加工中心及Z軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書

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1、 摘 要 加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)、制造的水平。加工中心綜合加工能力較強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，加工中心對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種更為適合。它也是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機(jī)械制造中。 加工中心及Z軸進(jìn)給系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)的是主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、支承系統(tǒng)；各個(gè)系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，以及幾個(gè)部件之間的裝配關(guān)系；每個(gè)零件的零件圖。 設(shè)計(jì)工作： 1.設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，做好資料的收集和整理 2.擬定總體設(shè)計(jì)方案，確定各個(gè)部件的裝配關(guān)

2、系和傳動(dòng)關(guān)系； 3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)收集的資料，設(shè)計(jì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)； 4零件設(shè)計(jì)，各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)和校核 5.編寫設(shè)計(jì)說明書 關(guān)鍵字：加工中心，內(nèi)容，方法 第 45 頁 共 45 頁 Abstract CNC machining center is typically mechanical processing equipments which gathered the high and new technique, its development represented a level of national design and manufacturing. Th

3、e processing center has stronger comprehensive ability to process, it can complete to the more step of processing after setting up the work-pieces, and suited for singer or the medium lot work-piece which has complicated shape or high accuracy. It is an aspect to judge the technique ability of enter

4、prise and the level of craft. Now, the processing center has become the direction of modern machines development, widely used for the machinery fabrication. Processing center and z axis feed motion system designed is motion system and feed motion system.The principle and structures of each system,

5、and assembly relation between a few assembly unit; the part drawing of each parts. Work of design: A: The prepare job of design, completing to collection and tidy up the data. B: Draft the overall project of design, make the relation of assembly and transmissions of each assembly unit; C: The de

6、sign of machine. according to the collected data, design the structure of assembly unit: D; design of parts, the structure and reference of each parts E: Write the manual of design. Key word: CNC machining center, contents, method 目 錄 摘 要 1 Abstract 2 目 錄 3 前 言 4 第一章 加工中心概

7、論 5 1.1. 加工中心的功能和特點(diǎn) 5 1.2. 加工中心的組成 6 1.3. 加工中心的分類 7 1.4. 加工中心結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 8 第二章 總 體 設(shè) 計(jì) 9 第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.1. 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 11 3.2. 主軸變速方式 11 3.3. 加工中心主軸組件 12 3.4. 主軸部件的設(shè)計(jì)及校核 15 第四章 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 33 4.1. 加工中心進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 33 4.2. 滾珠絲杠副 33 4.3. 電機(jī)的選擇 36 第五章 支 承 件 37 5.1. 導(dǎo)軌 37 5.2. 立柱 38 第六章 加工中心的設(shè)

8、計(jì)結(jié)論 40 致 謝 41 參考文獻(xiàn) 42 附 錄 43 前 言 加工中心及Z軸進(jìn)給系統(tǒng)是我們學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課后的一次專業(yè)課程內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)，把有關(guān)課程（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、、測(cè)試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料力學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等）中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以運(yùn)用，使這些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識(shí)和生產(chǎn)密切地結(jié)合起來。 加工中心應(yīng)用機(jī)械手換刀代替了人工換刀，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，對(duì)于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的5～10倍。加工中心的高質(zhì)量、高效率適應(yīng)社會(huì)的需要，在機(jī)床行業(yè)

9、都能應(yīng)用。 加工中心提高了普通機(jī)床加工零件的精度和效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了普通機(jī)床無法加工某些零件的問題。 第一章 加工中心概論 1.1. 加工中心的功能和特點(diǎn) 一、加工中心的功能 加工中心（Machining Center-MC）是一種功能較全的數(shù)控加工機(jī)床。他把銑、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺(tái)設(shè)配上，使其具有多種工藝功能。加工中心設(shè)置有刀庫，刀庫中存放著不同數(shù)量的各種刀具或量具，在加工過程中由程序自動(dòng)選用和更換。加工中最少有三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，多的達(dá)十幾個(gè)。其控制功能最少可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。多的可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)、六軸聯(lián)動(dòng)，從而保

10、證刀具進(jìn)行復(fù)雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如:刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償，刀具長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償，刀具破損報(bào)警，故障自動(dòng)診斷，人機(jī)對(duì)話，離線編程等，這些功能提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率，保證了產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，使普通加工設(shè)備無法相比的。 二、加工中心的特點(diǎn) 加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。它也是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機(jī)械制造中。與普通數(shù)控機(jī)床相比，它有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。 1 工序集中 加工中心備有刀庫，能自動(dòng)換刀，并能對(duì)工件進(jìn)行多工序

11、加工?，F(xiàn)代加工中心可使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點(diǎn)。 2 加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，而且加工中心可一次裝夾工件，實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，減少了多次裝夾帶來的誤差。故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 3 適應(yīng)性強(qiáng) 加工中心對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)。加工中心改變加工零件時(shí)，只需改變編制程序，輸入新的程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新的零件的加工，這對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品試制帶來極大的方便。同時(shí)，它還能自動(dòng)加工普通機(jī)床很難加工或無法加工的精密復(fù)雜零件。 4 生產(chǎn)效率高 加工中心帶有刀庫，在一臺(tái)機(jī)

12、床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，機(jī)床的切削利用率高。 5 經(jīng)濟(jì)效益好 加工中心加工零件時(shí)，雖分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用較昂貴，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用。由于是數(shù)控加工，加工中心不必準(zhǔn)備專用鉆模等工藝裝備，加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，零件安裝到機(jī)床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間。6 自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度可大為減輕。 7 有

13、利于生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理 用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效的簡(jiǎn)化檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 1.2. 加工中心的組成 加工中心是計(jì)算機(jī)控制下的自動(dòng)化機(jī)床，一般其控制方式大致如圖1-1所示，總體結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成。 1、基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的鋼結(jié)構(gòu)件，它們要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載。 2、主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電機(jī)、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動(dòng)軸等零件組成。 主軸的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主

