【正文】 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(jī)對話程序編制功能等。 （ 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(jī)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)。 （ 5）自動托盤交換系統(tǒng) 有的加工中心為了實現(xiàn)進(jìn)一步的無人化運行或進(jìn)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。當(dāng)完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。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。 （ 2） 按機(jī)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。 加工中心的結(jié)構(gòu)特點 （ 1） 機(jī)床的剛度高、抗震性好。 （ 3） 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)。 （ 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(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。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(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床 3~4 倍 ，達(dá) 80%以上。 本次設(shè)計是以數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)等新型機(jī)電產(chǎn)品，對提高我們的學(xué)習(xí)和設(shè)計能力很有幫助。與普通切削機(jī)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(jìn)給的，能夠自動完成各種輪廓和曲面的加工。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。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。 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(jìn)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(jī)床共用 。工作臺的進(jìn)給精度和性能，直接影響加工中心的加工精度和性能。 第一章 引言 9 屑箱 軸伺服電機(jī) 軸電機(jī) 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(jìn)給系統(tǒng) 加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)是一機(jī)床移動位置為控制量的自動控制系統(tǒng)。加工中心性能在很大程度上取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能。加工中心的進(jìn)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(jìn)給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電機(jī)，同時也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。 （ 1）高的傳動精度與定位精度 加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度，是機(jī)床最重要的性能指標(biāo)。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 11 （ 2）寬的進(jìn) 給調(diào)速范圍 為保證加工中心在不同工況下對進(jìn)給速度的選擇，進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)該有較大的調(diào)速范圍。 （ 3）快的響應(yīng)速度 所謂快速響應(yīng)，是指進(jìn)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。本次設(shè)計就是采用了這個方案來獲取快的響應(yīng)速度。 此次設(shè)計采用的是半 閉環(huán)伺服系統(tǒng)。而且，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)角測量表較容易實現(xiàn)。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 12 圖 21 半閉環(huán)進(jìn)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(jìn)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。 （ 1）精度高。 （ 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。 （ 3）調(diào)速范圍寬，而且從最低速到最高速時，電動機(jī)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。 在加工中心的閉環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)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(jī)。 交流伺服電動機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電動機(jī)小，動態(tài)響應(yīng)好，輸出的功率可比直流電動機(jī)提高 10%70%，可達(dá)到更 高的電壓和轉(zhuǎn)速。 （ 1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動效率可達(dá) ，使普通滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 34 倍，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的四分之一。 （ 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。 （ 5）傳動具有可逆性、不能自鎖。 （ 7）有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。 （ 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)。 （ 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。因此承載小。 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。 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。 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。 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。但滾珠絲杠螺母機(jī)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。 （ 1）墊片調(diào)隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。這種結(jié)構(gòu)的特點是構(gòu)造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。 （ 2）螺紋 調(diào)隙式 其中一個螺母的外端有凸緣而另一螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定。 （ 3）齒差調(diào)隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪。 滾珠絲杠的安裝 加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)要求獲得較高的傳動剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 19 （ 1）一端固定一端游動 對于高精度、中等轉(zhuǎn)速較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠伸長的影響，常采用一端軸向固定的支承方式。 （ 2）兩端固定 對于高精度、高速旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠應(yīng)該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施加預(yù)緊拉力，可采用兩端固定方式，并可在絲杠一端安裝碟型彈簧和調(diào)整螺母，既能對絲杠施加預(yù)緊力，又能讓彈簧來補償絲杠 的熱變形，保持預(yù)緊力幾乎不變。