加工中心水平軸驅(qū)動裝置設計【MDH125臥式加工中心機械結(jié)構】

加工中心水平軸驅(qū)動裝置設計【MDH125臥式加工中心機械結(jié)構】,MDH125臥式加工中心機械結(jié)構,加工,中心,水平,驅(qū)動,裝置,設計,mdh125,臥式,機械,結(jié)構 一種加工中心水平軸驅(qū)動裝置設計 摘要 裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟各行業(yè)提供加工裝備的基礎產(chǎn)業(yè)，其上下游產(chǎn)業(yè)鏈長、提供就業(yè)崗位多、技術資金密集，是各行業(yè)實現(xiàn)加工能力升級、產(chǎn)品進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現(xiàn)。經(jīng)過多年發(fā)展，我國裝備制造業(yè)已經(jīng)形成門類齊全、規(guī)模較大、具有一定技術水平的產(chǎn)業(yè)體系，成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。但以臥式加工中心為代表的具有高性能、高自動化、高附加值的高端數(shù)控機床卻遠遠落后于裝備制造業(yè)發(fā)達國家。在世界產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整、國內(nèi)機床市場需求持續(xù)增長、以及國家加快振興裝備制造業(yè)的關鍵時期，開發(fā)高性能的臥式加工中心勢在必行。 本文以MDH125臥式加工中心機械結(jié)構為主體進行了研究。MDH125臥式加工中心是大連機床有限責任開發(fā)生產(chǎn)的具有國內(nèi)領先水平，國際先進水平的臥式加工中心之一，該機床廣泛適用于軍工、航天、汽車、模具、機械制造等行業(yè)的箱體零件、殼體零件、盤類零件、異形零件的加工，零件經(jīng)一次裝夾可自動完成四個面的銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻絲的多工序加工。 設計結(jié)合企業(yè)臥式加工中心新產(chǎn)品的開發(fā)，簡要論述了一種加工中心水平軸的驅(qū)動裝置設計方案。依據(jù)國內(nèi)外多款優(yōu)秀臥式加工中心的機床參數(shù)，綜合考慮市場需求、市場競爭力、企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構等因素，確定了設計的初始參數(shù)；分析各種臥式加工中心結(jié)構布局，綜合考慮整體剛性、機床性能、制造成本、操作方便等因素，確定切合實際的方案。 關鍵字：臥式加工中心；水平軸；驅(qū)動裝置 Abstract The equipment manufacturing industry is the basic industry which provides the processing equipment for the national economy each profession, its upstream and downstream industry chain is long, provides the employment post many, the technology capital is dense, is each profession realizes the processing ability to upgrade, The important guarantee of product progress and the concentrated embodiment of national comprehensive strength. After years of development, China's equipment manufacturing industry has become an important pillar industry of the national economy. However, the advanced NC machine tools with high performance, high automation and high added value, represented by horizontal machining center, lags far behind the developed countries in equipment manufacturing. In the key period of adjusting the world industrial pattern, increasing the market demand of domestic machine tools and speeding up the revitalization of the equipment manufacturing industry, it is imperative to develop a high performance horizontal machining center. In this paper, the mechanical structure of MDH125 horizontal Machining Center is studied. MDH125 horizontal Machining Center is one of the leading horizontal machining centers with domestic and international advanced level, which is developed and produced by Dalian Machine tool Group Co., Ltd. The machine tool is widely used in the processing of box parts, shell parts, disk parts and special-shaped parts in the fields of military