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Abstract
摘 要
此次是設(shè)計(jì)完成一臺(tái)立式數(shù)控鏜床的機(jī)械部分。在設(shè)計(jì)中首先要合理的完成鏜床總體結(jié)構(gòu)布局，包括床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，立柱結(jié)構(gòu)布局和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次對(duì)主軸系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)計(jì)算，其中主軸系統(tǒng)的包括主軸、齒輪、液壓缸，伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、軸承等。同時(shí)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌和刀庫進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，最后對(duì)主軸、滾珠絲杠、軸承進(jìn)行了強(qiáng)度等·校核計(jì)算。
因此要設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控鏜床，首先要了解數(shù)控鏜床的結(jié)構(gòu)與工作原理，其次操作、維修、改進(jìn)數(shù)控鏜床也至關(guān)重要。本文介紹了數(shù)控鏜床的主軸系統(tǒng)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于系統(tǒng)各個(gè)部件也作了相關(guān)介紹。
關(guān)鍵詞：數(shù)控鏜床；伺服電機(jī)；滾珠絲杠；軸承；液壓缸
關(guān)鍵詞： Abstract
In design, you can see the machining part design of verteal machining center. In the design, we deal with such systerm problems as the selection of motors,ballscrew,bearing and such headshaft systerm as gear hydraulic pressure iar and lathebed worktable.We explain the choosing of the material of rarious kmds and the assembling of the whole machine. And we check and calculate of the whole machine . And we cheak and calculate the main machine compoents.
Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、maintain、improve Numerical-controlled millng machine, it is the basic of designing Numerical-controlled millng machine.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled millng machine according to this text, also made a introduction for the system parts.
KeyWords： Numerical control millng machine;Ballserew;Hydraulic pressure jar;
Headshaft.
V
I
目 錄
目 錄
摘 要 I
關(guān)鍵詞： Abstract II
1 綜述 1
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì) 5
2.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 5
2.1.2 床身結(jié)構(gòu)布局及截面形狀 6
2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局 6
2.2.1 對(duì)立柱的條件要求 6
2.2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局 6
2.3 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.3.1 T形槽 8
2.3.2 工作臺(tái)其余結(jié)構(gòu) 8
3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 10
3.1 滾珠絲杠的傳動(dòng)特點(diǎn) 10
3.2 滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)原理 11
3.2.1 x向絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 11
4.2.2 y向絲杠的選型 17
4.2.3 z向絲杠螺母的設(shè)計(jì) 17
4.3 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 17
4.4 電機(jī)的選型設(shè)計(jì) 18
4.4.1 伺服控制電機(jī)的基本要求 18
4.4.2 伺服電機(jī)的選型設(shè)計(jì) 18
3 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
3.1 主軸組件設(shè)計(jì) 24
3.2 主軸組件需要滿足的條件 24
3.2.1 回轉(zhuǎn)精度 25
3.2.2 主軸的剛度 25
3.2.3 主軸的抗震性 25
3.2.4 主軸的溫升 26
3.2.5 主軸的耐磨性 26
3.2.6 主軸的承載能力 26
3.3 主軸的設(shè)計(jì) 27
3.3.1 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 27
3.3.2 主軸傳動(dòng)部件位置的合理布置 28
3.4 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
3.4.1 主軸設(shè)計(jì) 29
3.4.2 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 30
3.5 軸端設(shè)計(jì) 31
3.6 主軸的校核 32
3.6.1 主軸箱齒輪強(qiáng)度校核 32
3.6.2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的校核 33
3.6.3 主軸強(qiáng)度的校核 33
3.7 主軸箱的潤(rùn)滑 35
3.7.1 潤(rùn)滑劑的選擇 35
3.7.2 管路設(shè)計(jì) 35
3.7.3 自動(dòng)控制油溫的選擇 35
3.8 軸承的合理安排 35
3.9 主軸電機(jī)的選擇 36
3.10 主軸軸承的選擇和強(qiáng)度校核 36
3.10.1 支反力的計(jì)算 37
3.10.2 對(duì)于軸承使用壽命的計(jì)算 38
3.11 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 39
3.11.1 齒輪的尺寸 39
3.11.2 雙聯(lián)齒輪的設(shè)計(jì) 40
3.11.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41
3.11.4 齒輪的強(qiáng)度校核 41
5液壓缸的選擇設(shè)計(jì) 45
5.1 液壓傳動(dòng)的特點(diǎn) 45
5.2 液壓工作原理 46
5.3 液壓缸的選取 46
5.4 液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 47
6刀庫的選擇 48
6.1 刀庫的種類 48
6.2 刀庫交換裝置 48
6.3 刀具識(shí)別裝置 49
6.4 刀庫的換刀方式 49
6.5 刀庫的選擇 49
結(jié) 論 50
致 謝 51
參考文獻(xiàn) 52
1 綜述
1.1 數(shù)控鏜床的主要優(yōu)點(diǎn)
1. 能完成復(fù)雜型面的零件加工。
2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量,由于數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)定的程序 自動(dòng)加工的，加工過程不需要人工干預(yù),而且加工精度還可以利用軟件來進(jìn)行校正和修補(bǔ),因此可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度。
3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺(tái)數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床可提高效率2-3倍。由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。
4.可以一機(jī)多用,有的數(shù)控機(jī)床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7臺(tái)普通機(jī)床,并節(jié)省了廠房面積。
