加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)0目錄摘要 .5Abstract .61 緒論 11.1 課題研究背景及意義 11.2 加工中心的基本組成、分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 22 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 53 加工中心工作臺(tái)的基本參數(shù) 73.1 進(jìn)行工作臺(tái)條件選定 73.2 銑削分析 .73.2.1 銑削抗力分析 .83.2.2 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算 .93.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負(fù)載力的計(jì)算 .104 橫向進(jìn)給系統(tǒng) 134.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)工作原理 .134.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)與選型 134.2.1 導(dǎo)軌概述 .134.2.2 對(duì)導(dǎo)軌要求 .144.2.3 對(duì)導(dǎo)軌的技術(shù)要求 .144.2.4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 .154.3 軸承的選擇與計(jì)算 174.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 .174.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 .184.3.3 根據(jù)滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號(hào) .184.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇 204.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算 204.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 .204.5.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算 .214.5.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定 .2414.6 滾珠絲杠的確定 .265 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 285.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)工作原理 285.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)與選型 285.3 軸承的選擇與計(jì)算 295.3.1 滾珠絲杠螺母副支承方式選擇 .295.3.2 軸承所受的最大軸向載荷 .295.3.3 根據(jù)滾珠絲杠副支承要求選擇軸承型號(hào) .305.4 滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算 315.4.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇 .315.4.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算 .325.4.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定 .355.5 滾珠絲杠的確定 365.5.1 確定滾珠絲杠螺母副的螺紋長(zhǎng)度 Ls365.5.2 滾珠絲杠參數(shù)確定 .376 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 386.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作原理及蝸桿材料選擇 386.2 對(duì)蝸輪蝸桿力學(xué)分析及電機(jī)選擇 386.2.1 對(duì)蝸輪蝸桿力學(xué)分析 .386.2.2 電機(jī)選擇 .396.3 蝸輪的計(jì)算與校核。 406.3.1 按齒面接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù) .406.3.2 驗(yàn)算蝸輪圓周速度 ν2 和相對(duì)滑動(dòng)速度 νs 及總效率 η 416.3.3 驗(yàn)算蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度 .426.3.4 確定蝸輪的主要幾何參數(shù) .436.4 蝸桿的計(jì)算與校核 446.4.1 蝸干的基本參數(shù)確定 .446.4.2 驗(yàn)算蝸干的剛度計(jì)算 .446.5 蝸輪蝸桿的參數(shù)確定 46加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)26.6 圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的選擇 476.7 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳感器的選擇 47結(jié)論 .49參考文獻(xiàn)： .50致謝 .51外文文獻(xiàn)及譯稿 .52英文文獻(xiàn) .52中文翻譯 .593立式加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為立式加工中心直線、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，該工作臺(tái)承擔(dān)運(yùn) 動(dòng) 功能 為 縱 向 （ X） 軸 和 橫 向 （ Y） 兩 個(gè) 方 向 的 直 線 移 動(dòng) 及 一 個(gè) 繞 （ Z） 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：本設(shè)計(jì)首先做總體結(jié)構(gòu)方案的擬定。確定工作臺(tái)組成結(jié)構(gòu)，方案擬定為縱向、橫向兩個(gè)方向移動(dòng)的直線工作臺(tái)，在縱向直線移動(dòng)工作臺(tái)的導(dǎo)軌上安裝一個(gè)繞（Z）軸轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。其次主要部件概述。