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数控车床 结构设计 驱动 元件

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数控车床结构设计数控车床结构设计-驱动驱动元件的结构设计元件的结构设计专专 业业 数控设备应用与维护数控设备应用与维护 学生姓名学生姓名 张明进张明进 班班 级级 1212 机电班机电班 学学 号号 120012109120012109 指导教师指导教师 李华伟李华伟 完成日期完成日期 20152015 年年 3 3 月月 2626 日日 摘 要 数控系统以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展，对数控机床的设计，特别是经济型数控机床的设计已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对同类型机床的分析，提出了经济型数控机床电气设计的技术方案。并针对经济型数控机床的特点，进行了机床电气部分的设计 ，包括数控系统、步进电机的选型和理论分析和故障诊断。最后阐述了设计后机床的精度和性能以及今后尚需完善之处。 经济型数控铣床，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性。加工精度和生产率较普通铣床有了很大提高，是提高企业生产率和增加效益的一条切实可行的途径。关键词：经济型，数控车床，电气设计，步进电机 Economic type CNC lathe electrical design Abstract Numerical control system of flexible automation for its superior performance, outstanding accuracy and stable, agile and functional diversity caused by the world. With the develop of science and technology,NC(numerical control) technology which has applied for the modem manufacture industry is bron and grow up. NC machine is the representative of advanced equipment in current mechanical manufacture industry. With the developing of modem manufacture industry, to design machine with NC, especially to study the economy milling-machines design with NC has becoming more urgent and arduous for us. After introducing NC machines history and current status and the analysis of similar type machine, a novel scheme for NC machine electric design and new NC machine selection is proposed; With the features of economy NC machine , the design of the machine electric system have been completed. Matching、jointing and diagnose trouble of the NC system have been completed. The main parameters of the machine have been confirmed and optimized too. The accuracy and function of machine in finality have been improved. The economy NC machine, so as to their working precision and productivity. It is proved that raising rate of NC control is a feasible way for enterprise to enhance their productivity and profit.Key words: Economy type, numerical control machine, Electric design，stepper motor 目 录摘要Abstract II1 绪 论. 6 1.1 经济型数控车床的产生和发展历程 .6 1.1.1 数控机床的发展简史 .6 1.1.2 我国数控技术的发展 .6 1.1.3 数控机床发展趋势 .81.2 研究课题的背景，意义及研究目标.- 10 1.2.1 课题的背景，意义.-11 1.2.3 课题的研究目标 .121.2.1 国外数控的发展.131.2.1 美国数控的发展史 .131.2.2 德国数控的发展史 .131.2.3 日本数控的发展史 .142 步进电动机的计算与选型.142.进给步进电机的选择.14 2.1 确定系统的脉冲当量.21 2.2 步距角的选择.21 2.3 矩频特性.21 2.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性 .223 主轴电机.21 3.1 主轴的变速范围 .21 3.2 初选主轴电机的型号 .22 3.3 主轴电机的校核.254 数控机床电气控制系统.264.1 驱动强电回路 .26 4.2 电源控制回路 .274.3 交流控制回路 .294.4 PLC 输入/输出回路设计 .304.5 数控机床运动坐标的电气控制.375 主轴的设计 . 37 5.1 主轴的要求.37 5.2 主轴的主要参数的技算及校核.38 5.3 主轴的钢度.43 6 电动机选择.44 6.1 轴承的选择 .44 62 角接触球轴承.45 6.3 圆柱滚子轴承 .46 64 深沟球轴承. 46 6.4 轴承间隙调整和预紧.46结论 . 48 致谢.49参考文献.50附录.51 绪绪 论论1.1 经济型数控车床的产生和发展历程1.1.1 数控机床的发展简史数控机床的研制最早是从美国开始的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949 年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服实验室合作，开始从事数控机床研制，于 1952 年试制成功世界第一台数控实验性样机。