摘 要 加工中心是世界机械制造业的重要设备，是衡量一个国家装备制造业的标准鉴于国内的加工中心在效率和精度上都和国外有一定差距，本次设计以更深入的了解加工中心以及填补国内高性能加工中心的空缺的目的，就加工中心做了研究，设计了一台五轴铣削加工中心五轴铣削加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成本文首先确认五轴铣削加工中心的整体布局方案，然后对其各个轴的传动系统进行设计分析，然后对刀库的液压系统进行设计，最后完成整个五轴铣削加工中心电气控制系统的设计关键词：整体布局，五轴铣削加工中心，液压系统，控制系统、AbstractMachining center is the world's important equipment of machinery manufacturing, is a measure of a country the equipment manufacturing industry.In view of domestic processing centers both in efficiency and precision and abroad have a certain gap, this design to go deeper into the processing center, and fill the gaps in the domestic high performance machining center, the purpose of machining center to do the research, a five-axis milling machining center is designed.Five axis machining center is mainly composed of spindle component, rotary table, moving workbench, knife library and automatic tool change device, and other function of mechanical parts.This paper confirmed the overall layout scheme of five axis machining center, then the design and analysis of each shaft transmission system, hydraulic system to carry on the design of knife library, then finally complete the five axis machining center of electric control system design.Key words: the overall layout, five axis machining center, the hydraulic system, control system目 录摘 要 iAbstract ii第1章 引 言 11.1 引言 11.2 课题研究的难点 21.3 课题研究的意义 2第2章 五轴铣削加工中心总体布局方案设计 42.1 床身结构的选择 42.2五轴铣削加工中心的布局设计 5第3章 加工中心传动部件设计 63.1 主轴的设计 63.1.1 主轴形式的确定 63.1.2 电主轴的选择 63.2 加工中心进给系统类型选择和导轨选择 73.2.1 进给伺服系统类型选择 73.2.2 进给伺服系统导轨的选择 73.3 加工中心进给系统计算 83.3.1 加工中心X向进给设计计算 93.3.2 加工中心Y向进给设计计算 143.3.3 加工中心Z向进给设计计算 19第4章 数控系统电气原理图设计 244.1主电路 244.2控制电路 254.3伺服电气图 254.4主轴电机电路 27第5章 自动换刀装置的控制原理 285.1 自动换刀装置的液压系统原理图 285.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 28总结 30参考文献 31致谢 3336 第1章 引 言1.1 引言加工中心（Machining Center）是具备刀库并且可以自动换刀对工件实行多个工序加工的数控机床。
