加工中心水平軸驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)【MDH125臥式加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu)】,MDH125臥式加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu),加工,中心,水平,驅(qū)動(dòng),裝置,設(shè)計(jì),mdh125,臥式,機(jī)械,結(jié)構(gòu)
本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告
論 文 題 目：一種加工中心的水平軸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院：
專 業(yè) 、班 級(jí)： 學(xué) 生 姓 名： 指導(dǎo)教師（職稱）：
年 1 月 10 日 填
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求
開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）；
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過；
3. 開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5. 開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊(cè)（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?
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一、選題依據(jù)1、研究領(lǐng)域
軍工、航天、汽車、模具、機(jī)械設(shè)計(jì)等。2、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強(qiáng)、技術(shù)資金密集，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步的重要保障和國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。
數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口。加工中心是高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國(guó)裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場(chǎng)占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關(guān)鍵功能部件國(guó)產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國(guó)裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。為此，研究臥式加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，形成高性能臥式加工中心的國(guó)產(chǎn)化、系列化和批量化能力，對(duì)于我國(guó)的制造裝備業(yè)以及對(duì)提升我國(guó)機(jī)床行業(yè)水平和保障國(guó)家重大工程的實(shí)施具有重要意義。
而驅(qū)動(dòng)裝置是機(jī)床的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，是機(jī)床的動(dòng)力來源，是機(jī)床及其重要的組成
部分，因此，更需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置，以制造出更加節(jié)能、高效的機(jī)床。3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)床是人類知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和科技成果的結(jié)晶，是工業(yè)發(fā)展必不可少的生產(chǎn)工具。機(jī)床是將毛坯料加工為要求形狀的機(jī)器，一般分為金屬切削機(jī)床、鍛壓機(jī)床和木工機(jī)床等。
加工中心是在數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)后，為了進(jìn)一步提高加工效率，減少輔助時(shí)間，將更換刀具的功能與數(shù)控機(jī)床集成而形成的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率更高的新型數(shù)控機(jī)床。目前，加工中心作為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、加工范圍最全的一類產(chǎn)品，已成為制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛的機(jī)床產(chǎn)品之一。世界主要經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展加工中心作為發(fā)展數(shù)控機(jī)床的首要任務(wù)，它的發(fā)展直接關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全。
我國(guó)臥式加工中心與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品還存在較大差距，具體表現(xiàn)為機(jī)床剛性不足、加工精度不高、整體結(jié)構(gòu)不緊湊和不易進(jìn)行高速加工等。不只在關(guān)鍵技術(shù)方面差距較大，機(jī)床可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量也有明顯的不足。
未來加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備。為加速我國(guó)加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。
目前機(jī)床主傳動(dòng)一般都是主電機(jī)通過普通三角帶傳遞到分級(jí)變速箱上的三角帶輪進(jìn)行傳動(dòng)或靠一種主電機(jī)和串聯(lián)分級(jí)變速箱，這種傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)只能滿足一般的變
速要求，但是如果需要更大的變速范圍，原有的這種傳動(dòng)裝置是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的。因此，還需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題
設(shè)計(jì)一套水平軸的驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)，結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床加工中心的發(fā)展形勢(shì)，主要設(shè)計(jì)加工中心水平軸驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)臥式機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，選定主傳動(dòng)功率，分析主軸形式并確定主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)。重點(diǎn)分析臥式機(jī)床水平軸進(jìn)給傳動(dòng)和主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)原理、分析提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能的措施，完成方案設(shè)計(jì)。
2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
(1) 查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢(shì)； (2)確定主要設(shè)計(jì)任務(wù)；
(3)確定各方面參數(shù)設(shè)計(jì)，計(jì)算主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； (4)設(shè)計(jì)水平軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；
(5)基本安全性的確認(rèn)；
（6）完成設(shè)計(jì)圖紙。
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
(1) 臥式加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)；
(2) 部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裝配圖和零件圖；
(3) 設(shè)計(jì)說明書；
(4) 外文文獻(xiàn)翻譯。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
（1） 整體設(shè)計(jì)方案的擬定
借鑒國(guó)內(nèi)外各優(yōu)秀臥式加工中心的機(jī)床參數(shù)確定合理的機(jī)床參數(shù)；分析各種臥式加工中心結(jié)構(gòu)布局，綜合考慮整體剛性、機(jī)床性能、制造成本、操作方便等因素， 確定切合實(shí)際的方案，在大連機(jī)床集團(tuán)完成本次設(shè)計(jì)。
（2） 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的理論分析
主要進(jìn)行機(jī)床三向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的理論分析，計(jì)算、校核絲杠及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的規(guī)格和型號(hào)；選定主傳動(dòng)功率，分析主軸形式并確定主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)。
重點(diǎn)分析 x 向進(jìn)給傳動(dòng)和主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)原理、分析提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能的措施， 完成方案設(shè)計(jì)。
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1-2 周 查閱文獻(xiàn)，資料等，撰寫論文開題報(bào)告； 第 3 周 修改完善論文開題報(bào)告；
第 4 周 翻譯外文文獻(xiàn)；
第 5-7 周 完成總體方案設(shè)計(jì)，完成總圖設(shè)計(jì)； 第 7-8 周 完成零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；
第 8-9 周 利用 Solidworks 進(jìn)行三維實(shí)體建模； 第 9-11 周 完成設(shè)計(jì)說明書；
第 11-12 周 修改完善說明書及各方面圖紙； 第 13-14 周 完善畢業(yè)論文，并準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
注：新起一頁(yè)。
閱后刪除此文本框。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述
文獻(xiàn)綜述
