立式加工中心主轴组件的结构设计（含全套CAD图纸） pdf

  立式加工中心主轴组件的结构设计含全套CAD图纸 立式 加工 中心 主轴 组件 结构设计 全套 CAD 图纸

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  毕业设计 毕业论文 任务书 学 院 专 业 班 级 学 号 学 生 指 导 教 师 题 目 立式加工中心主轴组件的结构设计 任务规定 进行日期 自 20 年 2 月 20 日起 至 20 年 6 月 23 日止 2 一 题目来源 目的 意义 题目来源 本课题来源于同济现代制造技术研究所 是立式加工中心机床设计 项目下的子课题之一 目的 课题的目的是设计立式加工中心的主轴组件结构 主轴组件作为执行件 确保带动刀具进行切削加工 传递运动 动力及承受切削力等 并满足相关的 技术指标要求 意义 主轴组件作为机床的一个重要组件 要带动刀具直接参与表面成形运动 其工作性能对机床的加工质量及生产率有直接影响 二 主要工作内容 1 熟悉现有的各种主轴组件的要求和特点 2 完成主轴组件的设计总图 3 设计分析计算工作 4 主轴等主要零件的零件图绘制 5 主轴组件各部分的综合分析 三 主要技术指标 或主要论点 立式加工中心的特点是结构相对比较简单 占地面积小 总体结构方案的结构及形式 为固定立柱式 即主轴箱吊挂在立柱的一侧 作 z 方向的上下移动 主轴孔锥度 7 24 主轴孔直径 54mm 主轴箱行程 z 轴 470mm 3 主轴转速范围 30 3000r mm 快速移动速度 z 轴 10m min 进给速度 z 轴 1 400mm min 四 进度计划 第 1 周 第 3 周 查阅资料 翻译要求字数的英文资料 调研目前市场上数控 机床的主轴组件几种主要的结构形式 并进行方案论证 写出开题报告 第 4 周 第 6 周 通过查阅资料和参考一些机床的结构 进行主轴组件的结构 设计 第 7 周 第 9 周 结构分析与验算 满足技术性能指标和使用要求 第 10 周 第 14 周 计算机绘制结构设计图纸 包括总图和一些零件图 第 15 周 第 16 周 编写毕业设计说明书 第 17 周 第 18 周 评审 准备答辩 五 主要参考资料 外文资料至少一篇 1 谢红 数字控制机床机器人机械系统设计指导 m 上海 同济大学出版社 2004 2 韩鸿鸾 数控机床的机械结构与维修 m 山东 山东科学技术出版社 2005 3 罗学科 等 数控原理与数控机床 m 北京 化学工业学出版社 2004 4 4 周宏甫 数控技术 m 广州 华南理工大学出版社 2005 5 陈蔚芳 等 机床数控技术及应用 m 北京 科学出版社 2005 6 王仁诚 加工中心主轴系统的设计 j 钻镗床 2000 1 43 47 7 purdum t machine tools re discover gravity j industry week 2004 253 12 93 96 8 李佳 数控机床及应用 m 北京 清华大学出版社 2001 9 娄锐 数控应用关键技术 m 北京 电子工业出版社 2005 10 吴祖育等 数控机床 m 上海 上海科学技术出版社 2000 六 系审批意见 系主任 签名 七 院领导审核意见 院领导 签名 八 学生实际完成日期 九 同组设计 论文 者 立式加工中心主轴组件的结构设计 5 目 目 录录 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 立式加工中心主轴组件的结构设计 6 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 立式加工中心主轴组件的结构设计 7 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 立式加工中心主轴组件的结构设计 8 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 关键词 主轴组件 加工中心 数控机床 立式加工中心主轴组件的结构设计 9 spindle unit design of vertical machining center abstract machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup machining center requires little operator intervention and once the machine has been set up it will machine without stopping until the end of the program is reached some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime increased productivity maximum part accuracy reduced scrap less inspection time lower tooling costs less inventory and so on because of their many advantages machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world machining centers are equipped with spindle units rotary workbench moving workbench tool magazines and automatic tool changers and other mechanical function components spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined through referring to a variety of technical literatures