5.幾乎不需要專用的工裝卡具，可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，大大減少在制品數(shù)量,從而加速了流動(dòng)資金的周轉(zhuǎn), 提高了經(jīng)濟(jì)效益。
6. 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向
機(jī)械制造業(yè)是一個(gè)民族經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平高低已成為衡量一個(gè)地區(qū)甚至國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家有很大部分的財(cái)富都來源于機(jī)械制造業(yè)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)也后來居上，可以說，機(jī)械制造業(yè)決定了國(guó)家的繁榮和昌盛。機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平也反映了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平。工件的加工效率、所需的生產(chǎn)成本多少、加工質(zhì)量的優(yōu)劣是衡量機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志，全面提高這幾項(xiàng)行業(yè)將會(huì)得到飛躍式的發(fā)展。
15世紀(jì)出現(xiàn)了水力驅(qū)動(dòng)的炮筒鏜床。1774年英國(guó)人J.威爾金森發(fā)明了炮筒鏜床，第二年用作瓦特蒸汽機(jī)加工汽缸體。1776年他又制造了一臺(tái)比較精確的氣缸鏜床。1880年，德國(guó)開始生產(chǎn)帶前后立柱和工作臺(tái)的臥式鏜床。為了適應(yīng)特大、特重工件的加工，20世紀(jì)30年代發(fā)展出了落地鏜床。隨著銑削量的增加，50年代出現(xiàn)了落地鏜銑床。20世紀(jì)初期，隨著鐘表儀器制造業(yè)的迅速發(fā)展，為了加工孔距誤差較小的設(shè)備，在瑞士出現(xiàn)了坐標(biāo)鏜床。為了提高鏜床的定位精度，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地采用光學(xué)讀數(shù)頭或數(shù)字顯示裝置。一些鏜床還采用了數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的定位和加工過程的自動(dòng)化。
數(shù)控鏜床同其他機(jī)床一樣，其技術(shù)水平的提高也表現(xiàn)在固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的發(fā)展和新技能（如智能化、網(wǎng)絡(luò)化等）的應(yīng)用上。我國(guó)自從改革開放以來，加快了數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)和研制，由于技術(shù)并不完善，在國(guó)內(nèi)大中型企業(yè)中數(shù)控機(jī)床并未得到廣泛應(yīng)用，因此極大地束縛了這類企業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，本設(shè)計(jì)在保證精度準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，還最大限度的降低生產(chǎn)成本，既檢驗(yàn)了我在大學(xué)四年中所學(xué)知識(shí)是否掌握并熟練運(yùn)用，也是為步入職場(chǎng)鋪下一塊堅(jiān)實(shí)的墊腳石。此設(shè)計(jì)包括：數(shù)控鏜床總體結(jié)構(gòu)布局、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、立柱結(jié)構(gòu)布局、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。滾珠絲杠選型設(shè)計(jì)、滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。滾動(dòng)導(dǎo)軌選型設(shè)計(jì)、主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)，軸承選型設(shè)計(jì)、液壓缸選型設(shè)計(jì)，刀庫選型設(shè)計(jì)、主要件的強(qiáng)度校核，伺服進(jìn)給電機(jī)選型設(shè)計(jì)、聯(lián)軸器選型設(shè)計(jì)。
（1）數(shù)控鏜床高速化，是指主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的高速化。
以下措施可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的高速：
⑴選用陶瓷軸承
使用陶瓷材料SiN制成軸承滾動(dòng)體，而內(nèi)圈則仍用軸承鋼制造的軸承。選用陶瓷作為滾動(dòng)體，因?yàn)樗亓枯p，是軸承鋼的40%；熱膨脹率低，是軸承鋼的25%；彈性膜量大，是軸承鋼的1.5倍[10]。
轉(zhuǎn)速越高，滾動(dòng)體引起的離心力和慣性滑移越高。選用陶瓷滾動(dòng)體，大大地減少了離心力和慣性滑移，進(jìn)一步地提高了主軸轉(zhuǎn)速。但目前其價(jià)格昂貴，且壽命、可靠性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)還未確定，扔需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。但陶瓷軸承的優(yōu)越性是不容置疑的，而且已應(yīng)用于部分正式產(chǎn)品的數(shù)控機(jī)床上。
⑵ 主軸軸承采用預(yù)緊量可調(diào)裝置
早期主軸的預(yù)緊方式是固定預(yù)緊量式，但由于軸承滾動(dòng)體離心力的影響，主軸在低速區(qū)和高速區(qū)的剛性有所差異，從而影響了主軸在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定切削。隨著主軸轉(zhuǎn)速的高速化發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)低速時(shí)的高剛性和高速時(shí)的低發(fā)熱，固定預(yù)緊量方式已無法滿足其要求，于是出現(xiàn)了隨著轉(zhuǎn)速自動(dòng)改變軸承預(yù)緊量的結(jié)構(gòu)。在低速區(qū)由活塞頂緊，實(shí)現(xiàn)高剛性固定預(yù)緊量式，而在高速區(qū)活塞松開，只靠彈簧預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)頂壓預(yù)緊。
⑶ 改進(jìn)主軸軸承潤(rùn)滑、冷卻方式:
以往，加工中心主軸軸承的潤(rùn)滑方式大多采用油脂封入式潤(rùn)滑。為了滿足主軸轉(zhuǎn)速向高速化發(fā)展的要求，相繼開發(fā)了新型潤(rùn)滑、冷卻方式。
油氣（oil air）潤(rùn)滑方式：這種潤(rùn)滑方式與油霧潤(rùn)滑相似，但兩者有原則上的區(qū)別。油氣潤(rùn)滑是定時(shí)定量地把油霧送入軸承空隙中，這樣既保證了油霧潤(rùn)滑，又不會(huì)污染周圍空氣。
噴注（jet）潤(rùn)滑：它用較大流量的恒溫油（每個(gè)軸承3～4L/min）噴注到主軸軸承，以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑冷卻的目的。噴注的油是用兩臺(tái)排油泵強(qiáng)制排出的。
（2） 精密化
速度固然重要，但精確也必不可少。隨著汽車、電子、航空等行業(yè)的迅猛發(fā)展，更要求我們所生產(chǎn)的工件達(dá)到極為精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)加工設(shè)備精確性的不斷提高是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榧毙枰淮笈庸ぞ葹椤唉獭奔?jí)、主軸轉(zhuǎn)速高于12000r/min、快移速度大于40m/min的高效高精鏜床。為了順應(yīng)發(fā)展的趨勢(shì)，滿足各生產(chǎn)商的需求，鏜床將會(huì)向著高精密方向發(fā)展。
（3） 復(fù)合化
復(fù)合化指的是功能的復(fù)合化與工序的復(fù)合化，新興的數(shù)控機(jī)床已將粗加工與精加工緊密結(jié)合，同時(shí)把車，鏜，銑，鉆，磨等工序整合到一起，將非加工輔助時(shí)間減至最少，擴(kuò)大了機(jī)床的試用范圍，進(jìn)一步提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率。
（4） 高可靠性
數(shù)控機(jī)床的可靠性是衡量數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。可靠性的高低直接影響數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率以及最終的效益。
(5) 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化
