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主轴传递的功率或扭矩与转速之间的关系：当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在437~3500r/min范围内，主轴应能传递电动机的全部功率11kw，II（实线）为主轴的恒功率区域。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（245N·m）应随着主轴的转速的增高而变小。主轴转速在35~437r/min范围内的各级转速并不需要传递全部功率，但是主轴的输出扭矩不变，称为主轴的恒扭矩区域I（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴的转速的降低而降低。电动机的超载功率为15kw,超载的最大输出扭矩为334 N·m。

（二）主轴箱结构

1、主轴箱结构

数控车床主轴箱结构如图，交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴。主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承和一对角接触轴承组成，圆锥孔双列圆柱滚子轴承用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支承轴承的间隙用螺母来调整。用螺钉来防止螺母回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承，轴承间隙用两个螺母来调整。两个螺钉是防止螺母回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜低速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮以及同步带带动脉冲编码器，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉固定在主轴箱体上。

主轴箱结构图

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2 、液压卡盘结构

液压卡盘固定安装在主轴前端，回转液压缸1与接套9用螺钉11连接，接套通过螺钉于主轴后端面连接，使回转液压缸随主轴一起转动。卡盘的夹紧与松开，由回转液压缸通过一根空心拉杆2来驱动。拉杆后端与液压缸内的活塞10用螺纹连接，用两端有螺纹的连接套3连接拉杆和滑套6。当液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向卡盘方向移动时，滑套向右移动，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座4带着卡爪5沿径向向外移动，则卡盘松开。反之液压缸内的压力油推动活塞和拉杆向主轴后端移动时，通过楔形机构，使卡盘夹紧工件。卡盘体8用螺钉7固定安装在主轴前端。

液压卡盘结构图

第四章 进给系统设计与结构说明

一 进给传动系统概述

（一）进给传动系统的特点

1、尽量采用以摩擦得传动副。如采用静压导轨、滚动导轨和滚珠丝杠等，以减小磨擦力。

2、选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能地加速以达到跟踪指令、系统折算到驱动轴上的惯量尽量小的要求。

3、缩短传动链以及用预紧的方法提高系统的刚度。如采用大转矩宽调速的直流电动机与丝杠直接相连应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的、并可预拉伸的结构等方法来提高转动系统的刚度。

4、尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套、用键加紧螺钉紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等），采用有消除间隙措施的传动副等。

（二）对进给传动系统的要求

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为确保数控机床寄给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，

提出如下要求。

1、高的传动精度与定位精度

数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，对采用步进电动机驱动的开环控制系统尤其如此。无论对点位、直线控制系统，还是轮廓控制系统，传动精度和定位精度都是表征数控机床性能的主要指标。设计中，通过在进给链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等方法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。由此可见，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服传动机构的精度，是影响工作精度的主要因素。 2、宽的进给调速范围

伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达到3~6000mm/min。为了完成精密定位，伺服系统得低速趋近速度达0.1mm/min；为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达15m/min。在多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方向的运动速度也要配合适当；这是对数控系统合伺服进给系统提出的共同要求。 3、响应速度要快

所谓快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高进给系统的快速响应特性。 4、无间隙传动

进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各个传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此应尽量消除传动间隙，减小反向死去误差。设计中可采用消除间隙的联轴器及有间隙措施的传动副等方法。 5、稳定性好、寿命长

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振的。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，及各传动部件保持其原来制造精度的能力。设计中各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠和传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。 6、使用维护方便

数控机床属于高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂

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件的生产加工，机床的开机率相应就高，因此，进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。

二 交流伺服驱动装置及调速

（一）交流伺服电机

用于闭环和半闭环系统的伺服驱动装置常有直流伺服电机、交流伺服电机等，这与主轴驱动装置类似。交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中的电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制的情况。

交流伺服电机的功工作原理和两相异步电动机相似。由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无法控制信号时它不转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，往往不能立即停止而要继续转动一会。

交流伺服电机也是有转子和定子构成的。定子上有励磁绕组和控制绕组，这两个绕组在空间上相差90°电角度。若有两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场是一个椭圆型旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。例如，负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。

（二）交流伺服电动机的调速

交流伺服电动机调速与交流主轴电机的调速相似，即采用变频调速。下面介绍变频调速产生的磁场定向调速系统，即矢量变换控制。磁场定向调速的基本原理是通过矢量变换，把交流电动机等效为直流电动机，因为异步电动机的电磁转矩难以直接控制，也就不易获得良好的控制性能，而直流电动机能对电磁转矩进行良好的控制，使直流调速系统具有良好的动态性能。其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立的。它先将三相对称绕组等效成两相对称绕组，再将其等效成旋转的两个直流正交绕组，这两个正交绕组组成正交坐标轴，一个相当于直流电机的等效磁通，另一个相当于直流电机的等效电枢电流。在旋转的正交坐标系，交流电动机的数学模型和直流电动机的一样。这种等效要经过三相-二相交换、矢量旋转变换、直角坐标-极坐标变换等，才能得到所需的控制变量，使交流电动机能像直流电动一样，对转矩进行有效的控制，故称其为矢量变换控制。又因为旋转的两个正交坐标轴是由磁通矢量方向决定的，所以又称磁场定位控制。

交流伺服电动机由幅值控制、相位控制以及幅值-相位混合控制三种控制方法。

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