【正文】 ： mm470 ； d) 主軸轉(zhuǎn)速范圍： mmr3000~30 ； e) 快速移動速度（ Z 軸）： min10m ； f) 進給速度（ Z軸）： min400~1 mm 。主軸組件的設計和制 造，都是圍繞著解決這個基本問題出發(fā)的。 13 2） 剛度 指主軸組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。設計時應在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應盡量提高。并且溫度過高會改變軸承等元件的間隙、破壞潤滑條件，加速磨損。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。但是在設計時仍應綜合考慮以上幾項要求，注意吸收新技術，以獲得滿意的設計方案。顯然，若要保證主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，則必然對主軸支承軸頸的圓度、軸承滾道及滾子的圓度、主軸及其上的回轉(zhuǎn)零件的動平衡度、 14 止推軸承的滾道及滾動體的誤差、以及對主軸的主要定心面的徑向跳動和軸向竄動等提出較高的整體要求，特別要提高支承軸承的精度等級。 而對于主軸組件的剛度，實際上是主軸、軸承、軸承座等加工設計的綜合反映。為了保證機床的主軸具有足夠的剛度，通常應盡量使主軸前端的懸伸量縮短，主軸直徑增大，并通過計算求出支承軸承間的最佳跨距、進行預緊、采用合理的軸承及其相應的配置形式等措施 [6]。所以，在設計的時候，要綜合各項因素考慮。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機構(gòu)是自動刀具交換裝置的組成部分。 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用普遍，類型較多，適應性廣。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動，少數(shù)為有級變速傳動。 同步帶是嚙合傳動中唯一 一種 不需要潤滑的傳動方式。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設計制造，它在遠距離、多軸傳動時比較經(jīng)濟。 同步帶傳動的優(yōu)點是 [9]： a) 無滑動，能保證固定的傳動比； b) 預緊力較小，軸和軸承上所受的載荷??； c) 帶的厚度小，單位長度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高； d) 帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可 以較小。 由于齒輪傳動需要具備較多的潤滑條件，而且為了使主軸能夠達到一 16 定的旋轉(zhuǎn)精度，必須選擇較好的工作環(huán)境，以防止外界雜物侵入。 主軸進給機構(gòu) 對于主軸的進給機構(gòu)，機床通常被設計為進給電動機與絲杠直接傳動的形式。 螺旋傳動按摩擦狀態(tài)通常分為滑動螺旋，滾動螺旋，滾滑螺旋以及液壓螺旋。 表 滑動螺旋、滾動螺旋的特點與應用場合 滑動螺旋 滾動螺旋 結(jié)構(gòu)示意圖 使用性能 (1) 摩擦系數(shù)大 ，傳動效率低， 約%40~%30 ； (1) 摩擦系數(shù)很低，傳動效率高達%99 ； (2) 低速運行時有爬行或振動； (2) 低速運行時無爬行、振動； (3) 磨損大，使用壽命較短； (3) 耐磨性好，磨損極??； (4) 運轉(zhuǎn)時無噪聲。 結(jié)構(gòu)工藝性 結(jié)構(gòu)簡單，加工及安裝精度要求較低。 成 本 較低。 17 應用場合 適用于中、高速的輕、中、重載荷，如一般機床的進給機構(gòu)。 由于本課題中絲杠用于主軸垂直方向的進給，所以對于高低速時運行的穩(wěn)定性要求較高。 主軸準停機構(gòu) 主軸準停裝置是換刀過程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準停機構(gòu)。 加工中心的主軸定向裝置有機械方式和電氣方式 (如磁力傳感器檢測定向 )兩種。另一延時繼電 器延時 ～ ，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當定向活塞上的定向滾輪 5頂入定位盤的 V形槽內(nèi)時，行程開關 LS2 發(fā)出信號，主軸準停完成。當活塞桿向右移到位時，行程開關 LS1發(fā)出定向滾輪 5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。 19 圖 電氣式主軸準停 在主軸上安裝一個發(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 處固定一個磁傳感器，磁傳感器經(jīng)過放大器與主軸控制單元連接，當主軸需要定向時，便可停止在調(diào)整好的位置上。這種準停裝置機械結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)磁體與磁感傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達 ??1 ，能滿足一般換刀要求。發(fā)磁體可安裝在 一個圓盤的邊緣，但這對較精密的、高轉(zhuǎn)速加工中心主軸來說，由于需要較高的動平衡指標，就不十分有利。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 [12]。 刀具自動夾緊機構(gòu) 在自動交換刀具時要求能自動松開和夾緊刀具。 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。待機械手將新刀裝入后，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重新進入套筒 14，將刀柄拉緊。 21 圖 數(shù)控鏜銑床主軸組件機構(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 22 (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 所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)以及圖 所示的鋼球拉緊機構(gòu)。而在拉桿處則采用 鋼球拉緊機構(gòu)， 因為 其加工簡單，并可以有效的拉緊刀桿 。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，錐孔表面和刀桿錐柄會被劃傷，甚至會使刀桿發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至會使零件超差報廢。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合 23 理的噴射角度，并均勻布置 [10]。 伺服驅(qū)動系統(tǒng)方案的確定 控制用電動機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 控制用旋轉(zhuǎn)電動機按其工作原理可分為旋轉(zhuǎn)磁場型和旋轉(zhuǎn)電樞型。