机械系统设计第4章ppt课件.ppt

机械系统设计,机械系统设计的目的是使所设计对象具有一定预期功能，而在机械系统中能直接完成预期工作任务的那部分子系统就是执行系统。实现某一个工艺过程往往需要多个或多种运动，能完成同一种运动的机构往往又有多种，这些运动和机构的选型与设计将直接影响整个机械系统的性能、结构、尺寸、重量等。因此，执行系统设计是机械系统设计的关键问题之一。,第四章 执行系统设计,41 执行系统的组成、功能及分类411 执行系统的组成 执行系统都是由执行末端件和与之相连接的执行机构组成。 执行末端件是直接与工作对象接触并完成一定工作(如夹持、移动、转动等)或在工作对象上完成一定动作(如切削、锻压、焊接、清洗等)的零部件。 执行机构的主要功用是给执行末端件提供动力和带动它实现运动，即将传动系统传递过来的运动和动力进行必要的变换以满足执行末端件的要求。,健身增肌 二次发育,WeiXin,TaoBao,执行系统中往往有一个或几个执行末端件，一种执行末端件完成同样的作业动作常可采用不同的执行机构来驱动，能够完成同一功能的执行系统往往可以有不同的方案。例如，工业机械手的夹爪是夹持工件的执行末端件，驱动其实现夹持动作的执行机构可以是连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构等，也可是它们的组合机构。机构的不同将会使机械手的夹爪具有不同的运动和动力特性。,常见的执行系统一般都是由纯机械结构组成，但随着科学技术的发展，执行系统的组成也在不断地发生着变化。一方面电子、电气、光学、液压、气压等技术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、机气等执行机构；另一方面又由于传动系统变得越来越简单，有时一个机构就可以既是传动系统又是执行系统。所以，执行系统可以由一个简单的机构组成，也可以由一些基本机构组合的复杂机构来组成；可以由纯机械结构组成，也可以由机电、机光、机液、机气等装置组成。这主要根据系统的功能和技术要求来选择与确定。,412执行系统的功能 执行机构的作用是传递与变换运动和动力，即将传动系统传递过来的运动和动力进行必要的变换以满足执行末端件的要求。由于机械产品的功能各不相同，执行系统的结构与功能也多种多样。但若从执行系统所变换的运动形式来看，不外乎是转动和移动或摆动之间的互相转换。若就变换的节拍来看，则主要是将连续运动变换为不同形式的连续运动或间隙运动。 如图4-3所示的牛头刨床执行系统有两个执行末端件刨刀、工作台。,224保证安全性 执行系统的功能是在执行机构和执行末端件的协调工作下完成的，虽然工作任务多种多样，但执行系统的功能归纳起来可分为以下几种。 (1)夹持： 如图4-2 。 (2)搬运： 如图4-4 。 （3)输送： 在图4-5 。 (4)分度与转位：如图4-6。 (5)检测： 如图4-7。 (6)施力： 如图4-8。 (7)完成工艺性复杂动作：如图4-9 。,1)夹持： 在加工或搬运一个工件时，夹持动作是必不可少的。,(2)搬运：搬运是指无需限定移送路线而将物件从一个位置移送到另一个位置，常用于生产自动线或自动机中。,3)输送： 输送是指将物件按指定的路线从一个位置运送到另一个位置。按其输送路线的不同可分为直线输送、环形输送和空间输送；按输送节拍不同可分为连续输送和间隙输送。连续输送常用于煤矿、矿砂、谷物等的输送；间隙输送常用于生产自动线上，可让工件在工位上停歇一段时间，以便进行工艺操作。典型应用如自动铣床的上下料机构和齿轮生产线上两个工位之间的传送机构等。,(4)分度与转位：实现分度与转位也是执行系统的主要功能之一，如加工齿轮轮齿时需要进行分度，转塔车床的刀架可以进行转位换刀等。,(5)检测：为了对工件的尺寸、形状或性能进行检验与测量，常需执行系统具有检测功能。此时，执行末端件通常是检测探头，当它接触到被测工件时，可通过机、电或其他方式将检测结果传递给执行机构，以分离出“合格”与“不合格”工件。,(6)施力：执行系统的主要功能是实现一定的运动或动作，此外，也有许多机械要求执行系统对工作对象施加力或力矩作用以达到完成生产任务的目的。,(7)完成工艺性复杂动作： 执行系统除有时还需要完成各种工艺性的复杂动作。此时，执行系统将需要多个执行机构与执行末端件组成，常见于各种轻工机械中，如啤酒罐装、计量与封口，如香烟、香皂、糖果等的包裹包装等。,413执行系统的分类 按执行系统对运动和动力的不同要求可将执行系统分为：动作型、动力型、动作一动力型。按执行系统中执行机构的数目及其相互关系可将执行系统分为：单一型、相互独立型、相互联系型。 