机械系统设计4章

1,第4章执行系统设计,本章要点,执行系统的组成,执行系统的功能,执行系统的分类,执行轴设计,执行系统的设计,导轨设计,前期内容回顾,机械系统组成及功能,机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操纵和控制系统、支承系统及润滑-冷却及密封系统等子系统组成。,执行系统的功用是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状、位置或进行检测等。由于每个系统要完成的功能各不相同，所以，对其执行系统的运动、工作载荷等技术要求也各不相同，进而执行系统也是多种多样的。但它的组成不外乎由执行末端件和执行机构组件这两大类零、部件来构成。,第4章执行系统设计,4.1执行系统的组成、功能及分类,喷涂机器人工作录像,第4章执行系统设计,执行系统由执行末端件（执行构件）和与之相连的执行机构组成。（组成）,执行末端件是执行系统中直接完成工作任务的零部件。,执行机构的主要作用是给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。,4.1执行系统的组成、功能及分类,一、执行系统的组成,手爪平行开闭式机械手结构示意图,第4章执行系统设计,执行机构：1、8滑动齿条9滑动齿条导轨10压缩弹簧,传动机构：4双面齿条2、3齿轮,动力装置：5气缸6活塞,组成及运动关系,执行末端件：11可换夹爪,一、执行系统的组成,第4章执行系统设计,卧式车床主轴组件,卧式车床的主轴通过顶尖或夹盘(图中未画出)带动被加工的工件旋转时，顶尖或夹盘就是执行末端件，而主轴组件则为执行机构。,执行末端件的作用是：夹持、转动,执行末端件的两种形式：,第4章执行系统设计,1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；(如夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等)2）在工作对象上完成一定的动作。(如喷徐、洗刷、锻压等),第4章执行系统设计,执行末端件的两种形式：,1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；(如夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等),第4章执行系统设计,搬运,执行末端件的两种形式：,1）与工作对象直接接触并携带它完成一定的动作；(如夹持、搬运、输送、转动（分度与转位）等),回转轴,齿条移动,第4章执行系统设计,输送是指将工件按给定的路线，从一个位置运送到下个位置。,按输送路线,直线输送,环形输送,空间输送,按输送方式,连续输送,间歇输送,输送,间歇输送,第4章执行系统设计,输送是指将工件按给定的路线，从一个位置运送到下个位置。,按输送路线,直线输送,环形输送,空间输送,按输送方式,连续输送,间歇输送,输送,间歇输送,执行末端件的两种形式：,第4章执行系统设计,2）在工作对象上完成一定的动作。(如喷徐、洗刷、锻压等),汽车保险杠喷涂,汽车车桥喷涂,第4章执行系统设计,以上例中的执行系统有的是由纯机械结构组成的。随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断发生变化：一方面由于机械的含义在不断地扩展，如电子、电器、光学、液体、气体等也可以直接与纯机械结构结合，组成较先进的机电、机光、机液等执行机构；另一方面又由于传动系统变得越来越简单，有时一个机构可以既是传动系统又是执行系统，如连杆机构的应用，所以，执行系统可以由一个简单的结构来组成，也可以由一些基本结构组合成的复杂机构来组成。这主要视系统的功能来决定。,一般说来，能完成同一功能的执行系统可以有不同的方案，但应选出既能满足功能要求，又简单、可靠的一个方案。,执行系统实例,第4章执行系统设计,真空吸盘，将钢板吸取,真空吸盘，吸瓷砖、码垛,执行系统实例,第4章执行系统设计,提升、翻转、码垛,冲压,KUKA码垛机器人,执行系统实例,第4章执行系统设计,码垛机器人,第4章执行系统设计,机器人灵巧手,灵巧手有4个相同结构的手指，共13个自由度，机械零件600多个，电子元器件1600多个，重量只有16千克。每个手指有4个关节，由3个电机驱动，每个手指能提起l千克的重物。共有94个传感器，能够感觉各个手指的位置、姿态。,二、执行系统的功能,执行系统一般可实现下列各种功能:,1实现运动形式或运动规律变换的功能,2实现开关、联锁和检测等的功能,3实现程序控制的功能,4实现施力功能,第4章执行系统设计,1实现运动形式或运动规律变换的功能,二、执行系统的功能,(1)实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能；,问题：如何实现末点任意轨迹的运动,实现末点任意轨迹的运动,第4章执行系统设计,1实现运动形式或运动规律变换的功能,二、执行系统的功能,第4章执行系统设计,(1)实现预期固定轨迹或简单可调的轨迹功能；,下面以牛头刨床加工零件的运动过程为例介绍：1)匀速非匀速运动变换、2)连续间歇运动的变换,执行系统典型实例牛头刨床加工零件,第4章执行系统设计,牛头刨加工零件有两个执行末端件：刀具和工作台,牛头刨床,刨刀的运动实现匀速运动与非匀速运动的变换,执行系统典型实例,第4章执行系统设计,工作台进给实现连续与间歇式运动的变换,曲柄摇杆ABCD机构实现刀具的慢进和快退AB的长度调节行程M1,M3调节刀具与工件的相对位置（XY向）M2调节工作台的高度曲柄摇杆FGHI驱动棘轮J带动螺杆K实现每循环进给量,第4章执行系统设计,牛头刨床演示动画,切削运动慢进,不切削快退,2实现开关、联锁和检测等的功能,二、执行系统的功能,第4章执行系统设计,(1)用来实现运动的离合或开停；(2)用来换向、超越或反向止动；(3)用来实现联锁、过载保护、安全制动；(4)实现锁止、定位、夹压等；(5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。