【正文】 本章小結(jié) 本章主要闡述了機床的進(jìn)給系統(tǒng)的布局方 式。 Z軸方向采用圓柱式導(dǎo)軌定位。為了確保兩條導(dǎo)軌能夠平行，通常把其中一條導(dǎo)軌作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌。 由于數(shù)控雕刻機床要求具有良好的靈活性來滿足機床的高速雕刻的要求，本機床 X、 Y、軸方向上均采用 GGB型（四方向等載荷型）高精度直線導(dǎo)軌。彈性聯(lián)軸器的裝卸也非常方便。非金屬彈性元件聯(lián)軸器制造方便，方便得到各種結(jié)構(gòu)形狀。 帶彈性元件擾性聯(lián)軸器除了擁有補償?shù)墓δ芡猓€具備減震和緩沖的作用。 步進(jìn)電機與進(jìn)給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 在數(shù) 控機床的進(jìn)給系統(tǒng)中， 要保證 步進(jìn)電機和滾珠絲杠的聯(lián)結(jié)傳動 結(jié)構(gòu)沒有間隙，這樣才可以 準(zhǔn)確地執(zhí)行脈沖的指令， 使得脈沖 不會丟 掉，從 而 避免造成的“失步”，最終使得 機床的傳動精度與加工精度 不會被影響 。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，作用可靠，運動穩(wěn)定。因 為 單向逆止軸承的外環(huán) 是 通過鍵與摩擦阻尼裝置 相互 連 結(jié) 在一起 的 ， 軸承的 外環(huán)被摩擦阻尼裝置 所 產(chǎn)生的摩擦扭矩剎住 , 從而防止了逆 向 傳動。 當(dāng) 機床 工作臺上升時 , 單向逆止軸承像普通軸承一樣 , 沒有 逆止 的 作用 , 伺服電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動并用螺母帶動工作臺向上運動。單向逆止軸承僅允許一方向旋轉(zhuǎn) , 而另一方向止動。 步進(jìn) 電機經(jīng)彈性聯(lián)軸器帶動絲杠 , 實現(xiàn)工作臺的移動。當(dāng)在數(shù)控機床上選取這類軸承時，為了便于對軸承和滾珠螺母之間不同軸度的吸收，一般都選取 DF組配的方式。數(shù)控機床在選用此類角接觸球軸承時，一般都要把 2個以上的軸承配對組合起來，再加以預(yù)緊力才能使用。 由于要求數(shù)控雕刻機擁有運動靈活的進(jìn)給系統(tǒng)，對于微小位移 (絲杠微小轉(zhuǎn)角 )的響應(yīng)要靈敏，所以要選用摩擦力矩小、軸向剛度強、運轉(zhuǎn)精度高的滾動軸承。由于軸向載荷是滾珠絲杠的主要載荷，徑向載荷通常是臥式絲杠自身重量。 數(shù)控雕刻機 X、 Y向的滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)見圖 。此種方式可以對絲杠施加較大的預(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，補償絲杠的熱變形 本次數(shù)控雕刻機床 X、 Y向絲杠均采用一端固定，另一端簡支承的方式。由于絲杠不動，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細(xì)長滾珠絲杠高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的種種問題。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。 （ 2） 雙推一支承方式 即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。 而且 它的產(chǎn)品成對出售， 使用極為方便，而且在 它 出廠時 ， 內(nèi)外環(huán)的厚度 都已經(jīng)選配好，裝配時只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就可以 得 到 出廠時已經(jīng)調(diào)整好的預(yù)緊力。 從而 增加了滾珠的數(shù)目并相應(yīng)減小滾珠的直徑。其二 是把推力軸承或 者向心推力軸承和向心軸承組合使用，它的軸向剛度有所 提高，但 是 軸承的摩擦阻力和發(fā)熱 增大了 而且 還 增加了軸承支架的結(jié)構(gòu) 尺寸。為了提高支承的軸向剛度， 應(yīng) 選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承。 提高絲杠螺母座的局部剛度和接觸強度一般可以通過 適當(dāng)加大 其與 機床結(jié)合部件的 有關(guān)接觸面積來實現(xiàn)。此外，要想提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度， 滾珠絲杠 的支承的結(jié)構(gòu)剛度和它正確的安裝方式也是重要 的因素。 Y軸滾珠絲杠的公稱直徑為 32mm。因此一般是在兼顧二者的情況下 ， 選取最佳直徑。