1、摘要摘 要本文主要設計立式加工中心直線、回轉工作臺，工作臺承擔縱向X和橫向Y軸兩個方向的移動及一個繞Z軸的轉動。設計內容包括：1.總體結構方案的擬定。確定了工作臺結構，方案擬定為縱向、橫向兩個方向移動的直線工作臺，在直線移動工作臺的T型槽中固定一個可拆卸夾具式數控回轉工作臺。2.部件概述。這一部分詳細描述了在工作臺設計過程中所用到的幾個典型部件，如伺服進給系統、工作臺、導軌，陳述選用這幾個部件的原因和對它們的基本要求。3.結構力學的設計計算。結合給定的主要參數對伺服進給系統和回轉工作臺進行選擇計算，得到必需的幾何參數，基本確定工作臺的結構尺寸。4.工作臺裝配圖與零件圖的繪制。清楚地表示工作臺及

2、其組成部分的連接、裝配關系和其中主要零件結構、大小及技術要求。 關鍵詞：加工中心，工作臺，伺服進給系統，回轉工作臺。-AbstractAbstractIn this paper,It mainly designs the moving working table and NC rotary table of vertical machining centre.The tables can move along X-axis and Y-axis also can rotate around Z-axis. what's this pater content is as follows:

3、1. Draft the overall scheme of the structure of the tables.the moving working table moves along X-axis and Y-axis is drawn up,of which in the T-typle groove the NC rotary table is fixed which can be removed and fixed easily like a jig.2. Descripe the typical components of vertical machining center.I

4、n this part, the components used in the design, such as servo feed system、tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require-ments for them.3. Design and calculate structural mechanics.Use the given main parameters to select and compute the components to get other indi

5、spensable parameters,then identify the physical demension of the tables4. Draw assembly drawings and part drawings.Express the connection the tables and their components、assembly relations，also the structures and the sizes of the main components、technical requirements, clearly.Key words: Machining C

6、enter, Working Table, Servo Feed System，Rotary Working Table - III -目錄目錄摘 要IAbstractII目錄III第一章引 言11.1課題的背景和意義11.2加工中心的基本組成、分類及結構特點21.3設計方案的預期目標41.4設計方案的可行性分析4第二章加工中心工作臺的主要部件72.1加工中心伺服進給系統72.2伺服驅動裝置82.3滾珠絲杠螺母副結構92.3.1滾珠絲杠副特點92.3.2滾珠循環方式102.3.3軸向間隙的調整和預緊方法112.3.4滾珠絲杠的安裝122.3.5滾珠絲杠螺母的計算和選用132.4伺服電動機與絲杠

7、的連接142.5回轉工作臺142.6加工中心本體設計152.6.1支承件的基本要求152.6.2導軌的設計16第三章加工中心的工作臺和伺服進給的設計183.1工作臺的主要參數及結構183.1.1主要參數的確定183.1.2工作臺質量及工作臺承重初估183.1.3切削力估算193.2縱向伺服進給系統與直線工作臺的設計193.2.1滾珠絲桿副的設計計算203.2.2滾動直線導軌的選擇233.2.3縱向直線位移工作臺結構243.2.4伺服電機的選擇243.2.5傳動精度的設計253.2.6絲杠拉壓振動和扭轉振動固有頻率驗算263.3橫向伺服進給系統與直線工作臺的設計283.3.1滾珠絲桿副的設計計算

8、283.3.2滾動直線導軌的選擇313.3.3橫向直線位移工作臺結構323.3.4伺服電機的選擇333.3.5傳動精度的設計333.3.6絲杠拉壓振動和扭轉振動固有頻率驗算343.4夾具式數控回轉工作臺的設計363.4.1雙蝸桿傳動的結構設計363.4.2錐齒輪設計計算363.4.3采用夾緊機構的計算383.4.4總結39第四章 結 論40致 謝41參考文獻42第一章 引言第一章 引 言1.1 課題的背景和意義加工中心是一種在計算機控制下帶有自動換刀系統的能完成多工序復合加工的自動化機床，并正向高速高效、高精度、模塊化、網絡化和復合化方向發展。由于加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備

9、，其生產效率高、柔性好、一機多用和易于加工復雜的曲線、曲面零件等特點，早已成為工業發達國家軍民機械工業的主力加工設備。一個國家的加工中心擁有量、消費量及總體技術水平與這個國家機械工業的加工制造技術水平息息相關。我國的加工中心從70年代開始，已有很大發展，但技術、品種和數量上都還遠遠不能適應我國的經濟、技術發展的需要。進入21世紀以后，中國加工中心的消費量隨著軍民機械工業的大規模技術改造而迅速增長，如2001年中國加工中心的消費量僅為2662臺（其中進口2290臺），而同年美國、日本和德國的加工中心消費量分別為11505、6090和5291臺。到了2005年，中國加工中心的消費量猛增至約1320