the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers a reasonable scheme can be studied out 立式加工中心主轴组件的结构设计 10 meanwhile the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle bearings and lead screw are discussed their rigidity and strength are calculated and examined here morever a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit which can effectively enhance the rigidity of spindle units they will improve the reliability and stability of machining centers key words spindle unit machining center nc machine tool 立式加工中心主轴组件的结构设计 11 立式加工中心主轴组件的结构设计立式加工中心主轴组件的结构设计 0 引言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 航天等国防工业产业 的使能技 术和最基本的装备 制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资 料 而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术 当今世界各 国制造业广泛采用数控技术 以提高制造能力和水平 提高对动态多变市 场的适应能力和竞争能力 此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数 控装备列为国家的战略物资 不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及 其产业 而且在 高精尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限 制政策 数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台 数控铣床算起 至今已有53年历史了 20世纪90年开始 计算机技术及相 关的微电子基础工业的高速发展 给数控机床的发展提供了一个良好的平 台 使数控机床产业得到了高速的发展 我国数控技术研究从1958年起步 国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床 虽然从 时间上看只比国外晚了几年 但由于种种原因 数控机床技术在我国的发 展却一直落后于国际水平 到1980年我国的数控机床产量还不到700台 立式加工中心主轴组件的结构设计 12 到90年代 我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速 目前 与 国外先进水平相比仍存在着较大的差距 总之 大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达 国家加速经济发展 提高综合国力和国家地位的重要途径 1 概述 1 概述 1 1 1 1 加工中心的发展状况 加工中心的发展状况 1 1 1 1 1 1 加工中心的国内外发展加工中心的国内外发展 对于高速加工中心 国外机床在进给驱动上 滚珠丝杠驱动的加工中 心快速进给大多在 min 40m 以上 最高已达到 min 90m 采用直线电机驱 动的加工中心已实用化 进给速度可提高到 min 100 80 m 其应用范围不 断扩大 国外高速加工中心主轴转速一般都在 min 25000 12000 r 由于某 些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承 预计转速上限可提高到 min 100000r 国外先进的加工中心的刀具交换时间 目前普遍已在 s 1 左右 高的已达 s 5 0 甚至更快 在结构上 国外的加工中心都采用了适应于高 速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构 在加工精度上 国外卧式加 工中心都装有机床精度温度补偿系统 加工精度比较稳定 国外加工中心 定位精度基本上按德国标准验收 行程 mm 1000 以下 定位精度可控制在 mm 01 0 006 0 之内 此外 为适应未来加工精度提高的要求 国外不少公 司还都开发了坐标镗精度级的加工中心 相对而言 国内生产的高速加工中心快速进给大多在 min 30m 左右 个别达到 min 60m 而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品 还未进入 立式加工中心主轴组件的结构设计 13 产 量 化 应 用 范 围 不 广 国 内 高 速 加 工 中 心 主 轴 转 速 一 般 在 min 18000 6000 r 定位精度控制在 mm 015 0 008 0 之内 重复定位精度控 制在 mm 01 0 005 0 之内 在换刀速度方面 国内机床多在 s 5 4 无法与 国际水平相比 1 3 虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步 但与国外同类产品 相比 仍存在着不少差距 造成国产数控机床的市场占有率逐年下降 国产数控机床与国外产品相比 差距主要在机床的高速 高效和精密 上 除此之外 在机床可靠性上也存在着明显差距 国外机床的平均无故 障时间 mtbf 都在5000小时以上 而国产机床大大低于这个数字 国产 机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一 1 1 2 1 1 2 主轴部件的研究进展主轴部件的研究进展 图 1 1 立式加工中心结构图 