【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、分類及結構 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，但從總體結構來看主要由以下幾大部分組成。 （ 1）基礎部件 由床身、立柱、工作臺等組成。它們是加工中心的基礎結構，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構件，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鍵部件，其結構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。它由刀庫、機械手、 驅動機構等部件組成。 （ 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 加工中心控制結構 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 Y 軸伺服機構 Z 軸伺服機構 轉臺伺服機構 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。 加工中心的結構特點 （ 1） 機床的剛度高、抗震性好。 （ 2） 機床 的傳動系結構簡單，傳遞精度高、速度快。 （ 3） 主軸系統(tǒng)結構簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)。 （ 4） 加工中心的導軌采用了耐磨材料和新結構，能長期保持導軌的精度。 （ 5） 控制系統(tǒng)功能較全，其智能化程度越來越高。 設計方案的預期目標 設計任務定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔運動功能為縱向（ X）軸和橫向（ Y）軸兩個方向的移動及一個繞 Z 軸的轉動。 設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、電子技術、計算機軟件技術、氣 動技術、拖動技術、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和編程技術的高科技產(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備上，且增設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、測量和調整時間，減少工件周轉、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。 本次設計是以數(shù)控機床立式加工中心為參考，設計加工中心的工作臺，這一部件結構上兼有一般機械的基本特點，又采用了滾珠絲杠、滾動直線導軌、無級調速電機等新型機電產(chǎn)品，對提高我們的學習和設計能力很有幫助。 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臺能夠回轉，加工中心還要設置數(shù)控回轉工作臺，這樣加工中心就多了一個NC 坐標，能夠完成更加復雜的見曲面的加工。加工中心常用的回轉工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉工作臺，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)控回轉工作臺除了分度和轉位的功能外，還能實現(xiàn)圓周進給運動。 本文設計的可拆卸夾具式數(shù)控回轉工作臺 , 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 , 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 , 本結構具有適應高溫、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，其傳動質量直接關系到 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)定和快速響應等方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之匹配。因此加工中心的進給傳動系統(tǒng)機械結構需滿足如下要求。 （ 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。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)應該有較大的調速范圍。加工中心的伺服進給系統(tǒng)一般為 310000mm/min。 （ 3）快的響應速度 所謂快速響應，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。本次設計就是采用了這個方案來獲取快的響應速度。 （ 4）低速、大轉矩 根據(jù)機床的加工特點，經(jīng)常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅動系統(tǒng)必須有大的轉矩輸出。 此次設計采用的是半 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，但是它的結構與調整比較簡單。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉角測量表較容易實現(xiàn)。應用非常廣泛。 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 伺服驅動裝置 伺服驅動裝置接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給指令信號，并將其轉換為角位移或直線位移，從而驅動執(zhí)行部件實現(xiàn)要求的運動。伺服驅動裝置應該滿足如下要求。 （ 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）應該具有較長時間的大過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電動機要求數(shù)分鐘內過載 46 倍而不損壞。 （ 3）調速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機均能平滑運轉，轉矩波動小，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。 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、制動和調速特性，可以方便地在寬調速范圍內實現(xiàn)平滑無極調速，故多用在對伺服電機的調速性能要求較高的加工中心上。 交流伺服電動機，轉子慣量比直流電動機小，動態(tài)響應好，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 滾珠絲杠螺母副結構 滾珠絲杠副特點 圖 22 滾珠絲桿副的結構 滾珠絲杠螺母結構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，它具有下列特點。 （ 1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲杠螺母機構的傳動效率可達 ，使普通滑動絲杠螺母機構的 34 倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的四分之一。 （ 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)方式可分為內循環(huán)和外循環(huán)兩大類型。 （ 1）內循環(huán) 滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內循環(huán)。內循環(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)滾珠回路結構形式的不同可分為螺旋槽式、插管式、蓋板式。 表 21 滾珠絲杠副結構特點比較 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 內循環(huán)結構 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)結構 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。適應于小導程、一般導程、大導程與重型滾珠絲 杠副。 以上 1 列以上 大 端蓋結構 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。適應于多頭大導程、超大導程滾珠絲杠副。 1 以上 2 列以上 小 蓋板結構 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 軸向間隙的調整和預緊方法 加工中心通常采用施加預緊力來消除間隙、提高傳動剛度。 滾珠絲杠螺母軸向間隙和預緊方法的原理與普通絲杠螺母相同，即通過調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面。但滾珠絲杠螺母機構間隙調整的精度要求高，要求能做微調以獲得準確的間隙或預緊量。第二章 加工中心工作臺的