CK6140车床主传动系设计

湖南科技大学本科生毕业设计（论文） iii目 录第一章 前言 11.1 课题背景 11.1.1 数控车床的发展及应用情况 11.1.2 我国数控机床发展存在的问题 21.1.3 经济型数控机床在国民经济中的地位 21.1.4 经济型数控机床的特点及要求 31.2 研究内容和方法 41.2.1 研究内容 41.2.2 研究方法 51.3 设计任务与论文构成 51.3.1 设计任务 51.3.2 论文构成 5第二章 机床设计 72.1 机床设计应满足的基本要求 72.2 机床设计步骤 92.3 机床总体布局 10第三章 主传动系统的设计 123.1 主传动系统的设计要求和特点 123.1.1 数控机床主传动系统的设计要求 123.1.2 数控机床主传动系统的特点 123.2 总体设计 123.2.1 拟定传动方案 123.2.2 选择电机 143.2.3 计算各轴计算转速、功率和转矩 173.2.4 转速图与传动图 183.3 轴系部件的结构设计 193.3.1 I 轴结构设计 193.3.2 II 轴结构设计 233.3.3 III(主)轴结构设计 34湖南科技大学本科生毕业设计（论文） iv3.3.4 编码器的选择与安装设计 373.3.5 主轴箱展开图39第四章 进给传动系设计的简单介绍 404.1 进给传动系的组成404.2 进给传动系设计应满足的基本要求 40第五章 结论 41参考文献 42致谢 43全套图纸加 153893706湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 1 -第一章 前 言1.1 课题背景1.1.1 数控机床的发展及应用情况计算机技术的飞速发展，使得现代制造的技术不断推陈出新。在现代制造系统中，数控技术把计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点，对现代制造业实现集成化、智能化、自动化有着非常重要的的作用。数控技术是一门把自动化控制技术、测量技术、微电子技术、计算机技术、现代机械制造术、信息处理技术等集于一体的综合技术，是这些年来发展很迅速的一门综合性的高新技术。数控技术是为了适应高速度、高精度、复杂零件的加工而出现的，是实现数字化、柔性化、信息化、自动化、集成化、网络化的根基，是现代制造技术的核心和灵魂，应用前景十分广阔。伴随着电子计算机技术、微电子技术、信息自动处理技术、以及数据处理的发展，给自动化带来了新的定义，使得机械制造自动化不断的向前发展。最早在 20 世纪 40 年代初，就已经有人提出采用数控技术进行机械制造加工的想法。在 1953 年，美国空军技术研发部跟麻省理工大学进行合作，计划投身于计算机自动编程的研究与开发，这就是创建自动编程系统的开始。自动编程系统开始于 APT 的成功研制。在 1954 年，美国本迪克斯公司生产制造出世界上第一台工用数控机床，在这之后的几年里，数控机床技术在美国进入了飞速发展的阶段，随之在市场上也出现了商品化的数控机床。在 1958 年，美国一家公司率先研制出带有换刀装置的数控机床，称为“数控加工中心 ”。在 1959 年，随着晶体管元器件的出现，于是在数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板。与此同时，麻省理工大学和美国航空部门一起合作发展了 APT 程序语言。在 1960 年以后，数控技术进入了迅猛发展的阶段。日本、德国、英国等工业国家陆续地开发、研制、生产及使用数控机床，数控技术慢慢应用到其他机械上。比如，焊接机、饶线机、切割机等。在程序编制方面，已经由手工编程慢慢发展到计算机自动编程。与此同时，又出现和发展了许多的自动编程语言。在 1965 年，随着小规模集成电路的出现，使得数控系统的可靠性有了进一步提高，数控系统发展到了第三代。装有上面三代数控系统的机床为普通数控机床。在 1967 年，英国率先把几台数控机床连接成具有柔韧性的加工系统，开始研制和开发最初的柔性制造系统 FMS，在此之后，美国、欧洲、日本也开始陆续开发和应用。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 2 -在 20 世纪 80 年代初，出现了柔性制造单元 FMC，这时 FMS 已日趋成熟。并慢慢地发展成为第四代数控系统。在 1971 年前后，美国一家公司开发了微处理器。在 1974 年，美国、日本等国家率先研制和开发出了以微处理器为中心的计算机数控系统。这是第五代数控系统。最近 20 年以来，伴随着微电子技术的发展，使得数控技术成为现代制造技术的基础。我国数控机床行业有着巨大的市场空间，未来十年，汽车行业和高新技术等产业将会在我国迅猛发展。有专家指出，以目前我国中高档数控机床和成套成线设备的开发、生产能力，在质量、品种和数量上还远远不能适应市场的巨大需求，因此必须加快数控机床的研制和开发。1.1.2 我国数控机床发展存在的问题目前我国的数控机床发展虽然取得了较大的成就，但还是存在一些问题：（1） 数控化水平低这些年来，我国数控机床生产一直保持着高速增长。2000 年的产量位居世界第五。但是与很多发达国家相比，我国数控机床数控化率还有待提升，目前生产值的数控化率还不到 29%；消耗值的数控化率还未到 45%，而大多数发达国家维持在 75%左右。以金属切削机床作为例子，我国去年年产量为 25 万台，其中数控机床只有 2.5 万台，仅为产量的十分之一左右。中高档次的数控机床及配套部件只能依靠进口。（2） 功能部件有差距数控功能部件是指主轴单元、数控系统、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、高速防护装置、刀库和机械手等，他们是数控机床的重要组成部分。功能部分技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平将直接影响着数控机床整机的性能和技术水平。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展显得落后很多。