加工中心主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 加工中心主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí) 機(jī)電114班 姓 名 學(xué) 號(hào) 201101104436 指導(dǎo)教師（職稱） 日 期 2014年3月9號(hào) 摘要隨著現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)的迅速發(fā)展，新技術(shù)、新工藝的充分應(yīng)用，立式加工中心在各種場(chǎng)合的使用越來(lái)越普遍，技術(shù)也越來(lái)越成熟。本課題的目的是進(jìn)行臥式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)臥式加工中心的工藝特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)主軸箱和刀庫(kù)進(jìn)行整機(jī)總體方案擬定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零件的承載能力進(jìn)行分析，最后用cad繪制部件裝配圖、零件圖。本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外文上，通過(guò)研

2、究分析不同加工中心主軸組件的性能，綜合地比較特點(diǎn)，并擬定了較為合理的結(jié)構(gòu)方案。關(guān)鍵詞：臥式加工中心，主軸箱，刀庫(kù)，主軸獻(xiàn)的基礎(chǔ)abstractwithmodernmachinerymanufacturingindustry,therapiddevelopmentofnewtechnology,fulluseofnewtechnology,horizontalmachiningcenterusedinavarietyofoccasions,moreandmorecommon,moreandmoresophisticatedtechnology.thepurposeofthissubjectist

3、obehorizontalmachiningcentersdesign,andmeettherelevanttechnicalrequirements.thegraduationdesignofprocessofhorizontalmachiningcenterareanalyzed,spindleboxandknifedatabasearemadeandtheoverallschemeofthestructuredesign,andthebearingcapacityofthekeypartsareanalyzed,finallyusecaddrawings,partsgraphdrawin

4、gparts.basedonconsultingliteraturesthroughresearch,onthebasisofanalyzingthedifferentprocessingcenterspindlecomponent,thecomprehensivecomparativeperformancecharacteristics,anddrawsupthereasonablestructurescheme.keywords:horizontalprocessingcenter,spindlebox,knifelibrary,spindle目錄摘要iabstract. . . . .

5、. . . . . . . . . . . . . . . . . .1 緒論11.1 引言11.2 研發(fā)背景及意義11.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r21.4課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題31.5 課題的目的及內(nèi)容32 主軸整體設(shè)計(jì)42.1 加工中心主軸組件的組成42.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定42.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)42.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)52.2.3 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)62.2.4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)82.2.5 切屑清除機(jī)構(gòu)102.3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的確定112.4 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定123 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件153.1 主軸電動(dòng)機(jī)的選用153.1.1 主電機(jī)功率估算153.1.2 主電機(jī)選

6、型163.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163.2.2 主軸受力分析203.2.3 主軸的強(qiáng)度校核243.2.4 主軸的剛度校核253.3 主軸組件的支承263.3.1 主軸軸承的配置263.3.2 主軸軸承的預(yù)緊273.3.3 主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算293.4 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算293.5 主軸組件的潤(rùn)滑與密封333.5.1 主軸組件的潤(rùn)滑333.5.2 主軸組件的密封343.5.3 本課題的潤(rùn)滑與密封方案的確定353.6 鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算363.6.1 主軸上的鍵363.7 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算374 主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件394.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用394.1.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率的估算394.1.2 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)

7、的選用394.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算404.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算404.3.1 切削力估算404.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算411）滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定415 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)425.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)435.2硬件設(shè)計(jì)435.3軟件設(shè)計(jì)445.3.1鍵盤顯示器接口445.3.2程序存儲(chǔ)器（eeprom）芯片445.3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）（ram）芯片44結(jié) 論46致 謝48參考文獻(xiàn)491 緒論1.1 引言 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使

8、能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國(guó)研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)方式升降臺(tái)數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使數(shù)控

9、機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國(guó)數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國(guó)產(chǎn)的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國(guó)外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展卻一直落后于國(guó)際水平，到1980年我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還不到700臺(tái)。到90年代，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。1.2 研發(fā)背景及意義本課題是以加工中心為研究目標(biāo)，從其主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)入手，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成分析、

