摘 要
本设计完成了小型立式加工中心机械结构部分的设计并介绍了立式加工中
心的一些基本概况。该机床再配置一个CNC系统就构成了一台完整的立式加工中心。在设计中主要对基础结构部件、进给传动系统、主传动系统和一些辅助装置进行了选型及设计计算。
（1）基础结构部件包括床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型。其
中工作台随螺母旋转而移动，其螺母是磨损元件。
（2）进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠轴上轴承以及伺服
电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型。
（3）主传动系统中滑移齿轮、液压缸结构及主轴结构的设计计算，主轴箱
配重的设计及相关零件的强度校核。
（4）辅助装置中刀库结构选型设计及换刀机构选型。
关键词 滚珠丝杠；伺服电机；滑移齿轮；主轴箱配重
Abstract
This design has already finished vertical machining center the design of mechanical structure parts. Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this design. The machine in a CNC system can constitute a complete vertical machining center. In the design mainly design parts of basic structure, transmission system and the main transmission system.
(1) Infrastructure component comprises a bed, column, table, guide the design calculation and type selection. Working table with rotation of the nut and the nut is moved, the wear element.
(2) The feed drive system of ball screw, a servo motor, a ball screw shaft bearing and the servo motor and the feed screw connection design calculation and type selection.
(3) In the main transmission system of the driving gear, hydraulic oil cylinder structure and spindle structure design calculation, spindle box design and related parts of the strength check.
(4) Auxiliary device of knife library structure design, tool change mechanism selection.
Keywords ball screw; servo motor; sliding gears; spindle box counterweight
目 录
摘 要 .................................................................................................................................. I Abstract ................................................................................................................................................. II
第1章 绪论 ....................................................................................................................... 1
1.1 小型加工中心概述 .................................................................................................. 1
1.2 加工中心的主要优点 .............................................................................................. 2
1.3 加工中心的发展趋势 .............................................................................................. 3
第2章 小型加工中心的机械结构部分 ........................................................................... 4
2.1设计机械结构部分的主要参数 ............................................................................... 4
2.2 机械结构部分的组成 .............................................................................................. 4
2.3 机械结构部分的特点 ............................................................................................. 4
第3章 总体设计方案的拟定 ........................................................................................... 6
3.1设计题目 ................................................................................................................... 6
3.2 主要内容 .................................................................................................................. 6
3.3 拟定总体设计方案 .................................................................................................. 6
第4章 基础结构部件的设计 ........................................................................................... 8
4.1床身的设计 ............................................................................................................... 8
4.1.1 床身的作用 ........................................................................................................ 8
4.1.2 床身的基本要求 ................................................................................................ 8
4.1.3 床身结构设计及材料选择 ................................................................................ 9
4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状 ...................................................................... 10
4.2 立柱的设计 ............................................................................................................ 10
4.2.1 设计立柱的基本要求 ...................................................................................... 10
4.2.2 立柱的结构设计 .............................................................................................. 10
4.2.3 立柱导轨形式及精度 ....................................................................................... 11
4.2.4 立柱与床身的联结 ........................................................................................... 11
4.3 工作台的设计 ........................................................................................................ 12
4.3.1 工作台的设计尺寸图 ...................................................................................... 12
4.3.2 工作台的其他结构设计 .................................................................................. 13
4.3.3 工作台的材料 .................................................................................................. 13
4.4 导轨的设计 ............................................................................................................ 13
4.4.1 导轨的功用及要求 .......................................................................................... 13
4.4.2 导轨的结构类型 .............................................................................................. 14
4.4.3 滚动导轨的材料 .............................................................................................. 15
4.4.4 直线滚动导轨的技术要求 .............................................................................. 15
4.4.5 滚动导轨的设计计算 ...................................................................................... 16
第5章 进给传动系统的设计 ......................................................... 错误！未定义书签。
5.1设计概要 ................................................................................. 错误！未定义书签。
5.1.1 设计的主要内容 .............................................................. 错误！未定义书签。
5.1.2 设计的主要要求 .............................................................. 错误！未定义书签。
5.2 滚珠丝杠副的设计 ............................................................. 错误！未定义书签。
5.2.1 滚珠丝杠副的结构 .......................................................... 错误！未定义书签。
5.2.2 滚珠丝杠副的运动机理 .................................................. 错误！未定义书签。
5.2.3 滚珠丝杠副的优点 .......................................................................................... 18
5.3滚珠丝杠副的设计计算 ......................................................................................... 18
5.4 伺服电机的选择 .................................................................................................... 26
5.4.1 伺服电机的选型条件 ...................................................................................... 26
5.4.2 X向伺服电机的选择 .................................................................................... 28
5.4.3 Y向和Z向伺服电机的选择 ....................................................................... 29
