加工中心进给系统毕业设计说明书

摘要

随着科学与技术的发展，加工技术在世界的工业范围内都有了显著的提高。而我国以加工中心为代表的高自动化、高附加值、高利润的机床产品却远远落后于世界机床同行。随着中国经济的持续发展,机床行业的全球化、以及在政府加强自主知识创新举措的鼓励下，投资开发加工中心等高档机床的时机趋于成熟。

本次设计是设计铣床的X-Y轴进给系统及其仿真。首先，了解铣床的结构，确定方案。其次，选择滚珠丝杠、步进电机和消隙齿轮等零件，来达到提高传动精度，减小加工误差的目的。本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求，完成X、Y两方向单独运行和同时运行，提高了加工效率。

论文研究完成了基于虚拟样机的网架节点球立式加工中心本体设计—X轴和Y轴及其仿真设计，形成机床详细结构设计的指导文件，为设计的全面铺开实施奠定了基础。

关键词: 立式加工中心; 机床结构; 总体设计; 进给系统;

Abstract

With the development of science and technology, processing technology in the world with the industry-wide have improved significantly. In China, the representative of a processing center for high automation, high value-added, high profit machine the world has fallen far behind the peer machine. With China's sustained economic development, the globalization of the machine tool industry, as well as knowledge of the Government to strengthen the autonomy of the encouragement of innovation, investment and development centers, such as processing time for high-end machine tools mature.

The design is the design of the xy-axis milling machine feed system and its simulation. First of all, to understand the structure of milling machine to determine the program. Secondly, the choice of ball screws, stepper motors and anti-backlash gear such as spare parts, to achieve to improve the accuracy of transmission, the purpose of reducing the processing error. The results can be successfully designed to meet the design requirements of the task, the completion of X, Y two directions at the same time running a separate operation and improved processing efficiency.

Completion of the study paper-based virtual prototyping of network nodes Ontology ball vertical machining center design-X-axis and Y axis and the simulation design, detailed structural design of machine tools to form the guiding document for the design of the implementation of a comprehensive way and laid the foundation.

Key words: Vertical Machining Center; machine structure; design;

feeding system;

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

目录 (3)

绪论 (4)

1.1课题背景和目的 (4)

1.2国内外研究现状及发展趋势 (4)

1.2.1 我国加工中心的研究现状 (4)

1.2.2进给系统的发展现状 (5)

1.2.3加工中心的发展趋势 (6)

2总体设计 (7)

2.1总体设计方案的确定 (7)

2.2床身设计 (7)

2.3导轨设计 (8)

3.进给系统设计 (9)

3.1Y轴（纵向）传动部分的设计 (10)

3.1.1 切削力的计算 (10)

3.1.2 滚珠丝杆的选择计算 (11)

3.1.3 传动齿轮选择 (15)

3.1.4 滚动轴承的选择 (16)

3.1.5 伺服系统选择计算 (17)

3.2X轴（横向）传动部分的设计 (21)

3.2.1 切削力的计算 (21)

3.2.2 滚珠丝杆的选择计算 (21)

3.2.3 传动齿轮选择 (24)

3.2.4 滚动轴承的选择 (24)

3.2.5 伺服系统选择计算 (25)

总结 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

绪论

1.1 课题背景和目的

数控加工是机械制造业中的先进加工技术，在生产企业中，数控机床的使用越来越广泛。企业要在当前市场需求多变、竞争激烈的环境中生存和发展，就需要迅速地更新企业产品，以最低价格、最好质量、最短时间取满足市场需求的不断变化。普通机床已不能很好的适应多品种、小批量的生产要求。数控机床则可以满足这些要求。

加工中心是数控机床中功能较全、加工精度较高的工艺装备。它主要用于箱体类零件和复杂曲面零件的加工，能把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和车螺纹等功能集中于一台设备上。加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中，与普通传统的机床相比，加工中心有工序集中、加工精度高、适应性强、生产效率高、经济效益好、劳动强度低、有利于生产管理现代化等优点，所以加工中心一直都是受到企业的高度重视。

采用加工中心，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，加工中心所占的比例逐渐增大。

在这样的背景下，我选择设计一台加工中心的X-Y轴。此外，熟悉国内外数控技术及加工中心的现状及发展趋势,增强对如何发展民族加工中心产业的感性认识。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 我国加工中心的研究现状

我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验性样机，是从电子管起步的。

目前我国加工中心生产厂家有100多家，生产加工中心配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前以新开发出数控系统80余种。分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。

在20余年间，加工中心的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进加工中心，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系

统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的加工中心，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本加工中心的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。

随着科技的发展，我国在数控技术与装备的发展得到了高度重视特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。

1.2.2进给系统的发展现状

加工中心的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是加工中心区别于普通车床的一个特殊部分。

加工中心的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。

进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。

开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。

全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。

加工中心的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。

1.2.3加工中心的发展趋势

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代化发展的大趋势。

随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越的要求，产品的更新换代也不断加快，数控机床在机械加工行业中应用越来越广泛。数控机床的发展，除要满足多功能、高性能的要求外，还要具有自动加工的基本功能，操作，维修方便。

在数控加工中心发展的本个多世纪的历程中，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，电子的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，使加工中心功能日益完善，自动化、智能化程度越来越高，加工中心正朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化及高可靠性方向发展。

2总体设计

2.1总体设计方案的确定

初步确定设计的任务后（初步拟定三种传动方案即 1 电机直接与丝杠相连；2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动）数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控钻床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动即保证改造后的性能不低于原钻床，又保证较高的性价比。

在本次设计中采用它带动X,Y向工作台移动。传动方案1的结构简单，三是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案2，同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用，所以本次设计中采用齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。

在本次毕业设计的工作过程中，技术方面应用滚珠丝杠（工作方式为滚珠丝杠转动，滚珠丝杠副螺母移动）可以提高加工精度。在可拆卸方面考虑了许多因素由于设计经验不足，在快卸方便性上考虑有时略有纰漏；在经济性方面采用反应式步进电动机其性价比高；在满足精度的前提下减少了生产成本。材料的使用上采用了较为广泛应用的45号钢加工成本低且避免使用有毒害的材料污染环境，还可以回收应用；在环境方面应用消隙齿轮可以有效的降低噪音减少对人体的危害。

2.2床身设计

机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、等重要部件。床身的结构对机床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，立式加工中心通常采用固定立柱式，主轴箱吊在立柱一侧，其平衡重锤放置在立柱中，工作台为十字滑台，可以实现X、Y两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨运动实现Z

坐标移动。

本设计中采用加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上面，工作台用十字滑台，在床身导轨上做X、Y两向移动，主轴箱沿立柱导轨做Z向移动。

2.3导轨设计

导轨一般可分为滑动导轨和滚动导轨两种。

滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前数控机床已几乎不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。

这次设计中采用的是滚动直线导轨。