它是适应时代发展要求应运而生的高端设备，综合了电子技术、计算机技术、软件技术、液压技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测试传感技术以及刀具和应用编程技术，并将数控钻床、数控镗床、五轴铣削加工中心结合到一台机床上，再配备自动换刀系统，在一次加工中，根据各工序的需要，自动选择刀具，改变主轴转速，进给方式及进给量；可以完成诸如多个面的加工、孔加工、倒角加工、环形槽加工以及攻螺纹之类的多种加工方式1952年第一台数控机床问世，是机械加工在自动化上产生一大飞跃能够达到两坐标以上联动的数控机床在精度和效率上都普通机床上加工的复杂零件高出许多1958年世界上第一台的数控加工中心在美国的卡尼特雷克公司宣告诞生加工中心的出现是数控加工上的又一次大飞跃，功能上的三个大改进决定了它是人类工业历史上的一个重要事件第一：在五轴铣削加工中心和镗床的基础上，使用了自动换刀系统，这样只要通过一次装夹就可以完成在工件上进行钻削、铣削、镗孔、攻螺纹等工序；第二：加工中心上装有带有回转和摆动功能的工作台或者多转向的万向铣头，这就意味着在一次的装夹中，可以完成多个方向、多个平面和多个角度的加工；第三，有的加工中心上具有交换工作台，一个工件在工作位置上进行加工的同时，已经加工的工件在拆卸位置进行拆卸，待加工的工件在装夹位置进行装夹，一次加工连着一次加工，效率极高。
有上述可见，加工中心在又在数控机床柔性、加工效率和自动化程度上实现了新的变革，又上了一个新台阶1.2 课题研究的难点本课题的五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于表面形状特别复杂而精度要求相当高的工件的加工，具有高技术、高效率、高效益等特点，是目前机械加工领域的“制高点”在发达国家，许多有实力的数控机床制造公司都以五轴联动技术为攻关课题进行研究，近些年来已应用得较为普遍和成熟但其核心技术对外实行严格的技术封锁我国在加快经济发展的新形势下，目前像宇航、军工、造船、机车等许多重点领域及行业急需这种装备，因而开发研制拥有自主知识产权的五轴联动数控机床，进而提升国内制造业装备水平己成为当务之急但对于汽车工业、航天航空工业、船舶工业、兵器工业急需的高速、高精、复合、多轴联动的数控机床，如五轴联动的立卧转换加工中心、高速加工中心、精密加工中心、五轴龙门加工中心、高精度数控机床、高性能车削中心、高精度电加工机床等，有的处于攻关阶段，有的还处于试制和试生产阶段，与国外同类产品相比尚有不小差距国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。
由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义1.3 课题研究的意义目前由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！第2章 五轴铣削加工中心总体布局方案设计2.1 床身结构的选择加工中心有各种结构布局形式，常见的有立式、卧式和斜置式，本次设计为立式加工中心结构。
立式加工中心在加工中心的总数中占了最大比例，应用的范围最大常见的形式为十字滑鞍工作台不升降结构、T形床身立柱移动结构、立柱全动式结构立柱全动式结构即为工作台不动，而立柱实行X轴、Y轴、Z轴的三个方向进给机床在三个轴向的运动与工件的重量无关系，所以承载比较稳定，而这有利于对机床的定位精度和精度保持性的提高；立柱的移动在床身的后方上，这样床身的前端只有回转工作台和床身两层结构，与传统的四层结构相比减少可机床前端的结构层次，更有利于对机床刚性的保持，而且回转工作台的高度也降低了，便于操作；切削时主轴的轴向切削力和Z轴的进给力在同一个方向上，使得主轴承受较小的弯曲力矩，加工精度可以保持比较高对于本次设计的高精密加工中心，最为合适图2-1为机床结构布局图图2-1机床结构图2.2五轴铣削加工中心的布局设计五轴联动的布局分为三种形式：第一：双转台五轴联动机床结构，该结构两个转轴都设置在工作台上，A轴在YZ平面旋转为摆头，C轴在XY平面旋转为回转第二：单转台单摆头五轴联动机床结构，该结构一个旋转轴设置在工作台上另一个在主轴上，A轴在XZ平面旋转为摆头，C轴在XY平面旋转为回转第三：双摆头五轴联动机床结构，该结构两个旋转轴都设置在主轴上，A轴在XZ平面旋转为摆头，C轴在XY平面旋转为回转。
双转台结构在加工时由工作台来回转和摆动，所以加工工件的尺寸受工作台工作面大小的限制，比较适合加工体积较小的零件；在加工中主轴始终是竖直方向，切削力和进给力方向一致，刚性较好，可以完成对切削力要求更大的工件，对精度的保持也比较好所以选择双转台结构来实现五轴联动，具体见方案布局图第3章 加工中心传动部件设计3.1 主轴的设计3.1.1 主轴形式的确定为了实现高精密加工，使用高速切削是一个重要的途径，提高到10倍的切削速度再加上提高到20倍的进给速度，在这远远超出常规切削的速度之上，切削的机理也将发生本质的变化这将造成单位功率的金属切除率提高百分三十到百分四十，切削力也将因此下降百分三十，而刀具的寿命则将提高百分之七十，切削热也将更少的传入到工件和刀具中，切削震动也会降低到几乎没有这意味着必须将主轴转速提高到10000r/min以上，而普通的运用到齿轮传动的主轴电机是无法满足这样的要求的，所以就要采用一种新的设备——电主轴电主轴融合的多种技术，取消了一般主传动的齿轮变速装置，运用电气控制的无极变速，设置的内置电机使得主轴内部结构紧凑从而可以达到高转速高速的轴承：液体静压轴承是目前最适合高速电主轴的轴承，运动的精度高，承载的能力强，动态的刚度好，回转的精度高。
