毕业设计（论文）-数控车床的结构设计.doc

长春工程学院毕业设计（论文）前 言数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。现代的cad/cam、fms、cims等技术都是建立在数控技术之上。数控车床是数控机床中比较典型的一种，本次毕业设计来源于生产实践，可以把大学四年所学课程能充分的结合起来，对今后的职业生涯应该有很大的帮助。目前，我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，通过本次设计，可对数控技术有更深的认识，将来也许会从事这一行业，为国家出一份微薄之力。本设计是参照mj50全功能数控车床的一些主要的技术参数来完成的，并在其原有的机械结构基础上采用整体斜床身结构以提高其排屑效果。此次设计主要对其主轴部分、刀架部分、x轴进给装置、z轴进给装置及其整体布局进行设计计算。由于时间仓促，水平有限，设计中难免出现一些错误和不足，诚请老师给予指教。1 概论1.1 数控车床的产生及发展科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的措施之一。它不仅提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还能够大大改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。我国数控车床产品发展起始于上世纪70年代初期，由沈阳第一机床厂开发设计并制造第一台数控车床。至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。车床行业的数控车床产品主要有经济型数控车床，普及型数控车床，高级型数控车床。在复合化数控车床中，可实现三轴、五轴等多轴联动。数控车床以不同的结构布局形式体现数控车床的性能和功能，如对称双主轴数控车床、正面双主轴数控车床，正、倒置立式单主轴、双主轴数控车床等产品已在许多用户中应用。经过多年对数控车床技术的研究和应用，数控车床水平制造技术获得了快速的发展和提高，但在高速精密复合化数控车床发展中，与国际水平相比差距较大，需求的该类产品主要依靠进口，也是境内车床行业在“十一五”期间重点开发的产品。目前为更好的落实“十一五”行业发展规划，将以数控机床为重点，把数控车床的发展再提高到一个新的水平。1.2 （2）数控车床的发展趋势1） 高速化、高精度化、高可靠性质量、效率是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。高速化：提高进给速度：提高微处理器的主频速度，采用直线滚珠式导轨等；最大的速度可达到240m/min。提高主轴转速：采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0到15000r/min。高精度化：精密化是为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。当前，普通级数控机床的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度则从3-5m 提高了两个数量级，超精密加工进入纳米级，从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为商品受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间就必须大于3000小时。2）复合化数控机床的功能复合化的发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不创造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。 复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。近年来，5轴联动加工和复合加工机床快速发展，采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。3）智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化：如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如：前馈控制、电机参数的自适用运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。4）柔性化、集成化为适应制造自动化的发展，向fms，fmc，cims提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量；自动上、下料，自动换刀、自动更换轴头、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同的要求，可方便地灵活配置及集成。当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（fms，fmc，fml）向面（工段车间独立制造岛、fa）、体（cims、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。1.3 数控车床的组成数控车床的种类繁多，但从组成一台完整的数控车床上讲，他由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四大部分以及辅助设备组成。如附图：数控车床总装配图（1）控制介质控制介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。它随着数控装置的类型不同而不同。随着cad/cam技术的发展，有些数控设备利用cad/cam软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。（2）数控装置数控装置是数控车床的控制中心。它由输入装置、控制装置和输出装置等组成。输入装置受控制介质上的信息，经过识别与译码之后，送到控制运算器。这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令输送往输出装置。输出装置将控制器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动车床完成相应的动作。（3）伺服系统伺服系统是数控车床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床移动部件运动，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的位移叫脉冲当量。