三坐标铣床的数控化改造设计毕业论文fsfw.docx

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1、摘要毕业设计计是在原原有普通通铣床的的基础上上,对其其进行改改造,成成为三坐坐标数控控铣床。该该机床能能通过三三轴联动动，实现现曲线直直线等不不同的加加工路线线。所设计的的三坐标标数控铣铣床，三三个坐标标方向的的移动均均由步进进电机带带动，主主轴电机机采用交交流电机机，所有有电机均均由单片片机进行行控制。设设计主要要对数控控铣床的的机构进进行设计计，了解解单片机机的工作作原理，主主要有以以下几个个方面：X、YY,Z工工作台的的传动机机构设计计，主要要是滚珠珠丝杠的的运用；机床整整体结构构的设计计，了解解优缺点点，充分分考虑主主要矛盾盾，择优优选取；单片机机控制系系统的设设计，进进一步熟熟悉其应

2、应用。在数控机机床系统统中，加加工精度度和加工工可靠性性是伺服服系统决决定的，本本文对普普通铣床床的数控控化改造造进行了了分析和和设计，通通过对普普通铣床床的数控控化改造造，提高高了普通通铣床的的加工能能力和加加工范围围，节省省了直接接购买机机床的部部分资金金，具有有很好的的经济效效益。关键词： 铣床床, 数数控, 三坐坐标目录摘要1Absttracct2前言5第一章概概论61.1 数控控机床的的产生及及发展661.2 数控控机床的的组成及及分类661.2.1 数数控机床床的组成成61.2.2 数数控机床床的分类类81.3 数控机机床的特特点及应应用范围围91.3.1 数数控机床床的特点点91

3、.3.2 数数控机床床的应用用范围99第二章设设计主要要参数及及基本思思想1002.1 课题要要求1002.1.1 题目名名称（包包括主要要技术参参数）及及技术要要求1002.1.2 课题内内容及工工作量1102.2 设计计原则1102.3 总结结构设计计112.3.1 数数控机床床的机构构设计要要求1112.3.2 提提高机床床的结构构刚度1112.3.3 提高进进给运动动的平稳稳性和精精度122第三章三三坐标数数控铣床床的设计计和计算算133.1主主传动系系统的设设计1333.1.1 主主传动变变速系统统143.2 主轴轴系统计计算1773.3.1 对对进给伺伺服系统统的基本本要求1193

4、.3.2 进进给伺服服系统的的设计要要求2003.3.3 进进给伺服服系统的的动态响响应特性性及伺服服性能分分析2003.4进进给传动动的计算算213.4.1 X轴滚滚珠丝杠杠副2113.4.2 YY轴滚珠珠丝杠副副243.4.3 Z轴滚滚珠丝杠杠副2883.4.4滚珠珠丝杠的的安装与与使用331第四章微微机控制制系统的的设计3344.1微微机控制制系统组组成及特特点3444.1.1 微微机控制制系统的的组成3344.1.2微机机数控系系统的特特点3444.2 微机机控制系系统设备备介绍3354.2.1 主主控制器器CPUU的选择择354.2.2 存存储器电电路的扩扩展3664.2.3 II/

5、O口口电路的的扩展3384.2.4 步步进电机机驱动电电路4004.2.5 其其它辅助助电路设设计4114.3 程序序部分442结论466参考文献献47致谢488前言随着人工工智能在在计算机机领域的的渗透和和发展，数数控系统统引入自自适应控控制模糊系系统和神神经网络络的控制制机理，不不但具有有自动编编程前馈控控制模糊控控制学习控控制自适应应控制工艺参参数自动动生成三维刀刀具补偿偿运动参参数动态态补偿等等功能，而而且人机机截面极极为友好好，并且且有故障障诊断专专家系统统使自诊诊断和故故障监控控功能更更趋完善善。伺服服系统智智能化的的主轴交交流驱动动和智能能化进给给伺服装装置，能能自动识识别负载载

6、并自动动优化调调整参数数。直线线电机驱驱动系统统以使用用化。用数控铣铣床加工工零件时时，首先先应编制制该零件件的加工工程序，这这是数控控铣床的的工作指指令。将将加工程程序输入入数控装装置，再再由数控控装置控控制机床床主运动动的变速速启动停止进给运运动的方方向速度和和位移量量，以及及工件装装夹和冷冷却润滑滑的开关关等动作作，使刀刀具与被被加工零零件以及及其它辅辅助装置置严格按按照加工工工序规规定的顺顺序运动轨轨迹加工工出符合合要求的的零件。三坐标数数控铣床床的进给给运动是是数字控控制的直直接对象象，不论论点位控控制还是是连续控控制，被被加工工工件的最最后坐标标精度和和轮廓精精度都受受到进给给运动

