立式加工中心主轴组件的总体设计方案（全套含CAD图纸）
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哈尔 滨工业大学华德应用技术学院本科生毕业设计（论文） - - I 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。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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院本科生毕业设计（论文） to be to a of on a on a in it of is of a so of by in is of of to be to a of of of on on A be of as a of is of of NC 哈尔滨工业大学华德应用技术学院本科生毕业设计（论文） 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 错误 !未定义书签。 工中心的发展状况 . 错误 !未定义书签。 工中心的国内外发展 . 错误 !未定义书签。 轴部件的研究进展 . 错误 !未定义书签。 题拟解决的关键问题 . 错误 !未定义书签。 决上述问题的策略 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 方案拟定 . 错误 !未定义书签。 工中心主轴组件的组成 . 错误 !未定义书签。 械系统方案的确定 . 错误 !未定义书签。 轴传动机构 . 错误 !未定义书签。 轴进给机构 . 错误 !未定义书签。 轴准停机构 . 错误 !未定义书签。 工中心主轴组件总体设计方案的确定 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 主轴组件的主运动部件 . 错误 !未定义书签。 轴电动机的选用 . 错误 !未定义书签。 电机功率估算 . 错误 !未定义书签。 电机选型 . 错误 !未定义书签。 轴 . 错误 !未定义书签。 轴的结构设计 . 错误 !未定义书签。 轴轴径的确定 . 错误 !未定义书签。 轴受力分析 . 错误 !未定义书签。 轴的强度校核 . 错误 !未定义书签。 轴的刚度校核 . 错误 !未定义书签。 承的配合 . 错误 !未定义书签。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院本科生毕业设计（论文） 主轴轴承设计计算 . 错误 !未定义书签。 承受力分析 . 错误 !未定义书签。 承 7017命计算 . 错误 !未定义书签。 承 7015命计算 . 错误 !未定义书签。 步带的设计计算 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 主轴组件的进给运动部件 . 错误 !未定义书签。 给电动机的选用 . 错误 !未定义书签。 给电动机功率的估算 . 错误 !未定义书签。 给电动机的选用 . 错误 !未定义书签。 轴器的设计计算 . 错误 !未定义书签。 直方向伺服进给系统的设计计算 . 错误 !未定义书签。 力削估算 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠副的设计计算 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠的导程的确定 . 错误 !未定义书签。 定丝杠的等效转速 . 错误 !未定义书签。 定丝杠的等效负载 . 错误 !未定义书签。 定丝杠所受的最大动载荷 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 1 . 错误 !未定义书签。 附录 2 . 错误 !未定义书签。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院本科生毕业设计（论文） - 5 - 附录 1 中文名称：机械加工中心 英文名称： 其他名称：自动换刀数控机床 定义：能自动更换工具，对一次装夹的工件进行多工序加工的数控机床。 机械加工中心 ,简称 由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进 给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 按控制轴数可分为： （ 1）三轴加工中心 （ 2）四轴加工中心 （ 3）五轴加工中心。 项目二 机械加工中心设备技术分类 加工中心的品种、规格较多，这里仅从结构上对其作一分类。 一、立式加工中心 指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加 工盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线零件。 立式加工中心装夹工件方便，便于操作，易于观察加工情况，但加工时切屑不易排除，且受立柱高度和换刀装置的限制，不能加工太高的零件。 立式加工中心的结构简单，占地面积小，价格相对较低，应用广泛。 二、卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。通常都带有可进行分度回转运动的工作台。卧式加工中心一般都具有三个至五个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，它能够使工件在一次 装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类零件。 卧式加工中心调试程序及试切时不便观察，加工时不便监视，零件装夹和测量不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。与立式加工中心相比，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，价格也较高。 三、 龙门式加工中心 龙门式加工中心的形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置，除自动换刀装置外，还带有可更换的主轴附件，数控装置的功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于加工大型或形状复杂的零件，如飞机上的梁、框、壁板等。 我国加工中心的未来发展趋势！ 未来发展的前景确实喜人，不过吴柏林也表示，由于我国工业基础相对薄弱、以企业为主体的创新体系尚未建立、数控车床产业化时间短等原因，技术上和产业上与西方发达国家相比还存在一定差距，当前的发展还需要注意四个方面的问题。 2008 年 12 月，高档数控车床与基础制造装备科技重大专项得到国家批准。专项对高档数控车床等重大装备、数控系统、功能部件与关键部件、共性技术、创新平台建设及应用示范工程做出了部署。“今年专项将开始逐步启动实施，车床工具行业自主创新能力将进一步提高，将为国产高档数控车床持续发展奠定坚实 的技术基础。”吴柏林说。 三年前接受中国工业报记者采访时，吴柏林提出需要重视功能部件的发展，此时又被他再一次重点提出。功能部件发展滞后的状况似乎并没有太多的改观。“数控车床的发展需要高水平、专业化、规模化生产的功能部件作基础，目前我国差距很大。”据了解，大多数中高档数控车床主要配套的还是发那科和西门子等国外数控系统，刀库机械手、数控刀架、滚珠丝杠和导轨、电主轴等主要还是日本、德国或中国台湾地区的产品，用户选购国产车床时普遍提出选用境外功能部件的要求。功能部件发展的滞后性，将制约国产中高档数控车床的 发展。 吴柏林还认为，当前外商独资趋势应引起重视。近几年来，车床行业有些合资企业逐步扩资转为外商绝对控股或独资，同时又新成立一批外商独资企业，这些企业的产品以占领国内中高端市场为目标，其技术由国外母公司控制。“我们用市场换不到技术，又丧失市场，客观上压制了国内车床企业的产业升级。” 首先是新产品开发能力不足。从行业总体看，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究、基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求，全行业科技人才不足，缺乏高级技术人员，科技投入和科研 设施尚不适应等。据了解，当前，国防军工生产科研和国家重大工程提出的一批高端数控车床，如超重型双龙门镗铣床等，由于车床企业开发能力不足或完成开发的周期太长而不能承接合同，一些数控专机也由于开发人员缺乏而拖延。 同时，扩大产能与未来实际需求错位也需引起重视。当前行业企业技术改造项目的产能目标过于庞大，技改项目产品的大型化、重型化趋势明显，高档数控车床制造能力和功能部件的投入显得不足。而且，车床企业自身装备的数控化率低，信息化管理水平不高，生产效率低，企业的竞争力没有得到足够的提高，“从行业整体看，是否与未来的 市场需求相符，还需要研究。 