CAK6150车床主轴系统和刀架设计

1、中文摘要数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。其中CAK6150数控车床是车床中比较典型的代表性产品，是一种经济型数控车床，它采用卧式结构，不但结构简单易于操作，而且在性能上也有很多优点，比如振动小，精度高，加工范围广等，这也是本课题研

2、究它的目的和意义所在.关键字：CAK6150数控车床；卧式结构；高自动化；高柔性化AbstractThe numerically-controlled machine tool is the collection machinery, electricity, the hydraulic pressure, air operated, the micro electron and the information and so on many technologies is a body's integration of machinery product. Is in the mach

3、ine manufacture equipment has the high accuracy, the high efficiency, the high automation and the merit and so on high flexibility machine tools. Numerically-controlled machine tool's technical level height and is weighs a country national economy development and industry manufacture overall lev

4、el important symbols one in metal removal processing machine output and the total capacity's percentage. The numerical control lathe is one of numerically-controlled machine tool's principal varieties, it holds the very important position in the numerically-controlled machine tool, for sever

5、al dozens years have received various countries universal recognition and to obtain the rapid development.And the CAK6150 numerical control lathe is in the lathe the quite typical representative product, is one economy numerical control lathe, it uses the horizontal-type structure, not only structur

6、e simple simplify operation, moreover also has many merits in the performance, for instance the vibration is small, the precision is high, working range broad and so on, this is also this topic studies its goal and the significance is.Key words: CAK6150 numerical control lathe; Horizontal-type struc

7、ture; High automation; High flexibility【目录】引 言5第1章 绪论61.1 数控机床的发展状况61.2 CAK6150数控车床的主要特点71.3 本次课题设计主要内容7第2章机床布局设计与参数拟订82.1 机床总体设计8结构方案的确定82.1.2 卧式床身布局82.2 给定的主要技术参数9第3章主传动系统的设计10传动结构式和转速图的确定10结构式的分析10结构式的最终确定10变速范围的验算113.降速比的分配11转速图的绘制11各变速组齿轮齿数的确定12带轮直径的确定12转速误差验算13传动系统图的绘制15传动件计算转速的确定174.2 主轴前后支承轴

8、颈尺寸17传动轴直径估算18传动齿轮模数估算184.5 V型带参数的计算与选择214.6 离合器参数的计算和选择23第5章 结构设计265.1 主轴换向与制动机构设计265.2 齿轮块设计265.3 主轴部件设计28平均直径的计算28悬伸量a的确定29轴承的选择29主轴头部形式295.5 主轴的润滑与密封305.6 主轴变速分析315.6.1 主传动变速315.7 轴承的选择315.8 V型带带轮设计315.9 电磁离合器的选择325.10 操纵机构设计32第6章 数控机床传动装置设计33概述33设计方案的确定336.3 数控机床传动装置的设计346.3.1 概述346.3.2 滚珠丝杠的参数

9、选择346.3.3 横向进给系统的设计与校核35第7章 数控机床控制部分设计377.1 系统简介3772总体框图3973 输入输出开关量定义40电气原理图简介437.4.1 电源部分437.4.2 继电器与输入输出开关量44总 结48致谢49考文献50引 言数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 1.高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的

10、发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。 2.数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 3.随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。 4.功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效

11、率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能。 5.二十一世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等。第1章 绪论数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：功率，以适应高效率加工的需要；2.主轴

12、转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；3.主轴应有足够高的刚度和回转精度；4.主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限(如主轴轴承允许的极限转速)，而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。1.1 数控机床的发展状况20世纪50年代第一台数控机床的出现，使制造技术发展日新月异，随着技术的发展，数控技术在现代制造业大量运用，数控加工设备逐渐替代了传统的加工设备。而我国自改革开放以来，经济飞速发展，特别是加入WTO后，我国也然成为制造业大国，然而与发达国家相比，我们的制造业水平还比较落后，大部分设备还是使用传统的加工

