（全套设计打包）立式加工中心主轴组件的结构设计

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入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之。主轴部件的研究进展图.立式加工中心结构图切削箱轴伺服电机轴伺服电机主轴电机主轴箱刀库数控柜操纵面板驱动电柜工作台滑座立柱床身冷却水箱间歇润滑油箱机械手典型加工中心的机械结构主要有基础支承件加工中心主轴系统进给传动系统工作台交换系统回转工作台刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成。图.所示为立式加工中心结构图。主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。随着电气传动技术变频调速技术电动机矢量控制技术等的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是种智能型功能部件，不但转速高功率大，还有系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。.课题的目的及内容本课题来源于同济现代制造技术研究所立式加工中心机床设计项目的子课题之。加工中心是典型的集高新技术于体的机械加工设备，它的发展代表了个国家设计制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工传递运动动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有主轴孔锥度主轴孔直径主轴箱行程轴主轴转速范围快速移动速度轴进给速度轴。.课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求旋转精度旋转精度是指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理轴承类型和润滑方式。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。.解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴支承轴承主轴箱上轴承座等的制造装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度轴承滚道及滚子的圆度主轴及其上的回转零件的动平衡度止推轴承的滚道及滚动体的误差以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别要提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。而对于主轴组件的刚度，实际上是主轴轴承轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式背靠背面对面同向混合等数量类型预紧等，以及支承的跨距主轴前端的悬伸量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬伸量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴承间的最佳跨距进行预紧采用合理的轴承及其相应的配置形式等措施。采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。方案拟定.加工中心主轴组件的组成主轴组件是由主轴主轴支承装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能动态刚度加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。.机械系统方案的确定主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达有时允许达，传动功率可达，传动比可达有时允许达，传动效率可达。同步带传动的优点是无滑动，能保证固定的传动比预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距的要求严格。由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动。主轴进给机构对于主轴的进给机构，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所作的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比较，见表.。表.滑动螺旋滚动螺旋的特点与应用场合滑动螺旋滚动螺旋结构示意图使用性能摩擦系数大，传动效率低，约摩擦系数很低，传动效率高达低速运行时有爬行或振动低速运行时无爬行振动磨损大，使用寿命较短耐磨性好，磨损极小运转时无噪声。高速运行有噪声。结构工艺性结构简单，加工及安装精度要求较低。结构复杂，加工及安装精度要求较高。成本较低。高，是滑动螺旋的倍。应用场合适用于中高速的轻中重载荷，如般机床的进给机构。适用于高中低速的轻中重载荷，如数控精密机床的进给机构。由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时运行的稳定性要求较高。故对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高磨损小传动平稳的滚动螺旋传动方式。主轴准停机构主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式如磁力传感器检测定向两种。图.机械式主轴准停装置无触点开关感应块形槽轮定位盘定位液压缸定向滚轮定向活塞图.所示为形槽轮定位盘准停装置，在主轴上固定个形槽定位盘，使形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系，其工作原理为准停前主轴必须是处于停止状态，当接受到主轴准停指令后，主轴电动机以低速转动，主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转，时间继电器开始动作，并延时，保证主轴转稳后接通无触电开关的电源，当主轴转到图示位置即形槽轮定位盘上的感应块与无触点开关相接触后发出信号，使主轴电动机停转。另延时继电器延时后，压力油进入定位液压缸下腔，使定向活塞向左移动，当定向活塞上的定向滚轮顶入定位盘的形槽内时，行程开关发出信号，主轴准停完成。若延时继电器延时后行程开关仍不发信号，说明准停没完成，需使定向活塞后退，重新准停。当活塞杆向右移到位时，行程开关发出定向滚轮退出凸轮定位盘凹槽的信号，此时主轴可启动工作。目前常采用的电气方式有两种，种是利用主轴上光电脉冲发生器的同步脉冲信号另种是用磁力传感器检测定向，其工作原理如图.。图.电气式主轴准停在主轴上安装个发磁体与主轴起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹处固定个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到以上。这种准停装置机械结构简单，发磁体与磁感传感器间没有接触摩擦，准停的定位精度可达，能满足般换刀要求。并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在个圆盘的边缘，但这对较精密的高转速加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择。本课题采用电气式主轴准停装置，此方式避免了机械装置的复杂结构，只需要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。刀具自动夹紧机构在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。图.示为数控镗铣床主轴组件机构示意图。碟形弹簧通过拉杆，双瓣卡爪，在套筒的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔通入压力油，活塞的端部推动拉杆向下移动，同时压缩碟形弹簧，当拉杆下移到使双瓣卡爪的下端移出套筒时，在弹簧的作用下，卡爪张开，喷气头将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸的下腔通入压力油，活塞向上移，碟形弹簧伸长将拉杆和双瓣拉着向上，双瓣卡爪重新进入套筒，将刀柄拉紧。活塞移动的两个极限位置都有相应的行程开关，作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。图.数控镗铣床主轴组件机构示意图调整半环双列园柱滚子轴承向心球轴承，调整环双瓣卡爪弹簧拉杆向心推力球轴承油缸碟形弹簧活塞喷气头套筒图.刀柄拉紧结构刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪式以外，还有图.所示的弹簧夹头结构以及图.所示的钢球拉紧机构。在本课题中，刀具自动夹紧机构借用如图.的夹紧方式，采用气压缸夹紧方式，从而避免因油路堵塞等常见情况。而在拉杆处则采用钢球拉紧机构，因为其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆。切屑清除机构自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程的个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑，灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆锥柄会被