1、立式加工中心主傳動系統-畢業設計 引言裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度數控技術及裝備是發展高新技術產業和尖端工業如信息技術及其產業生物技術及其產業航空航天等國防工業產業的使能技術和最基本的裝備制造技術和裝備是人類生產活動的最基本的生產資料而數控技術則是當今先進制造技術和裝備最核心的技術當今世界各國制造業廣泛采用數控技術以提高制造能力和水平提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力此外世界上各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資不僅采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業而且在高精尖數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策數控機床技術的發展自1

2、953年美國研制出第一臺三坐標方式升降臺數控銑床算起至今已有53年歷史了20世紀90年開始計算機技術及相關的微電子基礎工業的高速發展給數控機床的發展提供了一個良好的平臺使數控機床產業得到了高速的發展我國數控技術研究從1958年起步國產的第一臺數控機床是北京第一機床廠生產的三坐標數控銑床雖然從時間上看只比國外晚了幾年但由于種種原因數控機床技術在我國的發展卻一直落后于國際水平到1980年我國的數控機床產量還不到700臺到90年代我國的數控機床技術發展才得到了一個較大的提速目前與國外先進水平相比仍存在著較大的差距總之大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展提高綜合國力和

3、國家地位的重要途徑1 概述11 加工中心的發展狀況111 加工中心的國內外發展對于高速加工中心國外機床在進給驅動上滾珠絲杠驅動的加工中心快速進給大多在以上最高已達到采用直線電機驅動的加工中心已實用化進給速度可提高到其應用范圍不斷擴大國外高速加工中心主軸轉速一般都在由于某些機床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承預計轉速上限可提高到國外先進的加工中心的刀具交換時間目前普遍已在左右高的已達甚至更快在結構上國外的加工中心都采用了適應于高速加工要求的獨特箱中箱結構或龍門式結構在加工精度上國外臥式加工中心都裝有機床精度溫度補償系統加工精度比較穩定國外加工中心定位精度基本上按德國標準驗收行程以下定位精度可控制在之內

4、此外為適應未來加工精度提高的要求國外不少公司還都開發了坐標鏜精度級的加工中心相對而言國內生產的高速加工中心快速進給大多在左右個別達到而直線電機驅動的加工中心僅試制出樣品還未進入產量化應用范圍不廣國內高速加工中心主軸轉速一般在定位精度控制在之內重復定位精度控制在之內在換刀速度方面國內機床多在無法與國際水平相比雖然國產數控機床在近幾年中取得了可喜的進步但與國外同類產品相比仍存在著不少差距造成國產數控機床的市場占有率逐年下降國產數控機床與國外產品相比差距主要在機床的高速高效和精密上除此之外在機床可靠性上也存在著明顯差距國外機床的平均無故障時間MTBF都在小時以上而國產機床大大低于這個數字國產機床故障

5、率較高是用戶反映最強烈的問題之一112 立式加工中心的研究進展圖11 立式加工中心結構圖1-切削箱 2-X軸伺服電機 3-Z軸伺服電機 4-主軸電機5-主軸箱 6-刀庫 7-數控柜 8-操縱面板9-驅動電柜 10-工作臺 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤滑油箱 16-機械手典型加工中心的機械結構主要有基礎支承件加工中心主軸系統進給傳動系統工作臺交換系統回轉工作臺刀庫及自動換刀裝置以及其他機械功能部件組成圖11所示為立式加工中心結構圖12 課題的目的及內容加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備它的發展代表了一個國家設計制造的水平因此在國內外企業界都受到高度重

6、視畢業設計的基本數據1工作臺尺寸600mm×400mm最大承載600kg2主軸功率 35 5KW主軸轉速 20 - 3000rpm3進給速度XY向 1 - 10000mmminZ向 1 - 5000mmmin4行程XY向Z向600mm×400mm×400mm 5定位精度±0025mm重復精度±001mm6圓盤式刀庫10個刀位換刀時間為6秒13 課題擬解決的關鍵問題各類機床對其主軸組件和進給組件的要求主要是精度問題就是要保證機床在一定的載荷與轉速下組件能帶動工件或刀具精確地穩定地繞其軸心旋轉并長期地保持這一性能主軸組件和進給組件的設計和制造都是圍

