高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計含3張CAD圖.zip
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高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計
摘 要
車銑復(fù)合機床是近代工業(yè)發(fā)展的標志，基本實現(xiàn)了高速化、高精度、多功能的現(xiàn)代化要求；其中必不可少的也尤為重要的部件就是此次設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)電主軸，其精度直接影響機床的加工精度，制造業(yè)為滿足市場需求，必須要開發(fā)研究更先進的、更自動化的電主軸部件。
此次設(shè)計完成了電主軸系統(tǒng)設(shè)計，包括電機軸承的選型以及軸承使用壽命的計算、主軸各段尺寸以及主軸強度剛度的校核、裝配二維圖、主軸零件圖和箱體零件圖，設(shè)計了主軸結(jié)構(gòu)，以及主軸工作線上的法蘭盤、隔套、螺母等零部件， 另外還設(shè)計了需要保證機床正常運行的保護設(shè)置，密封裝置和迷宮環(huán)等，箱體的冷卻降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計等。
本次設(shè)計使用二維計算機設(shè)計軟件 AutoCAD 進行了電主軸部件結(jié)構(gòu)的裝配圖設(shè)計和使用三維設(shè)計軟件 SolidWorks 進行了箱體三維建模。本設(shè)計提高了機床加工精度，實現(xiàn)了機床的高速性能，充分體現(xiàn)出了多能化的車銑復(fù)合技術(shù)。
關(guān)鍵詞：車銑復(fù)合機床；電主軸設(shè)計；主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計
I
ABSTRACT
CNC Turn-minllling lathe is the symbol of the modern industrial development， It has basically realized the modernization requirements of high speed, high precision and multi-function; the essential part of which is the main component of this design is the main structure electric spindle. Its precision directly affects the machining precision of the machine tool. In order to meet the market demand, the manufacturing industry must develop more advanced, more personalized, and more self. The motorized electric spindle.
This design has completed the design of the electric spindle system, including the selection of the motor bearing and the calculation of the bearing life, the dimension of the spindle and the checking of the stiffness of the spindle strength, the assembly two-dimensional diagram, the main shaft part drawing and the box part drawing, the structure of the spindle, the flange, the spacer, and the nut on the spindle working line. And other components, in addition, we also designed the protection settings to ensure the normal operation of machine tools, sealing devices and labyrinth rings, and so on.
This design uses the two-dimensional computer design software AutoCAD to carry out the assembly drawing design of the electrical spindle component structure and the 3D modeling of the box by using the 3D design software SolidWorks. This design improves the machining accuracy of machine tools, realizes the high speed performance of machine tools, and fully embodies the technology of multi turn milling and milling.
Key Words：CNC Turn-milling lathe；Motor Spindle；Machine tool； Structural design
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 選題的目的、背景和意義 1
1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.3 研究的主要內(nèi)容 5
2 電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案 6
2.1 電主軸設(shè)計要求及選擇方案 6
2.2 主軸部件的組成及要求選型 7
3 電機、軸承、主軸的選型及參數(shù)確定 8
3.1 電機的選擇 8
3.2 主軸各徑向尺寸的確定 10
3.3 軸承的選擇 12
3.4 主軸軸向各尺寸確定 13
3.5 主軸各參數(shù)計算 14
3.6 軸承壽命計算 16
4 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
4.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
4.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
5 結(jié)論 27
參考文獻 28
附錄 1：外文翻譯 29
附錄 2：外文原文 38
致 謝 43
高精度車銑復(fù)合機床電主軸部件設(shè)計
1 緒論
1.1 選題的目的、背景和意義
