机电工程学院

毕业设计方案

论证报告

设计题目: VMC4032加工中心立柱主轴设计  

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学    号：      ***********5         

专业班级：      机制F0802            

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2012 年 03月14日

目 次

VMC4032加工中心立柱主轴设计论证报告

1、任务书分析    

本设计任务书主要要求是完成V400性柔性制造单元主轴主轴箱部分方案选择，结构设计及零件设计，同时对于主轴支撑系统如立柱，Z方向进给系统如导

给定的条件和要求，主要参数要求如下：主轴伺服电机功率7.5/11KW，主轴转速0～6000r/min，自动无级变速，主轴内锥孔采用BT40#，具有定向停止功能，立柱、主轴箱具有较好的刚度，与床身联接尺寸协调。通过这次毕业设计对于机械的设计方案有一定的了解对于已经学习的课程做一个总结，学会整合所学习的知识，能够灵活运用。同时使自己检索文献的能力也有所提高，培养自己的自学能力解决问题的能力。对于三维软件的练习也是本次设计中所应当注意到的方面。

2、课题关键问题及难点

  主轴组件是加工中心的关键部件，包括主轴，主轴轴承及安装在主轴上的传动件，密封件等。对于加工中心，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须具有刀具自动加紧装置，主轴定向装置和主轴锥孔清理装置等结构。对于加工中心的进给系统及加工中心的丝杠导轨系统的精度设计，立式主轴的准停机构。立柱的刚度等都要做详细的论证。

2.1  主传动系统组成

在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，并保证刀具在主轴中正确定位，主轴必须设计有刀具自动夹紧、切屑清除和主轴准停装置。

在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24（BT40#）的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。

自动清除主轴孔中的切屑和灰土是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，就会划伤锥孔和锥柄表面，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀具正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。

对自动换刀数控镗铣床，切削扭矩是通过刀杆的端面键来传递的。为了保证自动换刀时使刀杆的键槽对准主轴上的端面键，主轴需停在一个固定不变的方位上，这由主轴准停装置来实现。 

制动装置。由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用，故必须装有制动装置（特别是滚珠丝杠处于垂直传动时）。图2.1a所示为数控铣床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图。当机床工作时，电磁铁线圈通电吸住压弹簧，打开摩擦离合器。此时伺服电动机受控制系统的指令脉冲后，通过液压转矩放大器及减速齿轮，带动滚珠丝杠转动，主轴电磁铁线圈亦同时断电，在弹簧作用下摩擦离合器压紧，使得滚珠丝杠不能自由转动，主轴箱就不会因自重而下沉了。超越离合器也可用作滚珠丝杠的制动装置。

图2.1a自锁装置

2.2  主轴部件的要求

2.2.1 回转精度高。

当主轴作回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变的，称为理想回转中心线。实际上，由于主轴部件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置称为瞬时回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线的距离，就是主轴的回转误差。而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。径向误差、角度误差和轴向误差很少单独存在，当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。

2.2.2 刚度大。

主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴部件抵抗变形的能力。主轴部件的刚度越大，主轴受力后的变形越小。若主轴部件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，加快其磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴的结构尺寸、支承跨距、所选用的轴承类型及其配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。

2.2.3 抗振性强。

主轴部件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而不发生振动的能力。若主轴部件抗振性差，工作时容易产生振动，不仅会降低加工质量，而且了机床生产率的提高，使刀具的耐用度下降。提高主轴的抗振性必须提高主轴部件的静刚度，常采用较大阻尼比的前轴承，必要时要安装阻尼(消振)器，使主轴部件的固有频率远远大于激振力的频率。

2.2.4 温升低。

主轴部件运转中的温升过高会引起两方面的不良结果：一是主轴部件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他元件的相对位置发生变化，直接影响加工精度；二是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙，破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作，严重时甚至会发生“抱轴"。数控机床为解决温升问题，一般采用恒温主轴箱。

2.2.5 耐磨性好。

主轴部件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位，以及移动式主轴的工作表面。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或经氮化处理，以提高硬度，增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，以提高其耐磨性。

2.3  支撑件设计

支撑件到的主要功能是成保证机床各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床具有足够的静刚度，抗震性，热稳定性和耐用度。所以支撑件的合理设计是机床设计的重要环节。对于支撑件应当满足的要求是，1应当具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。2.应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗和阻尼；整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构的共振，不会因薄壁振动而产生噪声。3.热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小。4.排屑通畅，调运安全，具有良好的结构工艺性。

2.4 导轨设计

导轨的功用是承受载荷和导向。对于导轨应当满足的结构技术要求是；精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。

