数控龙门钻床主轴设计

1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书河南理工大学毕业设计（论文）任务书专业班级 学生姓名 一、题目 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任务与要求指导教师 职称 学院领导 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评阅人评语题目 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）评定书题目 指导教师 职称 年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明 共 页2、图纸 共 张3、指导教师意见 共 页4、评阅人意见 共 页经审查， 专业 班 同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计

2、（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。 指导教师 签字（盖章）年 月 日根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长） 签字（盖章）年 月 日河南理工大学毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议 学院 专业 班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩： 三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席： 签字（盖章

3、）年 月 日龙门式数控钻镗床设计主轴系统专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机制本10-2 姓名： 李 曼 指导教师： 刘建慧 摘 要数控技术的应用已成为制造业发展的支柱技术，数控机床将会在制造行业中发挥举足轻重的作用。轴承保持架是轴承中主要的设备，在工业中有着重要的作用。轴承保持架的制造技术对工业的发展有重大的影响，专用数控轴承保持架钻床是为轴承行业开发的一种高效率、高精度、高自动化、数字化机床加工设备，能制造现在各行业所需要的各种高精度、高要求的轴承保持架。本文主要设计专用数控轴承保持架钻床的主轴箱体、床身和滑台。通过本次设计并与相关组件相结合，可获得全新型的数控轴承保持架钻床。新型数

4、控钻床的成功应用可实现缩短制造周期，提高制造质量，提高企业的技术创新能力和市场竞争力的目的。全面阐述了数控龙门钻床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控龙门钻床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。通过这次设计，我的各方面的能力都得到了锻炼和提高，为以后的学习、工作打下的坚实的基础。关键词：专用数控轴承保持架钻床、 滑台、 精度、 粗糙度AbstractCNC technology has become the backbone technology of manufacturing development，CNC machine to

5、ol will play a pivotal role in manufacturing industry.The bearing cage in Bearing is the main equipment, it plays an important role in the industry. The manufacturing technology of Bearing cage have a significant impact to industrial development, Special CNC drilling machine for bearing cage develop

6、ed a high efficiency, high precision and high automation, digital processing machine tools equipment for bearing industry. It can create a variety of precision required, demanding bearing cage for the industry. This article specifically designed of CNC drilling machine of spindle bearing cage box, b

7、ed and sliding. This design combined with the related components, Availability of a new type of CNC drilling machine bearing retainer. The successful application of new CNC drilling machine to shorten the manufacturing cycle can be achieved, improve manufacturing quality, and improving the technolog

8、ical innovation capability and market competitiveness purposes.Comprehensive exposition of the structure of the CNC gantry drilling principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw pair of the advantages.CNC gantry drilling machine described in detail the structure of the

9、design and verification, and analyzed. In addition a summary of the technical parameters.Through this design, all aspects of my ability and training have been improved for future learning, work to lay a solid foundation.Key words: Special CNC Drilling Bearing Cage、Slid platform、Precision、Roughness目

10、录摘 要6Abstract7目 录8第1章 绪 论101.1数控机床概述101.1.1 数控机床的分类101.1.2 数控机床的特点111.1.3 我国数控机床的发展情况121.2专用数控轴承保持架钻床概述131.2.1 轴承保持架制造概述131.2.2 专用数控轴承保持架钻床概况151.3数控龙门钻床的特点15第2章 数控龙门钻床主轴设计总体方案设计16第3章 机床主轴的设计173.1主轴的设计要求183.2主传动系统的设计183.2.1电主轴的概述183.2.2电主轴的结构183.2.3高速电主轴结构特点203.2.4电主轴工作原理213.2.5电主轴所融合的技术213.2.6电主轴的选型

11、223.2.4主轴刚度和刚度损失的计算：24第4章 导轨的设计264.1纵向导轨的设计包括三个部分264.2滚珠丝杠副的设计264.2.1滚珠丝杠介绍264.2.2滚珠丝杠的结构274.2.3滚珠丝杠原理284.2.4滚珠丝杠的特点294.2.5滚珠丝杠副结构类型294.2.6滚珠丝杠副性能294.2.7滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题304.2.8滚珠丝杠的选用314.2.9确定丝杠型号324.2.10丝杠的校核计算334.3导轨的设计344.3.1机床导轨的基本信息344.3.2各种导轨介绍364.3.3平面导轨间隙的调整方式及调整件374.3.4燕尾槽的设计384.4伺服电机的选择3