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。由于其轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，所以對于本課題所需的控制電動機而言，步進電動機很難精確地確保主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，故不適合。它具有較高的響應速度、精度和頻 率，優(yōu)良的控制特性等優(yōu)點。所以不太適合用于主軸的主電機，但是可以用于進給電動機。雖然在價格上交流伺服電動機較貴，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流電動機的地位。 各種伺服電動機的特點及應用舉例見表 。 NC 機械、機器人、計算機外圍設備、辦公機械、音響和音像設備、計測機械等 AC 伺服電動機 1. 具有 DC伺服電動機的全部優(yōu)點； 2. 對定于電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制； 3. 具有良好的性價比； 4. 堅固耐用免維修。 計算機外圍設備、辦公機械、數(shù)控裝置 加工中心主軸組件總體設計方案的確定 綜合 ， 節(jié)中的方案，本課題 的總體設計方案現(xiàn)確定如下： 由于同步帶無滑動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，允許的線速度較高，無需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動。 25 在主軸的進給運動中，采用滾珠絲杠。 由于加工中心具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應有主軸準停裝置、刀具自動夾緊機構(gòu)以及切屑清除機構(gòu)。 在換刀過程中，刀具自動夾緊機構(gòu)也是不可獲缺的一部分。本課題采用了液壓缸運行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\動來達到刀桿的松緊目的。同時，在換刀過程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。使刀桿和主 軸始終具有很好的配合精度。由于交流伺服電動機具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運動系統(tǒng)中。 26 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； 9—— 壓縮空氣管接頭； 11—— 彈簧； 12—— 鋼球； 13—— 端面鍵 27 3 主軸組件的主運動部件 主軸電動機的選用 主電機功率估算 (1) 計算主銑削力 切F 經(jīng)驗公式 [6]：ZFefp KZdaaaF ??????? ? ……………………… （ ） 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] m i n150m i n1000 m a xm i nm a x mmmmnDV ??????? ? (2) 主電機功率估算 [6] 28 銑削功率 kWkWVFPm 000 15020 4660 000 m a x ????? 切 主電機功率 kWkWPPmmE 5 ???? ? 式中： m? —— 機床主傳動系統(tǒng)傳動效率。 FANUC交流主軸電機 S 系列從 ～ 37kW共分 13種。該系列可應用在各種類型的數(shù)控機床上。其主要技術參數(shù)如下： a) 額定輸出功率： ； b) 最高速度： min/6000r ； c) 額定輸出轉(zhuǎn)矩： mN? ； d) 轉(zhuǎn)子慣量： smN ?? 。 29 圖 主軸主要參數(shù)示意圖 主軸軸徑的確定 主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。但加大直徑受到軸承 dn 值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。加工中心主軸前軸頸直徑 1D 按主電動機功率來確定，由表 [2]查得 mmD 851 ? 。在確定前軸徑 1D 后，由式 [2]可知前軸頸直徑 1D 和后軸頸直徑 2D 有如下關系： mmmmDD 12 ????? 主軸內(nèi)孔直徑 d 的確定 主軸內(nèi)孔直徑與機床類型有關，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。 由經(jīng)驗得知，當 ?Dd時（ D 是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當 ?Dd時，內(nèi)孔 d 對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計，所以常取孔徑 d 的極限值 maxd 為： mmmmDd a x ????? 此時，剛度削弱小于 %25 。 主軸端部形狀的選擇 機床主軸的軸端一般 用于安裝刀具、夾持工件或夾具。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標準化。 圖 銑床主軸的軸端形式 31 主軸懸伸量 a 的確定 主軸懸伸量 a 是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支承中點）的距離。 懸伸量 a 值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。 主軸支承跨距 l 的確定 支承跨距 l 是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。其推導公式是在靜態(tài)力作用下進行的。 最優(yōu)跨距 0l 可按下列公式計算 [6]： ? ? ????? Kl ? …………………………………… （ ） 式中： 312116kkkEI ???????? ??? ……………………………………………… （ ） ???????? ??211 kkaK ? …………………………………………………… （ ） 式中： a —— 主軸前端懸伸長， 單位為 cm ； 32 E —— 材料的彈性模量， 單位為 2cmN ； I —— 軸慣性矩， 單位為 4cm ； 1k —— 前軸承剛度值， 單位為 cmN ； 2k —— 后軸承剛度值， 單位為 cmN 。 mmDDl 82?? mmmmL ldd iil 43600 2485218026323144429656 ????????????? ? 由式（ ）得： 4205cmI ? ；由 參考文獻 [6]中圖 確定mNk 9001 ? ， mNk 7302 ? ；由主軸材料為 40Cr 查得材料的彈性模量 cmNG P aE ??? ；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長 mma 79? 將上述參數(shù)值代入公式 ()()，得 cm862?? ， 49?K 將 ? ， K 值代入公式（ ），得 mml 6861