10、分級(jí)變速分析、傳動(dòng)件的計(jì)算分析和主傳動(dòng)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改善傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定特性提供必要的理論依據(jù)通過(guò)本課題的研究，使加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加優(yōu)越，生產(chǎn)加工更加精密。與普通數(shù)控機(jī)床的工藝裝備相比較，加工中心工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強(qiáng)，一般采用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓以及計(jì)算機(jī)控制，其自動(dòng)化程度更高。合理使用加工中心的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型加工中心所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。1.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于高速加工中心，國(guó)外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲

11、杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在40m/min以上，最高已達(dá)到90m/min。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用化，進(jìn)給速度可提高到m/min，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國(guó)外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在r/min，由于某些機(jī)床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到100000r/min。國(guó)外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國(guó)外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國(guó)外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國(guó)外加工中心定位精度基本上按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程1000mm以下，定位精度

12、可控制在mm之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來(lái)加工精度提高的要求，國(guó)外不少公司還都開(kāi)發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在300m/min左右，個(gè)別達(dá)到60m/min。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國(guó)內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在r/min，定位精度控制在mm之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在mm之內(nèi)。在換刀速度方面，國(guó)內(nèi)機(jī)床多在s，無(wú)法與國(guó)際水平相比。雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比仍存在著不少差距，造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此之外，

13、在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國(guó)外機(jī)床的平均無(wú)故障時(shí)間（mtbf）都在小時(shí)以上，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國(guó)產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問(wèn)題之一。1.4課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題各類機(jī)床對(duì)其主軸組件和進(jìn)給組件的要求，主要是精度問(wèn)題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，組件能帶動(dòng)工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)期地保持這一性能。主軸組件和進(jìn)給組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問(wèn)題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件和進(jìn)給組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：旋轉(zhuǎn)精度：旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)值滿足要求，目的是保證加工零件的幾何精度和

14、表面粗糙度。剛度：指主軸組件和進(jìn)給組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)，惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值?？拐裥裕褐钢鬏S組件和進(jìn)給組件在切削過(guò)程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。溫升和熱變形：溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過(guò)高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損。耐磨性：指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤(rùn)滑方式。1.5 課題的目的及內(nèi)容

15、本課題來(lái)源于同濟(jì)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所立式加工中心機(jī)床設(shè)計(jì)項(xiàng)目的子課題之一。加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國(guó)內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。本課題的目的是進(jìn)行立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主軸組件作為加工中心的執(zhí)行元件，它確保帶動(dòng)刀具進(jìn)行切削加工、傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力及承受切削力等，并滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。本課題涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有：1)主軸孔錐度：；2)主軸孔直徑：；3)主軸箱行程（z軸）：；4)主軸轉(zhuǎn)速范圍：；5)快速移動(dòng)速度（z軸）：；6)進(jìn)給速度（z軸）：。2 主軸整體設(shè)計(jì)2.1 加工中心主軸組件的組成主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在

16、主軸上的傳動(dòng)件和密封件等組成的。主軸的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定2.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要分為齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率可達(dá)近十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)，效率可達(dá)。齒輪傳動(dòng)大多數(shù)為傳動(dòng)比固定的傳動(dòng)，少數(shù)為有級(jí)變速傳動(dòng)。但是齒

17、輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。同步帶是嚙合傳動(dòng)中唯一一種不需要潤(rùn)滑的傳動(dòng)方式。在嚙合傳動(dòng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計(jì)制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動(dòng)時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。同步帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)功率可達(dá)，傳動(dòng)比可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)效率可達(dá)。同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是9：a) 無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比；b) 預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷小；c) 帶的厚度小，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；d) 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要缺點(diǎn)是安

18、裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格。2.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)對(duì)于主軸的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，機(jī)床通常被設(shè)計(jì)為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)與絲杠直接傳動(dòng)的形式。而絲杠所作的則是螺旋傳動(dòng)，它能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)按摩擦狀態(tài)通常分為滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋，滾滑螺旋以及液壓螺旋。如今在機(jī)床上通常采用的是滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋，下面就這兩類傳動(dòng)方式進(jìn)行比較，見(jiàn)表2.1。表2.1 滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合滑動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)示意圖使用性能(1) 摩擦系數(shù)大，傳動(dòng)效率低，約；(1) 摩擦系數(shù)很低，傳動(dòng)效率高達(dá)；(2) 低速運(yùn)行時(shí)有爬行或振動(dòng)；(2) 低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、振動(dòng)；(3) 磨損大，使用壽命較短；(3) 耐磨性好，磨損極??；(4

