【正文】 ............................ 4 傳動(dòng)方案分析及確定 ................................................... 5 銑削 主軸系統(tǒng)方案分析及確定 ........................................... 5 車削主軸系統(tǒng)方案分析及確定 ........................................... 6 車銑一體整體三維結(jié)構(gòu)布局示意圖 ....................................... 6 第三章 車削主軸 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................... 8 主軸電機(jī)的選擇 ....................................................... 8 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ....................................................... 9 軸的校核 ............................................................ 11 第四章 銑削主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................ 15 銑削功率及銑削力計(jì)算 ................................................ 15 電主軸的選擇 ........................................................ 17 V 帶傳動(dòng)的選擇與計(jì)算 ................................................ 17 第五章 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 ................................. 20 滾珠絲杠特點(diǎn)介紹 .................................................... 20 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ................................................ 20 第六章 結(jié)論 ................................................... 29 參考文獻(xiàn) ...................................................... 31 附錄 英文文獻(xiàn)翻譯 .............................................. 32 致謝 .......................................................... 64 1 第一章 緒論 研究 的背景 目的及意義 車銑一體技術(shù)是 20世紀(jì)末發(fā)展起來的復(fù)合技術(shù)，是一種在儀器精密技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，集成了當(dāng)代 CAD/CAM 應(yīng)用技術(shù)，先進(jìn)控制，精密測量技術(shù)的一種先進(jìn)新型的機(jī)械加工技術(shù)。這種加工控制技術(shù)的本質(zhì)是基于當(dāng)代工業(yè)技術(shù)，工藝水平，發(fā)達(dá)的科技等各種創(chuàng)新所引發(fā)的 產(chǎn)品質(zhì)量提升，工藝進(jìn)步，效率提高，縮短工作周期的新技術(shù)。 現(xiàn)如今，這種車銑中心發(fā)展飛快，不論是在硬件還是軟件上，功能都十分的強(qiáng)大。在硬件功能上，有標(biāo)準(zhǔn)庫，功能模塊標(biāo)準(zhǔn)配置，還有可定義自選的模塊，如 WFL 的 N系列可選模塊帶徑向自動(dòng)進(jìn)給的角度頭模塊等等。 在軟件功能上，具備自動(dòng)對(duì)刀，溫度補(bǔ)償，在線監(jiān)測，刀具路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)生成模態(tài)代碼等等。 在全球機(jī)床金屬加工領(lǐng)域，復(fù)合技術(shù)正在蒸蒸日上的發(fā)展著和被工業(yè)國家各生產(chǎn)制造公司所應(yīng)用。 