加工中心主轴组件结构设计开题报告
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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进行控制的技术； 是制造业实 现自动化、柔性化、集成化生产的基础；是提高产品质量、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。 大力发展 以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界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途径。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，创出中国数控机床品牌，提 咼市场占有率是全面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所在。 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，轴承以及安装在主轴上 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， 数控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质量，还容易引起振动。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。 设计时应综合考虑以上几点要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案 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，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、 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 内数控机床产值的2.7倍。国内数控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更加明显，70%^上的此类设备和绝大多数的功能部件 均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞 争力，究其原因主要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数控机床发展趋势
1高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用， 对数控机床加 工的高速化要求越来越高。 (2)进给率：在分辨率为0.01 pm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 0.1呵、0.01 pm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 0.01 pm/脉冲)，位置伺 服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； (2) 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进行综合补偿。 研究结果表明，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
（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 ; 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铳钻复合 一一加工中 心、车铳复合——车削中心、铳镗钻车复合——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。 采用复合机床进行加工，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具有 明显的优势。 加工过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，该加工中心能够完成车削、铳削、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不断提高， 大量的多轴联 动数控机床越来越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、 五轴联动高速铳削中心等。 4控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床 的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： (1 )加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、 电流、电压等信息，禾U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，并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度) 和加工指令，使设备处于最佳运行状态， 以提高加工精度、 降低加工表面粗糙度并提高设备 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，从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：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各 种错误和事故进行回放和仿真， 用以确定错误引起的原因， 找出解决问题的办法， 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，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行； （6）智能4M数控系统：在制造过程中，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标准协议，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，这就意味着系统的开 发费用将大大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）向用户特殊要求开放：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；