表4-l列出了各类执行系统的性能特点及应用举例。,414执行末端件的运动形式 执行末端件的运动形式取决于执行系统所要完成的工作任务。由于工作任务的多样性，执行末端件的运动形式也各种各样，但归纳起来执行末端件的基本运动不外乎是移动和转动两大类，而这两大类运动又都可分为连续和间歇两种，其他复杂的运动都可以看成是上述两类基本运动的组合。 表4-2列出了执行末端件常见的运动形式及其主要运动参数。,42 常用执行机构及其主要性能特点 怎样根据功能要求和工艺条件合理制订执行系统的运动规律，采用什么机构去完成所确定的运动规律是执行系统设计时需要首先考虑的问题。机构的选型和设计将影响机械系统的总体布局，影响机械系统的工作质量。 执行轴机构、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和摩擦机构等都是最简单的基本机构，各自具有不同的运动特性(包括运动的轨迹、速度、加速度，构件的位移、角位移、角速度、角加速度，机构的传动精度等)和动力特性。,1执行轴机构 分析执行系统的各种运动与动作情况可知，执行末端件的回转运动主要是由执行轴机构来实现。利用轴的回转运动来完成执行任务的情形有很多 。如图4-1所示为某中型普通车床的执行轴机构主轴组件 ，图4-10所示的是M1432型万能外圆磨床砂轮架主轴。 执行轴由于功用不尽相同，各自的尺寸、结构及执行轴机构的组成与布置也就不一样。但归结起来，执行轴机构一般由执行轴、安装在轴上的传动件(如齿轮、皮带轮等)及执行轴支承部件(包括轴承及其间隙调整装置、密封件、定位与固定元件等)组成。因此，执行轴机构设计的主要内容是各组成元件的选择、设计和布置以及轴本身的设计。,2连杆机构 连杆机构属低副机构，各运动副均为面接触，因而压强小、磨损少，具有易于加工和保证精度，以及靠自身的几何形状能保持运动副的封闭等优点。当改变机构的杆件数或运动副类型、变换主动件或输出点位置时，可获得各种不同的运动规律和运动轨迹，尤其是空间连杆机构由于运动副类型和排列顺序的多样性，使其实现的运动更为复杂多样。连杆机构的应用非常广泛。但连杆机构实现任意预期规律和运动轨迹的精确性较差，其设计方法亦较复杂。此外，由于各构件有尺寸误差和各运动副之间存在间隙，使机构传动的累积误差增加，构件在受载时的弹性变形及温升引起的热变形也会使机构的精度下降。另外，构件的质心在运动中不断变换位置，使机构难以平衡，动载、噪声与振动较大。因此，连杆机构一般不适用于高速场合。 连杆机构中以铰链四杆机构为基本形式，其他形式的四杆机构均可看做是在它基础上的演化形式。,3凸轮机构 凸轮机构是主要由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。凸轮和从动件之间需通过施力(如弹簧力、重力)或各种形式的封闭几何形状保持接触。凸轮机构的最大优点是可以准确地实现任意复杂的运动规律，只要设计出凸轮轮廓曲线就可以使从动件按拟定的规律运动。但凸轮机构在高副处难以保证良好的润滑，且比压又较大，因此易受磨损。所以，凸轮机构传递动力不能过大，高速运行时动力学特性变差，故凸轮机构不宜在高速重载状态下工作。 凸轮机构的设计包括以下内容： (1)确定从动件的运动规律。 (2)确定凸轮轮廓曲线的最小曲率半径。 (3)确定压力角和基圆半径。 (4)凸轮常用材料的选择。,4间歇运动机构 很多自动机、半自动机工作时需完成分度、夹持、进给、装配、包装、输送等功能，此时常需执行机构作间歇运动。间歇运动分为两种情形：一是执行机构在一定行程的往复运动过程中有间歇停顿；二为执行机构在某一方向上作时断时续的运动，这种间歇运动常称为步进运动。常用间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮间歇运动机构等，表4-4所示为常用间歇运动机构及其特点。,外齿式棘轮机构.avi,双向棘轮机构1.avi,双向棘轮机构.avi,内齿式棘轮机构.avi,平面外槽轮机构.avi,平面内槽轮机构.avi,内啮合不完全齿轮机构.avi,5差动机构 差动机构可将两个运动合成一个运动，或将一个运动分解为两个运动，以实现微调、增力、均衡或补偿等目的。常用差动机构及其特点见表4-5。（差动螺旋机构、锥齿轮差动机构、行星齿轮差动机构）,6增力机构 增力机构能够使传递的力或力矩增大，以达到省力的目的。增力机构亦常用于物件的夹紧或夹持机构中。增力机构的形式很多，大多借助杠杆、斜楔、螺旋或肘杆等实现增力，各种减速传动装置如齿轮、蜗杆、带、链传动装置等都具有增力功能。常用增力机构及其特点见表4-6。