数控车床主轴传动系统设计【无级变速】（含全套CAD图纸）
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外文翻译资料 1 机电一体化技术及其应用研究 1 机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。 数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 能化 即要求机电产品有一定的智能 ,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在 控机床上增加人机对话功能，设置智能 I/O 接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而 有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化 方向发展。 性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在外文翻译资料 2 色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(称 指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制 电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针， 1988 年美国加州大学 校研制出第一个微电机以来，国内外在艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种 件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程 中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 色化 技术的发展给人们的生活 带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。 2 机电一体化技术在钢铁中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数外文翻译资料 3 据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 能化控制技术 (由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等，智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量 诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢 连铸 轧钢综合调度系统、冷连轧等。 布式控制系统 ( 分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。 有特 点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。 监视集中控制分散，故障面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 放式控制系统 (开放控制系统 (计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家 产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。 算机集成制造系统 (钢铁企业的 将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控外文翻译资料 4 制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应钢铁生产的要求。 未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在 20 世纪 80 年代已广泛实现 。 场总线技术 ( 现场总线技术 ( 连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术 (如 4 20 C 直 流传输 )就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去 66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化 现场就地控制站等的发展。 流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于 交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。 外文资料翻译 1 n is on of of of a of a of of as NC of as of a of it is to in NC / O of as of up a As of of a is a If is to of 文资料翻译 2 as in we As of of is of to AN a to a as of so in be of of be no 1.5 of is to of is in to it so on of or a to as is of 1.6 is a in to to be by is of or 986 1988 at at of as . 外文资料翻译 3 a of of of in at In to of a be to of at be to 1.8 to as As on be to a of of in s in at of of in of is of In of be in of is to of is at of of 2 in of in In of at of as by of a 文资料翻译 4 in in in As a of it is to in as a of a be or to on of be of be as a of be is of is to a of Is of 外文资料翻译 5 is of by a of in be of so to to to is be to of to of of of of of is of of of In to of is to to of of in 980s is in of in to 0 C 外文资料翻译 6 it in in on be 6% or to of CS of as C in a of C C to of in C C of to AC C or be to or AC in of as a to 本 科 毕 业 设 计（论 文） 题 目 数控车床主轴传动系统设计【无级变速】 专 业 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 二 年 月 日 摘 要 本文阐述了数控主轴的发展历史、现状以及趋势，并介绍了主轴的工作原理及关键技术。然后，确定了合理的主轴总体结构，分别对主轴的电机、编码器和冷却系统等各零部件进行了设计，设计了装配图、零件图与设计说明书等。最后，对主轴的旋转轴和轴承进行了详细的分析和校核，计算表明，该主轴设计符合要求。 本次设计首先针对所要设计的数控车床主轴入手，对机床进行总体方案设计，进而确定机床的总体布局，随后，对主轴组件进行设计。