14、軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。 3、數(shù)控系統(tǒng) 單臺(tái)加工中心的數(shù)控部分由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電機(jī)等部分組成。CNC裝置根據(jù)它的包含功能、可控軸數(shù)、主運(yùn)算器的性能等分成各種供配置加工中心用的系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過程的控制中心。 4、自動(dòng)換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機(jī)床的典型裝置，它解決工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具自動(dòng)存儲(chǔ)、選擇、搬運(yùn)和交換任務(wù)。它由刀庫、機(jī)械手等部件組成。 5、自動(dòng)托盤交換系統(tǒng) 一個(gè)工件安裝在工作臺(tái)上加工的同時(shí)

15、，另外一個(gè)或幾個(gè)可交換的工作臺(tái)面上還可以裝卸別的工件。當(dāng)完成一個(gè)托盤上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時(shí)間，提高加工效率。 6、輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率，加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。 1.3. 加工中心的分類 1、加工中心的型號(hào) 目前我國機(jī)床型號(hào)的編制方法是按GB/T 15375-94金屬切削機(jī)床 型號(hào)編制方法規(guī)定，加工中心的型號(hào)編制方法，根據(jù)通用或?qū)Ｓ脵C(jī)床型號(hào)的編制方法套用。 機(jī)床的類別用漢語拼音字母標(biāo)示，“T”表示鏜床類

16、等；通用特性代號(hào)在類別代號(hào)之后也用漢語拼音字母予以表示，加工中心通用特性代號(hào)為H；組別、系別代號(hào)用阿拉伯?dāng)?shù)字組成，位于類別代號(hào)或通用特性代號(hào)之后，第一位數(shù)字表示組別，第二位數(shù)字表示類別；機(jī)床主參數(shù)用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，阿拉伯?dāng)?shù)字表示的是機(jī)床主參數(shù)的折算值，上述加工中心用兩位數(shù)字表示工作臺(tái)寬度的1/10；機(jī)床重大改進(jìn)順序號(hào)，在原機(jī)床型號(hào)后用A、B、C、D等英文字母表示。 2、加工中心的分類 ⑴按工藝用途分 ①鏜銑加工中心 鏜銑加工中心是機(jī)械加工應(yīng)用最多的一類加工設(shè)備。其加工范圍主要是銑削、鉆削和鏜削，適用于多品種小批量生產(chǎn)的箱體、殼體以及復(fù)雜零件特殊曲線和曲面輪廓的多工序加工。 ②鉆削加工

17、中心 鉆削加工中心的加工以鉆削為主，刀庫形式多為轉(zhuǎn)塔頭。適用于中小零件的鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋等多工序加工。 ③車削加工中心 車削加工中心以車削為主，主體是數(shù)控車床，機(jī)床上配備有轉(zhuǎn)塔式刀庫或由換刀機(jī)械手和鏈?zhǔn)降稁旖M成的刀庫。 ④復(fù)合加工中心 在一臺(tái)設(shè)備上可以完成車、銑、鏜、鉆等多工序加工的加工中心稱之為復(fù)合加工中心，可代替多臺(tái)機(jī)床實(shí)現(xiàn)多工序加工。工件一次裝夾后，能完成多個(gè)面的加工。 ⑵按機(jī)床形態(tài)分 ①立式加工中心 主軸為垂直狀態(tài)的加工中心，能完成銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋等多工序加工。立式加工中心適宜加工高度尺寸較小的零件。 ②臥式加工中心 主軸水平狀態(tài)的加工中心，臥式加

18、工中心同長(zhǎng)度帶有自動(dòng)分度的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，具有3～5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。 ③龍門式加工中心 形狀與龍門銑床相似，主軸多為垂直設(shè)置，除帶有自動(dòng)換刀裝置外，還帶有可更換主軸頭附件，數(shù)控裝置的功能較齊全，能一機(jī)多用，適合大型工件和形狀復(fù)雜工件的加工。 ④虛軸加工中心 改變了以往傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，通過連桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)株洲多自由度運(yùn)動(dòng)，完成工件復(fù)雜曲面的加工。虛軸加工中心一般采用六根可以伸縮的伺服軸，支承并連接裝有主軸頭的上平臺(tái)與裝有工作臺(tái)的下平臺(tái)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，取代傳統(tǒng)的床身、立柱等支承結(jié)構(gòu)。 ⑶按加工精度分 ①普通加工中心 普通加工中心，分辨率為1μm，最大進(jìn)給速度15～25m/min，定位精度1

19、0μm左右。 ②高精度加工中心 分辨率為0.1μm，最大進(jìn)給速度15～100m/min，定位精度為2μm左右。介于2～10μm之間的，亦5μm較多，稱為精密級(jí)加工中心。 1.4. 加工中心結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 加工中心本身的結(jié)構(gòu)同樣分為兩大部分；一是主機(jī)部分，二是控制部分。主機(jī)部分包括：床身、主軸箱、工作臺(tái)、底座、立柱、橫梁、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀庫、換刀機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)（氣液、潤(rùn)滑、冷卻）等?？刂撇糠职ㄓ布糠趾蛙浖糠?。硬件部分包括:計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置（CNC）、可編程序控制器（PLC）、輸入輸出設(shè)備、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、顯示裝置。軟件部分包括系統(tǒng)程序和控制程序。 加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： ⑴機(jī)床的剛度高