industry, aerospace, automobile, mould, machinery manufacturing and so on. The parts can be milled, boring, drilling, expanding and hinging automatically after a single clamping. Multi-process processing of tapping. Combined with the development of new products of horizontal machining center, a design scheme of driving device for horizontal axis of machining center is briefly discussed in this paper. According to the machine tool parameters of many excellent horizontal machining centers at home and abroad, considering the market demand, market competitiveness, product structure and other factors, the initial design parameters are determined, and the structural layout of various horizontal machining centers is analyzed. Considering the overall rigidity, machine performance, manufacturing cost, easy to operate and other factors, to determine the practical scheme. Keywords: horizontal machining center; horizontal axis; driving device 目 錄 1.緒論 1 1.1設計背景 1 1.2選題意義 1 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4設計所做的工作 3 2.主要臥式加工中心分類及初始參數(shù)選定 4 2.1 低速大扭矩型 4 2.2 中速適用型 5 2.3 高速加工型 5 2.4 加工中心選型及其初始參數(shù)的擬定 6 3.驅(qū)動系統(tǒng)理論分析 8 3.1 主傳動功率的選定方法 8 3.2 主傳動功率–扭矩特性分析 8 4.驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構原理及設計 12 4.1 電主軸結(jié)構原理及設計 13 4.2 齒輪主軸結(jié)構原理及設計 14 5.結(jié)論 18 附錄1：外文翻譯 20 附錄2：外文原文 24 致 謝 29 - 3 - 1.緒論 1.1設計背景 裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟各行業(yè)提供技術裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強、技術資金密集，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現(xiàn)。數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數(shù)控機床的產(chǎn)量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的裝備制造業(yè)水平和競爭力。我國數(shù)控機床的技術水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達國家還有很大差距，高檔數(shù)控機床及功能部件大多依靠進口。加工中心是高檔數(shù)控機床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達國家相比，我國臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關鍵功能部件國產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。為此，研究臥式加工中心的關鍵技術，形成高性能臥式加工中心的國產(chǎn)化、系列化和批量化能力，對于我國的制造裝備業(yè)以及對提升我國機床行業(yè)水平和保障國家重大工程的實施具有重要意義。 1.2選題意義 裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟各行業(yè)提供技術裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強、技術資金密集，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現(xiàn)。數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數(shù)控機床的產(chǎn)量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的裝備制造業(yè)水平和競爭力。我國數(shù)控機床的技術水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達國家還有很大差距，高檔數(shù)控機床及功能部件大多依靠進口。加工中心是高檔數(shù)控機床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達國家相比，我國臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關鍵功能部件國產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。