7、的的传动精精度灵敏度度和稳定定性的影影响。为为此，要要注意以以下三点点进给运运动要求求：(1) 减少运运动件的的摩擦力力。进给给系统虽虽有许多多元件，但但摩擦阻阻力主要要来自丝丝杠和导导轨。丝丝杠和导导轨结构构的滚动动化是减减少摩擦擦的重要要措施之之一。(2) 提高传传动精度度和刚度度。在进进给系统统中滚珠珠丝杠和和支承结结构是决决定其传传动精度度和刚度度的主要要部件，因因此，必必须首先先保证它它们的加加工精度度。(3) 减少运运动惯量量。进给给系统中中每个元元件的惯惯量对伺伺服机构构的启动动和制动动特性都都有直接接的影响响。尤其其是处于于高速运运转的零零件，其其惯性的的影响更更大。设计是在在

8、原有普普通铣床床的基础础上,对对其进行行改造,成为三三坐标数数控铣床床。该机机床能通通过三轴轴联动，实实现曲线线直线等等不同的的加工路路线。所设计的的三坐标标数控铣铣床，三三个坐标标方向的的移动均均由步进进电机带带动，主主轴电机机采用交交流电机机，所有有电机均均由单片片机进行行控制。此设计主主要对数数控铣床床的机构构进行设设计，了了解单片片机的工工作原理理，主要要有以下下几个方方面：XX、Y、ZZ工作台台的传动动机构设设计，主主要是滚滚珠丝杠杠的运用用；机床床整体结结构的设设计，了了解优缺缺点，充充分考虑虑主要矛矛盾，择择优选取取；单片片机控制制系统的的设计，进进一步熟熟悉其应应用。第一章 概

9、论论1.1 数控控机床的的产生及及发展随着社会会生产和和科学技技术的发发展，机机械产品品日趋精精密复杂杂，且需需频繁改改型。特特别是在在宇航、造造船、军军事等领领域所需需的零件件，精度度要求高高，形状状复杂，批批量小。普普通机床床已不能能适应这这些需求求。为了了满足上上述要求求，一种种新型的的机床数字字程序控控制机床床（简称称数控机机床）应应运而生生。最早进行行数控机机床研制制的是美美国人。119522年，美美国麻省省理工学学院成功功地研制制出一套套三坐标标联动，利利用脉冲冲乘法器器原理的的数控机机床。但但这台数数控机床床仅是一一台试验验性的机机床，当当时用的的电子元元件是电电子管。直直到19

10、954年年11月月，第一一台工业业用的数数控机床床才生产产出来。从此以后后，世界界上其他他一些工工业国家家也多开开始开发发、生产产及应用用数控机机床。我我国数控控机床的的研制是是从19958年年起步的的。19965年年国内开开始研制制晶体管管数控系系统。从从70年代代开始，数数控技术术广泛应应用于车车、铣、钻钻、镗、磨磨、齿轮轮加工、点点加工等等领域，数数控加工工中心在在上海、北北京研制制成功。在在这一时时期，数数控线切切割机床床由于结结构简单单，使用用方便、价价格低廉廉，在模模具加工工中得到到了推广广。19985年年，我国国数控机机床品种种有了新新的发展展。早期的数数控机床床控制系系统采用用

11、电子管管，体积积大、功功耗高，只只在军事事部门应应用。只只有在微微处理机机用于数数控机床床后，才才真正使使数控机机床得到到了普及及。目前前数控技技术的主主要发展展趋势是是：实现现高速度度，高可可靠性，高高精度，大大功率，多多功能；采用微微处理机机和微型型计算机机，向着着增强功功能、降降低造价价、方便便使用的的目标进进展；积积极应用用计算技技术、系系统工程程理论和和控制技技术的最最新成果果，像这这综合自自动化方方向变革革。1.2 数控控机床的的组成及及分类1.2.1 数数控机床床的组成成控制介质数控装备伺服装置机床本体辅助装备 数控机机床的种种类繁多多，但从从组成一一台完整整的数控控机床上上讲，

12、它它由控制制介质、数数控装置置、伺服服系统和和机床本本体丝大大部分以以及辅助助设备组组成。如如图（11）所示示。、图1.11 数控控机床组组成示意意图1控制制介质控制介质质是指零零件加工工信息传传送到数数控装置置去的信信息载体体。控制制介质有有多种形形式，它它随着数数控装置置的类型型不同而而不同，常常用的有有穿孔纸纸带、穿穿孔卡、磁磁带、磁磁盘等。另另外，随随着CAAD/CCAM技技术的发发展，有有些数控控设备利利用CAAD/CCAM软软件在其其他计算算机上编编程，然然后通过过计算机机与数控控系统通通信，将将程序和和数据直直接传送送给数控控装置。2. 数数控装备备数控装置置是数控控机床的的控制