5.5 丝杠上轴承的校核 ................................................................................................ 30
5.6 联轴器的选择 ........................................................................................................ 30
结 论 ............................................................................................................................... 32
参考文献 ........................................................................................................................... 33
第1章 绪论
1.1 小型加工中心概述
数控加工中心机床是指配有刀库和自动换刀装置，能自动换刀，工件在一次装卡后，可实现部分工序甚至全部工序的数控机床。目前主要有镗铣类加工中心（习惯上简称为加工中心）和车削加工中心（习惯上简称车削中心）两大类。
镗铣类加工中心是在数控镗床和数控铣床的基础上发展起来的。按主轴布置形式一般分为立式和卧式两种形式。立式加工中心主轴是垂直的，主要用于重切削和精密加工，适合复杂型腔的加工。卧式加工中心的主轴是水平的，一般具有回转工作台，特别适合于箱体零件的加工。此外，今年来还发展了一种主轴可作垂直和水平转换的立卧式加工中心，也称复合加工中心或五面加工中心，可实现除安装底面外的五个面的加工。
车削中心是在数控车床的基础上，再装配上刀库和换刀机械手。其也可分为立式和卧式两类。与数控车床单机相比，其自动选择和使用的刀具数量大大增加。
立式加工中心主要是指主轴轴心线与工作台垂直设置的加工中心。工作台通常是长方形，且无分度回转功能。下图为立式加工中心的形式。主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。
按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。
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，工件经
过一次装夹后能完成除安装面以外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。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。
其中立式加工中心又可分类为：
1）依据导轨分类：依据立式加工中心的各轴的导轨形式可分硬导轨及线导轨。硬导轨适合重切削，线轨运动更灵敏。
2）依据转速分类：立式加工中心主轴转速6000-15000rpm为低速型，18000rpm以上为高速型。
3）依据结构分类：依据立式加工中心的床身结构可分为C型及龙门型。
1.2 加工中心的主要优点
1、提高加工质量
工件一次装卡，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，减少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。
2、缩短加工准备时间
加工中心可以顶替多台通用机床，加工一个零件所需准备时间是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短很多。
3、减少在制品
以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。
4、减少刀具费
把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，又减少了刀具数量。
5、最少的直接劳务费
有NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer 简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。
6、最少的间接劳务费
工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。
7、设备利用率高
加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。
1.3 加工中心的发展趋势
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。
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、提高进给速率和缩短辅助时间等。
2、高精度 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。
3、高度自动化 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 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。
第2章 小型加工中心的机械结构部分
2.1设计机械结构部分的主要参数
工作台尺寸：150×150 mm
XYZ行程：300×200×200 mm
XYZ轴最快移动速度：5 m∕min
脉冲当量：0.001 mm∕pulse
2.2 机械结构部分的组成
小型加工中心的机械结构主要由以下几部分组成：
1、基础支承件
由床身、立柱、工作台和导轨等大件组成，是加工中心的基础构件，是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向，使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。这些大件和部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。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、进给传动系统
包括动力源、传动件及进给运动执行件——工作台、刀架等。进给传动系统的作用是将伺服驱动装置的运动和动力传给执行件，实现进给运动。主要是协助完成加工表面的成形运动。
3、主传动系统
包括动力源、传动件及主运动执行件——主轴等。主传动系统的作用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，实现主切削运动。
4、辅助装置
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。
2.3 机械结构部分的特点
小型加工中心是高精度、高效率的自动化机床。几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。小型加工中心的结构设计已形成自己的独立体系，其主要结构特点如下：
1、静、动刚度高
数控机床要在高速和重负荷条件下工作，机床床身、底座、立柱、工作台、刀架等支承件的变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差。因此，这些支承件均应具有很高的静刚度和动刚度。
2、抗振性好
机床工作时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。
3、热稳定性好
机床的热稳定性好是多方面综合的结果。包括机床的温升小；产生温升后，使温升对机床的变形影响小；机床产生热变形时，使热变形对精度的影响较小。
4、灵敏度高
数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。
5、自动化程度高、操作方便
为了提高数控机床的生产率，必须最大限度地压缩辅助时间。许多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，除了减少换刀时间之外，还大幅度地压缩多次装卸工件的时间。几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能，使空程时间缩短。
第3章 总体设计方案的拟定
3.1设计题目
小型加工中心机械结构设计
3.2 主要内容
查阅相关资料，设计立式加工中心的机械结构部分。包括：
1、基础结构部件床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型；
2、进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠上轴承以及伺服电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型；
3、主传动系统中主轴箱结构、传动齿轮、液压缸结构及主轴结构设计计算
4、辅助装置中刀库结构的选型设计及换刀机构选型。
3.3 拟定总体设计方案
1、拟定总体设计方案的设计原则
1）总体布局流畅，结构合理紧凑，实现机电一体化，外形美观。
2）结构简单，功能齐全，操作安全方便。
3）满足功能要求，造型要求，技术参数要求，便于制造，安装和维护。
2、拟定总体设计方案
经过收集了有关立式加工中心布局的各方面资料，确定如下布局方案：
1）加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上，床身与立柱都通过双头螺栓连接；
2）工作台为矩形工作台，在床身导轨上做X、Y两向移动；
3）立柱采用封闭的箱型结构，主轴箱内采用滑移齿轮进行二级变速。主轴箱在立柱导轨上上下移动实现Z轴的进给运动、主轴箱配重采用链条、链轮机构，配重置于立柱内，使整体结构紧凑、美观；
4）X、Y、Z三向导轨均采用滚珠丝杠导轨，三个进给方向通过伺服电机及联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台作X、Y、Z三个方向的直线运动；
5）机床电柜及操纵站放置在机床主机（正对机床）的右侧，操纵者在机床右边操作，刀库及交换装置放置在机床的左侧，换刀装置采用圆盘式换刀装置；
6）润滑油冷却液由外部液压泵提供，设计中要留出液压泵的安装位置；
7）整个机床用防护罩罩起来，有利于保护机床和操作人员，外形也相对美观。
根据以上布局形式的初步确定，立式加工中心的总体布局图如下：
图3 小型加工中心的总体布局图
以上为本次设计的总体方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况做出改动，不断完善此设计。
第4章 基础结构部件的设计
基础结构部件通常是指构成立式加工中心主体的那些功能部件，如床身部件、立柱部件和工作台部件等。基础结构部件是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向。这些部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩[5]。
4.1床身的设计
4.1.1 床身的作用
床身是整个加工中心的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱和工作台等重要部件。为了满足加工中心机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化要求，加工中心床身主要有以下两大功能：
1、支承作用 即支承其它零部件，在机床承受切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、以及夹紧力；
2、基准作用 即保证机床在使用中或者长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。
4.1.2 床身的基本要求
1、刚度要求 在切削力、机床部件的和工件重量的作用下，床身本身与其它部件的接触面就会产生形变，机床原有的几何精度就会被破坏，从而给加工带来误差；如果床身的刚度不足，不仅会产生变形，还会产生爬行和振动，从而影响机床的定位精度及其它性能。因此床身要有足够大的刚度。
2、抗震性要求 振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响加工质量，因此床身应有足够的抗震性，具有合乎要求的动态特性。
3、热变形要求 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起床身温度变换，产生热变形。从而影响机床的工作精度和几何精度。因此应对床身的热变形及热应力加以控制。
4、内应力要求 床身在铸造、焊接以及粗加工过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。床身的设计应从结构、材料上保证其内应力要小，例如对于铸造床身，各处金属分布应均匀，尽可能避免壁厚突然转换的过度面。
5、其它 床身还应该使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油回收方便，加工及装配工艺性好等。
4.1.3 床身结构设计及材料选择
1、结构设计
床身是机床的关键基础件之一，要求有足够的静、动刚度和精度保持性。为减少连接环节，增大支承件的重量，提高床身的刚性，通常都把它设计成整体件，并选择稳定性较好的横截面形式。床身设计往往会受机床总体设计和工艺手段的制约在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。中、小型立式加工中心，一般都采用固定立柱式，把床身与支承立柱的底座连接在一起，构成了一个整体床身，这类床身的加工工艺性、刚性、精度保持性都比较好。平面上的两个坐标移动是由滑块和工作台实现的，床身结构比较简单[13]
。
本立式加工中心采用立柱全行程移动、工作台固定。这样不仅便于操作，易于配置NC转台，还可以有效提高生产效率。（下图为某立式加工中心床身图）
图4.1 小型加工中心床身
2、床身材料
材料选择灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，
而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为床身的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
床身铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状
加工中心的静刚度和适当的固有频率靠合理的截面形状与尺寸、恰当的肋板布置来获得。加工中心内部肋板布置形式很多，归纳起来可分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可以加强纵向抗弯强度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度又较好的效果。虽然斜向肋板抗弯扭刚度综合效果好一些，但考虑到斜向肋板铸造工艺的复杂性及机床经济性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板。
当肋板厚度相同时，米字形肋板结构的抗弯刚度接近与#字形肋板结构，而抗扭刚度却是井字形肋板结构的两倍。但制造工时却比#字形肋板多2～3倍，而工艺性差。综合考虑，本次设计采用了#字形肋板[13]。
4.2 立柱的设计
4.2.1 设计立柱的基本要求
