【正文】 ? ?222214 2caMTMTW W W??????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??????????（ 37） 式中： ca? —— 軸的計(jì)算應(yīng)力， MPa ； W —— 軸的抗彎截面系數(shù)， 3mm ； ? —— 折合系數(shù)； ? ?1?? —— 軸的許用彎曲應(yīng)力， MPa ； 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 T —— 軸所受的扭矩，單位為 mmN? ； M —— 軸所受的彎矩，單位為 mmN? 。因此，這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。所以，大帶輪的輸出功率為： )( kWPP ????? ?小大 則大帶輪的輸出轉(zhuǎn)矩為： )( 5095 50 2 mNnPT ?????? 大 軸的轉(zhuǎn)矩圖見圖 。 AB 段彎矩： 水平面： 0?ABXM 垂直面： 0?ABYM 合成： 022 ??? ABYABXAB MMM BC 段彎矩： 水平面： )( 3 mNFFM HrB C XB C X ??????? 垂直面： )( 0 03 5 3 3 mNFFM VrB C YB C Y ??????? 合成： )( 3 1 6 2222 mNMMM B C YB C XBC ?????? 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 CD 段彎矩： 水平面： )( 4 51 0 03 5 34 3 6 32 mNFFFM HrHrC D XC D X ????????? 垂直面： )( 0 03 5 34 3 6 32 mNFFFM HrVrC D YC D Y ????????? 合成： )( 5 4 5 2222 mNMMM C DYC DXCD ?????? DE 段彎矩： 水平面： )(0 0 0 4 0 04 3 63 5 35 1 5 312 mNFFFFM HrHrHrDE XDE X ?????????? 垂直面： )(0 0 1 3 0 04 3 63 5 35 1 5 312 mNFFFFM VrVrVrDE YDE Y ?????????? 合成： )(0 0 1 0 1 3 0 0 4 2222 mNMMM DE YDE XDE ?????? 軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖 、 f、 g。 (h)轉(zhuǎn)矩圖 (e)垂直面受力 (f)垂直面彎矩圖 由公式（ ）得 4205cmI ? 。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求 0?B? 。 由公式（ ）得出切向銑削力 NF 2046?切 徑向負(fù)荷 [22] NNFF r 1 62 0 4 ????? 切 切向負(fù)荷 [22] NNFF t 8 4 12 0 4 ????? 切 軸向負(fù)荷 [22] NNFF a 0 7 42 0 4 ????? 切 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 靜不定梁鉛垂面分解圖 由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。 (a) (b) (c) 圖 軸承受力圖 主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承形式。計(jì)算時(shí)，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。 由于 mmlmml 6 8 6 1 53 3 6 0 ??? ，故滿足設(shè)計(jì)要求 。 按上式計(jì)算最優(yōu)跨距 0l ，計(jì) 算過程如下： ? ?4464 ll dDI ?? ? ???????????????????? （ 35） 式中： lD —— 主軸跨距部分的平均直徑， 單位為 mm ； ld —— 主軸跨距部分的平均孔頸， 單位為 mm 。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 得的最優(yōu)值。 最優(yōu)跨距 0l 是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距?？缇?l 是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。因此，確定懸伸量 a 的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減 a 值。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。 圖 所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照 JB232478 進(jìn)行加工，選擇主軸序號(hào)為 50 的主軸端部尺寸。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 按照任務(wù)書的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑mmd 52? 。確定孔徑 d 的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。 由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。 設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑 1D 。加大直徑 D ，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 額定輸出功率： ； 最高速度： min/6000r ； 額定輸出轉(zhuǎn)矩： mN? ； 主軸 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑 1D ；主軸內(nèi)孔徑 d ；主軸懸伸量 a 和主軸支承跨 距 l ，見圖 。該系列可應(yīng)用在各種類型的數(shù)控機(jī)床上。 FANUC 交流主軸電機(jī) S 系列從 ～ 37kW 共分 13 種。 圖 所示為本課題主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖 1—— 刀架； 2—— 拉釘； 3—— 主軸； 4—— 拉桿； 5—— 碟形彈簧； 6—— 活 塞； 7—— 液壓缸； 10—— 行程開關(guān)； 9—— 壓縮空氣管接頭； 11—— 彈簧； 12—— 鋼球； 13—— 端面鍵 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 主軸組件的主運(yùn)動(dòng)部件 主軸電動(dòng)機(jī)的選用 主電機(jī)功率估算 1) 計(jì)算主銑削力 切F 經(jīng)驗(yàn)公式 ：ZFefp KZdaaaF ??????? ? ????????? （ 31） 式中 ： 切F —— 銑削力，即主切削力（切向圓周分力）， N pa —— 銑削深度， mm fa —— 每齒進(jìn)給量， zmm ea —— 銑削寬度 ， mm 0d —— 銑刀直徑 ， mm Z —— 銑刀齒數(shù) ZFK—— 銑削力修正系 數(shù) ，ZZZZ KFFmFF KKKK ??? ? b? —— 工件材料抗拉強(qiáng)度， GPa 已知：高速鋼刀具；刀具前角 ??150? ； 主偏角 ??60?K ； 工件材料為275 mmkgfb ?? 碳鋼；每齒進(jìn)給量 zmmaf ? ； 刀具直徑為 mm16 ， 齒數(shù) 8?Z ；工件寬度 mmae 12? ， 切削深度 mmap 3? 將上述各條件代入公式（ ），則主切削力為 ZFefp KZdaaaF ??????? ? ???????? ???????????? N2046? 切削速度 [6] min150min1000 m a xm i nm a x mmmmnDV ??????? ? 2) 主電機(jī)功率估算 [6] 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 銑削功率 kWkWVFPm 000 15020 4660 000 m a x ????? 切 主電機(jī)功率 kWkWPPmmE 5 ???? ? 