功能部件的水平不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的 65%左右，它的发展状况将直接关系到机床整体的竞争水平。近年来，我国的功能部件生产企业的规模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至还依附于主机厂或者研究所。从整体上来看，我国功能部件的生产发展比较缓慢，品种较少，产业化程度很低，精度指标和性能指标都还不达不到要求。滚珠丝杠，数控刀架、数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽然已经形成一定的规模，但是仅仅只能满足中低档数控机床的配套需要。高级数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还大量依赖进口。因此健全功能部件生产企业的体制规范，做大做强做好一批功能部件的生产企业已经是箭在弦上不得不发。1.1.3 经济型数控机床在国民经济中的地位湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 3 -数控机床的分类方式有很多种，按照数控系统的功能水平来分的话，数控机床可以分为经济型、中档型和高档型。随着我国工业的迅猛发展，机械制造业也得到了快速的发展，以此为基础数控机床的应用越发广泛，例如汽车行业、航天行业等，因为与机械制造有关的行业都有数控机床的存在，特别是经济型数控机床的应用，而且经济型数控机床的伺服进给驱动一般是由步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧以及螺纹的加工。一般控制轴在三轴以下，脉冲当量多为 10，快速进给速度在 10m/min 以下。因此经济型数控机床的应用非常广泛。这些年来，伴随着我国制造业的迅猛发展，让数控机床的应用也越发广泛，其中经济型数控机床的应用特别明显。但是伴随着机械制造业在国民经济中地位不断的提高，数控机床的地位也随之不断提高。这就使得数控机床的产量不断的增加，2000 年产量就位居世界第五。以金属切削机床为例，我国去年产量为 25 万台，其中数控机床只有 2.5 万台，仅为产量的十分之一左右。其中数控机床产量的增加非常明显，根据资料的统计，国产的数控机床到 2000 年可提供品种 750 多种，但是却只有数控车床种类的 50%左右，其中占了产量 70%的是经济型数控机床，上面的叙述表明了经济型数控机床在国民经济中占据着非常重要的地位。1.1.4 经济型数控机床的结构特点及要求经济型数控机床和一般的数控机床一样，在效率、精度和自动化程度等方面要明显高于普通的机床，同时还具有了柔性，这就对其结构有了以下几点要求：（1） 高的刚度当数控机床要在中高速切削条件下工作时，机床的工作台、床身、主轴、立柱、刀架等主要部件都需要很高的刚度，使得在工作中变形或振动最小。（2） 高的灵敏度数控机床在自动状态下工作时要求的精度高于普通的机床，因此相应地运动也具有高的灵敏度。导轨通常采用塑料导轨、静压导轨、滚动导轨等，以达到减小摩擦力、低速无爬行的目的，工作台、刀架等移动部件则需要由直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴多数采用滚动轴承来提高灵敏度。（3） 高的抗振性数控机床的部分运动部件需要保证在中高速切削的条件下没有振动，以保证加工件的精度和表面粗糙度的要求。同时还要注意避免切削时的产生的谐振。（4） 热变形要小运动的部件容易产生热量。为保证部件的运动精度，一般采取立柱框架式结构，使提高刚度的同时防止产生热变形而发生倾斜偏移，主轴可采用恒温冷却主轴，以保湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 4 -证主轴高速运转时产生的热量最少，电动机可以采用安装散热装置以减少电动机运转时发热的影响。（5） 高精度的保持性数控机床需要保证长时间内具有稳定的工作精度，即高精度的保持性，一般选择合适的零件材料，防止使用时发生变形和磨损，同时采取相应的工艺措施，比如淬火和粘贴塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。（6） 高的可靠性数控机床大多数是在自动或者半自动条件下工作的，需要具有高的可靠性。（7）刀具系统数控机床刀具要具有高的耐用度，合理的结构，同时对于不同的数控机床，需要用不同的刀具系统和相应的刀片。与普通机床相比，数控机床具有以下优越性：1、可以加工出普通机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比普通机床提高 47 倍。 3、加工零件的精度较高，尺寸分散度很小，使得装配容易 4、可实现多工序的集中加工，减少零件在机床间的搬运。 5、拥有自动监控、自动补偿等多种功能，可实现长时间没有人看管的加工。 因此，采用数控机床，可以大大降低工人的劳动强度，节约劳动力，减少了工装，缩短了新产品试验周期和生产周期，可以对市场的需求作出快速的反应。 而且数控机床推行 FMC、FMS 以及 CIMS 等企业信息化改造的基础。数控技术已然成为机械制造业自动化的核心技术。基于以上优越性，数控机床所占的比例迅速增大。从 2006 年的市场消费的内容可以看出,传统机床的市场份额在下降,数控机床份额则大幅度的增长，尤其是中高档数控机床变得供不应求。因此可以预料，未来几年甚至十年内传统机床的市场份额将不断的下滑, 数控机床的消费会逐步的扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台经济型数控车床CK6140，用于对转体零件的圆柱面、圆锥面、端面以及各种公、英制螺纹等进行高效、批量、高精度的自动加工，以提高生产的效率和产品的质量和降低工人的劳动强度。通过本次毕业设计培养自己综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力 1。