智能化運(yùn)用在數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)方面，如工藝參數(shù)自動(dòng)生成、智能化主軸監(jiān)控功能、智能化維護(hù)監(jiān)控功能、智能化振動(dòng)防止功能、語音導(dǎo)航功能、智能化平衡失調(diào)檢測(cè)功能等。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來比較被關(guān)注的一點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足了制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如虛擬企業(yè)、全球制造等的基礎(chǔ)條件。
柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各各國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì)
2.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主機(jī)：它是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等部件。它用于完成各種切削加工。
床身、床頭箱的尾座應(yīng)注意排屑、冷卻、潤(rùn)滑、和維護(hù)。
2.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求
機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)比普通機(jī)床有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗震性。因此數(shù)控機(jī)床在以下幾個(gè)方面應(yīng)有更高的要求。
1) 很高的精度和精度保持性
在床身上有許多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面自身精度和相對(duì)位置精度要求就很高，并且需要保持很長(zhǎng)時(shí)間。此外機(jī)床在切削加工時(shí)，所有的靜、動(dòng)載荷最后往往都是傳到床身上的，因此床身受力極為復(fù)雜。為保證零部件之間的相互位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，除了滿足幾何尺寸、位置關(guān)系精度等要求外，還要滿足靜、動(dòng)剛度和抗震性、熱穩(wěn)定性、工藝性等各方面技術(shù)要求。
2) 應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度
靜剛度包括床身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，使它們最后都達(dá)到較高的性能。
動(dòng)剛度直接反應(yīng)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，它保證了機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力，同時(shí)抵抗受迫振動(dòng)及自激震動(dòng)而產(chǎn)生的噪音。
3) 較好的熱穩(wěn)定性
對(duì)于高精度的數(shù)控機(jī)床來說，熱穩(wěn)定性是一個(gè)突出問題，必須在設(shè)計(jì)中考慮到整體的熱變形狀況，保證變形度達(dá)到最小，使其對(duì)精度的影響力盡可能達(dá)到最小。
2.1.2 床身結(jié)構(gòu)布局及截面形狀
1) 床身各種各樣的結(jié)構(gòu)形式。
床身分為平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種類型。床身是基礎(chǔ)支撐部件，必須具有足夠高的靜、動(dòng)剛度保持性，肋板布置適當(dāng)，又能保證良好的冷熱加工工藝性。加工中心的床身有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種，本次設(shè)計(jì)采用的是固定立柱式，由溜板和工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)平面上X、Y坐標(biāo)的移動(dòng)，床身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,一般適用于中小型立式和臥式加工中心。
2) 床身肋板一般依據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)
為了滿足床身剛度和抗震性要求，V形肋有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支撐部分的剛度，斜方肋和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱型結(jié)構(gòu)。床身截面的形狀受機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件和鑄造能力的約束，以及使用廠家習(xí)慣的影響，種類較多，主要有橫向、縱向和斜向三類。
縱向肋板可加強(qiáng)抗彎剛度，橫向肋板對(duì)加強(qiáng)抗扭剛度有顯著效果。斜向肋板對(duì)提高抗彎剛度有所幫助。
當(dāng)肋板厚度相同時(shí)，米字形肋板結(jié)構(gòu)抗彎剛度接近“#”字形結(jié)構(gòu)，而抗扭剛度則是“#”字形結(jié)構(gòu)的數(shù)倍。此外縱向肋板和橫向肋板分別對(duì)抗彎剛度有顯著效果：米字形肋板和“#”字形肋板的抗彎剛度也較高，米字形肋板更為突出，但米字形肋板加工工藝性差，制造工時(shí)較長(zhǎng)。
2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局
2.2.1 對(duì)立柱的條件要求
立柱必須在承受切削力、震動(dòng)、溫度變化等條件下依然保持正常工作。它必須支撐主軸箱體，使其能夠順著垂直方向上下移動(dòng)。
2.2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局
數(shù)控鏜床的主軸箱在框式立柱中間，立柱應(yīng)設(shè)計(jì)成對(duì)稱形結(jié)構(gòu)；同過比較分析并在設(shè)計(jì)中采用“X”形來布置隔板與筋條。
1) 立柱和床身的連接
立柱與床身的連接，一般采用螺栓緊固，圓錐銷定位的方式?？紤]到連接的實(shí)際應(yīng)選立 柱
主軸箱
取12個(gè)螺栓，連接草圖如下：
圖1. 立柱與工作臺(tái)的布局
立柱和機(jī)床身的連接采用螺栓與圓柱銷的定位方式，是為了最大限度的提升立柱和機(jī)床身接觸剛度，采用了以下方法：
⑴提高有效接觸面的平面度，盡量減小其粗糙度。以此來提升集合強(qiáng)度;
⑵強(qiáng)緊得方法。
2) 立柱的導(dǎo)軌精度
⑴立柱底面對(duì)主導(dǎo)面的垂直度：＜0.01mm
⑵直線度：0.006~0.015mm
⑶安裝底面與主導(dǎo)面的垂直度：0.05~0.001mm[16]
⑷兩導(dǎo)軌扭曲度：0.01～0.015㎜[16]
2.3 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
使用矩形的工作臺(tái)，并開T形槽，且不做分度運(yùn)動(dòng)，如下圖：
400
600
圖2. 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)
2.3.1 T形槽
18H8
14
30
20
14
圖3. T型槽的結(jié)構(gòu)和尺寸
2.3.2 工作臺(tái)其余結(jié)構(gòu)
1) 為了方便安裝，應(yīng)采用Z方向絲桿的螺母座與工作臺(tái)分離式結(jié)構(gòu)，具體的形式結(jié)構(gòu)見總裝配圖；
2) 為了防止切屑對(duì)防護(hù)罩造成影響，固在工作臺(tái)的兩邊加上擋板；
3) 為防止切屑對(duì)導(dǎo)軌造成影響，安裝防護(hù)板，板的大小由加工工作要求來確定，詳情見總裝配圖；
4) 為便于安裝，盡量減小零件，因此采用工作臺(tái)在導(dǎo)軌上面滑動(dòng)，應(yīng)在工作臺(tái)上面鉆油孔，方便潤(rùn)滑；
5) 工作臺(tái)座的作用：
(1) 安裝X方向減速箱；
(2) 作Y方向上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)體；
(3) 安裝X方向進(jìn)給滾動(dòng)導(dǎo)軌和該方向上絲桿螺母；
(4) 支承工作臺(tái)；
(5) 容納X方向上進(jìn)給絲桿的潤(rùn)滑油；
(6) 作X方向上的進(jìn)給絲桿支撐箱體。
49
3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)
需按所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的最大載荷、最高速度初選一個(gè)滾珠絲杠的公稱直徑，其中包括循環(huán)方式。再按馬達(dá)的轉(zhuǎn)速等要求初選滾珠絲杠的導(dǎo)程。然后根據(jù)定位精度的要求，作定位精度、重復(fù)定位精度、壓桿穩(wěn)定性、極限轉(zhuǎn)速、極限壽命以及Dn值等各項(xiàng)校核試驗(yàn)并修正初選值。
3.1 滾珠絲杠的傳動(dòng)特點(diǎn)
