立式加工中心主轴组件的结构设计(有全套图纸）.doc

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摘　　要

加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。

关键词：主轴组件，加工中心，数控机床

Spindle unit design of Vertical machining center

ABSTRACT

Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of o

目 录

摘要…………………………………………………………………… 1
ABSTRACT……………………………………………………………… 2
0 引言………………………………………………………………… 4
1 概述………………………………………………………………… 5
1.1 加工中心的发展状况…………………………………………… 5
1.1.1 加工中心的国内外发展……………………………………… 5
1.1.2 主轴部件的研究进展………………………………………… 6
1.2 课题的目的及内容……………………………………………… 7
1.3 课题拟解决的关键问题………………………………………… 8
1.4 解决上述问题的策略…………………………………………… 9
2 方案拟定…………………………………………………………… 10
2.1 加工中心主轴组件的组成……………………………………… 10
2.2 机械系统方案的确定…………………………………………… 10
2.2.1 主轴传动机构………………………………………………… 10
2.2.2 主轴进给机构………………………………………………… 12
2.2.3 主轴准停机构………………………………………………… 13
2.2.4 刀具自动夹紧机构…………………………………………… 15
2.2.5 切屑清除机构………………………………………………… 17
2.3 伺服驱动系统方案的确定……………………………………… 18
2.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定……………………… 19
3 主轴组件的主运动部件…………………………………………… 22
3.1 主轴电动机的选用……………………………………………… 22
3.1.1 主电机功率估算……………………………………………… 22
3.1.2 主电机选型…………………………………………………… 23
3.2 主轴……………………………………………………………… 23
3.2.1 主轴的结构设计……………………………………………… 23
3.2.2 主轴受力分析………………………………………………… 27
3.2.3 主轴的强度校核……………………………………………… 32
3.2.4 主轴的刚度校核……………………………………………… 33
3.3 主轴组件的支承………………………………………………… 34
3.3.1 主轴轴承的类型……………………………………………… 34
3.3.2 主轴轴承的配置……………………………………………… 37
3.3.3 主轴轴承的预紧……………………………………………… 38
3.3.4 主轴支承方案的确定………………………………………… 41
3.3.5 轴承的配合…………………………………………………… 41
3.3.6 主轴轴承设计计算…………………………………………… 42
3.4 同步带的设计计算……………………………………………… 44
3.5 主轴组件的润滑与密封………………………………………… 48
3.5.1 主轴组件的润滑……………………………………………… 48
3.5.2 主轴组件的密封……………………………………………… 49
3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定…………………………… 51
3.6 键的设计计算…………………………………………………… 52
3.6.1 主轴上的键…………………………………………………… 52
3.6.2 主电机上的键………………………………………………… 53
3.7 液压缸的设计计算……………………………………………… 54
4 主轴组件的进给运动部件………………………………………… 55
4.1 进给电动机的选用……………………………………………… 55
4.1.1 进给电动机功率的估算……………………………………… 55
4.1.2 进给电动机的选用…………………………………………… 56
4.2 联轴器的设计计算……………………………………………… 57
4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算…………………………… 57
4.3.1 切削力估算…………………………………………………… 57
4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算……………………………………… 58
5 结论………………………………………………………………… 65
小结…………………………………………………………………… 68
参考文献……………………………………………………………… 70
附录…………………………………………………………………… 72
译文…………………………………………………………………… 73
原文说明……………………………………………………………… 84

立式加工中心主轴组件的结构设计

0 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：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天
图1.33 不同形式的控制模式
a 点对点控制 b 直线或近轴控制 c 连续路径控制
点对点控制机床（图1.33a）
点对点控制的机床用常于钻削或者压力穿孔操作。这个系统的运行原理是一旦指令信号让滑板运动到一个特定的点——通常是一个固定的卡笛尔坐标系中的点——那么工作台夹紧，刀具开始加工。刀具定位的方式与下一个被加工特征没有关联，刀具路径见图1.33a。初看，刀具的路径好象是随机的，可事实并不是如此。事实上，控制器是按下面的原理工作的（见图1.33a）：如果刀具可以以直线运动时就要以直线运动，如图上的位置1和位置2所示。但是，当下一个洞在5号位置孔的后面。那么，机床就要同时快速运动两根轴。因此，在到达下一个坐标时，刀具走的几乎是路线。在到达最终位置之前，一根轴将停止运动，而另一根轴将继续运动。
注：所有的运动都是快速进给的。
对于控制器的要求相对来说不是很复杂，通过滚针、滚珠轴承，甚至是空气轴承所产生的滑动运动反应灵敏，因为它们的载荷是很小的。
直线或近轴控制（图1.33b）
　　如果铣削操作要求从一个特征转换到另一个特征，那么就必须有与此运动相关的进给速率。因此，先前点对点控制方式是没有用的。因为每一根轴都必须在完全控制下进行不断的监测。近轴控制发展的比较早，与点对点控制不同的是，它提供给机床更方便的控制和适应性。但是，就作者所知，现今没有任何一家机床制造商能独自提供这种类型的位置设备。
连续路径控制（图1.33c）
诸如连续路径类型的轮廓系统到目前为止是使用最普遍的。他们有同步电动机进行进给驱动，在“工件包迹”内可到达任何一处精确的位置。这些普通的控制能用于点对点控制，可以迅速地从一个坐标指向下一个坐标。他们也可以用于直线运动的进给，或者是轮廓进给设备。当在进行轮廓加工时，刀具的位置必须连续不断地被控制。这意味着为了在工件上产生一个轮廓，控制器必须经常改变两根或者更多根轴的直线运动关系。路径控制必须有一个插补器，所以它能够计算连续路径位置，直到刀具到达目标点。为了例举轮廓操作的要求，让我们想象在车削中心上要加工一个轮廓，然后区别在X或Z平面内的一个点以及下一个点，让刀具控制着一定的速度，保持X:Z路径比例进行直线运动。为了保证在工件上能成功加工出希望的兴旺，要保证进给驱动器保持着fx:fz的同步比例。
在大多数的加工中心上，连续路径控制只使用两根或者一根半轴。两根轴通常用于加工圆，而当要加工相当复杂的三维形状时，则需要另一根轴进行直线插补。然而，如果要求一个“真正的”三维或多路径铣削控制，那么就需要一台更加复杂的机床。要注意的是，当控制两轴或一轴半时，如果信息已经在CAD/CAM工作站上处理过，那么复杂的三维形状就可以成功地被加工出来，但有关这一部分内容将在稍后进行讲解。
前面已经提到过，当我们控制轴时需要使用插补器。所以，这些插补器是如何工作的？在他们之间有什么区别？这就是下一节的内容，主要回顾多数流行的插补器的工作方式。

原文说明

原文说明的内容是：
题名：CNC Machining Technology
作者：Graham T. Smith
来源：Graham T. Smith.CNC Machining Technology[M].Springer-Verlag.
1993.

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