精度不好金属与金属钢、铁与混凝土、环氧树脂混凝土或花岗岩金属与非金属经比较上表，选择铸件结构作为床身结构。（3）立柱的材料当导轨与立柱做成一体时，立柱的材料主要依据导轨要求来选择；当导轨镶装在立柱上时，材料按各自要求选择。立柱的材料有铸铁、钢及混凝土等。灰铸铁件灰铸铁材料易于铸造，且可加工性好、制造成本低，并具有较好的耐磨性和减震性，是传统的机床大件结构材料。常用的铸铁有HT200、HT150、HT100、HT300。耐磨合金铸铁在灰铸铁中加入磷、钛、钒等合金元素后，能形成磷化物或碳化物，提高材料的耐磨性能。钢板焊接用钢板、角钢等焊接立柱，生产周期短，没有铸件的截面形状限制，可以做成封闭件，而且可以根据受力情况布置加强筋板来提高抗扭刚度和抗弯刚度。在保证动、静刚度前提下应使焊接件有简单的形状。由于钢的弹性模量约为铸铁的两倍，当刚度要求相同时，钢焊接件壁厚仅为铸件的一半，使质量减小，固有频率提高。但焊接结构在成批生产时成本比铸件高，因此多用于大型、重型机床及自制设备等小批生产中。非金属材料目前，立柱材料仍以铸铁和钢为主，但是，花岗岩，混凝土和环氧树脂混凝土等非金属材料在立柱的成功应用，已引起机床行业的关注。机床结构材料的物理性能见表三。材料性能弹性模量/MPa密度/gcm-3比刚度/体胀系数/10-6热导率/抗拉强度抗压强度铸铁1170007.21160001275230钢焊结构2070007.83260001280460混凝土240002.291000090.14环氧树脂混凝土330002.514000120.52580花岗岩390002.661500080.814.71967表三机床结构材料的物理性能表中的“比刚度”，是指结构的刚度与其质量之比。比刚度高的结构具有高的固有频率和好的抗共振性。经比较上表，选择铸铁为立柱材料。3.3.5立柱的刚度设计立柱的变形一般包括三个部分：自身变形、局部变形和接触变形。立柱上，载荷是通过导轨面施加到立柱上的，因此变形包括立柱自身变形、导轨部分的局部变形以及导轨面上的接触变形。对于局部变形和接触变形，有时不可忽略，在某种情况下甚至可能占主要地位。如果立柱设计得不合理，导轨部分过于单薄，导轨处的局部变形就会相当大。自身刚度立柱所受的载荷，主要是拉伸、压缩、弯曲和扭转四种。其中弯曲和扭转是主要的，对精度的影响也较大。因此，立柱的自身刚度，主要考虑弯曲刚度和扭转刚度。2）局部刚度局部变形发生在载荷集中的地方，特别是导轨部分。其他部位也有局部变形发生。局部刚度主要决定于受载部位的构造和尺寸以及肋的配置。设计立柱时要采取一些设计上的措施来提高局部刚度。接触刚度两个平面接触，由于两个面都是不理想的平面，而是有一定的宏观不平度，因而接触面积只是名义接触面积的一部分。接触刚度与构件本身的刚度有两个方面的不同：一、接触刚度是平均压强与变形之比。二、接触刚度不是一个固定值，即平均压强与变形之间的关系是非线性的。第四章经济性分析在加工中心的设计中，在满足零件加工的同时，要尽量的降低加工中心的制造成本，推动加工制造行业向着健康，节能，环保，绿色的方向发展，为企业节约生产资本，为社会节约资源。抛开加工中心的性能和精度要求盲目追求经济性是缘木求鱼，而放弃经济性，唯以加工中心的高精度和高性能为目标，不仅浪费了资源和精力，增加了企业的制造成本，延长了研发时间，直接减少了企业的剩余价值；而且错失了抢占市场的先机，不利于企业的发展；更不利于整个加工制造业的又好又快的发展和建立资源节约型和环境友好型社会。因此，加工中心的设计中，经济性分析是不可或缺的重要组成部分。总体方案选用方案二，固定立柱、工作台不升降十字滑鞍总体布局形式较之动立柱、全动立柱布局具有结构紧凑、操作方便等优点。对机床的三轴驱动电机功率要求不高，轴向运动对机床的控制有较迅速的响应，比较容易解决爬行问题。回转轴采用工作台回转比主轴头回转的结构使主轴结构设计简单制造成本降低，同时大大提高了主轴刚性。在电机的选择上，主轴电机和Y轴电机都采用广州数控的交流伺服电机，不仅满足了加工零件所需的进给精度，同时，相比进口电机，广州数控的电机更符合经济性要求。在选择其他零件时，均是考虑满足精度，效率的要求的同时，选取经济性较好的零件。加工中心的经济性要求，不仅要外化为选择经济性零部件上，而且要内化为高效，绿色，环保的理念，在满足经济要求的，提高生产效率的同时切实降低企业成本，推动加工制造行业向着健康，节能，环保，绿色的方向发展。DevelopmentandmaintenanceofCNCtechnologyNumericalcontroltechnologyandequipmentisthedevelopmentofnewhigh-techindustryandcutting-edgeenablingtechnology,industryandthemostbasicequipment.Theworldinformationindustry,biologicalindustry,aviation,aerospaceandotherdefenseindustrywidelyusednumericaltechniquestoimprovemanufacturingcapacityandlevel,toimprovetheadaptabilityofthemarketandcompetitiveness.IndustrialcountriesandCNCnumericalcontroltechnologyandequipmentwillalsobelistedascountriesofstrategicmaterials,notonlytodeveloptheirownnumericalcontroltechnologyandindustry,andin"sophisticated"technologyandequipment,numericalcontrolkeyaspectsofthepolicyofclosuresandrestrictions.Therefore,effortstodevelopadvancednumericalcontroltechnologyasthecoremanufacturingtechnologyhasbecometheworld'sdevelopedcountriestoaccelerateeconomicdevelopment,enhancethecomprehensivenationalstrengthandanimportantwaytostatehood.TheN／Csystemconsistsofthefollowingcomponents：datainput，thetapereaderwiththecontrolunit，feedbackdevices，andthemetal—cuttingmachinetoolorothertypeofN／Cequipment．