后又经过 3 年的改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。12到了 20 世纪 60 年代，由于晶体管的应用，使数控系统的可靠性得到了提高且价格下降，得到了广泛的应用。20 世纪 80 年代后期，随着加工中心功能和结构的完善，逐步显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心，铣车中心。20 世纪 90 年代后期又进一步发展了由激光，电火花和超声波等特种加工方法与切削，磨削加工方法组合的复合机床，使得复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。1.1.2 我国数控技术的发展1.1.2.1 国内数控机床现状近年来，随着机床工业的发展，我国机床一一“工作母机”一直保持两位数增长。2003 年产值达 260 亿元，产量居世界第四。我国的机床消费则超过 59亿美元(约合人民币 488/亿元)，首次跃居“世界第一” ，产值水平 260 亿元，消费超出 220 多亿元，其差额自然只有靠进口。据海关统计，2003 年我国进口机床产品金切机床及锻压设备约 31.5 亿美元，又是一个“世界第一”!而全行业出口仅为进口的 1/10 一一 3.1 亿美元。其中出口的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三大一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括。 “母机”水平看“数控” 。1992 年我国年产数控机床仅 2400 多台.到2003 年这一数字已为 2.48 万多台，比上年增长了 41.6l%。10 年来，我国数控金切机床产量翻了两番多，数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到 30%；消费值数控化率还不到 50%，而发达国家大多在?0%左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以 FMs 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。1.1.2.2 国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.31.1.3 数控机床发展趋势数控机床发展趋势1.1.3.1性能发展方向(1)高速，高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。从精密加工到超精密加工，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级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削，超精密磨削以及超精密特种加工。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及县零件的出现，更高精度的提出等都要求提高精密加工工艺水平，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。(2)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不时可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，要受性能价格比的约束。在可靠性方面，国外数控装置的平均无故障运行时间值达 6000H 以上，伺服系统的平均无故障运行时间为 30000H 以上，表现出非常好的可靠性。(3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补(非均匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。(4)内装高性能 PLC数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC 用户程序实例，用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。(5)数控机床设计 CAD 化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，计算机辅助设计技术的到了广泛的发展。CAD 不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更主要的是可以进行设计方案选拔和大件整机的静，动态特征的分析，计算，预测，和优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。机构设计模块化 任何一类机床都是由若干基础件，标准件和功能件组成的，尽管在同一类机床中有规格大小和立，卧等形式之分，但大体上功能都是相似的。为了便于发展同系列和跨系列变形品种，满足用户市场的需要，现在许多机床生产厂家都在发展自己的产品的模块化结构设计。1.1.32功能发展方向 用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前 INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。1.1.3.3体系结构的发展(1)集成化采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化1.21.2 课题背景、意义及研究目标课题背景、意义及研究目标1.2.11.2.1 课题背景、意义课题背景、意义1)专家预言进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。展望未来，发展具有自己特色的机床事在必行，经济型数控机床就应运而生。2)企业人才需求现状（l）蓝领层 主要从事数控机床的操作，在企业需求的数控岗位中占先70.13%，是企业数控人才需求量最大的部分；(2)银领层 主要指企业目前急需的人才具有扎实的数控加工工艺及编程基本理论知识和操作技能的工艺编程人员，在企业数控技术岗位中占12.6%；具有较强的数控设备、机械、电气调试及维护、维修动手能力的数控设备维修人员，在企业数控技术岗位中占 12.44%；(3)金领层 主要指精通机电、机电联调、机床操作、编程及维修的数控高层次技术人才，在企业数控技术岗位中占 4.83%。3)数控技术教育现状沈阳装备制造学校在校生达 3000 多人，其中数控、机电等工科专业学生占80%以上。学院有一个实习工厂，供学生机加工等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、数控机床的操作、维护等，学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要求，同时还能用微机控制铣削任意弧面及轮廓曲面，并且在学校所能承受的范围内，实习工厂需购置一些价格便宜的经济型数控车床。