13、设备，自动化率低。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数而美国和日本自动和半自动机床占60以上。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业

14、的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。1.2 CAK6150数控车床的主要特点CAK6150数控机床是在CA6140机床的基础上研制发展起来的两坐标经济型数控车床，该机床的主要的特点是：重复定位精度高，刚性好，机床的进给系统由伺服电机带动滚珠丝杠，传动精度高结构先进。机床总体布局采用一体化，有完善的安全保护装置，数控装置采用32位“CPU”的高速度、高精度，除有硬件保护外，还可设定软件保护具有多种诊断功能。该系列数控车床还采用模块化设计，可根据用户不同的需求，配备不同的装置及附件。而主轴采用现加载荷的推力角接触轴承和双列向心圆柱滚子轴承，即使用于高速强力切削

15、，有适于精加工，有恒速切削功率，可提高加工效率，降低工作表面的粗糙度，床身采用襄钢导轨，导轨之间润滑采用自动间歇使泵油、星型转塔刀架结构简单。1.3 本次课题设计主要内容1.主轴箱的设计：主传动系统参数的确定，主传动系统结构设计，各变速组的齿轮设计，主轴箱展开图和截面图的绘制。2.刀架的设计：横向进给传动结构设计，伺服电机和滚珠丝杠等元件参数的确定，刀架装配图和截面图的绘制。 3.电器部分设计：用单片机控制控制机床电器。第2章机床布局设计与参数拟订2.1 机床总体设计机床总体设计是机床设计中的关键环节，它对机床所能达到的技术性能和经济性起着决定性的作用。结构方案的确定1. 进给系统采用伺服电动

16、机驱动，再经过一对清除间隙的齿轮传动，使动力传递至滚珠丝杠。2. 主轴传动系统采用普通V带、齿轮传动。3. 为了减少机床在加工中的振动，传动形式采用分离传动。4. 为了提高机床的传动精度，应尽量缩短传动链。 5. 为了提高机床的刚度，机床应尽量形成框架式结构。6. 考虑热变性的影响，采用隔离热源和均衡温度场的结构形式。7. 主轴换向依靠电器装置电器改变电源相序来使双速电机正反转。主轴制动系统采用安装于电机轴上的制动刹车装置。8. 润滑系统采用飞溅润滑。9. 操作系统采用顺序集中变速操纵系统。10.变速系统采用电磁离合器和多联滑移齿轮变速。 卧式床身布局采用卧式床身的布局形式，这种布局简单合理，

17、而且比较经济， 总体布局设计应该注意：1. 机床必须具有高精度、高刚度、抗振性、热稳定性。2. 注意提高综合经济效果和适应工艺发展。3. 尽量缩小机床占地面积，降低制造成本，同时要注重外形。4. 保证高效率，而且操作、调整、润滑、维修方便。2.2 给定的主要技术参数床身上最大回转直径：510mm工件中加工最大长度：850mm滑板最大横向行程：305mm滑板上最大回转直径:390mm主轴孔径：70mm主轴转速:rpm转速级数:z=12主轴电机:YD132M-4/2双速电机参数的确定：“系列型谱”先确定车床主参数和基本参数；2.根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具

18、和工件材料等因素；3.根据极限切削速度制定主轴转速级数和公比；4.合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前确定机床电机功率的常用方法有类比法、估算法、试验测定法。一般采用估算法和类比法相结合的方法确定通用机床电机功率。第3章 主传动系统的设计传动方案和形式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定传动方案和形式，要从结构、工艺、性能、及经济性等多方面统一考虑。传动方案有多种，传动形式更是样式众多，比如：传动形式上有集中传动的主轴变速箱，分离传动的主轴箱与变速箱；扩大变速范围可以用增加传动组数，也可用背轮机构、分支传动

