【正文】 15%至 20%。 中國消費的加工中心大部分依靠進口（ 2021 年進口量占消費量的七成多），進口金額 億美元，居各類機床進口額之首，主要從日本、中國臺灣、德國和韓國等地進口。 2021 年上半年，中國進口加工中心 5511 臺，金額 億美元，同比分別增長 20%和 11%，仍保持兩位數(shù)增長，說明中國加工中心市場的規(guī)模還有增長空間。 第一章 引言 3 加工中心的基本組成、分類及結(jié)構(gòu) 特點 加工中心是一種功能較全的自動化加工機床。它把切削、銑削、鏜削和鉆削等功能集中在一臺設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中心自問世至今世界各國出現(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。 （ 1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱、工作臺等組成。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產(chǎn)生的切削負載，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的部件。 （ 2）主軸部件 由主軸伺服電源、主軸電動機、主軸箱、主軸、主軸軸承和傳動軸等零件組成。主軸的啟動、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動，是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、動態(tài)剛度、加工精度等。 （ 3）數(shù)控系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控部分由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電動機等部分組成。 CNC第一章 引言 4 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程根據(jù)輸入的信息進行數(shù)據(jù)處理、差補運算，獲得理想的運動軌跡信息，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?PLC）替代一般機床中機床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，控制機床執(zhí)行動作。數(shù)控系統(tǒng)主要功能有：控制功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能和第二輔助功能、補償功能、字符圖形顯示功能、自動診斷功能、通信功能、人機對話程序編制功能等。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）自動換刀系統(tǒng) 該系統(tǒng)是加工中心區(qū)別于其他數(shù)控機床的典型裝置，它解決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自動儲存、選擇、搬運和交換任務(wù)。它由刀庫、機械手、 驅(qū)動機構(gòu)等部件組成。 （ 5）自動托盤交換系統(tǒng) 有的加工中心為了實現(xiàn)進一步的無人化運行或進一步縮短非切削時間，采用多個自動交換工作臺方式儲備工件。一個工件安裝在工作臺上加工的同時，另外一個或幾個可交換的工作臺面上還可以裝些別的工件。當(dāng)完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。 （ 6）輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排泄、防護、液壓、第一章 引言 5 氣動檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對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。 表 11 加工中心控制結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng) 可編程控制器 機床輔助系統(tǒng) 自動刀具交換裝置 主軸伺服 主軸電機 伺服單元 X 軸伺服機構(gòu) Y 軸伺服機構(gòu) Z 軸伺服機構(gòu) 轉(zhuǎn)臺伺服機構(gòu) 加工中心的分類 （ 1） 按工藝用途分為鏜銑加工中心、鉆削加工中心、第一章 引言 6 車削加工中心、復(fù)合加工中心。 （ 2） 按機床形態(tài)分為立式加工中心、臥式加工中心、龍門式加工中心、虛軸加工中心。 （ 3） 按加工精度分為普通加工中心、高精度加工中心。 加工中心的結(jié)構(gòu)特點 （ 1） 機床的剛度高、抗震性好。 （ 2） 機床 的傳動系結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高、速度快。 （ 3） 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)。 （ 4） 加工中心的導(dǎo)軌采用了耐磨材料和新結(jié)構(gòu)，能長期保持導(dǎo)軌的精度。 （ 5） 控制系統(tǒng)功能較全，其智能化程度越來越高。 設(shè)計方案的預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計任務(wù)定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔(dān)運動功能為縱向（ X）軸和橫向（ Y）軸兩個方向的移動及一個繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動。 設(shè)計方案的可行性分析 立式加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件第一章 引言 7 進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣 動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(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加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫，可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動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、測量和調(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床 3~4 倍 ，達 80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機床。 