4）发展经济型数控车床的意义在我国的国民生产总值中，民营企业占了60%以上。 ，大多数又是中小企业。由于中小企业资金匮乏，买不起价格高昂的高档数控铣床，所以格便宜但又能满足一般加工精度和加工要求的经济型数控铣床需求量很大。中国的职业教育也正在快速的发展，经济型数控不但能满足学生对控机床的操作、编程、维护等实训的要求而且价格低。综上所述，经济型数控铣床在我过有很大的市场和需求，发展经济型数控铣床业势在必行。我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！1.2.21.2.2 研究目标研究目标设计的目标是制造出一款操作方便，稳定性好，造价低的经济型数控车床。我所做的设计是经济型数控车床电气部分。该机床的适用范围（1）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件；（2）加工过程中必须进行多工序加工的零件；（3）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备；（4）必须严格控制公差，对精度要求较高的零件；（5）工艺设计需多次故型的零件；（6）需要员短生产周期的零件；2）该机床需达到的加工要求（1）可以加工一般复杂的工件 数控机床的刀具运动轨迹是由加上程序决定的，因此只要能编制出程序，可以加工具有一般复杂的工件 。（2）加工精度高，尺寸一致性好 数控机床本身的精度都比较高，该机床的轴向定位精度为 0.015mm，重复定位精度为 0.008mm，在加工过程中操作人员不参与操作，因此工件的加工精度全部由机床保证，消除了操作者的人为误差。因而加工出来的工件精度高，尺寸一致性好，质量稳定。 （3）生产效率高 数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，通过合理选择切削参数，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，不仅能保证高精度，而且加工过程稳定。不需要在加工过程中进行中间测量，就能连续完成整个加工过程，减少了辅助动作时间和停机时间。阅此，数控机床的生产效率高。（4）可以减轻工人劳动强度，实现一人多机操作 一般数控机床加工出第一个合格工件后，工人只需要进行工件的装卡和启动机床，因此减轻了工人的劳动强度。该机床可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有白诊断和自停机功能，因此当一个工件的加工时间超出工件的装卡时间时，就能实现一人多机操作。 （5）经济效益明显 虽然数控机床一次投资及日常维护保养费用较普通机床高很多，但是如能充分发挥数控机床的能力，将会带来很高的经济效益这些效益不仅表现在生产效率高、加工质量好、废品少上，使用数控机床还能带来减少工装和量刃具，缩短生产周期，缩短新产品试制周期等优势，从而为企业产生明显的经济效益。 （6）可以精确计算成本和安排生产进度 在数控机床上，加工所需要的时间是可以预计的，并且相同工件所用时间基本一致，因而工时和工时费用可以精确估计。这有利于精确编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量。1.2 国外数控的发展状况1.2.1 美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952 年研制出世界第一台数控机床、 1958 年创制出加工中心、 70 年代初研制成 FMS、1987 年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80 代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。从90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。12.2 德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，于1956 年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 1.2.3 日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后， 1978 年产量(7,342 台)超过美国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位 (2001 年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 80 年*始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工 3,674 人，科研人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。二 步进电动机计算与选型步进电动机计算与选型2.1 进给步进电机的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角 b 及减速比 i 与脉冲当量 p 和导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i, 并满足： b (pi360)/L0 由上式可知：b pi360/L0 =3600.011/10=0.36初选电机型号为初选电机型号为:110BYG501:110BYG501（10NM10NM）具体参数如表）具体参数如表 2.12.12.1.12.1.1 确定系统的脉冲当量确定系统的脉冲当量根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角 b 及减速比 i 与脉冲当量 p 和导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i, 并满足： b (pi360)/L0 由上式可知：b pi360/L0 =3600.011/10=0.36初选电机型号为:110BYG501（10NM）具体参数如表 3.1脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定，本机床的定位精度为0.015mm，因此选用的脉冲当量为 0.01mm/脉冲 0.005mm/脉冲。