這一部分主要描述在工作臺(tái)設(shè)計(jì)過程中主要設(shè)計(jì)的幾個(gè)典型部件，如伺服進(jìn)給系統(tǒng)、工作臺(tái)、導(dǎo)軌，陳述選用這幾個(gè)部件的原因和對(duì)它們的基本要求。第三部分是結(jié)構(gòu)力學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算也是本設(shè)計(jì)的主要部分。 結(jié)合給定的主要參數(shù)對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行選擇計(jì)算并校核，得到必需的幾何參數(shù)，基本確定工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸。第四部分為工作臺(tái)裝配圖與零件圖的繪制。圖紙可以清楚地表示工作臺(tái)及其組成部分的連接、裝配關(guān)系和主要零件結(jié)構(gòu)、大小及技術(shù)要求。 關(guān) 鍵 詞 ：加工中心；工作臺(tái)；回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；滾珠絲杠加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)4AbstractIn this paper, mainly is the design of linear moving working table, vertical machining center CNC rotary worktable.CNC machine main motor function is the two longitudinal（ X） and transverse （Y） directions of the linear movement and rotation of a circling.The main design content includes:The first ,the formulation of the overall structure scheme.Determine the structure of machining center,scheme for linear table two longitudinal, transverse direction.,guide in the longitudinal linear moving working table is provided with a rotation of the rotary table.Secondly,descripe the typical components of vertical machining center.In this part, the components used in the design, such as servo feed system tables and guide rails,are descriped respectively why choose them,and the require-ments for them. Third,design and calculation of structural mechanics.The main parameters in combination with the given were selected to calculate and check on the servo feed system and the rotary table, geometric parameters required, determine the basic structure size table.Fourth,working table assembly and parts drawing.Drawings can clearly express the platform and its component connection, assembly relations and major parts of the structure, size and technical requirements. Key words：Machining Center;Working Table;Rotary Working Table ;Ball Screw加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 0 頁(yè) 共 61 頁(yè)1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義加工中心,簡(jiǎn)稱 cnc，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫(kù)，具有自動(dòng)換刀功能，是對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸，攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時(shí)間、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果，目前加工中心正在向著高速高效、高精度、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)合化方向發(fā)展。由于加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，其生產(chǎn)效率高、柔性好、一機(jī)多用和易于加工復(fù)雜的曲線、曲面零件等特點(diǎn)，早已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家軍民機(jī)械工業(yè)的主力加工設(shè)備。 一個(gè)國(guó)家的加工中心擁有量、消費(fèi)量及總體技術(shù)水平與這個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)的加工制造技術(shù)水平息息相關(guān)。我國(guó)的加工中心從二十世紀(jì) 70 年代開始，加工中心得到迅速的發(fā)展并逐漸出現(xiàn)了可換主軸箱加工中心，它備有多個(gè)可以自動(dòng)更換的裝有刀具的多軸主軸箱，能對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行多孔加工，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，中國(guó)加工中心的消費(fèi)量隨著軍民機(jī)械工業(yè)的大規(guī)模技術(shù)改造而迅速增長(zhǎng)，如 2001 年中國(guó)加工中心的消費(fèi)量?jī)H為 2662 臺(tái)（其中進(jìn)口 2290 臺(tái)），而同年美國(guó)、日本和德國(guó)的加工中心消費(fèi)量分別為 11505 臺(tái)、6090 臺(tái)和 5291 臺(tái)。