式中： m? —— 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。 在伺服系統(tǒng)中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。同時(shí)，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸 的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測定向，其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測到主蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無爬行、無振動(dòng)，能夠很好地確保 Z 軸的進(jìn)給精度。但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴(yán)格的要求。 NC 機(jī)械、機(jī)器人等 步 進(jìn) 電 動(dòng)機(jī) 1. 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制； 2. 工作狀態(tài)不受干擾； 3. 步距 角有誤差； 4. 高速易失步，低速易振蕩 。 表 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例 [19] 種類 主要特點(diǎn) 應(yīng)用實(shí)例 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 DC 伺服電動(dòng)機(jī) 1. 高響應(yīng)特性； 2. 高功率密度（體積小、重量輕）； 3. 可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制； 4. 接觸換向部件（電刷與換向器）需要維護(hù)； 5. 不能高速大扭矩工作 。故在本課題的主電機(jī)選用中選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。 由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，并且其不具備電刷和換向器，不需要定期維修。但是由于使用電刷和換向器，故壽命較低，需要定期維修。 直流伺服電動(dòng)機(jī)通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動(dòng)勢和電樞電流磁動(dòng)勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。前者有同步電動(dòng)機(jī)（永磁）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（永磁）；后者有直流電動(dòng)機(jī)（永磁） 、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（按矢量控制等效模型），具體地可細(xì)分為： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。由于其可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確地控制，因而在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻布置。如果主軸錐孔中落入了切屑，灰塵或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，錐孔表面和刀桿錐柄會(huì)被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿 的正確定位，影響零件的加工精度，甚至?xí)沽慵顖?bào)廢。而在拉桿處則采用 鋼球拉緊機(jī)構(gòu)，因?yàn)?其加工簡單，并可以有效的拉緊刀桿 。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 數(shù)控鏜銑床主軸組件機(jī)構(gòu)示意圖 1—— 調(diào)整半環(huán)； 2—— 雙列園柱滾子軸承； 3—— 向心球軸承； 4， 9—— 調(diào)整環(huán)； 5—— 雙瓣卡爪； 6—— 彈簧； 7—— 拉桿； 8—— 向心推力球軸承； 10—— 油缸； 11—— 碟形彈簧； 12—— 活塞； 13—— 噴氣頭； 14—— 套筒 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (a) (b) 圖 刀柄拉緊結(jié)構(gòu) 刀桿尾部的拉緊結(jié)構(gòu)，除上述的卡爪式以外，還有圖 結(jié)構(gòu)以及圖 所示的鋼球拉緊機(jī)構(gòu)。待機(jī)械手將新刀裝入后，油缸 10 的下腔通入壓力油，活塞 12 向上移，碟形彈簧伸長將拉桿 7 和雙瓣 5 拉著向上，雙瓣卡爪 5 重新進(jìn)入套筒 14，將刀柄拉緊。 碟形彈簧 11 通過拉桿 7，雙瓣卡爪 5，在套筒 14的作用下，將刀柄的尾端拉緊。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 在自動(dòng)交換刀具時(shí)要求能自動(dòng)松開和夾緊刀具。在各種加工中心上采用什么形式的主軸定向裝置，要根據(jù)各自的約束條件來選擇。發(fā)磁體可安裝在一個(gè)圓盤的邊緣，但這對較精密的、高轉(zhuǎn)速加工中心主軸來說，由于需要較高的動(dòng)平衡指標(biāo)，就不十分有利。這種 準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá) ??1 ，能滿足一般換刀要求。 在主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡mm2~1 處固定一個(gè)磁傳感器，磁傳感器經(jīng)過放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。 當(dāng)活塞桿向右移到位時(shí)，行程開關(guān) LS1 發(fā)出定向滾輪 5 退出凸輪定位盤凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)工作。另一延時(shí)繼電器延時(shí) ～ 后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪 5 頂入定位盤的 V 形槽內(nèi)時(shí)，行程開關(guān) LS2 發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。 加工中心的主軸定向裝置有機(jī)械方式和電氣方式 (如磁力傳感器檢測定向 )。 主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu) 主軸準(zhǔn)停裝置是換刀過程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。 由于本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進(jìn)給，所以對于高低速時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求較高。 應(yīng)用場合 適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機(jī)床的進(jìn)給 機(jī)構(gòu)。 成 本 較低。 結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，加工及安裝精度要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及安裝精度要求較高。 表 滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋的特點(diǎn)與應(yīng)用場合 滑動(dòng)螺旋 滾動(dòng)螺旋 結(jié)構(gòu)示意圖 使用性能 (1) 摩擦系數(shù)大，傳動(dòng)效率低，約 %40~%30 ； (1) 摩擦系數(shù)很低，傳動(dòng)效率高達(dá) %99 ； (2) 低 速 運(yùn) 行 時(shí) 有 爬行 或 振動(dòng)； (2) 低速運(yùn)行時(shí)無爬行、振動(dòng)；