2.1.22.1.2 步距角的选择步距角的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角 b 及减速比 i 与脉冲当量 p 和导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i, 并满足： b (pi360)/L0 由上式可知：b pi360/L0 =3600.011/10=0.36初选电机型号为:110BYG501（10NM）具体参数如表 3.1 所示 表 3.1： Z 轴步进电机步距角相数驱动电压电流110BYG5010.36 580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 5N.m 2200 3000040 kg.cm24.5kgX 轴电机步距角的确定b pi360/L。 L。=6mm , i=1 , p=0.005 b 0.3 初选电机型号为:990BYG501（5NM）X 轴向电机步距角相数驱动电压电流90BYG5010.3 580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 16 N.m 2500 3500015kg.cm216kg图 2-1 电机简图2.32.3 矩频特性矩频特性 =JkaM=J10 (N.cm) tn60max22由于：nmax=(r/min)360maxpbv则： Mka=J(N.cm)21060360max2ptbv式中：J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm）; 为电机最大角加速度（rad/s）;nmax 为与运动部件最大快进22速度对应的电机最大转速（r/min）;t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）;vmax 为运动部件最大快进速度（mm/min）; p 为脉冲当量（mm/脉冲） ；b 为初选步进电机的步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器等圆柱体的转动惯量计算公式为 J=(kg.cm),对于钢材，材82McD2料密度为 7.810(kg.cm ),则上式转化为 J=0.78D L10(kg.cm),式中：33432Mc 为圆柱体质量（kg）;D 为圆柱体直径（cm） ，JD 为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)转动惯量 Js Js=Js/i，i 为丝杠与电机轴之间的总传动比2由于 i=1则: Js=0.78D L1043=0.78(6.3) 1701043=208.9( kg.cm)2(2)工作台质量折算工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量JG:JG=（）M( kg.cm),式中：L。为导程（cm）;M 为工作台质量2。L22（kg）.由于 L。=1cm,M=90kg则 ： JG=（）M2。L2=902)14. 321(=2.28( kg.cm)21）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为 J1.大齿轮转动惯量 J2 折算到电机轴上为=J2()22iJ21zz22）两对齿轮传动传动总速比 i=i1i2,二级分速比为 i1=z2/z1 和 i2=z4/z3.于是，齿轮 1的转动惯量为 J1,齿轮 2 和 3 装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为 J2()和 J3().齿轮 4 的转动惯量要进行二次折算或以总21zz221zz2速比折算为：=J4()() 24iJ21zz243zz2因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级 i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=32,m=2 的转动惯量 J32,其分度圆直径 d=322=64mm 则:J45=0.786.7510=4.371 kg.cm432n=40,m=2 的转动惯量 J40,其分度圆直径 d=402=80mm 则:J40=0.78610=2.73kg.cm432两输入输出轴的转动惯量为:J 输入=0.781.81310=0.106 kg.cm ; L=130mm432J 输出=0.782.51310=0.396 kg.cm ; L=130mm432查表得：JD=4 kg.cm2综上可知：J=JD+Js+JG+J32+J40 （3-3） =252.302 kg.cm2又由于 V =1.461600=2236mm/min则：Mka=252.30210=41.1N.cm01. 05 . 16036036. 0233614. 322(3)力矩的折算：1）Mkf 空载摩擦力矩Mkf= i2。LfG式中：G 为运动部件的总重力（N） ； f为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比； 为传动系统总效率，一般取 =0.70.85；L。为滚珠丝杠的基本导程（cm） 。由于 G=9010=900N, f=0.05, i=1, =0.85则 Mkf =185. 014. 32105. 01090=8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩 M。=(1-。) i2。FyjL2式中：Fyj 为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取 1/3Fm;Fm 为进给牵引力（N）, 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 。0.9得 Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N又 L。=10mm ， =0.95则 M。=195. 014. 3213 .576=96.6 N.cm 则 =+M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cmkqMkaMkfM由于=kqMmqMjmaxM则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.mkqMjmaxM=0.955=4.75N.m所以所选步进电机合乎要求2.42.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性T=(fn-f0) )( 3 .57)(TlTcpJlJr式中：T 为加减速时间，Jr 和 Jl 分别为转子，负载的转动惯量（kg.m）2 为电机得步距角（） ，Tcp,Tl 为电机最大平均转矩，负载转矩（N.m）f。,fn 为起始加速时，加速终了时的频率（Hz）由于 Jr=0.410 kg.m 32Jl=0.0252 kg.m 2=0.36Tcp=5 N.m Tl=1.67 N.m f0=2200Hz fn=30000Hz 则 T=(30000-2200)4 . 