7、繞著解決這個基本問題出發的為了達到相應的精度要求通常主軸組件和進給組件應符合以下幾點設計要求旋轉精度旋轉精度是指機床在空載低速旋轉時安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值滿足要求目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度剛度指主軸組件和進給組件在外力的作用下仍能保持一定工作精度的能力剛度不足時不僅影響加工精度和表面質量還容易引起振動惡化傳動件和軸承的工作條件設計時應在其它條件允許的條件下盡量提高剛度值抗振性指主軸組件和進給組件在切削過程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩運轉的能力抗振性直接影響加工表面質量和生產率應盡量提高溫升和熱變形溫升會引起機床部件熱變形使主軸旋轉和進給的相對位置發生變化影響加工

8、精度并且溫度過高會改變軸承等元件的間隙破壞潤滑條件加速磨損耐磨性指長期保持其原始精度的能力主要影響因素是材料熱處理軸承類型和潤滑方式2 方案擬定21 加工中心主軸組件的組成主軸組件是由主軸主軸支承裝在主軸上的傳動件和密封件等組成的主軸的啟動停止和變速等均由數控系統控制并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動是切削加工的功率輸出部件主軸是加工中心的關鍵部件其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響它決定著加工中心的切削性能動態剛度加工精度等主軸內部刀具自動夾緊機構是自動刀具交換裝置的組成部分22 機械系統方案的確定221 主軸傳動機構對于現在的機床主軸傳動機構來說主要分為齒輪傳動和同步帶傳動齒輪傳動是機

9、械傳動中最重要的傳動之一應用普遍類型較多適應性廣其傳遞的功率可達近十萬千瓦圓周速度可達效率可達齒輪傳動大多數為傳動比固定的傳動少數為有級變速傳動但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高價格較貴且不宜用于傳動距離過大的場合同步帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式在嚙合傳動中它的結構最簡單制造最容易最經濟彈性緩沖的能力最強重量輕兩軸可以任意布置噪聲低它的帶由專業廠商生產帶輪自行設計制造它在遠距離多軸傳動時比較經濟同步帶傳動時的線速度可達有時允許達傳動功率可達傳動比可達有時允許達傳動效率可達同步帶傳動的優點是無滑動能保證固定的傳動比預緊力較小軸和軸承上所受的載荷小帶的厚度小單位長度的質量小故允許的線

10、速度較高帶的柔性好故所用帶輪的直徑可以較小其主要缺點是安裝時中心距的要求嚴格由于齒輪傳動需要具備較多的潤滑條件而且為了使主軸能夠達到一定的旋轉精度必須選擇較好的工作環境以防止外界雜物侵入而同步帶傳動則避免了這些狀況并且傳動效率和傳動比等都能符合課題的要求故在本課題的主軸傳動方式中選擇同步帶傳動23加工中心主軸組件總體設計方案的確定綜合22中的方案本課題的總體設計方案現確定如下由于同步帶無滑動能保證固定的傳動比且傳動效率高允許的線速度較高無需安置在很良好的工作環境中所以在主軸傳動方式中選擇同步帶傳動但是需要注意的是同步帶的安裝具有嚴格的要求在主軸的進給運動中采用滾珠絲杠其耐磨性好磨損小低速運行時

11、無爬行無振動能夠很好地確保Z軸的進給精度由于加工中心具備自動換刀功能所以在主軸組件中還應有主軸準停裝置刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構在本課題中主軸準停機構采用磁力傳感器檢測定向其不僅能夠使主軸停止在調整好的位置上而且能夠檢測到主軸的轉速并在加工中心的操控面板上顯示出來方便機床操作者調整轉速在換刀過程中刀具自動夾緊機構也是不可獲缺的一部分它控制著刀桿的松緊使刀具在加工時能緊緊地固定在主軸上在換刀時能輕松地卸載本課題采用了液壓缸運行的方式通過活塞拉桿拉釘等一系列元件的運動來達到刀桿的松緊目的同時為了減少液壓推力對主軸支承的磨損在主軸的內部設置了一段碟形彈簧使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用同時

12、在換刀過程中活塞及拉桿的內部將被加工成中空狀其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度在伺服系統中本課題在進給系統中選用直流伺服電動機而在主運動系統中則選用交流伺服電動機由于交流伺服電動機具有電刷和換向器需要常常維修故不適合于主運動系統中3 主軸組件的主運動部件31 主軸電動機的選用311 主電機功率估算 由畢業設計任務書知主軸功率5kw主電機功率 式中機床主傳動系統傳動效率滾珠軸承傳動效率099同步帶傳動效率098312 主電機選型 利用交流伺服系統可進行精密定位控制可作為CNC機床工業機器人等的執行元件FANUC交流主軸電機S系列從065kW37kW共分13種它的