19、) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)噪聲。(4) 高速運(yùn)行有噪聲。結(jié)構(gòu)工藝性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及安裝精度要求較低。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及安裝精度要求較高。成 本較低。高，是滑動(dòng)螺旋的倍。應(yīng)用場(chǎng)合適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。適用于高、中、低速的輕、中、重載荷，如數(shù)控、精密機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。由于本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進(jìn)給，所以對(duì)于高低速時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求較高。故對(duì)比以上兩種螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合本課題的需求，故采用傳動(dòng)效率高、磨損小、傳動(dòng)平穩(wěn)的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。2.2.3 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)主軸準(zhǔn)停裝置是換刀過(guò)程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。由于刀具裝在主軸上，在切削時(shí)的切削轉(zhuǎn)矩不能

20、完全靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此通常在主軸前端設(shè)置一個(gè)凸鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與此凸鍵對(duì)準(zhǔn)，為保證順利換刀，主軸必須停止在某一固定的角度方向，主軸定向裝置就是為保證主軸換刀時(shí)準(zhǔn)確停止在換刀位置而設(shè)置的。加工中心的主軸定向裝置有機(jī)械方式和電氣方式(如磁力傳感器檢測(cè)定向)。圖2.1 機(jī)械式主軸準(zhǔn)停裝置1 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)；2 感應(yīng)塊；3 v形槽輪定位盤4 定位液壓缸；5 定向滾輪；6 定向活塞圖2.1所示為v形槽輪定位盤準(zhǔn)停裝置，在主軸上固定一個(gè)v形槽定位盤，使v形槽與主軸上的端面鍵保持所需要的相對(duì)位置關(guān)系，其工作原理為：準(zhǔn)停前主軸必須是處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接受到主軸準(zhǔn)停指令后，主軸電動(dòng)機(jī)以低

21、速轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉(zhuǎn)，時(shí)間繼電器開(kāi)始動(dòng)作，并延時(shí)46s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無(wú)觸電開(kāi)關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖示位置即v形槽輪定位盤3上的感應(yīng)塊2與無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)1相接觸后發(fā)出信號(hào)，使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。另一延時(shí)繼電器延時(shí)0.20.4s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪5頂入定位盤的v形槽內(nèi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)ls2發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。若延時(shí)繼電器延時(shí)1s后行程開(kāi)關(guān)ls2仍不發(fā)信號(hào)，說(shuō)明準(zhǔn)停沒(méi)完成，需使定向活塞6后退，重新準(zhǔn)停。當(dāng)活塞桿向右移到位時(shí)，行程開(kāi)關(guān)ls1發(fā)出定向滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)工作。目前常采用的電氣方式有兩種，一

22、種是利用主軸上光電脈沖發(fā)生器的同步脈沖信號(hào)；另一種是用磁力傳感器檢測(cè)定向。在主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡處固定一個(gè)磁傳感器，磁傳感器經(jīng)過(guò)放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。這種定向方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而發(fā)磁體的線速度可達(dá)到以上。這種準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒(méi)有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)，能滿足一般換刀要求。并且定向時(shí)間短，可靠性較高，所以應(yīng)用的比較廣泛。發(fā)磁體可安裝在一個(gè)圓盤的邊緣，但這對(duì)較精密的、高轉(zhuǎn)速加工中心主軸來(lái)說(shuō)，由于需要較高的動(dòng)平衡指標(biāo)，就不十分有利。另一種是將發(fā)磁體做成動(dòng)平衡效果很好的圓盤，使用時(shí)只需要將