1 切削箱 2 x 轴伺服电机 3 z 轴伺服电机 4 主轴电机 5 主轴箱 6 刀库 7 数控柜 8 操纵面板 9 驱动电柜 10 工作台 11 滑座 12 立柱 13 床身 14 冷却水箱 15 间歇润滑油箱 16 机械手 立式加工中心主轴组件的结构设计 14 典型加工中心的机械结构主要有基础支承件 加工中心主轴系统 进 给传动系统 工作台交换系统 回转工作台 刀库及自动换刀装置以及其 他机械功能部件组成 4 图 1 1 所示为立式加工中心结构图 主轴系统为加工中心的主要组成部分 它由主轴电动机 主轴传动系 统以及主轴组件成 和常规机床主轴系统相比 加工中心主轴系统要具有 更高的转速 更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速 发展和日趋完善 高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化 取 消了带传动和齿轮传动 机床主轴由内装式电动机直接驱动 从而把机床 主传动链的长度缩短为零 实现了机床主运动的 零传动 这种主轴电 动机与机床主轴 合二为一 的传动结构及形式 使主轴组件从机床的传动 系统和整体结构中相对独立出来 因此可做成 主轴单元 俗称 电主 轴 由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机 故也称为 高频主 轴 由于没有中间传动环节 有时又称它为 直接驱动主轴 电主轴是 一种智能型功能部件 不但转速高 功率大 还有一系列控制主轴温升与 振动等机床运行参数的功能 以确保其高速运转的可靠性与安全 1 2 1 2 课题的目的及内容课题的目的及内容 本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目 的子课题之一 加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备 它 的发展代表了一个国家设计 制造的水平 因此在国内外企业界都受到高 度重视 本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计 主轴组件作 立式加工中心主轴组件的结构设计 15 为加工中心的执行元件 它确保带动刀具进行切削加工 传递运动 动力 及承受切削力等 并满足相关的技术指标要求 本课题涉及的主要技术指标有 a 主轴孔锥度 24 7 b 主轴孔直径 52mm c 主轴箱行程 z 轴 mm 470 d 主轴转速范围 mm r 3000 30 e 快速移动速度 z 轴 min 10m f 进给速度 z 轴 min 400 1 mm 1 3 1 3 课题拟解决的关键问题课题拟解决的关键问题 各类机床对其主轴组件的要求 主要是精度问题 就是要保证机床在 一定的载荷与转速下 主轴能带动工件或刀具精确地 稳定地绕其轴心旋 转 并长期地保持这一性能 主轴组件的设计和制造 都是围绕着解决这 个基本问题出发的 为了达到相应的精度要求 通常 主轴组件应符合以 下几点设计要求 6 1 旋转精度 旋转精度是指机床在空载低速旋转时 主轴前端安装工件或刀具部位 的径向和轴向跳动值满足要求 目的是保证加工零件的几何精度和表面粗 糙度 2 刚度 指主轴组件在外力的作用下 仍能保持一定工作精度的能力 刚度不 足时 不仅影响加工精度和表面质量 还容易引起振动 恶化传动件和轴 立式加工中心主轴组件的结构设计 16 承的工作条件 设计时应在其它条件允许的条件下 尽量提高刚度值 3 抗振性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的 能力 抗振性直接影响加工表面质量和生产率 应尽量提高 4 温升和热变形 温升会引起机床部件热变形 使主轴旋转中心的相对位置发生变化 影响加工精度 并且温度过高会改变轴承等元件的间隙 破坏润滑条件 加速磨损 5 耐磨性 指长期保持其原始精度的能力 主要影响因素是材料热处理 轴承类 型和润滑方式 根据本课题的设计任务要求 由于主轴的转速并不是很高 所以在抗 振性 温升等方面不必重点考虑 而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚 性 但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求 注意吸收新技术 以获得 满意的设计方案 1 4 1 4 解决上述问题的策略解决上述问题的策略 旋转精度主要取决于主轴 支承轴承 主轴箱上轴承座等的制造 装 配和调整精度 显然 若要保证主轴组件的旋转精度 则必然对主轴支承 轴颈的圆度 轴承滚道及滚子的圆度 主轴及其上的回转零件的动平衡度 止推轴承的滚道及滚动体的误差 以及对主轴的主要定心面的径向跳动和 轴向窜动等提出较高的整体要求 特别要提高支承轴承的精度等级 要保 证旋转精度 通常应尽量满足以上要求 立式加工中心主轴组件的结构设计 17 而对于主轴组件的刚度 实际上是主轴 轴承 轴承座等加工设计的 综合反映 主轴自身的结构形状和尺寸 滚动轴承的配置形式 背靠背 面对面 同向 混合等 数量 类型 预紧等 以及支承的跨距 主轴 前端的悬伸量等都将直接影响其刚度 为了保证机床的主轴具有足够的刚 度 通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短 主轴直径增大 并通过计算求 出支承轴承间的最佳跨距 进行预紧 采用合理的轴承及其相应的配置形 式等措施 6 采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高 但 是 若盲目地全部采纳上述措施 则一定会使机床的制造难度增大 成本 增加 所以 在设计的时候 要综合各项因素考虑 2 方案拟定 2 方案拟定 2 1 2 1 加工中心主轴组件的组成加工中心主轴组件的组成 主轴组件是由主轴 主轴支承 装在主轴上的传动件和密封件等组成 的 主轴的启动 停止和变速等均由数控系统控制 并通过装在主轴上的 刀具参与切削运动 是切削加工的功率输出部件 主轴是加工中心的关键 