加工中心工作台毕业设计

加工中心工作台毕业设计内容摘要：

出位移有足够的精度，即实际位移与指令位移之差要小。 （ 2）应该具有较长时间的大过载能力，以满足低速大转矩的要求。 一般直流伺服电动机要求数分钟内过载 46 倍而不损坏。 （ 3）调速范围宽，而且从最低速到最高速时，电动机均能平滑运转，转矩波动小，特别是在低速（如 ）时，速度平稳而无爬行现象。 （ 4）能承受频繁振动、制动和反转。 在加工中心的闭环或半闭环进给伺服系统中，伺服驱动装置主要采用交、直流伺服电动机。 第二章 加工中心工作台的主要部件 9 直流伺服电动机具有良好 的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽调速范围内实现平滑无极调速，故多用在对伺服电机的调速性能要求较高的加工中心上。 交流伺服电动机，转子惯量比直流电动机小，动态响应好，输出的功率可比直流电动机提高 10%70%，可达到更高的电压和转速。 滚珠丝杠螺母副结构 滚珠丝杠副特点 图 22 滚珠丝杆副的结构 滚珠丝杠螺母结构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，它具有下列特点。 （ 1）摩擦损失小、传动效率高 滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达 ，使普通滑动丝杠螺母 机构的 34 倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。 （ 2）运动平稳、摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行 由于存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦系数都很小，且其差值很小，因而启动转矩小，动作灵敏 ，即使在低速情况时也不会出现爬行现象。 （ 3）轴向刚度高、反向定位精度高 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并第二章 加工中心工作台的主要部件 10 可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程。 （ 4）磨损小、寿命长、维护简单 使用寿命是普通滑动丝杠的 410 倍。 （ 5）传动具有可逆性、不能自锁。 （ 6）同步性好。 （ 7）有专业厂生产，选 用配套方便。 滚珠循环方式 滚珠循环方式可分为内循环和外循环两大类型。 （ 1）内循环 滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。 内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。 （ 2）外循环 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环，根据滚珠回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式、盖板式。 表 21 滚珠丝杠副结构特点比较 种类 特 点 循环圈数 螺母尺寸 圈数 列数 内循环结构 通过反向器组成滚珠循环回路，每一个反向器 组成 1圈滚珠链。 因此承载小。 适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副。 1 2 列以上 小 外循环结构 通过插管组成滚珠循环回路，每一个插管至少 圈滚珠链，因此，承载大。 适应于小导程、一般导程、大导程与重型滚珠丝杠副。 以上 1 列以上 大 端盖结构 通过螺母两端的端盖组成滚珠循环回路，每个回路至少 1 圈滚珠链，承载大。 适应于多头大导程、超大导程滚珠丝杠副。 1 以上 2 列以上 小 盖板结构 通过盖板组成滚珠循环回路，每个螺母一个盖板，每个盖板组成至少 圈滚珠链。 适应于 微型滚珠丝杠副。 以上 1 中 第二章 加工中心工作台的主要部件 11 图 23 内循环滚珠丝杠及滚珠回流方式 图 24 外循环滚珠丝杠及滚珠回流方式 轴向间隙的调整和预紧方法 加工中心通常采用施加预紧力来消除间隙、提高传动刚度。 滚珠丝杠螺母轴向间隙和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调整双滚珠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面。 但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求高，要求能做微调以获得准确的间隙或预紧量。 常用的方法有下列几种。 （ 1）垫片调隙式 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的 凸缘，并在凸缘间加垫片。 调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，已达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度第二章 加工中心工作台的主要部件 12 高以及装卸方便。 但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。 （ 2）螺纹调隙式 其中一个螺母的外端有凸缘而另一螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定。 旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。 （ 3）齿差调隙式 在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮。 这种调整方法精确可靠，但结构复杂，多用于对调整准确度要 求较高的场合。 滚珠丝杠的安装 加工中心的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。 加工中心由于要求具有高精度、高进给速度，因此常采用一端固定，一端游动以及两端固定的丝杠安装形式。 （ 1）一端固定一端游动 对于高精度、中等转速较长的卧式安装丝杠，为了防止热变形造成丝杠伸长的影响，常采用一端轴向固定的支承方式。 这种支承形式的特点安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杠的轴向刚度比两端固定低； 丝杠有热膨胀的余地。 （ 2）两端固定 对于高精度、高速旋转的滚珠丝杠应该采用两端固定的安装方式，为了给丝杠施加预紧拉力，可采用两端固定方式，并可在丝杠一端安装碟型弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力几乎不变。 这种支承形式的刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍。 安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但第二章 加工中心工作台的主要部件 13 需一套预拉伸机 构，结构及工艺都比较复杂；要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量。 因此这种形式适用于对刚度和位移精度要求高的场合， 丝杠的支承轴承应采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承。 丝杠两端轴承座孔与滚珠螺母座孔保证严格的同轴度，同时保证滚珠丝杠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度、接触刚度等。 图 25 滚珠丝杆的安装 滚珠丝杠螺母的计算和选用 滚珠丝杠螺母副的承载能力用额定负 载表示，其动、静载强度计算原则与滚动轴承相类似。 一般根据额定负载表示，其动、静载强度计算原则与滚动轴承相类似。 一般根据额定动载荷选用滚珠丝杠副，只有当n≤ 10r/min 时，按额定动载荷选用。 对于细长承受压缩的滚珠丝杠副需做压杆稳定性计算；对于高速、支承距大的滚珠丝杠副需要做临界转速的校核；对于精度要求高的传动要进行刚度验算，转动惯量校核，对闭环控制系统还要进行谐振频率的验算。 在选择滚珠丝杠螺母的过程中，一般首先根据动载强度计算或静载强度计算来确定其尺寸规格，然后对其刚度和稳定性进行校核计算。 第二章 加工中心工作台的主要部件 14 伺服电动机与 丝杠的连接 采用键连接，键用于连接轴和轴上的传动件 ,使轴和传动件不发生相对转动，以传递扭矩或旋转运动。 常用键的型式有：普通平键、半圆键和钩头楔键。 图 26 常用普通平键 普通平键分 A 型、 B 型、 C 型，本设计中所用到的键有普通 A 型平键、 C 型平键、半圆键。 回转工作台 加工中心是一种高频率的加工设备，当零件被装夹在工作台上以后，为了尽可能完成较多工艺内容，除了要求机床有沿 X、 Y、 Z 三个坐标轴的直线运动之外，还要求工作台在圆周方向有进给运动和分度运动。 这些运动通常用回转工作台实现。 数控回转工作台的主要功 能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周（ 360176。 范围内）进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X、 Y、 Z 三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。 所设计的加工中心回转工作台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮A 型 B 型 C 型 半圆键 钩头楔键 第二章 加工中心工作台的主要部件 15 蜗杆等传动装置组成的。 加工中心本体设计 支承件的基本要求 支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。 因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义。 它们应满足下列要求： （ 1）刚度要求 支承件的刚度是指支 承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能力。 前者称为静刚度，后者为动刚度。 静刚度取决于支承件本身的结构刚度和接触刚度。 动刚度不仅与静刚度有关，而且与支承系统的阻尼和固有频率有关。 （ 2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。 影响支承件的抗振性的主要因素是：支承件的刚度、支承件的固有频率、支承件的阻尼、支承件的支承情况、支承件的材料等。 抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。 抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。 