10、0臺（估計值，加工中心的產量數據未公布），其中進口10343臺。2005年加工中心的消費量是2001年的4.96倍，年均增幅達49.2%，一舉超過美、日、德諸國，成為世界上消費加工中心最多的國家。根據機械工人雜志社等單位的調查，從近600份重點用戶的有效問卷中得出的結果是，加工中心機床的應用已遍及全國26個行業，其中汽車、摩托車及其零部件制造業占24%，航空航天和軍工行業占18%，機床工具業占11%，模具行業占8%，輕工機械行業占4%。在這些企業擁有的加工中心中，雖然普及型的立式和臥式加工中心仍占多數，但多軸聯動、高速、大型精密等高檔加工中心也占有一定比重，如在所調查的近600戶用戶中，擁有5

11、軸聯動加工中心的占24%。說明中國市場消費的加工中心雖然以普及型的中檔機為主，但高檔機在消費量中所占比重估計已達15%至20%。中國消費的加工中心大部分依靠進口（2005年進口量占消費量的七成多），進口金額12.97億美元，居各類機床進口額之首，主要從日本、中國臺灣、德國和韓國等地進口。2006年上半年，中國進口加工中心5511臺，金額6.88億美元，同比分別增長20%和11%，仍保持兩位數增長，說明中國加工中心市場的規模還有增長空間。1.2 加工中心的基本組成、分類及結構特點加工中心是一種功能較全的自動化加工機床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝功能。加工中

12、心自問世至今世界各國出現了各種類型的加工中心，雖然外形各異，但從總體結構來看主要由以下幾大部分組成。（1）基礎部件 由床身、立柱、工作臺等組成。它們是加工中心的基礎結構，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產生的切削負載，所以要求加工中心的基礎部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結構件，它們是加工中心中體積和重量最大的部件。（2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動機、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動軸等零件組成。主軸的啟動、停止、變速等均由數控系統控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工

13、中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態剛度、加工精度等。（3）數控系統 單臺加工中心的數控部分由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅動裝置以及電動機等部分組成。CNC裝置是一種位置控制系統，其控制過程根據輸入的信息進行數據處理、差補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執行部件，加工出所需要的工件。可編程序控制器（PLC）替代一般機床中機床電器柜，執行數控系統指令，控制機床執行動作。數控系統主要功能有：控制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自動診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。數控系統是加工中心執行順序控制功能和

14、完成加工過程的控制中心。（4）自動換刀系統 該系統是加工中心區別于其他數控機床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續加工中，工序與工序間的刀具自動儲存、選擇、搬運和交換任務。它由刀庫、機械手、驅動機構等部件組成。（5）自動托盤交換系統 有的加工中心為了實現進一步的無人化運行或進一步縮短非切削時間，采用多個自動交換工作臺方式儲備工件。一個工件安裝在工作臺上加工的同時，另外一個或幾個可交換的工作臺面上還可以裝些別的工件。當完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。（6）輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排泄、防護、液壓、氣動檢測系統等部分。這些裝

15、置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。 表1-1 加工中心控制結構數控系統可編程控制器機床輔助系統自動刀具交換裝置主軸伺服主軸電機伺服單元X軸伺服機構Y軸伺服機構Z軸伺服機構轉臺伺服機構加工中心的分類（1） 按工藝用途分為鏜銑加工中心、鉆削加工中心、車削加工中心、復合加工中心。（2） 按機床形態分為立式加工中心、臥式加工中心、龍門式加工中心、虛軸加工中心。（3） 按加工精度分為普通加工中心、高精度加工中心。加工中心的結構特點（1） 機床的剛度高、抗震性好。（2） 機床的傳動系結構簡單，傳遞精度高、速度快。（3） 主軸系統

16、結構簡單，無齒輪箱變速系統。（4） 加工中心的導軌采用了耐磨材料和新結構，能長期保持導軌的精度。（5） 控制系統功能較全，其智能化程度越來越高。1.3 設計方案的預期目標 設計任務定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔運動功能為縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個方向的移動及一個繞Z軸的轉動。1.4 設計方案的可行性分析立式加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數控機床。它是適應省力、省時和節能的時代要求而迅速發展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和編程技術的高科技產品，將數控銑床、數控鏜床、數控鉆

17、床的功能并聚集在一臺加工設備上，且增設有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數控系統控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內外倒角、環形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床34倍，達80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。本次設計是以數控機床立式加工中心為參考，設計加工中心的工作臺，這一部件結構上兼有一般機械的基本特

