1、键入文字1安徽广播电视大学毕业设计2013年11月1日设计题立式加工中心主轴组件设计学生姓名学号1134001250723专业班级机械设计及其自动化指导教师键入文字2目录摘要1ABSTRACT2引言41概述511加工中心的发展状况5111加工中心的国内外发展5112主轴部件的研究进展612课题的目的及内容713课题拟解决的关键问题814解决上述问题的策略92方案拟定1021加工中心主轴组件的组成1022机械系统方案的确定10221主轴传动机构10222主轴进给机构12223主轴准停机构13224刀具自动夹紧机构15225切屑清除机构1723伺服驱动系统方案的确定18键入文字324加工中心主轴组
2、件总体设计方案的确定193主轴组件的主运动部件2231主轴电动机的选用22311主电机功率估算22312主电机选型2332主轴23321主轴的结构设计23322主轴受力分析27323主轴的强度校核32324主轴的刚度校核3333主轴组件的支承34331主轴轴承的类型34332主轴轴承的配置37333主轴轴承的预紧38334主轴支承方案的确定41335轴承的配合41336主轴轴承设计计算4234同步带的设计计算4435主轴组件的润滑与密封48351主轴组件的润滑48352主轴组件的密封49353本课题的润滑与密封方案的确定51键入文字436键的设计计算52361主轴上的键52362主电机上的键5
3、337液压缸的设计计算544主轴组件的进给运动部件5541进给电动机的选用55411进给电动机功率的估算55412进给电动机的选用5642联轴器的设计计算5743垂直方向伺服进给系统的设计计算57431切削力估算57432滚珠丝杠副的设计计算585结论65小结68参考文献70附录72译文73键入文字5摘要加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等
4、。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。关键词主轴组件，加工中心，数控机床键入文字6SPIN
5、DLEUNITDESIGNOFVERTICALMACHININGCENTERABSTRACTMACHININGCENTEREVOLVEDFROMTHENEEDTOBEABLETOPERFORMAVARIETYOFOPERATIONSANDMACHININGSEQUENCESONAWORKPIECEONASINGLEMACHINEINONESETUPMACHININGCENTERREQUIRESLITTLEOPERATORINTERVENTION,ANDONCETHEMACHINEHASBEENSETUP,ITWILLMACHINEWITHOUTSTOPPINGUNTILTHEENDOFTHEP
6、ROGRAMISREACHEDSOMEOFTHEOTHERADVANTAGESTHATMACHININGCENTERSGIVEAMANUFACTURINGSHOPAREGREATERMACHINEUPTIME,INCREASEDPRODUCTIVITY,MAXIMUMPARTACCURACY,REDUCEDSCRAP,LESSINSPECTIONTIME,LOWERTOOLINGCOSTS,LESSINVENTORYANDSOONBECAUSEOFTHEIRMANYADVANTAGES,MACHININGCENTERSBECOMEWIDELYACCEPTEDBYMANUFACTURINGENT
7、ERPRISESINTHEWORLDMACHININGCENTERSAREEQUIPPEDWITHSPINDLEUNITS,ROTARYWORKBENCH,MOVINGWORKBENCH,TOOLMAGAZINESANDAUTOMATICTOOLCHANGERS,ANDOTHERMECHANICALFUNCTIONCOMPONENTSSPINDLEUNITISTHEIMPORTANTMOTIONPARTOFTHEMETALCUTTINGMACHINETOOLITSMOVEMENTBEHAVIORAFFECTSTHEMACHININGACCURACYANDSURFACEROUGHNESSOFPA
8、RTTOBEMACHINEDTHROUGHREFERRINGTOAVARIETYOFTECHNICALLITERATURES,THECHARACTERISTICSOFSOMEKINDSOF键入文字7SPINDLEUNITSARECOMPAREDWITHEACHOTHERBASEDONANALYSISANDRESEARCHWORKONDIFFERENTMACHININGCENTERSAREASONABLESCHEMECANBESTUDIEDOUTMEANWHILE,THEMECHANICALBEHAVIORSOFPRINCIPLEPARTSSUCHASTHESPINDLE,BEARINGSAND
9、LEADSCREWAREDISCUSSEDTHEIRRIGIDITYANDSTRENGTHARECALCULATEDANDEXAMINEDHEREMOREVER,AKINDOFADVANCEDCERAMICBEARINGSISINTRODUCEDINTOTHESPINDLEUNIT,WHICHCANEFFECTIVELYENHANCETHERIGIDITYOFSPINDLEUNITSTHEYWILLIMPROVETHERELIABILITYANDSTABILITYOFMACHININGCENTERSKEYWORDSSPINDLEUNIT，MACHININGCENTER，NCMACHINETOO
10、L键入文字8立式加工中心主轴组件的结构设计引言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国
11、实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，键入文字9国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之
12、，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1概述11加工中心的发展状况111加工中心的国内外发展对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在MIN/40M以上，最高已达到MIN/90M。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到MIN/10080M，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在MIN/2500012000R，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到MIN/100000R。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在S1左右，高的已达S50，甚
13、至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程MM1000以下，定位精度可控制在MM0100060之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公键入文字10司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在MIN/30M左右，个别达到MIN/60M。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在MIN/180006000R，定位精度控制在MM0
14、1500080之内，重复定位精度控制在MM0100050之内。在换刀速度方面，国内机床多在S54，无法与国际水平相比13。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。112主轴部件的研究进展键入文字11图11立式加工中心结构图1切削箱2X轴伺服电机3Z轴伺服电机4主轴电机5主轴箱6刀
15、库7数控柜8操纵面板9驱动电柜10工作台11滑座12立柱13床身14冷却水箱15间歇润滑油箱16机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成4。图11所示为立式加工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传
