立式加工中心工作台结构与控制系统
摘要：高端数控技术是装备制造业实现智能自动化、柔性化的基础，是提高产品质量和生产效率的重要手段。近年来，我国数控机床朝着高速、精密、智能化方向发展。
本设计基于一种立式加工中心，对直线工作台的结构和控制系统进行设计。通过参考国内外优秀的机床工作台设计方式，与三维建模的方法，设计出符合要求的工作台；通过设计和计算对滚珠丝杆进行选型；选择合适的伺服电机作为动力；通过伺服控制器对伺服电机进行速度和位置的控制。
关键词：立式加工中心；工作台；控制系统；机械精度；
Abstract:High-end numerical control technology is the basis of intelligent automation and flexibility in equipment manufacturing,which is an improve product quality and production efficiency. In recent years,China’s numerical control machine is developing towards high speed,precision and intellectualization.
The design of this work mainly focuses on the structure and control system of the workbench of the vertical machining center. The high reliability of the workbench of the machine tool is ensured by adopting high reliability parts such as ball screw, linear guide, servo motor and reasonable structural design High efficiency and speed.
Key words: Machining centers, workbenches, Control system, ball screws
目录
第一章 绪论 2
1.1课题研究的背景和意义 2
1.2课题需要解决的问题与预期目标 3
第二章 总体方案的确定 3
2.1功能设计 4
2.2结构设计 4
2.3控制系统设计 5
第三章 机床进给传动系统设计 5
3.1技术要求 5
3.2各方向切屑力的计算 6
3.3导轨摩擦力的计算 6
3.4滚珠丝杆的设计与选型 7
3.5直线导轨的计算与选型 8
3.6电动机轴上的负载惯量 9
3.7计算坐标轴到电机轴上的力矩 10
第四章 机床控制系统设计 11
4.1 数控系统的选择 11
4.2伺服驱动器的选择 12
4.3 选择驱动电动机型号 13
第五章 其它辅助装置设计 14
5.1限位开关的选型 14
5.2联轴器的选型 15
5.3散热设计 16
5.4细节设计 17
总结 21
致谢 22
参考文献 23
附录 24
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着社会发展与进步，数字化控制技术的发展使各种复杂的零件生产成为可能。对于机械设计与制造人才的培养和储备也是衡量一个国家机械工业综合实力的一个重要指标。我国数控机床居全国首位，其中大多部分都是90年代开始引进和自主开发的。其使用年限超20年设备老化，陈旧对现有机床进行结构和控制系统的改造。本设计研究立式加工中心工作台结构与控制系统，其目的为了提高机床的精度，采用了滚珠直线导轨作为导向支撑，伺服电机作为驱动，使其结构紧凑，高精度、高效率。
1.2课题需要解决的问题与预期目标
世纪随着互联网时代的带来，党和国家领导人提出了中国制造2025计划，意味着我国对于机床的要求越来越高。例如早期的立式加工中心工作台机械结构都采用硬轨滑台，同步带或齿轮的传动方式。此滑台虽具有较高的机械加工刚性，但是已经无法满足当今社会发展所需。
1.设计需要解决的问题有一下几点：
（1）工作台的运动精度；
(2)工作台的刚度；
(3)工作台的抗振性能和热变形性能；
(4)降低噪声使其运动平稳；
(5)使其结构紧凑，高精度，高效率。
2.预期目标：设计一台能够满足本课题要求参数功能的立式加工中心工作台，同时在结构与运动精度上有所提高，实现立式加工中心的高速化、高精度作业。
(1)通过参考国内外优秀的机床工作台设计方式，与三维建模的方法，设计出符合要求的工作台；
(2)通过设计和计算对滚珠丝杆进行选型；
(3)选择合适的伺服电机作为动力；
第二章 总体方案的确定
本方案介绍了工作的结构设计过程和控制系统的组成，其中主要介绍了工作台的核心部件如：滚珠丝杆的选型计算、直线导轨的选型安装方法和要点、还有伺服电机连接结构的设计、电机安装底座的结构设计、机床导轨的定位设计、平台底部安装座的结构设计和优化。
工作台的导轨承担了对于平台的运动导向和支撑作用。同时工作台在工作过程中所受到的主轴切削力，还有冲击运动中的惯量。由于切削过程中产生灰尘所以对工作台产生污染，对工作台的密封与防尘问题是本设计所具有的功能。
（1）导向精度要高
导向精度指的是两条导轨之间相互平行。一条导轨作为依据，使用千分表校正另外一条导轨。如果两条导轨不平行，使机床在使用过程中出现大噪音，精度下降。
（2）加工工艺性要好
本设计需要考虑使用便利性，及机床的维修安装。导轨精密控制孔的间距设计和孔直接或间接影响机床安装时间的难易程度。
（3）精度保持性要好
精度保持的问题一直是我国机床的一大问题，我国目前所制造的机床在耐用性上比起先进国家的差距很大，所以对于导轨的设计要求精度保持是非常重要的一点。对于制造精密导轨的材料一般要经过长时间时效处理消除内应力，材料内部晶体稳定，才能保持工件的尺寸在长久使用中不会太大的变化。
（4）有足够的刚度
本设计中所使用的是双导轨支撑，因为有两条导轨所以对于机床的刚度满足，还是完全满足机床对于刚度的需求。
2.1功能设计
工作台要求的行程是800mm，在选择直线导轨与滚珠丝杆的长度参数上依据行程选择。依据这个参数选择伺服电机的功率。定位精度是30μm，重复定位精度是10μm ，依据此选择采用闭环控制保证精度。
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