為此，研究臥式加工中心的關鍵技術，形成高性能臥式加工中心的國產(chǎn)化、系列化和批量化能力，對于我國的制造裝備業(yè)以及對提升我國機床行業(yè)水平和保障國家重大工程的實施具有重要意義。 本次設計，結(jié)合近年來國內(nèi)外數(shù)控機床加工中心的發(fā)展形勢，主要設計加工中心水平軸驅(qū)動裝置，主要對臥式機床進給傳動系統(tǒng)進行理論分析，選定主傳動功率，分析主軸形式并確定主傳動系統(tǒng)動力參數(shù)。重點分析臥式機床水平軸進給傳動和主傳動的結(jié)構原理、分析提高傳動系統(tǒng)性能的措施，完成方案設計。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外數(shù)控加工中心驅(qū)動裝置的研究及發(fā)展現(xiàn)狀 在美國、德國、日本等發(fā)達國家，數(shù)控機床的改進設計正處于發(fā)展的“黃 金時期”，已形成了新的行業(yè)。數(shù)控機床電主軸的發(fā)展為實現(xiàn)高速切削奠定了 基礎。在數(shù)控機床的電主軸研究方面，國外電主軸最早應用于內(nèi)圓磨床。從 20 世紀末以來，隨著高速電機、數(shù)字控制技術的發(fā)展，電主軸在數(shù)控雕刻機、數(shù)控加工中心等高檔數(shù)控機床應用,成為近年來機床技術所取得的重大成就之一。 電主軸研究的主要方向有：高速電主軸的散熱、高速電主軸的潤滑和冷卻等。 比如 G.Gan，S. B. Riffat，L. Shao，P. Doherty 等研究了電主軸的主要發(fā)熱部分是電主軸的內(nèi)置電機。J. Facao，A. Oliveira 研究了電主軸在高速運轉(zhuǎn)的過程中，各種電磁和機械的損耗產(chǎn)生的熱量會傳導、輻射到主軸及外殼等結(jié)構上，如果電主軸的冷卻效果不好，會產(chǎn)生較大的熱位移，這對主軸加工性能的影響很大。日本學者 Masaomi Tsutsumi 和 Keigo TADA 的研究指出，同樣的轉(zhuǎn)速，高速電主軸質(zhì)量大的比質(zhì)量小的升溫快。采用油霧和油氣冷卻，效果比較，在高速情況下，采用油氣潤滑電主軸內(nèi)外溫度都比油霧潤滑高，電力消耗更多。在數(shù)控系統(tǒng)研究方面，彭芳喻等提出 Nano 插補與控制技術已達到實用階段。“Nano 插補”使用在全部插補以后，可實現(xiàn)高質(zhì)量的納米級加工；Mitsubishi 研制的 M700V 系列 CNC 系統(tǒng)也可完成 Nano 插補。在數(shù)控電主軸技術方面，目前國外的一些工業(yè)發(fā)達國家，均有技術先進、裝備優(yōu)良，專業(yè)制造電主軸的廠家，可以批量生產(chǎn)各種高速、大扭矩的電主軸，最為著名的有瑞士的 IBAG ，美國的 SETCO ，德國的 FAG 和 GMN，日本的 KOYO 和 NSK 等。目前國外生產(chǎn)的電主軸最大轉(zhuǎn)速超過250000r/min，直徑在超過300mm，功率可達 150KW，最大扭矩超過 600N·m。這些國外生產(chǎn)的電主軸與國內(nèi)生產(chǎn)的相比有以下特點：①功率大、扭矩大、轉(zhuǎn)速高；②采用高速、高剛度軸承，例如陶瓷軸承、液體靜壓軸承、空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承等；③精密制造及裝配工藝水平高；④配套控制系統(tǒng)完善，例如主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子精密溫控系統(tǒng)，軸承油氣潤滑精密控制系統(tǒng)等。 1.3.2 國內(nèi)數(shù)控加工中心驅(qū)動裝置的研究及發(fā)展現(xiàn)狀 中國機床行業(yè)進入21 世紀以來，得到了快速地發(fā)展，其中數(shù)控機床的發(fā)展較為突出，國內(nèi)的一些科研院所在相關方面的研究，促進了電主軸的技術的發(fā)展，但與國外相比在性能、質(zhì)量、品種等方面還是有很大的差距。 我國從上世紀 90 年代以來開始研發(fā)適用于高速機床的數(shù)控系統(tǒng)，在高速、超高速加工的各關鍵領域，如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面，也進行了較多的研究。國內(nèi)電主軸技術領域中的專業(yè)有洛陽軸研科技股份、無錫開源機床、安陽萊必泰機械，氣體靜壓電主軸主要的研制單位有洛陽軸承研究所、北京機床研究所、航空部 303 所等。氣體靜壓電主軸加工精度高、轉(zhuǎn)速極高，適用于微小孔的鉆削以及精密零件的磨削，例如、光學鏡片、半導體元件等。氣體靜壓電主軸的加工效率高，所以目前氣體靜壓電主軸廣泛應用于精密和超精密加工領域，其主要用在零件的加工要求精密、高效及微型化的高科技領域。目前國內(nèi)電主軸產(chǎn)品與國外相比主要存在以下差距：①主軸轉(zhuǎn)速方面，國外用于加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速能達 75000r/min 以上，我國多在 30000r/min 以內(nèi)。②低速輸出扭矩方面，國外最大可達 630 N m，我國僅在 300 N m以內(nèi)。③主軸潤滑方面，國外普遍采用油氣潤滑，我國仍多采用油脂潤滑。④主軸支承方面，國外已有動、靜液體（氣）浮、磁浮軸承的成熟產(chǎn)品，我國仍處于實驗研究及小批量試制階段。⑤配套控制技術方面，例如主軸電機閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制技術、精確定位和定向、快速啟動和停止、主軸智能監(jiān)控技術等方面有較大差距。⑥主軸刀柄、刀具接口、編碼器系統(tǒng)等的國際標準，都由國外相關企業(yè)制定，國內(nèi)的電主軸沒有形成標準化、系列化、批量化，難以滿足數(shù)控加工中心發(fā)展的需求，所以電主軸產(chǎn)品遠不能滿足國內(nèi)需求，更無法與國外產(chǎn)品競爭。 