【正文】 N1r2rF 水平面支撐反力 , 39。85rN?39。195r 畫水平面內(nèi) xy 和垂直面內(nèi) xz 受力圖,見附圖 1.c).畫水平面彎矩圖 見附圖 畫垂直面彎矩圖 Mxz 畫合成彎矩圖 2xyzM??d).畫軸轉(zhuǎn)矩圖 見附圖e)許用應(yīng)力 用查入法查表 =, =60MPa0b?????1b????? 應(yīng)力校正系數(shù) = =???????f).畫出當(dāng)量彎矩圖 見附圖 1 當(dāng)量彎矩 =108460 ? 齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩 =39。()MT???g).校核軸頸齒輪中間處軸直徑 d= = =35mm?？紤]載荷??31b0.???較均勻分布，本次校核是在極端情況下進(jìn)行且誤差在 5%之內(nèi)，所以合理。第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)39附圖 2第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制40第四章 主軸組件的設(shè)計(jì)與校核 主軸的要求1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無(wú)載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤(rùn)滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。2 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡(jiǎn)稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。3 抗振性主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激動(dòng)力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。4 升溫和熱變形主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形） 。主軸組件受熱伸長(zhǎng)，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線傾斜。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制41度機(jī)床主軸組件的研究的主要課題之一。5 耐磨性主軸組件的耐磨性是指長(zhǎng)期保持原始精度的能力，即精度保持性。對(duì)精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸上的上述部分應(yīng)淬硬至 HRC60 左右，深約1mm.6 材料和熱處理主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來(lái)考慮。數(shù)控機(jī)床的材料通常是 45 號(hào)或 60 號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，需調(diào)質(zhì)處理。7 主軸的結(jié)構(gòu)為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動(dòng)件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。主軸中孔用與通過(guò)棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過(guò)更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過(guò)外徑的70%。 主軸軸承選擇角接觸軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。它常用于高速主軸，接觸角越大軸向剛度越大，徑向剛度和允許轉(zhuǎn)速越低。角接觸軸承為點(diǎn)接觸，為了提高剛度和承載能力采用三聯(lián)組培的方式。主軸前軸承采用三個(gè)接觸角向里；軸承由圓螺母進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊量在軸承制造時(shí)配好。軸承精度等級(jí)選 P4 級(jí)。雙列向心短圓柱滾子軸承，內(nèi)圈有錐度為 1：12 的錐孔與主軸的錐形軸頸相配。通過(guò)軸向移動(dòng)內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置來(lái)調(diào)整軸承間隙。這種軸承徑向剛度和承載能力較大，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊。主軸后端安裝雙列向心短圓柱滾子軸承，其徑向間隙也由圓螺母來(lái)調(diào)整。因前軸承鐜主軸組件的精第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制42度影響較大，后軸承精度等級(jí)采用 P5 級(jí)。這種配置保證了軸承有較高的回轉(zhuǎn)精度，允許較高的轉(zhuǎn)速和剛性，適用于負(fù)載較大的數(shù)控車床。 主軸的設(shè)計(jì)與校核：主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑 D1，主軸內(nèi)徑 d,主軸懸伸量 a 和主軸支撐跨距 L。 D1，主軸后軸頸的直徑 D2表 D1（按電機(jī)功率）mm功率（kw）D1mm～ 2～ 3～ 5～ ～11車床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～145銑床及加工中心 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105外圓磨床 —— 50～60 55～70 70～80 75～90由上表可取 D1=110mm因此可知由式子 21(~.8)D?后端直徑 1m?圓整后 292．主軸內(nèi)徑 d主軸孔徑 d 取主軸平均直徑的 55%65%，取 d=56mm。3．前錐孔尺寸前錐孔用來(lái)裝頂尖或其它工具錐柄，要求能夠自鎖，目前采用莫氏錐孔。因車床最大回轉(zhuǎn)直徑 D=460mm400mm，采用莫氏錐度 6 號(hào)，錐度大端直徑D=，錐度 =1：，長(zhǎng)度 L=181mm，d=?4．支撐跨度及懸伸長(zhǎng)度為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短主軸的外伸長(zhǎng)度 a，選擇適當(dāng)?shù)闹慰缍?L。