2.5 进给传动系设计

 对于进给传动系统的要求是响应迅速，平稳抗震性好，结构简单，具有足够的调速范围。

3、方案论证

3.1主轴电动机

加工中心上常采用的主轴电动机为交流调速电动机和交流伺服电动机

交流调速电动机通过改变电动机的供电频率可以调整电动机的转速。加工中心使用该类型电动机时，大多数为专用电动机与调速装置配套使用，电动机的电参数（工作电流、过载电荷、过载时间、启动时间、保护范围等）与调速装置一一对应。主轴驱动电动机的工作原理与普通交流电动机相同。为了便于安装，其结构与普通的交流电动机不完全相同。交流调速电动机制造成本低，但是不能实现电动机轴在任意方向的准确定位。

交流伺服主轴电动机是今年来发展起来的一种高效能的主轴驱动电动机，其工作原理与交流伺服进给电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。交流伺服电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并且以很大转矩实现微小位移。用于主轴驱动的交流伺服电动机的电功率通常在十几千瓦到几十千瓦之间，其成本比交流调速电动机高出数倍。

3.2 传动方案

为了适应不同的加工要求，目前主传动系统大致可以分为三类。

3.2.1 方案一

二级以上变速的主传动系统 变速装置多采用齿轮变速结构。图3.2a所示是使用滑移齿轮实现二级变速的主传动系统，滑移齿轮的移位大都采用液压缸和拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。因数控铣床使用可调无级变速交流、直流电动机，所以经齿轮变速后，实现分段无极变速，调速范围增加。其优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。但由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置，成本较高，此外制造和维修也比较困难。

图3.2a 齿轮变速传动系统

3.2.2方案二 

通过带传动的主传动

一级变速器的主传动系统   目前多采用带（同步齿形带），传动装置，如图3.2b所示。其优点是结构简单，安装调试方便，且在一定的条件下能够满足转速与转矩的输出要求。但系统的调速范围与电动机一样，受电动机调速范围的约束。这种传动方式可以避免齿轮传动式引起的振动与噪声，适用于低转矩特性要求的主轴。

图3.2b带传动系统

3.2.3 方案三 

调速电动机直接驱动的主传动系统  如图3.1c所示，其优点是结构紧凑，占用空间小，转换频率高。但是主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性是完全一致的，因而使用时受到。  

图3.2c 调速电动机直接驱动的传动系统

3.2.4主轴传动系统

低速主轴常采用齿轮变速机构或同步带构成主轴的传动系统，从而达到增强主轴的驱动力矩，适应主轴传动系统性能与结构的目的。

图3.2d为立式加工中心的主轴传动结构。主轴转速范围在10~4000r/min。当滑移齿轮3处于下位时，主轴在10~1200r/min间实现无级变速。当数控加工程序要求较高的主轴转速时，PLC根据数控系统的指令，主轴电动机自动的实现快速降速，在主轴转速低于10r/min时，滑移齿轮3开始向上滑移，当达到上位时，主轴电动机开始升速，使主轴转速达到程序要求的转速。反之亦然。

图3.2d

主轴变速箱由液压系统控制，变速箱的滑移齿轮的位置由液压缸驱动，通过改变三位四通换向阀的位置改变液压缸的运动方向。三位四通换向阀具备中位锁定机能。当变速箱滑移齿轮移动完成后，有行程开关发出变速动作完成信号，数控系统PLC发出控制信号，切断相应的电磁铁电源，三位四通换向阀恢复为中间状态，锁定变速齿轮位置，同时机床操作面板上以LED指示灯显示机床处于“高速”或“低速”的状态。

V400教学型加工中心主轴范围为0~3000r/min，主轴电动机采用主轴交流伺服电动机，传动采用同步带实现同步带根据齿形不同可分为梯形同步带和圆弧齿同步带。梯形同步带由于根部有应力集中，而且在速度较高时会产生较大的振动和噪声，不适于主运动传动；圆弧齿同步带克服了梯形同步带的缺点，均化了应力，改善了啮合，因此在加工中得到了优先应用。主轴功率为3~11KW的加工中心多采用节距为5mm和8mm的圆弧齿同步带，型号为5M或8M。

3.3自动夹紧

手动夹紧，液压夹紧，气动夹紧，电磁夹紧都是夹紧机构，只是夹紧的方式不同而已，那么他们有什么不同，只是运用的地方不同，就如同机械传动，液压传动，气压传动，电力传动一个概念，机械传动特点是结构简单容易实现，坏处是结构笨重不易用于结构精密的地方。液压传动特点是传动效率高，缺点结构相对复杂，且不太干净，不利于环境，所以应用的多为大型设备。气压传动比较先进，其特点是柔性高，缺点传动效率低，但却在精密设备上利用得比较多。电磁运用目前相对应用较少，是将来发展的方向。电磁传动不需要介质可以直接起到传动作用。是较为先进的传动方式，大力提倡，只是目前应用有限。受电磁传动距离的。