到了 2005 年，中國(guó)加工中心的消費(fèi)量猛增至約 13200 臺(tái)（估計(jì)值，加工中心的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未公布） ，其中進(jìn)口 10343 臺(tái)。2005 年加工中心的消費(fèi)量是 2001 年的 4.96 倍，年均增幅達(dá) 49.2%，一舉超過美、日、德諸國(guó)，成為世界上消費(fèi)加工中心最多的國(guó)家。 根據(jù)《機(jī)械工人》雜志社等單位的調(diào)查，從近 600 份重點(diǎn)用戶的有效問卷中得出的結(jié)果是，加工中心機(jī)床的應(yīng)用已遍及全國(guó) 26 個(gè)行業(yè)，其中汽車、摩托車及其零部件制造業(yè)占 24%，航空航天和軍工行業(yè)占 18%，機(jī)床工具業(yè)占 11%，模具行業(yè)占 8%，輕工機(jī)械行業(yè)占 4%。在這些企業(yè)擁有的加工中心中，雖然普及型的立式和臥式加工中心仍占多數(shù)，但多軸聯(lián)動(dòng)、高速、大型精密等高檔加工中心也占有一定比重，如在所調(diào)查的近 600 戶用戶中，擁有 5 軸聯(lián)動(dòng)加工中心的占 24%。說明中國(guó)市場(chǎng)消費(fèi)的加工第 1 頁(yè) 共 61 頁(yè)中心雖然以普及型的中檔機(jī)為主，但高檔機(jī)在消費(fèi)量中所占比重估計(jì)已達(dá) 15%至20%。 中國(guó)消費(fèi)的加工中心大部分依靠進(jìn)口（2005 年進(jìn)口量占消費(fèi)量的七成多） ，進(jìn)口金額 12.97 億美元，居各類機(jī)床進(jìn)口額之首，主要從日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)和韓國(guó)等地進(jìn)口。2006 年上半年，中國(guó)進(jìn)口加工中心 5511 臺(tái)，金額 6.88 億美元，同比分別增長(zhǎng) 20%和 11%，仍保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，說明中國(guó)加工中心市場(chǎng)的規(guī)模還有增長(zhǎng)空間。1.2 加工中心的基本組成、分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 加工中心是一種功能較全的自動(dòng)化加工機(jī)床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺(tái)設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中心自 1958 年由美國(guó)卡尼-特雷克公司首先研制成功問世至今世界各國(guó)出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形各異，但從總體結(jié)構(gòu)來看主要由以下幾大部分組成。 基礎(chǔ)部件 由床身、立柱、工作臺(tái)等組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它們不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載，所以要求加工中心的基礎(chǔ)部件必須有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心中體積和重量最大，同時(shí)也是主要的減震部件。 （2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動(dòng)軸等零件組成。主軸的啟動(dòng)、停止、變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是進(jìn)行切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。 數(shù)控系統(tǒng) 單臺(tái)加工中心的數(shù)控部分由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分組成。CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程根據(jù)輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、差補(bǔ)運(yùn)算，獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）替代一般機(jī)床中機(jī)床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機(jī)床執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補(bǔ)償功能、字符圖形顯示功能、自動(dòng)診斷功能、通信功能、人機(jī)對(duì)話程序編制功能等。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心執(zhí)行順序控制功能和完成加工過程的控制中心。 （4）自動(dòng)換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機(jī)床的典型裝置，它解決加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 2 頁(yè) 共 61 頁(yè)工件一次裝夾后多工序連續(xù)加工中，工序與工序間的刀具具有自動(dòng)儲(chǔ)存、選擇、搬運(yùn)和交換任務(wù)。它由刀庫(kù)、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。 （5）自動(dòng)托盤交換系統(tǒng) 如今有的加工中心為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的無人化運(yùn)行或進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，采用多個(gè)自動(dòng)交換工作臺(tái)方式儲(chǔ)備工件。一個(gè)工件安裝在工作臺(tái)上加工的同時(shí)，另外一個(gè)或幾個(gè)可交換的工作臺(tái)面上裝夾上一些等待加工的工件。當(dāng)完成一個(gè)托盤上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少裝夾的等待時(shí)間，提高加工效率。 （6）輔助裝置 包括潤(rùn)滑、冷卻、排泄、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。