經(jīng)濟(jì)型數(shù)控儀表車床的設(shè)計

1、<p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　1.1金屬切削機(jī)床及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位</p><p>　　金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器，他是制造機(jī)器的機(jī)器，所以又被稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)”。</p><p>　　機(jī)床的母機(jī)屬性決定了它在國民經(jīng)濟(jì)中的地位。機(jī)床工業(yè)為各種類型的機(jī)械制造廠提

2、供先進(jìn)的制造技術(shù)與優(yōu)質(zhì)高效的機(jī)床設(shè)備，促進(jìn)機(jī)械制造工業(yè)的生產(chǎn)能力和工藝水平的提高。機(jī)械制造工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)，即為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種機(jī)器、儀器和工具。為適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，必須大力發(fā)展機(jī)械制造工業(yè)?？梢?，機(jī)械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，而機(jī)床則是機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)。一個國際機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標(biāo)志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。</p&g

3、t;<p>　　1.2數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性</p><p>　　數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用計算機(jī)、自動控制、自動檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物,是技術(shù)密集度及自動化程度很高的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備。它與普通機(jī)床相比,其優(yōu)越性是顯而易見的,不僅零件加工精度高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,且自動化程度極高,可減輕工人的體力勞動強(qiáng)度,大大提高了生產(chǎn)效率,特別值得一提的是數(shù)控機(jī)床可完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜曲面的零件加

4、工,因而數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位愈來愈顯得重要。</p><p>　　1.3數(shù)控機(jī)床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平；即使國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢,一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求,而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓,國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機(jī)床在我國市場的占有率僅達(dá)15%左右,而

5、95年已達(dá)77%。嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。</p><p>　　這種現(xiàn)象的出現(xiàn),除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外,一個主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn),新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機(jī)床)的開發(fā)周期長,從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說,這個問題反映在下列五個方面:</p><p>　　(1) 我國機(jī)床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期

6、約為15～18個月,其中設(shè)計時間約為5～8個月,占總周期的40%左右。而國外一些先進(jìn)機(jī)床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個月,其中設(shè)計約1.5～2個月,只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進(jìn)水平有很大的差距。</p><p>　　(2) 我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學(xué)分析工具(如分析和評價軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機(jī)床性能測試裝置等),自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計

7、,使設(shè)計一次成功的把握性降低,往往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機(jī)。</p><p>　　(3) 用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時往往提出一些特殊要求,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外,這項修改工作在計算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù)天至一周,而在我國機(jī)床廠用手工操作就至少需1～2個月,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門,常會出現(xiàn)漏改和失誤的

8、現(xiàn)象,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。</p><p>　　(4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù),他們的專業(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗不足, 又擔(dān)負(fù)著開發(fā)的重任。</p><p>　　(5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立,缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式,不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改,延長了開發(fā)的周期。</p><p>　　為解決這些

9、問題,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù),發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù),提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性</p><p>　　我國目前機(jī)

10、床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機(jī)床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60%以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡

11、在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 </p><p>　　經(jīng)過大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見效快的特點(diǎn)。事實(shí)證明：用較

12、少的資金，將普通機(jī)床改造升級為數(shù)控機(jī)床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.5數(shù)控化改造的方法</p><p>　　其改造涉及到機(jī)械、電氣、計算機(jī)等領(lǐng)域，是一項理論深、實(shí)踐強(qiáng)的系統(tǒng)工程。在進(jìn)行數(shù)控改造時，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備。改造過程中，機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合，先易后難、先局部后全局。</p><p>　　由于本次設(shè)計是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以

13、在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動盡可能少，以降低成本。我們主要的任務(wù)是對其主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過改造使其具有數(shù)控機(jī)床的一般特性。</p><p>　　1.5.1主軸系統(tǒng)改造</p><p>　　拆除了原來的主軸變速箱，采用機(jī)械無級變速器和分級齒輪變速相結(jié)合的方案，分級齒輪采用撥叉的方式，主軸的調(diào)速范圍可以從100rpm到4000rpm，與原來

14、的多級齒輪調(diào)速相比，其機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，而且實(shí)現(xiàn)了從有級調(diào)速到無級調(diào)速的跨越。</p><p>　　1.5.2進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制, 驅(qū)動元件采用直流步進(jìn)電機(jī), 傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后, 帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動, 從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。在進(jìn)行該傳動系統(tǒng)設(shè)計時 ，通常先根據(jù)系統(tǒng)的要求 , 對各個部分進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計 ，如滾珠絲杠副

15、、齒輪副等。</p><p><b>　　1.6機(jī)床主要參數(shù)</b></p><p>　　床身最大回轉(zhuǎn)直徑 250mm</p><p>　　最大工作長度 350mm</p><p>　　刀架最大回轉(zhuǎn)直徑

16、 120mm</p><p>　　主軸孔徑 20mm</p><p>　　主軸轉(zhuǎn)速范圍（無級） 100～4000r/min</p><p>　　進(jìn)給速度范圍（無級） 10～1800mm/min</p><p>　　控制軸數(shù)

17、 X軸、Z軸</p><p>　　中拖板脈沖當(dāng)量/mm 0.005</p><p>　　大拖板脈沖當(dāng)量/mm 0.01</p><p>　　主電機(jī)功率 1.5KW</p><p&

18、gt;　　外形尺寸 <13007001500</p><p>　　第二章 主運(yùn)動傳動系統(tǒng)總體方案的確定</p><p>　　2.1主運(yùn)動傳動系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　主傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)變速傳動系統(tǒng)的不同類型而決定的，而變速系統(tǒng)的類型應(yīng)兼顧縮短變速所需的時間并能簡化傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)等因素綜合來選擇

19、、設(shè)計。</p><p>　　變速系統(tǒng)的類型主要有三種：</p><p>　　2.1.1無級變速傳動系統(tǒng)</p><p>　　無級變速傳動系統(tǒng)是指執(zhí)行件的轉(zhuǎn)速（或速度）在一定的范圍內(nèi)連續(xù)地變化，這樣可以使執(zhí)行件獲得最有利的速度，能在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，也便于實(shí)現(xiàn)自動化等。機(jī)械系統(tǒng)中常用的無級變速裝置有以下三種。</p><p>　?。?）機(jī)械無級

20、變速器</p><p>　　機(jī)械無級變速器有鋼球式（科普型）、寬帶式等多種結(jié)構(gòu)，它們是依靠摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副的工作半徑來實(shí)現(xiàn)無級變速。由于其結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、噪聲小、使用維修方便、效率高，所以在各類機(jī)械（如機(jī)床、印刷機(jī)械、電工機(jī)械、鐘表機(jī)械、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、塑料機(jī)械、化工機(jī)械等）中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于摩擦副的彈性滑動，存在轉(zhuǎn)速損失，故不能用于調(diào)速精度高的場合。另外，它的變速范圍小