高速電主軸技術的發(fā)展趨勢：高速度、高剛度；高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩；高精度、高可靠性和工作壽命長；快速啟動、停止響應速度加快；軸承及其預加載荷方式、潤滑方式多樣化。 1.4設計所做的工作 通過學習及查閱有關資料了解現(xiàn)在加工中心主軸伺服驅(qū)動結(jié)構的發(fā)展趨勢、相關技術的對比及市場前景，完成臥式加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理以及其機構的設計,通過自主設計并選擇最合理的方案， 了解機床水平軸驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構工作原理，并完成整體方案設計；完成主要部件的結(jié)構設計以及裝配圖和零件圖等。 2.主要臥式加工中心分類及初始參數(shù)選定 對機床市場現(xiàn)有的臥式加工中心產(chǎn)品情況進行收集與分析，是當今成功研發(fā)出新產(chǎn)品的保障。而根據(jù)臥式加工中心的多種使用性能,可將其分為三大類: 2.1 低速大扭矩型 一些老牌的機床制造廠商,因為具有臥式鏜銑床的技術基礎,便直接在臥式鏜銑床的結(jié)構形式上加裝刀庫、換刀裝置,傳動系統(tǒng)配置數(shù)控系統(tǒng),便改制出臥式加工中心。最顯著的特點是,機床的主傳動結(jié)構形式通常采用齒輪主軸,主軸的最高轉(zhuǎn)速普遍偏低,但保留了臥式鏜銑床主軸剛性較好、扭矩較大的優(yōu)點。 這類臥式加工中心往往秉承臥式鏜銑床的結(jié)構布局,整體剛性好、加工范圍大、切削進給速度較慢,立柱固定或參與1個坐標運動,分體床身,其標準配置多為單工作臺,示例如圖2.1。 （床身呈現(xiàn)倒T型結(jié)構，框型立柱正掛箱結(jié)構，直線交換雙工作臺，主軸3000r/min、1100Nm。） 圖2.1 中捷機床單/雙工作臺臥式加工中心 Fig. 2.1 Horizontal machining center with single or double table of SMTCL, China 2.2 中速適用型 以麗馳、友嘉等臺灣機床廠商和國內(nèi)新興加工中心生產(chǎn)企業(yè)為代表，依托數(shù)控系統(tǒng)和功能部件產(chǎn)業(yè)的成熟及大量國產(chǎn)化，利用數(shù)控系統(tǒng)不斷強大的功能，制造出機械結(jié)構簡單的臥式加工中心。 這類臥式加工中心主傳動結(jié)構形式大多采用皮帶傳動主軸，有些加裝標準的齒輪變速箱（如ZF齒輪箱），可有限的提高主軸傳動的最大扭矩。進給傳動結(jié)構，采用“滾動導軌＋滾珠絲杠”的傳動組合。機床結(jié)構布局跳出臥式鏜銑床的框架，普遍采用龍門框架對稱式動柱結(jié)構，主軸箱正掛。為適應工業(yè)自動化的發(fā)展需求，一般配置可四軸聯(lián)動的360°回轉(zhuǎn)工作臺，標準配置雙工作臺。 這類機床，雖然加工精度不高，但制造成本低，使用范圍廣，以較高的性價比切入市場，如圖2.2。 （床身呈現(xiàn)正T型，立柱門式框架結(jié)構，旋轉(zhuǎn)交換雙工作臺，主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min、640Nm。） 圖2.2 臺灣麗馳。雙工作臺臥式加工中心 Fig. 2.2 Horizontal machining center with double table of LITZ, Taiwan 2.3 高速加工型 由制造業(yè)發(fā)達的國家機床制造廠商為代表，遵循一種全新的開發(fā)理念——高效率開發(fā)，這類臥式加工中心主傳動結(jié)構大量采用了內(nèi)置式電主軸，進給傳動結(jié)構采用高速滾珠絲杠甚至直線電機。 機床結(jié)構布局是以適應高效率加工為目標，按不同的側(cè)重點，采取了多樣化的結(jié)構形式：對稱結(jié)構、框架式架構、重心驅(qū)動等被成熟應用。保證機床很好剛性的同時，也保證更加高的加工精度，多樣的自動化方案也體現(xiàn)了靈活的設計理念，如圖2.3。 （直線電機驅(qū)動，兩體式douBLOCK結(jié)構，旋轉(zhuǎn)交換雙工作臺，主軸18000r/min，快移100m/min。） 圖2.3 DMG臥式加工中心 Fig. 2.3 Horizontal machining center of DMG, German 必須特別指出的是，無論是老牌的企業(yè)還是新興的企業(yè)，往往在以上各個類型的臥式加工中心都有所涉足，只是各自產(chǎn)品投放市場的時間不同，針對的用戶群體不同，現(xiàn)階段的生產(chǎn)組織模式不同。面對多樣化的市場需求、不同的用戶操作水平和操作習慣、不斷涌現(xiàn)的機床材料和相關配套件，各種類型的臥式加工中心都具有一定的市場空間 2.4 加工中心選型及其初始參數(shù)的擬定 綜上所述，鑒于大連機床的MDH系列臥式加工中心已成功打入市場，且市場反應良好。更大規(guī)格的MDH125臥式加工中心不能從低速大扭矩型切入，因為與幾家傳統(tǒng)的鏜銑床生產(chǎn)企業(yè)相比缺乏經(jīng)驗，沒有競爭優(yōu)勢。不太容易在競爭激烈的市場中脫穎而出；假如在高速加工型切入，雖然緊跟了加工中心的發(fā)展方向，在國內(nèi)企業(yè)不掌握加工中心核心功能部件的關鍵技術、國外企業(yè)壟斷關鍵功能部件的現(xiàn)狀下，我們既沒有技術基礎、又沒有價格優(yōu)勢，成功幾率不高。 相反，如果從中速適用型切入，一方面國內(nèi)老牌機床制造企業(yè)也只是近幾年隨著加工中心向高速化發(fā)展才涉獵到這個領域，尚未確立領先優(yōu)勢，便于后來者的趕超；另一方面，由于這個領域產(chǎn)業(yè)相關技術的成熟，核心功能部件的大量國產(chǎn)化，加之國內(nèi)勞動力成本的優(yōu)勢，國外廠商對國內(nèi)廠商的競爭壓力較小。 由此得出結(jié)論：大連機床MDH125臥式加工中心的開發(fā)方向定位于中速適用型。