xhk8025型立加工中心立柱部件设计(附件)
摘 要 本文是以的设计为，主要进行。我们基本参数,进行设计和各个比如、丝杠所需要的、以及所需的导轨、连接装、等，然后经过对比、计算各个部件的基本参数，通过这种方式选择部件型号，然后对所设计的、，进一步确定各工作部件的。导轨选用的是直线滚动导轨, 摩擦系数较小，反应速度较快。进给传动系统的电机是和联轴器直接连接;下一步我选择双螺母式，一方面是；一方面滚珠丝杠启用，可以抵消热膨胀。最后，通过从理论上确定所设计的要求。然后出和。 ； 轴承 ；联轴器 ；导轨Abstract This paper is based on the design of XHK8025 vertical machining center column as the research object. Using?the?given?basic?parameters?for?design?of?feed?drive?mechanism?and?working?parts:for example,?ball?lead?screw,?a?lead?screw?bearing?support,?and?the?guide?rail?and?indispensable connection?coupling?device,?and?the?source?and?motive?force?of?drive?motor?and?other.Then through?the?comparison?and?calculation?of?the?parameters?of?the?various?parts?of?the?choice?of?model,?the?parts?of?the?design?of?the?strength,?life?check?to?determine?the?reliability?and feasibility?of?the?various?parts?of?the?work.Linear?rolling?guide?rail,?the?friction?coefficient?is?small,?fast?response.?The?feed?drive?is?directly?connected?with?the?sha
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ft?coupling.?For?this?reason,?I?choose?the?double?nut?type?ball?screw?to?achieve?high?positioning?,?and?the?ball?screw?enables?the?pre-stretching?device?to?counteract?the?thermal?expansion.Finally,through the calculation and analysis from the theory to determine the design of the components meet the design requirements. use of the CAXA draw column key part of the assembly drawing and part drawings.Key words: Vertical machining center ; bearing; coupling；guides ;引言························································11 绪论························································· 1我国加工中心的目前现状·····································11.2我国加工中心的发展趋势····································121.3计题目及设计要求·········································21.4论文的最终完成成果········································22 加工中心立柱部分总体方案设计思路·······························22.1机床机构方案的确定·········································22.2 Z 轴进给伺服系统的确定·······································33 进给传动部件的设计············································33.1导轨的设计·················································33.1.1导轨概述···············································33.1.2直线运动导轨副截面形状以及外形图示的分类·····················43.1.3 直线滚动导轨····································53.2 滚珠丝杠的设计·············································53.2.1滚珠丝杠螺母副概述·····································53.2.2滚珠丝杆螺母副工作原理································63.2.3滚珠丝杠间隙与调整····································73.2.4滚珠丝杠的选定方式以及要求·····························73.2.5滚珠丝杠支撑方式的选取和轴承的选择类型············ 73.3 电机的选择···············································103.3.1电机概述··············································103.3.2交流和直流伺服电机性能比较····························103.4 联轴器选择···············································113.5 