,7行程增大机构 由于受机构尺寸或结构的限制，有时一般机构从动件的行程不能满足使用要求。此时，可以采用连杆机构、齿轮机构、凸轮机构等构成组合机构来加大从动件的行程。这样的组合机构形态与结构多种多样，其特性和行程增大倍数也各不相同。典型的行程增大机构见表4-7。,由于机械系统的工作对象和工作条件千变万化，工艺动作要求也纷杂各异，单个基本机构往往难以满足要求。此时可将基本机构通过倒置(变换机架)、改变运动副的形状或改变某些零件的结构来实现各种运动特性。也可以根据各个基本机构的特点，将它们组合在一起形成组合机构，以完成预期的复杂运动要求。 同一种运动要求常可以采用不同的基本机构来完成，这时应根据机械的其他性能或条件如机械的外廓尺寸、重量或结构限制、动力特性、传动精度、工作环境、制造成本等进行分析、比较，根据实际的需要和可能性选择比较合理的方案。,43 执行系统的设计 作为总机械系统的一个子系统，执行系统一端与被执行对象相接触，另一端与传动系统相连接。因此，在设计执行系统时，不但要明确本系统中各个零、部部件的相互作用及设计要求，而且还要了解其与其他系统的联系和协调，进而使总系统处在最佳状态下工作。,431执行系统设计的基本要求与设计步骤1执行系统设计的基本要求 执行系统设计的合理与否将直接影响机械产品的功能和性能，执行系统设时，通常应满足以下基本要求：(1)实现预期的功能目标预期精度的运动和动作(2)足够的刚度、强度，有足够的使用寿命(3)各执行机构间动作要配合协调 (4)结构合理、安全可靠、造型美观,2执行系统的设计步骤 执行系统的设计步骤与设计内容的多少、设计的难易程度和设计者经验有关。因此，执行系统的设计不存在固定的模式，但通常要经过以下一些步骤。 (1)拟订运动方案 (2)合理选择执行机构类型，拟定机构组合方案 (3)绘制工作循环图 (4)运动分析 (5)动力学分析及承载能力计算,(1)拟订运动方案 实现同一工作任务可以采用不同的工作原理和选择不同的运动方案，采用不同的工艺原理与运动方案则执行机构的类型、执行末端件的运动形式和执行系统的结构都可能不同。设计执行系统时，首先要根据工作任务或工艺过程的要求，确定执行系统的工作原理，分析执行系统所要完成的各种动作，并将这些动作分解成若干基本运动，如等速或变速的转动、间歇的或连续的转动、周期性的往复运动等。这些基本运动的分解可以有多种方案，实现某一运动又可能有多种方案。设计时可先提出几个初步方案，并进行分析比较和反复修改，然后确定最合理的方案。,(2)合理选择执行机构类型，拟定机构组合方案 对于传递和变换运动的执行机构来说，可选择的执行机构并非是唯一的，因而需要进行分析比较和选择。在选择机构时，首先要根据末端件的运动或动作、受力大小、速度快慢等工作要求，并结合执行机构的特点进行综合分析。一般原则是在满足使用要求的前提下，尽可能使机构和零部件数减少。同时，应优先选用结构简单、工作可靠、便于制造和效率高的机构。 当执行系统中要求使用几个执行机构时，要注意把效率高的机构安排在传递功率大的地方，以便减少能量损失；如果执行机构间要求动作配合协调，则它们之间的连接应用传动比准确的机构；某些场合还要注意安装互锁安全装置。总之，在拟定机构组合方案时，设计者应广泛收集国内外资料进行分析比较，以期获得最优的选择。此外，执行机构的选择与组合与机械系统的其他部分，特别是与传动系统密切相关，故应结合有关部分的设计进行通盘考虑。,3)绘制工作循环图 在设计有多个需协同工作的执行机构时，需要按机械预定的功能和选定的工艺过程把各机构的动作次序及时间用图形表示出来。这种表示各机构动作次序及时间的图形称为工作循环图。绘制工作循环图前需要搞清楚各执行末端件的作用和动作过程、运动或动作的先后次序、起讫时间和运动范围，必要时还要给出它们的位移、速度和加速度，再根据上述的运动数据绘制工作循环图。绘制工作循环图时应选择一个定标构件，通常选择机械主轴或分配轴作为定标构件，这是因为这些轴的整周转数对应于机械系统的工作循环。现以一卧式冷镦铆钉机为例介绍执行系统工作循环图的绘制过程。如图4-11所示。,冷镦铆钉机通过校直、进料、切断、转送、镦压、脱模等工序可将成卷的线材直接制成铆钉。为了完成上述工序，必须有相应的执行机构如进料机构、切断机构、送料机构、镦压机构和脱模机构等，其中镦压机构为主运动机构。,设计执行系统时，首先要确定执行机构的运动参数，并合理选择执行机构的类型，然后再绘制执行系统的工作循环图。绘制工作循环图时，必须考虑各执行机构能按作业要求协调配合，不允许发生运动或动作的失调。据此绘制的执行系统的工作循环图如图4-112所示。,(4)运动分析 运动分析的目的是求出执行系统中各末端件的位置、速度或加速度，必要时还要确定执行末端件上指定点的轨迹。