12、9第5章 分度盘及相连部件的设计405.1分度盘的分类及作用405.2分度盘部件设计415.2.1 分度盘整体尺寸的设计415.2.2分度盘中心孔设计415.2.3 分度盘螺孔分布设计425.3分度盘的尺寸确定425.4与分度盘配合件的滑台设计44第6章 结 论45致 谢46参考文献47第1章 绪 论1.1数控机床概述1.1.1 数控机床的分类科学技术和社会生产力的快速发展，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成为实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善劳动者得生产条件。目前许多制造企业已经广泛采用了以自

13、动机床、组合机床和专用机床为主体的“刚性”自动生产线，采用多刀、多工位和多面同时加工方法，常年进行着单一产品的高效和高度自动化的生产。尽管这种生产方式需要巨大的初始投资和很长的生产准备周期，但在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个加工零件上的费用很少，因此，经济效益仍然是十分显著的。不过，在制造业中并不是所有的产品都具有很大的需求量，单件与小批量一般占机械加工总量的80%左右。尤其是航天、航空、船舶、机床、重型机械、食品加工机械、包装机械和军工等产品，不仅加工批量小，而且加工零件形状比较复杂，精度要求也很高，还需要经常改型。如果仍然采用专业化程度很高的自动化机床加工这类产品的零件就显得不尽合理

14、。而经常改型和调整设备，对于专用生产线来讲，不仅会提高产品的生产成本，有时甚至是无法实现的。因此，这种“刚性”的自动化生产方式已逐渐显示出了对现代制造业的不适应性。为了解决上述问题，从而实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，一种称之为数控机床（Numerical Control Machine Tools）的现代机床应运而生。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，从而驱动机床动作并加工零件。它很好地解决了刚性自动生产线难以经常改型和调整设备的问题，显示出了适应多品种、小批量产品零件生产的“柔

15、性”。自从1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造业，特别是在汽车、航空航天及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件还是在软件方面，都有了飞速发展。现代数控机床更是集机械制造技术、液压气动技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术信息、处理技术、网络通信技术等于一体，因此，数控机床技术的提高是提高整个制造业水平发展的重要基础。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。在提高生产率。降低生产成本、提高加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有着突出的特点。而

16、以现代数控机床为代表的先进制造技术成为当前急需加快发展的突破性技术，其新突破将成为整个制造业全面发展的关键。1.1.2 数控机床的特点数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点。1）适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能制造的复杂零件的加工，因此在航空、造船、汽车、模具等加工业中得到广泛应用。2）加工精度高，稳定产品质量数控机床的加工精度，一般可达到0.0010.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.00

17、1mm），加工过程不需要人工干预，而且机床禁忌传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置(CNC装置)进行校正及补偿，所以，数控机床定位精度比较高。故可以获得比机床本身精度还有高的加工精度和重复精度。3）加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。4）高柔性在数控机床上加工零件，主要取决于数控加工程序（NC程序），它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。当加工对象改变时，一般只需要更改数控加工程序，体现出很好地适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的机床上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统柔性制造系统。5）高生产率数控机床

18、可有效地减少零件的切削时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速 加工时代，数控机床移动部件的快速 移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。6）劳动条件好数控机床是具有广泛的通用性而且具有很高自动化程度的机床。它的控制系统不仅能控制机床的各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度，以及刀具相对工件的运动轨迹。操作者出来控制面板、装卸零件、关键工序的中间测量及观察机床运行之外，其他机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大大减轻，劳动条件也

19、得到了相应的完善。而且，数控机床还是计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。7)有利于管理现代化用数控机床加工零件，能精确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工装夹具、半成品的管理工作，这些特点都是有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。8）投资大，维修困难，使用费用高数控机床的初期投资及技术维修等费用较高，而且，数控机床作为典型的光机电一体化产品，技术含量高，对管理及操作人员的素质要求也较高。合理选择和使用数控机床，可以降低企业的生产成本，提高经济效益和竞争能力。1.1.3 我国数控机床的发展情况我国从1958

20、年开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥、非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床、数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过3年努力，到1975年已试制生产了40多个品种300多台数控机床。据国家统计局的资料，从1973-1979年，7年内全国累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上为数控线切割机床）。从技术水平来说，我国大致已达到国外60年代后期的技术水平。为了扬长避短，以解决用户急需，并争取打入国际市场，1980年前后我国采取了暂时从国外（主要是

