加工中心主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書

摘 要加工中心由于備有刀庫并能自動(dòng)更換刀具，使得工件在一次裝夾中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人為干預(yù)，當(dāng)機(jī)床開始執(zhí)行程序后，它將一直運(yùn)行到程序結(jié)束。加工中心還賦予了專業(yè)化車間一些諸多優(yōu)點(diǎn)，如：降低機(jī)床的故障率，提高生產(chǎn)效率，提高加工精度，削減廢料量，縮短檢驗(yàn)時(shí)間，降低刀具成本，改善庫存量等。由于加工中心的眾多優(yōu)勢(shì)，所以它深受全球制造企業(yè)的青睞。加工中心主要由主軸組件、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、移動(dòng)工作臺(tái)、刀庫及自動(dòng)換刀裝置以及其它機(jī)械功能部件組成。其中的主軸組件是機(jī)床重要的組成部分，其運(yùn)動(dòng)性能直接影響機(jī)床加工精度與表面粗糙度。本文在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過研究分析不同加工中心主軸組件的性能，綜合地比較了其特點(diǎn)，并擬定了一個(gè)較為合理的主軸組件結(jié)構(gòu)方案。同時(shí)，還就主軸、軸承以及絲杠等重要零件的機(jī)械性能進(jìn)行了探討，并對(duì)這些零件的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了校核。此外，本設(shè)計(jì)中所采用的陶瓷軸承能有效地增加主軸的剛度，從而提高了加工中心的可靠性和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞 主軸組件；加工中心；數(shù)控機(jī)床 IAbstractMachining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.Key words spindle unit;machining center; NC machine tool-II-目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r11.1.1 加工中心的國內(nèi)外發(fā)展11.1.2 主軸部件的研究進(jìn)展21.3 課題擬解決的關(guān)鍵問題31.4 解決上述問題的策略4第2章 方案擬定52.1 加工中心主軸組件的組成52.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定52.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)52.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)62.2.3 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)72.3 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定9第3章 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件113.1 主軸電動(dòng)機(jī)的選用113.1.1 主電機(jī)功率估算113.1.2 主電機(jī)選型123.2 主軸123.2.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.2.1.1 主軸軸徑的確定133.2.2 主軸受力分析133.2.3 主軸的強(qiáng)度校核163.2.4 主軸的剛度校核173.2.5 軸承的配合183.2.6 主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算183.2.6.1 軸承受力分析183.2.6.2 軸承7017AC壽命計(jì)算193.2.6.3 軸承7015AC壽命計(jì)算193.3同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算20第4章 主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件244.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用244.1.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率的估算244.1.2 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用244.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算254.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算254.3.1 切力削估算254.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算264.3.2.1 滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定264.3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速264.3.2.3 確定絲杠的等效負(fù)載264.3.2.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷27結(jié) 論28致 謝30參考文獻(xiàn)31附錄133附錄237-IV-第1章 緒 論1.1 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r1.1.1 加工中心的國內(nèi)外發(fā)展對(duì)于高速加工中心，國外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在以上，最高已達(dá)到。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，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在，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。國外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在左右，高的已達(dá)，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國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。國外加工中心定位精度基本上按德國標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程以下，定位精度可控制在之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。相對(duì)而言，國內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在左右，個(gè)別達(dá)到。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。國內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在，定位精度控制在之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在之內(nèi)。在換刀速度方面，國內(nèi)機(jī)床多在，無法與國際水平相比13。雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國外產(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，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國外機(jī)床的平均無故障時(shí)間（MTBF）都在小時(shí)以上，而國產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問題之一。1.1.2 主軸部件的研究進(jìn)展典型加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有基礎(chǔ)支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)交換系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、刀庫及自動(dòng)換刀裝置以及其他機(jī)械功能部件組成4。