滚珠丝杠驱动的加工中心.doc

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1、滚珠丝杠驱动的加工中心目录1引言11.1加工中心的发展状况11.1.1加工中心在国内外的发展11.1.2主轴部件的研究进展21.2课题的目的及内容31.3课题解决的关键问题31.4解决上述问题的策略42方案拟定52.1加工中心主传动系统的组成52.2机械系统方案的确定52.2.1主轴传动机构52.2.2主轴进给机构62.2.3主轴准停机构62.2.4刀具自动夹紧机构62.3加工中心主轴组件总体设计方案的确定83主轴组件的主运动部件103.1主电机选型103.2主轴103.2.1主轴的结构设计103.

2、2.2主轴受力分析163.2.3主轴的刚度校核203.2.4主轴的强度校核213.3主轴组件的支承223.3.1主轴轴承的类型223.3.2主轴轴承的配置243.3.3主轴轴承的预紧253.3.4主轴支承方案的确定263.3.5滚动轴承的精度与配合273.3.6主轴轴承设计计算273.4同步带的设计计算293.5主轴组件的润滑与密封323.5.1主轴组件的润滑323.5.2主轴组件的密封323.5.3本课题的润滑与密封方案的确定343.6主轴上键的设计与计算343.7液压缸的设计计算35结论37参考

3、文献38致谢391引言1.1加工中心的发展状况1.1.1加工中心在国内外的发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在40m/min以上，最高已达到90m/min。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到80~100m/min，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在12000~25000r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高

4、的已达0.5s，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.006~0.01mm之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在30m/min左右，个别达到60m/min。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还

5、未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在6000~18000r/min，定位精度控制在0.008~0.015mm之内，重复定位精度控制在0.005~0.01mm之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5

6、000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。371.1.2主轴部件的研究进展图1.1立式加工中心结构图1-切削箱2-X轴伺服电机3-Z轴伺服电机4-主轴电机5-主轴箱6-刀库7-数控柜8-操纵面板9-驱动电柜10-工作台11-滑座12-立柱13-床身14-冷却水箱15-间歇润滑油箱16-机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成。图1.1所示为立式加

7、工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的

8、传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”37。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。1.2课题的目的及内容主轴组件是机床的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作