数控加工中心进给系统设计

毕业设计

学院机械工程学院班级机制1071 姓名 XXX 学号 2xxxxxxxxx 成绩指导老师 XXXX

2012年 5 月20 日

数控加工中心进给系统的设计

摘要：机械设计是现代制造业中常遇到的问题，随着机械工业的不断发展，对机械加工设备的要求也越来越高，特别是对高精密度加工机械的要求更加凸显。数控加工中心是现代加工设备中主要设备之一。数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他的辅助功能，依次完成工件几个面上多工序的加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工件的装夹、测量和机床调整时间，减少了工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削率达到80﹪以上，比普通机床高3～4倍。尤其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，更具有良好的经济效果。而其高精度、高效率的是由其进给系统来保证的，所以加工中心进给系统的好坏直接影响着机械制造业的发展。

关键字：加工中心进给系统设计

目录

一、数控加工中心发展前景 (1)

二、VMC-15数控加工中心的特点 (3)

三、VMC-15数控加工中心的总体方案设计 (5)

四、进给传动系统的选择及其结构 (6)

4.1 滚珠丝杠副结构的选择 (6)

4.2滚珠丝杠副尺寸的选择 (6)

4.3滚珠丝杠副的选择步骤 (6)

4.4滚珠丝杠的计算及选择 (6)

4.4.1 滚珠丝杠的导程和确定 (6)

4.4.2确定丝杠的等效转速 (7)

4.4.3工作台质量及工作台承重 (7)

4.4.4 确定丝杠的等效负载 (7)

4.4.5 确定丝杠所受的最大动载荷 (8)

4.4.6 选择滚珠丝杠型号 (9)

4.4.7 轴承的选择及确定 (9)

4.5 校核 (12)

4.5.1 临界压缩负荷 (12)

4.5.2 临界转速 (13)

4.5.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 (14)

4.5.4 丝杠扭转刚度 (18)

4.6 伺服电机计算 (19)

4.7支承轴承所需启动转矩 (20)

4.8驱动滚珠丝杠副所需扭矩 (20)

4.9电机的额定扭矩 (20)

4.10 电机的选择 (20)

4.11 进给系统结构图 (20)

六、结论 (29)

七、致谢语 (30)

八、参考文献 (31)

一、数控加工中心发展前景

数控加工中心和数控机床一样，是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床。加工箱体类零件的加工中心是在镗床、铣床的基础上发展起来的，称为自动换刀数控镗铣床，习惯上称加工中心。

数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他的辅助功能，依次完成工件几个面上多工序的加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可以减少工件的装夹、测量和机床调整时间，减少了工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削率达到80﹪以上，比普通机床高3～4倍。尤其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，更具有良好的经济效果。

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。

机械设计是现代制造业中常遇到的问题，随着机械工业的不断发展，对机械加工设备的要求也越来越高，特别是对高精密度加工机械的要求更加凸显。数控加工中心是现代加工设备中主要设备之一，加工中心(Computerized Numerical Control Machine )简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机

床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。其中进给系统是VMC-15数控加工中心的关键部件。

二、VMC-15数控加工中心的特点

VMC-15数控加工中心具有如下特点：

1. 机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床(机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度)。

2. 机床的传动系统结构简单，传递精度高，速度快。加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆-蜗母条；预加载荷双齿轮-齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15m／min，最高可达100m ／min；

3. 主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统(特殊的也只保留1～2级齿轮传动)。主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速。目前加工中心95％以上的主轴传动都采用交流主轴伺服系统，速度可从10～20000r／min无级变速。驱动主轴的伺服电机功率一般都很大，是普通机床的1～2倍，由于采用交流伺服主轴系统，主轴电动机功率虽大，但输出功率与实际消耗的功率保持同步，不存在大马拉小车那种浪费电力的情况，因此其工作效率最高，从节能角度看，加工中心又是节能型的设备；

4. 加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新结构，能长期的保持导轨的精度，在高速重切削下，保证运动部件不振动，低速进给时不爬行及运动中的高灵敏度。导轨采用钢导轨、淬火硬度≥HRC ，与导轨配合面用聚四氟乙烯贴层。这样处理的优点：a．摩擦系数小；b．耐磨性好；c.减振消声；d．工艺性好。所以加工中心的精度寿命比一般的机床高；

