卧式加工中心x向进给机构设计—-毕业论文设计.doc

济南大学毕业设计
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6～10万转；直线电机的应用使机床加速度达到了3-5g；执行ISO/VDI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。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，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，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：800×500×600；
(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)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否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损，此外，还与导轨的结构形式及支承件的材料有关。动导轨沿支承导轨而长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。数控机床常采用摩擦系数小的滚动导轨和静压导轨，以降低导轨磨损。
(3)足够的刚度 机床各运动部件所受的外力，最后都由导轨面来承受。若导轨受力后变形过大，不仅破坏了导向精度，而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要决定于导轨的类型、结构形式和尺寸大小，导轨与床身的连接方式，导轨材料和表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大，有时还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。
(4)良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小，而且动、静摩擦系数应尽量接近，以减小摩擦阻力和导轨热变形，使运动轻便平稳，低速无爬行。
(5)工艺性好 数控机床的导轨应便于制造和装配，便于检验。调整和维修，而且应有合理的导轨防护和润滑措施等。
导轨按接触面的摩擦性质有为滑动导轨和滚动导轨。
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点。传统的铸铁—铸铁、铸铁—淬火钢导轨，存在的缺点是静摩擦系数大，而且动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速（1-60mm/min）时易出现爬行现象，从而降低了运动部件的定位精度，故除经济型数控机床外，在其他数控机床上已不采用。
滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩擦变成为滚动摩擦。滚动导轨与滑动导轨相比，其优点是：灵敏度高，摩擦系数小，而且其动静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2um；牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命广。滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏及定位精度高的场合。这是滚动导轨在数控机床上得到的广泛应用的原因。
根据滚动体的种类，滚动导轨的结构形式可以分为下列几种类型：
（1）滚珠导轨 这种导轨的承载能力小，刚度低。为防止在导轨面上产生压抗，导轨面一般采用淬火钢做成。滚珠导轨适用于运动部件重量轻，切削力不大的数控机床上。
（2）滚柱导轨 这种导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床上。但对于安装的偏斜反应大，支撑的轴线遇到平行度误差不大时也会引起偏移和侧向滑动，从而会使导轨磨损加快，精度降低。
（3）滚针导轨 这种类型的导轨的特点是：尺寸小，结构紧凑，主要适用于导轨尺寸受限制的机床上。
（4）直线滚动导轨（简称为直线导轨） 图3.1是直线导轨副的外形图，直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。图3.2为直线滚动导轨副的结构图，当滑块10与导轨条9移动时，每一组滚珠都在各自的滚道内循环运动，其所受的载荷形式与滚动轴承类似。

图3.1 直线滚动导轨副的外形
1—导轨条 2—循环滚柱滑座 3—抗振阻尼滑座

图3.2 直线滚动导轨副
1、4、5、8—回珠（回柱） 2、3、6、7—负载滚珠（滚柱） 9—导轨条 10—滑块
综合上述两种方案，选择方案二中的直线滚动导轨。

3.4滚珠丝杠螺母副的选择
3.4.1 滚珠丝杠螺母副的特点
滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。在数控机床和加工中心中得到广泛应用。它的机械效率比滑动丝杠高3-4倍。滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小，配以滚动导轨，起动力矩很小，运动极其灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母副事先可以完全消除间隙和预紧，因此有较高的轴向刚度，并且反向无空程死区，反向定位精度高。滚珠丝杠螺母摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动，因此用于垂直位置时，必须有制动装置。
滚珠丝杠螺母的结构有内循环与外循环两种方式。
外循环式滚珠丝杠副
图4所示即为外循环方式的滚珠丝杠螺母副结构，它由丝杠1、滚珠2、回珠管3及螺母4组成。在丝杠1和螺母4上分别加工有圆弧形螺旋槽，将他们套装起来形成了螺旋形滚道，在滚到内装有滚珠2。当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面由滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿着螺旋形滚道滚动，使螺母和丝杠间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管连接，使滚珠能从一端重新回到另一端，构成一个闭合循环回路。

