數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)】

數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)】,YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī),數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)】,數(shù)控,銑床,主軸,系統(tǒng),設(shè)計(jì),yk2250,螺旋,齒輪,銑齒機(jī) 任 務(wù) 書 學(xué) 院： 課題名稱： 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專業(yè)(方向)： 班 級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 職稱： 下發(fā)日期： 課題名稱 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容(包括設(shè)計(jì)參數(shù))與要求 設(shè)計(jì)YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的主軸系統(tǒng) 工 作 進(jìn) 程 及 需 完 成 工 作 量 應(yīng) 遵 守 的 法 紀(jì) 法 規(guī) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)完成日期： 2014年 月 日 指導(dǎo)教師： (簽字) 教研室主任： (簽字) 開題報(bào)告 學(xué) 院： 所屬教研室： 課題名稱： 數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專業(yè)(方向)： 班 級： 學(xué)號： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 職稱： 開題日期： 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題的目的和意義。[ ⑴ 課題名稱；⑵ 有關(guān)的研究方向的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展情況分析；⑶ 前人在本選題研究領(lǐng)域中的工作成果簡述] 1、理論意義 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機(jī)械制造的的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。由于數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果具有高柔性、高精度與高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，因此它提高了機(jī)械制造的制造水平，解決了接卸制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的發(fā)雜型面零件加工，為社會(huì)提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機(jī)械產(chǎn)品已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，數(shù)控技術(shù)已逐步晉級，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，已成為機(jī)械自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。 2、現(xiàn)實(shí)意義 隨著可續(xù)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品日趨復(fù)雜。對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求也越來越高，在航空航天、微電子、信息技術(shù)、汽車、造船、建筑、軍工和計(jì)算機(jī)技術(shù)等行業(yè)中，零件形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)改型頻繁、批量小、零件精度高加工困難、生產(chǎn)效率低已成為日益突出的現(xiàn)實(shí)問題，機(jī)械加工工藝過程的自動(dòng)化和智能化是適應(yīng)上述發(fā)展特點(diǎn)的最重要手段 3、目的 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械制造的最主要技術(shù)，通過本次設(shè)計(jì)對數(shù)控機(jī)床的技術(shù)與結(jié)構(gòu)作最全面的了解，不僅要了解機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，而且要了解數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢，懂得我國發(fā)展數(shù)控機(jī)床的意義和必要性，對數(shù)控這門技術(shù)有較全面了解。對其設(shè)計(jì)的基本步驟，訓(xùn)練如何收集和分析資料，如何定制設(shè)計(jì)方案，如何進(jìn)行工程圖設(shè)計(jì)與計(jì)算，撰寫論文的能力，了解數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)。 二、設(shè)計(jì)或研究主要內(nèi)容和重點(diǎn)，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)及擬解決的主要問題和技術(shù)關(guān)鍵，有何創(chuàng)新之處。（此部分為重點(diǎn)闡述內(nèi)容） 1、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文主要設(shè)計(jì)YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的主軸系統(tǒng)，必須保證機(jī)床達(dá)到要求的功能、精度。本文設(shè)計(jì)要求如下： 在靜態(tài)方面有： ⑴ 能夠克服摩擦力和負(fù)載。 ⑵ 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度。 ⑶ 足夠的調(diào)速范圍。 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方而的要求有： ⑴ 具有足夠的加速和制功轉(zhuǎn)矩，以便快速的完成啟動(dòng)和制動(dòng)過程。 ⑵ 約具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量。 對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求： ⑴ 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量。 ⑵ 高的剛度。 ⑶ 良好的阻尼。 ⑷ 傳功部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。 2、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)及擬解決的主要問題和技術(shù)關(guān)鍵 目標(biāo)： ⑴ 完成YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的主軸系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算； ⑵ 繪制YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的主軸箱裝配圖及主軸零件圖； 主要問題： YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的主軸系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的校核計(jì)算。 解決問題的途徑： 查閱及參考相關(guān)文獻(xiàn)資料及設(shè)計(jì)手冊。 三、研究方案：[⑴技術(shù)方案（有關(guān)方法、技術(shù)路線、技術(shù)措施）；⑵實(shí)施方案所需的條件（技術(shù)條件、試驗(yàn)條件等）] 1、本文設(shè)計(jì)路線 ⑴ 主軸傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)； ⑵ 主軸電機(jī)選取； ⑶ 主軸組件設(shè)計(jì) ⑷ 主軸軸承的選擇； ⑸ 聯(lián)接鍵的選擇 2、所需要的文獻(xiàn)材料及軟件： ⑴ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，機(jī)械工業(yè)出版 ⑵ 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 ⑶ 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊，上海科學(xué)技術(shù)出版社 ⑷ AUTOCAD繪圖軟件。  四、主要參考文獻(xiàn)目錄 [1] 吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. 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者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、 精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備 發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的 大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機(jī)床高速 化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢，并提出了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的一些問題。 2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 1. 高速化 隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。 a. 主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī))，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min； b. 