本題目來于生產(chǎn)現(xiàn)場工程實際問題，本次設(shè)計的主體機床是大連機床廠有限集團公司生產(chǎn)車間的一臺車銑復(fù)合機床——DTM-B70S。DTM-B70S 系列機床由大連機床集團自主研發(fā)，是基于標準化、現(xiàn)代化、系列化設(shè)計理念的第三代多功能車銑復(fù)合加工中心（以下簡稱車銑中心）。可以根據(jù)市場需求，通過不同的模塊組合，可以構(gòu)成雙主軸、雙刀架、單或者中心架的車銑中心，以及不帶刀庫的車銑中心，是一款有多種配置形式的，以車削為主的高端數(shù)控車銑床?？刂戚S數(shù)為五軸（X、Y、Z、B、C）聯(lián)動，也可以簡化至四軸（X、Y、Z、C）、甚至可以三軸（X、Y、C）聯(lián)動控制的機床，該系列機床適用于各種金屬軸類零件外圓、端面、螺紋、沉槽、內(nèi)孔的車削加工以及平面、鍵槽的銑削加工，能夠完成需要多軸聯(lián)動才能加工的各種曲面，既能高效率的粗加工，又能高質(zhì)量的精加工，特別適合用在軍工、航空、航天等企業(yè)，適合加工形狀復(fù)雜、加工精度要求較高的零件。該機床合理地整合了 B 軸、銑削軸、正副軸、中心架等功能組合，將使機床擁有更強勁的復(fù)合加工能力，僅通過一次裝夾就可以實現(xiàn)
3 臺普通設(shè)備的生產(chǎn)量，大大節(jié)省輔助裝卡時間，有效減少二次裝卡誤差，提高加工質(zhì)量，減少人工成本，大幅度提高生產(chǎn)效率和機床使用率，真正高效率實現(xiàn)一機功能集成化，多工序工藝復(fù)合化。
1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
車銑復(fù)合加工技術(shù)是20 世紀80 年代工業(yè)歷史上發(fā)展起來的一種新型的數(shù)控加工技術(shù)，它是近代工業(yè)發(fā)展的主要標志，標志著現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的飛躍性發(fā)展，并成為 20 世紀 90 年代各個國家設(shè)計研究和發(fā)展的重要方向。
車銑加工技術(shù)是以銑刀代替車刀，通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件切削的一種先進加工技術(shù)，按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對位置不同，車銑加工可主要分為軸向車銑和正交車銑。車銑運動是一種復(fù)合運動，是應(yīng)用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的車削加工。車銑不是簡單的將車削和銑削兩種加工方式合并在一起，而是操縱車銑合成運動來完成各種曲面大概加工。在進行車銑切削時，工件不需要高速轉(zhuǎn)動，主運動是刀具的旋轉(zhuǎn)運動，從而不需要使工件高速旋轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型回轉(zhuǎn)體工件進行高速切削，以及實現(xiàn)難加工材料的干式切削。
因為車銑加工是間斷性切削加工，按照它的特點最適合切削難斷屑材料。車銑加工極易實現(xiàn)高速切削加工，一般車銑加工中心的刀柄接口都是諸如：HSK、CAPTO 等高速加工刀柄，刀具高速旋轉(zhuǎn)，工件低速旋轉(zhuǎn)，因此其切削力比傳統(tǒng)切削加工要小很
43
多。采用車技加工技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的車削加工，是一種高金屬去除率的關(guān)鍵先進制造技術(shù)，尤其適合加工加工凸輪軸、曲軸、細長軸及薄壁套等零部件的加工，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是機械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，所以目前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向就是車銑復(fù)合加工技術(shù)的實現(xiàn)。
車銑復(fù)合加工機床的主要特點是功能應(yīng)用范圍廣而且結(jié)構(gòu)也很緊湊。因此車銑復(fù)合機床的要求要比普通機床的要求高很多，為了使機床可以實現(xiàn)高速，高效率的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下 5 個方面：
1. 電主軸；
2. 雙邊重心驅(qū)動技術(shù)；
3. 雙功能銑車轉(zhuǎn)臺；
4. 擺頭動力刀塔，銑車復(fù)合加工中心電主軸熱態(tài)；
5. 輕量化設(shè)計；
車銑復(fù)合加工機床中首要的功能部件就是電主軸，而且電主軸的性能會直接影響車銑復(fù)合加工機床的工作性能，車銑復(fù)合加工機床電主軸在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量產(chǎn)生熱變形，整個熱變形產(chǎn)生誤差占到整個機床加工誤差的百分之四十到百分之七十，現(xiàn)在車銑復(fù)合加工技術(shù)的難點就是抑制溫升、減小熱變形。國內(nèi)在電主軸研究和發(fā)展方面比較晚，國內(nèi)電主軸技術(shù)的落后是導致國內(nèi)車銑復(fù)合加工技術(shù)落后的主要原因。圖 1.1 所示為立式車銑復(fù)合加工中心整體結(jié)構(gòu)圖。
圖 1.1 立式車銑復(fù)合加工機床整體結(jié)構(gòu)圖
1- Y 軸直線導軌；2-立柱；3-A 軸刀架滑板裝置；4-A 軸銑車刀架；5-中空滾絲杠副；6-螺旋排屑裝置；7-回轉(zhuǎn)工作臺；8-轉(zhuǎn)臺臺座；9-底座
現(xiàn)代機床普遍精度不高，效率低，所以導致產(chǎn)品水平不高，但車銑復(fù)合加工機床電主軸具有動平衡能力，降低主軸振動對加工精度的影響，并且電主軸的結(jié)構(gòu)簡單并
緊湊，而且體積小重量輕，是復(fù)合機床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。數(shù)控車床只能做軸向加工，主軸并不具備 C 軸功能，當需要進行工件表面加工的時候，就需要用到 C 軸功能， 所以需用到車銑復(fù)合加工機床電主軸系統(tǒng)是由內(nèi)藏式電主軸及高精度速度與位置反 饋裝置組成，這樣機床的主軸才具有 C 軸功能，機床在加工時直接帶動零件作旋轉(zhuǎn)運動，并于機床的 X 軸或與機床的 Z 軸聯(lián)動，實現(xiàn)插補，完成零件的銑削加工。
電主軸的發(fā)展十分迅猛，我國最早電主軸出現(xiàn)在 20 世紀 80 年代應(yīng)用在磨床行業(yè)上，但如今電主軸技術(shù)相對比較落后，國外相對比較發(fā)達，從事電主軸制造方面的主要公司由：德國 GMN、瑞士 IBAG、日本大限等，其中 GMN、IBAG 等幾家的電主軸技術(shù)水平已然成為全球最先進發(fā)展標志，這些公司生產(chǎn)的電主軸和國內(nèi)生產(chǎn)的電主軸相比有以下幾個特點：