加工中心Z向传动系统提高精度的一些措施····························133.5.1螺母的预紧···········································133.5.2轴承的预紧·········································· 133.5.3丝杠预紧·············································144 Z向进给传动部件的进行设计并且进行校核··························144.1 技术要求··················································144.2 滚珠丝杠的设计计算········································144.2.1 计算滚珠丝杠的轴向负载力························144.2.2 滚珠丝杠螺母副的动负荷进行计算和直径进行估算···············144.2.3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷··························184.2.4 测定承用轴承的规格型号····················194.3 驱动电机的选型与计算······································214.4 联轴器的选型··············································234.5 滚珠丝杠规格型号的确定··························255 立柱的设计············································255.1立柱材料的选用········································25·总结····························································25·致谢····························································26·参考文献·························································27 引言 加工中心是数控铣床上带有自动刀库发展过来的，具有高速度、高精度特点。加工中心立柱是，其结构设计是加工中心设计与制造的关键之一。我设计的课题是XHK8025立式加工中心立柱部件的设计（主要包括导轨、丝杠、联轴器的结构设计）,依据XHK8025型立式加工中心的特点要求,进行立柱结构设计。 本设计的原则是以加工中心的应用为主，兼顾理论分析，要求所设计的产品具有实用性。 说明书内容在设计过程中得到了张思第老师的大力支持和耐心的指导，同时也得到同学以及朋友们的热心帮助，在此表示衷心的感谢。1 绪论1.1我国加工中心的目前现状 经过我查阅相关资料对我国加工中心产业的发展趋势进行了分析后，得出了如下的结论 一是我国加工中心技术与国外发达国家相比，最起码有30年的差距。 二是自主创新能力低。加工中心的硬件及软件方面均比较落后，急需改善。 三是根据市场导向，与企业一起携手发展技术创新体系尚未形成，国家有待调控支持，否则无法有效整合相关技术，来发展高新科学技术。1.2我国加工中心的发展趋势 如今，我国的现代技术发展趋势往往是高速度化，高精度化。目前加工中心正在朝着以下几个方向发展。 1.高速度、高精度化。速度和精度是加工效率和产品质量最根本的参数，要引起重视。 2.刀库机构，拥有多种刀具，这是一种可自动换刀装置，装上了它就可以在一台机床上同时进行多种方式进行加工比如说铣削，镗削，切削等。加工中心一般是三根轴分别是x、z、y，可进行多面体切削，这样的加工中心可以对一个零件的不同部位进行多种切削加工需要。 3 五轴联动技术。联动是加工中心的轴按照一定的速度同时到达已经设定好的点，即五个轴都可以。这属于高精密技术，目前没有普遍。1.3 设计题目及设计要求1加工中心特征 （1）我是设计十字滑座式结构来作为机床工作台，并且不断的改善部件结构，采取哪种设计可以使它达到结构稳定、刚度高，精度稳定好。 （2）各大铸件皆采用高级铸铁铸造，而且还需要进行退火处理，为的是消除它的残留内应力。 （3）我设计的进给传动系统是无齿隙弹性联轴器与电机直接连接，应用双螺母式滚珠丝杠进行传动。 （4）因为丝杠受热胀冷缩影响，为此需要采用预拉伸装置，避免因此产生误差，从而影响它的运转。2机械规格 该课题分为刀库、立柱、工作台、主轴箱、4个子课题，根据名单序号分配题目。1.4论文的最终完成成果 通过本次设计，我对我国加工中心的发展现状、趋势了解了许多，为我以后的工作奠定基础；XHK8025型立式加工中心各工作部件设计例如丝杠系统的设计，导轨的设计，丝杠的选型，驱动电机的选型及各工作部件的结构原理及安装方式，并完成相对应的图纸。2数控加工中心立柱部分总体方案设计思路2.1加工中心机构方案的确定 加工中心的外形和设计要求，如图 它台面为十字工作台形式，可纵横方向进行移动，主轴箱可以上下进行移动，因为均衡主轴箱的重量，需要在立柱体内部进行放置所需的平衡锤，这样就能够削减滚珠丝杆的轴向拉力。2．2进给伺服系统的选择方案 我设计的z轴进给伺服系统从其中选择一个作为设计方案。开环没有检测装置，无法进行反馈功能，插补能力不足；半闭环具有速度反馈功能，可以通过交流和直流伺服电机进行驱动；闭环具有位置检测装置来进行反馈达到位移精确功能。我最终选择半闭环伺服系统作为的设计方案、选择用交流伺服电机进行驱动，并且通过电机内的脉冲编码器，速度检测器件来行成半闭环控制，方便接受反馈，达到准确移动目的，安装调试比较方便。3 进给传动部件的设计3.1导轨的设计3.1.1 导轨概述导轨如图所示，导轨上有两个导轨副在导轨上进行运动，这样的运动形式通常有上下滑动，互转运动。选择导轨时需要以下达到要求（a）导向精度 沿着导轨进行直线运动时它具有直线度，进行圆周运动的时候具有圆度。 （b）耐磨性 导轨在长期使用过程中会产生磨损，磨损后的的导向精度能不能满足运动时的定位精度叫做耐磨性。（c）疲劳和压溃 导轨在长期使用过程中因为过载而使导轨表面产生压损，多次以后就会形成疲劳状态，从而使导轨产生塑性变形到表面进行龟裂、剥落甚至出现凹坑的过程，这种现象就是压溃现象，发现及时更换。（d）刚度 导轨长期工作时会发生疲劳和压溃的现象，这样可能使导轨运动时直线度和圆度与工作部件的相对位置有差距，甚至脱离，所以以上的原因给我们一个指导，选择足够的刚度，能保持导轨长期正常工作状态。