23、圓盤整體裝在主軸上即可。在各種加工中心上采用什么形式的主軸定向裝置，要根據(jù)各自的約束條件來(lái)選擇。本課題采用電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，此方式避免了機(jī)械裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，主軸就可以準(zhǔn)確地定向。2.2.4 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)在自動(dòng)交換刀具時(shí)要求能自動(dòng)松開(kāi)和夾緊刀具。圖2.3示為數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖。碟形彈簧11通過(guò)拉桿7，雙瓣卡爪5，在套筒14的作用下，將刀柄的尾端拉緊。當(dāng)換刀時(shí)，要求松開(kāi)刀柄，此時(shí)，在主軸上端油缸的上腔a通入壓力油，活塞12的端部推動(dòng)拉桿7向下移動(dòng)，同時(shí)壓縮碟形彈簧11，當(dāng)拉桿7下移到使雙瓣卡爪5的下端移出套筒14時(shí)，在彈簧6的作用下，卡爪張開(kāi)，噴氣頭13

24、將刀柄頂松，刀具即可由機(jī)械手拔出。待機(jī)械手將新刀裝入后，油缸10的下腔通入壓力油，活塞12向上移，碟形彈簧伸長(zhǎng)將拉桿7和雙瓣5拉著向上，雙瓣卡爪5重新進(jìn)入套筒14，將刀柄拉緊?；钊?2移動(dòng)的兩個(gè)極限位置都有相應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)（ls1，ls2）作用，作為刀具松開(kāi)和夾緊的回答信號(hào)。圖2.3 數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖1調(diào)整半環(huán)；2雙列園柱滾子軸承；3向心球軸承；4，9調(diào)整環(huán)；5雙瓣卡爪； 6彈簧； 7拉桿； 8向心推力球軸承；10油缸；11碟形彈簧；12活塞；13噴氣頭；14套筒(a)(b)圖2.4 刀柄拉緊結(jié)構(gòu)刀桿尾部的拉緊結(jié)構(gòu)，除上述的卡爪式以外，還有圖2.4a所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)以及圖2.4b所

25、示的鋼球拉緊機(jī)構(gòu)。在本課題中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)借用如圖2.3的夾緊方式，采用氣壓缸夾緊方式，從而避免因油路堵塞等常見(jiàn)情況。而在拉桿處則采用鋼球拉緊機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠浼庸ず?jiǎn)單，并可以有效的拉緊刀桿。2.2.5 切屑清除機(jī)構(gòu)自動(dòng)清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑是換刀過(guò)程的一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果主軸錐孔中落入了切屑，灰塵或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，錐孔表面和刀桿錐柄會(huì)被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至?xí)沽慵顖?bào)廢。為了保持主軸錐孔的清潔，常采用的方法是使用壓縮空氣吹屑。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻布置。2.3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的確定控制用電動(dòng)機(jī)是

26、電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？刂朴眯D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型和旋轉(zhuǎn)電樞型。前者有同步電動(dòng)機(jī)（永磁）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁）；后者有直流電動(dòng)機(jī)（永磁）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（按矢量控制等效模型），具體地可細(xì)分為：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。由于其轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，所以對(duì)

27、于本課題所需的控制電動(dòng)機(jī)而言，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很難精確地確保主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，故不適合。直流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。但是由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。所以不太適合用于主軸的主電機(jī)，但是可以用于進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且其不具備電刷和換向器，不需要定期維修。雖然在價(jià)格上交流伺服電動(dòng)機(jī)較貴，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)的地位。故在本課題的主電機(jī)選用中選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。各種伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用舉例見(jiàn)

28、表2.2。表2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例19種類主要特點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例dc伺服電動(dòng)機(jī)1. 高響應(yīng)特性；2. 高功率密度（體積小、重量輕）；3. 可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制；4. 接觸換向部件（電刷與換向器）需要維護(hù)；5. 不能高速大扭矩工作。nc機(jī)械、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、音響和音像設(shè)備、計(jì)測(cè)機(jī)械等ac伺服電動(dòng)機(jī)1. 具有dc伺服電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)； 2. 對(duì)定于電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制； 3. 具有良好的性價(jià)比；4. 堅(jiān)固耐用免維修。nc機(jī)械、機(jī)器人等步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1. 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；2. 工作狀態(tài)不受干擾；3. 步距角有誤差；4. 高速易失步，低速易振