21、从日本和美国）引进数控装置和伺服驱动系统，为国产主机配套的方针，几年内大见成效。1981年，我国从日本发那科（FANUC）公司引进了5，7，3等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂，当年年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1983年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是国外70年代的水平，功能较全，可靠性比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有较大的发展与提高。1982年，青海第一机床厂生产的XHK754卧式加工中心，长城机床厂生产的CK7815

22、数控车床，北京机床研究所生产的JCS018立式加工中心，上海机床厂生产的H160数控端面外圆磨床等，都能可靠地进行工作，并陆续形成了批量生产。1984年仅机械工业部门就生产数控机床650台，全国当年总产量为1620台，已有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数控机床返销国外。1985年，我国数控机床的品种已有了新的发展，除了各类数控线切割机床以外，其他各种金属切削机床（如各种规格的立式、卧式加工中心，立式、卧式数控车床，数控铣床，数控磨床等），也都有了极大的发展。新品种总计45种。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%，加工中心占27%。进入21世纪

23、以来，我国数控机床已由成长期进入成熟期，五轴联动数控机床是数控机床技术制高点的标志之一，目前，我国已经推出了3种用于航天、航空、造船等工业的重型龙门移动式数控五轴联动镗铣床。我国除具有设计与生产常规的数控机床（包括MNC系统的车、铣，加工中心机床等）外，还生产出了柔性制造系统。1984年北京机床研究所研制成功了FMC1和FMC2柔性加工单元，之后又开始了柔性制造系统的开发工作，并与日本发那科公司合作，在北京机床研究所内建立了第一条柔性制造系统（JCSFMC1型），用于加工直流伺服电机的轴类、法兰盘类、刷架体类和壳体类的14种零件。近年来，依靠我国科技人员的努力，已先后研制成功并在北京、长春等地

24、安装使用了FMS。我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术上也取得了重点突破。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期。预计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。1.2专用数控轴承保持架钻床概述1.2.1 轴承保持架制造概述（1）冲压保持架加工滚动轴承使用的保持架一般都是由冷冲压方法制造的，冲压保持架的加工一般包括材料冲裁、弯曲、拉伸、成行等内容。冲压成形采用的设备主要是多工位压力机和机组联线。冲压保持架使用的材料主要是钢板和铜板，材料利用率较低，如圆锥滚子轴承筐形保持架材料利用率仅18%左右，使用套裁法冲压的浪型保持

25、架的材料利用率也只有28%左右。因此提高材料利用率是保持架加工的一项重要内容。当前可采取的措施主要包括，原材料裁剪优化设计，尽量采取套裁冲压，组合冲压，保持架冲压，焊接的组合生产，管料冲压。如采用管料作毛坯，在多工位压力机上冲压成形，所有冲压工作在一台压力机上完成，不仅节约材料，还可以提高劳动生产率。采用焊接技术和专用机床制造保持架可以提高劳动生产率、降低成本。例如制造滚针“M”型保持架时，可先按条带状将板料冲裁成“M”型，同时冲出窗孔，再按规定的窗孔数将条料裁成预定长度的料段，然后将料段弯成圆筒形，最后进行电阻焊接，全部工艺过程可以在一条流水线上完成，生产效率高，适用于大批量生产。（2）车制

26、保持架加工车制保持架的生产主要采用铸造方法制坯，多道机械加工成形，加工余量大，材料消耗多，材料利用率一般只有20%-25%，且由于铸造工艺的某些局限性，影响制件的力学性能，使很多产品达不到设计要求。同时，大部分轴承保持架由铜合金制造，但我国铜资源缺乏，产需矛盾很突出。预计到2012年，60%的用量需要进口，年消耗外汇约38-40亿美元，所以在生产中节铜代铜势在必行。节铜代铜有两条途径，一条为精密制坯方法，以提高材料利用率，但至今没有进展；另一条途径是需找代用材料，如尼龙、胶木、粉末冶金等，特别是近些年来一些厂家致力于用锌铝合金生产实体轴承保持架，已取得可喜成绩，可以降低成本1/3左右，现已初步