1) 滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3：由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此可以得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果動(dòng)力只需為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很顯著；
2) 高精度的保證：采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、可將軸向間隙調(diào)整得很小，依舊能夠輕便地傳動(dòng)。若加入適當(dāng)預(yù)緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更優(yōu)良的剛性，在承載時(shí)減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，以便達(dá)到更高的精度；
3) 微進(jìn)給：由于滾珠絲杠副是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中那樣的爬行現(xiàn)象，能夠保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
4) 無側(cè)隙、剛性高：滾珠絲杠副可以加予壓力，壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性（在實(shí)際用于機(jī)械裝置時(shí)，滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，滾珠間的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)）；
5) 高速進(jìn)給：滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小，固可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
6) 高可靠性：與其它傳動(dòng)機(jī)械、液壓傳動(dòng)等相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也更為簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑和防塵即可。在特殊場(chǎng)合中可在無潤(rùn)滑狀態(tài)下工作；
7) 高耐用性：鋼球滾動(dòng)接觸面均經(jīng)過硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動(dòng)，相對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命，精度保持更為持久。
由上面可以歸納出傳動(dòng)特點(diǎn)為：
(1) 傳動(dòng)可逆；
(2) 使用可靠；
(3) 同步性好；
(4) 預(yù)緊性好；
(5) 使用壽命長(zhǎng)；
(6) 定位精確；
(7) 效率較高；
(8) 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。
3.2 滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)原理
滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)部件，它將螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)絲杠副的運(yùn)動(dòng)位置機(jī)理就是用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。在絲杠和螺母副上有圓弧形螺旋槽，在絲杠與螺母旋合螺旋槽間放置適當(dāng)數(shù)量的鋼球作為中間轉(zhuǎn)動(dòng)體，借助滾珠返回通道，絲杠或螺母副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，震動(dòng)滾珠沿著滾道導(dǎo)珠管不斷循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)周而復(fù)始的滾動(dòng)。
3.2.1 x向絲杠螺母副的設(shè)計(jì)
1) 型號(hào)選擇 (參考的是南京工藝裝備廠生產(chǎn)的精密滾珠絲杠)
(1) 選擇型號(hào)：FFZD型浮動(dòng)內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊式滾珠絲杠；
(2) 滾珠絲杠的導(dǎo)程：電機(jī)與絲杠直接相連
(3) 調(diào)整方法:改變墊片的厚度尺寸,使雙螺母重新獲得所需要的預(yù)緊力
·······················(4―1)
式中：
― 電機(jī)最高的轉(zhuǎn)速根據(jù)要求取
― 工作臺(tái)最高移動(dòng)的速度根據(jù)要求取
固因此可以得出
2) 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量載荷
表8. 各種切削方式下的參數(shù)
切削方式
縱向切削力Pxi(N)
垂向切削力Pzi(N)
進(jìn)給速度V1
(m/min)
工作時(shí)間百分比
絲杠軸向載荷(N)
絲杠轉(zhuǎn)速r/min
強(qiáng)力切削
2000
1200
0.6
10
1677
75
一般切削
1000
500
0.8
30
1607
100
精切削
500
200
1
50
1077
125
快速進(jìn)給
0
0
12
10
557
1500
(1) 各種切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速
Ni=
取V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=12
則 N1=60r / min
N2=80r / min
N3=100r / min
N4=1200r / min
(2) 絲杠的軸向載荷
各種情況下：
····················(4—2)
經(jīng)過查表可以得到：
通過已知道的條件得： 工作臺(tái)的最大行程：600mm.
工作臺(tái)的重量：
定位精度 全行程
重復(fù)定位精度
動(dòng)摩擦因數(shù)： 靜摩擦因數(shù)：
要求壽命：20000h 工件和夾具的最大重量
快速進(jìn)給速度
因此
(3) 當(dāng)量轉(zhuǎn)速
(4) 當(dāng)量載荷
········(4―3)
通過計(jì)算得出：
(5) 各種切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速
選取
可以得出
3) 預(yù)計(jì)將要達(dá)到的額定動(dòng)載荷
(1) 通過預(yù)期的工作時(shí)間可以估算：
·······················(4―4)
通過《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表：輕微的沖擊 1―3級(jí)取
已知 可靠性 固選取
(2) 通過選用預(yù)緊式滾珠絲杠副，依照最大的負(fù)載荷計(jì)算可得
··························(4―5)
通過查表[12 [12]
通過計(jì)算選擇所求結(jié)果的最大值即
4) 確定最小螺紋的底徑
(1) 估算絲杠允許的最大軸向變形量
<=(1/3 ~1/4) 重復(fù)定位精度
已知:重復(fù)定位精度10,定位精度20
<=(1/3 ~1/4) 重復(fù)定位精度3
<=(1/3 ~1/4)定位精度6
取以上兩種的最小值 取=3
(2) 估算最小螺紋的底徑
·······················(4―6)
·······················(4―7)
已知行程
所以可以得到
5) 對(duì)滾珠絲杠副規(guī)格的確定：
(1) 通過 選取相對(duì)應(yīng)的滾珠絲杠副
Wch5010
(2) 調(diào)整方法：通過襯套外循環(huán)的齒差來調(diào)節(jié)預(yù)緊雙螺母的調(diào)節(jié)。
(3) 滾珠絲杠副預(yù)緊力的確定
6) 行程的補(bǔ)償
(1) ··················(4―8)
····················(4―9)
上式中的
(2)
預(yù)拉伸力為
所以有
7) 滾珠絲杠副支撐作用的軸承型號(hào)的確定
(1) 緊力 ；
(2) 選型為兩端固定支撐背對(duì)背60度接觸角推力角接觸的球軸承；
(3) 所選徑D應(yīng)該微小于 取整 ；
(4) 軸向的載荷
通過計(jì)算選取軸承的型號(hào) 40TAC72A
8) 計(jì)算絲杠上螺紋的長(zhǎng)度
(1) 通過查表可知 ；
(2) 端固定支撐的長(zhǎng)度 ；
(3) 長(zhǎng)度187mm；
(4) 固定點(diǎn)和起點(diǎn)的長(zhǎng)度 ；
(5) 絲杠的總體長(zhǎng)度 。
9) 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度
(1) 軸承的組合剛度；
·····················(4―10)
是預(yù)加載荷的3倍，
所以
滾珠絲杠副的滾道與滾珠接觸的剛度
·····················(4―11)
通過已給的條件可以得到
(2) 拉剛度
··················(4―12)
最大的抗壓剛度為：
所以可以得到
10) 剛度的演算
··················(4―13)
于是
于是
(1) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的演算
··················(4―14)
因?yàn)?
