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青島濱海學院機械專業(yè)畢業(yè)設計（論文）
本科畢業(yè)設計（論文）
題 目：立式加工中心主軸系統(tǒng)的機械結構設計
英文題目：________________________
學 院：________________________
專 業(yè)：________________________
姓 名：________________________
學 號：________________________
指導教師：________________________
2016年 月 日
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明
該畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或其他機構已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。
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日期： 年 月 日
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作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日
摘 要
數(shù)控機床結構設計是高端裝備制造業(yè)的重要組成部分。隨著我國制造業(yè)轉型升級面臨重要戰(zhàn)略機遇,亟需加快數(shù)字化結構設計進程,快速掌握機床結構薄弱環(huán)節(jié),研究數(shù)控機床設計開發(fā)、分析評估、改進優(yōu)化成為亟待解決的主要問題。加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能數(shù)控機床，依次完成工件幾個面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。
加工中心與普通的機床不同，他主要有如下配置：主軸、主軸馬達、四瓣爪、三軸馬達、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸冷卻系統(tǒng)、連軸器、風路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、打刀系統(tǒng)、軸承等等。一般情況下，主軸部件是各類機床的主要結構組成，它工作性能的好壞很大程度上決定了機床的加工精度和加工能力。此次設計通過查閱大量的文獻以及工廠的實際考察，分析了各類機床的主軸部件后，制訂了一套比較合理和優(yōu)越的設計方案。對主軸的各個組件以及其中的具體零件進行了系統(tǒng)的設計、求解以及分析。
關鍵詞：主軸組件；加工中心；數(shù)控機床
Abstract
The structure-design of NC machine tool is an important part of thehigh-end equipment manufacturing industry. With the development of Chinesemanufacturing industry facing the important strategic opportunities of thetransformation and upgrading, we need to speed up the digital structure designprocess, to grasp the weak links of the machine tool structure, researchingdesign and development, analysis and evaluation, improvement and optimization of CNC machine tool has become the main problems to be solved. Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency.Machining center is a knife library and automatic tool change device of a kind of highly automated multi-function nc machine tool, in order to complete a few more process on the surface of workpiece processing.And there are many in dao or choose function, which greatly improve the production efficiency.
Machining center is different from ordinary machine tool, he basically has the following configuration: spindle, spindle motor, four claws, three axis motor, CNC system, servo system, spindle cooling system, even the axis, the wind road system, oil system, play knife system, bearings and so on.In general, is the primary structure of machine tool spindle components, its performance depends to a