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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 33 頁(yè)
MJ-50數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)
摘要
科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生成率和成本提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。單件、小批量生產(chǎn)占機(jī)械加工的80%左右，一種適合于產(chǎn)品更新?lián)Q代快、品種多、質(zhì)量和生產(chǎn)效率高、成本低的自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用已迫在眉睫。而數(shù)控機(jī)床這一集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)，適應(yīng)了這種要求，滿足了目前生產(chǎn)需求。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置。
因此了解數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)與工作原理是操作、維修、改進(jìn)數(shù)控車床的前提，也是設(shè)計(jì)一款數(shù)控車床的基本。基于此本文介紹了MJ-50數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械加工，數(shù)控車床，主傳動(dòng)系統(tǒng)
MJ-50 of CNC lathe main transmission system
Abstract
Science and technology and the development of social production, the mechanical product performance, quality, producing rate and cost put forward more and more high demand. 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 country's 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 1
1.1數(shù)控車床的現(xiàn)狀及前景 1
1.2 數(shù)控車床的組成與適用范圍 1
1.2.1數(shù)控車床的組成 1
1.2.2數(shù)控車床的特點(diǎn) 3
1.2.3 數(shù)控車床的分類 3
1.3國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展 4
1.3.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢(shì) 4
1.3.2中國(guó)發(fā)展數(shù)控車床存在的主要問題 5
2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明 8
2.1 設(shè)計(jì)思想 8
2.1.1 MJ-50數(shù)控車床的布局 8
2.1.2 MJ-50數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 8
2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn) 9
2.3對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 9
2.4主傳動(dòng)系統(tǒng)的方式 11
2.5主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 12
2.5.1動(dòng)力參數(shù)的確定 12
2.5.2主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定 14
2.5.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 15
3 主軸組件的設(shè)計(jì)與校核 17
3.1 主軸箱的結(jié)構(gòu) 17
3.2傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定 18
3.3主軸的設(shè)計(jì)與校核 20
3.4主軸支撐的選擇 25
3.4.1軸承的選擇 25
3.4.2軸承的預(yù)緊 26
3.4.3軸承的潤(rùn)滑 26
3.5主軸驅(qū)動(dòng)裝置、工作特性及速度控制 27
3.6電機(jī)的選擇 28
3.6.1交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置及其工作特性 28
3.6.2交流主軸電機(jī)的調(diào)速 29
3.7主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變換 30
3.8主軸旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給的同步控制 31
3.9主軸旋轉(zhuǎn)與徑向進(jìn)給的同步控制 31
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
1緒論
1.1數(shù)控車床的現(xiàn)狀及前景
當(dāng)前的世界已進(jìn)入信息時(shí)代，科技進(jìn)步日新月異。生產(chǎn)領(lǐng)域和高科技領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)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(jī)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(jī)床工業(yè)面前的一個(gè)突出問題。
數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對(duì)車床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動(dòng)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(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，是一種柔性的、高性能的自動(dòng)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(jī)電一體化產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。
數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床比，變速功能絕大部分由主軸電機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)，省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有些只有兩極或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無級(jí)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(gè)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(jì)算機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)來完成。比較先進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)、打印和顯示等。簡(jiǎn)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(jī)對(duì)話編程鍵盤和CRT外，還包括紙帶、磁帶和磁盤輸入機(jī)、穿孔機(jī)等。高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)還使用自動(dòng)編程機(jī)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(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令。
4、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置檢測(cè)裝置及輔助控制裝置
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，并于車床的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控車床的進(jìn)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(jìn)給速度、方向和位移。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中，還得使用位置檢測(cè)裝置，間接或直接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位移，與指令位移進(jìn)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
5、機(jī)床的機(jī)械部件
數(shù)控車床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件和床身立柱等支承部件，還有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對(duì)于加工中心車床，還有存放刀具的刀庫(kù)，交換刀具的機(jī)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(jī)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(diǎn)
1、加工對(duì)象改型的適應(yīng)性強(qiáng)
由于在數(shù)控車床上改變加工零件時(shí)，只需要重新編制程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǔn)備周期，而且節(jié)約了大量工藝裝備費(fèi)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(jìn)行精度校正和補(bǔ)償，加工零件按數(shù)控程序自動(dòng)進(jìn)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(jī)加工時(shí)。還有自動(dòng)換刀轉(zhuǎn)速、自動(dòng)換刀和其它輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)與測(cè)量，故使輔助時(shí)間大為減縮。