要想使進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。 本設(shè)計中工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。本機床所選 3個方向滾珠絲杠副的精度等級均為 3級。但是， 隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機床的定位精度和隨動精度。 Z 軸采用圓柱導(dǎo)軌 [12]。 （ 3）在金屬加工機床上，由于電動機直 接和導(dǎo)軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響。 直線電動機的不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）與同容量旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電動機的效率和功率因數(shù)要低，特別在低速時更明顯。 3）旋轉(zhuǎn)電動機必須通過絲杠、齒條等轉(zhuǎn)換機構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運動，傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響無法避免；并且，這些轉(zhuǎn)換機構(gòu)在運動中必然會帶來噪聲。對于高速加工機床來說，雖然可以通過加大螺距提高進(jìn)給速度，但是難以提高加速度。 （ 4）直線電動機驅(qū)動 采用直線電動機驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動相比，它具有以下優(yōu)點： 1）采用直線電動機驅(qū)動，不需要絲杠、齒輪齒條等轉(zhuǎn)換裝置即能直接實現(xiàn)直線運動，因此，它大大簡化了進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率。采用齒輪齒條副傳動時，必須采取措施消除齒側(cè)間隙，當(dāng)傳動負(fù)載小時，也可采用雙片薄齒輪調(diào)整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側(cè)貼緊，從而消除齒側(cè)間隙。齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機床上，可以得到較大的傳動比，進(jìn)行高速直線運動，剛度及機械效率也高。 （ 3）齒輪齒條副 大型數(shù)控機床 不宜采用絲杠傳動，因長絲杠制造困難，且容易彎曲下垂，影響傳動精度；同時軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度也難提高。 6）承載能力與供油壓力成正比，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。 4）油膜層具有一定剛度，減少了反向間隙。 2）油膜可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。絲杠轉(zhuǎn)動時， 通過油膜 的 推動螺母 將作 直線運動，反之，螺母轉(zhuǎn)動 時，可 使絲杠 作 直線移動。就高速加工數(shù)控機床而言，這點至關(guān)重要。其中，采用具有制動裝置的伺服電動機來進(jìn)行驅(qū)動 是最簡單有效的解決方法。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 但是因為它存在運動的可逆性，即一方面它能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，相應(yīng)的反過來它也可以把直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動，它不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。 以上幾種傳動方案的簡介和比較 （ 1）滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副擁有如下的特點： 1）系統(tǒng)傳動過程中的效率高，摩擦損失較?。? 2）在絲杠螺母之間加以預(yù)緊后，能夠有效地消除間隙，大大提高了進(jìn)給系統(tǒng)的傳動剛度； 3）系統(tǒng)傳 動過程中的摩擦阻力較小，而且?guī)缀鹾瓦M(jìn)給系統(tǒng)的運動速度無關(guān)，動和靜摩擦力的變化也較小，較難出現(xiàn)低速爬行情況； 4）系統(tǒng)長期工作不會產(chǎn)生較大的磨損，其使用壽命較長，保持精度特性良好。 （ 2）通過齒輪、齒條副的過渡，將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線進(jìn)給運動。本次設(shè)計的進(jìn)給機構(gòu)系統(tǒng)采取的是直線進(jìn)給運動。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的基本形式 數(shù)控機床的進(jìn)給運動一般可以分為直線運動以及圓周運動這兩大類。