large extent determines the machining accuracy of machine tools and machining capacity.This design through consulting a large number of literature as well as the factory's actual investigation, analyzed all kinds of machine tool spindle parts, formulate a set of reasonable and superior design.The various components of the spindle and the specific parts of the analysis and design, the solution of the system.
Key words：spindle unit;machining center; NC machine tool
目 錄
摘 要 3
Abstract 4
第1章 緒 論 7
1.1 加工中心以及立式加工中心簡介 7
1.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀 8
1.3 加工中心的分類及其結構特點 9
1.3.1 加工中心的分類 9
1.3.2 加工中心的結構特點 9
1.4 立式加工中心的發(fā)展趨勢 11
1.5 本設計的基本參數(shù) 12
第2章 主軸結構的組成及方案選定 13
2.1 主軸結構的基本構成 13
2.2 主軸運行方案的設計 13
2.2.1 主軸傳動系統(tǒng)分析 13
2.2.2 主軸進給系統(tǒng)分析 14
2.2.3 主軸準停系統(tǒng)分析 15
第3章 主軸系統(tǒng)的主運動機構 16
3.1 主軸系統(tǒng)電機的確定 16
3.1.1 主電機工作功率求解 16
3.1.2 主軸電機的型號選擇 17
3.2 主軸構件 18
3.2.1 主軸零件的設計 18
3.2.2 主軸零件的力學分析 19
3.2.3 主軸零件的強度校核 21
3.2.4 主軸零件的剛度校核 22
3.2.5支承方式的選擇 23
3.2.6軸承的求解分析 24
3.3同步帶的分析求解 26
第4章 主軸結構的進給運動機構 31
4.1 進給電機的型號選擇 31
4.1.1 進給電機功率求解 31
4.1.2 進給電機的選型 31
4.2 聯(lián)軸器裝置的計算選擇 32
4.3 垂直方向伺服進給系統(tǒng)的設計計算 32
4.3.1 切削力大小的估算 32
4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算 33
第5章 主軸結構的準停機構 35
總 結 37
致 謝 38
參考文獻 39
第1章 緒 論
1.1 加工中心以及立式加工中心簡介
機床是加工制造一切機器零部件的機器,也稱為工作母機。隨著工業(yè)“四高”和“四化”的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)控機床已然成為影響國民實體經(jīng)濟以及加快推進工業(yè)化進程的核心和基礎。尤其是工業(yè)發(fā)達國家德國倡導的工業(yè)4.0時代,現(xiàn)代智能制造工廠中,3D打印、機器人等高科技產(chǎn)品所蘊含高附加值零部件的需求日益旺盛,致使超精密數(shù)控機床的設計與制造成為滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢的關鍵。同時,涉及精密、智能化的數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件長期依賴美、日、德等工業(yè)發(fā)達國家,機床相關核心技術受歐盟美國、日本等國家嚴格封鎖。因此,亟需打破這種格局,由國家組織和牽頭,大力追趕工業(yè)發(fā)達國家腳步,充分集中科技力量攻關重大關鍵技術,推動裝備制造業(yè)的發(fā)展,滿足航空航天、軍工、汽車制造業(yè)、以及能源冶金等工業(yè)建設。
加工中心（英文縮寫為CNC 全稱為Computerized Numerical Control）：是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能數(shù)控機床。工件在加工中心上經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能，依次完成工件幾個面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。
立式加工中心是指主軸軸線與工作臺垂直設置的加工中心，如下圖1-1所示,主要適用于加工板類、盤類、模具及小型殼體類復雜零件。立式加工中心能完成銑、鏜削、鉆削、攻螺紋和用切削螺紋等工序。立式加工中心最少是三軸二聯(lián)動，一般可實現(xiàn)三軸三聯(lián)動。有的可進行五軸、六軸控制。立式加工中心立柱高度是有限的，對箱體類工件加工范圍要減少，這是立式加工中心的缺點。但立式加工中心工件裝夾、定位方便;刃具運動軌跡易觀察，調試程序檢查測量方便，可及時發(fā)現(xiàn)問題，進行停機處理或修改;冷卻條件易建立，切削液能直接到達刀具和加工表面;三個坐標軸與笛卡兒坐標系吻合，感覺直觀與圖樣視角一致，切屑易排除和掉落，避免劃傷加工過的表面。與相應的臥式加工中心相比，結構簡單，占地面積較小，價格較低。
圖1-1 立式加工中心實物圖
1.2加工中心發(fā)展現(xiàn)狀
1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因為有更高的自動化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機床占整個機械加工的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復雜零件要高得多。
