【正文】 N? 圓周力 = =?0739 徑向力 = N，r ????? 軸向力 aF0t3t46b）.計算支撐反力 水平面內(nèi)支撐反力 =2895N, 107258194R??=360N1254097182RF??? 垂直面支撐反力 , 136042rFN?236r 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 1.e)許用應(yīng)力 39。1rF 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 =63346 ? 齒輪中間截面處當(dāng)量彎矩 =39。()MT???軸頸處當(dāng)量彎矩 = =39。()軸頸處當(dāng)量彎矩 = =39。22g).校核軸頸齒輪中間處軸直徑 d= = =27mm35mm。????360.?在軸頸處 d= = =30mm35mm，所以該軸設(shè)計得合理。31b.?附圖 1 II 的設(shè)計與校核1）.估算軸頸 d假設(shè)軸材料為 45鋼，則由公式 ，查表 C=118, 3pdCn??=25mm，??2)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計該軸兼有傳動軸和液壓變檔滑移作用，畫出 Z=26 的齒輪輪廓,齒輪分度圓直徑較大,不需要采用齒輪軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)軸及軸上零件作用，完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,： 在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進(jìn)行受力分析計算如下： a）.計算齒輪受力 =9550 =1831T?2PnmN? 圓周力 = = 徑向力 = N，r ????? 軸向力 aF0t31t6b）.計算支撐反力 垂直面內(nèi)支撐反力 =580N, =806N1r2rF 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。附圖 2第四章 主軸組件的設(shè)計與校核 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和軸向跳動。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)計和性能，潤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，滾動軸承的型號，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統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。3 抗振性主軸組件工作時產(chǎn)生震動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動和自激振動兩種形式。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)，只有一些實驗數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。4 升溫和熱變形主軸組件工作時因各相對運動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，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期保持原始精度的能力，即精度保持性。對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考慮。數(shù)控機(jī)床的材料通常是 45 號或 60 號優(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。主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，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)緊量在軸承制造時配好。軸承精度等級選 P4 級。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。通過軸向移動內(nèi)圈，改變其在主軸上的位置來調(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調(diào)整。因前軸承鐜主軸組件的精度影響較大，后軸承精度等級采用 P5 級。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，錐度大端直徑D=，錐度 =1：，長度 L=181mm，d=?4．支撐跨度及懸伸長度為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短主軸的外伸長度 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，主軸的外伸長度 a=170~102mm 范圍即可。5．頭部尺寸的選擇 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)對軸進(jìn)行受力分析計算如下： a）.計算齒輪受力 =9550 =4411961T?3PnmN? 圓周力 = = 徑向力 = N，r 0tan38tan2147coscos????? 軸向力 aF0tt69b）.計算支撐反力 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)計得合理 第五章 主軸驅(qū)動與控制數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計算機(jī)、電機(jī)及其拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動力約占整臺車床的動力的 70%～80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必須有以下性能:(1)寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高。(2) 在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動要小。(3) 加減速時間短。(4)過載能力強(qiáng)。(5) 噪聲低、震動小、壽命長。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)入實用階段。目前，交流驅(qū)動的性能已達(dá)到直流驅(qū)動的水平。而且，籠型交流變頻電機(jī)不限制六電動機(jī)那樣有機(jī)械換向帶來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、對灰塵和油有較好的防護(hù)優(yōu)點。 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控制交流主軸電動機(jī)。 主傳動采用調(diào)速電動機(jī)進(jìn)行無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動與停止是直接驅(qū)動電動機(jī)來實現(xiàn)的，主軸電動機(jī)調(diào)速與分檔變速機(jī)構(gòu)的配合來實現(xiàn)的。 主軸轉(zhuǎn)速的自動變換主軸電動機(jī)調(diào)速時，電動機(jī)的驅(qū)動信號由電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令來轉(zhuǎn)換。變速過程如下：讀入控制系統(tǒng)主軸轉(zhuǎn)速的代碼，判斷速度對應(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)動裝置，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如需換擋，發(fā)出降速指令，換擋時使頻率降到最低，經(jīng)延時速度穩(wěn)定后，發(fā)換擋請求信號，換擋繼電器動作，熱愛背后檢測判斷換擋結(jié)束信號，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)速并輸出至電動機(jī)變頻驅(qū)動裝置。參看變頻器驅(qū)動電機(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 就可以直接實現(xiàn)電動機(jī)由正轉(zhuǎn)成反轉(zhuǎn)，中間不需要停車；按鈕 SB6 與 SB8 為點動按鈕，用于機(jī)床的調(diào)整對刀等；STSTST3 為行程開關(guān)，對齒輪換擋進(jìn)行檢測，如齒輪不到位，則開關(guān)不發(fā)訊主軸無法啟動。 齒輪有級變速變擋裝置該機(jī)床齒輪有級變速采用液壓撥叉來實現(xiàn)。齒輪在低速進(jìn)行強(qiáng)力切削時，應(yīng)使用低速檔；在進(jìn)行精密切削時使用高速擋；在裝卸工件時，主軸可以停在空擋上。上述三擋通過電磁閥改變液壓缸通油方式的不同組合，推動變擋齒輪軸來實現(xiàn)。參看液壓變檔控制原理圖：高速擋時電磁閥 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；低速檔時液壓缸 P、M 回油，液壓缸 N 進(jìn)油。 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與退刀點。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越多。加工螺紋時，應(yīng)是帶動工件旋轉(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)，檢測主軸的轉(zhuǎn)角、相位、零位等信號。該機(jī)床光電編碼器通過 1：1的同步齒輪與主軸同步旋轉(zhuǎn)，實現(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)過對節(jié)距計算后，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脈沖編碼器發(fā)出的正交的兩相脈沖信號相位的先后順序判別出來的。脈沖編碼器還輸出一個零位脈沖信號，對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)的每一轉(zhuǎn)，可以用于主軸絕對位置的定位。例如在多次循環(huán)切削同一螺紋時，該令為信號可以作為刀具的切入點，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的切削速度為以恒定值。由于在車削端面時，刀具要不斷的作徑向進(jìn)給運動，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，主軸轉(zhuǎn)2vd??速必須逐漸增大但也不能超過極限。因此，數(shù)控裝置必須設(shè)計相應(yīng)的軟件來