18、點，又采用了滾珠絲杠、滾動直線導軌、無級調速電機等新型機電產品，對提高我們的學習和設計能力很有幫助。工作臺用于安裝工件，并帶動工件進給，以完成各種切削加工，是任何切削機床必不可少的重要部件。與普通切削機床不同的是，加工中心的工作臺是在數控系統的控制下自動完成進給的，能夠自動完成各種輪廓和曲面的加工。加工中心直線工作臺主要在數控系統控制下完成縱向（X方向）和橫向（Y方向）進給。為了實現任意角度和在切削過程中轉臺能夠回轉，加工中心還要設置數控回轉工作臺，這樣加工中心就多了一個NC坐標，能夠完成更加復雜的見曲面的加工。加工中心常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺，它們的功用各不相同。分度工作

19、臺的功用只是將工件轉位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現工件一次安裝能完成幾個面的加工。而數控回轉工作臺除了分度和轉位的功能外，還能實現圓周進給運動。本文設計的可拆卸夾具式數控回轉工作臺, 具有兩大優點： 第一, 使用時, 工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的T 形槽內, 不用時, 即可拆下, 工作臺是一個獨立體, 可以由幾臺數控機床共用; 第二, 本結構具有適應高溫、高速和便于保證裝配精度的特點。工作臺的進給精度和性能，直接影響加工中心的加工精度和性能。所以，只有有了進給精度高、性能安全可靠的直線工作臺和回轉工作臺，加工中心才能精確完成各種輪廓和曲面的加工，加工出高質量的零件。1.操縱面板 2

20、.驅動電柜 3.冷卻液箱 4.床身 5.滑座 6.切屑箱 7.X軸伺服電機 8.工作臺 9.機械手 10.刀庫 11.主軸箱 12.數控柜 13.刀庫電機 14.Z軸電機 15.主軸電機 16.吊運孔 17.間歇潤滑油箱 18.立柱圖1-1 立式加工中心的組成- 44 -第二章 加工中心工作臺的主要部件第二章 加工中心工作臺的主要部件2.1 加工中心伺服進給系統加工中心伺服進給系統是一機床移動位置為控制量的自動控制系統。它根據數控裝置輸出的電脈沖信號，是機床工作臺、主軸等移動部件按照規定的運動速度、運動方向和位置要求做相應的移動，并對其定位精度加以控制。加工中心性能在很大程度上取決于進給伺服系

21、統的性能。進給運動是機床成型運動的一個重要部分，其傳動質量直接關系到機床的加工性能。加工中心的進給運動是數字控制的直接對象被加工工件最終坐標位置精度和輪廓精度都會受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的影響。加工中心對進給系統的要求集中在精度、穩定和快速響應等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之匹配。因此加工中心的進給傳動系統機械結構需滿足如下要求。（1）高的傳動精度與定位精度 加工中心進給系統的傳動精度和定位精度，是機床最重要的性能指標。傳動精度直接影響機床加工輪廓面的精度，定位精度直接關系到加工的尺寸精度。（2）寬的進給調速范圍 為保證加工中心

22、在不同工況下對進給速度的選擇，進給系統應該有較大的調速范圍。加工中心的伺服進給系統一般為3-10000mm/min。（3）快的響應速度 所謂快速響應，是指進給系統對指令信號的變化跟蹤要快，并能迅速趨于穩定。目前，加工中心已較普遍的采用了伺服電動機不通過減速環節直接連接絲杠帶動運動部件實現運動的方案。本次設計就是采用了這個方案來獲取快的響應速度。（4）低速、大轉矩 根據機床的加工特點，經常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅動系統必須有大的轉矩輸出。 此次設計采用的是半閉環伺服系統。半閉環系統的精度雖然比閉環系統的精度要低一些，但是它的結構與調整比較簡單。而且，在半閉環系統中，轉角測量表較容易實

23、現。應用非常廣泛。圖2-1 半閉環進給伺服系統原理圖2.2 伺服驅動裝置伺服驅動裝置接收數控系統發出的進給指令信號，并將其轉換為角位移或直線位移，從而驅動執行部件實現要求的運動。伺服驅動裝置應該滿足如下要求。（1）精度高。輸出位移有足夠的精度，即實際位移與指令位移之差要小。（2）應該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電動機要求數分鐘內過載4-6倍而不損壞。（3）調速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機均能平滑運轉，轉矩波動小，特別是在低速（如0.1r/min或更低）時，速度平穩而無爬行現象。（4）能承受頻繁振動、制動和反轉。在加工中心的閉環或半閉環進給伺服系統中，