1.2 研究内容和方法1.2.1 研究内容本课题设计的数控车床的主要参数如下：湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 5 -工件最大回转直径： 400mm；中心高：205mm；刀架最大回转直径： 210mm；刀架最大回转行程；280mm；主轴最大转速：4000 r/min；主轴最低转速：40r/min；课题研究的主要内容是主轴传动系统的设计。1.2.2 研究方法第一步，明确设计的要求，找出研究的重点和难点：数控车床最基本的要求就是精度达标，运行稳定可靠，操作、保养方便，寿命比较长，此外还要力求外型的美观。第二步，进入工厂观察，大量收集相关的资料，广泛吸取有关专家设计的经验。第三步，初步地确定总体的设计方案：1、软件的方面 充分考虑功能、技术先进、价格、服务方便等因素，以及考虑数控系统所具有的功能是否与 CK6140 的性能相匹配，尽量减少数控功能的过剩。2、硬件的方面（1）根据机床的性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体的布局；（2）选择主电动机。根据切削力的大小以及机床的变速要求，初步地选定主电动机的型号；（3）设计主传动系统及主轴箱。根据主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动的方式。1.3 设计任务与论文构成1.3.1 设计主要任务1、分析确定 CK6140 车床主轴系统的整体传动方案；2、主轴系统结构的总体方案设计；3、零部件的校核与设计相关的计算；4、装配图的设计、零件工作图的设计；5、本设计的优缺点分析；6、典型零件加工工艺及图形交互式（ CAD/CAM）或手工数控程序编制；7、编写设计说明书。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 6 -1.3.2 论文构成第 1 章 前言第 2 章 机床的设计。第三章 详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。第四章 简单介绍进给传动系的设计。第五章 总结本次毕业设计。论文最后是本次毕业设计的心得、参考文献和致谢。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 7 -第二章 机床设计2.1 机床设计应满足的基本要求1、工艺范围机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，也可称为机床的加工功能。机床应满足一定的加工作业要求，包括加工作业功能和加工作业空间。机床的加工作业功能要求将决定其运动功能，加工作业空间要求将决定其运动行程范围。机床的工艺范围一般包括可加工工件的类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型等。机床的工艺范围主要取决于其用于哪种生产模式。如使用单机生产模式，工序集中，要求机床具有较宽的加工范围，对加工效率和自动化程度的要求相对低一些。如使用于多品种小批量的自动化生产系统模式，要求机床能适应多品种工件的加工，具有一定的工艺范围、较高的加工效率和自动化程度。如使用于大批量生产模式，工序分散，一台机床仅需要对一种工件完成一道或几道工序的加工，工艺范围窄，但要求加工效率高，自动化程度高。机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。对于生产率，就机床本身而言，工艺范围增加，可能会使加工效率下降。但就工件的制造全过程而言，机床工艺范围增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能使总的生产率提高。2、柔性机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。随着市场经济的发展，对机床及其组成的生产线的柔性要求越来越高。传统的刚性自动生产线尽管生产效率高，但无法适应产品更新换代速度越来越快的要求。机床的柔性包括空间上的柔性和时间上的柔性。所谓空间柔性，也就是功能柔性，包括机床的通用性和在同一时期内进行快速功能重构的能力，即机床能够适应多品种小批量的加工，机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广，一台机床具备多台机床的功能，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用等于布置了几台机床。所谓时间上的柔性，也就是结构柔性，指的是在不同时期，机床的各部件的重新组合，构成新的机床，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。3、与物流系统的可接近性可接近性是指机床与物流系统之间进行物料流动的方便程度。对于普通机床，是湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 8 -由人工进行物料流动的，要求机床的使用、操作、清理和维护方便和安全。对于自动化制造系统，是采用工件传送带、自动换刀系统和自动排屑系统等装置自动进行物料流动的，要求机床的结构便于物料的流动，可靠性好。4、刚度机床的刚度是指加工加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响机床加工精度方向变形的能力。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。机床是工作母机，其刚度要求比一般机械装备要高得多。5、精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要求。机床精度主要指机床的几何精度和机床工作精度。机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，描述机床独立部件相对理想的线或面的形状特征、位置、旋转、位移的偏差程度。他们对于机床的工作精度及工具、重要零部件和附件的安装都是非常重要的。