29、蕩。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、數(shù)控裝置2.4 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定綜合2.2，2.3節(jié)中的方案，本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下：由于同步帶無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，允許的線速度較高，無(wú)需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。在主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行、無(wú)振動(dòng)，能夠很好地確保z軸的進(jìn)給精度。由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測(cè)定向，其不僅能夠使主軸停止

30、在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測(cè)到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來(lái)，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。在換刀過(guò)程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過(guò)活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對(duì)主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對(duì)拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過(guò)程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來(lái)清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。在伺服系統(tǒng)中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺

31、服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。圖2.5所示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5 主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖1刀架；2拉釘；3主軸；4拉桿；5碟形彈簧；6活塞；7液壓缸；8、10行程開(kāi)關(guān)；9壓縮空氣管接頭；11彈簧；12鋼球；13端面鍵3 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件3.1 主軸電動(dòng)機(jī)的選用3.1.1 主電機(jī)功率估算1) 計(jì)算主銑削力經(jīng)驗(yàn)公式： （3-1）式中： 銑削力，即主切削力（切向圓周分力）， 銑削深度， 每齒進(jìn)給量， 銑削寬度， 銑刀直徑，z 銑刀齒數(shù) 銑削力修正系數(shù)， 工件材料抗拉強(qiáng)度，已知：高速鋼刀具；刀具前角

32、；主偏角；工件材料為碳鋼；每齒進(jìn)給量；刀具直徑為，齒數(shù)；工件寬度，切削深度將上述各條件代入公式（3.1），則主切削力為切削速度6 2) 主電機(jī)功率估算6銑削功率 主電機(jī)功率 式中：機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。滾珠軸承傳動(dòng)效率0.996，同步帶傳動(dòng)效率0.9863.1.2 主電機(jī)選型轉(zhuǎn)子慣量：利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制，可作為cnc機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等的執(zhí)行元件。fanuc交流主軸電機(jī)s系列從0.65kw37kw共分13種。它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、輸出功率大、性能可靠、精度好、振動(dòng)小、噪音低，既適合于高速切削又適合于低速重切削。該系列可應(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。根據(jù)主電機(jī)功率pe=5.48kw6，

33、故本課題選用fanuc交流主軸電機(jī)6s型號(hào)6。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定輸出功率：；最高速度：；額定輸出轉(zhuǎn)矩：；3.2 主軸3.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見(jiàn)圖3.1。圖3.1 主軸主要參數(shù)示意圖1 ）主軸軸徑的確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對(duì)于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來(lái)確定主軸前

34、軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定，由表3.11-62查得。由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，由式3.11-12可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關(guān)系：2 ）主軸內(nèi)孔直徑的確定主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料，通過(guò)拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)時(shí)（是主軸平均直徑），主軸剛度會(huì)急劇下降；而當(dāng)時(shí)，內(nèi)孔對(duì)主軸剛度幾乎無(wú)影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑的極限值為：此時(shí)，剛度削弱小于。按照任務(wù)書(shū)的要求及綜合各軸段直徑的

35、實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑。3） 主軸端部形狀的選擇機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。圖3.2所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照jb2324-78進(jìn)行加工，選擇主軸序號(hào)為50的主軸端部尺寸。圖3.2 銑床主軸的軸端形式4）主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。懸伸量值對(duì)主

36、軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減值。5）主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離?？缇嗍菦Q定主軸系統(tǒng)動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。最優(yōu)跨距可按下列公式計(jì)算6： （3-2）式中： （3-3） （3-4）式中： 主軸前端懸伸長(zhǎng)，單位為； 材料的彈性模量，單位為； 軸慣性矩，單位為； 前軸承剛

37、度值，單位為； 后軸承剛度值，單位為。按上式計(jì)算最優(yōu)跨距，計(jì)算過(guò)程如下： （3-5）式中： 主軸跨距部分的平均直徑，單位為； 主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。由式（3.5）得：；由參考文獻(xiàn)6中圖3.11-11確定， ；由主軸材料為40cr查得材料的彈性模量；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長(zhǎng)將上述參數(shù)值代入公式(3.3)(3.4)，得，將，值代入公式（3.2），得按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取。由于，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。(a)(