能够大幅度的使加工效率、加工精度得到提高，轴承寿命也是近乎无限长，同样对刀具的寿命也可以有效的加长高速的电机：电主轴的电机和主轴是结合在一起的，电动机的转子直接和主轴连接在一起，也就是说电主轴就是一架高速电动机，并且在高速的状态下也可以很好的保持动平衡，即实现了高速切削也增加了精度自动换刀装置：为了配合加工中心的刀库，电主轴都配备有自动换刀机构，蝶形弹簧拉刀杆、拉到气缸等等3.1.2 电主轴的选择经过查找，选择了西门子公司的F210S.12.22电主轴，数据见表3-13-1 电主轴参数主轴编号主轴额定功率主轴额定转速主轴直径主轴刀具接口F210S.12.2222kw12000rpm210mmHSK-A6312000rpm的高转速可以确保高速加工技术的运用，而22kw的功率则保证机床在高速切削时的转矩可以满足要求，HSK刀柄也是现在高速切削加工的关键技术，有着极高的刚性、轴向定位精度高、重复精度高、完美的力矩传递等优点3.2 加工中心进给系统类型选择和导轨选择3.2.1 进给伺服系统类型选择伺服系统分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统开环伺服系统结构简单，容易调整，但是旋转速度和转角大小主要取决于脉冲的频率和脉冲的数目，工作台的定位精度主要由步进电机的步距角精度、传动机构精度决定，所以开环系统的精度比较差，不适合高精密的加工中心。
闭环伺服系统有检测反馈单元，检测反馈单元直接安装在机床的移动部件上，之间将移动部件移动的偏差反馈给比较环节，从而调整达到几乎零误差理论上看来，开环系统消除了所有的误差，真正实现高精度，但是由于每个环节都在反馈回路中，使得机械系统的刚度、制造误差等等都直接影响伺服系统，故而开环伺服系统的结构非常复杂，维护困难、所以并不是很普遍半闭环伺服系统也是具有检测反馈单元的，但是它的检测单元设置在电动机轴或者丝杆等转动部件上，对转角的反馈来达到误差的调整的效果，这样的设置抛开了机械传动系统对伺服系统的影响，使得调试和维护比较容易虽然设置在角度反馈的回路之外的误差无法反映，但是通过高分辨率的检测设备，依然可以达到理想的精度所以对于本次设计的高精密加工中心来说，半闭环的伺服系统是最为理想的3.2.2 进给伺服系统导轨的选择要实现高速切削，没有达到7.62~11.43m/min的进给速度就无法配合高速运动的主轴，而普通机床运用的滑动导轨虽然有着结构上简单，工艺加工容易，便于保证刚度的特点，但是在要求高进给速度的时候，摩擦因数大和磨损快的缺点就被无限放大了，这将造成使用寿命短和低速爬行这样严重影响精度的问题。
为了解决这些问题就必须使用滚动导轨在相互配合的两个导轨平面内放置滚动体，使得原先是滑动摩擦的导轨转为滚动摩擦，这将把摩擦因数下降到只有原来的1/20，这样的导轨就是滚动导轨滚动导轨最大的特点就是摩擦因素小了，一般是（0.0025~0.005），而且静摩擦因素和动摩擦因素相差不大，因为这样滚动导轨的运动灵敏度高，发热小，精度保持性好，重载低速时的运动也很平稳，没有爬行现象，对于移动精度要求高和定位精度要求高的加工中心来说是必不可少的而且滚动导轨安装和润滑都很简单，维护起来也很方便，所以对于高精密的高速加工中心，使用滚动导轨是必然的3.3 加工中心进给系统计算拟定参数：X向承载mX=1000kgY向承载mY=800kg导轨摩擦因数μ=0.0025快速进给速度Vmax=52000mm/min加工进给速度VV=10000mm/min启动加速时间ta=0.01sX向行程SX=510mmY向行程SY=510mmZ向行程SZ=460mm初选丝杆导程机床工作程序为：加速—工进—减速—反向加速—工进—减速3.3.1 加工中心X向进给设计计算⑴滚珠丝杆的选择计算①确定动载荷Ca'工作循环时间周期T是加速时间t a与加工时间tw的总和，计算如下ta=10ms=0.01stw=sxvv=5101000060=3.06sT=2tw+4t a=6.16s减速过程中的平均转速n为n=vv2P=100002×10=500r/min工作进给时转速n w为nw=nvP=1000010=1000r/min由此可得当量转速n m，计算如下nm=4nta+2nwtwT =4×500×0.01+2×1000×3.066.16 =977r/min当量载荷FmX的计算公式如下FmX=FRX+2twFwX+4taFaXT其中FRX=μGX=μmXg=0.0025×1000×10=25N FaX=mXamax=1000×16.7=16700N （其中amax=vvta=16.7m/s2） FWX取用D=100mm端面铣刀进行端面铣加工时的受力FZ=ηPπDn60×1000 =0.9×22000×60×1000π×100×12000 =315.1N（其中：极限效率η=0.9主轴功率P=22kw主轴转速n=12000rpm）纵向切削力FC=0.45×FZ=141.8横向切削力FL=0.90×FZ=283.6垂直切削力FV=0.55×FZ=173.3由此可以计算F WXFWX=KFL+μ(FV+FC+GX) =1.15×283.6+0.0025×(141.8+173.3+10000) =351.9（其中倾覆力矩影响系数K=1.15）当量载荷FmX计算如下FmX=FR+2twFWX+4taFaXT =25+2×3.06×351.9+4×0.01×167006.16 =483.1N由此可以计算X向进给的当量动载荷Ca'，计算过程如下Ca'=fwFmX360nmLn×10-t =1.1×483.1×360×997×20000×10-6 =12154N=1240kgf （其中：载荷系数f w=1.1滚珠丝杆寿命取Ln=20000h）②确定静载荷C0a'也可以得出当量静载荷C0a'：最大轴向力可以近似取为加工受力Fmax=FWX=351.9N当量静载荷C0a'可得出C0a'=fdFmax=1×351.9=351.9N（其中：静安全系数fd取1）③确定丝杆型号于是选择满足要求的滚珠丝杆，型号为HIWIN的FDV40-10C1滚珠丝杆,C2级精度。
当量动载荷Ca=3932kgf>Ca'当量静载荷C0a=9841kgf>C0a'丝杆直径为d=40mm，底径为d2=32.4mm⑵X向进给伺服电机选择①根据负载转矩选择电机电机负载的扭矩TX的计算TX=FWZP2πη+TF =351.9×0.012×π×0.9+1.25 =2.87Nm在确保保险富裕量的情况下，选择FANUC电机中α12/6000i的型号其额定转速为6000rpm，额定转矩为12Nm，最大转矩为66Nm②惯量匹配计算电机轴上的驱动系统总惯量Jr和电机的转动惯量Jm必须满足以下标准：0.5≤JmJr≤0.8电机的转动惯量Jm查α12/6000i型号为0.12kgfcms2联轴器的转动惯量JC查得为0.012kgfcms2丝杆的转动惯量JSJS=0.78×10-6D4L =0.78×10-6×44×80=0.015kgfcms2直线运动物体的惯量 JWJW=mX980×(P2π)2 =1000980×(12π)2=0.025kgfcms2有公式得到总惯量JrJr=Jm+JC+JS+JS=0.0172kgfcms2于是得出JmJr=0.69X向进给的电机符合惯量匹配要求。
③启动加速时的最大扭矩计算最大扭矩计算公式TX1=2πnmax60ts×9.8Jr100+TX =2π×520060×320×9.8×0.172100+2.87 =40.52Nm(加减速时间常数ts=3Ks=320)启动加速时的最大扭矩TX1小于电机的最大扭矩这表示电机的加减速功能能够匹配加工所需的加减速要求，从而判断该电机满足X向进给的要求⑶X向定位精度验算 ①刚度计算丝杆最小拉压刚度KXmin和最大拉压刚度KXmax机床X向进给所用的支持方式是一端固定一端游动，当螺母中心距离固定一端的距离最大时，具有最小拉压刚度，其中LXY=680mm当螺母中心距离固定端距离最小时，具有最大拉压刚度，其中LXJ=170mmKXsmin=AELXY=π×0.03242×2.1×10114×680×1000=254.6N/μmKXsmax=AELXJ=π×0.03242×2.1×10114×170×1000=1018.5N/μm支撑轴承的刚度计算KXb轴承接触角为90o，滚动体直径为7.144mm，滚动体个数为17，FwX=351.9NKXb=23.6×3Z2DFwX=23.6×3172×0.007114×351.9=211.9N/μm滚珠丝杠的刚度查的为KXc=1450N/μm所以根据K=114×KS+12×Kb+1Kc可得KXmin=258.1N/μm，KXmax=303.5N/μm②计算机械传动系统的死区误差Δ已知X向轴向摩擦力为FX0=0.0025×10000=25N,故而可得Δ=2FX0Kmin=2×25258.1=0.19μm由于脉冲当量一般取定位精度的1/3~1/5，所以对于0.001mm的定位精度，满足要求。
③传动系统拉压刚度变化引起的定位误差δkmaxδkmax=FX0(1KXmin-1KXmax)=0.014μm所以可得定位误差满足要求3.3.2 加工中心Y向进给设计计算⑴滚珠丝杆的选择计算①确定动载荷Ca'工作循环时间周期T是加速时间t a与加工时间tw的总和，计算如下ta=10ms=0.01stw=syvv=5101000060=3.06sT=2tw+4t a=6.16s减速过程中的平均转速n为n=vv2P=100002×10=500r/min工作进给时转速n w为nw=nvP=1000010=1000r/min由此可得当量转速n m，计算如下nm=4nta+2nwtwT =4×500×0.01+2×1000×3.066.16 =977r/min当量载荷Fm的计算公式如下FmY=FRY+2twFwY+4taFaYT其中FRY=μGY=μmYg=0.0025×800×10=20N