本次設(shè)計是以數(shù)控機床立式加工中心為參考，設(shè)計加工中心的工作臺，這一部件結(jié)構(gòu)上兼有一般機械的基本特點，又采用了滾珠絲杠、滾動直線導(dǎo)軌、無級調(diào)速電機等新型機電產(chǎn)品，對提高我們的學(xué)習(xí)和設(shè)計能力很有幫助。 工作臺用于安裝工件，并帶動工件進給，以完成各種切削加工，是任何切削機床必不可少的重要部件。與普通切削機床第一章 引言 8 不同的是，加工中心的工作臺是在數(shù)控系統(tǒng)的控制下自動完成進給的，能夠自動完成各種輪廓和曲面的加工。加 工中心直線工作臺主要在數(shù)控系統(tǒng)控制下完成縱向（ X 方向）和橫向（ Y方向）進給。為了實現(xiàn)任意角度和在切削過程中轉(zhuǎn)臺能夠回轉(zhuǎn)，加工中心還要設(shè)置數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，這樣加工中心就多了一個NC 坐標(biāo)，能夠完成更加復(fù)雜的見曲面的加工。加工中心常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，它們的功用各不相同。分度工作臺的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的加工。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺除了分度和轉(zhuǎn)位的功能外，還能實現(xiàn)圓周進給運動。 本文設(shè)計的可拆卸夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 , 具有兩大優(yōu)點： 第一 , 使用時 , 工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的 T 形槽內(nèi) , 不用時 , 即可拆下 , 工作臺是一個獨立體 , 可以由幾臺數(shù)控機床共用 。 第二 , 本結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)高溫、高速和便于保證裝配精度的特點。工作臺的進給精度和性能，直接影響加工中心的加工精度和性能。所以，只有有了進給精度高、性能安全可靠的直線工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺，加工中心才能精確完成各種輪廓和曲面的加工，加工出高質(zhì)量的零件。 第一章 引言 9 屑箱 軸伺服電機 軸電機 圖 11 立式加工中心的組成 第二章 加工中心工作臺的主要部件 10 第二章 加工中心工作臺的主要部件 加工中心伺服進給系統(tǒng) 加工中心伺服進給系統(tǒng)是一機床移動位置為控制量的自動控制系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置輸出的電脈沖信號，是機床工作臺、主軸等移動部件按照規(guī)定的運動速度、運動方向和位置要求做相應(yīng)的移動，并對其定位精度加以控制。加工中心性能在很大程度上取決于進給伺服系統(tǒng)的性能。 進給運動是機床成型運動的一個重要部分，其傳動質(zhì)量直接關(guān)系到 機床的加工性能。加工中心的進給運動是數(shù)字控制的直接對象被加工工件最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都會受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。加工中心對進給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電機，同時也需要高質(zhì)量的機械結(jié)構(gòu)與之匹配。因此加工中心的進給傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)需滿足如下要求。 （ 1）高的傳動精度與定位精度 加工中心進給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度，是機床最重要的性能指標(biāo)。傳動精度直接影響機床加工輪廓面的精度，定位精度直接關(guān)系到加工的尺寸精度。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 11 （ 2）寬的進 給調(diào)速范圍 為保證加工中心在不同工況下對進給速度的選擇，進給系統(tǒng)應(yīng)該有較大的調(diào)速范圍。加工中心的伺服進給系統(tǒng)一般為 310000mm/min。 （ 3）快的響應(yīng)速度 所謂快速響應(yīng)，是指進給系統(tǒng)對指令信號的變化跟蹤要快，并能迅速趨于穩(wěn)定。目前，加工中心已較普遍的采用了伺服電動機不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運動部件實現(xiàn)運動的方案。本次設(shè)計就是采用了這個方案來獲取快的響應(yīng)速度。 （ 4）低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機床的加工特點，經(jīng)常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅(qū)動系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 此次設(shè)計采用的是半 閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的精度雖然比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)整比較簡單。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)角測量表較容易實現(xiàn)。應(yīng)用非常廣泛。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 12 圖 21 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)原理圖 伺服驅(qū)動裝置 伺服驅(qū)動裝置接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給指令信號，并將其轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移，從而驅(qū)動執(zhí)行部件實現(xiàn)要求的運動。