XK100立式数控铣床主轴部件设计说明书

齐 齐 哈 尔 工 程 学 院毕业设计（论文）题 目 XK100 立式数控铣床主轴部件设计院 （系） 专业班级学生姓名指导教师成 绩年 月 日齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- II -XK100 立式数控铣床主轴部件设计摘要本设计是按照生产加工需要制作一个 XK100 立式数控铣床主轴部件, 主要用于铣削平面和钻孔，对主轴部件进行重新设计，但仍要用原来的主轴箱，要求主轴的转速范围为 40r/min4000r/min，查机械设计手册确定典型的切削工艺可以求得主轴的切削功率为 4.3KW，根据切削功率 与主运动传动链的总效pc率 确定机床传动的功率=5.4 KW，然后，根据机床传递的功率来选择电机的类型。为了满足主轴的转速要求，选择合适的传动比和轴承。关键词：铣床 主轴 设计 校核齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- III -AbstractBased on the companys production and processing needs refit a milling machine, the main plane for milling and drilling spindle unit redesign, but still use the original headstock, spindle speed range requirements of 40r / min-4000r / min, check the mechanical design manual to determine the typical cutting process can be obtained spindle cutting power 4.3KW, cutting power based on the total efficiency of the main motion transmission chain determine the machine drive power P = 5.4 KW, then, depending on the machines power transfer P to select the type of motor. In order to meet the requirements of spindle speed, select the appropriate gear ratio and bearing.Keywords: milling spindle design verification齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- IV -目录摘要 IAbstract .II摘要 .II第 1 章 绪论61.1 目的、意义 .61.2 国内外研究现状 .61.3 数控铣床的主要功能及特点 91.4 数控机床发展趋势 .111.5 本章主要内容 .12第 2 章 总体设计方案142.1 总体方案拟定 .152.2 主要设计内容 15第 3 章 电机的选择183.1 确定主轴传动功率 .183.2 电机的选择 .193.3 主轴的变速过程 .20第 4 章 轴类零件的设计214.1 轴的设计概述 .214.2 主轴主要结构参数的确定 .214.3 轴的结构设计 .244.3.1 拟定轴上零件的装配方案.244.3.2 确定轴各段的直径.244.3.3 确定各轴段的长度.254.3.4 轴向零件的周向固定.254.3.5 确定轴上倒角和退刀槽的尺寸.264.4 主轴刚度的计算 .26第 5 章 齿轮和轴承的设计与计算285.1 齿轮的设计计算 .285.1.1 齿轮主要参数的选择 285.1.2 齿轮的设计与计算 285.2 轴承的设计与计算 .315.2.1 轴承当量动载荷的计算.315.2.2 验算两轴承的寿命.33第 6 章 其它零部件的设计346.1 圆弧齿同步带的设计 .346.1.1 确定圆弧齿同步带的基本参数.346.1.2 确定带的中心距.356.1.3 选择带的类型.35齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- V -6.2 碟形弹簧的结构尺寸 .366.2.1 碟形弹簧的基本概念.366.2.2 碟形弹簧的分类.376.3 弹簧的许用应力和疲劳极限 .386.3.1 碟形弹簧按其载荷性质分为两类.386.3.2 变载荷作用下碟簧使用寿命可分为两类.386.4 碟形弹簧的设计与计算 .386.5 碟形弹簧的校核 .406.6 拉杆的设计 .416.6.1 确定拉杆的直径.426.6.2 确定拉杆的长度.426.7 拉抓和打刀缸的选择 .426.7.1 拉抓的选择.426.7.2 打刀缸的选择.43总 结44参考文献46致谢47齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 1 -第 1 章 绪论1.1 目的、意义 数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通讯技术于一体，是典型的机电一体化产品，他的发展和运用，开创了制造业的新时代，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，他实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件时，也一直把铣削加工作为重点。机械工业肩负着为国民经济各部门提供先进技术装备的任务，而机床工业是机械工业的重要组成部分，是为机械工业提供先进制造技术和装备的工业。机床拥有量、产量、品种和质量、是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。因此，机床在国民经济中占有极其重要的地位。