车床数控改造设计【全套CAD图纸+毕业答辩论文】

买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 摘要 数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 因此了解数控车床的结构与工作原理是操作、维修、改进数控车床的前提，也是设计一款数控车床的基本。基于此本 文介绍了数控车床的主轴系统、伺服进给系统、刀架系统等的特点、设计要求及结构特点，对于系统部件也作了介绍。 关键词： 数控车床 主轴系统 伺服进给系统 刀架系统 买文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 is a is is by so It is in of in of is of of is it a in it is is of it is of to a 文档就送全套 纸 扣扣交流 414951605 含全套 纸和论文 答辩精品 目录 第一章 概述 1 一 数控机床的产生与发展 1 二 数控机床的组成与适用范围 1 三 数控机床的特点与分类 3 四 数控技术的发展趋势 4 第二章 设计基本思想和主要参数 5 一 课题要求 5 二 设计思想 5 第三章 主轴系统设计与结构 7 一 主传动系统概述 7 二 主轴驱动装置、工作特性及速度控制 8 三 主轴部件 9 四 主传动系统设计与结构说明 13 第四章 进给系统设计与结构 15 一 进给传动系统概述 15 二 交流伺服驱动装置及调速 17 三 位置检测装置 18 四 进给传动机构 20 五 进给传动系统结构说明 22 总结 26 参考文献 27 交流 14951605 第 页 2 第 页 3 第一章 概述 一 数控机床的产生及发展 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。 我国是从 1958年开始研究数控技术，一直到 60年代中期处于研制、开发时期。 第 页 2 当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。 1965年国内开始研制晶体管数控系统。从 70年代开始，数控技术在 车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 80 年代，我国从日本发那科公司引进了 5、 7、 3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985年，我国数控机床品种有了新的发展。 90 年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。 二 数控机床的组成与适用范围 （一 ） 数控机床的组成 如图所示，数控机床由以 下几个不分组成。 1、程序介质 根据零件的几何和工艺要求，确定零件加工的工艺过程和工艺参数，然后按规定的代码和格式编制数控加工程序。编制程序的工作可由人工完成，也可以用计算机自动编程系统来完成。比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。 编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储介质上，称为程序介质，可以是穿孔纸带、磁带、磁盘等。 2、输入输出装置 输入输出装置主要用于零件数控程序的编制、存储、打印和显示等。简单的输入输出装置只包括键盘和发光二极管显示器。一般的输 入输出装置除了人机对话编程键盘和 ，还包括纸带、磁带和磁盘输入机、穿孔机等。高级的数控系统还使用自动编程机或 3、数控装置 数控装置是数控机床的核心。它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令。 第 页 3 4、伺服驱动系统、位置检测装置及辅助控制装置 伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并于机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发出来的速度和位移指令，控制执行部件的进给速度、方向和位移。 每个进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统由开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。 5、机床的机械部件 数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板及其传动部件和床身立柱等支承部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心车床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。 (二 ) 数控机床的使用范围 数控机床适用于加工： （ 1）生产批量小的零件（ 100 件以下）； （ 2）加工精度高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类的零件； （ 3）需要进行多次改型设计的零件； （ 4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件； （ 5）价格昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现错而报废，将产生巨大的经济损失。 三 数控机床的特点与分类 （一）数控机床的特点 数控机床是一种高效能自动化加工机床。与普通机床相比，数控机床具有如下特点。 1、适应性强 数控机床是按照被加工零件数控程序来进行自动 加工的，当改变加工零件时 ,只要改变数控程序软件，而不需要改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应加工。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。 2、精度高，质量稳定 数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，加工零件按数控程序自动进行，可以避免人为的误差。因此，数控机床可以获得比普通机床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生产的一致性，产品质量稳定。 3、生产率高 数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机加工时。还有自动换刀转速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，而且无 需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为减缩。 第 页 4 4、能完成复杂型面的加工 许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现，而数控机床完全可以完成。 5、减轻劳动轻度，改善劳动条件。 