【正文】 l 主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是主軸部件的結(jié)構(gòu)，主。為減少設(shè)計(jì)量，此部分原機(jī)床主軸箱體的結(jié)構(gòu)決定。因此最佳跨距k為使因主軸彎曲變形和支承變形引起主軸前軸端的總位移量為最小的距離。主軸主要支承跨距L的確定圖24 主軸合理確定主軸主要支承問(wèn)的跨距L，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。為不過(guò)多地削弱主軸的剛度，銑庫(kù)主軸孔徑d比刀具拉桿直徑大5～10，選26mm。根據(jù)功率12KW，選Dl范圍為5090mm，初選Dl為55mm。這些參數(shù)直接影響主軸旋轉(zhuǎn)精度和主軸剛度。齒輪間距取l=80mm。圓柱齒輪的實(shí)用齒寬，在按照b=φdd1計(jì)算后再做適當(dāng)圓整，而且常將小齒輪的齒寬在圓整值的基礎(chǔ)上，減小510mm，即得到大齒輪的齒寬，以防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯(cuò)位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大輪齒單位齒寬的工作載荷。選擇軸承的代號(hào)為6307；經(jīng)過(guò)軸承壽命的演算，該軸承滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該軸不受軸向力，所以選擇深溝球軸承。圓柱齒輪的實(shí)用齒寬，在按照b=φdd1計(jì)算后再做適當(dāng)圓整，而且常將小齒輪的齒寬在圓整值的基礎(chǔ)上，減小510mm，即得到大齒輪的齒寬，以防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯(cuò)位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大輪齒單位齒寬的工作載荷。選擇軸承的代號(hào)為6307；經(jīng)過(guò)軸承壽命的演算，該軸承滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該軸不受軸向力，所以選擇深溝球軸承。應(yīng)該注意這樣求得直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。應(yīng)該注意這樣求得直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。該軸上有滑移齒輪，有二個(gè)鍵槽，所以軸的最小直徑dmin：dmin=（）=取dmin=30mm。(9) 設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比計(jì)算結(jié)果，又齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，=2mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=，由公式可知分度圓的直徑d=227=54mm由于d=54mmd1=；所以選取模數(shù)：m=3，則d=327=81mm 所以無(wú)極電動(dòng)機(jī)上的齒輪的模數(shù)為m=3；(7) 各軸參數(shù)的確定1) 軸I參數(shù)的確定由以上所述，軸I上所受到得扭矩T1軸I的計(jì)算轉(zhuǎn)速為n1=；選擇軸的材料為45鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）表153可知，其[τT]=2545MPa軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件：τT=由上式可得軸I的直徑應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)該增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱，對(duì)于直徑d100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大3%，有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大7%，對(duì)于直徑小于d100mm時(shí)，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增加5%7%，有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%15%，然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。(7) 由表106查的材料的彈性影響系數(shù)。(5) 由表107選取吃寬系數(shù)φd=1。(8) 由傳動(dòng)比知，軸I的計(jì)算轉(zhuǎn)速n1=(9) 由式1013計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh==N2=109(10) 由圖1019取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=；KHN2=(11) 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由（1012）得：[σH]1=[σH]2=(12) 試算小齒輪分度圓d1，代入[σH]中較小的值(13）計(jì)算圓周速度v(14）計(jì)算齒寬b(15) 計(jì)算齒寬與齒高之比模數(shù)齒高(16) 計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=，7級(jí)精度，由圖108查的動(dòng)載荷系數(shù)Kv=；直齒輪，KHα=KFα=1；由表102查得使用系數(shù)KA=；由104用插值法查的7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)KHβ=由，KHβ==；故載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ==(17) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（1010a）得(18) 計(jì)算模數(shù)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1) 由式（105）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為(2) 由圖1020c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE1=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE2=380MPa；(3) 由圖1018取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=，KFN2=；(4) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=，由式（1012）得[σF]1=[σF]2=(5) 計(jì)算載荷系數(shù)K故載荷系數(shù)K=KAKVKFαKFβ==(6) 查齒形系數(shù)由表105查得YFa1=；YFa2=(7) 查取齒形系數(shù)由表105查得YSa1=；Ysa2=(8) 計(jì)算大小齒輪的并加以比較大齒輪的數(shù)值大。(6) 由表1021d按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550MPa。