復(fù)合加工技術(shù)技術(shù)的機(jī)床功能范圍隨著時(shí)代不同而不同，甚至在某一時(shí)期曾出現(xiàn)過吧加工中心 成為復(fù)合技術(shù)加工機(jī)床，可是，大多數(shù)加工中心不能滿足超過某種切削范圍加工的需求，當(dāng)代人口中的復(fù)合技術(shù)機(jī)床早已不是那時(shí)候人們口中的復(fù)合加工機(jī)床，具有天壤之別，譬如在 車削機(jī)床上裝帶有銑削功能的回轉(zhuǎn)刀具，在加工中心上裝有車削功能的三爪卡盤模塊，聽說最近少數(shù)國家有研制出不同原理的加工集激光加工與刀具切削于一體的加工方法等，這些全能進(jìn)一步提高機(jī)床的復(fù)合化程度，提高加工質(zhì)量與效率。有利于社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展推動(dòng)人類文明的前進(jìn)。 從 1835年美國的轉(zhuǎn)塔車床到 1910年美國為汽車生產(chǎn)制造的第一臺(tái)機(jī)床，在至 1954年三軸數(shù)控銑床的 問世，在至 1959年七月美國 KT 研制出加工中心，這些都有力的開啟了機(jī)床史上的新篇章。其實(shí)，復(fù)合機(jī)床加工技術(shù)至今已有百余年歷史，只是每個(gè)時(shí)代對(duì)復(fù)合的概念不一樣 ，但是真正認(rèn)識(shí)到復(fù)合并且得到廣泛應(yīng)用的還是在二十世紀(jì)九十年代左右，數(shù)控機(jī)床和數(shù)控 CAM 技術(shù)的主流后出現(xiàn)的，中后期隨著加工中心功能的完善與人們對(duì)其結(jié)構(gòu)的更加了解，顯示了這種工序集中不頻繁裝卸零件的數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性，開始了車銑一體的車削中心等等，九十年代后期又發(fā)展起了有激光，超聲波，電火花線切割等特種加工拘束的復(fù)合機(jī)床，將復(fù)合技術(shù)加工工藝的發(fā)展推到了另一個(gè)新 篇章。 通過以上背景的介紹，我想我們已可想而知，在當(dāng)今社會(huì)，特別是在中國，中國是發(fā)展中國家，工業(yè)帝國正是急需發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，是奔向小康社會(huì)必經(jīng)之路，所以說我們是必須要學(xué)號(hào)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及原理，為國家的發(fā)展貢獻(xiàn)我們的力量，我此次設(shè)計(jì)的車銑于一體的機(jī)床教學(xué)模具正是為了方便大學(xué)生深刻理解機(jī)床加工零件過程 ，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理，運(yùn)動(dòng)的先后過程及每道工序之間的聯(lián)系，我設(shè)計(jì)的教具可以保證學(xué)生在近距離接近機(jī)床了解機(jī)床運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)組成的情況下是安全的，不像真正的機(jī)床存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，不便于學(xué)生近距離研究。 2 國內(nèi)外 相關(guān) 現(xiàn)狀 按 機(jī)床加工分類，可以分為車削和銑削二大類 ， 而機(jī)床行業(yè)通常 將使用最廣的銑削中心稱為加工中心，以銑削加工為主的加工中心從機(jī)構(gòu)上可以分為如下 圖 所示的種類 。 圖 11 種類分類 國外現(xiàn)狀 機(jī)床最先是由 國外 公司研制出來的，所以國外有關(guān)機(jī)床的技術(shù)水平，改善情況都有很多記載。 德國的好多大學(xué)都專門設(shè)有從事車銑技術(shù)研究的工作人員，在 1981 年，奧地利林茨公司開發(fā)出世界上第一臺(tái)車銑一體得 數(shù)控機(jī)床 —— WVC500S 加工中心，在之后的幾十年里林茨公司經(jīng)過千萬種嘗試與努力，終于于 2021 年再次推出新一代數(shù)控復(fù) 合機(jī)床 —— M40M。奧地利是車銑行業(yè)的領(lǐng)頭羊，開拓者，日本于二十世紀(jì)七十年代研制出車銑機(jī)床，論加工精度最高的當(dāng)屬瑞典和德國的車銑機(jī)床，綜合起來，日本產(chǎn)值最大，但是德國技術(shù)水平最高 。 國內(nèi) 現(xiàn)狀 我國在“十五”期間，在相關(guān)政策的扶持下，包括沈陽機(jī)床在內(nèi)的機(jī)床行業(yè)通過自主創(chuàng)新，頑強(qiáng)拼搏的勁頭，已經(jīng)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域有了很大突破與進(jìn)展。