【文章內(nèi)容簡介】 率低，特性軟，不適合數(shù)控機(jī)床調(diào)速。從以上分析中，可知改變電源頻率的調(diào)速是一種最有前途的調(diào)速方案，只要改變f1就能實(shí)現(xiàn)no的調(diào)速。但實(shí)際調(diào)速中單純改變頻率是不夠的，因?yàn)楫?dāng)磁場以no速度切割定子繞組，則在每組繞組感應(yīng)電勢為 E1=￠m≈u1式中，K1w1為定子每組繞組等效匝數(shù)；￠m為每極磁通量；u1為定子相電壓。所以￠m= u1/由此可知，保持定子電壓u1不變，則主磁通￠m的大小將會(huì)發(fā)生變化。在調(diào)速過程中，如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則￠m上升，將導(dǎo)致鐵心過飽和而使勵(lì)磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時(shí)，降低電壓，以保持￠m不變。這就是恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)頻調(diào)壓控制”。變頻調(diào)速有下面幾種控制方式：（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（2）恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速（3）恒功率調(diào)速 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使f1大于I頻頻率，得到n﹥no的調(diào)速。由于定子電壓不許超過額定電壓，因此￠m將隨著f1的升高而降低。這時(shí)相當(dāng)于額定電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩也減少，特性變軟?？傻玫浇坪愎β实恼{(diào)速特性。三 主軸部件主軸部件是機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵部件，數(shù)控機(jī)床的主軸部件，既要滿足精加工時(shí)高精度的要求，又要具備粗加工時(shí)高效切削性能的要求，因此，數(shù)控機(jī)床對主軸回轉(zhuǎn)精度部件的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性，運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和熱穩(wěn)定性，以及部件的耐磨性和精度的保持能力等方面，都有很高的要求。（一）主軸部件的性能要求 主軸部件是機(jī)床主要部件之一。它的性能，對整機(jī)的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸部件的主要性能特提出如下要求：旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷 低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。剛度 剛度主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動(dòng)件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。溫升 溫升將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機(jī)床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性。精度保持性 對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度與高速，高速與低升溫，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度 低溫升的要求。（二）主軸組件的動(dòng)態(tài)特性 主軸作為一個(gè)剛體（實(shí)際上略有彎曲），在彈性支承上作平移振動(dòng)，主軸各點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。 主軸在彈性支座上搖擺 ，左右振動(dòng)方向相反。 主軸本身作彎曲振動(dòng)，主軸中間與兩端的振動(dòng)方向相反，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩節(jié)點(diǎn)位于支承點(diǎn)附近。 每個(gè)振型都有其固有頻率。每個(gè)振型按固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個(gè)振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個(gè)振型分別為第一 二 三振型，振型和固有頻率合稱為模態(tài)?？梢钥闯?，第一 二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時(shí)，第一二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多 主軸是一個(gè)連續(xù)體，又無窮個(gè)模態(tài)。例如還有主軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作時(shí)不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)。主軸的模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算。通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施：（1）是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的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）的剛體振動(dòng)的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。（2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置。（三）主軸部件的組成主軸部件一般數(shù)控機(jī)床的主軸部件由主軸、主軸支承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件組成。對于具有自動(dòng)換刀功能的數(shù)控機(jī)床，主軸部件還包括刀具自動(dòng)加緊、主軸自動(dòng)準(zhǔn)停和主軸孔的清理裝置等結(jié)構(gòu)。主軸部件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的，傳動(dòng)件如齒輪、帶輪等與一般機(jī)械零件相同。因此，研究主軸組件主要是研究主軸的支撐部分。 主軸的傳動(dòng)件可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動(dòng)聯(lián)接。本數(shù)控車床采用帶傳動(dòng)聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向），圓錐孔雙列圓柱滾子軸承只承受徑向力，角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。主軸的支承（1）軸承的選擇機(jī)床主軸常用的滾動(dòng)軸承有：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，雙列推力向心球軸承，雙列圓錐滾子軸承，帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。在這次設(shè)計(jì)中用到的滾動(dòng)軸承主要有：a 、圓錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈為1：12的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯(cuò)排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。它的內(nèi)外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差是軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度。