,3实现程序控制的功能,1-凸轮轴2-支架3-微动开关4-压杆5-进给滑道6-检测探头7-工件(垫圈)8-止动臂,自动检测垫圈内径装置,第4章执行系统设计,包含的运动,上料运动(垫圈进入进给滑道、向前运动(间歇运动),2)到达检测工位后停止,3)凸轮轴的转动,4)止动臂的摆动(间歇运动),5)压杆的上下运动(间歇运动),a)内径尺寸合格b)内径尺寸太小c)内径尺寸太大,问题：如何确定不合格品是大是小？,自动检测垫圈内径装置检测原理,7工件；4带探头的压杆；1微动开关,第4章执行系统设计,自动检测螺钉长度装置,第4章执行系统设计,如何区分螺钉长度？1）长于标准值2）等于标准值3）小于标准值,第4章执行系统设计,4实现施力功能-对工作对象施加力或力矩达到完成生产任务的目的,二、执行系统的功能,液压机,1下砧；2上砧；3活动横梁,三、执行系统的分类及特点,执行系统分类：,第4章执行系统设计,按执行系统对运动和动力的不同要求可分为：动作型、动力型、动作动力型。,按执行系统中执行机构的相互联系情况分：单一型、相互独立型、相互联系型,第4章执行系统设计,三、执行系统的分类及特点,4.2执行系统设计,执行系统设计特点：,第4章执行系统设计,2）执行系统的一端与被执行(加工)对象接触，另一端与传动系统连接。,在设计执行系统时，不但要明确本系统中各零、部件的相互作用及设计要求，同时，还要了解与其他系统的联系、协调和分工，进而使总系统处在最佳状态下工作。,1）执行系统是总系统中的一个子系统,执行系统设计特点：,执行系统特点（两个特点）：,执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：,2）足够的使用寿命和强度、刚度要求,第4章执行系统设计,1）保证设计时提出的功能目标,使用寿命与组成此系统的零、部件的寿命有关；,第4章执行系统设计,对于动力型执行系统中的每一个零、部件如果强度不够会导致零、部件损坏，造成工作中断，甚至人身事故；,刚度不足所产生的过大弹性变形会影响系统精度或使总系统不能正常工作。,足够的使用寿命和强度、刚度要求的含义：,3）各执行机构应结构合理、配合协调,第4章执行系统设计,2）足够的使用寿命和强度、刚度要求,1）保证设计时提出的功能目标,执行系统设计的基本要求（三项基本要求）：,通过分析，执行末端件的运动无外乎是回转运动、直线运动或者两种运动的合成。,第4章执行系统设计,执行系统运动特点,回转运动：圆导轨、轴承、齿轮等；电动机、液压马达等,直线运动：直线导轨、液压缸、电动推杆、电液推杆直线电机/旋转电机经转换机构变直线运动,电动推杆,电液推杆,一、执行轴机构的设计,第4章执行系统设计,执行轴一般用于产生回转运动来完成执行任务。,如机床中执行轴带动工件或刀具，可完成工件表面的成形加工运动,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,一、执行轴机构的设计,第4章执行系统设计,执行轴机构一般主要由执行轴、安装在其上的传动件(齿轮、皮带轮等)、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件(螺母)等组成。,1执行轴的组成,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,CA6140车床主轴,第4章执行系统设计,执行轴的组成举例卧式车床CA6140主轴组件,主轴结构形式（有利于工件装夹的设计）：1）中空阶梯轴（可通过棒料、拆卸顶尖）2）前端锥孔为莫氏6号锥度，可安装顶尖3）前端外圆为短圆锥法兰式结构，可安装卡盘,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,第4章执行系统设计,1-螺钉；2-环形锁紧盘；3-主轴的前端；4-拨盘或卡盘；5-螺母；6-双头螺栓,CA6140车床主轴前端结构,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,执行轴的组成举例卧式车床CA6140主轴组件,保证轴系精度和刚度的措施,第4章执行系统设计,主轴采用两支承结构前支承是P5级精度的NN3021K型双列短圆柱滚子轴承，用于承受径向力。后支承采用一个P5级精度的向心球轴承和一个P5级精度的推力球轴承组成，分别承受径向力和轴向力。,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,第4章执行系统设计,选用轴承的特点：,NN3021K型双列短圆柱滚子轴承，具有刚性好、精度高、承载能力大等优点；轴承的内环很薄，而且与主轴的配合面有112的锥度，因此当内环与主轴有相对位移时，内环产生径向弹性膨胀，从而调整了轴承径向间隙达到了预紧的目的。,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,1:12锥度,第4章执行系统设计,轴承的预紧,轴承的润滑和密封,1）主轴前后支承的润滑都是由油泵供油，润滑油通过进油孔对轴承进行充分的润滑，并带走主轴旋转所产生的热量。