譬如沈陽機(jī)床，從上個(gè)世紀(jì)開始，通過自主開發(fā)設(shè)計(jì)，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)等，現(xiàn)在已發(fā)展為具有臥式五軸聯(lián)動(dòng)功能的車銑加工中心系列，集車，銑，鉆，鏜等于一體的高柔韌性機(jī)床，對(duì)于一些形狀復(fù)雜 ，精度要求要的異形回轉(zhuǎn)體零件可在一次裝夾中完成全部或大部分的加工工序，即可保證精度，又可提高效率，降低成本，縮短生產(chǎn)周期。 2021 五月左右，沈陽機(jī)床部分引進(jìn)了德國大型有關(guān)車銑機(jī)床的圖紙和工藝方案，并在有關(guān)專家的協(xié)助下大大的擴(kuò)大了可切削的直徑大小，也從重量上從幾噸擴(kuò)展到百噸級(jí)別。并且在機(jī)床的主軸方面也取得了重大突破，加快了主軸的轉(zhuǎn)速，和主軸本身的強(qiáng)度、還有關(guān)于刀架的形狀，刀具到頭的角度問題，機(jī)床若在長久加工零件后出現(xiàn)的熱平衡問題， 3 刀具在工作數(shù)個(gè)小時(shí)后對(duì)工件產(chǎn)生的磨損造成的精度補(bǔ)償問題，等等諸多技術(shù)性問題得 到了改善，主傳動(dòng)軸的大扭矩輸出和高速輸出，直接關(guān)系到機(jī)床的運(yùn)行動(dòng)力，效率問題 ，尾臺(tái)的設(shè)計(jì)也要充分考慮到操作員的安全性，和機(jī)床的自動(dòng)化。 課題研究的主要內(nèi)容 本文主要研究了三大模塊，第一模塊，車削系統(tǒng)的方案分析及確定，車削電機(jī)的選擇，車削系統(tǒng)的傳動(dòng)方案確定。帶輪的傳動(dòng)比等等，第二模塊，銑削系統(tǒng)方案的分析及確定，銑削電機(jī)的選型，銑削傳動(dòng) 方案的選擇，滾珠絲杠的選擇及校核。第三模塊， X,Y方向上回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，各方向上全行程的確定，電機(jī)的型號(hào)，功率的選擇，滾珠絲杠的型號(hào)選擇及校核 等等。 4 第二章 機(jī)床設(shè)計(jì)方案分析及確定 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 伺服系統(tǒng)的概念很大，總的來說帶有 PID數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都可以稱之為伺服系統(tǒng)。而且伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心組成部分之一，也是機(jī)床之間互相區(qū)別的一個(gè)特殊部分，不同的伺服系統(tǒng)決定著數(shù)控機(jī)床的定位精度是否高，跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快慢問題，機(jī)床的穩(wěn)定性好與壞。 （ 1） 精度 精度指的是系統(tǒng)輸入輸出之間的偏差，或者是精準(zhǔn)程度，即準(zhǔn)確性。當(dāng)然有些誤差是在所難免的，譬如機(jī)床就存在動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)誤差指的是瞬態(tài)過程 中出現(xiàn)的偏差，是變動(dòng)的， 而穩(wěn)態(tài)誤差值得則是瞬態(tài)過程結(jié)束后系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差，是靜態(tài)的。影響到精度的因素很多，關(guān)系也很復(fù)雜，采用數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以在很大程度少減少誤差，提高機(jī)床的精度。 （ 2） 快速響應(yīng)特性 快速響應(yīng)特性指的是當(dāng)操作員對(duì)系統(tǒng)輸入指令后即輸入信號(hào)，表示輸入信號(hào)的響應(yīng)速度和瞬態(tài)誤差過程的快與慢。提高快速反應(yīng)對(duì)加工效率，軌跡的跟蹤精度都有好處，但是并不是速度越快越好，響應(yīng)速度過快會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此快速響應(yīng)特性要視具體情況具體分析，選擇一個(gè)最優(yōu)的，在保證定位精度的情況下，并最好縮短定 位時(shí)間，避免超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。 （ 3） 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)在外界干擾下，譬如啟動(dòng)狀態(tài)，輸入量狀態(tài)改變等情況下作用下，輸出量經(jīng)過幾次衰減震蕩后，能后很快的恢復(fù)到原有狀態(tài)，或者很快適應(yīng)新的狀態(tài)，并正常運(yùn)行。他是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的基本條件，也是加工零件保證精度的前提條件。 