然而，造成傳動系統(tǒng)非線性的主要原因是傳動系統(tǒng)的摩擦死區(qū)、傳動間隙。 （ 2）機床傳動系統(tǒng)的非線性以及傳動部件精度，它們將直接影響機床進(jìn)給系統(tǒng)的加工輪廓精度和位置定位精度。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 4 機床進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計 進(jìn)給傳動系統(tǒng)選擇 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求 一般來講，機床的進(jìn) 給傳動系統(tǒng)的 靈敏度、精度、穩(wěn)定性是數(shù)控機床的輪廓加工精度以及定位精度的直接影響因素。 圖 電主軸安裝示意圖 本章小結(jié) 本章主要敘述了機床主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用了電機與主軸直聯(lián)的方式實現(xiàn)傳動切削，包括其傳動優(yōu)點和直流電機的特性。安裝時旋緊螺母從而使得螺栓 1朝上移動，此過程中 壓蓋 7被帶動著和 1一起向上移動 ， 夾緊力 之所以能 被均勻地傳遞到壓環(huán) 6上 是通過兩個過渡壓塊 5與螺栓 1垂直布局的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的 ，再 通過壓環(huán) 6上的 4個壓塊 2（與過渡壓塊成 45度布局），這樣 夾緊力 就能夠均勻地傳遞到彈簧漲套 4上面 ，此時 彈 簧漲套外壁向外部 彎曲 變形 ， 從而將 外圍 與支座基體頂緊 ，同時 彈簧漲套 內(nèi)壁向里收縮變形 ，從而把 主軸緊緊抱住。 電主軸的安裝 電主軸在機床上的安裝如圖 。就而言，電主軸的潤滑方式通常有脂潤滑與油氣潤滑兩類 ， 用戶可以按其無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 需求任選其一。 電主軸在工作中轉(zhuǎn)速極高 ， 為了能夠讓高速運行的電主軸快速地散去熱量 ，一般在 電主軸的外壁加以不斷循環(huán)冷卻液。 （ 5）由于電機主軸采用直聯(lián)一體式，不存在中間傳動的環(huán)節(jié) ，因此 電主軸工作時將運行地更為平穩(wěn) ，幾乎 沒有外來的沖擊現(xiàn)象 ，由于 主軸軸承所能夠承受的動、負(fù)載荷比較小 ，所以這種結(jié)構(gòu)也 延長了它的精度壽命。 （ 4）電主軸與其它結(jié)構(gòu)形式的主軸系統(tǒng)相比 ，其 更有利于實現(xiàn)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)動高速化的需求 ，而且電主軸的 動態(tài)精度以及穩(wěn)定性更加優(yōu)秀。 （ 2）通過采用交流變頻的技術(shù) ， 電主軸能夠在額定的轉(zhuǎn)速范圍之間發(fā)生無級變速 ，從而 適應(yīng)了機床在工作時的各種不同工作情況以及負(fù)載發(fā)生變化的需求。與機械主軸相比較 ， 電主軸具備以下優(yōu)點。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 圖 電主軸結(jié)構(gòu)裝配示意圖 傳統(tǒng)機床的主軸系統(tǒng)是由電機在中間媒介產(chǎn)生變速和傳動裝置，比如齒輪、皮帶、聯(lián)軸器等的驅(qū)動下使得主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作。 這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)實現(xiàn)了主軸高速化的轉(zhuǎn)速 ，能夠強有力地改善提高了 主軸的高速綜合性能。 這對于數(shù)控機床傳動系統(tǒng)來講是一項的重大突破的改革。 通俗來講，電動機的轉(zhuǎn)子也就是機床的主軸部件 ， 機床的主軸部件的腔體就是電機的機座。因此，對于研發(fā)出性能更加優(yōu)越的高速電主軸迫在眉睫 [10]。 對于在不同機床中的適用程度，電主軸又可分為好多類，如 : 鉆銑主軸、雕刻機主軸、加工中心主軸、磨床加工電主軸等等。它還有利于機床動平衡的改善 , 避免了加工過程中的振動及噪音 。 電主軸 電主軸的介紹 目前，高速電主軸是高速切削機床的關(guān)鍵核心部件之一 , 其 結(jié)構(gòu)是將機床的主軸與變頻電機軸做為一體，合二為一 , 也就是把變頻 主軸電機的轉(zhuǎn)子和定子直接裝在主軸部件結(jié)構(gòu)的內(nèi)部 , 因此也把它稱 做內(nèi)裝式電主軸 ,它們之間將 不需使用齒輪或皮帶作為傳動副 , 其結(jié)構(gòu)也就 實現(xiàn)了機床主軸部件系統(tǒng)的 “ 零傳動 ” 。因此保留電主軸作為預(yù)備方案。