38、b)(c)圖3.3 軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承形式。圖示3.3a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3.3b）和水平面（圖3.3c）兩個(gè)平面力系。由公式（3.1）得出切向銑削力徑向負(fù)荷22 切向負(fù)荷22 軸向負(fù)荷22 圖3.4 靜不定梁鉛垂面分解圖由于此主軸的受力屬于簡(jiǎn)單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來(lái)解決問(wèn)題。圖示3.4為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求。利用疊加法，得撓度為： （3-6）式中： 徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為； 徑向（切向）負(fù)荷，單位為； 材料的彈性模量，； 軸慣性矩，。由公式（

39、3.5）得。將，代入公式（3-6），則鉛垂面的撓度為：得得得將，代入公式（3-6），則水平面的撓度為：得得得(a)機(jī)構(gòu)草圖(b)受力簡(jiǎn)圖(c)水平面受力(d)水平面彎矩圖(e)垂直面受力(f)垂直面彎矩圖(g)合成彎矩圖(h)轉(zhuǎn)矩圖圖3.5 軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖a-b段支承反力：水平面：垂直面：b-c段支承反力：水平面：垂直面：c-d段支承反力：水平面：垂直面：d-e段支承反力：水平面：垂直面：軸的受力簡(jiǎn)圖、水平面及垂直面受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.5b、c、e。a-b段彎矩：水平面：垂直面：合成：b-c段彎矩：水平面：垂直面：合成：c-d段彎矩：水平面：垂直面：合成：d-e段彎矩：水平面：垂直面：合成：軸的

40、水平面、垂直面及合成彎矩圖見(jiàn)圖3.5d、f、g。已知：小帶輪的輸出功率為，同步帶的傳動(dòng)效率為。所以，大帶輪的輸出功率為：則大帶輪的輸出轉(zhuǎn)矩為：軸的轉(zhuǎn)矩圖見(jiàn)圖3.5h。3.2.3 主軸的強(qiáng)度校核從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面c、d處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動(dòng)所帶來(lái)的扭矩。因此，這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。在校核主軸的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為23 （3-7）式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，； 軸的抗彎截面系數(shù)，； 折合系數(shù)； 軸的許用彎曲應(yīng)力，； 軸所受的扭矩，單位為； 軸所受的彎矩，單位為。軸的抗彎截面系數(shù)為23式中： 軸頸處直徑，單位為； ，此處，為軸孔直徑

41、。得根據(jù)主軸材料為，由表15-123查得許用彎曲應(yīng)力。按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（3-7），則軸的計(jì)算應(yīng)力為因?yàn)?，所以主軸的強(qiáng)度符合要求。3.2.4 主軸的剛度校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過(guò)允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對(duì)于本課題的主軸，應(yīng)該按軸的彎曲剛度校核。軸計(jì)算剛度經(jīng)驗(yàn)公式為 （3-8）式中： 軸的計(jì)算撓度，單位為mm； 軸慣性量，單位為mm4； 軸所用材料的彈性模量，單位為n/mm2； 支承跨度，單位為mm； 軸所受圓周力，單位為n； 軸所受徑向力，單位為n。 軸的允許撓度，單位為mm已知

42、：，。由表15-1-4224查得軸的允許撓度為將上述參數(shù)代入公式（3-8），則軸的計(jì)算剛度為由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求。3.3 主軸組件的支承3.3.1 主軸軸承的配置根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。采用滾動(dòng)軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置主要有如圖3.7所示的幾種形式。 (a) (b) (c) (d)圖3.7 數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式在圖3.7a所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對(duì)角接觸球軸承，該

43、配置可滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)機(jī)床。在圖3.7b所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由個(gè)軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。在圖3.7c所示的配置形式中，前后支承均采用成對(duì)角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。在圖3.7d所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受