1958年第一臺加工中心在美國卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問世。現(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機床。第二，加工中心上如果帶有自動分度回轉工作臺或自動轉角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。
由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機床的基礎上又上了一個新的臺階，又是一次新的變革。
加工中心的定義是什么？目前世界上并無標準定義，但目前普遍認為是指：在工件一次裝卡中，能夠實現(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來
1.3 加工中心的分類及其結構特點
1.3.1 加工中心的分類
加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（龍門式）。
按加工中心運動坐標數(shù)和同時控制的坐標數(shù)分：有三軸二聯(lián)動、三軸三聯(lián)動、四軸三聯(lián)動、五軸四聯(lián)動、六軸五聯(lián)動等。三軸、四軸是指加工中心具有的運動坐標數(shù)，聯(lián)動是指控制系統(tǒng)可以同時控制運動的坐標數(shù)，從而實現(xiàn)刀具相對工件的位置和速度控制。
按工作臺的數(shù)量和功能分：有單工作臺加工中心、雙工作臺加工中心，和多工作臺加工中心。
按加工精度分：有普通加工中心和高精度加工中心。普通加工中心，分辨率為1μm，最大進給速度15～25m／min，定位精度lOμm左右。高精度加工中心、分辨率為0.1μm，最大進給速度為15～100m／min，定位精度為2μm左右。介于2～lOμm之間的，以±5μm較多，可稱精密級。
1.3.2 加工中心的結構特點
1機床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動剛度和機械結構系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機床（機床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的靜剛度；機床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的動剛度）。
2機床的傳動系統(tǒng)結構簡單，傳遞精度高，速度快。加工中心傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿-蝸母條；預加載荷雙齒輪-齒條。它們由伺服電機直接驅動，省去齒輪傳動機構，傳遞精度高，速度快。一般速度可達15m/min，最高可達100m/min；
3主軸系統(tǒng)結構簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)（特殊的也只保留1～2級齒輪傳動）。主軸功率大，調速范圍寬，并可無級調速。目前加工中心95％以上的主軸傳動都采用交流主軸伺服系統(tǒng)，速度可從10～20000r/min無級變速。驅動主軸的伺服電機功率一般都很大，是普通機床的1～2倍，由于采用交流伺服主軸系統(tǒng)，主軸電動機功率雖大，但輸出功率與實際消耗的功率保持同步，不存在大馬拉小車那種浪費電力的情況，因此其工作效率最高，從節(jié)能角度看，加工中心又是節(jié)能型的設備；
4加工中心的導軌都采用了耐磨損材料和新結構，能長期的保持導軌的精度，在高速重切削下，保證運動部件不振動，低速進給時不爬行及運動中的高靈敏度。導軌采用鋼導軌、淬火硬度≥HRC，與導軌配合面用聚四氟乙烯貼層。這樣處理的優(yōu)點：a．摩擦系數(shù)?。籦．耐磨性好；c.減振消聲；d．工藝性好。所以加工中心的精度壽命比一般的機床高；
5設置有刀庫和換刀機構。這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動化加工的能力更強了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達幾百把。這些刀具通過換刀機構自動調用和更換，也可通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進行管理；
6控制系統(tǒng)功能較全。它不但可對刀具的自動加工進行控制，還可對刀庫進行控制和管理，實現(xiàn)刀具自動交換。有的加工中心具有多個工作臺，工作臺可自動交換，不但能對一個工件進行自動加工，而且可對一批工件進行自動加工。這種多工作臺加工中心有的稱為柔性加工單元。隨著加工中心控制系統(tǒng)的發(fā)展，其智能化的程度越來越高，如FANUCl6系統(tǒng)可實現(xiàn)人機對話、在線自動編程，通過彩色顯示器與手動操作鍵盤的配合，還可實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除，具有前臺操作、后臺編輯的前后臺功能。加工過程中可實現(xiàn)在線檢測，檢測出的偏差可自動修正，保證首件加工一次成功，從而可以防止廢品的產(chǎn)生。
1.4 立式加工中心的發(fā)展趨勢
1向高精度、高效率方向發(fā)展
隨著科學技術的不斷進步，對精度、效率、質量的要求愈來愈高，超精密加工技術就是要向加工精度的極限沖刺，應該說，這種極限是無限的，當前的目標是向納米級進軍，而現(xiàn)狀是處于亞微米級水平。
2向大型化、微型化方向發(fā)展