16、动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。12课题的目的及内容本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目键入文字12的子课题之一。加工中
17、心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有A主轴孔锥度247；B主轴孔直径52MM；C主轴箱行程（Z轴）MM470；D主轴转速范围MMR300030；E快速移动速度（Z轴）MIN10M；F进给速度（Z轴）MIN4001MM。13课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能
18、带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求61）旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗键入文字13糙度。2）刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。3）抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能
19、力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。4）温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。5）耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。14解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴、支承轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证
20、主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承键入文字14轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差、以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别要提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。而对于主轴组件的刚度，实际上是主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式背靠背、面对面、同向、混合等、数量、类型、预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬伸量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承
21、间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施6。采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。2方案拟定21加工中心主轴组件的组成主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动键入文字15刀
22、具交换装置的组成部分。22机械系统方案的确定221主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达SM200，效率可达990。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传
23、动时比较经济。同步带传动时的线速度可达SM50（有时允许达SM100），传动功率可达KW300，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达980。同步带传动的优点是9A无滑动，能保证固定的传动比；B预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；C带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；D带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格。键入文字16由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同
24、步带传动。222主轴进给机构对于主轴的进给机构，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所作的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比较，见表21。表21滑动螺旋、滚动螺旋的特点与应用场合滑动螺旋滚动螺旋结构示意图使用性能1摩擦系数大，传动效率低，约4030；1摩擦系数很低，传动效率高达99；2低速运行时有爬行或振动；2低速运行时无爬行、振动；3磨损大，使用寿命较短；3耐磨性好，磨损极小；4运转时无噪声。4高速运行有噪声。结构工艺性结构简单
25、，加工及安装精度要求较低。结构复杂，加工及安装精度要求较高。键入文字17成本较低。高，是滑动螺旋的32倍。应用场合适用于中、高速的轻、中、重载荷，如一般机床的进给机构。适用于高、中、低速的轻、中、重载荷，如数控、精密机床的进给机构。由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时运行的稳定性要求较高。故对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。223主轴准停机构主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置一个
26、凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在某一固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式如磁力传感器检测定向两种。图21机械式主轴准停装置键入文字181无触点开关；2感应块；3V形槽轮定位盘4定位液压缸；5定向滚轮；6定向活塞图21所示为V形槽轮定位盘准停装置，在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系，其工作原理为准停前主轴必须是处于停止状态，当接受到主轴准停指令后，主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作
27、，并延时46S，保证主轴转稳后接通无触电开关1的电源，当主轴转到图示位置即V形槽轮定位盘3上的感应块2与无触点开关1相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另一延时继电器延时0204S后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮5顶入定位盘的V形槽内时，行程开关LS2发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时1S后行程开关LS2仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞6后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关LS1发出定向滚轮5退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。目前常采用的电气方式有两种，一种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号；另一种是用磁力传感器