在设计主轴组件时，以主轴为线索，在满足刚度、精度等要求下，完成其它（如轴承、轴 向调节机构、锁紧机构等）所有零件的设计。 关键词 主轴组件；数控车床；数控机床 NC to is of of of a is to is to be to of In of to of as of 目 录 第 1 章 绪论 . 1 的、意义 . 1 内外研究现状 . 1 控车床的主要功能 . 3 第 2 章 总体设计方案 . 5 控车床主轴组件的组成 . 5 械系统方案的确定 . 5 控车床主轴组件总体设计方案的确定 . 6 轴脉冲发生器的安装 . 6 第 3 章 主轴组件的主运动部件 . 7 轴电动机的选用 . 7 电机功率估算 . 7 电机 选型 . 8 轴 . 9 轴的结构设计 . 9 轴受力分析 . 9 轴的强度校核 . 11 轴的刚度校核 . 12 承的配合 . 12 轴轴承设计计算 . 13 同步带的概述及计算 . 14 同步带介绍 . 14 同步带的特点 . 15 同步带传动的主要失效形式 . 16 同步带传动的设计准则 . 18 同步带分类 . 18 步带的设计计算 . 19 第 4 章 三爪卡盘设计 . 22 体框架 . 22 要参数确定与结构计算 . 23 压腔的结构设计 . 23 子叶片数的设计 . 23 动角的设计 . 23 子圆柱活塞杠面积的设计 . 23 塞杠的升程 . 24 总结 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 1 第 1 章 绪论 的、意义 数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，他实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。数控车床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的数控车床、柔性加工单元都是在数控车床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开车削方式。由于数控车削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件时，也一直把车削加工作为重点。 机械工业肩负着为国民经济各部门提供先进技术装备的任务，而机床工业是机械工业的重要组成部分，是为机械工业提供先进制造技术 和装备的工业。机床拥有量、产量、品种和质量、是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。因此，机床在国民经济中占有极其重要的地位。 与普通机床不同，数控机床加工零件的过程完全自动的进行，加工过程中人工不能干预。因此，首先必须将所加工的件的全部信息，包括工艺过程、刀具运动轨迹及走刀方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切屑深度）以及辅助动作（换刀、变速、冷却、夹紧、松开）等，按加工顺序采用标准或规定的程序指令编写出正确的数控加工程序，然后输入到数控设备的控制系统中，随后控制系统按数控程序的要求控制数控机床对零件 进行加工。所谓的数控编程，一般指包括零件图样分析、工艺分析与设计、图形数学处理、编写输入程序清单、程序校验的全部工作过程。数控编程可分为手工编程和全自动编程两种方式。 内外研究现状 建国 60 年来，在党和国家领导人的关怀下，中国机床工业历经几代人的拼搏，从无到有，从小到大，发生了天翻地覆的变化，如今发展成为产品布局合理，门类齐全，具有较大经济规模和较强技术实力的产业。 中国机床工具行业已开始走出国门与国际市场竞争，在国际上有了举足轻重的话语权和产业地位，正在向世界机床工具制造强国的目标迈进。 机床是 一切机械工业的基础装备，被称之为“工作母机”。 中国机床工具行业一直在当合国家领导人的关怀中不断发展壮大。如今，中国数控机床的品种已达到 2000 余中种。通过突破国外多年的技术封锁，相继开发出具有自主知识产权的各类数控机床，特别是研制出一批国际上首台重型数控机床，满足了国家重点工程的需要。 一是成功研发了一大批多种类型，多种规格多坐标，智能，带刀库，带 A,B 轴五轴联动的，卧式复合机床。 二是成功研发了一大批大规格，大尺寸，大吨位多品种的重型，超重型机床，其中许 2 多是世界首台最大规格的数控机床。 三是研发成功一大 批高精，高速，高效的各类机床。 四是功能部件，数控系统，刃量具等方面产品研发。 我国的机床工业在新中国成立后建立起来的，解放后 50 年来，我国机床工业获得了高速发展，我国已制定了完整的机床系列，机床品种日趋齐全，能生产上千个品种。 数控车床 从结构上可分为、卧式及立卧两用三种。 （ 1） 数控车床 数控车床 主轴轴线垂直于水平面，这种 车 床占 数控车床 的大多数，应用范围也最广。 （ 2）卧式 数控车床 卧式 数控车床 主轴的轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式 数控车床 通常采用增加数控转盘（或万能数控转盘）来实现四 坐标、五坐标加工。 （ 3）立卧两用 数控车床 这类 车 床可在一台机床上进行加工或卧式加工，同时具备立、卧式 车 床的功能。它的使用范围更广，功能更全。 东欧这些国家的机床生产品种不全，配套件缺乏，而中国机床工业经过这么多年的发展，已具备相当规模，产品门类齐全，数控机床的品种从几百种发展到近俩千种，全行业开发出一批市场急需的新产品，填补了国内空白。一批高精，高速，高效，一批多坐标，复合，智能型的数控机床新产品满足了国家重点用户需求。面前中国机床工业正在通过调整产业结构，产品结构，提高自主创新能力。以精密、柔性、成套、 绿色需求为方向，以改革、改进、改组、设计为动力。购并国际名牌企业和产品，努力提高国产机床占有率。不断提高国产机床市场占有率，不断拓宽机床工具产品的发展空间。 日本、美国、英国、德国、法国、意大利等六国 1989年金属切削机床的总产值与 1980年比，仅增加 54%，但同期数控机床的产值比 1980年删增加了 256%。 1990年，日本数控机床的年产量已达 61697台，年产量的数控化率为 年产值的数控化率为 76%。其他五国的年产量数控化率均在 20%以上，年产值数控化率均在 50%以上。上述六国拥有量数控化率在 10%以上。 1994年日本拥有量的数控化率为 工业发达国家的机床厂均生产数控机床，普通机床已逐步甩给第三世界营家去生产。在数控机床的生产中，生产最多的仍然是普通数控机床，特别是数控车床，但发展最快的则是可以自动换刀的 数控车床 。在近几年的国际机床展览会上，展品均以 数控车床 及由 数控车床 为主体的柔性加工单元及柔性制造系统为主。现在，日本、箍国、美国等三国生产的数控系统约占国际市场的三分之二。 发展高端数控机床是本轮产业升级的必经之路。随着国内劳动力成本上涨，环境减排的迫切需求，以及对人民币长期升值，国内 需求不足的状况。这将促使中国制造业得新一轮的产业升级必须将是高端制造业代替简单制造业，技术密集型代替劳动密集型。这种转型将大大减少简单机械的需求，增加更加高效、更加精确的数控机床需求。政府加大投资 3 的领域包括以高速客运专线为主的铁路建设，航空制造业尤其对高端数控机床提出了更高的要求。作为制造业母机的机床行业，是产品升级的必经之路。 中国数控机床行业发展正当其时。中国机床出口尽管比例不高，总金额比较少，但增长速度远高于进口产品增速。目前中国国产数控机床技术水平正在提高，在部分领域已经能够替代进口，占据国内高端数 控机床主要市场的进口产品即将面临国产产品的冲击。未来高端数控机床对进口产品的替代潜力巨大。面对外出口的市场现在还处于萌芽期，未来发展潜力巨大。 