由于数控机床是自动完成对零件的加工的，许多动作不需要操作者进行，因此劳动条件和劳动强度大为改善。 6、有利于生产管理 采用数控机床，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。 (二 ) 数控机床的分类 1、按工艺用途分类： （ 1）普通数控机床 （ 2）数控加工中心（带有刀库和自动换刀装置 的数控机床） 2、按控制运动的方式分类： （ 1）点位控制数控机床 （ 2）点位直线控制数控机床 （ 3）轮廓控制数控机床 3、按伺服系统的控制方式分类： （ 1）开环数控机床 （ 2）半闭环控制数控机床 （ 3）闭环控制数控机床 4、按所用数控系统的档次分类 （ 1）低档数控机床 (主要用于车床、线切割机床及旧机床改造 ) （ 2) 中档数控机床 (伺服进给采用半闭环及直、交流伺服控制 ,三至四轴联动制 ） （ 3) 高档数控机床 (伺服进给采用闭环及直、交流伺服控制，五轴或以上联动制 ） 以上中、高档数控机床一般称为全功能数控或 标准型数控。 四 数控技术的发展趋势 随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。 1、高速、高精度 高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不仅是要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。 高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。 第 页 5 2、“开放式” 要求新一代数控机床的 控制系统是一种开放式、模块化的体系结构。系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。 3、智能化 所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征，自动感知加工系统得内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、背吃刀量、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 （ 1） 在数控系统中引进自适应控制技术 自适应控制实在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数 （ 2） 设置故障自诊断功能 （ 3）具有人机对话自动编程功能 （ 4）应用图像识别和声控技术 4、复合化 复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现一机多能，最大限度的提高机床的开机率和利用率。 5、高可靠性 高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。 6、多种插补功能 数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线 插补、圆柱插补、假想坐标插部等。 7、人机界面的友好 第二章 设计基本思想和主要参数 一 课题要求 （一）题目名称 数控车床机械结构设计（加工直径 500 （二）课题内容及工作量 （ 1）数控车床总装配图设计 （ 2）主轴部件设计 （ 3) 刀具进给系统设计 第 页 6 （ 4）设计图量 张 、 设计说明书一份 （ 5）外文翻译 5000汉字； 全部图纸用计算机辅助绘图，说明书由计算机输出打印。 二 设计思想 参照济南第一机床厂的 数控车床来进行设计：床身和导轨的布局采用水平床身斜滑板；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 行介绍： （一） 控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、形成回转体表面。对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰空、镗孔等加工。机床还可以完成车端面、切槽、倒角的加工。 （二） 控车床为两坐标连续控制的卧式车床。床身为平床身，床身导轨上面支承着 30度倾斜布置的滑板，排屑方便。导轨的横截面为矩形，支承刚性好，且导轨上配置有防护罩。床身的左上方安装有主轴箱，主轴有 去变速传动装置，因此使主轴箱的结构变得十分简单。为了快速而省力地装夹工件，主轴卡盘的夹紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。 床身右上方安装有尾座。该机床有两种可配置的尾座，一种是标准尾座，另一种是选择配置的尾座。 滑板的倾斜导轨上安装有回转刀架，其刀盘上由 10 个工位，最多安装 10 把刀具。滑板上分别安装有 根据用户的要求，主轴箱前端上可以安装 对刀仪，用于机床的机内对刀。检测刀具时，对刀仪的转臂摆出，其上端的接触式传感器测头对所有刀具进行检测。检测完成后，对刀仪的转臂摆回到原位，且测头被锁在对刀仪防护罩中。 机床上配置有操作面板，机床防护门，可以配置手动防护门，也可以配置气动防护门。液压系统的压力由压力表显示。附有主轴卡盘夹紧与松开的脚踏开关。 （三） 允许最大工件回转直径 500大切削直径 310大切削长度 650轴转速范围 353500r/续无级 ) 其中恒扭矩范围 35437 r/中恒功率范围 4373500 r/第 页 7 主轴通孔直径 80管直径 65架有效行程 182 轴 675速移动速度 0m/轴 15m/装刀具数 10把 刀具规格 车刀 25刀 12 45刀方式 刀盘就近转位 分度时间 单步 180 座套筒直径 90座套筒行程 130轴 服电动机连续 /30 超载 11/15给伺服电动机 C 轴 床外形尺寸（长 x宽 2995三章 主轴系统设计与结构说明 一 主传动系统概述 （一）主传动系统特点 1、目前数控机床的主传动电动机已不再采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机，它们已逐步被新型的交流调速电动机和直流调速电动机所代替。 2、转速高，功率大。它能使数控机床进行大功率的切削和高速切削，实现高效率加工。 3、变速范围大。数控机床的主传动 系统要求有较大的调速范围，一般 100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 4、主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。 （二 ） 对主传动系统的要求 数控机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。 数控机床为了保证加工 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。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以， 第 页 8 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。 