28、检测定向，其工作原理如图22。键入文字19图22电气式主轴准停在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹MM21处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到MIN/3500M以上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达1，能满足一般换刀要求。并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在一个圆盘的边缘，但这对较精密的、高转速加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另一种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘
29、，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择12。本课题采用电气式主轴准停装置，此方式避免了机械装置的复杂结构，只需要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。224刀具自动夹紧机构键入文字20在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图23示为数控镗铣床主轴组件机构示意图。碟形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压缩碟形弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡爪5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用
30、下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，碟形弹簧伸长将拉杆7和双瓣5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的两个极限位置都有相应的行程开关（LS1，LS2）作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。键入文字21图23数控镗铣床主轴组件机构示意图1调整半环；2双列园柱滚子轴承；3向心球轴承；4，9调整环；5双瓣卡爪；6弹簧；7拉杆；8向心推力球轴承；10油缸；11碟形弹簧；12活塞；13喷气头；14套筒键入文字22AB图24刀柄拉紧结构刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪式以外，还有图24A所示的弹簧
31、夹头结构以及图24B所示的钢球拉紧机构。在本课题中，刀具自动夹紧机构借用如图23的夹紧方式，采用气压缸夹紧方式，从而避免因油路堵塞等常见情况。而在拉杆处则采用钢球拉紧机构，因为其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆。225切屑清除机构自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑，灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆锥柄会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合键入文字23理的喷射角度，并均匀布置10。其工作原理图可
32、参考图23。23伺服驱动系统方案的确定控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确地控制，因而在各种机电一体化系统中得到了广泛的应用。控制用旋转电动机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。前者有同步电动机（永磁）、步进电动机（永磁）；后者有直流电动机（永磁）、感应电动机（按矢量控制等效模型），具体地可细分为步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。由于其转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉
33、冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，所以对于本课题所需的控制电动机而言，步进电动机很难精确地确保主轴组件的旋转精度，故不适合。直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。它具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。但是由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。所以不太适合用于主轴的主电机，但是可以用于进给电动机。由于交流伺服电动机具有直流伺服电动机的全部优点，并且其不具备电刷和换向器，不需要定期维修。虽然在价格上交流伺服电动机较贵，但是由于其性能可靠、精度好，所以正在逐步取代直流电动机的地位。故在键入文字24本课题的主
34、电机选用中选择交流伺服电动机。各种伺服电动机的特点及应用举例见表22。表22伺服电动机的特点及应用实例19种类主要特点应用实例DC伺服电动机1高响应特性；2高功率密度（体积小、重量轻）；3可实现高精度数字控制；4接触换向部件（电刷与换向器）需要维护；5不能高速大扭矩工作。NC机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响和音像设备、计测机械等AC伺服电动机1具有DC伺服电动机的全部优点；2对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制；3具有良好的性价比；4坚固耐用免维修。NC机械、机器人等步进电动机1转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；2工作状态不受干扰；3步距角有误差；4高速易失步，低速易振
35、荡。计算机外围设备、办公机械、数控装置24加工中心主轴组件总体设计方案的确定综合22，23节中的方案，本课题的总体设计方案现确定如下由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。键入文字25在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保Z轴的进给精度。由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停
36、止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流
37、伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于主运动系统中。图25所示为本课题主轴组件结构示意图。键入文字26图25主轴组件结构示意图1刀架；2拉钉；3主轴；4拉杆；5碟形弹簧；6活塞；7液压缸；8、10行程开关；9压缩空气管接头；11弹簧；12钢球；13端面键键入文字273主轴组件的主运动部件31主轴电动机的选用311主电机功率估算1计算主铣削力切F经验公式6ZFEFPKZDAAAF1101180950812切（31）式中切F铣削力，即主切削力（切向圆周分力），NPA铣削深度，MMFA每齿进给量，ZMMEA铣削宽度，MM0D铣刀
38、直径，MMZ铣刀齿数ZFK铣削力修正系数，ZZZZKFFMFFKKKKB工件材料抗拉强度，GPA已知高速钢刀具；刀具前角150；主偏角60K；工件材料为275MMKGFB碳钢；每齿进给量ZMMAF10；刀具直径为MM16，齿数8Z；工件宽度MMAE12，切削深度MMAP3将上述各条件代入公式（31），则主切削力为ZFEFPKZDAAAF1101180950812切3031111809506380108197592081612103812N2046切削速度6MIN150MIN1000300016141631000MAXMINMAXMMMMNDV2主电机功率估算6键入文字28铣削功率KWKWVFP