数控机床是一种高技术设备 ,它可以通过改变数控程序 ,适应不同零件的自动加工 ,而且可以采用较大的切削用量 ,利用软件进行精度校正和补偿 ,从而提高生产效率、加工精度和加工质量 ,可以实现工序集中、一机多用 ,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备 ,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。 数控铣床是机械和电子技术相结合的产物，它的机械结 构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计 通常，一个典型的数控机床进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传 动机构。 齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向 垫片调整法消除齿轮侧隙。 这里进给系统采用步进电机开环控制，由滚珠丝杠螺母副来实现 ，纵向和横向进给采用 130步进电机驱动，经圆柱齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过丝杠螺母机构来实现；垂直方向进给运动由 150步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。纵向和横向齿轮可采用斜齿轮弹簧调整法来消除齿轮间隙；垂直方向的齿轮间隙可采用圆锥齿轮周向弹簧调整法来消除。 附录 2 is NC of a to is of NC of is of is C of a is a of NC to of of to of be (1) (2) 3) of of of A a is of a is no NC be in a on a to to is to of be of an of to a to is a it of in a to is is an of is is in to a be NC s is to of a or as s is u s as of in a to to 008 by of NC be of be a of NC to to of he of to at It is of NC C to to of NC be In to or at a of of to as is by We of to of is of of is of of of C in of in It is at of a of NC as to is or of is C of At of to of is of NC of is C is is is of to in to C is a of it C to of a of of so as to a of NC is of of a s of of in a C is to of NC of in as as by NC to NC C is of of a C a a a is an in to of is a is of in in C is of as DC C of is of of in In In to on of C in to or of as of or to of a a to 30to 50be to of to of to 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - - I 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。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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 to be to a of on a on a in it of is of a so of by in is of of to be to a of of of on on A be of as a of is of of NC 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . - 1 - 工中心的发展状况 . - 1 - 工中心的国内外发展 . - 1 - 轴部件的研究进展 . - 2 - 题拟解决的关键问题 . - 3 - 决上述问题的策略 . - 4 - 第 2 章 方案拟定 . - 5 - 工中心主轴组件的组成 . - 5 - 械系统方案的确定 . - 5 - 轴传动机构 . - 5 - 轴进给机构 . - 6 - 轴准停机构 . - 7 - 工中心主轴组件总体设计方案的确定 . - 9 - 第 3 章 主轴组件的主运动部件 . - 10 - 轴电动机的选用 . - 10 - 电机功率估算 . - 10 - 电机选型 . - 11 - 轴 . - 11 - 轴的结构设计 . - 11 - 轴轴径的确定 . - 12 - 轴受力分析 . - 12 - 轴的强度校核 . - 14 - 轴的刚度校核 . - 15 - 承的配合 . - 16 - 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 主轴轴承设计计算 . - 17 - 承受力分析 . - 17 - 承 7017命计算 . - 17 - 承 7015命计算 . - 18 - 步带的设计计算 . - 19 - 第 4 章 主轴组件的进给运动部件 . - 22 - 给电动机的选用 . - 22 - 给电动机功率的估算 . - 22 - 给电动机的选用 . - 22 - 轴器的设计计算 . - 23 - 直方向伺服进给系统的设计计算 . - 23 - 力削估算 . - 23 - 珠丝杠副的设计计算 . - 24 - 珠丝杠的导程的确定 . - 24 - 定丝杠的等效转速 . - 24 - 定丝杠的等效负载 . - 24 - 定丝杠所受的最大动载荷 . - 25 - 结 论 . - 26 - 致 谢 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 附录 1 . - 31 - 附录 2 . - 35 - 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 1 - 第 1 章 绪 论 工中心的发展状况 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 0m 以上，最高已达到 0m 。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 0080 m ，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 m 5 0 0 01 2 0 0 0 r，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 00000 r 。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在 右，高的已达 甚至更快。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 下，定位精度可控制在 内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公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 0m 左右，个别达到 0m 。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 m 8 0 0 06000 r，定位精度控制在 内，重复定位精度控制在 换刀速度方面，国内机床多在 ，无 法与国际水平相比 1 3。 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（ 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 2 - 轴部件的研究进展 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 1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。 图 1式加工中心结构图 1 2伺服电机 3伺服电机 45 6 7 89 10 11 1213 14 15 16 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”。由于当前购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 3 - 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 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的子课题之一。加工中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： 24:7 ； (b)主轴孔直径： 52 (c)主轴箱行程（ Z 轴）： (d)主轴转速范围： 0 ； (e)快速移动速度（ Z 轴）： (f)进给速度（ Z 轴）： 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 6： 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糙度。