并確定以下設計原則： （1） 面對市場，面對用戶，并且思考未來市場的發(fā)展和需求； （2） 既要考慮機床的先進性，又要兼顧機床的制造成本； （3） 考慮組織生產(chǎn)的合理性，把現(xiàn)有MDH系列部件盡量統(tǒng)一，減少部件多樣性，使部件管理方便； （4） 關鍵性配套件，應選用可靠性強的名牌產(chǎn)品。 根據(jù)MDH系列臥式加工中心型普，初步確定加工中心參數(shù)。MDH系列臥式加工中心型譜及機床參數(shù)見下表2.1。 表2.1 MDH系列臥式加工中心型譜及機床參數(shù) Tab. 2.1 MDH series horizontal machining centers’ family tree and specification 產(chǎn)品型號 （按照主參數(shù)） 40 50 65 80 125 工作臺（寬×長） mm2 / 4002 5002 6502 8002 12502 工作臺最大承載量 kg/ 400 800 1300 2000 3000 X軸行程 mm/ 630 780 1050 1400 1700 Y軸行程 mm/ 620 750 900 1100 1400 Z軸行程 mm/ 710 800 900 1050 1240 工作臺數(shù) 個/ 2 2 2 2 2 主軸（最高）轉(zhuǎn)速 rpm/ 8000– 12000 8000– 12000 8000– 12000 8000– 12000 8000– 12000 刀具的交換時間（T-T） s/ 1.2 2 2 2.5 2.5 快移速度 m/min/ 60 54 54 45 45 3.驅(qū)動系統(tǒng)理論分析 3.1 主傳動功率的選定方法 選擇主電機的首要條件是主傳動功率N，并依據(jù)其得出整機結(jié)構和機床零部件的強度設計。而N包括和附加功率、切削功率和空載功率三部分，即 (3.1) 其中，切削功率可以根據(jù)不同工作情況下的最大切削力與最大切削速度計算得到，即 ，() (3.2) 式中: ﹣-主切削力（）;v﹣-切削速度（） 空載功率是指機床在非切削（）狀態(tài)下，主傳動系統(tǒng)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下消耗的功率，包含傳動系統(tǒng)克服空氣阻力、所有零部件間的摩擦力等所需要消耗的功率。 想要精確分析空載功率是非常困難的，原因是它不僅僅與傳動系統(tǒng)的制造、結(jié)構和裝配質(zhì)量有關，而且和環(huán)境溫度，濕度，連續(xù)工作的時間等因素有關。傳動部件越多、轉(zhuǎn)動速率越高、軸承的預緊力越大、裝配的質(zhì)量就越差，則空載功率越大。一般可參照一臺傳動結(jié)構類似的機床進行估計。 附加功率是指機床在切削（）狀態(tài)下，與空載功率切削載荷之后所增加的傳動部件的摩擦功率相比，它和載荷的大小緊密相連 ，() (3.3) 式中，——主傳動系統(tǒng)總機械效率，就是指主傳動系統(tǒng)中各傳動副機械效率的乘積。 利用刀具制造商的切削數(shù)據(jù)估算軟件，比照國內(nèi)外相同規(guī)格產(chǎn)品主軸功率，確定本機床的主軸功率為。 3.2 主傳動功率–扭矩特性分析 加工中心的主軸部件包括主軸傳動、動力以及主軸組件，在加工中心成型運動中，它是重要的執(zhí)行部件之一。 主軸按照動力傳動形式主要可以分為四類——內(nèi)置式電主軸、直聯(lián)式主軸、以及皮帶傳動式主軸和齒輪傳動式主軸。 齒輪傳動式主軸是以齒輪傳送馬達扭矩，通常分為高低速檔。齒輪傳動式主軸的最大優(yōu)點為可傳遞大扭矩，重切削能力優(yōu)良；最大缺點為轉(zhuǎn)速受制于齒輪，不易實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。 皮帶傳動式主軸是以齒形帶傳遞馬達動力。其優(yōu)點是易組裝，易維護。缺點是高速時噪音大，皮帶張力不易控制等。 直聯(lián)式主軸連接馬達與主軸是以高剛性無間隙聯(lián)軸器。其優(yōu)點為機械效率較好，剛性及溫升控制佳，適合那些需要高剛性，大馬力，高轉(zhuǎn)速的主軸；缺點是振動平衡難以實現(xiàn)。 內(nèi)置式電主軸即將馬達與主軸合二為一，其運轉(zhuǎn)原理與一般馬達相同，具有低振動特性，動態(tài)回轉(zhuǎn)精度也較好，但因軸承跨距較大，所以剛性較弱，通常用于較高轉(zhuǎn)速的機床。 這其中電主軸和齒輪主軸為現(xiàn)今數(shù)控機床應用最廣泛的兩種主軸形式。 3.2.1 電主軸 近幾年電主軸依靠新技術、新材料在逐漸突破軸承剛性及電機扭矩的情況下，發(fā)展勢頭強勁。憑借其較高的轉(zhuǎn)速，更高的精度，以及裝配、維修更便利，較小的噪音等諸多優(yōu)勢，儼然成為了金屬切削行業(yè)研究、應用的熱點。 本文選擇的 高速大功率內(nèi)置的兩檔變速電主軸，不僅可以滿足高速度大功率切削,還可以低速度大扭矩加工。高速檔中最大額定可持續(xù)輸出功率可達到，30分鐘短時輸出功率為，電機的最高轉(zhuǎn)速是；而低速檔的最大額定持續(xù)輸出扭矩是，30分鐘的短時間輸出扭矩則為。 圖3.1為電機的功率--扭矩特性曲線。 圖3.1 電機的功率﹣扭矩特性曲線圖 Fig. 3.1 Motor power- curve for the characteristic of torque 3.2.2 齒輪主軸 國家在重點發(fā)展制造業(yè)，特別是對于重工業(yè)，保持高度重視的態(tài)度，能適應重切削加工的設備備受市場青睞，齒輪主軸這種傳統(tǒng)主軸形式又重新成為了各家機床制造企業(yè)的研究重點。大功率、大扭矩主軸擁有著廣闊的市場。 本文選擇的主軸電機，最大額定持續(xù)輸出功率可達到，30分鐘短時間輸出功率是，而電機的最高轉(zhuǎn)速為，計算轉(zhuǎn)速 是；目前可達最大額定持續(xù)輸出扭矩為，30分鐘短時間輸出扭矩是。經(jīng)過、、三檔齒輪變速，最大輸出扭矩可達。 電機的功率﹣扭矩特性曲線見圖3.2。 圖3.2 電機的功率﹣扭矩特性曲線圖 Fig. 3.2 Motor power- curve for the characteristic of torque 經(jīng)齒輪主軸箱變速后的主軸輸出功率﹣扭矩特性曲線見圖3.3。 