第 3 頁(yè) 共 61 頁(yè)加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 4 頁(yè) 共 61 頁(yè)2 設(shè) 計(jì) 方 案 及 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn)（1）設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計(jì)任務(wù)定為立式加工中心工作臺(tái)，工作臺(tái)承擔(dān)運(yùn)動(dòng)功能為縱向（X ）軸和橫向（Y）軸兩個(gè)直線方向的移動(dòng)及一個(gè)繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）設(shè)計(jì)方案的可行性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 立式加工中心是一種備有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能并聚集在一臺(tái)加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動(dòng)換刀裝置和刀庫(kù)，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其它輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床 3~4 倍，達(dá) 80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是目前數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。本設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)立式加工中心的工作臺(tái)，工作臺(tái)作為加工中心的重要部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣性對(duì)于加工中心的加工性能有很大的影響。加工中心工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是縱向（X）軸和橫向（Y）軸兩個(gè)直線方向的移動(dòng)及一個(gè)繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)過程中，必須要把該功能實(shí)現(xiàn)。直線進(jìn)給系統(tǒng)如圖 2-1，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理和縱向進(jìn)給系統(tǒng)的工作原理一樣，其中橫向與縱向進(jìn)給系統(tǒng)只是在工作臺(tái)行程和導(dǎo)軌承擔(dān)的額總重不一樣之外，其他的都相同，所以在滾珠絲杠副、軸承、聯(lián)軸器、電機(jī)等選擇都以導(dǎo)軌承載最重的方案來選擇。通過計(jì)算其中一組，另外一組則可以采用相同的零件，但由于行程不一樣，所以絲杠的長(zhǎng)度不一樣。本設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)繞（Z）軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在直線進(jìn)給系統(tǒng)中增加一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，該工作臺(tái)主要通過電機(jī)、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作原理如圖 2-2 所示。該系統(tǒng)主要確定蝸輪蝸桿的幾何尺寸以及電機(jī)的選擇，該內(nèi)容都在第六章進(jìn)行計(jì)算確定。因此就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第 5 頁(yè) 共 61 頁(yè)圖 2-1 橫向及縱向進(jìn)給系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖圖 2-2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作簡(jiǎn)圖加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 6 頁(yè) 共 61 頁(yè)3 加 工 中 心 工 作 臺(tái) 的 基 本 參 數(shù)3.1 進(jìn)行工作臺(tái)條件選定工作臺(tái)重量計(jì)算：材料：HT200 密度：ρ=7200KG/m3X,Y 直線工作臺(tái)： kg1607205.9. ??回轉(zhuǎn)工作臺(tái)： 3230???????總質(zhì)量預(yù)算：總重=工作臺(tái)+ 工件+滾珠絲杠螺母副 +夾具+導(dǎo)軌=1000kg重量=10000N縱向（X）工作臺(tái)行程=750mm 橫向（Y）工作臺(tái)行程=500mm工作進(jìn)給速度為 1~1500mm/min 快速進(jìn)給速度為 15m/min工作臺(tái)導(dǎo)軌選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，動(dòng)摩擦因數(shù)取 μ=0.01，靜摩擦因數(shù) μ0=0.01，工作快速進(jìn)給νmax=15m/min,壽命設(shè)定為 20000h（約工作十年） ，主軸伺服電機(jī)暫取 7.5KW，強(qiáng)力切削時(shí)銑刀選擇直徑為 Φ125mm，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為 300r/min表 3-1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度與時(shí)間比例經(jīng)驗(yàn)值切削方式 進(jìn)給速度 m/min 時(shí)間比例% 備注強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿功率工作一般切削 0.8 30 粗加工精加工切削 1 50 精加工快速進(jìn)給 15 10 空載3.2 銑削分析采用端銑刀在主軸上進(jìn)行強(qiáng)力切削下計(jì)算，主軸此時(shí)具有最大的扭矩，并能傳遞主電機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切削速度為：第 7 頁(yè) 共 61 頁(yè)m/s （3-96.106325106?????Dn1）式中：ν—銑刀切削速度，單位為 m/min；n—強(qiáng)力切削下主軸轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；D—刀具直徑，單位為 mm；3.2.1 銑削抗力分析機(jī)床主傳動(dòng)機(jī)械效率 η 一般取 η=0.8，在傳動(dòng)軸系工作轉(zhuǎn)速的各階段臨界轉(zhuǎn)速范圍之外，當(dāng)取 n≤（0.75~0.8 ）n c1。 