加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同，但是他们既然是加工中心的立柱，就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣环境条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样，是加工中心的主要基础零部件，是主轴箱支承和导向的主体，要求具有足够的构建刚度和良好的抗震性以及热变形性。
为了满足对立柱的这一要求，在设计结构和肋板布局上，要有合理的安排。
4.2.2 立柱的结构设计
1、结构设计
由于立、卧式两种加工中心结构上的差异和受力不同等原因，通常把立式加工中心的立柱的横截面设计成矩形或下正方形。
米字型肋板，它的抗扭刚度比#字形肋板的高得多。只是米字型肋板的铸造工时比#字形肋板多2~3倍。出于这种原因，本立柱，仍采用井字型肋板。
平衡主轴箱重量的平衡重，一般设在立柱里腔，随主轴箱的升降而升降。采用这种平衡方式的立式加工中心，其立柱内腔是空的[13]。故本立柱内腔是空的。
在设计立柱时，还要考虑在运输中固定平衡重的稳妥可靠地方法。
2、立柱的材料选择
立柱材料选为灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为立柱的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
立柱铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.2.3 立柱导轨形式及精度
1、导轨形式
从工艺性角度考虑，采用平—平导轨形式。
2、导轨精度
本次设计的是高精度的中型立式加工中心，立柱导轨精度可取推荐值如下:
直线度: 0.006～0.015mm
两导轨扭曲度：0.01～0.015mm
立柱底面对主导向面垂直度：小于0.01mm
安装滚动导轨基面的直线度：0.05～0.01mm[13]。
4.2.4 立柱与床身的联结
立柱与床身的联结，一般采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。
为了提高圆锥销的定位效果，必须用专用圆锥销。它是根据所用锥铰刀的实际锥角，配磨圆锥销，以提高圆锥销在圆锥孔内的接触效果。标准圆锥销，因与实际锥铰刀有角度差别，接触效果不理想，故在关键定位部位不能用标准圆锥销，而必须用专用圆锥销。
为了提高立柱与床身的联结刚度，通常采用如下措施：
1）采用预紧力 螺栓联结时，应使结合面保持在不小于2Mpa的预紧力。
2）提高有效接触面积的平面度，减小接触面的粗糙程度值，以提高结合强度。通常采用刮研或磨削手段来实现。
3）增加局部刚度 在紧固螺栓位置处，加大加厚凸缘或增添加强肋[13]。
4.3 工作台的设计
工作台乃是加工中心最重要的零部件，它是工件和夹具安装的基准。其精度和刚性都会直接影响到工件的加工质量。该部件要承受工件的夹紧力和加工过程中产生的切削力、弯矩和转矩。因此要求工作台及工作台部件有较高的精度和刚度[5]。
4.3.1 工作台的设计尺寸图
立式加工中心和卧式加工中心的工作台结构形式是不同的。立式加工中心的工作台不作分度运动，其形状一般为长方形，台面采用T型槽形式[13]，如下图所示。
1、2、3、5槽为装夹用T型槽，4槽为基准T型槽。
工作台设计参数：350×350mm
根据立式加工中心工作台宽度尺寸系列及工作台长度尺寸系列，设计工作台尺寸如图：
图4. 2 工作台
T型槽形状如图：
图4.3 第4槽 图4.4 第1
、2、3、5槽
4.3.2 工作台的其他结构设计
1）为了安装方便，使零件尽量减少，我们采用工作台在导轨上滑动的形式，所以需要在工作台上钻出油孔和油槽，以便于润滑。
2）为了安装方便，Y向丝杠螺母座采用的是与工作台分离式结构，具体结构见装配图。
3）为了防止切屑落入螺纹孔中影响螺钉的安装，用橡胶塞堵住。
4）防止切屑对导轨影响，安装防护板，大小由加工中心工作需求而定，其具体尺寸见装配图。
5）防止切屑对防护罩影响，在工作台两边加挡板。
4.3.3 工作台的材料
工作台材料选用HT250。因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为工作台的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
工作台铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.4 导轨的设计
4.4.1 导轨的功用及要求
机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。
对导轨设计的具体要求如下：
1、导向精度 导轨在空载和在切削时都应具有足够的导向精度。也就是运动部件沿着导轨运动时的直线度，以及与有关基面间的相对位置的准确性。
2、精度保持性 精度保持性是导轨设计的关键，也是衡量机床质量好坏的关键指标之一，精度保持性主要是有导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、制造导轨的方法以及受力情况有关。
3、低速运动的平稳性 导轨低速运动的平稳性，是指要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现爬行现象。它与导轨的结构与润滑、动静摩擦系数的差值以及传
动导轨运动的传动机构的刚度有关。
4、刚度 导轨受力后变形会影响各个部件之间的相对位置和导向精度，因此，要求导轨油足够的刚度。
5、结构工艺性 在满足设计要求的前提下，应尽量做到加工、装配和维修方便，成本低廉等。
6、移动灵敏度和定位精度 移动灵敏度指工作台完成一次移动能达到的最短距离。定位精度指工作台按要求由运动状态停止在某一指定点的能力。灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动系统刚度、移动件质量等因素有关。
7、振动性和稳定性 对于闭式控制的数控机床，不仅要求导轨的起动、制动跟踪灵敏度高，还要求有适当的粘滞阻尼特性，以防止在起动、制动过程中发生不稳定现象。
8、对温度变化的适应能力 环境温度变化和局部热源产生的不均匀的温度场，都会引起导轨变形，导轨应有较好的适应能力。
4.4.2 导轨的结构类型
加工中心的伺服进给系统无论是静态误差还是动态误差都与导轨的摩擦力有关。因此数控机床、加工中心要求机床的导轨刚性好，运动平稳，精度高，有良好的起动特性：高速无冲击，低速无爬行，运动方向变化时响应速度快、灵敏。能满足上述要求的有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨。目前，加工加工中心中用得最多的是滑动导轨与滚动导轨这两种。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，动静摩擦系数很接近。因此，运动灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，一般没有爬行现象，移动精度和定位精度较高。此外，滚动导轨润滑简单（可用脂润滑），维护比较方便（只需更换滚动体），高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而浮起。
根据设计要求本设计选用直线滚动导轨。直线滚动导轨副是由长导轨和带有滚珠的滑轨组成；在所有方向都承受载荷；通过钢球的过盈配合能实现不同的预载荷，使机床设计、制造方便。
直线滚动导轨副的工作原理：导轨条是支承导轨，滑块装在移动件上，滑块中装有4组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点，经端面挡板和回珠孔返回另一端，再次进入循环。4组滚珠和各自的滚道相当于4个直线运动的角接触球轴承。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷作用下接触区为椭圆。可以从油嘴注入润滑脂。密封垫用来防止灰尘进入轨道。
其结构如下图：
图4.5 直线滚动导轨结构图
1. 滚珠 2. 回珠孔 3. 密封垫 4. 端面挡板
5. 滑块 6. 油嘴 7. 导轨条 8. 密封垫
4.4.3 滚动导轨的材料
对导轨材料的要求：
1、良好的耐磨性 在导轨不封闭，动导轨频繁停歇和反向，润滑不良的情况下，导轨面的磨损较快而且不均匀。故要有良好的耐磨性。
2、良好的摩擦特性 在设计滑动导轨时，为避免在低速运动时出现爬行，除合理选用润滑剂及加强传动系统的刚度以外，要求导轨副的静摩擦和动摩擦系数差以及滑动速度队动摩擦系数的影响都要小。
3、良好的尺寸稳定性 导轨在加工和使用过程中，残余应力引起的变形，温度和温度变化，都会影响几何尺寸的稳定性。
4、工艺性好，成本低。
故综合各方面因素，滚动导轨材料选用铬轴承钢（GCr15），其硬度为60~62HRC，其特点是承载能力大，耐磨性好，而且整体淬火硬化层深，接触强度高，偶然接触时不宜产生凹坑，尺寸稳定性也好，适用于大载荷，有预加载荷，有冲击载荷，不易防护的导轨和高精度导轨，应用范围广。
4.4.4 直线滚动导轨的技术要求
加工中心上使用的直线滚动导轨，一般选用精密级（D级）。有关这种导轨的精
度标准，在制造厂发行的样本资料中可查到。
安装直线滚动导轨的安装基面精度，必须等同于或高于导轨精度。安装精密级直线滚动导轨的安装基面，平面度一般取0.01mm以下，二个侧定位面之间的平行度一般取0.015mm左右，侧定位面对底平面安装面的垂直度为0.005mm。
4.4.5 滚动导轨的设计计算
17
动体沿着反向器不断循环，从而实现周而复始的滚动运动。即从滚动摩擦代替了滑动摩擦。
5.2.3 滚珠丝杠副的优点
滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较有如下几个方面的优点：
1、传动效率高 滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比普通梯形丝杠副的高2~4倍，其驱动转矩较普通丝副可减少2/3~3/4。
2、灵敏度高，传动平稳 由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此无论是在静止时还是在低速、高速传动时摩擦转矩几乎不变。
3、磨损小，寿命长 滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达到60~62HRC，并有较低的表面粗糙度，再者由于滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，可以高速运行。
4、可消除轴向间隙，提高轴向精度 在滚珠丝杠副中可以用预加载荷的方式，使反向时无空行程，还可以用预拉伸丝杠的办法提高丝杠的系统刚度和减少丝杠的热伸长，以提高其轴向刚度。
5.3滚珠丝杠副的设计计算
工作台行程XYZ:600×400×400 mm, 工作台重量为1000N，工件及卡具重量4000N，工作台导轨的动摩擦因数μ=0.1，静摩擦因数μ0=0.2，快速进给速度
vmax=15m/min，全程定位精度8μm，重复定位精度6μm，要求寿命20000h（两班制十年），可靠度97%，各工况情况如下表5
表5 各工况明细表
切削方式
纵向切削力
垂直切削力Pzi(N) 1200 500 200 0
进给速度
工作时间
百分比% 10 30 50 10
丝杠轴向载荷F(N) 2720 1650 1120 600
丝杠转速
Pxi(N)
强力切削 一般切削 精密切削 快速进给
2000 1000 500 0
min
0.6 0.8 1 15
rmin
60 80 100 1500
18
19
20
21
22
23
24
25
5.4 伺服电机的选择
5.4.1 伺服电机的选型条件
所选伺服电机，应满足下列条件：
1、在所有进给调速范围内（包括快速移动），空载荷进给力矩应小于电动机额定转矩；
2、最大切削力矩小于电机额定转矩； 3、加速时间应符合所希望的时间常数； 4、快速进给频率在希望值以内。
5.4.2 X向伺服电机的选择
1、最高转速的选择
伺服电机最高转速应根据进给系统的快速进给速度丝杠螺距及传动系统的减速比来确定，计算式为：
Nmax=
KVI
P (5-19)
式中V——表示工作台要求的快速进给速度，取Vm=15min I——传动系统减速比,因是直联 i=1 P——丝杠螺距，取P=10mm K——裕度系数(可取1 ~ 1.5) 取K=1.2
KVI1.2⨯15⨯1
故：Nmax===1800rmin
P0.01
2、位置反馈编码器的选择
位置反馈编码器的选择应根据机床所需的最小移动单位，丝杠螺距及减速比为参数确定。其计算公式为：
I=
式中 I——编码器的分辨率
P——丝杠螺距 i——减速比 故i=1
P
iα (5-20)
α——最小移动单位，α=10-5mm
26
P0.01==1000pr iα1⨯10-5
3、负载转矩计算 故：I=
实际机床上，由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷P
作等速运动所需力矩T1。
由《加工中心设计与应用》知负载转矩T1： T1
1=(KFa0L0+PLo+TZ
b)
2π2πηZ2
式中：T1——等速运动时的驱动力矩（N.mm）
KFa0L0
2π——双螺母滚珠丝杠的预紧力矩
其中：K——滚珠丝杠预紧力矩系数0.1~0.2，取0.2。
F——预紧力，F11ao=FBmax=3⨯8455.4=2818.5N
a03
L0——丝杠导程 ，L0=10mm
则：KFa0L0
2π=0.2⨯2818.5⨯10
2π=897.6N⋅mm
PL
2πη——克服轴向外载荷所需的力矩
其中： P——加在丝杠轴向的外载荷，取最大为2720N
η1——滚珠丝杠的正效率 0.90~0.95，取η1=0.95
PL2720⨯10
2πη=2π⨯0.95=4556N⋅mm
Tb——起动力矩，由《加工中心设计与应用》表6-8查得：
Tb=20N⋅cm=200N⋅mm
Z1
Z=1
2
所以：
(5-21)
T1=(KFa0L0PLoZ++Tb)1=(897.6+4556+200)⨯1=5653.6N⋅mm=5.65N⋅m2π2πηZ2
由《机电一体化设计手册》表1.2-30选择北京机床研究所最新开发，为驱动机床
伺服机构而专门设计的FANUC—BESK系列直流伺服电动机B8型伺服电机
其参数为：
输出功率P=0.9kW
额定转矩Ts=5.9N⋅m
最大转矩Tmax=53N⋅m
最高转速nmax=2000r/min
4、惯量匹配计算
通常在电动机惯量Jm与负载惯量JL（折算至电机机轴)之间。
推荐下列匹配关系：
1≤Jm/JL≤14 (5-22)
1）联轴器的转动惯量J1
根据丝杠轴部直径,选d=22mm,D=90mm的弹性膜片联轴器JM I 1
由《机械设计手册》表6-2-31，查得：
J1=7kg⋅cm2=0.007kgf⋅cm⋅s2
2）丝杠折算到电机轴上的转动惯量J2
参数d0=40mm，Ph=10mm 长度1000mm
由《机床设计手册-3》表6.6-28查得：
2kgf⋅cm⋅s转动惯量为0.01518
2J=0.01518⨯1=0.01518kgf⋅cm⋅s2故
3）工作台的转动惯量
由《机床设计手册-3》表6.6-29， 可知100kg的工作台折算到
丝杠上的转动惯量为： Ph=10mm的
J3=0.01651⨯0.1=0.001651kgf⋅cm⋅s2
4）传动系统折算到电机轴上的总转动惯量
JL=J1+J2+J3=0.007+0.01518+0.001651=0.023831kgf⋅cm⋅s2 (5-23)
5）电机的转动惯量Jm
由《加工中心设计与应用》查得：
Jm=0.045kgf⋅cm⋅s2
6）惯量匹配计算：
JL0.0238311==0.53≤JL/Jm=0.53≤1Jm0.045 即：4
符合惯量匹配关系.