（e）结构的工艺性 在设计导轨的时候，力求结构简单，工艺性及经济性都要好。还要注意制造、调整与维修的方便性。3.1.2 以下是根据它们的特点列的表矩形导轨 矩形支撑刚度较高，并且它可以承受较大的负载，比较稳定，刚性好。三角导轨 它是对称性的，两侧可以接受同等负载，而且定位方便。3）导轨这种结构虽然接触面最少但是在封闭式导轨中它的连接还是比较稳定的，并且它的缺点是经过运作一段时间会产生磨损这样就导致自动补偿间隙失效，从而产生间隙，不过可以通过用镶条来进行调整间隙。4）圆柱形导轨它的外径是可以进行磨削，直径也是一样，而且它的刚度较高，容易加工制造，加工内孔时需要经过研磨可才能达到精密式的配合运动，但是经过磨损以后就会难以调整间隙了。3.1.3 分析直线滚动导轨的设计1）导轨通常由滚动导轨副、滑块、内部滚珠、反向装置、密封端盖和挡板几部分进行组成的，通过以上导轨内部结构图可以看出导轨和滑块做相对运动时，滚珠就会在导轨上进行滚动运行。直线滚动导轨具有以下优点 直线滚动导轨原理就是滚珠在滚道里滚动使滑块进行移动，这样就可以使他们之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，这使得两者之间的摩擦力大大降低。除了具有以上优点外，还具有都比较方便的优点。从设计它开始，首先它就是一个独立的工作部件，各方面支撑技术要求不高，但是需要满足运动。3.2滚珠丝杠的设计3.2.1滚珠丝杠螺母副工作原理从如下图滚珠丝杠的结构图及外形图可以看出，滚珠运动的螺旋滚道就是滚珠丝杠3和螺母1上两者之间组成的圆弧形的螺旋式槽，这个就是。而螺母上的圆圈形式的并且是1-螺母；2-滚珠；3-丝杠；4-滚珠回路装置；5-端盖图3-5 滚珠丝杠的结构图及外形图2）的特点（1）传动，小。（2）滚珠丝杠和存在，而为了消除它就会工作之前进行适当的。滚珠丝杠的较高，。 （3）具有，既可以从转换成运动，也可以转换成旋转运动 。（4），使用寿命长。（5）。3.2.2 滚珠丝杠间隙与调整①滚珠丝杠的间隙 间隙——是指丝杠与螺母之间无相对转动时丝杠与螺母间的最大轴向窜动量，是轴向间隙。该间隙是由两部分组成一是结构本身存在的游隙。二是施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。 ②滚珠丝杠的预紧我们进行工作之前进行预紧，这样方便提升轴向刚度和传动精度。预紧的条件是采用双螺母，预紧方式如下从图可以看出，中间垫片的厚度是可以调节的，这样就可以使两个丝杠螺母进行轴向位移，紧接着就是进行通过预紧方式预先添加载荷来达到消除它的间隙的目的。左向移动，便可消除右螺母与丝杠的间隙。3.2.3滚珠丝杠螺母副支撑方式的选择以及轴承的选择我们进行设计方案需要满足加工中心进给系统精度要高、刚度也要高的要求，要选择用精度高的、刚度高的滚珠丝杠螺母副之外，还需要重视谁是支撑谁是被支撑。我们设计时就要注意选择哪种轴承，选择要求。 滚珠丝杠支承结构形式特点及应用支撑方式图示支撑方式系数特点及应用一端固定一端自由（F-O）0.251.8751、丝杠的轴向刚度比两端固定低2、丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低3、设计时尽量使丝杠受拉伸4、适用于较短和竖直的丝杠一端固定一端游动（F-S）2.03.9271、这需要保持两方同轴支撑，结构比较复杂，工艺比较困难2、丝杠的轴向刚度和F-O相同3、压杆稳定和临界转速比同长度的F-O型高两端固定（F-F）4.004.7301、只需轴承无间隙，那么滚珠丝杠的轴向刚度就为一端固定的4倍2、通常情况下滚珠丝杠是不会受到压力问题，也没有压力杆是否稳定等问题，而且它的固有频率会比一端固定的要高3、适用于对刚度和位移精度要求高的场合注——计算压力杆稳定性的轴承支撑距离；——计算临界转速的轴承支承距离。表——《现代实用机床设计手册》上册2）所用轴承除了自身的滚珠丝杠副重量外径向负荷也可能会有一些的启闭扭矩，没有其他负载。所以，我对滚珠丝杠轴承的要求不管轴向得精度、刚度还是径向的精度、刚度都要高许多。选择滚珠丝杠所用的轴承还要依据该轴承是一种特殊的轴承，与滚珠丝杆进行相配合，其特点还有①它的接触角比较大，通过尼龙注塑成型，可以容下较多的钢球，（2）组配方式的选择①背靠背组配（DB法）力线的作用是向外发散，这使得在轴承之间的枢轴距离变大②面对面组配（DF法）它是线收敛的内力，使轴承之间的有效距离变小，有效防止轴向运动轴承密封形式采用毛毡密封，且使用单毡圈式，由于毛毡与轴之间的摩擦角大，长期使用易把轴磨出沟槽，一般多采用轴套与毛毡圈接触的结构。如下图图2-33.3电机的选择3.3.1 电机概述1、伺服电机在伺服系统中占有重要地位加工中心对伺服系统的技术要求，主要是靠伺服电机来实现的。其性能的优劣在很大程度上影响着伺服系统的性能。2、种类步进电机直流（交流）伺服电机 3.3.2交流和直流伺服电机性能比较 1.低频特性不同振动抖动现象是常出现在步进电机低速度运行情况下，此时动力不足无法正常运行所以出现抖动。而交流伺服电机不会出现这种状态，它的运行状态比较是平稳的。2.矩频特性不同 步进电机输出转矩随转速的增加而降低，在高速运行时会突然出现一个突然的急剧下降，即步进电机的转矩频率特性。而在超过额定转速时则需要恒功率进行输出。3. 过载能力不同 步进电机通常运行情况下是没有过载能力。通常运行状态下交流伺服电机是拥有过载能力的，可以带动重物进行运动。4.速度响应性能不同 步进电机工作转速从静止到加速需要200～400毫秒。交流伺服电机从静止加速到加速度只有几毫秒，这是非常适合需要快速启动和停止控制的场合。根据以上4点，交流伺服电机在这些方面都比步进电机要好的。有时候也会选用步进电机作为驱动电机，那是在要求不高的状态下选用的。2）交流伺服电机的（1）额定功率电动机在下运行时，一般已给出确定的功率参数。（2）额定转速电动机在额定电压下，达到额定功率时的转速。（3）额定转矩电动机在额定状态下运行时的转矩。（4）最大扭矩是电动机重要的因素之一。由以上分析得出的结论选用大的扭矩，额定功率满足的驱动电机。3.4 联轴器电机通过联轴器直接连接丝杠。这样简化了立柱内部结构，缩短传动链，提高了传动精度。1、联轴器的分类（1）刚性联轴器 ① 固定式联轴器，代表性的有凸缘联轴器、套筒联轴器等。② 可移式联轴器，代表性的有十字联轴器、齿轮联轴器等。（2）弹性联轴器可分为以下两类① 金属弹性联轴器，主要有簧片联轴器、无齿隙联轴器和波形联轴器。② 非金属弹性联轴器，主要有轮胎式联轴器、全圆橡胶联轴器和橡胶联轴器。无齿隙联轴器是单节型联轴器，有三个部件组成上下轴套，中间有一个旋转齿，可进行轴向插入式装配，还能进行盲装，这样大大节省了时间；通常不需要特意维护，可以直接目测并且检查问题，而且他的通用性是极强的。