我國(guó)裝備制造業(yè)已經(jīng)形成門類齊全、規(guī)模較大、具有一定技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)體系， 成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，裝備制造業(yè)發(fā)展加快，重大技術(shù)裝備自主化水平顯著提高，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提升。我國(guó)已經(jīng)成為裝備制造業(yè)大國(guó)，但產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)、自主創(chuàng)新能力薄弱、基礎(chǔ)制造水平落后、低水平重復(fù)建設(shè)等問題依然突出。我國(guó)目前正處于擴(kuò)大內(nèi)需、加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)先進(jìn)裝備有著巨大的市場(chǎng)需求。必須采取有效措施，抓住機(jī)遇，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)裝備制造業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。
數(shù)控加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。它的綜合加工能力較強(qiáng)，加工精度較高，加工效率較快，對(duì)于形狀復(fù)雜、精度要求較高的單件加工或中小批量多品種更為適用。
發(fā)達(dá)國(guó)家如美、德、日一直重視機(jī)床技術(shù)和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，機(jī)床制造技術(shù)先進(jìn)， 因此其工業(yè)發(fā)展較快。
美國(guó)勇于創(chuàng)新，在汽車等行業(yè)實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)后，于 1952 年研制出世界
第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，并生產(chǎn) 100 臺(tái)，供軍工部門使用，效果良好。第一臺(tái)加工中心是 1958 年由美國(guó)卡尼–特雷克公司首先研制成功的，它在數(shù)控臥式鏜銑床的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)換刀裝置，從而實(shí)現(xiàn)了工件經(jīng)一次裝夾即可進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸和攻絲等多種工序的集中加工。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口數(shù)控機(jī)床作為國(guó)防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要的制造手段，是國(guó)防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證。因此，一些發(fā)達(dá)國(guó)家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制，限制我國(guó)進(jìn)口。加工中心是高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國(guó)裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場(chǎng)占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關(guān)鍵功能部件國(guó)產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國(guó)裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。因此，為使其得到更快更好的發(fā)展，研究加工中心的關(guān)鍵性技術(shù)已成為我們必須面臨的課題。
指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng)閱) 同意開題
審 教研室主任意見核
意見
簽字：楊鐸 日期：2018-01-12
同意
簽字：王建維 日期：2018-01-13
學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見
同意
簽字：吳蒙華 日期：2018-01-13
公章：機(jī)械工程學(xué)院
一種加工中心水平軸驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
摘要
裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供加工裝備的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其上下游產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、提供就業(yè)崗位多、技術(shù)資金密集，是各行業(yè)實(shí)現(xiàn)加工能力升級(jí)、產(chǎn)品進(jìn)步的重要保障和國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)裝備制造業(yè)已經(jīng)形成門類齊全、規(guī)模較大、具有一定技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)體系，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。但以臥式加工中心為代表的具有高性能、高自動(dòng)化、高附加值的高端數(shù)控機(jī)床卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。在世界產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整、國(guó)內(nèi)機(jī)床市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)、以及國(guó)家加快振興裝備制造業(yè)的關(guān)鍵時(shí)期，開發(fā)高性能的臥式加工中心勢(shì)在必行。
本文以MDH125臥式加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu)為主體進(jìn)行了研究。MDH125臥式加工中心是大連機(jī)床有限責(zé)任開發(fā)生產(chǎn)的具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，國(guó)際先進(jìn)水平的臥式加工中心之一，該機(jī)床廣泛適用于軍工、航天、汽車、模具、機(jī)械制造等行業(yè)的箱體零件、殼體零件、盤類零件、異形零件的加工，零件經(jīng)一次裝夾可自動(dòng)完成四個(gè)面的銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲的多工序加工。
設(shè)計(jì)結(jié)合企業(yè)臥式加工中心新產(chǎn)品的開發(fā)，簡(jiǎn)要論述了一種加工中心水平軸的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方案。依據(jù)國(guó)內(nèi)外多款優(yōu)秀臥式加工中心的機(jī)床參數(shù)，綜合考慮市場(chǎng)需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素，確定了設(shè)計(jì)的初始參數(shù)；分析各種臥式加工中心結(jié)構(gòu)布局，綜合考慮整體剛性、機(jī)床性能、制造成本、操作方便等因素，確定切合實(shí)際的方案。
關(guān)鍵字：臥式加工中心；水平軸；驅(qū)動(dòng)裝置
Abstract
The equipment manufacturing industry is the basic industry which provides the processing equipment for the national economy each profession, its upstream and downstream industry chain is long, provides the employment post many, the technology capital is dense, is each profession realizes the processing ability to upgrade, The important guarantee of product progress and the concentrated embodiment of national comprehensive strength. After years of development, China's equipment manufacturing industry has become an important pillar industry of the national economy. However, the advanced NC machine tools with high performance, high automation and high added value, represented by horizontal machining center, lags far behind the developed countries in equipment manufacturing. In the key period of adjusting the world industrial pattern, increasing the market demand of domestic machine tools and speeding up the revitalization of the equipment manufacturing industry, it is imperative to develop a high performance horizontal machining center. In this paper, the mechanical structure of MDH125 horizontal Machining Center is studied. MDH125 horizontal Machining Center is one of the leading horizontal machining centers with domestic and international advanced level, which is developed and produced by Dalian Machine tool Group Co., Ltd. The machine tool is widely used in the processing of box parts, shell parts, disk parts and special-shaped parts in the fields of military industry, aerospace, automobile, mould, machinery manufacturing and so on. The parts can be milled, boring, drilling, expanding and hinging automatically after a single clamping. Multi-process processing of tapping. Combined with the development of new products of horizontal machining center, a design scheme of driving device for horizontal axis of machining center is briefly discussed in this paper. According to the machine tool parameters of many excellent horizontal machining centers at home and abroad, considering the market demand, market competitiveness, product structure and other factors, the initial design parameters are determined, and the structural layout of various horizontal machining centers is analyzed. Considering the overall rigidity, machine performance, manufacturing cost, easy to operate and other factors, to determine the practical scheme.