15(3 .5736. 0)102 .25104 . 0(33 =1.2s1.5s所以选此步进电机能满足要求。三三 主轴电机主轴电机3.13.1 主轴的变速范围主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn, 即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。 由于 Nmax=1800 nmin=40Nmax/nj=2nj/nmin 则 nj=189.73r/min2401800这里 nj 为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为：Rn=nmax/nj =1800/189.73=9.484主轴电机的功率是：4kw=JkaM=J10 (N.cm) tn60max22由于：nmax=(r/min)360maxpbv则： Mka=J(N.cm)21060360max2ptbv式中：J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm）; 为电机最大角加速度（rad/s）;nmax 为与运动部件最大快进22速度对应的电机最大转速（r/min）;t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）;vmax 为运动部件最大快进速度（mm/min）; p 为脉冲当量（mm/脉冲） ；b 为初选步进电机的步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器等圆柱体的转动惯量计算公式为 J=(kg.cm),对于钢材，材82McD2料密度为 7.810(kg.cm ),则上式转化为 J=0.78D L10(kg.cm),式中：33432Mc 为圆柱体质量（kg）;D 为圆柱体直径（cm） ，JD 为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)转动惯量 Js Js=Js/i，i 为丝杠与电机轴之间的总传动比2由于 i=1则: Js=0.78D L1043=0.78(6.3) 1701043=208.9( kg.cm)2(2)工作台质量折算工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量JG:JG=（）M( kg.cm),式中：L。为导程（cm）;M 为工作台质量2。L22（kg）.由于 L。=1cm,M=90kg则 ： JG=（）M2。L2=902)14. 321(=2.28( kg.cm)21）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为 J1.大齿轮转动惯量 J2 折算到电机轴上为=J2()22iJ21zz22）两对齿轮传动传动总速比 i=i1i2,二级分速比为 i1=z2/z1 和 i2=z4/z3.于是，齿轮 1的转动惯量为 J1,齿轮 2 和 3 装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为 J2()和 J3().齿轮 4 的转动惯量要进行二次折算或以总21zz221zz2速比折算为：=J4()() 24iJ21zz243zz2因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级 i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=32,m=2 的转动惯量 J32,其分度圆直径 d=322=64mm 则:J45=0.786.7510=4.371 kg.cm432n=40,m=2 的转动惯量 J40,其分度圆直径 d=402=80mm 则:J40=0.78610=2.73kg.cm432两输入输出轴的转动惯量为:J 输入=0.781.81310=0.106 kg.cm ; L=130mm432J 输出=0.782.51310=0.396 kg.cm ; L=130mm432查表得：JD=4 kg.cm2综上可知：J=JD+Js+JG+J32+J40 （3-3） =252.302 kg.cm2又由于 V =1.461600=2236mm/min则：Mka=252.30210=41.1N.cm01. 05 . 16036036. 0233614. 322(3)力矩的折算：1）Mkf 空载摩擦力矩Mkf= i2。LfG式中：G 为运动部件的总重力（N） ； f为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比； 为传动系统总效率，一般取 =0.70.85；L。为滚珠丝杠的基本导程（cm） 。由于 G=9010=900N, f=0.05, i=1, =0.85则 Mkf =185. 014. 32105. 01090=8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩 M。=(1-。) i2。FyjL2式中：Fyj 为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取 1/3Fm;Fm 为进给牵引力（N）, 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 。0.9得 Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N又 L。=10mm ， =0.95则 M。=195. 014. 3213 .576=96.6 N.cm 则 =+M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cmkqMkaMkfM由于=kqMmqMjmaxM则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.mkqMjmaxM=0.955=4.75N.m所以所选步进电机合乎要求3.2 初选主轴电机的型号初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为 1HP6167-4CB4，连续负载 PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载 n/r.min=5000，最大转速 nmax/r/min=8000,额1定转矩 277N.m,惯性矩 0.206/kg.m（主轴型号说明详见附录）23.33.3 主轴电机的校核主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：Rn=nmax/nmin=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。