今天，数控设备在相当的领域已经完全或逐渐取代了普通设备，与普通机床不同，数控机床加工零件的过程完全自动的进行，加工过程中人工不能干预。因此，首先必须将所加工的件的全部信息，包括工艺过程、刀具运动轨迹及走刀方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切屑深度）以及辅助动作（换刀、变速、冷却、夹紧、松开）等，按加工顺序采用标准或规定的程序指令编写出正确的数控加工程序，然后输入到数控设备的控制系统中，随后控制系统按数控程序的要求控制数控机床对零件进行加工。所谓的数控编程，一般指包括零件图样分析、工艺分析与设计、图形数学处理、编写输入程序清单、程序校验的全部工作过程。数控编程可分为手工编程和全自动编程两种方式。1.2 国内外研究现状机床工具工业是国际公认的基础装备制造业，是战略产业，是国名经济的脊柱产业，建国 60 年来，在党和国家领导人的关怀下，中国机床工业历经几代人的拼搏，从无到有，从小到大，发生了天翻地覆的变化，如今发展成为产品布局合理，门类齐全，具有较大经济规模和较强技术实力的产业。中国机床工具行业已开始走出国门与国际市场竞争，在国际上有了举足轻重的话齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 2 -语权和产业地位，正在向世界机床工具制造强国的目标迈进。机床是一切机械工业的基础装备，被称之为“工作母机” 。中国机床工具行业一直在当合国家领导人的关怀中不断发展壮大。如今，中国数控机床的品种已达到 2000 余中种。通过突破国外多年的技术封锁，相继开发出具有自主知识产权的各类数控机床，特别是研制出一批国际上首台重型数控机床，满足了国家重点工程的需要。一是成功研发了一大批多种类型，多种规格多坐标，智能，带刀库，带 A,B 轴五轴联动的立式，卧式复合机床。二是成功研发了一大批大规格，大尺寸，大吨位多品种的重型，超重型机床，其中许多是世界首台最大规格的数控机床。三是研发成功一大批高精，高速，高效的各类机床。四是功能部件，数控系统，刃量具等方面产品研发。我国的机床工业在新中国成立后建立起来的，解放后 50 年来，我国机床工业获得了高速发展，我国已制定了完整的机床系列，机床品种日趋齐全，能生产上千个品种。数控铣床从结构上可分为立式、卧式及立卧两用三种。（1）立式数控铣床立式数控铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立铣占数控铣床的大多数，一般可进行三坐标联动加工，也可以实行两轴半控制，即在 X、Y、Z 三个坐标轴中，任意两轴都可以联动。一般用来加工平面曲线的轮廓。但也可加一个回转坐标，用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。（2）卧式数控铣床卧式数控铣床主轴的轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘（或万能数控转盘）来实现四坐标、五坐标加工。（3）立卧两用数控铣床这类铣床可在一台机床上进行立式加工或卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。它的使用范围更广，功能更全。一般数控铣床上指规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在 400mm 以下，规格较大的数控铣床（工作台宽度多在 500mm 以上） ，其功能已向加工中心靠近，进齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 3 -而演变成柔性制造单元。东欧这些国家的机床生产品种不全，配套件缺乏，而中国机床工业经过这么多年的发展，已具备相当规模，产品门类齐全，数控机床的品种从几百种发展到近俩千种，全行业开发出一批市场急需的新产品，填补了国内空白。一批高精，高速，高效，一批多坐标，复合，智能型的数控机床新产品满足了国家重点用户需求。面前中国机床工业正在通过调整产业结构，产品结构，提高自主创新能力。以精密、柔性、成套、绿色需求为方向，以改革、改进、改组、设计为动力。购并国际名牌企业和产品，努力提高国产机床占有率。不断提高国产机床市场占有率，不断拓宽机床工具产品的发展空间。日本、美国、英国、德国、法国、意大利等六国1989年金属切削机床的总产值与1980年比，仅增加54%，但同期数控机床的产值比1980年删增加了256%。1990年，日本数控机床的年产量已达61697台，年产量的数控化率为31.8%，年产值的数控化率为76%。其他五国的年产量数控化率均在20%以上，年产值数控化率均在50%以上。上述六国拥有量数控化率在10%以上。1994年日本拥有量的数控化率为20.8%。工业发达国家的机床厂均生产数控机床，普通机床已逐步甩给第三世界营家去生产。在数控机床的生产中，生产最多的仍然是普通数控机床，特别是数控车床，但发展最快的则是可以自动换刀的加工中心。在近几年的国际机床展览会上，展品均以加工中心及由加工中心为主体的柔性加工单元及柔性制造系统为主。现在，日本、箍国、美国等三国生产的数控系统约占国际市场的三分之二。发展高端数控机床是本轮产业升级的必经之路。随着国内劳动力成本上涨，环境减排的迫切需求，以及对人民币长期升值，国内需求不足的状况。这将促使中国制造业得新一轮的产业升级必须将是高端制造业代替简单制造业，技术密集型代替劳动密集型。这种转型将大大减少简单机械的需求，增加更加高效、更加精确的数控机床需求。政府加大投资的领域包括以高速客运专线为主的铁路建设，航空制造业尤其对高端数控机床提出了更高的要求。作为制造业母机的机床行业，是产品升级的必经之路。中国数控机床行业发展正当其时。中国机床出口尽管比例不高，总金额比较少，但增长速度远高于进口产品增速。目前中国国产数控机床技术水平正在提高，在部分领域已经能够替代进口，占据国内高端数控机床主要市场的进口产品即将面临国产产品的冲击。未来高端数控机床对进口产品的替代潜力巨大。