44、較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸15。 3.3.2 主軸軸承的預(yù)緊對(duì)主軸滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是通過(guò)軸承內(nèi)、外圈的相對(duì)軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(1) 軸承內(nèi)圈移動(dòng) 這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過(guò)套筒推動(dòng)內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動(dòng)，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過(guò)盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。圖3.8所示為幾種軸承內(nèi)圈的預(yù)緊形式。(a) (b)(c) (d)圖3.8 軸承的預(yù)緊形式圖3.8a結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但預(yù)緊量不易控制，常用于輕載機(jī)床主

45、軸部件。圖3.8b用螺母限制內(nèi)圈的移動(dòng)量，易于控制預(yù)緊量。圖3.8c在主軸凸緣上均布數(shù)個(gè)螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動(dòng)量，調(diào)整方便，但是用幾個(gè)螺釘調(diào)整。易使墊圈歪斜。圖3.8d將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個(gè)半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預(yù)緊量的大小，調(diào)整精度較高(2) 修磨座圈通過(guò)修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。圖3.9所示為兩種修磨的形式。 (a) 修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè) (b) 修磨軸承外圈的內(nèi)側(cè)圖3.9 修磨軸承座圈 圖3.9b所示為外圍窄邊相對(duì)(面對(duì)面)安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按圖示的相對(duì)關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過(guò)的端面貼緊，這樣能夠使兩個(gè)

46、軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對(duì)壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊，隔套調(diào)整法如圖3.10所示。(a) (b)圖3.10 隔套調(diào)整法3.3.3 主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算1 ）軸承受力分析軸承的受力簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖3.3。從圖上可知，在a、b兩處所用的是同種型號(hào)的角接觸球軸承，且d處的軸承是成對(duì)使用，共同承擔(dān)支承作用。所以，校驗(yàn)c、d處7017ac軸承只需取受力最大處即可。已知： ， ，則軸承7017ac所受徑向合力為軸承7015ac所受徑向合力為3.4 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 設(shè)計(jì)功率根據(jù)工作機(jī)為加工中心，原動(dòng)機(jī)為交流電動(dòng)機(jī)，每天兩班制工作（按計(jì)）

47、，由表5查得。故設(shè)計(jì)功率為：式中： 傳遞的功率， 載荷修正系數(shù)(2) 選定帶型和節(jié)距根據(jù)設(shè)計(jì)功率，小帶輪轉(zhuǎn)速，由圖確定帶輪的帶型為h型。按照同步帶的帶型為h型，由表5查得節(jié)距(3) 小帶輪齒數(shù)根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速，同步帶的帶型為h型，由表5查得小帶輪的最小齒數(shù)，故取(4) 小帶輪節(jié)圓直徑式中： 小帶輪齒數(shù)； 節(jié)距。按照小帶輪齒數(shù)，同步帶的帶型為h型，由表查得其外徑(5) 大帶輪齒數(shù)式中： 小帶輪轉(zhuǎn)速； 大帶輪轉(zhuǎn)速。大帶輪齒數(shù) (6) 大帶輪節(jié)圓直徑式中： 節(jié)距按大帶輪齒數(shù)，同步帶帶型為h型，由表5查得其外徑(7) 帶速式中： 小帶輪節(jié)圓直徑； 小帶輪轉(zhuǎn)速。(8) 初定軸間距經(jīng)驗(yàn)公式5： （3-10）

48、式中： 小帶輪節(jié)圓直徑； 大帶輪節(jié)圓直徑。將，值代入公式（3-10），得。故取。(9) 帶長(zhǎng)及其齒數(shù)式中： 帶長(zhǎng)； 初定軸間距； 小帶輪節(jié)圓直徑； 大帶輪節(jié)圓直徑。按帶長(zhǎng)，同步帶的帶型為h型，由表5查得應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為的h型同步帶，節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)。(10) 實(shí)際軸間距實(shí)際軸間距 式中： 初定軸間距； 節(jié)線長(zhǎng)； 帶長(zhǎng)。(11) 小帶輪嚙合齒數(shù)式中： 小帶輪嚙合齒數(shù)； 節(jié)距。(12) 基本額定功率按照同步帶的帶型為h型，由表5查得帶的許用工作拉力，帶的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量?；绢~定功率為：式中： 寬度為的帶的許用工作拉力 寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量(13) 帶寬按同步帶的帶型為h型，由表5查得；按