進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時(shí)，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min且可獲得復(fù)雜型面的精確加工； c. 運(yùn)算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運(yùn)算速度的極大提高，使得當(dāng)分辨率為0.1μm、0.01μm時(shí)仍能獲得高達(dá)24～240m/min的進(jìn)給速度； d. 換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時(shí)間僅0.9s。 2. 高精度化 數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對振動(dòng)的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。 a. 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提 高位置檢測精度(日本已開發(fā)裝有106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器的交流伺服電機(jī)，其位置檢測精度可達(dá)到0.01μm/脈沖)，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與 非線性控制等方法； b. 采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%～80%； c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，并通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。 3. 功能復(fù)合化 復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床 如鏜銑鉆復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采 用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制 造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。 [Page] 加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成 車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床越來越受到各 大企業(yè)的歡迎。 在2005年中國國際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2005)上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機(jī)床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實(shí)現(xiàn)4～5軸聯(lián)動(dòng)的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心等。 4. 控制智能化 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： a. 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí) 別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行 狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性； b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的； c. 智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位； · 智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯(cuò)誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)； · 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行； · 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量 (Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測量、建模、加工、裝夾、操作 的一體化。 · 體系開放化 a. 向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期； b. 向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求； c. 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴于 具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶 使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。 · 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺 陷，在機(jī)床主軸(一般為動(dòng)平臺(tái))與機(jī)座(一般為靜平臺(tái))之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng)，可 實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。 并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。[Page] · 極端化(大型化和微型化) 國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技 術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工(車、銑、磨)機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型 壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。 · 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源 共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等)。例如，日本Mazak公 司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔(e-Tower)的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通 信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。 · 新型功能部件 為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括： a. 高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用； b. 直線電動(dòng)機(jī)：近年來，直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負(fù)載變化擾動(dòng)、熱變形補(bǔ)償、隔磁 和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡化，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動(dòng)機(jī)已開始廣泛應(yīng)用 于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機(jī)床以及動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床等；德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動(dòng)均采用兩個(gè)直線電 動(dòng)機(jī)； c. 電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。 · 高可靠性 數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波 動(dòng)和干擾對數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長，要求平均無故障時(shí)間在2萬小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠 性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在7～10萬小時(shí)以上，國產(chǎn)數(shù)控系 統(tǒng)平均無故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國外整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá)800小時(shí)以上，而國內(nèi)最高只有300小時(shí)。 · 加工過程綠色化 隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干 切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當(dāng)中。在21世紀(jì)，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場。 · 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理 的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形 動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控 系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。 