圖1-1所示為立式加工中心結(jié)構(gòu)圖。主軸系統(tǒng)為加工中心的主要組成部分，它由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件成。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。 圖1-1 立式加工中心結(jié)構(gòu)圖1-切削箱 2-X軸伺服電機(jī) 3-Z軸伺服電機(jī) 4-主軸電機(jī)5-主軸箱 6-刀庫 7-數(shù)控柜 8-操縱面板9-驅(qū)動(dòng)電柜 10-工作臺(tái) 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤(rùn)滑油箱 16-機(jī)械手隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)（變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等）的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡(jiǎn)化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸組件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。由于當(dāng)前電主軸主要采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱為“高頻主軸”。由于沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有時(shí)又稱它為“直接驅(qū)動(dòng)主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全1.2課題的目的及內(nèi)容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)國家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國內(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：(a)主軸孔錐度：；(b)主軸孔直徑：；(c)主軸箱行程（Z軸）：；(d)主軸轉(zhuǎn)速范圍：；(e)快速移動(dòng)速度（Z軸）：；(f)進(jìn)給速度（Z軸）：。1.3 課題擬解決的關(guān)鍵問題各類機(jī)床對(duì)其主軸組件的要求，主要是精度問題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，主軸能帶動(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。主軸組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求6：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)，主軸前端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表面粗糙度。剛度指主軸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?？拐裥灾钢鬏S組件在切削過程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。抗振性直接影響加工表面質(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)中心的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會(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。根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，由于主軸的轉(zhuǎn)速并不是很高，所以在抗振性、溫升等方面不必重點(diǎn)考慮，而應(yīng)重點(diǎn)考慮加工中心的旋轉(zhuǎn)精度和剛性。但是在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)綜合考慮以上幾項(xiàng)要求，注意吸收新技術(shù)，以獲得滿意的設(shè)計(jì)方案。1.4 解決上述問題的策略旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸、支承軸承、主軸箱上軸承座等的制造、裝配和調(diào)整精度。顯然，若要保證主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，則必然對(duì)主軸支承軸頸的圓度、軸承滾道及滾子的圓度、主軸及其上的回轉(zhuǎn)零件的動(dòng)平衡度、止推軸承的滾道及滾動(dòng)體的誤差、以及對(duì)主軸的主要定心面的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)等提出較高的整體要求，要保證旋轉(zhuǎn)精度，通常應(yīng)盡量滿足以上要求。第2章 方案擬定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)來說，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：無滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比；預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??；帶的厚度小，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高；帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要缺點(diǎn)是安裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格。由于齒輪傳動(dòng)需要具備較多的潤(rùn)滑條件，而且為了使主軸能夠達(dá)到一定的旋轉(zhuǎn)精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。而同步帶傳動(dòng)則避免了這些狀況，并且傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比等都能符合課題的要求，故在本課題的主軸傳動(dòng)方式中選擇同步帶傳動(dòng)。2.2.2 主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)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)無爬行、振動(dòng)；(3) 磨損大，使用壽命較短；(3) 耐磨性好，磨損極??；(4) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪聲。(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)。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，見表2-1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)矩不能完全靠錐孔的摩擦力來傳遞，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)械方式和電氣方式兩種。圖2-1 機(jī)械式主軸準(zhǔn)停裝置 1 無觸點(diǎn)開關(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)間繼電器開始動(dòng)作，并延時(shí)46s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無觸電開關(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與無觸點(diǎn)開關(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后行程開關(guān)LS2仍不發(fā)信號(hào)，說明準(zhǔn)停沒完成，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，其工作原理如圖2-2。圖2-2 電氣式主軸準(zhǔn)停在主軸上安裝一個(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)速加工中心主軸來說，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)各自的約束條件來選擇12。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。