【正文】 ，而且要求具有能連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)距能力和非常寬的恒功率運(yùn)動(dòng)范圍。隨著功率電子，計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制理論，新材料和電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，矢量控制交流主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過了直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正在逐步取代直流系統(tǒng)。[4]第三章 主軸電動(dòng)機(jī)的選取正確選擇電動(dòng)機(jī)的類型、型號(hào)及容量是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要問題之一，它直接影響著機(jī)床的結(jié)構(gòu)和壽命，選擇時(shí)要根據(jù)機(jī)床的功能要求，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，工作狀況等全面考慮，然后選擇適宜的結(jié)構(gòu)型式及容量。圖31主軸電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率的選擇，工作機(jī)所需的有效功率為：Pw=Fv/1000=[1],為了計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需的功率，先要確定從電動(dòng)機(jī)到工作部件的總效率η，設(shè)ηη分別為同步帶輪和同步帶的傳動(dòng)效率。則傳動(dòng)的總效率為η=η1η2=[1]， 所以電動(dòng)機(jī)所需的功率為Pd=Pw/η=[1]電動(dòng)機(jī)傳速的選擇:此次設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)必須有額定轉(zhuǎn)速1500r/min,最高轉(zhuǎn)速必須達(dá)到4000r/min.電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選?。焊鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)中選取蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的1PH51674CF4型號(hào)交流主軸電動(dòng)機(jī)。其主要參數(shù)如下表：額定轉(zhuǎn)速（r/min）最高轉(zhuǎn)速(r/min)額定轉(zhuǎn)矩慣性矩()電機(jī)功率(KW)恒功率范圍150060001:90表31 1PH51674CF4型號(hào)交流主軸電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)[11]第四章 同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)，同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:（1）無相對滑動(dòng)，帶長不變，傳動(dòng)比穩(wěn)定；（2）帶薄而輕，強(qiáng)力層強(qiáng)度高，適用于高速傳動(dòng)，速度可達(dá)40 m/s；（3）帶的柔性好，課用直徑較小的帶輪，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，能獲得較大的傳動(dòng)比；（4）傳動(dòng)效率高，因而應(yīng)用日益廣泛；（5）初拉力較小，故軸和軸承上所受的載荷小。主要缺點(diǎn)是制造、安裝精度要求較高、成本高。同步帶主要用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如計(jì)算機(jī)、錄音機(jī)、磨床和紡織機(jī)等。[13] 材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用聚氨酯同步帶，由帶背、帶齒、抗拉層三部分組成。帶背和帶齒材料為聚氨酯，抗拉層采用鋼絲繩，適用于中小功率的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部分。[13] 參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容主要是：齒形帶的模數(shù)、齒數(shù)、和寬度的結(jié)構(gòu)和尺寸，傳動(dòng)中心距，作用在軸上載荷以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1. 模數(shù)的選取模數(shù)主要根據(jù)齒形帶所傳遞的計(jì)算功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1確定的，通過查《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》表433查得Pd=KA*P, 式中P———傳動(dòng)功率表41 工作情況系數(shù)KA載荷性質(zhì)一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h≤1010～1616以上載荷平穩(wěn)載荷變化小載荷變化大選取KA=，所以PC==由齒形帶模數(shù)選用圖可選m=42. 小帶輪齒數(shù)Z1:由《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊》表838 得Zmin=22,所以取Z1=243. 同步帶節(jié)距Pb:由 PD= n1=1500r/min, 查表選取節(jié)距Pb=, 齒形角2β=40?！↓X根厚S=。齒頂厚St=4mm, 齒高h(yuǎn)g=ht+e=+=, 齒根圓半徑Rr=齒頂圓半徑Ra=, 帶高h(yuǎn)s=, 節(jié)頂距δ=, 帶bs=35～40mm。4. 節(jié)圓直徑d1:d1==96㎜ 5. 大帶輪齒數(shù)z2與直徑：z2=iz1=366. 大帶輪直徑d2=id1=96=144㎜ 7. 帶的速度V:V==， (式41)由表查得[13]Vmax=35～40 VVmax 所以合格。8. 定中心距a0: 5(d1+d2) ≤a0≤2(d1+d2)所以：（96+144）≤a0≤2(96+144)則有168≤a0≤480 初選a0=3009. 