20、、抗震性好。 ⑵機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度高、速度快。加工中心傳動(dòng)裝置主要有：滾珠絲杠副，靜壓蝸桿-蝸姆條，預(yù)加載荷雙齒輪-齒條。它們由伺服電動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)，傳遞速度快。一般速度可達(dá)15m/min，最高可達(dá)100m/min。 ⑶主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無齒輪箱變速系統(tǒng)。目前，加工中心基本都采用交流主軸伺服系統(tǒng)，速度可達(dá)10～200000r/min。主軸功率大，調(diào)速范圍寬，并可無極變速。 ⑷加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨材料和新結(jié)構(gòu)，能長(zhǎng)期保持導(dǎo)軌的精度，在高速重切削下，保證運(yùn)動(dòng)部件不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行及運(yùn)動(dòng)中的高靈敏度。 ⑸控制系統(tǒng)功能較全，其智能化程度越來越高。如FANUC16系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)

21、人機(jī)對(duì)話，在線自動(dòng)編程，加工過程中可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，檢測(cè)出的偏差可自動(dòng)修正，保證首件加工一次成功，從而可防止廢品的產(chǎn)生。 第二章 總 體 設(shè) 計(jì) 2.1. 數(shù)控加工中心的基本理論 數(shù)控機(jī)床不同于一般的機(jī)械，它是用來生產(chǎn)其他機(jī)械的工作母機(jī)，和其他機(jī)床一樣在剛度、精度及運(yùn)動(dòng)特定方面有其特殊要求。下面簡(jiǎn)單介紹一下與上述特性相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論和概念。 2.1.1 精度 機(jī)床精度是指機(jī)床主要部件的形狀、相互位置及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精確程度，包括幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度、定位精度及精度保持性等幾個(gè)方面。 一、幾何精度 幾何精度是指機(jī)床空載條件下，在不運(yùn)動(dòng)（機(jī)床主軸不轉(zhuǎn)或工作臺(tái)不

22、移動(dòng)等情況下）或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)個(gè)主要部件的形狀、相互位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精確程度，如導(dǎo)軌的直線度、主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)等。幾何精度直接影響加工工件的精度，是評(píng)價(jià)機(jī)床質(zhì)量的基本指標(biāo)。 二、運(yùn)動(dòng)精度 運(yùn)動(dòng)精度是指機(jī)床的主要零部件以工作狀態(tài)的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度。如高速回轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)精度。運(yùn)動(dòng)精度和幾何精度是不同的。它還受到運(yùn)動(dòng)速度（轉(zhuǎn)速）、運(yùn)動(dòng)件的重力、傳動(dòng)力和摩擦力的影響。它與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造等因素有關(guān)。 三、傳動(dòng)精度 傳動(dòng)精度是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各末端執(zhí)行件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)確性。這方面的誤差就成為該傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差，傳動(dòng)精度由傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)件的制造和裝配精度等決定。 四、定位精度

23、 定位精度是指機(jī)床的定位部件運(yùn)動(dòng)到達(dá)規(guī)定位置的精度。定位精度直接影響被加工工件的尺寸精度和行位精度。機(jī)床構(gòu)件和進(jìn)給控制系統(tǒng)的精度、剛度及動(dòng)態(tài)特性，機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)的精度都將影響機(jī)床定位精度。 五、工作精度 機(jī)床加工規(guī)定的試件所能達(dá)到的加工精度，稱為機(jī)床的工作精度，用試件的加工精度表示。工作精度是各種因素綜合影響的結(jié)果，包括機(jī)床自身的精度、剛度、熱變形和刀具、工件的剛度及熱變形等。 六、精度保持性 在規(guī)定的工作期間，保持機(jī)床所要求的精度，稱為精度保持性。影響精度保持性的主要因素是磨損。磨損的影響因素十分復(fù)雜，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理、潤(rùn)滑、防護(hù)及使用條件等。 2.1.2 剛度 一、

24、定義 機(jī)床剛度指機(jī)床系統(tǒng)抵抗變形的能力，通常用式（2-1）來表示，即 （2-1） 式中 K——機(jī)床剛度，N/μm； F——作用在機(jī)床上的載荷，N； Y——在載荷作用下，機(jī)床或主要零部件的變形，μm。 作用在機(jī)床上的載荷有重力、夾緊力、切削力、傳動(dòng)力、摩擦力、沖擊力和振動(dòng)干擾力等。按照載荷的性質(zhì)不同，可分為靜載荷和動(dòng)載荷。不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢的力。凡隨時(shí)間變化的力，稱為動(dòng)載荷。故機(jī)床剛度相應(yīng)的分為靜剛度激動(dòng)剛度，后者是抗振性的一部分。通常所說剛度一般指靜

25、剛度。 （2）整機(jī)剛度 機(jī)床是由許多構(gòu)件結(jié)合而成的，在載荷作用下各構(gòu)件及結(jié)合部都要產(chǎn)生變形，這些變形直接或間接引起到幾何工件之間相對(duì)位移，這個(gè)位移的大小代表了機(jī)床的整機(jī)剛度。因此，機(jī)床整機(jī)剛度不能用某個(gè)零部件的剛度評(píng)價(jià)，而是指整臺(tái)機(jī)床在靜載荷作用下，各構(gòu)件及結(jié)合面抵抗變形的綜合能力。 2.2. 立式數(shù)控鏜銑床的常用布局形式 立式數(shù)控銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。小型數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái)銑床結(jié)構(gòu)相似；中型立式數(shù)控銑床一般采用縱向和橫向工作臺(tái)移動(dòng)方式，且主軸眼垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型立式數(shù)控銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程、縮小占地

26、面積及剛性等技術(shù)問題，往往采用龍門移動(dòng)式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿機(jī)床作縱向運(yùn)動(dòng)。 第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1. 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是加工中心成形運(yùn)動(dòng)的重要執(zhí)行部件之一，它包括主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸組件。由于加工中心具有更高的加工效率，更寬的使用范圍，更高的加工精度，因此，其主傳動(dòng)系統(tǒng)須滿足如下要求： 一、大的調(diào)速范圍 加工中心為了適應(yīng)不同工件材料和刀具等切削工藝要求，為了獲得最佳的切削效率、加工精度和表面質(zhì)量，加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)必須具有一定的變速范圍。加工中心的電機(jī)一般采用直流或交流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在額定