图3.3 外循环滚珠丝杠
1—丝杠 2—滚珠 3—回珠管 4—螺母

内循环式滚珠丝杠副
图3.4所示的为内循环式滚珠丝杠螺母副结构。在螺母侧孔中装有圆柱凸轮反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻的两螺纹滚道连接起来。滚珠经螺纹滚道进入反向器，借助反向器使滚珠越过丝杠牙顶进入到相邻滚道，从而实现循环。

图3.4 内循环滚珠丝杠

本次设计采用内循环式滚珠丝杠螺母副。
3.4.2滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法
为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的办法来消除轴向间隙，但是必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会使传动效率降低，摩擦力增大，磨损增加，从而使用寿命降低。常用的双螺母消除间隙的方案有：
方案一：垫片调整间隙法
如图3.5所示，调整垫片4的厚度使左右两螺母产生轴向位移，从而消除间隙和产生预紧力。这种方法简单可靠，但调整费时，只适用于一般精度的机床。

图3.5 垫片调整间隙法
1、2—单螺母 3—螺母座 4—调整垫片

方案二：齿差调整间隙法
如图3.6所示，两个螺母的凸缘为圆柱外齿轮，而且齿数差为1，两只内齿轮用螺钉和定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮取出，根据间隙大小使两个螺母分别向相同方向转过1个齿或几个齿，然后再插入内齿轮，使螺母在轴向彼此移动相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间隙，这种方法的结构复杂，尺寸较大，适应于高精度传动。

图3.6 齿差调整间隙法
1、2—单螺母 3、4—内齿轮

方案三：螺纹调整间隙法
如图3.7所示，右螺母2外圆上有普通螺纹，再用两圆螺母4和5固定。当转动圆螺母4时，即可以调整轴向间隙，然后用螺母5锁紧。这种结构的特点是结构紧凑，工作可靠，滚到磨损后可随时调整，但是预紧量不准确。

图3.7 螺纹调整间隙法
1、2—单螺母 3—平键 4—调整螺母 5—锁紧螺母

综合上述三种方案，选择方案一，即选择垫片调整间隙法。
3.4.3滚珠丝杠螺母副的设计计算
1)最大工作动载荷和最大计算动载荷的计算
滚珠丝杠的名义直径、滚珠列数和工作圈数应该按照当量动载荷选择。
丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加上摩擦力；最小载荷即摩擦力。已知最大进给力=5000N,工作台加上工件与夹具的质量为200+800=1000kg，滚动导轨的摩擦系数为0.001，所以丝杠的最小载荷（即摩擦力）

(N) (3.3)

丝杠最大载荷

(N) (3.4)

平均载荷

(N) (3.5)

式中 、——丝杠的最大、最小轴向载荷；
——轴向工作载荷（N）,当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时，。
丝杠最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min，所以丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=(1500+0)/2=750r/min。丝杠使用寿命取T=15000h，=1，=1.5，所以丝杠工作寿命

(3.6)

式中 ——工作寿命，以转为1单位；
——丝杠转速(r/min)；
——使用寿命(h)，对数控加工中心可取=15000h。
丝杠的当量动载荷

(kN) (3.7)

式中 ——载荷性质系数，无冲击取1-1.2，一般情况取1.2-1.5，有较大冲击振动时取1.5-2.5，本设计取=1.5；
——精度影响系数，对1,2,3级精度的滚珠丝杠取=1.0，对4,5级精度的滚珠丝杠取=0.9。
查《常用滚珠丝杠型号及参数表》，选择FF5010-5型的滚珠丝杠副。其名义直径为50mm，导程为10mm，每个螺母滚珠有5列。额定动载荷=55.6kN，<，符合设计要求。轴向刚度=1073N/。预紧力kN。只要轴向载荷值<，就不必对预紧力提出额外的要求。本次设计中丝杠最大载荷=5.0098kN，远小于，因此，不必要求预紧力。
2)静载强度计算
低速运转时的滚珠丝杠应按最大轴向工作载荷，即按计算静载荷为选择依据。

(kN) (3.8)