Keywords: horizontal machining center; horizontal axis; driving device
目 錄
1.緒論 1
1.1設(shè)計(jì)背景 1
1.2選題意義 1
1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.4設(shè)計(jì)所做的工作 3
2.主要臥式加工中心分類及初始參數(shù)選定 4
2.1 低速大扭矩型 4
2.2 中速適用型 5
2.3 高速加工型 5
2.4 加工中心選型及其初始參數(shù)的擬定 6
3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論分析 8
3.1 主傳動(dòng)功率的選定方法 8
3.2 主傳動(dòng)功率–扭矩特性分析 8
4.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì) 12
4.1 電主軸結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì) 13
4.2 齒輪主軸結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì) 14
5.結(jié)論 18
附錄1：外文翻譯 20
附錄2：外文原文 24
致 謝 29
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1.緒論
1.1設(shè)計(jì)背景
裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強(qiáng)、技術(shù)資金密集，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步的重要保障和國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口。加工中心是高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國(guó)裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場(chǎng)占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關(guān)鍵功能部件國(guó)產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國(guó)裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。為此，研究臥式加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，形成高性能臥式加工中心的國(guó)產(chǎn)化、系列化和批量化能力，對(duì)于我國(guó)的制造裝備業(yè)以及對(duì)提升我國(guó)機(jī)床行業(yè)水平和保障國(guó)家重大工程的實(shí)施具有重要意義。
1.2選題意義
裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強(qiáng)、技術(shù)資金密集，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步的重要保障和國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的裝備制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口。加工中心是高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的代表，而臥式加工中心又是其中最具代表性、附加值最高的產(chǎn)品之一，是衡量我國(guó)裝備制造業(yè)水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)臥式加工中心在加工功能、加工精度、加工效率、系列化程度和市場(chǎng)占有率上存在較大差距。尤其是臥式加工中心關(guān)鍵功能部件國(guó)產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國(guó)裝備制造業(yè)快速發(fā)展瓶頸。為此，研究臥式加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，形成高性能臥式加工中心的國(guó)產(chǎn)化、系列化和批量化能力，對(duì)于我國(guó)的制造裝備業(yè)以及對(duì)提升我國(guó)機(jī)床行業(yè)水平和保障國(guó)家重大工程的實(shí)施具有重要意義。
本次設(shè)計(jì)，結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床加工中心的發(fā)展形勢(shì)，主要設(shè)計(jì)加工中心水平軸驅(qū)動(dòng)裝置，主要對(duì)臥式機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，選定主傳動(dòng)功率，分析主軸形式并確定主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)。重點(diǎn)分析臥式機(jī)床水平軸進(jìn)給傳動(dòng)和主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)原理、分析提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能的措施，完成方案設(shè)計(jì)。
1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外數(shù)控加工中心驅(qū)動(dòng)裝置的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床的改進(jìn)設(shè)計(jì)正處于發(fā)展的“黃
金時(shí)期”，已形成了新的行業(yè)。數(shù)控機(jī)床電主軸的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高速切削奠定了
基礎(chǔ)。在數(shù)控機(jī)床的電主軸研究方面，國(guó)外電主軸最早應(yīng)用于內(nèi)圓磨床。從
20 世紀(jì)末以來，隨著高速電機(jī)、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸在數(shù)控雕刻機(jī)、數(shù)控加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床應(yīng)用,成為近年來機(jī)床技術(shù)所取得的重大成就之一。
電主軸研究的主要方向有：高速電主軸的散熱、高速電主軸的潤(rùn)滑和冷卻等。
比如 G.Gan，S. B. Riffat，L. Shao，P. Doherty 等研究了電主軸的主要發(fā)熱部分是電主軸的內(nèi)置電機(jī)。J. Facao，A. Oliveira 研究了電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，各種電磁和機(jī)械的損耗產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)、輻射到主軸及外殼等結(jié)構(gòu)上，如果電主軸的冷卻效果不好，會(huì)產(chǎn)生較大的熱位移，這對(duì)主軸加工性能的影響很大。日本學(xué)者 Masaomi Tsutsumi 和 Keigo TADA 的研究指出，同樣的轉(zhuǎn)速，高速電主軸質(zhì)量大的比質(zhì)量小的升溫快。采用油霧和油氣冷卻，效果比較，在高速情況下，采用油氣潤(rùn)滑電主軸內(nèi)外溫度都比油霧潤(rùn)滑高，電力消耗更多。在數(shù)控系統(tǒng)研究方面，彭芳喻等提出 Nano 插補(bǔ)與控制技術(shù)已達(dá)到實(shí)用階段?！癗ano 插補(bǔ)”使用在全部插補(bǔ)以后，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的納米級(jí)加工；Mitsubishi 研制的 M700V 系列 CNC 系統(tǒng)也可完成 Nano 插補(bǔ)。在數(shù)控電主軸技術(shù)方面，目前國(guó)外的一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，均有技術(shù)先進(jìn)、裝備優(yōu)良，專業(yè)制造電主軸的廠家，可以批量生產(chǎn)各種高速、大扭矩的電主軸，最為著名的有瑞士的 IBAG ，美國(guó)的
