MJ-50型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計【說明書+CAD】

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Mechanical processing process automation is to realize the above requirements of important technical one of the measures. Single or small batch production accounts for about 80% of the mechanical processing, a suitable product update quickly, variety, quality and high production efficiency, low cost of the application of automation equipment is imminent. And the numerical control machine this set mechanical, electrical, hydraulic, pneumatic, microelectronics and information etc many technology for the integration of mechanical and electrical products, machinery manufacturing equipment has high precision, high efficiency, high automation and high flexibility of the advantages of machine tools, used to the demand, meet the current production requirements. Numerical control machine tool technology level and in the metal cutting machine tools and the percentage of the total yield of ownership is the measure of a countrys national economic development and industrial manufacturing level one of the important marks. Numerical control lathe is one of the main types of the numerical control machine tool, it in the numerical control machine tool occupies very important position.So understand CNC lathe structure and working principle of operation, maintenance and improvement is the premise of the CNC lathe, CNC lathe is also design a basic. Based on this this paper introduces MJ-50 of CNC lathe main transmission system.Keywords: mechanical processing，numerical control lathe，main transmission system目錄1緒論11.1數(shù)控車床的現(xiàn)狀及前景11.2 數(shù)控車床的組成與適用范圍11.2.1數(shù)控車床的組成11.2.2數(shù)控車床的特點31.2.3 數(shù)控車床的分類31.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展41.3.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢41.3.2中國發(fā)展數(shù)控車床存在的主要問題52 主傳動系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明82.1 設(shè)計思想82.1.1 MJ-50數(shù)控車床的布局82.1.2 MJ-50數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)82.2主傳動系統(tǒng)特點92.3對主傳動系統(tǒng)的要求92.4主傳動系統(tǒng)的方式112.5主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標的確定122.5.1動力參數(shù)的確定122.5.2主運動調(diào)速范圍的確定142.5.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定153 主軸組件的設(shè)計與校核173.1 主軸箱的結(jié)構(gòu)173.2傳動皮帶的設(shè)計和選定183.3主軸的設(shè)計與校核203.4主軸支撐的選擇253.4.1軸承的選擇253.4.2軸承的預(yù)緊263.4.3軸承的潤滑263.5主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制273.6電機的選擇283.6.1交流主軸驅(qū)動裝置及其工作特性283.6.2交流主軸電機的調(diào)速293.7主軸轉(zhuǎn)速的自動變換303.8主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進給的同步控制313.9主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進給的同步控制31結(jié)論32致謝33參考文獻341緒論1.1數(shù)控車床的現(xiàn)狀及前景 當前的世界已進入信息時代，科技進步日新月異。生產(chǎn)領(lǐng)域和高科技領(lǐng)域中的競爭日益加劇，產(chǎn)品技術(shù)進步、更新?lián)Q代的步伐不斷加快?，F(xiàn)在單件小批量生產(chǎn)的零件已占到機械加工總量的80%以上，而且要求零件的質(zhì)量更高、精度更高，形狀也日趨復(fù)雜化，這是擺在機床工業(yè)面前的一個突出問題。數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對車床運動及加工過程進行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。與通用機床和專用機床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用于機械制造業(yè)。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機床比，變速功能絕大部分由主軸電機的無級調(diào)速來承擔，省去了繁雜的齒輪變速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機構(gòu)系統(tǒng)用以擴大電機無級調(diào)速的范圍。