2）主轴前后两端采用了油沟式密封，油沟为轴套(螺母)外表面上锯齿形截面的环形槽。主轴旋转时，由于离心力使油液沿着斜面被甩回，经回油孔流回箱底，最后流回到床腿内的油池中。,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,第4章执行系统设计,执行轴的组成举例M1432A型万能外圆磨床砂轮架主轴组件,特点:1高回转精度;2高刚度;3抗振性;4耐磨性,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,第4章执行系统设计,高回转精度和刚度保证措施短三瓦式滑动轴承,砂轮架主轴的径向支承是“短三瓦”式滑动轴承。每一滑动轴承由三块扇形轴瓦组成。每块轴瓦1都支承在球面支承螺钉的球面上。调节球面支承螺钉10即可调整轴承的间隙。螺钉11是锁紧螺钉。短三瓦轴承是液体动压滑动轴承。,执行轴的组成举例M1432A型万能外圆磨床砂轮架主轴组件,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,1）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）2）执行轴的静刚度（静态刚度和动态刚度）3）执行轴的抗振性（承受交变载荷时能平稳工作而不发生振动）4）温升和热变形5）执行轴的耐磨性(精度保持性，轴承磨损后的自补偿),第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,1）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,执行轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，执行轴安装工件或刀具部位相对于理想旋转中心线的旋转误差:径向跳动、轴向串动、角度摆动,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,1）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,径向跳动,轴向串动,径向跳动、轴向串动如何测量？,轴类零件可以用V形块、千分表测跳动,1）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,角度摆动,角度摆动测量方法,角度摆动又称倾角回转误差、回转精度,平面度检查仪是根据光学自准直原理设计的，它可以精确地测量机床或仪器导轨的直线度误差，也可以测量平板等的平面度误差，利用光学直角器和带磁性座的反射镜等附件，还可以测量垂直导轨的直线度误差，以及垂直导轨和水平导轨之间的垂直度误差，与多面体联用可以测量圆分度误差。,平面度测量,铸铁平台,铸铁平台按用途可以分为以下几类：检验铸铁平台、焊接铸铁平台,划线铸铁平台,装配铸铁平台,测量铸铁平台,装配铸铁平台、实验铸铁平台、研磨铸铁平台等。其中检验铸铁平台对精度要求较高，铆焊铸铁平台对精度要求最低，试验铸铁平台一般是拼接使用，如果震动大的情况下还要和地面浇注在一起；研磨铸铁平台选用球铁材质，其精度和光洁度是铸铁平台中要求最高的。,铸铁平台,铆焊平台,检验平台,划线平台,装配平台,研磨平台,大理石平台又称为：花岗石平板、花岗岩平板、岩石平板、大理石平台、花岗石平台、花岗岩平台、岩石平台、花岗岩石平板、花岗岩石平台。花岗石主要矿物成分为辉石，斜长石，少量橄榄石，黑云母以及微量磁铁矿，黑色光泽，结构精密，经过亿万年的老化，质地均匀，稳定性好、强度大、硬度高，能在重负荷下保持高精度。适用于精度要求高的生产项目.比重：2970-3070kg/m3，抗压强度：245-254N/mm2,大理石平台,大理石平台,1）旋转精度（径向跳动、轴向串动、角度摆动）,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,与旋转精度有关的因素：主要取决于主要件如轴承、轴、壳体孔等的制造、装配和调整精度。,执行轴的旋转误差,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,径向跳动,轴向串动,角度摆动,2）静刚度,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,静刚度简称刚度，指机械系统或零、部件抵抗静态外载荷引起变形的能力,弯曲刚度：为使主轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力,扭转刚度：发生单位扭转角所需要的扭矩,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,弯曲刚度,2）静刚度,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,影响执行轴弯曲刚度的因素轴的尺寸、形状、材料(轴本身刚度)轴承型号、数量、预紧、配置形式、前后支承的距离（支承刚度）执行轴前端悬伸量传动件的布置方式（外力）执行轴组件的制造和装配质量,通常主轴本身的弯曲变形约占50%70%，轴承及其他变形约占30%50%,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,轴本身,轴承支承刚度,悬伸量,外载荷,2）静刚度,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,执行轴静刚度不足的危害：对于机床等加工设备而言，主轴静刚度的不足对加工精度和机床性能有直接的影响，并会影响主轴部件中的齿轮、轴承的正常工作，降低工作性能和寿命，影响机床抗振性，容易引起切削颤振，降低加工质量,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,静刚度常用计算方法：有限元法,3）执行轴的抗振性主轴组件的抗振性是指机床抵抗振动(包括受迫振动和自激振动)的能力。