SETCO ，德國(guó)的 FAG 和 GMN，日本的 KOYO 和 NSK 等。目前國(guó)外生產(chǎn)的電主軸最大轉(zhuǎn)速超過250000r/min，直徑在超過300mm，功率可達(dá) 150KW，最大扭矩超過 600N·m。這些國(guó)外生產(chǎn)的電主軸與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的相比有以下特點(diǎn)：①功率大、扭矩大、轉(zhuǎn)速高；②采用高速、高剛度軸承，例如陶瓷軸承、液體靜壓軸承、空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承等；③精密制造及裝配工藝水平高；④配套控制系統(tǒng)完善，例如主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子精密溫控系統(tǒng)，軸承油氣潤(rùn)滑精密控制系統(tǒng)等。
1.3.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控加工中心驅(qū)動(dòng)裝置的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
中國(guó)機(jī)床行業(yè)進(jìn)入21 世紀(jì)以來，得到了快速地發(fā)展，其中數(shù)控機(jī)床的發(fā)展較為突出，國(guó)內(nèi)的一些科研院所在相關(guān)方面的研究，促進(jìn)了電主軸的技術(shù)的發(fā)展，但與國(guó)外相比在性能、質(zhì)量、品種等方面還是有很大的差距。 我國(guó)從上世紀(jì) 90 年代以來開始研發(fā)適用于高速機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，在高速、超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域，如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面，也進(jìn)行了較多的研究。國(guó)內(nèi)電主軸技術(shù)領(lǐng)域中的專業(yè)有洛陽軸研科技股份、無錫開源機(jī)床、安陽萊必泰機(jī)械，氣體靜壓電主軸主要的研制單位有洛陽軸承研究所、北京機(jī)床研究所、航空部 303 所等。氣體靜壓電主軸加工精度高、轉(zhuǎn)速極高，適用于微小孔的鉆削以及精密零件的磨削，例如、光學(xué)鏡片、半導(dǎo)體元件等。氣體靜壓電主軸的加工效率高，所以目前氣體靜壓電主軸廣泛應(yīng)用于精密和超精密加工領(lǐng)域，其主要用在零件的加工要求精密、高效及微型化的高科技領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)電主軸產(chǎn)品與國(guó)外相比主要存在以下差距：①主軸轉(zhuǎn)速方面，國(guó)外用于加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速能達(dá) 75000r/min 以上，我國(guó)多在 30000r/min 以內(nèi)。②低速輸出扭矩方面，國(guó)外最大可達(dá) 630 N m，我國(guó)僅在 300 N m以內(nèi)。③主軸潤(rùn)滑方面，國(guó)外普遍采用油氣潤(rùn)滑，我國(guó)仍多采用油脂潤(rùn)滑。④主軸支承方面，國(guó)外已有動(dòng)、靜液體（氣）浮、磁浮軸承的成熟產(chǎn)品，我國(guó)仍處于實(shí)驗(yàn)研究及小批量試制階段。⑤配套控制技術(shù)方面，例如主軸電機(jī)閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、精確定位和定向、快速啟動(dòng)和停止、主軸智能監(jiān)控技術(shù)等方面有較大差距。⑥主軸刀柄、刀具接口、編碼器系統(tǒng)等的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，都由國(guó)外相關(guān)企業(yè)制定，國(guó)內(nèi)的電主軸沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化，難以滿足數(shù)控加工中心發(fā)展的需求，所以電主軸產(chǎn)品遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)需求，更無法與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。 高速電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：高速度、高剛度；高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩；高精度、高可靠性和工作壽命長(zhǎng)；快速啟動(dòng)、停止響應(yīng)速度加快；軸承及其預(yù)加載荷方式、潤(rùn)滑方式多樣化。
1.4設(shè)計(jì)所做的工作
通過學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料了解現(xiàn)在加工中心主軸伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)、相關(guān)技術(shù)的對(duì)比及市場(chǎng)前景，完成臥式加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理以及其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),通過自主設(shè)計(jì)并選擇最合理的方案， 了解機(jī)床水平軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理，并完成整體方案設(shè)計(jì)；完成主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裝配圖和零件圖等。
2.主要臥式加工中心分類及初始參數(shù)選定
對(duì)機(jī)床市場(chǎng)現(xiàn)有的臥式加工中心產(chǎn)品情況進(jìn)行收集與分析，是當(dāng)今成功研發(fā)出新產(chǎn)品的保障。而根據(jù)臥式加工中心的多種使用性能,可將其分為三大類:
2.1 低速大扭矩型
一些老牌的機(jī)床制造廠商,因?yàn)榫哂信P式鏜銑床的技術(shù)基礎(chǔ),便直接在臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)形式上加裝刀庫(kù)、換刀裝置,傳動(dòng)系統(tǒng)配置數(shù)控系統(tǒng),便改制出臥式加工中心。最顯著的特點(diǎn)是,機(jī)床的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式通常采用齒輪主軸,主軸的最高轉(zhuǎn)速普遍偏低,但保留了臥式鏜銑床主軸剛性較好、扭矩較大的優(yōu)點(diǎn)。
這類臥式加工中心往往秉承臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)布局,整體剛性好、加工范圍大、切削進(jìn)給速度較慢,立柱固定或參與1個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng),分體床身,其標(biāo)準(zhǔn)配置多為單工作臺(tái),示例如圖2.1。
（床身呈現(xiàn)倒T型結(jié)構(gòu)，框型立柱正掛箱結(jié)構(gòu)，直線交換雙工作臺(tái)，主軸3000r/min、1100Nm。）
圖2.1 中捷機(jī)床單/雙工作臺(tái)臥式加工中心
Fig. 2.1 Horizontal machining center with single or double table of SMTCL, China
2.2 中速適用型
以麗馳、友嘉等臺(tái)灣機(jī)床廠商和國(guó)內(nèi)新興加工中心生產(chǎn)企業(yè)為代表，依托數(shù)控系統(tǒng)和功能部件產(chǎn)業(yè)的成熟及大量國(guó)產(chǎn)化，利用數(shù)控系統(tǒng)不斷強(qiáng)大的功能，制造出機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的臥式加工中心。
這類臥式加工中心主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式大多采用皮帶傳動(dòng)主軸，有些加裝標(biāo)準(zhǔn)的齒輪變速箱（如ZF齒輪箱），可有限的提高主軸傳動(dòng)的最大扭矩。進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用“滾動(dòng)導(dǎo)軌＋滾珠絲杠”的傳動(dòng)組合。機(jī)床結(jié)構(gòu)布局跳出臥式鏜銑床的框架，普遍采用龍門框架對(duì)稱式動(dòng)柱結(jié)構(gòu)，主軸箱正掛。為適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展需求，一般配置可四軸聯(lián)動(dòng)的360°回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)配置雙工作臺(tái)。
這類機(jī)床，雖然加工精度不高，但制造成本低，使用范圍廣，以較高的性價(jià)比切入市場(chǎng)，如圖2.2。