（4）机床本体机床本体是数控车床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，它是在原有的普通车床的基础上改进而得到的，具有以下特点：1) 数控车床采用了高性能的主轴及伺服系统传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。2) 数控车床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。3) 更多地采用高效传动部件，如滚动丝杠副，直线滚动导轨等。除上述四个主要部分外，数控车床还有一些辅助装置和附属设备，如电器，液压，气动系统与冷却、排屑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。1.3 数控车床的特点及应用范围1.3.1 数控车床的特点数控车床是一个装有程序控制系统的车床。它是一种高度机电一体化的产品。特点如下：1） 能完成很多普通车床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件加工。因此，数控车床首先在航空、航天等领域获得应用。在复杂型面的模具加工中，有利于提高加工精 度，稳定产品的质量。由于数控车床是按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预。而且加工精度还要高的重复精度。都得到了广泛的应用。2） 采用数控车床，可以提高零件的加工精度。3） 可以提高生产率。采用数控车床比普通车床可提高生产率23倍。尤其对某些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。4） 可以实现一机多用。一些数控车床，都可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，可以替代57台普通车床，并能节省厂房面积。5） 几乎不需要专用的工装卡具。采用普通的通用工夹具，只需要更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格的自动化加工。6） 减少了在制品，从而加速了流动资金的周转，提高经济效益。7） 大大减轻了工人的劳动强度。1.3.2 数控车床的应用范围数控车床适用于加工：1） 多品种小批量零件；2） 结构较复杂，精度要求较高的零件；3） 需要频繁改型的零件；4） 价格昂贵，不允许报废的关键零件；5） 需要小生产周期的急需零件。2 设计主要参数及基本思想2.1 课题要求2.1.1 题目名称数控车床机械结构设计（允许工件最大回转直径500mm）2.1.2 课题内容及工作量（1）数控车床总装配图设计（a0）（2）主轴箱部件设计（a1）（3）刀架装配图（a1）（4）进给系统设计（a1）（5）设计图量a0 1张、a1 4张、设计说明书一份（5）外文翻译 3000汉字；主轴部装图手工绘制，其他的图纸均用计算机绘制，说明书由计算机输出打印。2.2 设计思想参照济南第一机床厂的mj-50型数控车床来进行设计：床身和导轨的布局采用整体斜床身斜滑板；主轴驱动采用交流伺服电动机无机调速，采用v型带带动主轴旋转：进给系统也使用交流伺服电动机驱动，使用同步带机构减速，采用滚珠丝杠副进行传动；刀架系统使用回转刀架机构；尾座使用标准尾座。下面对mj-50进行介绍。2.3采用的设计方案（基本理论）与技术路线一设计方案方案设计的实质就是满足用户需求条件,是设计过程的重要阶段, 对产品质量有着很大影响。数控车床的方案设计涉及的设计问题较多而显得更为复杂,为解决这一问题, 必须从本质上探讨数控立式车床方案设计的一般过程及其规律。（1）主要参数的设计数控车床主要技术参数 主要技术参数影响着立式车床设计的全过程,并且决定着机床的性能、加工能力和经济性。数控车床的主要技术参数包括主参数和基本参数, 根据 1836-85 标准, 主参数为最大加工直径, 基本jb参数包括尺寸参数、运动参数和动力参数5。本课题设计的最大回转直径为500mm，最大加工长度为650mm ，刀架可安排八把以上的刀具，主轴转速范围为35r/min-3500r/min。（2）车床床身的设计车床床身的形式 车床支撑件结构形式采用斜床身结构，即车床床身向前倾斜60度 。这种床身结构刚性好，散热性好，易排削，装夹方便，加工精度高，机床热变形小，是目前较受欢迎的一种形式。这种结构的特点是：在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方即床身的一侧落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成切屑从工件上落到位于床身前面一个完整的斜面。切削落入排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。（3）主传动和进给运动的设计主传动系统的设计 数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：1）机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；2）主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；3）主轴应有足够高的刚度和回转精度；4）主轴转速范围应很广6。为了提高传动的刚性和传动精度，采用无级变速，减少传动机构。采用交流伺服主轴电机，通过一组高精度，具有震性能的传动带平稳地带动主轴运动。进给系统的设计 选用半闭环伺服方式。横向、纵向进给采用交流伺服电动机直接驱动。伺服电机便于控制、工作可靠。将其用于数控车床，有利于实现车床的自动化，提高车床的切削精度和加工效率，缩短生产周期，方便的对横向和纵向进给进行控制。（4）尾座和其他部件的设计尾座的设计 尾座为一独立部件，尾座套筒的伸缩由液压控制，夹紧力的大小由液压阀来控制。采用液压尾座，一方面可以减少操作者的劳动强度；另一方面有利于车床的整体防护。刀架的设计 采用转塔刀架，这样可使用八把刀具。其他部件 滚珠丝杠、压卡盘、压回转油缸等采用专业生产厂家生产的标准产品。润滑 主轴轴承采用脂润滑，其余采用集中统一油润滑。数控系统 采用高性能数控系统和传动平稳的交流伺服电动机。数控车床的防护 采用全封闭的结构形式。二技术路线数控车床机械结构总体设计主轴箱设计及计算进给箱设计及计算刀架设计及计算撰写设计说明书等。