（1） 大功率、高轉(zhuǎn)速；
（2） 精密裝配與精密加工工藝水平高；
（3） 高速和高剛性軸承。在國外，高剛度和高速軸承主要在高精度高速主軸使用，主軸承是液體動壓軸承和陶瓷軸承；
（4） 配套控制系統(tǒng)水平高。
國外比較發(fā)達的國家早都已經(jīng)開始研究發(fā)展電主軸技術(shù)并且已經(jīng)生產(chǎn)了產(chǎn)品化的加工機床。所以我國與國外的電主軸技術(shù)有很大的差距，國產(chǎn)電主軸在性能方面和質(zhì)量方面不如外國領(lǐng)先，差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1.在電主軸的大轉(zhuǎn)矩低速方面，與國外相比國內(nèi)目前最多也就在 100Nm 以內(nèi)，國外電主軸低速段的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到 300Nm 以上，最高已經(jīng)可以達到 600Nm 以上。
2.在電主軸的高速方面，我國電主軸的最高轉(zhuǎn)速為 15000r/min，國外的高速電主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到了 75000r/min。
3.在電主軸的潤滑方面，我國電主軸主要還是油霧潤滑和脂潤滑，這是最基本的兩種潤滑方式，國外潤滑方式比較多也比較先進。
4.在電主軸的性能和功能方面，在我國，電主軸還是用于不同機床，應(yīng)用的不夠全面，但是與國內(nèi)相比不同的是國外已經(jīng)在高速、高精度和多功能方面上發(fā)展迅速。
5.在電主軸的軸承選用方面，國外高速軸承在主軸應(yīng)用的很多，但是國內(nèi)對此認識不夠全面，應(yīng)用的比較少見，比較欠缺。
6.與電主軸裝配方面，比如快速停止快速啟動的技術(shù)方面，主軸 C 軸傳動技術(shù)， 準停技術(shù)等，國內(nèi)電主軸技術(shù)發(fā)展太慢，跟不上國際潮流的發(fā)展與進步，更滿足不了數(shù)控市場的應(yīng)用需求。
7.在生產(chǎn)的零件質(zhì)量、大小和數(shù)量的方面，我國有很多企業(yè)針對電主軸進行設(shè)計、研究和制造，但是我國電主軸技術(shù)還是比較集中在磨床方面，還處于最開始的階段， 在國際上，電主軸中的編碼器，刀具接口器等部件已經(jīng)非常領(lǐng)先。
隨著機床技術(shù)、高速切削技術(shù)的發(fā)展實際應(yīng)用的需要，對機床電主軸的性能也提出越來越高的要求，電主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在幾個方面：
（1）繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展。未來的機床需要制造更大的零件或者更精密的零部件，所以需要更高的轉(zhuǎn)速和更高的精度，因為電主軸對其影響很大，所以需要更高的速度和更高的剛度，在主軸軸承機器潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具以及接口技術(shù)等方面需要更大的突破，高速已然成為目前發(fā)展的大趨勢；剛度方面主軸需要更好的材料、結(jié)構(gòu)以及軸承及其潤滑技術(shù)，這些都符合機床的發(fā)展需要。
（2）向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。按照實際使用必要，通常數(shù)控機床要同時滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，所以，機床電主軸應(yīng)當具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的能力。
（3）進一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展。未來數(shù)控機床的精度和可靠性會有越來越高的要求，電主軸作為數(shù)控機床核心功能部件之一，它本身的精度和可靠性也要隨之提高。比如主軸徑向跳動在 0.001mm 以內(nèi)，軸向定位精度在
0.0005mm 以下，同時采取特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法及設(shè)計特殊的預(yù)緊力預(yù)緊方式，那么電主軸的壽命也會得到延長，它的可靠性也會隨之提高。
（4）電主軸內(nèi)置電機性能和形式多樣化。未來實際應(yīng)用需求會提高很多，所以必須改善電主軸電機的性能，擴大恒功率調(diào)速范圍?，F(xiàn)代工業(yè)永磁同步電機電主軸的出現(xiàn)，相比于其他同功率的異步電機，尺寸小，功率高，在設(shè)計結(jié)構(gòu)和技術(shù)上真正實現(xiàn)了小尺寸大功率。
（5）向快速啟、停方向發(fā)展。數(shù)控機床電主軸的快速啟動、快速停止時間越短， 那么輔助時間也會減少，效率得到明顯的提高。現(xiàn)今，國外電主軸的啟、停加速度可達到 1g 以上，全速啟、停時間在 1s 以內(nèi)，可以說是一流的水平，國內(nèi)應(yīng)該加強這方面的研究。
（6）軸承及其預(yù)載荷施加方式、潤滑方式多樣化。鋼制滾動軸承應(yīng)用的非常廣泛，除此之外，近年來逐漸出現(xiàn)了強度更高的陶瓷球混合軸承。潤滑方式一般有油脂、油霧、油氣等，油氣潤滑方法是其中最特別，它具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點，在工業(yè)方面得到廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負荷施加方式除剛性預(yù)負荷、彈性預(yù)負荷之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負荷方式。電主軸的支承形式方面，又生產(chǎn)了磁浮軸承電主軸、氣浮軸承電主軸、液浮軸承電主軸等精度更高的產(chǎn)品。
（7）刀具接口逐步趨于 HSK 刀柄技術(shù)。高速轉(zhuǎn)動的機床主軸會產(chǎn)生很大的離心力，傳統(tǒng)的刀柄結(jié)構(gòu)不能滿足使用的需求，需要采用 HSK 等符合高速要求的刀柄接口形式。HSK 刀柄具有突出的靜態(tài)和動態(tài)聯(lián)接剛性，且傳遞扭矩能力強、刀具重復(fù)定位精度高、聯(lián)接可靠性高，更適合在高精度、高速的情況下使用。
（8）向多功能、智能化方向發(fā)展。在多功能方面，有角向停機精確定位（準停）、
C 軸傳動、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精度補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀連鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(jiān)控等。