部件 其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响 它决定着加工中心 的切削性能 动态刚度 加工精度等 主轴内部刀具自动夹紧机构是自动 刀具交换装置的组成部分 2 2 2 2 机械系统方案的确定 机械系统方案的确定 2 2 1 2 2 1 主轴传动机构主轴传动机构 对于现在的机床主轴传动机构来说 主要分为齿轮传动和同步带传 立式加工中心主轴组件的结构设计 18 动 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一 应用普遍 类型较多 适 应性广 其传递的功率可达近十万千瓦 圆周速度可达 s m 200 效率可达 99 0 齿轮传动大多数为传动比固定的传动 少数为有级变速传动 但是 齿轮传动的制造及安装精度要求高 价格较贵 且不宜用于传动距离过大 的场合 同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式 在啮合传动 中 它的结构最简单 制造最容易 最经济 弹性缓冲的能力最强 重量 轻 两轴可以任意布置 噪声低 它的带由专业厂商生产 带轮自行设计 制造 它在远距离 多轴传动时比较经济 同步带传动时的线 有时允许达 s m 100 传动功率可达 kw 300 传动比可达10 有时 允许达20 传动效率可达 98 0 同步带传动的优点是 9 a 无滑动 能保证固定的传动比 b 预紧力较小 轴和轴承上所受的载荷小 c 带的厚度小 单位长度的质量小 故允许的线速度较高 d 带的柔性好 故所用带轮的直径可以较小 其主要缺点是安装时中心距的要求严格 由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件 而且为了使主轴能够达到一 定的旋转精度 必须选择较好的工作环境 以防止外界杂物侵入 而同步 带传动则避免了这些状况 并且传动效率和传动比等都能符合课题的要 求 故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动 立式加工中心主轴组件的结构设计 19 2 2 2 2 2 2 主轴进给机构主轴进给机构 对于主轴的进给机构 机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动 的形式 而丝杠所作的则是螺旋传动 它能将旋转运动转变为直线运动 螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋 滚动螺旋 滚滑螺旋以及液 压螺旋 如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋 下面就这两类 传动方式进行比较 见表 2 1 表 2 1 滑动螺旋 滚动螺旋的特点与应用场合 滑动螺旋 滚动螺旋 结构示意图 1 摩 擦 系 数 大 传 动 效 率 低 约 40 30 1 摩擦系数很低 传动效率高达 99 2 低速运行时有爬行或振动 2 低速运行时无爬行 振动 3 磨损大 使用寿命较短 3 耐磨性好 磨损极小 使用性能 4 运转时无噪声 4 高速运行有噪声 结构工艺性 结构简单 加工及安装精度要求较低 结构复杂 加工及安装精度要求较 高 成 本 较低 高 是滑动螺旋的 3 2 倍 应用场合 适用于中 高速的轻 中 重载荷 如一般 机床的进给机构 适用于高 中 低速的轻 中 重载 荷 如数控 精密机床的进给机构 由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给 所以对于高低速时运行 立式加工中心主轴组件的结构设计 20 的稳定性要求较高 故对比以上两种螺旋传动的特点 结合本课题的需求 故采用传动效率高 磨损小 传动平稳的滚动螺旋传动方式 2 2 3 2 2 3 主轴准停机构主轴准停机构 主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置 也称之 为主轴准停机构 由于刀具装在主轴上 在切削时的切削转矩不能完全靠 锥孔的摩擦力来传递 因此通常在主轴前端设置一个凸键 当刀具装入主 轴时 刀柄上的键槽必须与此凸键对准 为保证顺利换刀 主轴必须停止 在某一固定的角度方向 主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在 换刀位置而设置的 加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式 如磁力传感器检测 定向 两种 图 2 1 机械式主轴准停装置 1 无触点开关 2 感应块 3 v 形槽轮定位盘 4 定位液压缸 5 定向滚轮 6 定向活塞 图 2 1 所示为 v 形槽轮定位盘准停装置 在主轴上固定一个 v 形槽定 位盘 使 v 形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系 其工作原 立式加工中心主轴组件的结构设计 21 理为 准停前主轴必须是处于停止状态 当接受到主轴准停指令后 主轴 电动机以低速转动 主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转 时间继电器开 始动作 并延时 4 6s 保证主轴转稳后接通无触电开关 1 的电源 当主 轴转到图示位置即 v 形槽轮定位盘 3 上的感应块 2 与无触点开关 1 相接触 后发出信号 使主轴电动机停转 另一延时继电器延时 0 2 0 4s 后 压 力油进入定位液压缸下腔 使定向活塞向左移动 当定向活塞上的定向滚 轮 5 顶入定位盘的 v 形槽内时 行程开关 ls2 发出信号 主轴准停完成 若延时继电器延时 1s 后行程开关 ls2 仍不发信号 说明准停没完成 需 使定向活塞 6 后退 重新准停 当活塞杆向右移到位时 行程开关 ls1 发出定向滚轮 5 退出凸轮定位盘凹槽的信号 此时主轴可启动工作 目前常采用的电气方式有两种 一种是利用主轴上光电脉冲发生器的 同步脉冲信号 另一种是用磁力传感器检测定向 其工作原理如图 