三设计简图 图二 数控卧式车床的传动布置图图三 数控卧式车床布局图3 主轴系统的改造和计算3.1 主传动系统的设计要求数控车床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还提出如下要求：（1）具有较大的调速范围，并实现无级调速。数控车床为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控车床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振性和热稳定性。数控车床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀 运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度 阻尼比及固有频率等参数。车床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。3.2 主传动变速系统普通车床一般采用机械有级变速调速传动，而数控车床需要自动变速；且在切削阶梯轴的不同直径，切削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变化而自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无极调速有机械 液压和电气等多种型式，数控车床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级调速。本数控车床采用步进电动机为驱动源。3.2.1主轴组件的性能要求主轴组件是车床主要部件之一。它的性能对整机的性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：（1）旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷 低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。（2）刚度 刚度主要反映车床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控车床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。（3）温升 温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，对高精度车床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。（4）可靠性 数控车床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。（5）精度保持性 对数控车床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控车床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度车床时，主轴应满足高刚度 低温升的要求。3.2.2 主轴组件的组成和轴承选型（1）主轴组件，包主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴组件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴的端部是标准的；传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支撑部分。（2）主轴的传动件 可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内，原因是数控车床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。（3）主轴轴承 选用双列圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承是一种可分离型轴承。其内、外圈与滚子是线性接触，摩擦系数小，承受径向载荷能力较大。适合于电机、汽车、传动轴、齿轮轴等。双列圆柱滚子轴承适用于车床主轴。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，滚动轴承使精密零件，因而在使用时要求相应地持慎重态度，既便使用了高性能的轴承，如果使用不当，也补能达到预期的性能效果，所以，使用轴承使应注意以下事项： * 保持轴承及其周围环境的清洁。即使肉眼看不见的微小灰尘进入轴承，也会增加轴承的磨损，振动和噪声。 * 使用安装时要认真仔细，不允许强力冲压，不允许用锤直接敲击轴承，不允许通过滚动体传递压力。 * 使用合适、准确的安装工具，尽量使用专用工具，极力避免使用布类和短纤维之类的东西。 * 防止轴承的锈蚀，直接用手拿取轴承时，要充分洗去手上的汗液，并涂以优质矿物油后再进行操作，在雨季和夏季尤其要注意防锈。 轴承安装的好坏与否，将影响到轴承的精度、寿命和性能。轴承的安装应根据轴承结构，尺寸大小和轴承部件的配合性质而定，压力应直接加在紧配合得套圈端面上，不得通过滚动体传递压力，轴承安装一般采用如下方法： a. 压入配合 轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管（铜或软钢），装配套管的内径应比轴颈直径略大，外径直径应比轴承内圈挡边略小，以免压在保持架上。 轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。 如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。 b. 加热配合 通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。 用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，或者用钩子吊着轴承，轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 c.圆锥孔轴承的安装 圆锥孔轴承可以直接装在有锥度的轴颈上，或装载紧定套和退卸套的锥面上，其配合的松紧程度可用轴承径向游隙减小量来衡量，因此，安装前应测量轴承径向游隙，安装过程中应经常测量游隙以达到所需要的游隙减小量为止，安装时一般采用锁紧螺母安装，也可采用加热安装的方法。（4）双列圆柱滚子轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预紧要适量。