四四 数控机床电气控制系统数控机床电气控制系统4.1 驱动强电回路驱动强电回路如图4-1，驱动强电回路包括3个部分，首先是电源总开关部分，电路采用QF开关来承担整个电路的过载保护。第二部分为伺服系统电源部分，它为整个数控机床的伺服系统部分供电。主电路提供380V三相电源。余下的部分是220V控制电源部分。该部分主要为DC24V开关电源电路和单相刀架电机电路提供220V电源。220V电源由变压器TC2作用获得。电路分别采用断QF2,QF3,QF4来完成。当按动NC开关按钮，KA1触点闭合并形成自锁，KM1得电吸合，强电电源接通，电路正常工作供电。QF2，QF3，QF4分别为主轴电机开关，冷却开关和刀架开关。KM1，KM2分别为主轴正，反转的交流接触器。R为限流电阻，防止在点运动时连续的启动电流造成电动机的过载。冷却电机由交流接触器KM3来控制，当冷却电机点启动按钮按下时，接触器闭合，冷却电机起动运转；当按下停止按钮时，接触器断开，冷却电机停转。QF4为控制刀架的开关，KM4，KM5分别为刀架电机正反转的交流接触器。图4-1强电回路图1（不带变频器）4.24.2 电源控制回路电源控制回路 图4-3为电源控制回路，机床三相电源由旋动开关SA0引入，为了电路安全，电路选择一漏电保护开关FU2，起电路保护作用。由于伺服系统部分所需的电压不是主电路的380V而是200V，所以该部分需要伺服变压器TC来完成这一过程。安全指示灯HL及检测电流表、电压表并联在电路上，起电源检测作用电源开关接通后，指示灯立即发光显示，电流表与电压表正常示数，指示系统工作电流电压，表示电气线路处于正常供电状态。Uv控制变压器T-TC1SOLx1.5mmRDCuT-QF4ACDABT-KM1AC0V750Wx0.75mmBKCuAC80VACT-QF31A1BM-ELVAC 10w工作灯AC21V 70Wx0.5mmBKCuT2T2mmGNYFCuCT-QF7x1mmRDCuAC220V 280WABA3A2D2T-M3电柜风扇T-M4电柜风扇T-VCV 6.5AS-150-24Vx1mmBKCuT-M5吊挂风扇A1C1B2T2C2BS低通滤波器图4-3电源回路图 4.34.3 交流控制回路交流控制回路主轴电机正转主轴电机反转冷却开关刀架正转正转反转开/停AT-KA1T-KA2T-KA3T-KA4T-KM5T-KM1A1A1A1A1A2A2A2A2+T-RC5+T-RC6+T-RC7+T-RC8+T-KM1+T-KM2+T-KM3+T-KM4BT-KA5A1A2+T-RC9+T-KM4刀架反转T-KM2T-KM4 图4-4交流控制回路（不带变频器）4.44.4 PLCPLC 输入输入/ /输出回路设计输出回路设计PLC输入电路图设计。PLC输出指令信号说明如下：输入指令：X1.6 变频器报警信号；X0.4、X0.5、X0.6、X0.7 刀架检测信号；X0.0、X0.1、X0.2、X0.3 分别为X轴和Z轴超程信号。X1.0、X1.1 X轴，Z轴回零信号；X1.4，X1.5，为冷P-XS10VGPLCXS10X23X22X21X20X17X16X15X14X13X12X11X10X06X05X04X03X02X01X00X07T-KA2M-SQZ-2M-SQX-2M-SQZ-3M-SQZ-1M-SQX-3M-SQX-1外部运行允许伺服报警主轴电机过热冷却电机过热Z轴回零Z轴负限位x轴回零Z轴正限位x轴负限位X轴正限位40/01/B301/01/C601/01/C84号刀位3号刀位2号刀位1号刀位却电机报警，主轴电机报警PLC输出电路图设计PLC输出信号送到直流继电器和操作面板信号灯两部分。指令信号说明如下：Y0.0为驱动强电信号；Y1.2、Y1.3刀架正转和反转信号；Y1.7变频器电源接通；Y1.1主轴反转信号。Y1.0 主轴正转信号；Y0.7 刀架反转；Y0.6 刀架正转；Y0.5 冷却电机开/停信号；Y0.3 备用；OTBS1，OTBS2 为超程解除信号。ESTOP1，ESTOP3 为急停信号。P-XS20VGVGOTBS1OTBS2ESTOP1ESTOP3ESTOP1ESTOP3OTBS1OTBS2015Y17014Y16013Y15012Y14011Y1309Y1.108Y1.007Y0.706Y0.605Y0.504Y0.403Y0.302Y0.200Y0.001Y0.1010Y12Y11Y10Y05Y00128127100E5超程解除急停主轴电机反转主轴电机正转冷却电机开/停驱动强电Y17Y1.6Y1.5Y1.4Y1.3Y1.2Y01Y02Y03Y04Y06Y07刀架刀架反转正转备用4.54.5 数控机床运动坐标的电气控制数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成，其控制框图如下图。 伺服系统的一般结构(1)电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。(2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。(3)位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉 冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值的设置要注意两个问题，首先要满足下列公式：Kv=v/式中v坐标运行速度，m/min跟踪误差，mm注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。例如，坐标运行速度的单位是m/min，则Kv值单位为m/(mmmin)，若v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/(mms)。其次要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是以Kv值最低的坐标轴为准。位置反馈(参见上节“位置测量”)有三种情况：一种是没有位置测量元件，为位置开环控制即无位置反馈，步进电机驱动一般即为开环；一种是半闭环控制，即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后，可以得到很高的位置控制精度；第三种是全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，理论上这种控制的位置精度情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低，如若不然，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题，千万不可轻视。(4)前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能，故本文不详述，只是要注意，前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。