加工中心机械结构设计范本.docx

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摘要

本设计完成了小型立式加工中心机械结构部分的设计并介绍了立式加工中心的一些基本概况。

该机床再配置一个CNC系统就构成了一台完整的立式加工中心。

在设计中主要对基础结构部件、进给传动系统、主传动系统和一些辅助装置进行了选型及设计计算。

（1）基础结构部件包括床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型。

其中工作台随螺母旋转而移动，其螺母是磨损元件。

（2）进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠轴上轴承以及伺服电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型。

（3）主传动系统中滑移齿轮、液压缸结构及主轴结构的设计计算，主轴箱配重的设计及相关零件的强度校核。

（4）辅助装置中刀库结构选型设计及换刀机构选型。

关键词滚珠丝杠；伺服电机；滑移齿轮；主轴箱配重

Abstract

Thisdesignhasalreadyfinishedverticalmachiningcenterthedesignofmechanicalstructureparts.Somebasicconceptsandthegeneralknowledgeoftheverticalmachiningcenterwereintroducedinthisdesign.ThemachineinaCNCsystemcanconstituteacompleteverticalmachiningcenter.Inthedesignmainlydesignpartsofbasicstructure,transmissionsystemandthemaintransmissionsystem.

（1）Infrastructurecomponentcomprisesabed,column,table,guidethedesigncalculationandtypeselection.Workingtablewithrotationofthenutandthenutismoved,thewearelement.

（2）Thefeeddrivesystemofballscrew,aservomotor,aballscrewshaftbearingandtheservomotorandthefeedscrewconnectiondesigncalculationandtypeselection.

（3）Inthemaintransmissionsystemofthedrivinggear,hydraulicoilcylinderstructureandspindlestructuredesigncalculation,spindleboxdesignandrelatedpartsofthestrengthcheck.

（4）Auxiliarydeviceofknifelibrarystructuredesign,toolchangemechanismselection.