27、轉(zhuǎn)速時(shí)輸出全部功率和轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩也將發(fā)生變化，在調(diào)壓范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，功率隨轉(zhuǎn)速成正比例下降。在調(diào)速范圍內(nèi)為恒功率，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成正比例減小。 二、較高精度 加工中心加工精度與主軸系統(tǒng)精度密切相關(guān)。主軸精度包括旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下測(cè)量主軸前端和距離前端300mm處的徑向圓跳動(dòng)和端面圓跳動(dòng)值。主軸在工作速度旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量上述的兩項(xiàng)精度稱為運(yùn)動(dòng)精度。數(shù)控機(jī)床要求有高的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度。 三、較高的剛度和抗振性 加工中心加工精度高，而主軸轉(zhuǎn)速也很高，因此對(duì)主軸的剛度和抗振性要求也高。主軸的軸頸、軸承的類型和配合方式、軸承的預(yù)緊

28、量、主軸跨距、前端的懸伸量和主軸組件對(duì)主軸部件的靜剛度有影響。 四、良好的耐磨性 為了保持高的加工精度，主軸組件必須有足夠的耐磨性。凡有機(jī)械摩擦的部位，都必須有足夠的硬度。 五、刀具自動(dòng)夾緊功能 加工中心突出的特點(diǎn)是自動(dòng)換刀功能。為保證加工過程的連續(xù)性，加工中心必須有刀具自動(dòng)夾緊功能。 3.2. 主軸變速方式 變速方式有無極變速和有極變速。由于無極變速簡(jiǎn)化了主軸箱的結(jié)構(gòu)，也保證了加工時(shí)能選用合理的切削用量，獲得好的加工質(zhì)量，一般都采用無極變速，為擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有極調(diào)速和電機(jī)無極調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。目前主傳動(dòng)系統(tǒng)的變速方式主要有三種，如圖3-1：

29、 1、帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 大中型數(shù)控機(jī)床常采用這種變速方式。如圖3-1a所示，通過少數(shù)幾對(duì)齒輪變速，擴(kuò)大調(diào)速范圍，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，滿足主軸低速是對(duì)主軸扭矩特性要求?；讫X輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。 2、通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 這種傳動(dòng)主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。如圖3-1b。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。帶傳動(dòng)可以避免齒輪傳動(dòng)的噪聲與振動(dòng)。常用的帶有三角帶和同步齒形帶。 3、調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 如圖3-2c。電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。這種方式大大簡(jiǎn)化了主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸剛度。但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)的

30、發(fā)熱對(duì)主軸精度影響大。近年來出現(xiàn)另外一種內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合二為一。其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)更緊湊，質(zhì)量小，慣性小，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，缺點(diǎn)同樣是熱變性問題。 由于我們使用的機(jī)床變速范圍大，屬于大中型機(jī)床，我們選擇帶有變速齒輪的無極變速方式。 3.3. 加工中心主軸組件 加工中心主軸組件是機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，除了具有一般數(shù)控機(jī)床主軸組件所具有的主軸、主軸支承及裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件外，還具有刀具自動(dòng)加緊、主軸自動(dòng)準(zhǔn)停和主軸裝刀孔吹凈等裝置。 3.3.1. 電機(jī)的選擇 由已知條件查新編工廠電氣設(shè)備手冊(cè)，選Z2-62直流電動(dòng)機(jī)，P2-22 額定功率13K

31、w，額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，最高轉(zhuǎn)速2400r/min 額定電流68.7A，最大勵(lì)磁功率264w，重量196Kg。 3.3.2. 主軸 一、主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀 主軸端部用于安裝刀具，在設(shè)計(jì)要求上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化，如圖3-2所示。銑刀或刀桿在前端7:24的錐孔內(nèi)定位，并用拉桿從主軸后端拉緊，而且由前端的端面建傳遞轉(zhuǎn)矩。 二、主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 1、主軸前軸頸的選取 一般按機(jī)床類型、主軸傳遞的功率或最大加工直徑（參考表3-1）選取。銑床后軸頸的直徑 （3-1） 取，。 2、主軸內(nèi)

32、孔直徑d的確定 很多機(jī)床的主軸是空心的，內(nèi)孔直徑與其用途有關(guān)。主軸內(nèi)孔直徑在一定范圍內(nèi)對(duì)主軸剛度影響很小，若超出此范圍則能使主軸剛度急劇下降。有材料力學(xué)可知，剛度K正比于截面慣性I，它與直徑之間有下列關(guān)系，即 （3-2） 式中 ，——空心主軸的剛度和截面慣性矩; K,I——實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩。 由上式可知，當(dāng)時(shí)，空心主軸的剛度與實(shí)心主軸的剛度相差甚小，當(dāng)時(shí)，剛度降低約25%。一般，取。 取d=60mm 表3-1 主軸前軸頸直徑 功率P/kw 1.47～2.5 2.6～3.6 3.7～5.5 5.6～7.3 7.