21、，通常變速范圍Rb為4～6，少數(shù)可達(dá)10～15，因此，為了滿足執(zhí)行件變速范圍的需要，常串聯(lián)有級變速機(jī)構(gòu)（如齒輪變速箱）。</p><p>　　（2）液壓無級變速裝置</p><p>　　液壓無級變速裝置是利用油液為介質(zhì)來傳遞動力，通過連續(xù)改變輸入液動機(jī)（或油缸）的油液流量來實(shí)現(xiàn)無級變速。它的傳動平穩(wěn)、運(yùn)動換向沖擊小、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。因此，常用于執(zhí)行件要求直線運(yùn)動的機(jī)械系統(tǒng)中。如刨床、拉床

22、的主運(yùn)動以及組合機(jī)床的動力滑臺等。</p><p>　　（3）電氣無級變速裝置</p><p>　　電氣無級變速裝置是以直流并勵電動機(jī)、交流變頻電動機(jī)或交、直流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等為動力源，通過連續(xù)地變換這些電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)中的執(zhí)行件在工作過程中,要求在整個變速范圍內(nèi)為功率、轉(zhuǎn)矩特性不同，而電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩特性必須與之

23、適應(yīng)，但是，不論是直流并勵電動機(jī)、交流變頻電動機(jī)或是交、直流伺服電動機(jī)，只是在額定轉(zhuǎn)速以上至最高轉(zhuǎn)速之間為恒功率調(diào)速，變速范圍小，而在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩的，變速范圍很寬。如果執(zhí)行件要求在整個變速范圍內(nèi)為恒功率調(diào)速，上述的無級調(diào)速器均不能適應(yīng)，則須串聯(lián)一個有級變速裝置來擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，如一些大型機(jī)床（立式車床、龍門刨床、鏜床等）和數(shù)控機(jī)床以及數(shù)控纖維纏繞機(jī)，數(shù)控布帶纏繞機(jī)等的主運(yùn)動。而對于數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給運(yùn)動，則要求在整個變速范圍

24、內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，此時可通過簡單的固定傳動鏈與執(zhí)行件相連來滿足要求。</p><p>　　2.1.2 有級變速傳動系統(tǒng)</p><p>　　由滑移齒輪、交換齒輪、交換皮帶輪等變速傳動副組成的傳動系統(tǒng)可使執(zhí)行件得到若干個所需要的轉(zhuǎn)速，這種變速在范圍內(nèi)不能連續(xù)地變速，屬于有級變速。它傳遞的功率大，變速范圍寬，傳動比準(zhǔn)確，工作可靠，但有轉(zhuǎn)速損失。有級變速較廣泛地應(yīng)用于通用機(jī)床，尤其是中小型通用機(jī)床中。

25、</p><p>　　2.1.3固定傳動比的傳動系統(tǒng)</p><p>　　如果機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行件要求以某一固定的轉(zhuǎn)速（速度）工作，則連接動力源與執(zhí)行件的傳動系統(tǒng)屬于固定傳動比的傳動系統(tǒng)，既該系統(tǒng)是由若干個固定傳動比串聯(lián)組成。</p><p>　　經(jīng)過調(diào)研、查閱資料可知，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用分級變速機(jī)構(gòu)，并采用電磁離合器進(jìn)行自動變速，而經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床大多數(shù)是在原有普通機(jī)床

26、的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并采用簡單的數(shù)控系統(tǒng)變速進(jìn)給機(jī)構(gòu)，自動刀架，具有經(jīng)濟(jì)的突出特點(diǎn)，現(xiàn)在這種機(jī)床在小型、私營企業(yè)正被大量使用，但也存在一些如在加工過程中不能自動變速等缺點(diǎn)，為了使能設(shè)計的機(jī)床在時常上更具競爭力，因此采用無級變速傳動系統(tǒng)中的機(jī)械無級變速器。</p><p>　　但是光靠機(jī)械無級變速器變速范圍較窄，不能滿足100～4000r/min的設(shè)計要求，為了擴(kuò)大機(jī)床的變速范圍，常在無級變速系統(tǒng)后面串聯(lián)分級變速機(jī)構(gòu)

27、。</p><p>　　在本設(shè)計中，我采用的是無級變速與分級變速綜合的分級變速系統(tǒng)。這種變速方式是在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用較多的一種變速方式，常通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。部分小型數(shù)控機(jī)床也采用這種傳動方式，以獲得強(qiáng)力切削時所需的扭矩。其傳動原理如下圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1</b></p>&

28、lt;p><b>　　2.2電動機(jī)的選擇</b></p><p>　　2.2.1.電動機(jī)工作方式的確定</p><p>　　電動機(jī)工作時會發(fā)熱，它不僅取決于負(fù)載的大小，也和負(fù)載持續(xù)的時間的長短密切相關(guān)，這是選擇額定功率時必須考慮的。按電動機(jī)的不同發(fā)熱情況，可以分為三種工作方式（或稱工作制），即連續(xù)工作方式、短時工作方式和斷續(xù)周期性工作方式。</p>

29、<p>　　我設(shè)計的數(shù)控儀表車床其工作時間一般較長，溫升可以達(dá)到穩(wěn)定值，電機(jī)的負(fù)載可能是恒定或大小基本恒定的常值負(fù)載或變化負(fù)載，因此屬于連續(xù)工作方式。</p><p>　　2.2.2電動機(jī)類型的確定</p><p>　　由于電動機(jī)為連續(xù)工作方式，負(fù)載平穩(wěn)，且經(jīng)常啟動、制動和正反轉(zhuǎn)，因此因優(yōu)先采用鼠籠式異步電動機(jī)。</p><p>　　2.2.3電動機(jī)型號

30、的選擇.</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求主電動機(jī)功率為1.5kw，且電動機(jī)類型為異步電動機(jī)，根據(jù)參考書籍《機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊》，選擇電動機(jī)型號為Y90L－4的電動機(jī)。</p><p>　　其主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：額定功率P=1.5kw，滿載時轉(zhuǎn)速1400r/min，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，電流3.65A，效率為79%，額定轉(zhuǎn)矩2.2N·m，噪聲67dB（A），凈重27kg。外型尺寸

31、為LBH為335180190mm。</p><p>　　2.3箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　箱體材料選用中等強(qiáng)度的灰鑄鐵HT200。箱體鑄造時的最小壁厚根據(jù)其外形輪廓尺寸而定，其外形尺寸為長寬高<500500300mm。</p><p>　　為了減少材料、減輕重量，應(yīng)選擇較小尺寸。而為了減小箱體的傳聲作用，降低噪聲，則應(yīng)適當(dāng)增加箱壁厚度，以增加阻尼系數(shù)。