2.3 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定綜合2-2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)無爬行、無振動(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，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。在換刀過程中，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，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來達(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。第3章 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6： （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；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，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：a) 額定輸出功率：；b) 最高速度：；c) 額定輸出轉(zhuǎn)矩：；d) 轉(zhuǎn)子慣量：。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，見圖3-1。圖3-1 主軸主要參數(shù)示意圖3.2.1.1 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確定主軸前軸頸直徑。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：3.2.2 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。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) (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解決問題。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（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。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； 軸慣性量，單位為； 軸所用材料的彈性模量，單位為； 支承跨度，單位為； 軸所受圓周力，單位為； 軸所受徑向力，單位為。 軸的允許撓度，單位為已知：，。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。3.2.5 軸承的配合由于主軸軸承在工作時(shí)基本上都是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈相對(duì)固定不動(dòng),且主軸承受載荷多為定向載荷。因此,為了提高軸承的剛性,防止軸承在工作期間因摩擦發(fā)熱而引起內(nèi)圈膨脹,導(dǎo)致內(nèi)圈與主軸之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象, 精密機(jī)床主軸軸承內(nèi)圈與主軸之間一般選擇過盈配合。另外,為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力,允許軸承外圈在軸承座內(nèi)出現(xiàn)蠕動(dòng)現(xiàn)象, 以盡可能地延長(zhǎng)軸承的使用壽命。同時(shí),為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現(xiàn)象, 引起軸承預(yù)緊增加,導(dǎo)致摩擦發(fā)熱加劇,故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合。在本課題中，固定端前支承的7017C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取38m。為了提高機(jī)床的切削剛性，該軸承與主軸的配合采用過盈配合, 配合目標(biāo)過盈量取04m。而后支承的7015C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合, 配合目標(biāo)過盈量取03m。與軸承座之間為間隙配合,配合目標(biāo)間隙值取915m21。3.2.6 主軸軸承設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.6.1 軸承受力分析軸承的受力簡(jiǎn)圖參見圖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3.2.6.2 軸承7017AC壽命計(jì)算軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為已知軸承7017AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由表13-523查得分界判斷系數(shù)。由表13-523查得徑向動(dòng)載荷系數(shù)X=1，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=0。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，由表13-623查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為23 以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命（單位為h）為 （3.9）式中： 失效率（可靠度）的基本額定壽命（） 軸承的轉(zhuǎn)速，單位為； 基本額定動(dòng)載荷，單位為； 當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為； 壽命指數(shù)，對(duì)球軸承，滾子軸承。查表22-425得基本額定動(dòng)載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。3.2.6.3 軸承7015AC壽命計(jì)算軸承的工作年限為7年（一年按300天計(jì)算），每天兩班工作制（按16h計(jì)算），則軸承預(yù)期計(jì)算壽命為已知軸承7015AC所受的軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷。由表13-523查得分界判斷系數(shù)。由表13-523查得徑向動(dòng)載荷系數(shù)X=0.41，軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y=0.87。根據(jù)載荷性質(zhì)為中等沖擊，由表13-623查得載荷系數(shù)一般為，取。則軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為23 查表22-425得基本額定動(dòng)載荷。將上述參數(shù)代入公式（3.9），則以小時(shí)數(shù)表示的軸承壽命為由于，所以能夠滿足要求。3.3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)），由表5查得。故設(shè)計(jì)功率為5：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5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5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）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。基本額定功率為：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；按小帶輪嚙合齒數(shù)，由表5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5確定選帶寬代號(hào)為的H型帶，其帶寬第4章 主軸組件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件4.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用4.1.1 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率的估算1.