由于航天航空等技術的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加工設備，如美國研制的加工直徑為2.4～4m的大型光學器件超精密加工機床。由于微型機械、集成電路的發(fā)展，超精密加工技術向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅動元件和動力裝置、微型航空航天器件等。
3向加工檢測一體化發(fā)展
由于超精密加工的精度很高，必須發(fā)展相應的檢測技術才能適應其要求；同時，采用加工和檢測獨立進行的方法可能由于安裝等誤差而不能實現(xiàn)，因此，要采用在位檢測方法，使加工檢測一體化。
4在線檢測與誤差補償
超精密加工的精度很高，影響因素多且復雜，進行在線檢測、工況監(jiān)控以確保加工質量及其穩(wěn)定性是十分必要的。由于超精密加工的精度很高，加工設備本身的精度有時很難滿足要求，就要采用在線檢測和誤差補償?shù)姆椒▉硖岣呔龋ＷC加工質量的要求。
5新型超精密加工方法的機理
加工機理的研究是新技術的生長點，超精密加工機理涉及微觀世界和物質內(nèi)部結構，所利用的能源包括機、光、電、聲、熱、化、磁、原子等，十分廣泛。不僅可以采用分離去除加工，而且可以采用分層堆積加工方法；既可采取單獨加工方法，更可采用復合加工方法。加工機理的研究往往具有突破性。
6新材料的研究
新材料包括新的工具材料(切削、磨削)和被加工材料。精密加工和超精密加工的被加工材料對其加工質量的影響極大，其化學成分、力學機械性能均有嚴格要求，亟待研究。
當前，精密加工和超精密加工在我國急需要研究的是實用化，將一些成熟或比較成熟的精密加工和超精密加工技術推廣到實際中去，以提高加工技術的水平，使生產(chǎn)的機械產(chǎn)品質量更好、生產(chǎn)率更高。
1.5 本設計的基本參數(shù)
本課題涉及的主要技術指標有：
1．主軸構件孔錐度：；
2．主軸構件孔直徑：；
3．主軸箱基本工作行程（Z軸）：；
4．主軸轉動速度大小范圍：；
5．在Z軸方向快速移動速度：；
6．在Z軸方向進給速度大小：。
第2章 主軸結構的組成及方案選定
2.1 主軸結構的基本構成
加工中心主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)以及主軸組件組成，而主軸組件是加工中心的主傳動部分的主要組成部分，在機床上，主軸主要作用是夾持工件或刀具旋轉，提供足夠的驅動功率或輸出轉矩，能在整個速度范圍內(nèi)提供切削所需功率和轉矩，以滿足機床強力切削時的要求，直接參加表面成形運動。主軸組件的基本組成可以用下圖予以清晰表示：
圖2-1 主軸組件的基本組成
2.2 主軸運行方案的設計
2.2.1 主軸傳動系統(tǒng)分析
通常情況下主軸的傳動機構大致有齒輪傳動和同步帶傳動兩種形式。
1.齒輪傳動。屬于機械傳動中應用最廣的一種傳動形式。齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設備，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。
2.同步帶傳動。嚙合型帶傳動一般也稱為同步帶傳動。它通過傳動帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應齒槽的嚙合來傳遞運動。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪之間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98%。傳動噪聲比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴格。所以同步帶廣泛應用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中。
結合上述分析，齒輪傳動需要考慮潤滑情況，而帶傳動基本能滿足主傳動的需求，所以主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。
2.2.2 主軸進給系統(tǒng)分析
通常情況在主軸進給的形式大致分為滑動螺旋和滾動螺旋，具體分析如下：
1.滑動螺旋。它具有摩擦系數(shù)大，傳動效率低，約；低速運行時有爬行或振動；磨損大，使用壽命較短；運轉時無噪聲等性能特點。在結構工藝上其結構簡單，加工及安裝精度要求較低，而且其成本較低，適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機床的進給機構。
2.滾動螺旋。它具有摩擦系數(shù)很低，傳動效率高達；低速運行時無爬行、振動；耐磨性好，磨損極??；高速運行有噪聲等性能特點，其結構復雜，加工及安裝精度要求較高，而且成本較高，適用于高、中、低速的輕、中、重載荷，如數(shù)控、精密機床的進給機構。
綜合分析上述兩種進給方式，考慮本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進給，所以對于高低速時運行的穩(wěn)定性要求較高。故采用傳動效率高、磨損小、傳動平穩(wěn)的滾動螺旋傳動方式。
2.2.3 主軸準停系統(tǒng)分析
數(shù)控機床為了完成ATC(刀具自動交換)的動作過程，必須設置主軸準停機構。 由于刀具裝在主軸上，切削時切削轉矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端設置一個突鍵，當?shù)毒哐b入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順利換刀; 為此，主軸必須準確停在某固定的角度上。由此可知主軸準停是實現(xiàn)ATC過程的重要環(huán)節(jié)。
加工中心的主軸定向裝置有機械方式和電氣方式兩種。