4、自動(dòng)化程度高
數(shù)控車床對(duì)零件的加工時(shí)按事先編好的程序自動(dòng)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(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，其他的機(jī)床動(dòng)作直至加工完畢，都是自動(dòng)連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度均大為減小，勞動(dòng)條件也得到相應(yīng)的改善。
5、減輕勞動(dòng)輕度，改善勞動(dòng)條件。
由于數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)完成對(duì)零件的加工的，許多動(dòng)作不需要操作者進(jìn)行，因此勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度大為改善。
6、有利于生產(chǎn)管理
采用數(shù)控機(jī)床，有利于向計(jì)算機(jī)控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動(dòng)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(jì)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(jī)床
（2）立式數(shù)控機(jī)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(jī)床
（2）四軸控制的數(shù)控機(jī)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(guó)內(nèi)外數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展
1.3.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢(shì)
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(dòng)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢(shì)，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(dòng)機(jī)主軸單元，就是將高速的主軸電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、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(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了主軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)皮帶和帶輪等傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲問題；可精確實(shí)現(xiàn)主軸的定位和軸傳動(dòng)功能。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤(rùn)滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機(jī)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(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床（特別適合主傳動(dòng)系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)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(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時(shí)間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大車床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工 。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機(jī)床同時(shí)具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動(dòng)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(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)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(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)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(jì)性方向發(fā)展。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，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)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(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間、制造時(shí)間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。
1.3.2我國(guó)發(fā)展數(shù)控車床存在的主要問題
我國(guó)于1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958～1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，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(shí)事求是的科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國(guó)、臺(tái)灣省共11國(guó)(地區(qū))引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)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(jī)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(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國(guó)外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計(jì)及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，但對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動(dòng)化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國(guó)外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處?kù)稄姆轮谱呦蜃孕虚_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(jī)電法”、“機(jī)信法”那樣的指引；嚴(yán)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(guó)今后要加速發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，既要深入總結(jié)過往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，切實(shí)改善存在的問題，又要認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，沿正確的道路前進(jìn)。建議切實(shí)做好以下幾點(diǎn)：
(1)中國(guó)廠多人眾，極需正確的方針、政策對(duì)數(shù)控車床的發(fā)展進(jìn)行有力的指引。應(yīng)學(xué)習(xí)美、德、日經(jīng)驗(yàn)，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(xué)精神、經(jīng)濟(jì)實(shí)效，以切實(shí)提高生產(chǎn)率、勞動(dòng)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(xué)習(xí)日本，首先解決量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，批量生產(chǎn)，占領(lǐng)市場(chǎng)，減少進(jìn)口，擴(kuò)大出口。在步驟措施上，必須使國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)、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(yù)，擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額，遠(yuǎn)期謀求趕超世界先進(jìn)水平，大步走向世界市場(chǎng)。
(2)必須狠抓根本，堅(jiān)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(xué)習(xí)型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓(xùn)在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術(shù)講座、訓(xùn)練班和專題討論會(huì)，甚至聘請(qǐng)外國(guó)專家、顧問等，盡力提高數(shù)控。
2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)說明