24、伺服驅動裝置主要采用交、直流伺服電動機。直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可以方便地在寬調速范圍內實現平滑無極調速，故多用在對伺服電機的調速性能要求較高的加工中心上。交流伺服電動機，轉子慣量比直流電動機小，動態響應好，輸出的功率可比直流電動機提高10%-70%，可達到更高的電壓和轉速。2.3 滾珠絲杠螺母副結構2.3.1 滾珠絲杠副特點 圖2-2 滾珠絲桿副的結構滾珠絲杠螺母結構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，它具有下列特點。（1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲杠螺母機構的傳動效率可達0.92-0.96，使普通滑動絲杠螺母機構的3-4倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的四分

25、之一。（2）運動平穩、摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦系數都很小，且其差值很小，因而啟動轉矩小，動作靈敏 ，即使在低速情況時也不會出現爬行現象。（3）軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現滾珠的預緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程。（4）磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的4-10倍。（5）傳動具有可逆性、不能自鎖。（6）同步性好。（7）有專業廠生產，選用配套方便。2.3.2 滾珠循環方式滾珠循環方式可分為內循環和外循環兩大類型。（1）內循環 滾珠在循環過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內循環。內循環滾珠的回路短

26、，滾珠數目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸緊湊，軸向剛度高。（2）外循環 滾珠在循環回路中與絲杠脫離接觸的稱為外循環，根據滾珠回路結構形式的不同可分為螺旋槽式、插管式、蓋板式。表2-1 滾珠絲杠副結構特點比較種類 特 點 循環圈數 螺母尺寸 圈數 列數 內循環結構 通過反向器組成滾珠循環回路，每一個反向器組成1圈滾珠鏈。因此承載小。適應于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。 1 2列以上 小 外循環結構 通過插管組成滾珠循環回路，每一個插管至少1.5圈滾珠鏈，因此，承載大。適應于小導程、一般導程、大導程與重型滾珠絲杠副。 1.5以上 1列以上 大 端蓋結構 通過螺母兩端的端蓋組成滾

27、珠循環回路，每個回路至少1圈滾珠鏈，承載大。適應于多頭大導程、超大導程滾珠絲杠副。 1以上 2列以上 小 蓋板結構 通過蓋板組成滾珠循環回路，每個螺母一個蓋板，每個蓋板組成至少1.5圈滾珠鏈。適應于微型滾珠絲杠副。 1.5以上 1 中圖2-3 內循環滾珠絲杠及滾珠回流方式圖2-4 外循環滾珠絲杠及滾珠回流方式2.3.3 軸向間隙的調整和預緊方法加工中心通常采用施加預緊力來消除間隙、提高傳動剛度。滾珠絲杠螺母軸向間隙和預緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，即通過調整雙滾珠螺母的軸向相對位置，使兩個螺母的滾珠分別壓向螺旋滾道的兩側面。但滾珠絲杠螺母機構間隙調整的精度要求高，要求能做微調以獲得準確的間隙

28、或預緊量。常用的方法有下列幾種。（1）墊片調隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調整墊片的厚度使螺母產生軸向位移，已達到消除間隙和產生預緊力的目的。這種結構的特點是構造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調整費時，并且在工作中不能隨意調整，除非更換厚度不同的墊片。（2）螺紋調隙式 其中一個螺母的外端有凸緣而另一螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定。旋轉圓螺母時，即可消除間隙，并產生預緊力，調整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。（3）齒差調隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪。這種調整方法精確可靠，但結構復雜，多用于對調整準確度要求較高的場合

29、。2.3.4 滾珠絲杠的安裝加工中心的進給系統要求獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母機構本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結構剛度也是不可忽視的因素。加工中心由于要求具有高精度、高進給速度，因此常采用一端固定，一端游動以及兩端固定的絲杠安裝形式。 （1）一端固定一端游動 對于高精度、中等轉速較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠伸長的影響，常采用一端軸向固定的支承方式。這種支承形式的特點安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲杠的軸向剛度比兩端固定低；絲杠有熱膨脹的余地。（2）兩端固定 對于高精度、高速旋轉的滾珠絲杠應該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施

30、加預緊拉力，可采用兩端固定方式，并可在絲杠一端安裝碟型彈簧和調整螺母，既能對絲杠施加預緊力，又能讓彈簧來補償絲杠的熱變形，保持預緊力幾乎不變。這種支承形式的剛度最高，只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍。安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩定問題，固有頻率比一端固定要高；可以預拉伸，預拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補償熱膨脹，但需一套預拉伸機構，結構及工藝都比較復雜；要進行預拉伸的絲杠，其目標行程應略小于公稱行程，減少量等于拉伸量。因此這種形式適用于對剛度和位移精度要求高的場合，絲杠的支承軸承應采用滾珠絲杠專用軸承，這是一種特殊的向心推力

