數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計,cad,圖紙,說明書,仿單 目錄 目錄 1 緒 論 2 1.1課題背景及目的 2 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 3 1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 1.3課題研究內(nèi)容及方法 7 1.3.1 課題研究內(nèi)容 7 1.3.2 研究方法 7 2、硬件方面 8 （1）根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局； 8 （2）選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號； 8 （3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動方式。 8 1.4 論文構(gòu)成 8 2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 8 2.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 8 2.2總體設(shè)計 8 2.2.1 擬定傳動方案 9 2.2.2 選擇電機(jī) 10 2.2.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 14 2.2.4 轉(zhuǎn)速圖 15 2.2.5 傳動圖 15 2.3軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 2.3.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） 16 2.3.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） 20 2.3.3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 32 2.3.4 編碼器的選擇與安裝 36 2.3.5繪制主傳動系統(tǒng)總裝圖 38 4數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 43 4.1 線路連接 43 4.2安裝調(diào)試 43 心得體會及致謝 50 參 考 文 獻(xiàn) 51 1 緒 論 1.1課題背景及目的 我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性： 1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費會逐漸擴(kuò)大。[2] 在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床——CK20，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動加工，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工人勞動強度。通過本次設(shè)計培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 自從1951年計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。 未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢： 1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 2、向高速化和高精度化發(fā)展 3、向智能化方向發(fā)展 （1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 （2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專家系統(tǒng) （4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行[3] 。 1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1、研究現(xiàn)狀 我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實用和全面發(fā)展階段。 （1）床身 按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局形式具有以下特點： ☆ 容易實現(xiàn)機(jī)電一體化； ☆ 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積??； ☆ 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置； ☆ 容易排屑和安裝自動排屑器； ☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； ☆ 宜人性好，便于操作； ☆ 便于安裝機(jī)械手，實現(xiàn)單機(jī)自動化。 (2)導(dǎo)軌 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。 ?????? a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 ? ? c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 圖1.1 床身布局型式 （3）主軸變速系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。 （4）刀架系統(tǒng) 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對刀具的數(shù)目有一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。 （5）進(jìn)給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。前者定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對機(jī)床的要求比較高，且造價較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點而被廣泛采用[4]。 2、發(fā)展趨勢 （1）高速、高精密化 當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 （2）高可靠性 （3）數(shù)控車床設(shè)計CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化 采用CAD技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進(jìn)行設(shè)計方案選擇和大件整機(jī)的靜、動態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，以及對整機(jī)各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設(shè)計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計成本，提高市場競爭能力。 （4）功能復(fù)合化 擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工。 （5）智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化[5]。 