【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ＞ maxn 兩端固定，絲桿一般不會(huì)受壓，故不需要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 (6) 預(yù)拉伸計(jì)算 升引起的伸長(zhǎng)量 設(shè)溫升為 ℃，則螺紋部分伸長(zhǎng)量為 6tH ??????? ?utl?? （μ m） 絲桿全長(zhǎng)的伸長(zhǎng)量 t? 為 13 t? = utl?? = 6 ??? ? =50（μ m） 為此，絲桿的目標(biāo)行程可定為比公稱行程小 。絲桿在安裝時(shí)，進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸量為 。 b. 預(yù)拉伸力 tF 根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式 tF = 4 3 8 0 2 3 112239。0 ??????? ? ??ulAE (N) 驗(yàn)算 （ 1） 加速能力驗(yàn)算 負(fù)載及機(jī)械傳動(dòng)裝置 總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 32 ??? 2mkg? 直流伺服電動(dòng)機(jī) FB15的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ?mJ 2mkg? 轉(zhuǎn)動(dòng)總慣量： Mr JJJ ?? 2 = 2mkg? 慣量匹配符合要求（對(duì)于直流伺服電動(dòng)機(jī)： ≤ rM/JJ ≤ ） 工作臺(tái)能達(dá)到的最大的速度 2 3 1542T m a x ????? ??? SJ r （ m/2s ） 系統(tǒng)要求的最大加速度（在快移時(shí)） 30 20203030 m a xm a xm a x ???? sKT ??? =6067（ m/2s ） 可見(jiàn)的加速度能力滿足要求 （ 2） 定位精度驗(yàn)算 壓載荷下的最大彈性位移maxsF? maxsF?= ???????11266 2 3 4 ?FAEFL (μ m) 快移時(shí) F=274N, maxsF?= m 強(qiáng)力切削時(shí) F=2274N, maxsF?= m 精細(xì)切削時(shí) F=774N, maxsF?= m c? 14 c? =cKF FFZD40?103滾珠絲桿的 cK =1179（ N/μ m） 快移時(shí) c? =274/1170=(μ m) 強(qiáng)力切削時(shí) c? =2274/1170=(μ m) 精細(xì)切削時(shí) c? =774/1170=(μ m) B? 角接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算 BaK =[2z bD ?5sin ]3/1 BaF 3/1 式中 z滾動(dòng)體個(gè)數(shù)， 這里 z=13； α 接觸角，這里α =60176。； bD 滾動(dòng)體直徑，這里 bD =； BaF 軸向預(yù)緊力，這里 BaF =2900N。 故 BaK =? 2822 9 0 0]60s in0 7 1 1 [ 3/13/122 ??? ?(N/μ m) 快移時(shí) Ba? =274/282=(μ m) 強(qiáng)力銑削時(shí) Ba? =2274/282=(μ m) 精細(xì)銑削時(shí) Ba? =774/282=(μ m) ? = maxsF? + c? + Ba? 快速時(shí) ? =++=(μ m) 強(qiáng)力切削時(shí) ? =++=(μ m) 精細(xì)銑削時(shí) ? =++=(μ m) maxsF?發(fā)生在絲杠中部， c? 和 Ba? 與螺母位置無(wú)關(guān)，故以上的 ? 均為? /650mm。 絲杠精度等級(jí)為 2級(jí)時(shí)，任意 300mm行程公差為 8μ m，加上快移時(shí)的? = m/650mm，基本滿足177。 ，且可利用半閉環(huán)系統(tǒng)予以修正。加上精細(xì)銑削時(shí)的 ? = m/650mm，可以滿足系統(tǒng)的精度要求。 15 Y、 Z向絲杠的確定 L=各向行程 +絲桿螺母長(zhǎng)度 +兩富裕量 。 Y、 Z三向行程分別為 40㎜、 470㎜ ，絲桿螺母長(zhǎng)度預(yù)估 150㎜ ，兩端共富裕 40㎜，則 X、 Y、 Z三向絲桿導(dǎo)程為 270㎜、 700㎜。 滾珠絲杠螺母形式的確定 加工中心 的進(jìn)給系統(tǒng)需要消除反向間隙，其驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母間需要施加預(yù)緊載荷，以提高定位精度和軸向剛度。