图3.3a 气动夹紧系统图

自动夹紧刀具结构

加工中心主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具功能。如图3.3b所示主轴通过蝶形弹簧拉动拉杆在内套的作用下将刀柄的拉钉拉紧。当要换到时，要求松开刀柄，此时将主轴上端的气缸的上腔同压缩空气，活塞带动压杆使拉杆向下移，压缩蝶形弹簧使拉杆下移，在内套的作用下是刀柄松开，由机械手作用将刀柄取出。另一种刀柄拉紧机构是钢球拉紧机构。如图3.3c利用钢球将刀柄卡紧。工作原理与卡爪式的相似。但由于是立式加工中心受重力的作用不宜将钢球在没有刀柄的情况下固定故采用卡爪式的抓紧机构。

图3.3b

图3.3c

3.4主轴准停装置

在数控钻床、数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，由于特殊加工或自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上。所以在主轴上必须设有准停装置。准停装置分机械式和电气式两种。 

图 3.4a 所示机械准停装置的工作原理如下：准停前主轴必须是处于停止状态，当接收到主轴准停指令后．主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时4--6s，保证主轴转稳后接通无触点开关1的电源，当主轴转到图示位置即凸轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0.2--0.4s后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮5顶入凸轮定位盘的凹槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1S后行程开关IS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关lSl发出滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。 

3.5切屑清除

为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。活塞和拉杆的中心，都有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经活塞和拉杆的通道，由空气喷嘴喷出，将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。

3.6、加工中心的支撑系统设计

支撑系统包括主轴的轴承支撑和对于主轴部件的支撑系统床身立柱。其中主轴支撑有深沟球轴承，圆柱滚子轴承等，且每一种轴承都具有不同的特点和应用场合。   

深沟球轴承，适用于精密仪表、低噪音电机。产品特点：结构简易，使用维护方便。主要用来承受径向负荷、也可承受一定的轴向负荷，当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，可承受较大的轴向负荷。该类轴承摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化小。

调心球轴承，应用：适用于精密仪表、低噪音电机。产品特点：调心球轴承有圆柱孔和圆锥孔两种结构，保持架的材质有钢板、合成树脂等。其特点是外圈滚道呈球面形，具有自动调心性，可以补偿不同心度和轴挠度造成的误差，但其内、外圈相对倾斜度不得超过3度。

圆柱滚子轴承，行业应用:圆柱滚子轴承主要用于电机、机床、石油、轧机装卸搬运机械和各类产业机械。

产品特点:圆柱滚子轴承属分离型轴承，安装与拆卸非常方便。圆柱滚子轴承分为单列、双列和四列。       

根据轴承装用滚动体的列数不同，圆柱滚子轴承可分为单列、双列和多列圆柱滚子轴承。其中应用较多的是有保持架的单列圆柱滚子轴承。此外，还有单列或双列满装滚子等其它结构的圆柱滚子轴承。       

单列圆柱滚子轴承根据套圈挡边的不同分为N型、NU型、NJ型、NF型和NUP型等。圆柱滚子轴承承受的径向负荷能力大，根据套圈挡边的结构也可承受一定的单向或双向轴向负荷。NN型和NNU型双列圆柱滚子轴承结构紧凑，刚性强，承载能力大，受载荷后变形小，大多用于机床主轴的支承。FC、FCD、FCDP型四列圆柱滚子轴承可承受较大的径向载荷，多用于轧机等重型机械上。       

圆柱滚子轴承：可在高速运行状态承受重的径向负荷，单列EC型设计的圆柱滚子轴承具优化内部曲线，可提高轴承的径向和轴向负荷能力，同时提高对角度和对准误差的调节能力及改善润滑情况，省略了保持架的满滚子轴承可具有最多数目的滚子。适用于非常重负荷和中等速度的工况。

调心滚子轴承，应用:适用于精密仪表、低噪音电机、汽车、摩托车及一般机械等，是机械工业中使用最为广泛的一类轴承。 

产品特点: 外圈滚道呈球面形，具有自动调心性，可以补偿不同心度和轴挠度造成的误差，但其内、外圈相对倾斜度不得超过3度.  

①外圈滚道是球面一部分，轴承具有内部调心性能，以适应轴与座孔的相对偏斜。   

②可以承受径向重负荷和冲击负荷，也能承受一定的双向轴向负荷。   

③该类轴承可轴或外壳的轴向位移在轴承的轴向游隙范围内。   

④该类轴承结构原理与特性和调心球轴承相同，在负荷容量和极限转速许可的情况下，可以相互代用。   

⑤圆锥孔轴承通过使用紧固件或退卸可便于轴上的装折。

   对于轴承的支撑形式可以分为三种，双支点各单向固定、一支点双向固定，另一端点支点游动、两端游动支承。双支点各单向游动适合于高温场合，轴向游隙变化较大的场合。一支点双向固定，另一端支点游动的支承方式适合跨距较大且工作温度较高的情况，可以满足较大的热伸长量。对于双向游动的支承方式，只在人字齿轮轴中应用。

