数控车床总体设计及其主轴箱设计要点

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1、 开题报告题 目：数控车床总体设计及主轴箱设计专 业： 机电一体化 学 生： 学 号： 指引教师： 时 间： 一、 选题意义1、 理论意义数控加工技术的应用是机械制造业的一次技术革命，使机械制造的的发展进入了一种崭新的阶段。由于数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械构造等方面的技术成果具有高柔性、高精度与高度自动化的特点，因此它提高了机械制造的制造水平，解决了接卸制造中的常规加工技术难以解决甚至无法解决的发杂型面零件加工，为社会提供了高质量、多品种及高可靠的机械产品已获得了巨大的经济效益 。目前，数控技术已逐渐晋级，数控机床在工业生产中得到了广泛应用，已成为机械自

2、动化的一种重要发展方向。2、 现实意义随着可续技术和社会生产的不断进步，机械产品日趋复杂。对机械产品的质量和生产率的规定也越来越高，在航空航天、微电子、信息技术、汽车、造船、建筑、军工和计算机技术等行业中，零件形状复杂、构造改型频繁、批量小、零件精度高加工困难、生产效率低已成为日益突出的现实问题，机械加工工艺过程的自动化和智能化是适应上述发展特点的最重要手段。二、 论文综述1、 理论的渊源及演讲过程现代数控技术的发展趋势重要是高速化、高精度化、多功能和智能化目前，柔性制造技术的发展也相称迅速。柔性制造技术重要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。柔性制造单元可由一台或多台数控设备构

3、成，即具有独立的自动加工的功能又部分具有自动传送和监控管理的功能。柔性制造单元有两大类：一类是数控机床配上机器人另一类是加工中心配上工作台互换系统若干个柔性制造单元可构成一种柔性制造系统柔性制造系统是一种由中央计算机控制的自动化制造系统。她是由一种传播系统联系起来的某些数控机床加工中心。传播装置将工件放在托盘或其她连接设备上送到加工设备使加工可以精确、迅速和自动的进行计算机集成制造系统就是运用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生产制造以求的公司的总体效益。计算机集成制造系统是建立在多项先进技术基本上的高技术制造系统，她综合运用了CAD/CAM、FMS、FMC及工厂自动化系统，是面向21世纪的

4、生产制造技术。2、 国内有关研究的综述随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基本。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完毕了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处在发展阶段。 “十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量为17521台，24803台，36813台，51861台，产量是的3.7倍，平均年增长39%；国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“

5、十五”期间，中国机床行业发展迅猛的重要因素是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资公司增长速度加快所致。 ，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增长2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于所有金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。 ，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。 10月，中国数控机床产量

6、达105,780台，比同比增长2.96%。 长期以来，国产数控机床始终处在低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依托进口的局面，特别是国家重点工程需要的核心设备重要依托进口，技术受制于人。究其因素，国内本土数控机床公司大多处在“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-。同步中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，有关的技术规范和原则的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同步，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要因素是缺少自主创新能

7、力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品迅速产业化上获得突破，中国数控系统产业就有望从主线上实现战略反击。同步，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创立国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。 “十一五”期间，中国数控机床产业将步入迅速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床1996-消费数量，通过模型拟合，估计数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1

8、996-消费增长模型，估计加工中心消费数量将达2.8万台，较年均增长率为17.8%。 国内是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处在较低水平；虽然国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场 对各机床有大量的需求，而另一方面确有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。（1）、国内产品开发的总周期还是设计所占的时间比例与国外先进水平有很大的差距（2）、国内工厂由于缺少设计的科学的分析根据自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，是设计一次性成功的把握性降底，往往需要反复试制才干定型，从而也许错过新产品推向市场的良机。（3）、顾客根据使用需要，在订货是往往提出某些特殊的规定，甚至在产

9、品即将投产是有的顾客临时提出某些规定，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文献。（4）、目前国内工厂设计和工艺人员中青年占多数，她们的专业知识和实际经验局限性，有肩负着开发的重任。3、国外有关研究的综述数控机床各国数控机床发展历史美、德、日三国是当今世上在数控 机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 (1).美国的数控发展史 美国政府注重机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基本科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界