五、主轴主要参数的计算及校核5.1 主轴的要求5.1.1 旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后在无载荷低转速的条件下主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件如主轴、轴承、箱体孔的的制造装配和调整精度。还决定于主轴转速支撑的设计和性能润滑剂及主轴组件的平衡。 通用包括数控机床的旋转精度已有标准规定可循。 5.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度简称刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲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配置形式和预紧前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量传动件的布置方式主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。5.1.3 抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度缩短主轴轴承寿命还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度质量分布和阻尼特别是主轴前支撑的阻尼主轴的固有频率应远大于自激振动的频率以使它不易发生共振。 目前尚未制定出抗振性的指标只有一些实验数据可供设计时参考。 5.1.4 温升和热变形 主轴组件工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等而发热产生温升从而使主轴组件的形状和位置发生变化热变形。 主轴组件受热伸长使轴承间隙发生变化。温度使润滑油粘度降低降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同还会导致主轴轴线倾斜。 由于受热膨胀是材料固有的性质因此高精度机床要进一步提高加工精度往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热如何控制温度是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。 5.1.5 耐磨性 主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承其次是安置刀夹具和工件的部位如锥孔定心轴径等。 为了提高耐磨性一般机床主轴上的上述部分应淬硬至 HRC60 左右深约 1mm. 5.1.6 材料和热处理 主轴承载后允许的弹性变形很小引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此强度一般不做为选材的依据。 主轴的形状尺寸确定之后刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同因此刚度也不是选材的依据。 主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。普通机床的材料通常是 45 号或 60 号优质中碳钢数控机床需调质处理和淬火。 5.2 主轴的结构为了提高刚度主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离称悬伸量应尽可能小一些。为了便于装配主轴通常作成阶梯形的主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件轴承等零件的类型数量位置和安装方法有直接的关系。 主轴中的孔主要 用于通过棒料拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料车床的中空希望大些但受刚度条件的影响和限制孔径一般不宜超过外径的 70%。主轴的结构如附图 1。5.2主轴主要参数的计算主轴的主要参数是：主轴前端直径D1，主轴内径d。主轴悬伸量a和主轴支撑跨距L。5.2.1主轴前端直径D1 主轴D1（按电机功率）如下表5-1（mm）：功率（kw）D1机床1.42.523.635.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床5060557070807590车床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐渐减小的。前轴颈直径D1大于后轴直径D2。对于车、铣床一般，由上表可取D1=110mm。21(0.70.9)DD因此可知由式子 21(0.70.9)DD后端直径2110 0.7582.5Dmm圆整后 280Dmm5.2.2主轴内径 d 主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。确定内孔径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下，应取最大值。主轴的内径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I4111()kIdkID 空空实实由式子可知取孔径的直径极限为1maxd1max10.7dD此时若孔径再大，刚度急剧下降根据推荐值110.6dD0. 65 取 d1=55 mm110.6dD5.2.3主轴前端悬伸量a确定 图5-1主轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，参考（1）表6.1-45，它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。 悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。 E-材料的弹性模量I-轴惯性距-前刚度值 -后刚度值1K2K初选a值可参考下表5-2确定车床和主轴类型11aD精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求0.61.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求1.252.5表5-2计算得悬伸量为80mm5.2.4 主轴跨距的确定主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距（） 。