振动会造成工件表面质量和刀具耐用度降低，机床的生产率下降，加剧机床零件的损坏，恶化工作环境等不良后果。,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,4）温升和热变形主轴组件的热稳定性是指运转中抵抗热位移而保持准确、稳定运转的能力。,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,主轴组件在运转中由于摩擦和搅油产生热量,产生温升,温升过高,主轴组件和箱体等会产生热变形,主轴产生较大且变化的径向和轴向热位移,影响加工精度使轴承间隙变化，恶化工作条件等,4）温升和热变形,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计的基本要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,其中轴承温升的影响最大，需加以控制。通常在室湿20条件下:普通精度小型机床主轴轴承外圈或轴瓦允许温度为4550普通精度大型机床为5055精密机床为3540高精度机床为2830。,主轴组件的热稳定性主要取决于,轴承类型及配置,轴承间隙量,润滑和密封方式,散热条件,高速回转轴不能采用大预紧力轴承,5）耐磨性（精度保持性）主轴组件的耐磨性是指抵抗磨损能长期保持其原始制造精度的能力,第4章执行系统设计,2执行轴机构的设计要求,（一）、执行轴机构的组成及基本要求,耐磨性不高会引起主轴组件的精度保持性不好。为此，要求主轴轴承、安装刀具或工件的定位面、主轴轴颈及各滑动表面均应有较高的耐磨性。,主轴组件的耐磨性主要取决于,主轴的材料及热处理,轴承的材料及热处理,轴承类型,润滑及密封条件,主轴的结构形状比较复杂，应满足使用要求，结构要求及加工、装配工艺性要求等。,第4章执行系统设计,1执行轴（主轴）的尺寸及结构设计,（二）、执行轴（主轴）,安装方式应保证：刀具或夹具的定心准确、连接可靠、装卸方便、悬伸量短以及能够传递足够的转矩等。,轴承端部形式,主轴端部是安装刀具、夹具的部位，其结构形状取决于机床类型。,通用机床的主轴端部结构已标准化，设计时可查相应的机床标准。有些机床如卧式车床、转塔车床、自动车床、铣床等主轴必须是空心的，用来通过棒料、拉杆以及取出顶尖等。,主轴的结构形状比较复杂，应满足使用要求，结构要求及加工、装配工艺性要求等。,第4章执行系统设计,1执行轴（主轴）的尺寸及结构设计,（二）、执行轴（主轴）,对于主轴上得要安装气动、电动或液压式工件自动夹紧装置的机床，如卧式车床，主轴尾部应有安装基面及相应连接部位。主轴上要安装各种传动件、轴承、紧固件及密封件等，其结构形状应考虑这些零件的类型、数量、安装定位及紧固方式的要求。为了便于装配，主轴一般为阶梯形，从前轴颈向后端或从中间向两端轴径逐渐减小。还应注意加工方便性，尽量减少复杂加工。,材料和热处理工艺的选择依据：载荷特点、刚度要求耐磨性要求材料的热处理方法和热处理后的变形情况,第4章执行系统设计,2执行轴（主轴）的材料和热处理,（二）、执行轴（主轴）,一般主轴多采用45号或60号优质中碳钢，调质到HRC2832左右。在安装工件或刀具的定心表面以及滑动轴承轴颈处局部高频淬硬至HRC5055。对于高精度机床主轴，可选用40Cr或低碳合金钢20Cr，16MnCr5、12CrNi2A等渗碳淬硬至HRC60.对于以滑动轴承为支承的高精度机床主轴，可采用38CrMoAl渗氮处理，表面硬度可达11001200HV（6972HRC）,主轴的技术要求主要应满足主轴精度及其他性能的设计要求，同时应考虑制造的可能性和经济性，便于检测等。为此应尽量做到检验、设计、工艺基准的一致性。,第4章执行系统设计,3执行轴（主轴）的技术要求,（二）、执行轴（主轴）,图示为一主轴的形位公差标注示意图，图中轴颈A和B是主支承轴颈，其公共轴心线AB即为设计基准。轴颈A和B的公共轴心线又是前锥孔的工艺基准及各重要表面的检验基准。,如何进一步提高主轴端部内锥孔、外锥面、法兰面的与轴承基准面的形位公差？,主轴组件的布局主要包括两方面：（1）主轴支承的配置形式（2）主轴传动件的布置,第4章执行系统设计,1主轴组件的布局,（三）、执行轴组件（主轴组件）,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,主轴的支承形式主要有两支承（前后两个轴承支承）主轴组件和三支承（前中后三个轴承支承）主轴组件。,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,主轴的支承形式主要有两支承（前后两个轴承支承）主轴组件和三支承（前中厚三个轴承支承）主轴组件。,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,数控车床主轴,加工中心车床主轴,车床电主轴,电主轴,第4章执行系统设计,高速数控机床(CNC)是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。