2.1 設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)師參照濟(jì)南第一機(jī)床廠的MJ-50型數(shù)控車床來進(jìn)行設(shè)計(jì)：床身和導(dǎo)軌的布局采用水平床身斜滑板；主軸驅(qū)動(dòng)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)無機(jī)調(diào)速，采用V型帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)：進(jìn)給系統(tǒng)也使用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用同步帶機(jī)構(gòu)減速，采用滾珠絲杠副進(jìn)行傳動(dòng)；刀架系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu)；尾座使用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(hù)罩。床身的左上方安裝有主軸箱，主軸有AC交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，免去變速傳動(dòng)裝置，因此使主軸箱的結(jié)構(gòu)變得十分簡(jiǎn)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(jī)床有兩種可配置的尾座，一種是標(biāo)準(zhǔn)尾座，另一種是選擇配置的尾座。
滑板的傾斜導(dǎo)軌上安裝有回轉(zhuǎn)刀架，其刀盤上由10個(gè)工位，最多安裝10把刀具?；迳戏謩e安裝有X軸和Z軸的進(jìn)給傳動(dòng)裝置。
根據(jù)用戶的要求，主軸箱前端上可以安裝對(duì)刀儀，用于機(jī)床的機(jī)內(nèi)對(duì)刀。檢測(cè)刀具時(shí)，對(duì)刀儀的轉(zhuǎn)臂擺出，其上端的接觸式傳感器測(cè)頭對(duì)所有刀具進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)完成后，對(duì)刀儀的轉(zhuǎn)臂擺回到原位，且測(cè)頭被鎖在對(duì)刀儀防護(hù)罩中。
機(jī)床上配置有操作面板，機(jī)床防護(hù)門，可以配置手動(dòng)防護(hù)門，也可以配置氣動(dòng)防護(hù)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(zhǎng)度 650mm
主軸轉(zhuǎn)速范圍 35～3500r/min(連續(xù)無級(jí))
其中恒扭矩范圍 35～437 r/min
其中恒功率范圍 437～3500 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(dòng)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(shí)間 單步 0.8s; 180°;2.2s
尾座套筒行程 130mm
主軸AC伺服電動(dòng)機(jī)連續(xù)/30min 超載 11/15kw
進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī) X軸AC 0.9kw;Z軸AC 1.8kw
機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)x寬x高） 2995mmX1667mmX1796mm
2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)
1、目前數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)已不再采用普通的交流異步電動(dòng)機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)所代替。
2、轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率的切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。
3、變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時(shí)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(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級(jí)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(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)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(dòng)和軸向跳動(dòng)。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(jì)和性能，潤(rùn)滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。
2、靜剛度
主軸組件的靜剛度（簡(jiǎn)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(dòng)軸承的型號(hào)，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(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
3、抗振性
主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)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(yuǎn)大于激動(dòng)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(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
4、升溫和熱變形
主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，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(huì)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(jī)床要進(jìn)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(jī)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(zhǎng)期保持原始精度的能力，即精度保持性。對(duì)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。因此，強(qiáng)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(jī)床的材料通常是45號(hào)或60號(hào)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的方式
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無級(jí)變速傳動(dòng)。分級(jí)變速傳動(dòng)是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無級(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速。數(shù)控車床得主傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用無級(jí)變速。
與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動(dòng)采用交、直主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級(jí)調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種方式：
1、電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用直接驅(qū)動(dòng)可大大簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)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(jī)的性能，因而這種變速傳動(dòng)的應(yīng)用受到一定限制。
2、 采用定比傳動(dòng)
主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)給主軸。 定比傳動(dòng)可采用帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍相同。
目前，交流、直流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2～4，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá)100以上；許多大、中型機(jī)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(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍遠(yuǎn)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(jī)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(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。
4、用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸
上述兩種方式的混合傳動(dòng)，高速時(shí)帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸，低速時(shí)另一個(gè)電機(jī)通過齒輪減速后驅(qū)動(dòng)主軸。
2.5主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定
2.5.1動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率；運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對(duì)象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國(guó)內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。
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(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在437～3500r/min范圍內(nèi)，主軸應(yīng)能傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率11kw，II（實(shí)線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N·m）應(yīng)隨著主軸的轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35～437r/min范圍內(nèi)的各級(jí)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(shí)線）。在這個(gè)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(dòng)機(jī)的超載功率為15kw,超載的最大輸出扭矩為334 N·m。