实验证明，动态作0l用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度）2533.443sin332.370aabNkFdzm其中：0eFFF内径为110mm,查参考（2）表4.3-5 2520z 19.05bd 查轴承样本额定动载荷74cKN取 10ecF7400eFN01380FN计算得主轴跨距为300mm5.3 轴的刚度计算如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径d （mm） （参考文献2）1 12 2n nd ld ld ldlL式中 、分别为各段的直径和长度1d1l2d2lndnl（） ； 总长，l12()nllllmmL如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。如主轴前端作用一外载荷F如下图（参考文献3）图5-2 主轴组件计算模型则挠度： （参考文献2）223()1033sFa lFa lmmEIEl 254413274 903003 2 100.05 (11066 )6.67mm 式中 F外载荷（N） ； a前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm） ； l跨距，等于前后支承的距离（mm） ； E弹性模量，钢的；52 10 ()EMPa I截面惯性距, ；4440.05()()iIddmm主轴的外径和孔径（mm） 。idd、又因为，孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求。/0.6idd 六、主轴轴承的选择6.1 轴承的选型 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体的数目有限，刚度是变化的，抗震性略差，但总体来说，数控机床主轴组件在可能的条件下，应尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴在套筒内能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑，以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。主轴轴承主要应根据精度、刚度和转速来选择，为了提高精度和刚度，主轴轴承间的间隙应该是可调的。线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度高，但一定温升下允许的转速较低，下面就简述几种常用的数控机床主轴的机构及适用范围。 角接触球轴承这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种： =25，=15，其中=25的编号为7000AC型（旧代号为46100型） ，属于特轻型；或编号为7190AC型（旧代号为46900型） ，属于超轻型。=15的编号为7000C型（旧代号为36100型） ，属于特轻型；或编号为7190C型；或编号为7190C型（旧代号为1036900型） ，属于超轻型。如图6-1所示（参考文献2）图 6-1角接触球轴承角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同，其应用有所区别，=25的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；=15的转速可更高一些，但是轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小、转速较高的磨床主轴或不承受载荷的车、镗、铣主轴后轴承。图6-2角接触球轴承这种轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的方法。所以本设计前支承采用双联组配的方式，代号为DF。 6.2 圆柱滚子轴承图6-3为双列圆柱滚子轴承（参考文献2） ，他的特点是内孔为1：12的锥孔，与主轴的锥行轴径相配合。轴向移动为内圈，可把内圈胀大，以消除径向间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。图 6-3双列圆柱滚子轴承6.3圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受双向的轴向载荷，滚子数量大，故刚度和承载能力均较大。由于圆锥滚子轴承是外缘凸肩轴向定位，因而箱体上通孔加工方便，但缺点是滚子大端的端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较大，故允许的极限转速较低。6.4深沟球轴承这种轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。在本设计中，前轴承采用角接触球轴承以适应较高速的要求。主轴轴向载荷较大，故选用接触角的轴承。轴向力的方向是从轴头部指向尾部，25故前轴承采用三联组配，前两轴承同向都面朝前，共同承担轴向载荷。后一轴承与前两轴承背靠背，以实现预紧。后支承的载荷较大，因此采用双列圆柱滚子轴承。这种轴承的外圈是可以分离的，主轴热膨胀时，可连同轴承内圈的滚子在外圈滚道上轴向移动。后轴承直径比前轴承小，预紧力也小，因此温升不致超过前轴承。6.4轴承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，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的欲变形，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动体和滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承的寿命降低，故预紧要适当。本设计为数控车床的主轴组件设计，功率相对较小，所以取中预紧。还要特别注意：在进行空运转试验之前，一定要首先检查润滑系统各部位供油是否正常，特别是经过预紧的轴承部位，更需要特别留意其润滑油供给充足，工作状况良好。六 结 论本次设计的数控系统以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。数控机床与普通机床相比，数控机床有如下特点：-加工精度高，具有稳定的加工质量；-可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；-加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；-机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35 倍）；-机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；-对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展，对数控机床的设计，特别是经济型数控机床的设计已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对