總之，我國數(shù)控機床功能部件和技術(shù)雖然有了很大的發(fā)展，帶動了我國功能部件技術(shù)水平和產(chǎn)品檔次的提高，但仍然存在很多問題，要趕上國際先進水平，還要不斷提高創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)的能力。
1.3 研究的主要內(nèi)容
本課題的研究主要內(nèi)容以車銑復(fù)合、高速、高精度的電主軸為主要研究對象，從而實現(xiàn)電主軸的各項功能以及要求。主要有以下幾個方面：
1. 根據(jù)復(fù)合機床電主軸高速高精度和設(shè)計參數(shù)，確定電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案；
2. 計算主軸強度剛度；
3. 研究軸承的使用壽命；
4. 設(shè)計適合電主軸的箱體，提高穩(wěn)定性。
5. 設(shè)計電主軸部件結(jié)構(gòu)，包括細節(jié)結(jié)構(gòu)，如密封結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)等。
2 電主軸系統(tǒng)設(shè)計方案
2.1 電主軸設(shè)計要求及選擇方案
設(shè)計參數(shù)：車銑復(fù)合電主軸部件采用西門子內(nèi)置電機，帶 C 軸，電動機以及軸承需要冷卻來控制溫度，要求主軸轉(zhuǎn)速最高 3500r/min，主軸前端規(guī)格為 A2-11，主軸通孔要達到Φ100 以上。
2.1.1 主傳動系統(tǒng)的功能要求
車銑復(fù)合加工機床有極高的加工準確性及豐富的工作形式，軍工，航天，航空等需要車銑復(fù)合機床加工其中的復(fù)雜以及精度高的零部件。當機床主軸固定，工作臺旋轉(zhuǎn)時，工作臺則起到了 C 軸的作用，可以對工件進行銑削。當機床車工件時主軸只做扭轉(zhuǎn)運動，對主軸扭轉(zhuǎn)的位置不進行控制。作為 C 軸進行銑削加工時，工作臺驅(qū)動扭矩比較小，但是作為車削運動旋轉(zhuǎn)時，機床需要的驅(qū)動扭矩較大。這樣，機床就具有更大的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無極調(diào)速。
實現(xiàn) C 軸功能的方式通常有三種，第一種是電機直接安裝在主軸上；第二種是伺服主軸電機經(jīng)減速器驅(qū)動；第三種是用進給伺服電機經(jīng)減速器驅(qū)動，這里設(shè)計采用的是第一種，把電機直接安裝在主軸上，因為電主軸和電機是接觸的，所以電主軸傳動比比較小，傳動結(jié)構(gòu)之間的誤差徹底的消除了，其工件表面的加工精度和質(zhì)量都會比其他方式或者機床的高很多，其實不僅這些小的零件的加工，包括一些復(fù)雜或者體積比較大的零件也可以實現(xiàn)其功能。
2.1.2 主傳動的動平衡要求
主軸的動平衡就是指機床在正常運轉(zhuǎn)過程中主軸各部件產(chǎn)生的動態(tài)平衡，簡而言之主要就是機床工作時主軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動的程度。在正常工作的電主軸系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)子以主軸軸線旋轉(zhuǎn)， 高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生離心力，離心力會讓主軸發(fā)生偏移，產(chǎn)生振動，振動會對主軸的軸承以及軸上其他部件造成較大的損壞，從而影響它們的正常使用，振動會使部件之間的間隙越來越大，產(chǎn)生噪音。
2.1.3 主軸以及軸承的降溫
主軸尤其時電機處軸承處專門設(shè)計了進水孔裝置，通過水循環(huán)冷卻的方法使電機和軸承達到降溫的效果，并且電機以及軸承處設(shè)置了測溫孔，及時了解電機軸承的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以及時處理。
2.1.4 主軸系統(tǒng)中的密封裝置
軸的前端設(shè)計法蘭盤，軸的后端由于放置了編碼器，所以安裝了編碼器防護罩來防止外物進入，并且保護編碼器，中間還設(shè)計了迷宮環(huán)，防止水雜物進一步進入電機， 軸承以及連接處都設(shè)置了隔套，并且主軸下方還設(shè)計了通孔，主軸工作時進入的水可
以通過箱體下部的通孔流出箱體，造成不必要的麻煩。
2.2 主軸部件的組成及要求選型
2.2.1 主軸
電主軸的主要參數(shù)包括：主軸直徑、軸內(nèi)孔直徑、軸懸長度和支撐跨距，要先了解主軸各個結(jié)構(gòu)上工藝性能、主軸的部件的適用懸伸長度范圍和支承跨距范圍。再進行主軸的剛度計算、剛度強度校核、熱處理方式選擇和分析主軸載荷等，根據(jù)以上所考慮的因素，結(jié)合國內(nèi)外相同規(guī)格的機床我們選用主軸材料為 45 號剛。
2.2.2 主軸軸承
高速軸承是電主軸主要支承部件，需要承受較大的載荷。高速軸承顧名思義其允許的轉(zhuǎn)速高、精度高、傳動性能強、熱變形小、變形量小等等，這些特點非常適用于高精度車銑復(fù)合加工機床，此次設(shè)計采用高速的滾動軸承。綜合比較選擇并集合參考國內(nèi)外其他相近機床選擇角接觸球軸承和圓柱滾子軸承配合，并對軸承之間的配置方式進行選擇。
2.2.3 箱體
箱體主要是包容電主軸，另外在結(jié)構(gòu)上要滿足機床和主軸的載荷，需要一定的剛度強度。必要的時候需要設(shè)計降溫結(jié)構(gòu)來消除電機工作產(chǎn)生的熱量，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。
2.2.4 主軸的潤滑與密封裝置
高精度高轉(zhuǎn)速高效率需要電主軸內(nèi)部的結(jié)構(gòu)得到強力的保護，需要設(shè)計密封裝置和選擇潤滑方式，來保證零部件的正常使用，增加其使用壽命。
3 電機、軸承、主軸的選型及參數(shù)確定
3.1 電機的選擇
參考國內(nèi)外相同規(guī)格的機床參數(shù)，初定本機床的主軸參數(shù)如下： 主軸轉(zhuǎn)速：4000r/min
主軸功率扭矩：45kW / 770Nm 主軸通孔直徑;Φ104mm
主軸頭尺寸：A2-11
西門子內(nèi)置電機的選擇及其參數(shù)：
綜合上述條件根據(jù)電機最高轉(zhuǎn)速 3500r/min，功率 45kW，查閱 SINUMERIK 840 機床設(shè)備產(chǎn)品樣本內(nèi)置電機選型表，如下圖 3.1 所示。
圖 3.1 西門子內(nèi)置電機選型表
根據(jù)西門子樣本中標準型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）選型中選出最佳的三個型號主電機分別是：