（床身呈現(xiàn)正T型，立柱門式框架結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)交換雙工作臺(tái)，主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min、640Nm。）
圖2.2 臺(tái)灣麗馳。雙工作臺(tái)臥式加工中心
Fig. 2.2 Horizontal machining center with double table of LITZ, Taiwan
2.3 高速加工型
由制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家機(jī)床制造廠商為代表，遵循一種全新的開發(fā)理念——高效率開發(fā)，這類臥式加工中心主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大量采用了內(nèi)置式電主軸，進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用高速滾珠絲杠甚至直線電機(jī)。
機(jī)床結(jié)構(gòu)布局是以適應(yīng)高效率加工為目標(biāo)，按不同的側(cè)重點(diǎn)，采取了多樣化的結(jié)構(gòu)形式：對(duì)稱結(jié)構(gòu)、框架式架構(gòu)、重心驅(qū)動(dòng)等被成熟應(yīng)用。保證機(jī)床很好剛性的同時(shí)，也保證更加高的加工精度，多樣的自動(dòng)化方案也體現(xiàn)了靈活的設(shè)計(jì)理念，如圖2.3。
（直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩體式douBLOCK結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)交換雙工作臺(tái)，主軸18000r/min，快移100m/min。）
圖2.3 DMG臥式加工中心
Fig. 2.3 Horizontal machining center of DMG, German
必須特別指出的是，無論是老牌的企業(yè)還是新興的企業(yè)，往往在以上各個(gè)類型的臥式加工中心都有所涉足，只是各自產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間不同，針對(duì)的用戶群體不同，現(xiàn)階段的生產(chǎn)組織模式不同。面對(duì)多樣化的市場(chǎng)需求、不同的用戶操作水平和操作習(xí)慣、不斷涌現(xiàn)的機(jī)床材料和相關(guān)配套件，各種類型的臥式加工中心都具有一定的市場(chǎng)空間
2.4 加工中心選型及其初始參數(shù)的擬定
綜上所述，鑒于大連機(jī)床的MDH系列臥式加工中心已成功打入市場(chǎng)，且市場(chǎng)反應(yīng)良好。更大規(guī)格的MDH125臥式加工中心不能從低速大扭矩型切入，因?yàn)榕c幾家傳統(tǒng)的鏜銑床生產(chǎn)企業(yè)相比缺乏經(jīng)驗(yàn)，沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。不太容易在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中脫穎而出；假如在高速加工型切入，雖然緊跟了加工中心的發(fā)展方向，在國(guó)內(nèi)企業(yè)不掌握加工中心核心功能部件的關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)外企業(yè)壟斷關(guān)鍵功能部件的現(xiàn)狀下，我們既沒有技術(shù)基礎(chǔ)、又沒有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，成功幾率不高。
相反，如果從中速適用型切入，一方面國(guó)內(nèi)老牌機(jī)床制造企業(yè)也只是近幾年隨著加工中心向高速化發(fā)展才涉獵到這個(gè)領(lǐng)域，尚未確立領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，便于后來者的趕超；另一方面，由于這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的成熟，核心功能部件的大量國(guó)產(chǎn)化，加之國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外廠商對(duì)國(guó)內(nèi)廠商的競(jìng)爭(zhēng)壓力較小。
由此得出結(jié)論：大連機(jī)床MDH125臥式加工中心的開發(fā)方向定位于中速適用型。并確定以下設(shè)計(jì)原則：
（1） 面對(duì)市場(chǎng)，面對(duì)用戶，并且思考未來市場(chǎng)的發(fā)展和需求；
（2） 既要考慮機(jī)床的先進(jìn)性，又要兼顧機(jī)床的制造成本；
（3） 考慮組織生產(chǎn)的合理性，把現(xiàn)有MDH系列部件盡量統(tǒng)一，減少部件多樣性，使部件管理方便；
（4） 關(guān)鍵性配套件，應(yīng)選用可靠性強(qiáng)的名牌產(chǎn)品。
根據(jù)MDH系列臥式加工中心型普，初步確定加工中心參數(shù)。MDH系列臥式加工中心型譜及機(jī)床參數(shù)見下表2.1。
表2.1 MDH系列臥式加工中心型譜及機(jī)床參數(shù)
Tab. 2.1 MDH series horizontal machining centers’ family tree and specification
產(chǎn)品型號(hào)
（按照主參數(shù)）
40
50
65
80
125
工作臺(tái)（寬×長(zhǎng)）
mm2 /
4002
5002
6502
8002
12502
工作臺(tái)最大承載量
kg/
400
800
1300
2000
3000
X軸行程
mm/
630
780
1050
1400
1700
Y軸行程
mm/
620
750
900
1100
1400
Z軸行程
mm/
710
800
900
1050
1240
工作臺(tái)數(shù)
個(gè)/
2
2
2
2
2
主軸（最高）轉(zhuǎn)速
rpm/
8000–
12000
8000–
12000
8000–
12000
8000–
12000
8000–
12000
刀具的交換時(shí)間（T-T）
s/
1.2
2
2
2.5
2.5
快移速度
m/min/
60
54
54
45
45
3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論分析
3.1 主傳動(dòng)功率的選定方法
選擇主電機(jī)的首要條件是主傳動(dòng)功率N，并依據(jù)其得出整機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)床零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。而N包括和附加功率、切削功率和空載功率三部分，即
(3.1)
其中，切削功率可以根據(jù)不同工作情況下的最大切削力與最大切削速度計(jì)算得到，即
，() (3.2)
式中:
﹣-主切削力（）;v﹣-切削速度（）
空載功率是指機(jī)床在非切削（）狀態(tài)下，主傳動(dòng)系統(tǒng)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下消耗的功率，包含傳動(dòng)系統(tǒng)克服空氣阻力、所有零部件間的摩擦力等所需要消耗的功率。
想要精確分析空載功率是非常困難的，原因是它不僅僅與傳動(dòng)系統(tǒng)的制造、結(jié)構(gòu)和裝配質(zhì)量有關(guān)，而且和環(huán)境溫度，濕度，連續(xù)工作的時(shí)間等因素有關(guān)。傳動(dòng)部件越多、轉(zhuǎn)動(dòng)速率越高、軸承的預(yù)緊力越大、裝配的質(zhì)量就越差，則空載功率越大。一般可參照一臺(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)類似的機(jī)床進(jìn)行估計(jì)。
附加功率是指機(jī)床在切削（）狀態(tài)下，與空載功率切削載荷之后所增加的傳動(dòng)部件的摩擦功率相比，它和載荷的大小緊密相連
，() (3.3)
式中，——主傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率，就是指主傳動(dòng)系統(tǒng)中各傳動(dòng)副機(jī)械效率的乘積。
利用刀具制造商的切削數(shù)據(jù)估算軟件，比照國(guó)內(nèi)外相同規(guī)格產(chǎn)品主軸功率，確定本機(jī)床的主軸功率為。
3.2 主傳動(dòng)功率–扭矩特性分析
加工中心的主軸部件包括主軸傳動(dòng)、動(dòng)力以及主軸組件，在加工中心成型運(yùn)動(dòng)中，它是重要的執(zhí)行部件之一。
主軸按照動(dòng)力傳動(dòng)形式主要可以分為四類——內(nèi)置式電主軸、直聯(lián)式主軸、以及皮帶傳動(dòng)式主軸和齒輪傳動(dòng)式主軸。