面对外出口的市场现在还齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 4 -处于萌芽期，未来发展潜力巨大。中国机械工业战略定位为；从机械产品生产大国变成以市场竞争力为标志的机械工业强国；从机械设备进口大国变成产品贸易大国；从侧重于出口为导向生产转为向生产和消费双重领域拓展。组织机构由“过来橄榄型”向“哑铃型”转变。建立以大代小，以小保大的组织体系。1、 进一步加快机床产业机构调整2、 进一步完善产业链3、 实施企业机构调整4、 提高制造工业专业化生产水平5、 调整行业进出口贸易结构1.3 数控铣床的主要功能及特点主要功能有：近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到 85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足 20%，随着我国机制行业新技术的应用，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽铣、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势 2.轴联动加工和复合加工机床快速发展 3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 4.重视新技术标准、规范的建立其中包括：a. 关于数控系统设计开发规范 b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握设计一般铣床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 5 -数控铣床可以分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，数控铣床的应用越来越广泛，主要具有下列功能：1、点位控制功能 利用这一功能，数控铣床可以进行只需要作点位控制的砖孔、扩孔、忽孔、铰孔和镗孔等加工。2、连续轮廓控制功能 数控铣床通过直线和圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等）构成的平面轮廓，在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。3、刀具半径自动补偿功能 使用这一功能，在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中可以使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。也可以利用该功能，通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。4、刀具长度补偿功能 利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可弥补轴向对刀误差。5、镜像加工功能 镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可完成全部加工了。6、固定循环功能 利用数控铣床对空进行钻、扩、铰、鍃和镗加工时，加工的基本动作是：刀具无切削快速到达孔位慢速切削进给快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序）在需要的时候进行掉用来实现上述加工循环，特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。主要特点：1、高柔性及工序复合化数控铣床具有柔性（可变性）高和工序复合化的特点。所谓“柔性”即灵活、通用和万能性，可以适应加工不同形状工件的自动化机床。数控铣床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。数控铣床一般都能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮） 、攻螺纹等加工。而且，一般情况下，可以在一次装夹中，完成所需的加工工序。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 6 -2、加工精度提高目前数控装置的脉冲当量（即每发出一个脉冲后滑板的移动量）一般为 0.001mm。高精度的数控系统可达 0.0001mm，一般情况下可以保证工件的加工精度。另外，数控加工可避免工人的操作误差，一批加工工件的尺寸同一性比较好（包括工件的主要尺寸和倒角等尺寸的同一性） ，而且还可以利用软件进行精度校正和补偿，大大提高了产品质量。3、生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间和辅助时间量部分。数控铣床能够有效的减少这量部分时间，因而加工生产率比一般铣床高得多。良好的结构刚性允许数控铣床大切削用量的强力切削，有效的节省了机动时间。数控铣床移动部件的快速移动和定位采用了加速和减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般铣床少的多。数控铣床的主轴转速和进给量都是无级变速的。因此，有利于选择最佳切削用量。4、减轻操作者的劳动强度数控铣床对零件加工是按事先编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运动外，不需要进行繁重的重复性手工操作，可大大减轻劳动强度。由于数控铣床具有以上独特的优点，因此数控铣床已成为机械制造业的主要设备。但是，数控铣床的编程操作比较复杂，对编程人员的素质要求较高。否则很难发挥数控铣床的作用。本文根据公司生产加工需要改装一台铣床,主要用于铣削平面和钻孔，对主轴部件进行重新设计，但仍要用原来的主轴箱，要求主轴的转速范围为 40r/min4000r/min，查机械设计手册确定典型的切削工艺可以求得主轴的切削功率为 5.4KW，根据切削功率 与主运动传动链的总效率 确定机床传动的功率，然后，根据机pc床传递的功率来选择电机的类型。