畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）立式加工中心垂直工作臺(tái)及主軸設(shè)計(jì)方案選型

1、一拖學(xué)院論文題目： 立式加工中心垂直工作臺(tái)及主軸設(shè)計(jì)方案選型 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 i第1章 緒論目錄第1章 緒論21.1 加工中心21.2 加工中心的發(fā)展21.3 我國機(jī)械加工中心發(fā)展的現(xiàn)狀分析31.4 我國機(jī)械加工中心的發(fā)展趨勢4第2章 加工中心概述62.1 加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)62.2 加工中心的分類72.3 加工中心的用途92.4 加工中心的構(gòu)成92.5 jcs018a型加工中心的傳動(dòng)系統(tǒng)112.6 jcs018a型加工中心主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)112.7 jcs018型加工中心進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)122.8 jcs018型加工中心主軸部件132.9 jcs018a型加工中心主軸準(zhǔn)停裝置142.10

2、 jcs018型加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)14第3章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定183.1 確定主運(yùn)動(dòng)的配置形式及變速方式183.2 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定203.2.1 主軸端部的結(jié)構(gòu)形式203.2.2 主軸軸承的選擇213.2.3 滾動(dòng)軸承的間隙與預(yù)緊223.2.4 滾動(dòng)軸承的精度223.2.5 主軸軸承的支撐形式223.2.6 主軸的準(zhǔn)停24第4章 立式加工中心垂直工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)鏈方案選擇254.1 機(jī)床對(duì)垂直工作臺(tái)的要求254.2 垂直工作臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)選型264.2.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的組成264.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分方案確定27緒論1.1 加工中心加工中心(comp

3、uterized numerical control machine )簡稱cnc，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動(dòng)換刀功能，是對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時(shí)間、測量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。1.2 加工中心的發(fā)展（1）高速化 加工中心

4、的高速化，主要是指主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給單元的加速度、自動(dòng)換刀裝置和自動(dòng)托盤交換裝置的高速化。目前，日本新瀉鐵工機(jī)床廠生產(chǎn)的ush10型數(shù)控銑床主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100000r/min。1996年日本還研制出了一臺(tái)臥式加工中心，其最大進(jìn)給速度可達(dá)80m/min。德國目前也已研制出加速度為2.5g（普通機(jī)床的進(jìn)給加速度只有0.10.3g），主軸轉(zhuǎn)速為60000r/min，進(jìn)給速度為60m/min的高速機(jī)床。 （2）進(jìn)一步提高精度 進(jìn)一步提高精度就是使工件加工精度逐漸接近坐標(biāo)鏜床。例如，瑞士迪克西(dixi)公司的dix1280tca型精密加工中心，其坐標(biāo)定位精度已達(dá)到每500mm行程0.003

5、mm，b坐標(biāo)(回轉(zhuǎn)工作臺(tái))精度已達(dá)到3。 （3）功能的完善 加工中心功能的完善首先表現(xiàn)在愈來愈完善的自診斷功能。為了盡可能地減少加工中的故障，現(xiàn)代加工中心大多配備完善的自診斷功能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測功能、適應(yīng)控制功能、備用刀具選擇功能、溫度傳感器、聲傳感器和電流傳感器等。這些功能和傳感器使機(jī)床具有一定的人工智能。其次，加工中心的性能，在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能，所以不斷開發(fā)出相對(duì)高精度、高速度、高效率要求的數(shù)控裝置，把控制機(jī)器人、測量、上下料等功能納入到cnc內(nèi)。例如，德國werner公司的tc系列臥式加工中心，它采用了主軸功率監(jiān)控、切削負(fù)荷監(jiān)控、刀具長

6、度監(jiān)控和聲納技術(shù)檢測刀具破損情況等新技術(shù)，從而使加工中心的使用更加安全、可靠。 1.3 我國機(jī)械加工中心發(fā)展的現(xiàn)狀分析加工中心最初是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的。第一臺(tái)加工中心是1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中加工。二十世紀(jì)70年代以來，加工中心得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工。機(jī)械制造技術(shù)是研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工制造、銷售使用、維修服務(wù)乃至回收再生的整個(gè)過程的工程學(xué)科，是以提高質(zhì)量、效