19、等形式；变速形式上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。3.1 传动结构式和转速图的确定3.1.1结构式的分析实现12级主轴转速变化的传动系统，采用双速电机驱动，所以可以初步推断机构式：. . . . 由实用机床设计手册的推荐结构式方案为：a：12=（2）×3×2； b：12=（2）×2×3；c：12=（2）×3×2； d：12=（2）×3×2；因为轴采用电磁式离合器，致使轴尺寸加大，为减少轴向尺寸和提高刚度，第一变速组以两个传动副为宜，故采用b方案。3.1.2结构式的最终确定 根据传动顺序与扩大顺

20、序相一致的原则，应选择b方案。 采用多数异步电动机和其它方式联合使用，可以简化机床的机械结构，使用方便，并可以在运动中变速，多速电动机与齿轮变速箱配合，电动机就相当与一个能变速的传动组（电变速组），电动机的转速比就是该电变速组的级比。验算b方案的转速范围：不符合要求。因此可以采用分支传动。分支传动是指在串联型式变速传动系的基础上，增加并联分支以扩大变速范围，而且它还具有缩短高速传动路线，提高传动效率，减少噪声的优点。因此本设计在轴和轴之间增加了一个升速传动副构成分支传动使主轴得到4级高速。这样不但使b方案的最大变速范围符合了要求，而且缩短了传动路线，提高了机械效率。所以主传动系统结构式最终定为

21、： 变速范围的验算由于双速电机的输出转速是2880/1460 r/min，电动机产生了一个电变速组，电动机的转速比就是该电变速组的级比。主传动链任一传动组的最大变速范围必须符合：R= （3-1）那么第二扩大组变速范围是： 已符合要求降速比的分配主轴传动系统中采用分支变速传动系统，最前端还包括一个带传动组。根据主变速传动系设计原则中的“降速要前慢后快，中间轴不宜超过电动机转速”的原则，确定各传动组的传动比。 （3-2） （3-3）转速图的绘制由N=n=45 r/min，共12级转速，并根据机械制造装备设计表3-3转化为标准数列： 45、63、90、125、180、250、355、500、710、

22、1000、1400、2000图3-1 机床转速图的确定根据降速比要求和机械制造装备设计中表3-6查各个传动组齿轮齿数，各传动组齿数表3-1所示的确定根据所给主传动电机为双速电动机功率是：6.5/8 kw，那么计算转速kw, （3-4）-工作情况系数；并且根据机床主轴变速箱设计指导书图4-1，确定三角胶带的带型为B型。表3-1各组齿轮齿数变速组齿数和齿轮齿数第一变速组11557584867第二变速组10227756042第三变速组1024260第四变速组1112982第五变速组1116546由机床主轴变速箱设计指导书查得：B型三角胶带d=125mm，所以选定小带轮基准直径为d=130mm。大带轮

23、基准直径由公式： （3-5）所以大带轮直径为：mm圆整后，取d=262mm验算齿轮齿数确定以后，还应验算一下实际传动比与理论传动比之间的转速误差是否在允许范围之内，实际转速值用下式计算： （3-6）转速误差验算公式为： （3-7）误差的验算过程如下:经上述验算，转速误差均符合要求。的绘制主传动系统是由双速电机输出功率经皮带传动到带轮上，再传递到轴，轴上安装有两个电磁式离合器，当左侧离合器通电后吸合，使齿轮1、2啮合传递功率；当右侧离合器通电后吸合，使齿轮3、4啮合传递功率；两个离合器都未通电时，轴空转，不传递功率。然后通过分支变速传动路线，可以经短支z和z两齿轮传直接传递给主轴，也可以移动拨叉

24、改变三联滑移齿轮位置，经长支变速路线z，z或z，z传递到轴；轴带动齿轮z，传递给齿轮z，这两齿轮所构成的是定比传动，再通过z，z两齿轮构成的第传动组，将功率传递给主轴。数控机床中为了把主轴转速时刻的传给CNC控制系统，又另外特意地采用了1:1的齿轮对啮合，把主轴转速准确地传递给主轴的编码器，编码器再传给CNC控制系统，反过来以实现对主轴转速的控制。下图为传动系统图：图3-2 传动系统图第4章 传动件参数计算及确定其结构尺寸的确定由机械制造装备设计表3-7可知，主轴的计算转速是低速第一个三分之一变速范围的最高一级转速，即r/min，以此类推得：表4-1 各轴计算转速 单位r/min传动件轴计算转