FaY=mYamax=800×16.7=13360N（其中amax=vvta=16.7m/s2） FWY取用D=100mm端面铣刀进行端面铣加工时的受力FZ=ηPπDn60×1000 =0.9×22000×60×1000π×100×12000 =315.1N（其中：极限效率η=0.9主轴功率P=22kw主轴转速n=12000rpm）纵向切削力FC=0.45×FZ=141.8横向切削力FL=0.90×FZ=283.6垂直切削力FV=0.55×FZ=173.3由此可以计算F WYFWY=KFL+μ(FV+FC+GY) =1.15×283.6+0.0025×(141.8+173.3+8000) =346.9N（其中倾覆力矩影响系数K=1.15）当量载荷FmY计算如下FmY=FRY+2twFWY+4taFaYT =20+2×3.06×346.9+4×0.01×133606.16 =451.4N由此可以计算Y向进给的当量动载荷Ca'，计算过程如下Ca'=fwFmY360nmLn×10-t =1.1×451.4×360×997×20000×10-6 =11356N=1158kgf （其中：载荷系数f w=1.1滚珠丝杆寿命取Ln=20000h）②确定静载荷C0a'可以得出当量静载荷C0a'：最大轴向力可以近似取为加工受力Fmax=FWY=346.9N当量静载荷C0a'可得出C0a'=fdFmax=1×351.9=346.9N（其中：静安全系数fd取1）③确定丝杆型号于是选择满足要求的滚珠丝杆，型号为HIWIN的FDV40-10C1滚珠丝杆,C2级精度。
当量动载荷Ca=3932kgf>Ca'当量静载荷C0a=9841kgf>C0a'丝杆直径为d=40mm，底径为d2=32.4mm⑵Y向进给伺服电机选择①根据负载转矩选择电机电机负载的扭矩TY的计算TY=FWYP2πη+TF =346.9×0.012×π×0.9+1.25 =2.86Nm在确保保险富裕量的情况下，选择FANUC电机中α12/6000i的型号其额定转速为6000rpm，额定转矩为12Nm，最大转矩为66Nm②惯量匹配计算电机轴上的驱动系统总惯量Jr和电机的转动惯量Jm必须满足以下标准：0.5≤JmJr≤0.8电机的转动惯量Jm查α12/6000i型号为0.12kgfcms2联轴器的转动惯量JC查得为0.012kgfcms2丝杆的转动惯量JSJS=0.78×10-6D4L =0.78×10-6×44×80=0.015kgfcms2直线运动物体的惯量 JWJW=mY980×(P2π)2 =800980×(12π)2=0.021kgfcms2有公式得到总惯量JrJr=Jm+JC+JS+JS=0.0168kgfcms2于是得出JmJr=0.70Y向进给的电机符合惯量匹配要求。
③启动加速时的最大扭矩计算启动加速时的最大扭矩计算 最大扭矩计算公式TY1=2πnmax60ts×9.8Jr100+TY =2π×520060×320×9.8×0.168100+2.86 =39.63Nm (加减速时间常数ts=3Ks=320)启动加速时的最大扭矩TY1小于电机的最大扭矩这表示电机的加减速功能能够匹配加工所需的加减速要求，从而判断该电机满足Y向进给的要求⑶Y向定位精度验算 ①刚度计算丝杆最小拉压刚度KYmin和最大拉压刚度KYmax机床Y向进给所用的支持方式是一端固定一端游动，当螺母中心距离固定一端的距离最大时，具有最小拉压刚度，其中LYY=680mm当螺母中心距离固定端距离最小时，具有最大拉压刚度，其中LYJ=170mmKYsmin=AELYY=π×0.03242×2.1×10114×680×1000=254.6N/μmKYsmax=AELYJ=π×0.03242×2.1×10114×170×1000=1018.5N/μm支撑轴承的刚度计算KYb轴承接触角为90o，滚动体直径为7.144mm，滚动体个数为17，FwY=346.9NKYb=23.6×3Z2DFwY=23.6×3172×0.007114×346.9=210.5N/μm滚珠丝杠的刚度查的为KYc=1450N/μm所以根据K=114×KS+12×Kb+1Kc可得KYmin=257.1N/μm，KYmax=302.1N/μm②计算机械传动系统的死区误差Δ已知Y向轴向摩擦力为FY0=0.0025×8000=20N,故而可得Δ=2FY0KYmin=2×20257.1=0.15μm由于脉冲当量一般取定位精度的1/3~1/5，所以对于0.001mm的定位精度，满足要求。