銑削運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征：主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（銑鍵槽時(shí)，可使鍵槽銑刀沿軸線進(jìn)給） 。銑刀的類型很多，多以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。在本設(shè)計(jì)中主要以端銑刀銑削方式來進(jìn)行計(jì)算。切向銑削力可按照主電動(dòng)機(jī)功率 Pe（KW）計(jì)算，主切削力為N （3-2）2.306196.157803??????EmZPF式中：F Z——切向切削力，單位為 N；η m ——機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，一般取 η m =0.8；ν——機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度） ，單位為 m/s；PE——主電動(dòng)機(jī)滿載功率，單位為 KW。各切削分力的計(jì)算：縱向切削分力 F1，橫向切削分力 Fc，垂向切削分力 Fv，單位皆為 N表 3—2 工作臺(tái)工作載荷與切削力的經(jīng)驗(yàn)比值 銑削條件 比值 對(duì)稱端銑Fl/FZ 0.3~0.4Fc/FZ 0.85~0.95端銑（a e=(0.4~0.8)d0,af=0.1~0.2) Fv/FZ 0.5~0.55加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 8 頁(yè) 共 61 頁(yè)式中：d 0——端銑刀直徑，單位為 mm；ae——每齒進(jìn)給量，單位為 mm/齒；af——銑削寬度，單位為 mm。則：Fl=（0.3~0.4）F ZFc=（0.85~0.95 ）F ZFv=（0.50~0.55）F Z所以Fl=0.4×3061.22N=1224.49 NFc=0.95×3061.22N=2908.16 NFv=0.55×3061.22N=1683.67 N3.2.2 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算（1）在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力 Fμ的計(jì)算? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)，有（3-3））（ cvgfWF???1式中：F v,Fc——主切削力的垂向切力分力和橫向切削分力，單位為 N；W——坐標(biāo)軸上移動(dòng)部件的全部重量（包括機(jī)床夾具和工件的重量） ，單位為 N；μ——摩擦因數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌， μ=0.01；fg——鑲條緊固力，單位為 N，查表 3—2；表 3—3 鑲條緊固力推薦值主電動(dòng)機(jī)功率/KW導(dǎo)軌形式 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18滾動(dòng)直線導(dǎo)軌25 40 75 100 125 150 175由公式（3-3 ）得第 9 頁(yè) 共 61 頁(yè)Fμ1=0.01×（10000+100+1683.67+2908.16）=146.9 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌垂直時(shí)，有（3-）（ cvgFfW??21?4）式中：W—— 坐標(biāo)上移動(dòng)部件和平衡重量的總重量，單位為 N。則由公式（3-4）得 Fμ2 =0.01×（0.5×10000+100+1683.67+2908.16 ）=96.9 N（2）在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力 Fμ0 的計(jì)算?坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)，有（3-）（ gfW???015）則由公式（3-5）得Fμ01 =0.01×（10000+100）N=101 N?坐標(biāo)軸導(dǎo)軌垂直時(shí)，有（3-）（ gfW??210?6）則由公式（3-6）得Fμ02 =0.01×（0.5×10000+100）N=51 N3.2.3 滾珠絲杠螺母副軸向負(fù)載力的計(jì)算滾珠絲杠螺母副軸向負(fù)載力是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所受的軸向力，也稱進(jìn)給牽引力。（1）最大軸向負(fù)載力 Famax的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的最大軸向負(fù)載力 Famax發(fā)生在機(jī)床主電機(jī)滿功率運(yùn)行的切削狀態(tài)時(shí)。此時(shí)，最大的軸向負(fù)載力 Famax為? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)（3-1max1???加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 10 頁(yè) 共 61 頁(yè)7）則由公式（3-7）得Famax=1224.49+146.9=1371.39 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)（3-21max2?F??8）則由公式（3-8）得Famax=1224.49+96.9=1321.39 N（2）最小軸向負(fù)載力 Famin的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的最小軸向負(fù)載力 Famin發(fā)生在機(jī)床空載運(yùn)行時(shí)，此時(shí)，最小的軸向負(fù)載力 Famin為? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)（3-9）)f(F01amingW???則由公式（3-9）得Famin1=101 N? 坐標(biāo)軸導(dǎo)軌水平時(shí)（3-10）)f21(0amin2g???