机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度。6、噪声噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染。设计和制造过程中要设法降低噪声。7、生产率机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。对用户而言，使用高效率的机床，可以降低工件的加工成本。8、自动化机床的自动化程度越高，则加工效率越高，加工精度的稳定性越好，还可以有效降低工人的劳动强度，便于一个工人看管多台机床，大大提高劳动生产率。9、成本成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。10、生产周期为了快速响应市场需求变化，生产周期是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求应尽可能采用现代设计方法，缩短新产品的开发周期；尽可能采用现代制造和管理技术，缩短制造周期。11、可靠性应保证机床在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 9 -故障运行的概率要高。12、造型与色彩机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学要求进行设计。13、机床设计方法随着科学技术的进步和社会需求的变化，机床的设计理论和技术也在不断的发展。计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。计算机辅助设计（CAD )和计算机辅助工程（CAE）已在机床设计的各个阶段得到了应用，改变了传统的经验设计方法，使机床设计由传统的人工设计向计算机辅助设计、由定性设计向定量设计、由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行性设计向最佳设计过渡。数控技术的发展与应用，使得机床的传动与结构发生了重大的变化。伺服驱动系统可以方便地实现机床的单轴运动及多轴联动，从而可以省去复杂笨重的机械传动系统，使其结构和布局产生了很大的变化 2。2.2 机床设计步骤一般机床设计的内容及大致步骤如下：（1）总体设计1、机床主要技术指标设计机床主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。对于不同的设计任务，如工厂的规划产品，或根据机床系列型谱进行设计的产品、用户的订货等，尽管具体的设计要求不同，但主要的技术指标大致相同，包括：（1）工艺范围 包括加工件的材料类型、形状、质量和尺寸范围等。（2）运行模式 机床是单机运行模式，还是用于生产系统。（3）生产率 包括加工件的类型、批量及所要求的生产率。（4）性能指标 加工件所要求的精度或机床的精度、刚度、热变形、噪声等性能指标。（5）主要参数 即确定机床的加工空间和主参数。（6）驱动方式 机床的驱动方式有电动机驱动和液压驱动。电动机驱动方式中又有普通电动机驱动、步进电动机驱动与伺服电动机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。（7）成本及生产周期 无论是订货还是工厂规划产品，都应确定成本及生产周期方面的指标。2、总体方案设计湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 10 -总体方案设计包括：（1）运动功能设计 包括确定机床所需运动的个数、形式、功能及排列顺序，最后画出机床的运动原理图，并进行运动功能分配。（2）基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。（3）传动系统设计 包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。（4）总体结构布局设计 包括总体布局结构形式及总体结构方案图设计。（5）控制系统设计 包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。3、总体方案综合评价与选择在总体方案设计阶段，对其各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案。4、总体方案的设计修改或优化对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。（2）详细设计详细设计包括：技术设计、施工设计。1、技术设计设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要零件进行分析计算和优化，设计液压原理图和相应的液压部件装配图，设计电气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配图和总联系尺寸图。2、施工设计设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表，编写设计说明书、使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文档。（3）机床整机综合评价对所设计的机床进行整机性能分析和综合评价。可对所设计的机床进行计算机建模，得到所谓的数字化样机，又称虚拟样机。采用虚拟样机技术对所设计的机床进行运动学仿真和性能仿真，在实际样机没有试造出来之前对其进行综合评价，可以大大减少新产品研制的风险，缩短研制的周期，提高研制的质量。上述步骤可反复进行，直至达到设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复进行，可以提高一次设计成功率。（4）定型设计在上述步骤（三）完成后，可以进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。