1.3課題研究內(nèi)容及方法 1.3.1 課題研究內(nèi)容 本課題設(shè)計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下： 工件最大回轉(zhuǎn)直徑:;最大加工直徑: 橫向最大行程(X軸):,縱向最大行程(Z軸): 最大車削長度:;X,Z軸的最小設(shè)定單位為: 主軸最大/最小轉(zhuǎn)速: 快速進(jìn)給速度:縱向:,橫向: 課題研究的主要內(nèi)容包括主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計、編碼盤的安裝、液壓卡盤的設(shè)計安裝及數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計。 1.3.2 研究方法 第一步，明確設(shè)計要求，找出研究的重難點：普通數(shù)控車床最基本的要求是精度達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長，此外力求外型美觀。 第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國內(nèi)外相關(guān)資料，吸取專家的設(shè)計經(jīng)驗。 第三步，初步確定總體設(shè)計方案： 1、軟件方面 綜合考慮功能、價格、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便等因素，以及數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK20的性能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。選擇了SINUMERIK 802D機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。 2、硬件方面 （1）根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局； （2）選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號； （3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動方式。 1.4 論文構(gòu)成 本論文構(gòu)成如下： 第一章闡述課題的研究背景及內(nèi)容。 第二章詳細(xì)論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 第三章詳細(xì)介紹液壓卡盤的設(shè)計選用。 第四章闡述數(shù)控系統(tǒng)的選擇及其設(shè)計。 第五章提供了在本機(jī)床加工一典型零件的程序。 第六章總結(jié)本課題設(shè)計的特點及其有待改進(jìn)之處。 論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計的心得和參考文獻(xiàn)。 ??? 2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 2.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 數(shù)控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動要求外，還提出以下要求： 1、具有更大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速; 2、具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低; 3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性. 2.2總體設(shè)計 2.2.1 擬定傳動方案 數(shù)控機(jī)床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機(jī)作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運動的調(diào)速范圍較大（），單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級變速傳動，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運動方案如圖2.1： 有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。 圖2.1 主軸傳動圖 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動時，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。 2.2.2 選擇電機(jī) 1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 (1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。 (2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9。 (3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。 (5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護(hù)等等因素[11]。 2、電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比、分析。 表1.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能 項目 內(nèi)容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 高旋轉(zhuǎn)精度 高動態(tài)響應(yīng) 高加減速,起制動能力 具有強魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 高效率,低噪聲 低價格 低購買價格,低維護(hù)價格,低服務(wù)價格 通用要求 耐用性,可維護(hù)性,安全可靠性 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。 經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用FANU系列交流主軸電機(jī)。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。 3、電動機(jī)容量的選擇 選擇電動機(jī)容量就是合理確定電動機(jī)的額定功率。決定電動機(jī)功率時要考慮電動機(jī)的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機(jī)容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機(jī)（如本課題中的電動機(jī)），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計算[9]，本設(shè)計中電機(jī)容量按以下步驟確定： （1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料7) 確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為(). 切削用量范圍： 主切削力： (2.1) 取 切深取，進(jìn)給量取。 