13、特點是轉速高輸出功率大性能可靠精度好振動小噪音低既適合于高速切削又適合于低速重切削該系列可應用在各種類型的數控機床上根據主電機功率 536kW故本課題選用FANUC交流主軸電機6S型號其主要技術參數如下額定輸出功率最高速度額定輸出轉矩轉子慣量32 主軸321 主軸的結構設計主軸的主要參數是指主軸前軸頸直徑主軸內孔徑主軸懸伸量和主軸支承跨距見圖31圖31 主軸主要參數示意圖 1 主軸軸徑的確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑其對于主軸部件剛度影響較大加大直徑可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移從而提高主軸部件剛度但加大直徑受到軸承值的限制同時造成相配零件尺寸加大制造

14、困難結構龐大和重量增加等因此在滿足剛度要求下應取較小值設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定由現代數控機床結構設計查得由于裝配需要主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的在確定前軸徑后可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系2 主軸內孔直徑的確定主軸內孔直徑與機床類型有關主要用來通過棒料通過拉桿鏜桿或頂出頂尖等確定孔徑的原則是為減輕主軸重量在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下應盡量取大值由經驗得知當時是主軸平均直徑主軸剛度會急劇下降而當時內孔對主軸剛度幾乎無影響可忽略不計所以常取孔徑的極限值為此時剛度削弱小于按照任務書

15、的要求及綜合各軸段直徑的實際大小確定內孔直徑3 主軸端部形狀的選擇機床主軸的軸端一般用于安裝刀具夾持工件或夾具在結構上應能保證定位準確安裝可靠連接牢固裝卸方便并能傳遞足夠的扭矩目前主軸端部的結構形狀都已標準化圖32所示為銑床主軸的軸端形式其尺寸大小按照JB2324-78進行加工選擇主軸序號為50的主軸端部尺寸圖32 銑床主軸的軸端形式4 主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點一般即為前徑向支承中點的距離它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸前支承的軸承配置和密封裝置等有的還與機床其他結構參數有關如工作臺的行程等因此主要由結構設計確定懸伸量值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大

16、的影響因此確定懸伸量的原則是在滿足結構要求的前提下盡可能取小值同時應在設計時采取措施縮減值5 主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離跨距是決定主軸系統動靜剛度的重要影響因素合理確定支承跨距是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一最優跨距是指在切削力作用下主軸前端的柔度值最小時的跨距其推導公式是在靜態力作用下進行的實驗證明動態作用下最優跨距很接近于推得的最優值最優跨距可按下列公式計算 32式中 33 34式中 主軸前端懸伸長單位為 材料的彈性模量單位為 軸慣性矩單位為 前軸承剛度值單位為 后軸承剛度值單位為按上式計算最優跨距計算過程如下 35式中 主軸跨距部分的平均直徑單

17、位為 主軸跨距部分的平均孔頸單位為由式35得 由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量由主軸的結構形式確定主軸前端懸伸長將上述參數值代入公式 33 34 得將值代入公式32得按照結構設計的要求取由于故滿足設計要求322 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的計算時常常將軸上的分布載荷簡化為集中力其作用點取為載荷分布段的中點而作用在軸上的扭矩一般從傳動件輪轂寬度的中點算起 a b c 圖33 軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定另一端游動的支承形式圖示33a為軸承在空間力系的總受力圖它可分解為鉛垂面圖33b和水平面圖33c兩個平面力系由公式31得出切向銑削力徑向負荷切向負荷 軸向負荷圖34 靜不

18、定梁鉛垂面分解圖由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題圖示34為靜不定梁的鉛垂面受力圖為了使其變形與原靜不定梁相同必須滿足變形協調條件即要求利用疊加法得撓度為 36式中 徑向切向負荷分力單位為 徑向切向負荷單位為 材料的彈性模量 軸慣性矩由公式35得將代入公式36則鉛垂面的撓度為得得得將代入公式36則水平面的撓度為得得得 a 機構草圖 b 受力簡圖 c 水平面受力 d 水平面彎矩圖 e 垂直面受力 f 垂直面彎矩圖 g 合成彎矩圖 h 轉矩圖圖35 軸的結構和載荷圖A-B段支承反力水平面垂直面B-C段支承反力水平面垂直面C-D段支承反力水平面垂直面D-E段支承