2.3 机床总体布局按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有 5 种布局形式，主要包括：湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 11 -1、后斜床身-斜滑板 2、直立床身-直立滑板3、平床身-平滑板4、前斜床身-平滑板5、平床身-斜滑板一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下的特点： (1) 更容易实现机电一体化；(2) 机床外形美观，占地面积小；(3) 更容易设置封闭式防护装置；(4) 容易进行排屑以及安装自动排屑器； (5) 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； (6) 宜人性好，便于操作； (7) 便于安装机械手，实现单机的自动化 1。 基于以上的优点，在本课题中采用倾斜滑板平床身。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 12 -第三章 主传动系统的设计3.1 主传动系统的设计要求和特点3.1.1 数控机床主传动系统的设计要求：1、主轴要具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数、能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床不同的运动要求；2、主电动机要具有足够的功率，全部的机构和元件要具有足够的刚度和强度，来满足机床动力方面的要求；3、主轴部件要有足够的精度，抗振性、热变形以及噪音都要小，传动效率必须要高，以满足机床工作性能方面的要求；4、调整维修方便，操作灵活可靠，密封润滑良好，用以满足机床的使用要求；5、结构要简单紧凑，工艺性能要好，成本要低，以满足经济方面的要求 2。3.1.2 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：1、转速更高、功率更大；2、更大的变速范围，并实现了无级调速；3、主轴变速要快速并且可靠，要有比较高的刚度以及精度、传动平稳，噪声要低；4、主轴部件的耐磨性要高，要有比较好的热稳定性和抗振性 2。3.2 总体设计3.2.1 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 13 -机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性 2。由于主轴要求的恒功率变速范围 远大于电动机的恒功率变速范围 ，故必须NRn dNR配以分级变速箱。为简化主轴箱结构，分级变速级数应该少些，分级变速箱的公比可取大于电动机的恒功率变速范围 ，即 。主轴的设计转速范围为fdNfdN40r/min4000r/min;根据以下计算：（以下计算公式均来自于资料 2）估算主轴的计算转速： = = jn3.0minaxi)(min/159403.r）（3.1）主轴要求的恒功率变速范围为： =4000/159=25.2 NRn电动机恒功率变速范围为： 31504d为了简化变速箱结构，取变速箱的变速级数 Z=2,由 dNfNnR1（3.2）可算出变速箱的公比 =5.1，大于 值许多，在主轴的功率特性图中将出现较大fdN的“缺口”，在缺口处的功率仅为：kWPRfdN5.61/3/电 动 机实主传动系图如下图所示：湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 14 -图 3.1 主轴传动图有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素 4。电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式 3。3.2.2 选择电机1、选择电机应综合考虑的问题(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.80.9。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 15 -(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素 4。2、电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等) ，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表 3.1 简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个 kW 到上百 kW，广泛地应用于各种数控机床上。经过对比分析本设计中决定采用 FANU 系列交流主轴电机。 系列是高速、cici高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑 4。3、电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算，本设计中电机容量按以下步骤确定：表 3.1 理想主轴驱动系统性能湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 16 -（1）确定主轴切削力(如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料5)确定主轴材料为 45 号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为 44HRC，单位切削力为 250 公斤/m 2。