考虑到加工中心主轴的灵活性采用三对的轴承。同时对于稳定性的考虑机加床加工精度的考虑，主轴采用一端双向固定，另一端支点游动的支承方式。在主轴的前端采用采用双列圆柱滚子轴承同时为了调心可以加上角接触轴承来进行支承，在轴的尾部采用双列圆柱滚子轴承进行支撑同时为了增加轴的刚度在轴的中间增加一个游隙较大的轴承来实现。而对于Z轴方向的丝杠的轴承支撑要受到轴向力的作用采用角接触轴承即可承受轴向力，同时也可以承受一定的径向力的作用对于它的支承方式也采用一端双向固定，另一端支点游动的支承方式。在X轴的运动的丝杠的轴承则也采用角接触轴承，既承受轴向力的作用同时也可承受径向力的作用。支承方式与Z轴方式相同。

床身立柱可以有两种方案选择；铸造床身和采用钢板焊接床身。由于是教学型机床，生产批量较小，为了降低成本采用钢板焊接床身。对于钢板焊接的特点是，制造周期短，省去了制作木模和铸造工艺，支撑件可制作成密闭结构，刚性好，便于产品更新和结构改进，钢板焊接支撑件固有频率比铸铁高，在刚度要求相同的情况下，采用钢板焊接支撑件可比铸铁支撑件壁厚减少一半。如图4.1a

图4.1a

3.7、进给传动系设计

对于进给传动方案的设计可以采用直线电机或者是丝杠螺母副与导轨进行控制，由于直线电机，控制精度高，响应迅速，但却费用高。对于教学型立式数控机床采用丝杠螺母副与导轨的组合就可以满足要求。

同时进给电机可以采用步进电机，直流伺服电机或交流伺服电机进行控制。步进电机不能进行转矩控制，而小惯量直流伺服电机的额定转矩较小，必须与此轮江苏装置相匹配，结构复杂。大惯量直流伺服电机的转子温度较高，响应时间较慢，故也不采用。对于交流伺服电机随着技术的不断发展，没有电刷与换向器结构简单，可靠性好，比直流电动机的输出功率高，动态响应性好。故采用交流伺服电动机。

对于机床的直线运动导轨按截面形状可以分为矩形导轨、三角形导轨、燕尾形导轨和圆柱形导轨。由于是立式铣床加工中心，所以主轴的Z方向的运动要受到主轴箱的倾覆力矩的作用所以对于Z方向的导轨的选择只能是选用燕尾形的导轨防止倾覆。

对于X方向的运动，导轨的选择则可以选择矩形导轨，可以承受较大的载荷，刚度也高，制造简单。而三角型导轨不能够承受大的载荷所以最终的选择是X方向的运动导轨选择矩形导轨。

对于的选择可以选用滚珠丝杠进行传动，滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对于杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，对于立式加工中心支撑采用一端固定一段自由的方式进行支承。

4、本设计方案选择

本次的毕业设计方案选择，主轴电动机选择交流调速电机，主传动系统采用带传动调速装置进行，可是方案结构简单，同时预防过载。对于刀具的夹紧机构，可以采用卡爪式夹紧机构进行夹紧控制，采用电气式主轴准停机构进行准停控制。对于机床的立柱部分，采用焊接时的钢板立柱，结构简单成本低，适合于所用机床的生产。Z轴的导轨选择燕尾式的导轨进行传动支撑。同时采用丝杠螺母副进行力的传动，对丝杠的支撑可以采用角接触轴承的支撑方式。主轴采用一端双向固定，另一端支点游动的支承方式。在主轴的前端采用采用双列圆柱滚子轴承同时为了调心可以加上角接触轴承来进行支承，在轴的尾部采用双列圆柱滚子轴承进行支撑同时为了增加轴的刚度在轴的中间增加一个游隙较大的轴承来实现。而对于Z轴方向的丝杠的轴承支撑要受到轴向力的作用采用角接触轴承即可承受轴向力，同时也可以承受一定的径向力的作用对于它的支承方式也采用一端双向固定，另一端支点游动的支承方式。在X轴的运动的丝杠的轴承则也采用角接触轴承，既承受轴向力的作用同时也可承受径向力的作用。支承方式与Z轴方式相同。

5、进度安排

2012年2月21日~3月5  日    完成外文资料翻译

2012年3月6  日~3月19日    调研，完成方案论证报告

2012年3月20日~5月10 日    完成机械部分总体结构设计，零件设计

2012年5月10日~5月20 日    图纸资料整理，设计说明书撰写

2012年5月21日~5月31 日    答辩准备及资料、图纸修改打印、资料上交

2012年6月 2 日~6月5  日    答辩

参考文献

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