伺服驅(qū)動裝置應(yīng)該滿足如下要求。 （ 1）精度高。輸出位移有足夠的精度，即實際位移與指令位移之差要小。 （ 2）應(yīng)該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電動機要求數(shù)分鐘內(nèi)過載 46 倍而不損壞。 （ 3）調(diào)速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機均能平滑運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動小，特別是在低速（如 ）時，速度平穩(wěn)而無爬行現(xiàn)象。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 13 （ 4）能承受頻繁振動、制動和反轉(zhuǎn)。 在加工中心的閉環(huán)或半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動裝置主要采用交、直流伺服電動機。 直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可以方便地在寬調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故多用在對伺服電機的調(diào)速性能要求較高的加工中心上。 交流伺服電動機，轉(zhuǎn)子慣量比直流電動機小，動態(tài)響應(yīng)好，輸出的功率可比直流電動機提高 10%70%，可達到更 高的電壓和轉(zhuǎn)速。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 14 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠副特點 圖 22 滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，它具有下列特點。 （ 1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲杠螺母機構(gòu)的傳動效率可達 ，使普通滑動絲杠螺母機構(gòu)的 34 倍，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機構(gòu)的四分之一。 （ 2）運動平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行 由于存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦系數(shù)都很小，且其差值很小，因而啟動轉(zhuǎn)矩小，動作靈敏 ，即使在低速情況時也不 會第二章 加工中心工作臺的主要部件 15 出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 （ 3）軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程。 （ 4）磨損小、壽命長、維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的 410 倍。 （ 5）傳動具有可逆性、不能自鎖。 （ 6）同步性好。 （ 7）有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。 滾珠循環(huán)方式 滾珠循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩大類型。 （ 1）內(nèi)循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)滾珠的回路短，滾珠數(shù)目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸緊湊，軸向 剛度高。 （ 2）外循環(huán) 滾珠在循環(huán)回路中與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)，根據(jù)滾珠回路結(jié)構(gòu)形式的不同可分為螺旋槽式、插管式、蓋板式。 表 21 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)特點比較 種類 特 點 循環(huán)圈數(shù) 螺母第二章 加工中心工作臺的主要部件 16 圈數(shù) 列數(shù) 尺寸 內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu) 通過反向器組成滾珠循環(huán)回路，每一個反向器組成 1 圈滾珠鏈。因此承載小。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。 1 2 列以上 小 外循環(huán)結(jié)構(gòu) 通過插管組成滾珠循環(huán)回路，每一個插管至少 圈滾珠鏈，因此，承載大。適應(yīng)于小導(dǎo)程、一般導(dǎo)程、大導(dǎo)程與重型滾珠絲 杠副。 以上 1 列以上 大 端蓋結(jié)構(gòu) 通過螺母兩端的端蓋組成滾珠循環(huán)回路，每個回路至少 1 圈滾珠鏈，承載大。適應(yīng)于多頭大導(dǎo)程、超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。 1 以上 2 列以上 小 蓋板結(jié)構(gòu) 通過蓋板組成滾珠循環(huán)回路，每個螺母一個蓋板，每個蓋板組成至少 圈滾珠鏈。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副。 以上 1 中 第二章 加工中心工作臺的主要部件 17 圖 23 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式 圖 24 外循環(huán)滾珠絲杠及滾珠回流方式 軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 加工中心通常采用施加預(yù)緊力來消除間隙、提高傳動剛度。 滾珠絲杠螺母軸向間隙和預(yù)緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，即通過調(diào)整雙滾珠螺母的軸向相對位置，使兩個螺母的滾珠分別壓向螺旋滾道的兩側(cè)面。但滾珠絲杠螺母機構(gòu)間隙調(diào)整的精度要求高，要求能做微調(diào)以獲得準(zhǔn)確的間隙或預(yù)緊量。第二章 加工中心工作臺的