【文章內(nèi)容簡介】 有相應(yīng)的行程開關(guān)（ LS1， LS2）作用，作為刀具松開 和夾緊的回答信號(hào)。 21 圖 數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖 1—— 調(diào)整半環(huán)； 2—— 雙列園柱滾子軸承； 3—— 向心球軸承； 4， 9—— 調(diào)整環(huán)； 5—— 雙瓣卡爪； 6—— 彈簧； 7—— 拉桿； 8—— 向心推力球軸承； 10—— 油缸； 11—— 碟形彈簧； 12—— 活塞； 13—— 噴氣頭； 14—— 套筒 22 (a) (b) 圖 刀柄拉緊結(jié)構(gòu) 刀桿尾部的拉緊結(jié)構(gòu)，除上述的卡爪式以外，還有圖 所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)以及圖 所示的鋼球拉緊機(jī)構(gòu)。 在本課題中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)借用如圖 ，采用氣壓缸夾緊方式，從而避免因油路堵塞等常見情況。而在拉桿處則采用 鋼球拉緊機(jī)構(gòu)， 因?yàn)?其加工簡單，并可以有效的拉緊刀桿 。 切屑清除機(jī)構(gòu) 自動(dòng)清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑是換刀過程的一個(gè)不容忽視的問題。如果主軸錐孔中落入了切屑，灰塵或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，錐孔表面和刀桿錐柄會(huì)被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至?xí)沽慵顖?bào)廢。為了保持主軸錐孔的清潔，常采用的方法是使用壓縮空氣吹屑。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合 23 理的噴射角度，并均勻布置 [10]。其工作原理圖可參考圖 。 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的確定 控制用電動(dòng)機(jī)是電氣伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 控制用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型和旋轉(zhuǎn)電樞型。前者有同步電動(dòng)機(jī)（永磁）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁）；后者有直流電動(dòng)機(jī)（永磁）、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（按矢量控制等效模型），具體地可細(xì)分為： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng) 機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。由于其轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，所以對(duì)于本課題所需的控制電動(dòng)機(jī)而言，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很難精確地確保主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，故不適合。 直流伺服電動(dòng)機(jī)通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)和電樞電流磁動(dòng)勢(shì)正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻 率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點(diǎn)。但是由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。所以不太適合用于主軸的主電機(jī)，但是可以用于進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。 由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有 直流伺服電動(dòng)機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，并且其不具備電刷和換向器，不需要定期維修。雖然在價(jià)格上交流伺服電動(dòng)機(jī)較貴，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)的地位。故在 24 本課題的主電機(jī)選用中選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。 各種伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用舉例見表 。 表 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例 [19] 種類 主要特點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 DC 伺服電動(dòng)機(jī) 1. 高響應(yīng)特性； 2. 高功率密度（體積小、重量輕）； 3. 可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制； 4. 接觸換向部件（電刷與換向器）需要維護(hù)； 5. 不能高速大扭矩工作 。 NC 機(jī)械、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、音響和音像設(shè)備、計(jì)測(cè)機(jī)械等 AC 伺服電動(dòng)機(jī) 1. 具有 DC伺服電動(dòng)機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)； 2. 對(duì)定于電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制； 3. 具有良好的性價(jià)比； 4. 堅(jiān)固耐用免維修。 NC 機(jī)械、機(jī)器人等 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 1. 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制； 2. 工作狀態(tài)不受干擾； 3. 步距角有誤差； 4. 高速易失步，低速易振蕩 。 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公機(jī)械、數(shù)控裝置 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定 綜合 ， 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。 25 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。 圖 所示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖。 