常用的分析方法有图解法和解析法。图解法具有简单、直观和便于掌握的优点，但分析的精确度不高。对于结构复杂的系统，作图求解过程往往比较繁琐，有时甚至无法求解。因此，图解法常用于对精度要求不高、结构相对简单的机构进行运动分析，有时也用作高精度机构的初步分析。解析法是利用向量运算、复数运算等手段对机构参数进行数值分析的方法。随着计算机技术的不断发展，各类机构分析的专用软件日趋完善，解析法的应用日渐广泛。解析法不仅求解运算快捷、精确，能求得机构各运动参数、机构尺寸间的解析关系及获得任意点的轨迹，而且便于作动力学分析、优化设计及动态演示。,(5)动力学分析及承载能力计算 为保证执行系统工作时安全、可靠和准确实现规定的功能及性能指标，应对执行系统中的构件进行动力学分析及承载能力计算。包括强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等的计算与校核，在高温下工作时，还应考虑材料的热疲劳和蠕变强度。对于主要用于传递运动或实现一定动作的受力较小的执行系统，通常不作承载能力计算。 在作承载能力计算时，需仔细进行受力分析，求得各构件所受的外力、惯性力及惯性力偶矩、运动副的支反力和应加于原动件(或从动件)上的平衡力或平衡力矩，然后在分析其失效形式的基础上建立相应的强度条件。 如果执行系统工作速度较高，或其惯性参量较大，构件除受外载外还将受到较大的惯性载荷。为了减小惯性载荷，往往设计时为减小质量而将构件的尺寸减小，从而使构件的刚度也减小，致使构件在工作时产生较大的弹性变形，引起机构动态误差，降低系统精度，甚至产生弹性振动而影响系统工作的稳定性。运动副间隙不仅会降低执行系统的精确度，还会使构件运动时产生冲击和噪声，引起动载荷和振动，降低效率。因此，对高速运动的执行系统进行动力学分析时，需考虑构件弹性变形及运动副间隙的影响。,432执行轴机构设计的基本要求 执行末端件的运动不外乎是回转运动、直线运动或这两种运动的组合。其中，回转运动主要由执行轴机构来实现，执行轴机构设计的主要内容是各组成元件的选择、设计和布置以及轴本身设计。下面以金属切削机床的主轴组件为例介绍执行轴组件的特点与设计过程。 主轴组件是金属切削机床实现旋转运动的执行轴机构，是机床上的一个关键部件。主轴组件需要带动工件或刀具完成工件的表面形成运动，同时它又是工件或刀具的支承件，承受着切削力、进给力、驱动力、工件或刀具的重力等，并要保证工件或刀具和机床其他组件、部件有精确的相对位置。甚至在受力和热变形的情况下，主轴组件要能带着刀具或工件作均匀、准确的旋转运动，所以主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量与生产率。 由于各类机床的工艺特点不同，主轴组件要传递的转速与承受的载荷也不一样，所以主轴组件在结构上亦有差异。从机床的使用和执行轴机构的设计角度看，任何主轴组件在使用上都要求具有与该机床工作性能相适应的旋转精度、刚度、抗震性、温升与热变形、精度保持性等。,(1)旋转精度 主轴组件的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下，主轴安装工件或刀具部位相对于理想旋转中心线的空间瞬时旋转误差。包括径向跳动、轴向窜动和角度摆动。 主轴旋转精度取决于各主要零部件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。当主轴达到一定速度时，由于润滑油膜的产生和不平衡力的扰动，其旋转精度将有所变化。这个差异对于精密与高精度机械系统来说是不可忽略的。,(2)静刚度 静刚度简称刚度，是指机械系统或零部件抵抗静态外载荷所引起变形的能力。 主轴组件的弯曲刚度K定义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F，如图4-14所示，主轴组件的弯曲刚度为 K=F影响主轴组件弯曲刚度的因素有许多，如主轴的形状和尺寸，轴承的型号、数量、配置形式和预紧，前后支承的跨距，主轴前端悬伸量的大小，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等 。,如果作用在主轴组件前端的是静扭矩T， Q为该扭矩作用下主轴组件工作端的扭转角，L为扭矩的作用距离，则主轴组件的扭转刚度为 一般情况下，如果主轴组件的弯曲刚度能满足要求，则其扭转刚度亦能满足要求。但对于以承受扭矩为主的主轴如立式钻床、摇臂钻床的主轴等，则应对其扭转刚度进行校核。