立式加工中心机床结构设计文献综述

本科生毕业设计（论文）文献综述

题 目： 立式加工中心机床结构设计

姓 名：

学 号： 21

系 别： 机械工程系

专 业： 机械设计制造及自动化

年 级： 08级

指导教师： （签名）

年 月 日

摘要

本次毕业设计的题目是“立式加工中心机床结构设计”。同过网络资源和相关的书籍材料的查阅对本次毕业设计内容初步有一定的了解，下面主要介绍了加工中心的历史发展概况、现状、课题重点内容和问题的解决，研究方案的分析，已解决的问题和尚存的问题，重点、详尽地阐述对当前的影响及发展趋势。本次课题研究通过主轴箱、进给系统、刀库

和机械手等设计内容使学生对加工中心进一步了解，也使学生本人对本专业的发展有了一个较清晰的把握方向。

关键词：加工中心 主轴箱 进给系统 刀库 机械手

引言

加工中心最初是从数控铣床发展而来的。20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(mit)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。

二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有子管数控系统的数控床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。

本次课题研究的是立式加工中心机床是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。

1.加工中心的发展现状

加工中心（英文缩写为CNC全称为Computerized Numerical Control）：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。下面就举列了几种主要加工中心的类型，对其组成、布局、工艺、加工特点进行了详细的介绍：

1.1立式加工中心

立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心，如图2—1所示。其结构形式多为固定立柱，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘、套、板类零件，它一般具有二个直线运动坐标轴，并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台，用以加工螺旋线类零件。

立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。

1.2卧式加工中心

卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，如图 22 所示。卧式加工中心通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有3～5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。与立式加工中心相比较，卧式加工中心加工时排屑容易，对加工有利，但结构复杂，价格较高。

1.3龙门式加工中心

龙门式加工中心的形状与数控龙门铣床相似，如图2-3所示。龙门式加工中心主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型工件和形状复杂的工件

1.4五轴加 T 中心

五轴加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，如图2—4所示。五轴加工中心，工件一次安装后能完成除安装面以外的其余五个面的加工。常见的五轴加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转900 ，对工件进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转900 。，完成对工件五个表面的加工。

2.本次课题拟解决的问题

本次课题研究了立式加工中心机床结构设计主要有主轴箱设计、进给系统设计、刀库和机械手设计三大部分。设计开始过程中，我们应该第一时间对立式加工中心有比较深刻的整体认识，这有利于我们对于后面的设计内容有一个清晰的设计方向。

2.1主轴箱设计部分

主轴箱设计过程是整个设计的重点内容，在设计过程中，我们必须严格的计算加工时的切削用量，主轴进给量，以及主轴转速，来选择什么材料的主轴等零件。在主轴箱装配图设计时，箱壁各安装轴承处可以适当凸缘，加筋条。主轴箱应留有在床身上的安装定位的基准面。在整体布置时应考虑主轴的悬伸量、合理跨度；各传动轴上齿轮宽度、滑移齿轮必须保证一对齿轮彻底脱开，另一对齿轮才能进入啮合，并留有1-2mm间隙，不相邻轴上的齿轮在滑动中不互相干涉[6]。这个阶段内容比较多，设计的范围也较广，为了设计的参数合理，我们必须广泛的查阅书籍，资料，达到设计的合理和实用性。

2.2进给系统设计部分

在进给系统设计中，有关滚珠丝杠副的计算选择非常重要，滚珠丝杠副的选择关系到进给系统的定位精度对零件的加工的影响很大，所以在设计过程中我们应该严格按照数据要求去计算去选择相关配件的型号，尽可能使传动精度满足设计要求。反馈装置可以用脉冲编码器兼作位置和速度反馈，简化结构布局。还有丝杆的强度问题，若强度不够可以通过预拉伸来提高强度[5]。总之，设计过程中要做到有凭有据，严格按照要求不能乱来。

2.3刀库和机械手设计部分

刀库和机械手的设计在以往的课程设计都没有接触过，这对学生来将是一个挑战，无论是装配图的布局还是CAD制图的具体画法都需要重新去学习。首先决定刀库采用圆盘形结构，沿刀库主轴轴向安装。这种刀库结构简单且紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，刀库中的刀具需在换刀时位置作90度的翻转，这就机械手的设计来完成，在机械手的设计上可以是专用的机械手，其特点是动作少只重复完成换刀的工作，工作对象单一、结构简单、使用可靠等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，符合加工中心的工作要求[2]。

3.总体的设计方案

3.1主轴箱设计部分：

由题目数据要求—主电动机选择—传动设计（主传动方案拟定-传动结构式、结构网的选择）—传动件的估算（传动轴的计算、齿轮齿数的确定模数计算、带轮结构设计、离合器的选择计算）—动力设计（主轴刚度挠度等计算）—结构设计及说明（草图，展开图布

置、各轴的设计、齿轮设计等）。

3.2进给系统设计部分：

在进给系统设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭还方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杆的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择电机。

3.3刀库和机械手设计部分：

刀库采用圆盘形结构，沿刀库主轴轴向安装。

确定是专用于换刀的机械手—抓取机构的设计—机身机座的机构设计。

总结

通过这段时间查阅了加工中心的相关资料和文献，对加工中心的认识更进一步加深了，加工中心是非常典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展水平代表了一个国家设计、制造的水平，国内外企业都对其非常重视。

文献综述了加工中心的历史发展概况、现状、发展趋势及其部分系统的设计方案等有关毕业设计的任务内容，为接下来的工作罗列了设计的重点和相关知识的细节要点。

在查阅资料时，对于立式加工中心的整体认识更为完善，特别是在主轴箱、进给系统、刀库和机械手等设计内容的了解最为清晰，在对课题的各方面的充分了解的基础上，初步拟定了个系统的设计方案，这为接下来的毕业设计任务做好了充足的准备工作。

参考文献

[1] 吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版）.上海科学技术出版社，2010（08）.

[2] 《现代实用机床设计手册》 .现代实用机床设计手册编委会编. 北京：机械工业出版社

[3] 廉元国，张永洪编著 . 加工中心设计与应用 . 北京：机械工业出版社，1995

[4] 孙桓.机械原理（第七版）.西北工业大学机械原理及机械零件教研室.2006（05）.

[5] 笋志强编. 《机电一体化系统设计课程设计指导书》 . 北京：机械工业出版社,2007.5

[6] 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.西北工业大学机械原理及机械零件教研室.2006（05）.