26 圖 主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖 1—— 刀架； 2—— 拉釘； 3—— 主軸； 4—— 拉桿； 5—— 碟形彈簧； 6—— 活塞； 7—— 液壓缸； 10—— 行程開關(guān)； 9—— 壓縮空氣管接頭； 11—— 彈簧； 12—— 鋼球； 13—— 端面鍵 27 3 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件 主軸電動(dòng)機(jī)的選用 主電機(jī)功率估算 (1) 計(jì)算主銑削力 切F 經(jīng)驗(yàn)公式 [6]：ZFefp KZdaaaF ??????? ? ……………………… （ ） 式中： 切F —— 銑削力，即主切削力（切向圓周分力）， N pa —— 銑削深度， mm fa —— 每齒進(jìn)給量 ， zmm ea —— 銑削寬度， mm 0d —— 銑刀直徑， mm Z —— 銑刀齒數(shù) ZFK—— 銑削力修正系數(shù)，ZZZZ KFFmFF KKKK ??? ? b? —— 工件材料抗拉強(qiáng)度， GPa 已知：高速鋼刀具；刀具前角 ??150? ；主偏角 ??60?K ；工件材料為275 mmkgfb ?? 碳鋼；每齒進(jìn)給量 zmmaf ? ；刀具直徑為 mm16 ，齒數(shù)8?Z ；工件寬度 mmae 12? ，切削深度 mmap 3? 將上述各條件代入公式（ ），則主切削力為 ZFefp KZdaaaF ??????? ? ???????? ???????????? N2046? 切削速度 [6] m i n150m i n1000 m a xm i nm a x mmmmnDV ??????? ? (2) 主電機(jī)功率估算 [6] 28 銑削功率 kWkWVFPm 000 15020 4660 000 m a x ????? 切 主電機(jī)功率 kWkWPPmmE 5 ???? ? 式中： m? —— 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。滾珠軸承傳動(dòng)效率 [6]，同步帶傳動(dòng)效率 [6] 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 ～ 37kW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=[6]，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： min/6000r ； c) 額定輸出轉(zhuǎn)矩： mN? ； d) 轉(zhuǎn)子慣量： smN ?? 。 主軸 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 1D ；主軸內(nèi)孔徑 d ；主軸懸伸量 a 和主軸支承跨距 l ，見圖 。 29 圖 主軸主要參數(shù)示意圖 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 D ，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(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 1D 。加工中心主軸前軸頸直徑 1D 按主電動(dòng)機(jī)功率來確定，由表 [2]查得 mmD 851 ? 。 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 1D 后，由式 [2]可知前軸頸直徑 1D 和后軸頸直徑 2D 有如下關(guān)系： mmmmDD 12 ????? 主軸內(nèi)孔直徑 d 的確定 主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑 d 的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大 30 值。 由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng) ?Dd時(shí)（ D 是主軸平均直徑），主軸剛度會(huì)急劇下降；而當(dāng) ?Dd時(shí)，內(nèi)孔 d 對(duì)主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑 d 的極限值 maxd 為： mmmmDd a x ????? 此時(shí)，剛度削弱小于 %25 。 按照任務(wù)書的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑mmd 52? 。 主軸端部形狀的選擇 機(jī)床主軸的軸端一般 用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。 圖 ，其尺寸大小按照 JB232478 進(jìn)行加工，選擇主軸序號(hào)為 50的主軸端部尺寸。 圖 銑床主軸的軸端形式 31 主軸懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 a 是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主 要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。 懸伸量 a 值對(duì)主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量 a 的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減 a 值。 主軸支承跨距 l 的確定 支承跨距 l 是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離。跨距 l 是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。 最優(yōu)跨距 0l 是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。 最優(yōu)跨距 0l 可按下列公式計(jì)算 [6]： ? ? ????? Kl ? …………………………………… （ ） 式中： 312116kkkEI ???????? ??? ……………………………………………… （ ） ???????? ??211 kkaK ? …………………………………………………… （ ） 式中： a —— 主軸前端懸伸長， 單位為 cm ； 32 E —— 材料的彈性模量， 單位為 2cmN ； I —— 軸慣性矩， 單位為 4cm ； 1k —— 前軸承剛度值， 單位為 cmN ； 2k —— 后軸承剛度值， 單位為 cmN 。 按上式計(jì)算最優(yōu)跨距 0l ，計(jì)算過程如下： ? ?4464 ll dDI ?? ? …………………………………………………… （ ） 式中： lD —— 主軸跨距部分的平均直徑， 單位為 mm ； ld —— 主軸跨距部分的平均孔頸， 單位為 mm 。 mmDDl 82?? mmmmL ldd iil 43600 2485218026323144429656 ????????????? ? 由式（ ）得： 4205cmI ? ；由 參考文獻(xiàn) [6]中圖 確定mNk 9001 ? ， mNk 7302 ? ；由主軸材料為 40Cr 查得材料的彈性模量 cmNG P aE ??? ；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長 mma 79? 將上述參數(shù)值代入公式 ()()，得 cm862?? ， 49?K 將 ? ， K 值代入公式（ ），得 mml 686150 ? 按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取 mml 336? 。 由于 mmlmml 6 8 6 1 53 3 6 0 ??? ，故滿足設(shè)計(jì)要求。 主軸受力分析 軸所受的載荷是