3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及思考 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù) 控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長率分別為39.3% 34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主 機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn)機(jī)床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占 27.7%。1999年機(jī)床進(jìn)口額為8.78億美元(7624臺(tái))，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺(tái))，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2.7 倍。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看 出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控 系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 [Page] 我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識(shí)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。 1. 不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床水平的關(guān)鍵 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口，即使近幾年有些國內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、 性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對機(jī)床結(jié)構(gòu) 與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù) 用戶的認(rèn)可。 2. 制造水平與管理手段依然落后 一些國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主，裝配調(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊 逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺(tái)賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。 如國外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品，而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們在引進(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。 3. 服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的一個(gè)重要因素 由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠(yuǎn)利益，對提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售 后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解，不會(huì)使用或使用不好數(shù)控機(jī)床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床；有的對先進(jìn)高效刀具缺乏基本了解，不 能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型，推薦 先進(jìn)工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同，提高國產(chǎn)數(shù) 控機(jī)床的市場占有率。 4. 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術(shù)人才：第一種是熟悉數(shù)控機(jī)床的操作及加工工藝、懂得簡單的機(jī)床維護(hù)、能夠進(jìn)行手工或自動(dòng)編程 的車間技術(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識(shí)的中級人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和制造知識(shí)，能夠熟練應(yīng)用UG、PRO/E等 CAD/CAM軟件，同時(shí)有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)、較高的英語水平并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；第三種是精通數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行數(shù) 控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級人才。我國應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)人才支撐。 4 結(jié)語 目前，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢和方向。 中國作為一個(gè)制造大國，主要還是依靠勞動(dòng)力、價(jià)格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。 中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機(jī)會(huì)不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與人才培訓(xùn)力度，提高企業(yè)綜合服務(wù)能力，努力縮短與發(fā)達(dá)國家之 間的差距。力爭早日實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變. 摘 要 本 文 介 紹 了 YK2250型全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的 一 些 基 本 概 況 ， 簡 述 了 機(jī) 床 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 方 面 的 原 理 和 類 型 ， 分 析 了 各 種 傳 動(dòng) 方 案 的 機(jī) 理 。數(shù) 控 銑 床 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 包 括 了 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 、 主 軸 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 和 主 軸 組 件 三 部 分 組 成 。 本 文 詳 細(xì) 介 紹 了 數(shù) 控 銑 床 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 過 程 ， 該 數(shù) 控 銑 床 主 軸 變 速 箱 是 靠 齒 輪 進(jìn) 行 傳 動(dòng) 的 ， 主 軸 箱 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 采 用 齒 輪 傳 動(dòng) ， 傳 動(dòng) 形 式 采 用 集 中 式 傳 動(dòng) ， 主 軸 變 速 系 統(tǒng) 采 用 多 聯(lián) 滑 移 齒 輪 變 速 。 齒 輪 傳 動(dòng) 具 有 傳 動(dòng) 效 率 高 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 工 作 可 靠 、 壽 命 長 ，傳 動(dòng) 比 準(zhǔn) 確 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 文 中 介 紹 了 該 數(shù) 控 銑 床 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 各 種 傳 動(dòng) 方 案 優(yōu) 缺 點(diǎn) 的 比 較 、 主 傳 動(dòng) 方 案 的 選 擇 和 確 定 、 主 傳 動(dòng) 變 速 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 、 主 軸 組 件 的 設(shè) 計(jì) 、 軸 承 的 選 用 及 潤 滑 、 關(guān) 鍵 零 件 的 校 核 等 設(shè) 計(jì) 過 程 。 關(guān) 鍵 詞 ： 數(shù) 控 銑 床 ； 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) ； 主 軸 組 件 ； 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) Abstract This text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process. Key words：CNC milling machine;The lord spreads to move the system;Principal axis module;Principal axis electric motor. 目錄 摘 要 I Abstract II 1 數(shù)控加工技術(shù)概論 1 1.1 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念 1 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成與分類 1 1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 3 1.4 螺旋錐齒輪及螺旋錐齒輪銑齒機(jī)簡介 3 2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng) 5 2.1 數(shù)控機(jī)床對主傳動(dòng)的要求 5 2.2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)的配置方式 5 3 主軸電動(dòng)機(jī)的選取 7 4 主軸組件的設(shè)計(jì) 8 4.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 8 4.