則由公式（3-10）得Famin2=51 N第 11 頁(yè) 共 61 頁(yè)加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 12 頁(yè) 共 61 頁(yè)4 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng)4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)工作原理橫向進(jìn)給系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，軸承，滾珠絲杠螺母副，導(dǎo)軌組成。運(yùn)動(dòng)順序?yàn)?，電?dòng)機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器與滾珠絲杠剛性連接，滾珠絲杠隨聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠螺母隨著滾珠的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。該進(jìn)給系統(tǒng)推動(dòng)橫向?qū)к壱陨系目v向工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在 Y 軸方向進(jìn)行移動(dòng)，為工件在 Y軸方向加工進(jìn)行位置移動(dòng)。進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給精度對(duì)于工件 Y 軸方向的加工精度有很重要的影響。其中滾珠絲杠在精度控制上影響最大，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意滾珠絲杠螺母副的移動(dòng)精度以及剛度等要求。圖4-1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)圖4.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)與選型4.2.1 導(dǎo)軌概述導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方稱為動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的一方稱為支撐導(dǎo)軌。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支撐導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，通常作直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第 13 頁(yè) 共 61 頁(yè)4.2.2 對(duì)導(dǎo)軌要求（1） 導(dǎo)向精度:導(dǎo)向精度主要指導(dǎo)軌沿支撐導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度和圓度。（2） 耐磨性好及壽命長(zhǎng)（3） 足夠剛度（4） 低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性（5） 工藝性好4.2.3 對(duì)導(dǎo)軌的技術(shù)要求（1）導(dǎo)軌的精度要求滑動(dòng)導(dǎo)軌，不管是 V-平型還是平-平型，導(dǎo)軌面的平面度通常取 0.01~0.015mm，長(zhǎng)度方向的直線度通常取 0.005~0.01mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取 0.01~0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度去 0.01~0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面對(duì)導(dǎo)軌地面的垂直度去0.005~0.01mm。鑲剛導(dǎo)軌的平面度必須控制在 0.005~0.01mm 以下，其平行度和垂直度控制在 0.01mm 以下。（2）導(dǎo)軌的熱處理由于數(shù)控機(jī)床開動(dòng)率普遍很高，所以要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。（3）導(dǎo)軌的類型選擇及其特點(diǎn)導(dǎo)軌的分類方法很多，在本次設(shè)計(jì)中用到的導(dǎo)軌有直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌。直線到導(dǎo)軌的截面形狀選取為三角形，且采用小于 900的夾角，以此提高導(dǎo)向精度。直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的組合形式，也稱雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)軌面同時(shí)起支承和導(dǎo)向作用。磨損后可以自動(dòng)補(bǔ)償，導(dǎo)向精度高。但裝配時(shí)要對(duì)四個(gè)導(dǎo)軌面進(jìn)行刮研，難度很大。由于過定位，所以制造、檢驗(yàn)和維修都困難，它適用于精度要求高的機(jī)床，所以該導(dǎo)軌適合絲杠車床。（4）直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇原則① 當(dāng)要求導(dǎo)軌具有較大的剛度和承載能力時(shí)，用矩形導(dǎo)軌。一般中小型機(jī)床導(dǎo)軌常采用三角形-矩形導(dǎo)軌組合。②當(dāng)要求導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高時(shí)，機(jī)床常采用三角形導(dǎo)軌。③矩形導(dǎo)軌、圓形導(dǎo)軌工藝性好，制造、檢驗(yàn)都方便；三角形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌工藝性差。加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 14 頁(yè) 共 61 頁(yè)④ 當(dāng)用要求結(jié)構(gòu)緊湊、高度小及調(diào)整方便的機(jī)床時(shí)，用燕尾形導(dǎo)軌。4.2.4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算在本設(shè)計(jì)中，機(jī)床的精度等級(jí)選擇可根據(jù)表 4-1 取表 4-1 各類機(jī)床和通用機(jī)械推薦的精度等級(jí)數(shù)控機(jī)床精度等級(jí) 車床 銑床 鏜床 磨床 電加工機(jī)床 精密充剪機(jī) 繪圖機(jī)普通機(jī)床通用機(jī)床2 √ √ √ √ — — — — —3 √ √ √ √ — — √ √ —4 √ √ — — √ √ √ √ √5 — — — — √ √ - — √從表 4-1 的中可以得到，在本設(shè)計(jì)中，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的精度等級(jí)選擇為 2 等精度。