25、速710500500355125表4-2 各齿轮组计算转速 单位r/min变速组第一变速组第二变速组第三变速组第四变速组第五变速组传动部件齿数4827422946计算转速71014005003557104.2 主轴前后支承轴颈尺寸根据主电机功率：6.5/8kw，主电机转速：1460/2880r/min。并参照机床主轴变速箱设计指导书中33页表, 主轴前轴颈：D=95-130mm,选取：D=110mm，后轴颈根据式：D=（0.7-0.85）D得：D=（0.7-0.85）D=（0.7-0.85）110=77-93.5mm，选取：D=90mm4.3传动轴直径估算根据机床主轴变速箱设计指导书中32页的

26、公式： mm （4-1）确定各传动轴直径。式中d-轴危险截面处直径N-该传动轴的输入功率（kw）N= -该轴的计算转速（r/min）-该轴允许的扭转角（deg/m）一般传动轴各项如表4-3所示，各传动轴所选的最小直径均应大于各传动轴所估算的轴直径。采用花键轴时，可将估算的d值减少7%为花键轴的小径：轴：d=d0.93=轴：d=d0.93=轴：d=d0.93=轴：d=d0.93=花键的公差与配合采用 ：滑动式装配花键的公差与配合： 紧滑动式装配花键的公差与配合：固定式装配花键的公差与配合：估算参照金属切削机床设计公式4-1，4-2进行齿轮模数估算，选择负载最重的小齿轮进行模数计算，并由其中较大者

27、选取相近的标准齿轮模数。按齿面接触疲劳强度和轮齿弯曲疲劳强度计算的公式：mm （4-2）表4-3各轴径估算值 单位mm计算公式各传动轴计算转速电机至该轴传动效率输入功 率估算轴 颈71015001500135511251mm （4-3）N-齿轮传递的名义功率（kw），N=N（kw）；u-齿数比 u=；-计算转速；-小齿轮齿数；K-载荷系数，K=0.8-1.6，通常取1.0-1.2；-齿宽系数，=b/m=5-10，b-齿宽；-许用接触应力（Mpa）,根据金属切削机床设计表4-7选取；-许用弯曲应力（Mpa）,根据金属切削机床设计表4-7选取；第传动组：按齿面接触疲劳强度mm 按齿面弯曲疲劳强度m

28、m取第传动组： 按齿面接触疲劳强度 mm 按齿面弯曲疲劳强度mm取第传动组： 按齿面接触疲劳强度 mm 按齿面弯曲疲劳强度 mm 取第传动组： 按齿面接触疲劳强度 mm 按齿面弯曲疲劳强度 mm 取第传动组: 按齿面接触疲劳强度mm按齿面弯曲疲劳强度mm取4.5 V型带参数的计算与选择带传动是机床传动的主要形式之一，其优点是：1. 结构简单，制造方便，成本较低，适用于中心距较大的两轴间传动；2. 带有弹性，可缓和冲击和隔离振动，使传动平稳，噪声小，适宜于高速传动；3. 在过载时能打滑，有过载保护作用。V型带传递设计的主要任务是：根据功率选择带的型号，然后确定带传动的几何尺寸，确定带的根数以及带

29、轮的结构和尺寸等。在主传动系统运动设计中已确定V型带的参数:计算功率：kw； 胶带型号：B型带小带轮直径：=130mm； 大带轮直径：=262mm初定中心距： （4-4） mm 选中心距=700mm初算胶带长度： （4-5） mm选择带基准长度：参照机床主轴变速箱设计指导书中第30页表,选取： mm实际中心距： （4-6） mm小带轮包角(4-7）符合要求根据公式 （4-8）m/sm/s，符合要求带的挠曲次数：s （4-9）符合要求 确定三角带根数: （4-10）所以选Z=44.6 离合器参数的计算和选择根据数控机床工作特点，选择多片摩檫式电磁离合器，这种电磁离合器是利用激磁线圈电路产生的电磁