故此，絲杠螺母選擇能 施加預(yù)載的雙螺母形式，再考慮到通常的安裝方式及螺母制造的經(jīng)濟(jì)性，將滾珠絲杠螺母確定為法蘭型、 內(nèi)循環(huán)、浮動(dòng)返回器 、墊片式預(yù)加載荷雙螺帽形式 。 主傳動(dòng)系統(tǒng)理論計(jì)算 主傳動(dòng)功率的選定 主傳動(dòng)功率 P是選擇主電機(jī)的依據(jù) 。加工中心 零件和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)也是依據(jù)它進(jìn)行的。它包括切削功率 cP 、空載功率 moP 、附加功率 mcP 三個(gè)部分，即 mcmoc PPPP ??? 其中，切削功率 cP 是按照在各種加工情況下較經(jīng)常遇到的最大切削力和 最大 切削 速度來(lái)計(jì)算，即 6120/vFP zc ? ，（ Kw） 式中 ZF 主切削力， N v切削速度， m/min 空載功率 moP 是當(dāng)機(jī)床無(wú)切削負(fù)荷 (cP =0)時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的功率，包括傳動(dòng)系統(tǒng)所有機(jī)械零件的摩擦消耗、克服空氣阻力等消耗的功率。它與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)，而隨傳動(dòng)件轉(zhuǎn)速增大而增大．傳動(dòng)件越 16 多、轉(zhuǎn)速越高、皮帶與軸承的預(yù)緊力越大、裝配質(zhì)量越差，則空載功率越大。 要精確地確定空載功率是很困難的，因?yàn)樗粌H跟傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、制造和裝配質(zhì)量有關(guān)，而且和環(huán)境溫度、工作持續(xù)時(shí)間等諸多因素 有關(guān)系 。 一般可選擇一臺(tái)在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上相似的機(jī)床進(jìn)行實(shí)測(cè)，類比確定。 機(jī)床主傳動(dòng)功率 P可根據(jù)切削功率 cP 與主傳動(dòng)鏈的總效率 η 由下式確定： P = cP /η 主傳動(dòng)的效率一般可取η =～ ，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)多采用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈較短，因此，效率可取較大值。則 ： cP =P ?η =?=6 kw （ η 取 ）。 主傳動(dòng)功率一扭矩特性 立式 加工中心機(jī)床的主傳動(dòng)不同于進(jìn)給傳動(dòng)，它的最終執(zhí)行器官 (刀具 )是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在刀具切削速度相當(dāng)?shù)那闆r下，主軸轉(zhuǎn)速需要隨刀具的直徑而調(diào)整。從加工對(duì)象和加工方式分析，主軸低速區(qū)一般使用大直徑刀具、攻鉸大孔、精鏜大孔、成型銑削等，要求高的相對(duì)恒定的輸出扭矩，并不需要傳遞滿功率 。 而在中高速區(qū)域，加工需求的扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，但需要相對(duì)恒定的 加工功率 。 加工中心 廣泛使用主軸伺服電機(jī)進(jìn)行主傳動(dòng)的無(wú)級(jí)變速，它基本適合主傳動(dòng)低速恒扭矩、高速恒功率的特性 。 主軸伺服電機(jī)有一個(gè)額定轉(zhuǎn)速，從額定轉(zhuǎn)速到電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)儆诤愎β首兯?，額定轉(zhuǎn)速以下屬于恒扭矩變速 。 主軸伺服電機(jī)恒功率變速范圍較小，一般為 24倍的變速范圍。恒扭矩范圍則可達(dá) 300倍。在高速區(qū)使用更為頻繁的加工中心機(jī)床上，如果直聯(lián)主軸伺服電機(jī)，加工特性將略有欠缺 。 按傳統(tǒng)的加工特性劃分，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的恒功率區(qū)域應(yīng)約占 2／ 33／ 4范圍 。 解決主軸電機(jī)與機(jī)床 17 加工需求的功率 特性不匹配的措施是在電 機(jī)與主軸間串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱。 機(jī)床主軸功率與扭矩的換算公式如下 ： 9550/nMP ?? 式 p主軸功率， kw M主軸扭矩， NM n主軸轉(zhuǎn)速， r/min 該設(shè)計(jì) 主軸電動(dòng)機(jī)采用 FANUCAC12 型 直 流伺服電動(dòng)機(jī) ， 該電動(dòng)機(jī)30min 超載時(shí)的最大輸出功率為 15kW， 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大輸出功率為11kW， 計(jì)算轉(zhuǎn)速為 1500r/min。 