控车床的主要功能 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足 20%，随着我国机制行业新技术的应用，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征 ，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 精加工技术及装备的新趋势 放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 范的建立其中包括： b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控车床的整机设计中应该把握的主要 问题的训练。 1、 研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握设计一般车床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。 2、 数控车床可以分为、卧式和立卧两用式数控车床，数控车床的应用越来越广泛，主要具有下列功能： 3、 1、点位控制功能 利用这一功能，数控车床可以进行只需要作点位控制的砖孔、扩孔、忽孔、铰孔和镗孔等加工。 4、 2、连 续轮廓控制功能 数控车床通过直线和圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。 5、 3、刀具半径自动补偿功能 使用这一功能，在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中可以使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具 4 半径，加工出符合要求的轮廓表面。也可以利用该功能，通过改变刀具 半径补偿量的方法来弥补车刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。 6、 4、刀具长度补偿功能 利用该功能可以自动改变切削平 面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可弥补轴向对刀误差。 5、镜像加工功能 镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可完成全部加工了。 6、固定循环功能 利用数控车床对空进行钻、扩、铰、鍃和镗加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位 慢速切削进给 快速退回。对于这种典型 化动作，可以专门设计一段程序（子程序）在需要的时候进行掉用来实现上述加工循环，特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。 5 第 2 章 总体设计方案 数控车床具有数控车床的特点，自动变速，变速方法采用无级变速加有级变速。无级变速采用交流变频调速电机，实现两极变速，变速过程中齿轮的啮合通过离合器的得电和失电来实现。 数控车床主轴部件的设计主要有轴以及轴上零件，选择合适的电机，满足切削时的功率要求，选择电机时根据典型切削工艺求得切削是需要的功率 机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给 结构、传动比分配与计算等方面的内容。 1 伺服驱动元件 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横纵向进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量 t=冲，选用步距角 = 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。 控车床主轴组件的组成 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。主轴是数控车床的关键部件，其结构的好坏对数控车床的性能有很大的影响，它决定着数控车床的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。 械系统方案的确定 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 效率可达 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、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达 有时允许达 ，传动功 率可达 传动比可达 10（有时允许达 20 ），传动效率可达 同步带传动的优点是 9： 无滑动，能保证固定的传动比； 预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小； 6 带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高； 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。 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步带传动。 控车床主轴组件总体设计方案的确定 综合 2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。 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。 由于数控车床具备自动换刀功能，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止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在数控车床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。 轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器是为了加工螺纹而安装的主轴检测装置，微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与进给量保持一定关系，确保螺距的准确性。主轴脉冲发生器的安装通常有两种：一种是同轴安装，另 一种是异轴安装。一般经济型数控改造多采用同轴安装。本设计选用 轴脉冲发生器，采用同轴安装方式并采用波纹管与主轴柔性连接，该连接方式在实现角位移传递的同时，能够吸收车床的部分振动，从而使脉冲发生器平稳转动。 7 第 3 章 主轴组件的主运动部件 轴电动机的选用 电机功率估算 横切端面 : 查综合作业指导书 式中 车床床身上加工最大 直径横切端面时主切削力 可取纵切时 21 5 9 a x : 9 5 9 421 走刀方向的切削力（ N） 垂直走刀方向的切削力（ N） NF x 5 9 NF y 1 9 主切削力 F（ N）按经验公式估算： F Z 走刀方向的切削分力（ N） 车床身上加工最大直径（ mm）00 m a x =N） ： 1： F 走刀方向的切削力 垂直走刀方向的切削力 ) ) m 主电机功率 式中： m 机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率 步带传动效率 在数控机床常用直流电动机和交流调频电机两种。目前，中小型数控机床中，交流调频电机已占优势，有取代直流电机之势。