1FE1144-8WV 的額定功率 P=35.1kW，額定扭矩 M=430Nm；
1FE1145-8WE 的額定功率 P=48kW，額定扭矩 M=585Nm；
1FE1147-8WS 的額定功率 P=64.4kW，額定扭矩 M=820Mm。
查詢以上三種電機轉(zhuǎn)子護套（圖 3）的內(nèi)徑尺寸：
圖 3.2 標準型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）尺寸圖
圖 3.3 標準型 SIMOTICS M-1FE1 同步內(nèi)置電機（水冷）尺寸表
三種主電機的轉(zhuǎn)子護套尺寸分別為： 1FE1144-8WV 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm；
1FE1145-8WE 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm、Φ140.3mm 和 Φ125mm；
1FE1147-8WS 轉(zhuǎn)子護套尺寸為Φ150.3mm 和Φ140.3mm。
綜合功率扭矩及其成本使用范圍初步預(yù)選 1FE1145-8WE 電機。
在圖 3.3 中，我們可以得出 1FE1145-8WE 型號的西門子內(nèi)置電機尺寸為： 總長度=390mm；
外徑總長=310mm； 定子外徑=280mm；
轉(zhuǎn)子內(nèi)徑帶護套選擇=140.3mm。
3.2 主軸各徑向尺寸的確定
已知：主軸前端規(guī)格選擇為 A2-11，主軸通孔要達到Φ100 以上以及選出來的主電機的各尺寸。
查圖 3.4 可得主軸前端頭的各個尺寸：
圖 3.4 A1、A2 型主軸端部尺寸
主軸前端尺寸查表確定后，就可以確定主軸前軸直徑 D1 和主軸后軸直徑 D2，電機總長為 390mm，可以把電機的內(nèi)徑尺寸Φ140.3mm 作為平均主軸尺寸 D，已知在結(jié)構(gòu)上三者有如下關(guān)系：
（3.1）
或 （3.2）
（3.3）
式中： ——主軸各段的直徑和長度； L——主軸全長。
得：
選擇主軸前端直=160mm， =125mm。
主軸內(nèi)孔要求Φ100mm 以上，國內(nèi)外機床的通孔直徑在Φ104mm 左右，所以本設(shè)計機床電主軸的中間內(nèi)孔直徑選擇Φ102mm。
主軸內(nèi)孔直徑是根據(jù)機床類型來確定的，不同的加工方式機床主軸內(nèi)孔直徑不同，在保證了主軸剛度強度的前提條件下，我們可以減輕主軸的重量，內(nèi)徑盡可能取較大值，而主軸本身的剛度與抗彎截面慣性 I 成正比，如圖 3.5 所示（公式如 3.4）：
（3.4）
圖 3.5 孔徑 d 對主軸剛度的影響曲線
由圖可選擇主軸端部的錐孔大直徑為： 196.869mm × 0.6=118.1214mm
（0.5～0.6 時，內(nèi)孔 d 對主軸剛度幾乎沒影響），所以取 =120mm，根據(jù)錐度比集合結(jié)合上述選擇的 b 型端部結(jié)構(gòu)形式以及通孔Φ102mm，定錐度尾直徑為Φ104.5mm， 錐孔之后的孔直徑則為Φ106mm。
主軸懸伸量 a 是指主軸前端到主軸前支承中點的距離，確定懸伸量 a 的原則是：
滿足結(jié)構(gòu)的要求、強度要求的前提下，盡可能取小的值。這里根據(jù)軸端部與軸承的寬度以及分布暫定 a=180mm。根據(jù)設(shè)計要求以及設(shè)計經(jīng)驗支承跨距 L= 600mm。
3.3 軸承的選擇
軸承是主軸零部件中的關(guān)鍵組成部分，主軸的回轉(zhuǎn)精度大多是根據(jù)軸承所確立的，在對軸承的選型過程中必須考慮其變形程度、發(fā)熱情況和使用壽命等等，設(shè)計采用角接觸球軸承，因為機床工作會產(chǎn)生徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承可以滿足這個要求，角接觸球軸承軸承在使用中成對配用。這樣還可以提高預(yù)緊力，綜合考慮我們選擇兩對角接觸球軸承放在主軸端部，另一端選擇單列圓柱滾子軸承。參考下圖3.6;
圖 3.6 軸承特點圖
設(shè)計中的軸承分布形式為三支承結(jié)構(gòu)，因為實際設(shè)計中主軸箱長度比一般的箱體長度長，主軸兩個支承之間的支承跨距 L 比最佳跨距要大很多，此時應(yīng)該考慮添加中間支承來增強主軸部件的剛度和抗震性。
根據(jù)前后軸的直徑尺寸以及國內(nèi)外相同規(guī)格機床的同類軸承，且主軸頭 A2-11， 主軸通孔Φ102mm，初步選定軸承尺寸為 7032 角接觸球軸承（4 列背靠背布置），
計算查表以下三種基本符合要求： XCB7032-C-P4S-M 額定轉(zhuǎn)速 r=4560rpm； XCB7032-E-P4S-M 額定轉(zhuǎn)速 r=3819rpm；
XCB7032-E-P4S-L 額定轉(zhuǎn)速 r=4824rpm
計算以上軸承的軸向剛度及徑向剛度：
XCB7032-C-P4S-M 的軸向剛度為 469.2N/μm 徑向剛度為 2815.2N/μm； XCB7032-E-P4S-M 的軸向剛度為 1094.6N/μm 徑向剛度為 2189.2N/μm； XCB7032-E-P4S-L 的軸向剛度為 698.8N/μm 徑向剛度為 1397.6N/μm。
綜合徑軸向剛度及速度，及主軸電機的速度，綜合選擇軸承 XCB7032-E-P4S-M。參考 FAG 精密主軸軸承樣本 P187 頁。
后軸承根據(jù)轉(zhuǎn)速型式選擇單列圓柱滾子軸承 N1026-K-M1-SP，其轉(zhuǎn)速為 5000rpm， 徑向剛度為 1420 N/μm，能滿足要求。參考 FAG 精密主軸軸承樣本 P110 頁。所以最終確立軸承的型號。
3.4 主軸軸向各尺寸確定
已知懸伸量 a、主軸跨距 L、軸承寬度，計算其余主軸上的寬度，主軸端部與角接觸球軸承為實現(xiàn)夾緊和定位的作用留出 30mmΦ170mm 的尺寸，接著是 4 列角接觸球軸承，總共寬 4×38mm=152mm，其中兩兩列之間留出 30mm 寬度的尺寸放置內(nèi)外隔套把軸承分隔開，第 4 列軸承也設(shè)計軸套寬度尺寸為 30mm，隔套之后設(shè)計螺母來定位并卡緊前面的部件，螺母寬度為 35mm，已知選出的內(nèi)置西門子電機總長度為 390mm， 所以在主軸中間留出 390mm 的尺寸放置電機，為防止污染物或者贓物進入影響電機的運行和機床精度，電機之后設(shè)計迷宮環(huán)，防止贓物或者灰塵進入里邊，寬度 60mm， 之后是單列圓柱滾子軸承寬度為 33mm，且為了更好的運轉(zhuǎn)和緊湊，軸承內(nèi)圈為錐形設(shè)計，并緊跟著放入軸承外壓環(huán)保證軸承不發(fā)生軸向位移，為了測量主軸轉(zhuǎn)速，需要在軸上安置編碼器，總共寬度為 41mm，之后也放入螺母卡緊前面的部件，同樣寬度為 30mm，并留適當尺寸 30mm，最后在主軸的尾部加入鍵寬度為 45mm，最終軸總長972.5mm。最終確定了軸上各個參數(shù)。
圖 3.7 軸結(jié)構(gòu)簡圖
3.5 主軸各參數(shù)計算
機床主軸的剛度一般滿足，不需要驗算，只需驗算徑向剛度以及計算強度。扭矩計算：