32、為此，選取壁厚為14mm。由于箱體軸承孔的影響，將使扭轉(zhuǎn)剛度下降，彎曲剛度也將下降。為了使其有足夠的剛度，凸臺厚度為16mm。</p><p>　　箱體在床身上的安裝方式，采用固定式安裝。用箱體底部平面與底部突起的兩個小垂直面定位，并用螺釘和壓板固定。</p><p>　　第三章 主軸組件的設(shè)計</p><p>　　3.1主軸組件的基本要求</p>&

33、lt;p>　　主軸組件的工作性能對整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對主軸組件有較高的要求。</p><p>　　3.1.1旋轉(zhuǎn)精度 </p><p>　　主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。</p

34、><p>　　3.1.2剛度 </p><p>　　主軸組件的剛度是指其在外加載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義。主軸組件的剛度不足，將對工件的加工精度、表面質(zhì)量以及機(jī)床的工作平穩(wěn)性有著直接影響。</p><p>　　主軸組件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾

35、動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸組件的剛度。</p><p>　　提高主軸剛度的主要措施有：加粗主軸直徑，特別是主軸工作端懸伸量部分的直徑；盡可能縮短主軸工作端懸伸量，選擇最佳跨距；采用高剛度的軸承；合理安排傳動件在主軸上的布置等。</p><p>　　3.1.3抗振性 </p><p>　　主軸組件的

36、抗振性是指主軸組件抵抗振動、保持主軸平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。主軸組件抗振性差，工作時易產(chǎn)生振動，從而影響工件表面質(zhì)量，限制機(jī)床切削速度，降低刀具耐用度和主軸軸承壽命，并產(chǎn)生噪聲污染工作環(huán)境等。因此，提高抗振興對主軸組件是十分重要的。</p><p>　　影響主軸組件抗振興的主要因素是主軸組件的剛度、阻尼特性和固有頻率等。提高主軸組件的剛度可以有效地抑制主軸組件產(chǎn)生振動。</p><p>　　提高主

37、軸抗振性的主要措施有：提高主軸組件的剛度；盡量采用阻尼比大的主軸軸承；盡量是主軸組件的固有頻率遠(yuǎn)大于工作頻率；盡量減小主軸組件重量。</p><p>　　3.1.4熱穩(wěn)定性 </p><p>　　主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因摩擦、攪油和切削熱等產(chǎn)生熱量，使主軸組件溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸組件的熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化，破壞正常的潤滑條件，加快軸承磨損，降低加

38、工精度。</p><p>　　影響主軸組件熱穩(wěn)定性的主要因素是軸承的類型、配置方式和預(yù)緊力的大小以及潤滑方式和散熱條件等。</p><p>　　3.1.5精度保持性 </p><p>　　主軸組件的精度保持性是指長期保持其原始制造精度的能力。主軸組件喪失其原始精度的主要原因是磨損。因此必須以通過改善主軸、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護(hù)等方式提高其耐

39、磨性。</p><p>　　3.2主軸軸承配置形式的選擇</p><p>　　主軸組件的精度、剛度和熱穩(wěn)定性等對加工質(zhì)量有著直接影響，由于數(shù)控機(jī)床在加工過程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴(yán)重。</p><p>　　目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式主要有三種：①前支承采用雙列圓柱滾子軸承和雙列60度角接觸球軸承組合，后支承采用成對角接觸球軸承。②采用高精度雙列角接觸球

40、軸承；③采用雙列和單列圓錐軸承。</p><p>　　我采用的是第二種，即采用高精度雙列角接觸球軸承，角接觸球軸承具有良好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min ，可通過預(yù)緊提高軸承剛度，但其承載能力小。因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。</p><p>　　3.3主軸軸承的選擇</p><p>　　機(jī)床主軸用的軸承，有滾動和滑動兩大類，從旋轉(zhuǎn)精度來

41、看，兩大類軸承都能滿足要求。滾動軸承比滑動軸承相比的優(yōu)缺點(diǎn)：①滾動軸承能在轉(zhuǎn)速和載荷變化幅度很大的條件下穩(wěn)定地工作，能在無間隙，甚至在預(yù)緊的條件下工作。②摩擦系數(shù)小，易于潤滑，有利于散熱。但滾動軸承的不足是：滾動軸承的阻尼較低，徑向尺寸比滑動軸承大；其次由于滾動軸承滾動體的數(shù)量有限，在旋轉(zhuǎn)中的徑向剛度是變化的，易引起振動。因此選用滾動軸承更為合適。</p><p>　　主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸

42、承，又要有承受兩個方向軸向載荷的推理軸承。軸承類型及型號選用主要應(yīng)根據(jù)主軸組件的剛度、承載能力、轉(zhuǎn)速、抗振性及結(jié)構(gòu)等要求綜合考慮進(jìn)行選定。</p><p>　　通常情況下，可按下列條件選用滾動軸承：</p><p>　?、僦懈咚僦剌d 雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承（如配推力軸承則極限轉(zhuǎn)速低）。成對圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)簡單，但極限轉(zhuǎn)速較低?？招膱A錐滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速較高但成本較高。

43、</p><p>　?、诟咚佥p載 成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用接觸角。</p><p>　?、圯S向載荷為主 精度要求不高時，選用推力軸承配深溝球軸承；精度要求較高時，選用向心推力軸承。</p><p>　　由于我所設(shè)計的機(jī)床主軸箱里有兩對齒輪，是二支承結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速范圍為100～4000r/min ,極限轉(zhuǎn)速很高,所以應(yīng)選用極限轉(zhuǎn)速高的軸

44、承組合；另外由于主電動機(jī)的功率為1.5kw，為小功率。因此該機(jī)床屬于輕載、高速的結(jié)構(gòu)形式。滾動軸承精度等級選用5級精度，公稱接觸角選用，型號為7000AC型角接觸球軸承。</p><p>　　3.4主軸端部的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　在機(jī)床上車床主軸端部大都采用法蘭式結(jié)構(gòu)，按卡盤等附件的不同連接方式，主軸端部結(jié)構(gòu)可分為以下五種類型：</p><p>　　3.4.