2 2 图 2 2 电气式主轴准停 在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转 在距离发磁体旋转外轨迹 mm 2 1 处固定一个磁传感器 磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接 立式加工中心主轴组件的结构设计 22 当主轴需要定向时 便可停止在调整好的位置上 这种定向方式结构简单 而发磁体的线m 以上 这种准停装置机械结构简单 发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦 准停的定位精度可达 1 能满足 一般换刀要求 并且定向时间短 可靠性较高 所以应用的比较广泛 发 磁体可安装在一个圆盘的边缘 但这对较精密的 高转速加工中心主轴来 说 由于需要较高的动平衡指标 就不十分有利 另一种是将发磁体做成 动平衡效果很好的圆盘 使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可 在各 种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置 要根据各自的约束条件来选 择 12 本课题采用电气式主轴准停装置 此方式避免了机械装置的复杂结 构 只需要数控系统发出指令信号 主轴就可以准确地定向 2 2 4 2 2 4 刀具自动夹紧机构刀具自动夹紧机构 在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具 图 2 3 示为数控镗铣 床主轴组件机构示意图 碟形弹簧 11 通过拉杆 7 双瓣卡爪 5 在套筒 14 的作用下 将刀柄 的尾端拉紧 当换刀时 要求松开刀柄 此时 在主轴上端油缸的上腔 a 通入压力油 活塞 12 的端部推动拉杆 7 向下移动 同时压缩碟形弹簧 11 当拉杆 7 下移到使双瓣卡爪 5 的下端移出套筒 14 时 在弹簧 6 的作用下 卡爪张开 喷气头 13 将刀柄顶松 刀具即可由机械手拔出 待机械手将 新刀装入后 油缸 10 的下腔通入压力油 活塞 12 向上移 碟形弹簧伸长 将拉杆 7 和双瓣 5 拉着向上 双瓣卡爪 5 重新进入套筒 14 将刀柄拉紧 活塞 12 移动的两个极限位置都有相应的行程开关 ls1 ls2 作用 作 立式加工中心主轴组件的结构设计 23 为刀具松开和夹紧的回答信号 图 2 3 数控镗铣床主轴组件机构示意图 1 调整半环 2 双列园柱滚子轴承 3 向心球轴承 4 9 调整环 5 双瓣卡爪 6 弹簧 7 拉杆 8 向心推力球轴承 10 油缸 11 碟形弹簧 12 活塞 13 喷气头 14 套筒 立式加工中心主轴组件的结构设计 24 a b 图 2 4 刀柄拉紧结构 刀杆尾部的拉紧结构 除上述的卡爪式以外 还有图 2 4a 所示的弹 簧夹头结构以及图 2 4b 所示的钢球拉紧机构 在本课题中 刀具自动夹紧机构借用如图 2 3 的夹紧方式 采用气压 缸夹紧方式 从而避免因油路堵塞等常见情况 而在拉杆处则采用钢球拉 紧机构 因为其加工简单 并可以有效的拉紧刀杆 2 2 5 2 2 5 切屑清除机构切屑清除机构 自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程的一个不容忽视的问题 如果主轴锥孔中落入了切屑 灰尘或其它污物 在拉紧刀杆时 锥孔表面 和刀杆锥柄会被划伤 甚至会使刀杆发生偏斜 破坏刀杆的正确定位 影 响零件的加工精度 甚至会使零件超差报废 为了保持主轴锥孔的清洁 立式加工中心主轴组件的结构设计 25 常采用的方法是使用压缩空气吹屑 为了提高吹屑效率 喷气小孔要有合 理的喷射角度 并均匀布置 10 其工作原理图可参考图 2 3 2 3 2 3 伺服驱动系统方案的确定伺服驱动系统方案的确定 控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件 是将电能转换为机械 能的一种能量转换装置 由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续 精确地控制 因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用 控制用旋转电动机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型 前 者有同步电动机 永磁 步进电动机 永磁 后者有直流电动机 永磁 感应电动机 按矢量控制等效模型 具体地可细分为 步进电动机又称为脉冲电动机 它是将电脉冲信号转换成机械角位移 的执行元件 其输入一个电脉冲就转动一步 即每当电动机绕组接受一个 电脉冲 转子就转过一个相应的步距角 由于其转子角位移的大小及转速 分别与输入的电脉冲数及频率成正比 并在时间上与输入脉冲同步 所以 对于本课题所需的控制电动机而言 步进电动机很难精确地确保主轴组件 的旋转精度 故不适合 直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用 使磁场磁动势和 电枢电流磁动势正交 从而产生转矩 它具有较高的响应速度 精度和频 率 优良的控制特性等优点 但是由于使用电刷和换向器 故寿命较低 需要定期维修 所以不太适合用于主轴的主电机 但是可以用于进给电动 机 由于交流伺服电动机具有直流伺服电动机的全部优点 并且其不具备 电刷和换向器 不需要定期维修 虽然在价格上交流伺服电动机较贵 但 立式加工中心主轴组件的结构设计 26 是由于其性能可靠 精度好 所以正在逐步取代直流电动机的地位 故在 本课题的主电机选用中选择交流伺服电动机 各种伺服电动机的特点及应用举例见表 2 2 表 2 2 伺服电动机的特点及应用实例 19 种类 主要特点 应用实例 dc 伺服电动机 1 高响应特性 2 高功率密度 体积小 重量轻 3 可实现高精度数字控制 4 接触换向部件 电刷与换向器 需要维护 5 不能高速大扭矩工作 nc 机械 机器人 计算机外围设备 办 公机械 音响和音像 设备 计测机械等 ac 伺服电动机 