主傳動(dòng)中個(gè)傳動(dòng)件的尺寸要根據(jù)傳動(dòng)功率來確定。傳動(dòng)功率過大，使傳動(dòng)件尺寸粗大，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)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(dòng)功率。但由于實(shí)際加工過程切削用量變化范圍大、傳動(dòng)件之間的摩擦等不確定因素，用理論計(jì)算方法來確定主傳動(dòng)功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計(jì)方法相互比較來確定。
查機(jī)電一體化手冊(cè)車削功率在8～16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動(dòng)鏈的總效率估算,即。主傳動(dòng)鏈的功率效率=0.7～0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和較短的機(jī)械傳動(dòng)鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計(jì)P在10.26kw～20.51kw.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(cè)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90～250r\min，則可知道PC。
考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動(dòng)件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動(dòng)件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動(dòng)載荷的摩擦損耗等。MJ-50型數(shù)控車床，參照國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的電動(dòng)機(jī)功率，此機(jī)床可以選取功率為11/15kw的AC伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)一級(jí)1：1的帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35～3500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)，因此減少了原齒輪傳動(dòng)對(duì)主軸精度的影響，并且維修方便。
2.5.2主運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(cè)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(jìn)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(chǔ)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(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
由切削原理知主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)；主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒功率運(yùn)動(dòng)。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(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計(jì)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?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動(dòng)機(jī)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(jì)算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，結(jié)合該機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)通過帶輪15把運(yùn)動(dòng)傳給主軸。主軸有前后兩個(gè)支承。前支承由一個(gè)圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對(duì)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(gè)角接觸球軸承一個(gè)大口向外（朝向主軸前端），另一個(gè)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(gè)螺母來調(diào)整。兩個(gè)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(zhǎng)。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(yùn)動(dòng)經(jīng)過同步帶輪以及同步帶帶動(dòng)脈沖編碼器，使其與主軸同速運(yùn)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(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定
帶傳動(dòng)是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動(dòng)和嚙合帶傳動(dòng)。摩擦帶傳動(dòng)是機(jī)床主要傳動(dòng)方式之一，常見的有平帶傳動(dòng)和V帶傳動(dòng)；嚙合傳動(dòng)只有同步帶一種。
普通V帶傳動(dòng)是常見的帶傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對(duì)高度進(jìn)似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點(diǎn)為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動(dòng)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V＜25～30m/s;傳動(dòng)功率P＜700kW;傳動(dòng)比i≤10軸間距小的傳動(dòng)。
主要失效形式：
（1）帶在帶輪上打滑，不能傳遞動(dòng)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(qiáng)度和使用壽命是V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動(dòng)的其它帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)?！?
1、設(shè)計(jì)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(dòng)比：
根據(jù)轉(zhuǎn)速圖知,傳動(dòng)比為
4、確定帶輪直徑：
參考表取
5、確定電機(jī)帶輪直徑：
6、 驗(yàn)算帶速：
因?yàn)樵谥g，所以經(jīng)濟(jì)耐用。
7、初定帶輪軸中心距：
得：
即：
初取
8、確定帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度
9、計(jì)算實(shí)際軸間距：
取標(biāo)準(zhǔn)值 。
安裝時(shí)所需最小軸間距：
張緊或補(bǔ)償伸長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(jī)功率）mm
功率（kw）
(mm)
1.4～2.5
2～3.6
3～5.5
5～7.3
7.4～11
車床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
銑床及加工中心
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
外圓磨床
——
50～60
55～70
70～80
75～90
3、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=500mm>400mm，采用莫氏錐度6號(hào)，錐度大端直徑D=63.348mm，錐度=1：19.180，長(zhǎng)度L=181mm，d=53.911mm
4、支撐跨度及懸伸長(zhǎng)度
為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短主軸的外伸長(zhǎng)度a，選擇適當(dāng)?shù)闹慰缍萀。一般推薦取：L/a=3~5.應(yīng)使 L/a盡量大，提高主軸剛度。
機(jī)床支撐跨度很大程度上受其他零件結(jié)構(gòu)的影響，此機(jī)床L=510mm左右，主軸的外伸長(zhǎng)度a=170~102mm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(xì)結(jié)構(gòu)件零件在水平面內(nèi)與豎直平面內(nèi)對(duì)軸進(jìn)行受力分析計(jì)算如下：
（1） 圓周力
==3803N
徑向力
=N
軸向力
（2）計(jì)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(dāng)量彎矩圖 如圖3.8
當(dāng)量彎矩 0.59441196N.mm=260305
中間截面處當(dāng)量彎矩：
圖3.8當(dāng)量彎矩圖
（7）校核軸頸
中間處軸直徑
所以該軸設(shè)計(jì)得合理。
3.4主軸支撐的選擇
3.4.1軸承的選擇