1.2 數(shù)控車床的組成與適用范圍1.2.1數(shù)控車床的組成數(shù)控車床由以下幾個部分組成：1、程序介質(zhì) 根據(jù)零件的幾何和工藝要求，確定零件加工的工藝過程和工藝參數(shù)，然后按規(guī)定的代碼和格式編制數(shù)控加工程序。編制程序的工作可由人工完成，也可以用計算機自動編程系統(tǒng)來完成。比較先進的數(shù)控車床，可以在它的數(shù)控裝置上直接編程。 編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲介質(zhì)上，稱為程序介質(zhì)，可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。2、輸入輸出裝置 輸入輸出裝置主要用于零件數(shù)控程序的編制、存儲、打印和顯示等。簡單的輸入輸出裝置只包括鍵盤和發(fā)光二極管顯示器。一般的輸入輸出裝置除了人機對話編程鍵盤和CRT外，還包括紙帶、磁帶和磁盤輸入機、穿孔機等。高級的數(shù)控系統(tǒng)還使用自動編程機或CAD/CAM系統(tǒng)。3、數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控車床的核心。它根據(jù)輸入的程序和數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令。4、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測裝置及輔助控制裝置 伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置組成，并于車床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控車床的進給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出來的速度和位移指令，控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移。每個進給運動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)由開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。在半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，還得使用位置檢測裝置，間接或直接測量執(zhí)行部件的實際進給位移，與指令位移進行比較，按閉環(huán)原理，將其誤差轉(zhuǎn)換放大后控制執(zhí)行部件的進給運動。5、機床的機械部件 數(shù)控車床的機械部件包括：主運動部件，進給運動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支承部件，還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心車床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。6、數(shù)控車床的工藝范圍 數(shù)控車削是數(shù)控加工中用的最多的加工方法之一。其工藝范圍較普通機床寬的多，凡是能在數(shù)控車床上裝夾的回轉(zhuǎn)體零件都能在數(shù)控車床上加工，特別是形狀復(fù)雜的軸類或盤類零件。主要包括: （1）精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件； （2）輪廓形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件； （3）表面粗糙度好的回轉(zhuǎn)體零件； （4）特殊的螺紋的回轉(zhuǎn)體零件； （5）超精密、超低表面粗糙的零件。1.2.2數(shù)控車床的特點1、加工對象改型的適應(yīng)性強 由于在數(shù)控車床上改變加工零件時，只需要重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。因此，數(shù)控車床可以快速的從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單件小批以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產(chǎn)準備周期，而且節(jié)約了大量工藝裝備費用。2、加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定 數(shù)控車床本身的精度較高，還可以利用軟件進行精度校正和補償，加工零件按數(shù)控程序自動進行，可以避免人為的誤差。因此，數(shù)控車床可以獲得比普通車床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。3、生產(chǎn)效率高 數(shù)控車床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機加工時。還有自動換刀轉(zhuǎn)速、自動換刀和其它輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為減縮。4、自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工時按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度與緊張程度均大為減小，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。5、減輕勞動輕度，改善勞動條件。 由于數(shù)控機床是自動完成對零件的加工的，許多動作不需要操作者進行，因此勞動條件和勞動強度大為改善。6、有利于生產(chǎn)管理采用數(shù)控機床，有利于向計算機控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。1.2.3 數(shù)控車床的分類1、按數(shù)控系統(tǒng)的功能分類 （1）經(jīng)濟型數(shù)控車床 （2）全功能性數(shù)控車床 （3）車削中心 （4）FMC車床 2、按主軸的配置形式分類 （1）臥式數(shù)控機床 （2）立式數(shù)控機床3、按數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)分類 （1）兩軸控制的數(shù)控機床 （2）四軸控制的數(shù)控機床4、其他分類方法 按加工零件的基本類型分為卡盤式數(shù)控車床；按數(shù)控系統(tǒng)的不同控制方式分為直線控制數(shù)控車床、輪廓控制數(shù)控車床等；按性能可分為多主軸車床、雙主軸車床、縱切式車床、排刀式車床等。1.3國內(nèi)外數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 1.3.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化、柔性化。