③传动系统拉压刚度变化引起的定位误差δkmaxδkmax=FY0(1KYmin-1KYmax)=0.012μm所以可得定位误差满足要求3.3.3 加工中心Z向进给设计计算⑴滚珠丝杆的选择计算①确定动载荷Ca'首先要确定Z向加工的当量载荷FmZ，Z向进给的切削载荷以钻孔时为最大，所以以钻孔工况来进行当量载荷的计算最大的切削工况为：Φ30mm的高速钢麻花钻钻削，由于是高速主轴，进给量f取f=0.1mm/r查《机械加工工艺手册》得出高速钢钻头钻孔的轴向力F=4777N所以得出FWZ=4777N当量载荷FmZ由下式得出FmZ=FWZ+μP0 =4777+0.0025×300×9.8 =4780N当量转速nmZ有下式得出nmZ=nfP=120r/min由此可以计算Z向进给的当量动载荷Ca'，计算过程如下Ca'=fwFmZ360nmZLn×10-t =1.1×4780×360×120×20000×10-6 =25934N=2646kgf （其中：载荷系数f w=1.1滚珠丝杆寿命取Ln=20000h）②确定静载荷C0a'可以得出当量静载荷C0a'：最大轴向力可以近似取为加工受力Fmax=FWZ=4777N当量静载荷C0a'可得出C0a'=fdFmax=1×4777=4777N（其中：静安全系数fd取1）③确定丝杆型号于是选择满足要求的滚珠丝杆，型号为HIWIN的FDV40-10C1滚珠丝杆,C2级精度。
当量动载荷Ca=3932kgf>Ca'当量静载荷C0a=9841kgf>C0a'丝杆直径为d=40mm，底径为d2=32.4mm⑵Z向进给伺服电机选择①根据负载转矩选择电机电机负载的扭矩TZ的计算TZ=FWZP2πη+TF =4777×0.012×π×0.9+1.25 =11.69Nm在确保保险富裕量的情况下，选择FANUC电机中α30/6000i的型号其额定转速为6000rpm，额定转矩为30Nm，最大转矩为93Nm②惯量匹配计算电机轴上的驱动系统总惯量Jr和电机的转动惯量Jm必须满足以下标准：0.5≤JmJr≤0.8电机的转动惯量Jm查α30/6000i型号为0.16kgfcms2联轴器的转动惯量JC查得为0.012kgfcms2丝杆的转动惯量JSJS=0.78×10-6D4L =0.78×10-6×44×80=0.015kgfcms2直线运动物体的惯量 JWJW=mZ980×(P2π)2 =600980×(12π)2=0.017kgfcms2有公式得到总惯量JrJr=Jm+JC+JS+JS=0.204kgfcms2于是得出JmJr=0.77Z向进给的电机符合惯量匹配要求。
③启动加速时的最大扭矩计算最大扭矩计算公式TZ1=2πnmax60ts×9.8Jr100+TX =2π×520060×320×9.8×0.204100+11.69 =60.34Nm (加减速时间常数ts=3Ks=320)启动加速时的最大扭矩TZ1小于电机的最大扭矩这表示电机的加减速功能能够匹配加工所需的加减速要求，从而判断该电机满足Z向进给的要求⑶Z向定位精度验算 ①刚度计算丝杆最小拉压刚度KZmin和最大拉压刚度KZmax机床Z向进给所用的支持方式是一端固定一端游动，当螺母中心距离固定一端的距离最大时，具有最小拉压刚度，其中LZY=630mm当螺母中心距离固定端距离最小时，具有最大拉压刚度，其中LZJ=170mmKZsmin=AELZY=π×0.03242×2.1×10114×630×1000=274.8N/μmKZsmax=AELZJ=π×0.03242×2.1×10114×170×1000=1018.5N/μm支撑轴承的刚度计算KXb轴承接触角为90o，滚动体直径为7.144mm，滚动体个数为17，FwZ=4777NKZb=23.6×3Z2DFwZ=23.6×3172×0.007114×4777=505.4N/μm滚珠丝杠的刚度查的为KZc=1450N/μm所以根据K=114×KS+12×Kb+1Kc可得KZmin=386.3N/μm，KZmax=519.6N/μm②计算机械传动系统的死区误差Δ已知Z向轴向摩擦力为FZ0=0.0025×300×9.8=7.4N,故而可得Δ=2FZ0Kmin=2×7.4386.3=0.04μm由于脉冲当量一般取定位精度的1/3~1/5，所以对于0.001mm的定位精度，满足要求。
③传动系统拉压刚度变化引起的定位误差δkmaxδkmax=FZ0(1KZmin-1KZmax)=0.005μm所以可得定位误差满足要求第4章 数控系统电气原理图设计4.1主电路 五轴铣削加工中心主电路主要包括电源的进线，总开关，冷却、润滑、排屑、刀库等辅助功能的电机连接，如果因伺服动力电不是380V，还需要动力变压器和控制变压器的变压电路 由图4-1可以看到，该机床采用三相五线制供电，电网三相380V电L1，L2，L3经总开关QF1输入至电气柜，给各支路供电，QF1带有分离脱扣，当打开控制柜时，行程开关SQ0常闭触点断开，QF1断开，实现了机床关机机床排屑、冷却、润滑及刀库电动机都配有过载保护开关QM，QM的作用相当于QF和FR的作用FV为限压保护器件，起到在电动机频繁起停时起防干扰作用 伺服供电是为X/Y/Z/A/C五轴伺服驱动器供电控制电源是为了供给整个数控系统PPU控制电源、PLCI/0输入输出供电和继电器供电图4-1主电路4.2控制电路 五轴铣削加工中心控制电气图主要完成数控系统上下电的控制，主电路接触器和电磁阀控制如下4-2所示如下图4-2所示，依靠PLC输出继电器KA2和KA3实现了排屑电机正反转的控制。