10、第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国一方面结合汽车、轴承生产需求，充足发展了大量大批生产自动化所需的自动线，并且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基本夯实，且一贯注重科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也始终领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基本科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增长缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 (2).德国的数

11、控发展史 德国政府一贯注重机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学实验，理论与实际相结合，基本科研与应用技术科研并重。公司与大学科研部门紧密合伙，对数控机床的共性和特性问题进行进一步的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。特别是大型、重型、精密数控机床。德国特别注重数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、多种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 (3).日本的数控发展史 日本政府对机床工业之发展异常注重，通

12、过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在注重人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量始终居世界首位(产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年*始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略对的，仿创结合，针对性地发展市场合需多种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司既有职工3,6

13、74人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大增进作用。3、 本人对以上综述的评价数控机床设计及主轴箱设计的诞生给人类的发展带来了很大的以便， 广泛应用在石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域，因而它成为深受欢迎的一种机器。三、论文提纲1、前言21.1数控机床主传动系统的特点21.2 主传动系统的设计规定22、主传动方案选择与设计32.1 数控车床主传动总体方案选择32.2 主传动系统构造设计42.3 计算转速的拟定52.4 传动级数的拟定53、电动机的选择143.1 直流主轴驱动系统得特点143.

14、2 交流主轴驱动系统153.3选择电机164、拟定齿轮齿数174.1 选定齿轮类型,精度级别,材料及齿数.174.2按齿面接触强度设计174.3 按齿根弯曲强度设计194.4几何尺寸计算204.5验算215、 皮带轮的设计计算236、主轴构造设计256.1对主轴组件的性能规定256.2轴承配备型式266.3重要参数的拟定276.4主轴头的选用28总结与体会29道谢词30参照文献31一、前言主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范畴，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同规定的工件，并能以便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。数控机床主

15、传动系统重要涉及电动机、传动系统和主轴部件，它与一般机床的主传动系统相比在构造上比较简朴，这是由于变速功能所有或大部分由主轴电动机的无级调速来承当，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范畴。 1.1数控机床主传动系统的特点与一般机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。（1）、转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。（2）、变速范畴宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范畴，一般Ra100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。（3）、主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自

16、动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的规定。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，因此不仅可以以便地实现宽范畴无级变速，并且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。（4）、主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等均有足够的硬度，轴承处尚有良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计规定 （1）、主轴具有一定的转速和足够的转速范畴、转速级数，可以实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动规定。（2）、主电机具有足够的功率，所有机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力规定。（3）、主传动的有关构造，特别是主轴组件要有足够高的精度、

17、抗震性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能规定。（4）、操作灵活可靠，维修以便，润滑密封良好，以满足机床的使用规定。（5）、构造简朴紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性规定。二、主传动方案选择与设计2.1 数控车床主传动总体方案选择 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的规定。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为扩大调速范畴，适应低速大转矩的规定，也常常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。 数控机床主传动系统重要有四种配备方式，如图1-1所示。 带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方

18、式。如图1-1（a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，一满足主轴低速时对输出转矩特性的规定。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基本上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。 通过带传动的主传动 如图1-1（b）所示，这种传动重要应用于转速较高、变速范畴不大的机床。电动机自身的调速可以满足规定，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它合用于高速、低转矩特性规定的主轴。常用的是V带和同步齿形带。 用两个电动机分别驱动主轴 如图1-1（c）所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱

19、动主轴旋转；低速时，另一种电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范畴的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范畴，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充足运用的缺陷。 内装电动机主轴传动构造 如图1-1（d）所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的构造，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大2.2 主传动系统构造设计 机床主传动系统的构造设计，是将传动方案“构造化”，向生产 提供主传动部件装配图，零件工作图及零件明细表等。 在机床初步设计中，考虑主轴变速箱机床上位置，其她部件的互相关系，只是概略给出形状与尺寸规定，最后还需要根据箱内各元