本文所设计的车床采用交流调频电机调节电源频率来达到调速的目的，额定转速常为 1500r 图 1额定转速 最高转速 区域为恒功率区，从最低转速 区域为恒转矩区。 8 图 3速电动机的功率特性 在设计数控车床主传动时，必须考虑电机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围 大于电机的恒功率变速范围 所以在电机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足低速大功率切削时对电机的输出功率要求。为了简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比 f 可取大于电机的恒功率调速范围 即 f 这时，变速箱每挡内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统功率特性图中出现“缺口”，称之功率降低区。使用“缺口”范 围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应的增大。为了满足主轴传递 高转速 4000r 择上海富田电机生产的 型号为 132M 1500 其中： 系列代号 132 极座号（中心高） M 机座长度代号，有 S、 M、 1500 基本转速 单位： r 额定功率（ 单位： 电机在 60 1500r 现恒扭矩输出，在 1500 4500r 高转速可以达到 6000r 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 床、工业机器人等的执行元件。 流主轴电机 S 系列从 37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 ，故本课题选用 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： n m a xn dn m i WP a 9 b) 最高速度： 000 r ； c) 额定输出转矩： d) 转子惯量： 2022.0 。 轴 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 3 图 3轴主要参数示意图 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 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 。数控车床主轴前轴颈直径1D 按主电动机功率来确定，由 表 查 得51 。 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 可 知前轴颈直径 1D 和后轴颈直径 2D 有如下关系： 2 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。 (a) 10 (b) (c) 图 3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 3轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图 3水平面（图 3个平面力系 。 由公式（ 出切向车削力 046切径向负荷 22 62 0 4 切切向负荷 22 4 12 0 4 切轴向负荷 22 7 42 0 4 65 2 切图 3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方法来解决问题。图示 3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： 363 232 （ 式中： 径向（切向）负荷分力，单位为 N ； F 径向（切向）负荷，单位为 N ； E 材料的弹性模量， 26101.2 ； I 轴惯性矩， 4 由公式（ 4205 。将 ，F 22 代入公式（ 则铅垂面的挠度为： 1 62 0 26 32 11 得 079832 5 3832 5 32 5 3 12 得 0321 得 将 F 22 代入公式（ 则水平面的挠度为： 8 4 12 0 26 32 得 r 079832 5 3832 5 32 5 3 12 得 r 0321 得 轴的强度校核 从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面 C、 D 处承受了较大的弯矩，并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算 。 轴的弯扭合成强度条件为 23 222214 2 W （ 式中： 轴的计算应力， W 轴的抗弯截面系数， 3 折合系数； 1 轴的许用弯曲应力， T 轴所受的扭矩，单位为 ； M 轴所受的弯矩，单位为 。 轴的抗弯截面系数为 23 43 132 式中： d 轴颈处直径，单位为 ，此处， 1d 为轴孔直径。 12 得 )(5 6 6 9 88542132851 4 1 43 根据主轴材料为 由表 153查得许用弯曲应力 。 按 扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数 。 将上述参数代入公式（ 则轴的计算应力为 )(80 22 M P 因为 M 01 ，所以主轴的强度符合要求。 轴的刚度校核 轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 3221 48（ 式中：1y 轴的计算挠度，单位为 I 轴惯性量，单位为 4 E 轴所用材料的弹性模量，单位为 2/N L 支承跨度，单位为 1 轴所受圆周力，单位为 N ； 1 轴所受径向力，单位为 N 。 轴的允许挠度，单位为 已知： ， 4205 ， 26101.2 ， 36 。由表 154查得轴的允许挠度为 )(0 6 7 0 0 2.0 p 将上述参数代入公式（ 则轴的计算刚度为 )(0 3 6102 0 4 1 344 221 由于1， 所以轴能够满足刚度要求 。 综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。 承的配合 由于主轴轴承在工作时基本上都是内圈旋转、外圈相对固定不动 ,且主轴承受载荷多为定向载荷。因此 ,为了提高轴承的刚性 ,防止轴承在工作期间因摩擦发热而引起内圈膨胀 ,导致内圈与主轴之间产生相对转动现象 , 精密机床主轴轴承内圈与主轴之间一般选 择过盈配 13 合。另外 ,为了使轴承外圈沟道不只在某一局部受力 ,允许轴承外圈在轴承座内出现蠕动现象 , 以尽可能地延长轴承的使用寿命。同时 ,为防止轴承外圈因热膨胀引起与轴承座之间的过紧现象 , 引起轴承预紧增加 ,导致摩擦发热加剧 ,故轴承外圈与轴承座之间一般选择间隙配合。 在本课题中，固定端前支承的 7017配合目标间隙值取 3 8 m。为了提高机床的切削刚性，该轴承与主轴的配合采用过盈配合 , 配合目标过盈量取 0 4 m。而后支承的 7015 配合目标过盈量取 0 3 m。与轴承座之间为间隙配合 ,配合目标间隙值取 9 15 m21。 轴轴承设计计算 承受力分析 轴承的受力简图参见图 3图上可知，在 A、 B 两处所用的是同种型号的角接触球轴承，且 D 处的轴承是成对使用，共同承担支承作用。所以，校验 C、 D 处 7017 已知： ， ， r ， 则轴承 7017受径向合力为 )(22222 轴承 7015受径向合力为 )(22323 承 7017命计算 轴承的工作年限为 7
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