傳動(dòng)效率根據(jù)本課題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)給部分中主要的機(jī)械傳動(dòng)效率由聯(lián)軸器、滾珠軸承及滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)組成。其中，聯(lián)軸器效率為0.996，滾珠軸承效率為0.996，滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)效率為0.956?？倐鲃?dòng)效率：2.電動(dòng)機(jī)功率6式中： 進(jìn)給傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率，； 進(jìn)給牽引力，； 進(jìn)給速度，； 進(jìn)給傳動(dòng)鏈的總機(jī)械效率。4.1.2 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的選用寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是勵(lì)磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，電動(dòng)機(jī)的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。當(dāng)然，寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。日本法納克（FANUC）公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心（MC）的L系列適合于在頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用。根據(jù)估算得出的電動(dòng)機(jī)功率，選用FANUC的6L型電動(dòng)機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下：a) 輸出功率：；b) 額定轉(zhuǎn)矩：；c) 最大轉(zhuǎn)矩：；d) 最高轉(zhuǎn)速：；e) 轉(zhuǎn)子慣量：。4.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 類型選擇為了隔離振動(dòng)與沖擊，選用凸緣聯(lián)軸器。(2) 載荷計(jì)算已知進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為。根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩是變化的，且沖擊載荷較大，原動(dòng)機(jī)類型為電動(dòng)機(jī)，由表14-123查得工作情況系數(shù)。則計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：(3) 型號(hào)選擇選擇聯(lián)軸器時(shí)，聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，許用最大轉(zhuǎn)速要大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為，許用最大轉(zhuǎn)速為，適合于尺寸在之間的軸頸。故能夠滿足要求。4.3 垂直方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 切力削估算由公式（3.1）得出切向銑削力縱向切削力22 橫向切削力22 垂直切削力22 絲杠承重初估 4.3.2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.2.1 滾珠絲杠的導(dǎo)程的確定在本課題中，電機(jī)和絲杠直接相連，所以傳動(dòng)比，選擇電機(jī)6L型的最高工作轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)矩，則絲杠的導(dǎo)程為：4.3.2.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為 則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估算）為式中： 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的轉(zhuǎn)速，單位為； 軸向載荷F1，F(xiàn)2作用下的時(shí)間，單位為s。4.3.2.3 確定絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為，取摩擦系數(shù)為，則絲杠所受的最大工作負(fù)載為式中： 顛覆力矩影響系數(shù)，一般取為。而絲杠的最小工作負(fù)載為故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算；）：4.3.2.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷取絲杠的工作壽命為，同時(shí)取精度系數(shù)，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，溫度系數(shù)，硬度系數(shù)，可靠性系數(shù)7；平均轉(zhuǎn)速為。則最大動(dòng)載荷為根據(jù)動(dòng)載荷要求，選用插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，型號(hào)為5。絲杠公稱直徑為，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷（），額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=，絲杠螺母副的接觸剛度為，螺母長(zhǎng)度為，取絲杠的精度為級(jí)。在本課題中采用雙螺母墊片式預(yù)緊。結(jié) 論本課題的指導(dǎo)思想是在滿足立式加工中心主軸組件的工作要求的前提下，盡可能使其性能優(yōu)越，傳動(dòng)平穩(wěn)，并且使加工中心的整體機(jī)構(gòu)的體積、質(zhì)量盡可能減小，從而降低成本。 本課題確定了立式加工中心主軸組件的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)主軸組件的各組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行了方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算以及選型。同時(shí)，通過對(duì)加工中心主軸組件的主要部件，如：主軸、軸承、絲杠、鍵等進(jìn)行校核，較為理想地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)書中對(duì)立式加工中心主軸組件的技術(shù)指標(biāo)。加工中心主軸組件的運(yùn)轉(zhuǎn)過程比較平穩(wěn)，且主軸組件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，維修容易，價(jià)格低廉。主軸組件的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，即主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。而在主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，按照功能來分，可主要分為主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。本課題采用了FANUC6S型交流主軸電動(dòng)機(jī)作為主軸傳動(dòng)的原動(dòng)力，通過同步帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)和主軸之間的減速傳動(dòng)。通過對(duì)同步帶帶型的選擇，確定了同步帶傳動(dòng)的線速度、帶長(zhǎng)、軸間距等參數(shù)，并對(duì)大小帶輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了防止同步帶的掉落，在帶輪的兩側(cè)按分別安裝了帶輪擋圈。在大帶輪上還安裝了動(dòng)平衡較好的圓盤，主軸準(zhǔn)停中的發(fā)磁體被設(shè)置在圓盤上，而磁傳感器則安放于距離發(fā)磁體23mm處，實(shí)現(xiàn)了主軸準(zhǔn)停功能。在刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)中，為了控制活塞的行程，采用了2個(gè)型號(hào)為L(zhǎng)X19-111的行程開關(guān)，避免了刀具產(chǎn)生夾持過緊或過松的現(xiàn)象。