,(3)抗震性 主轴组件的抗震性是指主轴受到交变载荷时能够平稳地运转而不发生振动的能力。主轴部件工作时发生的振动有强迫振动与自激振动两种。主轴组件抗震能力较差时，会影响被加工工件的表面质量、刀具的耐用度和主轴轴承的寿命，还会产生噪声影响工作环境。如果发生了切削自激振动则会严重影响工件的加工质量，有时甚至会使切削无法进行下去。 影响主轴组件抗震性的因素主要有主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼(特别是主轴前轴承的阻尼)。主轴的固有频率应远大于激振力的频率，使之不发生共振现象。,(4)温升与热变形 主轴组件和传动系统在运转过程中会由于摩擦与搅油而产生热量，从而导致主轴组件的温升现象。温升会导致主轴部件的形状和位置发生畸变，如温升导致主轴伸长、轴承间隙发生变化，主轴箱的热膨胀会使主轴偏离正确位置，主轴前后支承温升不同时还会使主轴发生倾斜。 轴承的温升与转速有关。此外，轴承类型和布置方式，轴承预紧力的大小、润滑方式和散热条件也是影响主轴组件温升和热变形的主要因素。高精度机床进一步提高加工精度时往往受到机床热变形的制约，如何减少主轴组件的发热、如何减小机床发热对主轴组件工作性能的影响是高精度机床主轴组件研究的重要课题之一。 各类机床主轴轴承在高速空转和连续运转状态下的允许温升是不同的，高精度机床为810，精密机床为1520(数控机床归人精密机床类)，普通机床为3040。不同精度的机床使用不同类型的轴承时所允许的温度参考表4-8。,(5)耐磨性 主轴组件的耐磨性是指其长期保持原始精度的能力，即精度保持性。磨损产生对主轴组件精度有影响的首先是轴承，其次是安装夹具、刀具或工件的定位面和锥孔。在主轴组件的支承为滚动轴承的部位，其耐磨性决定于滚动轴承而与无相对运动的轴颈表面无关。在主轴组件的支承为滑动轴承的部位轴颈的耐磨性对主轴组件的精度保持性影响很大。,综合工作性能方面的这五条基本要求，可以看出：主轴组件的旋转精度高标志着无载荷下运转的工作精度好；刚度高标志着静态精度好；抗震性好、热变形小标志着动态精度好；耐磨性好标志着精度保持性好。 除此之外，主轴组件在结构上的要求有： 1)主轴的可靠定位。 2)主轴端部结构应保证工件或刀具装夹定位可靠。 3)保证组件长期可靠的运转。 4)良好的结构工艺性。 这些结构上的要求也是为工作性能服务的，可把执行轴机构设计的基本要求归结为一句话就是：保证在一定的转速与载荷下，主轴组件能带动工件或刀具准确地、稳定地绕其轴心线旋转，并长期地保持这一性能。,433执行轴(主轴)组件的布局设计 一般来说，机床执行轴组件的设计要经过如下步骤： 第一步：根据已有的统计资料，初选主轴直径； 第二步：根据机床类型与刀具或夹具形式确定主轴端部结构、悬伸量及支承跨距； 第三步：选择支承型式及其配置，确定传动力位置及方向，完成主轴的结构设计； 第四步：验算主轴组件刚度； 第五步：根据验算结果进行必要的修改。 为了使主轴组件满足工作性能上的要求，执行轴组件设计时首先要将其作为一个系统来考虑主轴上支承点的布置及支承结构的设计，这就是主轴组件的布局设计。它包括支承数目的确定、合理的支承跨距和主轴端部悬伸量的计算、支承轴承的选择与配置、传动力的位置及方向设计等。,1主轴组件的支承形式 主轴组件的支承形式有两种：一是两支承主轴组件前、后两个轴承支承；二是三支承主轴组件前、中、后三个轴承支承。一般情况下，应优先选择两支承主轴组件。事实上，大多数机床采用的都是两支承结构。当由于结构原因使得主轴较长，导致两个支承之间的距离L远大于合理跨矩L合时，就应考虑增设中间支承来提高主轴组件的刚度与抗震性。由于制造工艺上的限制，要使箱体中的三个主轴支承座孔中心完全同轴是不可能的。为了保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只让两个支承起主要支承作用，而让另外一个支承(通常为中间支承或后支承)起辅助作用。辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承如向心球轴承或向心圆柱滚子轴承。其外圈与支承孔座的配合一般比主要支承松12级，即保证配合面间有一定的间隙，主要支承则需要预紧或消除间隙。 统计结果表明，采用三支承结构的主轴以前、中支承作为主要支承的约占80，以前、后支承作为主要支承的约占20，而机床主轴大多采用的是前中支承为主、后支承为辅的结构形式。,2主轴传动件的合理布置 主轴轴承除承受切削力外，还要承受齿轮、皮带等传动件传来的传动力。合理布置这些传动件，使传动力作用在主轴上的位置和方向适当，不仅可以减小主轴端部位移，提高主轴组件的刚度，改善齿轮和轴承的工作状况，而且可以增加其抗震性。 (1)主轴组件的传动方式 主轴组件的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接驱动等。 齿轮由于能传递较大的转矩和有比较精确的传动比而在机床主轴上获得了大量的使用。 带传动依靠摩擦力传递运动和转矩，结构简单，制造容易，特别适用于中心距较大的两轴间传动。除了常用的平带、三角带外，同步齿形带由于其优良的性能而获得日益广泛的应用。如图4-15所示 。,(2)传动系统的布置 一般情况下，主轴上不要安装各种活装的零件(如滑移齿轮、离合器等)，以免因轴颈和活装零件之间有间隙而引起振动。对固装零件，如齿轮和主轴的装配最好也采用圆锥配合。 当主轴不需要传动件时，可采用普通异步电动机直接带动主轴。如平面磨床的砂轮主轴，此时；主轴将不受弯矩作用。当主轴转速很高时，可将主轴与电动机制成一体，成为高速主轴单元，称作电主轴。如图4-16所示，电动机转子轴就是主轴，电动机座就是机床主轴单元的壳体。高速主轴单元大大简化了结构，有效地提高了主轴组件的刚度，降低了噪声与振动。目前，既可调频又可变极的内装电机或高速主轴单元已有工业化生产，它们一般具有较宽的恒功率调速范围，有较大的驱动功率和转矩。主要用于精密机床、数控车床和各种加工中心中。,(2)主轴传动件的布置 传动件是皮带时，一般将其布置在后支承外部的主轴悬伸处。这样一方面更换皮带容易，另一方面也便于防护以免油液侵蚀。传动件是齿轮时，可将其安装在前后支承之间，也有安装在后支承外的主轴悬伸处。在主轴前后支承之间安装齿轮时，应将一个齿轮或多个齿轮中的大齿轮靠近前支承处。这是因为大齿轮用于低速传动，传动力较大。这样不仅可以减少主轴的弯曲变形，而且因与切削力位置较近可使主轴的扭转变形较小。 如图4-17，传动力的作用位置和方向对主轴前端位移和轴承受力的影响很大。 总之，在主轴运行过程中，主轴端部的受力变形和传动力作用的位置及方向关系很大。实际设计时，传动力的位置和方向布置往往受到许多结构条件的限制，所以必须全面考虑。,l中切削力F与传动力FQI两力方向相反，主轴前端弯曲变形增大，但前支承受力减小。这种布置方案适用于加工精度不高、主轴刚度较大、且需要提高轴承寿命的普通机床。中F与FQ两力方向相同的时候，可使主轴前端位移相互抵消一部分，但此时前支承轴承受力增大。此种布置方案适用于精度较高或前支承刚度较大的机床。,434执行轴(主轴)轴承及其选择 1主轴轴承的选择 2主轴滚动轴承 (1)主轴常用滚动轴承 （2)主轴滚动轴承的刚度 (3)主轴滚动轴承的精度 (4)主轴滚动轴承的预紧与调整方法 (5)主轴滚动轴承的典型配置形式 3主轴滑动轴承 (1)液体动压轴承 (2)液体静压轴承 (3)气体静压轴承,434执行轴(主轴)轴承及其选择 1主轴轴承的选择 主轴组件的旋转精度在很大程度上是由其轴承决定的，轴承的变形约占主轴组件总变形量的3050，轴承发热量占的比重也较大。因此，轴承类型与精度的选择、轴承的配置方式、轴承的间隙调整及预紧、轴承的润滑和冷却等都直接影响主轴组件的工作性能。 机床主轴常用的轴承有滚动轴承和液体动压静压滑动轴承两大类，此外还有适应高速加工主轴的空气静压轴承、陶瓷滚动轴承、自调磁力悬浮轴承等。通常滚动轴承的应用更多一些，特别是大多数立式主轴(采用脂润滑可避免漏油)。只有加工表面粗糙度数值要求较小，且主轴是水平的机床，才用滑动轴承；或为了提高主轴组件的抗震性，在主轴前支承处用滑动轴承，而后支承和推力轴承用滚动轴承。 滚动轴承应用非常广泛的原因在于其可在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作，可在无间隙或一定过盈量的条件下工作，容易润滑，既可用脂也可用油。但它也存在一些缺点，比如由于滚动体的数量有限，所以在主轴旋转时滚动轴承的径向刚度是变化的，进而会引起主轴组件的振动，还有滚动轴承的阻尼较低，其径向尺寸比滑动轴承大等。表4-9列出了两大类轴承各种基本要求的比较。,对主轴轴承的要求是旋转精度高、刚度好、承载能力强、极限转速高、适应变速范围大、摩擦小、噪声低、抗震性好、使用寿命长、制造简单、维护方便等。在选用机床主轴轴承时，应根据主轴组件的性能要求、制造条件和经济效果进行综合考虑。,2主轴滚动轴承 (1)主轴常用滚动轴承 1)角接触球轴承 2)双列短圆柱滚子轴承 3)圆锥滚子轴承 4)推力轴承 5)双向推力角接触球轴承 6)陶瓷滚动球轴承 7)磁力悬浮轴承 (2)主轴滚动轴承的刚度 (3)主轴滚动轴承的精度 (4)主轴滚动轴承的预紧与调整方法 (5)主轴滚动轴承的典型配置形式 3主轴滑动轴承 (1)液体动压轴承 (2)液体静压轴承 (3)气体静压轴承,2主轴滚动轴承 (1)主轴常用滚动轴承 1)角接触球轴承 接触角是指滚动体与滚道接触点处的公法线和主轴轴线垂直平面之间的夹角。