（1） 結(jié)構(gòu)與優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反相器、保持架、密封端蓋及擋板組成。優(yōu)點(diǎn)：① 導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，隨動(dòng)性極好；② 驅(qū)動(dòng)功率大大降低，只相當(dāng)于普通機(jī)械的 1/10；③ 與滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾子導(dǎo)軌相比，摩擦力可下降約 40 倍；④ 適用于高速直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度比滑動(dòng)速度提高約 10 倍；⑤ 可以實(shí)現(xiàn)較高的定位精度和重復(fù)定位精度。（2） 選型與計(jì)算① 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌選型一般依照導(dǎo)軌的承載量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定導(dǎo)軌規(guī)格，然后計(jì)算壽命表 4-2 導(dǎo)軌承載量與導(dǎo)軌規(guī)格對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系承載量/N 3000 以下 3000~5000 5000~1000010000~2500025000~50000導(dǎo)軌規(guī)格 30 35 45 55 65第 15 頁(yè) 共 61 頁(yè)（2） 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌計(jì)算滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的計(jì)算就是計(jì)算其距離額定壽命或時(shí)間額定壽命。① 距離額定壽命 L 和時(shí)間額定壽命 Lhkm6.38267.183.40205503 ????????????????kmFfcwath（4-1）式中：f h——硬度系數(shù)，一般要求滾道的硬度不得低于 58HRC，常取 fh=1；ft——溫度系數(shù)，取表 4-3 得 ft=1.00；fc——接觸系數(shù)，取表 4-4 得 fc=0.81；fa——精度系數(shù)，取表 4-5 得 fa=1.0；fw——載荷系數(shù)，取表 4-6 得 fw=1.3；Ca——額定動(dòng)載荷，單位為 N；F—— 計(jì)算載荷，單位為 N。表 4-3 溫度系數(shù)表 4-4 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)1 2 3 4 5fc 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61表 4-5 精度系數(shù)精度等級(jí) 2 3 4 5fa 1.0 1.0 0.9 0.9工作溫度/℃9055.9N，故滿足要求，則軸承為：7204C/BD。4.4 聯(lián)軸器及傳感器的選擇（1） 聯(lián)軸器的選擇 m1.9503n9ed????NPT剛性聯(lián)軸器，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 13.4 取聯(lián)軸器為 GY1，公稱轉(zhuǎn)矩，許用轉(zhuǎn)速 ，符合設(shè)計(jì)要求，m19.25n????NT??in/50in/12rr?該選擇符合橫向進(jìn)給系統(tǒng)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)以及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的選擇要求。（2）傳感器選擇現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán) 境 合 理 地 選 用 傳 感 器 ， 是 在 進(jìn) 行 某 個(gè) 量 的 測(cè) 量 時(shí) 首 先 要 解 決 的 問 題 。 當(dāng) 傳 感 器 確 定之 后 ， 與 之 相 配 套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。在本設(shè)計(jì)中選用的是機(jī)械式傳感器，該傳感器的輸入量可以是力﹑壓力﹑溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性形變（或應(yīng)變） 。在自動(dòng)檢測(cè)﹑自動(dòng)控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用的微型探測(cè)開關(guān)也被看做是機(jī)械式傳感器。這種開關(guān)能把物體的運(yùn)動(dòng)﹑位置或尺寸變化，轉(zhuǎn)換為接通﹑斷開信號(hào)。在該 Y 進(jìn)給系統(tǒng)和 X 進(jìn)給系統(tǒng)中選用這類的微型開關(guān)正合適選擇要求。4.5 滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算4.5.1 滾珠絲杠螺母副循環(huán)方式選擇滾珠絲杠螺母副常用的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，使用較廣泛。其缺點(diǎn)是滾到接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪音也較大。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器分為兩種形式：加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 20 頁(yè) 共 61 頁(yè)圓柱凸鍵反向器和扁圓鑲塊反向器。后一種尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸并縮短了軸向尺寸，兩種反向器的外廓和螺母的切槽尺寸精度要求高。在本次設(shè)計(jì)中采用的是內(nèi)循環(huán)方式。4.5.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算（1）滾珠絲杠精度選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17587.3-1998 將滾珠絲杠分為定位滾珠絲杠副（P 型）和轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠螺母副（T 型）兩大類。