1、高速主軸單元 為了適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機主軸單元，就是將高速的主軸電動機置于主軸內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動機、主軸的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題；可精確實現(xiàn)主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機電一體化產(chǎn)品。2、功能復(fù)合化、柔性化隨著數(shù)控車床對加工對象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床（特別適合主傳動系統(tǒng)）的設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著功能復(fù)合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。功能復(fù)合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴大車床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工 。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。數(shù)控車床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，注重加強單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳送，以縮短產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造時間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。1.3.2我國發(fā)展數(shù)控車床存在的主要問題 我國于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在19581979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質(zhì)差、基礎(chǔ)薄弱、配套件不過關(guān)的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠佳，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進數(shù)控機床先進技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。 在20余年間，數(shù)控機床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設(shè)計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術(shù)的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控車床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。 中國今后要加速發(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)，既要深入總結(jié)過往的經(jīng)驗教訓，切實改善存在的問題，又要認真學習國外的先進經(jīng)驗，沿正確的道路前進。建議切實做好以下幾點： (1)中國廠多人眾，極需正確的方針、政策對數(shù)控車床的發(fā)展進行有力的指引。應(yīng)學習美、德、日經(jīng)驗，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應(yīng)講究科學精神、經(jīng)濟實效，以切實提高生產(chǎn)率、勞動生產(chǎn)率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學習日本，首先解決量大而廣的中檔數(shù)控機床，批量生產(chǎn)，占領(lǐng)市場，減少進口，擴大出口。在步驟措施上，必須使國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進、可靠，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量與配套件過關(guān)，打好技術(shù)基礎(chǔ)。近期重在打基礎(chǔ)，建立信譽，擴大國產(chǎn)數(shù)控車床的國內(nèi)市場份額，遠期謀求趕超世界先進水平，大步走向世界市場。 (2)必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質(zhì)、培養(yǎng)各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)。人是一切事業(yè)成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才”，建立學習型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術(shù)講座、訓練班和專題討論會，甚至聘請外國專家、顧問等，盡力提高數(shù)控。2 主傳動系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)說明2.1 設(shè)計思路本設(shè)計師參照濟南第一機床廠的MJ-50型數(shù)控車床來進行設(shè)計：床身和導(dǎo)軌的布局采用水平床身斜滑板；主軸驅(qū)動采用交流伺服電動機無機調(diào)速，采用V型帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)：進給系統(tǒng)也使用交流伺服電動機驅(qū)動，使用同步帶機構(gòu)減速，采用滾珠絲杠副進行傳動；刀架系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)刀架機構(gòu)；尾座使用標準尾座。2.1.1 MJ-50數(shù)控車床的布局MJ-50數(shù)控車床為兩坐標連續(xù)控制的臥式車床。床身為平床身，床身導(dǎo)軌上面支承著30度傾斜布置的滑板，排屑方便。導(dǎo)軌的橫截面為矩形，支承剛性好，且導(dǎo)軌上配置有防護罩。床身的左上方安裝有主軸箱，主軸有AC交流伺服電動機驅(qū)動，免去變速傳動裝置，因此使主軸箱的結(jié)構(gòu)變得十分簡單。為了快速而省力地裝夾工件，主軸卡盤的夾緊與松開是由主軸尾端的液壓缸來控制的。床身右上方安裝有尾座。該機床有兩種可配置的尾座，一種是標準尾座，另一種是選擇配置的尾座?；宓膬A斜導(dǎo)軌上安裝有回轉(zhuǎn)刀架，其刀盤上由10個工位，最多安裝10把刀具。滑板上分別安裝有X軸和Z軸的進給傳動裝置。根據(jù)用戶的要求，主軸箱前端上可以安裝對刀儀，用于機床的機內(nèi)對刀。檢測刀具時，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺出，其上端的接觸式傳感器測頭對所有刀具進行檢測。檢測完成后，對刀儀的轉(zhuǎn)臂擺回到原位，且測頭被鎖在對刀儀防護罩中。機床上配置有操作面板，機床防護門，可以配置手動防護門，也可以配置氣動防護門。液壓系統(tǒng)的壓力由壓力表顯示。附有主軸卡盤夾緊與松開的腳踏開關(guān)。