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1、1 前言1.1设计的目的本次毕业设计是为了让我们更清楚地综合运用所学的理论知识，独立进行设计，为我们即将走上工作岗位的毕业生打基础。数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，给产品结构带来了深刻的变化，而且也给传统的机械和机电专业的人才带来新的机遇和挑战。数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是精密测量、综合应用计算机技术及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为计算机集成制造系统、实现柔性制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段。随着我国综合国力的进一步加强和加入世贸组织。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控
2、技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段因此，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。目的主要有：(1)、通过对机械设计，掌握伺服电机的工作原理、控制驱动和计算控制方法方式。(2)、掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方法。(3)、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。(4)、锻炼提高学生应用手册、撰写科技论文的能力及查阅文献资料的能力。1.2设计任务 收集加工中心设计资料，了解数控加工中心的工作原理，对典型卧
3、式数控加工中心的结构进行比较，提出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Z向进给机构进行详细设计。设计参数如下：加工中心的加工围为800500600，工作台面尺寸12001000主轴输出功率10KW，采用BT40标准刀柄。2绪论2.1加工中心的构成加工中心是在数控铣床的功能于一身的一种由计算机来控制的自动化程度、高效的机床。应用加工中心这一概念，还派生了自动交换砂轮的磨削中心；在冲压加工中心自动交换模具的板材加工中心；在电火花加工中自动交换电极等。2.2加工中心的优势(1) 生产效率高 减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右
4、（普通机床仅为15%20%）；缩短了生产周期，同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，具有明显的经济效益。(2) 工序高度集中 工件在一次装夹后，数控系统根据加工需要，自动选择并更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变进给量、机床主轴的转速和刀具相对于工件的运动轨迹以及其他辅助功能，依次完成多工序的加工。因为减少了安装次数，故减少了被加工件产生误差的机会。而且这样加工的一批零件，都是在同样的安装方式、安装基准和同一加工程序下加工的，所以加工中心批量加工的零件精度一致性好，保证了像汽车这样大批生产产品精度的一致性和零配件的互换性。(3)操作者的劳动强度减轻 加工中心对零件的加工是按事先编
5、好的程序自动完成的，操作者除了装卸零件、操作键盘、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工性操作，劳动强度和紧程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。(4)固定循环和宏程序功能 由于一般加工中心的数控系统都有固定循环和用户宏程序功能，这不仅简化了程序编制，而且也减少了零件的划线工作，节约了辅助时间，进一步提高了生产效率。2.3加工中心的进给运动 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。机床的进给运动系统是伺服系统的主要组成部分，它将伺服电动机的旋转运动转变为执行部件的直线移动或回转运动。由于机
6、床的进给运动时数字控制的直接对象，被加工工件的最后轮廓精度、位置精度和表面粗糙度都受进给系统定位精度、灵敏度和稳定性的影响。为了确保系统的定位精度、快速响应特性和稳定性要求，无论是开环、半闭环还是闭环伺服进给系统，机械传动装置必须具有低摩擦阻力、高灵敏度、高刚度、无传动间隙和较高的寿命等。2.4加工中心的分类（1）卧式加工中心17 卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，卧式加工中心通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有35个运动坐标，常见的有三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，除完成安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式
7、加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂，价格较高。（2）立式加工中心 立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，其结构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有二个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。立式加工中心装卡方便、便于操作、易于观察加工情况，调试程序容易，而且应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。（3）五轴加工中心 五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，五轴加工中
8、心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转 900，对工件进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转900。完成对工件五个表面的加工。 （4）龙门式加工中心 龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件。（5）虚轴加工中心 虚轴加工中心改变了以往传统机床的结构，通过连杆的运动，实现主轴多自由度的运动，完成对工件复杂曲面的加工。3确定机床总的设计方案3.1机床主要
9、部件及运动方式的选定（1）伺服电机的选择 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交流伺服电机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电动机相比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现围较大的平滑调速。所以数控机床的进给系统中一般不采用这种电动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方便地获得与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及宽的调
10、速围。其结构虽然比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控机床的进给驱动系统中，多采用永磁式同步电动机。在数控机床进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反馈元件的机电一体化的永磁式交流同步电动机已十分普及。（2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系统中，滚珠丝杠自身的精度对机床加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚珠丝杠精度的影响。滚珠螺母副4的滚珠循环方式一般会分为外循环和循环两种。对于循环方式，滚珠在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。循环滚
11、珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，径向尺寸紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高，轴向刚度好，但回珠器槽行比较复杂，需三坐标数控机床才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环滚珠丝杠螺母径向尺寸较大。滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达到预紧；滚珠丝杠螺母副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消除间隙或预紧的办法有垫片是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计采用垫片式调隙结构。（3）导轨副的选用 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在机床的动导轨面上贴上
12、一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为淬火磨削面。这样就会使导轨摩擦系数变为0.030.05，导轨速度可达30m/min，刚度比较高，动、静摩擦系数差值小，没有爬行。耐磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高13倍。3.2机床总体布局的确定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。本设计选用移动立柱式，布局为T字型，工作台左右移动，立柱前后移动，如下图所示。图3.1 机床布局4 Z向进给系统的设计计算4.1 传动系统设计从产品目录中查得交流伺服电动机的最高转速为1500r/min，取交流伺服电动机通过联轴器与丝杠直接相连，即i=1。立柱最高进给速度是15m/min ,取电机的最高转速是1
13、500m/min，所以丝杆的最高转速是1500m/min,基本丝杠的导程是： (mm） (4.1)根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为=0.01mm/脉冲。伺服电动机每转应发出的脉冲数 =1000 (4.2)图4.2 伺服系统的系统传动图伺服系统中常用的位置反馈器有旋转变压器和脉冲编码器4。当采用脉冲编码器方案时，因脉冲编码器有每转2000、2500、5000脉冲等数种产品，故编码器后应加倍频器。如果采用旋转变压器方案，因旋转变压器的分解精度为每转2000个脉冲，则在伺服电机和旋转变压器轴之间安装5:1的升速轮。图4.3 伺服系统的系统传动图 在速度反馈装置中，与旋转变压器配套的，可采用测速发电机。测速发电机的转速为1000r/min时，输出一定的电压量（例如，1000r/min输出6v）。如采用脉冲编码器方案，则可在倍频器后加频率/电压转换比例为每p/min输出电压为。即相当于测速发电机转速达到1000r/min时，才能输出6v的电压，而此时脉冲编码器应实现p/min。