20、件的实际构造与布置才拟定具体方案，在也许的状况下，设计应尽量减小主轴变速箱的轴向和径向尺寸，以便节省材料，减轻质量，满足使用规定。设计中应注意对于不同状况要区别看待，如某些立式机床和摇臂钻床的主轴 箱；规定较小的轴向尺寸而对径向尺寸规定并不严格；但有的机床，如卧式铣镗床、龙门铣床的主轴箱要沿立柱或横梁导轨移动，为减少其颠覆力矩，规定缩小径向尺寸。机床主传动部件即主轴变速箱的构造设计重要内容涉及：主轴组件设计，操纵机构设计，传动轴组件设计，其她机构（如开停、制动及换向机构等）设计，润滑与密封装置设计，箱体及其她零件设计等。 主轴变速箱部件装配图涉及展开图、横向剖视图、外观图及其她必要的局部视图等

21、。给制展开图和横向剖视图时，要互相照应，交替进行，不应孤立割裂地设计，以免顾此失彼。给制出部件的重要构造装配草图之后，需要检查各元件与否相碰或干涉，再根据动力计算的成果修改构造，然后细化、完善装配草图，并按制图原则进行加深，最后进行尺寸、配合及零件标注等。2.3 计算转速的拟定主轴的计算转速在主轴调速范畴中所居的地位，是由于机床种类而已。对于大型机床，由于应用范畴很广，调速范畴很宽，计算转速可以取高某些。对于精密机床，钻床、滚齿机等，由于应用范畴较窄，调速范畴较小，计算转速应取低些。下表列出了各类机床主轴计算转速的记录公式。轻型机床的计算转速可比表中推荐值的高。数控机床由于考虑切削轻金属，调速

22、范畴比一般机床宽，计算转速也可以比表中推荐的高些。但是，目前数控机床尚未总结出公式，故主轴的计算转速的计算公式选用表1对本次设计机床定位中型车床，故选用公式其中 为主轴的最低转速 =40r/min 为主轴的变速范畴 代入公式中 =136.6r/min 数控机床又与考虑切削轻金属、调速范畴比一般机床要宽，计算转速也可以比推荐的高些，故取2.4 传动级数的拟定（1）主传动系统的参数主传动系统的重要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电动机的功率，运动参数指主运动的变速范畴。运动参数： =2400r/min =40r/min主轴的调速范畴： =60主轴的计算转速： =150r/min主轴

23、恒功率变速范畴：（2）主传动级数的拟定综合考虑电动机与主轴功率特性的匹配问题（数控车床主轴规定的恒功率变速范畴远不小于调速电动机的恒功率变速范畴），为理解决这一问题，需要在电动机与主轴之间串联一种分挡变速机构，以便扩大其恒功率调速范畴，满足低速大功率切削时对电动机输出功率的规定。主传动系统的传动方式采用定比传动和分挡无级变速相结合的传动方式。交流调频主轴电动机经带传动，传递给传动轴，传动轴再通过变速机构传递给主轴，从而实现主轴的变速。变速机构采用齿轮副来实现，如图2所示。这样通过电动机的无级变速，配合变速机构便可保证主轴的功率和转矩规定。 图2-1如图2-1所示，车床主轴规定的功率特性和转矩特

24、性。这两条特性曲线是以计算转速为分界，从至最高转速的区域为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可以输出额定的功率，最大转矩则随主轴转速的下降而上升。从最低转速至的区域为恒转矩区，在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下也许提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩。在区域内，主轴也许输出的最大功率，则随主轴转速的下降而下降。如果采用交流调频电机，FANUC主轴电机S系列，其额定转速为1500r/min，最高转速为6000r/min，恒功率调速范畴/=6000/1500=4。如图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；从最低转速到的

25、区域为恒转矩区。很明显，变速电机的功率特性与车床主轴的规定不匹配：变速电机的恒功率范畴小而主轴规定的范畴大。图2-24远不不小于主轴规定的=16。因此，虽然交流调频电机的最低转速可以低于45r/min，总的调速范畴可以超过主轴规定的=60，但由于恒功率调速范畴不够，性能不匹配，是不能简朴地使电动机直接拖动主轴的。则应在电动机与主轴之间串联一种分级变速箱，来实现主轴与电机的恒功率匹配。在设计数控车床传动时，必须考虑电动机与主轴功率特性匹配问题。由于主轴规定的恒功率变速范畴 远不小于电动机的恒功率变速范畴 ，因此在电动机与主轴之间要串联一种分级变速箱，以扩大其恒功率调速范畴，满足低速大功率切削时对