13、中中心。它它由输入入装置、控控制装置置和输出出装置等等组成。如如图（22）所示示，划线线框内位位数控装装置。输入装置置受控制制介质上上的信息息，经过过识别与与译码之之后，送送到控制制运算器器。这些些信息将将作为控控制与运运算的原原始依据据。控制运算算器根据据输入装装置送来来的信息息进行运运算，并并将控制制命令输输送往输输出装置置，输出出装置将将控制器器发出的的控制命命令送到到伺服系系统，经经功率放放大，驱驱动机床床完成相相应的动动作。控制介质阅读机输 入 装 备控 制 器输 出 装 置伺 服 机 构 图1.2 数数控装置置组成示示意图3.伺服服系统伺服系统统，亦称称随动系系统，是是一种能能够跟

14、踪踪输入的的指令信信号进行行动作，从从而获得得精确的的位置、速速度或力力输出的的自动控控制系统统。它是是数控机机床的执执行机构构，包括括驱动和和执行两两大部分分。伺服服系统接接受数控控系统的的指令信信息，并并按照指指令信息息的要求求带动机机床移动动部件运运动，以以加工出出符合要要求的零零件。指指令信息息是以脉脉冲信息息体现的的，每一一脉冲使使机床移移动部件件产生的的位移叫叫脉冲当当量(常常用的脉脉冲当量量为0.0011mm0.001mmm)。从自动控控制理论论的角度度来分析析，无论论多么复复杂的伺伺服系统统，都是是有一些些功能元元件组成成的。图图（3）是是由各功功能元件件组成的的伺服系系统基本

15、本结构方方框图。调节元件执行元件被控对象比较元件输入 输输出量 指令令 测量、反馈元件图1.33 伺服服系统基基本结构构方框图图目前数控控机床的的伺服系系统中，常常用的位位移执行行机构有有功率步步进电机机、直流流伺服电电动机和和交流伺伺服电动动机，后后两者都都带有光光电编码码器等位位置测量量元件。4. 机机床本体体机床本体体是数控控机床的的主体，是是用于完完成各种种切削加加工的机机械部分分，它是是在原有有的普通通机床的的基础上上改进而而得到的的，具有有以下特特点：（1）数数控机床床采用了了高性能能的主轴轴及伺服服系统传传动系统统，机械械传动结结构简化化，传动动链较短短。（2）数数控机床床机械结

16、结构具有有较高的的刚度，阻阻尼精度度及耐磨磨性，热热变形小小。（3）更更多地采采用高效效传动部部件，如如滚动丝丝杠副，直直线滚动动导轨等等。除了上述述四个主主要部分分外，数数控机床床还有一一些辅助助装置和和附属设设备，如如电器，液液压，气气动系统统与冷却却、排屑屑、照明明、储运运等装置置以及编编程机、对对刀块等等。 1.2.2 数数控机床床的分类类1 刀刀具相对对于工件件移动的的轨迹分分类（1） 点位控控制数控控机床 点位控控制机床床的特点点是只控控制移动动部件的的终点位位置，即即控制移移动部件件由一个个位置到到另一个个位置的的精确定定位，而而对它们们运动过过程中的的轨迹没没有严格格的要求求，

17、在移移动和定定位过程程中不进进行任何何加工。（2）点点位直线线控制数数控机床床 直直线控制制数控机机床的特特点是刀刀具相对对于工件件的运动动不仅要要控制两两点间的的准确位位置（距距离），还还要控制制两点之之间移动动的速度度和轨迹迹。（3）轮轮廓控制制数控机机床 轮廓控控制又称称连续控控制，大大多数数数控机床床具有轮轮廓控制制功能。其其特点是是能同时时控制两两个以上上的轴，具具有插补补功能。（4） 执行机机构的控控制方式式分类2 按按驱动装装置的特特点分类类（1）开开环控制制系统 它是是指不带带反馈装装置的控控制系统统。它是是根据穿穿孔带上上的数据据指令经经过控制制运算发发出脉冲冲信号输输出到伺

18、伺服驱动动装置，使使驱动伺伺服装置置转过相相应的角角度，然然后经过过减速齿齿轮和丝丝杠螺母母机构，转转换为移移动部件件的直线线位移。（2） 闭环控控制系统统 它它是指在在机床的的运动部部件上安安装位移移测量装装置，将将加工中中测量到到的实际际位置值值反馈到到数控装装置中，与与输入值值的指令令相比较较，用比比较的差差值控制制移动部部件，直直到差值值为零，即即实现移移动部件件的精确确定位。（3） 半闭环环控制系系统 它是在在开环控控制系统统的丝杠杠上或进进给电动动机的轴轴上装有有角位移移检测装装置。通通过检测测伺服机机构的滚滚珠丝杠杠转角间间接测移移动部件件的位移移，然后后将数据据反馈给给比较器器

