【文章內(nèi)容簡介】 ；18軸承座；19長滑塊；20上連接板。圖24 微型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)圖第3章 主軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 主軸驅(qū)動(dòng)及其控制 對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求(1) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)要有較寬的調(diào)速范圍及盡可能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速數(shù)控加工時(shí)切削用量的選擇，特別是切削速度的選擇，關(guān)系到表面加工質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率。對(duì)于自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，為適應(yīng)各種工序和不同材料加工的要求，更需要主傳動(dòng)有較寬的自動(dòng)變速范圍。(2) 功率大要求主軸有足夠的驅(qū)動(dòng)功率或輸出扭矩，能在整個(gè)速度范圍內(nèi)均能提供切削所需的功率或扭矩，特別是在強(qiáng)力切削時(shí)。(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要好要求主軸升降速時(shí)間短，調(diào)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對(duì)有的數(shù)控機(jī)床需同時(shí)能實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切削，則要求換向時(shí)均可進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，即要求主軸有四象限驅(qū)動(dòng)能力。(4) 精度高這里主要指主軸回轉(zhuǎn)精度。要求主軸部件具有足夠的剛度和抗振性，具有較好的熱穩(wěn)定性，即主軸的軸向和徑向尺寸隨溫度變化較小。另外，要求主傳動(dòng)的傳動(dòng)鏈要短。(5) 旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)功能要求主軸與其他直線坐標(biāo)軸能同時(shí)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)控制，如在車削中心上，為了使之具有螺紋車削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行聯(lián)動(dòng)控制，即主軸具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸(C軸)的控制功能。(6) 恒線速切削功能為了提高工件表面質(zhì)量和加工效率，有時(shí)要求數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)表面恒線速度切削。如數(shù)控車床對(duì)大直徑工件端面切削時(shí)，要求主軸轉(zhuǎn)速隨切削端面的直徑變小而變快，并以切削表面為恒線速度的規(guī)律變化。(7) 加工中心上，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停控制在加工中心上自動(dòng)換刀時(shí)，主軸須停在一個(gè)固定不變的方位上，以保證換刀位置的準(zhǔn)確；以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停控制。此外，有的數(shù)控機(jī)床還要求具有角度分度控制功能。為了達(dá)到上述有關(guān)要求，對(duì)主軸調(diào)速系統(tǒng)還需加位置控制，比較多的采用光電編碼器作為主軸的轉(zhuǎn)角檢測。 主軸驅(qū)動(dòng)及其控制方式(1) 帶有變速齒輪的主傳動(dòng)通過少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸低速時(shí)對(duì)輸出扭矩特性的要求?；讫X輪的移動(dòng)大都采用液壓缸加撥叉，或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。(2) 通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)與主軸通過形帶或同步齒形帶傳動(dòng)，不用齒輪傳動(dòng)，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。(3) 用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸，高速時(shí)通過皮帶直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；低速時(shí)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，這樣使恒功率區(qū)增大，克服了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電動(dòng)機(jī)功率不能充分利用的缺陷。(4) 內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)這種主傳動(dòng)方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 銑削力的計(jì)算銑削加工過程中銑削力的計(jì)算己經(jīng)得到了廣泛的研究。但是在這些研究中，主要針對(duì)特定的刀具或工件材料，而不是能夠廣泛應(yīng)用于各種加工條件下的理論。對(duì)于通用數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)來說，設(shè)計(jì)目標(biāo)就是設(shè)計(jì)出適應(yīng)性比較強(qiáng)的，能應(yīng)付大多數(shù)加工要求的機(jī)床，所以，在切削力計(jì)算問題上，不能單獨(dú)使用一些純理論推導(dǎo)所得到的理論。