,电主轴,第4章执行系统设计,机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,MotorSpindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（HighFrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（DirectDriveSpindle)。,电主轴,第4章执行系统设计,电主轴的优点电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。,电主轴,第4章执行系统设计,电主轴所融合的技术：高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；,电主轴,第4章执行系统设计,润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。,电主轴,第4章执行系统设计,内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,确定主轴支承的配置形式的一般原则：1）适应刚度和承载能力的要求2）适应转速要求3）适应精度的要求,（1）主轴支承的配置形式,第4章执行系统设计,确定主轴支承的配置形式的一般原则：1）适应刚度和承载能力的要求2）适应转速要求3）适应精度的要求,限制轴承发热保持轴承精度提高轴承寿命,合适的转速：,轴承精度轴承的尺寸轴承滚动体与滚道的接触形式（点接触、线接触）轴承的载荷,与转速有关的因素,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,发热变形前支承发热大、温升高，但主轴受热变形向后伸长,不影响主轴前端的轴向精度,承载变形主轴受轴向载荷部分较短，变形小、精度高,间隙调整由于前支承结构限制，间隙调整较为不便,主轴前端悬伸量推力轴承在前支承两侧的较长，均在同一侧的可短,前后支承结构的复杂性前支承复杂，后支承简单,应用范围对于轴向精度要求高的精密机床，如车,铣,镗床等,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,CNC车床主轴,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,发热变形前支承发热小、温升低，但主轴受热变形向前端伸长,影响主轴前端的轴向精度,承载变形主轴受轴向载荷部分较长，对细长轴容易引起弯曲变形，精度较差,间隙调整在后支承处调整间隙较方便,主轴前端悬伸量较短,前后支承结构的复杂性前支承简单，后支承复杂,应用范围普通精度机床,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,C7620型多刀车床的主轴组件,CA6140型车床的主轴组件,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,发热变形在支承跨距较大时，主轴受热膨胀后有纵向弯曲，影响轴向间隙和精度,承载变形受轴向载荷较均匀，与热变形方向相反时较好，在间隙变化时承载能力降低,间隙调整在后支承处调整间隙，较方便,主轴前端悬伸量推力轴承在前支承外侧时较长,前后支承结构的复杂性：较简单,应用范围用于较短主轴、轴向间隙不影响正常工作的机床（如钻床）；有自动补偿轴向间隙的机床,第4章执行系统设计,前端定位后端定位两端定位,主轴的轴向位置精度,承受轴向力的推力轴承的配置方式,高速内圆磨电主轴,配置Timken轴承的卧式车床主袖组件,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,两支承,三支承,提高大跨距主轴刚度的措施,机床主轴通常采用两支承，结构简单，制造、装配方便，容易保证精度，可满足使用要求。但一些大型、重型机床多采用三支承结构，其刚度和抗振性较高。但对三个支承座孔同心度要求高。增加了制造、装配的困难和结构的复杂程度。,第4章执行系统设计,（1）主轴支承的配置形式,设计三支承主轴组件时注意事项：为保证其刚度和旋转精度，需将其中两个支承预紧，称为紧支承或主要支承；另一个支承必须具有较大的间隙，称为松支承或辅助支承。对于一般精度机床，应选前、中支承为主要支承；后支承为辅助支承，主要起平稳定心作用。对于精密机床，应采用前、后支承为主要支承；中间支承为辅助支承，主要起增加阻尼作用。,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,传动方式,传动件的布置,传动件布置,齿轮传动,带传动,直齿轮传动,斜齿轮传动,齿轮传动：可传递大转矩，但线速度不高，一般V1215m/s,且传动不够平稳。采用斜齿轮可解决传动平稳性的问题，但螺旋倾角不宜超过1520，否则轴向分力过大。,带传动：主轴转速较高，且要求传动平稳时可采用带传动（平带、V带、同步带等）。需考虑带的更换、张紧、防油液侵蚀,涡轮,电机直驱动,1）传动方式,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,齿轮传动：可安装在前后支承之间或后支承的悬伸处。当安装在前后支承之间时应将尺寸较大的齿轮安装在靠近前支撑处以减小主轴弯曲变形。,带传动：主传动带轮一般安装在主轴的后悬伸处，以方便带的防护、更换、张紧。