齒輪傳動(dòng)式主軸是以齒輪傳送馬達(dá)扭矩，通常分為高低速檔。齒輪傳動(dòng)式主軸的最大優(yōu)點(diǎn)為可傳遞大扭矩，重切削能力優(yōu)良；最大缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)速受制于齒輪，不易實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。
皮帶傳動(dòng)式主軸是以齒形帶傳遞馬達(dá)動(dòng)力。其優(yōu)點(diǎn)是易組裝，易維護(hù)。缺點(diǎn)是高速時(shí)噪音大，皮帶張力不易控制等。
直聯(lián)式主軸連接馬達(dá)與主軸是以高剛性無間隙聯(lián)軸器。其優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械效率較好，剛性及溫升控制佳，適合那些需要高剛性，大馬力，高轉(zhuǎn)速的主軸；缺點(diǎn)是振動(dòng)平衡難以實(shí)現(xiàn)。
內(nèi)置式電主軸即將馬達(dá)與主軸合二為一，其運(yùn)轉(zhuǎn)原理與一般馬達(dá)相同，具有低振動(dòng)特性，動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度也較好，但因軸承跨距較大，所以剛性較弱，通常用于較高轉(zhuǎn)速的機(jī)床。
這其中電主軸和齒輪主軸為現(xiàn)今數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最廣泛的兩種主軸形式。
3.2.1 電主軸
近幾年電主軸依靠新技術(shù)、新材料在逐漸突破軸承剛性及電機(jī)扭矩的情況下，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。憑借其較高的轉(zhuǎn)速，更高的精度，以及裝配、維修更便利，較小的噪音等諸多優(yōu)勢(shì)，儼然成為了金屬切削行業(yè)研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)。
本文選擇的 高速大功率內(nèi)置的兩檔變速電主軸，不僅可以滿足高速度大功率切削,還可以低速度大扭矩加工。高速檔中最大額定可持續(xù)輸出功率可達(dá)到，30分鐘短時(shí)輸出功率為，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是；而低速檔的最大額定持續(xù)輸出扭矩是，30分鐘的短時(shí)間輸出扭矩則為。
圖3.1為電機(jī)的功率--扭矩特性曲線。
圖3.1 電機(jī)的功率﹣扭矩特性曲線圖
Fig. 3.1 Motor power- curve for the characteristic of torque
3.2.2 齒輪主軸
國(guó)家在重點(diǎn)發(fā)展制造業(yè)，特別是對(duì)于重工業(yè)，保持高度重視的態(tài)度，能適應(yīng)重切削加工的設(shè)備備受市場(chǎng)青睞，齒輪主軸這種傳統(tǒng)主軸形式又重新成為了各家機(jī)床制造企業(yè)的研究重點(diǎn)。大功率、大扭矩主軸擁有著廣闊的市場(chǎng)。
本文選擇的主軸電機(jī)，最大額定持續(xù)輸出功率可達(dá)到，30分鐘短時(shí)間輸出功率是，而電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為，計(jì)算轉(zhuǎn)速 是；目前可達(dá)最大額定持續(xù)輸出扭矩為，30分鐘短時(shí)間輸出扭矩是。經(jīng)過、、三檔齒輪變速，最大輸出扭矩可達(dá)。
電機(jī)的功率﹣扭矩特性曲線見圖3.2。
圖3.2 電機(jī)的功率﹣扭矩特性曲線圖
Fig. 3.2 Motor power- curve for the characteristic of torque
經(jīng)齒輪主軸箱變速后的主軸輸出功率﹣扭矩特性曲線見圖3.3。
圖3.3 主軸輸出功率﹣扭矩特性曲線圖
Fig. 3.3 Output power of spindle- curve for the characteristic of torque
機(jī)床主軸功率與扭矩的換算公式如下：
（3.4）
其中：
N﹣主軸功率（）
M﹣主軸扭矩（）
n﹣主軸轉(zhuǎn)速（）
4.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)
加工中心的驅(qū)動(dòng)裝置，指的是機(jī)床的主軸系統(tǒng)，主軸系統(tǒng)是安裝在主軸箱內(nèi)的。本機(jī)床已經(jīng)確定采用電主軸和齒輪主軸兩種主軸形式，安裝形式分別如圖4.1（上圖）、圖4.1（下圖）所示。本章將在機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的原理分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
圖4.1 主軸箱簡(jiǎn)圖
Fig. 4.1 Diagram for spindle head
4.1 電主軸結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)
自動(dòng)更換刀具是加工中心的一項(xiàng)基本功能。刀具利用主軸前端面定位，刀具的尾部安裝了拉釘，拉刀結(jié)構(gòu)置于主軸內(nèi)部（即為主軸拉桿），而位于拉桿前端的拉爪則拉緊刀具拉釘，拉刀力通常是通過彈性蝶簧組產(chǎn)生的，此時(shí)，位于刀具尾部的圓錐面就會(huì)和位于主軸前端的錐孔緊密接觸了。在想要卸刀或者換刀的時(shí)候，打刀機(jī)構(gòu)會(huì)壓縮彈性蝶簧組，從而使拉爪松開刀具。
依此設(shè)計(jì)本機(jī)床的電主軸結(jié)構(gòu)如圖4.4。
1.打刀桿、2.旋轉(zhuǎn)接頭、3.后軸承、4.碟簧組、5.電機(jī)轉(zhuǎn)子、6.電機(jī)定子、
7.主軸、8.主軸箱、9.拉桿、10.前軸承、11.拉爪、12.主軸錐面、13.刀具刀柄
圖4.4 電主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig. 4.4 Structure diagram for motor spindle
電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸套裝為一體，主軸是通過位于其前端的定位塊來固定刀柄的角向的。電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，而主軸會(huì)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，通過這種方法來實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)。
圖4.5 電主軸軸承配置簡(jiǎn)圖
Fig. 4.5 Configuration diagram for bearing motor spindle
本電主軸前端配置4列高速角接觸球軸承，后端配置單列圓柱滾子軸承。該軸承配置，高速性較弱，但徑向及軸向剛度較好。
4.2 齒輪主軸結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)
“現(xiàn)有的用于加工中心的主軸主要為電主軸和齒輪主軸兩種形式，電主軸可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，齒輪主軸可實(shí)現(xiàn)大功率、大扭矩?，F(xiàn)有的扭矩以上的齒輪主軸轉(zhuǎn)速大多在以下，這往往限制了作為通用加工設(shè)備的加工中心的使用范圍，更限制了生產(chǎn)效率的提高，另外齒輪主軸軸承大多采用脂潤(rùn)滑，這大大限制了主軸回轉(zhuǎn)速度（例如主軸軸承直徑采用脂潤(rùn)滑的主軸最大轉(zhuǎn)速在以下），因此現(xiàn)有的齒輪主軸造成工作效率低，使用范圍受限”[11-12]本機(jī)床重新研發(fā)出一種外形尺寸比較小、而具有跟高最高轉(zhuǎn)速的適用于臥式加工中心的齒輪主軸結(jié)構(gòu)，用來彌補(bǔ)現(xiàn)存技術(shù)的不足之處。
本齒輪的主軸結(jié)構(gòu)主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、齒輪軸4經(jīng)過聯(lián)軸器2和電機(jī)1連接起來，齒輪3套裝在齒輪軸4上，組成Ⅰ軸；齒輪5、6、7安裝在花鍵軸8上，組成了Ⅱ軸；齒輪11、12安裝在主軸14上，組成Ⅲ軸；通過三位氣缸推動(dòng)撥叉9，實(shí)現(xiàn)不同的兩對(duì)齒輪嚙合（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸依次轉(zhuǎn)動(dòng)），達(dá)到從驅(qū)動(dòng)電機(jī)1到主軸14的傳動(dòng)，如圖4.6。
1.電機(jī)、2.聯(lián)軸器、3.主動(dòng)軸第一齒輪、4.主動(dòng)軸、5.中間軸第一齒輪、6.中間軸第二齒輪、
7.中間軸第三齒輪、8.中間軸、9.撥叉、10.主動(dòng)軸第二齒輪、11.主軸第一齒輪、12.主軸第二齒輪、
13.撥叉軸承、14.主軸、15.第一軸承、16.第二軸承、17.第三軸承、18.第四軸承、19.第五軸承、
20.前油氣潤(rùn)滑通道、21.后油氣潤(rùn)滑通道、22.主軸前支撐套、23.主軸后支撐套