5、伺服电机的加减速能力校核
快速移动加速时其最大转矩下按下列公式计算:
T=
nm2πnm(Jm+JL)+JL60ta (5-24) 式中： ——快速移动时的电机转速nm=1500r/min
ta——加减速时间 ta=3
ks
ks——系统开环增益 常取8~25
一般取ks=20 现取ks=20
ta=3=0.15s20 则：
JL——负载惯量 JL=0.0123kgf93⋅cm⋅s2
Jm2J=0.045kgf⋅cm⋅sm——电机惯量
2⨯π⨯1500T=⨯(0.045+0.023831)⨯10-1+0.023831=7.228
所以所选伺服电机满足要求。
5.4.3 Y向和Z向伺服电机的选择
选择方法同X向伺服电机的选择，选择同一款伺服电机。
5.5 丝杠上轴承的校核
校核受力最大时轴承的寿命
FAmax=2720÷2=1360N，FRmax=1200÷4=300N
1、计算当量载荷
FP=XFR+YFA (5-25)
其中：FR——轴承所受径向载荷；
FA——轴承所受轴向载荷；
X——径向载荷系数；
Y——轴向载荷系数；
由FA1360==4.5>e=1.14，查《机械设计手册》单行本 表6-2-58得： FR300
X=0.57，Y=0.93
.8N 所以：FP=XFR+YFA=0.57⨯300+0.93⨯1360=1435
2、轴承寿命计算
Cr=33.2KN；7206B/DF角接触球轴承ε=3，查《机械设计手册》单行本中 表
6-2-11取温度系数fT=1.0；查表6-2-10，取载荷性质系数fP=1.1。
由公式：
Lh10106fTC1061⨯332003=()=⨯()=103207.6h≈12年60nfPFP60⨯15001.1⨯1435.8 (5-26)
该类型轴承适合。
5.6 联轴器的选择
联轴器是机械传动系统中的重要组成部分，用来联接不同机构中的两根轴（主
动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。广泛的应用于冶金、化工、机械、车船、电子、飞机等工业部门。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还
有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动
轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
联轴器的选择原则：
选择联轴器时，应根据系统的载荷性质，轴的转速，两被连接轴的轴线位置
偏差，传动精度等选择联轴器型号。根据被连接轴的直径，转速和传递扭矩选择
联轴器的型号和结构尺寸。具体选择时应考虑以下几点：
1、原动机和工作机的机械性能 原动机的类型不同，其输出的功率和转速，
有的平稳恒定，而有的却是波动的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平
稳，有的有冲击或震动。这将直接影响联轴器的类型的选择，是选型的首要依据
之一。对于载荷平稳的，可选用刚性联轴器，否则选用弹性联轴器。
2、联轴器联接的轴系及其运动情况 对于联接轴系质量大，转动惯量大。而
又经常启动、反转或变速的，应考虑选用承受较大瞬时载荷并能缓冲吸振的弹性
联轴器。
3、工作机的转速高低 对于需要高速运转的联轴器联接，应考虑选择联轴器
的结构具有高平稳精度的特性。其中膜片联轴器对高速适应性较好。
4、联轴器的队中和队中保持特性 保持良好的队中是使运转正常的前提，防
止产生过大附加载荷及其他不良工况。
5、联轴器的结构及工作特性 联轴器的外形尺寸、安装、拆卸所需的空间大
小和难易程度以及对维护的要求等都应与联接机组的具体配置位置和要求相适
应。
6、联轴器的可靠性，使用寿命和工作黄金 对于要求运转可靠，不允许运转
工作临时中断的传动，最好选用不许润滑，无非金属弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境，应用有罩壳的联轴器。
7、联轴器的制造、安装和维护的成本 在满足使用要求的条件下，应使选择
的联轴器成本低，不需维护以降低维修费用。
综合考虑联轴器的选用原则，联系具体情况，立式加工中心丝杠与伺服电机
的联轴器选用弹性膜片联轴器。
膜片联轴器是靠膜片的弹性变形来补偿所联接两轴相对位置的偏差，是一种
高性能的弹性元件挠性联轴器，不用润滑，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，
无旋转间隙，不受湿度和油污的影响，适用于高温、高热、高腐蚀介质的工况环
境。
选择型号为JMI 1型弹性膜片联轴器。
结 论
在毕业之前的最后一个学期，我们进行了此次毕业设计。本次工作任务是完成
一台立式加工中心机械结构部分的设计，在设计中主要涉及以下几方面内容：机床结构设计、工作台的设计、丝杠的选型设计、伺服电机的选择、导轨的选型设计、主轴的设计、配重装置的设计等。
在此次设计过程中，我查阅了大量与立式加工中心有关的资料，为本次的设计
打下了良好的理论基础，在设计中还参阅了国内外的各知名厂家的产品样本、材料，使所设计的立式加工中心更接近实际情况，充分做到理论与实际相结合。
在以前所学习的课程中，我对加工中心有了一定的了解，而在这次设计中，我
通过查阅相关资料，借阅各种专业书籍，对所学知识有了更近一步的了解，在所选择的结构中，不仅要考虑它们的实用性，还要考虑它们的经济性等。对所选择的部件有的还需要校核以满足要求，在这次毕业设计中我学到了许多课本上未学到的知识，同时也锻炼了我的实际设计能力，使我受益匪浅。
此次毕业设计时间虽然只有一个学期，但从中学到的东西会使自己受益一生。
对于设计中的不足之处，还恳请批阅的老师给予批评指正。
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system for CNC multi-axis machine tools, International Journal of Advanced
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摘 要
本设计完成了小型立式加工中心机械结构部分的设计并介绍了立式加工中
心的一些基本概况。该机床再配置一个CNC系统就构成了一台完整的立式加工中心。在设计中主要对基础结构部件、进给传动系统、主传动系统和一些辅助装置进行了选型及设计计算。
（1）基础结构部件包括床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型。其
中工作台随螺母旋转而移动，其螺母是磨损元件。
（2）进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠轴上轴承以及伺服
电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型。
（3）主传动系统中滑移齿轮、液压缸结构及主轴结构的设计计算，主轴箱
配重的设计及相关零件的强度校核。
（4）辅助装置中刀库结构选型设计及换刀机构选型。
关键词 滚珠丝杠；伺服电机；滑移齿轮；主轴箱配重
Abstract
This design has already finished vertical machining center the design of mechanical structure parts. Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this design. The machine in a CNC system can constitute a complete vertical machining center. In the design mainly design parts of basic structure, transmission system and the main transmission system.
