加工中心主传动系统的机械结构设计【文献综述】

文献综述

机械设计制造及其自动化

加工中心主传动系统的机械结构设计

一、引言

毕业设计是对我们大学四年期间所学知识的一次综合运用过程，是对大学四年所学知识的一次总结，是一次较全面的设计训练，是理论联系实际的重要实践性环节，是我们在理论学习和生产实践基础上迈向工程设计的一个转折点。在这一学习过程中，培养了我们运用所学知识解决问题的能力，提高了我们对产品整体设计把握的能力。通过这次毕业设计，可以培养和提高我们综合运用所学机械方面的课程和其它以前所学的各科基础知识和专业知识、结合生产实际去分析和解决工程实际问题的能力；可以学习机械设计的一般程序，熟悉和掌握通用机械零件、机床传动系统和简单机械的设计方法和步骤，培养创造性思维能力和增强独立、全面、科学的工程设计能力；可以完成机械设计基本技能的训练，学会使用各种设计资料（标准、规范、手册、图册等）、经验估算、数据处理及编写设计计算说明书。

本次毕业设计的课题是设计一个带有卸荷装置的立式加工中心的主传动系统。参考TH5640立式加工中心，初步了解到该型号立式加工中心主传动系统采用多楔带传动，从主轴电动机经一级带传动传递给主轴。在本文中，详细介绍了立式加工中心主传动系统传动方案的选择设计、电动机选型及功率的计算、多楔带传动的计算、各种零件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式及关键零件的校核等设计过程。

二、数控机床的基本概况

数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点[2]。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令

规定的程序[8]。

1952年，美国PARSON公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业[2]。

综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。

数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：

易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。

一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类[2]。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。

三、加工中心的基本概念和分类

（1）加工中心的基本概念在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心[2]。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达80%以上，高于普通机床3-4倍。尤其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心[3]。

（2）加工中心的分类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]。

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，工件一次装夹后能完成除安装面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。

四、加工中心的结构组成

1958年美国的卡尼——特富克公司在一台数控镗铣床上增加了自动换刀装置，第一台加工中心问世。随后，出现了各种类型的加工中心，有立式加工中心、卧式加工中心、五坐标加工中心等。虽然加工中心的外型结构不尽相同，但从总体上看，加工中心基本上由以下几部分组成：基础部件、主轴系统、控制系统、伺服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等[3]。

（1）基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，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）主轴组件它是主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。

（3）控制系统单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。

（4）伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。

（5）自动换刀装置它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。

（6）辅助系统包括润滑、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。

（7）自动托盘更换系统有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工效。

五、课题的选择和研究目的

随着社会的进步，制造业的发展越来越迅速，数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。数控机床发展很快，作为数控机床的重要部分，主轴箱的设计更新也越来越快。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，随着加工中心的普及应用，急需一大批掌握加工中心设计、操作和维修的应用型人才。

加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它是加工中心的主要组成部分。它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。加工中心大多采用交流和直流调速电动机来实现无级变速。主轴的传动方式有四种，分别是二级齿轮变速传动、定比传动、由主轴电动机直接驱动、内装电动机主轴传动。本设计采用定比传动中的多楔带传动，这种传动方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。多楔带传动功率大，空间相同时多楔带比普通V带的传动功率约高30%；带体薄，富有柔软性，比较能适应带轮直径小的传动；适应高速传动，带速可达40m/s，使用伸长小，发热小，振动小，运转比较平稳。

主轴组件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件组成。机床加工时，主轴带动工件或刀具直接参与表面成形运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产效率等有着重要影响。而且数控加工过程中不能进行人工调整，这些影响就更为重要。对加工精度影响最大的是回转精度的要求。随着科技的发展，加工中心主轴的转速越来越高，这种趋势必然会去主轴的精度和刚度提出了更高的要求。主轴在告诉旋转的过程中，由于动力输入源存在径向力（如：带拉力）作用在主轴后端：动力源与主轴安装不同心使主轴产生的内应力变形，使主轴回转综合精度收到影响。同样主轴再松刀过程中会受到很大的轴向力的影响，这种影响会导致主轴运动精度及主轴使用寿命。相比而言，轴向力的影响远