31、球軸承。絲杠兩端軸承座孔與滾珠螺母座孔保證嚴格的同軸度，同時保證滾珠絲杠螺母與座孔的配合良好以及孔對端面的垂直度，保證軸承支座和螺母支座的整體剛度、局部剛度、接觸剛度等。 圖2-5 滾珠絲桿的安裝2.3.5 滾珠絲杠螺母的計算和選用滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定負載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定動載荷選用滾珠絲杠副，只有當n10r/min時，按額定動載荷選用。對于細長承受壓縮的滾珠絲杠副需做壓桿穩定性計算；對于高速、支承距大的滾珠絲杠副需要做臨界轉速的校核；對于精度要求高的傳動要進行剛度驗算，轉動慣量校核

32、，對閉環控制系統還要進行諧振頻率的驗算。在選擇滾珠絲杠螺母的過程中，一般首先根據動載強度計算或靜載強度計算來確定其尺寸規格，然后對其剛度和穩定性進行校核計算。2.4 伺服電動機與絲杠的連接采用鍵連接，鍵用于連接軸和軸上的傳動件,使軸和傳動件不發生相對轉動，以傳遞扭矩或旋轉運動。常用鍵的型式有：普通平鍵、半圓鍵和鉤頭楔鍵。圖2-6 常用普通平鍵 A型 B型 C型 半圓鍵 鉤頭楔鍵普通平鍵分A型、B型、C型，本設計中所用到的鍵有普通A型平鍵、C型平鍵、半圓鍵。2.5 回轉工作臺加工中心是一種高頻率的加工設備，當零件被裝夾在工作臺上以后，為了盡可能完成較多工藝內容，除了要求機床有沿X、Y、Z三個坐標

33、軸的直線運動之外，還要求工作臺在圓周方向有進給運動和分度運動。這些運動通常用回轉工作臺實現。數控回轉工作臺的主要功能有兩個：一是實現工作臺的進給分度運動，即在非切削時，裝有工件的工作臺在整個圓周（360°范圍內）進行分度旋轉；二是實現工作臺圓周方向的進給運動，即在進行切削時，與X、Y、Z三個坐標軸進行聯動，加工復雜的空間曲面。所設計的加工中心回轉工作臺是由傳動系統、間隙消除裝置及蝸輪蝸桿等傳動裝置組成的。2.6 加工中心本體設計2.6.1 支承件的基本要求支承件受力受熱后的變形和振動將直接影響機床的加工精度和表面質量。因此，正確設計支承件結構、尺寸及布局具有十分重要的意義。它們應滿足

34、下列要求：（1）剛度要求 支承件的剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱為靜剛度，后者為動剛度。靜剛度取決于支承件本身的結構剛度和接觸剛度。動剛度不僅與靜剛度有關，而且與支承系統的阻尼和固有頻率有關。（2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度、支承件的固有頻率、支承件的阻尼、支承件的支承情況、支承件的材料等。抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩定性。實際中常常通過選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善

35、支承件的支撐情況等措施來增加支承件的抗振性。（3）熱變形要求 機床工作時，電動機、傳動系統的機械摩擦及切削過程等都會發熱，機床周圍環境溫度的變化也會引起支承件溫度變化產生熱變形，從而影響機床的工作精度和幾何精度。因此應對支承件的熱變形及熱應力加以控制。影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結構，運動部件的發熱及外部熱源。通過采用熱對稱結構、隔離熱源、強制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。（4）內應力要求 支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內部會產生內應力，導致變形。在使用中，由于內應力的重新分布和逐漸消失會使變形增大，超出許用的誤差范圍。支承件的設計應從結構上和材料上保證其內應力要小，并應

36、在焊、鑄等工序后進行時效處理。（5）其他 支承件還應使排屑通暢，操作方便，吊運安全，切削液及潤滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。支承件的性能對整臺機床的性能影響很大，其重量約為機床總重的80%以上，因此，應正確地對支承件進行結構設計，并對主要支承件進行必要的驗證和試驗，使其能夠滿足對它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節省材料。2.6.2 導軌的設計由于加工中心的進給運動都是通過其執行部件沿著它的床身、立柱、橫梁等支承大件的導軌運動實現的。導軌的作用是用來支撐和引導機床執行部件的運動，導軌的剛度以及摩擦特性又對執行部件的定位精度有重要影響，因此，導軌是加工中心進給傳動系統的重要組成部分。對