為了提高主軸的剛度，主軸的支承采用了三支承形式，并在前后支承處讓角接觸軸承進(jìn)行背對(duì)背安裝，使主軸能夠承受雙向的軸向載荷。通過計(jì)算校核，主軸的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，由于采用了混合陶瓷軸承，使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高、剛性增大、熱穩(wěn)定性更好，改善了全鋼軸承所存在的一些不足之處。軸承的潤(rùn)滑方式采用脂潤(rùn)滑，其潤(rùn)滑油的類型為高級(jí)鋰基油脂。在主軸組件的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，本課題采用了FANUC-6L型直流伺服電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的輸出軸與絲杠通過凸緣聯(lián)軸器直接相連。絲杠的前支承采用了深溝球軸承，而后支承則采用了型號(hào)為35TAC72A的角接觸軸承。考慮到絲杠在工作時(shí)的熱膨脹，所以，在絲杠的配置形式中，選用了固定簡(jiǎn)支形式，使絲杠在受熱膨脹后不會(huì)產(chǎn)生撓度。為了限制進(jìn)給機(jī)構(gòu)的行程，在滾珠絲杠副處設(shè)置了兩個(gè)撞塊，并在機(jī)架上安裝了2個(gè)型號(hào)為L(zhǎng)X12-2的行程開關(guān)，使進(jìn)給機(jī)構(gòu)行程控制在470mm。致 謝歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了。他對(duì)我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。另外，在校圖書館查找資料的時(shí)候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學(xué)和老師，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正。參考文獻(xiàn)1 廖勇，黃容申數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)重慶石油高等?？茖W(xué)報(bào)J，2002， 4（2）：25262 陳循介從日本2001年機(jī)電一體化展看機(jī)床發(fā)展新動(dòng)向精密制造與自動(dòng)化J，2002（1）：453 張育生從第六屆中國國際機(jī)床展覽看機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)制造技術(shù)與機(jī)床J，2000（5）：9104 Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid PeterComputer numerical control simplifiedMNew York：Industrial Press，2001.5 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)（上、下冊(cè)）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6 李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)M.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.7 謝紅.數(shù)控機(jī)床機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.8 王世能.臥式機(jī)床主軸組件設(shè)計(jì)J.機(jī)械工程師.2005，（4）：92939 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社.2001.10 林宋，田建君現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.11 陳蔚芳機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用M北京：科學(xué)出版社，2005.12 田坤數(shù)控機(jī)床與編程M武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.13 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.14 廉元國，張永洪加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.15 李善術(shù)數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.16 羅學(xué)科，謝富春數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.17 韓鴻鸞數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)與維修M山東：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005.18 中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組數(shù)控機(jī)床及其使用維修M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.19 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社.2001.20 郭大慶，吳玉厚，張珂，張勇.陶瓷軸承電主軸系統(tǒng)的特性與分析J.機(jī)械與電子.2005，（7）：777821 李楠，姜韶峰.精密機(jī)床主軸軸承的安裝方法分析J.軸承.2005，（11）：2322 張章福.銑工工藝學(xué)M.北京：科學(xué)普及出版社，1984.23 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社，2001.24 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軸及其聯(lián)接單行本）M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.- 39 -附錄1 中文名稱：機(jī)械加工中心 英文名稱：machining center 其他名稱：自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床 定義：能自動(dòng)更換工具，對(duì)一次裝夾的工件進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。 機(jī)械加工中心,簡(jiǎn)稱cnc，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床。加工中心又叫電腦鑼。加工中心備有刀庫，具有自動(dòng)換刀功能，是對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時(shí)間、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。 按控制軸數(shù)可分為： （1）三軸加工中心 （2）四軸加工中心 （3）五軸加工中心。 項(xiàng)目二 機(jī)械加工中心設(shè)備技術(shù)分類 加工中心的品種、規(guī)格較多，這里僅從結(jié)構(gòu)上對(duì)其作一分類。 一、立式加工中心 指主軸軸線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心。其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合加工盤、套、板類零件。一般具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，并可在工作臺(tái)上安裝一個(gè)水平軸的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)，用以加工螺旋線零件。 立式加工中心裝夾工件方便，便于操作，易于觀察加工情況，但加工時(shí)切屑不易排除，且受立柱高度和換刀裝置的限制，不能加工太高的零件。 立式加工中心的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，價(jià)格相對(duì)較低，應(yīng)用廣泛。 二、臥式加工中心 指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心。通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)。