5. 设置有刀库和换刀机构。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可通过控制系统对刀具寿命进行管理；

6. 控制系统功能较全。它不但可对刀具的自动加工进行控制，还可对刀库进行控制和管理，实现刀具自动交换。有的加工中心具有多个工作台，工作台可自动交换，不但能对一个工件进行自动加工，而且可对一批工件进行自动加工。这种多工作台加工中

心有的称为柔性加工单元。随着加工中心控制系统的发展，其智能化的程度越来越高，如FANUCl6系统可实现人机对话、在线自动编程，通过彩色显示器与手动操作键盘的配合，还可实现程序的输入、编辑、修改、删除，具有前台操作、后台编辑的前后台功能。加工过程中可实现在线检测，检测出的偏差可自动修正，保证首件加工一次成功，从而可以防止废品的产生。VMC-15数控加工中心的图如下图一所示：

图一

三、VMC-15数控加工中心的总体方案设计

加工中心通常以主轴在加工时的空间位置分类，分为卧式、立式和五面体加工中心。，本次设计采用立式结构。数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机。

横向最大行程（X轴）350㎜；

纵向最大行程（Y轴）300㎜；

上下最大行程（Z轴）300㎜；

工作进给速度为18000mm/min;

台虎钳质量：150㎏；

横向快速进给速度：8m/min;

纵向快速进给速度：8m/min;

滑板的尺寸：（长X宽X高）：400mmx200mmx80mm;

材料选为：HT200。

所选的进给系统为滚柱丝杠副用伺服电机直接驱动，如图二所示：

图二

四、进给传动系统的选择及其结构

4.1 滚珠丝杠副结构的选择

根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构型式。例如，当允许有间隙存在时(如垂直运动)可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。

4.2滚珠丝杠副尺寸的选择

主要是选择丝扛的公称直径d0和基本导程。

公称直径0d ：根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。

基本导程(或螺距t)：根据承载能力、传动精度及传动速度按滚珠丝杠副尺寸系列选择。基本导程越大，承载能力越大，传动精度低，传动速度高，反之则反。

4.3滚珠丝杠副的选择步骤

首先要已知工作条件：最大的工作载荷max F (或平均工作载荷cp F ),使用寿命T,丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)ls,丝杠的转速n(或平均转速cp n ),滚道的硬度HRC 及运转工况。

4.4滚珠丝杠的计算及选择

4.4.1 滚珠丝杠的导程和确定

在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i=1，设电机的最高工作转速为

min /1500max r n =,则丝杠导程为：

max

max

n v p h ≥

（3.1） 33.51500

1083

=?≥h p

取 6=h p

4.4.2确定丝杠的等效转速

/min h

v

n r p =

(3.2) 由公式（3.2），最大进给速度时丝杠的转速：

3

max max

8101333.33/min 6

h v n r p ?=== 最小进给速度时丝杠的转速：

min max 1

0.167/min 6

h v n r p =

== 丝杠等效转速：（取122t t =）

max 1min 2

max 12

/min n t n t n r t t +=

+（3.3）

1t ，2t ------转速max n ，min n 作用下的时间（s ）

max 1min 2

max 12

888.94/min n t n t n r t t +=

=+

4.4.3工作台质量及工作台承重

台虎钳质量： 11509.81470G N =?=

滑板： 392400200807.85109.810520G N -=??????= 总重量：1214705202000G G G N =+=+= 4.4.4 确定丝杠的等效负载

工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给

牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K 为颠覆力矩影响系数.一般取1.1-1.5，现取为1.1，则丝杠所受的力为（如图3.1所示）：

max )X y r F KF f F F =++-+(3.4)

1.112000.0320004800)19202000=?+?+- 2013N =

0min =F

其等效负载可按下式估算 （取12t t =，122n n =）：

1t ，2t -------轴向载荷max F ，min F 作用下的时间（s ）。 1n ，2n ------轴向载荷max F ，min F 作用下的转速（r/min ）。

N

F t n t n t n F t n F M

139********min 113max 3

1

==???

? ??++ (3.5)

4.4.5 确定丝杠所受的最大动载荷

N

n m h f f f f f F C T k

a h t w

m a ???

