銑床主軸箱設(shè)計(jì)

毛秋林

摘 要：銑床主軸箱是銑床的重要裝備件，是銑床的輸出端，對(duì)銑床輸出的轉(zhuǎn)速及加工精度起主要作用。分析銑床主軸箱設(shè)計(jì)，從而為銑床主軸箱設(shè)計(jì)提供更加廣泛的思路。

關(guān)鍵詞：銑床;主軸箱;設(shè)計(jì)

1 銑床傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

實(shí)際銑床傳動(dòng)軸的質(zhì)量是連續(xù)分布的，用基于集中參數(shù)的模型來表示這樣的銑床傳動(dòng)軸會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果與精確模型之間的差異，這些差異隨著模型中集中點(diǎn)的數(shù)量而減少。將具有分布質(zhì)量的銑床傳動(dòng)軸劃分為幾個(gè)較短的單元，用第i個(gè)單元的質(zhì)量、彈性和阻尼等集中參數(shù)來描述，可以得到與將軸劃分為無限個(gè)單元時(shí)所得結(jié)果基本相同的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，與波模型相對(duì)應(yīng)。上述劃分過程稱為運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的離散化，對(duì)應(yīng)于銑床傳動(dòng)軸的多質(zhì)量集中參數(shù)模型。

為了展示銑床傳動(dòng)軸模型的綜合，采用了以下假設(shè)：銑床傳動(dòng)軸是彈性元件，在集總參數(shù)模型的情況下，軸被分成有限個(gè)相同的單元，其參數(shù)（彈性、質(zhì)量和耗散）相同。

在分布參數(shù)模型的情況下，軸被分成無限多個(gè)相同的單元，這些單元的參數(shù)是相同的;軸由特定的（每單位長(zhǎng)度）常數(shù)參數(shù)表示：特定的慣性矩J′，軸內(nèi)粘滯摩擦系數(shù)D′和扭轉(zhuǎn)敏感系數(shù)S′c，圓周運(yùn)動(dòng)由角速度表示，而軸偏轉(zhuǎn)則省略，

軸內(nèi)的粘性摩擦也用集中阻尼參數(shù)D1m和Dm1表示，為軸的每個(gè)元件定義角速度和扭矩。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，將銑床傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（圖1）轉(zhuǎn)換成m個(gè)離散單元，其中，J1，…，Jm，Cs，12，…，Cs，m-1，m，Sc，12，…，Sc，m-1，m，D12，…，Dm-1，m是慣性矩，扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，扭轉(zhuǎn)敏感系數(shù)（Sc=1/Cs）和分離銑床傳動(dòng)軸各元件內(nèi)的粘性摩擦系數(shù);D1，Dm是為軸承定義的摩擦系數(shù)。

根據(jù)機(jī)電能轉(zhuǎn)換理論，廣義坐標(biāo)是機(jī)械系統(tǒng)中的力或力矩和電路中的電壓，而廣義速度是機(jī)械系統(tǒng)中的速度或角速度和電氣系統(tǒng)中的電流。因此，銑床傳動(dòng)軸的參數(shù)與輸電線路的參數(shù)相等，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于電感，扭轉(zhuǎn)敏感度等于電容，摩擦系數(shù)等于阻力，軸內(nèi)的粘滯摩擦系數(shù)等于電導(dǎo)的倒數(shù)。采用上述類比，并考慮到銑床傳動(dòng)軸的特殊性，建立了銑床傳動(dòng)軸的等效電路。

為了驗(yàn)證所提出的長(zhǎng)銑床傳動(dòng)軸建模算法在輸電線路上的有效性，進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。在第一步中，算法C++編寫的計(jì)算機(jī)程序由研究小組編寫。采用開放式自由軟件編寫仿真程序。開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的仿真程序可以優(yōu)化算法代碼，該算法代碼將在將來用數(shù)字信號(hào)處理器在逆變器中實(shí)現(xiàn)。仿真包括無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）的全控制模型，建立的長(zhǎng)銑床傳動(dòng)軸模型和直流發(fā)電機(jī)模型。在仿真中，根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置元素，選取了4kw無刷直流電動(dòng)機(jī)和長(zhǎng)0.66m、直徑0.008m的鋼制銑床傳動(dòng)軸的參數(shù)。