圖3.3 主軸輸出功率﹣扭矩特性曲線圖 Fig. 3.3 Output power of spindle- curve for the characteristic of torque 機床主軸功率與扭矩的換算公式如下： （3.4） 其中： N﹣主軸功率（） M﹣主軸扭矩（） n﹣主軸轉(zhuǎn)速（） 4.驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構原理及設計 加工中心的驅(qū)動裝置，指的是機床的主軸系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)是安裝在主軸箱內(nèi)的。本機床已經(jīng)確定采用電主軸和齒輪主軸兩種主軸形式，安裝形式分別如圖4.1（上圖）、圖4.1（下圖）所示。本章將在機床傳動系統(tǒng)理論分析的基礎上，進行機床傳動系統(tǒng)的原理分析和結(jié)構設計。 圖4.1 主軸箱簡圖 Fig. 4.1 Diagram for spindle head 4.1 電主軸結(jié)構原理及設計 自動更換刀具是加工中心的一項基本功能。刀具利用主軸前端面定位，刀具的尾部安裝了拉釘，拉刀結(jié)構置于主軸內(nèi)部（即為主軸拉桿），而位于拉桿前端的拉爪則拉緊刀具拉釘，拉刀力通常是通過彈性蝶簧組產(chǎn)生的，此時，位于刀具尾部的圓錐面就會和位于主軸前端的錐孔緊密接觸了。在想要卸刀或者換刀的時候，打刀機構會壓縮彈性蝶簧組，從而使拉爪松開刀具。 依此設計本機床的電主軸結(jié)構如圖4.4。 1.打刀桿、2.旋轉(zhuǎn)接頭、3.后軸承、4.碟簧組、5.電機轉(zhuǎn)子、6.電機定子、 7.主軸、8.主軸箱、9.拉桿、10.前軸承、11.拉爪、12.主軸錐面、13.刀具刀柄 圖4.4 電主軸結(jié)構簡圖 Fig. 4.4 Structure diagram for motor spindle 電機轉(zhuǎn)子與主軸套裝為一體，主軸是通過位于其前端的定位塊來固定刀柄的角向的。電機轉(zhuǎn)子會帶動主軸旋轉(zhuǎn)，而主軸會帶動刀具旋轉(zhuǎn)，通過這種方法來實現(xiàn)主傳動。 圖4.5 電主軸軸承配置簡圖 Fig. 4.5 Configuration diagram for bearing motor spindle 本電主軸前端配置4列高速角接觸球軸承，后端配置單列圓柱滾子軸承。該軸承配置，高速性較弱，但徑向及軸向剛度較好。 4.2 齒輪主軸結(jié)構原理及設計 “現(xiàn)有的用于加工中心的主軸主要為電主軸和齒輪主軸兩種形式，電主軸可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，齒輪主軸可實現(xiàn)大功率、大扭矩。現(xiàn)有的扭矩以上的齒輪主軸轉(zhuǎn)速大多在以下，這往往限制了作為通用加工設備的加工中心的使用范圍，更限制了生產(chǎn)效率的提高，另外齒輪主軸軸承大多采用脂潤滑，這大大限制了主軸回轉(zhuǎn)速度（例如主軸軸承直徑采用脂潤滑的主軸最大轉(zhuǎn)速在以下），因此現(xiàn)有的齒輪主軸造成工作效率低，使用范圍受限”[11-12]本機床重新研發(fā)出一種外形尺寸比較小、而具有跟高最高轉(zhuǎn)速的適用于臥式加工中心的齒輪主軸結(jié)構，用來彌補現(xiàn)存技術的不足之處。 本齒輪的主軸結(jié)構主要包括：驅(qū)動電機1、齒輪軸4經(jīng)過聯(lián)軸器2和電機1連接起來，齒輪3套裝在齒輪軸4上，組成Ⅰ軸；齒輪5、6、7安裝在花鍵軸8上，組成了Ⅱ軸；齒輪11、12安裝在主軸14上，組成Ⅲ軸；通過三位氣缸推動撥叉9，實現(xiàn)不同的兩對齒輪嚙合（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸依次轉(zhuǎn)動），達到從驅(qū)動電機1到主軸14的傳動，如圖4.6。 1.電機、2.聯(lián)軸器、3.主動軸第一齒輪、4.主動軸、5.中間軸第一齒輪、6.中間軸第二齒輪、 7.中間軸第三齒輪、8.中間軸、9.撥叉、10.主動軸第二齒輪、11.主軸第一齒輪、12.主軸第二齒輪、 13.撥叉軸承、14.主軸、15.第一軸承、16.第二軸承、17.第三軸承、18.第四軸承、19.第五軸承、 20.前油氣潤滑通道、21.后油氣潤滑通道、22.主軸前支撐套、23.主軸后支撐套 圖4.6 齒輪主軸結(jié)構簡圖 Fig. 4.6 Structure diagram for gear spindle 通過三位氣缸推動撥叉（9）動作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）位于右位時，主動軸的第二齒輪（10）和中間軸的第二齒輪（6）相互嚙合，中間軸的第三齒輪（7）和主軸的第二齒輪（12）相嚙合，從而構成低速檔，如下圖4.7。 圖4.7 齒輪主軸低速檔傳動簡圖 Fig. 4.7 Diagram for the low speed transmission of gear spindle 經(jīng)過過三位氣缸推動撥叉（9）的動作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）處于中位時，主動軸的第二齒輪（10）和中間軸的第二齒輪（6）相互嚙合時，中間軸第二齒輪（6）和主軸第一齒輪（11）相互嚙合，從而形成中速檔，如圖4.8。 圖4.8 齒輪主軸中速檔傳動簡圖 Fig. 4.8 Diagram for the middle speed transmission of gear spindle 經(jīng)過三位氣缸推動撥叉（9）動作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）位于左位時，主動軸第一齒輪（1）和中間軸第一齒輪（5）相互嚙合，中間軸第二齒輪（6）和主軸第一齒輪（11）相互嚙合，從而構成高速檔，如圖4.9。 圖4.9 齒輪主軸高速檔傳動簡圖 Fig. 4.9 Diagram for the high speed transmission of gear spindle 本主軸前端配置高剛度雙列圓柱滾子軸承和高剛度推力角接觸球軸承，中間配置高剛度雙列圓柱滾子軸承，后端配置單列圓柱滾子軸承。