30、力来操纵接合元件，使离合器接合或脱开，它的启动转矩大，动作反映快，离合迅速，结构简单，安装维修方便，寿命长，可实现集中控制和远距离操纵，由于直接利用电能工作，所以机械部分的结构比较简单；可在很短的时间内准确的结合，通过接合的时间为0.04-1s，换向时间为0.02s。按照机床主轴变速箱设计指导书中第41页公式求出计算转矩，并选择离合器的型号： N.m （4-11）K-安全系数，K=1.6。即N.m 摩擦面对数z为：对 （4-12）式中N.m f-摩擦片之间的摩擦系数，f=0.06，=1.0-1.12Mpa= （4-13）-摩擦片的平均直径（mm）-内片的外径（mm）；=118mmd-外片的内径

31、（mm）；d=40mm=mmb=mm b-内、外摩擦片的接触宽度（mm）参照机械制造工艺金属切削机床设计指导书分别查得：Mpa （4-14）-许用压强（Mpa）-基本许用压强（Mpa），查取得=1.10（Mpa）-分别为速度修正系数，接合次数修正系数，接合面数修正系数所以最后确定，取接合面对数为16，即外摩擦片为9，内摩擦片为8。所选电磁离合器EPD结构见机械设计常用元件手册表5-180EPD计算数据：T(N.mm)KD(mm)(mm)b(mm)(Mpa)118793940(Mpa)外摩擦片数内摩擦片数9816表46 电磁离合器计算参数和所选型号参数第5章 结构设计5.1 主轴换向与制动机构设

32、计车床上的反转主要用于加工螺纹时退刀。车短螺纹时，换向频率比较高。实现正反转的变换有多种方案。最简单的可直接由电动机正反转来实现。这时传动链始终啮合，电机起动电流很大，容易发热，严重时会烧毁电机。所以只适用于换向频率低的场合。利用离合器可以频繁换向，中型车床上目前使用较多，但结构复杂，如图5-1所示。为了使机床主轴迅速平稳地停止，在变速系统的机械结构，综合考虑机床多方面因素，我们将制动装置布置在机床转速最高的电机轴上，由电气装置控制制动。图5-1 无滑动摩擦片式电磁离合器5.2 齿轮块设计齿轮是变速箱中的重要元件。齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的。也就是说，作用在一个齿轮上的载荷是变化的。同时

33、由于齿轮制造及安装误差等，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪声，常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性。在齿轮块设计中必须考虑这些问题。齿轮块的结构形式很多，取决于下列有关因素：1. 是固定齿轮还是滑移齿轮；2. 移动滑移齿轮的方法；3. 齿轮精度和加工方法。本机床变速系统采用了滑移齿轮变速机构，一个三联滑移齿轮和一个分支滑移齿轮。结构特点为：用单键拼装，花键传递转矩，轴向定位用弹性挡圈。该结构简单，工艺性好，装拆方便等特点。图5-2 三联滑移齿轮所有滑移齿轮于传动轴间均采用花键联接。滑移齿轮进入啮合的端面要圆齿。齿轮结构设计应注意：齿轮与轴的配合长度要满足：L=（1.2-1.5）d

34、固定齿轮L=（1.5-2.0）d 滑移齿轮滑移齿轮的轴向位置由操纵机构中的定位槽、定位孔、挡圈或其他方式保证。从工艺角度考虑，其它固定齿轮也采用花键联接，由于主轴直径较大，为了降低加工成本而采用了单键联接。5.3 主轴部件设计主轴组件结构复杂，技术要求高。安装工件或者刀具的主轴参与切削成型运动，因此它的精度和性能直接影响加工质量，设计时主要围绕着保证精度、刚度和抗振性，减少温升和热变形等几方面来考虑。主轴部件应满足的基本要求：1.旋转精度：这主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。2.刚度：主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承