19、进行比比较，输输出比较较后的差差值进行行控制。3. 按按加工方方法分类类（1） 金属切切削类数数控机床床；（2） 金属成成型类数数控机床床；（3）数数控特种种加工机机床；（4） 其它类类的数控控机床4. 按按数控机机床的性性能分类类(1)低低档数控控机床；(2) 中档数数控机床床；(3) 高档数数控机床床；1.3 数控机机床的特特点及应应用范围围1.3.1 数数控机床床的特点点数控机床床是一个个装有程程序控制制系统的的机床。它它是一种种高度机机电一体体化的产产品。特特点如下下：（1）适适应性强强，加工工精度高高，质量量稳定（2）生生产率高高（3）减减轻劳动动强度、改改善劳动动条件（4）良良好的

20、经经济效益益（5）有有利于生生产管理理的现代代化1.3.2 数数控机床床的应用用范围从最经济济的方面面出发，数数控机床床适用于于加工：（1）多多品种小小批量零零件；（2）结结构较复复杂，精精度要求求较高的的零件；（3）需需要频繁繁改型的的零件；（4）价价格昂贵贵，不容容许报废废的关键键零件；（5）需需要小生生产周期期的急需需零件。第二章 设计计主要参参数及基基本思想想2.1 课题要要求2.1.1 题目名名称（包包括主要要技术参参数）及及技术要要求三坐标数数控铣床床设计（1）XX、Y、Z轴的行程分别为 300mm、300mm、250mm;（2）进进给精度度0.001mmm；（3）XX、Y、Z轴

21、快快速进给给速度分分别为 6mm/miin、66m/mmin、33m/mmin；（4）工工作台面面尺寸3300xx5000mm;（5）脉脉冲当量量0.001mmm/步；（6）重重复定位位精度 0.001mmm.2.1.2 课题内内容及工工作量(1) 简易数数控铣床床总图AA0一张张(2)控控制原理理图设计计A0一一张(3)计计说明书书一份11.2万万字以上上(4)翻翻译5000汉字字注：全部部图纸用用计算机机绘制，说说明书由由计算机机输出。2.2 设计计原则根据设计计要求和和铣床的的具体情情况，课课题的基基本设计计方案如如下：（1）机机床采用用连续控控制系统统，定位位方式采采用增量量坐标控控制

22、。（2）考考虑到机机床加工工精度要要求不高高，为了了简化结结构，降降低成本本，采用用步进电电机开环环伺服系系统驱动动。（3）进进给传动动的设计计是机床床设计的的重点，数数控机床床必须有有精确的的进给传传动系，才才会有高高的精度度和表面面质量。考考虑到电电机步距距角和丝丝杠导程程只能按按标准选选用，为为达到分分辨率00.011mm的的要求，需需采用齿齿轮降速速传动，利利用电子子控制系系统消除除误差。（4）为为了保证证一定的的传动精精度和平平稳性，又又要求机机构紧凑凑，所以以选用丝丝杠螺母母副。为为提高传传动刚度度和消除除间隙，采采用有预预加载荷荷的结构构。（5）传传动系统统要加上上脉动装装置。

23、以上为为基本的的设计方方案，除除了这些些，课题题应注意意机床的的几何精精度的修修正，数数控指令令的显示示和使用用等。2.3 总结结构设计计2.3.1 数数控机床床的机构构设计要要求数控机床床的结构构设计要要求主要要有以下下方面:（1）有有良好的的抗振性性能和较较大的额额定切削削功率，高高的静、动动态刚度度；（2）有有较高的的热稳定定性和较较高的几几何精度度、传动动精度、定定位精度度；（3）有有数控系系统及其其介质。下面我们们详述数数控机床床结构设设计的主主要要求求2.3.2 提提高机床床的结构构刚度机床的刚刚度是指指切削力力和其它它力作用用下,抵抵抗变形形的能力力。机床床在切削削过程当当中，要

24、要承受各各种外力力的作用用，承受受的静态态力有运运动部件件和被加加工零件件的自重重；承受受的动态态力有：切削力力、驱动动力、加加减速时时引起的的惯性力力、摩擦擦阻力等等。组成成机床的的结构部部件在这这种力作作用下将将产生变变形。如如固定连连接表面面或啮合合运动表表面的接接触变形形；各支支撑零件件的弯曲曲和扭转转变形，以以及某些些支撑件件的局部部变形等等，这些些变形都都会直接接或间接接的引起起刀具和和工件之之间的相相对位移移，从而而导致工工件的加加工误差差，或者者影响机机床切削削过程的的特性。(1) 选择及及布置隔隔板和筋筋条床身的静静刚度是是直接影影响机床床的加工工精度和和其生产产率的主主要因