Datainput，alsocalled“man—to—controllink”，maybeprovidedtothemachinetoolmanually，orentirelybyautomaticmeans．Manualmethodswhenusedasthesolesourceofinputdataarerestrictedtoarelativelysmallnumberofinputs．Examplesofmanuallyoperateddevicesarekeyboarddials，pushbuttons，switches，orthumbwheelselectors．Thesearelocatedonaconsolenearthemachine．Dialsaleanalogdevicesusuallyconnectedtoasyn-chro-typeresolverorpotentiometer．Inmostcases，pushbuttons，switches，andothersimilartypesofselectorsayedigitalinputdevices．Manualinputrequiresthattheoperatorsetthecontrolsforeachoperation．Itisaslowandtediousprocessandisseldomjustifiedexceptinelementarymachiningapplicationsorinspecialcases．Inpracticallyallcases，informationisautomaticallysuppliedtothecontrolunitandthemachinetoolbycards，punchedtapes，orbymagnetictape．Eight—channelpunchedpapertapeisthemostcommonlyusedformofdatainputforconventionalN／Csystems．Thecodedinstructionsonthetapeconsistofsectionsofpunchedholescalledblocks．Eachblockrepresentsamachinefunction，amachiningoperation，oracombinationofthetwo．TheentireN／Cprogramonatapeismadeupofanaccumulationofthesesuccessivedatablocks．Programsresultinginlongtapesallwoundonreelslikemotion-picturefilm．Programsonrelativelyshorttapesmaybecontinuouslyrepeatedbyjoiningthetwoendsofthetapetoformaloop．Onceinstalled，thetapeisusedagainandagainwithoutfurtherhandling．Inthiscase，theoperatorsimplyloadsandunloadstheparts．Punchedtapesalepreparedontypewriterswithspecialtape—punchingattachmentsorintapepunchingunitsconnecteddirectlytoacomputersystem．Tapeproductionisrarelyerror-free．Errorsmaybeinitiallycausedbythepartprogrammer，incardpunchingorcompilation，orasaresultofphysicaldamagetothetapeduringhandling，etc．Severaltrialrunsareoftennecessarytoremoveallerrorsandproduceanacceptableworkingtape．Whilethedataonthetapeisfedautomatically，theactualprogrammingstepsaledonemanually．Beforethecodedtapemaybeprepared，theprogrammer，oftenworkingwithaplanneroraprocessengineer,mustselecttheappropriateN／Cmachinetool，determinethekindofmaterialtobemachined，calculatethespeedsandfeeds，anddecideuponthetypeoftoolingneeded.Thedimensionsonthepartprintarecloselyexaminedtodetermineasuitablezeroreferencepointfromwhichtostarttheprogram．Aprogrammanuscriptisthenwrittenwhichgivescodednumericalinstructionsdescribingthesequenceofoperationsthatthemachinetoolisrequiredtofollowtocuttheparttothedrawingspecifications．Thecontrolunitreceivesandstoresallcodeddatauntilacompleteblockofinformationhasbeenaccumulated．