35、的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。3.抗振性：主轴部件的抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。4.温升和热变形：主轴部件运转时，因各相对运动处的摩檫生热，切削区的切削热等使主轴部件的温升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的所谓热变形。5.精度保持性：主轴部件的精度保持性是指长期地保持其原始制造精度的能力。平均直径的计算由机械设计手册图6.1-83车床N-D统计曲线查得：=110mm，mm来确定主轴前端轴径：mm悬伸量a的确定主轴前端悬伸量a是

36、指主轴前端面到前轴承径向反力作用中点的距离。它主要取决于主轴端部的结构、前支承轴承配置的型式和尺寸，由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。轴承的选择前轴承为C级精度，后轴承为D级精度。采用前端定位，虽然前支承发热大，升温高，但主轴受热后向后伸长，不影响轴向精度，同时承受轴向载荷的主轴段较短，变形小，精度高，对提高主轴部件刚度有利。主轴支承结构采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承支承结构：轴承内圈的轴向定位作用轴承右边的可调螺母端面作为轴向定位基准，同时起到控制轴承轴向移动量的作用。轴承的调整和预紧：由于该轴承有1：12圆锥

37、孔，靠调整可调螺母轴向移动内圈，靠内圈的弹性变形就可以调整轴承的径向间隙。为了提高支承刚度，需要对轴承进行预紧，采用螺母预紧，由于结构或提高精度的原因，预紧螺母通过套筒来推动轴承内圈。为了防止螺母松动，必须有锁紧装置。后轴承采用蝶型弹簧和可调螺母进行轴承的调整和预紧。主轴头部形式主轴端部的结构型式：主轴头选择D型法兰盘式主轴头，主轴前端用5号莫氏锥度的孔。 根据机床设计手册短锥法兰式主轴端部型式为D型：图5-3 前端支撑形式根据机床设计手册选8号主轴头，由表6.1-28查得法兰式主轴的端部装配的Q值为5mm。图5-4 8号主轴头5.5 主轴的润滑与密封对于用油润滑的主轴组件来说，为的是防止由外

38、漏和灰尘屑末进入；对于用脂润滑的主轴组件来说，由于脂不会外漏，主要是防止上述外物和齿轮箱中的润滑油进入以免把脂稀释甩离轴承。主轴端开有锯齿型环槽。主轴旋转时，可将油甩向压盖的空隙，然后经油孔流回主轴箱。锯齿的方向应逆着油流的方向。主轴前端应用了可以适应高转速的迷宫油封。5.6 主轴变速分析 主传动变速数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率，加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制系统指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求，交流主轴电机不仅能够方便地实现宽范围无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性，是它在主传动

39、系统中的优越性，为确保低速时的扭矩，在交流无级变速的基础上以齿轮变速，使之成为分段无级变速。数控机床主传动主要有三种配置：1.带有变速齿轮的主传动，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位采用液压拨叉由液压缸带动齿轮来实现。2.通过皮带传动的主传动，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低扭矩特性要求的主轴。3.由调速电机直接驱动的主传动。CAK6150采用前两种配置，又外选用双速电机。5.7 轴承的选择为了装配方便轴上传动件（齿轮、电磁离合器）的外径均小于箱体左侧支承孔直径，由于轴不受轴向力，所以轴均采用向心球轴承6000型，、轴均采用角接触球轴承7000型，轴采用圆锥滚子轴承300