45、1 A型通過螺孔螺釘連接 </p><p>　　其特點(diǎn)是內(nèi)外兩圈均有螺栓穿過卡盤體，緊固卡盤，因而安裝牢靠、軸端懸伸量短、剛性好。但其螺孔多，工藝性差。主要用于高速、重切削的大功率車床。</p><p>　　3.4.2 B型通過通孔螺栓或螺柱連接 </p><p>　　其特點(diǎn)是卡盤通過中間法蘭盤與主軸端部連接，只有外圈有緊固螺栓，軸端懸伸量短、剛性好，螺孔較

46、少、工藝性好。適用于內(nèi)圓磨床、萬能磨床、小型車床。</p><p>　　3.4.3 C型通過插銷螺柱及轉(zhuǎn)墊實(shí)現(xiàn)快接連接 </p><p>　　連接在卡盤上的特種緊固螺栓，從軸端穿入法蘭盤孔和轉(zhuǎn)墊孔后，將轉(zhuǎn)墊轉(zhuǎn)動一定角度，再擰緊螺栓，即可將卡盤夾緊。其軸端懸伸較短、剛性較好，無螺孔、工藝性好，更換卡盤等附件迅速。</p><p>　　3.4.5 D型通過凸輪縮緊

47、連接</p><p>　　轉(zhuǎn)動凸輪后拉動拉桿，就可將卡盤夾緊，其軸端懸伸短，剛性好，操作方便，但其工藝復(fù)雜，易磨損。主要應(yīng)用于精密車床、高精度車床。</p><p>　　比較以上主軸端部類型，選取B型主軸端部結(jié)構(gòu)。主軸懸伸量取a=50mm。由于主軸懸伸量a值對主軸組件的剛度、抗振性影響都很大。采用B型主軸端部可減少主軸懸伸量。</p><p>　　3.5主軸箱內(nèi)部結(jié)

48、構(gòu)的布局</p><p>　　主軸箱的設(shè)計既要考慮主軸中心高度，又要考慮箱體的寬度和滑移齒輪滑移方便性及其滑移性是否會產(chǎn)生干涉等的問題。</p><p>　　主軸箱箱體內(nèi)有兩根軸。主軸傳動軸和光電編碼器的傳動軸。經(jīng)過安排，把傳動軸放在箱體的后端較好。這樣在主軸靠近前端時，便于加工操作。</p><p>　　主軸中心線與機(jī)床導(dǎo)軌中心線之間的偏心矩e，為降低床身導(dǎo)軌的扭

49、轉(zhuǎn)、彎曲變形，希望切削力盡可能落在前后兩導(dǎo)軌之間，主軸中心線越后越好。但考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，為便于工件裝卸，減輕工人勞動強(qiáng)度，主軸中心線應(yīng)盡量向前移。由于本機(jī)床采用無級變速機(jī)構(gòu)，底部比較寬敞，因此選擇主軸中心前移5mm。</p><p>　　主軸傳遞至光電編碼器的傳動比為1：1傳動，兩個齒輪齒數(shù)均為56，這樣能保證主軸的傳遞準(zhǔn)確地反映在光電編碼器上，保證傳動準(zhǔn)確性。在數(shù)控機(jī)床上，齒側(cè)間隙會造成進(jìn)給運(yùn)動反向運(yùn)動是丟

50、失指令脈沖，并產(chǎn)生反向死區(qū)，從而影響加工精度。因此在齒輪傳動中消除間隙是必要的，光電編碼器上的傳動齒輪通常用雙片薄齒輪錯齒法消除間隙。它主要是利用彈簧的作用將兩齒輪錯位，分別與寬齒輪齒槽左右兩側(cè)貼緊，從而起到消除齒側(cè)間隙的作用。光電編碼器上軸承的選擇、軸頸的確定等必須都要滿足主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。</p><p>　　3.6主軸機(jī)械加工工藝規(guī)程的編制</p><p>　　3.6.1 機(jī)床主軸

51、選材原則</p><p>　　主軸是機(jī)床主軸部件的關(guān)鍵零件之一 ，主要起支承傳動件和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。對主軸用材的合理選擇 ，應(yīng)遵循下列諸原則：</p><p>　?。?）選材應(yīng)滿足使用性能要求</p><p>　　這是主軸零件選材的首要原則。由于機(jī)床的主運(yùn)動由其提供，主軸工作時的運(yùn)動精度對工件加工質(zhì)量將產(chǎn)生直接影響 ，因此必須保證主軸工作時具有很高的運(yùn)動精度。而主軸

52、回轉(zhuǎn)精度除了受主軸原始加工精度和裝配精度等靜態(tài)因素影響外，還受其工作時的受力變形、運(yùn)動副磨損、沖擊載荷、熱變形、振動等動態(tài)因素的影響。因此，主軸零件不但應(yīng)保證很高的原始幾何精度 ,還必須保證其剛度、強(qiáng)度、耐磨性、耐沖擊性、熱穩(wěn)定性和抗振性等力學(xué)性能，而這些性能與主軸用材有密切關(guān)系。</p><p>　　（2）選材應(yīng)滿足加工工藝性要求</p><p>　　具有很好力學(xué)性能的材料不一定具有良好

53、的加工工藝性，主軸零件由于高幾何精度的要求而常采用多次磨削工藝，雖然有些有色金屬合金材料具有符合使用要求的力學(xué)性能，但磨削工藝性很差，幾乎不可能用磨削手段來保證其表面幾何質(zhì)量要求，這些材料自然不適宜用作主軸零件。</p><p>　　（3）選材應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性要求</p><p>　　如果符合使用要求的材料，其工藝成本、供應(yīng)難度、環(huán)境損害等資源要素的代價很高，那么這種材料的選用顯然是不符合市場

54、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會發(fā)展要求的。因此，選材必須滿足經(jīng)濟(jì)性和社會發(fā)展性要求。</p><p>　?。?）選材應(yīng)滿足用材習(xí)慣性要求</p><p>　　在工程實(shí)際中，符合使用性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性要求的材料往往不是唯一的，這就要考慮用材習(xí)慣的問題。</p><p>　　3.6.2　機(jī)床主軸的技術(shù)要求</p><p>　　1)支承軸頸的直徑精度為 IT5，圓

55、度、圓柱度應(yīng)限制在直徑公差之內(nèi)；</p><p>　　2)配合軸頸(裝配傳動件的軸頸)相對支承軸頸(裝配軸承的軸頸)的徑向圓跳動為0.01～0.03mm,端面圓跳動為0.005～0.010 mm；</p><p>　　3)支承軸頸的表面粗糙度為 Ra0.63～0.16μm,配合軸頸為 Ra2.5～0.63μm.</p><p>　　從幾何精度要求和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，

56、主軸的加工一般采用車削基礎(chǔ)上的磨削工藝來實(shí)現(xiàn)，可見，主軸用材必須同時具有良好的車削工藝性和磨削工藝性。</p><p>　　3.6.3 　主軸的選材</p><p>　　軸類零件應(yīng)根據(jù)不同工作條件和使用要求選用不同的材料和熱處理，以獲得一定的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。45鋼是一般軸類常用的材料，40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼適用于中等精度而轉(zhuǎn)速較高的軸，軸承鋼GCr15和彈簧鋼65Mn可制造較高精度的軸。

