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1、毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 卧式加工中心 Y 向 进给机构设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0707 学学 生生 刘民静 学学 号号 20070404111 指导教师指导教师 王晓琴 二 一一年五月 目 录 摘 要 I ABSTRACT I I 1 前 言 1 1 1 加工中 心 1 1 1 1 加工中心的概 述 1 1 1 2 加工中心的分 类 2 1 2 伺服进给系统 4 1 2 1 伺服系统的基本要 求 4 1 2 2 伺服系统的分 类 4 1 3 本文的主要研究内容 6 2 设计方案 7 2 1 布局方案 7 2 2 机械传动部件的
2、选 择 8 3 主要传动部件的计算与选 型 10 3 1 确定基本参 数 10 3 2 滚珠丝杠副的设 计 10 3 3 步进电动 机 15 4 重要零件的选择与设 计 18 4 1 联轴 器 1 8 4 2 立 柱 18 5 结论 20 参考文献 21 致谢 22 附录 23 1 1 前言 随着社会的不断发展 自动化加工越来越得到广泛的应用 数控加工中心是自 动制造不可或缺的工具 加工中心是数控机床中技术含量最高的机电一体化高新科 技产品 它综合了微电子 计算机 信息 自动控制 精密测量 机床制造等方面 的技术及相关配套的最新成就 集数控铣床 数控镗床 数控钻床等众多数控机床 的功能于一体
3、增加了刀具自动交换装置和刀库 可以对一次装夹中的工件进行铣 镗 钻 扩 铰 攻螺纹 车螺纹 车内槽等工序的加工 构成了以工件为中心的 多工序复合加工 成为数控机床中生产效率和自动化成多最高的综合型机床 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统 在数控机床中 伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统 在现有的技术条件下 CNC 装 置的性能已相当优异 并正在迅速向更高水平发展 而数控机床的最高运动速度 跟踪及定位精度 加工表面质量 生产率及工作可靠性等技术指标 往往又主要决 定于伺服系统的动态和静态性能 数控机床的故障也主要出现在伺服系统上 可见 提高伺服系统的技术性能和可靠性
4、 对于数控系统具有重要意义 研究与开发高性 能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 1 11 1 加工中心 加工中心是数控机床中典型的机电一体化高新科技产品 同时又是先进制造技 术不可缺少的工艺设备 它综合了微电子 计算机 自动控制 精密测量 机床制 造等方面的技术及相关配套的最新成就 是当代机床工业发展方向和先进生产力的 一种标志 多坐标联动的加工中心还是重要的战略物资 1 1 11 1 1加工中心的概述 加工中心是一种工序集中 工艺复合的数控机床 它集铣床 钻床和镗床的加 工功能于一体 在加工过程中 能够自动换刀具 对一次装夹的工件 完成铣 镗 钻 扩 铰 攻螺纹和车螺纹等加工工序
5、1958 年美国柯 特雷克 KT 公司在数控铣床上 增加了一套刀具储存和交换 装置 开发了世界上第一台自动换刀数控铣床 成功地把铣 镗 钻 扩 铰 攻 螺纹和车内槽等多种工序集合在一台机床上 通过刀具的自动交换 实现了多工序 的连续加工 在这种机床上加工零件 不管加工要素如何 机床都能够按照程序指 令 对一次装夹好的工件完成过去必须分别采用不同机床才能完成的各种工序 构 成了以被加工工件为中心的多工序复合加工 这种复合数控机床被 KT 公司称之为 Machining Center 加工中心一词是 Machining Center 一词的直译名 加工中心的出现 改变了工序的一台机床 一个工人 一
6、把刀具加工一道工序的传 统加工方法 避开了操作工人的技能和思想情绪等因素对加工效率和质量的影响 改变了传统制造业的管理模式 揭开了先进制造技术发展的序幕 这是制造业的一 次重大革命 加工中心与专用机床和组合机床的区别是 用加工中心加工零件时 当需要更 换加工零件时 只需改变加工程序和刀辅具即可进行生产 用这种设备加工零件 是属于柔性化生产方式 它最适于多品种小批量的生产和新产品的试制 而专用机 床和组合机床加工零件 更换加工零件几乎是要更新全部工艺设备 是属于刚性生 产方式 只适用于大批量的生产方式 不能实现多品种小批量的柔性生产 此外 加工中心具有高效率 高质量 高柔性 低劳动强度等优点 1
7、 1 21 1 2 加工中心的分类 加工中心发展至今已有 40 年的历史 通过厂家的不断改进 完善和创新 其品 种规格已非常齐全 据不完全统计 世界上生产的各类加工中心约有 1000 多个规格 和品种 但目前尚无统一的分类方法 习惯分类方法大致有两种 一种是按工艺用 途进行分类 另一种是结合工艺用途 按机床结构和总体布局进行分类 1 按工艺用途分类 按工艺用途进行分类 大致可分为镗铣加工中心 钻削加工中心 车削加工中 心 激光加工中心 复合加工中心和钣金加工中心 6 大类 图 1 1 立式加工中心 2 按机床结构布局进行分类 按机床结构布局对加工中心进行分类 大致可以分为立式加工中心 卧式加工
8、 中心 大型加工中心 车削加工中心 柔性加工单元 柔性生产线和柔性加工系统 6 大类 这里主要介绍一下立式加工中心和卧式加工中心 立式加工中心 立式加工中心是指机床主轴沿铅锤方向布置的加工中心 这类加工中心多从立 式铣床或立式坐标镗床演变过来的 他的加工范围基本与立式铣床相同 它可以用 来加工零件的顶部和四周侧面 对顶部加工时 可以完成各种复杂工序的复合加工 对工件四周只能完成轮廓铣削加工 如图 1 所示 卧式加工中心 卧式加工中心是指机床主轴成水平布置的加工中心 这类加工中心是从卧式铣 床或卧式镗铣床演变和发展而来的 它的加工范围基本上与卧铣相同 卧式加工中 心通常都配有回转工作台或分度转台