,传动力方向对主轴变形及支承受力的影响,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,a)主轴不受传动力,传动件3(齿轮或带轮)不直接安装在主轴1上，而是装在固定于箱体上的独立支承2上，通过键连接或离合器传动主轴。传动力通过独立支撑传给箱体，而不作用在主轴上，因此减少了主轴的弯曲变形。这种布置方式只传递转矩而卸掉了对主轴的径向力，使主轴只承受切削力而不受传动力，在高精度精密机床、数控机床上应用较广泛。,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,b)主轴后端受传动力,此种布置多用于外圆磨床、内圆磨床砂轮主轴，带轮装在主轴的外伸尾端上，便于防护和更换，使之承受传动力Q。传动力Q在主轴前端引起的位移是由主轴本身变形和前支撑变形所引起的位移叠加，二者方向相反，故位移量小，因此主轴前端位移量主要是由切削力F决定。如果Q与F同向时(如图示)，则前支撑的支反力较小，RAF(1+aL)QbL，有利于改善前轴承的工作条件及减小主轴组件的振动。,传动力方向影响主轴前端位移和前支承的支反力！,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,c)主轴前端受传动力,传动件布置在主轴悬伸端，使F和Q方向相反，可使主轴前端位移量相互抵消一部分，减少了主轴前端位移量，同时前支承支反力也减小。主轴的受扭段变短，提高了主轴刚度，改善了轴承工作条件。但这种布置会引起主轴前端悬伸量增加，影响主轴组件的刚度及抗振性，只适于大型、重型机床。,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,d)主轴两支承间受传动力,主轴传动件常见的布置方式。为减小主轴的弯曲和扭转变形，传动齿轮应尽量布置在靠近前支承处；当主轴上有两个传动齿轮时，由于大齿轮用于低速传动，作用力较大，应将大齿轮布置在靠近前支承处,齿轮布置位置,第4章执行系统设计,（2）传动件的布置,传动力方向设置,d)主轴两支承间受传动力,在影响加工精度敏感方向上的传动力Qy，与切削力F方向相反时，主轴前端的位移量增大，但前支承反力减小，这适于普通精度机床。因这类机床的加工精度要求不高，而主轴受力较大，需减少前支承的支反力，使轴承降低发热和提高寿命，并可提高主轴组件的抗振性。,Qy与F同向时，主轴前端的位移量减少，但前支承反力增大，这适于精密机床。因这类机床主要用于精加工，主轴受力较小，因而支反力RAy并不大，考虑精度是主要的。,第4章执行系统设计,2主轴轴承和主轴滚动轴承的选择,（1）轴承的选择,滚动轴承的主要优点：适应转速和载荷变动的范围大；能在零间隙或负间隙(一定的过盈量)条件下稳定运转，具有较高的旋转精度和刚度；轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦系数小等。,主轴支承,主轴轴承,支承座,其他相关零件,核心元件,滚动轴承,滚动支承,滑动轴承,滑动支承,滚动轴承的缺点：滚动轴承的滚动体数目有限，刚度是变化的阻尼也较小，容易引起振动和噪声；径向尺寸也较大。,第4章执行系统设计,2主轴轴承和主轴滚动轴承的选择,（1）轴承的选择,滑动轴承的优点:具有抗振性好、运转平稳、旋转精度高及径向尺寸小等优点,主轴支承,主轴轴承,支承座,其他相关零件,核心元件,滚动轴承,滚动支承,滑动轴承,滑动支承,滑动轴承的缺点:制造、维修比较困难，并受到使用场合限制，如立式主轴漏油问题解决较困难等。,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的！,主轴轴承的选择依据,精度,刚度,转速,(a)、(b)双列圆柱滚子轴承(径向支承),(c)、(d)双向推力角接触球轴承（轴向支承）,(e)角接触球轴承（径向、轴向复合支承）,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,(a)、(b)双列圆柱滚子轴承(径向支承),轴承特点：轴承内圈为锥度1:12的锥孔，内圈锥孔与主轴的锥形轴颈相配合，当二者产生相对轴向位移时，可把较薄的内圈涨大，达到改变径向间隙或预紧的目的滚动体是两列交错排列的短圆柱滚子，抗振性好轴承结构紧凑，能承受较大的径向载荷及较高转速适用于载荷较大、高速及精密机床主铀组件不能承受轴向裁荷,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,(c)、(d)双向推力角接触球轴承(轴向支承、可小径向),轴承特点：与双列圆柱滚子轴承配套使用,承受两个方向的轴向载荷，接触角60,40,30有一个外圈、两个内圈、中间隔套及两列钢球组成修磨中间隔套的厚度可精确调整轴承间隙或预紧轴承外圈开有油槽和油孔，以利润滑油进入轴承这种轴承的主要优点是承载能力大和刚度高；允许转速高，温升较低；抗振性较好。适用于轴向载荷较大的高速、精密机床主轴组件。,CNC车床主轴,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,(e）角接触球轴承(径向、轴向支承),又称向心推力球轴承(7000)型，可以承受径向载荷和单向轴向载荷，极限转速较高。接触角有15、25、40、30等，其中主轴轴承多用15和25。所承受轴向载荷随接触角的增大而增大，常用的有70000C型(接触角15)，70000AC型(接触角25)等。