2.1.2 MJ-50數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 允許最大工件回轉(zhuǎn)直徑 500mm 最大切削直徑 310mm 最大切削長度 650mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 353500r/min(連續(xù)無級) 其中恒扭矩范圍 35437 r/min 其中恒功率范圍 4373500 r/min 主軸通孔直徑 80mm 拉管直徑 65mm 刀架有效行程 X軸 182mm; Z軸 675mm 快速移動速度 X軸 10m/min;Z軸 15m/min 安裝刀具數(shù) 10把 刀具規(guī)格 車刀25mmx25mm;鏜刀12mmx45mm 選刀方式 刀盤就近轉(zhuǎn)位 分度時間 單步 0.8s; 180;2.2s 尾座套筒行程 130mm 主軸AC伺服電動機連續(xù)/30min 超載 11/15kw 進給伺服電動機 X軸AC 0.9kw;Z軸AC 1.8kw 機床外形尺寸（長x寬x高） 2995mmX1667mmX1796mm2.2主傳動系統(tǒng)特點1、目前數(shù)控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動機，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動機和直流調(diào)速電動機所代替。2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機床進行大功率的切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。3、變速范圍大。數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。4、主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。2.3對主傳動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機床傳動要求外，還有如下要求：1、旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機床的旋轉(zhuǎn)精度已有標準規(guī)定可循。2、靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標準。3、抗振性主軸組件工作時產(chǎn)生震動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠大于激動力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標，只有一些實驗數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。4、升溫和熱變形主軸組件工作時因各相對運動的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档停档土溯S承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機床要進一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機床主軸組件的研究的主要課題之一。5、耐磨性主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機床主軸上的上述部分應(yīng)淬硬至HRC60左右，深約1mm。6、材料和熱處理主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠遠小于鋼的強度極限。因此，強度一般不做為選材的依據(jù)。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。數(shù)控機床的材料通常是45號或60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，需調(diào)質(zhì)處理。7、主軸的結(jié)構(gòu)為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的70%。2.4主傳動系統(tǒng)的方式機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床得主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速。與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式：1、電動機直接驅(qū)動 主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機驅(qū)動。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定主軸電機的性能，因而這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。2、 采用定比傳動 主軸電動機經(jīng)定比傳動給主軸。 定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動機的調(diào)速范圍相同。目前，交流、直流主軸電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有24，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達100以上；許多大、中型機床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動機的功率特性和機床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機床。3、采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現(xiàn)，電動機的無級變速配合變速機構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。4、用兩個電機分別驅(qū)動主軸 上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅(qū)動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅(qū)動主軸。2.5主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標的確定2.5.1動力參數(shù)的確定MJ-50數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑500mm，最大工件長度650mm；主軸通孔直徑80mm，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅(qū)動電動機的功率；運動參數(shù)是指主運動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國內(nèi)外機床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標。