(6) 設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比計(jì)算結(jié)果，又齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，=，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=，由公式可知分度圓的直徑d=24=60mm由于d=60mmd1=；所以選取模數(shù)：m=3，則d=324=72mm 所以第一變速組的齒輪的模數(shù)為m=3；(二)第二變速組齒輪模數(shù)的確定按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由傳動(dòng)比知，軸II的計(jì)算轉(zhuǎn)速n2=(1) 小齒輪齒數(shù)z1=18；大齒輪齒數(shù)z2=81；(2) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩根據(jù)機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)，表21可知，取η=，電動(dòng)機(jī)功率Pd為12KW，則II軸上所傳遞的扭矩為T(mén)1：(3）由機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）可知：載荷系數(shù)K=KAKVKαKβ初選載荷系數(shù)：Kt=(4) 由表101選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。由表106查的材料的彈性影響系數(shù)。由表107選取吃寬系數(shù)φd=1。最小齒輪齒數(shù)發(fā)生在ib1中，取K=9； 又因?yàn)樗? 圖21 無(wú)極傳動(dòng)系統(tǒng)圖無(wú)極電動(dòng)機(jī)到軸I的傳動(dòng)比為，考慮到各軸之間的距離和齒輪直徑的大小，選擇無(wú)極電動(dòng)機(jī)軸上的齒輪齒數(shù)為27，與之相配合的齒輪齒數(shù)為45；該無(wú)極變速系統(tǒng)的傳動(dòng)圖如圖21所示；(6) 齒輪模數(shù)的確定（一）第一變速組的齒輪模數(shù)的確定按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)小齒輪齒數(shù)z1=24；大齒輪齒數(shù)z2=60。計(jì)算如下：1） 第一變速組的齒輪齒數(shù)的確定： S01=7 S02=2 S01，S02的最小公倍數(shù)為14，即S0=14，則Sz=14k。設(shè)Sz=kS0，k為整數(shù)系數(shù)。=Szj，則傳動(dòng)比ij為式中，aj、bj為互質(zhì)數(shù)，設(shè) 由于zj是整數(shù)，Szj必定能被S0j所整除；如果各傳動(dòng)副的齒數(shù)和皆為Sz，則Sz能被S01，S02，S03所整除，換言之，Sz是S01，S02，S03的公倍數(shù)。(5) 齒輪齒數(shù)的確定在一個(gè)變速組中，主動(dòng)齒輪的齒數(shù)用Zj表示，從動(dòng)齒輪的齒數(shù)用Zj39。每段的無(wú)極變速范圍。區(qū)域II為恒功率變速范圍，有四段部分重合的無(wú)極轉(zhuǎn)速，分別是209~250r/min，572~655r/min，1500~1717r/min。設(shè)計(jì)無(wú)極變速系統(tǒng)時(shí)，主軸的變速范圍一定，可用如下關(guān)系式得到至少需要串聯(lián)的變速組數(shù)。即串聯(lián)的分機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的公比等于電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍時(shí)，輸出的無(wú)極變速范圍最大。如圖215所示。查《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》表313取d0=27mm；ae=4mm；z=4；ap=30mmfz= mm，n取r/min，其中xF=；yF=；uF=；WF=0；qF=；加工碳鋼時(shí)，σb=673MPa修正系數(shù)由《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》314得：則利用圓柱銑刀進(jìn)行逆銑時(shí)，工作臺(tái)的工作載荷：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷：Fl=(1～)Fz工作臺(tái)垂向進(jìn)給方向載荷：Fv=(～)Fz工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷：Fc=(～)Fz各系數(shù)分別取中間值，則：Fl===4803NFv===1092NFC===1637N由此可以算出周向銑削力:(2) 初選交流調(diào)速主軸電動(dòng)機(jī)的功率nd為主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度，即電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù),為1500r/min。 分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì)(1) 銑削力的計(jì)算：根據(jù)《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》，對(duì)高速鋼圓柱銑刀，切削力的計(jì)算公式： （24）式中：C系數(shù)，值取決于切削條件和工作材料，當(dāng)工件為碳鋼時(shí)，查《簡(jiǎn)明銑工手冊(cè)》表313，取CFZ=65ap銑削寬度(銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量)ae背吃刀量z銑刀齒數(shù)d0銑刀直徑n銑刀轉(zhuǎn)數(shù)XF、YF、uF和WF，——公式中各個(gè)系數(shù)的指數(shù)。其功率轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖2．15所示。所以對(duì)X5032銑床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)選擇交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榻涣髡{(diào)速電動(dòng)機(jī)體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)貫量小、動(dòng)態(tài)相應(yīng)快，沒(méi)有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。 主軸電機(jī)的選擇主軸電動(dòng)機(jī)是數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一，它的選擇涉及到主傳動(dòng)系統(tǒng)的變速方式。2) 調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，但是主軸轉(zhuǎn)數(shù)的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動(dòng)機(jī)的輸出特性完全一致，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響大，因而也不適于本改造。為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有三種變速方式：1) 一級(jí)帶傳動(dòng)變速方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、高速帶以及各種非線性傳動(dòng)部件等。主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算包括主傳動(dòng)的變速方式的選擇，主軸電機(jī)的選擇及分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括主軸部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。為此在設(shè)計(jì)中，常提出無(wú)間隙，低摩擦．