如图无齿隙弹性联轴器结构图3.5 机床Z向传动系统精度的提高措施3.5.1 螺母的预紧 图3-27 丝杠上下螺母预紧示意图 滚珠丝杠工作过程中会产生热膨胀，从而导致导程的增加，从而影响轴承的定位精度。为了减少热膨胀，我们将滚珠丝杠进行预拉伸。滚珠丝杆拉伸预紧在滚珠丝杆副以前施加的轴向载荷，轴向载荷通过套筒到轴承的内圈，轴承上的移动，和轴承外圈的一部分是滚珠丝杠轴承座顶死，外圈不可以进行移动，内圈可以向上进行移动，这样就使轴向发生弹性变形，接着在传给滚珠丝杠，滚珠丝杠连接电机轴端支承轴承被固定了，不能进行移动，依据它的反作用力，给滚珠丝杆未完全固定端一个拉伸力，这样使得滚珠丝杠产生预拉伸单量，预拉伸单量可以抵消热膨胀量，这就是预拉伸消除热膨胀过程。因此本设计中如上图，采用对丝杠螺母副预紧的方式来提高丝杠刚度。具体在固定丝杠轴承两端安装分别装有圆螺母（如图圆螺母1）和止动垫片通过拉伸上下螺母来预紧螺母，达到提高丝杠刚度的目的。3.5.2 轴承预紧通常情况下，滚动轴承都会有一定的内部游隙，一般在轴承的安装的时候，我们通常为了消除间隙对轴承进行预紧过程，这样使得滚动体内外套圈间产生一定的变形，来达到需要的工作要求，此时轴承在负游隙状态下运转。负游隙是滚动轴承使用的特点之一。轴承的预紧起到作用如下（1）提高轴承的轴向精度以及轴向定位。（2）降低轴承的振动及噪声，并且减少轴向径向的窜动量。（3）提高轴承的使用寿命。（4）预防振纹损伤和减小摩擦磨损。 3.5.3 丝杠预紧滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，因此滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求高。为了达到加工中心进给系统高精度、高刚度的要求。如图所示。图3-32 滚珠丝杠两端固定支承方式4 进给系统传动部件设计校核4.1技术要求Lz=300mm,V=15m/mm,导轨，W=5000N,要求工作寿命20000h 额定功率设置为P = 1.5KW，D＝125mm，n=4000/min，切削状况如表4-1。4.2 滚珠丝杠的设计计算4.2.1 计算滚珠丝杠的负载力计算进给牵引力。（1）（2）4.2.2 滚珠丝杠的直径估算1． 3. 计算额定动载荷（1）按预定工作时间估算。= （4-8）式中——；——工作寿命，取——，取——，查表取；——，查表取——，查表取。滚珠丝杠1） 根据所需的参数来估计滚珠丝杆的可以满足的类型必须满足下式=（）m 从角度看，需要对的进行满足必须满足下式=（~）m机床的为m，为m，则=（）×m=（）m=（）×m=（）m计算结果较小的值，，即允许滚珠丝杠的越小越好。2） 滚珠丝杠的。我们这里的支承方式，进行验算滚珠丝杆螺纹底径，则 =㎜ 式中L—。L= 3）选择滚珠丝杠的规格型号、、分别计算出来，已知，的原则， 初步选择双螺母DFU(DIN 69051FORM B)型滚珠丝杠其具体参数如下表3-14:表3-14:mmmmmmkgfkgf5mm 、公称直径40mm、动负载1280kgf 9.8=12544N=12544N>=4529.6 N=25㎜>=2.25 ㎜故。4.2.3 滚珠丝杠承载能力校核1．的计算。滚珠丝杠属于细长杆，其，其。这里的滚珠丝杠是采用所以取得， 当的时候需要进行，由于丝杠采用，可以按公式计算 ，满足要求。2．滚珠丝杠螺母副。劳寿命L和寿命时间的计算L= r = h 式中——，查得——（N），取—— （r/min），取——；一般运转时取； h20000正常情况下，在设计加工中心，以确保滚珠丝杠螺母副可以工作，4.2.4 支撑轴承规格型号（1）计算轴承所承受的最大轴向载荷。=（2）计算。 N（3）计算轴承的。（4）计算轴承的。C 式中n---取—（h），取h；P—（N），+；—（N），；—（N），=；—（N），==因为所以查表得，分别为故=（5） 参照数据表 注表——《现代实用机床设计手册》946页选用，。该轴承的额定动载荷Ca=30000NC=满足要求。4.3 驱动电机的选型与计算1根据给定的基本参数选择合适的电机额定功率1.5kw,最高转速 4000rpm根据下表，选择SGMPH-15A型交流伺服电动机 电机的外形是方正的、空间比较紧凑有性价比，噪声较低、运行效率较高，它的运行状态下过载能力强。防水防尘有防护等级，要保证电动机在低温或者高温状态下均可进行使用。功能参数该电机基本参数为额定功率1.5kw，最高转速可达5000转，高于我们所需的电机最高转速。4.4 联轴器规型号的选用 1．无齿隙弹性联轴器型号的选用根参照以下的型号进行选择。选用ROTEX-GS无齿隙弹性联轴器。根据前面所选电机的电机轴轴径为19，丝杠连接电机部分的轴径为30，选定ROTEXGS-28型联轴器。4.5 滚珠丝杠规格型号的确定（2）根据以上可以知道滚珠丝杠的规格型号。型号 。 ；5 立柱5.1 立柱加工中心柱主要以主轴箱为主要的支承作用，以满足主轴的运动，柱应具有良好的刚度和良好的抗冲击和热变形。加工中心柱通常采用封闭式或封闭式结构，主轴箱在中、上、下沿立柱导轨上移动。5.2 立柱材料的确定立柱选用材料为灰铸铁，具备抗振性好、接近零件形状及尺寸、工艺灵活性强、成本低等特点。总结经过6个月的时间从查阅资料，实体观察，图纸设计，然后校核，说明书定稿。在这次毕业设计的过程中，每星期的与老师见一次面每一次都受益匪浅，每当遇到困难时，张老师会及时给我们解惑，有什么结构不懂，老师会分析给我们听，然后自己真正懂了才算完全解决这个问题。一开始先进性设计构想，阅览从图书馆借来的资料，细致的梳理我所要设计的部件。在者参考设计图，进行caxa图纸绘制，先定尺寸，在绘外形，内部机构一步一步确定。最主要的Z轴进给系统的设计和计算各个部件强度及选型，我查了许多资料完成计算。从计算方面，我对工作原理、类型选择和强度、寿命检查和安装等各方面的问题进行了详细的了解，需要注意的问题，各零部件之间的结构关系。最终通过老师的认可然后才确认定稿以及完成本次毕业设计的方案。功夫不负有心人，这次的设计为我后面的工作奠定基础，踏入社会将认真学习，成为一个专业工作者。致 谢通过这次毕业设计——对立式加工中心XHK8025的立柱机部件设计，我要向敬爱的张老师表示最诚挚的感谢。因为您的多次指导，解决了围困的我的难题，经历了6个月时间，和同学们一起设计一起见老师指导，在设计中进行合作，非常愉快。感谢我的同学对我的帮助，谢谢。这一次的设计完成后就代表我们即将毕业了，感谢给我这个平台学习，感谢每一位老师对我的教学指导，这里就是我人生中财富的一个向上阶梯，我很感谢这里，人生路漫漫，积极向上，为社会做贡献，是我以后的职责。