9、 所以它可以用来完成箱体零件的四周或圆周 面上的各种复杂的加工工序 对于箱体顶部只能用圆柱铣刀进行侧铣 回转工作台 称为第 4 轴或 C 轴 通常配有第 4 轴的卧式加工中心都可以实现 4 轴联动 加工复 杂曲面 图 1 2 卧式加工中心 1 21 2 伺服进给系统 伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中间环节 起着传递指令信息和 反馈设备运行状态信息的桥梁作用 伺服系统接受来自 CNC 装置的进给脉冲 经变 换和放大 再驱动各加工坐标轴的综合联动 使刀具相对于工件产生各种复杂的机 械运动 加工出所要求的复杂形状工件 伺服系统的性能是影响数控机床的进给速 度 定位精度 稳定性 可靠性以及加
10、工效率的主要因素 1 2 11 2 1 伺服系统的基本要求 数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩 大 为此数控机床对进给伺服系统的位置控制 速度控制 伺服电机 机械传动等 方面都有很高的要求 通常可概括为以下几方面 可逆运行 要求能灵活地正反向运行 速度范围宽 适应不同的加工条件 这就要求伺服电动机有很宽的 调速范围和优异的调速特性 经过机械传动后 电机转速的变化范围即 可转 换为进给速度的变化范围 具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 快速响应并无超调 高精度 满足数控加工精度要求 关键是保证定位精度和进给跟踪 精 度 这也是伺服系统静态性能与动态性能指标是否
11、优良的具体表现 低速大转矩 1 2 2 伺服系统的分类 伺服系统的分类方式有很多 在此主要介绍按调节理论分类 图 1 3 开环伺服系统 1 开环伺服系统 开环伺服系统 如图 1 3 即无位置反馈的系统 其驱动元件主要是功率步进 电机或液压脉冲马达 开环系统的结构简单 易于控制 但精度差 低速不稳定 高速扭矩小 一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上 2 闭环伺服系统 图 1 4 闭环系统 闭环系统是误差控制随动系统 如图 1 4 是反馈控制 反馈测量装置精度很 高 所以系统传动链的误差 环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到 补偿 从而大大的提高了跟随精度和定位精度 3 半闭环系统
12、 图 1 5 半闭环系统 位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上 而是中间经过机械传 动部件的位置转换 1 31 3 本文的主要研究内容 简要介绍加工中心的基本概况 了解数控加工中心的工作原理 对典型卧式数 控加工中心的结构进行比较 确定本次设计的总体方案 了解加工中心进给机构的 类型及工作原理 并对 Y 向进给机构进行详细设计 设计参数如下 加工中心的加工范围为 800 500 600 主轴输出功率 10KW 采用 BT40 标准刀柄 2 设计方案 2 1 布局方案 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
13、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 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
14、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 经过组内同学的思考讨论 决定选用移动立柱型的第一种 刨台型 具体的行 架结构如下 图 2 1 加工中心的架构 2 2 机械传动部件的选择 1 丝杠螺母副 丝杠的选择是设计的重点 丝杠是将回转运动转化为直线运动 或将直线运 动转化为回转运动的理想的产品 图 2 2
15、 滚珠丝杠 图 2 3 滑动丝杠 丝杠主要有滚珠丝杠和滑动丝杠 滚珠丝杠因具有以下特点 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1 3 高精度的保证 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 所以启动力矩极小 不会出 现滑动运动那样的爬行现象 能保证实现精确的微进给 无侧隙 刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 由于予压力可使 轴向间隙达到负 值 进而得到较高的刚性 高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高 发热小 所以可实现高速进给 运动 等优点 应用比较广泛 此次设计选用滚珠丝杠 2 伺服电机 数控机床伺服系统的性能在很大程度上取决于伺服驱动电动机及其驱动技术的 发展 数控机床发展的初期多采用步进电动机加液压扭矩
16、放大器 20 世纪 70 年代 初期流行使用由步进电动机 伺服阀 液压马达组成的电液脉冲马达 70 年代中后 期 开始了永磁式宽调速直流伺服电动机时代 80 年代交流伺服电机逐渐取代了直 流伺服电机 此次设计采用交流伺服电机 选择的伺服电机 应满足下列条件 在所有的进给速度范围内 包括快速移动 空载进给力矩应小于电动机额定转 矩 最大切削力矩小于电动机额定转矩 加 减速的时间应符合所希望的时间常数 快速进给频繁度在希望值以内 3 导轨副 加工中心要选择直线导轨 直线导轨包括滑动型和滚动型两种 Y 向的导轨可 选择与立柱做成一体 这样既减少了安装的过程 又可以提高轨道的强度 为了加 工立柱方便 选用滑动导轨 滑动导轨具有结构简单 制造方便 接触刚度大的优点 但传统滑动导轨摩擦 阻力大 摩损快 动静摩擦系数差别大 低速时易产生爬行现象 除简易型数控机 床外 在其他的数控机床上已不再使用 所以可以在传统的滑动导轨上贴上耐磨覆 盖层 它具有良好的耐磨性能及使用寿命长等特点 4 立柱 立柱没有标准的样式可供选择 只要完成支撑的功能 可以根据需要进行自主 设计 基本结构如图所示 图 2 4 立柱