依靠PLC输出继电器KA6和KA7实现了刀库电机正反转的控制依靠PLC输出继电器KA4完成冷却电机的控制依靠PLC输出继电器KA5完成润滑泵电机的控制依靠PLC输出继电器KA8完成刀库电磁阀的放松控制依靠PLC输出继电器KA9完成刀库电磁阀的夹紧控制依靠PLC输出继电器KA10完成铣床主轴电磁阀的夹紧控制图4-2控制电路 4.3伺服电气图 数控系统是通过输出模块X51、X52、X53、X54、X55分别对X、Y、Z、A、C轴伺服驱动器进行控制，通过脉冲的形式达到控制的要求图4-3为系统X51、X52、X53和V60伺服驱动器的接线图图4-3 伺服电路如图4-3所示，X、Y、Z、A、C轴伺服驱动器L1、L2、L3端口输入为三相220V交流电，通过空气开关QF控制其上电与否V60伺服驱动器的控制端为X6和X7，按照对应的针脚和数控系统伺服控制端口进行正确的接线伺服驱动器X8端口为伺服电机编码器接入端口B+和B-接伺服电机制动器，U、V、W接伺服电机4.4主轴电机电路五轴铣削加工中心主轴电机通过变频器控制主轴的转速和主轴的正反转、为了能够精确的控制主轴的转速，这个我们用模拟量控制，通过旋转编码器组成一个闭环回路，其具体电路如图4-4所示图4-4 主轴电路如上图4-4所示，QF给变频器上电，变频器模拟量输入端口接PPU X54端口，编码器接数控系统PPU X60端口，其中编码器连线要用双绞屏蔽线，这样是为了防止干扰。
第5章 自动换刀装置的控制原理5.1 自动换刀装置的液压系统原理图图5-1 液压原理图液压系统由液压油箱、管路、控制阀等组成控制阀采用分散布局、就近安装原则，分别装在刀库和立柱上电磁阀上贴有磁号码（如YV1、YV2、YV3），便于用户进行检测与维修5.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程在自动换刀装置的整个换刀过程中，换刀动作的控制由刀库控制部分、换刀机械手控制部分以及主轴相控制部分三部分组成，它们组成是一个互相联系的系统，以下根据该自动换刀装置的液压系统原理图对其控制程作一下简要说明1)刀库控制部分 采用该自动换刀装置的一个优点就是，在加工工件的同时，下一个工序所需用到的刀具可随刀库转到位置等候，这样可以减少整个换刀时间，提高生产效率刀库自动换刀时，由一个3位4通电磁阀YV1控制，当YV1在右位接通时，换刀松开，而当YV1在左位接通时，则实现换刀锁紧动作2)机械手控制部份 机械手自动换刀时，在换上新刀前，首先进行的是拔刀动作，然是180°的回转动作，接着是插刀动作，最后是机械手的手爪退出换刀位置完成整个换刀过程，机械手拔刀、插刀动作是由一个3位4通电磁阀YV5控制，当YV5在右位接通时，进行插刀动作，而当YV5在左位接通时，则实现拔刀动作；机械手的180°回转是由一个回转液压缸来完成，它由一个3位4通的电磁阀YV7来控制；机械手的换刀锁紧与换刀松开也是由一个3位4通的是电磁阀YV6控制，当YV6在右位接通时，实现换刀松开动作，而当YV6在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。
3)主轴箱控制部分 主轴准停后，主轴箱内的刀具自动卡紧装置实现松开与锁刀功能，基其松刀、锁刀动作也是由一个3位4通电磁阀YV4控制，当Y4在右位接通时，实现松刀动作，而当Y4在左侠接通时，则实现锁刀动作总结在本次的设计中，为了设计一款立式五轴铣削加工中心，先是对加工中心的历史背景进行了研究，了解了加工中心在它50多年的发展历程中，在效率、精度、加工工件复杂程度以及操作性上的种种改变和突破，从而形成了现今的具有高速切削速度、高精度、多工序、加工工件多样化、先进数控系统以及便捷的操作性的功能强劲的加工中心在比较了国内外加工中心以后，总结出了国内加工中心的现状，并且将其与国外加工中心的现状相比较，最终了解到国内加工中心在切削速度、进给速度、加工精度上都有着不小的差距，而这些都是衡量一个机床的重要指标为此我对国外的加工中心所采用的设备进行了研究和分析，在各个部件的选择上既参考了国外结构特点又结合了国内的现状，从而设计这么一台立式五轴铣削加工中心加工中心的结构布局采用了全动立柱式的布局，X、Y、Z三个方向的进给都由刀具移动来完成，这样的设置进给系统的承载不会随着加工工件的不同而变化，而且由于机床前部只有工作台和床身两层结构，也使得刚性得到了加强。