,高速内圆磨电主轴,在同一个支承中，角接触球轴承可采用成对安装，也可三个、四个组配在一起,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,角接触球轴承的组配,背靠背（DB）面对面(DF)同向组配(DT)三联组配(TBT),注意：轴承由生产厂家配好，一般无法互换，预紧量可约定,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,圆锥滚子轴承,主轴常用圆锥滚子轴承分为单列(32000型，原2007100型)和双列(350000型，原297000型)两种类型。单列圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受单向轴向载荷。双列圆锥短子轴承能承受径向载荷和双向轴向载荷。由于圆锥滚子轴承滚子大端面与内圈挡边之间有摩擦，发热较高，所以轴承转速受到限制。适用于中速、一般稿度的主轴组件。美国Timken公司开发的单列圆锥滚子轴承滚子改为中空圆弧大端面，可减小摩擦发热，温升降低约15。,配置Timken轴承的卧式车床主轴组件,第4章执行系统设计,（2）主轴滚动轴承的选型,圆锥滚子轴承,配置Gamet轴承的卧式车床主轴组件,双列(H系列)用于前支承，单列(P系列)用于后支承，采用中空滚子，润滑油的大部分被迫通过滚子的中孔，起冷却作用；少量流经滚子和滚道之间，起润滑作用。轴承散热好，极限转速可提高2040。单列圆锥滚子轴承外圈上有弹簧(1620个)，用于自动调整间隙。,第4章执行系统设计,（3）主轴滚动轴承的刚度,1）点接触的球轴承刚度,轴承的滚动体与滚道之间的变形是接触变形，其在零间隙且在外载荷作用下的变形和刚度可按下述公式计算,注意：载荷应包含预紧力,第4章执行系统设计,（3）主轴滚动轴承的刚度,2）线接触的滚子轴承刚度,轴承的滚动体与滚道之间的变形是接触变形，其在零间隙且在外载荷作用下的变形和刚度可按下述公式计算,注意：载荷应包含预紧力,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,滚动轴承精度,P2,P4,P5,P6,P0,精度由低到高,新标准增加了SP级、UP级（目的是降低轴承的加工成本）SP级其内外圈尺寸精度相当于P5级；旋转精度相当干P4级UP级其内外圈尺寸精度相当于P4级，旋转精度相当于P2级,轴承精度越高，滚动体受力越均匀，有利于提高主轴旋转精度、刚度、抗振性，并减少磨损，提高寿命,机床主轴常用,高精度主轴常用,低要求主轴、三支承中的中间支承,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,提高主轴的旋转精度,选用高精度轴承,主轴和轴承都存在制造误差，会影响主轴组件的旋转精度。在主轴组件设计时，应考虑装配过程中使二者的误差影响相互抵消一部分，则可进一步提高其旋转精度。,选配法安装,提高轴承座孔和安装轴颈的加工精度,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,前、后轴承轴心偏移对主轴端部的影响,后支承,前支承,前支承轴承的精度对主轴组件精度影响较大，故前支承轴承的精度应选的高一些。,后支承,前支承,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,径向跳动量的合成,前轴承选配,先将一批轴承和轴颈按实际测定的径向跳动量分组；选取跳动量相近的进行装配；使轴承内圈和轴颈的径向跳动处于相反方向，使轴承内圈误差和轴颈误差能部分地相互抵消，提高主轴的旋转精度。,O主轴前端锥孔中心O1主轴轴颈中心O2轴承内圈滚道中心,选配目的：将轴承内圈滚道中心O2尽量靠近主轴前端锥孔中心O,误差同向装配，主轴前端径向跳动量：1+2误差反向装配，主轴前端径向跳动量：|1-2|,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,后轴承选配,前后轴承偏心反向配置,前后轴承偏心同向配置,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,主轴轴承精度选择,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,主轴轴承的配合,轴承配合的松紧程度对主轴组件工作性能有一定影响。轴承内圈与轴颈，外圈与支座孔的配合应适宜。,紧配合,提高轴承与轴颈、座孔的接触刚度,提高主轴组件的旋转精度和抗振性,过紧配合,过紧会改变轴承的正常间隙,降低旋转精度,增加发热以及缩短寿命；,配合过松也会影响主轴的旋转精度、刚度及寿命。,紧配合时如何安装？,会引入轴和轴承座孔的形位公差！,第4章执行系统设计,（4）主轴滚动轴承的精度与配合,主轴轴承的配合,轻载、精密机床,轴承外圈与座孔间隙配合,轴承内圈与轴颈小过盈量配合,目的,为避免座孔形状误差的影响,通常，主轴滚动轴承外圈与座孔的配合要比内圈与轴颈的配合稍松些。,轴承内圈与轴颈过渡配合,轴承外圈与座孔过渡配合,轴颈和座孔的形状误差将影响滚道的形状精度,提高轴颈和座孔的尺寸精度和形位精度,影响主轴的旋转精度,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,主轴滚动轴承的间隙量大小,主轴组件工作性能,轴承寿命,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,轴承在较大间隙下工作,主轴位置偏移(径向或轴向),影响加工精度,承载区域较小，载荷几种在一个或几个滚动体上，应力集中,轴承发热和磨损加剧，降低寿命,主轴组件的刚度和抗振性也大为削弱,解决办法,轴承预紧,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,轴承预紧,轴承预紧就是采用须加载荷的方法消除轴承间隙，使其产生一定的过盈量。