19、反力水平面垂直面軸的受力簡圖水平面及垂直面受力簡圖見圖35bceA-B段彎矩水平面垂直面合成B-C段彎矩水平面垂直面合成C-D段彎矩水平面垂直面合成D-E段彎矩水平面垂直面合成軸的水平面垂直面及合成彎矩圖見圖35dfg已知小帶輪的輸出功率為同步帶的傳動效率為所以大帶輪的輸出功率為則大帶輪的輸出轉矩為軸的轉矩圖見圖35h323 主軸的強度校核從合成彎矩圖和轉矩圖上得知主軸在截面CD處承受了較大的彎矩并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩因此這兩個截面是危險截面在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算軸的彎扭合成強度條件為 37式中 軸的計算應力 軸的抗彎截面系數 折合系數 軸的許用彎曲應力 軸所受

20、的扭矩單位為 軸所受的彎矩單位為軸的抗彎截面系數為式中 軸頸處直徑單位為 此處為軸孔直徑得根據主軸材料為由工程力學查得許用彎曲應力按扭轉切應力為脈動循環變應力取折合系數將上述參數代入公式37則軸的計算應力為因為所以主軸的強度符合要求324 主軸的剛度校核軸在載荷作用下將產生彎曲或扭轉變形若變形量超過允許的限度就會影響軸上零件的正常工作甚至會喪失機器應有的工作性能對于本課題的主軸應該按軸的彎曲剛度校核軸計算剛度經驗公式為 38式中 軸的計算撓度單位為 軸慣性量單位為 軸所用材料的彈性模量單位為 支承跨度單位為 軸所受圓周力單位為 軸所受徑向力單位為 軸的允許撓度單位為已知由工程力學查得軸的允許撓

21、度為將上述參數代入公式38則軸的計算剛度為由于所以軸能夠滿足剛度要求綜上所述軸的強度剛度均符合校核要求33 主軸組件的支承331 主軸軸承的類型機床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉運動需要傳遞切削扭矩承受切削抗力并保證必要的旋轉精度數控機床主軸支承根據主軸部件的轉速承載能力及回轉精度等要求的不同而采用不同種類的軸承主軸軸承是主軸組件的重要組成部分它的類型結構配置精度安裝調整潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能在數控機床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承滾動軸承摩擦阻力小可以預緊潤滑維護簡單能在一定的轉速范圍和載荷變動范圍下穩定地工作滾動軸承由專業化工廠生產選購維修方便在數控機床上被廣泛

22、采用但與滑動軸承相比滾動軸承的噪聲大滾動體數目有限剛度是變化的抗振性略差并且對轉速有很大的限制數控機床主軸組件在可能條件下盡量使用了滾動軸承特別是大多數立式主軸和主軸裝在套筒內能夠作軸向移動的主軸這時滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油圖36所示為主軸常用的幾種滾動軸承的類型 a 雙列圓柱 b 雙列推力向 c 雙列圓錐滾 d 帶凸緣雙列圓柱 e 帶彈簧的單列圓滾子軸承 心球軸承 子軸承 滾子軸承 錐滾子軸承為了適應主軸高速發展的要求滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質量輕熱膨脹系散小耐高溫所以具有離心小動摩擦力小預緊力穩定彈性變形小剛度高的特點但由于成本較高在數控機床上還未普

23、及使用數控機床主軸支承根據主軸部件的轉速承載能力及回轉精度等要求的不同而采用不同種類的軸承不同類型主軸軸承的優缺點見表31表31 數控機床的主軸軸承及其性能性 能滾動軸承液體靜壓軸承氣體靜壓軸承磁力軸承陶瓷軸承精 度一般或較高在預緊無間隙時較高高精度保持性好一般同滾動軸承剛 度一般或較高預緊后較高取決于所用軸高與節流閥形式有關薄膜反饋或滑閥反饋很高較差因空氣可壓縮與承載力大小有關不及一般滾動軸承比一般滾動軸承差抗振性較差阻尼比好阻尼比好較好同滾動軸承速度性能用于中低速特殊軸承可用于較高速用于各級速度用于超高速用于高速用于中高速熱傳導率低不易發熱摩擦損耗較小小小很小同滾動軸承壽 命疲勞強度限制長