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算 9 4.3 主軸傳動(dòng)裝置箱體的作用 12 4.4 主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算 12 5 主軸軸承的選擇 13 5.1 軸承的選擇和軸承的精度 13 5.2 軸承預(yù)緊力的要求 14 5.3 主軸軸承的潤滑與密封 14 5.4 軸承壽命校核 14 6 聯(lián)接鍵的選擇和碟形彈簧的選擇與計(jì)算 16 6.1 聯(lián)接鍵的選擇 16 6.2 碟形彈簧的選擇與計(jì)算 16 6.3 碟形彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳 17 6.4 碟形彈簧的強(qiáng)壓處理、表面強(qiáng)化處理和防腐處理 17 7 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì) 19 7.1 設(shè)計(jì)要求 19 7.2 計(jì)算結(jié)果及校核 19 致謝 20 參考文獻(xiàn) 21 II 1 數(shù)控加工技術(shù)概論 1.1 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念 1、 數(shù) 控 技 術(shù) 數(shù) 控 技 術(shù) 是 本 世 紀(jì) 中 期 發(fā) 展 起 來 的 機(jī) 床 控 制 技 術(shù) ， 是 用 數(shù) 字 信 息 對 機(jī) 械 運(yùn) 動(dòng) 和 工 作 過 程 進(jìn) 行 控 制 的 技 術(shù) 。 數(shù) 控 裝 備 是 以 數(shù) 控 技 術(shù) 為 代 表 的 新 技 術(shù) 對 傳 統(tǒng) 制 造 產(chǎn) 業(yè) 和 新 興 制 造 業(yè) 的 滲 透 行 程 的 機(jī) 電 一 體 化 鏟 平 ， 即 所 謂 的 數(shù) 字 化 裝 備 。 (1)數(shù) 控 與 數(shù) 控 機(jī) 床 數(shù) 字 控 制 （ Numerical Control， 簡 稱 NC） ,國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 定 義 為 ： “ 是 用 數(shù) 字 化 信 號 對 機(jī) 床 的 運(yùn) 動(dòng) 及 其 加 工 過 程 進(jìn) 行 控 制 的 一 種 方 法 ” 。 定 義 中 的 “ 機(jī) 床 ” ， 不 僅 指 金 屬 切 削 機(jī) 床 ， 還 包 括 其 他 各 類 機(jī) 床 ， 如 線 切 割 機(jī) 床 等 。 數(shù) 控 機(jī) 床 （ Numerical Control Machine Tools） 是 技 術(shù) 密 集 度 及 自 動(dòng) 化 程 度 很 高 的 機(jī) 電 一 體 化 加 工 裝 備 。 簡 單 地 說 就 是 采 用 了 數(shù) 控 技 術(shù) 的 機(jī) 床 ， 或 者 說 是 裝 備 了 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 機(jī) 床 。 國 際 信 息 處 理 聯(lián) 盟 （ Internaional Federation of Information Proceccing， 簡 稱 IFIP） 第 五 技 術(shù) 委 員 會(huì) 對 數(shù) 控 機(jī) 床 作 了 如 下 定 義 ： 數(shù) 控 機(jī) 床 是 一 種 裝 有 程 序 控 制 系 統(tǒng) 的 機(jī) 床 ， 該 系 統(tǒng) 能 邏 輯 地 處 理 具 有 特 定 代 碼 和 其 他 符 號 編 碼 指 令 規(guī) 定 的 程 序 。 （ 2） 數(shù) 控 系 統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) （ NC System） 就 是 上 訴 定 義 中 所 指 的 那 種 程 序 控 制 系 統(tǒng) ， 它 是 邏 輯 地 處 理 駛 入 到 系 統(tǒng) 中 具 有 特 定 代 碼 的 程 序 ， 并 將 其 譯 碼 ， 從 而 使 機(jī) 床 運(yùn) 行 并 加 工 零 件 。 數(shù) 控 系 統(tǒng) 在 本 質(zhì) 上 是 一 臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) 。 在 硬 件 方 面 ， 它 經(jīng) 歷 了 電 子 管 、 晶 體 管 、 小 規(guī) 模 集 成 電 路 、 微 處 理 機(jī) 到 當(dāng) 前 PC結(jié) 構(gòu) 的 五 代 發(fā) 展 ； 在 體 系 結(jié) 構(gòu) 上 ， 經(jīng) 歷 了 硬 件 數(shù) 控 系 統(tǒng) （ NC） 、 計(jì) 算 機(jī) 數(shù) 控 （ CNC） 、 到 目 前 的 PC數(shù) 控 （ PC-NC） 三 個(gè) 階 段 。 [1] 2、 數(shù) 控 加 工 數(shù) 控 加 工 技 術(shù) 是 20世 紀(jì) 40年 代 后 期 為 適 應(yīng) 加 工 復(fù) 雜 外 形 零 件 而 發(fā) 展 起 來 的 一 種 自 動(dòng) 化 加 工 技 術(shù) 。 數(shù) 控 加 工 就 是 用 數(shù) 控 機(jī) 床 加 工 零 件 的 方 法 。 數(shù) 控 加 工 是 伴 隨 數(shù) 控 機(jī) 床 的 產(chǎn) 生 、 發(fā) 展 而 逐 步 完 善 起 來 的 一 種 應(yīng) 用 技 術(shù) ， 它 是 人 們 長 期 從 事 數(shù) 控 加 工 實(shí) 踐 的 經(jīng) 驗(yàn) 總 結(jié) 。 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成與分類 1、 數(shù) 控 機(jī) 床 的 組 成 數(shù) 控 機(jī) 床 的 種 類 很 多 ， 但 是 任 何 一 種 數(shù) 控 機(jī) 床 都 主 要 由 數(shù) 控 系 統(tǒng) 、 伺 服 系 統(tǒng) 和 機(jī) 械 系 統(tǒng) 組 成 。 ⑴ 數(shù) 控 系 統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 是 數(shù) 控 機(jī) 床 的 核 心 ， 是 數(shù) 控 機(jī) 床 的 “ 指 揮 系 統(tǒng) ” 。數(shù) 控 系 統(tǒng) 通 常 是 一 臺(tái) 帶 有 專 門 系 統(tǒng) 軟 件 的 專 用 微 型 計(jì) 算 機(jī) 。 ⑵ 伺 服 系 統(tǒng) 伺 服 系 統(tǒng) （ 或 稱 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) ） 是 數(shù) 控 機(jī) 床 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 是 由 驅(qū) 動(dòng) 和 執(zhí) 行 兩 大 部 分 組 成 。 用 于 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 控 機(jī) 床 的 進(jìn) 給 伺 服 控 制 和 株 洲 伺 服 控 制 。 它 接 受 數(shù) 控 裝 置 的 指 令 信 息 ， 并 按 指 令 信 息 的 要 求 控 制 執(zhí) 行 部 件 的 進(jìn) 給 熟 讀 、 方 向 和 位 移 。 ⑶ 機(jī) 械 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) ， 除 機(jī) 床 基 礎(chǔ) 件 意 外 ， 有 下 列 各 部 分 組 成 : (1)主 軸 部 件 ： 包 括 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 和 主 軸 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 。 (2)進(jìn) 給 系 統(tǒng) ： 包 括 進(jìn) 給 執(zhí) 行 電 動(dòng) 機(jī) 和 進(jìn) 給 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 。 (3)實(shí) 現(xiàn) 共 建 回 轉(zhuǎn) 、 定 位 的 裝 置 和 附 件 。 (4)實(shí) 現(xiàn) 某 些 部 件 動(dòng) 作 和 輔 助 功 能 的 系 統(tǒng) 和 裝 置 。 (5)刀 庫 和 自 動(dòng) 換 刀 裝 置 (Autormatic Tools Changer, 簡 稱 ATC) (6)自 動(dòng) 托 盤 交 換 裝 置 （ Autormatic Pallet Changer， 簡 稱 APC） 機(jī) 床 基 礎(chǔ) 件 或 稱 機(jī) 床 大 件 ， 通 常 是 指 床 身 (或 底 座 )、 立 柱 、 滑 座 和 工 作 臺(tái) 等 ， 它 是 整 臺(tái) 機(jī) 床 的 基 礎(chǔ) 和 框 架 。 [2] 2、 數(shù) 控 機(jī) 床 的 分 類 ⑴ 按 工 藝 用 途 分 按 照 工 藝 的 不 同 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 可 分 為 數(shù) 控 車 床 、 數(shù) 控 銑 床 、 數(shù) 控 鉆 床 、 數(shù) 控 鏜 床 、 數(shù) 控 齒 輪 加 工 機(jī) 床 、 數(shù) 控 電 火 花 加 工 機(jī) 床 、 數(shù) 控 線 切 割 機(jī) 床 、 數(shù) 控 沖 床 、 數(shù) 控 剪 床 、 數(shù) 控 液 壓 機(jī) 等 各 種 工 藝 用 途 的 數(shù) 控 機(jī) 床 。 ⑵ 按 運(yùn) 動(dòng) 方 式 劃 分 按 運(yùn) 動(dòng) 方 式 即 刀 具 與 工 件 相 對 運(yùn) 動(dòng) 方 式 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 可 分 為 ： 點(diǎn) 位 控 制 、 直 線 控 制 和 輪 廓 控 制 。 ⑶ 按 伺 服 系 統(tǒng) 類 型 劃 分 按 伺 服 系 統(tǒng) 類 型 的 不 同 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 可 分 為 ： 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 、 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 和 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 時(shí) 空 機(jī) 床 。 ① 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 是 一 種 不 叫 原 始 的 數(shù) 控 機(jī) 床 。 這 類 機(jī) 床 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 將 零 件 的 程 序 處 理 后 ， 輸 出 數(shù) 據(jù) 指 令 給 伺 服 系 統(tǒng) ， 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 床 運(yùn) 動(dòng) ， 沒 有 來 自 位 置 傳 感 器 的 反 饋 信 號 。 最 典 型 的 系 統(tǒng) 就 是 采 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 伺 服 系 統(tǒng) 。 這 類 系 統(tǒng) 的 信 息 流 是 單 向 的 ， 即 進(jìn) 給 脈 沖 發(fā) 出 去 以 后 ， 實(shí) 際 移 動(dòng) 值 不 再 反 饋 回 來 ， 所 以 稱 為 開 環(huán) 控 制 。 這 類 機(jī) 床 較 為 經(jīng) 濟(jì) ， 但 加 工 速 度 和 加 工 精 度 較 低 。 ② 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 帶 有 檢 測 裝 置 ， 直 接 對 工 作 臺(tái) 的 位 移 量 進(jìn) 行 檢 測 。 這 類 控 制 系 統(tǒng) ， 因 為 把 機(jī) 床 工 作 臺(tái) 納 入 位 置 控 制 環(huán) ， 故 稱 為 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 該 系 統(tǒng) 可 以 消 除 包 括 工 作 臺(tái) 傳 動(dòng) 鏈 在 內(nèi) 的 運(yùn) 動(dòng) 誤 差 ， 因 而 定 位 精 度 高 、 調(diào) 節(jié) 速 度 快 。 但 由 于 該 系 統(tǒng) 受 進(jìn) 給 絲 杠 的 拉 壓 剛 度 、 扭 轉(zhuǎn) 剛 度 、 摩 擦 阻 尼 特 性 和 間 隙 等 非 線 性 因 素 的 影 響 ， 給 調(diào) 試 工 作 造 成 較 大 的 困 難 。 由 于 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 和 成 本 高 ， 故 適 用 于 精 度 要 求 很 高 的 數(shù) 控 機(jī) 床 ， 如 精 密 鏜 銑 床 、 超 精 密 數(shù) 控 機(jī) 床 等 。 ③ 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) 數(shù) 控 機(jī) 床 大 多 數(shù) 數(shù) 控 機(jī) 床 是 半 閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng) ， 這 類 系 統(tǒng) 介 于 開 環(huán) 和 閉 環(huán) 之 間 ， 精 度 沒 有 閉 環(huán) 高 ， 調(diào) 試 卻 比 閉 環(huán) 方 便 ， 因 而 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 ⑷ 按 數(shù) 控 機(jī) 床 系 統(tǒng) 的 功 能 水 平 劃 分 按 數(shù) 控 機(jī) 床 系 統(tǒng) 的 功 能 水 平 可 分 為 ： 低 檔 、 中 檔 和 高 檔 。 按 控 制 軸 數(shù) 和 聯(lián) 動(dòng) 軸 數(shù) 可 分 為 幾 軸 聯(lián) 動(dòng) 等 多 種 數(shù) 控 機(jī) 床 ； 按 數(shù) 控 機(jī) 床 功 能 多 少 可 分 為 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 機(jī) 床 和 全 功 能 型 數(shù) 控 機(jī) 床 等 。 [3] 1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 1、 數(shù) 控 機(jī) 床 的 特 點(diǎn) 數(shù) 控 機(jī) 床 與 普 通 機(jī) 床 比 較 具 有 以 下 特 點(diǎn) 。 （ 1） 自 動(dòng) 化 程 度 高 。 （ 2） 進(jìn) 給 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 簡 單 。 （ 3） 工 藝 復(fù) 合 化 和 功 能 集 成 化 。 （ 4） 具 有 加 工 復(fù) 雜 形 狀 兩 件 的 能 力 。 （ 5） 具 有 高 度 柔 性 ， 適 用 性 強(qiáng) 。 （ 6） 加 工 精 度 高 、 質(zhì) 量 穩(wěn) 定 。 （ 7） 生 產(chǎn) 效 率 高 。 2、 數(shù) 控 機(jī) 床 的 發(fā) 展 方 向 當(dāng) 今 數(shù) 控 機(jī) 床 正 朝 著 以 下 幾 個(gè) 方 向 發(fā) 展 。 （ 1） 高 速 度 、 高 精 度 。 （ 2） 多 功 能 化 。 （ 3） 智 能 化 。 （ 4） 目 前 CAD/CAM圖 形 交 互 式 自 動(dòng) 變 成 已 得 到 較 多 的 應(yīng) 用 ， 是 數(shù) 控 技 術(shù) 發(fā) 展 的 新 趨 勢 。 （ 5） 可 靠 性 最 大 化 數(shù) 控 機(jī) 床 的 可 靠 性 一 直 是 用 戶 最 關(guān) 心 的 主 要 指 標(biāo) 。 （ 6） 控 制 系 統(tǒng) 小 型 化 和 時(shí) 空 系 統(tǒng) 小 型 化 便 于 將 機(jī) 、 電 裝 置 結(jié) 合 為 一 體 。 [4] 1.4 螺旋錐齒輪及螺旋錐齒輪銑齒機(jī)簡介 螺 旋 錐 齒 輪 是 機(jī) 械 傳 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 相 交 軸 運(yùn) 動(dòng) 傳 遞 的 基 礎(chǔ) 元 件 ， 它 具 有 重 合 度 大 、 傳 動(dòng) 平 穩(wěn) 、 噪 音 小 ， 承 載 能 力 高 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 種 機(jī) 器 設(shè) 備 中 ， 是 目 前 汽 車 、 飛 機(jī) 等 高 精 高 速 重 載 設(shè) 備 的 主 傳 動(dòng) 元 件 。 在 齒 輪 加 工 行 業(yè) 屬 于 一 個(gè) 加 工 難 點(diǎn) ， 加 工 過 程 中 對 機(jī) 床 調(diào) 整 的 要 求 很 高 。 因 此 對 螺 旋 錐 齒 輪 的 數(shù) 控 加 工 技 術(shù) 的 研 究 成 為 螺 旋 錐 齒 輪 加 工 行 業(yè) 的 一 個(gè) 重 點(diǎn) 。 1、 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 展 成 原 理 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 原 理 如 圖 1.l所 示 ： 機(jī) 床 上 的 搖 臺(tái) 機(jī) 構(gòu) 模 擬 一 個(gè) 假 想 的 齒 輪 ， 安 裝 在 搖 臺(tái) 上 的 銑 刀 盤 旋 轉(zhuǎn) 形 成 切 削 面 相 當(dāng) 于 假 想 齒 輪 的 一 個(gè) 齒 面 。 當(dāng) 被 加 工 齒 輪 毛 坯 與 假 想 齒 輪 按 照 一 定 的 傳 動(dòng) 比 繞 各 自 的 軸 線 一 同 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 銑 刀 盤 就 在 齒 輪 毛 坯 上 切 出 一 個(gè) 齒 槽 。 然 后 搖 臺(tái) 反 轉(zhuǎn) 到 初 始 位 置 ， 工 件 箱 隨 床 鞍 一 起 后 退 ， 同 時(shí) 被 加 工 齒 輪 轉(zhuǎn) 過 一 定 的 分 齒 角 度 ， 進(jìn) 入 下 一 個(gè) 切 齒 循 環(huán) 。 反 復(fù) 進(jìn) 行 即 可 完 成 整 個(gè) 齒 輪 的 加 工 。 這 種 加 工 方 法 稱 為 展 成 法 ， 搖 臺(tái) 所 代 表 的 假 想 齒 輪 稱 為 產(chǎn) 形 輪 。 圖 1.1 螺旋錐齒輪加工原理圖 2、 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機(jī) 簡 介 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機(jī) 是 一 種 涉 及 多 學(xué) 科 （ 自 動(dòng) 控 制 、 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 、 數(shù) 學(xué) 、 齒 輪 嚙 合 理 論 、 信 息 化 與 智 能 化 技 術(shù) 、 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 與 制 造 等 ） 的 高 科 技 產(chǎn) 品 ， 技 術(shù) 難 度 大 ， 科 技 含 量 高 ， 目 前 世 界 上 只 有 美 國 、 德 國 兩 個(gè) 國 家 能 夠 完 全 獨(dú) 立 生 產(chǎn) 。 2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng) 本 文 設(shè) 計(jì) 的 是 YK2250型 全 數(shù) 控 螺 旋 錐 齒 輪 銑 齒 機(jī) 的 主 軸 系 統(tǒng) ， 為 方 便 描 述 ， 下 文 統(tǒng) 一 稱 數(shù) 控 銑 床 。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 主 軸 系 統(tǒng) 包 括 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) ， 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 和 主 軸 組 件 。 與 普 通 機(jī) 床 的 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 相 比 數(shù) 控 機(jī) 床 在 結(jié) 構(gòu) 上 比 較 簡 單 ， 這 是 因 為 變 速 功 能 全 部 或 大 部 分 由 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 的 無 級 調(diào) 速 來 承 擔(dān) 。 