切削用量范围： rmfaivp/8.0142/95进 给 量 ：背 吃 刀 量 ：切 削 速 度 ：背吃刀量取 ，进给量取 ；p4a5根据主切削力的指数公式： )(16084.NfafCFpyFcxpc（3.3）可得： =3664.7（N） 84.01c5故切削功率：)(80.51697.34min/)(33c KWPvFc 切 削 速 度 取（3.4） （2）确定电机输出动率 d项目 内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围，并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速，起制动能力具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化高效率，低噪声低价格 低购买价格，低维护价格,低服务价格通用要求 耐用性，可维护性，安全可靠性湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 17 -cdP（3.5） 传动装置的总效率 231其中， 圆柱直齿轮传动效率，由资料6，附表 1-1 查得 0.97；1 1轴滚动轴承效率，由资料6，附表 1-1 查得 =0.99；2 2轴（主轴）轴承效率，由资料6，附表 1-1 查得 =0.99；3 3由此， 。90490.97.0故： ）（ KWPd26.85（3）选择电动机额定功率 edP如前所述，电动机功率应留有余量，所以电动机额定功率选取为 11 。Kw（4）电动机电压和转速的选择小功率电动机一般选为 380V 电压。所以本电机的电压可选为 380V4。 同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为 40r/min4000r/min。由于只有一根中间传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。I 轴上齿轮传动比确定为 ，II 轴上两对直齿轮的传动比分别为1/2i， 。16/92i5/3i（5）确定电机的型号由前面信息，可选取 FANUC 交流电机，型号为 。这种电机转动非常12/60ci平稳，采用 160,000,000/rev 的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为 系列的后续产品，具有更先进的节能效果。电机参数如下表所示：表 3.2 电机参数湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 18 -机座长为 ，电机轴径为 35mm，轴伸为 ，中心高 ，其余安装465m10m132m尺寸及其外形由资料4得 4。3.2.3 计算各轴计算转速、功率和转矩1、各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料2）首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式：= =159 r/min； 3nj 3.0minaxi)(（3.6） 然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速，in/8.3495/132 rinmi/350r6.2.11 n7上式中 、 、 的意义如前所述。i3i2、各轴输入功率= 11KwIPed I21I Kw5.109.07. = I32I Kw0.19.7上式中， 、 、 的意义如前所述。1233、各轴输入转矩： (N/m) nPT/950（3.7）1 ).(16.6/mN2T283495093 )/(./.将以上计算结果整理后列于表 3.3，供以后计算选择，供以后计算使用：型号 额定功率 连续 30min 功率 额定转速 最高转速 重量 振动 冷却12/60ciKw15/inr4/ir95KgV56W湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 19 -表 3.3 各轴的传动参数轴 参数I 轴（电机轴） II 轴（中间传动轴） III 轴（主轴）计算转速（ ）min/r700 350 159输入功率（Kw） 11 10.5 10.0转矩（ ）N 150.16 286.66 600.63传动比 1/2i ，16/92i5/3i3.2.4 转速图与传动图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围和恒转矩变速范围)和各轴传动比,作数控车床的主运动转速图和功率特性图,见图 3.2。图 3.2 转速图和功率特性图由转速图 3.2 可知，电动机经 1:2 定比传动降速后，如果经 16：9 传动比传动主轴，则当电动机转速从 4500r/min 降至 1500r/min（恒功率区），主轴转速从 4000r/min 降至1333r/min。主轴转速再需下降时变速箱变速，经 5:11 传动比传动主轴，电动机又恢复从 4500r/min 降至 1500r/min，主轴则从 1333r/min 降至 341r/min。故主轴从 4000r/min降至 341r/min 为恒功率调速。主轴从 341r/min 降至 40r/min，电动机从 1500r/min 降至176r/min 为电动机的恒转矩区。（额定转速向上至最高转速为恒功率；额定转速向下至最低转速为恒转矩；本方案电动机的额定转速为 1500r/min。）湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 20 -初定数控车床的传动系统图,如图 3.3。图 3.3 传动系统图 3.3 轴系部件的结构设计3.3.1 I 轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料7）I 轴上的零件主要是齿轮 1。一端用套筒定位，另一端采用单螺钉固定的轴端挡圈定位。1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数.根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动。（1）本次设计属于金属切削机床类，一般齿轮传动，故选用 8 级精度。（2）材料选择。由表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr(调质热处理),硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢(调质)硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。