7、益、競爭力為目標(biāo)，包含物質(zhì)流、信息流和能量流的完整的系統(tǒng)工程。 2009年3月在上海舉行的“中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)”上，展出了多臺(tái)國內(nèi)生產(chǎn)的五軸加工中心。如濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司展出的龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，工作臺(tái)長6m,寬2m，采用立式主軸回轉(zhuǎn)，a軸轉(zhuǎn)角100度，c軸轉(zhuǎn)角200度，這個(gè)龐然大物吸引了許多參觀者，它標(biāo)志著中國數(shù)控機(jī)床工業(yè)達(dá)到了先進(jìn)水平。上海第三機(jī)床廠、第四機(jī)床廠制造的立臥加工中心，工作臺(tái)630mm2，采用高速內(nèi)冷電主軸，主軸可立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)可以360度等分，類似于上述簡單配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心，可對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，盡管還沒有配置五軸，也非常實(shí)用?，F(xiàn)在加工中心逐漸成為機(jī)械

8、加工業(yè)中最主要的設(shè)備，它加工范圍廣，使用量大。近年來在品種、性能、功能方面有很大的發(fā)展。品種：有新型的立、臥五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可用于航空、航天零件加工；有專門用于模具加工的高性能加工中心，集成三維cad/cam對(duì)模具復(fù)雜的曲面超精加工；有適用于汽車、摩托車大批量零件加工的高速加工中心，生產(chǎn)效率高且具備柔性化。性能：普遍采用了萬轉(zhuǎn)以上的電主軸，最高可達(dá)610萬轉(zhuǎn)；直線電機(jī)的應(yīng)用使機(jī)床加速度達(dá)到了3-5g；執(zhí)行iso/vdi檢測標(biāo)準(zhǔn)，促使制造商提高加工中心的雙向定位精度。功能：糅合了激光加工的復(fù)合功能，結(jié)構(gòu)上適合于組成模塊式制造單元(fmc)和柔性生產(chǎn)線(fms)，并具有機(jī)電、通訊一體化功能。 1

9、.4 我國機(jī)械加工中心的發(fā)展趨勢加工中心高效、高精、高速的發(fā)展趨勢 隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、紡織、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)床的精度和生產(chǎn)效率要求也越來越高，主軸轉(zhuǎn)速12 000r/min以上、快移速度大于40m/min的高效高精機(jī)床已經(jīng)是機(jī)床行業(yè)流興的趨勢。立式加工中心五軸聯(lián)動(dòng)的趨勢 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高，專門用于加工復(fù)雜曲面的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國家的hang空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。 機(jī)床的復(fù)合化，與機(jī)器人的有效結(jié)合提高了生產(chǎn)效率 為了提高生產(chǎn)效率，最

10、大限度降低生產(chǎn)成本，把工業(yè)機(jī)器人同機(jī)床有效地結(jié)合在一起，讓機(jī)器人從事簡單而且重復(fù)的勞動(dòng)www.mms，不但可以節(jié)省大筆的人工費(fèi)用，同時(shí)，機(jī)器人不會(huì)疲勞且不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，因而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定起到了很大的作用。 機(jī)床更注重細(xì)節(jié)處理和環(huán)境保護(hù) “綠色生態(tài)機(jī)床”是近年來機(jī)床行業(yè)的一種發(fā)展趨勢，其強(qiáng)調(diào)了機(jī)床、環(huán)境、人三者之間的關(guān)系，目地是大幅度提高機(jī)床生產(chǎn)效率的同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)操作者健康的危害。機(jī)床行業(yè)加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及未來走勢情況過去五軸加工中心多為德國、美國、日本、意大利制造，令人欣喜的是今年3月在上海舉行的“中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)”上，展出了多臺(tái)國內(nèi)生產(chǎn)的五軸加工中心。如濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司展出的

11、龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，工作臺(tái)長6m,寬2m，采用立式主軸回轉(zhuǎn)，a軸轉(zhuǎn)角100度，c軸轉(zhuǎn)角200度，這個(gè)龐然大物吸引了許多參觀者，它標(biāo)志著中國數(shù)控機(jī)床工業(yè)達(dá)到了先進(jìn)水平。上海第三機(jī)床廠、第四機(jī)床廠制造的立臥加工中心，工作臺(tái)630mm2，采用高速內(nèi)冷電主軸，主軸可立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)可以360度等分，類似于上述簡單配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心，可對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，盡管還沒有配置五軸，也非常實(shí)用。現(xiàn)在加工中心逐漸成為機(jī)械加工業(yè)中最主要的設(shè)備，它加工范圍廣，使用量大。近年來在品種、性能、功能方面有很大的發(fā)展。品種：有新型的立、臥五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可用于航空、航天零件加工；有專門用于模具加工的高性