1 具有 dc 伺服电动机的全部优点 2 对定于电流的激励分量和转矩分量分别 控制 3 具有良好的性价比 4 坚固耐用免维修 nc 机械 机器人等 步进电动机 1 转角与控制脉冲数成比例 可构成直接数 字控制 2 工作状态不受干扰 3 步距角有误差 4 高速易失步 低速易振荡 计算机外围设备 办 公机械 数控装置 2 4 2 4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定加工中心主轴组件总体设计方案的确定 综合 2 2 2 3 节中的方案 本课题的总体设计方案现确定如下 由于同步带无滑动 能保证固定的传动比 且传动效率高 允许的线 速度较高 无需安置在很良好的工作环境中 所以在主轴传动方式中选择 立式加工中心主轴组件的结构设计 27 同步带传动 但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求 在主轴的进给运动中 采用滚珠丝杠 其耐磨性好 磨损小 低速运 行时无爬行 无振动 能够很好地确保 z 轴的进给精度 由于加工中心具备自动换刀功能 所以在主轴组件中还应有主轴准停 装置 刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构 在本课题中 主轴准停机构 采用磁力传感器检测定向 其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上 而 且能够检测到主轴的转速 并在加工中心的操控面板上显示出来 方便机 床操作者调整转速 在换刀过程中 刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分 它控制着 刀杆的松紧 使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上 在换刀时能轻松地 卸载 本课题采用了液压缸运行的方式 通过活塞 拉杆 拉钉等一系列 元件的运动来达到刀杆的松紧目的 同时 为了减少液压推力对主轴支承 的磨损 在主轴的内部设置了一段碟形弹簧 使活塞对拉杆的作用起到一 个缓冲的作用 同时 在换刀过程中 活塞及拉杆的内部将被加工成中空 状 其间将通入一定的压缩空气来清除切屑 使刀杆和主轴始终具有很好 的配合精度 在伺服系统中 本课题在进给系统中选用直流伺服电动机 而在主运 动系统中则选用交流伺服电动机 由于交流伺服电动机具有电刷和换向 器 需要常常维修 故不适合于主运动系统中 图 2 5 所示为本课题主轴组件结构示意图 立式加工中心主轴组件的结构设计 28 图 2 5 主轴组件结构示意图 1 刀架 2 拉钉 3 主轴 4 拉杆 5 碟形弹簧 6 活塞 7 液压缸 8 10 行程开关 9 压缩空气管接头 11 弹簧 12 钢球 13 端面键 立式加工中心主轴组件的结构设计 29 3 主轴组件的主运动部件 3 主轴组件的主运动部件 3 1 3 1 主轴电动机的选用 主轴电动机的选用 3 1 1 3 1 1 主电机功率估算主电机功率估算 1 计算主铣削力 切 f 经验公式 6 z f e f p k z d a a a f 1 1 0 1 1 8 0 95 0 812 切 3 1 式中 切 f 铣削力 即主切削力 切向圆周分力 n p a 铣削深度 mm f a 每齿进给量 z mm e a 铣削宽度 mm 0 d 铣刀直径 mm z 铣刀齿数 z f k 铣削力修正系数 z z z z kf f mf f k k k k b 工件材料抗拉强度 gpa 已知 高速钢刀具 刀具前角 15 0 主偏角 60 k 工件材料为 2 75 mm kgf b 碳钢 每齿进给量 z mm a f 1 0 刀具直径为 mm 16 齿数 8 z 工件宽度 mm a e 12 切削深度 mm a p 3 将上述各条件代入公式 3 1 则主切削力为 z f e f p k z d a a a f 1 1 0 1 1 8 0 95 0 812 切 3 0 3 1 1 1 1 8 0 95 0 638 0 10 81 9 75 92 0 8 16 12 1 0 3 812 n 2046 切削速度 6 min 150 min 1000 3000 16 1416 3 1000 max min max mm mm n d v 立式加工中心主轴组件的结构设计 30 2 主电机功率估算 6 铣削功率 kw kw v f p m 115 5 60000 150 2046 60000 max 切 主电机功率 kw kw p p m m e 48 5 98 0 99 0 115 5 5 式中 m 机床主传动系统传动效率 滚珠轴承传动效率 0 99 6 同 步带传动效率 0 98 6 3 1 2 3 1 2 主电机选型主电机选型 利用交流伺服系统可进行精密定位控制 可作为 cnc 机床 工业机器 人等的执行元件 fanuc 交流主轴电机 s 系列从 0 65kw 37kw 共分 13 种 它的特点是 转速高 输出功率大 性能可靠 精度好 振动小 噪音低 既适合于高 速切削又适合于低速重切削 该系列可应用在各种类型的数字控制机床上 根 据主电机功率 pe 5 48kw 6 故本课题选用 fanuc 交流主轴电机 6s 型号 6 其主要技术参数如下 a 额定输出功率 kw 5 5 b 最高速度 min 6000r c 额定输出转矩 m n 0 35 d 转子惯量 2 022 0 s m n 3 2 3 2 主轴 主轴 3 2 1 3 2 1 主轴的结构设计主轴的结构设计 主轴的主要参数是指 主轴前轴颈直径 1 d 主轴内孔径d 主轴悬伸 量a和主轴支承跨距l 见图 3 1 立式加工中心主轴组件的结构设计 31 图 3 1 主轴主要参数示意图 3 2 1 1 3 2 1 1 主轴轴径的确定主轴轴径的确定 主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径 其对于主轴部件刚度影响较大 加大直径d 可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变 