圖2.1主軸功率扭矩特性主軸傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖2.1所示：當機床處在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在4373500r/min范圍內(nèi)，主軸應(yīng)能傳遞電動機的全部功率11kw，II（實線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245Nm）應(yīng)隨著主軸的轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35437r/min范圍內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率，但是主軸的輸出扭矩不變，稱為主軸的恒扭矩區(qū)域I（實線）。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸的轉(zhuǎn)速的降低而降低。電動機的超載功率為15kw,超載的最大輸出扭矩為334 Nm。主傳動中個傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數(shù)小而浪費能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計方法相互比較來確定。查機電一體化手冊車削功率在816kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率估算,即。主傳動鏈的功率效率=0.70.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw20.51kw.之間。數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力 (2.1)-主切削力的切向分力，N；-切削速度，m/min；查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90250rmin，則可知道PC。 考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。MJ-50型數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率，此機床可以選取功率為11/15kw的AC伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)一級1：1的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在353500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機構(gòu)，因此減少了原齒輪傳動對主軸精度的影響，并且維修方便。2.5.2主運動調(diào)速范圍的確定 主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定 (2.2)計算該數(shù)控車床 (2.3) (2.4)則數(shù)控車床變速范圍 (2.5)代入公式，選擇，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。經(jīng)統(tǒng)計分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠；高速車刀粗車圓柱體（隨被吃刀量與進給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠，車床主參數(shù)500mm，加工絲杠的最大直徑，則取=50mm。=3591 r/min=41.52 r/min由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=30 r/min，=3500 r/min。則數(shù)控車床總變速范圍2.5.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉(zhuǎn)矩運動；主運動為旋轉(zhuǎn)運動的機床，主運動為恒功率運動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖2.2。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。數(shù)控車床變速范圍比較廣，計算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機床計算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標準，確定是參考同類機床，結(jié)合該機床加工工藝要求，使.圖2.2主軸轉(zhuǎn)速曲線3 主軸組件的設(shè)計與校核3.1 主軸箱的結(jié)構(gòu) 數(shù)控車床主軸箱結(jié)構(gòu)如圖3.1，交流主軸電動機通過帶輪15把運動傳給主軸。主軸有前后兩個支承。前支承由一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對角接觸軸承組成，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承用來承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口向外（朝向主軸前端），另一個大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調(diào)整。用螺釘來防止螺母回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，軸承間隙用兩個螺母來調(diào)整。兩個螺釘是防止螺母回松的。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉(zhuǎn)速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高。主軸所采用的支承結(jié)構(gòu)適宜低速大載荷的需要。主軸的運動經(jīng)過同步帶輪以及同步帶帶動脈沖編碼器，使其與主軸同速運轉(zhuǎn)。脈沖編碼器用螺釘固定在主軸箱體上。圖3.1主軸箱結(jié)構(gòu)圖3.2傳動皮帶的設(shè)計和選定 帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。 普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為：當量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預(yù)緊力小。繩芯結(jié)構(gòu)帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應(yīng)用于：帶速V2530m/s;傳動功率P700kW;傳動比i10軸間距小的傳動。主要失效形式： （1）帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力； （2）帶由于疲勞產(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷； （3）帶的工作面磨損。 