安裝時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；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高；可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補償熱膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜；要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱行程，減少量等于拉伸量。絲杠兩端軸承 座孔與滾珠螺母座孔保證嚴(yán)格的同軸度，同時保證滾珠絲杠螺母與座孔的配合良好以及孔對端面的垂直度，保證軸承支座和螺母支座的整體剛度、局部剛度、接觸剛度等。一般根據(jù)額定負(fù)載表示，其動、靜載強(qiáng)度計算原則與滾動軸承相類似。對于細(xì)長承受壓縮的滾珠絲杠副需做 壓桿穩(wěn)定性計算；對于高第二章 加工中心工作臺的主要部件 21 速、支承距大的滾珠絲杠副需要做臨界轉(zhuǎn)速的校核；對于精度要求高的傳動要進(jìn)行剛度驗算，轉(zhuǎn)動慣量校核，對閉環(huán)控制系統(tǒng)還要進(jìn)行諧振頻率的驗算。 伺服電動機(jī)與絲杠的連接 采用鍵連接，鍵用于連接軸和軸上的傳動件 ,使軸和傳動件不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，以傳遞扭矩或旋轉(zhuǎn)運動。 圖 26 常用普通平鍵 普通平鍵分 A 型、 B 型、 C 型，本設(shè)計中所用到的 鍵有普通 A 型平鍵、 C 型平鍵、半圓鍵。這些運動通常用回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)。范圍內(nèi)）進(jìn)行分度旋轉(zhuǎn)；二是實現(xiàn)工作臺圓周方向的進(jìn)給運動，即在進(jìn)行切削時，與 X、 Y、 Z 三個坐標(biāo)軸進(jìn)行聯(lián)動，加工復(fù)雜的空間曲面。 加工中心本體設(shè)計 支承件的基本要求 支承件受力受熱后的變形和振動將直接影響機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。它們應(yīng)滿足下列要求： 第二章 加工中心工作臺的主要部件 23 （ 1）剛度要求 支承件的剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形的能力。靜剛度取決于支承件本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。 （ 2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其 抵抗受迫振動和自激振動的能力。抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。實際中常常通過選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善支承件的支撐情況等措施來增加支承件的抗振性。因此應(yīng)對支承件的熱變形及熱應(yīng)力加以控制。通過采用熱對稱結(jié)構(gòu)、隔離熱源、強(qiáng)制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。在使用中，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布和逐漸消失會使變形增大，超出許用的誤差范圍。 （ 5）其他 支承件還應(yīng)使排屑通暢，操作方便，吊 運安全，切削液及潤滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。 導(dǎo)軌的設(shè)計 由于加工中心的進(jìn)給運動都是通過其執(zhí)行部件沿著它的床身、立柱、橫梁等支承大件的導(dǎo)軌運動實現(xiàn)的。 對導(dǎo)軌設(shè)計的基本要求是： a. 導(dǎo)向精度要高 第二章 加工中心工作臺的主要部件 25 導(dǎo)向精度是指機(jī)床執(zhí)行部件的動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌的直線度（對于直線運動導(dǎo)軌）或圓度。導(dǎo)軌的幾何精度一般用低速下的導(dǎo)向精度來衡量。在水平面內(nèi)，兩條導(dǎo)軌的還有平行度的要求。導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保 持性。此外，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式和導(dǎo)軌材料也與精度保持性有關(guān)。如果導(dǎo)軌在載荷的作用下產(chǎn)生過大的變形，不僅破壞了導(dǎo)向精度，惡化了導(dǎo)軌的工作條件，而且使機(jī)床各部件間的相對位置發(fā)生變化。 d. 有良好的摩擦特性 機(jī)床在低速運動時， 動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行，將影響低速運動的平穩(wěn)性。 e. 加工工藝性要好 設(shè)計導(dǎo)軌時，要注意到制造、調(diào)整和維護(hù)的方便；力求結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好和經(jīng)濟(jì)性好，而且要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑措施等等。導(dǎo)軌通常有兩根，裝在支承件上，每根導(dǎo)軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。第三章 加工中心的工作臺和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 27 第三章 加工中心的工作臺和伺服進(jìn)給的設(shè)計 加工中心工作臺的進(jìn)給運動是通過伺服驅(qū)動裝置實現(xiàn)的。因此 , 研究和開發(fā)高性能伺服進(jìn)給系統(tǒng) ,始終是研究現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵之一。使用時 ,回轉(zhuǎn)工作臺如夾具固定在直線進(jìn)給工作臺的 T 形槽內(nèi) , 不用時即可拆下。 工作臺的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu) 主要參數(shù)的確定 工作臺面尺寸（長179。高）： 900 179。 50 ，回轉(zhuǎn)工作臺面尺寸 (直徑179。 222 ,材料為 HT200。 第三章 加工中心的工作臺和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 28 工作臺質(zhì)量及工作臺承重初估 直線工作臺質(zhì)量 G1 = ρVg = 103 9005005010 9 = 1733N 回轉(zhuǎn)工作臺質(zhì)量 G2 = ρVg = 103 π160222210 9 = 1362N 工作臺承重初估為 G3=4500N 根據(jù)以上估算得總的質(zhì)量為 G= G1+ G2+ G3=1733+1363+4500≈7600N 切削力估算 根據(jù)最大切削條件為：端銑刀直徑 為 100mm, Z=10 齒，每齒 進(jìn) 給 量 S 齒 =，工件寬度 B=80mm, 加工σb=80kg/mm 的高碳鋼。下面就加工中心進(jìn)給傳動裝置設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù) —— 滾珠絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌和伺服電動機(jī)的選擇問題等進(jìn)行討論。 cm，工作負(fù)載的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗公式計算。 （一） 絲杠的導(dǎo)程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm （二） 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 最 大 進(jìn) 給 時 ， 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 速 為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min 最慢進(jìn)給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算 t1=2t2）為 Nm = 212min1max tt tntn ?? = 1000r/min （三） 確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指機(jī)床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用