24、長長較長結構尺寸軸向小徑向大軸向大徑向小軸向大徑向小徑向大軸向小徑向大制造難易軸承生產專業化標準化自制工藝要求高需要供油設備自制工藝較液壓系統低需要供氣系統較復雜比滾動軸承難使用維護簡單用油脂潤滑要求供油系統清潔較難要求供氣系統清潔較易較難較難成 本低較高較高高較高機床主軸軸承發展經歷了滾陶氣浮磁浮等階段滾動軸承發展到陶瓷軸承即鋼球改為陶瓷球滾道加TiN或CrNi金屬由于陶瓷球具有高剛度高硬度低密度以及低熱脹和低導熱系數等特點同時所用油脂為一次性終身潤滑大大地提高了滾動軸承的性能所以被廣泛采用目前一般中小規格的數控機床如車床銑床鉆鏜床加工中心磨床等的主軸部件多采用成組高精度滾動軸承重型數控機床

25、采用液體靜壓軸承高精度數控機床如坐標磨床采用氣體靜壓軸承轉速達的主軸則可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承數控機床的轉速高為減少主軸的發熱必須改善軸承的潤滑方式在數控機床上的潤滑一般采用高級油脂封入方式潤滑每加一次油脂可使用年332 主軸軸承的配置根據主軸部件的工作精度剛度溫升和結構的復雜程度合理配置軸承可以提高主傳動系統的精度采用滾動軸承支承有許多不同的配置形式目前數控機床主軸軸承的配置主要有如圖37所示的幾種形式 a b c d 圖37 數控機床主軸軸承的配置形式在圖37a所示的配置中前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60o角接觸球軸承組合承受徑向載荷和軸向載荷后支承采用成對角接觸球軸承該

26、配置可滿足強力切削的要求普遍應用于各類數控機機床在圖37b所示的配置形式中前軸承采用角接觸球軸承由個軸承組成一套背靠背安裝承受徑向載荷和軸向載荷后支承采用雙列短圓柱滾子軸承這種配置適用于高速重載的主軸部件在圖37c所示的配置形式中前后支承均采用成對角接觸球軸承以承受徑向載荷和軸向載荷角接觸球軸承具有較好的高速性能主軸最高轉速可達但這種軸承的承載能力小因而這種配置適用于高速輕載和精密的數控機床主軸在圖37d所示的配置形式中前支撐采用雙列圓錐滾子軸承承受徑向載荷和軸向載荷后支承采用單列圓錐滾子軸承這種配置徑向和軸向的剛度高可承受重載荷尤其能承受較強的動載荷安裝與調整性能好但主軸轉速和精度的提高受到

27、限制因此適用于中等精度低速與重載荷的數控機床主軸15 a b 333 主軸支承方案的確定主軸軸承的不同配置形式對主軸組件剛度損失有巨大的影響從而確定當支承跨距較大時降低支承剛度或適當增大主軸軸頸直徑和內孔直徑是減小主軸組件剛度損失的有效措施并可提高其動態性能本課題采用陶瓷球軸承做主軸支撐即用氮化硅材料 Si3N4 做成陶瓷球來替代滾珠軸承內外套圈仍為GCrl5鋼套圈雖然只是把鋼球變成了氮化硅球但是另一方面溝道的幾何尺寸也作了改進以優化軸承性能這種軸承在減小了離心力的同時也減小了滾珠與該道間的摩擦力從而獲得較低的溫升及較好的高速性能混合陶瓷球軸承最常見的形式是角接觸球軸承它可以在既有徑向也有軸向

28、負荷時有效地高速運轉但是軸向負荷只能從一個方向施加因此這些軸承通常成對安裝并施加預負荷以保證正確的接觸角由于加工中心在加工時不僅需要受到軸向力還會受到一定的徑向力因此在本課題的軸承配置中選用如圖37的方式而本課題的預緊方式采用隔套調整法及雙螺母預緊334 軸承的配合由于主軸軸承在工作時基本上都是內圈旋轉外圈相對固定不動且主軸承受載荷多為定向載荷因此為了提高軸承的剛性防止軸承在工作期間因摩擦發熱而引起內圈膨脹導致內圈與主軸之間產生相對轉動現象 精密機床主軸軸承內圈與主軸之間一般選擇過盈配合另外為了使軸承外圈溝道不只在某一局部受力允許軸承外圈在軸承座內出現蠕動現象 以盡可能地延長軸承的使用壽命同時