为了满足主轴的转速要求，选择合适的传动比和轴承。1.4 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 7 -（1） 高速、高效加工进入 21 世纪，机床向高速化方向发展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度.上世纪 90 年代以来欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍.达到 5 微米;精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级(0.001 微米)，主轴回转精度要求达到 0.01-0.05 微米，加工圆度为 0.1 微米加工表面粗糙度 Ra0.003 微米等从精密加工发展到超精密加工特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm).其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于 3000 小时.当前国外数控装置的 MIBF 值已达 60000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几午来特别明显的发展趋势.(2)智能化在数控系统中智能化的内容包括为追求加工效率和加工质量方面的智能化:如自适应控制，工艺参数自动生成:为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等:简化编程、简化操作方面的智能化:智能诊断、智能监控方面的内容等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化 FA)、体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展.齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 8 -3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的 OSACA 及日本的 OSEC 发展开触式数控的计划等。1.5 本章主要内容本章主要介绍了 XK100 立式数控铣床主轴部分设计的目的和意义。然后对国内外研究现状进行了调查与分析。讲述了数控铣床的主要功能及特点。最后作出了数控机床的发展趋势。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 9 -第 2 章 总体设计方案XK100 立式数控铣床要达到的技术要求：主轴转速 40 r/min4000r/min，换刀时间 0.6s，换刀的时间靠打刀缸的性能来保证。工作台的行程 1000500，工作台所加工零件的类型为铝件和一些钢件。主轴采用 BT50、的刀柄和拉抓。XK100 立式数控铣床具有加工中心的特点，能够实现自动换刀，自动变速，变速方法采用无级变速加有级变速。无级变速采用交流变频调速电机，实现两极变速，变速过程中齿轮的啮合通过离合器的得电和失电来实现。为了满足主轴的转速要求选择带轮的传动比为 2，减速传动；齿轮的传动比为 1.78，两对齿轮啮合，一对齿轮实现增速传动，另一对实现减速传动。XK100 立式数控铣床主轴部件的设计主要有轴以及轴上零件、拉杆的设计，选择合适的电机，满足切削时的功率要求，选择电机时根据典型切削工艺求得切削是需要的功率；打刀缸的选择，首先根据换刀所要达到的时间，其次，根据碟形弹簧拉紧刀柄的力，打刀缸动作是所产生的力应稍大于弹簧的拉紧力。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1 伺服驱动元件 进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横纵向进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量 t=0.01mm/脉冲，选用步距角 =0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。2 机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3 进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 10 -丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图 2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，传动元件连接采用无键锥环连接。图 2-1 滚珠丝杆的结构2.1 总体方案拟定数控铣床的结构设计要求： 在设计中应尽可能保留原机床结构。主传动系统中保留主轴箱内滑移齿轮变速机构，取消原操作手柄，实现主轴的正反转及停止，改由数控系统直接控制主电机，当数控系统发出 M03 指令后，主电机正转，通过传动系统实现主轴正转。纵、横进给系统均采用交流伺服电动机。用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构,具有摩擦力小,运动灵敏, 无爬行现象 , 也可以进行预紧, 以实现无间隙传动,传动刚度好,反向时无空程死区等特点。可提高传动精度。导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带，使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并具有自润滑性。将原刀架和小托板拆除，将铣床刀架换为四工位电动刀架，将刀架调整好高度安装在中拖板上，由数控系统直接控制，减少辅助时间，提高效率。为保证加工螺纹时纵向进给运动与主轴的回转运动有严格的运动关系，需要在主轴尾部安装主轴脉冲发生器。