双列圆柱滚子轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力fa0，单位为n。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈或外圈的端面根据预紧力磨去。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。（5）承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。除上些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为p4级，经使用磨损后跳动精度降为p5级,这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。3.2.3 主轴组件的技术要求主轴和箱体与轴承相配合的技术要求直径公差和形位公差。为了得到主轴组件高的回转精度，除保证主轴及其相关零件高的加工精度及采用精密主轴轴承外，还应进行定向装配。3.3 主轴组件的动态特性（1）平移 主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支承上作平移振动，主轴个点的振动方向一致。（2）摇摆 主轴在弹性支座上摇摆 左右振动方向相反。（3）弯曲 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两上节点。这两节点位于支承点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型按固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一、二、三振型，振型和固有频率合称为模态。可以看出，第一、二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多。主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭转振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作时不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态。主轴的模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：（1）是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以/30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数z。（2）增大阻尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。（3）采用消振装置。3.4 主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。（1）脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适 洁净 密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如skflglt2号（常用于球轴承）。（2）油气润滑如果值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气用于冷却。3.5 刀具自动装卸及切削清除装置在数控车床中，主轴部件除具有较高的精度和刚度外，还带有刀具的自动装卸装置和主轴孔内的切屑清除装置。主轴前端有7：24的锥孔，用于装夹锥柄刀具。端面键既做刀具定位用，又可以通过他传递扭矩。为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧推活塞上移，处于锁紧状态，拉杆在碟形弹簧的作用下向上移动。由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球进入主轴孔中直径直径较小的位置，被迫径向收拢而卡进拉钉的环形凹槽内，因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在轴上。换刀前需将刀具松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞推动拉杆向下移动，碟形弹簧被压缩；当钢球随拉杆一起下移至进入主轴孔中直径较大的位置。他就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的抬肩端面碰到拉钉，把刀夹顶松。此时行程开关发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与其同时，压缩空气管由管接头经活塞和拉杆的中心孔吹入主轴装刀孔内，把切屑或赃物清除干警，以保证刀具的装夹精度。机械手把新的刀装上主轴后，液压缸接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关发出信号。自动清除主轴孔中的切屑和尘埃是换刀操作中一个不容忽视的问题。3.6 主轴准停装置自动换刀数控车床主轴部件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确的停止在固定的轴向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。我们设计的主轴部件采用的是电气准停装置，其工作原理如下图所示，在带动主轴转动的多楔带轮的端面上装有一个厚垫片，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁。在主轴箱箱体对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器。当车床需要停车换刀时，数控系统发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，当主轴以最低转速慢转很少几转、永久磁铁对准磁传感器时，后者发出准停指令。此信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机准确的停止在规定的轴向位置上。这种装置可保证主轴准停的重复精度在范围内。3.7 主轴系统的改造3.7.1 主轴电机的选取1）切削力f的计算 根据加工材料，刀具材料，从金属切削速查手册中查取ap=8mm,f=0.5mm/r,vc =90m/min。