（3.5）式中：P——主軸的功率
n——主軸的轉(zhuǎn)速
（3.6）主軸的極慣性矩：
（3.7） 式中：D——主軸直徑
d——主軸內(nèi)孔直徑
主軸前端的極慣性矩：
主軸后端的極慣性矩：
主軸的抗扭截面系數(shù)計算：
（3.8）前軸的抗扭截面系數(shù)：
后軸的抗扭截面系數(shù)：
主軸的強度計算：
主軸前端強度：
主軸后端強度：
軸的剛度校核計算：
把階梯軸看成是光軸計算當量直：
式中——階梯軸第 i 段的長度，mm；
——階梯軸第 i 段的直徑，mm；
L——階梯軸的計算長度，mm；
z——階梯軸計算長度內(nèi)的軸段數(shù)受力分析：
（3.9）
（3.10）
圖 3.8 主軸受力分析
已知徑向以及支反力在軸上的尺寸，根據(jù)受力平衡和力矩為 0 算
出：
畫出力矩在軸上的大小示圖：
圖 3.9 主軸扭矩圖
最高 M 在 625 處，軸徑為Φ160mm，已知此處的 ， 校核公式為;
（3.11）求出直徑的軸的 W 值：
結(jié)合上述公式得出：
所以符合要求。
3.6 軸承壽命計算
1.根據(jù)軸承樣本選出的軸承選型中可知 N1026-K-M1-SP 的額定動載荷為 180kN， 靜載荷為 250kN，根據(jù)公式：
（3.12）式中：n——轉(zhuǎn)速
C——基本額定動載荷
P——載荷 ——這里因為是滾子軸承所以取 10/3
這里圓柱滾子軸承只受軸向力，所以 P=374.4N，帶入軸承壽命計算公式。則圓柱滾子軸承壽=3.4×h
2. 根據(jù)軸承樣本選出的軸承型號中可知 XCB7032-E-P4S-M 的額定動載荷為270kN，額定靜載荷為 137kN，查閱機械設(shè)計書中 13-8a 的公式以及載荷系數(shù)表格可算出;
（3.13）
其中查表可知 =1.2～1.8，取值 1.5 所以 P=2511.6N，帶入軸承壽命計算公式可得 =2.4× h。
4 電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸頭選擇為 A2-11 的規(guī)格，已知主軸各項參數(shù)，首先確定軸上最大的部件電機的軸向裝配方式。其實合理布置的原則很簡單，主要限制傳動力引起的主軸變形，最好的結(jié)構(gòu)可以抵消切削力給軸承帶來的負荷，以下是幾種傳動件部件軸向布置方式：
圖 4.1 傳動件軸向布置形式及其特點
根據(jù)設(shè)計要求，選擇電機位于主軸中間即兩軸承之間的布置方式。
根據(jù)對比，主軸在一定強度下，空心軸的重量遠遠比實心軸小了三分之一，不但減輕了主軸的重量，材料也得到了節(jié)省。且空心軸可以提高主軸的扭轉(zhuǎn)強度適合本設(shè)計的要求，但是要注意的是，空心軸的壁厚厚度不能很小，小的話主軸承受力度不夠， 容易發(fā)生損壞，影響機床正常使用。由上述所述本設(shè)計電主軸采用空心軸的方式。
圖 4.2 空心軸
機床加工行業(yè)有很多種主軸端部結(jié)構(gòu)，通常使用的是以下幾種：
圖 4.3 主軸端部結(jié)構(gòu)
圖 a 是銑床通常的主軸端部結(jié)構(gòu)。內(nèi)孔前是 7:24 的錐孔，供插入銑刀尾部錐柄定位用。拉桿從主軸后端拉緊刀具。
圖 b 所示結(jié)構(gòu)是應(yīng)用于車床等回轉(zhuǎn)主軸。它采用長錐孔，以增加法蘭盤的定位精度和穩(wěn)定性；用錐體上的鍵傳遞轉(zhuǎn)矩，用螺栓拉緊。
圖 c 所示的主軸端部結(jié)構(gòu)形式用于鉆床和鏜床鏜桿。這類機床的孔直接加工，結(jié)構(gòu)簡單。
圖 d 是坐標鏜床的主軸端部結(jié)構(gòu)形式。定心軸頸面 A 的直徑較大，精度高，主軸端部懸伸量較小。
圖 e 是外圓磨床砂輪主軸端部常用的結(jié)構(gòu)形式。保證其對中精度和工作安全可靠，主軸端部做成 1：5 的錐度，并用月牙鍵傳遞轉(zhuǎn)矩。
圖 f 是內(nèi)圓內(nèi)圓磨床砂輪主軸前端常用的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)主軸直徑小，以內(nèi)
徑定位。
圖 b 結(jié)構(gòu)最適應(yīng)本次設(shè)計要求，所以選擇前端錐度和后端直孔的空心軸設(shè)計結(jié)構(gòu)。
圖 4.4 空心軸內(nèi)孔設(shè)計
軸上密封裝置設(shè)計，為了防止外物雜塵進入主軸內(nèi)部，需要設(shè)計一些簡單的結(jié)構(gòu)來保證主軸的正常運行。設(shè)計的第一步是在主軸的一些階梯軸端處制造時留下一些退刀槽，結(jié)構(gòu)如下：
圖 4.5 主軸配合出密封結(jié)構(gòu)1-法蘭座；2-主軸
軸向處前端的法蘭盤設(shè)計迷宮結(jié)構(gòu)的裝置，主要通過多處坑洼來防止雜塵進入：
圖 4.6 法蘭盤上結(jié)構(gòu)
1- 密封圈；2-水循環(huán)結(jié)構(gòu)
密封圈防止外物進入機床箱體內(nèi)部，或者防止?jié)櫥挠椭舫?。還可以放水防塵， 水循環(huán)系統(tǒng)給主軸降溫，保證主軸正常運行。
主軸的后端直接在軸的直徑上設(shè)置簡單的迷宮環(huán)裝置，作用同上：
圖 4.7 主軸后端迷宮環(huán)
主軸部件之間設(shè)計簡單的隔套分割開各部件，結(jié)構(gòu)相對簡單。主軸最后端處設(shè)計鍵槽，來安裝剎車裝置，可以起到及時剎車防止意外。
圖 4.8 主軸后端的鍵槽
最終軸的三維結(jié)構(gòu)如下圖;
圖 4.9 主軸三維圖
圖 9 所示的是設(shè)計的主軸三維實體圖，包括第二章的計算參數(shù)以及上述的退刀槽、空心軸、鍵槽等，主軸的設(shè)計則完成。
圖 10 表示的是軸上部件法蘭盤、軸承、隔套、電機、迷宮環(huán)裝置、編碼器、編碼器內(nèi)外環(huán)、編碼器護罩以及螺母等部件裝配到電主軸上所畫的二維圖，部件分布形式就如下圖所示：
圖 4.10 部件分布圖
1- 主軸；2-前法蘭盤；3-角接觸球軸承；4-內(nèi)外隔套；5-隔套；6-螺母；7-西門子內(nèi)置電機；8-迷宮環(huán)；9-圓柱滾子軸承；10-編碼器內(nèi)外環(huán)；11-編碼器；12-螺母；13-鍵
4.2 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計
箱體主要起到支撐和保護主軸的作用，所以必須按照主軸的尺寸設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 主軸在高速運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量熱量，影響主軸的正常運轉(zhuǎn)，需要設(shè)計降溫或者監(jiān)測溫度的結(jié)構(gòu)和裝置，并且箱體也需要一定的強度和剛度能夠承受住主軸的重量以及運行過程中產(chǎn)生的負荷，所以設(shè)計過程中需要注意這些問題。
箱體的空直徑以及結(jié)構(gòu)需要和主軸的結(jié)構(gòu)契合，參考主軸的直徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
