（定稿）立式加工中心主轴组件的结构设计（全套下载）

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位置和位置所示。但是，当下个洞在号位置孔的后面。那么，机床就要同时快速运动两根轴。因此，在到达下个坐标时，刀具走的几乎是路线。在到达最终位置之前，根轴将停止运动，而另根轴将继续运动。注所有的运动都是快速进给的。对于控制器的要求相对来说不是很复杂，通过滚针滚珠轴承，甚至是空气轴承所产生的滑动运动反应灵敏，因为它们的载荷是很小的。直线或近轴控制图.如果铣削操作要求从个特征转换到另个特征，那么就必须有与此运动相关的进给速率。因此，先前点对点控制方式是没有用的。因为每根轴都必须在完全控制下进行不断的监测。近轴控制发展的比较早，与点对点控制不同的是，它提供给机床更方便的控制和适应性。但是，就作者所知，现今没有任何家机床制造商能独自提供这种类型的位置设备。连续路径控制图.诸如连续路径类型的轮廓系统到目前为止是使用最普遍的。他们有同步电动机进行进给驱动，在“工件包迹”内可到达任何处精确的位置。这些普通的控制能用于点对点控制，可以迅速地从个坐标指向下个坐标。他们也可以用于直线运动的双列推力向双列圆锥滚带凸缘双列圆柱带弹簧的单列圆滚子轴承心球轴承子轴承滚子轴承锥滚子轴承图.主轴常用的几种滚动轴承的类型为了适应主轴高速发展的要求，滚珠轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由于陶瓷材料的质量轻，热膨胀系散小，耐高温，所以具有离心小动摩擦力小预紧力稳定弹性变形小刚度高的特点。但由于成本较高，在数控机床上还未普及使用。数控机床主轴支承根据主轴部件的转速承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表.。表.数控机床的主轴轴承及其性能性能滚动轴承液体静压轴承气体静压轴承磁力轴承陶瓷轴承旋转精度般或较高，在预紧无间隙时较高高，精度保持性好般同滚动轴承刚度般或较高，预紧后较高，取决于所用轴高，与节流阀形式有关，薄膜反馈或滑阀反馈很高较差，因空气可压缩，与承载力大小有关不及般滚动轴承比般滚动轴承差抗振性较差，阻尼比好，阻尼比好较好同滚动轴承速度性能用于中低速，特殊轴承可用于较高速用于各级速度用于超高速用于高速用于中高速，热传导率低，不易发热摩擦损耗较小，小，小很小同滚动轴承寿命疲劳强度限制长长长较长结构尺寸轴向小，径向大轴向大，径向小轴向大，径向小径向大轴向小，径向大制造难易轴承生产专业化标准化自制，工艺要求高，需要供油设备自制，工艺较液压系统低，需要供气系统较复杂比滚动轴承难使用维护简单，用油脂润滑要求供油系统清洁，较难要求供气系统清洁，较易较难较难成本低较高较高高较高机床主轴轴承发展，经历了滚陶气浮磁浮等阶段。滚动轴承发展到陶瓷轴承，即钢球改为陶瓷球，滚道加或金属。由于陶瓷球具有高刚度高硬度低密度以及低热胀和低导热系数等特点，同时所用油脂为次性，终身润滑，大大地提高了滚动轴承的性能，所以被广泛采用。目前，般中小规格的数控机床如车床铣床钻镗床加工中心磨床等的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床如坐标磨床采用气体静压轴承，转速达的主轴则可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。数控机床的转速高，为减少主轴的发热，必须改善轴承的润滑方式。在数控机床上的润滑般采用高级油脂封入方式润滑，每加次油脂可使用年。主轴轴承的配置根据主轴部件的工作精度刚度温升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图.所示的几种形式。图.数控机床主轴轴承的配置形式在图.所示的配置中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用成对角接触球轴承，该配置可满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机机床。在图.所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由个轴承组成套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速重载的主轴部件。在图.所示的配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达，但这种轴承的承载能力小，因而这种配置适用于高速轻载和精密的数控机床主轴。在图.所示的配置形式中，前支撑采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置径向和轴向的刚度高，可承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，因此适用于中等精度，低速与重载荷的数控机床主轴。主轴轴承的预紧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回转精度刚度和抗振性。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是通过轴承内外圈的相对轴向移动来实现的。轴承内圈移动这种方法适用于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做轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图.所示为几种轴承内圈的预紧形式。图.轴承的预紧形式图.结构简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。图.用螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。图主轴内孔直径的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆镗杆或顶出顶尖等。确定孔径的原则是，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以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。由经验得知，当时是主轴平均直径，主轴刚度会急剧下降而当时，内孔对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径的极限值为此时，刚度削弱小于。按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径。.主轴端部形状的选择机床主轴的轴端般用于安装刀具夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确安装可靠连接牢固装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化。图.所示为铣床主轴的轴端形式，其尺寸大小按照进行加工，选择主轴序号为的主轴端部尺寸。图.铣床主轴的轴端形式.主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点般即为前径向支承中点的距离。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。悬伸量值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减值。.主轴支承跨距的确定支承跨距是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之。最优跨距是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得的最优值。最优跨距可按下列公式计算.式中式中主轴前端悬伸长，单位为材料的弹性模量，单位为轴惯性矩，单位为前轴承刚度值，单位为后轴承刚度值，单位为。按上式计算最优跨距，计算过程如下.式中主轴跨距部分的平均直径，单位为主轴跨距部分的平均孔颈，单位为。由式.得由参考文献中图.确定，由主轴材料为查得材料的弹性模量由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长将上述参数值代入公式，得，将，值代入公式.，得按照结构设计的要求，取。由于，故满足设计要求。主轴受力分析轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，般从传动件轮毂宽度的中点算起。图.轴承受力图主轴上的轴承采用端固定，另端游动的支承形式。图示.为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面图.和水平面图.两个平面力系。由公式.得出切向铣削力径向负荷切向负荷轴向负荷图.静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示.为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求。利用叠加法，得挠度为.式中径向切向负荷分力，单位为径向切向负荷，单位为材料的弹性模量，轴惯性矩，。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划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀布置。其工作原理图可参考图.。.伺服驱动系统方案的确定控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的种能量转换装置。由于其可在很宽的速度和负载范围内进行连续精确地控制，因而在各种机电体化系统中得到了广泛的应用。控制用旋转电动机按其工作原理可分为旋转磁场型和旋转电枢型。前者有同步电动机永磁步进电动机永磁后者有直流电动机永磁感应电动机按矢量控制等效模型，具体地可细分为步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入个电脉冲就转动步，即每当电动机绕组接受个电脉冲，转子就转过个相应的步距角。由于其转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，所以对于本课题所需的控制电动机而言，步进电动机很难精确地确保主轴组件的旋转精度，故不适合。直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。它具有较高的响应速度精度和频率，优良的控制特性等优点。但是由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。所以不太适合用于主轴的主电机，但是可以用于进给电动机。由于交流伺服电动机具有直流伺服电动机的全部优点，并且其不具备电刷和换向器，不需要定期维修。虽然在价格上交流伺服电动机较贵，但是由于其性能可靠精度好，所以正在逐步取代直流电动机的地位。故在本课题的主电机选用中选择交流伺服电动机。各种伺服电动机的特点及应用举例见表.。表.伺服电动机的特点及应用实例种类主要特点应用实例伺服电动机.高响应特性.高功率密度体积小重量轻.可实现高精度数字控制.接触换向部件电刷与换向器需要维护.不能高速大扭矩工作。机械机器人计算机外围设备办公机械音响和音像设备计测机械等伺服电动机.具有伺服电动机的全部优点.对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制.具有良好的性价比.坚固耐