Keywordsballscrew;servomotor;slidinggears;spindleboxcounterweight

HYPERLINK\l"_Toc198646003"摘要PAGEREF_Toc198646003\hI

AbstractII

HYPERLINK\l"_Toc326157215"第1章绪论PAGEREF_Toc326157215\h1

HYPERLINK\l"_Toc326157216"1.1小型加工中心概述PAGEREF_Toc326157216\h1

HYPERLINK\l"_Toc326157217"1.2加工中心的主要优点PAGEREF_Toc326157217\h2

HYPERLINK\l"_Toc326157218"1.3加工中心的发展趋势PAGEREF_Toc326157218\h3

HYPERLINK\l"_Toc326157219"第2章小型加工中心的机械结构部分4

HYPERLINK\l"_Toc326157220"2.1设计机械结构部分的主要参数4

HYPERLINK\l"_Toc326157221"2.2机械结构部分的组成4

HYPERLINK\l"_Toc326157222"2.3机械结构部分的特点4

HYPERLINK\l"_Toc326157223"第3章总体设计方案的拟定6

HYPERLINK\l"_Toc326157224"3.1设计题目6

HYPERLINK\l"_Toc326157225"3.2主要内容6

HYPERLINK\l"_Toc326157226"3.3拟定总体设计方案6

HYPERLINK\l"_Toc326157227"第4章基础结构部件的设计8

HYPERLINK\l"_Toc326157228"4.1床身的设计8

HYPERLINK\l"_Toc326157229"4.1.1床身的作用8

HYPERLINK\l"_Toc326157230"4.1.2床身的基本要求8

HYPERLINK\l"_Toc326157231"4.1.3床身结构设计及材料选择PAGEREF_Toc326157231\h10

HYPERLINK\l"_Toc326157232"4.1.4床身的肋板布置和截面的形状PAGEREF_Toc326157232\h10

HYPERLINK\l"_Toc326157233"4.2立柱的设计PAGEREF_Toc326157233\h11

HYPERLINK\l"_Toc326157234"4.2.1设计立柱的基本要求PAGEREF_Toc326157234\h11

HYPERLINK\l"_Toc326157235"4.2.2立柱的结构设计PAGEREF_Toc326157235\h11

HYPERLINK\l"_Toc326157236"4.2.3立柱导轨形式及精度PAGEREF_Toc326157236\h12

HYPERLINK\l"_Toc326157237"4.2.4立柱与床身的联结PAGEREF_Toc326157237\h12

HYPERLINK\l"_Toc326157238"4.3工作台的设计PAGEREF_Toc326157238\h12

HYPERLINK\l"_Toc326157239"4.3.1工作台的设计尺寸图PAGEREF_Toc326157239\h12

HYPERLINK\l"_Toc326157240"4.3.2工作台的其他结构设计PAGEREF_Toc326157240\h13

HYPERLINK\l"_Toc326157241"4.3.3工作台的材料PAGEREF_Toc326157241\h14

HYPERLINK\l"_Toc326157242"4.4导轨的设计PAGEREF_Toc326157242\h14

HYPERLINK\l"_Toc326157243"4.4.1导轨的功用及要求PAGEREF_Toc326157243\h14

HYPERLINK\l"_Toc326157244"4.4.2导轨的结构类型PAGEREF_Toc326157244\h15

HYPERLINK\l"_Toc326157245"4.4.3滚动导轨的材料PAGEREF_Toc326157245\h16

HYPERLINK\l"_Toc326157246"4.4.4直线滚动导轨的技术要求PAGEREF_Toc326157246\h16

HYPERLINK\l"_Toc326157247"4.4.5滚动导轨的设计计算PAGEREF_Toc326157247\h17

HYPERLINK\l"_Toc326157248"第5章进给传动系统的设计PAGEREF_Toc326157248\h19

HYPERLINK\l"_Toc326157249"5.1设计概要PAGEREF_Toc326157249\h19

HYPERLINK\l"_Toc326157250"5.1.1设计的主要内容PAGEREF_Toc326157250\h19

HYPERLINK\l"_Toc326157251"5.1.2设计的主要要求PAGEREF_Toc326157251\h19

HYPERLINK\l"_Toc326157252"5.2滚珠丝杠副的设计PAGEREF_Toc326157252\h20

HYPERLINK\l"_Toc326157253"5.2.1滚珠丝杠副的结构PAGEREF_Toc326157253\h20

HYPERLINK\l"_Toc326157254"5.2.2滚珠丝杠副的运动机理PAGEREF_Toc326157254\h20

HYPERLINK\l"_Toc326157255"5.2.3滚珠丝杠副的优点PAGEREF_Toc326157255\h21

HYPERLINK\l"_Toc326157256"5.3滚珠丝杠副的设计计算PAGEREF_Toc326157256\h21

HYPERLINK\l"_Toc326157257"5.4伺服电机的选择PAGEREF_Toc326157257\h28

HYPERLINK\l"_Toc326157258"5.4.1伺服电机的选型条件PAGEREF_Toc326157258\h28

HYPERLINK\l"_Toc326157259"5.4.2X向伺服电机的选择28

HYPERLINK\l"_Toc326157260"5.4.3Y向和Z向伺服电机的选择PAGEREF_Toc326157260\h29

HYPERLINK\l"_Toc326157261"5.5丝杠上轴承的校核PAGEREF_Toc326157261\h30

HYPERLINK\l"_Toc326157262"5.6联轴器的选择PAGEREF_Toc326157262\h30

HYPERLINK\l"_Toc326157306"结论32

HYPERLINK\l"_Toc326157307"参考文献33

第1章绪论

1.1小型加工中心概述

数控加工中心机床是指配有刀库和自动换刀装置，能自动换刀，工件在一次装卡后，可实现部分工序甚至全部工序的数控机床。

目前主要有镗铣类加工中心（习惯上简称为加工中心）和车削加工中心（习惯上简称车削中心）两大类。

镗铣类加工中心是在数控镗床和数控铣床的基础上发展起来的。

按主轴布置形式一般分为立式和卧式两种形式。

立式加工中心主轴是垂直的，主要用于重切削和精密加工，适合复杂型腔的加工。

卧式加工中心的主轴是水平的，一般具有回转工作台，特别适合于箱体零件的加工。

此外，今年来还发展了一种主轴可作垂直和水平转换的立卧式加工中心，也称复合加工中心或五面加工中心，可实现除安装底面外的五个面的加工。

车削中心是在数控车床的基础上，再装配上刀库和换刀机械手。

其也可分为立式和卧式两类。

与数控车床单机相比，其自动选择和使用的刀具数量大大增加。

立式加工中心主要是指主轴轴心线与工作台垂直设置的加工中心。

工作台通常是长方形，且无分度回转功能。

下图为立式加工中心的形式。

主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。

立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。

立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。

有的可进行五轴、六轴控制。

立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。

但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。

与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。

按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。

1、立式加工中心立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。

立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。

2、卧式加工中心卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。

它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。

3、五坐标加工中心五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件经过一次装夹后能完成除安装面以外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。

常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90°旋转，另一种是工作台可以90°旋转。

其中立式加工中心又可分类为：

1）依据导轨分类：

依据立式加工中心的各轴的导轨形式可分硬导轨及线导轨。

硬导轨适合重切削，线轨运动更灵敏。

2）依据转速分类：

立式加工中心主轴转速6000-15000rpm为低速型，18000rpm以上为高速型。

3）依据结构分类：

依据立式加工中心的床身结构可分为C型及龙门型。

1.2加工中心的主要优点

1、提高加工质量

工件一次装卡，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。

另外，由于是数控加工，减少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

2、缩短加工准备时间

加工中心可以顶替多台通用机床，加工一个零件所需准备时间是每台加工单元所损耗的准备时间之和。

从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短很多。

3、减少在制品

以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。

4、减少刀具费

把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。

这样既提高刀具利用率，又减少了刀具数量。

5、最少的直接劳务费

有NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（AutomaticPalletChanger简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。