主轴脉冲发生器与主轴同步旋转，同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号，使数控系统控制刀架的纵向移动量。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 11 -2.2 主要设计内容因要求设计后的铣床为经济型数控铣床。所以在保证具有一定加工精度的前提下，从设计成本考虑。应简化结构，降低成本。可采以步进电动机为驱动装置的开环系统，但是考虑到加工精度的要求，应采用以伺服电动机为驱动的半闭环伺服系统。半闭环系统的环路短，刚性好，较容易获得较高的精度和速度，目前大多数数控机床都采用半闭环系统，而随着机电一体化技术的发展，伺服电动机生产厂家在生产中就把电机和检测元件直接安装在一起，形成成套的产品，极大的方便了用户，省去了安装调整误差。 （半闭环控制系统如下图 1 所示）减速箱齿轮传动初定传动比为 2，可取 Z1=24 则 Z2=48,齿宽 B=16.在设计齿轮传动时，为了提高传动精度，必须消除齿轮副的间隙。数控机床进给系统由于经常处于变向状态,反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隔,就会使进给运动的反向滞后于指令信号,从而影响其传动精度,因此 24/48 这一对齿轮还必须采取措施消除齿轮传动中的间隙,以提高数控机床进给系统的传动精度。齿轮间隙的调整采用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿法来实现,其结构如图 2 所示。检测器执行件伺服放大器 伺服电机减速箱脉冲指令 比较线路图 1 半闭环控制系统原理图齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 12 -图中,在 2 个薄片齿轮 1 和 2 上装有螺纹的凸耳 4 和 8 ,弹簧的一段钩在凸耳 4上,另一端钩在螺钉 5 上。弹簧 3 所受的张力大小可用螺母 6 来调节螺钉 5 的伸出长度,调整好后再用螺母 7 锁紧。在选择伺服电机时应考虑以下几点：a、惯量匹配，即 0.25Jd/Jm1， 其中 Jd为折算到到电动机的负载惯量，Jm 为电动机转动惯量。b、转矩伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的 3 倍。 c、短时间特性(加减速转矩)，工作负载转矩大于电动机加减速转矩。根据以上原则，取电动机型号为 1FT5066-0A01【2】3.导轨设计因原机床的导轨精度不能满足数控机床的要求。但设计的原则是尽量保持原机床的部件。故只能将导轨加以利用。导轨表面贴塑的方法可使得导轨精度提高。因此可在导轨上加四氟乙烯软带。其特点是，摩擦系数低，运动平稳，可吸收震动，维修方便，损坏后更换容易。在本次设计中采用美国霞板公司研制的德尔赛塑料导轨软带。图 2 齿轮间隙的调整结构图齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 13 -第 3 章 电机的选择现在的数控铣床能够实现无级变速或无级变速加有级变速，数控铣床一般都采用由直流或交流调速电动机作为驱动的电气无级调速。由于数控铣床的运动调速范围较大，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。3.1 确定主轴传动功率数控铣床的加工范围一般都比较大，所传动的额定功率可以根据典型切削工艺的情况计算，根据设计的铣床主要的加工范围，查机床设计手册确定如下典型加工工艺：用高速刚圆柱平刀铣削灰铸铁工件平面，刀具直径 D=100mm，刀齿数为 10，工件材料为 HT200，硬度 190HBS，切削速度 =23.5mmin，进给速度为 160mmmin，背吃刀量v5mm，切宽为 75mm。ap由公式 = 计算得 =1200rminnDv10n则每齿进给量 0.013mmsz6120根据典型切削工艺公式：P 切2.8 B 2t9.0sz74. n190HB式中： t切削厚度，即被吃刀量（mm）每齿进给量（mm）szB切削宽度（mm）Z刀齿数HB材料硬度代入数值得 P 切=2.8 5 0.013 75101200 =4300W=4.3KW1029.074.0190主传动的总效率一般可取为 =0.700.85,数控机床的主传动多用调速电机和有齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 14 -限的机械变速传动实现，传动链较短，因此效率可取较大值，由此可求得主轴传递的功率为P= = =5.4kwp切 8.0343.2 电机的选择现在数控机床常用直流电动机和交流调频电机两种。目前，中小型数控机床中，交流调频电机已占优势，有取代直流电机之势。本文所设计的铣床采用交流调频电机调节电源频率来达到调速的目的，额定转速常为 1500rmin，如图 1-1 所示是变速电机的功率特性。从额定转速 到最高转速 的区域为恒功率区，从最低转速ndmax至 的区域为恒转矩区。nmid图 3-1 变速电动机的功率特性 在设计数控铣床主传动时，必须考虑电机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围 远大于电机的恒功率变速范围 ，所以在电机与主轴Rnp Rdp之间要串联一个分级变速箱，以扩大其功率调速范围，满足低速大功率切削时对电机的输出功率要求。为了简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比 可取大于f电机的恒功率调速范围 ，即 。这时，变速箱每挡内有部分低转速只能恒dpfdp转矩变速，主传动系统功率特性图中出现“缺口” ，称之功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应的增大。为了满足主轴传递 5.4kw，最高转速4000rmin 的要求，选择上海富田电机生产的 IAG 系列变频调速专用感应电动机，其型号为132M15007.5。