臥式加工中心一般都具有三個(gè)至五個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工，最適合加工箱體類零件。 臥式加工中心調(diào)試程序及試切時(shí)不便觀察，加工時(shí)不便監(jiān)視，零件裝夾和測(cè)量不方便，但加工時(shí)排屑容易，對(duì)加工有利。與立式加工中心相比，臥式加工中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，價(jià)格也較高。 3、 龍門式加工中心 龍門式加工中心的形狀與龍門銑床相似，主軸多為垂直設(shè)置，除自動(dòng)換刀裝置外，還帶有可更換的主軸附件，數(shù)控裝置的功能也較齊全，能夠一機(jī)多用，尤其適用于加工大型或形狀復(fù)雜的零件，如飛機(jī)上的梁、框、壁板等。我國加工中心的未來發(fā)展趨勢(shì)！ 未來發(fā)展的前景確實(shí)喜人，不過吳柏林也表示，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、以企業(yè)為主體的創(chuàng)新體系尚未建立、數(shù)控車床產(chǎn)業(yè)化時(shí)間短等原因，技術(shù)上和產(chǎn)業(yè)上與西方發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距，當(dāng)前的發(fā)展還需要注意四個(gè)方面的問題。 2008年12月，高檔數(shù)控車床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)得到國家批準(zhǔn)。專項(xiàng)對(duì)高檔數(shù)控車床等重大裝備、數(shù)控系統(tǒng)、功能部件與關(guān)鍵部件、共性技術(shù)、創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用示范工程做出了部署。“今年專項(xiàng)將開始逐步啟動(dòng)實(shí)施，車床工具行業(yè)自主創(chuàng)新能力將進(jìn)一步提高，將為國產(chǎn)高檔數(shù)控車床持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)?！眳前亓终f。 三年前接受中國工業(yè)報(bào)記者采訪時(shí)，吳柏林提出需要重視功能部件的發(fā)展，此時(shí)又被他再一次重點(diǎn)提出。功能部件發(fā)展滯后的狀況似乎并沒有太多的改觀。“數(shù)控車床的發(fā)展需要高水平、專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)的功能部件作基礎(chǔ)，目前我國差距很大。”據(jù)了解，大多數(shù)中高檔數(shù)控車床主要配套的還是發(fā)那科和西門子等國外數(shù)控系統(tǒng)，刀庫機(jī)械手、數(shù)控刀架、滾珠絲杠和導(dǎo)軌、電主軸等主要還是日本、德國或中國臺(tái)灣地區(qū)的產(chǎn)品，用戶選購國產(chǎn)車床時(shí)普遍提出選用境外功能部件的要求。功能部件發(fā)展的滯后性，將制約國產(chǎn)中高檔數(shù)控車床的發(fā)展。 吳柏林還認(rèn)為，當(dāng)前外商獨(dú)資趨勢(shì)應(yīng)引起重視。近幾年來，車床行業(yè)有些合資企業(yè)逐步擴(kuò)資轉(zhuǎn)為外商絕對(duì)控股或獨(dú)資，同時(shí)又新成立一批外商獨(dú)資企業(yè)，這些企業(yè)的產(chǎn)品以占領(lǐng)國內(nèi)中高端市場(chǎng)為目標(biāo)，其技術(shù)由國外母公司控制?！拔覀冇檬袌?chǎng)換不到技術(shù)，又喪失市場(chǎng)，客觀上壓制了國內(nèi)車床企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)?！?首先是新產(chǎn)品開發(fā)能力不足。從行業(yè)總體看，基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究還很薄弱，基礎(chǔ)開發(fā)理論研究、基礎(chǔ)工藝研究和應(yīng)用軟件開發(fā)還不能適應(yīng)數(shù)控技術(shù)快速發(fā)展的要求，全行業(yè)科技人才不足，缺乏高級(jí)技術(shù)人員，科技投入和科研設(shè)施尚不適應(yīng)等。據(jù)了解，當(dāng)前，國防軍工生產(chǎn)科研和國家重大工程提出的一批高端數(shù)控車床，如超重型雙龍門鏜銑床等，由于車床企業(yè)開發(fā)能力不足或完成開發(fā)的周期太長(zhǎng)而不能承接合同，一些數(shù)控專機(jī)也由于開發(fā)人員缺乏而拖延。 同時(shí)，擴(kuò)大產(chǎn)能與未來實(shí)際需求錯(cuò)位也需引起重視。當(dāng)前行業(yè)企業(yè)技術(shù)改造項(xiàng)目的產(chǎn)能目標(biāo)過于龐大，技改項(xiàng)目產(chǎn)品的大型化、重型化趨勢(shì)明顯，高檔數(shù)控車床制造能力和功能部件的投入顯得不足。而且，車床企業(yè)自身裝備的數(shù)控化率低，信息化管理水平不高，生產(chǎn)效率低，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力沒有得到足夠的提高，“從行業(yè)整體看，是否與未來的市場(chǎng)需求相符，還需要研究。 數(shù)控機(jī)床是一種高技術(shù)設(shè)備,它可以通過改變數(shù)控程序,適應(yīng)不同零件的自動(dòng)加工,而且可以采用較大的切削用量,利用軟件進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償,從而提高生產(chǎn)效率、加工精度和加工質(zhì)量,可以實(shí)現(xiàn)工序集中、一機(jī)多用,能完成復(fù)雜型面的加工。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,一個(gè)國家的數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上反映了這個(gè)國家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。因此數(shù)控機(jī)床是將來機(jī)床研制的重點(diǎn)。本文針對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控立式銑床及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要的討論。數(shù)控銑床是機(jī)械和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著電子控制技術(shù)的在銑床上的餓應(yīng)用，以及銑床性能提出的新要求，而逐步變化。與不同銑床相比數(shù)控銑床用三個(gè)數(shù)控伺服系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)，其外形和結(jié)構(gòu)與普通銑床類似。數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常，一個(gè)典型的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由位置比較，放大元件、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分組成。其中，機(jī)械傳動(dòng)裝置是位置控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里所說的機(jī)械傳動(dòng)裝置，是指將驅(qū)動(dòng)源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括齒輪裝置、絲杠螺母副等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)，各種機(jī)床的傳動(dòng)裝置中幾乎都有齒輪傳動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動(dòng)裝置的目的有兩個(gè)。一是將高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)、直流和交流伺服電機(jī)等）的輸出改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件的輸入；另一是使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在系統(tǒng)中專有較小的比重。此外，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)還可以保