再一次感谢你们。参考文献[1]张曙. 数控机床发展的新趋势. 机电产品开发与创新，2005.5[2]盛伯浩. 数控机床的现状与发展. 制造技术与机床，2004.1[3]沈旭东．先进制造技术对我国制造业提出新要求．［Ｊ］．中国科技成果．2006[4]桑书林.数控机床造型设计特点分析.机床与液压，1998[5]赵中敏.机床数控改造探讨.中国设备工程，2005[6]文怀兴、夏田．数控机床系统设计．北京化学工业出版社．2005[7] 夏田.数控加工中心设计.北京.化学工业出版社.2006[8]昊天.数控机床附件发展趋势 ，机械工程师， 2003年8期[9] Xiao-Shan Gao and Dongming Wang. NC Technology and Applications. Academic Press, 2000 Jan.15[10] MC1210．MAINTENAANCE MANNUAL．MAKINO MILLING MACHINE CO．LTD
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ft?coupling.?For?this?reason,?I?choose?the?double?nut?type?ball?screw?to?achieve?high?positioning?,?and?the?ball?screw?enables?the?pre-stretching?device?to?counteract?the?thermal?expansion.Finally,through the calculation and analysis from the theory to determine the design of the components meet the design requirements. use of the CAXA draw column key part of the assembly drawing and part drawings.Key words: Vertical machining center ; bearing; coupling；guides ;引言························································11 绪论························································· 1我国加工中心的目前现状·····································11.2我国加工中心的发展趋势····································121.3计题目及设计要求·········································21.4论文的最终完成成果········································22 加工中心立柱部分总体方案设计思路·······························22.1机床机构方案的确定·········································22.2 Z 轴进给伺服系统的确定·······································33 进给传动部件的设计············································33.1导轨的设计·················································33.1.1导轨概述···············································33.1.2直线运动导轨副截面形状以及外形图示的分类·····················43.1.3 直线滚动导轨····································53.2 滚珠丝杠的设计·············································53.2.1滚珠丝杠螺母副概述·····································53.2.2滚珠丝杆螺母副工作原理································63.2.3滚珠丝杠间隙与调整····································73.2.4滚珠丝杠的选定方式以及要求·····························73.2.5滚珠丝杠支撑方式的选取和轴承的选择类型············ 73.3 电机的选择···············································103.3.1电机概述··············································103.3.2交流和直流伺服电机性能比较····························103.4 联轴器选择···············································113.5 加工中心Z向传动系统提高精度的一些措施····························133.5.1螺母的预紧···········································133.5.2轴承的预紧·········································· 133.5.3丝杠预紧·············································144 Z向进给传动部件的进行设计并且进行校核··························144.1 技术要求··················································144.2 滚珠丝杠的设计计算········································144.2.1 计算滚珠丝杠的轴向负载力························144.2.2 滚珠丝杠螺母副的动负荷进行计算和直径进行估算···············144.2.3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷··························184.2.4 