(1) Infrastructure component comprises a bed, column, table, guide the design calculation and type selection. Working table with rotation of the nut and the nut is moved, the wear element.
(2) The feed drive system of ball screw, a servo motor, a ball screw shaft bearing and the servo motor and the feed screw connection design calculation and type selection.
(3) In the main transmission system of the driving gear, hydraulic oil cylinder structure and spindle structure design calculation, spindle box design and related parts of the strength check.
(4) Auxiliary device of knife library structure design, tool change mechanism selection.
Keywords ball screw; servo motor; sliding gears; spindle box counterweight
目 录
摘 要 .................................................................................................................................. I Abstract ................................................................................................................................................. II
第1章 绪论 ....................................................................................................................... 1
1.1 小型加工中心概述 .................................................................................................. 1
1.2 加工中心的主要优点 .............................................................................................. 2
1.3 加工中心的发展趋势 .............................................................................................. 3
第2章 小型加工中心的机械结构部分 ........................................................................... 4
2.1设计机械结构部分的主要参数 ............................................................................... 4
2.2 机械结构部分的组成 .............................................................................................. 4
2.3 机械结构部分的特点 ............................................................................................. 4
第3章 总体设计方案的拟定 ........................................................................................... 6
3.1设计题目 ................................................................................................................... 6
3.2 主要内容 .................................................................................................................. 6
3.3 拟定总体设计方案 .................................................................................................. 6
第4章 基础结构部件的设计 ........................................................................................... 8
4.1床身的设计 ............................................................................................................... 8
4.1.1 床身的作用 ........................................................................................................ 8
4.1.2 床身的基本要求 ................................................................................................ 8
4.1.3 床身结构设计及材料选择 ................................................................................ 9
4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状 ...................................................................... 10
4.2 立柱的设计 ............................................................................................................ 10
4.2.1 设计立柱的基本要求 ...................................................................................... 10
4.2.2 立柱的结构设计 .............................................................................................. 10
4.2.3 立柱导轨形式及精度 ....................................................................................... 11
4.2.4 立柱与床身的联结 ........................................................................................... 11
4.3 工作台的设计 ........................................................................................................ 12
4.3.1 工作台的设计尺寸图 ...................................................................................... 12
4.3.2 工作台的其他结构设计 .................................................................................. 13
4.3.3 工作台的材料 .................................................................................................. 13
4.4 导轨的设计 ............................................................................................................ 13
4.4.1 导轨的功用及要求 .......................................................................................... 13
4.4.2 导轨的结构类型 .............................................................................................. 14
4.4.3 滚动导轨的材料 .............................................................................................. 15
4.4.4 直线滚动导轨的技术要求 .............................................................................. 15
4.4.5 滚动导轨的设计计算 ...................................................................................... 16
第5章 进给传动系统的设计 ......................................................... 错误！未定义书签。
5.1设计概要 ................................................................................. 错误！未定义书签。
5.1.1 设计的主要内容 .............................................................. 错误！未定义书签。
5.1.2 设计的主要要求 .............................................................. 错误！未定义书签。
5.2 滚珠丝杠副的设计 ............................................................. 错误！未定义书签。
5.2.1 滚珠丝杠副的结构 .......................................................... 错误！未定义书签。
5.2.2 滚珠丝杠副的运动机理 .................................................. 错误！未定义书签。
5.2.3 滚珠丝杠副的优点 .......................................................................................... 18