由经验公式 (1) 得fc=cfc apxfc fyfcvcnfckfc=279581.00.50.7590-0.150.950.94=6045n2）切削功率p的计算 pc=fcvc/60000=9kw3）选择电动机初略估算主电动机的功率 pl=pc/c=9/0.85=10.5kw 采用主电动机通过1：1v带直接与主轴连接，c =0.85。电动机额定功率 pn=pl/k=10.5/1.1=9.6kw。查现代使用机床设计手册下册选用pn=11 kw的12s/8000fanuc-s系列高速型交流主轴电动机。4）核算切削功率和切削力pc= pnc=110.85=9.35kwfc=60000pc/vc=6234n3.7.2 v带传动设计（1）确定计算功率由机械设计表8-7查的工作情况系数ka=1.3，故pca =kap=1.311=14.4kw（2）选窄v带带型（参考文献1）根据、由图8-8选spa型（3）确定带轮基准直径由机械设计表8-4和表8-8取主动轮直径根据式8-15，从动轮基准直径由机械设计表8-8取由机械设计式8-13验算带的速度 35m/s带的速度合适。（4）确定窄v带的基准长度和传动中心距。根据初步确定中心距由机械设计式8-20计算带所需的基准长度=mm由机械设计表8-3选带的基准长度由机械设计式8-21计算实际中心距a（5）验算主动轮上的包角由式8-6得：主动轮上的包角合适（6）计算v带根数z由机械设计式8-22已知由、i=1.9,查表8-6c和表8-6d得 由机械设计表8-1得表8-10得则取z=3根（7）计算预紧力由机械设计式8-23知由机械设计表8-5得q=0.07kg/m,故（8）计算作用在轴上的压轴力q3.7.3 轴的设计计算1） 轴内、外径的确定根据金属切削机床表106，初步确定主轴当量外径为150mm。由机械设计8-3轴的设计可知空心轴的内径d1与外径之比，通常取=0.5-0.6，在这里取=0.55，则内径d1=0.55145=80mm。2） 选择轴承轴的前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承和一对角接触球轴承组成。后支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承组成。根据现代实用机床设计手册表3-9-13选用7030c型角接触球轴承。双列圆柱滚子轴承选用nnu4932型号。轴承预紧螺母：参照新编机械设计手册选用圆螺母螺纹规格m1502。3） 求轴承的刚度由于切削力fc=6045n，背向力fp=0.5fc=3023n。故总的作用力f f= fc2 + fp2 = 6759n此力作用于顶在顶尖的工件上，主轴和尾架个承受一半，故主轴端受力为f/2=3380n。在估算时，悬伸长度a=120mm，假设初值l/a=3，l=3120=360mm。前后支承的支承反力ra和rb分别为ra = f/2（l+a）/l=3380（360+120）/360n=4510nrb = f/2a/l=3380（120/360）n=1230n根据金属切削机床（106）式求出前后支承的刚度前支承上圆锥孔双列圆柱滚子轴承的刚度参照金属切削机床表104，iz=52,la=16.6mm,查轴承样本，额定动载荷c=275000n。取fr=c/16=17188n。带入式（106）得kr=3.39fr0.1 la0.8 （iz）0.9cos1.9=3.39171880.116.60.8520.9cos1.90n/um=2980n/um60度角接触球轴承的刚度7030c的内径为150mm，接触角为=15，z=20，球径d。=20。查轴承样本，额定动载荷c=129000n。取fre=c/15=8600n，代入金属切削机床式10-9和式10-4得fr=fre+fa0ctg=8600+1500 ctg15 =14198n故 kr=1.18frdb（iz）2 cos51/3=1.181419820202cos515 n/um=540 n/um4） 求最佳跨距由于角接触球轴承刚度相对较小，故取前后支承的刚度之比为1。i=0.05（d4-d14）=0.05（0.1454-0.084）=200510-8m4=ei/（ kra3）=（2.11011200510-8）/29800.123106=0.8查金属切削机床线图10-24得lo/a=3。计算出的与假设相符。计算主轴时通常不考虑传动力。这当然与实际使用情况有出入。但是，只要计算条件是统一的，都按轴端受一集中载荷计算，在同一条件下对比，则计算结果仍能用以评判主轴组件。3.7.4 卡盘的选用选用k55型高速通孔楔式动力卡盘。工作原理：参照主轴部装图，高速通孔回转液压缸带动拉管，作轴向往复运动，拉管与推拉螺母联接，推拉螺母一端又通过压盖连接在楔心套上，于是随着推拉管的往复运动，楔心套也随着运动。楔心套上有3个与套体轴向成一定角度的t形槽，滑座上与卡盘体轴向同样成一定角度的t形凸起部分嵌在楔心套的t形槽内。由于t形槽与盘体轴向成一定角度，随着楔心套的轴向运动，滑座作径向运动。滑座通过t形块、梳形齿和内六角螺钉与卡爪相对固定，这样，推拉管的往复运动就通过楔心套和滑座等件的传动，使卡爪在盘体径向作夹紧和松开工作的动作。松开内六角螺钉，梳形齿脱开，使t形块在滑座的槽内移动，可调整卡爪与滑座的相对位置，调好后再拧紧内六角螺钉使梳形齿啮合。4 进给伺服系统的改造和计算4.1 进给伺服系统的设计要求4.1.1 对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。（1） 稳定性所谓稳定的系统，即系统在输入量的改变启动状态或外界干扰作用下，其输入量经过几次衰减振荡后，能迅速的稳定在新的或原有的平衡状态下。它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当的选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电器参数，并使他们达到最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标之一。（2） 精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度（偏差），即准确度。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的误差；静态误差，即元件误差即干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另一点时，指令值与实际移动距离的最大误差。