2 銑床帶輪的設(shè)計(jì)

銑床帶輪是一個(gè)具有大量振動(dòng)源的高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它具有足夠的彈性，具有不同的自由度與靈活性。銑床帶輪的作用力完全取決于激振力的強(qiáng)度、周期性出現(xiàn)的時(shí)間間隔以及作用的持續(xù)時(shí)間。在銑床帶輪設(shè)計(jì)中，可以采用以下方案。

銑床帶輪安裝在一根長(zhǎng)橫梁上，這樣結(jié)構(gòu)支架就遠(yuǎn)離電動(dòng)機(jī)的重心，傳動(dòng)總成就安裝在隨電動(dòng)機(jī)移動(dòng)的動(dòng)臂上。銑床帶輪位于短梁上，因此結(jié)構(gòu)支架大致低于電機(jī)的重心。驅(qū)動(dòng)組件位于動(dòng)臂上，并隨動(dòng)臂一起移動(dòng)。銑床帶輪安裝在銑床機(jī)的固定底座-底梁上，在這種情況下，銑床帶輪會(huì)形成一個(gè)非常獨(dú)立的系統(tǒng)，帶者銑床帶輪獨(dú)立移動(dòng)。

3 銑床齒輪的設(shè)計(jì)

為了更好地了解銑床齒輪設(shè)計(jì)過程，圖2顯示了帶有工業(yè)機(jī)器人的銑床齒輪的示意圖。銑床有16個(gè)齒輪，在銑床齒輪中，采用1F1E結(jié)構(gòu)，在同一組相鄰的兩個(gè)銑床齒輪之間設(shè)置間隙，安裝銑床齒輪，驅(qū)動(dòng)銑床齒輪。銑床齒輪有1個(gè)主軸，如圖1所示的坐標(biāo)系所示;機(jī)器人效應(yīng)器末端的旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，X、Y和Z軸如圖所示。指第i（i=1，2，…，n）個(gè)銑床齒輪在第j（j=1，2，…，m）根軌道上對(duì)芯軸施加的力，可根據(jù)實(shí)際情況得到;設(shè)計(jì)銑床齒輪與Z軸的夾角、銑床齒輪的角速度、銑床齒輪與水平面在X-Y平面上的投影角。在銑床齒輪設(shè)計(jì)過程中，銑床齒輪沿順時(shí)針方向移動(dòng)，牽引系統(tǒng)用芯軸牽引機(jī)器人，使芯軸沿銑床齒輪中心移動(dòng)。

銑床齒輪的傳動(dòng)鏈由許多傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，包括傳動(dòng)軸、軸承、托架和軸套。銑床主軸箱系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是銑床齒輪，優(yōu)化銑床齒輪嚙合以減小振動(dòng)是提高銑床性能的有效途徑。齒面摩擦系數(shù)受齒面微觀形貌、潤(rùn)滑狀態(tài)、嚙合位置等多種因素的影響。利用庫(kù)侖模型和光滑庫(kù)侖模型等摩擦系數(shù)預(yù)測(cè)模型對(duì)銑床齒輪的摩擦系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

建立直銑床齒輪系統(tǒng)三維有限元模型的過程。首先，利用HYPERMESH軟件和ANSYS軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸進(jìn)行有限元分析。利用Craig-Bampton組件模態(tài)綜合技術(shù)可以生成降階模型。然后，驅(qū)動(dòng)銑床齒輪。最后，利用Newmark-β積分法推導(dǎo)并求解動(dòng)力學(xué)方程。

銑床齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)軸的三維有限元分析中，通過建立銑床齒輪三維模型的方式，這個(gè)模型有3000多個(gè)節(jié)點(diǎn)和9000個(gè)自由度，直接求解模型是非常耗時(shí)的。因此，動(dòng)態(tài)分析需要一個(gè)降階模型。構(gòu)件模態(tài)綜合技術(shù)是一種有效的模型降階方法，本次設(shè)計(jì)采用Craig-Bampton（CB）組件模式綜合方法。根據(jù)銑床齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將主軸箱（包括小銑床齒輪和軸）的三維有限元分析分為兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，它們分別被命名為軸子結(jié)構(gòu)和銑床齒輪子結(jié)構(gòu)。兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的界面是銑床齒輪的軸孔，對(duì)CMS在該模型中的主要應(yīng)用作了簡(jiǎn)要的總結(jié)。