1. 機械方式：(1)機械凸輪機構；(2)光電盤方式?進行粗定位，然后有一個液動或氣動的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉。 采用這種傳統(tǒng)方法定位，結構復雜，在早期數(shù)控機床上使用較多。
2. 電氣方式：現(xiàn)代數(shù)控機床采用電氣方式定位較多。(1)用磁性傳感器檢測定位，在主軸上安裝一個發(fā)磁體與主軸一起旋轉，在距離發(fā)磁體旋轉外軌跡1~2mm處固定一個磁傳感器，它經(jīng)過放大器并與主軸控制單元相連接，當主軸需要定向時，便可停止在調整好的位置上。(2)主軸編碼器檢測定位，這種方法是通過主軸電動機內(nèi)置安裝的位置編碼器或在機床主軸箱上安裝一個與主軸1∶1同步旋轉的位置編碼器來實現(xiàn)準?？刂疲瑴释＝墙嵌瓤扇我庠O定。
本課題采用電氣式主軸準停裝置，此方式避免了機械裝置的復雜結構，只需要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確地定向。
第3章 主軸系統(tǒng)的主運動機構
主軸是主軸箱的重要組成部分。它的結構尺寸和形狀、制造精度、材料及其熱處理，對主軸箱的工作性能有很大的影響。
3.1 主軸系統(tǒng)電機的確定
3.1.1 主電機工作功率求解
(1) 求解主銑削力的大小
經(jīng)驗公式[6]：
（3.1）
式中： — 銑削力，即主切削力（切向圓周分力），； — 銑削深度， — 每齒進給量，； — 銑削寬度，； — 銑刀直徑，；Z — 銑刀齒數(shù)；— 銑削力修正系數(shù)，； — 工件材料抗拉強度，
已知：高速鋼刀具；刀具前角；主偏角；工件材料為碳鋼；每齒進給量；刀具直徑為，齒數(shù)；工件寬度，切削深度
將上述各條件代入公式（3.1），則主切削力為
切削速度[6]
(2) 主電機功率估算[6]
銑削功率
主電機功率
式中：——機床主傳動系統(tǒng)傳動效率。滾珠軸承傳動效率0.99[6]，同步帶傳動效率0.98[6]
3.1.2 主軸電機的型號選擇
利用交流伺服系統(tǒng)可進行精密定位控制，可作為CNC機床、工業(yè)機器人等的執(zhí)行元件。
FANUC交流主軸電機S系列從0.65kW～37kW共分13種。它的特點是轉速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應用在各種類型的數(shù)控機床上。根據(jù)主電機功率PE=5.48kW[6]，故本課題選用FANUC交流主軸電機6S型號[6]。其主要技術參數(shù)如下：
1.額定輸出功率：；
2.最高速度：；
3.額定輸出轉矩：；
4.轉子慣量：。
3.2 主軸構件
3.2.1 主軸零件的設計
主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3-1。
圖3-1 主軸主要參數(shù)示意圖
1.主軸軸徑的確定
主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。
設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定，由表3.11-6[2]查得。
由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，由式3.11-1[2]可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系：
3.2.2 主軸零件的力學分析
軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。
(a)
(b)
(c)
圖3-3 軸承受力圖
主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3-3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3-3b）和水平面（圖3-3c）兩個平面力系。
由公式（3.1）得出切向銑削力
徑向負荷[22]
切向負荷[22]
軸向負荷[22]
圖3-4 靜不定梁鉛垂面分解圖
由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3-4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調條件，即要求。
利用疊加法，得撓度為：
（3.6）
式中： — 徑向（切向）負荷分力，單位為； — 徑向（切向）負荷，單位為； — 材料的彈性模量，； — 軸慣性矩，。
由公式（3.5）得。將，代入公式（3.6），則鉛垂面的撓度為：
得
得
得
將，代入公式（3.6），則水平面的撓度為：
得
得
得
3.2.3 主軸零件的強度校核
從合成彎矩圖和轉矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個截面是危險截面。在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算。
軸的彎扭合成強度條件為[23]
（3.7）
式中： —軸的計算應力，； —軸的抗彎截面系數(shù)，； —折合系數(shù)； —軸的許用彎曲應力，； —軸所受的扭矩，單位為；
—軸所受的彎矩，單位為。
軸的抗彎截面系數(shù)為[23]
式中： —— 軸頸處直徑，單位為； —— ，此處，為軸孔直徑。
得
根據(jù)主軸材料為，由表15-1[23]查得許用彎曲應力。按扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù)。
將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計算應力為
因為，所以主軸的強度符合要求。
3.2.4 主軸零件的剛度校核