帶的節(jié)線長度Lp以及齒數(shù)Zb：Lp0=2a0+(d1+d2)+=2300+240+= （式42）查表選取Lp=1005㎜ Zb=8010. 計(jì)算中心距a（采用中心距可調(diào)）a≈a0+=300+㎜ （式43 ）選取a=314㎜11. 帶輪與帶的嚙合齒數(shù)Zm：Zm≈= 取Zm=12 （式44）因?yàn)楫?dāng)m≥2時(shí)，Zm應(yīng)不小于6 ，所以計(jì)算的Zm滿足條件。12. 帶寬bs: bs≥ 查表取Kz=, Fa=20N/mm （式45）Fc=mbV2=103 =所以 bs≥㎜選取bs=40㎜13. 作用與軸上的力Fr：Fr= （式46）14. 小帶輪最小包角ɑ：α≈180186。60186。（d2d1）/a=180。60。（14496）/314=。15. 帶輪寬度bf, bf1, bf2 bf=bs+(～3)=～43bf1=bs+(6～7)=46～47bf2=bs+(3～5)=43～4[14]第五章 主軸組件的設(shè)計(jì)主軸組件主要包括：主軸、主軸支撐和安裝在主軸上的傳動(dòng)件、密封件等，因?yàn)橹鬏S帶動(dòng)工件或刀具直接參加工件表面形成運(yùn)動(dòng)，所以它的工作性能對加工質(zhì)量和生產(chǎn)率產(chǎn)生直接影響，是機(jī)床最重要的部件之一。 主軸組件的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的得回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置，每一瞬間都是變化的，這些瞬間回轉(zhuǎn)中心線的平均空單位轉(zhuǎn)移不為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間位置的距離，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。純徑轉(zhuǎn)誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是在所有的情況下都表示為被加工工件所得的加工形狀。主軸回轉(zhuǎn)精度的測量，一般分為三種靜態(tài)測量、動(dòng)態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產(chǎn)中沿著傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法，用一個(gè)精密的檢測棒插入主軸錐孔中千分表觸頭觸及檢測棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)行測量。千分表最大和最小的讀數(shù)差既認(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)系的垂直度，數(shù)據(jù)綜合表示。動(dòng)態(tài)測量是用一標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸中心線上，與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在工作臺(tái)上安裝兩個(gè)互成90度角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測量是用小的切削量用小的切削量回工有色金屬試件，然后在圓度儀上測量試件的圓度來評價(jià)。出廠時(shí)，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=㎜。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(shí)引起的激振力，也會(huì)造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。㎜/s以下。2. 主軸剛度主軸組件的剛度是指受外力作用時(shí)，主軸組件抵抗變形的能力。通常抵以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，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，主軸受力的變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其他力的作用下，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(huì)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、支撐跨距、所選軸承類型及配置形勢、砂間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān)。3. 主軸抗振性主軸組件的抗振性是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振性及在必要時(shí)安裝阻尼（消振）器。另外，使主軸固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。4. 主軸溫升主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過高會(huì)起兩方面的不良結(jié)果：一是主軸組件和箱體因熱膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其他件的相對位置會(huì)有變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會(huì)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(shí)甚至?xí)l(fā)生：“抱軸”。數(shù)控機(jī)床在解決溫升問題時(shí)，一般采用恒溫主軸箱。5. 主軸的耐磨性主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)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，或者經(jīng)過氮化處理，以提高硬度增加耐磨性。主軸軸承也需要有良好的潤滑，提高其耐磨性。以上這些要求，有的還是矛盾的，例如高剛度和高速，高速和高精度等，這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件的主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度、低溫升的要求。