29、為防止軸承外圈因熱膨脹引起與軸承座之間的過緊現象 引起軸承預緊增加導致摩擦發熱加劇故軸承外圈與軸承座之間一般選擇間隙配合在本課題中固定端前支承的7217C角接觸球軸承與軸承座的配合采用間隙配合配合目標間隙值取38m為了提高機床的切削剛性該軸承與主軸的配合采用過盈配合 配合目標過盈量取04m而后支承的7215C角接觸球軸承與主軸選用過盈配合 配合目標過盈量取03m與軸承座之間為間隙配合配合目標間隙值取915m335 主軸軸承設計計算1軸承受力分析軸承的受力簡圖參見圖33從圖上可知在AB兩處所用的是同種型號的角接觸球軸承且D處的軸承是成對使用共同承擔支承作用所以校驗CD處7217AC軸承只需取受力

30、最大處即可已知 則軸承7217AC所受徑向合力為軸承7215C所受徑向合力為2 軸承7217AC壽命計算軸承的工作年限為7年一年按300天計算每天兩班工作制按16h計算則軸承預期計算壽命為已知軸承7217AC所受的軸向負荷徑向負荷分界判斷系數由機械設計基礎查得徑向動載荷系數X 041軸向動載荷系數Y 087根據載荷性質為中等沖擊查得載荷系數一般為取則軸承的當量動載荷為 以小時數表示的軸承壽命單位為h為 39式中 失效率可靠度的基本額定壽命 軸承的轉速單位為 基本額定動載荷單位為 當量動載荷單位為 壽命指數對球軸承滾子軸承查表得基本額定動載荷將上述參數代入公式39則以小時數表示的軸承壽命為由于所

31、以能夠滿足要求3 軸承7215C壽命計算軸承的工作年限為7年一年按300天計算每天兩班工作制按16h計算則軸承預期計算壽命為已知軸承7215C所受的軸向負荷徑向負荷由機械設計基礎查得分界判斷系數由機械設計基礎查得徑向動載荷系數X 041軸向動載荷系數Y 087根據載荷性質為中等沖擊由機械設計基礎查得載荷系數一般為取則軸承的當量動載荷為 查機械設計基礎得基本額定動載荷將上述參數代入公式39則以小時數表示的軸承壽命為由于所以能夠滿足要求34同步帶的設計計算 1 設計功率根據工作機為加工中心原動機為交流電動機每天兩班制工作按計由機械設計基礎查得故設計功率為式中 傳遞的功率 載荷修正系數 2 選定帶型

32、和節距根據設計功率小帶輪轉速由機械設計基礎確定帶輪的帶型為H型按照同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得節距 3 小帶輪齒數根據小帶輪轉速同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得小帶輪的最小齒數故取 4 小帶輪節圓直徑式中 小帶輪齒數 節距按照小帶輪齒數同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得其外徑 5 大帶輪齒數式中 小帶輪轉速 大帶輪轉速大帶輪齒數 6 大帶輪節圓直徑式中 節距按大帶輪齒數同步帶帶型為H型由機械設計基礎查得其外徑 7 帶速式中 小帶輪節圓直徑 小帶輪轉速 8 初定軸間距經驗公式 310式中 小帶輪節圓直徑 大帶輪節圓直徑將值代入公式310得故取 9 帶長及其齒數式中 帶長 初定軸間距

33、 小帶輪節圓直徑 大帶輪節圓直徑按帶長同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得應選用帶長代號為的H型同步帶節線長節線長上的齒數 10 實際軸間距實際軸間距 式中 初定軸間距 節線長 帶長 11 小帶輪嚙合齒數式中 小帶輪嚙合齒數 節距 12 基本額定功率按照同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得帶的許用工作拉力帶的單位長度的質量基本額定功率為式中 寬度為的帶的許用工作拉力 寬度為的帶單位長度的質量 13 帶寬按同步帶的帶型為H型由機械設計基礎查得按小帶輪嚙合齒數由機械設計基礎查得嚙合齒數系數帶寬為式中 嚙合齒數系數 同步帶的基準寬度按照帶寬同步帶帶型為H型由機械設計基礎確定選帶寬代號為的H型帶其帶寬