圖4.6 齒輪主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig. 4.6 Structure diagram for gear spindle
通過三位氣缸推動(dòng)撥叉（9）動(dòng)作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）位于右位時(shí)，主動(dòng)軸的第二齒輪（10）和中間軸的第二齒輪（6）相互嚙合，中間軸的第三齒輪（7）和主軸的第二齒輪（12）相嚙合，從而構(gòu)成低速檔，如下圖4.7。
圖4.7 齒輪主軸低速檔傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig. 4.7 Diagram for the low speed transmission of gear spindle
經(jīng)過過三位氣缸推動(dòng)撥叉（9）的動(dòng)作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）處于中位時(shí)，主動(dòng)軸的第二齒輪（10）和中間軸的第二齒輪（6）相互嚙合時(shí)，中間軸第二齒輪（6）和主軸第一齒輪（11）相互嚙合，從而形成中速檔，如圖4.8。
圖4.8 齒輪主軸中速檔傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig. 4.8 Diagram for the middle speed transmission of gear spindle
經(jīng)過三位氣缸推動(dòng)撥叉（9）動(dòng)作，使得中間軸齒輪組（5）、（6）和（7）位于左位時(shí)，主動(dòng)軸第一齒輪（1）和中間軸第一齒輪（5）相互嚙合，中間軸第二齒輪（6）和主軸第一齒輪（11）相互嚙合，從而構(gòu)成高速檔，如圖4.9。
圖4.9 齒輪主軸高速檔傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig. 4.9 Diagram for the high speed transmission of gear spindle
本主軸前端配置高剛度雙列圓柱滾子軸承和高剛度推力角接觸球軸承，中間配置高剛度雙列圓柱滾子軸承，后端配置單列圓柱滾子軸承。本軸承的配置，高速性比較弱，但是徑向和軸向的剛度很 好，是具有高剛度的軸承配置，如圖4.10。
圖4.10 齒輪主軸軸承配置簡(jiǎn)圖
Fig. 4.10 Configuration diagram for bearing of gear spindle
本齒輪主軸結(jié)構(gòu)經(jīng)過兩級(jí)三檔齒輪變速，得到30分鐘連續(xù)最大的主軸扭矩；同時(shí)，主軸軸承的潤(rùn)滑主要采取了油氣潤(rùn)滑的方式，讓主軸的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到。進(jìn)而讓該齒輪主軸能夠得到大扭矩、高轉(zhuǎn)速的兩重優(yōu)點(diǎn)。
5.結(jié)論
在經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的環(huán)境下，我國(guó)裝備制造業(yè)迅速發(fā)展，但以臥式加工中心為代表的高性能機(jī)床產(chǎn)品卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。在世界產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整、國(guó)內(nèi)機(jī)床市場(chǎng)需求旺盛、以及在國(guó)家振興裝備制造業(yè)的政策鼓勵(lì)下，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)在不斷進(jìn)步。本文結(jié)合開發(fā)MDH系列中更大規(guī)格的MDH125臥式加工中心新產(chǎn)品項(xiàng)目，對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)依據(jù)國(guó)內(nèi)外各優(yōu)秀臥式加工中心的機(jī)床參數(shù)，綜合分析市場(chǎng)需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、企業(yè)能力及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素，選定設(shè)計(jì)對(duì)象，并擬定了機(jī)床初始參數(shù)；重點(diǎn)研究了主驅(qū)動(dòng)形式，研究驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)的確定方法。
經(jīng)過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)加工中心的驅(qū)動(dòng)裝置有了更深的理解，還加強(qiáng)了我對(duì)大學(xué)四年中的基本知識(shí)的學(xué)習(xí)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是把我所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際操作的最效率的方法。在具體的設(shè)計(jì)過程中，一定要考慮到各個(gè)方面的問題，在理論上切實(shí)可行的沒有錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)用的過程中往往存在著各種各樣的問題。因此，在進(jìn)行加工設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮現(xiàn)實(shí)存在的問題，要結(jié)合實(shí)際出發(fā)，了解所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否合乎情理，在實(shí)際運(yùn)用中是否能正確運(yùn)行工作。畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我明白了從實(shí)際出發(fā)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不是只考慮理論上的執(zhí)行度。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過程中，我深刻的意識(shí)到一個(gè)看似簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)中要考慮很多東西，它其實(shí)并不是在我們看上去那么簡(jiǎn)單，它還包含很多知識(shí)。要完成一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)首先就要對(duì)它的功能和要起到的作用有充分的了解，然后要了解這些功能如何實(shí)現(xiàn)，需要什么樣的結(jié)構(gòu)才能完善這些功能，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，思考能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的結(jié)構(gòu)中，哪種結(jié)構(gòu)更加合理、更加高效、更加簡(jiǎn)單、更加方便。據(jù)所知道的相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，再適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行完善、創(chuàng)新，力爭(zhēng)用最低的成本展現(xiàn)最先進(jìn)的功能。最后根據(jù)所選擇的結(jié)構(gòu)得出想要的設(shè)計(jì)，適當(dāng)考慮設(shè)計(jì)的加工、材料、成本等問題。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄1：外文翻譯
多軸聯(lián)動(dòng)原理及應(yīng)用
Machining Center
加工中心
摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品零件的加工工藝越來越困難，加工精度也越來越高。多軸聯(lián)動(dòng)加工中心的應(yīng)用是解決這些問題的主要途徑。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心作為解決復(fù)雜曲面、曲柄軸等異形復(fù)雜零件的主要手段，在多軸聯(lián)動(dòng)加工中心中具有很強(qiáng)的代表性。
通過應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心對(duì)葉片進(jìn)行加工，得出了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心與三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)加工中心相比，質(zhì)量和效率提高的必要性和必要性。得出了多軸聯(lián)動(dòng)加工中心開發(fā)的可行性。