数控机床加工精度的提高，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. 良好的抗振兴和热稳定性。 数控机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。 机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。 二 主轴驱动装置、工作特性及速度控制 为了满足数控机床对主轴驱动要求，主轴电动机须具备下述性能： （ 1） 电机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围要宽； （ 2） 在断续负载下电机转速波动要小； （ 3） 加速、减速时间短； （ 4） 温升低，振动小，噪声小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻； （ 5） 电动机过载能力强。 （一）交流主轴驱动装置及其工 作特性 大多数进给交流伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应异步电动机，这是因为数控机床主轴驱动系统不必像进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床的主轴的要求。 交流主轴电机的性能可由图所示功率 /速度曲线反应过来。从图中曲线可见交流主轴电机的特性曲线与直流电机类似，即在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电机，如图中所示那样，当电机速度超过某一定值后，其功率 /速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电机，这个恒功率的速度范围只有 1： 3的速度比。另外交流主轴电机也有一定的过载能力，一般为额定值的 载时间则从几分钟到半个小时不等。 第 页 9 （二）交流主轴电机的调速 交流主轴电机属于交流感应电机，当定子三相绕组通上三相交流电时，将建立起旋转磁场，其主轴磁通 m 的空间转速为同步转速 值为 0f1/p (r/式中， 感应电机转子的转数 n=60p 式中， s=(上面可知调速方法分为两类。第一类改变同步转速 可以改变极对数 p，由于 p 是正整数，所以只能得到级差很大的有级调速，仅适用于不要求平滑调速的场合；另外是变频调节，采用连续地调节定子电源频率 实现连续地改变电动机的转速，它是一种高效型交流调速，范围宽，精度高，是数控机床中常用的方法。第二类是不改变同步转速的调速，常用的有调压调速和电磁调速，由于有转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控机床调速。 从以上分析中，可知改变电源频率的调速是一种最有前途的调速方案，只要改变 调速。但实际调速中单纯改变频率是不够的，因为当磁场以 在每组绕组感应电势为 m 中， 以 m= 此可知，保持定子电压 主磁通 调速过程中，如果频率从工频往下调节，则 m 上升，将导致铁心过饱和而使励磁电流迅 速上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。因此，必须在降低频率的同时，降低电压，以保持 m 不变。这就是恒磁通变频调速中的“调频调压控制”。 变频调速有下面几种控制方式： 第 页 10 （ 1）恒转矩调速 （ 2）恒最大转矩调速 （ 3）恒功率调速 为了扩大调速范围，可以使 于 I 频频率，得到 n 调速。由于定子电压不许超过额定电压，因此 升高而降低。这时相当于额定电流时的转矩也减少，特性变软。可得到近似恒功率的调速特性。 三 主轴部件 主轴部件是机床的一个关键部件，数控机床的主轴部件，既要满足精 加工时高精度的要求，又要具备粗加工时高效切削性能的要求，因此，数控机床对主轴回转精度部件的结构刚度和抗振性，运转温度和热稳定性，以及部件的耐磨性和精度的保持能力等方面，都有很高的要求。 （一）主轴部件的性能要求 主轴部件是机床主要部件之一。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，所以对主轴部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，铣床轴端的 7： 24 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 刚度主要反映机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。数控机床既要完成粗加工，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，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。 4、可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性。 5、精度保持性 对数控机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，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度 低温升的要求。 第 页 11 （二）主轴组件的动态特性 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，主轴各点的振动方向一致。 主轴在弹性支座上摇摆 ，左右振动方向相反。 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。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）增大比尼。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。 （三）主轴部件的组成 1、主轴部件 一般数控机床的主轴部件由主轴、主轴支承、传动件和相应的紧固件组成。对于具有自动换刀功能的数控机床，主轴部件还包括刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴孔的清理装置等结构。主轴部件的构造，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 第 页 12 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。本数控车床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向），圆锥孔双列圆柱滚子轴承只承受径向力，角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。 3、主轴的支承 （ 1）轴承的选择 机床主轴常用的滚动轴承有：圆锥孔双列圆柱滚子轴承，双列推力向心球轴承，双列圆锥滚子轴承，带凸肩的双列空心圆柱滚子轴承，带预紧弹簧的单列圆锥滚子轴承和角接触球轴承。