本軸承的配置，高速性比較弱，但是徑向和軸向的剛度很 好，是具有高剛度的軸承配置，如圖4.10。 圖4.10 齒輪主軸軸承配置簡圖 Fig. 4.10 Configuration diagram for bearing of gear spindle 本齒輪主軸結(jié)構經(jīng)過兩級三檔齒輪變速，得到30分鐘連續(xù)最大的主軸扭矩；同時，主軸軸承的潤滑主要采取了油氣潤滑的方式，讓主軸的最高轉(zhuǎn)速可以達到。進而讓該齒輪主軸能夠得到大扭矩、高轉(zhuǎn)速的兩重優(yōu)點。 5.結(jié)論 在經(jīng)濟持續(xù)增長的環(huán)境下，我國裝備制造業(yè)迅速發(fā)展，但以臥式加工中心為代表的高性能機床產(chǎn)品卻遠遠落后于裝備制造業(yè)發(fā)達國家。在世界產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整、國內(nèi)機床市場需求旺盛、以及在國家振興裝備制造業(yè)的政策鼓勵下，我國機床制造業(yè)在不斷進步。本文結(jié)合開發(fā)MDH系列中更大規(guī)格的MDH125臥式加工中心新產(chǎn)品項目，對機床驅(qū)動裝置設計進行研究。設計依據(jù)國內(nèi)外各優(yōu)秀臥式加工中心的機床參數(shù)，綜合分析市場需求、市場競爭力、企業(yè)能力及產(chǎn)品結(jié)構等因素，選定設計對象，并擬定了機床初始參數(shù)；重點研究了主驅(qū)動形式，研究驅(qū)動系統(tǒng)動力參數(shù)的確定方法。 經(jīng)過此次畢業(yè)設計，讓我對加工中心的驅(qū)動裝置有了更深的理解，還加強了我對大學四年中的基本知識的學習。畢業(yè)設計是把我所學的理論知識進行實際操作的最效率的方法。在具體的設計過程中，一定要考慮到各個方面的問題，在理論上切實可行的沒有錯誤的設計，在實際運用的過程中往往存在著各種各樣的問題。因此，在進行加工設計時就必須考慮現(xiàn)實存在的問題，要結(jié)合實際出發(fā)，了解所設計的機構是否合乎情理，在實際運用中是否能正確運行工作。畢業(yè)設計讓我明白了從實際出發(fā)進行產(chǎn)品設計，而不是只考慮理論上的執(zhí)行度。 在這次畢業(yè)設計的完成過程中，我深刻的意識到一個看似簡單的機構中要考慮很多東西，它其實并不是在我們看上去那么簡單，它還包含很多知識。要完成一個產(chǎn)品的設計首先就要對它的功能和要起到的作用有充分的了解，然后要了解這些功能如何實現(xiàn)，需要什么樣的結(jié)構才能完善這些功能，并對這些結(jié)構進行分析，思考能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的結(jié)構中，哪種結(jié)構更加合理、更加高效、更加簡單、更加方便。據(jù)所知道的相似結(jié)構進行細節(jié)分析，再適當?shù)倪M行完善、創(chuàng)新，力爭用最低的成本展現(xiàn)最先進的功能。最后根據(jù)所選擇的結(jié)構得出想要的設計，適當考慮設計的加工、材料、成本等問題。 參 考 文 獻 [1]趙如福等. 機械制造工藝設計手冊[M]． 北京機械工業(yè)出版 2002 [2]王先逵. 機械制造工藝學[M]. 北京機械工業(yè)出版社 2006 [3]鄒青. 機械制造技術基礎課程設計指導教程[M]．北京機械工業(yè)出版社2004 [4]李益民. 機械制造工藝設計簡明手冊[M]． 北京機械工業(yè)出版社2004 [5]張波,陳天宇等.數(shù)控機床主軸部件動態(tài)優(yōu)化設計[J].機械設計,2004 [6]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008. [7]馮辛安.機械制造裝備設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006. [8]廉元國,張永洪.加工中心設計與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995. [10]蘇金明,阮沈勇,王永利. MATLAB工程數(shù)學[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005. [11] 孫靖民.機械優(yōu)化設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008. [12]Qing Zhang .Failure analysis of a diesel engine cylinder head based on finite element method[J]. Engineering Failure Analysis 2013 [13]Yong Shuai Wang .Temperature Field Analysis of High-Speed Gasoline Engine Cylinder Head Based on Fluid-Solid Coupling[J]. Advanced Materials Research 2013 附錄1：外文翻譯 多軸聯(lián)動原理及應用 Machining Center 加工中心 摘要：隨著科學技術的進步，產(chǎn)品零件的加工工藝越來越困難，加工精度也越來越高。多軸聯(lián)動加工中心的應用是解決這些問題的主要途徑。五軸聯(lián)動加工中心作為解決復雜曲面、曲柄軸等異形復雜零件的主要手段，在多軸聯(lián)動加工中心中具有很強的代表性。 通過應用五軸聯(lián)動加工中心對葉片進行加工，得出了五軸聯(lián)動加工中心與三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動加工中心相比，質(zhì)量和效率提高的必要性和必要性。得出了多軸聯(lián)動加工中心開發(fā)的可行性。 關鍵詞：多軸聯(lián)動，原理，葉片加工。 介紹 機床是一個國家制造業(yè)水平的標志?