省 去 了 繁 雜 的 齒 輪 變 速 機(jī) 構(gòu) ， 還 有 一 些 數(shù) 控 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 中 還 存 在 二 級 或 三 級 齒 輪 變 速 機(jī) 構(gòu) 用 以 擴(kuò) 大 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 無 級 變 速 的 范 圍 。 本 文 設(shè) 計(jì) 的 主 軸 系 統(tǒng) 就 屬 于 這 樣 類 型 。 2.1 數(shù)控機(jī)床對主傳動(dòng)的要求 1. 范 圍 ： 各 種 不 同 的 機(jī) 床 對 調(diào) 速 范 圍 的 要 求 不 同 ， 多 用 途 ， 通 用 性 比 較 大 的 機(jī) 床 ， 要 求 主 軸 的 調(diào) 速 范 圍 大 ， 不 但 有 低 速 大 轉(zhuǎn) 距 的 功 能 ， 而 且 還 要 有 比 較 高 的 速 度 。 2. 熱 變 形 ： 電 動(dòng) 機(jī) 、 主 軸 及 傳 動(dòng) 件 都 有 熱 源 。 降 低 溫 升 ， 減 少 熱 變 形 是 對 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 要 求 的 重 要 指 標(biāo) 。 3. 旋 轉(zhuǎn) 精 度 和 運(yùn) 動(dòng) 精 度 （ 1） 主 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 精 度 :是 指 裝 配 后 ， 在 無 載 荷 ， 低 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 條 件 下 ， 測 量 主 軸 前 端 和 300mm處 的 徑 向 和 軸 向 跳 動(dòng) 值 。 （ 2） 主 軸 在 以 工 作 速 度 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 測 量 上 述 兩 項(xiàng) 精 度 稱 為 運(yùn) 動(dòng) 精 度 。 4. 主 軸 的 靜 剛 度 和 抗 振 性 由 于 數(shù) 控 機(jī) 床 的 加 工 精 度 比 較 高 ， 主 軸 的 轉(zhuǎn) 速 又 很 高 。 因 此 ， 主 軸 組 件 的 質(zhì) 量 分 布 是 否 均 勻 以 及 主 軸 組 件 的 阻 尼 等 ， 對 主 軸 組 件 的 靜 剛 度 和 抗 振 性 都 會(huì) 產(chǎn) 生 影 響 。 5. 主 軸 組 件 的 耐 磨 性 主 軸 組 件 必 須 有 足 夠 的 耐 磨 性 ， 使 之 能 夠 長 期 保 持 要 求 的 準(zhǔn) 確 精 度 。 凡 是 有 機(jī) 械 摩 擦 的 部 位 ， 軸 承 ， 錐 孔 等 都 要 有 足 夠 的 硬 度 ， 軸 承 還 應(yīng) 具 有 良 好 的 潤 滑 。 [6] 2.2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)的配置方式 數(shù) 控 銑 床 的 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 要 求 有 較 大 的 調(diào) 速 范 圍 ， 以 保 證 進(jìn) 行 加 工 時(shí) 能 選 用 合 理 的 切 削 用 量 ， 從 而 獲 得 最 佳 的 生 產(chǎn) 效 率 、 加 工 精 度 和 表 面 質(zhì) 量 。 數(shù) 控 機(jī) 床 的 變 速 是 按 照 控 制 指 令 自 動(dòng) 進(jìn) 行 的 ， 因 此 機(jī) 構(gòu) 必 須 適 應(yīng) 自 動(dòng) 操 作 的 要 求 。 大 多 數(shù) 的 數(shù) 控 銑 床 是 用 無 級 變 速 系 統(tǒng) 控 制 的 。 數(shù) 控 機(jī) 床 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 主 要 有 以 下 三 種 配 置 方 式 ： 1. 帶 有 變 速 齒 輪 的 主 傳 動(dòng) 這 種 配 置 方 式 在 大 中 型 數(shù) 控 機(jī) 床 中 采 用 比 較 普 遍 。 它 通 過 少 數(shù) 幾 對 齒 輪 進(jìn) 行 降 速 ， 使 之 能 夠 分 段 變 速 ， 確 保 低 速 時(shí) 擁 有 足 夠 的 扭 矩 ， 以 滿 足 主 軸 輸 出 扭 矩 特 性 。 但 也 有 一 部 分 小 型 數(shù) 控 機(jī) 床 也 采 用 這 種 傳 動(dòng) 方 式 ， 以 獲 得 強(qiáng) 力 切 削 時(shí) 所 需 要 的 扭 矩 。 2. 通 過 帶 傳 動(dòng) 的 主 傳 動(dòng) 主 要 應(yīng) 用 在 中 小 數(shù) 控 機(jī) 床 上 ， 可 以 避 免 齒 輪 傳 動(dòng) 時(shí) 引 起 的 振 動(dòng) 和 噪 聲 ， 但 它 只 能 適 用 于 低 扭 矩 特 性 要 求 的 主 軸 。 同 步 帶 有 多 楔 帶 ， 齒 形 帶 ， 圓 弧 帶 等 ， 是 一 種 綜 合 了 帶 傳 動(dòng) 和 鏈 傳 動(dòng) 優(yōu) 點(diǎn) 的 新 型 傳 動(dòng) 。 帶 的 工 作 面 及 帶 輪 外 圓 上 均 制 成 齒 形 ， 通 過 帶 輪 與 輪 齒 相 嵌 合 ， 做 無 滑 動(dòng) 的 嚙 合 傳 動(dòng) 。 帶 內(nèi) 采 用 了 承 載 后 無 彈 性 伸 長 的 材 料 作 強(qiáng) 力 層 ， 以 保 持 帶 的 節(jié) 距 不 變 ， 使 主 動(dòng) 和 從 動(dòng) 帶 輪 可 做 無 相 對 滑 動(dòng) 的 同 步 傳 動(dòng) 。 與 一 般 帶 傳 動(dòng) 相 比 ， 同 步 帶 傳 動(dòng) 具 有 以 下 優(yōu) 點(diǎn) ： （ 1） 無 滑 動(dòng) ， 傳 動(dòng) 比 準(zhǔn) 確 。 （ 2） 傳 動(dòng) 效 率 高 ， 可 達(dá) 98%以 上 。 （ 3） 傳 動(dòng) 平 穩(wěn) 可 靠 ， 噪 聲 小 。 （ 4） 使 用 范 圍 廣 ， 速 度 要 達(dá) 到 50m/s， 速 比 可 達(dá) 10左 右 ， 傳 動(dòng) 功 率 由 幾 瓦 到 數(shù) 千 瓦 。 （ 5） 修 保 養(yǎng) 方 便 ， 不 需 要 潤 滑 。 但 是 同 步 帶 也 有 不 足 之 處 ， 其 安 裝 時(shí) 中 心 距 要 求 嚴(yán) 格 ， 帶 與 帶 輪 制 造 工 藝 較 復(fù) 雜 ， 成 本 高 。 3. 由 調(diào) 速 電 動(dòng) 機(jī) 直 接 驅(qū) 動(dòng) 的 主 傳 動(dòng) 這 種 主 傳 動(dòng) 方 式 大 大 簡 化 了 主 軸 箱 與 主 軸 的 結(jié) 構(gòu) ， 有 效 地 提 高 了 主 軸 部 件 的 剛 度 。 但 主 軸 輸 出 扭 矩 小 ， 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) 發(fā) 出 的 熱 量 對 主 軸 的 精 度 影 響 比 較 大 。 在 低 于 額 定 轉(zhuǎn) 速 時(shí) 為 恒 轉(zhuǎn) 矩 輸 出 ， 高 于 額 定 轉(zhuǎn) 矩 時(shí) 為 恒 功 率 輸 出 。 使 用 這 種 電 動(dòng) 機(jī) 可 實(shí) 現(xiàn) 電 氣 定 向 。 我 們 把 機(jī) 床 主 軸 驅(qū) 動(dòng) 與 一 般 工 業(yè) 的 驅(qū) 動(dòng) 相 比 較 ， 便 可 知 機(jī) 床 要 求 其 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 有 較 高 的 速 度 精 度 和 動(dòng) 態(tài) 剛 度 ， 而 且 要 求 具 有 能 連 續(xù) 輸 出 的 高 轉(zhuǎn) 距 能 力 和 非 常 寬 的 恒 功 率 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 。 隨 著 功 率 電 子 ， 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) ， 控 制 理 論 ， 新 材 料 和 電 動(dòng) 機(jī) 設(shè) 計(jì) 的 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 和 完 善 ， 矢 量 控 制 交 流 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 性 能 已 經(jīng) 達(dá) 到 甚 至 超 過 了 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) ， 交 流 主 軸 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 正 在 逐 步 取 代 直 流 系 統(tǒng) 。 [7] 3 主軸電動(dòng)機(jī)的選取 正 確 選 擇 電 動(dòng) 機(jī) 的 類 型 、 型 號 及 容 量 是 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 的 重 要 問 題 之 一 ， 它 直 接 影 響 著 機(jī) 床 的 結(jié) 構(gòu) 和 壽 命 ， 選 擇 時(shí) 要 根 據(jù) 機(jī) 床 的 功 能 要 求 ， 所 設(shè) 計(jì) 的 結(jié) 構(gòu) ， 工 作 狀 況 等 全 面 考 慮 ， 然 后 選 擇 適 宜 的 結(jié) 構(gòu) 型 式 及 容 量 。 圖3.1 主軸電動(dòng)機(jī) 電 動(dòng) 機(jī) 功 率 的 選 擇 ， 工 作 機(jī) 所 需 的 有 效 功 率 為 ： Pw=Fv/1000=17.5kw[8],為 了 計(jì) 算 電 動(dòng) 機(jī) 所 需 的 功 率 ， 先 要 確 定 從 電 動(dòng) 機(jī) 到 工 作 部 件 的 總 效 率 η ， 設(shè) η 1、 η 2、 分 別 為 同 步 帶 輪 和 同 步 帶 的 傳 動(dòng) 效 率 ， 查 表 所 得 η 1和 η 2都 等 于 0.97。 則 傳 動(dòng) 的 總 效 率 為 η =η 1× η 2=0.94[8]， 所 以 電 動(dòng) 機(jī) 所 需 的 功 率 為 Pd=Pw/η =18.5KW[8] 電 動(dòng) 機(jī) 傳 速 的 選 擇 :此 次 設(shè) 計(jì) 要 求 電 動(dòng) 機(jī) 必 須 有 額 定 轉(zhuǎn) 速 1500r/min,最 高 轉(zhuǎn) 速 必 須 達(dá) 到 4000r/min。 