37、導軌設計的基本要求是：a. 導向精度要高 導向精度是指機床執行部件的動導軌沿支承導軌的直線度（對于直線運動導軌）或圓度。影響導向精度的主要因素有導軌的幾何精度，導軌的接觸剛度，導軌的結構形式，動導軌及導軌的剛度和熱變形，還有裝配質量。導軌的幾何精度一般用低速下的導向精度來衡量。對直線運動導軌而言，檢驗的內容主要是導軌在水平平面內和垂直平面內的直線度。在水平面內，兩條導軌的還有平行度的要求。b. 精度保持性要好 精度保持性是指導軌保持其原始精度的時間是否足夠長。導軌的耐磨性決定了導軌的精度保持性。動導軌沿支承導軌長期運行會引起導軌的不均勻磨損，破壞導軌的導向精度，從而影響機床的加工精度。此外，導

38、軌的結構形式和導軌材料也與精度保持性有關。c. 有足夠的剛度 因為機床執行部件在工作過程中所承受的各種阻力，最后都轉化到導軌面來承受。如果導軌在載荷的作用下產生過大的變形，不僅破壞了導向精度，惡化了導軌的工作條件，而且使機床各部件間的相對位置發生變化。導軌的剛性主要取決于導軌類型、結構形式和尺寸大小、導軌與床身的連接方式，還取決于導軌材料和表面加工質量。d. 有良好的摩擦特性 機床在低速運動時，動導軌易產生爬行，將影響低速運動的平穩性。爬行與導軌的摩擦特性有關，導軌的摩擦因數越小，并且動、靜摩擦因數越接近，則導軌低速運動越平穩，將不會產生爬行，這對于精度要求較高的加工中心來說尤其重要。e. 加

39、工工藝性要好 設計導軌時，要注意到制造、調整和維護的方便；力求結構簡單、工藝性好和經濟性好，而且要有合理的導軌防護和潤滑措施等等。 本設計采用的是直線滾動導軌副，它包括導軌條和滑塊兩部分。導軌通常有兩根，裝在支承件上，每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。在兩條導軌條中，一條為基準導軌，上有基準面，另一條為從動導軌。第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計第三章 加工中心的工作臺和伺服進給的設計加工中心工作臺的進給運動是通過伺服驅動裝置實現的。伺服驅動裝置的性能,在很大程度上決定了機床的性能。因此, 研究和開發高性能伺服進給系統,始終是研究現代數控機床的關鍵之一。本文所介紹的加工中心為立

40、式,其工作臺可進行X 和Y 向直線運動, 另外工作臺上面可固定夾具式回轉工作臺( Z 向轉動) 。使用時,回轉工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的T 形槽內, 不用時即可拆下。文中除作了工作臺、滾珠絲杠副、伺服電機、滾動直線導軌的設計計算外,還作了傳動精度計算、絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率驗算。3.1 工作臺的主要參數及結構3.1.1 主要參數的確定 工作臺面尺寸（長×寬×高）：900 ×500 ×50 ，回轉工作臺面尺寸(直徑×高) ：320 ×222 ,材料為HT200。設定工作臺進給速度為11500mm/ min ,快速進給速

41、度15m/ min ,工作臺X向工作行程為750mm , Y向工作行程為500mm ,銑削最大直徑為100mm。3.1.2 工作臺質量及工作臺承重初估直線工作臺質量G1 = Vg = 7.85×103 ×900×500×50×9.81×10-9 = 1733N回轉工作臺質量G2 = Vg = 7.85×103 ××1602×222×9.81×10-9 = 1362N工作臺承重初估為G3=4500N根據以上估算得總的質量為G= G1+ G2+ G3=1733+1363+4500

42、7600N3.1.3 切削力估算根據最大切削條件為：端銑刀直徑為100mm, Z=10齒，每齒進給量 S齒=0.13mm/齒，工件寬度B=80mm,加工b=80kg/mm的高碳鋼。查銑工工藝學中級本得：切削力p=4230N/mm2,則得切向銑削力： 查銑工工藝學中級本得：縱向切削力橫向切削力垂直切削力3.2 縱向伺服進給系統與直線工作臺的設計 工作臺伺服進給傳動裝置的設計在整個加工中心設計中占有非常重要的地位，其關系到加工中心的使用性能和加工精度。下面就加工中心進給傳動裝置設計中的關鍵技術滾珠絲杠副、滾動直線導軌和伺服電動機的選擇問題等進行討論。3.2.1 滾珠絲桿副的設計計算在本設計中,電機

43、和絲杠直接相連,傳動比為1 ,選擇電機的最高工作轉速1500r/ min ,最大轉矩Mmax=1570kgf·cm，工作負載的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌, 從而設定摩擦系數, 可算出最大牽引力。（1） 絲杠的導程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm（2） 確定絲杠的等效轉速最大進給時，絲杠的轉速為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min最慢進給時，絲杠的轉速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=0.1r/min則得到絲杠的等效轉速（估算t1=2t2）為Nm = = 1000r/min（3） 確定絲