33、4～11 11～14.7 14.8～18.4 18.5～22 22～29.5 車床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～145 140～165 150～190 220 230 升降臺(tái)銑床 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105 100～115 — ～ ～ 外圓磨床 ～ 50~60 55～70 70～80 75～90 75～100 90～100 105 105 二、主軸材料和熱處理 主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。主軸材料的選擇主要根

34、據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。精密主軸希望淬火變形和應(yīng)力小些，選用40Cr滲碳淬硬至HRC60。 三、主軸的支承 目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承配置的主要形式有三種，如圖3-3： 圖3-3a所示為數(shù)控機(jī)床前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和角結(jié)觸雙 列向心推力球軸承，后支承采用成對(duì)向心推力球軸承。此種配置形式能使主軸獲得較大的徑向和軸向剛度，可以滿足機(jī)床強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床的主軸。 圖3-3b所示為前支承采用多個(gè)高精度向心推力球軸承，這種配置有良好的高速性能，但它的承載能力較小，適用于高速輕載和精密數(shù)控機(jī)床，為提高主軸剛度，前支承可以用四個(gè)或更多個(gè)軸承相組配，后支承用兩個(gè)軸承相組配。

35、 圖3-3c所示為前支承采用雙列圓錐滾子軸承，后支承為單列圓錐滾子軸承。這種配置形式能使主軸承受較重載荷，徑向和軸向剛度高，安裝和調(diào)整性好。但這種配置相對(duì)限制了主軸最高轉(zhuǎn)速和精度，適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控主軸。 3.3.3. 刀具自動(dòng)拉緊機(jī)構(gòu)及切削清除裝置 主軸組件除具有較高的精度和剛度外，還帶有刀具自動(dòng)裝卸裝置和主軸孔內(nèi)切削清除裝置，如圖3-4，主軸前端有7:24的錐孔，用于裝夾錐柄刀具。端面鍵既作刀具定位用，又可通過它傳遞轉(zhuǎn)矩。為了實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)裝卸，主軸內(nèi)設(shè)有自動(dòng)夾緊裝置。刀桿的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)由液壓缸活塞10、拉桿6、碟形彈簧5和彈力卡爪2等組成（圖3-4）。標(biāo)準(zhǔn)刀桿安裝在主

36、軸的錐孔中。圖示為刀具夾緊狀態(tài)。當(dāng)需要松開刀桿時(shí)，液壓缸上腔進(jìn)油，活塞桿10向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿6向下移動(dòng)，由于彈力卡爪2與拉桿6卡在一起，彈力卡爪2隨拉桿6一起向下移動(dòng)，卡爪2松開，刀具連同刀桿一起被機(jī)械手拔下。新刀裝入后，液壓缸上油腔接通回油，在碟形彈簧5的彈力作用下，圓螺母13向上移動(dòng)，因?yàn)閳A螺母13與拉桿6固定，拉桿6隨圓螺母13一起向上移動(dòng)，活塞10在拉桿6推動(dòng)下也向上移動(dòng)，彈力卡爪2上移，卡爪下端的外周是錐面，與拉套3的錐孔相配合，使爪收緊，從而卡緊刀桿。 刀桿夾緊機(jī)構(gòu)用彈簧夾緊，液壓放松，可保證工作中突然停電時(shí)，刀桿不會(huì)自行松脫。 行程開關(guān)11和12用于發(fā)出“刀桿已放松”和“刀

37、桿已夾緊”信號(hào)。 這種拉緊方法的優(yōu)點(diǎn)是接觸應(yīng)力較小，不易壓潰。還有用鋼球拉緊機(jī)構(gòu)，如圖3-5。鋼球隨拉桿一起移動(dòng)，移至主軸孔徑較大處時(shí)，便松開刀桿。這種拉緊方法的缺點(diǎn)是接觸應(yīng)力太大，易將主軸孔和刀桿壓出坑來。 自動(dòng)清除主軸孔中的切削和塵埃是換刀操作中的一個(gè)不容忽視的問題。如果在主軸錐孔中掉進(jìn)了切削和其他污物，在拉緊刀桿時(shí)，主軸錐孔表面和刀桿的錐柄就會(huì)被劃傷，使刀桿發(fā)生偏斜，破化刀具的正確定位，影響加工零件的精的，甚至使零件報(bào)廢。機(jī)械手把刀具從主軸中拔出后，壓縮空氣通過活塞桿10和拉桿6吹出，將錐孔清理干凈。 3.3.4. 主軸準(zhǔn)停裝置 在數(shù)控機(jī)床的加工中心上，由于需要進(jìn)行自動(dòng)換刀，要求

38、主軸每次都停在一個(gè)固定的位置上，以保證換刀時(shí)主軸上的端面鍵能對(duì)準(zhǔn)刀夾上的鍵槽，同時(shí)使每次裝刀時(shí)刀夾與主軸的相對(duì)位置不變，提高刀具的重復(fù)安裝精度，從而提高孔加工得孔徑的一致性。準(zhǔn)停裝置分為機(jī)械式和電氣式。機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般都采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，利用磁力傳感器檢測(cè)定向。原理圖如3-4，主軸上安裝一個(gè)磁感應(yīng)盤，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)信號(hào)后，主軸減速，以很低的速度慢轉(zhuǎn)，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號(hào)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)。 3.3.5. 主軸箱 對(duì)于加工中心來說，由于采用了電動(dòng)機(jī)無極變速，減少了機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了主軸箱的結(jié)構(gòu)，但對(duì)主軸箱材料要求高，選用HT250。 加工中心的主軸箱如圖3

39、-6所示。主軸轉(zhuǎn)速分為低速區(qū)域和高速區(qū)域。高速區(qū)域傳動(dòng)線路是：直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)連軸器經(jīng)齒輪、齒輪、齒輪到主軸。低速區(qū)域傳動(dòng)線路是：直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)連軸器、齒輪、齒輪、齒輪到主軸。 3.4. 主軸部件的設(shè)計(jì)及校核 3.4.1 調(diào)速范圍 主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速： ——電機(jī)的額定功率KW T——主軸受的最大轉(zhuǎn)矩N/m 主軸輸出的恒功率調(diào)速范圍： ——主軸的最高轉(zhuǎn)速r/min 主軸輸出的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍： ——主軸的最低轉(zhuǎn)速r/min 上式出于專用機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)P53 電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的最低轉(zhuǎn)速：（r/min） ——電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速r/min 電機(jī)調(diào)磁調(diào)速范圍： （恒功率） 電機(jī)調(diào)