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。對于本課題的主軸，應該按軸的彎曲剛度校核。軸計算剛度經(jīng)驗公式為
（3.8）
式中： —軸的計算撓度，單位為； — 軸慣性量，單位為； — 軸所用材料的彈性模量，單位為； — 支承跨度，單位為； — 軸所受圓周力，單位為； — 軸所受徑向力，單位為。 — 軸的允許撓度，單位為
已知：，，，，。由表15-1-42[24]查得軸的允許撓度為
將上述參數(shù)代入公式（3.8），則軸的計算剛度為
由于，所以軸能夠滿足剛度要求。
綜上所述，軸的強度，剛度均符合校核要求。
3.2.5支承方式的選擇
由于絲杠工作時，既承受軸向載荷又承受徑向載荷,故支承絲杠的軸承選用能同時承受徑向載荷與單向軸向載荷的角接觸球軸承.絲杠在傳動是要正反轉,則軸承承受的軸向力的方向可能反復變化,故采用兩個軸成面對面安裝.如圖所示：
圖3-5 角接觸球軸承面對面安裝
在本課題中，固定端前支承的7017C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標間隙值取3～8μm。為了提高機床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合, 配合目標過盈量取0～4μm。而后支承的7015C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合, 配合目標過盈量取0～3μm。與軸承座之間為間隙配合,配合目標間隙值取9～15μm[21]。
3.2.6軸承的求解分析
所謂軸承的壽命,是指軸承中任一滾動體或內(nèi),外圈輥道上出現(xiàn)疲勞點蝕前所經(jīng)歷的總轉數(shù)或一定轉速下工作的小時數(shù).滾動軸承壽命計算的目的是防止軸承在預期工作時間內(nèi)產(chǎn)生點蝕破壞,其壽命與所受載荷的大小有關,作用載荷越大,引起的接觸應力也就越大,因而在發(fā)生點蝕破壞前所經(jīng)歷的總轉數(shù)也就越少,即軸承的壽命越短。
圖3-6 滾動軸承的疲勞曲線
1.軸承受力分析
軸承的受力簡圖參見圖3-3。從圖上可知，在A、B兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承，且D處的軸承是成對使用，共同承擔支承作用。所以，校驗C、D處7017AC軸承只需取受力最大處即可。
已知： ，， ，
則軸承7017AC所受徑向合力為
軸承7015AC所受徑向合力為
2.軸承7017AC壽命計算
軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期計算壽命為
已知軸承7017AC所受的軸向負荷，徑向負荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。
由表13-5[23]查得徑向動載荷系數(shù)X=1，軸向動載荷系數(shù)Y=0。根據(jù)載荷性質為中等沖擊，由表13-6[23]查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當量動載荷為[23]
以小時數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為
（3.9）
式中： — 失效率（可靠度）的基本額定壽命（）； — 軸承的轉速，單位為； — 基本額定動載荷，單位為； — 當量動載荷，單位為； — 壽命指數(shù)，對球軸承，滾子軸承。
查表22-42[5]得基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時數(shù)表示的軸承壽命為
由于，所以能夠滿足要求。
3.軸承7015AC壽命計算
軸承的工作年限為7年（一年按300天計算），每天兩班工作制（按16h計算），則軸承預期計算壽命為
已知軸承7015AC所受的軸向負荷，徑向負荷。由表13-5[23]查得分界判斷系數(shù)。
由表13-5[23]查得徑向動載荷系數(shù)X=0.41，軸向動載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質為中等沖擊，由表13-6[23]查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當量動載荷為[23]
查表22-42[5]得基本額定動載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時數(shù)表示的軸承壽命為
由于，所以能夠滿足要求。
3.3同步帶的分析求解
(1) 設計功率
根據(jù)工作機為加工中心，原動機為交流電動機，每天兩班制工作（按計），由表[5]查得。故設計功率為[5]：
式中： — 傳遞的功率，— 載荷修正系數(shù)
(2) 選定帶型和節(jié)距
根據(jù)設計功率，小帶輪轉速，由圖[5]確定帶輪的帶型為H型。
按照同步帶的帶型為H型，由表[5]查得節(jié)距
(3) 小帶輪齒數(shù)
根據(jù)小帶輪轉速，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得小帶輪的最小齒數(shù)，故取
(4) 小帶輪節(jié)圓直徑
式中： — 小帶輪齒數(shù)； — 節(jié)距。
按照小帶輪齒數(shù)，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得其外徑
(5) 大帶輪齒數(shù)
式中： — 小帶輪轉速； — 大帶輪轉速。
大帶輪齒數(shù)
(6) 大帶輪節(jié)圓直徑
式中： — 節(jié)距。
按大帶輪齒數(shù)，同步帶帶型為H型，由表[5]查得其外徑
(7) 帶速
式中： — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 小帶輪轉速。