57、我設(shè)計的車床選用45鋼作為主軸材料。</p><p><b>　　熱處理工藝</b></p><p>　　軸的質(zhì)量除與所選鋼材料種類有關(guān)，還與熱處理有關(guān)。軸的鍛造毛坯在機(jī)械加工之前，均需進(jìn)行正火或退火處理，使鋼材的晶粒細(xì)化，以消除鍛造后的殘余應(yīng)力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。</p><p>　　凡要求局部表面淬火以提高耐磨性的軸，需在淬火

58、前安排調(diào)質(zhì)處理（有時采用正火）。當(dāng)毛坯加工余量較大時，調(diào)質(zhì)放在粗車之后、半精車之前，使粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能在調(diào)質(zhì)時消除；當(dāng)毛坯余量較小時，調(diào)質(zhì)可安排在粗車之前進(jìn)行。表面淬火一般放在精加工之前，可保證淬火引起的局部變形在精加工中得到糾正。</p><p>　　主軸的具體加工過程及工序步驟詳見下頁的主軸機(jī)械加工工藝卡：</p><p>　　主軸機(jī)械加工工藝流程卡</p><

59、;p>　　第四章機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p>　　車床的進(jìn)給系統(tǒng)由橫向和縱向運(yùn)動組成，橫向進(jìn)給系統(tǒng)如圖所示</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　設(shè)計和選用進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)注意充分減少摩擦阻力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙以及減小運(yùn)動件的慣性。摩擦阻力主要來自絲杠和導(dǎo)軌，因此，絲杠的導(dǎo)軌的滾動化是減

60、小摩擦的重要措施之一。</p><p>　　4.1傳動方式的選擇</p><p>　　絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。因此，滑動絲杠常用在加工精度要求不是很高的普通車床中。 </p><p>　　滾珠

61、絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。在數(shù)控化改造的車床中，應(yīng)把原來的滑動絲杠換為滾珠絲杠，以降低摩擦力，提高加工精度。</p><p>　　4.2滾珠絲杠的支承方式</p><p>　　數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝

62、及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應(yīng)具有足夠的剛度和精度。通常都適當(dāng)加大和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)度，新設(shè)計的機(jī)床在工藝條件允許時常常把螺母座或支承座與機(jī)床本體做成整體來增大剛度。 </p><p>　　為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承也是十分重要的。國內(nèi)目前主要采用兩種組合方式。一種是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，其結(jié)構(gòu)雖簡單，但軸向剛度不足。另一種是

63、把推力軸承或向心推力軸承和向心軸承組合使用，其軸向剛度有了提高，但增大了軸承的摩擦阻力和發(fā)熱而且增加了軸承支架的結(jié)構(gòu)尺寸。在設(shè)計中，我采用推力軸承和向心軸承組合使用。</p><p>　　4.3．電機(jī)與絲杠的聯(lián)接</p><p>　　在滿足機(jī)床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機(jī)與絲杠副通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實(shí)際情況來定。一般對于小型車床如C6116型，由于

64、空間尺寸有限，特別是X軸，電機(jī)與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來傳動；對于大型車床如C6150,床身長5米的車床，由于絲杠較長，直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題，往往電機(jī)都要通過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶論來傳動，其傳動間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動中多采用調(diào)整中心距或張緊輪消隙法。</p><p

65、>　　由步進(jìn)電機(jī)到絲杠傳動過程的工作原理如下：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)發(fā)生一個脈沖→轉(zhuǎn)過α角度為1.5°→（如果通過聯(lián)軸器則為1：1）→絲杠轉(zhuǎn)過1.5°→橫托板脈沖當(dāng)量0.005mm</p><p>　　即絲杠轉(zhuǎn)過β角，拖板移動0.005mm,所以該絲杠螺距為t，則</p><p>　　所選擇的滾珠絲桿為FF型1604，其螺距為4&l

66、t;/p><p><b>　　β=0.45°</b></p><p>　　由此可見，由步進(jìn)電機(jī)到絲杠1：1傳動不能同步，必須通過一對齒輪傳動，使兩者都轉(zhuǎn)角一致，其傳動比為</p><p>　　i=1.5/0.45=3.3333</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過1.5°，則通過一對齒輪傳動使絲杠轉(zhuǎn)過0.4

67、5°，拖板前進(jìn)0.005mm，因而這對齒輪是降速運(yùn)動。選擇Z1=21,Z2=70,m=1.5 選擇一級傳動。</p><p>　　4.4．齒輪傳動的消除間隙</p><p>　　采用齒輪傳動時，齒側(cè)間隙會造成開環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的死區(qū)誤差，影響定位精度。為了消除齒側(cè)間隙并獲得強(qiáng)剛性，必須采用各種具有消除間隙或預(yù)緊措施的齒輪副。</p><p>　　對于直

68、齒圓柱齒輪傳動，常用的方法有雙片齒輪錯齒法，a．兩個完全相同的薄片齒輪套裝在一起與另一個寬齒輪嚙合。當(dāng)兩個薄片齒輪的齒完全對齊時，相當(dāng)于一個齒輪在工作。正轉(zhuǎn)時，它們貼向?qū)掿X輪輪齒的一側(cè)；一旦反向，它們會一起走過一段側(cè)隙后貼向輪齒的另一側(cè)。設(shè)想：若將兩個薄片齒輪的輪齒錯開一定的距離，使它們分別貼向?qū)掿X輪輪齒的兩側(cè)，正向時一個齒輪起作用，反向時另一個齒輪起作用。則當(dāng)運(yùn)動反向時，馬上會帶動從動輪工作，每一個薄片齒輪與寬齒輪間雖然分別都存在側(cè)隙

69、，但它們的共同作用卻消除了側(cè)隙對傳動的影響。</p><p>　　一方面是由于結(jié)構(gòu)的需要，另一方面由于偏心套調(diào)整法只能補(bǔ)償齒厚誤差與中心距誤差引起的齒隙，不能補(bǔ)償偏心誤差引起的齒隙，采用周向彈簧的雙片齒輪錯齒法比較簡單，但應(yīng)保證彈簧力產(chǎn)生的預(yù)緊扭矩M不應(yīng)過大或過小。如果M過小起不到消隙的作用，M過大會加大齒面的摩擦力而加劇磨損。</p><p>　　4.5．進(jìn)給系統(tǒng)的潤滑</p>

70、;<p>　　機(jī)床在運(yùn)行過程中，各運(yùn)動件之間存在摩擦，必須采用一定的潤滑及防護(hù)措施來減小其相對摩擦，從而提高機(jī)床的使用壽命。使用潤滑劑可提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑脂的特點(diǎn)是黏度大，不易流失，因此不需經(jīng)常加換，使用方便，密封也較簡單。但其摩擦阻力大，機(jī)械效率低；流動性差，導(dǎo)熱系數(shù)小。因此僅適用于轉(zhuǎn)速不高的軸承，外露的齒輪和某些不易密封的主軸件等。潤滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油。</p>