25、素素之一。而而静刚度度及固有有频率，是是影响动动刚度的的重要因因素。支支承件的的隔板和和筋条的的合理性性，可提提高构件件的静、动动刚度。(2) 结构刚刚度与普通机机床相比比，数控控机床应应有更高高的静、动动刚度，更更好的抗抗振性。机机床的导导轨和支支承件通通常是局局部刚度度最弱的的部分，在在本次设设计中，采采用双臂臂联接形形式，XX、Y轴轴导轨较较窄。(3) 采用焊焊接结构构的构件件采用钢板板和焊钢钢而不采采用铸件件的原因因：1）钢的的弹性模模量约为为铸铁的的两倍，因因此采用用钢板焊焊接结构构床身有有利于提提高固有有频率。在在形状和和轮廓尺尺寸相同同的前提提下，如如要求焊焊接件与与铸件的的刚度

26、相相同，则则焊接件件的臂厚厚只需铸铸件的一一半。2）如果果要求局局部刚度度相同，因因局部刚刚度与臂臂厚的三三次方成成正比，所所以焊接接件的臂臂厚只需需铸件的的80%左右。3）钢可可以提高高构件的的谐振频频率使共共振不易易发生。4）钢板板焊接能能将构件件做成全全封闭的的箱形结结构，提提高刚度度。焊接接结构床床身的突突出优点点是制造造周期短短，一般般比铸铁铁快1.7-33.5倍倍。省去去了制作作木模和和铸造工工序，不不易出废废品。焊焊接结构构设计灵灵活，便便于产品品更新、改改进结构构。焊接接件能达达到与铸铸件相同同，甚至至更好的的结构特特性，可可提高抗抗弯截面面惯性矩矩，减少少质量。合理的结结构布

27、局局可以提提高刚度度，机床床的工作作头部分分由于重重力作用用将会使使机床立立柱产生生弯曲变变形，切切削力将将使立柱柱产生弯弯曲和扭扭转变形形。这些些变形将将影响到到加工精精度。故故本次设设计中将将采取通通过在立立柱上方方安装两两组定滑滑轮来平平衡重力力的方法法，来减减少立柱柱的变形形，提高高机床的的刚度。2.3.3 提高进进给运动动的平稳稳性和精精度数控机床床各坐标标轴进给给运动的的精度极极大的影影响零件件的加工工精度。在在开环进进给系统统中运动动精度取取决于系系统各组组成环节节，特别别是机械械传动部部件的精精度；在在闭环和和半闭环环进给系系统中，位位置检测测装置的的分辨率率对运动动精度有有决

28、定性性的影响响，但是是机械传传动部件件的特性性对运动动精度也也有一定定的影响响。通常常在开环环进给系系统中，设设定的脉脉冲当量量为0.01mmm时，实实际的定定位精度度最好的的情况也也只能达达到0.0255mm。在在闭环进进给系统统中，设设定的脉脉冲当量量（或称称最小设设定单位位）一般般为0.0011mm，实实际上定定位精度度只能达达到0.0033mm，当当指令进进给系统统做单步步进给（即即每次移移动0.0011mm）时时，开始始一两个个单步指指令，进进给部件件并不动动作，到到第三个个单步指指令时才才突跳一一段距离离，以后后又如此此重复。这这些现象象都是因因为进给给系统的的低速爬爬行现象象引起

29、的的，而低低速爬行行现象又又决定于于机械传传动部件件的特性性。本设计采采取的方方案有：（1）减减少静、动动摩擦系系数之差差（2）提提高系统统的传动动刚度。第三章 三坐坐标数控控铣床的的设计和和计算3.1主主传动系系统的设设计主传动系系统一般般由动力力源（如如电动机机）、变变速装置置及执行行元件（如如主轴、刀刀架、工工作台），以以及开停停、换向向和制动动机构等等部分组组成。动动力源为为执行元元件提供供动力，并并使其得得到一定定的运动动速度和和方向,变速装装置传递递动力以以及变换换运动速速度，执执行元件件执行机机床所需需的运动动，完成成旋转或或直线运运动。现代切削削加工正正向着高高速、高高效和高高

30、精度方方向发展展，对机机床的性性能提出出越来越越高的要要求，如如转速高高，调速速范围大大，恒扭扭矩调速速范围达达1：11001：110000，恒功功率调速速范围达达1：110以上上；更大大的功率率范围达达2.222550kWW，能在在切削加加工中自自动变换换速度；机床结结构简单单，噪声声小，动动态性能能好，可可靠性高高等。数数控机床床主传动动设计应应满足如如下特点点：（1）主主传动采采用直流流或交流流电动机机无级调调速（2）数数控机床床驱动电电动机和和主轴功功率特性性的匹配配设计（3）数数控机床床高速主主传动设设计（4）数数控机床床采用部部件标准准、模块块化结构构设计（5）数数控机床床的柔性性