44、桿的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動直線導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數為0.0025-0.005，取摩擦系數為0.0026，則絲杠所受的最大牽引力為Fmax=KFX+f(FY+FZ+G)其中，K為顛覆力矩影響系數，K一般取為1.1-1.15，現取K為1.10，則得最大工作負載：Fmax=1.1×1715+0.0026×(4410+2573+7600)1924.5N而絲杠的最小工作負載荷為摩擦力為Fmin= fG =0.0026×760020N故其等效載荷可按下式計算（估算t

45、2=t1;n2=2n1）Fm=()1/3=1334N（4） 確定絲杠所受的最大動載荷查表，取絲杠的工作壽命Th為15000h，同時取精度系數fa=1，負荷性質系數fw=1.5，溫度系數ft=0.95，硬度系數fh=1，可靠性系數fk=0.53，平均轉速為1000r/min。60Thnm=60150001000=900106r查表選用插管埋入式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號CDM5010-3，絲杠公稱直徑為50mm,基本導程Ph=10mm，其額定動載荷Ca = 38547N（Ca>），額定靜載荷Coa=112978N，圈數×列數 = 1.5×2，絲杠螺母副的接觸剛度KC

46、為1692N，螺旋升角=3°39，絲杠底徑42.3mm，螺母長度為170mm，取絲杠的精度為1級。在本設計中采用雙螺母墊片式預緊。（5） 臨界壓縮負荷Fcr確定絲杠螺紋部分的長度Lu。Lu等于工作臺的最大行程(750mm)加上螺母長度(170mm)加兩端余程(40mm)。Lu為1000mm。支承跨距L1應略大于Lu，取為:L1=1200mm。絲杠全長為L=1340mm。臨界壓縮負荷Fcr為Fcr = K1 Fmax式中 E材料的彈性模量，E = 2.1×1011N/m2 ； I絲杠最小截面慣性矩：I = = =；L0最大受壓長度，按照結構設計取L0=1140mm；K1安全系

47、數，一般取K1=1/3；Fmax最大軸向工作載荷，Fmax = 1924.5N；f1絲杠支承方式系數,查表的f1=2，則Fcr= =1.7105N>Fmax=1924.5N可見Fcr遠大于Fmax，滿足要求。（6） 臨界轉速驗算 Ncr r/min式中 A絲杠最小橫截面：m2Lc臨界轉速計算長度：=1045mm1.05m，取Lc=L1=1.2m； K2安全系數，一般取0.8； 材料的密度： = f2絲杠支承方式系數，查表f2=3.927,則ncr=99103.9272=4489r/min>nmax=1500r/min 可見ncr遠大于nmax，滿足要求。 考慮到本設計的絲杠較長，故

48、采用一端固定，另一端游動的支撐方式，固定端選用成對絲杠專用軸承組合，型號為30TAC62A，其額定動載荷Ca=33320N，預緊力Ft為3040N。（7） 計算軸承動負荷 壽命系數為： fh=式中 fh壽命系數； L10h可靠性為90%的額定壽命，取為10000h；fn轉速系數：；計算轉速nj取最高轉速，取nj=1500r/min；故能滿足要求。游動端的支承查機械設計手冊，選深溝球軸承，型號為6206。3.2.2 滾動直線導軌的選擇采用兩根滾動直線導軌副，每根導軌上有兩個滑塊，其總負荷為P=7600+2573=10173N單向行程長度為0.75，每分鐘往返次數n=4，每日平均開機6個小時，使用

49、5年以上，每年300個工作日。每個滑塊上的計算載荷為選四方向等效載荷型，型號為GGB35AA1300。額定動載荷 C=35.1KN額定靜載荷 C0=47.2KN。3.2.3 縱向直線位移工作臺結構1.悶蓋 2.深溝球軸承 3.導軌 4.工作臺 5.內六角圓柱頭螺釘 6滾珠絲杠副 7.絲杠 8.套杯 9.滾珠絲杠專用軸承 10.調整環 11.通蓋 12.圓螺母 13.密封圈 14.安裝孔蓋 15.聯軸器 16.伺服電機 17.連接板18.壓板 19.彈性擋圈圖3-1 X向伺服進給系統結構3.2.4鍵的選擇及校核公稱直徑22、鍵長l=25、b×h=6×6、=3.5鍵的校核由于為

50、靜連接鍵采用抗擠壓校核即其中T=153860N/mm、經校驗滿足要求3.2.5聯軸器的選擇及校核查聯軸器、離合器設計與選用指南>知GY型聯軸器采用絞制孔螺紋實現兩半聯軸器的鏈接傳遞轉矩和保證對中精度，連接螺栓個數較少，拆裝市軸不需要做軸向移動但螺紋孔需配絞。選擇GY3凸緣聯軸器型號為型L=38、D=100、s=6轉動慣量為0.0025質量2.38m/kg由于采用絞制孔螺栓連接，是由螺栓孔壁的擠壓傳遞轉矩的，這時應驗算螺栓連接的剪切強度和擠壓強度。剪切強度和擠壓強度的驗算螺栓性能等級 9.8級 螺栓許用切應力 查機械設計表6.4得=3.5螺栓的許用擠壓應力查機械設計表6.4得查聯軸器、離合