40、速范圍： ——電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速r/min 主軸調(diào)速范圍： 因此，機(jī)械變速傳動(dòng)的調(diào)速范圍： 為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，一般取，取。 變速級(jí)數(shù)： 取Z=2。 主傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖3-7a所示。根據(jù)機(jī)械變速傳動(dòng)的調(diào)速范圍，取齒輪參數(shù)Z1=Z2=70、，Z3=96、，Z4=71、，Z5=73、，Z6=141、。齒寬都為40mm。 因?yàn)楣?2，大于電機(jī)恒功率調(diào)速范圍1.6，所以在功率特性圖中將出現(xiàn)較大的缺口，如上圖所示，在缺口處的功率為 （KW） 3.4.2 齒輪的校核 一、齒輪Z6 圓周力： 徑向力： 法向載荷： 式中：T——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為Nm; ——齒輪的節(jié)圓直徑

41、，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，單位為mm； ——嚙合角。 上式出于機(jī)械設(shè)計(jì)P195。 1、變位系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)知嚙合角 總變位系數(shù)： 查表15-16知： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-2知齒輪Z6的變位系數(shù)X1=0.3，齒輪Z4變位系數(shù)為X2=0.077。 2、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 ①、疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)P663知使用系數(shù) 線速度： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-7知?jiǎng)虞d系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-24知齒向載荷分配系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-8知： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知齒間載荷分配系數(shù)： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5知齒

42、形系數(shù)： 應(yīng)力校正系數(shù)： 由機(jī)械設(shè)計(jì)式10-4知齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： 式中b——齒寬，單位為mm； m——模數(shù)，單位為mm。 ②、許用應(yīng)力 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-16知,齒輪使用期內(nèi)的齒面應(yīng)力循環(huán)數(shù)和齒根應(yīng)力循環(huán)數(shù): 式中：n——齒輪轉(zhuǎn)速，r/min； t——齒輪的設(shè)計(jì)壽命h； j——齒輪每一轉(zhuǎn)內(nèi)，同一齒側(cè)面嚙合次數(shù)。 從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-36查知： 齒根圓角參數(shù)從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-12查得取1mm。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-30查得相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-39查得尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-40查得相對(duì)齒根表

43、面狀況系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-28查得齒輪疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-20查得應(yīng)力修正系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-19知：齒根彎曲許用應(yīng)力 因?yàn)椋?，齒輪Z6滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度 ①疲勞強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知： 由圖15-5查： 齒輪Z6： 齒輪Z4: 端面重合度： 縱向重合度： 求單對(duì)齒輪嚙合系數(shù)，先求參數(shù)M1和M2： 上式出于機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-9，15-10 因?yàn)?，所? 因?yàn)椋? 單對(duì)齒嚙合系數(shù)： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，

44、由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-5得 式中——端面分度圓壓力角； ——基圓螺旋角； ——節(jié)圓端面嚙合角。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-26知材料彈性系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-7 知，接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-8，接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)： 疲勞強(qiáng)度： ②許用強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-29查得，潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-37查得，齒面工作硬化系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-38查得，尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得，強(qiáng)度計(jì)算最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-20查得，齒輪的疲勞

45、極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-35查得，壽命系數(shù)： 許用應(yīng)力： 因?yàn)?，所以，齒輪Z6滿足齒面接觸強(qiáng)度。 所以，齒輪Z6滿足設(shè)計(jì)要求。 二、齒輪Z4 圓周力： 徑向力： 法向載荷： 1、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 ①、疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)P663知使用系數(shù) 線速度： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-7知?jiǎng)虞d系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-24知齒向載荷分配系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-8知： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知齒間載荷分配系數(shù)： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5知齒形系數(shù)： 應(yīng)力校正系數(shù)： 由機(jī)械設(shè)計(jì)式10-4知齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：

46、 式中b——齒寬，單位為mm； m——模數(shù)，單位為mm。 ②、許用應(yīng)力 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-16知,齒輪使用期內(nèi)的齒面應(yīng)力循環(huán)數(shù)和齒根應(yīng)力循環(huán)數(shù): 式中：n——齒輪轉(zhuǎn)速，r/min； t——齒輪的設(shè)計(jì)壽命h； j——齒輪每一轉(zhuǎn)內(nèi)，同一齒側(cè)面嚙合次數(shù)。 從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-36查知： 齒根圓角參數(shù)從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-12查得取1mm。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-30查得相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-39查得尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-40查得相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-28查得齒輪疲勞極限： 由

47、機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-20查得應(yīng)力修正系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-19知：齒根彎曲許用應(yīng)力： 因?yàn)?，所以，齒輪Z4滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度 ①疲勞強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知： 求單對(duì)齒輪嚙合系數(shù)，先求參數(shù)M1和M2： 因?yàn)?，所? 因?yàn)椋? 單對(duì)齒嚙合系數(shù)： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-5得 式中——端面分度圓壓力角； ——基圓螺旋角； ——節(jié)圓端面嚙合角。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-26知材料彈性系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-7 知，接觸強(qiáng)度

48、計(jì)算的重合度系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-8，接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)： 疲勞強(qiáng)度： ②許用強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-29查得，潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-37查得，齒面工作硬化系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-38查得，尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得，強(qiáng)度計(jì)算最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-22查得，齒輪的疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-35查得，壽命系數(shù)： 許用應(yīng)力： 因?yàn)椋?，齒輪Z4滿足齒面接觸強(qiáng)度。 所以，齒輪Z4滿足設(shè)計(jì)要求。 三、齒輪Z5 圓周力： 徑向力： 法向載

49、荷： 1、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 ①、疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)P663知使用系數(shù) 線速度： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-7知?jiǎng)虞d系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-24知齒向載荷分配系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-8知： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知齒間載荷分配系數(shù)： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5知， 齒形系數(shù)： 應(yīng)力校正系數(shù)： 由機(jī)械設(shè)計(jì)式10-4知齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： ②、許用應(yīng)力 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-16知,齒輪使用期內(nèi)的齒面應(yīng)力循環(huán)數(shù)和齒根應(yīng)力循環(huán)數(shù): 從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-36查知： 齒根圓角參數(shù)從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-12查得取1mm