26、电动机的输出功率的规定。 在设计分级变速箱时，考虑机床构造复杂限度、运转平稳性规定等因素，变速箱公比的选用有下列三种状况。 取变速箱的公比 等于电动机的恒功率调速范畴 ，即=，功率特性图示持续的、无缺口和无重叠。如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范畴为 变速箱的变速级数Z可由上式算出 若要简化变速箱构造，变速级数应少些，变速箱公比可取不小于电动机的恒功率调速范畴，即。这时，变速箱每挡内有部分低转速只能恒转变速，主传动系统功率特性图中浮现缺口，称之为功率减少区。是用缺口范畴内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出所有功率。为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大，这样将会浮现“

27、大马拉小车”的现象 如果数控机床为了恒线速度切削需在运转中变速时，取公比不不小于电动机的恒功率变速范畴，即，在主传动系统功率特性图上有一小段重叠，这时变速箱的变速级数将增多，使构造变得复杂。适合于恒线速度切削时可在运转中变速，这时不能变速箱变速，必须用电动机变速。由于用变速箱变速时必须停车，这在持续切削时是不容许的。因此，可采用增长变速箱的变速级数Z，减少公比的措施解决。 根据数控车床的构造规定和上面三种状况相比较，故选用第1种变速箱公比选择措施。取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范畴 ，即=，则车床主轴的恒功率变速范畴为 变速箱的变速级数 电动机恒功率调速范畴=/=6000/1500=4，

28、主轴的恒功率调速范畴2400/150=16 = =2因此，车床主轴变速箱的变速级数为2（3）分级变速箱的设计计算通过主传动级数的拟定，以及分级变速箱的公比=4的拟定可得转速图（图2-3）电动机经定比传动1：2.5，使变速箱的轴得到2400r/min600r/min（恒功率）和600r/min160r/min（恒转矩）的转速。如果经主轴之间的一对1：1齿轮传动，主轴能得到2400r/min600r/min恒功率转速范畴图2-3。当主轴转速n降到600r/min时，电机转速降至1500r/min（额定转速）。如果电机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也随之下降。主轴转速为2400r/mi

29、n600r/min时，是恒功率。当电机转速低于额定转速时，最大输出功率将下降。当主轴转速降至1500r/min时，变速箱变速，经1/4传动主轴。这时电机转速自动地回到最高转速。当电机又从6000r/min降至1500r/min时，主轴从600r/min降至150r/min，仍为恒功率。主轴150r/min的转速已经接近于原规定的计算转速，转速继续下降将进入恒转矩段。靠电机继续降速得到，当电机转速降至400r/min时，主轴转速降至150（1/2.5）（1/4）=40r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为即为额定功率的27%图5功率特性图图2-4如图2-4所示a、b、d应当为

30、一条直线，为了清晰起见，把她画成了2段并略为错开。可以看出，主轴的恒功率变速范畴a-d两段拼接起来的，每段都等于电动机的恒功率调速范畴=4，因此变速箱的公比=4。如图2-5所示，从a到d（由2段构成）转矩随着转速的下降而上升。至d点位主轴输出的最大转矩，d到e位恒转矩区。图6 转矩特性图图2-5对于传动轴，除重载轴外，一般不必进行强度校核，只进行刚度验算。轴的抗弯断面惯性矩（）花键轴 =式中 d花键轴的小径（mm）；i花轴的大径（mm）；b、N花键轴键宽，键数；传动轴上弯曲载荷的计算，一般由危险断面上的最大扭矩求得：=式中 N该轴传递的最大功率（kw）; 该轴的计算转速（r/min）。传动轴上