34、 14 作用在軸上的力式中 作用在軸上的力 設計功率 帶速 15 帶輪的結構和尺寸傳動選用的同步帶為小帶輪大帶輪35 鍵的設計計算351 主軸上的鍵對于采用常見的材料和按標準選取尺寸的普通平鍵聯接靜聯接其主要失效形式是工作面被壓潰除非存在嚴重過載否則一般不會出現鍵的剪斷因此通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的則普通平鍵聯接的強度條件為 311式中 傳遞的轉矩單位為 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度此處為鍵的高度單位為 鍵的工作長度單位為圓頭平鍵平頭平鍵這里的為鍵的公稱長度單位為為鍵的寬度單位為 軸的直徑單位為 鍵軸輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力單位已知帶輪作用在

35、軸上的力鍵所處主軸段直徑鍵的寬度鍵的公稱長度鍵的高度鍵所傳遞的轉矩為由于主軸處采用圓頭平鍵故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數代入公式311故聯接工作面擠壓應力為按聯接工作方式為靜聯接且載荷性質具有沖擊性查機械設計基礎設計手冊得鍵聯接的許用應力由于所以能滿足要求352 主電機上的鍵已知主電機額定轉矩電機輸出軸的直徑鍵的寬度鍵的公稱長度鍵的高度鍵聯接的許用應力由于主軸處采用單圓頭普通平鍵故鍵的工作長度為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度為將上述參數代入公式311故聯接工作面擠壓應力為由于所以能滿足要求4 電動機與聯軸器的選擇41電動機的選擇412 進給電動機的選擇寬調速直流伺服電動機的結構特點

36、是勵磁便于調整易于安排補償繞組和換向極電動機的換向性能得到改善成本低可以在較寬的速度范圍內得到恒轉速特性當然寬調速直流伺服電動機體積較大其電刷易磨損壽命受到一定限制日本法納克FANUC公司生產的用于工業機器人CNC機床加工中心MC的L系列適合于在頻繁啟動制動場合應用根據估算得出的電動機功率選用FANUC的6L型電動機其主要性能指標如下輸出功率額定轉矩最大轉矩最高轉速轉子慣量42 聯軸器的設計計算 1 類型選擇為了隔離振動與沖擊選用凸緣聯軸器 2 載荷計算已知進給電動機的額定轉矩為根據工作機的轉矩是變化的且沖擊載荷較大原動機類型為電動機由機械設計基礎查得工作情況系數則計算轉矩為 3 型號選擇選擇

37、聯軸器時聯軸器的許用轉矩要大于計算轉矩許用最大轉速要大于電動機轉速由GB5843-86中查得YL5型凸緣聯軸器的許用轉矩為許用最大轉速為適合于尺寸在之間的軸頸故能夠滿足要求5 結 論本課題的指導思想是在滿足立式加工中心主軸組件的工作要求的前提下盡可能使其性能優越傳動平穩并且使加工中心的整體機構的體積質量盡可能減小從而降低成本 本課題確定了立式加工中心主軸組件的總體設計方案對主軸組件的各組成機構進行了方案論證設計計算以及選型同時通過對加工中心主軸組件的主要部件如主軸軸承絲杠鍵等進行校核較為理想地實現了任務書中對立式加工中心主軸組件的技術指標加工中心主軸組件的運轉過程比較平穩且主軸組件的結構簡單拆

38、裝方便維修容易價格低廉主軸組件的結構主要分為兩個部分即主運動機構和進給運動機構而在主運動機構中按照功能來分可主要分為主軸傳動機構主軸準停機構刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構本課題采用了FANUC6S型交流主軸電動機作為主軸傳動的原動力通過同步帶傳動來實現主軸電機和主軸之間的減速傳動通過對同步帶帶型的選擇確定了同步帶傳動的線速度帶長軸間距等參數并對大小帶輪進行了結構設計為了防止同步帶的掉落在帶輪的兩側按分別安裝了帶輪擋圈在大帶輪上還安裝了動平衡較好的圓盤主軸準停中的發磁體被設置在圓盤上而磁傳感器則安放于距離發磁體23mm處實現了主軸準停功能在刀具自動夾緊機構中為了控制活塞的行程采用了2個型號為LX19-111的行程開關避免了刀具產生夾持過緊或過松的現象為了提高主軸的剛度主軸的支承采用了三支承形式并在前后支承處讓角接觸軸承進行背對背安裝使主軸能夠承受雙向的軸向載荷通過計算校核主軸的剛度和強度滿足設計的要求同時由于采用了混合陶瓷軸承使軸承的運轉速度提高剛性增大熱穩定性更好改