5.3滚珠丝杠副的设计计算 ......................................................................................... 18
5.4 伺服电机的选择 .................................................................................................... 26
5.4.1 伺服电机的选型条件 ...................................................................................... 26
5.4.2 X向伺服电机的选择 .................................................................................... 28
5.4.3 Y向和Z向伺服电机的选择 ....................................................................... 29
5.5 丝杠上轴承的校核 ................................................................................................ 30
5.6 联轴器的选择 ........................................................................................................ 30
结 论 ............................................................................................................................... 32
参考文献 ........................................................................................................................... 33
第1章 绪论
1.1 小型加工中心概述
数控加工中心机床是指配有刀库和自动换刀装置，能自动换刀，工件在一次装卡后，可实现部分工序甚至全部工序的数控机床。目前主要有镗铣类加工中心（习惯上简称为加工中心）和车削加工中心（习惯上简称车削中心）两大类。
镗铣类加工中心是在数控镗床和数控铣床的基础上发展起来的。按主轴布置形式一般分为立式和卧式两种形式。立式加工中心主轴是垂直的，主要用于重切削和精密加工，适合复杂型腔的加工。卧式加工中心的主轴是水平的，一般具有回转工作台，特别适合于箱体零件的加工。此外，今年来还发展了一种主轴可作垂直和水平转换的立卧式加工中心，也称复合加工中心或五面加工中心，可实现除安装底面外的五个面的加工。
车削中心是在数控车床的基础上，再装配上刀库和换刀机械手。其也可分为立式和卧式两类。与数控车床单机相比，其自动选择和使用的刀具数量大大增加。
立式加工中心主要是指主轴轴心线与工作台垂直设置的加工中心。工作台通常是长方形，且无分度回转功能。下图为立式加工中心的形式。主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。
按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。
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，工件经
过一次装夹后能完成除安装面以外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。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。
其中立式加工中心又可分类为：
1）依据导轨分类：依据立式加工中心的各轴的导轨形式可分硬导轨及线导轨。硬导轨适合重切削，线轨运动更灵敏。
2）依据转速分类：立式加工中心主轴转速6000-15000rpm为低速型，18000rpm以上为高速型。
3）依据结构分类：依据立式加工中心的床身结构可分为C型及龙门型。
1.2 加工中心的主要优点
1、提高加工质量
工件一次装卡，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，减少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。
2、缩短加工准备时间
加工中心可以顶替多台通用机床，加工一个零件所需准备时间是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短很多。
3、减少在制品
以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。
4、减少刀具费
把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，又减少了刀具数量。
5、最少的直接劳务费
有NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer 简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。
6、最少的间接劳务费
工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。
7、设备利用率高
加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。
1.3 加工中心的发展趋势
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。
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、提高进给速率和缩短辅助时间等。
2、高精度 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。
3、高度自动化 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 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。
第2章 小型加工中心的机械结构部分
2.1设计机械结构部分的主要参数
工作台尺寸：150×150 mm
XYZ行程：300×200×200 mm
XYZ轴最快移动速度：5 m∕min
脉冲当量：0.001 mm∕pulse
2.2 机械结构部分的组成
小型加工中心的机械结构主要由以下几部分组成：
1、基础支承件
由床身、立柱、工作台和导轨等大件组成，是加工中心的基础构件，是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向，使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。这些大件和部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩。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、进给传动系统
包括动力源、传动件及进给运动执行件——工作台、刀架等。进给传动系统的作用是将伺服驱动装置的运动和动力传给执行件，实现进给运动。主要是协助完成加工表面的成形运动。
3、主传动系统
包括动力源、传动件及主运动执行件——主轴等。主传动系统的作用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，实现主切削运动。
4、辅助装置
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。
2.3 机械结构部分的特点
小型加工中心是高精度、高效率的自动化机床。几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。小型加工中心的结构设计已形成自己的独立体系，其主要结构特点如下：
1、静、动刚度高
数控机床要在高速和重负荷条件下工作，机床床身、底座、立柱、工作台、刀架等支承件的变形都会直接或间接地引起刀具和工件之间的相对位移，从而引起工件的加工误差。因此，这些支承件均应具有很高的静刚度和动刚度。
2、抗振性好
机床工作时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。数控机床在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量，特别要注意的是避免切削时的自激振动，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。
3、热稳定性好
机床的热稳定性好是多方面综合的结果。包括机床的温升小；产生温升后，使温升对机床的变形影响小；机床产生热变形时，使热变形对精度的影响较小。
4、灵敏度高
数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。
5、自动化程度高、操作方便
为了提高数控机床的生产率，必须最大限度地压缩辅助时间。许多数控机床采用了多主轴、多刀架以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于多工序的自动换刀数控机床，除了减少换刀时间之外，还大幅度地压缩多次装卸工件的时间。几乎所有的数控机床都具备快速运动的功能，使空程时间缩短。
第3章 总体设计方案的拟定
3.1设计题目
小型加工中心机械结构设计
3.2 主要内容
查阅相关资料，设计立式加工中心的机械结构部分。包括：
1、基础结构部件床身、立柱、工作台、导轨的设计计算及选型；
2、进给传动系统中滚珠丝杠副、伺服电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠上轴承以及伺服电机与进给丝杠的联结的设计计算及选型；
3、主传动系统中主轴箱结构、传动齿轮、液压缸结构及主轴结构设计计算
4、辅助装置中刀库结构的选型设计及换刀机构选型。
3.3 拟定总体设计方案
1、拟定总体设计方案的设计原则
1）总体布局流畅，结构合理紧凑，实现机电一体化，外形美观。
2）结构简单，功能齐全，操作安全方便。
3）满足功能要求，造型要求，技术参数要求，便于制造，安装和维护。
2、拟定总体设计方案
经过收集了有关立式加工中心布局的各方面资料，确定如下布局方案：
1）加工中心床身取T字型结构，立柱固定在其上，床身与立柱都通过双头螺栓连接；
2）工作台为矩形工作台，在床身导轨上做X、Y两向移动；
3）立柱采用封闭的箱型结构，主轴箱内采用滑移齿轮进行二级变速。主轴箱在立柱导轨上上下移动实现Z轴的进给运动、主轴箱配重采用链条、链轮机构，配重置于立柱内，使整体结构紧凑、美观；
4）X、Y、Z三向导轨均采用滚珠丝杠导轨，三个进给方向通过伺服电机及联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台作X、Y、Z三个方向的直线运动；
5）机床电柜及操纵站放置在机床主机（正对机床）的右侧，操纵者在机床右边操作，刀库及交换装置放置在机床的左侧，换刀装置采用圆盘式换刀装置；
6）润滑油冷却液由外部液压泵提供，设计中要留出液压泵的安装位置；
7）整个机床用防护罩罩起来，有利于保护机床和操作人员，外形也相对美观。
根据以上布局形式的初步确定，立式加工中心的总体布局图如下：
图3 小型加工中心的总体布局图
以上为本次设计的总体方案，在设计中会根据不同的实际问题和具体的情况做出改动，不断完善此设计。
第4章 基础结构部件的设计
基础结构部件通常是指构成立式加工中心主体的那些功能部件，如床身部件、立柱部件和工作台部件等。基础结构部件是机床的承载与支承的基体，它支承各构件并为运动部件导向。这些部件要承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力以及相应的弯矩和扭矩[5]。
4.1床身的设计
4.1.1 床身的作用
床身是整个加工中心的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱和工作台等重要部件。为了满足加工中心机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化要求，加工中心床身主要有以下两大功能：