低慣量，高剛度，高諧振頻率，適當(dāng)?shù)淖枘岜纫蟆?3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)在機(jī)床數(shù)控化改造中，很重要的工作之一便是進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)，這里所提到的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求有較高的定位精度外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，就是說(shuō)響應(yīng)要快。插補(bǔ)程序根據(jù)零件輪廓要求向各個(gè)坐標(biāo)軸分配脈沖，提供位置指令。步進(jìn)電機(jī)是拖動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件。在方向指令的作用下，脈沖分配器將輸入CP脈沖信號(hào)按一定順序分配，然后送到驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)子按順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。在CNC系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率，對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)行各種運(yùn)行狀態(tài)的控制。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖25 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖如圖25是步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理框圖，它由脈沖信號(hào)源、脈沖分配器、功率放大器、步進(jìn)電機(jī)組成。其中n轉(zhuǎn)速(r/min)；f控制脈沖頻率(Hz)；步距角(度數(shù))。(2) 步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格的成正比例，控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)就能控制位移量。步進(jìn)電機(jī)的工作原理(1) 步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每換接一次通電相序，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就沿某旋向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度即步距角。 步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)是典型的開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)裝置，與所選定的WA21M數(shù)控系統(tǒng)相匹配，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。如圖24所示。(3) 半閉環(huán)控制形式半閉環(huán)控制沒(méi)有直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，原因是檢測(cè)元件安裝在電機(jī)的端頭或絲杠的端頭，閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠螺母副工作，所以可獲得較穩(wěn)定的控制特性。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖(2) 閉環(huán)控制形式安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件將工作臺(tái)的實(shí)際位移量反饋到計(jì)算機(jī)中，與所要求的位移量相比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止，從而使精度大大提高，如圖23所示。改變進(jìn)給脈沖數(shù)目和頻率，可以控制工作臺(tái)的移動(dòng)量和速度。開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要使用步進(jìn)電機(jī)。 數(shù)控機(jī)床控制方式選擇 位置控制方式分類(lèi)伺服系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，是數(shù)控裝置與機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，位置控制按其結(jié)構(gòu)分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。并反饋到計(jì)算機(jī)中，使計(jì)算機(jī)隨時(shí)判斷機(jī)床的實(shí)際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應(yīng)指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。 數(shù)控機(jī)床的工作原理在使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，把零件的加工信息(如零件尺寸、形狀和技術(shù)條件)編出工件加工程序，將加工工件時(shí)刀具相對(duì)于工件的位置和機(jī)床全部動(dòng)作順序，按規(guī)定格式和代碼記錄在信息載體上；把信息載體(控制介質(zhì))即工件加工程序輸入計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置；控裝置接收由穿孔帶、閱讀機(jī)、磁盤(pán)、鍵盤(pán)等送入的代碼信息，經(jīng)過(guò)識(shí)別與譯碼之后送到指定存儲(chǔ)區(qū)，作為控制與運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)把來(lái)自數(shù)控裝置的運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)按規(guī)定軌跡移動(dòng)或定位，加工出符合圖樣要求的工件；輔助裝置把計(jì)算機(jī)送來(lái)的輔助控制指令，經(jīng)機(jī)床接口電路轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電信號(hào)，用來(lái)控制機(jī)床主軸電機(jī)的啟動(dòng)停車(chē)，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整，冷卻泵啟停以及轉(zhuǎn)位換刀；反饋系統(tǒng)將機(jī)床移動(dòng)的實(shí)際位置，速度參數(shù)檢測(cè)出來(lái)。數(shù)控裝置由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器及一套處理數(shù)控加工的相關(guān)軟件、運(yùn)算器和輸出裝置組成?？刂平橘|(zhì)可以是穿孔紙帶，磁帶、磁盤(pán)或其他可存儲(chǔ)物質(zhì)。(1) 控制介質(zhì)(信息載體)數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，為了得到圖樣上所規(guī)定的零件形狀和加工精度，在加工過(guò)程中，機(jī)床所需要的全部操作動(dòng)作和刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，都是由我們按著一定的要求和順序編成控制指令即加工程序，并把它存放在一種存儲(chǔ)物上。 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床通常由程序載體(控制介質(zhì))、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機(jī)床本體組成，如圖21所示。國(guó)際信息處聯(lián)盟(International Federation of Information Processing，IFIP)第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)