Ittheninterpretsthecodedinstructionanddirectsthemachinetoolthroughtherequiredmotions．Thefunctionofthecontrolunitmaybebetterunderstoodbycomparingittotheactionofadialtelephone，where，aseachdigitisdialed，itisstored．Whentheentirenumberhasbeendialed，theequipmentbecomesactivatedandthecalliscompleted．Siliconphotodiodes，locatedinthetapereaderheadonthecontrolunit，detectlightasitpassesthroughtheholesinthemovingtape．Thelightbeamsareconvertedtoelectricalenergy，whichisamplifiedtofurtherstrengthenthesignal．Thesignalsarethensenttoregistersinthecontrolunit,whereactuationsignalsarerelayedtothemachinetooldrives．Somephotoelectricdevicesarecapableofreadingatratesupto1000characterspersecond．Highreadingratesarenecessarytomaintaincontinuousmachine—toolmotion；otherwisedwellmarksmaybegeneratedbythecutteronthepartduringcontouringoperations．Thereadingdevicemustbecapableofreadingdatablocksataratefasterthanthecontrolsystemcanprocessthedata．AfeedbackdeviceisasafeguardusedonsomeN／Cinstallationstoconstantlycompensateforerrorsbetweenthecommandedpositionandtheactuallocationofthemovingslidesofthemachinetool．AnN／Cmachineequippedwiththiskindofadirectfeedbackcheckingdevicehaswhatisknownasaclosed-loopsystem．Positioningcontrolisaccomplishedbyasensorwhich，duringtheactualoperation，recordsthepositionoftheslidesandrelaysthisinformationbacktothecontrolunit．Signalsthusreceivedalecomparedtoinputsignalsonthetape，andanydiscrepancybetweenthemisautomaticallyrectified．Inanalternativesystem，calledanopen—loopsystem，themachineispositionedsolelybysteppingmotordrivesinresponsetocommandsbyacontrollers．TherearethreebasictypesofNCmotions,asfollows:Point-to-pointorPositionalControlInpoint-to-pointcontrolthemachinetoolelements(tools,table,etc.)aremovedtoprogrammedlocationsandthemachiningoperationsperformedafterthemotionsarecompleted.Thepathorspeedofmovementbetweenlocationsisunimportant;onlythecoordinatesoftheendpointsofthemotionsareaccuratelycontrolled.Thistypeofcontrolissuitablefordrillpressesandsomeboringmachines,wheredrilling,tapping,orboringoperationsmustbeperformedatvariouslocationsontheworkpiece.Straight-LineorLinearControlStraight-Linecontrolsystemsareabletomovethecuttingtoolparalleltooneofthemajoraxesofthemachinetoolatacontrolledratesuitableformachining.Itisnormallyonlypossibletomoveinonedirectionatatime,soangularcutsontheworkpiecearenotpossible,consequently,formillingmachines,onlyrectangularconfigurationscanbemachinedorforlathesonlysurfacesparallelorperpendiculartothespindleaxiscanbemachined.Thistypeofcontrolledmotionisoftenreferredtoaslinearcontrolorahalf-axisofcontrol.Machineswiththisformofcontrolarealsocapableofpoint-to-pointcontrol.ContinuousPathorContouringControlIncontinuouspathcontrolthemotionsoftwoormoreofthemachineaxesarecontrolledsimultaneously,sothatthepositionandvelocityofthecanbetoolarechangedcontinuously.Inthiswaycurvesandsurfacescanbemachinedatacontrolledfeedrate.Itisthefunctionoftheinterpolatorinthecontrollertodeterminetheincrementsoftheindividualcontrolledaxesofthemachinesnecessarytoproducethedesiredmotion.Thistypeofcontrolisreferredtoascontinuouscontrolorafullaxisofcontrol.SometerminologyconcerningcontrolledmotionsforNCmachineshasbeenintroduced.Forexample,somemachinesarereferredtoasfour-orfive-orevensix-axismachines.Foraverticalmillingmachinethreeaxesofcontrolarefairlyobvious,thesebeingtheusualX,Y,Zcoordinatedirections.Afourthorfifthaxisofcontrolwouldimplysomeformofrotarytabletoindextheworkpieceorpossiblytoprovideangularmotionoftheworkhead.Thus,inNCterminologyanaxisofcontrolisanycontrolledmotionofthemachineelements(spindles,tables,etc).Afurthercomplicationisuseofthetermhalf-axisofcontrol;forexample,manymillingmachinesarereferredtoas2.5-axismachine.Thismeansthatcontinuouscontrolispossiblefortwomotions(axes)andonlylinearcontrolispossibleforthethirdaxis.Appliedtoverticalmillingmachines,2.5axiscontrolmeanscontouringintheX,YplaneandlinearmotiononlyintheZdirection.Withthesemachinesthree-dimensionalobjectshavetobemachinedwithwaterlinesaroundthesurfaceatdifferentheights.Withanalternativeterminologythesamemachinecouldbecalleda2CLmachine(Cforcontinuous,Lforlinearcontrol).Thus,amillingmachinewithcontinuouscontrolintheX,Y,Zdirectionscouldbetermedbeathree-axismachineora3cmachine,Similarly,lathesareusuallytwoaxisor2Cmachines.Thedegreeofworkprecisiondependsalmostentirelyupontheaccuracyoftheleadscrewandtherigidityofthemachinestructure．Withthissystem．thereisnoself-correctingactionorfeedbackofinformationtothecontrolunit．Intheeventofanunexpectedmalfunction，thecontrolunitcontinuestoputoutpulsesofelectricalcurrent．If，forexample，thetableonaN／Cmillingmachineweresuddenlytobecomeoverloaded，noresponsewouldbesentbacktothecontroller．Becausesteppingmotorsarenotsensitivetoloadvariations，manyN／Csystemsaredesignedtopermitthemotorstostallwhentheresistingtorqueexceedsthemotortorque．Othersystemsareinuse，however，whichinspiteofthepossibilityofdamagetothemachinestructureortothemechanicalsystem，aledesignedwithspecialhigh—torquesteppingmotors．Inthiscase，themotorshavesufficientcapacityto“overpower’’thesystemintheeventofalmostanycontingency．TheoriginalN／Cusedtheclosed—loopsystem．Ofthetwosystems，closedandopenloop，closedloopismoreaccurateand，asaconsequence，isgenerallymoreexpensive．Initially，open—loopsystemswereusedalmostentirelyforlight-dutyapplicationsbecauseofinherentpowerlimitationspreviouslyassociatedwithconventionalelectricsteppingmotors．Recentadvancesinthedevelopmentofelectrohydraulicst