所以可以知道傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度合格。
(2) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的變化引起的定位誤差
·················(4―15)
(3) 絲杠精度的確定
任意的300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量V300 因?yàn)?
因此 絲杠的精度選為3級(jí)。
(4) 滾珠絲杠的確定
選定的型號(hào)為FFZD,絲杠全長(zhǎng)1700,公稱直徑50,導(dǎo)程10,螺紋長(zhǎng)度1393，P類，3級(jí)精度，代號(hào)：FFZD5010-3-P3/1700×1393
(5) 演算強(qiáng)度
因?yàn)? 因此強(qiáng)合格
(6) 傳動(dòng)效率的計(jì)算：
················(4―16)
其中 為螺旋升角
絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)
為摩擦角絲杠滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003 ~ 0.004
所以摩擦角為10ˊ19＂~ 13ˊ45＂ 取整12ˊ
所以
(7) 臨界轉(zhuǎn)速的演算
················(4―17)
通過樣本
查表可以得到 則
4.2.2 y向絲杠的選型
通過X方向絲杠的選型確定Y方向絲杠的型號(hào)為FFZD6312-4-P3/1200×874通過計(jì)算符合要求。
4.2.3 z向絲杠螺母的設(shè)計(jì)
1) 所選絲杠型號(hào)為FFZD型
公稱直徑為50mm，
2) 兩端固定支承距離
絲杠全長(zhǎng)為230+874=1114mm 因?yàn)閆方向上絲杠長(zhǎng)度應(yīng)小于X方向，所以Z方向絲杠合格。
因此Z放向絲杠的型號(hào)選為FFZD5010-4-P3/1700×1393
4.3 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)
1) 傳動(dòng)效率高；
2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；
3) 傳動(dòng)可逆；
4) 可以預(yù)緊；
5) 定位精度高；
6) 重復(fù)定位精度高；
7) 同步性好；
8) 使用壽命長(zhǎng)；
9) 使用可靠。
4.4 電機(jī)的選型設(shè)計(jì)
現(xiàn)代機(jī)電行業(yè)中經(jīng)常會(huì)碰到一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)電機(jī)的動(dòng)力荷載有很大影響。伺服驅(qū)動(dòng)裝置是許多機(jī)電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿足給定負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)，然后再?gòu)闹邪磧r(jià)格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇最適合的電機(jī)。
4.4.1 伺服控制電機(jī)的基本要求
1) 震動(dòng)與噪音?。?
2) 功率密度與比率大即性能的密度大；
3) 位置的控制精度高；
4) 快速性好，即加減速扭矩小，頻率特性好；
5) 可靠性比較高。
與此同時(shí)還應(yīng)該具備：機(jī)械特性：要求伺服電機(jī)的速降小、剛度大;快速響應(yīng)的要求：這在輪廓加工，特別對(duì)曲率大的加工對(duì)象進(jìn)行高速加工時(shí)要求較嚴(yán)格；調(diào)速范圍：這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)于各種不同的加工工藝；一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作臺(tái)的摩擦力和切削的阻力，因此主要是"恒轉(zhuǎn)矩"的性質(zhì)。
4.4.2 伺服電機(jī)的選型設(shè)計(jì)
1) 伺服電機(jī)應(yīng)該滿足的要求：
(1) 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于最大切削力矩；
(2) 快速進(jìn)給頻率應(yīng)該在預(yù)期值以內(nèi)；
(3) 在進(jìn)給調(diào)速范圍內(nèi)點(diǎn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于空載進(jìn)給力矩；
(4) 加速時(shí)間應(yīng)該滿足預(yù)期的時(shí)間常數(shù)。
2) X方向伺服電機(jī)的選擇：
(1) 最高轉(zhuǎn)速的選擇 伺服電機(jī)最高的轉(zhuǎn)速應(yīng)該依據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的快速進(jìn)給速度絲杠螺距及傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比來確定，計(jì)算公式：
················(4―18)
： 工作臺(tái)要求快速進(jìn)給的速度，
: 絲杠的螺距，
: 裕度系數(shù)，
: 傳動(dòng)系統(tǒng)減速比，因?yàn)槭侵边B
所以
(2) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算
················(4―19)
雙螺母滾珠絲杠的預(yù)緊力矩
預(yù)緊力通常會(huì)選擇最大工作的載荷的1/3
驅(qū)動(dòng)力矩
絲杠的預(yù)緊力矩的系數(shù)0.1-0選擇0.15 所以
絲杠導(dǎo)程 選擇
加在絲杠軸間的外載荷
克服軸向外載荷所需的力矩
法向載荷
移動(dòng)部件的重量包括工作
導(dǎo)軌摩擦系數(shù)
滾珠絲杠的效率
：傳動(dòng)比 選取 因此
電機(jī)的選擇根據(jù) 是伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 根據(jù)《設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取BESK10
額定轉(zhuǎn)矩 11.8N·m 電機(jī)的輸出功率為 1.8KW最大轉(zhuǎn)矩 78N·m
3) 慣量匹配計(jì)算：
負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)的慣量換算至電機(jī)的機(jī)軸之間有以下關(guān)系：
(1) 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