12、能加工中心，集成三維cad/cam對(duì)模具復(fù)雜的曲面超精加工；有適用于汽車、摩托車大批量零件加工的高速加工中心，生產(chǎn)效率高且具備柔性化。性能：普遍采用了萬轉(zhuǎn)以上的電主軸，最高可達(dá)610萬轉(zhuǎn)；直線電機(jī)的應(yīng)用使機(jī)床加速度達(dá)到了3-5g；執(zhí)行iso/vdi檢測標(biāo)準(zhǔn)，促使制造商提高加工中心的雙向定位精度。功能：糅合了激光加工的復(fù)合功能，結(jié)構(gòu)上適合于組成模塊式制造單元(fmc)和柔性生產(chǎn)線(fms)，并具有機(jī)電、通訊一體化功能。領(lǐng)先一步的機(jī)床制造商正在構(gòu)想2010年的“加工中心”，它將是萬能型的設(shè)備，可用于車、銑、磨、激光加工等，成為真正意義上的加工中心。全自動(dòng)地從材料送進(jìn)，到成品產(chǎn)出，粗精加工、淬硬處理

13、、超精加工，自動(dòng)檢測、自動(dòng)校正，將無所不能。設(shè)備將重視環(huán)保、節(jié)能，呈現(xiàn)出綠色制造業(yè)的標(biāo)志。21世紀(jì)時(shí)代特征的it功能是絕對(duì)不可少的，設(shè)備將通過網(wǎng)絡(luò)與外界交換信息，獲得最新的技術(shù)成果，人類的智慧將在高科技產(chǎn)品加工中心上得到充分的展現(xiàn)。5一拖學(xué)院第2章 加工中心概述2.1 加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）機(jī)床的剛度高、抗振性好 為了滿足加工中心高自動(dòng)化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動(dòng)剛度和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機(jī)床(機(jī)床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的靜剛度；機(jī)床在動(dòng)態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的動(dòng)剛度)。 （2）機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高，速度快 加工中心傳動(dòng)

14、裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿-蝸母條；預(yù)加載荷雙齒輪-齒條。它們由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達(dá)15mmin，最高可達(dá)100mmin； （3）主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)(特殊的也只保留12級(jí)齒輪傳動(dòng)) 主軸功率大，調(diào)速范圍寬，并可無級(jí)調(diào)速。目前加工中心95以上的主軸傳動(dòng)都采用交流主軸伺服系統(tǒng)，速度可從1020000rmin無級(jí)變速。驅(qū)動(dòng)主軸的伺服電機(jī)功率一般都很大，是普通機(jī)床的12倍，由于采用交流伺服主軸系統(tǒng)，主軸電動(dòng)機(jī)功率雖大，但輸出功率與實(shí)際消耗的功率保持同步，不存在大馬拉小車那種浪費(fèi)電力的情況，因此其工作效率最高，從節(jié)能角度看，加工

15、中心又是節(jié)能型的設(shè)備； （4）加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新結(jié)構(gòu) 能長期的保持導(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。導(dǎo)軌采用鋼導(dǎo)軌、淬火硬度hrc ，與導(dǎo)軌配合面用聚四氟乙烯貼層。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)：a摩擦系數(shù)??；b耐磨性好；c.減振消聲；d工藝性好。所以加工中心的精度壽命比一般的機(jī)床高； （5）設(shè)置有刀庫和換刀機(jī)構(gòu) 這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動(dòng)化加工的能力更強(qiáng)了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達(dá)幾百把。這些刀具通過換刀機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)用和更換，也可通過控制系統(tǒng)對(duì)刀具壽命進(jìn)行管理； （6）控制系統(tǒng)功能較全 它不

16、但可對(duì)刀具的自動(dòng)加工進(jìn)行控制，還可對(duì)刀庫進(jìn)行控制和管理，實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換。有的加工中心具有多個(gè)工作臺(tái)，工作臺(tái)可自動(dòng)交換，不但能對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行自動(dòng)加工，而且可對(duì)一批工件進(jìn)行自動(dòng)加工。這種多工作臺(tái)加工中心有的稱為柔性加工單元。隨著加工中心控制系統(tǒng)的發(fā)展，其智能化的程度越來越高，如fanucl6系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、在線自動(dòng)編程，通過彩色顯示器與手動(dòng)操作鍵盤的配合，還可實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除，具有前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能。加工過程中可實(shí)現(xiàn)在線檢測，檢測出的偏差可自動(dòng)修正，保證首件加工一次成功，從而可以防止廢品的產(chǎn)生。2.2 加工中心的分類按加工工序分類，可分為兩大類（1）鏜銑（2）車銑