形引起的轴端位移 来提升主轴部件刚度 但加大直径受到轴承dn值 的限制 同时造成相配零件尺寸加大 制造困难 结构庞大和重量增加等 因此在满足刚度要求下应取较小值 设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径 1 d 加工中心主 轴前轴颈直径 1 d 按主电动机功率来确定 由表 3 11 6 2 查得 mm d 85 1 由于装配需要 主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的 在 确定前轴径 1 d 后 由式 3 11 1 2 可知前轴颈直径 1 d 和后轴颈直径 2 d 有如 下关系 mm mm d d 72 85 85 0 85 0 1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 主轴内孔直径主轴内孔直径d 的确定的确定 主轴内孔直径与机床类型有关 主要用来通过棒料 通过拉杆 镗杆 或顶出顶尖等 确定孔径d 的原则是 为减轻主轴重量 在满足对空心主 立式加工中心主轴组件的结构设计 32 轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下 应尽量取大 值 由经验得知 当 7 0 d d 时 d是主轴平均直径 主轴刚度会急剧下 降 而当 5 0 d d 时 内孔d 对主轴刚度几乎无影响 可忽略不计 所以常 取孔径d 的极限值 max d 为 mm mm d d 5 59 85 7 0 7 0 max 此时 刚度削弱小于 25 按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小 确定内孔直径 mm d 52 3 2 1 3 3 2 1 3 主轴端部形状的选择主轴端部形状的选择 机床主轴的轴端一般用于安装刀具 夹持工件或夹具 在结构上 应 能保证定位准确 安装可靠 连接牢固 装卸方便 并能传递足够的扭矩 目前 主轴端部的结构形状都已标准化 图 3 2 所示为铣床主轴的轴端形式 其尺寸大小按照 jb2324 78 进行 加工 选择主轴序号为 50 的主轴端部尺寸 图 3 2 铣床主轴的轴端形式 立式加工中心主轴组件的结构设计 33 3 2 1 4 3 2 1 4 主轴悬伸量主轴悬伸量a的确定的确定 主轴悬伸量a是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点 一般即为 前径向支承中点 的距离 它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸 前支 承的轴承配置和密封装置等 有的还与机床其他结构参数有关 如工作台 的行程等 因此主要由结构设计确定 悬伸量a值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响 因此 确定 悬伸量a的原则 是在满足结构要求的前提下尽可能取小值 同时应在设 计时采取措施缩减a值 3 2 1 5 3 2 1 5 主轴支承跨距主轴支承跨距l的确定的确定 支承跨距l是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离 跨距l是决 定主轴系统动 静刚度的重要影响因素 合理确定支承跨距 是获得主轴 部件最大静刚度的重要条件之一 最优跨距 0 l 是指在切削力作用下 主轴前端的柔度值最小时的跨距 其推导公式是在静态力作用下进行的 实验证明 动态作用下最优跨距很 接近于推得的最优值 最优跨距 0 l 可按下列公式计算 6 65 5 665 1 38 1 0 k l 3 2 式中 3 1 2 1 1 6 k k k ei 3 3 2 1 1 k k a k 3 4 立式加工中心主轴组件的结构设计 34 式中 a 主轴前端悬伸长 单位为cm e 材料的弹性模量 单位为 2 cm n i 轴惯性矩 单位为 4 cm 1 k 前轴承刚度值 单位为 cm n 2 k 后轴承刚度值 单位为 cm n 按上式计算最优跨距 0 l 计算过程如下 4 4 64 l l d d i 3 5 式中 l d 主轴跨距部分的平均直径 单位为mm l d 主轴跨距部分的平均孔颈 单位为mm mm d d l 82 mm mm l l d d i i l 43 600 248 52 180 26 32 31 44 42 96 56 由式 3 5 得 4 205cm i 由参考文献 6 中图 3 11 11 确定 m n k 900 1 m n k 730 2 由主轴材料为 40cr 查得材料的弹性模量 2 6 10 1 2 206 cm n gpa e 由主轴的结构及形式确定主轴前端悬伸长 mm a 79 将上述参数值代入公式 3 3 3 4 得 cm 862 49 k 将 k值代入公式 3 2 得 mm l 68615 0 按照结构设计的要求 取 mm l 336 由于 mm l mm l 68615 336 0 故满足设计的基本要求 3 2 2 3 2 2 主轴受力分析主轴受力分析 轴所受的载荷是从轴上零件传来的 计算时 常常将轴上的分布载荷 简化为集中力 其作用点取为载荷分布段的中点 而作用在轴上的扭矩 一般从传动件轮毂宽度的中点算起 立式加工中心主轴组件的结构设计 35 a b c 图 3 3 轴承受力图 主轴上的轴承采用一端固定 另一端游动的支承形式 图示 3 3a 为 轴承在空间力系的总受力图 它可分解为铅垂面 图 3 3b 和水平面 图 3 3c 两个平面力系 由公式 3 1 得出切向铣削力 n f 2046 切 径向负荷 22 n n f f r 1 716 2046 35 0 35 0 切 切向负荷 22 n n f f t 4 1841 2046 9 0 9 0 切 轴向负荷 22 n n f f a 15 1074 2046 525 0 525 0 切 图 3 4 静不定梁铅垂面分解图 立式加工中心主轴组件的结构设计 36 由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型 