立式加工中心X-Y轴传动机械结构设“cad【6张】三维图＋设计说明书

摘要

数控加工中心作为现代机械制造的重要设备，在国民经济的发展中占据着十分重要的地位。而立式加工中心作为数控机床的一种，在一定程度上反映着一个国家制造业的整体水平，因此我国应加大对于数控立式加工中心的设计和研究。

通过查阅文献，熟悉了解目前现有的立式加工中心的发展现状，本文分析了立式加工中心的组成结构，并完成其主传动系统X-Y轴的结构设计。X-Y轴主要是实现X、Y平面的坐标运动，通过步进电机驱动，带动立式加工中心的工作台进行移动，完成工件的加工。立式加工中心的X-Y轴主要是由电机、滚珠丝杠、直线导轨、工作台等组成，根据设计要求，本文主要完成了以下设计：

（1）完成立式加工中心X-Y轴的滚珠丝杆副的设计及校核；

（2）完成立式加工中心X-Y轴直线导轨的选型及校核；

（3）完成立式加工中心X-Y电机选型计算，联轴器选型计算，轴承的选型及校核；

通过本次立式加工中心X-Y轴结构的设计，学习到更加先进的数控制造技术，对推动了我国工业制造的发展具有深远的意义。

关键词：立式加工中心，滚珠丝杠，直线导轨，solidworks

1 绪论 1

1.1 选题的背景及意义 1

2 研究的现状 1

1.2.1 国外的研究现状 2

1.2.2 国内的研究现状 3

1.3 本次设计主要研究内容 4

2 立式加工中心的组成 5

2.1 床身与床身部件 5

2.1.1 床身结构 5

2.1.2 床身材料 5

2.1.3 床身的时效处理 6

2.1.4 床身部件 6

2.1.5 床身截面设计 7

2.2 工作台及工作台部分 7

2.3 总体的设计方案 8

3 传动系统的关键元件 9

3.1 直线导轨 9

3.1.1 直线导轨的原理 9

3.1.2 直线导轨的特点 9

3.1.3 直线导轨的优点 10

3.2 滚珠丝杠 10

3.2.1 滚珠丝杠副的原理 10

3.2.2 滚珠丝杠副的特点 11

3.2.3 滚珠丝杠副的优点 11

3.3 电机和丝杠之间的连接 11

4 传动系统X-Y轴的设计 13

4.1 丝杠螺母的选型计算 13

4.1.1 丝杠的选型计算 13

4.1.2 螺母的选型计算 15

4.2 直线导轨的选型计算 16

4.2.1 直线导轨的校核 17

4.3 联轴器的选型及校核 19

4.4 电机的选型及校核 20

4.5 轴承的选型及校核 20

4.6 Y轴的传动设计 21

4.6.1 Y轴的设计参数 21

4.6.2 丝杠螺母的设计 21

4.6.3 直线导轨的设计 22

4.7 床身的热变形 22

4.8 加强筋的设计 22

4.9 壁厚的确定 23

4.10 润滑与密封 23

5 立式加工中心X-Y轴的三维建模 24

5.1 solidworks 24

5.2 X轴的三维结构设计 25

5.3 Y轴的三维结构设计 25

5.4 立式加工中心X-Y整体的三维结构设计 25

6 主要零部件的有限元分析 27

6.1 ansys 27

6.2 材料的选择 28

6.3 网格的划分 29

6.4 分析与求解 29

7 总结与展望 30

7.1 总结 30

7.2 展望 31

致谢 32

文献参考 33

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

随着科技的快速发展，现代机械加工主要向着自动化和精密化的方向发展，数控机床作为现代机械制造的核心设备，在国家的发展中扮演着至关重要的作用 $1$ 。而立式加工中心则是数控技术的集中体现，通过对立式加工中心的研究可以提高我国机械加工领域的产业发展，提高我国在机械加工制造领域的的核心竞争力 $2$ 。我国大力发展数控立式加工中心还有一个重要的原因就是外国对于我国的技术封锁，因此我们只有依靠自己，不断发展壮大自己，才能使得我国在未来的国际竞争中占领一席之地 $3$ 。

本文以立式加工中心为主要的研究对象，设计立式加工中心X轴和Y轴的机械传动系统的设计，并对其机械结构设计和传动方案进行对比分析，为优化现有的立式加工中心传动系统具有一定的参考意义 $4$ $5$ 。与普通的机床相比，立式加工中心加工的产品性能更好、精度更高、适应性更强。其主要的原因是数控立式加工中心采用的是计算机控制，其自动化的程度很高。

通过前期对市场的调研发现，目前立式加工中心的发展比较迅速，竞争比较激烈，市场需求大，因此为提高产品的核心市场竞争力，我国急需要开发一种性能强悍的数控立式加工中心 $6$ $7$ 。于此同时立式加工中心的加工精度也比较高，因此本文重点研究立式加工中心X-Y轴传动系统的设计，对研发设计高速立式数控机床，对推动我国制造业的发展具有深远的意义 $8$ $9$ 。

1.2 研究的现状

随着计算机技术的发展，制造业在计算机的带动下也迎来了重大的进步，上世纪50年底，第一台数控铣床的问世，代表着以计算机为控制方式的加工制造技术登上了历史得舞台 $10$ 。经过七十年的发展，数控立式加工中心在机械制造加工领域已经发展成为一种无可替代的设备，立式加工中心已经广泛应用在航空航天、汽车制造、船舶工业等重工业领域。在进给方式和进给速度上，国外设计的机床大多采用的是滚珠丝杆加直线导轨的设计方式，其运行的最高速度达到80-100m/min，主轴的转速上限可以到达10000r/min，换刀速度在1s左右，甚至更快 $11$ $12$ 。

1.2.1 国外的研究现状

1952年美国设计制造了第一台数控系统，开创了世界数控技术发展的先河，20世纪80年代中期，数控基础进入高速发展阶段，1986年，三菱推出32位处理器的高速数控系统 $13$ ，90年代后，随着计算机数字芯片技术的发展，数控机床也得到了高速的发展，利用计算机强大的数据处理能力，数控系统具有更好地适用性和扩展性。进入21世纪，国外数控技术在控制精度上取得突破进展，推出Ai纳米高精度控制技术，可以充分保证插补中控制的精确性，实现纳米级插补 $14$ $15$ 。如下图1-1所以。