變頻器 的速度調(diào)節(jié) 就是通過改變電動機電源頻率 來實現(xiàn) 的 ， 它 是一種理想的 、 高效率、高性能的調(diào)速手段。通過公式（ ）可知 ，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 是 正比 關(guān)系。不同 種類 的變頻器 可以處理的電源功率是不同 的， 大概范圍在幾瓦到幾兆瓦 。其中，輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電 是通過整流器來實現(xiàn) ，直流電再轉(zhuǎn)換成所需頻率的交流電 是由逆變器來實現(xiàn) 。另外，其還具備改變交流電壓的輔助功能。變頻器是通過電腦所給的信息，發(fā)出一種脈沖，再通過脈沖來控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了 1500 至 24000r/min之內(nèi) 的不同轉(zhuǎn)速。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。 （ 3）反應(yīng)速度迅捷 由于輸入控制信號的作用，電機 轉(zhuǎn)子可以快速地反應(yīng)并相應(yīng)地動作，其時間常數(shù)比較小。即在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系或是轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系都是線性的。因為本次所設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的整體結(jié)構(gòu)比較小，加上高速電主軸價格昂貴，所以主傳動方式采直流電機直聯(lián)帶動主軸機構(gòu)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運動可靠。當(dāng)前其 在高速雕削機床領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 電主軸是一種新型技術(shù)，是為高速數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)動而專門研發(fā)出來的一種新型產(chǎn)物。 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3 主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 主運動傳動系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控雕刻機的主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主雕刻運動的系統(tǒng) ，其 特點是：主軸 的 轉(zhuǎn)速 較 高 ， 傳遞的功率較大 ，因此是 數(shù)控機床 中的一種重要 部分。對機床橫梁導(dǎo)軌的布局進(jìn)行了改進(jìn)，由一般的平面式布局改為空間式布局，提高了機床的穩(wěn)定性和加工精度。其裝配關(guān)系如下圖 ： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 工作臺布局圖 為了減輕數(shù)控雕刻機機床移動部件的質(zhì)量，機床工作臺的材質(zhì)選用鋁合金，輕便牢固，易于加工，而且鋁的材料特性較好，不易生銹，提高了機床使用的可靠性。所以機床的工作臺將不能與滾珠絲杠的滑塊和導(dǎo)軌底座直接連接，之間需有一塊 X向的滑板作為引導(dǎo)，來固定機床工作臺。 正因為采用了以上一系列措施，本次設(shè)計的數(shù)控雕刻機機床的最大優(yōu)點是可以對比較細(xì)小、輕 便的零件進(jìn)行加工，而且加工精度較高，對軟金屬可進(jìn)行高速切削加工 。 圖（ a） 改進(jìn)前橫梁導(dǎo)軌布局 圖（ b） 改進(jìn)后橫梁導(dǎo)軌布局 圖 橫梁導(dǎo)軌布局圖 定梁式數(shù)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 初步設(shè)計數(shù)控雕刻機的機械結(jié)構(gòu)布局如圖 。保證了對 X向工作 臺及兩邊立柱所需的剛性支撐作用，總體上使得機床的動態(tài)加工穩(wěn)定性得到了提高。因此本次設(shè)計機床的整體式床身底座由孕育鑄鐵鑄造加工而成。 機床工作臺和直線導(dǎo) 軌滑塊的相連處布置臺階 ，其 側(cè)面采用螺釘鎖定 ，這樣 X向就被鎖定了。 3）機床主軸在高 速運轉(zhuǎn)時 , 對于加工 進(jìn)給的速度快時 , 主軸刀具較容易斷掉 。 數(shù)控雕 刻 機結(jié)構(gòu)的改良對比 至于其它結(jié)構(gòu)方面，綜合比較以往雕刻機、雕銑機的有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)以往的一些結(jié)構(gòu)存在某些普遍問題，比如： 1）對于機床各方向上的加工精度不