4.11 如下：
圖 4.11 主軸箱體的內(nèi)孔設(shè)計
箱體設(shè)計必須考慮主軸工作以及自重需要承受的強度，材料選擇是一方面，更重要的是結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以為了增強箱體的強度，為了起到支承作用，為了保持穩(wěn)定不變形，也為了節(jié)省材料，降低成本，還可以美觀箱體，我們在箱體的外部設(shè)計了筋的結(jié)構(gòu)：
圖 4.12 箱體上筋的結(jié)構(gòu)
在保證強度的原則下，在箱體的兩側(cè)挖了槽，一方面節(jié)省材料，令一方面防止應(yīng)力集中，所以必須相隔一定的距離且深度厚度有一定的尺寸限制。
主軸內(nèi)部不能是一整塊，為了承重也為了節(jié)省材料，需要設(shè)計減重設(shè)計一定的結(jié)構(gòu)來減輕箱體的重量：
圖 4.13 主軸內(nèi)部減重結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸除了承重包容外，為了給主軸降溫，需要設(shè)計水循環(huán)結(jié)構(gòu)來循環(huán)降溫，必要的時候需要設(shè)計測溫的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)實時監(jiān)測，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如下：
圖 4.14 主軸內(nèi)部水循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計
主軸箱體的設(shè)計這里由于實際應(yīng)用中箱體比較復(fù)雜且不是我們研究的重點，所以我們的箱體主要參考簡單的箱體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)上述所計算的尺寸來設(shè)計箱體結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計的結(jié)構(gòu)如上所述，整體三維結(jié)構(gòu)如下圖：
圖 4.15 箱體三維結(jié)構(gòu)圖
4.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
將箱體與主軸按照裝配的尺寸裝配在一起，其二維裝配圖如下：
電主軸的部件包括：前法蘭盤、軸承、隔套、螺母、電機、編碼器、編碼器內(nèi)外環(huán)、迷宮環(huán)、編碼器防護罩等組成，主要工作線是電主軸，提供轉(zhuǎn)速；軸承起支承作用；法蘭盤、隔套起定位保護的作用；螺母起定位、鎖緊的作用；編碼器可以監(jiān)測轉(zhuǎn)速，編碼器內(nèi)外環(huán)以及護罩是保護編碼器；迷宮環(huán)防止雜塵進入機體；箱體包容著整個電主軸系統(tǒng)，提供穩(wěn)定性及保護。
圖 4.16 總體結(jié)構(gòu)裝配二維圖
5 結(jié)論
本次設(shè)計主要完成了電主軸部件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
畢業(yè)設(shè)計題目是高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，主要進行了以下設(shè)計; 對大連機床廠原有的同規(guī)格機床的電主軸系統(tǒng)的工作原理圖紙進行查閱并收集相關(guān)資料，其中電主軸的系統(tǒng)包括：內(nèi)置電機、軸承、法蘭盤、編碼器、隔套、迷宮環(huán)以
及各個保護結(jié)構(gòu)裝置，初步確定內(nèi)置電機直接安裝在主軸上，減小傳動比，增大轉(zhuǎn)速， 初步實現(xiàn)高速的功能。
根據(jù)題目主軸端頭以及內(nèi)徑尺寸，轉(zhuǎn)速等選擇內(nèi)置電機的型號，確定電機的長寬高尺寸；查閱機床設(shè)計手冊，根據(jù)公式計算主軸前后端尺寸，選擇符合軸上直徑尺寸的軸承以及布置形式，查表選擇主軸前端的尺寸，接著按照公式或者根據(jù)經(jīng)驗對比確定主軸后端的尺寸，完成主軸尺寸設(shè)計；計算主軸的剛度強度、軸承的使用壽命。
查閱機床電主軸的設(shè)計結(jié)構(gòu)選型，設(shè)計主軸前端軸承處冷卻結(jié)構(gòu)、軸承隔套、電機后的迷宮環(huán)裝置，選擇編碼器以及編碼器內(nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)、編碼器防護罩，了解相近的箱體結(jié)構(gòu)，設(shè)計符合主軸尺寸的箱體結(jié)構(gòu)，并在主軸下方設(shè)計水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，內(nèi)部設(shè)計減重結(jié)構(gòu)，外部設(shè)計筋的結(jié)構(gòu)，完成主軸與箱體的裝配。
通過此次設(shè)計取得成果是：完成了高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計，使用CAD、Solidworks 軟件完成裝配和零件的二維、三維圖的繪制以及說明書的編寫。
雖然設(shè)計已經(jīng)完成，但是依然存在問題，最大的問題就是主軸工作過程中的降溫。由于設(shè)計經(jīng)驗不夠豐富，與企業(yè)真正應(yīng)用的設(shè)計要求還有差距，隨著不同學習和積累經(jīng)驗，不斷提高設(shè)計水平。
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高精度車銑復(fù)合機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計
附錄 1：外文翻譯
具有標準運動能力的智能臺式數(shù)控機床
摘要：提出了一種新型的帶有小曲面的金屬模具的新型數(shù)控機床。數(shù)控機床由三個單軸機器人組
成。連接到 z 軸頂端的工具是球形研磨工具。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)由一個力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋線組成。力反饋回路控制著工具接觸力和動摩擦力的拋光力。位置反饋回路控制在選擇方向上的位置。此外，該位置前饋環(huán)將刀具位置信息與刀具位置數(shù)據(jù)進行了分析。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機器人的應(yīng)用極限，應(yīng)用到一個非機械性的任務(wù)中，通過簡單的位置/力的測量， 我們評估了在研磨工具尖端的位置不準確的反作用力。通過對一種透鏡模型的測量和表面控制實驗，證明了具有高分辨率的基本的位置/力控制能力。
關(guān)鍵詞：臺式數(shù)控機床、模具制造、FI 小曲面、CAD/CAM、順應(yīng)運動、螺旋路徑