(8) 初定軸間距
經(jīng)驗公式[5]：
（3.10）
式中： — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 大帶輪節(jié)圓直徑。
將，值代入公式（3.10），得。
故取。
(9) 帶長及其齒數(shù)
式中： — 帶長； — 初定軸間距； — 小帶輪節(jié)圓直徑； — 大帶輪節(jié)圓直徑。
按帶長，同步帶的帶型為H型，由表[5]查得應選用帶長代號為的H型同步帶，節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。
(10) 實際軸間距
實際軸間距
式中： — 初定軸間距； — 節(jié)線長； — 帶長。
(11) 小帶輪嚙合齒數(shù)
式中： — 小帶輪嚙合齒數(shù)； — 節(jié)距。
(12) 基本額定功率
按照同步帶的帶型為H型，由表[5]查得帶的許用工作拉力，帶的單位長度的質量?；绢~定功率為：
式中： — 寬度為的帶的許用工作拉力； — 寬度為的帶單位長度的質量
(13) 帶寬
按同步帶的帶型為H型，由表[5]查得；按小帶輪嚙合齒數(shù)，由表[5]查得嚙合齒數(shù)系數(shù)。帶寬為：
式中： — 嚙合齒數(shù)系數(shù)； — 同步帶的基準寬度，
按照帶寬，同步帶帶型為H型，由表[5]確定選帶寬代號為的H型帶，其帶寬
第4章 主軸結構的進給運動機構
4.1 進給電機的型號選擇
4.1.1 進給電機功率求解
1.傳動效率η
根據(jù)本課題的結構設計，在進給部分中主要的機械傳動效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動絲杠傳動組成。其中，聯(lián)軸器效率為0.99[6]，滾珠軸承效率為0.99[6]，滾動絲杠傳動效率為0.95[6]。
總傳動效率：
2.電動機功率[6]
式中： — 進給傳動電動機功率，； — 進給牽引力，； — 進給速度，； — 進給傳動鏈的總機械效率。
4.1.2 進給電機的選型
寬調速直流伺服電動機的結構特點是勵磁便于調整，易于安排補償繞組和換向極，電動機的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉速特性。當然，寬調速直流伺服電動機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。
日本法納克（FANUC）公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機器人、CNC機床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動、制動場合應用。根據(jù)估算得出的電動機功率，選用FANUC的6L型電動機，其主要性能指標如下：
輸出功率：；
1、額定轉矩：；2、最大轉矩：；3、最高轉速：；4、轉子慣量：。
4.2 聯(lián)軸器裝置的計算選擇
(1) 類型選擇
為了隔離振動與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。
(2) 載荷計算
已知進給電動機的額定轉矩為。根據(jù)工作機的轉矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動機類型為電動機，由表14-1[23]查得工作情況系數(shù)。則計算轉矩為：
(3) 型號選擇
選擇聯(lián)軸器時，聯(lián)軸器的許用轉矩要大于計算轉矩，許用最大轉速要大于電動機轉速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉矩為，許用最大轉速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。
4.3 垂直方向伺服進給系統(tǒng)的設計計算
4.3.1 切削力大小的估算
由公式（3.1）得出切向銑削力
縱向切削力[12]
橫向切削力[12]
垂直切削力[12]
絲杠承重初估
4.3.2 滾珠絲杠副的設計計算
1.滾珠絲杠的導程的確定
在本課題中，電機和絲杠直接相連，所以傳動比，選擇電機6L型的最高工作轉速，最大轉矩，則絲杠的導程為：
確定絲杠的等效轉速
最大進給時，絲杠的轉速為
最慢進給時，絲杠的轉速為
則得到絲杠的等效轉速（估算）為
式中： —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉速，單位為； —— 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的時間，單位為s。
2.確定絲杠的等效負載
工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數(shù)為，取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大工作負載為
式中： —— 顛覆力矩影響系數(shù)，一般取為。
而絲杠的最小工作負載為
故其等效負載可按下式計算（估算；）：
3.確定絲杠所受的最大動載荷
取絲杠的工作壽命為，同時取精度系數(shù)，負荷性質系數(shù)，溫度系數(shù)，硬度系數(shù)，可靠性系數(shù)[7]；平均轉速為。
則最大動載荷為
根據(jù)動載荷要求，選用插管埋入式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號為[5]。絲杠公稱直徑為，基本導程，其額定動載荷（），額定靜載荷，圈數(shù)×列數(shù)=×，絲杠螺母副的接觸剛度為，螺母長度為，取絲杠的精度為級。在本課題中采用雙螺母墊片式預緊。
第5章 主軸結構的準停機構