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 4 - 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。 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力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。 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。 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。 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，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对 主轴支承轴颈的圆度、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，要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 5 - 第 2 章 方案拟定 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刀具交换装置的组成部分。 械系统方案的确定 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 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； 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 6 - 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。 轴进给机构 表 2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 %40%30 ； (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，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。 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。 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 ，滚滑螺旋以及液压购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 7 - 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 2 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。 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两种。 图 2械式主轴准停装置 1 无触点开关； 2 感应块； 3 V 形槽轮定位盘 4 定位液压缸； 5 定向滚轮； 6 定向活塞 图 2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，时间继电器开始动购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 8 - 作，并延时 4 6s，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 ，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 出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时 1s 后行程开关 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 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检测定向，其工作原理如图 2 图 2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 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 500 m 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，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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 9 - 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。 工中心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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 10 - 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 (1) 计算主铣削力切6： 2切（ 式中：切F 铣削力，即主切削力（切向圆周分力）， N 铣削深度， 每齿进给量， 铣削宽度， 0d 铣刀直径， Z 铣刀齿数 铣削力修正系数， b 工件材 料抗拉强度， 已知：高速钢刀具；刀具前角 150；主偏角 60K；工件材料为275 碳钢；每齿进给量 f ；刀具直径为 齿数8Z ；工件宽度 2 ，切削深度 将上述各条件代入公式（ 则主切削力为 切削速度 6 m i i m a xm i nm a x (2) 主电机功率估算 6 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 11 - 铣削功率 50204660000 m a x 切 主电机功率 1 式中：m 机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动 效率 ，同步带传动效率 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 66。其主要技术参数如下： a) 额定输出功率： 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 12 - 图 3轴主要参数示意图 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 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 。加工中心主轴前轴颈直径 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 13 - (a) (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（ 出切向铣削力 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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 14 - 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 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。在校核购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 15 - 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。 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 16 - 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纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 17 - 角接触球轴承与主轴选用过盈配合 , 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承只需取受力最大处即可。 已知： ， ， r ，r 则 轴承 7017受径向
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