其中：IAG系列代号 maxmiP/KW齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 15 -132极座号（中心高）M机座长度代号，有 S、M、L 三种类型1500基本转速 （单位：rmin）Nb7.5额定功率（单位：kw）电机在 601500rmin 内，实现恒扭矩输出，在 15004500rmin 内实现恒功率输出；最高转速可以达到 6000rmin，当电机转速达到 6000 rmin，扭矩特性不好，因此一般情况下转速只达到 4500rmin3.3 主轴的变速过程为了实现数控铣床的无级变速，采用交流调频电机，本文所设计的铣床所选择的电机需要实现两级变速，当通电时离合器脱离，小齿轮和大齿轮啮合，实现增速传动；当转速下降到电机的计算转速时，离合器吸合，大齿轮和小齿轮啮合，实现增速传动。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 16 -第 4 章 轴类零件的设计主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，是机床上的一个重要部件。主轴部件由主轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成，对于铣床主轴部件还有拉杆和拉抓。4.1 轴的设计概述轴是主成机械的一个重要零件，它支承其它回转件并传递转矩，同时它又通过轴承和支架连接，所有轴上零件都围绕轴心线做回转运动，形成一个以轴为基准的锝组合体轴系部件，所以在轴的设计中不能只考虑轴的本身，还必须和轴系零件的整个结构密切联系起来。轴设计的特点：在轴系零部件的具体结构未确定之前，轴上力的作用点和支点间的跨距无法精确的确定，故弯距大小和分布情况不能求出，因此在轴的设计中必须把轴的强度计算和轴系零件结构设计交错进行，边画图，边计算，边修改。4.2 主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 D1 和 D2，主轴内孔直径 d，主轴前端悬伸量 a 和主轴主要支撑间的跨距 L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。4.2.1 主轴最小直径的估算当数值上 时，可按扭转刚度估算最小轴径，即：njP(1)41jd式中：d主轴的最小直径（cm）P主轴传递的功率(kw)，前面已算出 P=5.4kw主轴的计算转速(r/min)，前面已给出 =160r/minnj nj代人数值得：d11 =110.4=4.4cm4160.5取主轴的最小直径 =45mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向d固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，因此选择后轴颈的直径=50，D2齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 17 -4.2.2 主轴内孔直径 d 及拉杆直径的确定主轴内孔直径与机床的类型有关，主要用来通过棒料、拉杆、镗杆或顶出顶尖等，铣床主要用于通过拉杆和拉抓，确定孔径的原则是：为减轻主轴重量在满足上述工艺要求及不削弱主轴刚度的前提下，尽量取较大值，孔径 d 对主轴刚度的影响影响是通过抗弯截面惯性矩而体现的，即主轴本身的刚度正比于抗弯截面惯性矩，其关系式为空/实 64/)(Dd4)(Dd根据上式可绘制出主轴孔径对主轴刚度影响曲线，如图 4-1空 /实D主轴平均直径，d主轴平均孔径， 直径为实心主轴刚度 ，实K直径为，孔径为 d 的空心轴的刚度。空K图 4-1 主轴孔径对主轴刚度影响曲线由图 4-1 知：当 d0.5 时，内孔 d 对主轴刚度几乎无影响，通常取孔径 d 的极限值 0.7D。此时空0.75实，即刚度消弱量小于 25%，若孔径再大主轴max刚度急剧下降，一般铣床主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 510mm。由于机床使用场合多种多样，为了适应加工工艺及刀具特点，机床工具行业已经开发了多种轴端结构，并已形成专业标准，铣床常用的主轴端部结构前端带有 7:24 的锥孔.供插入铣刀尾部锥柄定位,，拉杆从主轴后端拉紧刀具，常用的是 BT50 刀柄，因此我们采用 BT50 的外螺纹拉抓，查资料知 BT50 拉抓外螺纹的尺寸为M22P1.5，所以拉杆前端必须是 M22 的内螺纹，为了满足拉杆的刚性要求，取拉杆的直径为 28mm，根据拉杆的直径确定主轴内孔的最小直径为 32 即可.齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 18 -4.2.3 主轴前端悬伸量的确定主轴前端悬伸量 a 是指主轴前端面到前轴承径向支反力作用中点（或前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部结构、前支承轴承和密封装置的形式和尺寸，由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性影响很大，变形量与 a的二次方或三次方成正比例关系。 ，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。在确定主轴前端悬伸量时应该满足以下结构要求：主轴前端要留有装切削液喷头的位置；轴承的宽度 B=27；轴承挡环的厚度 b=8；主轴下支承的安装位置以及轴肩的宽度。4.2.4 主轴支承跨距 L 的确定合理确定主轴主要支承间的跨距 L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大，也会引起主轴前端较大的位移。因此存在一个最佳跨距 ，在该跨距L0时，因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量为最小。