1、支承作用 即支承其它零部件，在机床承受切削时，承受着一定的重力、切削力、摩擦力、以及夹紧力；
2、基准作用 即保证机床在使用中或者长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。
4.1.2 床身的基本要求
1、刚度要求 在切削力、机床部件的和工件重量的作用下，床身本身与其它部件的接触面就会产生形变，机床原有的几何精度就会被破坏，从而给加工带来误差；如果床身的刚度不足，不仅会产生变形，还会产生爬行和振动，从而影响机床的定位精度及其它性能。因此床身要有足够大的刚度。
2、抗震性要求 振动不仅会使机床产生噪声，同时也会影响加工质量，因此床身应有足够的抗震性，具有合乎要求的动态特性。
3、热变形要求 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起床身温度变换，产生热变形。从而影响机床的工作精度和几何精度。因此应对床身的热变形及热应力加以控制。
4、内应力要求 床身在铸造、焊接以及粗加工过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。床身的设计应从结构、材料上保证其内应力要小，例如对于铸造床身，各处金属分布应均匀，尽可能避免壁厚突然转换的过度面。
5、其它 床身还应该使排屑通畅，操作方便，吊运安全，切削液及润滑油回收方便，加工及装配工艺性好等。
4.1.3 床身结构设计及材料选择
1、结构设计
床身是机床的关键基础件之一，要求有足够的静、动刚度和精度保持性。为减少连接环节，增大支承件的重量，提高床身的刚性，通常都把它设计成整体件，并选择稳定性较好的横截面形式。床身设计往往会受机床总体设计和工艺手段的制约在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到既要结构合理、肋板布置恰当，又要保证良好的冷、热加工工艺性。中、小型立式加工中心，一般都采用固定立柱式，把床身与支承立柱的底座连接在一起，构成了一个整体床身，这类床身的加工工艺性、刚性、精度保持性都比较好。平面上的两个坐标移动是由滑块和工作台实现的，床身结构比较简单[13]
。
本立式加工中心采用立柱全行程移动、工作台固定。这样不仅便于操作，易于配置NC转台，还可以有效提高生产效率。（下图为某立式加工中心床身图）
图4.1 小型加工中心床身
2、床身材料
材料选择灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，
而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为床身的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
床身铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.1.4 床身的肋板布置和截面的形状
加工中心的静刚度和适当的固有频率靠合理的截面形状与尺寸、恰当的肋板布置来获得。加工中心内部肋板布置形式很多，归纳起来可分为纵向、横向和斜向三大类。纵向肋板可以加强纵向抗弯强度；横向肋板对提高抗扭刚度有显著效果；斜向肋板对提高抗弯、抗扭刚度又较好的效果。虽然斜向肋板抗弯扭刚度综合效果好一些，但考虑到斜向肋板铸造工艺的复杂性及机床经济性要求，所以很少甚至根本不采用斜向肋板。
当肋板厚度相同时，米字形肋板结构的抗弯刚度接近与#字形肋板结构，而抗扭刚度却是井字形肋板结构的两倍。但制造工时却比#字形肋板多2～3倍，而工艺性差。综合考虑，本次设计采用了#字形肋板[13]。
4.2 立柱的设计
4.2.1 设计立柱的基本要求
加工中心的立柱，随卧式加工中心和立式加工中心的不同，其结构形式亦不相同，但是他们既然是加工中心的立柱，就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向上下移动。这就使它在承受切削力、振动、温度变化等恶劣环境条件下进行工作。因此，立柱亦和床身一样，是加工中心的主要基础零部件，是主轴箱支承和导向的主体，要求具有足够的构建刚度和良好的抗震性以及热变形性。
为了满足对立柱的这一要求，在设计结构和肋板布局上，要有合理的安排。
4.2.2 立柱的结构设计
1、结构设计
由于立、卧式两种加工中心结构上的差异和受力不同等原因，通常把立式加工中心的立柱的横截面设计成矩形或下正方形。
米字型肋板，它的抗扭刚度比#字形肋板的高得多。只是米字型肋板的铸造工时比#字形肋板多2~3倍。出于这种原因，本立柱，仍采用井字型肋板。
平衡主轴箱重量的平衡重，一般设在立柱里腔，随主轴箱的升降而升降。采用这种平衡方式的立式加工中心，其立柱内腔是空的[13]。故本立柱内腔是空的。
在设计立柱时，还要考虑在运输中固定平衡重的稳妥可靠地方法。
2、立柱的材料选择
立柱材料选为灰铸铁HT250，因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为立柱的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
立柱铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.2.3 立柱导轨形式及精度
1、导轨形式
从工艺性角度考虑，采用平—平导轨形式。
2、导轨精度
本次设计的是高精度的中型立式加工中心，立柱导轨精度可取推荐值如下:
直线度: 0.006～0.015mm
两导轨扭曲度：0.01～0.015mm
立柱底面对主导向面垂直度：小于0.01mm
安装滚动导轨基面的直线度：0.05～0.01mm[13]。
4.2.4 立柱与床身的联结
立柱与床身的联结，一般采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。
为了提高圆锥销的定位效果，必须用专用圆锥销。它是根据所用锥铰刀的实际锥角，配磨圆锥销，以提高圆锥销在圆锥孔内的接触效果。标准圆锥销，因与实际锥铰刀有角度差别，接触效果不理想，故在关键定位部位不能用标准圆锥销，而必须用专用圆锥销。
为了提高立柱与床身的联结刚度，通常采用如下措施：
1）采用预紧力 螺栓联结时，应使结合面保持在不小于2Mpa的预紧力。
2）提高有效接触面积的平面度，减小接触面的粗糙程度值，以提高结合强度。通常采用刮研或磨削手段来实现。
3）增加局部刚度 在紧固螺栓位置处，加大加厚凸缘或增添加强肋[13]。
4.3 工作台的设计
工作台乃是加工中心最重要的零部件，它是工件和夹具安装的基准。其精度和刚性都会直接影响到工件的加工质量。该部件要承受工件的夹紧力和加工过程中产生的切削力、弯矩和转矩。因此要求工作台及工作台部件有较高的精度和刚度[5]。
4.3.1 工作台的设计尺寸图
立式加工中心和卧式加工中心的工作台结构形式是不同的。立式加工中心的工作台不作分度运动，其形状一般为长方形，台面采用T型槽形式[13]，如下图所示。
1、2、3、5槽为装夹用T型槽，4槽为基准T型槽。
工作台设计参数：350×350mm
根据立式加工中心工作台宽度尺寸系列及工作台长度尺寸系列，设计工作台尺寸如图：
图4. 2 工作台
T型槽形状如图：
图4.3 第4槽 图4.4 第1
、2、3、5槽
4.3.2 工作台的其他结构设计
1）为了安装方便，使零件尽量减少，我们采用工作台在导轨上滑动的形式，所以需要在工作台上钻出油孔和油槽，以便于润滑。
2）为了安装方便，Y向丝杠螺母座采用的是与工作台分离式结构，具体结构见装配图。
3）为了防止切屑落入螺纹孔中影响螺钉的安装，用橡胶塞堵住。
4）防止切屑对导轨影响，安装防护板，大小由加工中心工作需求而定，其具体尺寸见装配图。
5）防止切屑对防护罩影响，在工作台两边加挡板。
4.3.3 工作台的材料
工作台材料选用HT250。因为灰铸铁的铸造性能好，便于铸成形状复杂的零件，而且抗震性较好，价格也便宜，因此选用灰铸铁为工作台的材料。由于铸件在铸造成型后，冷却过程中会因为收缩造成内应力，而内应力的产生会影响机床精度，是加工出的零件精度受到影响，所以要进行时效处理以消除内应力。
工作台铸件的壁厚要均匀，拐角处要采取圆滑过渡，要有足够大的清砂口，加工平面应尽可能在一个平面内以便加工。
4.4 导轨的设计
4.4.1 导轨的功用及要求
机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。
对导轨设计的具体要求如下：
1、导向精度 导轨在空载和在切削时都应具有足够的导向精度。也就是运动部件沿着导轨运动时的直线度，以及与有关基面间的相对位置的准确性。
2、精度保持性 精度保持性是导轨设计的关键，也是衡量机床质量好坏的关键指标之一，精度保持性主要是有导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、制造导轨的方法以及受力情况有关。
3、低速运动的平稳性 导轨低速运动的平稳性，是指要保证导轨在低速运动或微量位移时不出现爬行现象。它与导轨的结构与润滑、动静摩擦系数的差值以及传
动导轨运动的传动机构的刚度有关。
4、刚度 导轨受力后变形会影响各个部件之间的相对位置和导向精度，因此，要求导轨油足够的刚度。
5、结构工艺性 在满足设计要求的前提下，应尽量做到加工、装配和维修方便，成本低廉等。
6、移动灵敏度和定位精度 移动灵敏度指工作台完成一次移动能达到的最短距离。定位精度指工作台按要求由运动状态停止在某一指定点的能力。灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动系统刚度、移动件质量等因素有关。
7、振动性和稳定性 对于闭式控制的数控机床，不仅要求导轨的起动、制动跟踪灵敏度高，还要求有适当的粘滞阻尼特性，以防止在起动、制动过程中发生不稳定现象。
8、对温度变化的适应能力 环境温度变化和局部热源产生的不均匀的温度场，都会引起导轨变形，导轨应有较好的适应能力。
4.4.2 导轨的结构类型
加工中心的伺服进给系统无论是静态误差还是动态误差都与导轨的摩擦力有关。因此数控机床、加工中心要求机床的导轨刚性好，运动平稳，精度高，有良好的起动特性：高速无冲击，低速无爬行，运动方向变化时响应速度快、灵敏。能满足上述要求的有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨。目前，加工加工中心中用得最多的是滑动导轨与滚动导轨这两种。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，动静摩擦系数很接近。因此，运动灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，一般没有爬行现象，移动精度和定位精度较高。此外，滚动导轨润滑简单（可用脂润滑），维护比较方便（只需更换滚动体），高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而浮起。
根据设计要求本设计选用直线滚动导轨。直线滚动导轨副是由长导轨和带有滚珠的滑轨组成；在所有方向都承受载荷；通过钢球的过盈配合能实现不同的预载荷，使机床设计、制造方便。
直线滚动导轨副的工作原理：导轨条是支承导轨，滑块装在移动件上，滑块中装有4组滚珠，在导轨条和滑块的直线滚道内滚动。当滚珠滚到滑块的端点，经端面挡板和回珠孔返回另一端，再次进入循环。4组滚珠和各自的滚道相当于4个直线运动的角接触球轴承。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷作用下接触区为椭圆。可以从油嘴注入润滑脂。密封垫用来防止灰尘进入轨道。
其结构如下图：
图4.5 直线滚动导轨结构图
1. 滚珠 2. 回珠孔 3. 密封垫 4. 端面挡板
5. 滑块 6. 油嘴 7. 导轨条 8. 密封垫
4.4.3 滚动导轨的材料
对导轨材料的要求：
1、良好的耐磨性 在导轨不封闭，动导轨频繁停歇和反向，润滑不良的情况下，导轨面的磨损较快而且不均匀。故要有良好的耐磨性。
2、良好的摩擦特性 在设计滑动导轨时，为避免在低速运动时出现爬行，除合理选用润滑剂及加强传动系统的刚度以外，要求导轨副的静摩擦和动摩擦系数差以及滑动速度队动摩擦系数的影响都要小。
3、良好的尺寸稳定性 导轨在加工和使用过程中，残余应力引起的变形，温度和温度变化，都会影响几何尺寸的稳定性。
4、工艺性好，成本低。
故综合各方面因素，滚动导轨材料选用铬轴承钢（GCr15），其硬度为60~62HRC，其特点是承载能力大，耐磨性好，而且整体淬火硬化层深，接触强度高，偶然接触时不宜产生凹坑，尺寸稳定性也好，适用于大载荷，有预加载荷，有冲击载荷，不易防护的导轨和高精度导轨，应用范围广。
