加工中心主轴组件结构设计开题报告 加工中心主轴组件结构设计 1 综述 1.1 本课题研究的意义 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的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生...
加工中心主轴组件结构设计 1 综述 1.1 本课题研究的意义 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的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。因此，专家们预言: 机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程来控制的技术；是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；是提升产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国防现代化的重要战略物质；是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。全力发展以数控技术为核心的先进制造技术已变成全球各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要方法。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖”重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，创出中国数字控制机床品牌，提高市场占有率是全方面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键。 1.2本课题要解决的问题 主轴组件是机床的一个重要组成部分，它包括主轴，轴承和安装在主轴上的传动件。主轴要求传递扭矩，直接承受切削力且还要满足通用机床，专用机床，数字控制机床各自不同的要求。主轴组件设计应满足的要求： 1） 旋转精度 是指轴类工件在装配后，在无负载、低速旋转的条件下，工件前端的径向跳动和轴向窜动量的大小。 2）刚度 指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面上的质量，还会造成振动。恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其他条件允许的条件下，尽量提高刚度值。 3)抗震性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗震性直接影响加工表面上的质量和生产率，应尽量提高。 4)温升和热变形 温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生明显的变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等原件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。 5)耐磨性 指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑剂方式。 设计时应考虑以上几点要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计
。 1.3 加工中心的发展现状 1.31 加工中心在国内的发展 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年变成全球机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数字控制机床产值的2.7倍。国内数字控制机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距越来越明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此能够看出国产数控机床特别是中高档数字控制机床仍然缺乏市场竞争力，究其问题大多在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进的技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1.32 数字控制机床发展的新趋势 1 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的快速地发展以及铝合金等新材料的应用，对数字控制机床加工的高速化要求慢慢的升高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min； （2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。 2 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 （1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差做综合补偿。研究根据结果得出，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%； （3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 3 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床来加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法有着非常明显的优势。 工艺流程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的逐步的提升，大量的多轴联动数字控制机床慢慢的受到各大企业的欢迎。 在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 4 控制智能化 随着人工智能技术的发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数字控制机床的智能化程度在逐步的提升。具体体现在以下几个方面： （1）工艺流程自适应控制技术：通过监测工艺流程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并依据这一些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运作时的状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备正常运行的安全性； （2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，进而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的； （3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位； （4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整
系统的各种信息，对数字控制机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出处理问题的办法，积累生产经验； （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制管理系统参数来优化和调整，使驱动系统获得最佳运行； （6）智能4M数控系统：在制作的完整过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 5 体系开放化 （1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的
，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就从另一方面代表着系统的开发费用将大幅度的降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （2）向用户特别的条件开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，以此来实现整个制作的完整过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，经过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设施，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的格外的重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设施”。 7 极端化(大型化和微型化) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能好的数字控制机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 8 信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是很重要的。既能轻松实现网络资源共享，又能实现数字控制机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数字控制机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，可以在一定程度上完成语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除一些故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 9 新型功能部件 为了更好的提高数字控制机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。有代表性的新型功能部件包括： 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中 已经获得广泛的应用； 直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防 护等关键技术的应用，物理运动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永 磁式同步直线电动机已开始大范围的应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等； 德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机； 电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大幅度简化数字控制机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。 10 高可靠性 数字控制机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数字控制机床的可靠性极为不利，而数字控制机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时之后。为了能够更好的保证数字控制机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时之后，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障上班时间达800小时之后，而国内最高只有300小时。 11 工艺流程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化逐渐重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在持续不断的发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 12 多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人类能通过窗口和菜单做相关操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术能做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产的全部过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。 2 方案论述 2.1 本课题涉及的主轴部件 主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由电动机、主轴传动系统和主轴组件组成。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震性。 主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。机床加工时，主轴带动工件或刀具参与表面成形运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产率等有着重要的影响。 2.2 主轴 设计高速数字控制机床的主轴组件时，主轴应满足高速度和高刚性的要求；设计高精度数字控制机床时，主轴应满足高精度低温升的要求。 主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内空直径、悬伸长度、和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适合使用的范围。主轴材料的选择主要是依据刚度、在和特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定，主轴材料常采用的是45钢，GCr15等，须经渗氮和感应加热淬火。 2.3 主轴组件的支承 2.31 主轴轴承的类型 滚动轴承和滑动轴承 2.32 主轴轴承的配置 2.33 主轴轴承的预紧 1） 轴承内圈移动 2） 修磨座圈 2.4 主轴组件的润滑和密封 2.41 主轴组件的润滑 1） 油脂润滑方式 2） 油液循环润滑 3） 油雾润滑方式 4） 油气润滑方式 2.42 主轴组件的密封 1） 接触式密封 主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封 2） 非接触式密封 a） 利用轴承盖与周的间隙密封 b） 在螺母的外圆上开锯齿形环槽 c） 迷宫式密封结构 2.5 主轴准停装置 主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有的装置，也叫主轴准停机构。 加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式。机械方式选用机械凸轮等机构和光电盘方式来进行初定位，然后由一个定位销插入主轴的销孔或是销槽来完成精定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。采用这样的形式定向比较可靠准确，但结构很复杂。 目前常采用的是电气方式的用磁力传感器检验测试定向，其工作原理是在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1-2毫米处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当与主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构相对比较简单，定向时间短，可靠性高，所以应用广泛。 2.6 切屑清除机构 为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀布置。 2.7 进度计划 第1周~第3周：查阅资料，英文翻译，写开题
； 第4周~第6周：查阅资料，进行主轴组件的结构设计； 第7周~第9周：结构分析与验算； 第10周~第14周：计算机绘制结构设计图纸，手绘图纸； 第15周~第16周：编写毕业设计说明书； 第17周~第18周：评审、答辩。 参考文献 [1]北京航空学院机械加工教研室.数字控制机床的结构与传动[M].北京:国防工业出版社，1977. [2]沙杰，刘战术等.加工中心结构、调试与维护[M].北京:机械工业出版社，2003 [3]夏田.数控加工中心设计[M].北京:化学工业出版社，2007 [4]上海纺织工学院.机床设计图册[M].上海:上海科学技术出版社，1979 [5]廉元国，张永洪.加工中心设计与应用[M].机械工业出版社，1995 [6]杨美英.数字控制机床主轴组件设计及刚度计算[J].机械工程与自动化，2004，123(2):73-74 [7]阎树田，龚俊等，计算主轴最佳跨距的新方法[J].机械设计与制造，2001，5:100-101 [8]关慧贞，冯辛安等，机械制造装备设计[M].北京:机械工业出版社，2010.
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