驅(qū)動(dòng)方案的分析及確定 方案一： X,Y,Z 三個(gè)方向上均采用直線電機(jī)進(jìn)給 優(yōu)點(diǎn)：如果采用直線電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，那么久不需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，零件 損耗少，并且精度高 。 缺點(diǎn)：新型的直輸技術(shù)還不是很成熟，有些地方不完善，譬如失電自鎖保護(hù)功能 ，并 且對(duì)于直線電機(jī)來說，數(shù)值安裝技術(shù)不成熟，成功率低。 方案二： X,Y,Z 三方向均采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)進(jìn)給 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)三軸進(jìn)給，技術(shù)很成熟，導(dǎo)致控制很方便，成本也相對(duì)來說很低 缺點(diǎn)：在絲杠和滾珠間存在間隙，導(dǎo)致加工精度一般 方案三： X,Y 水平方向采用直線電機(jī)，豎直 Z 方向采用滾珠絲杠 優(yōu)點(diǎn)：既然直線電機(jī)直驅(qū)技術(shù)在豎直方向上不成熟，那么在水平方向上采用直線電 機(jī)，豎直方向上采用絲杠，這樣使得直線電機(jī)與滾動(dòng)絲杠配合使用，最大的發(fā)揮了 5 他們的精度，效率，并且 Z 軸也實(shí)現(xiàn)了自鎖功能 缺點(diǎn)：這樣混合使用，給編程控制 帶來了很大不便。 結(jié)合這三種方案，由于本淪為設(shè)計(jì)的機(jī)床主要是為打?qū)W生展示機(jī)床的各個(gè)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)過程，所以對(duì)于加工精度要求不高，并且此機(jī)床的控制，機(jī)械部分要適合大眾學(xué)生，不能僅僅讓一些學(xué)習(xí)好的學(xué)生能看懂，操作編程要簡單明了，所以最終選擇方案二。 傳動(dòng)方案分析及確定 方案一： 先將伺服電機(jī)與 聯(lián)軸器相連，在通過齒輪減速降比傳動(dòng)移動(dòng)部件驅(qū)動(dòng) 圖 21進(jìn)給系統(tǒng)簡圖 優(yōu)點(diǎn)：可以通過齒輪放大電機(jī)的扭矩，使得可以采用小功率電機(jī)，降低成本 缺點(diǎn)：齒輪間存在間隙，使得傳動(dòng)精度差 方案二： 采用伺服電機(jī)通 過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的移動(dòng)驅(qū)動(dòng) 圖 22進(jìn)給系統(tǒng)簡圖 優(yōu)點(diǎn)： 精度有保證 缺點(diǎn)：需要功率大的電機(jī)，提供大扭矩，成本高 結(jié)合這兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為了保證機(jī)床必要的精度要求，所以最后采用方案二作為最終方案。 銑 削主軸系統(tǒng)方案分析及確定 方案一： 使用帶有 C軸功能的主軸電機(jī)帶動(dòng)，通過一級(jí)皮帶輪降速后驅(qū)動(dòng)主軸 6 方案特點(diǎn)：成本低，結(jié)構(gòu)簡單，精度能達(dá)到要求 方案二： 采用步進(jìn)電機(jī)作為主動(dòng)力源，通過二級(jí)齒輪變速箱控制速度，在主軸上在加一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn) C軸的動(dòng)力源 —— 伺服電機(jī) 方案特點(diǎn)：加裝的伺服分 度系統(tǒng)能保證 C 軸功能，成本較低，但是采用了齒輪傳動(dòng)，存在誤差，并且這樣做使得系統(tǒng)太復(fù)雜，體積大，成本升高 方案三： 直接使用帶有 C軸功能的電主軸做動(dòng)力源 方案特點(diǎn)：精度非常高，結(jié)構(gòu)很簡單，但是成本相當(dāng)高 方案確定：由于本論文機(jī)床對(duì)精度要求一般，所以如果采用方案三顯得浪費(fèi)，而方案二太復(fù)雜，使得最后體積大，成本高，所以最終采用方案一 車削主軸系統(tǒng)方案分析及確定 方案一： 采用銑削用電主軸 方案特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高，可控性強(qiáng)，成本高，不過能帶有銑刀換刀功能 方案二： 采用普通銑床主軸銑頭 方案特點(diǎn) ： 設(shè)計(jì)成本低，有標(biāo)準(zhǔn)件可供購買，但是體積大，可控性差 方案確定：所選銑削主軸銑頭不宜過大，重量不宜過重，所以最終選擇方案一 車銑一體整體三維結(jié)構(gòu)布局示意圖 7 圖 23 整體示意圖 8 第三章 車