17、按換刀形式分類1）帶刀庫、機(jī)械手的加工中心該加工中心的換刀裝置(automatictoolchanger)是由刀庫和機(jī)械手組成的，并由機(jī)械手來完成換刀工作。這是加工中心最普遍采用的形式，jcs018a型立式加工中心就屬于這一類。 2）無機(jī)械手的加工中心無機(jī)械手的加工中心的換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動(dòng)作來完成的，一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運(yùn)動(dòng)到的位置，或者是整個(gè)刀庫或某一刀位能移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置的辦法。刀庫中刀具存放位置方向與主軸裝刀方向一致。換刀時(shí)，主軸運(yùn)動(dòng)到刀位上的換刀位置，由主軸直接取走或放回刀具。采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心多為這種無機(jī)械手式的，xh754型臥式加工中心

18、就是這一類型。 3）轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心小型立式加工中心一般采用轉(zhuǎn)塔刀庫形式，它主要以孔加工為主。zh5120型立式鉆削加工中心就是轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心。 按數(shù)控系統(tǒng)分類按數(shù)控系統(tǒng)的不同有兩種分類方法：一種可分為兩坐標(biāo)加工中心、三坐標(biāo)加工中心和多坐標(biāo)加工中心；另一種可分為半閉環(huán)加工中心和全閉環(huán)加工中心。 按控制軸數(shù)分類按控制軸數(shù)可分為：（1）三軸加工中心（2）四軸加工中心（3）五軸加工中心。按主軸與工作臺(tái)相對(duì)位置分類(1)臥式加工中心 是指主軸軸線與工作臺(tái)平行設(shè)置的加工中心，主要適用于加工箱體類零件。臥式加工中心一般具有分度轉(zhuǎn)臺(tái)或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可加工工件的各個(gè)側(cè)面；也可作多個(gè)坐標(biāo)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以便加工復(fù)

19、雜的空間曲面。(2)立式加工中心 是指主軸軸線與工作臺(tái)垂直設(shè)置的加工中心，主要適用于加工板類、盤類、模具及小 型殼體類復(fù)雜零件。立式加工中心一般不帶轉(zhuǎn)臺(tái)，僅作頂面加工。此外，還有帶立、臥兩個(gè)主軸的復(fù)合式加工中心，和主軸能調(diào)整成臥軸或立軸的立臥可調(diào)式加工中心，它們能對(duì)工件進(jìn)行五個(gè)面的加工。(3)萬能加工中心(又稱多軸聯(lián)動(dòng)型加工中心) 是指通過加工主軸軸線與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線的角度可控制聯(lián)動(dòng)變化，完成復(fù)雜空間曲面加工的加工中心。適用于具有復(fù)雜空間曲面的葉輪轉(zhuǎn)子、模具、刃具等工件的加工。多工序集中加工的形式擴(kuò)展到了其他類型數(shù)控機(jī)床，例如車削中心，它是在數(shù)控車床上配置多個(gè)自動(dòng)換刀裝置，能控制三個(gè)以上的坐標(biāo)

20、，除車削外，主軸可以停轉(zhuǎn)或分度，而由刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行銑削、鉆削、鉸孔和攻絲等工序，適于加工復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)體零件。2.3 加工中心的用途用途：加工中心承擔(dān)精密、復(fù)雜的多任務(wù)加工。加工中心既可以單機(jī)使用，也能在計(jì)算機(jī)輔助控制下多臺(tái)同時(shí)使用，構(gòu)成柔性生產(chǎn)線，還可以與工業(yè)機(jī)器人、立體倉庫等姐合成無人化工廠。2.4 加工中心的構(gòu)成加工中心有各種類型，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但總體上是由以下幾大部分組成。（1） 基礎(chǔ)部件由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成，它們是加工中心結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)部件。這些大件有鑄鐵件，也有焊接的鋼結(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，因此必須具備更高的靜動(dòng)剛度，也是加工中心中質(zhì)量和體

21、積最大的部件。（2）主軸部件由主軸箱、主袖電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟動(dòng)、停止等動(dòng)作和轉(zhuǎn)速均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具進(jìn)行切削。主軸部件是切削加工的功率輸出部件，是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)加工中心的性能有很大的影響。（3）數(shù)控系統(tǒng)由 cnc 裝置、可編程序控制器、伺眼驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分組成是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和控制加工過程的中心（4） 自動(dòng)換刀裝置 （atc）加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對(duì)零件進(jìn)行多工序加工的能力，有一套自動(dòng)換刀裝置。加工中心的結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 l-底座 2-立柱 3-x軸伺服驅(qū)動(dòng) 4-y軸伺服驅(qū)動(dòng) 5-z軸伺