如图4-18所示。深沟球轴承；角接触球轴承；推力向心球轴承；推力球轴承。,角接触球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度则常采用如图4-19所示的三种基本多联组配的方式：a为背靠背(DB)；b为面对面(DF)；c为同向组配(DT)。这三种方式中，除两个轴承都共同承担径向载荷外，a、b组配又都能承受双向轴向载荷，c则只能承受一个方向的轴向载荷，但其承载能力大，轴向刚度较高。图4-19d是在上述三种组配的基础上派生出的三联组配，相当于一对同向与第三个背靠背(TBT)组合。,在主轴受弯时，总希望轴承上产生一个尽量大的支反力矩以抵抗主轴的弯曲变形。这个力矩与倾角之比称为角刚度，单位是Nmrad。而支反力矩的力臂就是接触线与轴线交点间的距离AB。由于图4-19a中AB比图4-19b中AB长，因而能产生一个较大的抗弯力矩。运转时，由于轴承的外圈装在壳体内，散热条件比内圈好，所以，内圈的温度将高于外圈。径向膨胀的结果将使过盈增加。但是，背靠背组配时，轴向膨胀将使过盈减少。因此，过盈的增加比面对面少。基于上述两个理由，在主轴上，角接触球轴承应为背靠背组合。,2)双列短圆柱滚子轴承 双列短圆柱滚子轴承的内圈为1：12的锥孔，用于与主轴的锥形轴颈相匹配。当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，可使内圈胀大以调整滚道的径向间隙和预紧。该轴承滚子数目多，两列滚子交错排列，因而刚性好、能承受较大的径向载荷，允许的极限转速也较高。但该轴承只能承受径向载荷。由于它的内、外圈均较薄，因此主轴颈与箱体孔均要求较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。 如图4-20所示，双列短圆柱滚子轴承有两种类型。图a的内圈上有挡边，属于特轻系列；图b的挡边在外圈上，属于超轻系列。同样孔径时，后者外径可比前者小些。,双列短圆柱滚子轴承有两种类型。图a的内圈上有挡边，属于特轻系列；图b的挡边在外圈上，属于超轻系列。同样孔径时，后者外径可比前者小些。,3)圆锥滚子轴承 圆锥滚子轴承有单列和双列两类，每类又有实心和空心两种。,单列轴承的外圈上有弹簧，用作自动调整间隙和进行预紧。双列轴承的两列滚子数目相差一个，使两列滚子的刚度变化频率不等，有助于减小振动。空心圆锥滚子轴承一般是配套使用的，其中双列用于前支承，单列用于后支承。,4)推力轴承 推力轴承只能承受轴向载荷，其轴向刚度和轴向承载能力较大。推力轴承允许的极限转速较低。 主轴的轴向位置精度是由承受轴向力的推力轴承的配置方式决定的。常用的推力轴承配置方式见表4-10。前端定位方式轴向刚度较高且主轴受热变形主要是向后延伸，对加工精度几乎没有影响，但前支承发热量大，并且结构复杂。后端定位方式的特点与前端定位方式相反，一般用于普通机床的主轴组件。两端定位方式轴承间隙只需在后端调整，因此结构较简单。但当主轴受热变形时会改变轴承的轴向间隙，同时可能导致主轴发生弯曲变形,5)双向推力角接触球轴承 接触角为60 ，它用来承受双向轴向载荷，并且常与双列短圆柱滚子轴承配套使用。为了保证该轴承不承受径向载荷，轴承外圈的公称外径与和它配套使用的同孔径双列短圆柱滚子轴承相同，但外径公差带在零线的下方，以使外圆和箱体孔之间有间隙。轴承间隙的调整和预紧是通过修磨隔套3的长度来实现的。双向推力角接触球轴承转动时滚动体的离心力由外圈滚道承受，所允许的极限转速比推力轴承高。,6)陶瓷滚动球轴承 陶瓷材料为氮化硅Si3N4，氮化硅的密度(3.2103kgm3)仅是钢密度(7.8103kgm3)的40，线膨胀系数(310-6)也大大小于轴承钢(12.510-6)，弹性模量(320 GPa)也比轴承钢(208 GPa)大。 在高速运行条件下，陶瓷滚动轴承具有以下优点：重量轻，作用在滚动体上的离心力及陀螺力矩较小，从而减小了接触应力和滑动摩擦；滚动体热膨胀系数小，温升较低，轴承在运转过程中预紧力变化缓慢，运行平隐；陶瓷材料的弹性模量大，轴承刚度增大。 常用的陶瓷滚动轴承有两种类型：一种是滚珠为陶瓷材料，而内、外圈仍是轴承钢的混合陶瓷球轴承；一种是滚珠及内、外圈均为陶瓷材料的全陶瓷球轴承。混合陶瓷球轴承的滚动体和套圈采用不同的材料，运转时分子间亲和力小、摩擦系数小，并有一定的自润滑性能，可在供油中断无润滑状态下正常运行。