实际中常常通过 选择高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振垫改善支承件的支撑情况等措施来增加支承件的抗振性。 （ 3）热变形要求 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度。 因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。 影响支承件热变形的主要因素是：支承件的结构，运动部件的发热及外部热源。 通过采用热对称结构、隔离热源、强制冷却、快速排屑等措施减少热变形。 （ 4）内应力要求 支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生 内应力，导致变形。 在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。 支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，并应在焊、铸等工序后进行时效处理。 第二章 加工中心工作台的主要部件 16 （ 5）其他 支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油的回收方便，加工及装配工艺性好等。 支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，因此，应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。 导轨的设计 由于加工中心的进 给运动都是通过其执行部件沿着它的床身、立柱、横梁等支承大件的导轨运动实现的。 导轨的作用是用来支撑和引导机床执行部件的运动，导轨的刚度以及摩擦特性又对执行部件的定位精度有重要影响，因此，导轨是加工中心进给传动系统的重要组成部分。 对导轨设计的基本要求是： a. 导向精度要高 导向精度是指机床执行部件的动导轨沿支承导轨的直线度（对于直线运动导轨）或圆度。 影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度，导轨的接触刚度，导轨的结构形式，动导轨及导轨的刚度和热变形，还有装配质量。 导轨的几何精度一般用低速下的导向精度来衡量。 对直线运动导轨而言，检验的内容主要是导轨在水平平面内和垂直平面内的直线度。 在水平面内，两条导轨的还有平行度的要求。 b. 精度保持性要好 精度保持性是指导轨保持其原始精度的时间是否足够长。 导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。 动导轨沿支承导轨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。 此外，导轨的结构形式和导轨材料也与精度保持性有关。 c. 有足够的刚度 因为机床执行部件在工作过程中所承受的各种阻力，最后都转化到第二章 加工中心工作台的主要部件 17 导轨面来承受。 如果导轨在载荷的作用下产生过大的变形，不仅破坏 了导向精度，恶化了导轨的工作条件，而且使机床各部件间的相对位置发生变化。 导轨的刚性主要取决于导轨类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的连接方式，还取决于导轨材料和表面加工质量。 d. 有良好的摩擦特性 机床在低速运动时，动导轨易产生爬行，将影响低速运动的平稳性。 爬行与导轨的摩擦特性有关，导轨的摩擦因数越小，并且动、静摩擦因数越接近，则导轨低速运动越平稳，将不会产生爬行，这对于精度要求较高的加工中心来说尤其重要。 e. 加工工艺性要好 设计导轨时，要注意到制造、调整和维护的方便；力求结构简单、工艺性好和经 济性好，而且要有合理的导轨防护和润滑措施等等。 本设计采用的是直线滚动导轨副，它包括导轨条和滑块两部分。 导轨通常有两根，装在支承件上，每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。 在两条导轨条中，一条为基准导轨，上有基准面，另一条为从动导轨。 第三章 加工中心的工作台和伺服进给系统的设计 18 第三章 加工中心的工作台和伺服进给的设计 加工中心工作台的进给运动是通过伺服驱动装置实现的。 伺服驱动装置的性能 ,在很大程度上决定了机床的性能。 因此 , 研究和开发高性能伺服进给系统 ,始终是研究现代数控机床的关键之一。 本文所介绍的加工中心为立式 ,其工作台可进行 X 和 Y 向直线 运动 , 另外工作台上面可固定夹具式回转工作台 ( Z 向转动 )。 使用时 ,回转工作台如夹具固定在直线进给工作台的 T 形槽内 , 不用时即可拆下。 文中除作了工作台、滚珠丝杠副、伺服电机、滚动直线导轨的设计计算外 ,还作了传动精度计算、丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算。 工作台的主要参数及结构 主要参数的确定 工作台面尺寸（长179。 宽179。 高）： 900 179。 500 179。 50 ，回转工作台面尺寸 (直径179。 高 ) ：  320 179。 222 ,材料为 HT200。 设定工作台进给速度为 1～ 1500mm/ min ,快速进给速度 15m/ min ,工作台 X向工作行程为 750mm , Y向工作行程为 500mm ,铣削最大直径为  100mm。 工作台质量及工作台承重初估 直线工作台质量 G1 = ρVg = 103 9005005010 9 = 1733N 回转工作台质量。