在这次设计中用到的滚动轴承主要有： a 、圆锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为 1： 12 的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。它的内外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差是轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。 b、角接触球轴承 这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。角接触球轴承一般组合使用。背对背组合、面对面组合和同向组合，这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；背对背、面对面可承受双 向轴向载荷；同向组合只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。 轴承要合理配置，对提高主轴部件的精度和刚度，降低支承温升，简化支承结构有很大的作用。主轴的前后支承均应有承受径向载荷的轴承。 （ 2）轴承的预紧 所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除减隙，而且还能使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减小，抵抗变形的能力增大。因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理 选择预紧量，可以提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性。机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间后，间隙或过盈有了变化，还得重新调整，所以要求预紧结构便于进行调整。滚动轴承间隙的预紧与调整，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法如下： a、轴承内圈移动。 这种方法适用于圆锥孔双列圆柱滚子轴承。用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上作轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。 b、修磨座圈或隔套。 当轴承外圈宽边相对（背对背）安装，这时修磨轴承内圈的内侧；当轴承 外圈窄边相对（面对面）安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按相对关系装配，并用螺母或法兰盘将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面紧贴，这样在使两个轴承的滚道之间产生预紧。另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外 第 页 13 圈之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使滚道之间产生预紧。 （ 3）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。 a、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 （常用于球轴承）。 b、油气润滑 如果转速较大时，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。 滚动轴承 属于 精密零件，因而在使用时要求相应地持慎重态度，既变使用了高性能的轴承，如果使用不当，也不能达到预期的性能效果 。 所以，使用轴承应注意以下事项： * 保持轴承及其周围环境的清洁。即使肉眼看不见的微笑灰尘进入轴承，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 。 四 主传动系统设计与结构说明 （一）主运动传动系统 数控车床的传动系统：其中主运动传动系统由功率为 11/15一级 1： 1 的带传动带动主轴旋转，使主轴在 353500r/转速范围内实现无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构，因此减少了原齿轮传动对主轴精度 的影响，并且维修方便。 第 页 14 主轴功率扭矩特性 主轴传递的功率或扭矩与转速之间的关系：当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在 4373500r/轴应能传递电动机的全部功率 11线）为主轴的恒功率区域。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（ 245N m）应随着主轴的转速的增高而变小。主轴转速在 35437r/围内的各级转速并不需要传递全部功率，但是主轴的输出扭矩不变，称为主轴的恒扭矩区域 I（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴的转速的降低而降低。电动机的超载功率为 15载的最大输出扭矩为 334 N m。 （二）主轴箱结构 1、主轴箱结构 数控车床主轴箱结构如图，交流主轴电动机通过带轮 15把运动传给主轴。主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承和一对角接触轴承组成，圆锥孔双列圆柱滚子轴承用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支承轴承的间隙用螺母来调整。用螺钉来防止螺母回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承，轴承间隙用两个螺母来调整。两个螺钉是防止螺母回松的 。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜低速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮以及同步带带动脉冲编码器，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉固定在主轴箱体上。 第 页 15 主轴箱结构图 2 、液压卡盘结构 液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸 1与接套 9用螺钉 11连接，接套通过螺钉于主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。卡盘的夹紧与松开，由回转液 压缸通过一根空心拉杆 2来驱动。拉杆后端与液压缸内的活塞 10用螺纹连接，用两端有螺纹的连接套 3 连接拉杆和滑套 6。当液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向卡盘方向移动时，滑套向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座 4 带着卡爪 5 沿径向向外移动，则卡盘松开。