根據(jù)表6.6-29可知1000kg工作臺(tái)換算到的絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量是：
(2) 確定聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3卷表6.6-19可以得到飛輪 因此可有
(3) 傳動(dòng)系統(tǒng)換算電機(jī)軸上面的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
(4) 慣量的匹配計(jì)算：
根據(jù)表可以得出
所以
由上面可以看出符合慣量匹配關(guān)系。
(5) 伺服電機(jī)的加減速能力的校核
················(4―20)
當(dāng)快速移動(dòng)加速時(shí)候它的最大轉(zhuǎn)矩用上面公式計(jì)算可以得到
快速移動(dòng)時(shí)候的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度
加減速度時(shí)間
系統(tǒng)的開環(huán)增益 通常情況 25到8
加工中心通常 在這里選擇
因此有
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量
負(fù)載的轉(zhuǎn)矩
:
················(4―21)
上面式中：
:移動(dòng)體的摩擦轉(zhuǎn)矩
:絲杠副的摩擦轉(zhuǎn)矩
:軸承的摩擦力矩
因此則有
因此由上面計(jì)算可以選BESK10的最大轉(zhuǎn)矩是78N·m 符合條件
4) Y方向上伺服電機(jī)的選擇
(1) 最高的轉(zhuǎn)速
················(4―22)
(2) 脈沖編碼器的選擇：
···············(4―23)
(3) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法：
···············(4―24)
上式中
移動(dòng)部件的重量（工作臺(tái)，工作臺(tái)架，工件）
是絲杠的效率 內(nèi)絲杠的預(yù)緊力的系數(shù)為
是支撐軸承的摩擦力矩
··········(4―25)
通過《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》取BESK10 重要的參數(shù)：
額定的轉(zhuǎn)矩 11.8N·m ；最大的轉(zhuǎn)矩 78N·m；
最高的轉(zhuǎn)速2000r/min;輸出的功率1.8KW;
5) 慣量的匹配計(jì)算
(1) 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》3卷表66-19可以看出
(2) 移動(dòng)部件的慣量
(3) 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
通過《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以得到
(4) 換算到電動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量
即 可以看出符合要求。
(5) 伺服電機(jī)加減能力的校核
快速移動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩
··············(4―26)
上面式子中：
移動(dòng)體摩擦轉(zhuǎn)矩
絲杠副的摩擦轉(zhuǎn)矩
軸承摩擦轉(zhuǎn)矩
所以
因此符合要求
6) Z方向上伺服電動(dòng)機(jī)的選擇
(1) 脈沖編碼器的選擇
(2) 最高的轉(zhuǎn)速為
(3) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
··············(4―27)
其中
··············(4―28)
所以選擇BESK10伺服電機(jī) 主要數(shù)據(jù)：
最大的轉(zhuǎn)矩78N·m； 輸出的功率1.8KW；
最高的轉(zhuǎn)速2000r/min; 額定的轉(zhuǎn)矩11.8 N·m
7) 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配
(1) 聯(lián)軸器的慣量
(2) 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的主要數(shù)據(jù)
(3) 主軸箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
即
通過上面計(jì)算可以知道符合要求
(4) 電動(dòng)機(jī)快速移動(dòng)能力的校核
·············(4―29)
上面式子中
所以可以知道電機(jī)符合要求
進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)的主要數(shù)據(jù)：X.Y.Z三個(gè)方向全部選用BESK10交流伺服電機(jī)，最高的轉(zhuǎn)速2000r/min；額定轉(zhuǎn)矩為11.8N·m；最大的轉(zhuǎn)矩788N·m；電機(jī)的輸出功率為1.8KW；電機(jī)重量為23kg。
3 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 主軸組件設(shè)計(jì)
主軸組件的很重要的組成部分之一就是主軸。它的形狀以及尺寸和結(jié)構(gòu)、熱處理與制造的精確度，對(duì)主軸組件的工作性能都有很大的影響。本次的設(shè)計(jì)選用的是只旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸。
主軸部件的性能直接影響加工質(zhì)量和切削生產(chǎn)率，且決定機(jī)床性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的重要因素。
3.2 主軸組件需要滿足的條件
主軸是機(jī)床主要組件之一，它的性能對(duì)機(jī)床整體的性能都有很大的影星啊，主軸轉(zhuǎn)速的范圍相當(dāng)大，直接承受著切削力。
3.2.1 回轉(zhuǎn)精度
主軸組件的回轉(zhuǎn)精度指的是主軸的回轉(zhuǎn)精度，它決定于組件里面各個(gè)主要零部件如軸承，主軸等的裝配精度與制造精度，另外還取決于主軸的轉(zhuǎn)速，主軸組件的平衡以及軸承設(shè)計(jì)與性能，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度主要有以下幾個(gè)方面：
1) 采用變速箱與主軸部件分離的結(jié)構(gòu)來避免來自系統(tǒng)的各種干擾；
2) 高速主軸部件過很好的動(dòng)平衡；
3) 盡量提高軸承的配合的便面精度；
4) 調(diào)整裝配質(zhì)量，盡可能把各種誤差能相互抵消并且在使用過程中變形達(dá)到最小。
3.2.2 主軸的剛度