假設(shè)驅(qū)動(dòng)軸的物理坐標(biāo)可以表示為：

其中下標(biāo)“i”和“j”分別表示內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自由度和接口節(jié)點(diǎn)自由度?！癙”是指銑床齒輪，“K”表示用來連接模擬齒輪接觸的彈性基礎(chǔ)的固定自由度，以及上標(biāo)“S”代表軸下部結(jié)構(gòu)。

通過有限元分析軟件得到了軸子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度矩陣，并按如下順序排列：

得到了獨(dú)立模型坐標(biāo)系下驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和力矢量。它們之間的關(guān)系需要通過一對(duì)配對(duì)的銑床齒輪來建立。利用PASTHARNAK基金會(huì)模擬銑床齒輪接觸。銑床齒輪模型設(shè)計(jì)中，一對(duì)嚙合銑床齒輪被同化為兩個(gè)不同的基礎(chǔ)。兩個(gè)基礎(chǔ)通過一些獨(dú)立彈簧串聯(lián)在一起，彈簧用于模擬接觸剛度。假設(shè)兩個(gè)基礎(chǔ)位于作用平面內(nèi)，兩個(gè)嚙合齒的銑床齒輪接觸剛度可以由通過組合所有質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和力矢量，可以得到銑床齒輪參數(shù)的動(dòng)力學(xué)方程。銑床齒輪設(shè)計(jì)中，分別是銑床齒輪系統(tǒng)的三維有限元的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和位移，建立耦合剛度矩陣和銑床齒輪系統(tǒng)的三維有限元。

在銑床齒輪有限元模型設(shè)計(jì)中，分析銑床輪齒面裂紋對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。然而，銑床齒輪剝落故障也是工程應(yīng)用中常見的故障類型，剝落故障通常發(fā)生在銑床齒輪的節(jié)線附近。銑床齒輪剝落缺陷在節(jié)線附近被建模為矩形剝落。假設(shè)銑床齒輪在剝落后不與從動(dòng)銑床主軸箱接觸，則剝落區(qū)的接觸剛度將被移除。

4 主軸組件設(shè)計(jì)

本機(jī)床功率為中型功率，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，主軸采用了軸向后端定位的兩支承主軸組件。前支承采用3182118型雙列圓柱滾子軸承，后支承采用46214型角接觸球軸承和8215型單向推力球軸承。為了保證主軸回轉(zhuǎn)精度，主軸前后軸承均用防松螺母調(diào)整軸承的間隙。主軸前端采用短圓錐定心結(jié)構(gòu)。前軸承為C級(jí)精度，后軸承為D級(jí)精度。

5 潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主軸箱內(nèi)采用飛濺式潤(rùn)滑。油面高度為65mm左右，甩油輪浸油深度為10mm左右。潤(rùn)滑油型號(hào)為：HJ30。卸荷皮帶輪軸承采用脂潤(rùn)滑方式。潤(rùn)滑脂型號(hào)為：鈣質(zhì)潤(rùn)滑脂。

6 密封裝置的設(shè)計(jì)

Ⅰ軸軸頸較小，線速度較低，為了提升密封能力，本次設(shè)計(jì)采用接觸式密封的方式。銑床主軸的直徑非常大，而且運(yùn)行速度快，應(yīng)該結(jié)合非接觸式密封的方式。皮帶輪的密封應(yīng)該結(jié)合毛氈式密封，從而有效的防止異物與其接觸。

7 結(jié)語

銑床主軸箱對(duì)銑床的運(yùn)行產(chǎn)生重要的影響，因此，應(yīng)該完善銑床主軸箱的設(shè)計(jì)，從而提升銑床運(yùn)行的效率，有效的降低故障率發(fā)生。在銑床運(yùn)行中，要結(jié)合主軸箱的運(yùn)行情況，進(jìn)行各類子部件的設(shè)計(jì)，通過有限元分析的方式，提升設(shè)計(jì)精度。

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