在數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，由于特殊加工或自動換刀，要求主軸每次停在一個固定的準確的位置上。所以在主軸上必須沒有準停裝置。準停裝置分機械式和電氣式兩種，本文的設計采用電氣式。
圖5-1所示機械準停裝置的工作原理如下：準停前主軸必須是處于停止狀態(tài)，當接收到主軸準停指令后．主軸電動機以低速轉動，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉，時間繼電器開始動作，并延時4--6s，保證主軸轉穩(wěn)后接通無觸點開關1的電源，當主軸轉到圖示位置即凸輪定位盤3上的感應塊2與無觸點開關1相接觸后發(fā)出信號，使主軸電動機停轉。另一延時繼電器延時0.2--0.4s后，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當定向活塞上的定向滾輪5頂入凸輪定位盤的凹槽內(nèi)時，行程開關LS2發(fā)出信號，主軸準停完成。若延時繼電器延時1S后行程開關IS2仍不發(fā)信號，說明準停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準停。當活塞桿向右移到位時，行程開關lSl發(fā)出滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。
圖5-1機械式主軸準停裝置
1-無觸點開關 2-感應塊 3-凸輪定位盤 4-定位液壓缸 5-定向滾輪 6-定位活塞
現(xiàn)代的數(shù)控銑床一般都采用電氣式主軸準停裝置，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號主軸就可以準確地定向。本文設計的常用磁力傳感器檢測定向的工作原理如圖5-2所示是在主軸上安裝有一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉，在距離永久磁鐵4旋轉軌跡外1—2mm處固定有一個磁傳感器5，當銑床主軸需要停車換刀時，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉的指令，主軸電動機3立即降速，使主軸以很低的轉速回轉，當永久磁鐵4對準磁傳感器5時，磁傳感器發(fā)出準停信號，此信號經(jīng)放大后，由定向電路使電動機準確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準停裝置機械結構簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1。,能滿足一般換刀要求。而且定向時間短，可靠性較高。
圖5-2電器式主軸準停裝置
1-主軸 2-同步感應器 3-主軸電動機 4-永久磁鐵 5-磁傳感器
總 結
加工中心是指備有刀庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具，自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。因而大大減少了工件裝夾時間，測量和機床調整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果。
主軸是立式中心的核心部件，其性能直接影響到機床的整體性能。為了提高立式加工中心的整體性能，發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢，對主軸的深入研究才顯得如此地重要。本文針對主軸組件的各個部分進行了分析設計，主軸組件的結構主要分為兩個部分，即主運動機構和進給運動機構。而在主運動機構中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動機構、主軸準停機構、刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構。分別對上述三種機構進行了方案的設計、具體結構的設計優(yōu)化以及參數(shù)的選取與計算。
本次畢業(yè)設計是一次綜合性很強的設計，設計所涉及的內(nèi)容很廣，如機械設計，車床，滾珠絲杠，導軌，伺服電機，數(shù)控技術，AutoCAD等，這使我對這些知識在實踐中的應用有了更深切的體會，同時本次設計使我的實際分析能力、計算能力和運用能力也得到了很大的提高。對以后的學習和工作有了一定的經(jīng)驗和基礎。
致 謝
大學四年的學習生活讓我學到了許許多多終身對我有益東西，我的專業(yè)理論知識以及學習能力思考能力分析解決問題的能力都得到了質的提高，這對將來我走向工作崗位有很大的幫助，同時在大學里讓我學會了為人處世，學會了人際交往，學會了思考，懂得了許多的人生哲學。
在這里我要十分感謝我的畢業(yè)設計指導老師對我的悉心指導，老師是一個治學嚴謹，學術能力很強的人，是我學習的榜樣，同時我要感謝我所有的大學老師，是你們的無私奉獻把最可貴的知識教給了我，你們的嚴謹教學，讓我打下了扎實的專業(yè)知識基礎，除了在學習上，你們還耐心教導我如何學習如何培養(yǎng)思維如何做人，這些都對我以后的人生都具有重要的幫助，同時也感謝和我同窗的大學同學，我們互相幫助互相學習，不管在學習上生活上都互相關心毫無保留，這些幫助我都十分地感謝，同時我們一起度過了人生中最難忘的階段，這也將留給我最深刻的印象，在這次畢業(yè)設計過程中，我搜索了很多文獻和資料，這讓我接觸到了許多新的理論和知識，同時我也對文獻和資料作了很多學習思考，讓我從中領悟和懂得了很多科學知識，讓我受益匪淺，最后我也通過自己的努力終于順利完成了此次畢業(yè)設計。
最后，我要感謝養(yǎng)育我這么多年的父母以及對我關心幫助的親人，正是有你們的關心與支持，讓我能夠有克服一切困難的勇氣，順利完成自己的學業(yè)。未來我將更加努力，不辜負你們的期望！
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