4.4.4 直线滚动导轨的技术要求
加工中心上使用的直线滚动导轨，一般选用精密级（D级）。有关这种导轨的精
度标准，在制造厂发行的样本资料中可查到。
安装直线滚动导轨的安装基面精度，必须等同于或高于导轨精度。安装精密级直线滚动导轨的安装基面，平面度一般取0.01mm以下，二个侧定位面之间的平行度一般取0.015mm左右，侧定位面对底平面安装面的垂直度为0.005mm。
4.4.5 滚动导轨的设计计算
17
动体沿着反向器不断循环，从而实现周而复始的滚动运动。即从滚动摩擦代替了滑动摩擦。
5.2.3 滚珠丝杠副的优点
滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较有如下几个方面的优点：
1、传动效率高 滚珠丝杠副的机械效率可达90%以上，比普通梯形丝杠副的高2~4倍，其驱动转矩较普通丝副可减少2/3~3/4。
2、灵敏度高，传动平稳 由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小。因此无论是在静止时还是在低速、高速传动时摩擦转矩几乎不变。
3、磨损小，寿命长 滚珠丝杠副的主要零件采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达到60~62HRC，并有较低的表面粗糙度，再者由于滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，可以高速运行。
4、可消除轴向间隙，提高轴向精度 在滚珠丝杠副中可以用预加载荷的方式，使反向时无空行程，还可以用预拉伸丝杠的办法提高丝杠的系统刚度和减少丝杠的热伸长，以提高其轴向刚度。
5.3滚珠丝杠副的设计计算
工作台行程XYZ:600×400×400 mm, 工作台重量为1000N，工件及卡具重量4000N，工作台导轨的动摩擦因数μ=0.1，静摩擦因数μ0=0.2，快速进给速度
vmax=15m/min，全程定位精度8μm，重复定位精度6μm，要求寿命20000h（两班制十年），可靠度97%，各工况情况如下表5
表5 各工况明细表
切削方式
纵向切削力
垂直切削力Pzi(N) 1200 500 200 0
进给速度
工作时间
百分比% 10 30 50 10
丝杠轴向载荷F(N) 2720 1650 1120 600
丝杠转速
Pxi(N)
强力切削 一般切削 精密切削 快速进给
2000 1000 500 0
min
0.6 0.8 1 15
rmin
60 80 100 1500
18
19
20
21
22
23
24
25
5.4 伺服电机的选择
5.4.1 伺服电机的选型条件
所选伺服电机，应满足下列条件：
1、在所有进给调速范围内（包括快速移动），空载荷进给力矩应小于电动机额定转矩；
2、最大切削力矩小于电机额定转矩； 3、加速时间应符合所希望的时间常数； 4、快速进给频率在希望值以内。
5.4.2 X向伺服电机的选择
1、最高转速的选择
伺服电机最高转速应根据进给系统的快速进给速度丝杠螺距及传动系统的减速比来确定，计算式为：
Nmax=
KVI
P (5-19)
式中V——表示工作台要求的快速进给速度，取Vm=15min I——传动系统减速比,因是直联 i=1 P——丝杠螺距，取P=10mm K——裕度系数(可取1 ~ 1.5) 取K=1.2
KVI1.2⨯15⨯1
故：Nmax===1800rmin
P0.01
2、位置反馈编码器的选择
位置反馈编码器的选择应根据机床所需的最小移动单位，丝杠螺距及减速比为参数确定。其计算公式为：
I=
式中 I——编码器的分辨率
P——丝杠螺距 i——减速比 故i=1
P
iα (5-20)
α——最小移动单位，α=10-5mm
26
P0.01==1000pr iα1⨯10-5
3、负载转矩计算 故：I=
实际机床上，由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷P
作等速运动所需力矩T1。
由《加工中心设计与应用》知负载转矩T1： T1
1=(KFa0L0+PLo+TZ
b)
2π2πηZ2
式中：T1——等速运动时的驱动力矩（N.mm）
KFa0L0
2π——双螺母滚珠丝杠的预紧力矩
其中：K——滚珠丝杠预紧力矩系数0.1~0.2，取0.2。
F——预紧力，F11ao=FBmax=3⨯8455.4=2818.5N
a03
L0——丝杠导程 ，L0=10mm
则：KFa0L0
2π=0.2⨯2818.5⨯10
2π=897.6N⋅mm
PL
2πη——克服轴向外载荷所需的力矩
其中： P——加在丝杠轴向的外载荷，取最大为2720N
η1——滚珠丝杠的正效率 0.90~0.95，取η1=0.95
PL2720⨯10
2πη=2π⨯0.95=4556N⋅mm
Tb——起动力矩，由《加工中心设计与应用》表6-8查得：
Tb=20N⋅cm=200N⋅mm
Z1
Z=1
2
所以：
(5-21)
T1=(KFa0L0PLoZ++Tb)1=(897.6+4556+200)⨯1=5653.6N⋅mm=5.65N⋅m2π2πηZ2
由《机电一体化设计手册》表1.2-30选择北京机床研究所最新开发，为驱动机床
伺服机构而专门设计的FANUC—BESK系列直流伺服电动机B8型伺服电机
其参数为：
输出功率P=0.9kW
额定转矩Ts=5.9N⋅m
最大转矩Tmax=53N⋅m
最高转速nmax=2000r/min
4、惯量匹配计算
通常在电动机惯量Jm与负载惯量JL（折算至电机机轴)之间。
推荐下列匹配关系：
1≤Jm/JL≤14 (5-22)
1）联轴器的转动惯量J1
根据丝杠轴部直径,选d=22mm,D=90mm的弹性膜片联轴器JM I 1
由《机械设计手册》表6-2-31，查得：
J1=7kg⋅cm2=0.007kgf⋅cm⋅s2
2）丝杠折算到电机轴上的转动惯量J2
参数d0=40mm，Ph=10mm 长度1000mm
由《机床设计手册-3》表6.6-28查得：
2kgf⋅cm⋅s转动惯量为0.01518
2J=0.01518⨯1=0.01518kgf⋅cm⋅s2故
3）工作台的转动惯量
由《机床设计手册-3》表6.6-29， 可知100kg的工作台折算到
丝杠上的转动惯量为： Ph=10mm的
J3=0.01651⨯0.1=0.001651kgf⋅cm⋅s2
4）传动系统折算到电机轴上的总转动惯量
JL=J1+J2+J3=0.007+0.01518+0.001651=0.023831kgf⋅cm⋅s2 (5-23)
5）电机的转动惯量Jm
由《加工中心设计与应用》查得：
Jm=0.045kgf⋅cm⋅s2
6）惯量匹配计算：
JL0.0238311==0.53≤JL/Jm=0.53≤1Jm0.045 即：4
符合惯量匹配关系.
5、伺服电机的加减速能力校核
快速移动加速时其最大转矩下按下列公式计算:
T=
nm2πnm(Jm+JL)+JL60ta (5-24) 式中： ——快速移动时的电机转速nm=1500r/min
ta——加减速时间 ta=3
ks
ks——系统开环增益 常取8~25
一般取ks=20 现取ks=20
ta=3=0.15s20 则：
JL——负载惯量 JL=0.0123kgf93⋅cm⋅s2
Jm2J=0.045kgf⋅cm⋅sm——电机惯量
2⨯π⨯1500T=⨯(0.045+0.023831)⨯10-1+0.023831=7.228
所以所选伺服电机满足要求。
5.4.3 Y向和Z向伺服电机的选择
选择方法同X向伺服电机的选择，选择同一款伺服电机。
5.5 丝杠上轴承的校核
校核受力最大时轴承的寿命
FAmax=2720÷2=1360N，FRmax=1200÷4=300N
1、计算当量载荷
FP=XFR+YFA (5-25)
其中：FR——轴承所受径向载荷；
FA——轴承所受轴向载荷；
X——径向载荷系数；
Y——轴向载荷系数；
由FA1360==4.5>e=1.14，查《机械设计手册》单行本 表6-2-58得： FR300
X=0.57，Y=0.93
.8N 所以：FP=XFR+YFA=0.57⨯300+0.93⨯1360=1435
2、轴承寿命计算
Cr=33.2KN；7206B/DF角接触球轴承ε=3，查《机械设计手册》单行本中 表
6-2-11取温度系数fT=1.0；查表6-2-10，取载荷性质系数fP=1.1。
由公式：
Lh10106fTC1061⨯332003=()=⨯()=103207.6h≈12年60nfPFP60⨯15001.1⨯1435.8 (5-26)
该类型轴承适合。
5.6 联轴器的选择
联轴器是机械传动系统中的重要组成部分，用来联接不同机构中的两根轴（主
动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。广泛的应用于冶金、化工、机械、车船、电子、飞机等工业部门。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还
有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动
轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
联轴器的选择原则：
选择联轴器时，应根据系统的载荷性质，轴的转速，两被连接轴的轴线位置
偏差，传动精度等选择联轴器型号。根据被连接轴的直径，转速和传递扭矩选择
联轴器的型号和结构尺寸。具体选择时应考虑以下几点：
1、原动机和工作机的机械性能 原动机的类型不同，其输出的功率和转速，
有的平稳恒定，而有的却是波动的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平
稳，有的有冲击或震动。这将直接影响联轴器的类型的选择，是选型的首要依据
之一。对于载荷平稳的，可选用刚性联轴器，否则选用弹性联轴器。
2、联轴器联接的轴系及其运动情况 对于联接轴系质量大，转动惯量大。而
又经常启动、反转或变速的，应考虑选用承受较大瞬时载荷并能缓冲吸振的弹性
联轴器。
3、工作机的转速高低 对于需要高速运转的联轴器联接，应考虑选择联轴器
的结构具有高平稳精度的特性。其中膜片联轴器对高速适应性较好。
4、联轴器的队中和队中保持特性 保持良好的队中是使运转正常的前提，防
止产生过大附加载荷及其他不良工况。
5、联轴器的结构及工作特性 联轴器的外形尺寸、安装、拆卸所需的空间大
小和难易程度以及对维护的要求等都应与联接机组的具体配置位置和要求相适
应。
6、联轴器的可靠性，使用寿命和工作黄金 对于要求运转可靠，不允许运转
工作临时中断的传动，最好选用不许润滑，无非金属弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境，应用有罩壳的联轴器。
7、联轴器的制造、安装和维护的成本 在满足使用要求的条件下，应使选择
的联轴器成本低，不需维护以降低维修费用。
综合考虑联轴器的选用原则，联系具体情况，立式加工中心丝杠与伺服电机
的联轴器选用弹性膜片联轴器。
膜片联轴器是靠膜片的弹性变形来补偿所联接两轴相对位置的偏差，是一种
高性能的弹性元件挠性联轴器，不用润滑，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，
无旋转间隙，不受湿度和油污的影响，适用于高温、高热、高腐蚀介质的工况环
境。
选择型号为JMI 1型弹性膜片联轴器。
结 论
在毕业之前的最后一个学期，我们进行了此次毕业设计。本次工作任务是完成
一台立式加工中心机械结构部分的设计，在设计中主要涉及以下几方面内容：机床结构设计、工作台的设计、丝杠的选型设计、伺服电机的选择、导轨的选型设计、主轴的设计、配重装置的设计等。
在此次设计过程中，我查阅了大量与立式加工中心有关的资料，为本次的设计
打下了良好的理论基础，在设计中还参阅了国内外的各知名厂家的产品样本、材料，使所设计的立式加工中心更接近实际情况，充分做到理论与实际相结合。
在以前所学习的课程中，我对加工中心有了一定的了解，而在这次设计中，我
通过查阅相关资料，借阅各种专业书籍，对所学知识有了更近一步的了解，在所选择的结构中，不仅要考虑它们的实用性，还要考虑它们的经济性等。对所选择的部件有的还需要校核以满足要求，在这次毕业设计中我学到了许多课本上未学到的知识，同时也锻炼了我的实际设计能力，使我受益匪浅。
此次毕业设计时间虽然只有一个学期，但从中学到的东西会使自己受益一生。
对于设计中的不足之处，还恳请批阅的老师给予批评指正。
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