22、服驅(qū)動(dòng) 6-十字滑臺(tái)與工作臺(tái) 7-操作箱 8-斗簽式刀庫 9-主軸 10-主軸箱 11-z向防護(hù)罩 12-水箱 13-排屑裝置 14-整體防護(hù) 15-電器柜 16-x向?qū)к壏雷o(hù) 17-y向?qū)к壏雷o(hù) 18-氣動(dòng)與潤滑2.5 jcs018a型加工中心的傳動(dòng)系統(tǒng)jcs018a型加工中心的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2所示，它存在五條傳動(dòng)鏈：主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈，縱向、橫向、垂直方向傳動(dòng)鏈，刀庫的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈。它們分別用來實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸箱的升降運(yùn)動(dòng)以及選擇刀具時(shí)刀庫的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2-2jcs018a型加工中心傳動(dòng)系統(tǒng) 圖2-22.6 jcs018a型加工中心主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主軸電動(dòng)機(jī)

23、通過一對(duì)同步帶輪將運(yùn)動(dòng)傳給主軸，使主軸在22.52250rmin的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。主軸電動(dòng)機(jī)采用了fanucac12型交流伺服電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)30min超載時(shí)的最大輸出功率為15kw，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大輸出功率為11kw，計(jì)算轉(zhuǎn)速為1500rmin。jcs018a型加工中心在主軸電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)中加了功率限制，使電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率為7.5kw(30min超載)和5.5kw(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn))，電動(dòng)機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)速為750rmin，即加大了恒功率區(qū)域。 圖2-3為該加工中心的功率、扭矩特性曲線，圖中實(shí)線為電動(dòng)機(jī)的特性，虛線為主軸的特性。其功率特性曲線如圖2-3（a）所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為4545

24、00rmin，其中在7504500rmin轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒功率區(qū)域。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過12齒形帶輪傳給主軸，主軸的轉(zhuǎn)速范圍為22.52250rmin，主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為375rmin，轉(zhuǎn)速在3752250rmin的范圍內(nèi)為主軸的恒功率區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，主軸傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率5.5kw（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）或7.5kw（30min超載）。其扭矩特性曲線如圖2-3（b)所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在45750rmin范圍內(nèi)為恒扭矩區(qū)域，其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大輸出扭矩為70nm，電動(dòng)機(jī)30min超載時(shí)的最大輸出扭矩為95.5nm。主軸恒功率區(qū)域的轉(zhuǎn)速范圍為22.5375rmin，最大輸出扭矩分別為140nm和191nm。圖2-3j

25、cs018a型加工中心的功率、扭矩特性曲線(a)功率特性曲線；(b)扭矩特性曲線 2.7 jcs018型加工中心進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)jcs018a型加工中心沿x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別是由三臺(tái)功率為1.4kw的fanucbeskdc15型寬調(diào)速直流伺服電機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。其任意兩個(gè)坐標(biāo)都可以聯(lián)動(dòng)。該立式加工中心x、y軸的快速移動(dòng)速度為14mmin，z軸的快移速度為10mmin。由于主軸箱垂直運(yùn)動(dòng)，為防止?jié)L珠絲杠因不能自鎖而使主軸箱下滑，z軸電機(jī)帶有制動(dòng)器。由于機(jī)床基礎(chǔ)件剛度高，且采用貼塑導(dǎo)軌，因此，機(jī)床在高速移動(dòng)時(shí)振動(dòng)小，低速移動(dòng)時(shí)無爬行，并有高的精度和穩(wěn)定性。 2.8 jcs0

26、18型加工中心主軸部件圖2-4中，主軸1的前支撐4配置了3個(gè)高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷，前兩個(gè)軸承大口朝下，后一個(gè)軸承大口朝上。前支撐按預(yù)加載荷計(jì)算的預(yù)緊量由預(yù)緊螺母5來調(diào)整。后支撐6為一對(duì)小口相對(duì)配置的角接觸球軸承，它們只承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式滿足主軸高轉(zhuǎn)速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長，但不影響加工精度。2.9 jcs018a型加工中心主軸準(zhǔn)停裝置機(jī)床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機(jī)械手自動(dòng)裝取刀具時(shí)，必須保證刀柄上的鍵槽對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設(shè)計(jì)的裝