31、的弯矩载荷有输入扭矩齿轮和输出扭矩齿轮的圆周力、径向力，齿轮的圆周力式中 D齿轮节圆直径（mm）,D=mZ。齿轮的径向力：式中 为齿轮的啮合角，20；齿面摩擦角，；齿轮的螺旋角；0故N花键轴键侧挤压应力的验算花键键侧工作表面的挤压应力为：式中 花键传递的最大转矩（）； D、d花键轴的大径和小径（mm）； L花键工作长度； N花键键数； K载荷分布不均匀系数，K=0.70.8；（4） 传动比的拟定从电机轴到中间轴带传动的传动比为1/2.5，从中间轴到主轴一组齿轮传动的传动比为1/1和1/4参数 轴I轴（电机轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴）计算转速（）1500600150输入功率（Kw）

32、5.5 5.28 5.07转矩（） 140.82 271.39 671.79 传动比 ， 各轴的传动参数三、电动机的选择机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，初期的机床主轴传动所有采用三相异步电动机加上多级变速箱的构造。随着技术的不断发展，机床构造有了很大的改善，从而对主轴系统提出了新的规定，并且因用途而异。在数控机床中，数控车床占42，数控钻镗铣床占33，数控磨床、冲床占23，其她只占2。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述规定：主传动电动机应有2.2250kW的功率范畴；要有大的无级调速范畴，如能在1：1001000范畴内进行恒转矩调速和1

33、：10的恒功率调速；规定主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，规定主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，规定主轴能进行高精度定向停位控制，甚至规定主轴具有角度分度控制功能等等。 主轴传动和进给传动同样，经历了从一般三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微解决器技术和大功率晶体管技术的进展，目前又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种构造形式，并且绝大多数采用永磁式同步电动机的构造形式。而交流主轴电动机的状况则不同，

34、交流主轴电动机均采用异步电动机的构造形式，这是由于，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样规定如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的规定。但对交流主轴电动机性能规定又与一般异步电动机不同，规定交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度如下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。数控机床使用的主轴驱动系统，可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类。下面根据这两大类主轴驱动系统的特点来选择主轴驱动系统。3.1 直流主轴

35、驱动系统得特点在数控机床高速,高效,高精度的控制规定,使得FANUC直流主轴驱动与一般的速度自动调节系统相比有如下特点:（1） 调速范畴宽, 采用FANUC主轴驱动的数控机床,在机械构造方面，小型机床一般采用电机与主轴直接或皮带变速的构造形式、中、大型机床一般只设立高,低速两级简朴的机械变速机构，因此，主轴电动机的调速必须所有依赖主轴驱动器进行控制。为保证数控机床的加工范畴,使加工工艺相对集中，并达到抱负的切削效果，主轴驱动器必须实现无级变速，且具有教宽的调速范畴。（2） 在构造上，直流主轴电动机为全封闭的构造形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。（3） 在冷却系统上，为了缩小体积，

36、提高效率，主轴电动机采用了特殊法人热管冷却系统，可以将转子产生的热量迅速的向外界发散。（4） 在磁路设计上，为了使电机发热最小，煮粥电动机定子采用了独特的附加磁极，以减小损耗，提高了效率。3.2 交流主轴驱动系统 在近几年，诸多机床都采用交流主轴驱动系统，下面谈论一下交流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统的某些特点：（1） 由于驱动系统采用了微解决器和现代控制理论进行控制，系统运营平稳，振动和噪音小，并且可以获得较大的调速范畴和较高的低速转矩，可以较以便地与数控机床相配套。（2） 较大功率驱动系统采用了难度较大的“回馈制动”技术，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起、

37、制动速度。（3） 驱动器具有转换器、实际转速转矩信号输出、电气主轴“定向准停”等功能，可以以便地与各类配套。（4） 电机采用无外壳构造，定子硅钢片直接进行空气冷却，可以在浮尘、切削液飞溅的场合安全、可靠地工作。（5） 与直流电机相比，由于交流主轴电机在构造上无换向器，主轴电机一般不需要进行维修。（6） 主轴低年级转速的提高不受换向器的限制，最高转速一般比直流主轴低年级更高。（7） 主轴电机的冷却空气由前端向后流动，可以有效减少电机发热对机床精度的影响。3.3选择电机通过上面两种主轴驱动系统的比较，交流主轴电动机在工作环境，冷却系统和调速范畴上都优于直流主轴驱动系统，故根据在这些方面的优势本设计