27、制定出行业标准。但是，由于锌铝合金保持架只能在低于120 环境下工作，不能承受高速、重载荷，且由于铸造缺陷，易出现非正常失效，影响了该产品的推广。目前行业内有人采用等温挤压方法替代车制保持架，与冷、温、热挤压不同，等温挤压是把热毛坯件放在加热到变形温度的模具里并在恒定的温度下进行挤压，从而获得一定尺寸、形状和性能的挤压件。它不仅具有一般挤压成形的优点，同时由于毛坯是在均匀的温度中成形，故可以大大提高变形的均衡性，减少制品的残余应力，提高金属的塑性，降低材料的变形抗力，从而减少设备的吨位。该工艺兼顾了等温变形和挤压变形的优点，可提高生产复杂形状零件的能力，用它来生产铜合金保持架可减少机加工工时，

28、节约材料，降低能耗，提高生产率。因此前景非常广阔。1.2.2 专用数控轴承保持架钻床概况目前轴承行业使用的轴承保持架钻孔设备是传统的没有采用数控技术的加工机床，主轴驱动采用普通三相异步电机通过减速箱有级调速的方式，传动不稳定，结构复杂，调速不可实现无级调速。工作台分度采用机械分度机构，结构复杂，分度精度低，夹紧工件时采用手动夹紧，效率低下。钻孔时刀具进给方式为采用液压驱动的滑台结构进给方式，定位精度低，加工精度低，刀具装夹时手动拉紧，自动化程度低，效率较低。另外，传统加工设备没有采用自动排屑机构，以及防护较差，均不利于生产加工，环境保护。专用数控轴承保持架钻床是为轴承行业开发的一种高效率、高精

29、度、高自动化、数字化机床加工设备，是采用了先进数控技术的机电液一体化产品，液压夹紧工件，数控通孔立式回转工作台伺服驱动进行精确分度，可手动或程序控制加工，可轴向和径向钻、铰、镗孔，且采用全封闭防护结构，自动排屑，清洁环保。专用轴承保持架钻床是现在制造轴承保持架较为先进的一种机床，有很好地发展前景。1.3数控龙门钻床的特点龙门式数控钻，因其外形像门而得名龙门。龙门式数控钻较其它钻床规格要略大一点；与其它钻床相比，运行稳定性、工作效率更高。 它的主要特点如下： 1.横梁：采用整体铸造或方管对焊结构，具有刚性好，精度高，自重轻，惯量小的特点。注：所有焊接件均振动时效去应力处理，有效的防止了结构变形；

30、 2.横、纵向驱动：均采用精密齿轮齿条传动。横向导轨采用台湾进口的直线导轨，纵向导轨是由精密加工的特质钢轨制成，保证了钻床的平稳运行，且经久耐用，清洁美观；减速采用行星齿轮减速器，可以非常完美的保证运动的精度和平衡度； 3.纵向驱动架（端架）：两端装有水平导向轮，可调整驱动架底部偏心轮对导轨的压紧程度，使整机在运动中保持稳定的导向。装有除尘器，随时刮扫积聚在导轨表面的杂物； 4.驱动系统可根据用户需要，选用国产伺服驱动和其他系统，使整机更加运行平稳，变速范围更宽，加速时间短； 5.升降体采用铝合金结构体，升降导向采用直线导轨，升降提升采用滚珠丝杠提升； 6.简单易用的自动编程系统,使数控编程不

31、再复杂,轻而易举；减少对人工的依赖。 7.数控控制系统采用自主研发的控制系统，具有目前国内最为优良的稳定性和超强抗干扰能力。 龙门数控钻虽然优点多多，但它较其它钻价格总体上要昂贵。但由于其的稳定性精确度高，对操作工的依赖性低，同时提高了工作效率和企业品味的诸多原因。因此功能上的强大性要远远掩盖掉其价格高的“缺点”。第2章 数控龙门钻床主轴设计总体方案设计我设计的主要内容是主轴移动的数控龙门钻床主轴。也就是说数控钻床主要的运动都在主轴这边。它的主要特点是将钻床结构简化功能集中，它可以完成多种要求的零件孔的加工。整机分为床身、龙门架、滑台、主轴箱、回转工作台等机械部分，而我主要负责龙门架，滑台，主

32、轴箱的设计，现在我把设计过程的重点阐述如下：龙门架采用的是整体龙门架的设计概念，即把横梁与左右立柱设计成一体，虽然使铸造和装配调整时的难度加大，但整体龙门架的刚性更好，更重要的是主轴箱，滑台等部件有了装配基准。滑台的设计是在龙门架和主轴箱体的几何尺寸确定后，按照主轴的中心尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把x和z轴驱动安装位置设计在滑台上。设计驱动机构的构思如下：x轴和z轴的驱动都采用的是滚珠丝杠传动。主轴箱的上下垂直运动z轴采用滚珠丝杠副传动。由于本机床不是高速钻床，z轴的进给系统为伺服电机带动滚珠丝杠旋转从而实现主轴z向的传动。另外滑台上装有分度装置可实现主轴倾斜钻孔。第3章 机床主轴的设计