然而，切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求，因?yàn)檫@些公式都是經(jīng)過人們長期的經(jīng)驗(yàn)積累而總結(jié)出來，具有普遍的適用性，并且能夠保證各種加工條件下的安全性。因此，本設(shè)計(jì)中的切削力計(jì)算主要采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。切削力可分解為三個(gè)分力：Z向的主插削力以及X、Y向的銑削分力、。設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用高速鋼立銑刀，工件的材料為鋁合金。則立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： (31)式中 d——銑刀直徑，mm； Z——銑刀齒數(shù)；N——銑刀轉(zhuǎn)速，r/s； ae——銑削寬度，mm； ap——背吃刀量，mm； fz ——每齒進(jìn)給量，mm。其中，齒數(shù),為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式(31)求得最大銑削力：采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：, 。則垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配為縱向銑削力和徑向銑削力，徑向銑削力為。銑削功率 (32)式中 則由式(32)求得銑削功率：= 主軸電機(jī)的選擇選主軸電機(jī)時(shí)按銑削計(jì)算。銑削時(shí)最大的銑削力為：主軸功率所以選電動(dòng)機(jī)為，型號(hào)：Y90S—4型第4章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)微型數(shù)控機(jī)床從構(gòu)造上可以分為數(shù)控系統(tǒng)(CNC)和機(jī)床兩大塊。數(shù)控系統(tǒng)主要根據(jù)輸入程序完成對(duì)工作臺(tái)的位置、主軸啟停、換向、變速、刀具的選擇、更換、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等的控制工作。而機(jī)床為了完成零件的加工須進(jìn)行兩大運(yùn)動(dòng)：主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)在動(dòng)作上除了接受CNC的控制外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有響應(yīng)快、高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)[14,15]。下面著重討論進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1) 高傳動(dòng)剛度進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的高傳動(dòng)剛度主要取決于絲桿螺母副(直線運(yùn)動(dòng))或蝸輪蝸桿副(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))及其支承部件的剛度。剛度不足與摩擦阻力一起會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象以及造成反向死區(qū)，影響傳動(dòng)準(zhǔn)確性?？s短傳動(dòng)鏈，合理選擇絲桿尺寸以及對(duì)絲桿螺母副及支承部件等預(yù)緊是提高傳動(dòng)剛度的有效途徑。(2) 高諧振為提高進(jìn)給系統(tǒng)的抗振性，應(yīng)使機(jī)械構(gòu)件具有高的固有頻率和合適的阻尼，一般要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)高于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的2～3倍。(3) 低摩擦進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，快速響應(yīng)特性好，必須減小運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，在進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中現(xiàn)普遍采用滾珠絲桿螺母副。(4) 低慣量進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常需進(jìn)行起動(dòng)、停止、變速或反向，若機(jī)械傳動(dòng)裝置慣量大，會(huì)增大負(fù)載并使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差。因此在滿足強(qiáng)度與剛度的前提下，應(yīng)盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的重量以及各傳動(dòng)元件的尺寸，以提高傳動(dòng)部件對(duì)指令的快速響應(yīng)能力。(5) 無間隙機(jī)械間隙是造成進(jìn)給系統(tǒng)反向死區(qū)的另一主要原因，因此對(duì)傳動(dòng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括：齒輪副、絲桿螺母副、聯(lián)軸器及其支承部件等等均應(yīng)采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施。 滾珠絲杠的選擇與安裝方式的選擇 滾珠絲杠特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，一般為η=～；傳動(dòng)靈敏，摩擦力小，不易產(chǎn)生爬行；使用壽命長；具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；軸向運(yùn)動(dòng)精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時(shí)無空行程；但制造成本高，不能自鎖，垂直安裝時(shí)需有平衡裝置[16,17]。 