测定承用轴承的规格型号····················194.3 驱动电机的选型与计算······································214.4 联轴器的选型··············································234.5 滚珠丝杠规格型号的确定··························255 立柱的设计············································255.1立柱材料的选用········································25·总结····························································25·致谢····························································26·参考文献·························································27 引言 加工中心是数控铣床上带有自动刀库发展过来的，具有高速度、高精度特点。加工中心立柱是，其结构设计是加工中心设计与制造的关键之一。我设计的课题是XHK8025立式加工中心立柱部件的设计（主要包括导轨、丝杠、联轴器的结构设计）,依据XHK8025型立式加工中心的特点要求,进行立柱结构设计。 本设计的原则是以加工中心的应用为主，兼顾理论分析，要求所设计的产品具有实用性。 说明书内容在设计过程中得到了张思第老师的大力支持和耐心的指导，同时也得到同学以及朋友们的热心帮助，在此表示衷心的感谢。1 绪论1.1我国加工中心的目前现状 经过我查阅相关资料对我国加工中心产业的发展趋势进行了分析后，得出了如下的结论 一是我国加工中心技术与国外发达国家相比，最起码有30年的差距。 二是自主创新能力低。加工中心的硬件及软件方面均比较落后，急需改善。 三是根据市场导向，与企业一起携手发展技术创新体系尚未形成，国家有待调控支持，否则无法有效整合相关技术，来发展高新科学技术。1.2我国加工中心的发展趋势 如今，我国的现代技术发展趋势往往是高速度化，高精度化。目前加工中心正在朝着以下几个方向发展。 1.高速度、高精度化。速度和精度是加工效率和产品质量最根本的参数，要引起重视。 2.刀库机构，拥有多种刀具，这是一种可自动换刀装置，装上了它就可以在一台机床上同时进行多种方式进行加工比如说铣削，镗削，切削等。加工中心一般是三根轴分别是x、z、y，可进行多面体切削，这样的加工中心可以对一个零件的不同部位进行多种切削加工需要。 3 五轴联动技术。联动是加工中心的轴按照一定的速度同时到达已经设定好的点，即五个轴都可以。这属于高精密技术，目前没有普遍。1.3 设计题目及设计要求1加工中心特征 （1）我是设计十字滑座式结构来作为机床工作台，并且不断的改善部件结构，采取哪种设计可以使它达到结构稳定、刚度高，精度稳定好。 （2）各大铸件皆采用高级铸铁铸造，而且还需要进行退火处理，为的是消除它的残留内应力。 （3）我设计的进给传动系统是无齿隙弹性联轴器与电机直接连接，应用双螺母式滚珠丝杠进行传动。 （4）因为丝杠受热胀冷缩影响，为此需要采用预拉伸装置，避免因此产生误差，从而影响它的运转。2机械规格 该课题分为刀库、立柱、工作台、主轴箱、4个子课题，根据名单序号分配题目。1.4论文的最终完成成果 通过本次设计，我对我国加工中心的发展现状、趋势了解了许多，为我以后的工作奠定基础；XHK8025型立式加工中心各工作部件设计例如丝杠系统的设计，导轨的设计，丝杠的选型，驱动电机的选型及各工作部件的结构原理及安装方式，并完成相对应的图纸。2数控加工中心立柱部分总体方案设计思路2.1加工中心机构方案的确定 加工中心的外形和设计要求，如图 它台面为十字工作台形式，可纵横方向进行移动，主轴箱可以上下进行移动，因为均衡主轴箱的重量，需要在立柱体内部进行放置所需的平衡锤，这样就能够削减滚珠丝杆的轴向拉力。2．2进给伺服系统的选择方案 我设计的z轴进给伺服系统从其中选择一个作为设计方案。开环没有检测装置，无法进行反馈功能，插补能力不足；半闭环具有速度反馈功能，可以通过交流和直流伺服电机进行驱动；闭环具有位置检测装置来进行反馈达到位移精确功能。我最终选择半闭环伺服系统作为的设计方案、选择用交流伺服电机进行驱动，并且通过电机内的脉冲编码器，速度检测器件来行成半闭环控制，方便接受反馈，达到准确移动目的，安装调试比较方便。3 进给传动部件的设计3.1导轨的设计3.1.1 导轨概述导轨如图所示，导轨上有两个导轨副在导轨上进行运动，这样的运动形式通常有上下滑动，互转运动。选择导轨时需要以下达到要求（a）导向精度 沿着导轨进行直线运动时它具有直线度，进行圆周运动的时候具有圆度。 （b）耐磨性 导轨在长期使用过程中会产生磨损，磨损后的的导向精度能不能满足运动时的定位精度叫做耐磨性。（c）疲劳和压溃 导轨在长期使用过程中因为过载而使导轨表面产生压损，多次以后就会形成疲劳状态，从而使导轨产生塑性变形到表面进行龟裂、剥落甚至出现凹坑的过程，这种现象就是压溃现象，发现及时更换。（d）刚度 导轨长期工作时会发生疲劳和压溃的现象，这样可能使导轨运动时直线度和圆度与工作部件的相对位置有差距，甚至脱离，所以以上的原因给我们一个指导，选择足够的刚度，能保持导轨长期正常工作状态。（e）结构的工艺性 在设计导轨的时候，力求结构简单，工艺性及经济性都要好。还要注意制造、调整与维修的方便性。3.1.2 以下是根据它们的特点列的表矩形导轨 矩形支撑刚度较高，并且它可以承受较大的负载，比较稳定，刚性好。三角导轨 它是对称性的，两侧可以接受同等负载，而且定位方便。3）导轨这种结构虽然接触面最少但是在封闭式导轨中它的连接还是比较稳定的，并且它的缺点是经过运作一段时间会产生磨损这样就导致自动补偿间隙失效，从而产生间隙，不过可以通过用镶条来进行调整间隙。4）圆柱形导轨它的外径是可以进行磨削，直径也是一样，而且它的刚度较高，容易加工制造，加工内孔时需要经过研磨可才能达到精密式的配合运动，但是经过磨损以后就会难以调整间隙了。3.1.3 分析直线滚动导轨的设计1）导轨通常由滚动导轨副、滑块、内部滚珠、反向装置、密封端盖和挡板几部分进行组成的，通过以上导轨内部结构图可以看出导轨和滑块做相对运动时，滚珠就会在导轨上进行滚动运行。直线滚动导轨具有以下优点 直线滚动导轨原理就是滚珠在滚道里滚动使滑块进行移动，这样就可以使他们之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，这使得两者之间的摩擦力大大降低。