27、置稱為主軸準(zhǔn)停裝置或稱為主軸定向裝置。本機(jī)床采用的是電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，即用磁力傳感器檢測定向。主軸的準(zhǔn)停裝置如圖2-5所示，主軸的尾部安裝有發(fā)磁體，它隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在距發(fā)磁體外緣12mm處，固定了一個(gè)磁傳感器，它與主軸驅(qū)動(dòng)裝置相連。主軸定向的指令由數(shù)控發(fā)出后，主軸便處于定向狀態(tài)，當(dāng)發(fā)磁體上的判別孔轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)磁傳感器上的基準(zhǔn)槽時(shí)，主軸立即停止。 圖2-5主軸的準(zhǔn)停裝置 2.10 jcs018型加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)床有三套(x、y、z軸)相同的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。圖2-6為工作臺(tái)的縱向(x向)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)由脈寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)1驅(qū)動(dòng)，采用無鍵連接方式，用鎖緊環(huán)將運(yùn)動(dòng)傳至十字滑塊聯(lián)軸節(jié)2的左連接

28、件。聯(lián)軸節(jié)的右連接件與滾珠絲杠3用鍵相連，由滾珠絲杠3、螺母4和螺母7驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。滾珠螺母由左螺母4和右螺母7組成，并固定在工作臺(tái)上。十字滑塊聯(lián)軸節(jié)2的左連接件與電機(jī)軸靠錐形鎖緊環(huán)摩擦連接。錐形鎖緊環(huán)(見左下方局部放大圖)每套有兩環(huán)，內(nèi)環(huán)為內(nèi)柱外錐，外環(huán)為外柱內(nèi)錐，此處共用了兩套。采用這種連接辦法不用開鍵槽，沒有間隙。電機(jī)軸與絲杠可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)任意角。 圖2-6工作臺(tái)的縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng) 圖2-6工作臺(tái)的縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)橫向(y軸)伺服進(jìn)給系統(tǒng)與縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。滾珠絲杠直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm。左支撐為成對(duì)的向心推力球軸承，其精度為d級(jí)，背靠背安裝，大口向外，承受徑向和軸向雙向載

29、荷，預(yù)緊力為1kn。右支撐為一向心球軸承，外圈軸向不定位，僅承受徑向載荷，絲杠升溫后可向右伸長。雖然這種結(jié)構(gòu)較簡單，但軸向剛度比兩端軸向固定方式低。滾珠絲杠的螺母座固定在工作臺(tái)下側(cè)，螺母座中安裝兩個(gè)滾珠螺母4和7，兩個(gè)螺母用連接鍵5固定它們之間的周向位置，螺母4固定在螺母座8中，螺母7可軸向調(diào)整位置。在兩個(gè)螺母間安裝兩個(gè)適當(dāng)厚度的半圓墊圈6，以消除絲杠和螺母間的間隙，并適當(dāng)?shù)仡A(yù)緊，以提高傳動(dòng)剛度。 在垂直向(z向)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，由于滾珠絲杠沒有自鎖能力，為了保證工作臺(tái)能夠停止在所需要的位置上，在電機(jī)上加有制動(dòng)裝置。當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，切斷電磁線圈的電流，由彈簧壓緊摩擦片使其制動(dòng)。圖2-7為z軸進(jìn)給

30、裝置中電機(jī)軸與滾珠絲杠的連接結(jié)構(gòu)。電機(jī)軸2與軸套3之間采用錐環(huán)無鍵連接結(jié)構(gòu)，4為相互配合的錐環(huán)。錐面有相互配合的內(nèi)外錐環(huán)，當(dāng)擰緊螺釘時(shí)，外錐環(huán)向外膨脹，內(nèi)錐環(huán)受力后向電機(jī)軸收縮，從而使電機(jī)軸與軸套連接在一起。這種連接方式無須在連接件上開鍵槽，兩錐環(huán)的內(nèi)、外圓錐面壓緊后，可以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，而且對(duì)中性較好，傳遞動(dòng)力平穩(wěn)，加工工藝性好，安裝與維修方便。選用錐環(huán)對(duì)數(shù)的多少，取決于所傳遞扭矩的大小。圖2-7 z軸進(jìn)給裝置中電機(jī)軸與滾珠絲杠的連接結(jié)構(gòu)高精度十字聯(lián)軸器由三個(gè)元件組成，其中與電機(jī)軸連接的軸套3的端面有中心對(duì)稱的凸鍵，與絲杠連接的軸套6上開有中心對(duì)稱的端面鍵槽，中間一件聯(lián)軸節(jié)5的兩端上有中心對(duì)