機(jī)床主軸常用的滾動(dòng)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(jì)中用到的滾動(dòng)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(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動(dòng)時(shí)，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(cuò)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(duì)背組合、面對(duì)面組合和同向組合，這三種方式，兩個(gè)軸承都共同承擔(dān)徑向載荷；背對(duì)背、面對(duì)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(duì)提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對(duì)主軸滾動(dòng)軸承進(jìn)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(jī)床主軸部件在裝配時(shí)要對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊，使用一段時(shí)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(jìn)行調(diào)整。滾動(dòng)軸承間隙的預(yù)緊與調(diào)整，通常是使軸承內(nèi)、外圈相對(duì)軸向移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。常用的方法如下：
1、軸承內(nèi)圈移動(dòng)。
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(dòng)內(nèi)圈在錐形軸頸上作軸向移動(dòng)，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。
2、修磨座圈或隔套。
當(dāng)軸承外圈寬邊相對(duì)（背對(duì)背）安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)；當(dāng)軸承外圈窄邊相對(duì)（面對(duì)面）安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按相對(duì)關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個(gè)軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊。另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對(duì)壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊。
3.4.3軸承的潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)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(gè)點(diǎn)的接觸；潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)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(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。
1、脂潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)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(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。
2、油氣潤(rùn)滑
如果轉(zhuǎn)速較大時(shí)，還需對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤(rùn)滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻。油霧潤(rùn)滑能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤(rùn)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(rùn)滑，空氣用于冷卻。
滾動(dòng)軸承屬于精密零件，因而在使用時(shí)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(dāng)，也不能達(dá)到預(yù)期的性能效果。所以，使用軸承應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
（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(jìn)入軸承，也會(huì)增加軸承的磨損，振動(dòng)和噪聲。
（2） 使用安裝時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)，不允許強(qiáng)力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動(dòng)體傳遞壓力。
（3） 使用合適、準(zhǔn)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(shí)，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質(zhì)礦物油后再進(jìn)行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。
3.5主軸驅(qū)動(dòng)裝置、工作特性及速度控制
數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一身的自動(dòng)化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控車床的一個(gè)重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)車床的動(dòng)力的70%～80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換檔和無級(jí)調(diào)速。
為滿足數(shù)控車床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)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(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要?。?3)加減速時(shí)間短；(4)過載能力強(qiáng)；(5)噪聲低、震動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。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(jìn)入實(shí)用階段。目前，交流驅(qū)動(dòng)的性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)的水平。而且，籠型交流變頻電機(jī)不限制六電動(dòng)機(jī)那樣有機(jī)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(duì)灰塵和油有較好的防護(hù)優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)機(jī)。
主傳動(dòng)采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無級(jí)變速，主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)與停止是直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。
3.6電機(jī)的選擇
3.6.1交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置及其工作特性
大多數(shù)進(jìn)給交流伺服電動(dòng)機(jī)采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)，但主軸交流電動(dòng)機(jī)則多采用鼠籠式感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不必像進(jìn)給系統(tǒng)那樣，需要如此高的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速范圍。鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置則完全可以滿足數(shù)控機(jī)床的主軸的要求。
交流主軸電機(jī)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(jī)的特性曲線與直流電機(jī)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(jī)，如圖中所示那樣，當(dāng)電機(jī)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(duì)于一般主軸電機(jī)，這個(gè)恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。另外交流主軸電機(jī)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(shí)間則從幾分鐘到半個(gè)小時(shí)不等。
圖3.9交流主軸電機(jī)的特性曲線
3.6.2交流主軸電機(jī)的調(diào)速
交流主軸電機(jī)屬于交流感應(yīng)電機(jī)，當(dāng)定子三相繞組通上三相交流電時(shí)，將建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(chǎng)極對(duì)數(shù)。
感應(yīng)電機(jī)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(duì)數(shù)，由于是正整數(shù)，所以只能得到級(jí)差很大的有級(jí)調(diào)速，僅適用于不要求平滑調(diào)速的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的調(diào)速。但實(shí)際調(diào)速中單純改變頻率是不夠的，因?yàn)楫?dāng)磁場(chǎng)以速度切割定子繞組，則在每組繞組感應(yīng)電勢(shì)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(huì)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(lì)磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時(shí)，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(kuò)大調(diào)速范圍，可以使大于I頻頻率，得到n﹥的