切削功率： （2）確定電機(jī)輸出動率Pd 傳動裝置的總效率 (2.2) 其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.98；； ―Ⅱ軸軸承效率，由資料[12]，表2－4查得 ＝0.99×0.99＝0.98； ―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[7]，表2－4查得 ＝0.99×0.99＝0.98。 由此，＝0.98×0.98×0.98×0.980.922。 故， （3）選擇電動機(jī)額定功率 如前所述，電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9，所以電動機(jī)額定功率選取為11。 （4）電動機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 由資料[10],表22－1－9，小功率電動機(jī)一般選為380V電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為380V。 同一類型、功率相同的電動機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。[10] 本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為。由于只有一根中間 傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機(jī)恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比，低速傳動鏈傳動比。由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍: （5）確定電機(jī)的型號 由前面信息，可選取FANUC交流電機(jī)，型號為。這種電機(jī)轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現(xiàn)電機(jī)的高速、高加速控制，作為α系列的后續(xù)產(chǎn)品，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機(jī)參數(shù)如下表所示： 表2.2 電機(jī)參數(shù) 型號 額定功率 連續(xù) 30min功率 最低轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 重量 振動 冷卻 機(jī)座長為，電機(jī)軸徑為，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[8]得[8]。 2.2.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 1、各軸計算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]） 首先估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式： ； (2.3) 然后通過傳動比計算傳動軸和電機(jī)軸的計算轉(zhuǎn)速， 上式中、 、的意義如前所述。 2、各軸輸入功率 =＝11Kw ＝ (2.4) ＝ 上式中，、、的意義如前所述。 3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩 將以上計算結(jié)果整理后列于表2.2，供以后計算選擇，供以后計算使用： 表2.3 各軸的傳動參數(shù) 參數(shù) 軸 I軸（電機(jī)軸） II軸（中間傳動軸） III軸（主軸） 計算轉(zhuǎn)速（） 746 373 145 輸入功率（Kw） 11 10.6 10.2 轉(zhuǎn)矩（） 140.82 271.39 671.79 傳動比 ， 2.2.4 轉(zhuǎn)速圖 由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖,見圖2-2. 圖2.2 轉(zhuǎn)速圖 2.2.5 傳動圖 初定數(shù)控車床的傳動圖,如圖2-3. 圖2.3傳動圖 2.3軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） I軸上的零件主要是齒輪1。一端用凸臺定位,另一端用緊定螺釘定位。 1.選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數(shù). 根據(jù)選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動. （1）本次設(shè)計屬于金屬切削機(jī)床類,一般齒輪傳動,故選用6級精度. （2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS. （3）選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù) 2.按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式(10-9a)進(jìn)行試算,即 (2.5) 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由上文可知為 （3）由表10-7選取齒寬系數(shù) （4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) （5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限; （6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (2.6) （7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) （8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得 (2.7) 2）計算 （1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值 (2.8) （2）計算圓周速度 (2.9) （3）計算齒寬 (2.10) （4）計算齒寬與齒高之比 模數(shù) (2.11) 齒高 (2.12) (2.13) （5）計算載荷系數(shù) 根據(jù)，6級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)； 直齒輪，假設(shè)。由表10-3查得； 由表10-2查得使用系數(shù)； 由表10-4查得6級精度，小齒輪懸臂支承時， (2.14) 將數(shù)據(jù)代入得 ； (2.15) 由，查圖10-13得；故載荷系數(shù) (2.16) （6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得 (2.17) （7）計算模數(shù) (2.18) 3.按齒根彎曲強度設(shè)計 由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為 (2.19) 1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限； （2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，； （3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得 (2.20) （4）計算載荷系數(shù)K (2.21) （5）查取齒形系數(shù) 由表10-5查得；。 （6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5查得；。 （7）計算大小齒輪的并加以比較 (2.22) 大齒輪的數(shù)值大。 2）設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)2.46并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù) 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 4.幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 2）計算中心距 3）計算齒輪寬度 取。 5.驗算 ，合適。 2.3.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]） 1.軸的支承形式 該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示： 圖2.4 中間軸的支承形式 2.軸上零件的軸向定位 II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應(yīng)的電磁離合器。滾子軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位。與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定,右端用軸肩定位.另外兩齒輪所對應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，兩齒輪的另兩端用螺釘鎖緊擋圈定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。 （1）軸的選材和最小直徑得確定 軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。 軸的最小尺寸，由式（15－2）， 式中，由表15－3，可取得110，故 ?。?5mm。由于取值較計算值大的多，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進(jìn)行疲勞強度校合。 軸的零件圖如圖2-5. 圖2.5 中間軸零件圖 （2）齒輪的設(shè)計 齒輪1和2的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對齒輪的設(shè)計。 1.選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù) ①本數(shù)控機(jī)床的運行速度較高，精度等級選擇6級精度； ②由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。 ③小齒輪齒數(shù)初選為＝24，＝ ＝ 2.按齒面接觸強度進(jìn)行設(shè)計 按式（10－9）試算， 確定公式內(nèi)的各計算值： ①初選載荷系數(shù)Kt＝1.6； ②計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為271.39; ③由表10－7及其說明，可選定齒寬系數(shù)＝0.4； ④由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8； ⑤由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝650MPa；大齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa； ⑥兩齒輪的設(shè)計壽命為50000h，由式10－13，計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ⑦由圖10－19查得接觸疲勞壽命系數(shù)=0.9,=0.95; ⑧計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)s＝1。由式（10－12）， ==0.9×650/1＝585MPa ==0.95×600/1=570MPa 將以上參數(shù)代入公式進(jìn)行計算 ①試算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[H-]中較小的值 ②計算圓周速度v ③計算齒寬 ④計算齒寬與齒高之比 齒輪模數(shù) 齒高 ⑤計算載荷系數(shù)K 由圖10－8，查得動載系數(shù)； 由表10－3，查得; 由表10－2，查得使用系數(shù)＝1.25； 小齒輪精度為6級，相對支撐作對稱分布。由表10－4， 由b/h＝4.27，=1.15,查圖10－13，得＝1.12， 故，動載系數(shù) ⑥按實際得載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10－10a）得 ⑦計算模數(shù) 3.按齒根彎曲強度設(shè)計 由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計公式為 以下確定式中各參數(shù)的值： ①由圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限＝520MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限＝440MPa； ②由圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)＝0.82，＝0.87； ③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.3，由式（10－12）得 ＝＝0.82×520/1.3＝328MPa ＝＝0.87×440/1.3＝294.46Mpa ④計算載荷系數(shù) K ⑤查取齒形系數(shù) 由表10-5查得。 ⑥查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10－5,查得；。 ⑦計算大、小齒輪的并加以比較 大齒輪數(shù)值大，將用于以下計算。 將以上參數(shù)代入式（10－5）進(jìn)行計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而由齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度所算得的模數(shù)，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 4.幾何尺寸計算 1）計算分度圓直徑 2）計算中心距 3）計算齒輪寬度 取。 5.驗算 ，合適。 第二對齒輪的模數(shù)可取得比齒輪1小，＝3。由于這兩齒輪得中心距與齒輪1和2的中心距相等，故,. 四個齒輪的尺寸參數(shù)如表2.4所示。 表2.4 齒輪尺寸參 參數(shù) 齒輪 1 2 3 4 模數(shù)m 3.5 3.5 3 3 齒數(shù)z 38 97 100 56 中心距a 236.25 分度圓直徑d 133 339.5 300 168 齒頂圓直徑 140 346.5 306 174 齒根圓直徑 124.25 330.75 292.5 160.5 全齒高h(yuǎn) 7.875 6.75 齒寬b 60 54 55 60 壓力角 基圓直徑 125 319 282 158 傳動比 18/7 9/16 齒輪寬B 65 60 70 75 齒寬系數(shù) 0.4 0.15 0.2 0.2 輪轂寬 70 65 85 90 1.電磁摩擦離合器的計算和選擇 本課題中數(shù)控機(jī)床得轉(zhuǎn)速較高，對工作可靠性要求高，根據(jù)資料[13]中的結(jié)構(gòu)選擇原則，選取牙嵌式電磁離合器。 