38、的主轴驱动系统采用交流主轴驱动系统其选用的交流主轴电机的参数如下：主轴型号持续输出功率分钟额定输出功率基本速度变速范畴5.55.57.5r/minr/min四、拟定齿轮齿数4.1 选定齿轮类型,精度级别,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6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,两者材料硬度差为40HBS.（3）选小齿轮齿数 大齿轮齿数 4.2按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即拟定公式内的各计算数值（

39、1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩由上文可知为（3）由表10-7选用齿宽系数（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数（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齿轮的接触疲劳强度极限;（6）由式10-13计算应力循环次数 （7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）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 2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 （2）计算圆周速度 （3）计算齿宽 （4）计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 （5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-2查得

40、使用系数；由表10-4查得6级精度，小齿轮悬臂支承时， 将数据代入得 ； 由，查图10-13得；故载荷系数 （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 （7）计算模数 4.3 按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 1）拟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；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；（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 （4）计算载荷系数K （5）查取齿形系数由表10-5查得；。（6）查取应力校正系数由表10-5查得；。（7）计算大小

41、齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大。2）设计计算对比计算成果，由齿面接触疲劳强度计算的模数不小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小重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2.46并就近圆整为原则值m=3mm，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数为24.大齿轮齿数为96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，并做到构造紧凑，避免挥霍。4.4几何尺寸计算1）计算分度圆直径=72mm2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。4.5验算，合适。根据上边计算措施

42、，依次求得其她齿轮参数如下：公式： d=mza组： Za1 = 24 Za2 = 96b组: Zb1 = 60 Zb2 = 60 表2 原则直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算 由表2计算a、b两组齿轮参数如下a组： 模数m = 3 压力角 =20 齿距 P = m =9.42 齿厚 s = m/2 = 4.71 齿槽宽 e =m/2 = 4.71顶隙 c = cm =0.75齿顶高 h = 3 齿根高 h = (h+ c)m = 3.75 全齿高 h = h+ h=(2h+ c)m = 6.75b组: 模数m = 3 压力角 =20 齿距 P = m =9.42 齿厚 s = m/2 = 4.7

43、1 齿槽宽 e =m/2 = 4.71 顶隙 c = cm =0.75 齿顶高 h = hm = 3 齿根高 h = (h+ c)m = 3.75 全齿高 h = h+ h=(2h+ c)m = 6.75中心距五 皮带轮的设计计算设一天运转时间=810小时（按小带轮计算）1 拟定计算功率由表8-7查得工作状况系数，故计算功率 = KAP = 1.25.5 = 6.6kw2 根据和n 选胶带型别为：A型3 拟定带轮的基准直径并验算带速v1）选小带轮直径d1=85则大带轮直径d2=2.5d1=2122）验算带速v：V=6.67米/秒4 拟定V带的中心距a和基准长度1) 根据公式初定中心距 2）由公

44、式计算带所需的基准长度Ld=2+(d1+d2)+ =1040.93mm 选带的基准长度Ld=1000mm3）计算实际中心距a。=+=295mm5 验算小带轮包角180-60=161.2906 计算带的概数z1）单根V带传递的功率 1500r/min查表得 Pr=2.03kw单根胶带传递功率的增量：P0=0.18kw 2）计算V带的根数z 胶带根数： 取z=4根。7 计算单根V带的初始拉力的最小值 应使带的实际初拉力F08 作用在轴上的力F=2Zsin=1522N带轮宽：B=（Z-1）e+2f=72六、主轴构造设计6.1对主轴组件的性能规定主轴组件是机床重要部件之一，它的性能对整机性能由很大的影

45、响。主轴直接承受切削力，转速范畴又很大，因此对主轴组件的重要性能特提出如下规定：回转精度 主轴组件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在抱负的状况下应是固定不变。事实上，由于主轴组件中多种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为抱负回转中心线。瞬时回转中心线相对于抱负回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范畴，就是主轴的回转精度。纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同步存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同