31、化、复复合化（6）虚虚拟轴机机床设计计为了适应应数控机机床加工工范围广广、工艺艺适应性性强、加加工精度度高和自自动化程程度高等等特点，要要求主传传动装置置应具有有以下特特点：（1）具具有较大大的调速速范围，并并实现无无级调速速。无级级变速传传动在一一定的变变速范围围内连续续改变转转速，以以便得到到最有利利的切削削速度；能在运运转中变变速，便便于实现现变速自自动化；能在负负载下变变速，便便于车削削大端面面时保持持恒定的的切削速速度，以以提高生生产效率率和加工工质量。（2）具具有较高高的精度度和刚度度，传动动平稳，噪噪音低。数数控机床床加工精精度的提提高，与与主传动动系统的的刚度密密切相关关。为此

32、此，应提提高传动动件的精精度与刚刚度，采采用高精精度轴承承及合理理的支撑撑跨距等等，以提提高主轴轴组件的的刚性。（3）良良好的抗抗震性和和热稳定定性。数数控机床床一般既既要进行行粗加工工，又要要精加工工；加工工时可能能由于断断续切削削、加工工余量不不均匀运运动部件件不平稳稳以及切切削过程程中的自自激振动动等原因因引起的的冲击力力或交变变力的干干扰，使使主轴产产生振动动，影响响加工精精度和表表面粗糙糙度，严严重时甚甚至破坏坏刀具或或零件，使使加工无无法进行行。因此此主传动动系统中中的各主主要零部部件不但但要具有有一定的的刚度，而而且要求求具有足足够的抑抑制各种种干扰力力引起振振动的能能力抗振性性

33、。抗振振性 用用动刚度度或动柔柔度来衡衡量。例例如主轴轴组件的的动刚度度取决于于主轴的的当量静静刚度阻阻尼比及及固有频频率等参参数。机床在切切削加工工中主传传动系统统的发热热使其中中所有零零部件产产生变形形，破坏坏了零部部件之间间的相对对位置精精度和运运动精度度造成的的加工误误差，且且热变形形限制了了切削用用量的提提高，降降低传动动效率，影影响到生生产率。为为此，要要求主轴轴部件有有较高的的热稳定定性，通通过保持持合适的的配合精精度，并并进行循循环润滑滑保持热热平衡等等措施来来实现。3.1.1 主主传动变变速系统统普通机床床一般采采用机械械有级变变速调速速传动，而而数控机机床需要要自动变变速；

34、且且在切削削阶梯轴轴的不同同直径，切切削曲线线旋转面面和断面面时，需需要随切切削的直直径的变变化而自自动变速速，以保保持切削削速度基基本恒定定。这些些自动变变速又是是无级变变速，以以利于在在一定的的调速范范围内选选用到理理想的切切削速度度，这样样既有利利于提高高加工精精度，又又有利于于提高切切削效率率。机床主传传动中常常采用的的无级变变速装置置有三大大类：变变速电动动机、机机械无级级变速装装置和液液压无级级变速装装置。无级变速速主传动动系统设设计原则则：一为尽量量选择功功率和扭扭矩特性性符合传传动系统统要求的的无级变变速装置置。如铣铣床主传传动系统统要求恒恒功率传传动，就就应该选选择恒功功率无

35、级级变速装装置。二为无级级变速系系统装置置单独使使用时，其其调速范范围较小小，尤其其是恒功功率调速速范围往往往小于于机床实实际需要要的恒功功率变速速范围。为为此，常常把无级级变速装装置与机机械分级级变速箱箱串联在在一起使使用，以以扩大恒恒功率变变速范围围和整个个变速范范围。1主轴轴部件设设计主轴部件件的性能能要求主轴部件件是机床床主要部部件之一一，它是是机床的的执行元元件。它它的功用用是支承承并带动动工件或或刀具旋旋转进行行切削，承承受切削削力和驱驱动力等等载荷，完完成表面面成型运运动。主主轴部件件由主轴轴及其支支承轴承承、传动动件、密密封件及及定位元元件等组组成。主轴部件件的工作作性能对对整

36、机性性能和加加工质量量以及机机床生产产效率有有着直接接影响，是是决定机机床性能能和技术术经济指指标的重重要因素素。因此此，对主主轴部件件有如下下要求：（1）轴轴的旋转转精度是是指装配配后，在在无载荷荷、低速速转动的的条件下下，主轴轴安装工工件或刀刀具部位位的定心心表面（如如车床轴轴端的定定心短锥锥、锥孔孔，铣床床轴端的的7：24锥孔孔）的径径向和轴轴向跳动动。旋转转精度取取决于的的主要件件如主轴轴、轴承承、壳体体孔等的的制造、装装配和调调整精度度。工件件转速下下的旋转转精度还还取决于于主轴的的转速、轴轴承的性性能，润润滑剂和和主轴组组件的平平衡。（2）刚刚度 主主轴部件件的刚度度是指其其在外载