同時(shí)，主軸結(jié)構(gòu)要保證個(gè)部件定位可靠，工藝性能好等要求。6. 提高主軸組件抗振性的措施（1）盡量縮短主軸前軸承結(jié)構(gòu)的長度， 適當(dāng)增大跨矩；（2）盡量提高前軸承的剛度和阻尼；（3）提高前軸承的精度，把推力軸承放在前支撐初可提高抗振性；（4）對高速旋轉(zhuǎn)的零件作靜、動(dòng)平衡，提高齒輪、主軸的制造精度都可適當(dāng)減少強(qiáng)迫振動(dòng)源；（5）對于非連續(xù)切削過程的銑削，滾削等加裝飛輪可減少振動(dòng)；（6）應(yīng)用阻尼器消耗振動(dòng)能量是有效的措施；考慮系統(tǒng)的固有頻率，避免共振。7. 減少主軸組件熱變形的措施（1）把熱源移至機(jī)床以外。（2）改善主傳動(dòng)的潤滑條件。如進(jìn)行箱外循環(huán)潤滑，用低粘度的潤滑油、油霧潤滑等，特別注意前軸承的潤滑情況。（3）采用冷卻散熱裝置。例如用熱管冷卻減少機(jī)床各部位的溫差,進(jìn)行熱補(bǔ)償。如可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一些自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置設(shè)法使熱變形朝不影響加工精度的方向發(fā)展。還可以在工藝上減少熱變形的影響。如先空運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間再加工。把粗、精加工分開等。 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算圖51主軸主軸是主軸組件的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、制造精度、材料、及其熱處理，對主軸組件的工作性能都有很大的影響。主軸結(jié)構(gòu)隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同而有各種形式。主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長度和支撐跨距。評價(jià)和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)使主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適應(yīng)范圍。1. 主軸直徑 主軸直徑越大，其剛度越高，但使得軸承和軸上其他零件的尺寸相應(yīng)增大。軸承的直徑越大，同等級精度軸承的公差值也越大，要保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度就越困難。同時(shí)極限轉(zhuǎn)數(shù)下降。～，實(shí)際尺寸要在主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定。前、后軸頸的差值越小則主軸的剛度越高，工藝性能也越好。2. 主軸內(nèi)孔直徑 主軸的內(nèi)孔用來安放棒料、刀具夾緊裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液動(dòng)卡盤等。主軸孔徑越大，可通過的棒料直徑也越大，機(jī)床的適用范圍就越廣，同時(shí)主軸部件的相對重量也越輕。主軸孔徑的大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸的直徑之比，；，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%；。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)選用的主軸材料是45號(hào)鋼。其熱處理及參數(shù)如下表表51 45號(hào)鋼熱處理參數(shù)[13]材料熱處理硬度（HBS）抗拉強(qiáng)度極限屈服強(qiáng)度極限σs彎曲疲勞極限σ1剪切疲勞極限τ1許用彎曲應(yīng)力[σ1] 45調(diào)質(zhì)、滲氮217～25564035530015560因?yàn)檫x用的主軸電機(jī)功率為P=，額定轉(zhuǎn)速nc=1500r/min所以主軸功率 p=pc/η1η2η3== kw (式51)因?yàn)橹鬏S是空心轉(zhuǎn)軸，所以 d1= . （式52）查表得= 所以d1==㎜ 又因?yàn)榇颂庉S上有一個(gè)鍵槽，所以d1=d(1+5%)=㎜ 取d1=60㎜。d2=d1+2a,a為軸肩高度，用于軸上零件的定位和固定，故a值應(yīng)該稍微大于轂孔的圓角半徑或倒角深，通常取a≥（～）d1；d2應(yīng)符合密封件的孔徑要求。所以 d2=63mm d3=d2+5～8mm=72mm。 d4=d3+1～5mm=74mm。d5=d4+1～5mm=78mm。d6=d5+2a。a≥(～)d1 所以d6=80mm。根據(jù)選用的軸承確定d7=98mm主軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)s的校核計(jì)算： s=≥[s] （式53）—只考慮彎距作用的安全系數(shù)；sτ—只考慮扭距作用是的安全系數(shù)；[s] —許用安全系數(shù)；[14]在此查表所得[s]=～；sσ= 查表得出σ1=270Mpa τ1=155Mpa kσ= kτ= β= εσ= ετ=， ψσ=，ψτ=，σα=， σm=σα M= Wp= 所以：s==[s]=～ 所以主軸設(shè)計(jì)符合要求。3. 主軸的軸端結(jié)構(gòu)主軸的軸端是用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位精度高、定位好、裝卸方便，同時(shí)使主軸的懸伸長度短。數(shù)控銑床的主軸端部結(jié)構(gòu)，一般采用短圓錐法蘭盤式。4. 軸主要精度指標(biāo) 前支承軸承軸頸得同軸度約為5181。m左右；軸承軸頸需要按軸承內(nèi)孔“實(shí)際尺寸”配合，并且需要保證配合過盈1181。m～5181。m；錐孔與軸承軸頸得同軸度為3181。m～5181。m，與錐面的接觸面積不小于80%，且大端接觸較好；裝圓柱滾子軸承與軸承內(nèi)圈的接觸面積應(yīng)該不小于85%。5. 主軸動(dòng)態(tài)特性的改善 改善主軸動(dòng)態(tài)特性的措施有以下幾個(gè)方面：（1）使主軸組件的固有頻率避開激振力的頻率 通常應(yīng)該使固有頻率高于激振力頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承