51、器設計與選用指南知剪切強度擠壓強度鍵的校核由于鍵之間采用靜連接需校核鍵的抗擠壓校核T=經校核滿足抗抗擠壓強度要求3.2.6伺服電機的選擇 選用FANUC - BESK寬調速直流伺服電機驅動,型號為FB - 15 ,半閉環控制。制動器、測速機、編碼器配裝在電機內部。它屬于永磁型多極電機,其特點是:定子磁極是高性能鐵氧體,能承受高的峰值電流,加速性能好;轉子慣量大,在1r/min 低速下仍能平滑運轉。設系統增益Ks 為18 (1/ s) ,則速度環開環增益Kvos為54(1/ s) 。根據結構圖計算各部分折算至絲杠軸的轉動慣量,聯軸節及鎖緊螺母等傳動件轉動慣量Jc , 滾珠絲杠轉動慣量Js , 工

52、作臺等移動件的換算值Jw ,加上電機FB - 15 的轉動慣量JM , 全部轉動慣量相加得Jr =0.45(kgf·cm·) ,驗算： 滿足慣量匹配原則，即 加速能力驗算：工作臺能達到的最大加速度 系統要求最大加速度 加速能力符合設計要求。 對數控機床,由于動態響應特性要求較高,所以電機力矩主要是用來產生加速度。 Tamax= 滿足轉速匹配要求。3.2.7傳動精度的設計 滾珠絲杠的拉壓剛度：Ks=當導軌運動到兩極位置時, 有最大和最小拉壓剛度,其中L 值分別為750mm和100mm。則： 滾珠絲杠螺母的接觸剛度為: Kc = 1692N/m,滾珠絲杠用軸承的軸向接觸剛度:

53、KB = 1080N/m,算得最小機械傳動剛度：算的最大機械傳動剛度：因此得到由于機械傳動裝置所引起的定位誤差為：其中F0為空載時導軌的摩擦力。因為本設計選用的是1 級滾珠絲杠,其任意300mm的導程公差為±6m ,機床定位精度0.012mm/ 300mm。所以<1/5= 2.4m ,可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于(1/ 31/ 5) 機床定位精度的要求。再加上半閉環反饋系統的補償,定位精度能進一步提高。由于采用了滾動直線導軌,因此由靜摩擦力引起的重復定位精度也很小,一般能滿足重復定位精度±0.006mm的要求。3.2.8絲杠拉壓振動和扭轉振動固有頻率驗

54、算由以上計算可知:軸承的接觸剛度KT = 1080N/m ,絲杠螺母的接觸剛度KC = 1692N/m ,絲杠的最小拉壓剛度Ksmin = 393.3N/m ,螺母座剛度KH =1000N/m。 (a).軸向拉壓總剛度 固定簡支方式的軸向拉壓剛度Ke由下式計算：得到 Ke=217 N/m(b).絲杠拉壓振動的固有頻率=由計算可知絲杠拉壓振動的固有頻率遠遠大于1500r/ min ,所以能滿足要求。(c).絲桿的扭轉剛度(d).平移物體的轉動慣量絲杠轉動慣量 ;絲杠上傳動件轉動慣量,則絲杠扭轉振動的固有頻率T：顯然絲杠的扭轉振動的固有頻率遠遠大于1500r/ min。所以,能滿足要求。本次設計中

55、滾珠絲杠副的潤滑使用鋰基潤滑脂潤滑。滾動軸承采用脂潤滑,填充在螺母內部及涂在絲杠螺紋滾道上,滾珠絲杠副防護用全封閉式鐵皮防護罩。3.3橫向伺服進給系統與直線工作臺的設計3.3.1滾珠絲桿副的設計計算在本設計中,電機和絲杠直接相連,傳動比為1 ,選擇電機的最高工作轉速1500r/ min ,最大轉矩Mmax=1570kgf·cm，工作負載的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌, 從而設定摩擦系數, 可算出最大牽引力。（一）絲杠的導程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm（二） 確定絲杠的等效轉速最大進給時，絲杠的轉速為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min最慢進給時，絲杠的轉速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=0.1r/min則得到絲杠的等效轉速（估算t1=2t2）為Nm = = 1000r/min（三）確定絲桿的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動直線導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數為0.0025-0.005，取摩擦系數為0.0026，則絲杠所受的最