71、;<p>　　在此進(jìn)給系統(tǒng)中，齒輪的轉(zhuǎn)速比較低，因此不能使油飛濺潤滑，在齒輪和軸承處采用潤滑脂來潤滑。在滾珠絲杠副中，也只能采用潤滑脂。</p><p>　　4.6．進(jìn)給系統(tǒng)的一些其它要求</p><p>　　滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動器件一樣，應(yīng)避免硬質(zhì)灰塵或切屑污物進(jìn)入，因此必須裝有防護(hù)裝置。如果滾珠絲杠副在機(jī)床上外露，則應(yīng)采用封閉的防護(hù)罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸

72、縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護(hù)罩的一端連接在滾珠螺母的側(cè)面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲桿副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護(hù)，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內(nèi)孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質(zhì)塑料制成，其內(nèi)孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果

73、差。工作中應(yīng)避免碰擊防護(hù)裝置，防護(hù)裝置一有損壞應(yīng)及時更換。</p><p>　　另外，對滾珠絲杠的安裝處應(yīng)進(jìn)行削邊。</p><p>　　第五章 機(jī)床進(jìn)給部件的設(shè)計與選擇</p><p>　　5.1伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇</p><p>　　早期的數(shù)控機(jī)床采用電液伺服驅(qū)動的較多，而現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床基本上都采用全電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。它可分為步進(jìn)電機(jī)，直

74、流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)三類。</p><p>　　5.1.1步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)一般與脈沖增量插補(bǔ)算法相配合，目前均選用功率型步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件。它主要有反應(yīng)式和混合式兩類。反應(yīng)式價格較低，混合式價格較高，但混合式步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大，運(yùn)行頻率及升降速度快，因而性能更好。為克服步進(jìn)電機(jī)低頻共振的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高精度，出現(xiàn)了性能更好的帶細(xì)分功能的

75、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，并得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)在我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域和老式機(jī)床改造中起到了極其重要的作用。</p><p>　　5.1.2直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代中期，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。大慣量直流電動機(jī)具有具有良好的寬調(diào)速特性，其輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。由于電動機(jī)自身慣量較大，與機(jī)床傳動部件的慣量相當(dāng)，因此，所

76、構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)安裝到機(jī)床上。此類電動機(jī)大多配有晶閘管全控或半控橋SCR-D調(diào)速裝置。為適于部分?jǐn)?shù)控機(jī)床頻繁啟動、制動及快速定位的要求，又開發(fā)了直流中，小慣量伺服電動機(jī)以及大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動裝置。</p><p>　　5.1.3交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　由于直流伺服電動機(jī)使用機(jī)械換向，因此存在許多缺點(diǎn)。而直流伺服電動機(jī)優(yōu)良的調(diào)速特性正是通過機(jī)械換向得到的，因而這些

77、缺點(diǎn)無法克服。多年來，人們一直試圖用交流電動機(jī)代替直流電動機(jī)，其困難在于交流電動機(jī)很難達(dá)到直流電動機(jī)的調(diào)速性能。進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后，由于交流伺服電動機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)以及控制理論與方法的突破性進(jìn)展，以及微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使交流驅(qū)動裝置發(fā)展很快，目前已逐漸取代了直流伺服電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要維護(hù)，制造簡單，適合于在惡劣環(huán)境下工作。</p><p>　　在本次設(shè)計中，我采用步進(jìn)電

78、動機(jī)驅(qū)動。根據(jù)設(shè)計要求：步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.45°，拖板脈沖當(dāng)量為0.005，絲杠螺距為4mm。通過查閱《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》P600.表13-43。符合的型號有JBF-7，JBH-17，JBH-33，通過類比以后，我選擇JBF-7，其通電方式為三相六拍，最大靜力矩為13N﹒m。</p><p>　　5.2導(dǎo)軌的類型及選取</p><p>　　導(dǎo)軌副是數(shù)控機(jī)床的重要部件之

79、一，導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動部件能沿一定軌跡運(yùn)動，并承受運(yùn)動部件及工件的重量和切削力。它在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度和精度保持性。數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌必需具有較高的導(dǎo)向精度、高剛度、高耐磨性，機(jī)床在高速進(jìn)給時不振動、低速進(jìn)給時不爬行等特性。目前數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌主要有3種：塑料滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 </p><p>　　5.2.1、塑料滑動導(dǎo)軌 </p><p>　　目前，數(shù)控機(jī)床所使

80、用的滑動導(dǎo)軌材料為鑄鐵對塑料或鑲鋼對塑料滑動導(dǎo)軌。導(dǎo)軌塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧型耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。</p><p>　　(1)聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點(diǎn)</p><p>　　1)摩擦特性好：金屬—聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的動靜摩擦因數(shù)基本不變。</p><p>　　2)耐磨特性好：聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材料中含有青銅、二硫化銅和石墨，因此其本身即具有自潤滑作用，對潤滑油

81、的要求不高。此外，塑料質(zhì)地較軟，即使嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不致?lián)p傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長導(dǎo)軌副的使用壽命。</p><p>　　3)減振性好：塑料的阻尼性能好，其減振效果、消聲的性能較好，有利于提高運(yùn)動速度。</p><p>　　4)工藝性好：可降低對粘貼塑料的金屬基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工(銑、刨、磨、刮)，使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶被廣

82、泛用于中小型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動導(dǎo)軌中。</p><p>　　作為移動部件的工作臺導(dǎo)軌面(包括下壓板和鑲條)都粘貼有聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。</p><p>　　導(dǎo)軌軟帶使用工藝簡單。首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度Rα3.2μm左右。用汽油或丙酮清洗粘結(jié)面后，用膠粘劑粘合。加壓初固化1~2h后合攏到配對的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上，施加一定的壓力，并在室溫固化24h后，取下清除余膠，即可開油槽和精加工。

83、</p><p>　　(2)環(huán)氧型耐磨涂層 </p><p>　　環(huán)氧型耐磨涂層是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份和固化劑為另一組份的雙組份塑料涂層。德國生產(chǎn)的SKC3和我國生產(chǎn)的HNT環(huán)氧型耐磨涂層都具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1)良好的加工性：可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削。</p><p&g

84、t;<b>　　2)良好的摩擦性。</b></p><p><b>　　3)耐磨性好。</b></p><p><b>　　4)使用工藝簡單。</b></p><p>　　5.2.2．滾動導(dǎo)軌</p><p>　　(1)直線滾動導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)  滾動導(dǎo)軌作為滾動摩

85、擦副的一類，具有以下特點(diǎn)：①摩擦因數(shù)小(0.003~0.005)，運(yùn)動靈活；②動、靜摩擦因數(shù)基本相同，因而起動阻力小，而不易產(chǎn)生爬行；③可以預(yù)緊，剛度高；④壽命長；⑤精度高；⑥潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次填裝，長期使用；⑦由專業(yè)廠生產(chǎn)，可以外購選用。因此滾動導(dǎo)軌副被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、測量機(jī)和測量儀器上。滾動導(dǎo)軌副的主要缺點(diǎn)是抗沖擊載荷的能力較差，且滾動導(dǎo)軌副對灰塵屑末等較敏感，應(yīng)有良好的防護(hù)罩。</p>&l