主軸的剛度是在受到外力時(shí)，主軸的組件抵抗變形的能力，主軸受力變形越小主軸的剛度就越大，反之主軸剛度不足時(shí)在切削以及其它力的作用下時(shí)主軸就會(huì)產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而將會(huì)影響加工工件的質(zhì)量還會(huì)破壞齒輪、軸承的正常工作條件下使其降低精度加快磨損。主軸部件的尺寸結(jié)構(gòu)、軸承間隙的調(diào)整、支撐跨距、軸承類型及配置形式、主軸上的位置等有關(guān)。
提高主軸剛度主要有一下幾個(gè)方面：
1) 選用剛度比較高的軸承；
2) 適當(dāng)?shù)募哟种鬏S的直徑；
3) 采用最佳的跨徑。
3.2.3 主軸的抗震性
主軸的抗震性指的是在機(jī)床工作時(shí)，主軸能夠保持正常平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)并且不震動(dòng)的能力。組件的振動(dòng)會(huì)影響工件表面質(zhì)量，刀具的耐用度。主軸軸承的壽命，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響主件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前軸承的阻尼）。
提高主軸的抗震性主要有一下幾個(gè)方面：
1) 選用阻尼比大的前軸承；
2) 安裝阻尼器；
3) 盡量提高主軸靜剛度。
3.2.4 主軸的溫升
主軸組件在工作時(shí)候，溫度過高會(huì)引起的不良效果：首先軸承的部件會(huì)因?yàn)闇囟忍叨淖兞嗽颜{(diào)整好的間隙和破壞正常的潤(rùn)滑條件；其次影響加工精度因?yàn)橹鬏S組件和箱體因膨脹而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其它相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化。
因此提高主軸的熱穩(wěn)定性的方法如下：
1) 盡可能的創(chuàng)建一個(gè)好的隔熱環(huán)境；
2) 減少個(gè)部件中的熱量；
3) 減少控制外在熱量的傳入；
4) 創(chuàng)造良好的隔熱條件；
5) 選用熱變形或溫度的補(bǔ)償裝置；
6) 采用恒溫裝置，控制環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)化；
7) 盡量使主軸個(gè)部件的各部分溫度平衡尤其是支撐壁的溫度。[16]
3.2.5 主軸的耐磨性
主軸應(yīng)該擁有足夠的耐磨性能，才能夠保持精度。工件的安裝部位和移動(dòng)主軸的工作部位以及刀具都是主軸上比較容易磨損的地方。
提高主軸耐磨性主要有一下幾個(gè)方面：
1) 主軸軸承需要有良好的潤(rùn)滑以此來提高其耐磨性；
2) 在其必要的地方應(yīng)該氮化或淬硬處理。
3.2.6 主軸的承載能力
主軸部件的承載能力指的是主軸在正常工作的前提下具有額定壽命所能承受的最大載荷
主軸部件還應(yīng)該需要滿足以下幾個(gè)條件：
1) 主軸在安裝傳動(dòng)齒輪出的角度和轉(zhuǎn)角不能大于額定值；
2) 工作端的變形不能大于相應(yīng)條件下的加工誤差；
3) 主軸前支撐處的轉(zhuǎn)角不能大于相應(yīng)條件下的轉(zhuǎn)角。
正確的選擇軸承與合理涉及傳動(dòng)件外主要加粗主軸有效直徑以減小彎曲變形。
3.3 主軸的設(shè)計(jì)
1) 機(jī)床有足夠高的轉(zhuǎn)速和大的功率，以適應(yīng)高效率加工的需要；
2) 主軸轉(zhuǎn)速的變換迅速可靠，一般能夠自動(dòng)變速；
3) 主軸應(yīng)有足夠高的強(qiáng)度和回轉(zhuǎn)精度；
4) 主軸轉(zhuǎn)速范圍很廣，例如對(duì)鋁合金材料的高速切削，幾乎沒有上限的限制主軸最高轉(zhuǎn)速取決于
5) 主傳動(dòng)系統(tǒng)中傳動(dòng)元件的承受的極限最低轉(zhuǎn)速則是根據(jù)加工不銹鋼等難以加工材料的要求確定
3.3.1 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
機(jī)床主軸常用的傳動(dòng)方式有：帶傳動(dòng)、電機(jī)直接傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)，本次選用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)軸和主電機(jī)的連接方式選用彈性聯(lián)軸器，該種方式便于安裝和拆卸和安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式的選擇決定于主軸轉(zhuǎn)速的高低，固傳遞扭矩的大小，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡要求高結(jié)構(gòu)緊湊等。
傳動(dòng)方式如下圖：（《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表6.1―4
圖4. 主軸齒輪的布置
3.3.2 主軸傳動(dòng)部件位置的合理布置
合理的布置傳動(dòng)部件的徑向和軸向位置，可以改善主軸的受力情況。主軸部件主要承受支撐反力、傳動(dòng)力和切削力。
科學(xué)合理的布置條件如下：
立柱
主軸箱
圖5. 立柱與工作臺(tái)布局
1) 傳動(dòng)力引起的主軸端位位移小并盡可能部分抵消切削力引起的軸端位移，尤其在影響加工精度的敏感方向上；
2) 結(jié)構(gòu)緊湊，主軸箱尺寸小，轉(zhuǎn)配維修方便；
3) 傳動(dòng)力引起的主軸彎曲變形小且能部分在抵消切削力引起的主軸彎曲變形；
4) 傳動(dòng)力引起支撐的反力能抵消部分切削力引起的支撐反力；
軸承布置如下：
圖6. 主軸軸承的布置
表1.主軸軸承選擇【11】
前支承
后支承
頸向
軸向
頸向
軸向
3182100型雙列圓柱滾子軸承
2268100型滾動(dòng)軸承
3182100型雙列圓柱滾子軸承
3.4 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.4.1 主軸設(shè)計(jì)
1) 設(shè)計(jì)軸的要求：
(1) 軸向尺寸盡可能小，結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦系數(shù)盡可能??；
(2) 在密封外引起的摩擦力應(yīng)盡可能小，摩擦系數(shù)盡量穩(wěn)定；
(3) 當(dāng)磨損后能在一定的程度上自動(dòng)的補(bǔ)償；
(4) 盡量適應(yīng)轉(zhuǎn)速，要求在一定的溫度與壓力下具有良好的密封性能。
2) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》6.1―58根據(jù)工作環(huán)境，潤(rùn)滑溫度，工作溫度等特點(diǎn)選擇密封裝置的形式。
選擇非接觸方式中的曲路密封，用于脂潤(rùn)滑的高速主軸部件。（結(jié)構(gòu)緊湊，主軸懸身量?。?