加工中心 可以 在主軸電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)中加功率限制 ， 使電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率為 (30min 超載 )和(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) )， 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)速為 750r/min,即加大了恒功率區(qū)域 。 圖 31 JCS— 018A型加工中心的功率、扭矩特性曲線 (a)功率特性曲線； (b)扭矩特性曲線 圖 31為該加工中心的功率 ， 扭矩特性曲線 ， 圖中實(shí)線為電動(dòng)機(jī)的特性 ， 虛線為主軸的特性 。 其功率特性曲線如圖 31(a)所示 ， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為 45～ 4500r/min， 其中在 750～ 4500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒功率區(qū)域 。 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò) 1/2齒形帶輪傳給主軸 ， 主軸的轉(zhuǎn)速范圍為～ 2250r/min， 主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為 375r/min， 轉(zhuǎn)速在 375～ 2250r/min的范圍內(nèi)為主軸的恒功率區(qū)域 ， 在該區(qū)域內(nèi) ， 主軸傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率 為 (連 續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) )或 (30min超載 )。 其扭矩特性曲線如圖 31(b)所示 ,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 45～ 750r/min 18 范圍內(nèi)為恒扭矩區(qū)域 ， 其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大輸出扭矩為 70N178。 M， 電動(dòng)機(jī)30min超載時(shí)的最大輸出扭矩為 178。 M。 主軸恒功率區(qū)域的轉(zhuǎn)速范圍為 ～ 375r/min， 最大輸出扭矩分別為 140N178。 M和 191N178。 M。 通過(guò)本章的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型，確定了 JCS018型立 式加工中心總體設(shè)計(jì)需要的基本參數(shù)。構(gòu)成機(jī)床主體功能的三向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及主傳動(dòng)的傳動(dòng)鏈的動(dòng)力參數(shù)、執(zhí)行元件規(guī)格得到了確定。 19 第 四 章 加工中心 主體結(jié)構(gòu)原理性設(shè)計(jì) 本章在 加工中心 傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 加工中心 主體結(jié)構(gòu)的原理性設(shè)計(jì) 。 作為 加工中心 的總體設(shè)計(jì) ，需要對(duì) 加工中心 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)劃；對(duì) 加工中心 需要滿足的主要輔助功能提供切實(shí)可行的實(shí)施方案 。 JCS018型立 式 加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行三向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)， XY工作臺(tái) 、刀庫(kù)等擴(kuò)展功能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 。 4． 1 三向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) JCS018型立式 加工中心的進(jìn)給傳動(dòng)采用三個(gè)坐標(biāo)分離傳動(dòng)。 X、 Y、Z三個(gè)軸各有一套基本相同的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，分別與工作臺(tái)、滑座和主軸箱相連。