安裝方式分類滾珠絲杠副作為關(guān)鍵的滾動(dòng)傳動(dòng)元件，被廣泛應(yīng)用于各種需要定位或傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，對(duì)機(jī)構(gòu)的性能舉足輕重。在實(shí)際應(yīng)用中，滾珠絲杠副的安裝方式的選擇，同樣會(huì)影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作效果，根據(jù)具體應(yīng)用情況的不同，滾珠絲杠副的安裝可以有多種不同的方式。滾珠絲桿螺母副所承受的主要是軸向載荷。它的徑向載荷主要是臥式絲桿的自重。安裝時(shí)，要保證螺母座的孔與工作螺母之間的良好配合，并保證孔與端面的垂直度等。這時(shí)主要是根據(jù)載荷的大小和方向選擇軸承。另外安裝和配置的形式還與絲桿的長短有關(guān)，當(dāng)絲桿較長時(shí)，采用兩支撐結(jié)構(gòu)；當(dāng)絲桿較短時(shí)，采用單支撐結(jié)構(gòu)[18]。不同的安裝方式(即支承形式)都有其各自的特點(diǎn)，選取時(shí)，既要考慮實(shí)際工作要求(定位精度、傳動(dòng)速度、扭矩和推力情況等)，又要結(jié)合滾珠絲杠副型號(hào)規(guī)格的選擇，只有兩者綜合考慮合理搭配，才能實(shí)現(xiàn)最佳效果發(fā)揮滾珠絲杠副的最大價(jià)值。由文獻(xiàn)[19,20]可知”滾珠絲杠副的安裝方式一般叫做滾珠絲杠副的支承形式，通常有兩大類(絲杠旋轉(zhuǎn)類和螺母旋轉(zhuǎn)類)共五種典型的支承形式，支承形式不同，所容許的軸向載荷和容許的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同，應(yīng)根據(jù)工況適當(dāng)選擇。具體如下，為便于評(píng)估，絲杠旋轉(zhuǎn)類每種支承形式后面給出表征其穩(wěn)定性的“穩(wěn)定性系數(shù)K2，K2越大表示該形式越穩(wěn)定，螺母旋轉(zhuǎn)類因受力模型不同，校驗(yàn)體系也不同，不能模型化比較。本設(shè)計(jì)選用絲杠旋轉(zhuǎn)類。 絲杠旋轉(zhuǎn)類安裝形式1. “固定—固定”型：K2=4適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的場合。該形式兩端分別分別由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，負(fù)荷由兩組軸承共同承擔(dān)。也可以使兩端的軸承副承受反 向預(yù)拉伸力，從而提高傳動(dòng)剛度。在定位要求很高的場合，甚至可以根據(jù)受力情況和絲杠熱變形趨勢精確設(shè)定目標(biāo)行程補(bǔ)償量，進(jìn)一步提高定位精度。“固定—固定”型有時(shí)也被片面地叫做“雙推－雙推型”，實(shí)際上由于徑向力的存在幾乎很少能用兩個(gè)推力軸承作為固定端。由于此形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)整較難，因此一般僅在定位要求很高時(shí)采用。 圖41 “固定—固定”型2. “固定—游動(dòng)”型：K2=2適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的場合。該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個(gè)軸承約束徑向自由度，負(fù)荷由一對(duì)軸承副承擔(dān)，游動(dòng)的單個(gè)軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產(chǎn)生的應(yīng)力?！肮潭ā蝿?dòng)”型有時(shí)也被片面地叫做“雙推－支承型”。此形式結(jié)構(gòu)較簡單，效果良好，應(yīng)用廣泛。圖42 “固定—游動(dòng)”型3. “支承—支承”型：K2=1適用于中轉(zhuǎn)速，中精度的場合。該形式兩端分別設(shè)一個(gè)軸承，分別承受徑向力和單方向的軸向力，隨負(fù)荷方向的變化，分別由兩個(gè)軸承單獨(dú)承擔(dān)某一方向的力。由于支承點(diǎn)隨受力方向變化，定位可控性較低。此形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況較差，應(yīng)用較少。圖43 “支承—支承”型4. “固定—自由”型：K2=適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，軸向長度短的場合。該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負(fù)荷均由同一對(duì)軸承副承擔(dān)， 并且需克服絲杠回轉(zhuǎn)離心力(及水平安裝時(shí)的重力)造成的彎矩?！肮潭ā杂尚汀毙陀袝r(shí)也被錯(cuò)誤地叫做“雙推－自由型”。此形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況差，但在行程小、轉(zhuǎn)速低時(shí)也經(jīng)常用到。圖44 “固定—自由”型考慮調(diào)試安裝的方便和對(duì)精度的影響，本設(shè)計(jì)選擇常用的安裝方式：固定—游動(dòng)形式安裝。其轉(zhuǎn)速和精度完全能滿足需要。 支撐軸承選型 為了承受滾珠絲杠的軸向推力，所以必須選用角接觸球軸承，本設(shè)計(jì)選用7201C，接觸角為60o，為市場上最常見的角接觸球軸承。購買方便，成本較低。 Y方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基本導(dǎo)程系統(tǒng)為開環(huán)，電機(jī)與絲杠直接由聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)比i=1，工作臺(tái)快進(jìn)速度要求達(dá)到。取電機(jī)最高轉(zhuǎn)