一般取=（23.5） ，本文所设计的主轴暂取 L=2.5a=360，但是实际结构设计时，由于L0a结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距 L 往往大于最佳跨距 。04.2.5 计算主轴传递的扭矩根据电机的扭矩功率特性图知，当主轴的转速为基准转速时所传递的扭矩最大，即 n=n =1500r/min，则j=9.5510 =9.5510 =3.43810 NTmax6nPmax61504.44.2.6 选择轴的材料和热处理方法选择轴的材料为 40Cr， ，经调质处理, 其机械性能有设计手册查得=700Mpa， =500Mpa， =185Mpabs1查机械设计手册得 =190Mpa1-b齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 19 -4.2.7 初选轴承本文所设计的铣床主要用于铣削平面和打孔，轴承承受径向载荷，还承受不大的轴向载荷，故选择单列圆锥滚子轴承背对背的组合。根据工作要求及后轴颈的直径(为50mm)，由轴承产品目录中选取型号为 32010 的单列圆锥滚子轴承，其尺寸（内径外径宽度）为 dDb=508020。4.3 轴的结构设计4.3.1 拟定轴上零件的装配方案本文所设计的主轴要用原有的主轴箱，根据主轴箱的结构、轴上零件定位、加工要求以及不同的零件装配方案， ，参考轴的结构设计的基本要求，得出如图所示的轴结构。图 4-2 主轴的结构如图 4-2 中，拉杆与 BT50 拉刀抓连接，从右侧装入内孔，然后再装入 BT50 刀柄；齿轮、轴承、套筒、轴承套以及电磁铁固定架从左侧装入，法兰盖从右侧装入，与轴承套用螺钉连接。4.3.2 确定轴各段的直径根据前面的计算知：最小直径 D=45mm，小轴承用锁紧螺母进行轴向固定，所以取轴段 1 外螺纹的直径 M =45mm；根据轴承的型号以及与轴的配合关系，取轴段 2 的直径1=50mm。D2轴段 4 处装小齿轮，承受很大的径向力，同时主轴是空心的，考虑到主轴的整体刚性，取轴段 4 的直径 =75mm，小齿轮用锁紧螺母压紧，则轴段 4 的直径比轴段 34的直径大 23mm，所以取轴段 3 处的外螺纹直径 M =72mm。489101234567齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 20 -轴段 5 上有两个轴套，轴套左侧用于定位小齿轮，中间用来压紧和定位电磁铁固定架，考虑到拆卸方便，轴段 5 要比轴段 4 大 23mm，同时要比轴段 6 小 23mm 因此取轴段 5 的直径 =78mm，轴段 6 的直径 =80mm。D5 6大齿轮主要靠轴段 7 的轴肩来定位的，为了保证定位可靠，轴段 7 要比轴段 6 的直径大 510mm，但是考虑到主轴前端的内孔交大，因此取轴段 7 的直径为=92mm。7轴段 8 是前轴颈，主轴的直径因与轴承的内径相等，考虑到轴承的型号以及与主轴的配合关系，取轴段 8 的直径 =95mm，轴承的型号为 32109。8主轴前端内孔采用 7：24 的锥度，装 BT50 的刀柄，内孔较大，取轴段 10 的外径=127mm，轴段 9 主要起定位作用，因比轴段 10 大 510mm，因此取轴段 9 的直径D10为 =137mm。94.3.3 确定各轴段的长度轴段 4 和 6 的长度要比轮毂宽度（38mm）短 23mm，故这两处轴段的长度取为36mm。其中轴段 4 不包括退刀槽的长度。轴段 1 和 3 有外螺纹，装径向锁紧螺母，故轴段 1 和 3 的长度比锁紧螺母长23mm，取轴段 1 的长度为 15.7mm，轴段 3 的长度为 18.2mm轴段 7 主要与轴承套配合，压紧轴承，为了保证轴承套与大齿轮之间有一定的间隙，取轴段 7 的长度为 25mm；轴段 8 是后轴颈，所选轴承的宽度 B=32mm，轴承挡环的宽度 T=8mm，故取轴段 8 的长度为 44mm。轴段 9 是一个轴肩，主要起定位作用，取轴段 9 的长度为 11 即可；主轴的前端面要装端面键，同时主轴前端要留下装切削液喷头的位置，因此取轴段 10 的长度为69mm。主轴内孔要装拉杆、拉刀抓及 BT50 刀柄，整体装配起来应该让拉杆不要伸出主轴内孔太长，否则铣床的整体动刚度不好，根据主轴和主动轴的整体装配关系，取轴段1 的长度为 75.4mm，轴段 5 的长度为 209mm。综上所述，主轴的跨距 L373mm，悬伸量=96mm4.3.4 轴向零件的周向固定齿轮、电磁铁固定架与轴的周向定位均采用半圆键联接。对于齿轮，由手册查得齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 21 -半圆键的截面尺寸宽高直径=101332(GB/T1098-2003)，键槽用键槽铣刀加工，长为 29。7mm(标准键长见 GB1096-79)；对于电磁铁固定架，由手册查得半圆键的截面尺寸宽高直径=6922(GB/T1098-2003)，键槽用键槽铣刀加工，长为 29.7mm(标准键长见 GB1096-79)，轴承与轴的周向定位是采用过盈配合来保证的。4.3.5 确定轴上倒角和退刀槽的尺寸取主轴前端的倒角为 445，其余倒角 145；所有退刀槽的尺寸为 214.4 主轴刚度的计算轴在载荷作用下，将产生弯曲和扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会破坏铣床的工作性能。因此在设计重要轴时，必须检验轴的变形量，这在轴的设计中称为刚度计算刚度计算包括扭转刚度计算和弯曲刚度计算两种。前者以扭转角 来度量；后者以挠度 y 和截面转角 来度量。本文以弯曲刚度校核，查机械设计手册知：y=0.00025L；圆锥滚子轴承处的偏转角0.0016rad。