一般推薦?。篖\a=3~ L\a 盡量大，提高主軸剛度。 機(jī)床支撐跨度很大程度上受其他零件結(jié)構(gòu)的影響，此機(jī)床 L=510mm 左右，主軸的外伸長(zhǎng)度 a=170~102mm 范圍即可。5．頭部尺寸的選擇第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制43 目前頭部尺寸廣泛采用短圓錐式的頭部結(jié)構(gòu)，懸伸短，剛度好。采用快速裝卸卡盤結(jié)構(gòu)。詳細(xì)結(jié)構(gòu)件零件在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對(duì)軸進(jìn)行受力分析計(jì)算如下： a）.計(jì)算齒輪受力 =9550 =4411961T?3PnmN? 圓周力 = = 徑向力 = N，r0tan38tan2147coscos????? 軸向力 aF0tt69b）.計(jì)算支撐反力 垂直面內(nèi)支撐反力 =488N, =919N15476r??51496270rF?? 水平面支撐反力 , 39。3808r N?39。238r N? 畫水平面內(nèi) xy 和垂直面內(nèi) xz 受力圖,見附圖 1.c).畫水平面彎矩圖 見附圖 畫垂直面彎矩圖 Mxz 畫合成彎矩圖 2xyzM??d).畫軸轉(zhuǎn)矩圖 見附圖e)許用應(yīng)力 用查入法查表 =, =60MPa0b?????1b????? 應(yīng)力校正系數(shù) = =???????f).畫出當(dāng)量彎矩圖 見附圖 當(dāng)量彎矩 =260305 ? 齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩 =39。()MT???g).校核軸頸齒輪中間處軸直徑 d= = =45mm90mm。??31b0.???所以該軸設(shè)計(jì)得合理第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制44 第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一身的自動(dòng)化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控車床的一個(gè)重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)車床的動(dòng)力的 70%～80%。基本控制是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換檔和無(wú)級(jí)調(diào)速。為滿足數(shù)控車床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，必須有以下性能:(1)寬調(diào)速范圍，且速第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制45度穩(wěn)定性能要高。(2) 在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小。(3) 加減速時(shí)間短。(4)過(guò)載能力強(qiáng)。(5) 噪聲低、震動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。隨著微電子技術(shù)、交流調(diào)速理論和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。目前，交流驅(qū)動(dòng)的性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)的水平。而且，籠型交流變頻電機(jī)不限制六電動(dòng)機(jī)那樣有機(jī)械換向帶來(lái)的麻煩和高速大功率的限制，并且體積小、重量輕、采用全封閉式罩殼、對(duì)灰塵和油有較好的防護(hù)優(yōu)點(diǎn)。 在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來(lái)控制交流主軸電動(dòng)機(jī)。 主傳動(dòng)采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)與停止是直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速與分檔變速機(jī)構(gòu)的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變換主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令來(lái)轉(zhuǎn)換。變速過(guò)程如下：讀入控制系統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速的代碼，判斷速度對(duì)應(yīng)哪一擋、是否需要換擋。如不須換擋，則在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)按線性插值求出新的轉(zhuǎn)速值，輸出至變頻器驅(qū)動(dòng)裝置，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如需換擋，發(fā)出降速指令，換擋時(shí)使頻率降到最低，經(jīng)延時(shí)速度穩(wěn)定后，發(fā)換擋請(qǐng)求信號(hào)，換擋繼電器動(dòng)作，熱愛(ài)背后檢測(cè)判斷換擋結(jié)束信號(hào)，及等齒輪到位后，在新檔位內(nèi)根據(jù)讀入的轉(zhuǎn)速代碼按插值法求新的轉(zhuǎn)速并輸出至電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置。參看變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電氣接線圖和主軸正反轉(zhuǎn)及變檔電氣接線圖。圖中 SB5 為正轉(zhuǎn)按鈕，SB7 為反轉(zhuǎn)按鈕；利用復(fù)合按鈕 SB5 與 SB7 就可以直接實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)由正轉(zhuǎn)成反轉(zhuǎn)，中間不需要停車；按鈕 SB6 與 SB8 為點(diǎn)動(dòng)按鈕，用于機(jī)床的調(diào)整對(duì)刀等；STSTST3 為行程開關(guān)，對(duì)齒輪換擋進(jìn)行檢測(cè)，如齒輪不到位，則開關(guān)不發(fā)訊主軸無(wú)法啟動(dòng)。 