式中 ——最大轴向工作载荷(N)；
——载荷性质系数，数值同上；
——硬度影响系数，HRC58时=1.0。
选择的FF5010-5型的滚珠丝杠副的额定静载荷=155.3kN，，符合设计要求。
3.4.4滚珠丝杠的支承
滚珠丝杠两端支承的轴向固定形式主要有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式；一端固定一端浮动的支承配置方式；两端固定方式。由于两端固定时的刚度比一端固定时要高很多，因此，采用两端固定的结构形式是提高拉压刚度的有效措施。本设计采用两端固定的支承配置方式。
两端各采用三个角接触球轴承，轴承代号为7209C,其中有相邻的两个轴承面对面组合，可承受双向的轴向推力。
3.4.5 滚珠丝杠螺母副的验算
1)丝杠拉压刚度验算
加工中心的滚珠丝杠在轴向力和扭矩的作用下会产生弹性变形，引起丝杠导程的变化，并直接影响到进给系统的传动精度和定位精度。所以需要对丝杠的刚度进行验算。
两端固定方式的滚珠丝杠的拉压刚度

(N/) (3.9)

选择的FF5010-5型的滚珠丝杠副的刚度为=1037N/，<,符合设计要求。
2)接触刚度验算
由于滚珠与丝杠螺母滚道间是点接触，所以载荷与接触变形之间为非线性关系，即刚度随着载荷的变化而产生变化。已知预紧力kN。本次设计中丝杠最大载荷=5.0098kN，远小于，因此，符合设计要求。
3)丝杠稳定性验算
两端固定时，丝杠一般不会受压，所以不需要进行丝杠稳定性验算。
3.4.6滚珠丝杠螺母副传动效率计算
由前文知道所选丝杠公称直径=50mm，导程=10mm，丝杠螺旋升角

(3.10)

摩擦角，滚珠丝杠螺母副的传动效率为

(3.11)

3.5电动机的选择
自上世纪80年代中期以来，以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流进给驱动得到迅速发展。交流同步电动机的转速与所用电源的频率间存在着一种严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时便可以方便地获得和频率成正比的可变速度，并可以得到非常硬的机械特性和宽的调速范围。在数控机床和加工中心的进给驱动系统中，多数采用永磁式同步电机。在数控机床的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的交流同步电动机已经十分普及。
选择伺服电动机应满足：
(1)最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩折算到电动机轴上的最大切削负载转矩；
(2)电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，交流伺服电动机应满足
；
(3)执行部件的快速移动转矩不得超过伺服电机的最大转矩。
3.5.1最大切削负载转矩计算
初选伺服电机的最大切削负载转矩T为

(Nm) (3.12)

式中 ——丝杠上的最大轴向载荷；
——丝杠导程；
——滚珠丝杠的机械效率，=0.956；
——因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附件摩擦力矩(Nm)， ，其中预紧力=13900N,一般取丝杠轴
向载荷的，导程=10mm，预紧滚珠丝杠的效率为=0.9， (3.13)
——滚珠丝杠轴承的摩擦力矩(Nm)；
——伺服电动机至滚珠丝杠的传动比，由于电机与丝杠直接相连，则=1。
所选伺服电动机的额定转矩应大于此值。
3.5.2负载惯量计算
工件、夹具和工作台的最大质量是1000kg，折算到电动机轴上的惯量为

(3.14)

丝杠名义直径=50mm=0.05m，长度=1.932m，丝杠材料（钢）的密度，丝杠加在电动机轴上的惯量为

(3.15)

联轴器加锁紧螺母等的惯量直接查手册得
所以，负载总惯量

(3.16)

按匹配条件 ，所选伺服电动机的转子惯量应在0.0054-0.016范围之内。
根据上述计算初步选定交流伺服电动机FANUC(HV)系列中的M30/4000HV型号的交流伺服电动机。
3.5.3空载加速转矩计算
当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度是，所需要的空载转矩为

(3.17)