37、载荷作用用下抵抗抗变形的的能力，通通常以主主轴前端端产生单单位位移移的弹性性变形时时，在位位移方向向上所施施加的作作用力来来定义的的。主轴轴部件的的刚度是是综合刚刚度，它它是主轴轴、轴承承等刚度度的综合合反映。因因此，主主轴的尺尺寸和形形状、滚滚动轴承承的类型型和数量量、预紧紧和配置置形式、传传动件的的布置方方式、主主轴部件件的制造造和装配配质量等等都影响响主轴部部件的刚刚度。（3）温温升因为为相对运运动处的的摩擦生生热，切切削取得得切削热热等使主主轴温度度升高将将引起热热变形使使主轴伸伸长，轴轴承间隙隙的变化化，降低低了加工工的精度度；温升升也会降降低润滑滑剂的粘粘度，恶恶化润滑滑条件。因因

38、此，各各类机床床对温升升都有一一定的限限制。（4）可可靠性数数控机床床是高度度自动化化的机床床，所以以必须保保证工作作可靠性性，可喜喜的是这这方面的的研究正正在发展展。（5）精精度保持持性它指指长期保保持其原原始制造造精度的的能力。对对数控机机床的主主轴组件件必须有有足够的的耐磨性性，以便便长期保保持精度度。2主轴轴部件的的组成和和轴承选选型（1）主主轴部件件，它由由主轴及及其支承承轴承、传传动件、密密封件及及定位元元件等组组成。（2）主主轴的传传动件，可可以位于于前后支支承之间间，也可可位于后后支承之之后的主主轴后悬悬伸端。目目前传动动件位于于后悬伸伸端的越越来越多多。这样样做，可可以实现现

39、分离传传动和模模块化设设计：主主轴组件件（称为为主轴单单元）和和变速箱箱可以做做成独立立的功能能部件，又又专门的的工厂集集中生产产，作为为商品出出售。变变速箱和和主轴间间可用齿齿轮副或或带传动动联接。本本三坐标标曲面数数控铣床床采用带带传动联联接。主主轴支承承分径向向和推力力（轴向向）。角角接触球球轴承兼兼起径向向和推力力支承的的作用。推推力支承承应位于于前支承承内，原原因是数数控机床床的坐标标原点，常常设定在在主轴前前端。为为了减少少热膨胀胀造成的的坐标原原点的位位移，应应尽量缩缩短坐标标原点支支推力支支承之间间的距离离。（3）主主轴轴承承，选用用角接触触球轴承承。这种种轴承即即可承受受径向

40、载载荷，又又可承受受轴向载载荷。这这种球轴轴承为点点接触，刚刚度较低低。为了了提高刚刚度和承承载能力力，常采采用多联联组配的的办法。有有三种基基本组配配方式，分分别为背背对背，面面对面和和同向组组配，背背靠背和和面对面面组配都都能受双双向轴向向载荷；同向组组配只能能承受单单向轴向向载荷。背背对背比比面对面面安装的的轴承具具有较高高的抗颠颠覆力矩矩的能力力。运转转时，轴轴承的外外圈的散散热条件件比内圈圈好，因因此，内内圈的温温度将高高于外圈圈，径向向膨胀的的结果将将使轴承承的过盈盈加大。轴轴向膨胀胀对与背背靠背组组配将使使过盈减减少，于于是，可可以补偿偿一部分分径向膨膨胀；而而对于面面对面组组配

41、，将将使过盈盈进一步步加大。基基于上述述分析，主主轴受到到弯距，又又属高速速运转，因因此主轴轴轴承必必须采用用背靠背背组配。（4）角角接触角角轴承的的间隙调调整和预预紧主轴轴承承的内部部间隙，必必须能够够调整，多多数轴承承，还应应在过盈盈状态下下工作，使使滚动体体和导轨轨之间有有一定的的预变形形，这就就是轴承承的预紧紧。轴承预紧紧后，内内部无间间隙，滚滚动体从从各个方方向支承承主轴，有有利于提提高运动动精度。滚滚动体的的直径不不可能绝绝对相等等，滚道道也不可可能绝对对正圆，因因而在预预紧前只只有部分分滚导体体与滚道道接触。预预紧后，滚滚导体和和滚道都都有了一一定的变变形，参参加工作作的滚动动体