反之液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。卡盘体 8 用螺钉 7 固定安装在主轴前端。 液压卡盘结构图 第 页 16 第四章 进给系统设计与结构说明 一 进给传动系统概述 （一）进给传动系统的特点 1、尽量采用以摩擦得传动副。如采用静压导轨、滚 动导轨和滚珠丝杠等，以减小磨擦力。 2、选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。 3、缩短传动链以及用预紧的方法提高系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等方法来提高转动系统的刚度。 4、尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套、用键加紧螺钉紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等），采用有消 除间隙措施的传动副等。 （二）对进给传动系统的要求 为确保数控机床寄给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，提出如下要求。 1、高的传动精度与定位精度 数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，对采用步进电动机驱动的开环控制系统尤其如此。无论对点位、直线控制系统，还是轮廓控制系统，传动精度和定位精度都是表征数控机床性能的主要指标。设计中，通过在进给链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等方法，可达到提高传动精度和定 位精度的目的。由此可见，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服传动机构的精度，是影响工作精度的主要因素。 2、宽的进给调速范围 伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达到 36000mm/了完成精密定位，伺服系统得低速趋近速度达 了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达 15m/多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方向的运动速度也要配合适当；这是对数控系统合伺服进给系统提出的共同要求。 3、响应速度要快 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，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工 第 页 17 作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高进给系统的快速响应特性。 4、 无间隙传动 进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各个传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此应尽量消除传动间隙，减小反向死去误差。设计中可采用消除间隙的联轴器及有间隙措施的传动副等方法。 5、稳定性好、寿命长 稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振的。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数 控机床传动精度和定位精度的时间长短，及各传动部件保持其原来制造精度的能力。设计中各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠和传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。 6、使用维护方便 数控机床属于高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂件的生产加工，机床的开机率相应就高，因此，进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。 二 交流伺服驱动装置及调速 （一）交流伺服电机 用于闭环和半闭环系统的伺服驱动装置常有 直流伺服电机、交流伺服电机等，这与主轴驱动装置类似。交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中的电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制的情况。 交流伺服电机的功工作原理和两相异步电动机相似。由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无法控制 信号时它不转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，往往不能立即停止而要继续转动一会。 交流伺服电机也是有转子和定子构成的。定子上有励磁绕组和控制绕组，这两个绕组在空间上相差 90电角度。若有两相绕组上加以幅值相等、相位差 90电角 第 页 18 度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为 90电角度，则产生的磁场是一个椭圆型旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。例如，负载转矩一定，改变控制信号， 就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。 （二）交流伺服电动机的调速 交流伺服电动机调速与交流主轴电机的调速相似，即采用变频调速。下面介绍变频调速产生的磁场定向调速系统，即矢量变换控制。磁场定向调速的基本原理是通过矢量变换，把交流电动机等效为直流电动机，因为异步电动机的电磁转矩难以直接控制，也就不易获得良好的控制性能，而直流电动机能对电磁转矩进行良好的控制，使直流调速系统具有良好的动态性能。其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立的。它先将三相对称绕组等效成两相对称绕组，再将其等效成旋转的两个 直流正交绕组，这两个正交绕组组成正交坐标轴，一个相当于直流电机的等效磁通，另一个相当于直流电机的等效电枢电流。在旋转的正交坐标系，交流电动机的数学模型和直流电动机的一样。这种等效要经过三相 量旋转变换、直角坐标 能得到所需的控制变量，使交流电动机能像直流电动一样，对转矩进行有效的控制，故称其为矢量变换控制。又因为旋转的两个正交坐标轴是由磁通矢量方向决定的，所以又称磁场定位控制。 交流伺服电动机由幅值控制、相位控制以及幅值 持控制电压和励磁电压之间的相位 差角为 90，仅仅改变控制电压的幅值，这种控制方式叫幅值控制；保持控制电压和励磁电压之间的不变，仅仅改变控制电压与励磁电压之间的相位差角，这种控制方式叫相位控制；在励磁