電 動(dòng) 機(jī) 型 號 的 選 取 ： 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 本 次 設(shè) 計(jì) 中 選 取 蘭 州 電 機(jī) 廠 生 產(chǎn) 的 1PH5167-4CF4型 號 交 流 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 。 其 主 要 參 數(shù) 如 下 表 ： 表 3-1 1PH5167-4CF4型 號 交 流 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 的 主 要 參 數(shù) [9] 額 定 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） 最 高 轉(zhuǎn) 速 (r/min) 額 定 轉(zhuǎn) 矩 慣 性 矩 (N.M) 電 機(jī) 功 率 (KW) 恒 功 率 范 圍 1500 6000 117.7 0.046 18.5 1:90 4 主軸組件的設(shè)計(jì) 主 軸 組 件 主 要 包 括 ： 主 軸 、 主 軸 支 撐 和 安 裝 在 主 軸 上 的 傳 動(dòng) 件 、 密 封 件 等 ， 因 為 主 軸 帶 動(dòng) 工 件 或 刀 具 直 接 參 加 工 件 表 面 形 成 運(yùn) 動(dòng) ， 所 以 它 的 工 作 性 能 對 加 工 質(zhì) 量 和 生 產(chǎn) 率 產(chǎn) 生 直 接 影 響 ， 是 機(jī) 床 最 重 要 的 部 件 之 一 。 4.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 1. 回 轉(zhuǎn) 精 度 主 軸 組 件 的 回 轉(zhuǎn) 精 度 ,是 指 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 精 度 。 當(dāng) 主 軸 做 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 線 速 度 為 零 的 點(diǎn) 的 連 線 稱 為 主 軸 的 得 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 。 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 的 空 間 位 置 ， 每 一 瞬 間 都 是 變 化 的 ， 這 些 瞬 間 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 的 平 均 空 單 位 轉(zhuǎn) 移 不 為 理 想 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 。 瞬 時(shí) 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 相 對 于 理 想 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 在 空 間 位 置 的 距 離 ， 就 是 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 誤 差 ， 而 回 轉(zhuǎn) 誤 差 的 范 圍 ， 就 是 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 精 度 。 純 徑 轉(zhuǎn) 誤 差 、 角 度 誤 差 和 軸 向 誤 差 ， 它 們 很 少 單 獨(dú) 存 在 。 當(dāng) 徑 向 誤 差 和 角 度 誤 差 同 時(shí) 存 在 構(gòu) 成 徑 向 跳 動(dòng) ， 而 軸 向 誤 差 和 角 度 誤 差 同 時(shí) 存 在 構(gòu) 成 端 面 跳 動(dòng) 。 由 于 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 誤 差 一 般 都 是 一 個(gè) 空 間 旋 轉(zhuǎn) 矢 量 ， 它 并 不 是 在 所 有 的 情 況 下 都 表 示 為 被 加 工 工 件 所 得 的 加 工 形 狀 。 主 軸 回 轉(zhuǎn) 精 度 的 測 量 ， 一 般 分 為 三 種 靜 態(tài) 測 量 、 動(dòng) 態(tài) 測 量 和 間 接 測 量 。 目 前 我 國 在 生 產(chǎn) 中 沿 著 傳 統(tǒng) 的 靜 態(tài) 測 量 法 ， 用 一 個(gè) 精 密 的 檢 測 棒 插 入 主 軸 錐 孔 中 千 分 表 觸 頭 觸 及 檢 測 棒 圓 柱 表 面 ， 以 低 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 主 軸 進(jìn) 行 測 量 。 千 分 表 最 大 和 最 小 的 讀 數(shù) 差 既 認(rèn) 為 是 主 軸 的 徑 向 回 轉(zhuǎn) 誤 差 。 端 面 誤 差 一 般 以 包 括 主 軸 所 在 平 面 內(nèi) 的 直 角 坐 標(biāo) 系 的 垂 直 度 ， 數(shù) 據(jù) 綜 合 表 示 。 動(dòng) 態(tài) 測 量 是 用 一 標(biāo) 準(zhǔn) 球 裝 在 主 軸 中 心 線 上 ， 與 主 軸 中 心 線 上 ， 與 主 軸 同 時(shí) 旋 轉(zhuǎn) ； 在 主 軸 同 時(shí) 旋 轉(zhuǎn) ； 在 工 作 臺(tái) 上 安 裝 兩 個(gè) 互 成 90度 角 的 非 接 觸 傳 感 器 ， 通 過 儀 器 記 錄 回 轉(zhuǎn) 情 況 。 間 接 測 量 是 用 小 的 切 削 量 用 小 的 切 削 量 回 工 有 色 金 屬 試 件 ， 然 后 在 圓 度 儀 上 測 量 試 件 的 圓 度 來 評 價(jià) 。 出 廠 時(shí) ， 普 通 級 加 工 中 心 的 回 轉(zhuǎn) 精 度 用 靜 態(tài) 測 量 法 測 量 ， 當(dāng) L=300mm時(shí) 允 許 誤 差 應(yīng) 小 于 0.02㎜ 。 造 成 主 軸 回 轉(zhuǎn) 誤 差 的 原 因 主 要 是 由 于 主 軸 的 結(jié) 構(gòu) 及 其 加 工 精 度 、 主 軸 軸 承 的 選 用 及 剛 度 等 ， 而 主 軸 及 其 回 轉(zhuǎn) 零 件 的 不 平 衡 ， 在 回 轉(zhuǎn) 時(shí) 引 起 的 激 振 力 ， 也 會(huì) 造 成 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 誤 差 。 因 此 加 工 中 心 的 主 軸 不 平 衡 量 要 控 制 在 0.4㎜ /s以 下 。 2. 主 軸 剛 度 主 軸 組 件 的 剛 度 是 指 受 外 力 作 用 時(shí) ， 主 軸 組 件 抵 抗 變 形 的 能 力 。 通 常 抵 以 主 軸 前 端 產(chǎn) 生 單 位 位 移 時(shí) ， 在 位 移 方 向 上 所 施 加 的 作 用 力 大 小 來 表 示 。 主 軸 組 件 的 剛 度 越 大 ， 主 軸 受 力 的 變 形 就 越 小 。 主 軸 組 件 的 剛 度 不 足 ， 在 切 削 力 及 其 他 力 的 作 用 下 ， 主 軸 將 產(chǎn) 生 較 大 的 彈 性 變 形 ， 不 僅 影 響 工 件 的 加 工 質(zhì) 量 ， 還 會(huì) 破 壞 齒 輪 、 軸 承 的 正 常 工 作 條 件 ， 使 其 加 快 磨 損 ， 降 低 精 度 。 主 軸 部 件 的 剛 度 與 主 軸 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 、 支 撐 跨 距 、 所 選 軸 承 類 型 及 配 置 形 勢 、 砂 間 隙 的 調(diào) 整 、 主 軸 上 傳 動(dòng) 元 件 的 位 置 等 有 關(guān) 。 3. 主 軸 抗 振 性 主 軸 組 件 的 抗 振 性 是 指 切 削 加 工 時(shí) ， 主 軸 保 持 平 穩(wěn) 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) 而 不 發(fā) 生 振 動(dòng) 的 能 力 。 主 軸 組 件 抗 振 性 及 在 必 要 時(shí) 安 裝 阻 尼 （ 消 振 ） 器 。 另 外 ， 使 主 軸 固 有 頻 率 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于 激 振 力 的 頻 率 。 4. 主 軸 溫 升 主 軸 組 件 在 運(yùn) 轉(zhuǎn) 中 ， 溫 升 過 高 會(huì) 起 兩 方 面 的 不 良 結(jié) 果 ： 一 是 主 軸 組 件 和 箱 體 因 熱 膨 脹 而 變 形 ， 主 軸 的 回 轉(zhuǎn) 中 心 線 和 機(jī) 床 其 他 件 的 相 對 位 置 會(huì) 有 變 化 ， 直 接 影 響 加 工 精 度 ； 其 次 是 軸 承 等 元 件 會(huì) 因 溫 度 過 高 而 改 變 已 調(diào) 好 的 間 隙 和 破 壞 正 常 潤 滑 條 件 ， 影 響 軸 承 的 正 常 工 作 。 嚴(yán) 重 時(shí) 甚 至 會(huì) 發(fā) 生 ： “ 抱 軸 ” 。 數(shù) 控 機(jī) 床 在 解 決 溫 升 問 題 時(shí) ， 一 般 采 用 恒 溫 主 軸 箱 。 5. 主 軸 的 耐 磨 性 主 軸 組 件 必 須 有 足 夠 的 耐 磨 性 ， 以 便 長 期 保 持 精 度 。 主 軸 上 易 磨 損 的 地 方 是 刀 具 或 工 件 的 安 裝 部 位 以 及 移 動(dòng) 式 主 軸 的 工 作 部 位 。 為 了 提 高 耐 磨 性 ， 主 軸 的 上 述 部 位 應(yīng) 該 淬 硬 ， 或 者 經(jīng) 過 氮 化 處 理 ， 以 提 高 硬 度 增 加 耐 磨 性 。 主 軸 軸 承 也 需 要 有 良 好 的 潤 滑 ， 提 高 其 耐 磨 性 。 以 上 這 些 要 求 ， 有 的 還 是 矛 盾 的 ， 例 如 高 剛 度 和 高 速 ， 高 速 和 高 精 度 等 ， 這 就 要 具 體 問 題 具 體 分 析 ， 例 如 設(shè) 計(jì) 高 效 數(shù) 控 機(jī) 床 的 主 軸 組 件 的 主 軸 應(yīng) 滿 足 高 速 和 高 剛 度 的 要 求 ； 設(shè) 計(jì) 高 精 度 數(shù) 控 機(jī) 床 時(shí) ， 主 軸 應(yīng) 滿 足 高 剛 度 、 低 溫 升 的 要 求 。 同 時(shí) ， 主 軸 結(jié) 構(gòu) 要 保 證 個(gè) 部 件 定 位 可 靠 ， 工 藝 性 能 好 等 要 求 。 