86、t;p>　　滾動導(dǎo)軌有多種形式，目前數(shù)控機(jī)床常用的滾動導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌的外形和結(jié)構(gòu)</p><p>　　直線滾動導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、滾柱或滾珠、保持器、端蓋等組成。</p><p>　　當(dāng)滑塊與導(dǎo)軌體相對移動時，滾動體在導(dǎo)軌體和滑塊之間的圓弧直槽內(nèi)滾動，并通過端蓋內(nèi)的滾道，從工作負(fù)荷區(qū)到非工作負(fù)荷區(qū)，然后再滾動回工作負(fù)荷區(qū)，不斷循環(huán)，從而把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動變成滾

87、動體的滾動。為防止灰塵和臟物進(jìn)入導(dǎo)軌滾道，滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊，滑塊上還有潤滑油杯。最近新出現(xiàn)的一種在滑塊兩端裝有自動潤滑的滾動導(dǎo)軌，使用時無須再配潤滑裝置。</p><p>　　(2)直線滾動導(dǎo)軌的安裝 </p><p>　　直線滾動導(dǎo)軌的安裝形式可以水平、豎直或傾斜，可以兩根或多根平行安裝，也可以把兩根或多根短導(dǎo)軌接長，以適應(yīng)各種行程和用途的需要。采用直線滾動導(dǎo)軌副

88、，可以簡化機(jī)床導(dǎo)軌部分的設(shè)計、制造和裝配工作。滾動導(dǎo)軌副安裝基面的精度要求不太高，通常只要精銑或精刨。由于直線滾動導(dǎo)軌對誤差有均化作用，安裝基面的誤差不會完全反映到滑座的運(yùn)動上來；通?；倪\(yùn)動誤差約為基面誤差的1/3。</p><p>　　導(dǎo)軌和滑塊座與側(cè)基面靠上定位臺階后，應(yīng)先從另一面頂緊然后再固定。</p><p><b>　　導(dǎo)軌安裝步驟如下：</b><

89、/p><p>　　1)將導(dǎo)軌基準(zhǔn)面緊靠機(jī)床裝配表面的側(cè)基面，對準(zhǔn)螺孔，將導(dǎo)軌輕輕地用螺栓予以固定。2)上緊導(dǎo)軌側(cè)面的頂緊裝置，使導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面緊緊靠貼床身的側(cè)面。</p><p>　　3)按《機(jī)械設(shè)計手冊》參考值，用力矩扳手?jǐn)Q緊導(dǎo)軌的安裝螺釘；從中間開始按交叉順序向兩端擰緊。</p><p>　　滑塊座安裝步驟如下：</p><p>　　1)將工

90、作臺置于滑塊座的平面上，并對準(zhǔn)安裝螺釘孔，輕輕地壓緊。</p><p>　　2)擰緊基準(zhǔn)側(cè)滑塊座側(cè)面的壓緊裝置，使滑塊座基準(zhǔn)側(cè)面緊緊靠貼工作臺的側(cè)基面。</p><p>　　3)按對角線順序擰緊基準(zhǔn)側(cè)和非基準(zhǔn)側(cè)滑塊座上各個螺釘。</p><p>　　安裝完畢后，檢查其全行程內(nèi)運(yùn)行是否輕便、靈活，有無打頓、阻滯現(xiàn)象；摩擦阻力在全行程內(nèi)不應(yīng)有明顯的變化。達(dá)到上述要求后，

91、檢查工作臺的運(yùn)行直線度、平行度是否符合要求。 </p><p>　　5.2.3．液體靜壓導(dǎo)軌</p><p>　　液體靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液經(jīng)節(jié)流器輸送到導(dǎo)軌面的油腔，形成承載油膜，將相互接觸的金屬表面隔開，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。這種導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)小(約0.0005)，機(jī)械效率高：由于導(dǎo)軌面間有一層油膜，吸振性好；導(dǎo)軌面不相互接觸，不會磨損，壽命長，而且在低速下運(yùn)行也不易產(chǎn)生爬行。但靜壓導(dǎo)

92、軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。靜壓導(dǎo)軌按導(dǎo)軌形式可分為開式和閉式兩種；按供油方式分為恒壓(即定壓)供油和恒流(即定量)供油兩種。</p><p>　　通過以上的類比，本次設(shè)計采用聚四氟乙烯滑動導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌是最常用的導(dǎo)軌，其他類型的導(dǎo)軌都是在滑動導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，由于滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單、具有良好的工藝性、剛度和精度易于保證，所以在一般機(jī)床上仍然得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b

93、>　　5.3導(dǎo)軌的材料</b></p><p>　　對導(dǎo)軌材料的主要要求是耐磨性好、工藝性好、成本低。常用的導(dǎo)軌材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料，其中以鑄鐵應(yīng)用最為普遍。</p><p>　　為了提高耐磨性和防止咬焊，動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)盡量采用不同的材料。如果選用相同的材料，也一定要采取不同的熱處理方式以使其具有不同的硬度。</p><p>　　材料

94、以鑄鐵為例，鑄鐵是一種成本低，良好減震性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。導(dǎo)軌常用的鑄鐵材料有灰鑄鐵、孕育鑄鐵和耐磨鑄鐵等。</p><p>　　灰鑄鐵常用的牌號是HT200。在較好的潤滑與防護(hù)條件下，具有一定的耐磨性。適用于不經(jīng)常工作且對精度保持性要求不高的導(dǎo)軌。</p><p>　　孕育鑄鐵常用的牌號是HT300。耐磨性高于灰鑄鐵，但較脆硬，不易刮研，且成本較高。常用于較精密的機(jī)

95、床導(dǎo)軌。</p><p>　　耐磨鑄鐵中應(yīng)用較多的是高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵及釩鈦鑄鐵。與孕育鑄鐵相比，其耐磨性提高1~2倍，但成本較高，常用于精密機(jī)床導(dǎo)軌。</p><p>　　通過對材料的類比，由于我設(shè)計的是經(jīng)濟(jì)型儀表車床，考慮經(jīng)濟(jì)性等原因，選用灰鑄鐵作為導(dǎo)軌材料。</p><p><b>　　5.4導(dǎo)軌的熱處理</b></p>