31、稱且互相垂直的凸鍵和鍵槽，它們分別與件3和件6相配合，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。為了保證十字聯(lián)軸器的傳動(dòng)精度，在裝配時(shí)，凸鍵與凹鍵的徑向配合面要經(jīng)過配研，以便消除反向間隙，使傳遞動(dòng)力平穩(wěn)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)為半閉環(huán)。電動(dòng)機(jī)軸端安裝脈沖編碼器作為位置反饋元件，同時(shí)也可作為速度環(huán)的速度反饋元件。直流伺服電機(jī)是可控硅控制的脈寬調(diào)速伺服電機(jī)，它具有調(diào)速范圍寬、扭矩大和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。當(dāng)采用fanuc7cm系統(tǒng)時(shí)，反饋裝置采用旋轉(zhuǎn)變壓器為位置檢測器，采用測速發(fā)電機(jī)為速度環(huán)的速度反饋元件。旋轉(zhuǎn)變壓器的分解精度為2000脈沖r，由電機(jī)軸到旋轉(zhuǎn)變壓器的升速比為51，滾珠絲杠導(dǎo)程為10mm，因此，位置檢測分辨率為10(

32、20005)=0.001mm。 圖2-8為進(jìn)給控制系統(tǒng)，從計(jì)算機(jī)來的位置指令脈沖pp，在位置偏差檢測器內(nèi)與位置檢測器送來的反饋脈沖p1比較，其差值為pe，經(jīng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(da)轉(zhuǎn)換為差值的模擬電壓ue。然后，位置控制放大器把ue放大為uc，送至速度誤差檢測器與速度檢測器來的速度(轉(zhuǎn)速)模擬電壓ug比較，其差值ua經(jīng)速度放大器放大為um去控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖2-8進(jìn)給控制系統(tǒng)框圖該機(jī)床是在工作臺(tái)不升降式銑床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，工作臺(tái)見圖2-9，滑座見圖6-20。工作臺(tái)與滑座之間為燕尾形導(dǎo)軌，絲杠位于兩導(dǎo)軌的中間?；c床身之間為矩形導(dǎo)軌。工作臺(tái)與滑座之間、滑座與床身之間，以及立柱與主軸箱間的動(dòng)導(dǎo)軌

33、面上，都貼有氟化乙烯導(dǎo)軌板。x、y軸以機(jī)床的最低進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，皆無爬行現(xiàn)象發(fā)生。圖2-9工作臺(tái)17第3章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定第3章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定3.1 確定主運(yùn)動(dòng)的配置形式及變速方式主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件確定主運(yùn)動(dòng)的配置形式及變速方式（1）普通電機(jī)機(jī)械變速系統(tǒng)主軸部件特點(diǎn)：能夠滿足各種切削運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出的要求，但變速范圍不大，由于是有級(jí)變速使切削速度的選擇受到限制，而且該配置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以現(xiàn)在僅有少數(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床采用該配置，其它已很少采用。（2）變頻器交流電機(jī)12機(jī)械變速主軸部件這種配置的結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試方便，且

34、在傳動(dòng)上能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求，但其調(diào)速范圍及特性相對(duì)于交、直流主軸電機(jī)系統(tǒng)而言要差一些。主要用于經(jīng)濟(jì)型或中低檔數(shù)控機(jī)床上。 （3）交、直主軸電機(jī) 主軸部件這種配置形式同上面一樣，但電機(jī)是性能更好交直流主軸電機(jī)，其變速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000 r/min，且控制功能豐富，可滿足中高檔數(shù)控機(jī)床的控制要求 （4）電主軸 目前，隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床

35、主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(electricspindle,motor spindle)。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”（high frequencyspindle)。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為“直接傳動(dòng)主軸”（direct drive spindle)。3.2 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定組成：主軸、支承、傳動(dòng)零件、刀具的自動(dòng)夾緊裝置、主軸的準(zhǔn)停裝置、主軸孔的清理裝置等圖為日本研制的立式加工中心主軸組件3.2.1 主軸端部的結(jié)構(gòu)形式主軸端部用于安裝刀具

36、或夾持工件的夾具，在設(shè)計(jì)要求上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、聯(lián)結(jié)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，圖30所示為普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床所通用的幾種主軸端部的結(jié)構(gòu)形式。 圖30主軸端部的結(jié)構(gòu)形式(a)車床主軸端部；(b)銑、鏜類機(jī)床主軸端部；(c)外圓磨床砂輪主軸端部；(d)內(nèi)圓磨床砂輪主軸端部；(e)普通鏜桿裝在鉆床主軸上的端部；(f)組合機(jī)床主軸端部 3.2.2 主軸軸承的選擇鑒于加工中心和高速數(shù)控加工中心的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密度的要求，普通的主軸雙聯(lián)軸承已滿足不了要求。現(xiàn)在對(duì)于高速加工中心，大多采用角接觸球軸承的組合設(shè)計(jì)。因?yàn)榻墙佑|球軸承可以同時(shí)承受徑向和一個(gè)方