，F(xiàn)代數(shù)控加工正朝著高速、精密、智能化、柔性化、自動化、可靠性發(fā)展的方向發(fā)展。多軸數(shù)控機床反映了以上幾點。多軸聯(lián)動加工中心是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)功能關系的要求，控制多軸聯(lián)動、同步運動。根據(jù)軸數(shù)，數(shù)控機床分為兩軸聯(lián)動、兩軸聯(lián)動、三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動、五軸聯(lián)動，機床是一個國家制造業(yè)水平的標志。現(xiàn)代數(shù)控加正朝著高、精密 、智能化、柔性化、自動化、可靠性發(fā)展方向發(fā)展 。多軸數(shù)控機 床反映了以上幾點軸聯(lián)動加工中心是數(shù)控系 統(tǒng) 根據(jù) 功能關系的要求，控制多軸聯(lián)動 、同步運動根 軸數(shù)，數(shù)控機床 分為兩軸聯(lián)動 、兩軸聯(lián)動 、三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動 、五軸聯(lián)動由于工件的設計復雜度越來越高，采用三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動已不能滿足許多復雜異形產(chǎn)品的需求。魏芳等人。對四軸加工工藝進行了仿真，并與五軸加工中心進行了切削速度和切削狀態(tài)的比較。結(jié)果表明，五軸聯(lián)動加工中心的效率大大提高（1）。陳昊等人。認為六軸聯(lián)動加工大大提高了加工的靈活性和運動自由度，該系統(tǒng)能夠適應加工更多類型工件和更復雜曲面（2）。2014年10月，中國發(fā)射重型機床開發(fā)的一種機床的獨立，是用于加工螺旋槳，七軸六聯(lián)動響應客戶的要求，和機器做的很好。它的加工直徑最大，是世界上最復雜的機床[3 ]。與五軸聯(lián)動加工中心相比，提高了加工精度和加工效率。通過五多聯(lián)動加工中心的多軸加工，提高了加工效率和加工精度，但對專業(yè)人員和技術要求更嚴格，加工成本也增加，變窄；三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動加工CEN。然而，成本較低，不能達到這樣的精度和效率要求，無法實現(xiàn)復雜曲面加工。因此，五軸聯(lián)動加工中心的需求也促進了中國近年來。 五軸聯(lián)動加工中心目前不是最先進的多軸聯(lián)動加工中心，它具有典型的代表意義，目前已得到廣泛應用。五軸聯(lián)動數(shù)控技術也是一個國家工業(yè)化水平的標志。 多軸聯(lián)動加工中心的工作原理 多軸數(shù)控加工的研究主要包括三個方面：（1）加工過程的物理模擬與產(chǎn)品質(zhì)量預測，（2）過程系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性分析，（3）高效的數(shù)控加工工藝規(guī)劃。五軸聯(lián)動加工中心是目前多軸聯(lián)動加工中心研究的典型代表，它代表了目前機床制造業(yè)的最高狀態(tài)。詳細介紹了五軸聯(lián)動加工中心的工作原理。 加工中心的結(jié)構。 大多數(shù)五軸聯(lián)動加工中心的結(jié)構為3＋2。有三個直軸和三個輪齒中的兩個作為旋轉(zhuǎn)軸。根據(jù)三個直軸和三個旋轉(zhuǎn)軸的兩個組合，五軸聯(lián)動加工中心有三種類型，分別是x、y、z、a、b（圖1）；x、y、z、a、c、x、y、z、b、c。通過兩個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式，有三種形式：轉(zhuǎn)臺式、轉(zhuǎn)臺擺動式和雙擺式〔4〕。由于物理原因，機床的規(guī)格尺寸和加工對象范圍由三種結(jié)構形式?jīng)Q定。 加工中心的特點。 五軸聯(lián)動加工中心的特點如圖2所示：（a）可避免刀具干涉，適應性強，加工復雜零件，三軸聯(lián)動加工中心難度大。（b）對于直紋表面零件，可以采用側(cè)銑加工，以質(zhì)量好、效率高的隊形加工。（c）對于一般的多層表面，特別是對于較大的平坦表面，可使用大直徑銑刀接近表面。這樣，刀具的進給少，工件的剩余高度小。大大提高了加工效率和表面質(zhì)量。（d）五軸加工中心的優(yōu)點是能夠在單個設置中加工復雜形狀。這有助于提高表面的位置精度并獲得高效率。（e）當五軸加工中心工作時，刀具相對工件表面的切削狀態(tài)最為有效。（f）在一定的加工條件下，使用大尺寸的刀具避免干涉，刀具同時處于良好的剛度狀態(tài)，提高了加工效率和精度。 加工中心數(shù)控系統(tǒng)。 它是多軸加工中心的大腦，也是決定加工中心功能和性能的主要因素。數(shù)控系統(tǒng)的研究主要包括三個方面：（1）多軸數(shù)控加工的精插補，（2）設備與工藝的相互作用，（3）數(shù)控加工過程的閉環(huán)控制。 從本質(zhì)上講，基于數(shù)控程序的輸入，五軸聯(lián)動加工中心CNC系統(tǒng)插補理想軌跡，然后將指令輸出到加工中心的執(zhí)行部件以加工需要的工件。數(shù)控系統(tǒng)的基本功能包括5個模塊：輸入、軌跡插補、伺服控制、反饋控制和自動換刀。它是一個帶有位置控制的封閉式控制系統(tǒng)。為了保證運行部件的正常運行，反饋控制系統(tǒng)實時跟蹤測量的執(zhí)行性能，并將可能的誤差信號反饋給控制系統(tǒng)，然后將可能的誤差信號與下一個輸入信號相結(jié)合。T信號作為執(zhí)行部件的輸出信號。高檔數(shù)控系統(tǒng)應滿足以下基本要素[4 ]：（1）多通道多軸聯(lián)動；（2）空間刀具補償與優(yōu)化功能；（3）全閉環(huán)或雙閉環(huán)控制能力；（4）插補周期＜0.5 ms；（5）預測控制＞1000工序。（6）數(shù)據(jù)操作和切換單元

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