形式選定后，應(yīng)進(jìn)一步確定其規(guī)格（本小節(jié)公式及參數(shù)除非特別說明，均出自資料[15]） （1）規(guī)格計算 其規(guī)格選擇計算的基本原則是使其計算轉(zhuǎn)矩小于或等于其薄弱環(huán)節(jié)的失效條件限制而允許其傳遞的許用轉(zhuǎn)矩[T]，即 (2.23) 其中--理論轉(zhuǎn)矩 --計算轉(zhuǎn)矩 --公稱轉(zhuǎn)矩 --許用轉(zhuǎn)矩 --最大轉(zhuǎn)矩 --許用最大轉(zhuǎn)矩 --許用轉(zhuǎn)速 1）計算轉(zhuǎn)矩 由于各類聯(lián)軸器，離合器實際工況不同，在確定計算轉(zhuǎn)矩時應(yīng)將理論轉(zhuǎn)矩乘以不同系數(shù)K 本機(jī)床承受長期平穩(wěn)載荷，故 (2.24) 式中，，，--分別為離合器的計算轉(zhuǎn)矩，公稱，許用轉(zhuǎn)矩，； --離合器理論轉(zhuǎn)矩，； K—離合器工況系數(shù)，見下表所示。 本文中為金屬切學(xué)機(jī)床，取K=1.4，從而得到 (2.25) 根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩，查表5-3-42選取規(guī)格為DLY5-40A的牙嵌式離合器，相關(guān)尺寸可從表中查取。 （2）牙嵌式離合器的設(shè)計計算 1）離合器的外徑計算（經(jīng)驗公式） (2.26) 牙的外徑： (2.27) 表2.5 離合器工況系數(shù) 機(jī)械類型 K 機(jī)械類型 K 金屬切削機(jī)床 1.3-1.5 輕紡機(jī)械 1.2-2 曲柄式壓力機(jī)械 1.1-1.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械 2-3.5 汽車,車輛 1.2-3 挖掘機(jī)械 1.2-2.5 拖拉機(jī) 1.5-3 鉆探機(jī)械 2-4 船舶 1.3-2.5 活塞泵,通風(fēng)機(jī),壓力機(jī) 1.3 起重運輸機(jī)械 在最大載荷下結(jié)合 1.35-1.5 活塞泵(單缸),大型通風(fēng)機(jī),壓縮機(jī),木材加工機(jī)械 1.7 在空載下結(jié)合 1.25-1.5 冶金礦山機(jī)械 1.8-3.2 牙的內(nèi)徑： (2.28) 牙的平均直徑： (2.29) 牙的寬度： (2.30) 牙的高度： (2.31) 牙的個數(shù)： (2.32) 式中--主，從動半離合器的轉(zhuǎn)速差 (2.33) --牙齒接合圓周速度差，一般取 --離合器允許結(jié)合時間，一般機(jī)床，取 本文中取，，則可以得到 2）牙間壓緊力 (2.34) 近似可取 (2.35) 式中 --牙形角，一般取 --摩擦角，鋼與鋼接觸，取 --牙的平均直徑 --彈簧推力，一般取 本課題中取， 從而， (2.36) （3）磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）磁軛鐵心截面積 (2.37) 式中，--磁感應(yīng)強度，一般取 --牙間壓緊力，N。 取， 2）線圈槽內(nèi)徑（內(nèi)鐵心外徑） (2.38) 式中--離合器軸徑。 3）線圈槽外徑（外鐵心內(nèi)徑） (2.39) 4）線圈槽寬度 (2.40) 5）勵磁磁勢 (2.41) 式中，--氣隙中中磁感應(yīng)強度，一般取 --工作氣隙，近似取牙的高度。 --氣隙系數(shù)，一般取 取，，則 (2.42) 6）線圈槽高度 (2.43) 式中，--線圈槽高寬比， --傳熱系數(shù)。線圈散熱良好時，； 線圈散熱不良時， ； --填充系數(shù)，按導(dǎo)線直徑由圖9-13查得； --溫升，K，按技術(shù)要求確定； --電阻系數(shù)，可?。? 取查得，得 (2.44) 7）導(dǎo)線直徑 (2.45) 式中，--線圈的平均直徑， --電源電壓，一般取24V 8）線圈匝數(shù) (2.46) 9）磁軛底部厚度 (2.47) 磁軛高度：，一般取 10）銜鐵厚度 銜鐵內(nèi)徑由軸徑根據(jù)結(jié)構(gòu)確定，外徑 （4）磁路驗算 1）線圈總磁勢 (2.48) 式中，--氣隙，磁軛，銜鐵等各部分的磁均強度與磁路長度 2）氣隙磁場強度 (2.49) 3）電磁吸力 (2.50) 6.軸承的選擇 由資料[12]，可選得軸承的型號和其他參數(shù)，如表2-7所示： 7、鍵和圓螺母的選擇 由資料[12]，可選擇鍵的尺寸如下表2-6： 表2.6 鍵的尺寸參數(shù) 鍵 參數(shù) 公稱尺寸 長度 軸深度 孔深度 與離合器配合的鍵 50 5.5 3.8 圓螺母選用 M35×1.5。 表2.7 軸承尺寸參數(shù) 軸承 參數(shù) 型號 內(nèi)徑 外徑 軸承寬 安裝尺寸 安裝尺寸 軸兩端的支撐軸承 107 35 62 14 41 57 7307C 7307AC 35 80 21 44 71 與齒輪配合的軸承 7308C 7308AC 40 90 23 49 81 2.3.3 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.對主軸組件的性能要求 主軸組件是機(jī)床主要部件之一，它的性能對整機(jī)性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求： ①回轉(zhuǎn)精度 主軸組件的回轉(zhuǎn)精度，是指主軸的回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運動時，線速度為零的點的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變。實際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置成為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時回轉(zhuǎn)中心線相對于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時存在時，構(gòu)成徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在構(gòu)成端面跳動。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。 主軸回轉(zhuǎn)精度的測量，一般分為三種：靜態(tài)測量、動態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法，用一個精密的測量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動主軸進(jìn)行測量。千分表最大和最小的讀數(shù)差即認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動態(tài)測量是用以標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉(zhuǎn)；在工作態(tài)上安裝兩個互成90o角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測量是用小的切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上的測量試件的圓度來評價。出廠時，普通級加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測量法測量，當(dāng)L＝300mm時允許誤差應(yīng)小于0.02mm。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時引起的激振力，也會造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。 ②剛度 主軸部件的剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其它力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸、支承跨距、軸承類型及配置型式、軸承間隙的調(diào)整、主軸上傳動元件的位置等有關(guān)。 ③抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時，主軸保持平穩(wěn)地運行而不發(fā)生振動的能力。主軸組件抗振興差，工作時容易產(chǎn)生，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。 ④溫升 主軸組件在運轉(zhuǎn)中，溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱彭漲而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其它組件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。數(shù)控機(jī)床一般采用恒溫主軸箱來解決恒溫問題。 ⑤耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤滑，以提高耐磨性。 以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度和高速，高速與低溫升，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計高精度數(shù)控機(jī)床時，主軸應(yīng)滿足高剛度、低溫升的要求[6]。 2.軸承配置型式 本課題中數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速較高，卻要求徑向剛度好，所以軸承的配置型式選擇為剛度速度型[13]。前軸承采用雙列角接觸球軸承，接觸角為，它們通過套筒背靠背配置，以減少主軸懸伸量。后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承，以承受較大的傳動力。如下圖所示： 圖2.6 主軸支承型式 3.主要參數(shù)的確定 主軸的主要參數(shù)是指：主軸平均直徑D（或主軸前軸頸直徑）；主軸內(nèi)孔直徑；主軸懸伸量a和主軸支承跨距。這些參數(shù)直接影響主軸的工作性能，但為簡化問題，主要是由靜剛度條件來確定這些參數(shù)，即選擇D、d、a、l使主軸獲得最大靜剛度，同時兼顧其它要求，如高速性、抗振性等。 （1）主軸前軸頸直徑的確定 主軸平均直徑對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dn值的限制，同時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。 按車床主電動機(jī)功率來確定，由資料[16]圖6.1－83可取。 （2）主軸內(nèi)孔直徑d的確定 確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔頸要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)取較大值。 對于數(shù)控機(jī)床，，本課題中車床主軸尾端需要安裝皮帶輪，軸徑較小，故取[16]，即。 （3）主軸懸伸量的確定 主軸懸伸量是指主軸前端面到支承徑向反力作用中點的距離，它對主軸部件的剛度和抗振性影響很大。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值。減小的常見措施有： ①盡量采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)。 ②推力軸承配置在前支承時，應(yīng)安裝在徑向軸承的內(nèi)側(cè)而不是外側(cè)。 ③合理設(shè)計前支承的調(diào)整結(jié)構(gòu)和密封裝置形式。盡量采用主軸端部的法蘭盤和軸肩等構(gòu)成密封裝置。 ④采用向心推力軸承來代替向心軸承。成對安裝的圓錐滾子軸承，應(yīng)采取滾錐小端相對的形式；成對安裝的向心推力軸承應(yīng)采取背對背或面朝外的同方向排列形式。本課題中主軸前端的一對向心推力軸承正是采用這種安裝形式。 ⑤改變軸端工夾具的結(jié)構(gòu)形式來減小a值[16]。 （4）支承跨距的確定 支承跨距是指相鄰兩支承的支承反力作用點之間的距離。合理確定是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。當(dāng)時，主軸部件具有最大剛度，即為主軸部件的最佳跨距。在具體設(shè)計時，往往由于結(jié)構(gòu)上的限制而使，這就造成主軸部件的剛度損失。合理跨距,通常取。因為D、a一定時，越大，軸承的徑向跳動對主軸前端的徑向跳動影響越小，且加大可較小振動。當(dāng)需要遠(yuǎn)大于時，可采用三支承結(jié)構(gòu)[6]。 4.主軸頭的選用 如前文所述，采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)有利于減小主軸懸伸量。本課題選用B型法蘭式主軸端部，代號為6，其基本尺寸由資料[16]表6.1－31可獲得。 5.軸承型號的選擇 考慮到主軸上部件的安裝需要利用軸肩來進(jìn)行軸向定位，初步確定好安裝軸承部位軸徑后，選擇軸承型號及其尺寸如表2-8所示： 表2.8 主軸軸承尺寸參數(shù) 軸承 參數(shù) 型號 內(nèi)徑 外徑 軸承寬 安裝尺寸 安裝尺寸 安裝尺寸 安裝尺寸 前軸承 36218 90 160 30 103 147 － － 后軸承 3182114 70 110 30 80 － 103 102 2.3.4 編碼器的選擇與安裝 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上加工螺紋或絲杠時，進(jìn)刀速度應(yīng)與車床主軸轉(zhuǎn)速之間保持一個恒定的比例關(guān)系，為此要在車床主軸上安裝一個主軸位置信號的反饋元件。即主軸脈沖發(fā)生器。在選用簡易數(shù)控裝置時，應(yīng)選用含有螺紋加工功能的系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的主軸脈沖發(fā)生器。光電編碼器由于是數(shù)字信號，所以噪聲容限大，容易實現(xiàn)高分辨率，檢測精度高，且體積小、重量輕、易安裝，在現(xiàn)代檢測技術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用。本課題選用 LF1024型光電編碼器。 光電編碼器的安裝通常采用兩種方式:同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝結(jié)構(gòu)簡單，缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件;異軸安裝較同軸安裝麻煩，需配一對同步平帶輪及同步平帶。在加工螺紋時，將其裝上，不使用時將其斷開，避免磨損和信號干擾，延長主軸脈沖發(fā)生器的使用壽命。本課題采用異軸安裝方式，利用同步帶傳動帶動軸轉(zhuǎn)動，軸通過聯(lián)軸器與光電編碼器相聯(lián)，帶動光電編碼器轉(zhuǎn)動[17]。 （1）聯(lián)軸器的選擇 本課題中聯(lián)軸器選用柱銷聯(lián)軸器，由資料[15],表4－290可知，它應(yīng)用于正反轉(zhuǎn)多，啟動頻繁的高、低速傳動，其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維護(hù)方便，壽命長，能緩沖減振，符合要求。 由于軸所傳動的力矩不大，故聯(lián)軸器的尺寸由LF1024型光電編碼器的軸徑（28mm）決定。由資料[15],表4－319可選取型號為 LX2的彈性柱銷聯(lián)軸器，其尺寸和性能參數(shù)可由該表查取。