37、向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高圖31主軸常用的滾動(dòng)軸承(a)錐孔雙列圓柱滾子軸承；(b)雙列推力向心球軸承；(c)雙列圓錐滾子軸承； (d)帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承；(e)帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承；(f)角接觸滾子軸承 3.2.3 滾動(dòng)軸承的間隙與預(yù)緊滾動(dòng)軸承存在較大間隙時(shí)，載荷將集中作用于受力方向上的少數(shù)滾動(dòng)體上，使得軸承剛度下降，承載能力下降，旋轉(zhuǎn)精度變差。將滾動(dòng)軸承進(jìn)行適當(dāng)預(yù)緊，使?jié)L動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道在接觸處產(chǎn)生一定量的預(yù)變形，就可使受載后承載的滾動(dòng)體數(shù)量增多，受力趨向均勻，從而提高軸承承載能力和剛度，有利于減少主軸回轉(zhuǎn)軸線的漂移，提高旋轉(zhuǎn)精度。但過盈量不宜太大，否則會(huì)使軸承的摩

38、擦磨損加劇，承載能力顯著下降。公差等級(jí)、軸承類型和工作條件不同的主軸組件，其軸承所需的預(yù)緊量各有所不同。因此，主軸組件必須具備軸承間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 3.2.4 滾動(dòng)軸承的精度主軸部件所用滾動(dòng)軸承的精度有高級(jí)e、精密級(jí)d、特精級(jí)c和超精級(jí)b。前支撐的精度一般比后支撐的精度高一級(jí)，也可以用相同的精度等級(jí)。普通精度的機(jī)床通常前支撐取c，d級(jí)，后支撐用d，e級(jí)。特高精度的機(jī)床前后支撐均用b級(jí)。 3.2.5 主軸軸承的支撐形式主軸軸承的支撐形式主要取決于主軸轉(zhuǎn)速特性的速度因素和對(duì)主軸剛度的要求。主軸軸承常見的支撐形式有以下三種，如圖32所示。 圖32主軸軸承常見的支撐形式 (a)形式一；(b)形式二；(

39、c)形式三 （1）前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對(duì)向心推力球軸承(見圖98（a）) 此配置可提高主軸的綜合剛度，滿足強(qiáng)力切削的要求。它普遍用于各類數(shù)控機(jī)床主軸。（2）前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承(見圖98（b）) 向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000rmin，但它的承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數(shù)控機(jī)床主軸。（3）前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承(見圖98（c）) 這種軸承的徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其是可承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷。其安裝、調(diào)整性能好，但這種支撐方式限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度，因此可用于中等精度、低速、重

40、載的數(shù)控機(jī)床的主軸。3.2.6 主軸的準(zhǔn)停主軸準(zhǔn)停功能又稱為主軸定位功能，即當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置，這是自動(dòng)換刀所必需的功能。在自動(dòng)換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉(zhuǎn)矩通常是通過刀桿的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位于圓周上特定角度的功能。主軸準(zhǔn)停換刀如圖99所示。當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí)，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，再退刀，因此，刀具就必須具有定位功能。主軸準(zhǔn)停階梯孔或精鏜孔如圖33所示。 圖33主軸準(zhǔn)停換刀示意圖 圖34主軸準(zhǔn)停階梯孔或精鏜孔示意圖 23 一拖學(xué)院第4章 立式加工中心垂直工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)鏈方案選擇4.1 機(jī)床對(duì)垂直工作臺(tái)的要求

41、系統(tǒng)總體方案一、機(jī)床對(duì)垂直工作臺(tái)的要求進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是以保證刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系為目的，被加工工件的輪廓精度和位置精度都要受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的直接影響。被加工件的最后輪廓精度和加工精度都會(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。為了保證數(shù)控加工中心的定位精度和輪廓的加工精度，應(yīng)對(duì)垂直進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性有相應(yīng)要求。其要求如下：1.運(yùn)動(dòng)件間的摩擦阻力小提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動(dòng)精度，減少爬行現(xiàn)象。2. 消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個(gè)傳動(dòng)鏈的各傳動(dòng)副中，直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度；因此，應(yīng)盡量消除傳動(dòng)間隙，減小反向死區(qū)誤差。設(shè)計(jì)中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動(dòng)副等方法。3.提高傳