滾珠絲杠的精度等級(jí)為 7 級(jí)，即 1、2、3、4、5、7、10級(jí)，在本次設(shè)計(jì)中，選用的精度為 2 級(jí)精度。由于選用半閉環(huán)系統(tǒng)使用的滾珠絲杠則（定位精度-δ k）8.03?PV（定位精度-δ k）ep（2）滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直線估計(jì)① 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程（4-10）m105max0???inVL式中：V max——移動(dòng)部件的最高移動(dòng)速度，單位為 mm/min；i——傳動(dòng)比，當(dāng)滾珠絲杠與電動(dòng)機(jī)直接連接時(shí)，i=1；nmax——電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。② 滾珠絲杠的當(dāng)量載荷 Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 nm計(jì)算r/min （4-11）mqnq10.102??N （4-12）3331.mnmF當(dāng)載荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)均等時(shí)，可采用下列公式計(jì)算：r/min （4-13）2inaxnm??N （4-14）3miF式中：F amin——機(jī)床空載時(shí)滾珠絲杠所受的軸向力，單位為 N；Famax——機(jī)床切削時(shí)滾珠絲杠所受的切向力，單位為 N；第 21 頁(yè) 共 61 頁(yè)nmax——滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速；nmin——滾珠絲杠的最低轉(zhuǎn)速。則由公式（4-11） ， （4-12）可得? ??? ??????k1 min/230150150%8360iim rqNF42215.699.739.7 3 ???當(dāng)切削力的軸向載荷定為力最大軸向載荷 Fmax，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向載荷定為最小軸向載荷 Fmin。一般切削和精加工切削時(shí)，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分為F2=Famin+20%Famax=101+1371.39×0.2=375.29 NF3=Famin+5%Famax=101+1371.39×0.05=169.57 N各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速（4-0nLvii?15）當(dāng) ν1=0.6m/min,ν2=0.8m/min,ν3=1m/min,ν4=15m/min 時(shí)n1=60r/min,n2=80r/min,n3=100r/min,n4=1500r/min。表 4-7 滾珠絲杠在各種切削方式下軸向載荷，進(jìn)給速度，及時(shí)間比例的數(shù)值切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/（m/min）時(shí)間比例（%）備注強(qiáng)力切削 F1=Famax=1371.39 0.6 10 主電機(jī)滿功率一般切削 F2=375.29 0.8 30 粗加工精細(xì)切削 F3=169.57 1 50 精加工快速移動(dòng) F4=Fmin=101 15 10 快速移動(dòng)加工中心工作臺(tái)設(shè)計(jì)第 22 頁(yè) 共 61 頁(yè)③ 確定預(yù)期額定動(dòng)載荷 Cam根據(jù)滾動(dòng)絲杠螺母副的預(yù)期工作時(shí)間 Lh（h）計(jì)算（4-16）caw3amf10n6mhF?式中：n m——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；Lh——數(shù)控機(jī)床預(yù)期工作時(shí)間 h,Lh=20000h；Fm——滾珠絲杠的當(dāng)量載荷，單位為 N；fw——載荷性質(zhì)系數(shù)， fw=1.3；fa——精度系數(shù)，f a=1；f——可靠性系數(shù)，f c=1。則由公式（4-16）可得 NC2.348710.22360am????根據(jù)滾珠絲杠螺母副預(yù)期運(yùn)行距離 Ls（KM）計(jì)算（4-17）30cawmfF式中：L s——數(shù)控機(jī)床的預(yù)期運(yùn)行距離（KM 計(jì)算）則由公式（4-17）可得NC1560213.4am???對(duì)于有預(yù)加載荷的滾珠絲杠螺母副，需要根據(jù)最大軸向載荷 Fmax（4-18）maxafFe式中：f e——預(yù)加載荷系數(shù)，f e=4.5；則由公式（4-18）可得Cam=4.5×1371.39=6171.26N根據(jù)以上三種預(yù)算中最大值，則 Cam=6171.26N④ 根據(jù)位置精度要求確定滾珠絲杠螺母副允許的最小螺紋底經(jīng) d2m第 23 頁(yè) 共 61 頁(yè)估算滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量 δ max，暫定工作時(shí)的定位精度為30μm，重復(fù)定位精度 10μmδmax=（1/3~1/2）重復(fù)定位精度 μmδmax=（1/5~1/4 ）定位精度 μ m則 δmax=（1/3~1/2 ）×10=（3.33~5）μmδmax=（1/3~1/2 ）×30=（6~7.5）μm在計(jì)算結(jié)果取最小值3.3μm，最大軸向變形量 δ max（μm ）⑤估算滾珠絲杠螺母副螺紋的底經(jīng) d2mL=行程 +安全行程+余程+螺母長(zhǎng)度+支撐長(zhǎng)度≈（1.2~1.4）行程+（20~30 ）L 0=1.3×500+30×10=950mm當(dāng)滾珠絲杠螺母副的安裝方式為兩端固定時(shí)（4-19）m39.ax02?Fdm?式中：E——彈性模量，單位 MPa,一般取2.1×10 5MPa；δmax——最大軸向變形量，單位為 μm；L——滾珠絲杠螺母副兩個(gè)固定支承之間的距離，單位為 mm；F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，單位為 N。則由公式（4-19）可得 mdm6.3.95010.2 ???據(jù)基本導(dǎo)程 L0，預(yù)期額定動(dòng)載荷和滾珠絲杠的螺紋底徑 d2m,d2≥d2m,Ca≥Cam,且 d2適當(dāng)大。得，d 2=27.3mm,Ca=40kN,型號(hào) FF3210-5，符合要求。4.5.3 滾珠絲杠螺母副預(yù)緊方式的選擇以及預(yù)緊力的確定（1） 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方式選擇