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1、1 前言1.1 课题研究的背景与意义 随着经济的不断发展，客户需求日益多样化，对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。因此，将卧式数控加工中心的设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。 研究和开发高性能的伺服进给系统是数控机床设计成败的关键之一。卧式加工中心伺服进给系统是以加工中心移动部件位置为控制量的自动控制系统。它根据数控装置输出的指令电脉冲信号，使机床工作台、主轴等移动部件按照规定的运动速度、运动方向和位子要求做相应的移动，并对其定位的精度加
2、以控制。卧式加工中心性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。卧式加工中心的X向进给机构是卧式加工中心伺服进给系统的重要组成部分，对实现卧式加工中心高精度、高可靠性和高稳定性的要求具有重要意义。 X向进给机构是加工中心的进给系统之一，有高定位精度及重复定位精度要求；工作台是装夹工件的基础件也是重要的移动部件，具有高精度、高刚度、高稳定性等要求。1.2 卧式加工中心在国内外的发展现状加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序
3、的集中加工。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VD
4、I检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。我国的卧式加工中心正向着自动化程度更好、机床精度更高、功能更全、切削效率更高、结构更合理的方向发展。 1.3 卧式加工中心的发展趋势从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制
5、造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。根据对美国机床购买商的最新一项调查表明，托盘直径400 mm以上的大型卧式加工中心消费量将比小型卧式加工中心以更快的速度增长。而且也出现了由立式加工中心向卧式加工中心发展
6、的趋势。 卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应长时间无人操作。又因是模块结构，可以短时间内倒入最适当规模的系统。因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机型小型化及成本控制方面下功夫。也就是说此类
7、产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度，并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基础课题的高速化研究也不断取得新的成果。由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利于提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时，也有厂家在开发不适用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠驱动，进给加速度1.5G-2G、快速进给速度120mm/min的高速卧式加工中心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为2万r/min、快速进给速度为60m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间
8、。为解决速度提高带来的热变形影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。1.4 本文研究的主要内容及要解决的问题 X向进给机构是加工中心的进给系统之一，有高定位精度及重复定位精度要求；工作台是装夹工件的基础件也是重要的移动部件，具有高精度、高刚度、高稳定性等要求。设计要求要综合考虑三向进给传动、主轴传动和回转工作台间的相关联系，类比国内外卧式加工中心机床布局、参数，综合分析技术先进性、市场竞争力、实施可行性等因素，确定切合实际的最优开发方案。 本文主要研究的是卧式加工中心X向进给机构的设计，根据卧式加工中心的加工范围要求，进行滚珠丝杠副的选取与设计，导轨的选择计算，
9、伺服电机的选择和各性能指标的验算。2 卧式加工中心总体设计方案的拟定2.1 卧式加工中心的类型卧式加工中心按立柱是否运动分为固定立柱型和移动立柱型。(1)固定立柱型1)工作台十字运动，工作台作X、Z向运动，主轴箱作Y向运动，主轴箱在立柱上有正挂、侧挂两种形式。适用于中型复杂零件的镗、铣等多工序加工。 2)主轴箱十字运动，主轴箱作X、Z向运动，工作台作Y向运动。适用于中小型零件的镗、铣等多工序加工。3)主轴箱侧挂与立柱，主轴箱作Y、Z向运动，这种布局形式与刨台型卧式铣镗床类似，工作台作X向运动。适用于中型零件镗、铣等多工序加工。(2)移动立柱型1)刨台型，床身呈T字形，工作台在前床身上作X向运动