50、。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-30查得相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-39查得尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-40查得相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-28查得齒輪疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-20查得應(yīng)力修正系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-19知：齒根彎曲許用應(yīng)力 因?yàn)椋?，齒輪Z5滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度 ①疲勞強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-4知,端面重合度： 求單對(duì)齒輪嚙合系數(shù)，先求參數(shù)M1和M2：

51、 因?yàn)?，所? 因?yàn)椋? 單對(duì)齒嚙合系數(shù)： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-5得 式中 ——端面分度圓壓力角； ——基圓螺旋角； ——節(jié)圓端面嚙合角。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-26知材料彈性系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-7 知，接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-8，接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)： 疲勞強(qiáng)度： ②許用強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-29查得，潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-37查得，齒面工作硬化系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-38查得，尺寸系數(shù)：

52、由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得，強(qiáng)度計(jì)算最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-20查得，齒輪的疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-35查得，壽命系數(shù)： 許用應(yīng)力： 因?yàn)椋?，齒輪Z5滿足齒面接觸強(qiáng)度。 所以，齒輪Z5滿足設(shè)計(jì)要求。 四、齒輪Z1和Z2 圓周力： 徑向力： 法向載荷： 1、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 ①、疲勞強(qiáng)度 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)P663知使用系數(shù) 線速度： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-7知?jiǎng)虞d系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-24知齒向載荷分配系數(shù) 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-8知： 查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知齒間載

53、荷分配系數(shù)： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5知， 齒形系數(shù)： 應(yīng)力校正系數(shù)： 由機(jī)械設(shè)計(jì)式10-4知齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： ②、許用應(yīng)力 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-16知,齒輪使用期內(nèi)的齒面應(yīng)力循環(huán)數(shù)和齒根應(yīng)力循環(huán)數(shù): 從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-36查知： 齒根圓角參數(shù)從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-12查得取1mm。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-30查得相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-39查得尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-40查得相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-28查得齒輪疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得最小安全系數(shù)： 由機(jī)

54、械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-20查得應(yīng)力修正系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-19知：齒根彎曲許用應(yīng)力 因?yàn)?，所以，齒輪Z1和Z2滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度 ①疲勞強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-25知： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-4知,端面重合度： 求單對(duì)齒輪嚙合系數(shù)，先求參數(shù)M1和M2： 因?yàn)椋? 因?yàn)?，所? 單對(duì)齒嚙合系數(shù)： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-5得 式中 ——端面分度圓壓力角； ——基圓螺旋角； ——節(jié)圓端面嚙合角。 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-26知材料彈性系數(shù)： 由機(jī)

55、械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-7 知，接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)式15-8，接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)： 疲勞強(qiáng)度： ②許用強(qiáng)度 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-29查得，潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-37查得，齒面工作硬化系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-38查得，尺寸系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)表15-31查得，強(qiáng)度計(jì)算最小安全系數(shù)： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-20查得，齒輪的疲勞極限： 由機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)圖15-35查得，壽命系數(shù)： 許用應(yīng)力： 因?yàn)?，所以，齒輪Z1和Z2滿足齒面接觸強(qiáng)度。 所以，齒輪Z1和Z2滿足設(shè)計(jì)要求。 3

56、.4.3 軸的設(shè)計(jì)和校核 一、軸的強(qiáng)度校核 1、做主軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 如圖3-8a，根據(jù)簡(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，畫出水平面的彎矩如圖3-8b和垂直面的彎矩如圖3-8c，然后按下式計(jì)算總彎矩并作出總彎矩圖如圖3-8d;。作出扭矩圖如圖3-8e。已知，，L1=233mm，L2=67mm。 計(jì)算其他的未知數(shù)： T=200NM 2、校核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩，針對(duì)危險(xiǎn)截面作彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。由圖3-8知危險(xiǎn)截面在截面A處按第三強(qiáng)度

57、理論， 計(jì)算應(yīng)力： 式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為MPa； M——軸所受的彎矩，單位為Nmm； T——軸所受的扭矩，單位為Nmm； W——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 由機(jī)械設(shè)計(jì)表15-4得 查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-1知，彎曲疲勞極限： 因?yàn)?，所以主軸滿足強(qiáng)度要求。 二、軸的剛度校核 1、軸的彎曲剛度校核 當(dāng)量直徑： 式中：——階梯軸第i段的長(zhǎng)度，單位為mm； ——階梯軸第i段的直徑，單位為mm； L——階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度，單位為mm； Z——階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。 查材料力

58、學(xué)知，材料彈性模量： 慣性矩： 作主軸的受力圖，簡(jiǎn)化主軸，如圖3-9，水平面受力如圖3-9a，垂直面受力如圖3-9b。 已知：，，L1=85mm,L2=233mm，L3=67mm。 由專用機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)表3-11得， 水平面的主軸偏轉(zhuǎn)角： 垂直面的主軸偏轉(zhuǎn)角： 總偏轉(zhuǎn)角： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-5知 水平面的主軸撓度： 垂直面的主軸撓度： 主軸的撓度： 查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-5知 因?yàn)?，所以主軸滿足彎曲剛度要求。 2、軸的扭轉(zhuǎn)剛度 由機(jī)械設(shè)計(jì)式15-16得，扭轉(zhuǎn)角： 對(duì)于精密傳動(dòng)取 因?yàn)?，所以主軸滿足剛度要求。 第四章 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 4