?

??=

610603

/1τ (3.6)

w f ---负载性质系数；（查表：当一般运转时，w f 为1.2--1.5，取w f =1.5）。

t

f --温度系数；（查表：）

h f --硬度系数;（查表：滚道实际硬度≥HRC58时，h f =1。） n f --精度系数；（查表：当精度等级为3时，n f =1.0。） k f --可靠性系数；（查表：可靠性为90%时，k f =1.0。） m F --等效负荷（N ） m n --等效转速（r/min ）;

n T --工作寿命（h ）。（查表得：数控机床：h T =150）

由公式（3.6） 6

1080064.888150006060?=??=Nt h n T

N

m h f F C n n T w

m a c 16847)10

60(3

1

===ττ

所设计的丝杠如下图五所示：

图三

4.4.6 选择滚珠丝杠型号

由文献[7,8]可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号：CDW3206-3。丝杠公称直径为32mm ?,基本导程6h p mm =,其额定动载荷16917a C N =,额定静载荷45968na C N =，圈数X 列数=1.5X2，丝杠螺母副的接触刚度为1130/c K N m =,丝杠底径27.9㎜,螺母长度为112㎜,取丝杠的精度为3级。 4.4.7 轴承的选择及确定

在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为为20mm ?和25mm ?。 查表得电机座轴承采用角接触球轴承而轴承座轴承选用的是深沟球轴承。型号分别为：7005C 和61904。

表一

表二

本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。选用成对丝杠专用轴承组合。

滚珠丝杠支承用专用轴承:

轴承特点：

⑴刚性大。由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为60度，轴向刚性大。

⑵不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已做好了能得到预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家做出的装配序号（＞）排列后，装紧即可。

⑶启动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，启动力矩小。

为了易于吸收滚珠滚子与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。（DF、DFD、DFF等）轴承如下图六所示：

图四电机座中轴承结构

图五轴承座结构

图六 图七 电机座轴承 轴承座轴承 4.5 校核

滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负载的滚珠丝杠副的拉压系统刚度e K 由丝杠本身的拉压刚度s K ，丝杠副内滚道的接触刚度c K ，轴承的接触刚度B K ,螺母座刚度H K ,按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 4.5.1 临界压缩负荷

丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度的发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式。

临界压缩负荷按下式计算：

211max 2

c v f EI F K F N l τπ=≥ （3.7）

式中 E---材料的弹性模量刚E =2.111

10?（N/2

m ）；

0L --最大受压长度（m ）;

1K --安全系数，取1

1/3K =；

max F ——最大轴向工作负荷（N ）；

1f ——丝杠支承方式系数；（支承方式为双推——双推时见下图，14f =，2 4.730f =）； I ——丝杠最小截面惯性矩（4

m ）：

2

40( 1.2)64

64

y w I d d d π

π

=

=

- （3.8）

式中 0d ——丝杠公称直径（mm ）

w d ——滚珠直径（mm ）

4123.14

(32 1.2 3.969)1064

I -=

?-?? 842.710m -=?

丝杠螺纹部分长度180********n L mm =++=，取350n L mm = 支承跨距 1400L mm = 丝杠全长500L mm = 由公式（3.7）

∴

2118max 26

4 3.14 2.110 2.710142255.32013420103c F N F N τ--?????=?=>=? 可见c F τ远大于max F ，临界压缩负荷满足要求。 4.5.2 临界转速

222max 29910cr c

f d n n L ≈

≈> （3.9）

式中A ——丝杠最小横截面：

2

642

231.5107.8104

4

d A m ππ

--=

=

??=?

c L ——临界转速计算长度：

112500350

18040351.50.422

c L m -=

+++=≈ 取10.4c L L m ==，

2k ——安全系数，一般取20.8k =； ρ——材料的密度，337.8510/kg m ρ=?

2f ——丝杠支承方式系数，查表得2

4.730f =

2max 2

0.0315

9910 4.73043650/min 1500/min 0.4cr n r n r ≈??