（3）选小齿轮齿数 ，大齿轮齿数 。 30z16032z2、轴的选材和最小直径 的确定mind轴的材料选择为：45 号钢（调质处理）。湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 21 -轴的最小尺寸，由式（152）， 3min0PdA（3.8）式中， 由表 153，可取得 120，故 0Amd06.371203min取 35mm。由于 取值较计算值大一些，所以不用再按弯扭合成强度条件mindin计算和进行疲劳强度校合。 3、按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a) 进行试算，即21312.()tEtdHKTZud（3.9） 1）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数 3.1tK（2）计算小齿轮传递的转矩，由上文可知 mNT.1650（3）由表 10-7 选取齿宽系数 （小齿轮做悬臂布置）.0d（4）由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 2/18.9MPaZE（5）由图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 大;601limMPaH齿轮的接触疲劳强度极限 ；PaH502lim（6）由式 10-13 计算应力循环次数（假定工作寿命 15 年（每年工作 300 天），两班制）（j=1）则：99129h1 105.2/0.3/ 102.38760iNjLn）（3.10）（7）由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 ； ；2.1HNK95.02HN（8）传动比 u=2；湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 22 -（9）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（10-12）得 MPaSKlinHN 5.2509.a62.221lim1 （3.11） 2）计算（1）小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值1tdH21312.()tEtdHKTZud= mm 78.95.21835.0.3 ）（2）计算圆周速度 vm/s62.31067.4.3106ndt（3.12） （3）计算齿宽 b39.478.51td（3.13） （4）计算齿宽与齿高之比 /bh模数 mzdmtt 293.078.1齿高 409.7.52.ht67409.3b（5）计算载荷系数根据 ，8 级精度，由图 10-8 查得动载系数 ；smv/62.3 16.vK直齿轮，由表 10-3 查得 1；HKF湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 23 -由表 10-2 查得使用系数 ；1.25AK由表 10-4 用插值法查得 8 级精度，小齿轮悬臂支承时， 1.305；HK由 ； ，查图 10-13 得 1.255；故载荷系数67./hb30.HFKHVA 892.1305.16.25（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得= 31/ttKdm78.93（3.14） （7）计算模数 m112.0/30mm=3.73mm 1/zd4、按齿根弯曲强度设计由式（10-5 ）得弯曲强度的设计公式为132()FaSdYKTmz（3.15）1）确定公式内的各计算数值（1）由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa；大齿轮的弯曲疲1FE劳强度极限 380MPa；2FE（2）由图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数 ， 0.87；10.82FNK2FN（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（10-12）得1FSKFEN1 a86.29a4.5082MP（3.16） SFENF22 aa14.2364.1807（4）计算载荷系数 K湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 24 -KFVA 820.15.16.25（3.17） （5）查取齿形系数由表 10-5 查得 ； 。52.Y1Fa8.Fa（6）查取应力校正系数由表 10-5 查得 ； 1.73。6.1Sa2SaY（7）计算大小齿轮的 并加以比较F01398.86.295Y1FSa7.4.32FSa（3.18）大齿轮的数值大。2）设计计算=132()FaSdYKTmz m73.2016.35.018235对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 大于由齿根弯曲疲劳强度计算m的模数，由于齿轮模数 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数 2.73mm，并就近圆整为标准值 m=2.75mm，按接触强度算得的分度圆直径 112.0mm，算出小齿轮齿数1d4175.2/01z齿轮齿数 82zi这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。5、几何尺寸计算湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 25 -1）计算分度圆直径 mmzd75.12.41（3.19） z8222）计算中心距 da 125.69/)5.7.1(/)(1 （3.20）3）计算齿轮宽度 mbd 732.01 （3.21）取 ， 。