主轴的简化和弯曲刚度的计算1、如主轴前后轴承颈之间有数段组成，则当量直径 dd= lldldn2式中： 、 ； 、 ； ； 、 分别为各段的直径和长度12lndl总长， = + + （mm）l1= =78.6 mmd373.289536802985.75.0 2、主轴切削力 的计算切F根据公式 P= 得： = ，则当线速度 最小时,切削力最大切 v切 vPv= = =0.21m/smin601inD6014.3= = =25.7KN切FvP2,4.5齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 22 -3、挠度的计算主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不计。后悬伸部分不影响刚度。当主轴前端作用一外载 ，则挠度切Fy= （mm）= 10 （m）EIlaF32切 Ila32切 3式中 典型切削工艺的切削力切前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm）a跨距，等于前后支承之间的距离（mm）l弹性模量，钢取210 （Mpa）5I截面惯性矩，I=0.05（ - ） （mm ）4di4， 主轴的外径和孔径（mm）di将 E 和 I 的值待人，可得y= = =79m0.0002L=0.09325mm)(3042idlaF切 ）（ 4236.7809154、偏转角主轴切削工件时承受很大的切削力，主轴前端产生弯曲变形，查机床设计手册得D)32(6alEIF切式中 主轴前端偏转角(rad)、 、 、与前面相同切 al代入数据得 (2373+369)0.0011 radD ）（ 45326.780.1269所以 =0.0016 rad综上所述 主轴的刚度满足条件，不必重新设计。齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 23 -第 5 章 齿轮和轴承的设计与计算一般，设计齿轮传动时，已知的条件是：传递的功率 P=5.4KW，转速n=40rmin4000rmin，传动比暂取 i=1.78；预定的寿命 5 年，每年工作 300 天，每天 24 小时。设计开始时，往往不知道齿轮的尺寸和参数，无法准确定出某些系数的数值，因而不能进行精确的计算。所以通常需要先初步选择某些参数，按简化计算方法初步确定出主要尺寸，然后再进行精确的校核计算。当主要参数和几何尺寸都已经合适之后，再进行齿轮的结构设计，并绘制零件工作图。5.1 齿轮的设计计算5.1.1 齿轮主要参数的选择1、模数 m 模数由强度计算或结构设计确定，要求圆整为标准值，传递动力的齿轮传动 m2。初步确定模数时，对于软齿面齿轮(齿面硬度)350HBS）外啮合传动m=（0.0070.02）a；载荷平稳，中心距过大时取小值，本文所设计的主轴传动采用已有的箱体，可以知道中心距 a=150mm，因此取模数 m=0.015a=2.25mm，将模数圆整到标准值，取 m=2.5mm2、螺旋角 角太小，将失去斜齿轮的优点；但太大将会引起很大的轴向力。一般取 =8 15 ，此处取 =13 。0 03、齿数 z 当中心距一定时，齿数取多，则重合度 增大，改善了传动的平稳性。a同时，齿数多则模数小、齿顶圆直径小，并且又能减小金属切削量，节省材料，降低加工成本。但是齿数增多则模数减小，齿轮的抗弯强度降低，因此，在满足抗弯强度的条件下，宜取较多的齿数。5.1.2 齿轮的设计与计算5.2.1、选择材料查机床设计手册，小齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC大齿轮：20CrMnTi，渗碳淬火，硬度 4555HRC 按 MQ 级质量要求取值，查得 =780N/mm ， =820N/mm ； =620 1limH22limH21FEN/mm ， =640 N/mm 。22FE25.2.2 有关参数和系数的确定齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 24 -最大转矩 =3.43810 NTmax4载荷系数 K 查表取 K =1.4齿宽系数 查设计手册取 =0.25aa5.2.3 中心距及主要参数的确定本文根据原有数控铣床的结构进行设计，用原有的主轴箱，根据主轴箱的结构要求，确定齿轮啮合时的中心距 a=150mm按经验公式， =(0.0070.02)a=(0.0070.02)150mm=1.053mn取标准模数 =2.5mm初取 =13 ，cos=cos13 =0.974400初取齿数比 =1.78= = =42.06z1)(cos2na)178.(594取 =42，则 = =1.7842=74.76，则取 =75z2 z2精求螺旋角 cos= = =0.975amn2)(11502)74(.即 =arccos0.975=12 48 24 ，此值与初选 值相差不大，故不必重新计算。0传动比 = = =1.786，此值与初选齿数比相差不大，故不必重新计算iz12475.2.4 许用弯曲应力 F1、当量齿数 为： = = =45.3zvv13cosz3975.042= = =80.9v233.根据当量齿数查得：齿形系数 =2.37， =2.25YF1F2应力修正系数 =1.69， =1.77SS2、应力循环次数齐齐哈尔工程学院毕业设计（论文）- 25 -=60 =6012001（533024）=2.8510N2njLh 9= =2.8510 1.786=5101i99根据 、 查得： =0.86， =0.882YN1N23、查机械设计手册得：安全系数 =1.4SF根据公式 = 得：许用弯曲应力FFNlim = = =393MpaF1SYFli4.1608 = = =389MpaF2FNlim.2525、主要尺寸的计算分度圆直径 d：= = =107.7mm1cos1zn975.042= = =192.3mm22mn.齿宽 b = =0.25150=37.5mmba取 = =38mm125.2.6 校核齿面接触疲劳强度=3.17 HZE21)(bdKTH确定有关系数和参数1、许用接触应力 H查机械设计手册得 = =850Mpa，安全系数 =1.21lim2li SH根据 、 查得 =0.86， =0.88N12zNN许用弯曲应力