33、3.1主轴的设计要求1.具有较大的转速范围，实现无级调速。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。3.2主传动系统的设计 主传动系统一般来说包括电机，减速装置，主轴设计等几个主要部位的设计，但是由于我设计的数控龙门钻床是专用机床，主要用来加工多种型号的轴承保持架等小零件，而传统的主传动系统的尺寸和重量都相对来说比较的大，做悬臂设计时力矩的存在不合适，因此我在翻阅相关资料和听取指导老师意见后决定采用电主轴来代替传统的主传动系统，电主轴系统的总体型号要小的多，轻便加工起来很方便，对误差的影响较小。3.2.1电主轴的概述高速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战

34、略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。 高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。3.2.2电主轴的结构主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴，通常采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。图1所示为电主轴的结构简图，其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能。1.电源接口 2.电机反馈 3.后轴承 4.无外壳主轴电机 5.主轴 6.主轴箱体7.前轴承图3-1电主轴机构简图与传统机床

35、主轴相比，电主轴具有如下特点: 主轴由内装式电动机直接驱动，省去了中间传动环节，具有结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小和精度高等特点; 采用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调整范围宽，功率转矩特性好； 机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停； 电主轴更容易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好； 由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更平稳，使主轴轴承寿命得到延长。电主轴的主要参数有：( 1 )主轴最高转速和恒功率转速范围 ；( 2 )主轴的额定功率和最大扭矩 ；( 3 )主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。

36、电主轴通常装备在高速加工中心上 ,在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床 ,一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件；后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时 ,还要注意选择有较好扭矩功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同 ,高速电主轴有两种布局方式：( 1)主电动机置于主轴前、后轴承之间。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短,主轴刚度高，出力大，较适

37、用于中、大型高速加工中心 ,目前大多数电主轴都采用这种结构形式；( 2 )主电动机置于主轴后轴承之后 , 即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置 (有的用联轴节 )。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺图。3.2.3高速电主轴结构特点图3-2 内装式电主轴系统简图高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。高速电主轴基本结构原理简图如图3-2所示。 （1）轴壳 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座 孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端 均设计成开放型。高

38、速、大功率和超高速电主轴，其转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。（）转轴 转轴是高速电主轴的主要回转体。它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和 尺寸精度要求很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。（）轴承 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速取决于轴承的功能、大小、布置和 润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发了动静压轴承、陶瓷轴承和磁浮轴

39、承。动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量。延长刀具寿命，降低加工成本；而且这种寿命为半无限长。美国Ingersoll公司在其生产的主轴单元中极为推崇其拥有专利的动静压轴承。混合陶瓷球轴承目前在高速主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护，特别适合高速运动场合。用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。磁浮主轴的高速性能好、精度高、容易实现诊断和在线监控。但这种主轴由于电磁测控系统复杂，价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今未能得到广泛应用。 （）定子与转子 高速电主轴的定子

40、由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转 子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。3.2.4电主轴工作原理高速电主轴的绕组相位互差，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速由输入电机定子绕组电流的频率和电机定子的极对数决定（n-60f/P）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。 由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电

41、主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。3.2.5电主轴所融合的技术(1)高速轴承技术电主轴通常采用动静压轴承、滚动轴承或电磁悬浮轴承。动静压轴承为非直接接触式轴承，具有较高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率，加工质量、延长刀具寿命、降低加工成本，这种轴承寿命多半无限长。电磁悬浮轴承高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，是一种很有发展前途的电主轴，但是由于电磁测控系统复杂，这种轴承价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今没有得到广泛应用。另外还有一种选用较多的轴承是滚动轴承，它具有刚度高，高速性能好，结构简单紧凑，标准化程度高、品种规格繁多、便于维修更换等优点，因而在电主轴中得到最广泛

42、的应用。随着技术的发展，目前滚动轴承的使用环境和条件与过去相比更加的苛刻和复杂，普通的钢制轴承已不能适应，这就提高了滚动轴承零件使用高性能陶瓷的可能性。复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，其耐热耐腐蚀与耐磨等性能优异，而且重量轻，因此在以往钢制轴承不能适应的严酷环境或者以机床为代表的高速旋转条件下，陶瓷材料制的轴承业已实际使用。(2)高速电机技术电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机，关键是高速度下的动平衡。电主轴的最高转速一般在10000r/min以上，有的高达60000-1000

43、00r/min，主轴的运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的震动，影响加工精度和表面质量。因此必须对电主轴进行严格的动平衡。主轴及主轴上的零件都要进过十分精密加工、装配和调校，使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。必须严格遵守结构对称性原则，键连接和螺纹连接在电主轴上禁止使用。(3)润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量，而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用，太多

44、，在轴承告诉旋转时会因油的阻力而发热。(4)另外还有冷却装置，内置脉冲编码器，自动换刀装置，高速刀具的装卡方式，高频变频装置等技术。3.2.6电主轴的选型由已知的机床主轴最高转速为2500r/min，主轴扭矩为22根据公式：T=9550 计算得出电主轴电机的功率为：因此，根据切削力、切削功率、及转矩选取电主轴主轴电机，根据各种性能的比较最终决定选取5.5kwDZM系列电主轴电机（北京超频同步科技有限公司生产）。其具体规格、尺寸、性能如下所示：表3-1电主轴电机参数表型号额定功率(KW)额定转速（rpm）额定电流（A）额定电压(V)额定转矩()铁芯长度(mm)带水套定子产品型号CTB-45P7D

45、ZM465.5300014.233019.34240CTB-45P5DZM46S表3-2电主轴电机的安装尺寸系列定子外形安装尺寸气隙转子外形安装尺寸DdaDZM461201157645400.34651707170.412定子水套外形安装尺寸ABHGE13212812113211650452.84524图3-3 定子外形安装示意图图3-4 转子外形安装示意图图3-5 带水套定子外形安装示意图3.2.4主轴刚度和刚度损失的计算：轴的强度校核主动轴理论上只受到很大的剪切应力，但是仔细分析会发现，其上的径向力，轴向力都几乎抵消完了。故：此轴只按扭转强度条件进行校核由机械设计第七版式（151）式中：

46、扭转切应力，单位为； T轴所受的扭矩，单位为； 轴的抗扭截面系数，单位为； 许用扭转切应力，单位为；（1）确定式中各参数的具体数值 T=9550 17.5n.m查机械设计第七版表153, = 2545；抗扭截面系数的计算公式： =19102.19式中：d轴直径，此处d46mm；所以有：=0.92 MP2545 故，此轴强度符合第4章 导轨的设计4.1纵向导轨的设计包括三个部分1.滚珠丝杠副的设计2.燕尾槽的设计3.伺服电机的选择4.2滚珠丝杠副的设计机床的传动系统是机床的关键部分，则传动设计是机床设计的核心，主要包括主传动设计和进给传动设计及主轴部件设计.滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功

47、能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 图4-1 滚珠丝杠传动机构 4.2.1滚珠丝杠介绍滚珠丝杠发展历程早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自

48、动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的WARNER-BEAVER公司、GM-SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。40多年来，由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航

49、空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d012mm，导程Ph=0.52.5 mm的微型滚珠丝杠副。日本NSK公司已开发出公称直径d0=4mm，导程Ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。 随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。日本NSK公司已开发出公称直径×导程为：15mm×40mm、16mm×50mm、20mm×

50、60mm、25mm×80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。 4.2.2滚珠丝杠的结构滚珠滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构和外循环结构两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别。图4-2 内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)图4-3 外循环结构(以插管为代表)内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆形和椭圆形。由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。现在，最好的反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较复

51、杂，影响了这种结构的推广。 只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有：内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。 图4-4 内循环式滚珠丝杠图4-5 外循环式滚珠丝杠4.2.3滚珠丝杠原理1.按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等。 2.当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直

52、线运动。4.2.4滚珠丝杠的特点1.与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3。滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2.高精度的保证。滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3.微进给可能。滚珠丝杆由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4.

53、 无侧隙、刚性高。滚珠丝杆可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5.高速进给可能。滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。4.2.5滚珠丝杠副结构类型图4-6 螺母类型4.2.6滚珠丝杠副性能 随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。国际标准ISO340831992以及部颁标准JB3162.292规定了在转速为100r/min时，滚珠丝杠副预紧转矩的允差。 由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接