40、00型，该轴承既承受轴向力，又承受径向力，同时便于装配和轴承间隙调整。滚动轴承均采用D级精度。5.8 V型带带轮设计经过V型带参数计算，选用4根B型V型带，由于轴安装摩檫片电磁离合器传，为了减少弯曲挠度，提高轴的刚度，改善传动件的工作条件，保证加工精度，采用数控机床CAK6150床头展开图所示的卸荷带轮结构。5.9 电磁离合器的选择根据离合器的设计计算，选择ERD10型电磁离合器。该离合器为无滑环，湿式，多片电磁离合器。其结构简图如图5-1所示。工作原理：线圈通电，吸合衔铁，压紧内,外摩擦片，传递功率和扭矩。为了保证电磁离合器可靠地工作需保证以下工作条件：1.离合器线圈的电压波动不超过额定电压

41、的5%；2. 对于湿式离合器，油液必须经常保持清洁，不得含有导电质，且粘度不应大于23厘施（50 时）；摩擦片表面不应沾染油污；3.周围空气湿度不大于85%；4. 在无爆炸危险的介质中，且介质中无腐蚀金属和破坏绝缘的气体及导电尘埃。5.10 操纵机构设计为了适应数控机床的自动化要求以及不同的加工状态，主轴转速经常需要调整，根据各滑移齿轮变速传动组的特点，机床采用液压槽操纵变速操纵机构。该操纵机构又有以下几个部分组成：第6章 数控机床传动装置设计伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，在数控机车中伺服系统接受来自插补四进给脉冲，经变换和放大转化为机床工作台位移，系统的作用在于驱动

42、工作台跟随指令脉冲移动，并保证动作的快速，准确和高效率。伺服系统是数控计算装置和机床的连接环节，是数控系统的重要组成部分，一个数控系统的速度和精度等技术指标主要由伺服系统来决定。因此可概括为伺服系统的作用为：根据一定的指令信息加以扩大，从而不仅能控制执行件的速度，而且精确控制其位置和一系列位置所形成的轨迹。伺服系统是由一些功能元件组成的：1.给定元件起作用是对伺服系统输入给定值2.比较元件将输入指令信号与反馈信号进行比较的环节3.调节元件时伺服系统的中心环节，如放大器和电液伺服阀4.执行元件，具有足够的输出功率，直接对控制对象控制：电机，液压马达，液压缸5.控制对象：工作台，柳板等6.测量元件

43、，用其测出输出量，由传感器将此量转变为电量并反馈到比较元件在一个伺服系统中包含了电子，电机，液压，机械等各部件，这些部件从原理和结构上来说都有很大的差别。要使他们组合成一个系统彼此配合协调工作是一项很复杂的任务。伺服系统分为开环，闭环和半闭环。数控机床对伺服系统的要求是：1.定位速度和轮廓切削进给速度2.定位精度和轮廓切削进给精度3.精加工的光洁度4.在外界干扰下的稳定性开环系统由于精度较低一半不采用，闭环系统可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差和干扰，他一般应用于要求高的数控设备中，由于所造的数控车床工件的加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大，故采用半闭环，能介于开环

44、和闭环之间。机床本身没有完全包括在位置环内，反馈信号可以从滚珠丝杠端部或从伺服系统传动链中某些适当环节取出，另外，如用回转变压器作为反馈测量元件，还要有一套测量用的机械传动系统。这套机构也没有包括在位置环之内。测量以后的各传动元件误差以及执行元件与测量元件间的传动误差皆不能靠该系统得到补偿。6.3 数控机床传动装置的设计 概述滚珠丝杠传动的优点：1.施加适当预紧力而不失去上述优点故可消除反向间隙，并可提高传动副本身的轴向刚度，既是运动反响，仍可保持较高的定位精度，传动平稳2. 因摩擦系数小，无自锁现象，所以不仅可将旋转运动，即丝杠和螺母都可以做主动件或被动件，具有可逆性 3.因摩擦系数小，磨损