49、小帶輪嚙合齒數(shù)，由表查得嚙合齒數(shù)系數(shù)。帶寬為：式中： 嚙合齒數(shù)系數(shù) 同步帶的基準(zhǔn)寬度，按照帶寬，同步帶帶型為h型，由表確定選帶寬代號(hào)為的h型帶，其帶寬(14) 作用在軸上的力式中： 作用在軸上 設(shè)計(jì)功率； 帶速。(15) 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸傳動(dòng)選用的同步帶為小帶輪：，大帶輪：，3.5 主軸組件的潤(rùn)滑與密封主軸組件的潤(rùn)滑與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的兩個(gè)問(wèn)題。良好的潤(rùn)滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?.5.1 主軸組件的潤(rùn)滑在數(shù)控機(jī)床上，主軸軸承潤(rùn)滑方式主要有油脂潤(rùn)滑，油液循環(huán)潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。1）油脂潤(rùn)滑方式

50、這是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒(méi)有冷卻潤(rùn)滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤(rùn)滑方式。在數(shù)控機(jī)床上，通常采用高級(jí)油脂的種類為高級(jí)鋰基油脂或德國(guó)產(chǎn)nbu-15型油脂，每加一次油脂可使用年。主軸軸承油脂封入量，通常為軸承空間容積的，切忌隨意填滿。因?yàn)橛椭^(guò)多，會(huì)加劇主軸發(fā)熱。同時(shí)，脂潤(rùn)滑會(huì)降低全鋼軸承的性能，而混合陶瓷球軸承卻可以安全地采用脂潤(rùn)滑，符合本課題的主軸支承的選用。但是，要注意的是，采用油脂潤(rùn)滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承中。2)油霧潤(rùn)滑方式油霧方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無(wú)油液攪拌

51、作用，所以此方式常用于高速主軸軸承的潤(rùn)滑。但是，油霧容潤(rùn)滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤(rùn)滑部位的潤(rùn)滑易吹出，污染環(huán)境。3.5.2 主軸組件的密封密封的作用主要是防止灰塵、屑末和切削液等進(jìn)入軸承，以減少腐蝕和磨損；也可防止?jié)櫥屯饴?，保護(hù)環(huán)境，避免污染。主軸的密封分接觸式密封和非接觸式密封兩類。前者有摩擦和磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，一般宜用于低速主軸。后者制成迷宮式和間隙式，發(fā)熱很小，應(yīng)用廣泛。圖3.11是幾種非接觸密封的形式。(a) (b) (c)圖3.11 非接觸式密封1端蓋 2螺母圖3.11a是圈形間隙式密封，它是在蓋的內(nèi)腔中車出梯形或半圓形截面的環(huán)形油槽，并填滿潤(rùn)滑脂。利用軸承

52、蓋與軸的間隙密封，軸承蓋的孔內(nèi)開(kāi)槽是為了提高密封效果。這種密封用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤(rùn)滑處。圖3.11b是在螺母的外圓上開(kāi)鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)。圖3.11c是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于采用脂潤(rùn)滑的主軸，密封主要是防止外界異物進(jìn)入。所以，通常采用間隙式或迷宮式密封裝置。并且此密封方式在較惡劣的工作環(huán)境下也可獲得可靠的密封效果。迷宮式密封結(jié)構(gòu)是在組件的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過(guò)，并填滿潤(rùn)滑脂。由于這種密封方法能有效地保護(hù)軸承，所以得到廣泛應(yīng)用。接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封，如圖3.12所示。(a) (b)圖3.12 接觸式密封1甩油環(huán) 2油氈圈 3耐油橡膠密封圈3.5.3 本課題的潤(rùn)滑與密封方案的確定本課題中主軸組件的潤(rùn)滑方式采用油脂潤(rùn)滑方式，由于潤(rùn)滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換。這也是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式。同時(shí)，由于本課題的軸承采用油