除了具有以上优点外，还具有都比较方便的优点。从设计它开始，首先它就是一个独立的工作部件，各方面支撑技术要求不高，但是需要满足运动。3.2滚珠丝杠的设计3.2.1滚珠丝杠螺母副工作原理从如下图滚珠丝杠的结构图及外形图可以看出，滚珠运动的螺旋滚道就是滚珠丝杠3和螺母1上两者之间组成的圆弧形的螺旋式槽，这个就是。而螺母上的圆圈形式的并且是1-螺母；2-滚珠；3-丝杠；4-滚珠回路装置；5-端盖图3-5 滚珠丝杠的结构图及外形图2）的特点（1）传动，小。（2）滚珠丝杠和存在，而为了消除它就会工作之前进行适当的。滚珠丝杠的较高，。 （3）具有，既可以从转换成运动，也可以转换成旋转运动 。（4），使用寿命长。（5）。3.2.2 滚珠丝杠间隙与调整①滚珠丝杠的间隙 间隙——是指丝杠与螺母之间无相对转动时丝杠与螺母间的最大轴向窜动量，是轴向间隙。该间隙是由两部分组成一是结构本身存在的游隙。二是施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。 ②滚珠丝杠的预紧我们进行工作之前进行预紧，这样方便提升轴向刚度和传动精度。预紧的条件是采用双螺母，预紧方式如下从图可以看出，中间垫片的厚度是可以调节的，这样就可以使两个丝杠螺母进行轴向位移，紧接着就是进行通过预紧方式预先添加载荷来达到消除它的间隙的目的。左向移动，便可消除右螺母与丝杠的间隙。3.2.3滚珠丝杠螺母副支撑方式的选择以及轴承的选择我们进行设计方案需要满足加工中心进给系统精度要高、刚度也要高的要求，要选择用精度高的、刚度高的滚珠丝杠螺母副之外，还需要重视谁是支撑谁是被支撑。我们设计时就要注意选择哪种轴承，选择要求。 滚珠丝杠支承结构形式特点及应用支撑方式图示支撑方式系数特点及应用一端固定一端自由（F-O）0.251.8751、丝杠的轴向刚度比两端固定低2、丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低3、设计时尽量使丝杠受拉伸4、适用于较短和竖直的丝杠一端固定一端游动（F-S）2.03.9271、这需要保持两方同轴支撑，结构比较复杂，工艺比较困难2、丝杠的轴向刚度和F-O相同3、压杆稳定和临界转速比同长度的F-O型高两端固定（F-F）4.004.7301、只需轴承无间隙，那么滚珠丝杠的轴向刚度就为一端固定的4倍2、通常情况下滚珠丝杠是不会受到压力问题，也没有压力杆是否稳定等问题，而且它的固有频率会比一端固定的要高3、适用于对刚度和位移精度要求高的场合注——计算压力杆稳定性的轴承支撑距离；——计算临界转速的轴承支承距离。表——《现代实用机床设计手册》上册2）所用轴承除了自身的滚珠丝杠副重量外径向负荷也可能会有一些的启闭扭矩，没有其他负载。所以，我对滚珠丝杠轴承的要求不管轴向得精度、刚度还是径向的精度、刚度都要高许多。选择滚珠丝杠所用的轴承还要依据该轴承是一种特殊的轴承，与滚珠丝杆进行相配合，其特点还有①它的接触角比较大，通过尼龙注塑成型，可以容下较多的钢球，（2）组配方式的选择①背靠背组配（DB法）力线的作用是向外发散，这使得在轴承之间的枢轴距离变大②面对面组配（DF法）它是线收敛的内力，使轴承之间的有效距离变小，有效防止轴向运动轴承密封形式采用毛毡密封，且使用单毡圈式，由于毛毡与轴之间的摩擦角大，长期使用易把轴磨出沟槽，一般多采用轴套与毛毡圈接触的结构。如下图图2-33.3电机的选择3.3.1 电机概述1、伺服电机在伺服系统中占有重要地位加工中心对伺服系统的技术要求，主要是靠伺服电机来实现的。其性能的优劣在很大程度上影响着伺服系统的性能。2、种类步进电机直流（交流）伺服电机 3.3.2交流和直流伺服电机性能比较 1.低频特性不同振动抖动现象是常出现在步进电机低速度运行情况下，此时动力不足无法正常运行所以出现抖动。而交流伺服电机不会出现这种状态，它的运行状态比较是平稳的。2.矩频特性不同 步进电机输出转矩随转速的增加而降低，在高速运行时会突然出现一个突然的急剧下降，即步进电机的转矩频率特性。而在超过额定转速时则需要恒功率进行输出。3. 过载能力不同 步进电机通常运行情况下是没有过载能力。通常运行状态下交流伺服电机是拥有过载能力的，可以带动重物进行运动。4.速度响应性能不同 步进电机工作转速从静止到加速需要200～400毫秒。交流伺服电机从静止加速到加速度只有几毫秒，这是非常适合需要快速启动和停止控制的场合。根据以上4点，交流伺服电机在这些方面都比步进电机要好的。有时候也会选用步进电机作为驱动电机，那是在要求不高的状态下选用的。2）交流伺服电机的（1）额定功率电动机在下运行时，一般已给出确定的功率参数。（2）额定转速电动机在额定电压下，达到额定功率时的转速。（3）额定转矩电动机在额定状态下运行时的转矩。（4）最大扭矩是电动机重要的因素之一。由以上分析得出的结论选用大的扭矩，额定功率满足的驱动电机。3.4 联轴器电机通过联轴器直接连接丝杠。这样简化了立柱内部结构，缩短传动链，提高了传动精度。1、联轴器的分类（1）刚性联轴器 ① 固定式联轴器，代表性的有凸缘联轴器、套筒联轴器等。② 可移式联轴器，代表性的有十字联轴器、齿轮联轴器等。（2）弹性联轴器可分为以下两类① 金属弹性联轴器，主要有簧片联轴器、无齿隙联轴器和波形联轴器。② 非金属弹性联轴器，主要有轮胎式联轴器、全圆橡胶联轴器和橡胶联轴器。无齿隙联轴器是单节型联轴器，有三个部件组成上下轴套，中间有一个旋转齿，可进行轴向插入式装配，还能进行盲装，这样大大节省了时间；通常不需要特意维护，可以直接目测并且检查问题，而且他的通用性是极强的。如图无齿隙弹性联轴器结构图3.5 机床Z向传动系统精度的提高措施3.5.1 螺母的预紧 图3-27 丝杠上下螺母预紧示意图 滚珠丝杠工作过程中会产生热膨胀，从而导致导程的增加，从而影响轴承的定位精度。为了减少热膨胀，我们将滚珠丝杠进行预拉伸。滚珠丝杆拉伸预紧在滚珠丝杆副以前施加的轴向载荷，轴向载荷通过套筒到轴承的内圈，轴承上的移动，和轴承外圈的一部分是滚珠丝杠轴承座顶死，外圈不可以进行移动，内圈可以向上进行移动，这样就使轴向发生弹性变形，接着在传给滚珠丝杠，滚珠丝杠连接电机轴端支承轴承被固定了，不能进行移动，依据它的反作用力，给滚珠丝杆未完全固定端一个拉伸力，这样使得滚珠丝杠产生预拉伸单量，预拉伸单量可以抵消热膨胀量，这就是预拉伸消除热膨胀过程。因此本设计中如上图，采用对丝杠螺母副预紧的方式来提高丝杠刚度。具体在固定丝杠轴承两端安装分别装有圆螺母（如图圆螺母1）和止动垫片通过拉伸上下螺母来预紧螺母，达到提高丝杠刚度的目的。3.5.2 轴承预紧通常情况下，滚动轴承都会有一定的内部游隙，一般在轴承的安装的时候，我们通常为了消除间隙对轴承进行预紧过程，这样使得滚动体内外套圈间产生一定的变形，来达到需要的工作要求，此时轴承在负游隙状态下运转。