【正文】 20%。 2021 年上半年，中國進(jìn)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。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。 （ 1）基礎(chǔ)部件 由床身、立柱、工作臺等組成。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。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(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。 （ 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(jī)等部分組成?？删幊绦蚩刂破鳎?PLC）替代一般機(jī)床中機(jī)床電器柜，執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)指令，第一章 引言 3 控制機(jī)床執(zhí)行動作。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。它由刀庫、機(jī)械 手、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件組成。一個(gè)工件安裝在工作臺上加工的同時(shí)，另外一個(gè)或幾個(gè)可交換的工作臺面上還可以裝些別的工件。 （ 6）輔助裝置 包括潤滑、冷卻、排泄、防護(hù)、液壓、氣動檢測系統(tǒng)等部分。 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(jī)床輔助系統(tǒng) 自動刀具交換裝置 主軸伺服 主軸電機(jī) 伺服單元 X 軸伺服機(jī)構(gòu) Y 軸伺服機(jī)構(gòu) Z 軸伺服機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)臺伺服機(jī)構(gòu) 加工中心的分類 第一章 引言 4 （ 1） 按工藝用途分為鏜銑加工中心、鉆削加工中心、車削加工中心、復(fù)合加工中心。 （ 3） 按加工精度分為普通加工中心、高精度加工中心。 （ 2） 機(jī)床的傳動系結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高、速度快。 （ 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。 設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo) 設(shè)計(jì)任務(wù)定為立式加工中心工作臺，工作臺承擔(dān)運(yùn)動功能為縱向（ X）軸和橫向（ Y）軸兩個(gè)方向的移動及一個(gè)繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動。它是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)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。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(jī)床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)床。 工作臺用于安裝工件，并帶動工件進(jìn)給，以完成各種切削加工，是任何切削機(jī)床必不可少的重要部件。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(jìn)給。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。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(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動。 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(diǎn)。所以，只有有了進(jìn)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。它根據(jù)數(shù)控裝置輸出的電脈沖信號，是機(jī)床工作臺、主軸等移動部件按照規(guī)定的運(yùn)動速度、運(yùn)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。 進(jìn)給運(yùn)動是機(jī)床成型運(yùn)動的一個(gè)重要部分，其傳動質(zhì)量直接關(guān) 系到機(jī)床的加工性能。加工中心對進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)等方面。因此加工中心的進(jìn)給傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)需滿足如下要求。傳動精度直接影響機(jī)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。加工中心的伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般為 310000mm/min。目前，加工中心已較普遍的采用了伺服電動機(jī)不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的方案。 （ 4）低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。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。應(yīng)用非常廣泛。伺服驅(qū)動裝置應(yīng)該滿足如下要求。輸出位移有足夠的精度，即實(shí)際位移與指令位移之差要小。一般直流伺服電動機(jī)要求數(shù)分鐘內(nèi)過載 46 倍 而不損壞。 （ 4）能承受頻繁振動、制動和反轉(zhuǎn)。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 9 直流伺服電動機(jī)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(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故多用在對伺服電機(jī)的調(diào)速性能要求較高的加工中心上。 