式中 ——系统的转动惯量，；
——电动机在执行部件快移时的转速（r/min），取=1500r/min；
——加速时间（），通常为时间常数的3-4倍，取=0.025，则取=0.1。
FANUC(HV)系列中的M30/4000HV型号的交流伺服电动机的=100> =31.88,满足设计要求。
3.6 联轴器
在本卧式加工中心的进给系统中，为了提高传动刚度，可以通过提高丝杠及其支承刚度，采用 LK9系列单节胀套膜片联轴器，如图3.8所示。
3.6.1胀紧连接套
胀套连接是靠拧紧高强度螺栓是胀套与轴间或套间包容面间产生压力和摩擦力，实现传递载荷的一种用于轴和毂连接的无键连接装置。
胀套连接的特点
(1)使用锥环可以使主机零件制造和安装简单。安装锥环的轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造误差。锥环安装时不需要加热、冷却或加压设备，只需要将螺栓按要求的力矩拧紧即可，且调整方便，可以方便地将轮毂在轴上调整到所需位置。锥环也可以用来连接焊接性差的零件。
(2)锥环的使用寿命长，强度高，具有过载安全保护作用。它依靠摩擦传动，对被连接件没有键槽削弱，也没有相对运动，工作中不会产生磨损。锥环在超载时，将失去连接作用，因此，可以保护设备不受损害。
(3)锥环连接可以承受多重负荷，其结构可以做成多种形式。根据安装负荷大小还可以多个锥环串联使用。
(4)拆卸方便，并且具有良好的互换性。胀套已经标准化，类型较多，选用计算方便。另外，由于锥环能把较大配合间隙的轴毂结合起来，拆卸时将螺栓拧松，就可使被连接件容易拆卸。胀紧时，接触面紧密贴合不易锈蚀，同时也便于拆开。
(5)胀套连接定心好，承载能力高，孔不用加工键槽，没有应力集中源，承载能力的疲劳强度高，装拆方便，又有密封和保护作用，是目前在数控机床进给系统中常用的联轴器。
3.6.2单节胀套膜片联轴器

图3.8　弹性联轴器

单节胀套膜片联轴器主要由轴套、弹性片、胀紧套组成。与传动轴的连接通常采用胀紧连接套连接，装配拆卸方便、传动精度高，并且只有一组弹性片。弹性片用薄的不锈钢做成，呈方形，主动轴由它将扭矩传递到从动轴，由于弹性组件不会产生复合应力，所以传递的扭矩大，同时，由于弹性组件的变形，可以补偿轴的角度误差、偏心和轴向窜动。主要用于传动精度和速度要求高的场合。例如，在加工中心和数控机床的进给传动系统中伺服电机和丝杠的连接。
本次设计中选用的联轴器型号为LK9-104-30-30。

4 结 论
本次设计中我通过上网搜索了到了有关数控加工中心的相关知识，在济南的中国机床展上和北京国际机床展上重点参观了各家单位的数控加工中心，特别是卧式加工中心，并收集了关于卧式加工中心的相关资料，对加工中心的发展现状和发展趋势有了进一步了解的同时，也学习到了很多新的知识。对数控车床的整体结构和工作原理有了进一步的了解，对X向进给系统更是进行了深入研究。
本文主要研究的是卧式加工中心X向进给机构的设计，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。本次设计根据卧式加工中心的加工范围要求，进行了滚珠丝杠副的选取与设计，导轨的选择计算，联轴器的选择，伺服电机的选择和各性能指标的验算，使各项性能指标都满足要求，证明了设计的合理性。

参 考 文 献
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致 谢
三个月的工作和忙碌之后，毕业设计已经接近尾声，在本次的设计过程中虽然忙碌但我过的很充实，我感受到了工作的快乐。但是其中也暴露了自己很多设计中存在的问题，例如，作为一名本科生，由于缺乏实际经验，加上基础知识运用的不熟练，在设计过程中出现了很多考虑不周的地方，本次设计的顺利完成离不开导师的督促指导和一起工作的同学们的支持。 在这里我要首先感谢我的导师王晓琴。王老师虽然工作很繁忙，但在我做毕业设计的每个阶段中，从查阅资料到设计方案案的确定和修改，从中期检查到后期的主体设计，再到装配图和零件图的绘制等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是王老师很细心地帮助我纠正了设计和图纸中的错误。 其次要感谢我同组的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，和绘图过程中需要注意的事项上。正因为如此我才能顺利的完成本次毕业设计。最后，我要感谢我的母校——济南大学，给我提供了优良的学习环境。另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们给了我知识，懂得在实际中运用所学的专业知识。

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