關(guān)鍵詞：多軸聯(lián)動(dòng)，原理，葉片加工。
介紹
機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的標(biāo)志?，F(xiàn)代數(shù)控加工正朝著高速、精密、智能化、柔性化、自動(dòng)化、可靠性發(fā)展的方向發(fā)展。多軸數(shù)控機(jī)床反映了以上幾點(diǎn)。多軸聯(lián)動(dòng)加工中心是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)功能關(guān)系的要求，控制多軸聯(lián)動(dòng)、同步運(yùn)動(dòng)。根據(jù)軸數(shù)，數(shù)控機(jī)床分為兩軸聯(lián)動(dòng)、兩軸聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)，機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的標(biāo)志?，F(xiàn)代數(shù)控加正朝著高、精密 、智能化、柔性化、自動(dòng)化、可靠性發(fā)展方向發(fā)展 。多軸數(shù)控機(jī) 床反映了以上幾點(diǎn)軸聯(lián)動(dòng)加工中心是數(shù)控系 統(tǒng) 根據(jù) 功能關(guān)系的要求，控制多軸聯(lián)動(dòng) 、同步運(yùn)動(dòng)根 軸數(shù)，數(shù)控機(jī)床 分為兩軸聯(lián)動(dòng) 、兩軸聯(lián)動(dòng) 、三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng) 、五軸聯(lián)動(dòng)由于工件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來越高，采用三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)已不能滿足許多復(fù)雜異形產(chǎn)品的需求。魏芳等人。對(duì)四軸加工工藝進(jìn)行了仿真，并與五軸加工中心進(jìn)行了切削速度和切削狀態(tài)的比較。結(jié)果表明，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的效率大大提高（1）。陳昊等人。認(rèn)為六軸聯(lián)動(dòng)加工大大提高了加工的靈活性和運(yùn)動(dòng)自由度，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)加工更多類型工件和更復(fù)雜曲面（2）。2014年10月，中國(guó)發(fā)射重型機(jī)床開發(fā)的一種機(jī)床的獨(dú)立，是用于加工螺旋槳，七軸六聯(lián)動(dòng)響應(yīng)客戶的要求，和機(jī)器做的很好。它的加工直徑最大，是世界上最復(fù)雜的機(jī)床[3 ]。與五軸聯(lián)動(dòng)加工中心相比，提高了加工精度和加工效率。通過五多聯(lián)動(dòng)加工中心的多軸加工，提高了加工效率和加工精度，但對(duì)專業(yè)人員和技術(shù)要求更嚴(yán)格，加工成本也增加，變窄；三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)加工CEN。然而，成本較低，不能達(dá)到這樣的精度和效率要求，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面加工。因此，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的需求也促進(jìn)了中國(guó)近年來。
五軸聯(lián)動(dòng)加工中心目前不是最先進(jìn)的多軸聯(lián)動(dòng)加工中心，它具有典型的代表意義，目前已得到廣泛應(yīng)用。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)也是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的標(biāo)志。
多軸聯(lián)動(dòng)加工中心的工作原理
多軸數(shù)控加工的研究主要包括三個(gè)方面：（1）加工過程的物理模擬與產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)，（2）過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析，（3）高效的數(shù)控加工工藝規(guī)劃。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是目前多軸聯(lián)動(dòng)加工中心研究的典型代表，它代表了目前機(jī)床制造業(yè)的最高狀態(tài)。詳細(xì)介紹了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的工作原理。
加工中心的結(jié)構(gòu)。
大多數(shù)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的結(jié)構(gòu)為3＋2。有三個(gè)直軸和三個(gè)輪齒中的兩個(gè)作為旋轉(zhuǎn)軸。根據(jù)三個(gè)直軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)組合，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有三種類型，分別是x、y、z、a、b（圖1）；x、y、z、a、c、x、y、z、b、c。通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式，有三種形式：轉(zhuǎn)臺(tái)式、轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)式和雙擺式〔4〕。由于物理原因，機(jī)床的規(guī)格尺寸和加工對(duì)象范圍由三種結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。
加工中心的特點(diǎn)。
五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的特點(diǎn)如圖2所示：（a）可避免刀具干涉，適應(yīng)性強(qiáng)，加工復(fù)雜零件，三軸聯(lián)動(dòng)加工中心難度大。（b）對(duì)于直紋表面零件，可以采用側(cè)銑加工，以質(zhì)量好、效率高的隊(duì)形加工。（c）對(duì)于一般的多層表面，特別是對(duì)于較大的平坦表面，可使用大直徑銑刀接近表面。這樣，刀具的進(jìn)給少，工件的剩余高度小。大大提高了加工效率和表面質(zhì)量。（d）五軸加工中心的優(yōu)點(diǎn)是能夠在單個(gè)設(shè)置中加工復(fù)雜形狀。這有助于提高表面的位置精度并獲得高效率。（e）當(dāng)五軸加工中心工作時(shí)，刀具相對(duì)工件表面的切削狀態(tài)最為有效。（f）在一定的加工條件下，使用大尺寸的刀具避免干涉，刀具同時(shí)處于良好的剛度狀態(tài)，提高了加工效率和精度。
加工中心數(shù)控系統(tǒng)。
它是多軸加工中心的大腦，也是決定加工中心功能和性能的主要因素。數(shù)控系統(tǒng)的研究主要包括三個(gè)方面：（1）多軸數(shù)控加工的精插補(bǔ)，（2）設(shè)備與工藝的相互作用，（3）數(shù)控加工過程的閉環(huán)控制。
從本質(zhì)上講，基于數(shù)控程序的輸入，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心CNC系統(tǒng)插補(bǔ)理想軌跡，然后將指令輸出到加工中心的執(zhí)行部件以加工需要的工件。數(shù)控系統(tǒng)的基本功能包括5個(gè)模塊：輸入、軌跡插補(bǔ)、伺服控制、反饋控制和自動(dòng)換刀。它是一個(gè)帶有位置控制的封閉式控制系統(tǒng)。為了保證運(yùn)行部件的正常運(yùn)行，反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量的執(zhí)行性能，并將可能的誤差信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，然后將可能的誤差信號(hào)與下一個(gè)輸入信號(hào)相結(jié)合。T信號(hào)作為執(zhí)行部件的輸出信號(hào)。高檔數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要素[4 ]：（1）多通道多軸聯(lián)動(dòng)；（2）空間刀具補(bǔ)償與優(yōu)化功能；（3）全閉環(huán)或雙閉環(huán)控制能力；（4）插補(bǔ)周期＜0.5 ms；（5）預(yù)測(cè)控制＞1000工序。（6）數(shù)據(jù)操作和切換單元
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