1 引言
到目前為止，已經(jīng)設(shè)計了多種拋光系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)，根據(jù)不同的用戶需求和各個工業(yè)領(lǐng)域所需的機床規(guī)格，報道了以下兩項專題研究。一種是主從式控制機器人來支持拋光金屬工件的加工方法，另一個是機器人應(yīng)用混合位置/力的金屬旋壓系統(tǒng)控制器。
另外，長谷川和山崎已經(jīng)開發(fā)了一個拋光機器人，可以用來制作寵物瓶的吹制模具。摘要提出了一種具有順應(yīng)性控制能力的新型桌面 nc 機床，它具有一種具有小曲面的金屬模具。數(shù)控機床由三個單軸機器人組成。連接到 z 軸頂端的工具是球形的研磨工具。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)是由一個力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋回路組成的。力反饋環(huán)控制著由工具接觸力和動摩擦力組成的拋光力。位置反饋回路控制選擇方向的位置。此外，正向前饋線在刀具定位數(shù)據(jù)(CL 數(shù)據(jù))上引導工具提示。預(yù)計數(shù)控機床在模具上采用約 0.3 千層的表面處理，使表面具有高質(zhì)量的表面效果。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍限定為一件不合格的任務(wù)，我們通過簡單的位置/ 力的測量，評估了在磨具工具尖端引起位置誤差的反作用。通過對透鏡模型的相似測量和表面跟蹤控制實驗，證明了該數(shù)控機床的基本/受力控制能力。
2 工業(yè)機器人的局限性
在此基礎(chǔ)上，對基于工業(yè)機器人的機器人伺服系統(tǒng)進行了有效剛度、有效位置的解析和力的解析。有效剛度指的是整體剛度，包括由工業(yè)機器人本身組成的特性，力傳感器、附件、磨料磨具、工件、曲折和地板。工業(yè)機器人使用的是 6 型。一個 6
自由度的緊力傳感器被連接到手臂的末端，一個硬的球端研磨工具通過 aservo 主軸連接到頂端。
圖 1 剛性球頭磨具的工業(yè)機器人位置與接觸力的靜態(tài)關(guān)系
圖 1 顯示了一個簡單的接觸實驗所獲得的位置和接觸力之間的關(guān)系。該位置的數(shù)量是磨刀尖上的 z 方向分量，由正運動學計算，利用內(nèi)部編碼器的關(guān)節(jié)角來計算。通過接觸鋁工件的工具尖端，得到了力的數(shù)量，并由力傳感器測量。當工具尖端接觸到工件時，在 0.01 微米以下的小操作變量不能產(chǎn)生有效的力測量，因此我們進行了實
驗，同時給出了最小分辨率的 0.01 毫米的壓印和 0.01 毫米的無壓運動。
在實驗中，工具尖端接觸到鋁工件的速度較低，在接觸工件之后。檢測到接觸力， 以每 0.01 毫米的速度壓在工件上。圖 1 中用黑色方塊畫的圖顯示了位置和接觸力的
關(guān)系。當?shù)都獾奈恢脼?0.3 毫米時，力約為 36 N，因此范圍內(nèi)的有效效果估計為 120 N/mm。在接觸運動之后，工具提示離開了工件一次，回到了 36 N 獲得的位置。在那之后，工具又以每 0.01 毫米速度松開。這張圖表顯示的是位置和接觸力的關(guān)系。從結(jié)果中可以看出，存在一個大的齒隙（0.1 毫米）。這個值幾乎與一般工業(yè)機器人的重復(fù)定位精度相同。這就是我們要用一個工業(yè)機器人來設(shè)計一個拋光系統(tǒng)必須考慮的問題，即一個力控制系統(tǒng)在誤差為 0.1 毫米位置不確定下接觸里為 1.2N。
3 具有順應(yīng)運動的數(shù)控機床
3.1 臺式數(shù)控機床的設(shè)計
圖 2 具有順應(yīng)運動的數(shù)控機床
圖 2 顯示了 3 個單軸機器人數(shù)控機床的發(fā)展，其位置分辨率為 1 m。該機床的大小分別為 850、645、700 米，單軸機器人是由 IAI 公司提供的高精度分辨率的位置控制設(shè)備，由一個底座、直線導軌、滾珠螺桿、交流伺服電機組成。在 x-y-z 方向上有效的劃劃是 400、300 和 100 毫米。為了適應(yīng)工具發(fā)展，在 z 方向機器人在工具和力傳感器之間使用了一個主軸電機。硬件框圖如圖 3 所示。
圖 3 由三個單軸機器人組成的數(shù)控機床硬件框圖
圖 4 顯示了采用剛性球頭磨具的數(shù)控機床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系。實驗在相同條件下進行，如圖 1 所示。觀察到，影響減少，有效剛度約為 30/0.2 = 150n
/mm。另一方面，圖 5 顯示了使用彈性球端磨料工具時的關(guān)系。根據(jù)彈性磨料工具的性能，可以看出，有效剛度變化為 30/0.36 =83.3 N/mm?？梢钥闯?，該力控制系統(tǒng)的有效剛度很大程度上受所使用的磨料工具的影響。對于彈性磨具稱為橡膠磨具,力分辨率約 0.083 N，可以執(zhí)行的位置分辨率 1μm。
圖 4 采用剛性球頭磨具的數(shù)控機床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系
圖 5 在有彈性球端磨具的數(shù)控機床上位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系
3.2 螺旋軌跡的弱耦合控制。
圖 6 采用弱耦合的 CL 數(shù)據(jù)基混合位置/力控制器的框圖
刀尖是由平移速度控制的。通過
wv（k）=wvt（k）+wvn（k）+wvp(k) （1）
t
t
其中 k 表示離散時間;上標 W 表示工作坐標系。假設(shè)拋光力是接觸力和摩擦力的合力，同時也得到了 x、y 和 z 方向力傳感器測量的合力。圖 6 顯示了所提議的 CL 數(shù)據(jù)基混合位置/力控制器與弱耦合的框圖。首先，wv （k）是基于 CL 數(shù)據(jù)的前饋控制律生成的被操縱變量. wv （k）是切向速度，由
wvt（k）=Vtangent（k） （2）
tangent n
其中 V （k）是一個速度范數(shù)。 是用 CL 數(shù)據(jù)計算的切向向量。另外，wv
n
（k）是由力反饋控制律生成的被操縱變量。wv （k）為正常速度。由
n normal d d
wv （k）=V （k）wo （k），wo （k） （3）
其中是利用 CL 數(shù)據(jù)的方向分量計算的法向量。代表正常速度的標量 vnormal (k)是阻抗模型的輸出，它是由力控制律所給出的。
Vnormal（k）= + （4）
f d
其中 Kf 為力反饋增益，阻抗參數(shù) Md 和 Bd 分別為期望質(zhì)量和阻尼系數(shù)。Δt 采樣時間。E (k)之間的誤差是理想的拋光力 F 和規(guī)范的 sF(k)∈?3 力傳感器測量,
（5）
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