这些都可缩减直接劳务费。

6、最少的间接劳务费

工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。

7、设备利用率高

加工中心设备利用率为通用机床的几倍。

另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。

1.3加工中心的发展趋势

随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。

这使得数控机床在生产中得到更广泛的应用，并不断地发展。

尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床CNC系统提出更高的要求。

现代数控机床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自动化、更高可靠性及更完善的方向发展。

1、高速度加工中心向高速度发展的主要目的是提高生产率，主要措施是提高主轴转速、提高进给速率和缩短辅助时间等。

2、高精度提高加工中心加工精度的主要措施是提高编程时的圆弧插补精度、机床定位精度和精度补偿技术。

3、高度自动化在现代数控机床上，装有各种类型监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床长时间工作时的产品质量。

4、可靠性的提高现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片或混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可靠性。

5、采用自动程序编制技术现代机床CNC系统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入CNC系统。

在一些新型的CNC系统中，还装入了小型工艺数据库，使得CNC系统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。

有的CNC系统还具有自适应控制功能。

第2章小型加工中心的机械结构部分

2.1设计机械结构部分的主要参数

工作台尺寸：

150×150mm

XYZ行程：

300×200×200mm

XYZ轴最快移动速度：

5m∕min

脉冲当量：

0.001mm∕pulse

2.2机械结构部分的组成

小型加工中心的机械结构主要由以下几部分组成：

1、基础支承件

由床身、立柱、工作台和导轨等大件组成，是加工中心的基础构件，是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向，使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。

这些大件和部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。

它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。

故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。

2、进给传动系统

包括动力源、传动件及进给运动执行件——工作台、刀架等。

进给传动系统的作用是将伺服驱动装置的运动和动力传给执行件，实现进给运动。

主要是协助完成加工表面的成形运动。

3、主传动系统

包括动力源、传动件及主运动执行件——主轴等。

主传动系统的作用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，实现主切削运动。

4、辅助装置

包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。

辅助系统虽不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。

2.3机械结构部分的特点

小型加工中心是高精度、高效率的自动化机床。

几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。

小型加工中心的结构设计已形成自己的独立体系，其主要结构特点如下：

1、静、动刚度高

数控机床要在高速和重负荷条件下工作，机床床身、底座、立柱、工作台、刀架等支承件的变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差。

因此，这些支承件均应具有很高的静刚度和动刚度。

2、抗振性好

机床工作时可能产生两种形态的振动：

强迫振动和自激振动。

数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。

3、热稳定性好

机床的热稳定性好是多方面综合的结果。

包括机床的温升小；产生温升后，使温升对机床的变形影响小；机床产生热变形时，使热变形对精度的影响较小。

4、灵敏度高

数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。

导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。

工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。

5、自动化程度高、操作方便

为了提高数控机床的生产率，必须最大限度地压缩辅助时间。

许多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。

对于多工序的自动换刀数控机床，除了减少换刀时间之外，还大幅度地压缩多次装卸工件的时间。

几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能，使空程时间缩短。

第3章总体设计方案的拟定

3.1设计题目

小型加工中心机械结构设计

3.2主要内容

查阅相关资料，设计立式加工中心的机械结构部分。

包括：

1、基础结构部件床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型；

2、进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠上轴承以及伺服电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型；

3、主传动系统中主轴箱结构、传动齿轮、液压缸结构及主轴结构设计计算

4、辅助装置中刀库结构的选型设计及换刀机构选型。

3.3拟定总体设计方案

1、拟定总体设计方案的设计原则

1）总体布局流畅，结构合理紧凑，实现机电一体化，外形美观。

2）结构简单，功能齐全，操作安全方便。

3）满足功能要求，造型要求，技术参数要求，便于制造，安装和维护。

2、拟定总体设计方案

经过收集了有关立式加工中心布局的各方面资料，确定如下布局方案：

1）加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上，床身与立柱都通过双头螺栓连接；

2）工作台为矩形工作台，在床身导轨上做X、Y两向移动；

3）立柱采用封闭的箱型结构，主轴箱内采用滑移齿轮进行二级变速。

主轴箱在立柱导轨上上下移动实现Z轴的进给运动、主轴箱配重采用链条、链轮机构，配重置于立柱内，使整体结构紧凑、美观；

4）X、Y、Z三向导轨均采用滚珠丝杠导轨，三个进给方向通过伺服电机及联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台作X、Y、Z三个方向的直线运动；

5）机床电柜及操纵站放置在机床主机（正对机床）的右侧，操纵者在机床右边操作，刀库及交换装置放置在机床的左侧，换刀装置采用圆盘式换刀装置；

6）润滑油冷却液由外部液压泵提供，设计中要留出液压泵的安装位置；

7）整个机床用防护罩罩起来，有利于保护机床和操作人员，外形也相对美观。

根据以上布局形式的初步确定，立式加工中心的总体布局图如下：

图3小型加工中心的总体布局图

立式加工中心总体布局图

以上为本次设计的总体方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况做出改动，不断完善此设计。

第4章基础结构部件的设计

基础结构部件通常是指构成立式加工中心主体的那些功能部件，如床身部件、立柱部件和工作台部件等。

基础结构部件是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向。

这些部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩[5]。

4.1床身的设计

4.1.1床身的作用

床身是整个加工中心的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱和工作台等重要部件。

为了满足加工中心机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化要求，加工中心床身主要有以下两大功能：

1、支承作用即支承其它零部件，在机床承受切削