10、，立柱在后床身上作Z向运动。主轴箱在立柱上有正挂、侧挂两种形式，作Y向运动。适用于中、大型零件，特别是长度较大零件的镗、铣等多工序加工。 2)立柱十字运动型，立柱作Z、U(与X向平行)行运动，主轴箱在立柱上作Y向运动，工作台在前床身上作X向运动。适用于中型复杂零件的镗、铣等多工序加工。3)主轴滑枕进给型，主轴箱在立柱上作Y向运动，主轴滑枕作Z向运动。立柱作X向运动。工作台是固定的，或装有回转工作台。可配备多个工作台，适用于中小型多个零件加工，工件装卸与切削时间可重合。2.2 卧式加工中心方案选择根据卧式加工中心不同的类型和卧式加工中心各技术性能的分析比较，现给出以下两种设计方案：方案一：固定立
11、柱式、十字滑鞍工作台结构卧式加工中心（如图2.1）图2.1 十字滑台、定立柱式卧式加工中心 此结构中工作台可以在水平面内实现X轴和Z轴两个方向的移动，该结构由于工作台承载工件一起运动，故常为中小型卧式加工中心采用。方案二：T型移动双立柱卧式加工中心（如图2.3）卧式加工中心常采用框架结构双立柱，主轴箱在其中移动，构成Y坐标轴，X、Z坐标轴的移动方式有所不同，要么是工作台移动如图2中（a）所示 ，要么是立柱移动如图2.2中（b）所示。以这两种基本形式为基础，通过不同的组合可以派生出多种布局形式，例如：X、Z两坐标轴都采用立柱移动，工作台完全固定的机构形式；X坐标轴采用立柱移动、Z坐标轴采用工作台
12、移动的T型床身机构形式等。 图2.2 卧式加工中心的常用布局形式 框架结构的双立柱机构对称，主轴箱在两立柱中间上下运动，大大提高了整机的结构刚度。同时主轴箱从左右两导轨的内侧进行定位，热变形产生的主轴中心变为被限制在垂直方向上，可以通过对Y轴的补偿减小热变形的影响。 T型床身机构可以是工作台沿着床身作X向移动时，在全程范围内，工作台和工件完全支撑在床身上，因此，机床刚性好，工作台承载能力强，加工精度容易得到保证。而且这种结构很容易增加X轴的行程，便于机床品种的系列化，零部件的通用化和标准化。图2.3 T型移动双立柱卧式加工中心立柱移动式机构的优点是：（1）立柱的移动在后床身上进行，这样使得前床
13、身上只有回转工作台和工作台共有三层结构，与传统的四层十字滑鞍工作台结构相比，减少了机床的结构层次，更容易保证机床大件的机构刚性，同时降低了工作台的高度，提高了操作性能；（2）Z轴的进给力与主轴的轴向切削力在同一平面内，是主轴承受的弯曲力矩减小，镗孔和铣削精度高。由于Z轴导轨用来承受随立柱部件移动的全部重量，该重量不随工件重量改变而改变时固定不变的。因此有利于提高Z轴的定位精度和精度保持性。综合上述分析，采用方案二。3 卧式加工中心X向进给机构设计3.1 设计参数(1)加工中心加工范围：800500600；(2)主轴输出功率：10KW；(3)刀柄：BT40标准刀柄；(4)伺服电机最高转速；(5)
14、最大进给力；(6)工作台质量：200N；(7)工件及夹具最大质量：800N；(8)定位精度要求：0.1/300mm；3.2 传动系统设计根据X向进给系统定位精度要求，初步选用半闭环伺服系统，交流同步伺服电机。初选伺服电机最高转速为，则滚珠丝杠的最高转速也为。取伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠直接连接，即，工作台快速进给的最高速度要求达到。基本丝杠导程 (mm) (3.1)根据精度要求，加工中心的脉冲当量可定为0.001mm/脉冲。伺服电机每转应发出的脉冲数 (3.2)由于脉冲编码器结构简单，产生的误差的环节少，转动惯量减少，使伺服特性有较大改善，所以采用脉冲编码器与电机同轴，电机与滚珠丝杠直接连
15、接，反馈信号由安装在伺服电动机上的脉冲编码器反馈到位置偏差检测器。选用每转5000脉冲的编码器，倍频器的倍数为4。3.3导轨的选择 导轨主要用来支撑和引导运动部件沿着一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方成为动导轨，不动的一方成为支撑导轨。动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。导轨是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。 数控机床对导轨的基本要求主要有以下几方面： (1)导向精度高 导向精度是指机床的动导轨沿着支承导轨运动的直线度。无论是空载还是加工，导轨都应具有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准，以保证导轨的导向精度。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形、装配质量以及动压导轨和静压导轨之间油膜的刚度。 (2)耐磨性能好 导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。精度保持性是指导轨能