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠副特點(diǎn) 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(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，它具有下列特點(diǎn)。 （ 2）運(yùn)動平穩(wěn)、摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)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(shí) 也不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 （ 4）磨損小、壽命長、維護(hù)簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的 410 倍。 （ 6）同步性好。 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。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。 表 21 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較 種類 特 點(diǎn) 循環(huán)圈數(shù) 螺母尺寸 圈數(shù) 列數(shù) 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(gè)反向器組成 1圈滾珠鏈。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。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。適應(yīng)于多頭大導(dǎo)程、超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副。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(gè)螺母的滾珠分別壓向螺旋滾道的兩側(cè)面。常用的方法有下列幾種。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，已達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，并且在工作中不能隨意調(diào)整，除非更換厚度不同的墊片。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)緊力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺母把它鎖緊。這種調(diào)整方法精確可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于對調(diào)整準(zhǔn)確度要求較高的場合。加工中心由于要求具有高精度、高進(jìn)給速度，因此常采用 一端固定，一端游動以及兩端固定的絲杠安裝形式。 這種支承形式的特點(diǎn)安裝時(shí)需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲杠的軸向剛度比兩端固定低；絲杠有熱膨脹的余地。 這種支承形式的剛度最高，只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4 倍。因此這種形式適用于對剛度和位移精度要求高的場合， 絲杠的支承軸承應(yīng)采用滾珠絲杠專用軸承，這是一種特殊的向心推力球軸承。 圖 25 滾珠絲桿的安裝 滾珠絲杠螺母的計(jì)算和選用 滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負(fù)載表示，其動、靜載強(qiáng)度計(jì)算原則與滾動軸承相類似。一般根據(jù)額定動載荷選用滾珠絲杠副，只有當(dāng)n≤ 10r/min 時(shí)，按額定動載荷選用。 在選擇滾珠絲杠螺母的過程中，一般首先根據(jù)動載強(qiáng)度計(jì)算或靜載強(qiáng)度計(jì)算來確定其尺寸規(guī)格，然后對其剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。 常用鍵的型式有：普通平鍵、半圓鍵和鉤頭楔鍵。 回轉(zhuǎn)工作臺 加工中心是一種高頻率的加工設(shè)備，當(dāng)零件被裝夾在工作臺上以后，為了盡可能完成較多工藝內(nèi)容，除了要求機(jī)床有沿 X、 Y、 Z 三個(gè)坐標(biāo)軸的直線運(yùn)動之外，還要求工作臺在圓周方向有進(jìn)給運(yùn)動和分度運(yùn)動。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要功能有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)工作臺的進(jìn)給分度運(yùn)動，即在非切削時(shí)，裝有工件的工作臺在整個(gè)圓周（ 360176。 所 設(shè)計(jì)的加工中心回轉(zhuǎn)工作臺是由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪A 型 B 型 C 型 半圓鍵 鉤頭楔鍵 第二章 加工中心工作臺的主要部件 15 蝸桿等傳動裝置組成的。因此，正確設(shè)計(jì)支承件結(jié)構(gòu)、尺寸及布局具有十分重要的意義。前者稱為靜剛度，后者為動剛度。動剛度不僅與靜剛度有關(guān)，而且與支承系統(tǒng)的阻尼和固有頻率有關(guān)。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度、支承件的固有頻率、支承件的阻尼、支承件的支承情況、支承件的材料等。抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩(wěn)定性。 （ 3）熱變形要求 機(jī)床工作時(shí)，電動機(jī)、傳動系統(tǒng)的機(jī)械摩擦及切削過程等都會發(fā)熱，機(jī)床周圍環(huán)境溫度的變化也會引起支承件溫度變化產(chǎn)生熱變形，從而影響機(jī)床的工作精度和幾何精度。影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動部件的發(fā)熱及外部熱源。 （ 4）內(nèi)應(yīng)力要求 支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。支承件的設(shè)計(jì)應(yīng)從結(jié)構(gòu)上和材料上保證其內(nèi)應(yīng)力要小，并應(yīng)在焊、鑄等工序后進(jìn)行時(shí)效處理。 支承件的性能對整臺機(jī)床的性能影響很大，其重量約為機(jī)床總重的80%以上，因此，應(yīng)正確地對支承件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對主要支承件進(jìn)行必要的驗(yàn)證和試驗(yàn)，使其能夠滿足對它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節(jié)省材料。導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)機(jī)床執(zhí)行部件的運(yùn)動，導(dǎo)軌的剛度以及摩擦特性又對執(zhí)行部件的定位精度有重要影響，因此，導(dǎo)軌是加工中心進(jìn)給傳動系統(tǒng)的重要組 成部分。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾何精度，導(dǎo)軌的接觸剛度，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，動導(dǎo)軌及導(dǎo)軌的剛度和熱變形，還有裝配質(zhì)量。對直線運(yùn)動導(dǎo)軌而言，檢驗(yàn)的內(nèi)容主要是導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)的直線度。 b. 精度保持性要好 精度保持性是指導(dǎo)軌保持其原始精度的時(shí)間是否足夠長。動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌長期運(yùn)行會引起導(dǎo)軌的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，從而影響機(jī)床的加工精度。 c. 有足夠的剛度 因?yàn)闄C(jī)床執(zhí)行部件在工作過程中所承受的各種阻力，最后都轉(zhuǎn)化到第二章 加工中心工作臺的主要部件 17 導(dǎo)軌面來承受。導(dǎo)軌的剛性主要取決于導(dǎo)軌類型、結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小、導(dǎo)軌與床身的連接方式，還取決于導(dǎo)軌材料和表面加工質(zhì)量。爬行與導(dǎo)軌的摩擦特性有關(guān)，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)越小，并且動、靜摩擦因數(shù)越接近，則導(dǎo)軌低速運(yùn)動越平穩(wěn)，將不會產(chǎn)生爬行，這對于精度要求較高的加工中心來說尤其重要。 本設(shè)計(jì)采用的是直線滾動導(dǎo)軌副，它包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分。在兩條導(dǎo)軌條中，一條為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，上有基 準(zhǔn)面，另一條為從動導(dǎo)軌。伺服驅(qū)動裝置的性能 ,在很大程度上決定了機(jī)床的性能。本文所介紹的加工中心為立式 ,其工作臺可進(jìn)行 X 和 Y 向直線運(yùn)動 , 另外工作臺上面可固定夾具式回轉(zhuǎn)工作臺 ( Z 向轉(zhuǎn)動 ) 。文中除作了工作臺、滾珠絲杠副、伺服電機(jī)、滾動直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算外 ,還作了傳動精 度計(jì)算、絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗(yàn)算。寬179。 500 179。高 ) ： ? 320 179。設(shè)定工作臺進(jìn)給速度為 1～ 1500mm/ min ,快速進(jìn)給速度 15m/ min ,工作臺 X向工作行程為 750mm , Y向工作行程為 500mm ,銑削最大直徑為 ? 100mm。查《銑工工藝學(xué)》中級本得：切削力 p=4230N/mm2,則得切向銑削力 切F ： 查《銑工工藝學(xué)》中級本得： 縱向切削力 NFFF X 1 7 1 54 9 0 ????? 切縱 橫向切削力 NFFF Y 4 4 1 04 9 0 ????? 切橫 垂直切削力 NFFF Z 2 5 7 34 9 0 ????? 切垂 縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)與直線工作臺的設(shè)計(jì) 工作臺伺服進(jìn)給傳動裝置的設(shè)計(jì)在整個(gè)加工中心設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，其關(guān)系到加工中心的使用性能和加工精度。 ND ZB t SpF 4900100 ?? ?????? ?? 齒切第三章 加工中心的工 作臺和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 在本設(shè)計(jì)中 ,電機(jī)和絲杠直接相連 ,傳動比為 1 ,選擇電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速 1500r/ min ,最大轉(zhuǎn)矩 Mmax=1570kgf178。選定導(dǎo)軌為滾動導(dǎo)軌 , 從而設(shè)定摩擦系數(shù) , 可算出最大牽引力。選定導(dǎo)軌為滾 動直線導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 ，取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大牽引力為 Fma x= KFX+f(FY +FZ+G) 其中， K 為顛覆力矩影響系數(shù)， K 一般取為 ，現(xiàn)取 K 為 ，則得最大工作負(fù)載： Fma x=179。 (4410+2573+7600)≈ 而絲杠的最小工作負(fù)載荷為摩擦力為 Fmin = fG =179。n2=2n1） Fm=(2211223m in113m ax tntn tnFtnF ?? )1