45、小，故使用寿命高，精度保持性好4.传动效率高,可达92%-94%，为普通丝杠的3-4倍5. 因摩擦力小，故气动力矩小，传动灵敏，不易产生爬行，随动精度和定位精度高，同步性好 滚珠丝杠的参数选择根据现在大部分横行刀具丝杠得型号选择丝杠型号：WCh2004公称直径：取D020mm旋 距：t4旋 升 角：439滚珠直径：mm滚道半径：丝杠外径：螺母长度：按滚珠丝杠副的尺寸系列选取 横向进给系统的设计与校核1.结构设计丝杠螺母的支承方向有 ：一端装推力轴承，另一端装向心球轴承；两端装推力轴承；两端装推力球轴承；一端装推力轴承及向心球轴承，一端装角接触球轴承。而我们采用了最后一种，用组合轴承代替推力轴承

46、，既提高了轴向刚度，又增加了承载能力。组合轴承虽然没有专用轴承方便，但是当一个发生破坏其它轴承仍可继续使用。2.校核计算I：转动惯量的计算：丝杠的转动惯量：mm （7-1）轮的转动惯量： 工作台折合到丝杠上的转动惯量：kg.mm （7-2）其中 由于齿轮转动比 ，所以折算到电机轴上的转动惯量分别为各自的转动惯量。故死杠传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为： 惯量匹配关系： 所以转动惯量是匹配的。第7章 数控机床控制部分设计7.1 系统简介CAK6140数控车床的设计采用华中HNC-21T数控系统，HNC-21T车床数控系统可与各种数控车床、车削加工中心配套使用。该系统以32位工业PC机为控制机

47、，其处理能力、运算速度、控制精度、人机界面及图形功能等方面均较目前流行的车床数控系统有较大的提高。系统具有类似高级语言的宏程序功能，可以进行平面任意曲线的加工。系统操作方便，性能可靠，配置灵活，功能完善，具有良好的性能价格比。主要性能指标：控制轴数：29轴/通道联动轴数：29轴/通道最大编程尺寸：9999最大进给速度：24m/min最小分辨率： 1m (可设置)直线、圆弧、螺纹插补自动加减速控制（S曲线）MDI功能MST功能故障诊断与报警汉字操作界面和在线帮助全屏幕程序在线编辑与校验功能具有参考点返回和多个工件坐标系设置与选择功能用户宏程序多种固定循环加工轨迹彩色图形仿真，加工过程实时图形显示

48、双向螺距补偿(最多1000点/轴)反向间隙补偿刀具长度与半径补偿刀库管理主轴转速及进给速度倍率控制CNC通讯功能：RS-232或RS-485网络功能：支持NT、Novell、Internet网络支持DIN/ISO标准G代码，零件程序容量：电子盘：2MB-4MB可选；硬盘、网络：不需DNC，最大可直接执行2GB的程序接触式和非接触式数字化仿形功能 (选件)内部二级电子齿轮PLC-T型图、C语言编程C+ 运动控制开发函数库(选件)IntelCAM自动编程软件(选件)通道数：最多4通道 图7-1 HNC-21T数控系统体系结构图7-2 HNC-21T数控系统软件结构72总体框图 CAK6140数控车

49、床系统配置框图见图7-3。系统设计的主要硬件见表7-1。图7-3 CAK6140数控车床系统配置框图表7-1 CAK6140车床数控系统设计主要器件序号名称规格主要用途备注1数控装置HNC-21TC控制系统华中数控2软驱单元HFD-2001数据交换华中数控3控制变压器AC380/220V 300W /110V 250W /24V 100W /24V 100W伺服控制电源、开关电源供电华中数控交流接触器电源照明灯电源HNC-21TC电源4伺服变压器3P AC380/200V 2.5KW为伺服电源模块供电华中数控5开关电源AC220/DC24V 100W开关量及中间继电器明玮6伺服电源模块HSV-11P075为伺服驱动器供强电华中数控7伺服驱动器HSV-11D030X、Z轴电机伺服驱动器华中数控8伺服电机110STZ4-1-LM（4NM ）X轴进给电机华中数控9伺服电机130STZ7.5-1-LM（7.5NM）Z轴进给电机华中数控73 输入输出开关量定义表7-2表7-5为 CAK6140车床数控系统对输入输出开关