該軸承只能承受徑向載荷。b、角接觸球軸承這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。角接觸球軸承一般組合使用。背對背組合、面對面組合和同向組合，這三種方式，兩個(gè)軸承都共同承擔(dān)徑向載荷；背對背、面對面可承受雙向軸向載荷；同向組合只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。軸承要合理配置，對提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡化支承結(jié)構(gòu)有很大的作用。主軸的前后支承均應(yīng)有承受徑向載荷的軸承。（2）軸承的預(yù)緊所謂軸承預(yù)緊，就是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，不僅能消除減隙，而且還能使?jié)L動(dòng)體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時(shí)變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對主軸滾動(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旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。機(jī)床主軸部件在裝配時(shí)要對軸承進(jìn)行預(yù)緊，使用一段時(shí)間后，間隙或過盈有了變化，還得重新調(diào)整，所以要求預(yù)緊結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行調(diào)整。滾動(dòng)軸承間隙的預(yù)緊與調(diào)整，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對軸向移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。常用的方法如下：a、軸承內(nèi)圈移動(dòng)。這種方法適用于圓錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動(dòng)內(nèi)圈在錐形軸頸上作軸向移動(dòng)，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。 b、修磨座圈或隔套。當(dāng)軸承外圈寬邊相對（背對背）安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)；當(dāng)軸承外圈窄邊相對（面對面）安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按相對關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個(gè)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)軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊。（3）軸承的潤滑滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。a、脂潤滑 滾動(dòng)軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。b、油氣潤滑如果轉(zhuǎn)速較大時(shí)，還需對軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。滾動(dòng)軸承屬于精密零件，因而在使用時(shí)要求相應(yīng)地持慎重態(tài)度，既變使用了高性能的軸承，如果使用不當(dāng)，也不能達(dá)到預(yù)期的性能效果。所以，使用軸承應(yīng)注意以下事項(xiàng)： * 保持軸承及其周圍環(huán)境的清潔。即使肉眼看不見的微笑灰塵進(jìn)入軸承，也會(huì)增加軸承的磨損，振動(dòng)和噪聲。 * 使用安裝時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)，不允許強(qiáng)力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動(dòng)體傳遞壓力。 * 使用合適、準(zhǔn)確的安裝工具，盡量使用專用工具，極力避免使用布類和短纖維之類的東西。 * 防止軸承的銹蝕，直接用手拿取軸承時(shí)，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質(zhì)礦物油后再進(jìn)行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。四 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明（一）主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)：其中主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)由功率為11/15kw的AC伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)一級1：1的帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35~3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)，因此減少了原齒輪傳動(dòng)對主軸精度的影響，并且維修方便。主軸功率扭矩特性主軸傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在437~3500r/min范圍內(nèi)，主軸應(yīng)能傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率11kw，II（實(shí)線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245Nm）應(yīng)隨著主軸的轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35~437r/min范圍內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率，但是主軸的輸出扭矩不變，稱為主軸的恒扭矩區(qū)域I（實(shí)線）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸的轉(zhuǎn)速的降低而降低。電動(dòng)機(jī)的超載功率為15kw,超載的最大輸出扭矩為334 Nm。（二）主軸箱結(jié)構(gòu)主軸箱結(jié)構(gòu)數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)如圖，交流主軸電動(dòng)機(jī)通過帶輪15把運(yùn)動(dòng)傳給主軸。主軸有前后兩個(gè)支承。前支承由一個(gè)圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對角接觸軸承組成，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承用來承受徑向載荷，兩個(gè)角接觸球軸承一個(gè)大口向外（朝向主軸前端），另一個(gè)大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。用螺釘來防止螺母回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，軸承間隙用兩個(gè)螺母來調(diào)整。兩個(gè)螺釘是防止螺母回松的。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉(zhuǎn)速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高。主軸所采用的支承結(jié)構(gòu)適宜低速大載荷的需要。主軸的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過同步帶輪以及同步帶帶動(dòng)