保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強度和使用壽命是V帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設(shè)計的主要依據(jù)。1、設(shè)計功率的確定：查得工況系數(shù)2、 選定帶型：根據(jù)和確定為B型。3、傳動比：根據(jù)轉(zhuǎn)速圖知,傳動比為4、確定帶輪直徑：參考表取 5、確定電機帶輪直徑： 6、 驗算帶速：因為在之間，所以經(jīng)濟耐用。 7、初定帶輪軸中心距：得： 即： 初取 8、確定帶基準長度： 選取基準長度 9、計算實際軸間距：取標準值 。安裝時所需最小軸間距：張緊或補償伸長所需最大軸間距：10、單根V帶的基本額定功率：根據(jù)和查得B型V帶的基本額定功率。 11、計算帶的根數(shù)：取 根。12、單根V帶的預(yù)緊力：13、作用在軸上的力：14、帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 由資料可查得 帶輪的具體結(jié)構(gòu)參見零件圖3.3主軸的設(shè)計與校核主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑，主軸內(nèi)徑d,主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。1、 前端直徑，主軸后軸頸的直徑由表3.1可取 =110mm因此可知由式子 （3.1）后端直徑 圓整后 主軸孔徑d取主軸平均直徑的55%65%，取d=56mm。表3.1主軸（按電機功率）mm功率（kw）(mm)1.42.523.635.557.37.411車床608070907010595130110145銑床及加工中心5090609060957510090105外圓磨床50605570708075903、前錐孔尺寸前錐孔用來裝頂尖或其它工具錐柄，要求能夠自鎖，目前采用莫氏錐孔。因車床最大回轉(zhuǎn)直徑D=500mm400mm，采用莫氏錐度6號，錐度大端直徑D=63.348mm，錐度=1：19.180，長度L=181mm，d=53.911mm4、支撐跨度及懸伸長度為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短主軸的外伸長度a，選擇適當?shù)闹慰缍萀。一般推薦取：L/a=35.應(yīng)使 L/a盡量大，提高主軸剛度。 機床支撐跨度很大程度上受其他零件結(jié)構(gòu)的影響，此機床L=510mm左右，主軸的外伸長度a=170102mm范圍即可。5、頭部尺寸的選擇目前頭部尺寸廣泛采用短圓錐式的頭部結(jié)構(gòu)，懸伸短，剛度好。采用快速裝卸卡盤結(jié)構(gòu)。詳細結(jié)構(gòu)件零件在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對軸進行受力分析計算如下：（1） 圓周力=3803N 徑向力=N 軸向力 （2）計算支撐反力 垂直面內(nèi)支撐反力，如圖3.2。=488N =919N圖3.2垂直面受力圖 水平面支撐反力，如圖3.3。 圖3.3水平面受力圖（3）畫水平面彎矩圖 Mxy 如圖3.4圖3.3水平彎矩圖 畫垂直面彎矩圖 Mxz 如圖3.5圖3.5垂直彎矩圖 畫合成彎矩圖 如圖3.6圖3.6合成彎矩圖（4）畫軸轉(zhuǎn)矩圖 如圖3.7圖3.7軸轉(zhuǎn)矩圖（5）許用應(yīng)力 用查入法查表=102.5MPa =60MPa 應(yīng)力校正系數(shù)=0.59（6）畫出當量彎矩圖 如圖3.8 當量彎矩 0.59441196N.mm=260305 中間截面處當量彎矩：圖3.8當量彎矩圖（7）校核軸頸中間處軸直徑所以該軸設(shè)計得合理。 3.4主軸支撐的選擇3.4.1軸承的選擇機床主軸常用的滾動軸承有：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，雙列推力向心球軸承，雙列圓錐滾子軸承，帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，帶預(yù)緊彈簧的單列圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。在這次設(shè)計中用到的滾動軸承主要有：1、圓錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈為1：12的錐孔，當內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動時，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。它的內(nèi)外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差是軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度。該軸承只能承受徑向載荷。2、角接觸球軸承這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。角接觸球軸承一般組合使用。背對背組合、面對面組合和同向組合，這三種方式，兩個軸承都共同承擔徑向載荷；背對背、面對面可承受雙向軸向載荷；同向組合只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。軸承要合理配置，對提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡化支承結(jié)構(gòu)有很大的作用。主軸的前后支承均應(yīng)有承受徑向載荷的軸承。3.4.2軸承的預(yù)緊所謂軸承預(yù)緊，就是使軸承滾道預(yù)先承受一定的載荷，不僅能消除減隙，而且還能使?jié)L動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對主軸滾動軸承進行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。機床主軸部件在裝配時要對軸承進行預(yù)緊，使用一段時間后，間隙或過盈有了變化，還得重新調(diào)整，所以要求預(yù)緊結(jié)構(gòu)便于進行調(diào)整。滾動軸承間隙的預(yù)緊與調(diào)整，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對軸向移動來實現(xiàn)的。常用的方法如下：1、軸承內(nèi)圈移動。這種方法適用于圓錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內(nèi)圈在錐形軸頸上作軸向移動，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達到預(yù)緊的目的。2、修磨座圈或隔套。當軸承外圈寬邊相對（背對背）安裝，這時修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)；當軸承外圈窄邊相對（面對面）安裝，這時修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時按相對關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個軸承軸向壓攏，使兩個修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊。3.4.3軸承的潤滑滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。1、脂潤滑滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。2、油氣潤滑如果轉(zhuǎn)速較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。滾動軸承屬于精密零件，因而在使用時要求相應(yīng)地持慎重態(tài)度，既變使用了高性能的軸承，如果使用不當，也不能達到預(yù)期的性能效果。所以，使用軸承應(yīng)注意以下事項： （1） 保持軸承及其周圍環(huán)境的清潔。即使肉眼看不見的微小灰塵進入軸承，也會增加軸承的磨損，振動和噪聲。 （2） 使用安裝時要認真仔細，不允許強力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動體傳遞壓力。 （3） 使用合適、準確的安裝工具，盡量使用專用工具，極力避免使用布類和短纖維之類的東西。 （4） 防止軸承的銹蝕，直接用手拿取軸承時，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質(zhì)礦物油后再進行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。3.5主軸驅(qū)動裝置、工作特性及速度控制數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動力約占整臺車床的動力的70%80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必須有以下性能：(1)寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高；(2)在斷續(xù)負載下，電機的轉(zhuǎn)速波動要??；(3)加減速時間短；(4)過載能力強；(5)噪聲低、震動小、壽命長。隨著微電子技術(shù)、交流調(diào)速理論和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)進入實用階段。目前，交流驅(qū)動的性能已達到直流驅(qū)動的水平。而且，籠型交流變頻電機不限制六電動機那樣有機械換向帶來的麻煩和高速大功率的限制，并且體積小、重量輕、采用全封閉式罩殼、對灰塵和油有較好的防護優(yōu)點。在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。 主傳動采用調(diào)速電動機進行無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動與停止是直接驅(qū)動電動機來實現(xiàn)的。3.6電機的選擇3.6.1交流主軸驅(qū)動裝置及其工作特性大多數(shù)進給交流伺服電動機采用永磁式同步電動機，但主軸交流電動機則多采用鼠籠式感應(yīng)異步電動機，這是因為數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)不必像進給系統(tǒng)那樣，需要如此高的動態(tài)性能和調(diào)速范圍。鼠籠式感應(yīng)電動機其結(jié)構(gòu)簡單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅(qū)動裝置則完全可以滿足數(shù)控機床的主軸的要求。交流主軸電機的性能可由圖3.9所示功率/速度曲線反應(yīng)過來。從圖中曲線可見交流主軸電機的特性曲線與直流電機類似，即在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電機，如圖中所示那樣，當電機速度超過某一定值后，其功率/速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。對于一般主軸電機，這個恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。另外交流主軸電機也有一定的過載能力，一般為額定值的1.2倍1.5倍，過載時間則從幾分鐘到半個小時不等。圖3.9交流主軸電機的特性曲線3.6.2交流主軸電機的調(diào)速交流主軸電機屬于交流感應(yīng)電機，當定子三相繞組通上三相交流電時，將建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其主軸磁通的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，其值為 (3.2)式中，為定子供電電源頻率（Hz）；p為旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)。感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)n為 (3.3)式中，s為轉(zhuǎn)數(shù)差， (3.4)由上面可知調(diào)速方法分為兩類。第一類改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，它可以改變極對數(shù)，由于是正整數(shù)，所以只能得到級差很大的有級調(diào)速，僅適用于不要求平滑調(diào)速的場合；另外是變頻調(diào)節(jié)，采用連續(xù)地調(diào)節(jié)定子電源頻率，來實現(xiàn)連續(xù)地改變電動機的轉(zhuǎn)速，它是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高，是數(shù)控機床中常用的方法。第二類是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速，由于有轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數(shù)控機床調(diào)速。從以上分析中，可知改變電源頻率的調(diào)速是一種最有前途的調(diào)速方案，只要改變就能實現(xiàn)的調(diào)速。但實際調(diào)速中單純改變頻率是不夠的，因為當磁場以速度切割定子繞組，則在每組繞組感應(yīng)電勢為 (3.5)式中，為定子每組繞組等效匝數(shù)；為每極磁通量；為定子相電壓。所以 (3.4)由此可知，保持定子電壓不變，則主磁通的大小將會發(fā)生變化。在調(diào)速過程中，如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則上升，將導(dǎo)致鐵心過飽和而使勵磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這就是恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)頻調(diào)壓控制”。變頻調(diào)速有下面幾種控制方式：（1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（2）恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速（3）恒功率調(diào)速 為了擴大調(diào)速范圍，可以使大于I頻頻率，得到n的