重复误差是指工作台进行一次循环动作后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指坐标联动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂。采用数字调节技术可以提到伺服驱动系统的精度。（3） 快速响应特性所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会影起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性对于点位控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定位时间。对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。对于开环及半闭环的控制型式，主要应满足定位精度的要求，而对于闭环控制型式，则主要是稳定性问题。4.1.2 对进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：（1） 能够克服摩擦力和负载。（2） 很小的进给位移量。（3） 高的静态扭转刚度。（4） 足够的调速范围。电机的最大转矩有快进速度决定。（5） 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象。4.1.3 在动态设计方面的要求有：（1） 具有足够的加速和制动转矩，以便快速完成启动制动过程。（2） 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。（3） 负载引起的轨迹误差尽可能小。4.1.4 对于数控机床机械传动部件则有以下要求：（1） 被加速的运动部件具有较小的惯量（2） 高的刚度（3） 良好的阻尼（4） 传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性。4.2 进给伺服系统的组成数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动装置、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；机械传动部件和执行元件组成机械传动系统；监测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。机床数字调节技术中，最重要 最基本的调节技术就是进给伺服系统的位置调节技术。而实现这些调节技术的前提是建立被调节系统的数学模型。数控机床的位置调节系统数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。数控机床进给伺服系统采用闭环系统，闭环控制方式通常是具有负反馈的伺服系统，位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个包含在位置环之内。全闭环系统控制精度高、快速性好、但由于机械传动部件在控制环之内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与传动部件的刚度、阻尼特性、惯性 间隙和摩擦等因素有很大的关系，故必须对机电部件的结构参数综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置为感应同步器。进给伺服系统中采用的驱动装置为直流伺服电机。在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。4.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析（1）时间响应特性进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过渡过程）。稳定响应是指当时间t趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳定时，输出和输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。系统的时间响应特性不仅决定于系统结构、性能，而且也决定输入信号的类型，且随加工对象的不同以及切削用量的不同而改变。尤其考虑到启动、停车、正反向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。（2）频率响应特性时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化的规律，即在已知传递函数的前提下，从系统在阶跃输入及斜坡输入时间响应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由试验的方法来求取动态特性。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性,就是系统对正弦输入信号的响应，即它通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得启动态特性。由于频率特性与传递函数密切相关，因此在工程中的应用越来越多。可由频率响应数据拟合成传递函数而建立系统的数学模型。（3）快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。分析系统快速性的方法很多，由直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。直接求解法比较麻烦，且不易得到系统结构和参数对瞬态质量影响的一般规律；计算机模拟法十分简便，而且还用于复杂系统、多变量系统、非线性系统以及某些难于得出数学模型的系统，但它需要一套软件和上机条件。间接评价法，方法简单，又能明显的看出系统结构和参数对瞬态质量的影响，故在系统分析和设计中被广泛的采用。对于线性进给伺服系统，由于它包含各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个低通滤波器。这种系统的通频宽带，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高系统的截止频率，则可以提高闭环回路的响应速度。为使进给伺服系统获得良好的伺服性能（稳定性和快速性），国外文献对机械传动部件提出很高的谐振频率，但对这些数据并没有进行理论分析。有的文献认为：在电气伺服系统中，可控硅电源以及直流马达特性引起的谐振时对伺服系统性能起限制作用的因素。但实际上机械传动部件不是刚性，往往得不到很高的谐振频率，且阻尼又低，可能成