3.4.2 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸受到的扭矩T:
·······················（3―1）
··························(3―2)
選45號(hào)鋼為軸的材料
名稱
數(shù)值
公稱轉(zhuǎn)矩Tn（N·m）
63
許用速度〔n〕r/min
5000
軸孔直徑d1 d2 d3
18 19 20 22 24 25
J1Z型L
30 38 44
L推薦
35 45
重量
2.3
軸孔長(zhǎng)度型
42 52 62
D
100
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（㎏·㎡）
0.001
t
9.5
扭轉(zhuǎn)剛度（N·m/rad）
1.4×104
瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩（N·m）
180
型號(hào)
JMI 2
軸結(jié)構(gòu)為花鍵軸，以增強(qiáng)扭矩。
依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7―14GB1144―87
選外花鍵是8×52×58×10形，其結(jié)構(gòu)如裝配圖。
3.5 軸端設(shè)計(jì)
主軸端部的結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證卡具、預(yù)卡或刀具安裝可靠定位準(zhǔn)確度高的連接剛度
以傳遞足夠的扭矩并盡量縮短軸的懸申長(zhǎng)度，以便裝卸方便。聯(lián)軸器的選型設(shè)計(jì)
表2.膜片聯(lián)軸器的主要參數(shù)
3.6 主軸的校核
數(shù)控鏜床的主軸部件既要具備粗加工時(shí)高效切削能力又要滿足精加工時(shí)的精度較高的要求。
多以在旋轉(zhuǎn)剛度、精度、抗震性和熱變形等方面，有很高的要求。主軸為空心軸，錐度17:24，前端有精密的定心孔，，精密的端面和定心外圓柱面前端鍵用來傳遞轉(zhuǎn)矩。選用材料為45號(hào)鋼，熱處理。
3.6.1 主軸箱齒輪強(qiáng)度校核
選?。旱谝粚?duì)齒輪的齒數(shù)
第二對(duì)齒輪的齒數(shù)
1) 齒形系數(shù)：
依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12―22查出
2) 應(yīng)力修正系數(shù)：
依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12―22查出
3) 齒間載荷分配系數(shù)
·················(3―3)
4) 重合度系數(shù)：
(1) 彎曲疲勞極限：依據(jù)圖12―24.b查出；
(2) 彎曲安全系數(shù)： 可查出；
(3) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù):；
(4) 彎曲壽命系數(shù) 查的12―25得 ；
(5) 可以查出尺寸參數(shù)；
(6) 許用彎曲應(yīng)力
······················(3―4)
齒數(shù)精度查表取7級(jí)精度。
載荷系數(shù)用系數(shù)查表12―9取
動(dòng)載荷系數(shù)查表12―9a取
齒間載荷分配系數(shù)由圖12―11取1.16
齒向載荷分配系數(shù),查圖12―25，
載荷系數(shù)
轉(zhuǎn)矩
。
5) 計(jì)算齒輪模數(shù)：
················(3―5)
經(jīng)過上面的計(jì)算可以得出
3.6.2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒輪參數(shù) 直徑、齒寬：
查出重合度系數(shù)為
接觸完全系數(shù)
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
接觸壽命系數(shù)
許用接觸應(yīng)力
若要滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需要使
·········(3―6)
所以
通過計(jì)算可知知道所選齒輪滿足要求。
3.6.3 主軸強(qiáng)度的校核
1) 作用在軸上的力：
···························(3―7)
2) 軸承反力：
垂直面：
水平面：
當(dāng)量彎矩:
····················(3―8)
軸材料選用45號(hào)鋼，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查出：
查出：
························(3―9)
通過公式計(jì)算可以得到結(jié)果如下：
因此可以有：
多以可以得到：
3) 對(duì)于軸頸的軸頸
·····················(3―10)
通過以上計(jì)算可以知道主軸強(qiáng)度滿足要求。
3.7 主軸箱的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑是減小磨損的措施通常所用的潤(rùn)滑材料有：潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑和氣體潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑系統(tǒng)包括：潤(rùn)滑管路的計(jì)算和潤(rùn)滑方式的選擇。
3.7.1 潤(rùn)滑劑的選擇
選擇油霧潤(rùn)滑方式， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7.4—10
3.7.2 管路設(shè)計(jì)
為保證各旋轉(zhuǎn)部位，滑動(dòng)部位都能潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)管路見“裝配圖”；
3.7.3 自動(dòng)控制油溫的選擇
根據(jù)《加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用》表5—4選擇YK—38型
具體參數(shù)見下表：
表3. 性能指標(biāo)[16]
制冷量
使用室溫
油溫控制精度
冷凝機(jī)組功率（kw）
油泵電機(jī)功率（kw）
油泵輸出量（v/min）
重量（kg）
3000
0～35
1.49
1.1
50
300
3.8 軸承的合理安排
前支承發(fā)熱大，主軸向后伸長(zhǎng)，配置方式為：（參照《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表6.1—20，序號(hào)2）
簡(jiǎn)圖如下：
圖7.主軸軸承的布置
主軸軸承的選擇
根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表6.1—20，前支撐發(fā)熱大，主軸向后延長(zhǎng)。
具體參數(shù)如下：
表4. 主軸軸承的選擇
前支承
后支承
頸向
軸向
頸向
軸向
3182100型雙列圓柱滾子軸承
2268100型滾動(dòng)軸承
3182100型雙列圓柱滾子軸承
3.9 主軸電機(jī)的選擇
根據(jù)《加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用》選擇 系列主軸電機(jī) 型電機(jī)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，選擇特定的弓箭計(jì)算功率和扭矩，以同類機(jī)床主電機(jī)功率統(tǒng)計(jì)法來選擇和確定電機(jī)功率。主軸電機(jī)的要求:(1)足夠的輸出功率，數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于"恒功率"，也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩較小;主軸轉(zhuǎn)速低時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩大;即要求主求驅(qū)動(dòng)裝置要具有"恒功率"的性質(zhì);(2)調(diào)速范圍:為保證數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸電機(jī)具有一定的調(diào)速范圍。但對(duì)主軸的要求比進(jìn)給低;(3)速度精度:一般要求靜差度小于5 ％，更高的要求為小于1％;(4)快速:主軸驅(qū)動(dòng)裝置有時(shí)也用在定位功能上，這就要求它也具有快速性。
3.10 主軸軸承的選擇和強(qiáng)度校核
主軸前端采用雙列向心圓柱滾子軸承3182100型和2268100型軸承組合。傳動(dòng)功率P=6158KW,轉(zhuǎn)速1500r/min,后端采用3182100型軸承。選用滾動(dòng)軸承的好處是：
1) 標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本比較低；
2) 消耗的潤(rùn)滑劑比較少，以便于維護(hù)；
3) 對(duì)于同尺寸的軸頸滾動(dòng)軸承的體積比較小使軸向結(jié)構(gòu)能夠緊湊；
4) 徑向游隙?。?
5) 在通常的工作情況下摩擦系數(shù)相比互動(dòng)軸承要小并且比較穩(wěn)定。
3.10.1 支反力的計(jì)算
已知：齒輪圓周力Ft=1496N，
頸向力Fr=544N
軸承反力
則軸承頸向反力
Fr=…………………..………… (3—11)
Fr1=2174N
Fr3=
=
通過計(jì)算所得數(shù)據(jù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-9，軸承壽命取20000h
查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》得以下參數(shù)：
表5. 參數(shù)表
項(xiàng)目
數(shù)據(jù)
3182118
7310AC
3182118
C（KN）
78.5
37.8
59.6
Co（KN）
84.5
132
53
軸承的軸向力為：Fa1=0 Fa2=700 Fa3=0
3.10.2 對(duì)于軸承使用壽命的計(jì)算
1) 當(dāng)量動(dòng)載荷：
·····················(3―12)
軸承1
查表可知
查表可得 X=0.56 Y=1.71 fp=1.2
所以
軸承2
軸承3
2) 計(jì)算軸承的壽命
······················(3―13)
式中：
ε=3
所以由上可知軸承滿足要求。
3.11 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)
3