适用于高速、超高速、精密机床的主轴组件。全陶瓷轴承适用于耐高温、耐腐蚀、非磁性、电绝缘、击载荷较小，或要求减轻重量和超高速的场合。陶瓷滚动轴承使用时往往是几个轴承成组使用，其预紧力分为轻预紧和中预紧两种。,7)磁力悬浮轴承 磁力悬浮轴承利用电磁力来支承运动部件使之与固定部件脱离接触来实现曲承功能，是轴心位置可以由控制系统进行调整的一种新型轴承，是一种可以实现主动控制的机电一体化支承装置。 磁力悬浮轴承按磁力是否可控分为普通式和可控式，从结构上分为径向和轴向磁力悬浮轴承。径向可控式磁力悬浮轴承的工作原理如图4-23所示 。此类轴承具有传统轴承所无法比拟的许多优越性能。主要表现在：无机械磨损，转子的圆周速度只受到其材料强度的限制，所以可在每分钟数10万转的工况下运行；运转时无噪声，温升低，能耗小；不需要润滑，省略一套润滑系统，不污染环境；能在超低温或超高温环境下正常工作，也可用于真空、蒸汽腐蚀性环境中工作。由于磁力悬浮轴承的间隙是可以实现主动控制，可以通过监测定子线圈的电流来控制切削力，也可以通过检测切削力的微小变化来控制机械运动以提高加工质量。因此，磁力悬浮轴承特别适用于高速、超高速加工。此外，在宇航部门、核工业部门、军事部门及基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上也都应用了此种轴承。,目前，国外已有工业化生产的高速铣削磁力悬浮轴承主轴单元，而国内还基本处于实验室研究阶段。应用于高速或超高速主轴单元的磁悬浮轴承所能达到的技术指标范围大致为：转速为(08)105rmin；直径为14600 mm；单个轴承承载能力为(0.35)104N；使用温度范围为-253450；刚度为105108Nm。,(2)主轴滚动轴承的刚度 轴承的滚动体与滚道之间是接触变形，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：1-点接触的滚子轴承,线接触的滚子轴承,式中 r，a径向和轴向变形，m； Kr，Ka径向和轴向刚度，Nm； Fr，Fa轴承所受的径向和轴向载荷，N； 接触角，()； db球径，mm； i、z列数和每列的滚动体数； la滚子有效长度等于滚子长度扣除两端的倒角，mm； Qr，Qa一个滚动体的径向和轴向载荷，N；,零间隙时轴承的刚度,存在轴向预紧力Fao时的轴向和径向载荷分别为,(3)主轴滚动轴承的精度 主轴滚动轴承的精度等级分为P2、P4、P5、P6和P0五级(旧标准为B、C、D、E、G级)，相当于ISO标准的2、4、5、6、0级。此外，新标准又规定了SP级和UP级作为补充。这两级的旋转精度分别相当于P4和P2级，内、外圈的尺寸精度则分别相当于P5级和P4级。在上述5种精度的轴承中，2级最高，0级最低，为普通精度级。轴承精度越高，则各滚动体受力越均匀，越有利于提高刚度和抗震性，并减少磨损，提高寿命。主轴轴承常用P4级；而高精度主轴则采用P2级；要求较低的主轴或三支承主轴中的辅助轴承可用P5级轴承。 由于滚动轴承的工作精度主要取决于旋转精度，且壳体孔和主轴颈是根据一定间隙和过盈要求配作的，因此，轴承内、外径的公差即使略宽也不影响工作精度，但却可以降低成本。,轴承的径向跳动将直接影响到主轴的旋转精度。在提高主轴的旋转精度时，一方面采用高精度轴承，另一方面在装配时再采用“选配法”则效果更佳。滚动轴承选配法，是先将一批轴承内圈和轴颈按实际测定的径向跳动量分成组，选取跳动量相近的进行装配，并使内圈和轴颈的径向跳动处于相反方向，使误差能部分地相互抵消，以提高主轴的旋转精度。如图4-25所示。,以上是从单个轴承和简单的几何关系分析得出的结论，实际上一根主轴上至少有两个轴承，如果能正确地选配各轴承之间的偏移量，也能互相抵消一部分误差。图4-26a表示前轴承轴心有偏移a，后轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为 图4-26b表示后轴承有偏移b，前轴承偏移为零的情况。这时反映到主轴端部轴心的偏移为显然，a1b1，这说明前、后轴承的精度对主轴旋转精度的影响是不同的，前轴承的精度对主轴组件的影响较大，故前轴承的精度应选得高一些。,此外，通过对同样精度的主轴前、后轴承的合理安装也可以获得很好的效果。如图4-27，设主轴的前、后轴承分别具有S前、S后的径向跳动量，当将两轴承的最大跳动量装在互为180 位置时(见a图)，则主轴的端部径跳量为1；若同向安装时(见b图)，则主轴的端部径跳量为2，显然12。,各种精度等级机床主轴轴承的精度参考表4-13选用。数控机床可按精密级或高精度级选用。,(4