负游隙是滚动轴承使用的特点之一。轴承的预紧起到作用如下（1）提高轴承的轴向精度以及轴向定位。（2）降低轴承的振动及噪声，并且减少轴向径向的窜动量。（3）提高轴承的使用寿命。（4）预防振纹损伤和减小摩擦磨损。 3.5.3 丝杠预紧滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，因此滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求高。为了达到加工中心进给系统高精度、高刚度的要求。如图所示。图3-32 滚珠丝杠两端固定支承方式4 进给系统传动部件设计校核4.1技术要求Lz=300mm,V=15m/mm,导轨，W=5000N,要求工作寿命20000h 额定功率设置为P = 1.5KW，D＝125mm，n=4000/min，切削状况如表4-1。4.2 滚珠丝杠的设计计算4.2.1 计算滚珠丝杠的负载力计算进给牵引力。（1）（2）4.2.2 滚珠丝杠的直径估算1． 3. 计算额定动载荷（1）按预定工作时间估算。= （4-8）式中——；——工作寿命，取——，取——，查表取；——，查表取——，查表取。滚珠丝杠1） 根据所需的参数来估计滚珠丝杆的可以满足的类型必须满足下式=（）m 从角度看，需要对的进行满足必须满足下式=（~）m机床的为m，为m，则=（）×m=（）m=（）×m=（）m计算结果较小的值，，即允许滚珠丝杠的越小越好。2） 滚珠丝杠的。我们这里的支承方式，进行验算滚珠丝杆螺纹底径，则 =㎜ 式中L—。L= 3）选择滚珠丝杠的规格型号、、分别计算出来，已知，的原则， 初步选择双螺母DFU(DIN 69051FORM B)型滚珠丝杠其具体参数如下表3-14:表3-14:mmmmmmkgfkgf5mm 、公称直径40mm、动负载1280kgf 9.8=12544N=12544N>=4529.6 N=25㎜>=2.25 ㎜故。4.2.3 滚珠丝杠承载能力校核1．的计算。滚珠丝杠属于细长杆，其，其。这里的滚珠丝杠是采用所以取得， 当的时候需要进行，由于丝杠采用，可以按公式计算 ，满足要求。2．滚珠丝杠螺母副。劳寿命L和寿命时间的计算L= r = h 式中——，查得——（N），取—— （r/min），取——；一般运转时取； h20000正常情况下，在设计加工中心，以确保滚珠丝杠螺母副可以工作，4.2.4 支撑轴承规格型号（1）计算轴承所承受的最大轴向载荷。=（2）计算。 N（3）计算轴承的。（4）计算轴承的。C 式中n---取—（h），取h；P—（N），+；—（N），；—（N），=；—（N），==因为所以查表得，分别为故=（5） 参照数据表 注表——《现代实用机床设计手册》946页选用，。该轴承的额定动载荷Ca=30000NC=满足要求。4.3 驱动电机的选型与计算1根据给定的基本参数选择合适的电机额定功率1.5kw,最高转速 4000rpm根据下表，选择SGMPH-15A型交流伺服电动机 电机的外形是方正的、空间比较紧凑有性价比，噪声较低、运行效率较高，它的运行状态下过载能力强。防水防尘有防护等级，要保证电动机在低温或者高温状态下均可进行使用。功能参数该电机基本参数为额定功率1.5kw，最高转速可达5000转，高于我们所需的电机最高转速。4.4 联轴器规型号的选用 1．无齿隙弹性联轴器型号的选用根参照以下的型号进行选择。选用ROTEX-GS无齿隙弹性联轴器。根据前面所选电机的电机轴轴径为19，丝杠连接电机部分的轴径为30，选定ROTEXGS-28型联轴器。4.5 滚珠丝杠规格型号的确定（2）根据以上可以知道滚珠丝杠的规格型号。型号 。 ；5 立柱5.1 立柱加工中心柱主要以主轴箱为主要的支承作用，以满足主轴的运动，柱应具有良好的刚度和良好的抗冲击和热变形。加工中心柱通常采用封闭式或封闭式结构，主轴箱在中、上、下沿立柱导轨上移动。5.2 立柱材料的确定立柱选用材料为灰铸铁，具备抗振性好、接近零件形状及尺寸、工艺灵活性强、成本低等特点。总结经过6个月的时间从查阅资料，实体观察，图纸设计，然后校核，说明书定稿。在这次毕业设计的过程中，每星期的与老师见一次面每一次都受益匪浅，每当遇到困难时，张老师会及时给我们解惑，有什么结构不懂，老师会分析给我们听，然后自己真正懂了才算完全解决这个问题。一开始先进性设计构想，阅览从图书馆借来的资料，细致的梳理我所要设计的部件。在者参考设计图，进行caxa图纸绘制，先定尺寸，在绘外形，内部机构一步一步确定。最主要的Z轴进给系统的设计和计算各个部件强度及选型，我查了许多资料完成计算。从计算方面，我对工作原理、类型选择和强度、寿命检查和安装等各方面的问题进行了详细的了解，需要注意的问题，各零部件之间的结构关系。最终通过老师的认可然后才确认定稿以及完成本次毕业设计的方案。功夫不负有心人，这次的设计为我后面的工作奠定基础，踏入社会将认真学习，成为一个专业工作者。致 谢通过这次毕业设计——对立式加工中心XHK8025的立柱机部件设计，我要向敬爱的张老师表示最诚挚的感谢。因为您的多次指导，解决了围困的我的难题，经历了6个月时间，和同学们一起设计一起见老师指导，在设计中进行合作，非常愉快。感谢我的同学对我的帮助，谢谢。这一次的设计完成后就代表我们即将毕业了，感谢给我这个平台学习，感谢每一位老师对我的教学指导，这里就是我人生中财富的一个向上阶梯，我很感谢这里，人生路漫漫，积极向上，为社会做贡献，是我以后的职责。再一次感谢你们。参考文献[1]张曙. 数控机床发展的新趋势. 机电产品开发与创新，2005.5[2]盛伯浩. 数控机床的现状与发展. 制造技术与机床，2004.1[3]沈旭东．先进制造技术对我国制造业提出新要求．［Ｊ］．中国科技成果．2006[4]桑书林.数控机床造型设计特点分析.机床与液压，1998[5]赵中敏.机床数控改造探讨.中国设备工程，2005[6]文怀兴、夏田．数控机床系统设计．北京化学工业出版社．2005[7] 夏田.数控加工中心设计.北京.化学工业出版社.2006[8]昊天.数控机床附件发展趋势 ，机械工程师， 2003年8期[9] Xiao-Shan Gao and Dongming Wang. NC Technology and Applications. Academic Press, 2000 Jan.15[10] MC1210．MAINTENAANCE MANNUAL．MAKINO MILLING MACHINE CO．LTD
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