96、<p>　　為了提高鑄鐵導(dǎo)軌的硬度，以增強(qiáng)抗硬粒磨損的能力和防止撕裂，鑄鐵導(dǎo)軌經(jīng)常采用高頻淬火、中頻淬火機(jī)電皆出自冷淬火等表面淬火方法。</p><p>　　高頻淬火是借助200~300kHz的高頻電流對導(dǎo)軌面加熱，淬火溫度一般為900~950℃，淬火深度可達(dá)1.5～2倍，硬度達(dá)HRC48～55，可使普通鑄鐵耐磨性提高2倍左右。</p><p>　　中頻淬火可采用8kHz左右的中

97、頻電流進(jìn)行，淬火溫度一般為950℃左右，淬硬層可達(dá)2～3mm，表面硬度可達(dá)HRC40～50。高頻及中頻淬火的優(yōu)點(diǎn)是淬火質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是淬火后必須進(jìn)行磨削加工。</p><p>　　電接觸自冷淬火表面硬度可達(dá)HRC55～60，淬硬深度可達(dá)0.2～0.4 mm。這種淬火方法具有設(shè)備簡單、操作方便、成本低、淬火變形小等優(yōu)點(diǎn)，但由于淬硬深度較淺等原因，對導(dǎo)軌耐磨性提高幅度不大，目前主要用于維修。</p&

98、gt;<p>　　綜上所述，本次設(shè)計的導(dǎo)軌采用灰鑄鐵作為材料的滑動導(dǎo)軌，并通過高頻淬火作為熱處理，以提高導(dǎo)軌的硬度和耐磨性。</p><p>　　5.5導(dǎo)軌的間隙調(diào)整</p><p>　　為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力，而且會加速導(dǎo)軌磨損；間隙過大，會降低導(dǎo)向精度，還容易產(chǎn)生振動。導(dǎo)軌的間隙如果依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，

99、而且導(dǎo)軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。常用的間隙調(diào)整方式有壓板和鑲條。</p><p><b>　　5.5.1壓板</b></p><p>　　壓板用于調(diào)整間隙和承受顛覆力矩，如圖所示是常用的幾種壓板裝置：</p><p><b>　　圖5.1</b></p>&l

100、t;p>　　a圖所示的壓板裝置用磨削或刮壓板3與動導(dǎo)軌1相接觸的d面，或磨、刮與支承導(dǎo)軌2相接觸的e面來調(diào)整垂直方向的間隙。間隙過大時磨、刮d面；間隙過小則磨、刮e面。壓板上的d、e面需用空刀槽分開。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整比較麻煩。</p><p>　　b圖所示是在壓板與支承導(dǎo)軌間用平鑲條5來調(diào)整間隙。只要擰動帶有鎖緊螺母的螺釘6即可調(diào)整間隙，故調(diào)整方便。但由于鑲條下面只與幾只螺釘接觸，因此剛度較差。&l

101、t;/p><p>　　c圖所示是采用在壓板與動導(dǎo)軌接處放幾層薄墊片4來調(diào)整垂直方向的間隙。隨著摩擦表面的不斷磨損，逐次取下一層墊片。這種方法比磨、刮省力，但調(diào)整量受墊片厚度限制。</p><p><b>　　5.5.2鑲條</b></p><p>　　鑲條用來調(diào)整矩形和燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)面間隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。常用的鑲條有平鑲條和斜鑲條兩種。&

102、lt;/p><p><b>　　圖5.2</b></p><p>　　a圖所示的平鑲條制造容易，調(diào)整方便，但因各螺釘單獨(dú)分別擰緊，難以保證鑲條受力均勻，因此容易變形，剛度較低。</p><p>　　b圖所示的斜鑲條兩側(cè)面分別與動導(dǎo)軌及支承導(dǎo)軌均勻接觸，故剛度比平鑲條高，但制造困難。</p><p>　　綜上所述，我設(shè)計的車床

103、導(dǎo)軌一端采用圖5.1中壓板與支承導(dǎo)軌間用平鑲條調(diào)整間隙。只要擰動帶有鎖緊螺母的螺釘就可調(diào)整間隙， 另一端采用在壓板與動導(dǎo)軌接觸處放幾層薄墊片來調(diào)整垂直方向的間隙。</p><p>　　5.6滾珠絲杠副的選擇</p><p>　　5.6.1滾珠絲杠傳動的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　傳動效率高，以極小的滾動摩擦代替了傳統(tǒng)的滑動摩擦，大大減小的摩擦使?jié)L珠絲杠副的傳動效率獲得

104、極大地提高，傳動效率達(dá)90%以上。進(jìn)而，整個傳動副的驅(qū)動力矩減少至滑動絲杠副的1/3左右。因此，滾珠絲杠能夠順滑地實(shí)現(xiàn)兩種傳動方式——將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動或者將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，絲杠立式和傾斜使用時，應(yīng)增加制動裝置或平衡裝置。</p><p>　　精度高，由于滾珠絲杠副傳動效率達(dá)到90%以上，因而發(fā)熱率大大降低，熱變形就小，若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除

105、間隙，使設(shè)備獲得很高的定位精度和重復(fù)定位精度。</p><p>　　摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；</p><p>　　磨損小、壽命長。滾珠絲杠副中的主要零件，均經(jīng)熱處理，具有很高的硬度及表面光潔度，再加上滾動摩擦的摩損很小，因而具有良好的耐磨性，實(shí)際壽命往往大于理論壽命。</p><p>　　5.6.2滾

106、珠絲杠的選擇</p><p>　　滾珠絲杠已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，所選擇的滾珠絲杠是根據(jù)《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》類比所得。規(guī)格代號FD16×04-3.5-3.5/360×190。</p><p>　　5.6.3滾珠絲杠副及預(yù)緊方式的選擇</p><p>　　滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以分為雙螺母和單螺

107、母。在進(jìn)行改造時應(yīng)根據(jù)具體情況和結(jié)構(gòu)形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內(nèi)循環(huán)式的回珠器在螺母副內(nèi)部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和機(jī)床空間滿足要求，在普通機(jī)床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。</p><p>　　按預(yù)加負(fù)載形式分，可分為單螺母無預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊、單螺母加大鋼球徑

108、向預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母差齒預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊。數(shù)控機(jī)床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊，其預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3。</p><p>　　在本設(shè)計中，我采用雙螺母內(nèi)循環(huán)的形式，用雙螺母墊片預(yù)緊。</p><p>　　5.6.4滾珠絲杠的材料及熱處理</p><p>　　根據(jù)《金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊》P298表4-156，選擇的材料為CrWMn，所選熱處理為整體

109、淬火。</p><p><b>　　5.7刀架的選擇</b></p><p>　　選用選用LD4-ICK0625型電動刀架</p><p>　　因為設(shè)計要求刀架的最大回轉(zhuǎn)直徑為120mm，而最小的三角刀架的設(shè)計高度大大超過60mm，故選用最小的刀架型號，因刀架為外購件，其尺寸已成定值，故選用最小的四方刀架。即 LD4-ICK0625。該刀架可以