39、M115560000150204660000MAX切主电机功率KWKWPPMME48598099011555式中M机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率0996，同步带传动效率0986312主电机选型利用交流伺服系统可进行精密定位控制，可作为CNC机床、工业机器人等的执行元件。FANUC交流主轴电机S系列从065KW37KW共分13种。它的特点是转速高、输出功率大、性能可靠、精度好、振动小、噪音低，既适合于高速切削又适合于低速重切削。该系列可应用在各种类型的数控机床上。根据主电机功率PE548KW6，故本课题选用FANUC交流主轴电机6S型号6。其主要技术参数如下A额定输出功率KW55；B最
40、高速度MIN/6000R；C额定输出转矩MN035；D转子惯量20220SMN。32主轴321主轴的结构设计主轴的主要参数是指主轴前轴颈直径1D；主轴内孔径D；主轴悬伸量A和主轴支承跨距L，见图31。键入文字29图31主轴主要参数示意图3211主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径D，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承DN值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径1D。加工
41、中心主轴前轴颈直径1D按主电动机功率来确定，由表31162查得MMD851。由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径1D后，由式31112可知前轴颈直径1D和后轴颈直径2D有如下关系MMMMDD7285850850123212主轴内孔直径D的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径D的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大键入文字30值。由经验得知，当70DD时（D是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而当50DD时，内孔D对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，
42、所以常取孔径D的极限值MAXD为MMMMDD559857070MAX此时，刚度削弱小于25。按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径MMD52。3213主轴端部形状的选择机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化。图32所示为铣床主轴的轴端形式，其尺寸大小按照JB232478进行加工，选择主轴序号为50的主轴端部尺寸。图32铣床主轴的轴端形式键入文字313214主轴悬伸量A的确定主轴悬伸量A是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径向支承中点）的距离。
43、它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。悬伸量A值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量A的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减A值。3215主轴支承跨距L的确定支承跨距L是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距L是决定主轴系统动、静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。最优跨距0L是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推
44、得的最优值。最优跨距0L可按下列公式计算665566513810KL（32）式中312116KKKEI（33）211KKAK（34）式中A主轴前端悬伸长，单位为CM；键入文字32E材料的弹性模量，单位为2CMN；I轴惯性矩，单位为4CM；1K前轴承刚度值，单位为CMN；2K后轴承刚度值，单位为CMN。按上式计算最优跨距0L，计算过程如下4464LLDDI（35）式中LD主轴跨距部分的平均直径，单位为MM；LD主轴跨距部分的平均孔颈，单位为MM。MMDDL82MMMMLLDDIIL436002485218026323144429656由式（35）得4205CMI；由参考文献6中图31111确定M
45、NK9001，MNK7302；由主轴材料为40CR查得材料的弹性模量261012206CMNGPAE；由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长MMA79将上述参数值代入公式3334，得CM862，49K将，K值代入公式（32），得MML686150按照结构设计的要求，取MML336。由于MMLMML686153360，故满足设计要求。322主轴受力分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。键入文字33ABC图33轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示33A为轴
46、承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图33B）和水平面（图33C）两个平面力系。由公式（31）得出切向铣削力NF2046切径向负荷22NNFFR17162046350350切切向负荷22NNFFT4184120469090切轴向负荷22NNFFA151074204652505250切图34静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力键入文字34方法来解决问题。图示34为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求0B。利用叠加法，得挠度为ALEIFAEILFRB363232（36）式中VRF2径向（切向）负荷分力，
47、单位为N；F径向（切向）负荷，单位为N；E材料的弹性模量，261012CMNE；I轴惯性矩，4CM。由公式（35）得4205CMI。将RFF，VRRFF22代入公式（36），则铅垂面的挠度为09738320510126971716205101223862632VRBF得NFVR376642079832538325325312RVRVRFFF得NFVR2138410321RVRVRVRFFFF得NFVR483323将TFF，HRRFF22代入公式（36），则水平面的挠度为097383205101269741841205101223862632HRBF得NFHR391708207983253832
48、5325312THRHRFFF得NFHR979871键入文字350321THRHRHRFFFF得NFHR968543A机构草图B受力简图C水平面受力D水平面弯矩图E垂直面受力F垂直面弯矩图G合成弯矩图H转矩图图35轴的结构和载荷图AB段支承反力键入文字36水平面0ABXF垂直面0ABYFBC段支承反力水平面968543NFFHRBCX垂直面483323NFFVRBCYCD段支承反力水平面438539685439170832NFFFHRHRCDX垂直面89331483323766432NFFFVRVRCDYDE段支承反力水平面418419685439170897987321NFFFFHRHRHRDEX垂直面1716483323766421384321NFFFFVRVRVRDEY轴的受力简图、水平面及垂直面受力简图见图35B、C、E。AB段弯矩水平面0ABXM垂直面0ABYM合成022ABYABXABMMMBC段弯矩水平面302161003533MNFFMHRBCXBCX垂直面12841003533MNFFMVRBCYBCY合成082321284302162222MNMMMBCYBCXBCCD段弯矩水平面4714510035343632MNFFFMHRHRCDXCDX键入文字37垂直面5756100353436