6. 提 高 主 軸 組 件 抗 振 性 的 措 施 （ 1） 盡 量 縮 短 主 軸 前 軸 承 結(jié) 構(gòu) 的 長 度 ， 適 當(dāng) 增 大 跨 矩 ； （ 2） 盡 量 提 高 前 軸 承 的 剛 度 和 阻 尼 ； （ 3） 提 高 前 軸 承 的 精 度 ， 把 推 力 軸 承 放 在 前 支 撐 初 可 提 高 抗 振 性 ； （ 4） 對 高 速 旋 轉(zhuǎn) 的 零 件 作 靜 、 動(dòng) 平 衡 ， 提 高 齒 輪 、 主 軸 的 制 造 精 度 都 可 適 當(dāng) 減 少 強(qiáng) 迫 振 動(dòng) 源 ； （ 5） 對 于 非 連 續(xù) 切 削 過 程 的 銑 削 ， 滾 削 等 加 裝 飛 輪 可 減 少 振 動(dòng) ； （ 6） 應(yīng) 用 阻 尼 器 消 耗 振 動(dòng) 能 量 是 有 效 的 措 施 ； 考 慮 系 統(tǒng) 的 固 有 頻 率 ， 避 免 共 振 。 7. 減 少 主 軸 組 件 熱 變 形 的 措 施 （ 1） 把 熱 源 移 至 機(jī) 床 以 外 。 （ 2） 改 善 主 傳 動(dòng) 的 潤 滑 條 件 。 如 進(jìn) 行 箱 外 循 環(huán) 潤 滑 ， 用 低 粘 度 的 潤 滑 油 、 油 霧 潤 滑 等 ， 特 別 注 意 前 軸 承 的 潤 滑 情 況 。 （ 3） 采 用 冷 卻 散 熱 裝 置 。 例 如 用 熱 管 冷 卻 減 少 機(jī) 床 各 部 位 的 溫 差 ,進(jìn) 行 熱 補(bǔ) 償 。 如 可 以 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 采 用 一 些 自 動(dòng) 補(bǔ) 償 的 裝 置 設(shè) 法 使 熱 變 形 朝 不 影 響 加 工 精 度 的 方 向 發(fā) 展 。 還 可 以 在 工 藝 上 減 少 熱 變 形 的 影 響 。 如 先 空 運(yùn) 轉(zhuǎn) 一 段 時(shí) 間 再 加 工 。 把 粗 、 精 加 工 分 開 等 。 4.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算 4.1 主 軸 主 軸 （ 圖 4.1） 是 主 軸 組 件 的 重 要 組 成 部 分 ， 它 的 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 和 形 狀 、 制 造 精 度 、 材 料 、 及 其 熱 處 理 ， 對 主 軸 組 件 的 工 作 性 能 都 有 很 大 的 影 響 。 主 軸 結(jié) 構(gòu) 隨 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 要 求 的 不 同 而 有 各 種 形 式 。 主 軸 的 主 要 尺 寸 參 數(shù) 包 括 ： 主 軸 直 徑 、 內(nèi) 孔 直 徑 、 懸 伸 長 度 和 支 撐 跨 距 。 評 價(jià) 和 考 慮 主 軸 的 主 要 尺 寸 參 數(shù) 的 依 據(jù) 使 主 軸 的 剛 度 、 結(jié) 構(gòu) 工 藝 性 和 主 軸 組 件 的 工 藝 適 應(yīng) 范 圍 。 1. 主 軸 直 徑 主 軸 直 徑 越 大 ， 其 剛 度 越 高 ， 但 使 得 軸 承 和 軸 上 其 他 零 件 的 尺 寸 相 應(yīng) 增 大 。 軸 承 的 直 徑 越 大 ， 同 等 級 精 度 軸 承 的 公 差 值 也 越 大 ， 要 保 證 主 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 精 度 就 越 困 難 。 同 時(shí) 極 限 轉(zhuǎn) 數(shù) 下 降 。 主 軸 后 端 支 撐 軸 頸 的 直 徑 可 視 為 0.7～ 0.8的 前 支 承 軸 頸 值 ， 實(shí) 際 尺 寸 要 在 主 軸 組 件 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 時(shí) 確 定 。 前 、 后 軸 頸 的 差 值 越 小 則 主 軸 的 剛 度 越 高 ， 工 藝 性 能 也 越 好 。 2. 主 軸 內(nèi) 孔 直 徑 主 軸 的 內(nèi) 孔 用 來 安 放 棒 料 、 刀 具 夾 緊 裝 置 固 定 刀 具 、 傳 動(dòng) 氣 動(dòng) 或 液 動(dòng) 卡 盤 等 。 主 軸 孔 徑 越 大 ， 可 通 過 的 棒 料 直 徑 也 越 大 ， 機(jī) 床 的 適 用 范 圍 就 越 廣 ， 同 時(shí) 主 軸 部 件 的 相 對 重 量 也 越 輕 。 主 軸 孔 徑 的 大 小 主 要 受 主 軸 剛 度 的 制 約 。 主 軸 的 孔 徑 與 主 軸 的 直 徑 之 比 ， 小 于 0.3時(shí) 空 心 主 軸 的 剛 度 幾 乎 與 實(shí) 心 主 軸 的 剛 度 相 當(dāng) ； 等 于 0.35時(shí) ， 空 心 主 軸 的 剛 度 為 實(shí) 心 主 軸 剛 度 的 90%； 大 于 0.7時(shí) 空 心 主 軸 的 剛 度 急 劇 下 降 。 一 般 可 取 其 比 值 為 0.5左 右 。 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 此 設(shè) 計(jì) 選 用 的 主 軸 材 料 是 45號 鋼 。 其 熱 處 理 及 參 數(shù) 如 表 4.1所 示 。 表 4.1 45號 鋼 熱 處 理 參 數(shù) [13] 材 料 熱 處 理 硬 度 （ HBS） 抗 拉 強(qiáng) 度 極 限 屈 服 強(qiáng) 度 極 限 σ s 彎 曲 疲 勞 極 限 σ -1 剪 切 疲 勞 極 限 τ -1 許 用 彎 曲 應(yīng) 力 [σ -1] 45 調(diào) 質(zhì) 、 滲 氮 217～ 255 640 355 300 155 60 因 為 選 用 的 主 軸 電 機(jī) 功 率 為 P=18.5KW， 額 定 轉(zhuǎn) 速 nc=1500r/min 所 以 主 軸 功 率 p=pc/η 1η 2η 3==9.67 kw (式 4.1) 因 為 主 軸 是 空 心 轉(zhuǎn) 軸 ， 所 以 d1=21.68 × . （ 式 4.2） 查 表 得 =1.23 所 以 d1=21.68× 1.2321.23=56.6㎜ 又 因 為 此 處 軸 上 有 一 個(gè) 鍵 槽 ， 所 以 d1=d× (1+5%)=59.45㎜ 取 d1=60㎜ ;d2=d1+2a,a為 軸 肩 高 度 ， 用 于 軸 上 零 件 的 定 位 和 固 定 ， 故 a值 應(yīng) 該 稍 微 大 于 轂 孔 的 圓 角 半 徑 或 倒 角 深 ， 通 常 取 a≥ （ 0.07～ 0.1） d1； d2應(yīng) 符 合 密 封 件 的 孔 徑 要 求 。 所 以 d2=63mm d3=d2+5～ 8mm=72mm。 d4=d3+1～ 5mm=74mm。 d5=d4+1～ 5mm=78mm。 d6=d5+2a。 a≥ (0.07～ 0.1)d1 所 以 d6=80mm。 根 據(jù) 選 用 的 軸 承 確 定 d7=98mm 主 軸 的 疲 勞 強(qiáng) 度 安 全 系 數(shù) 校 核 ， 危 險(xiǎn) 截 面 安 全 系 數(shù) s的 校 核 計(jì) 算 ： s=≥ [s] （ 式 4.3） — 只 考 慮 彎 距 作 用 的 安 全 系 數(shù) ； sτ — 只 考 慮 扭 距 作 用 是 的 安 全 系 數(shù) ； [s] — 許 用 安 全 系 數(shù) ； [14] 在 此 查 表 所 得 [s]=1.3～ 1.5； sσ = 查 表 得 出 σ -1=270Mpa τ -1=155Mpa kσ =1.71 kτ =1.44 β =1.6 ε σ =0.78 ε τ =0.74， ψ σ =0.3， ψ τ =0.21， σ α =， σ m=σ α M= Wp= 所 以 ： s==1.08<[s]=1.3～ 1.5 所 以 主 軸 設(shè) 計(jì) 符 合 要 求 。 3. 主 軸 的 軸 端 結(jié) 構(gòu) 主 軸 的 軸 端 是 用 于 安 裝 夾 具 和 刀 具 。 要 求 夾 具 和 刀 具 在 軸 端 定 位 精 度 高 、 定 位 好 、 裝 卸 方 便 ， 同 時(shí) 使 主 軸 的 懸 伸 長 度 短 。 數(shù) 控 銑 床 的 主 軸 端 部 結(jié) 構(gòu) ， 一 般 采 用 短 圓 錐 法 蘭 盤 式 。 4. 軸 主 要 精 度 指 標(biāo) 前 支 承 軸 承 軸 頸 得 同 軸 度 約 為 5μ m左 右 ； 軸 承 軸 頸 需 要 按 軸 承 內(nèi) 孔 “ 實(shí) 際 尺 寸 ” 配 合 ， 并 且 需 要 保 證 配 合 過 盈 1μ m～ 5μ m； 錐 孔 與 軸 承 軸 頸 得 同 軸 度 為 3μ m～ 5μ m， 與 錐 面 的 接 觸 面 積 不 小 于 80%， 且 大 端 接 觸 較 好 ； 裝 圓 柱 滾 子 軸 承 與 軸 承 內(nèi) 圈 的 接 觸 面 積 應(yīng) 該 不 小 于 85%。 5. 主 軸 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 改 善 改 善 主 軸 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 措 施 有 以 下 幾 個(gè) 方 面 ： （ 1） 使 主 軸 組 件 的 固 有 頻 率 避 開 激 振 力 的 頻 率 通 常 應(yīng) 該 使 固 有 頻 率 高 于 激 振 力 頻 率 的 30%以 上 。 如 果 發(fā) 生 共 振 的 那 階 模 態(tài) 屬 于 主 軸 在 彈 性 基 礎(chǔ) 上 （ 軸 承 ） 的 剛 度 振 動(dòng) 則 應(yīng) 提 高 軸 承 的 剛 度 。 如 果 屬 于 主 軸 的 彎 曲 振 動(dòng) ， 則 應(yīng) 提 高 主 軸 的 剛 度 ， 如 加 粗 直 徑 。 激 振 力 可 能 來 自 主 軸 組 件 的 不 平 衡 ， 這 時(shí) 激 振 頻 率 等 于 主 軸 轉(zhuǎn) 速 乘 以 π /30。 也 可 能 來 自 斷 續(xù) 切 削 ， 這 時(shí) 激 振 頻 率 還 應(yīng) 該 乘 以 刀 齒 數(shù) z。 （ 2） 增 大 阻 尼 如 前 面 所 述 ， 低 階 模 態(tài) 常 是 主 軸 的 剛 體 振 動(dòng) 。 這 時(shí) 主 軸 軸 承 ， 特 別 是 前 軸 承 的 阻 尼 對 主 軸 組 件 的 抗 振 性 影 響 很 大 。 如 果 要 求 得 到 很 光 的 加 工 表 面 ， 主 軸 又 是 水 平 的 ， 可 用 滑 動(dòng) 軸 承 。 滾 動(dòng) 軸 承 適 當(dāng) 預(yù) 緊 可 以 增 大 阻 尼 ， 但 過 大 的 預(yù) 緊 反 而 使 阻 尼 減 少 ， 故 選 擇 預(yù) 緊