机械设计毕业论文：加工中心主传动系统的机械结构设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）加工中心主传动系统的机械结构设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文摘 要装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。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，他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。本文介绍了立式加工中心的

2、一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。关键词：数控机床；立式加工中心；主传动系统；主轴组件；卸荷装置Abstract本科生毕业论文The eng

3、ineering level of equipment industry and modernized intensity are determining the level of the whole national economy and modernized intensity , numerical control technology and equip , developing new high-tech industry and most advanced industry to can make technology and basic equipment most (nati

4、onal defense industry industries , such as information technology and their industry , biotechnology , industry , aviation , spaceflight ,etc. ). The application of the technology of numerical control has not only brought the revolutionary change to traditional manufacturing industry, make the manuf

5、acturing industry become the industrialized symbol , and with the constant development of the technology of numerical control and enlargement of application, the development of he some important trades (IT , car , light industry , medical treatment ,etc. ) to the national economy and the peoples liv

6、elihood plays a more and more important role. Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system o

7、f vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission featur

8、es is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spi

9、ndle is subassembly designed in this paper.Key Words： CNC；Vertical machining center；Main drive system；Spindle subassembly； Unloading device目 录本科生毕业论文前言1第一章 绪论 11.1 数控机床的基本概况 11.2 加工中心的基本概念和分类 21.3 加工中心的结构组成 31.4 加工中心的发展趋势 3第二章 加工中心主传动系统方案的确定 52.1 加工中心主传动系统简介 52.2 对加工中心主传动系统的要求 52.3 主传动的类型及方案选择 62.4

10、主传动系统设计条件 7第三章 主传动变速系统主要参数计算 83.1 计算切削功率 83.2 计算主传动功率 83.3 确定电动机型号 93.4 多楔带传动的计算 93.5 主轴的卸荷装置113.5.1 径向力的卸荷123.5.2 轴向力的卸荷13第四章 主轴组件设计 144.1 主轴组件的设计要求和步骤 144.1.1 主轴组件的设计要求 144.1.2 主轴组件的设计步骤 154.2 主轴的设计要求 154.2.1 主轴的主要尺寸参数 164.2.2 主轴轴端结构 164.2.3 主轴的材料和热处理 164.2.4 主轴主要精度指标 174.3 主轴滚动轴承 17本科生毕业论文4.3.1 滚

11、动轴承类型 174.3.2 主轴轴承配置与调整 174.4 主轴组件的设计计算 194.4.1 初选主轴直径 194.4.2 主轴悬伸量的确定 194.4.3 主轴最佳跨距的选择 194.5 主轴组件的校核计算 204.5.1 主轴组件的刚度计算 204.5.2 主轴组件的强度计算 214.5.3 轴承的校核计算 234.5.4 键的校核计算 254.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 264.7 主轴组件的润滑与密封 264.8 提高主轴组件性能的措施 27结论 29致谢30 参考文献31前 言本科生毕业论文2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

12、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

13、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立式加工中心的主传动系统机械结构的设计。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。本科生毕业论文3第一章 绪 论1.1 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、

14、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 1。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 2。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

15、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

16、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 1。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

17、，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 1。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。1.2 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 1。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。本科生毕业论文4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

18、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

19、的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心 4。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

20、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。1.3 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

21、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

22、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。本科生毕业论文5（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。 1.4 加工中心的发展趋势

23、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 20。（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、提高进给速度和缩短辅助时间等。1）提高主轴转速 近些年来，加工中心的主轴转速普遍提高。中、小型加工中心的主轴最

24、高转速大部分提高到 5000-6000r/min,有的加工中心已达到 40000r/min。为此，在主轴轴承的材料、结构、润滑方式，主轴组件的结构，电机的冷却防振措施等方面都进行了大量工作。例如某些高速加工中心主轴采用了陶瓷流动体轴承，润滑方式采用了油气润滑以及主轴系统进行严格的动平衡等。2）提高进给速度 一般的加工中心，进给速度可达 1-2m/min,快速移动速度已达33m/min，逐步靠近 50m/min。为了实现高速，数控装置可进行快速处理。例如采用数控高速转换器，将数据快速传递；采用 32 位的计算机数控装置等。在机械结构方面也相应地采取了措施，例如采用大导程滚珠丝杠和滚动导轨等。驱动

25、元件采用交流伺服电机也有利于提高伺服进给的速度。3）缩短辅助时间 缩短辅助时间包括缩短换刀时间、刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等。现在许多小型加工中心的换刀时间达到 1-2s,有的已缩短到 0.5s。快移速度又有所提高，以缩短刀具移近或离开工件的时间。（2）高精度 在工厂的一般情况下，加工中心的加工精度可达 IT7 级，经过努力可以达到 IT6 级。镗孔加工时，如提高主轴主件的刚度和精度，其加工孔径公差可达 IT4 级。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。世界许多国家都在进行机床运动和负载变形误差以及机床热误差的软件补偿技术的研究，有的

26、可消除此类误差的 60%。高精度加工中心，目前已达到坐标镗床的精度水平。所采用的数控系统，其最小设定单位（分辨率）可达 0.1m。这类高精度加工中心，必须在恒温、恒湿的环境中工作。（3）高度自动化 为了进一步提高自动化程度，加工中心的硬件和软件采取了许多改进本科生毕业论文6措施。例如采用对话系统，可使操作方便、操作时间短、检验及时以及差错率低。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 由于现代机床、加工中心 CNC 系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。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。