mB572616、平键尺寸的确定： ；L=50mm 810hb3.3.2 II 轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料8）1、轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图 3.4 所示：图 3.4 中间轴的支承形式2、轴上零件的轴向定位II 轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。深沟球轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩和套筒定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用套筒固定，右端用轴肩定位。另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，齿轮用套筒定位，两齿轮的另两端用套筒定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。3、轴的选材和最小直径 得确定mind轴的材料选择为：45 号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152），湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 26 -3min0PdA（3.22）式中， 由表 153，可取得 120，故 0Amd29.3750.123min取 40mm 。由于 取值较计算值大一些，所以不用再按弯扭合成强度条件mindin计算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图 3.5。图 3.5 中间轴零件图4、齿轮的设计齿轮 1（小齿轮）和 2（大齿轮）的直径相差较大，对齿轮 1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1）选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数(1)本数控机床的运行速度较高，精度等级选择 8 级精度；(2)由表 10 1，小齿轮材料选择为 40Cr，调质后表面淬火，硬度为 280HBS；大齿轮材料选择为 45 钢，调制后表面淬火，硬度为 240HBS,硬度差为 40HBS。(3)小齿轮齿数初选为 20， 1z21z3i45/02）按齿面接触强度进行设计按式（109 ）试算，a21312.()tEtdHKTZud（3.23）确定公式内的各计算值：(1)初选载荷系数 Kt1.6；(2)计算小齿轮传递的转矩，由前文可知小齿轮传递的转矩为 286.66N.m；2T(3)由表 107 及其说明，可选定齿宽系数 0.6； d湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 27 -(4)由表 106，查得材料的弹性影响系数 189.8 ；EZ1/2aMP(5)由图 1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa；大lim1H齿轮的接触疲劳强度 550MPa；lim2H(6)两齿轮的设计寿命为 72000h，由式 1013，计算应力循环次数993129h 106.2/05./ 105.3860iNjLn）（3.24）(7)由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 ； ；.1HNK96.02HN(8)传动比 u=2.2；（9）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（10-12）得 MPaSKlinHN528096.461.22lim1（3.25） 3）计算（1）小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值1tdH= mm21312.()tEtdHKTZud 6.1258.92.36.018723. 5）（2）计算圆周速度 vm/s3.10.4.12ndvt（3.26） （3）计算齿宽 b96.72.6.01td（4）计算齿宽与齿高之比 /h模数 m08.2.1zmtt湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 28 -齿高 m68.130.625m.ht 368.1972b(5)计算载荷系数 K由图 108，查得动载系数 ；0.V直齿轮，由表 10-3 查得 1；HF由表 10-2 查得使用系数 ；.25AK由表 10-4 用插值法查得 8 级精度，小齿轮非对称布置时， 1.254；HK由 ； ，查图 10-13 得 1.19；故载荷系数3.5/hb4.1HFKHVA 724.15.10.25（3.27） （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得= 31/ttd24.6m1.76.213（3.28） （7）计算模数 mm m.0/.4/1z3）按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为132()FaSdYKTz（3.29） 以下确定式中各参数的值：（1）由图 1020c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 520MPa ；大齿轮的 弯1FE曲疲劳强度极限 42 0MPa；FE（2）由图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数 0.88， 0.92；1FNK2FN（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（10-12）得