这对一些高精密加工中心的了解中，我发现都有一个可以高速切削的主轴在高速电主轴的高速切削下，单位功率的金属切除率提高百分三十到百分四十，切削力也将因此下降百分三十，而这也将有利于提高机床的加工效率和加工精度而且电主轴内部集成了刀具夹紧装置，符合加工中心自动化的要求这次的设计仍然有一些缺陷和不足之处，比如说由于经验不足没有设计出对加工中心及其重要的刀库，缺少了刀库的加工中心在多工序上是有缺陷的另外，因为在三维软件的使用上仍然处于初级阶段，所以对一些功能的使用上没办法实现真正的方便和准确对于机床上一些细部结构的设计上也有一些缺陷，有的地方没有完全考虑加工工艺性但是在查阅和参考资料后，基本可以做到设计合理，使自己的能力得到提高参考文献[1] 廖勇，黄容申．数控机床发展现状及趋势．重庆石油高等专科学报[J]，2002， 4（2）：25～26[2] 陈循介．从日本2001年机电一体化展看机床发展新动向．精密制造与自动化[J]，2002（1）：4～5[3] 张育生．从第六届中国国际机床展览看机床发展趋势．制造技术与机床[J]，2000（5）：9～10[4] Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid Peter．Computer numerical control simplified[M]．New York：Industrial Press，2001.[5] 吴宗泽.机械设计师手册（上、下册）[M].北京：机械工业出版社，2002.[6] 李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.[7] 谢红.数控机床机器人机械系统设计指导[M].上海：同济大学出版社，2004.[8] 王世能.卧式机床主轴组件设计[J].机械工程师.2005，（4）：92～93[9] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社.2001.[10] 林宋，田建君．现代数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.[11] 陈蔚芳．机床数控技术及应用[M]．北京：科学出版社，2005.[12] 田坤．数控机床与编程[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001.[13] 《机床设计手册》编写组.机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，1986.[14] 廉元国，张永洪．加工中心设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，1995.[15] 李善术．数控机床及应用[M]．北京：机械工业出版社，2005.[16] 罗学科，谢富春．数控原理与数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.[17] 韩鸿鸾．数控机床的机械结构与维修[M]．山东：山东科学技术出版社，2005.[18] 中国机械工业教育协会组．数控机床及其使用维修[M]．北京：机械工业出版社，2001.[19] 张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社.2001.[20] 郭大庆，吴玉厚，张珂，张勇.陶瓷轴承电主轴系统的特性与分析[J].机械与电子.2005，（7）：77～78[21] 李楠，姜韶峰.精密机床主轴轴承的安装方法分析[J].轴承.2005，（11）：2～3[22] 张章福.铣工工艺学[M].北京：科学普及出版社，1984.[23] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.[24] 成大先.机械设计手册（轴及其联接·单行本）[M].北京：化学工业出版社，2004.致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起生活的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里要感谢我的导师X老师X老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导我的设计较为复杂烦琐，但是X老师仍然细心地纠正设计中的错误除了敬佩X老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作；我要感谢我的母校——XXX大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！！！ 感谢X老师给予我精心的指导，并为我提供了丰富的背景资料和创新性的意见和建议，使我的毕业设计得以顺利完成 感谢我的导师马蓉教授，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪X老师严谨勤奋的工作作风、扎实广博的学识和平易近人的性格，使我在学习方面得到了很大的收获，它们将是我受益终生的财富此外，感谢X老师对我毕业设计的最后审核，使我的最终作品更为完善 感谢同学们对我的帮助和指点没有他们的帮助和提供资料，要想在短短的几个月的时间里学习到这么丰富的知识并完成毕业设计论文是几乎不可能的事情，再次感谢所有帮助和支持过我的人。