=>=

满足要求。

4.5.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率

丝杠系统的轴向拉压系统刚度e K 的计算公式： 两端固定：

111111(/)4e B c H S

N m K K K K K μ-=+++

式中 e K ——滚珠丝杠副的拉压系统刚度（N/m μ）;

H K ——螺母座的刚度（N/m μ）;

c K ——丝杠副内滚道的接触刚度（N/m μ）; s K ——丝杠本身的拉压刚度（N/m μ）; B K ——轴承的接触刚度（N/m μ）。

丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。 轴承的接触刚度可查轴承的型号样本。 螺母座的刚度可近似估算为1000。 丝杠本身的拉压刚度：

对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：

6()10/s AE l

K N m a l a

μ-=

?- （3.11）

式中 A ——丝杠最小横截面，

222()

4

A d mm π

=

；

E ——材料的弹性模量，1122.110(/)E N m =? L ——两支承间距（m ）;

a ——螺母至轴向固定处的距离（m ）。

已知：轴承的接触刚度1080/B K N m μ=，丝杠螺母的接触刚度716.7/C K N m μ=,丝杠的最小拉压刚度min 545.2/s K N m μ= (见后面计算)。螺母座刚度1000/H K N m μ=。

11111

41080716.710004545.2K =+++

??

1K ----安全系数，取1K =1/3： max F ----最大轴向工作负荷（N ）:

1F ----丝杠支承方式系数：

（支承方式为双推------双推时，见下图，1f =4，2f =4.730）

I----丝杠最小截面惯性矩（4m ）：

4

42( 1.2)64

64

I d d d σωπ

π

=

=

?- （3.8）

式中d σ----丝杠公称直径（mm ）：

d ω----滚珠直径（mm ）

4123.14

(32 1.2 3.696)1064

I -=

?-?? 842.710m -=?

丝杠螺纹部分长度180********M L mm =++=，取L 350mm N = 支承跨距1L 400mm =，丝杠全长L 500mm = 由公式（3.7）

∴28264 3.14 2.1101

420103

cr F --???=

?? max 42554.32013N F N =>=

可见cr F 远大于max F ，临界压缩负荷满足要求。 临界转速

222max 9910cr c

f d n n L ≈

≈> (3.9) 式中A-----丝杠最小横截面：

2

642231.5107.8104

4

A d m π

π

--=

=

??=?

C L -----临界转速计算长度：

11250035018040351.50.422

C L m -=

+++=≈ 取10.4C L L m ==，

2K ----安全系数，一般取2K =08； ρ----材料的密度：337.8510/kg m ρ=?；

2f ----丝杠支承方式系数，查表得2f =4.730

22

0.0315

9910 4.73043650/min 1500/min 0.4cr n r r ≈??

=> 满足要求

丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率

丝杠系统的轴向拉压系统刚度K σ的计算公式： 两端固定：

111111(/)4H C N m K K K K K γβ?

μ-=+++ 式中K Υ----滚珠丝杠副的拉压系统刚度（N/μm ）；

H K -----螺母座的刚度（N/μm ）;

C K -----丝杠副内滚道的接触刚度（N/μm ）;

K ζ----丝杠本身的拉压刚度（N/μm ） K β----轴承的接触刚度（N/μm ）

丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本

轴承的接触刚度可查轴承型号样本 螺母座的刚度可近似估算为1000 丝杠本身的拉压刚度

对丝杠支承组合方式为两端固定的方式；

6()10/S AE l K N m a l a

μ-=

?- (3.11) 式中 A---丝杠最小横截面，

)

(4

222mm d A π

=

；

E----材料的弹性模量，

)/(101.22

11m N E ?= L-----两支承间距（m ）

a-----螺母至轴向固定处的距离（m ）

已知：轴承的接触刚度B K =1080N/μm,丝杠螺母的接触刚度C K =716.7N/μm ，丝杠的最小拉压刚度min s K =545.2N/μm(见后面

计算）。螺母座刚度H K =1000N/μm

2.54541100017.71611080411?+

++?=e K /324N Kr =?μm

丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：

/s βω=

（3.12） 式中m----丝杠末端的运动部件与工件的质量和（N/μm ）

r K ----丝杠系统的轴向拉压系统刚度（N/μm ）

βω=

=

1260/rad s =

12038/min 1500/min r r =>

显然，丝杠的扭转振动的固有频率大于1500r/min ，能满足要求