所以要以静不定梁的受力 方法来处理问题 图示 3 4 为静不定梁的铅垂面受力图 为了使其变形与 原静不定梁相同 一定要满足变形协调条件 即要求 0 b 利用叠加法 得挠度为 a l ei fa ei l f r b 3 6 3 2 3 2 3 6 式中 v r f 2 径向 切向 负荷分力 单位为n f 径向 切向 负荷 单位为n e 材料的弹性模量 2 6 10 1 2 cm n e i 轴惯性矩 4 cm 由公式 3 5 得 4 205cm i 将 r f f v r r f f 2 2 代入公式 3 6 则 铅垂面的挠度为 0 9 7 3 8 3 205 10 1 2 6 9 7 1 716 205 10 1 2 2 3 8 6 2 6 3 2 v r b f 得 n f v r 37 664 2 0 79 83 253 83 253 253 1 2 r v r v r f f f 得 n f v r 21 384 1 0 3 2 1 r v r v r v r f f f f 得 n f v r 48 332 3 将 t f f h r r f f 2 2 代入公式 3 6 则水平面的挠度为 0 9 7 3 8 3 205 10 1 2 6 9 7 4 1841 205 10 1 2 2 3 8 6 2 6 3 2 h r b f 得 n f h r 39 1708 2 0 79 83 253 83 253 253 1 2 t h r h r f f f 立式加工中心主轴组件的结构设计 37 得 n f h r 97 987 1 0 3 2 1 t h r h r h r f f f f 得 n f h r 96 854 3 a 机构草图 b 受力简图 c 水平面受力 d 水平面弯矩图 e 垂直面受力 f 垂直面弯矩图 g 合成弯矩图 h 转矩图 图 3 5 轴的结构和载荷图 立式加工中心主轴组件的结构设计 38 a b 段支承反力 水平面 0 abx f 垂直面 0 aby f b c 段支承反力 水平面 96 854 3 n f f h r bcx 垂直面 48 332 3 n f f v r bcy c d 段支承反力 水平面 43 853 96 854 39 1708 3 2 n f f f h r h r cdx 垂直面 89 331 48 332 37 664 3 2 n f f f v r v r cdy d e 段支承反力 水平面 4 1841 96 854 39 1708 97 987 3 2 1 n f f f f h r h r h r dex 垂直面 1 716 48 332 37 664 21 384 3 2 1 n f f f f v r v r v r dey 轴的受力简图 水平面及垂直面受力简图见图 3 5b c e a b 段弯矩 水平面 0 abx m 垂直面 0 aby m 合成 0 2 2 aby abx ab m m m b c 段弯矩 水平面 30 216 100 353 3 m n f f m h r bcx bcx 垂直面 12 84 100 353 3 m n f f m v r bcy bcy 合成 08 232 12 84 30 216 2 2 2 2 m n m m m bcy bcx bc c d 段弯矩 立式加工中心主轴组件的结构设计 39 水平面 47 145 100 353 436 3 2 m n f f f m h r h r cdx cdx 垂直面 57 56 100 353 436 3 2 m n f f f m h r v r cdy cdy 合成 08 156 57 56 47 145 2 2 2 2 m n m m m cdy cdx cd d e 段弯矩 水平面 00041 0 100 436 353 515 3 1 2 m n f f f f m h r h r h r dex dex 垂直面 00133 0 100 436 353 515 3 1 2 m n f f f f m v r v r v r dey dey 合成 0014 0 00133 0 00041 0 2 2 2 2 m n m m m dey dex de 轴的水平面 垂直面及合成弯矩图见图 3 5d f g 已知 小带轮的输出功率为 kw 5 5 同步带的传动效率为 98 0 所以 大带轮的输出功率为 39 5 98 0 5 5 kw p p 小 大 则大带轮的输出转矩为 16 17 3000 39 5 9550 9550 2 m n n p t 大 轴的转矩图见图 3 5h 3 2 3 3 2 3 主轴的强度校核主轴的强度校核 从合成弯矩图和转矩图上得知 主轴在截面 c d 处承受了较大的弯 矩 并且还受到带轮传动所带来的扭矩 因此 这两个截面是危险截面 在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算 轴的弯扭合成强度条件为 23 2 2 22 1 4 2 ca mt mt 式中 ca 轴的计算应力 mpa 立式加工中心主轴组件的结构设计 40 w 轴的抗弯截面系数 3 mm 折合系数 1 轴的许用弯曲应力 mpa t 轴所受的扭矩 单位为 mm n m 轴所受的弯矩 单位为 mm n 轴的抗弯截面系数为 23 4 3 1 32 d w 式中 d 轴颈处直径 单位为mm d d 1 此处 1 d 为轴孔直径 得 56698 85 42 1 32 85 1416 3 3 4 3 mm w 根据主轴材料为 cr 40 由表 15 1 23 查得许用弯曲应力 mpa 70 1 按扭转切应力为脉动循环变应力 取折合系数 6 0 将上述参数代入公式 3 7 则轴的计算应力为 1 4 56698 17160 6 0 232080 2 2 mpa ca 因为 mpa ca 70 1 所以主轴的强度符合标准要求 3 2 4 3 2 4 主轴的刚度校核主轴的刚度校核 轴在载荷作用下 将产生弯曲或扭转变形 若变形量超过允许的限度 就

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