42、将增增多，各各滚动体体的受力力将更加加均匀。这这些都有有利提高高轴承的的精度、刚刚度和寿寿命。如如主轴产产生振动动，则由由于各个个方面都都有滚动动体支承承，可以以提高抗抗振性。但但是，预预紧后发发热较多多，温升升较高；而且较较大的预预紧力将将使寿命命下降，故故预紧要要适量。角接触角角轴承在在轴向力力的作用用下，使使内外圈圈产生轴轴向错位位实现预预紧，衡衡量预紧紧力大小小的是轴轴向预紧紧力，简简称预紧紧力Faa0，单单位为NN。多联联角接角角球轴承承是根据据预紧力力组配的的。轴承承厂规定定了轻预预紧、中中预紧和和重预紧紧三级预预紧。订订货时可可指定预预紧级别别。轴承承厂在内内圈（背背靠背组组配）

43、或或外圈（面面对面组组配）的的端面根根据预紧紧力磨去去。装配配时挤紧紧，便可可得到预预定的预预紧力。如如果两个个轴承间间需要隔隔开一定定的距离离，可在在两轴承承之间加加入厚度度相同的的内外隔隔套。在在轴向载载荷的作作用下，不不受力侧侧轴承的的滚动体体与滚道道不能脱脱离接触触。而满满足这个个条件的的最小预预紧力，双双联组配配为最大大轴向载载荷的335%。（5） 承载能能力和寿寿命主轴轴承承通常载载荷相对对较轻。一一些特殊殊重载主主轴外轴轴承的承承载能力力是没有有问题的的。主轴轴轴承的的寿命，主主要不是是取决于于疲劳点点蚀，而而是由于于磨损而而降低精精度。通通常，如如轴承精精度为PP4级，经经使用

44、磨磨损后跳跳动精度度降为PP5级,这个轴轴承就认认为应该该更换了了。虽然然还未达达到其疲疲劳寿命命，但这这种“精度寿寿命”目前还还难以估估计。3主轴轴组件的的动态特特性通常，主主轴组件件的固有有频率很很高，但但是，高高速主轴轴，特别别是带内内装式电电动机高高速主轴轴，电动动机转子子是一个个集中质质量，将将使固有有频率下下降，有有可能发发生共振振。改善善动态特特性，可可采取下下列措施施：（1） 是主轴轴组件的的固有频频率避开开激振力力频率。通通常使固固有频率率高于激激振频率率的300%以上上。如果果发生共共振的那那阶模态态属于主主轴在弹弹性基础础上（轴轴承）的的刚体振振动的第第一阶（平平移）和和

45、第二阶阶（摇摆摆）模态态，则应应提高轴轴承的刚刚度。如如果属于于主轴的的弯曲振振动，则则应提高高主轴的的刚度，如如加粗直直径。激振力可可能来自自主轴组组件的不不平衡，这这时激振振频率等等于主轴轴转速乘乘以 /300。也可可能来自自断续切切削，这这时激振振频率还还应乘以以刀齿数数Z。（2）增增大阻尼尼。如前前所述，降降低模态态，常是是主轴的的刚度振振动。这这时主轴轴轴承，特特别是前前轴承的的阻尼对对主轴组组件的抗抗振性影影响很大大。如果果要求得得到很光光的加工工表面，滚滚动轴承承适当预预紧可以以增大阻阻尼，但但过大的的预紧反反而使阻阻尼减少少，故选选择预紧紧时还因因考虑阻阻尼因素素。（3）采采用

46、消振振装置。4主轴轴轴承的的润滑滚动轴承承在接触触区的压压强很高高，在这这么高的的压强下下，接触触区产生生变形，是是一块小小面积的的接触而而不是一一条线或或一个点点的接触触；润滑滑剂在高高压下被被压缩，粘粘度升高高了。因因此，才才能在滚滚动体与与滚道的的接触区区，形成成一定厚厚度的油油膜，把把两者隔隔开，滚滚道体与与滚道的的接触面面积很小小，所以以，滚动动轴承所所需的润润滑剂很很少的。当当然，也也可用脂脂润滑，还还有用油油气润滑滑的。（1） 脂润滑滑滚动轴承承能用脂脂润滑是是它的突突出优点点之一。脂脂润滑不不需要供供油管路路和系统统，没有有漏油问问题。如如果脂的的选择合合适、洁洁净、密密封良好好，不使使灰尘、油油、切削削液等进进入，寿寿命是很很长的。一一次充填填可用到到大修，不不需补充充，也不不要加脂脂孔。脂润滑可可选用锂锂基脂，如如SKFFLGLLT2号号（常用用于球轴轴承）。（2） 油气润润滑如果dnn值较大大时，还还需对轴轴承进行行冷却。如如果用油油兼作润润滑和冷冷却，则则由于油油的搅拌拌作用，温温升反而而会增加加。最好好用油润润滑，用用空气冷冷却。油油雾润滑滑能达到到这个目目的