,轴承为零间隙,滚动体受力均匀,主轴旋转精度得到提高,轴承为适当的负间隙,滚动体产生弹性变形，与滚道的接触面积加大,主轴的旋转精度、刚度和抗振性显著提高,轻载,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,轴承预紧,径向预紧,轴向预紧,通过轴承内、外圈之间的相对轴向位移进行颈紧,利用轴承内圈膨胀，以消除径向间隙,圆柱滚子轴承径向预紧（内圈内径锥孔）,外圈,内圈及滚柱,D1D2滚柱与滚道之间:有间隙D1=D2滚柱与滚道之间:间隙为0D1D2滚柱与滚道之间:负间隙,径向预紧,消除间隙的办法？,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,隔套,螺母,内圈及滚柱,主轴,锥面,无控制方式,径向预紧的三种方式无控制方式控制环控制螺母,径向预紧,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,隔套,螺母,内圈及滚柱,主轴,预紧量控制套,径向预紧的三种方式无控制方式控制环控制螺母,控制环,锥面,径向预紧,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,圆锥孔圆柱滚子轴承,预紧螺母,隔套,控制螺母,CA6140车床主轴,径向预紧的三种方式无控制方式控制环控制螺母,径向预紧,径向预紧的其他方式：热套,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,轴向预紧,通过轴承内、外因之间的相对轴向位移进行颈紧,在轴向力Fa0的作用下,使轴承内外圈产生错动,从而消除滚珠与内外圈滚道间的间隙,角接触球轴承,背靠背组配角接触球轴承预紧,面对面组配角接触球轴承预紧,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,配对使用的轴承,配间隙,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,轴向预紧,任意两个背对背角接触球轴承预紧,任意两个面对面角接触球轴承预紧,隔环位置,隔环位置,第4章执行系统设计,（5）主轴滚动轴承的预紧和调整方法,预紧力,轻预紧,中预紧,重预紧,注意：不同型号、尺寸的预紧力不同同型号、同尺寸、不同生产厂商规定的预紧力不同需要时查产品样本手册,第4章执行系统设计,（6）主轴滚动轴承转速的选择,决定轴承转速性能的是速度因子dmn值(mmr/min),dm轴承公称直径，等于内外径之和的平均值n转速,每一种轴承都有其极限的dmn值，即最高转速限制，但一般产品样本中只规定了采用稀油润滑和脂润滑情况下的极限转速，其规定的条件是：圆柱滚子轴承零间隙角接触球轴承为轻预紧温升1520轻载或无载荷,第4章执行系统设计,在机械系统的元件中，同样具有dmn值限制的是“滚珠丝杠”,滚珠丝杠传动时有两种形式：1）丝杠旋转，螺母固定（短行程）2）丝杠固定，螺母旋转（大行程）,滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，兼具高精度和高效率的特点。滚珠丝杠的特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/32、高精度的保证3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。,滚珠丝杠特点,1）承载能力、2）导程（移动的线速度、电机转速、减速器速比及输入输出转速）3）球保持器4）预压力5）润滑方式（自润滑）6）密封方式7）材质8）丝杠的制造方式（丝杠的精度不同制造方式也不同）9）单螺母/双螺母10）导程精度11）直径,选择滚珠丝杠时需要注意的问题,第4章执行系统设计,（7）主轴滚动轴承的寿命,决定轴承寿命的因素,疲劳点蚀,磨损降低精度,重载高速主轴,机床主轴,精度寿命,点蚀,钢球疲劳点蚀,陶瓷球疲劳点蚀,疲劳点蚀：滚动轴承最常见的失效形式。,内环上的疲劳点蚀,滚动轴承失效形式及原因,滚动轴承的装配与拆卸要求：1）压力应直接加于配合较紧的套圈上；2）不允许通过滚动体传递装拆力；3）要均匀施加装拆力严禁重锤直接敲击,滚动轴承的拆装,滚动轴承的拆装,安装方法：1）用软锤均匀敲击套圈装入；2）压力机压入（较大的轴承）。,装配时可以加热轴承(80900C)也可以冷却轴,滚动轴承的拆装,拆卸时：1）压力机压出轴颈；2）轴承拆卸器将内圈拉下。轴肩高度应低于轴承内圈高度。,拆卸内圈,滚动轴承的拆装,轴径和轴承座孔尺寸,主轴组件设计的内容主要包括：确定主轴组件的基本形式(主轴的结构形状，传动件的类型及布置，轴承的类型及配置等)确定主轴组件的结构尺寸进行必要的验算选择轴承的精度等级及配合间隙,第4章执行系统设计,（四）、执行轴组件（主轴）组件的计算,主轴组件结构尺寸中起决定作用的是：主轴外径（主轴组件的刚度和抗振性）内孔直径（孔径增大，扩大机床的使用范围）悬伸量（主轴组件的刚度和抗振性）前后支承跨距（主轴组件的刚度，抗振性和旋转精度）,主轴组件的设计和计算步骤第一步：根据已有资料初选主轴直径第