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1、兰州工业学院毕业设计（论文）题目 加工中心主轴系统设计系 别 机电工程学院 专 业 机电一体化技术 班 级 机电114班 姓 名 姚 继 祖 学 号 201101104436 指导教师（职称）高 成 秀(副教授) 日 期 2014年3月9号 摘要随着现代机械制造行业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，立式加工中心在各种场合的使用越来越普遍，技术也越来越成熟。本课题的目的是进行卧式加工中心主轴组件的结构设计，并满足相关的技术指标要求。本次毕业设计对卧式加工中心的工艺特点进行了分析，对主轴箱和刀库进行整机总体方案拟定及结构设计，并对关键零件的承载能力进行分析，最后用CAD绘制部件装配图、零件图。
2、本文在查阅大量国内外文上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较特点，并拟定了较为合理的结构方案。关键词：卧式加工中心，主轴箱，刀库，主轴献的基础AbstractWithmodernmachinerymanufacturingindustry,therapiddevelopmentofnewtechnology,fulluseofnewtechnology,horizontalmachiningcenterusedinavarietyofoccasions,moreandmorecommon,moreandmoresophisticatedtechnology.Thepurpose
3、ofthissubjectistobehorizontalmachiningcentersdesign,andmeettherelevanttechnicalrequirements.Thegraduationdesignofprocessofhorizontalmachiningcenterareanalyzed,spindleboxandknifedatabasearemadeandtheoverallschemeofthestructuredesign,andthebearingcapacityofthekeypartsareanalyzed,finallyuseCADdrawings,
4、partsgraphdrawingparts.Basedonconsultingliteraturesthroughresearch,onthebasisofanalyzingthedifferentprocessingcenterspindlecomponent,thecomprehensivecomparativeperformancecharacteristics,anddrawsupthereasonablestructurescheme.Keywords:Horizontalprocessingcenter,spindlebox,knifelibrary,spindleII目录摘要I
5、Abstract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 绪论11.1 引言11.2 研发背景及意义11.3 加工中心的发展状况21.4课题拟解决的关键问题31.5 课题的目的及内容32 主轴整体设计42.1 加工中心主轴组件的组成42.2 机械系统方案的确定42.2.1 主轴传动机构42.2.2 主轴进给机构52.2.3 主轴准停机构62.2.4 刀具自动夹紧机构82.2.5 切屑清除机构102.3 伺服驱动系统方案的确定112.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定123 主轴组件的主运动部件153.1 主轴电动机的选用153.1.1 主
6、电机功率估算153.1.2 主电机选型163.2.1 主轴的结构设计163.2.2 主轴受力分析203.2.3 主轴的强度校核243.2.4 主轴的刚度校核253.3 主轴组件的支承263.3.1 主轴轴承的配置263.3.2 主轴轴承的预紧273.3.3 主轴轴承设计计算293.4 同步带的设计计算293.5 主轴组件的润滑与密封333.5.1 主轴组件的润滑333.5.2 主轴组件的密封343.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定353.6 键的设计计算363.6.1 主轴上的键363.7 液压缸的设计计算374 主轴组件的进给运动部件394.1 进给电动机的选用394.1.1 进给电动机
7、功率的估算394.1.2 进给电动机的选用394.2 联轴器的设计计算404.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算404.3.1 切削力估算404.3.2 滚珠丝杠副的设计计算411）滚珠丝杠的导程的确定415 控制系统设计425.1控制系统总体设计435.2硬件设计435.3软件设计445.3.1键盘显示器接口445.3.2程序存储器（EEPROM）芯片445.3.4数据存储器）（RAM）芯片44结 论46致 谢48参考文献4951兰州工业学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 引言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如
8、：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微
9、电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2 研发背景及意义本课题是以加工中心为研究目标，从其主传
10、动系统结构及其电气系统控制系统入手，对其系统结构设计、结构组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析和主传动电气控制系统的设计的几个方面进行设计研究。为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据通过本课题的研究，使加工中心结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密。与普通数控机床的工艺装备相比较，加工中心工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压以及计算机控制，其自动化程度更高。合理使用加工中心的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。1.
11、3 加工中心的发展状况对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在40m/min以上，最高已达到90m/min。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到m/min，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外
12、加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在mm之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在300m/min左右，个别达到60m/min。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在r/min，定位精度控制在mm之内，重复定位精度控制在mm之内。在换刀速度方面，国内机床多在s，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数
13、控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.4课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件和进给组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件和进给组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求：旋转精度：旋转精度是指机床在空载低速旋转时，安装工件
14、或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度：指主轴组件和进给组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性：指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形：温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转和进给的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性：指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。1.5 课题的目的及内容本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之一。加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有：1)主轴