加工中心沿 X， Y， Z三個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別是由三臺(tái)功率為 FANUCBESKDC15型寬調(diào)速直流伺服電 機(jī)直接帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 該立式加工中心 X、 Y軸的快速移動(dòng)速度為 14m/min， Z軸的快移速度為 10m/min。由于主軸箱垂直運(yùn)動(dòng)，為防止?jié)L珠絲杠因不能自鎖而使主軸箱下滑， Z軸電機(jī)帶有制動(dòng)器。 在前章三向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算 中已經(jīng)敘述，本機(jī)床采用進(jìn)給電機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式。聯(lián)結(jié)件采用無(wú)齒隙彈性聯(lián)軸器。 滾珠絲杠的常用安裝方式有三種： 1．一端固定，一端自由．適用于短絲杠和豎直安裝的絲杠。 2．一端固定，一端簡(jiǎn)支。適用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。 3．兩端固定．適用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速、要求高拉壓剛度的場(chǎng)合。 這種方式還可以對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。 絲杠在工作時(shí)將要發(fā)熱，其溫度將高于機(jī)床本體零件。由于絲杠的熱膨脹，進(jìn)給傳動(dòng)的定位精度將要超差，為此，需要將絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸 。絲杠在定制時(shí)，全長(zhǎng)的目標(biāo)行程應(yīng)等于公稱行程減去預(yù)拉伸量。絲杠安 20 裝時(shí)，通過(guò)預(yù)拉伸恢復(fù)公稱值。當(dāng)絲杠發(fā)熱膨脹時(shí)，公稱行程保持不變，只是拉伸量減少，即絲杠拉伸力被抵消 。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)的絲杠支撐需要采用可靠適用的預(yù)拉伸結(jié)構(gòu) 。 滾珠絲杠的載荷主要是軸向的，徑向除了 立 式絲杠的自重外。一般無(wú)外載荷，因此對(duì)絲杠兩端支撐軸承的軸向精度和軸向剛度要求相對(duì)更高。作為進(jìn)給系統(tǒng) ，傳動(dòng)絲杠對(duì)微小的位移 (即微小的轉(zhuǎn)角 )要有高靈敏的響應(yīng)，故要求支撐軸承的摩擦力矩要低。按照這樣的要求，需要采用專門的絲杠支撐軸承。目前使用最廣泛的有兩種：接觸角為 60176。 的推力角接觸球軸承和滾針一雙向推力圓柱滾子組合軸承 。 其中，推力角接觸球軸承的摩擦力矩比組合軸承小，但剛度更低，適用于較高速的進(jìn)給傳動(dòng)；而組合軸承適用于重載、轉(zhuǎn)速相對(duì)較低、需要絲杠預(yù)拉伸并且要求軸向高剛度的場(chǎng)合 。 本次 JCS018型立式 加工中心絲杠支撐軸承選用接觸角為 60176。 的推力角接觸球軸承。推力角接觸球軸承需要進(jìn)行組合安裝以實(shí)現(xiàn)絲杠的兩端固 定以及預(yù)拉伸功能 。 推力角接觸球軸承的基本組合方式有：背靠背、面對(duì)面和同向 。 其中，前兩種方式能夠承受雙向的推力 ； 同向組合只能承受單向的推力，但承載能力較高 。 在三種基本組合方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的承載要求，可以派生出其它復(fù)合配對(duì)組合方式。 組合配對(duì)的角接觸軸承需要施加一定的預(yù)加載荷，消除配對(duì)間隙。軸承制造廠可以按照用戶需求，提供幾種預(yù)緊狀態(tài)的配對(duì)角接觸軸承 。從經(jīng)濟(jì)和快捷的角度出發(fā)，也提供精度稍差的萬(wàn)能配對(duì) (也稱自由組合 )軸承 。 X、 Z向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 機(jī)床的 X、 Y向同為水平運(yùn)動(dòng)方向，可以采用相同的傳動(dòng) 結(jié)構(gòu) 。 結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖 41。 21 圖 4l X、 Y向進(jìn)給 傳 動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖中零件明細(xì)如下表 ： 表 4． 1 X、 Y向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意零件明細(xì)表 序號(hào) 名稱 分類 規(guī)格 備注 1 進(jìn)給電機(jī)