59、.1. 加工中心進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分，其傳動(dòng)質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能。加工中心的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)字控制的直接對(duì)象，被加工工件最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。加工中心對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。因此加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)須滿足如下要求。 一、高的傳動(dòng)精度和剛度 通常加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的直線位移精度達(dá)到微米級(jí)，角位移達(dá)到角秒級(jí)。進(jìn)給傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩也很大，進(jìn)給傳動(dòng)鏈的彈性會(huì)引起工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間滯后，降低系統(tǒng)

60、的快速響應(yīng)特性，因此要求進(jìn)給系統(tǒng)具有高的傳動(dòng)精度和剛度。絲杠螺母副、蝸桿蝸輪副以及支撐結(jié)構(gòu)等的剛度是決定傳動(dòng)精度和剛度的主要因素。為了提高位移精度，減少傳動(dòng)誤差，對(duì)采用的各種機(jī)械部件首先保證它們的加工精度，其次才采用合理的預(yù)緊來消除軸向傳動(dòng)間隙。高質(zhì)量的機(jī)械傳動(dòng)配合與高性能的伺服電機(jī)使數(shù)控加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有了很大的提高。 二、小的摩擦阻力 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力，會(huì)降低傳動(dòng)效率，并產(chǎn)生摩擦熱，特別是會(huì)影響系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，除了對(duì)伺服元件提出要求外，還必須減小運(yùn)動(dòng)間的摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦力之差。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦阻力，主要來自絲杠螺母副和導(dǎo)軌。在數(shù)控

61、加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中，為了減小摩擦阻力，普遍采用滾珠絲杠副、靜壓絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。在減小摩擦阻力的同時(shí)，還必須考慮傳動(dòng)部件有足夠的阻尼，以保證它們的干擾能力。 三、小的運(yùn)動(dòng)慣量 傳動(dòng)元件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響最大。因此，在滿足部件強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減小執(zhí)行部件的重量，減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和重量，以減少運(yùn)動(dòng)部件的慣量。 4.2. 滾珠絲杠副 在數(shù)控機(jī)床上，能實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要有三種形式：1、滾珠絲杠螺母副；2、靜壓絲杠螺母副；3、靜壓蝸桿蝸條副和齒輪齒條副。 靜壓絲杠螺母副摩擦系數(shù)小，比滾珠絲杠的摩

62、擦損失更小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，但避免了爬行，提高了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，提高了機(jī)床的加工精度和表面粗糙度。但靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套共有系統(tǒng)，而且對(duì)有的清潔度要求高。齒輪齒條副傳動(dòng)用于行程較長(zhǎng)的大型機(jī)床，進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，但其傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)精度不高，而且不能自鎖。滾珠絲杠副摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，提高了傳動(dòng)剛度，摩擦阻力小，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，長(zhǎng)期工作磨損小、使用壽命長(zhǎng)、精度保持性好。 比較以上方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用滾珠絲杠副。 4.2.1. 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與選擇 由機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表2-6，2-7，2-8差得： 載荷系數(shù)： 精度系數(shù)： 硬度系數(shù)： 由機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)式2-3計(jì)

63、算載荷： 已知： 預(yù)先選滾珠絲杠副的導(dǎo)程： 已知：最快線速度： 最快轉(zhuǎn)速： 最慢線速度： 最慢轉(zhuǎn)速: 由機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)式2-4，額定動(dòng)載荷： 根據(jù)以上值，選用FD型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于計(jì)算額定動(dòng)載荷的原則，查機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)光盤選一下型號(hào)：FD6308-4 4.2.2. 滾珠絲杠的校核 查表得到絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑: 滾珠直徑 滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)徑 為絲杠工作長(zhǎng)度(m)； 為長(zhǎng)度系數(shù)，查表2-10得，為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，查表2-10， 臨界轉(zhuǎn)速： 因?yàn)?，所以絲杠工作時(shí)

64、不會(huì)發(fā)生共振。 滾珠絲杠副還受值得限制，通常要求 所以該絲杠副工作穩(wěn)定。 4.2.3. 精度驗(yàn)算 ⑴拉壓剛度 絲杠最大距離 查材料力學(xué)表2-2得鋼的彈性模量 拉壓剛度： ⑵接觸剛度 查表知， 4.2.4. 滾珠絲杠螺母副的支承 滾珠絲杠螺母副的支承方式與傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、剛度密切相關(guān)。常用的支承形式有以下三種： ①、一端固定、一端自由的支承形式。這種安裝方式僅在一端裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推理角接觸球軸承或滾針/推力圓柱滾子軸承，并進(jìn)行軸向預(yù)緊；另一端完全自由，不做支撐。這種支承方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

65、，但承載能力較小，總剛度較低，且隨著螺母位置的變化剛度變化較大。通常是用于絲杠長(zhǎng)度、行程不長(zhǎng)的情況。 ②一端固定、一端游動(dòng)的支承方式。這種安裝方式在一端裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推理角接觸球軸承或推理滾針/圓柱滾子軸承，另一端裝深溝球軸承，僅作徑向支撐，軸向游動(dòng)。適用于是絲杠長(zhǎng)度、行程較長(zhǎng)的情況。 ③兩端固定的支承方式，如圖4-1所示。這種安裝方式在兩端度裝可以承受雙向軸向載荷與徑向載荷的推理角接觸球軸承或推理滾針/圓柱滾子軸承， 那個(gè)兩端采用雙重支承，并進(jìn)行預(yù)緊，提高了剛度。這種結(jié)構(gòu)可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為軸承的預(yù)緊力。 考慮各種情況，選擇兩端固定的支承方式。如圖4-1所示。 4.3. 電機(jī)的選擇 轉(zhuǎn)矩： 根據(jù)轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速，選擇FANUC AC SERVO ΑC8 SERIES 第五章 支 承 件 5.1. 導(dǎo)軌 導(dǎo)軌主要用來支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)。 一、對(duì)導(dǎo)軌的要求 機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力和使用壽命。 1、導(dǎo)向精度 導(dǎo)軌在空載和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確度。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