齒輪有級(jí)變速變擋裝置該機(jī)床齒輪有級(jí)變速采用液壓撥叉來(lái)實(shí)現(xiàn)。齒輪在低速進(jìn)行強(qiáng)力切削時(shí)，應(yīng)使用低速檔；在進(jìn)行精密切削時(shí)使用高速擋；在裝卸工件時(shí)，主軸可以停在空擋上。上述三擋通過(guò)電磁閥改變液壓缸通油方式的不同組合，推動(dòng)變擋齒輪軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。參看液壓變檔控制原理圖：高速擋時(shí)電磁閥 CT1 得電，液壓缸 P 通油，液壓缸 N 回油滑移齒輪處于最左端；空擋時(shí)電磁閥 CTCT3 得電液壓缸P、M 進(jìn)油，液壓缸 N 回油，滑移齒輪處于中位；低速檔時(shí)液壓缸 P、M 回油，液壓缸 N 進(jìn)油。第五章 主軸驅(qū)動(dòng)與控制46 主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制 在螺紋加工中，為保證切削螺紋的螺距，必須有固定的起刀點(diǎn)與退刀點(diǎn)。螺紋螺距多數(shù)為常數(shù)，但為有規(guī)律的遞增或遞減的變螺距螺紋的使用也越來(lái)越多。加工螺紋時(shí)，應(yīng)是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的主軸轉(zhuǎn)速與坐標(biāo)軸的進(jìn)給量保持一定的關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一圈，按所要求的螺距沿工件的軸向坐標(biāo)進(jìn)給相應(yīng)的脈沖量。 采用光電脈沖編碼器作為主軸的脈沖發(fā)生器，并將其裝在主軸上，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)主軸的轉(zhuǎn)角、相位、零位等信號(hào)。該機(jī)床光電編碼器通過(guò) 1：1的同步齒輪與主軸同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的每轉(zhuǎn)進(jìn)給和螺紋切削。 主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)編碼器即發(fā)出脈沖，這些脈沖送給數(shù)控裝置作為坐標(biāo)軸進(jìn)給的脈沖源，經(jīng)過(guò)對(duì)節(jié)距計(jì)算后，發(fā)給坐標(biāo)軸位置私服系統(tǒng)，使進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)數(shù)保持所要求的比率。通過(guò)改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向可以加工出左螺紋與右螺紋，而主軸方向的判別是通過(guò)脈沖編碼器發(fā)出的正交的兩相脈沖信號(hào)相位的先后順序判別出來(lái)的。脈沖編碼器還輸出一個(gè)零位脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)的每一轉(zhuǎn)，可以用于主軸絕對(duì)位置的定位。例如在多次循環(huán)切削同一螺紋時(shí)，該令為信號(hào)可以作為刀具的切入點(diǎn)，以確保螺紋不出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象。 主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制數(shù)控車床在切削端面時(shí)為了保證端面的光潔度，就必須是該表面的粗糙度小于或等于某值。由加工工藝知識(shí)可知，要使表面粗糙度為某值，需保證工件與切削刃處接觸點(diǎn)的切削速度為以恒定值。由于在車削端面時(shí)，刀具要不斷的作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使刀具的切削直徑逐漸減小。由切削速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知，如保持切削速度 v 恒定不變，當(dāng)切削直徑 d 逐漸減少時(shí)，主軸轉(zhuǎn)2vd??速必須逐漸增大但也不能超過(guò)極限。因此，數(shù)控裝置必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件來(lái)完成主軸的調(diào)整。第六章 總結(jié)與展望47第六章 總結(jié)與展望本文在在系統(tǒng)地了解數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，考慮對(duì) JIFCNCB數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)。數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有些只有兩極或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的范圍設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題：起初對(duì)于數(shù)控車床傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)沒(méi)有十分明確的概念，未能在最短的時(shí)間內(nèi)初步設(shè)計(jì)出機(jī)器的零部件草圖，耽誤了很多不必要的時(shí)間。 CAD 進(jìn)行零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的某些命令不能熟練的應(yīng)用，造成了設(shè)計(jì)時(shí)間的大量浪費(fèi)，加長(zhǎng)了設(shè)計(jì)的時(shí)間。，變頻器的使用了解不多，查閱了大量資料后才弄明白。耽誤了一些時(shí)間。設(shè)計(jì)中著重考慮問(wèn)題與解決的問(wèn)題：1. 數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪多級(jí)變速的情況變?yōu)榉謾n無(wú)級(jí)變速，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速后，通過(guò)帶輪輸送到輸入軸上，再經(jīng)過(guò)齒輪有級(jí)變速擴(kuò)大變速范圍，滿足變速范圍的要求，使輸入軸帶輪處只受轉(zhuǎn)矩，將軸上的徑向力傳動(dòng)到車床機(jī)體上改善了輸入軸的受力情況。