46、步存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一种空间旋转矢量，它并不是所有的状况下都表达为被加工工件所得到的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。目前国内在生产中沿用老式的静态测量法，用一种精密的测量棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差即觉得是主轴的径向回转误差。端面误差一般以涉及主轴所在平面内的直角坐标系的垂直坐标系的垂直度数据综合表达。动态测量是用以原则球装在主轴中心线上，与主轴同步旋转；在工作态上安装两个互成90角的非接触传感器，通过仪器记录回转状况。间接测量是用小的切削量加工有色金属试件

47、，然后在圆度仪上的测量试件的圆度来评价。出厂时，一般级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L300mm时容许误差应不不小于0.02mm。导致主轴回转误差的因素重要是由于主轴的构造及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会导致主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在0.4mm/s如下。刚度 主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵御变形的能力。一般以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表达。主轴组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。主轴组件的刚度局限性，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影

48、响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，减少精度。主轴部件的刚度与主轴构造尺寸、支承跨距、轴承类型及配备型式、轴承间隙的调节、主轴上传动元件的位置等有关。抗振性 主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运营而不发生振动的能力。主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅减少加工质量，并且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼器。此外，使主轴的固有频率远远不小于激振力的频率。温升 主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热彭涨而变形，主轴的回转中心线和机

49、床其他组件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；另一方面是轴承等元件会因温度过高而变化已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。数控机床一般采用恒温主轴箱来解决恒温问题。耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应当淬硬或氮化解决。主轴轴承也需有良好的润滑，以提高耐磨性。以上这些规定，有的还是矛盾的。例如高刚度和高速，高速与低温升，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的规定；设计高精度数控机

50、床时，主轴应满足高刚度、低温升的规定6。6.2轴承配备型式本课题中数控机床的转速较高，却规定径向刚度好，因此轴承的配备型式选择为刚度速度型13。前轴承采用双列角接触球轴承，接触角为，它们通过套筒背靠背配备，以减少主轴悬伸量。后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，以承受较大的传动力。如下图所示：图2.6 主轴支承型式6.3重要参数的拟定主轴的重要参数是指：主轴平均直径D（或主轴前轴颈直径）；主轴内孔直径；主轴悬伸量a和主轴支承跨距。这些参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，重要是由静刚度条件来拟定这些参数，即选择D、d、a、l使主轴获得最大静刚度，同步兼顾其他规定，如高速性、抗振性等。（1）主轴前轴

51、颈直径的拟定主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴自身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而 提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承dn值的限制，同步导致相配零件尺寸加大、制造困难、构造庞大和重量增长等，因此在满足刚度规定下应取较小值。按车床主电动机功率来拟定，由资料16图6.183可取。 （2）主轴内孔直径d的拟定拟定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔颈规定和最小壁厚规定以及不削弱主轴刚度的规定下，应取较大值。对于数控机床，。（3）主轴悬伸量的拟定主轴悬伸量是指主轴前端面到支承径向反力作用中点的距离，它对主轴部件的刚度和抗振性影响很大。因此

52、在满足构造规定的前提下尽量取小值。减小的常用措施有：尽量采用短锥法兰式主轴端部构造。推力轴承配备在前支承时，应安装在径向轴承的内侧而不是外侧。合理设计前支承的调节构造和密封装置形式。尽量采用主轴端部的法兰盘和轴肩等构成密封装置。采用向心推力轴承来替代向心轴承。成对安装的圆锥滚子轴承，应采用滚锥小端相对的形式；成对安装的向心推力轴承应采用背对背或面朝外的同方向排列形式。本课题中主轴前端的一对向心推力轴承正是采用这种安装形式。变化轴端工夹具的构造形式来减小a值16。（4）支承跨距的拟定支承跨距是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理拟定是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。当时，主轴部件具

53、有最大刚度，即为主轴部件的最佳跨距。在具体设计时，往往由于构造上的限制而使，这就导致主轴部件的刚度损失。合理跨距,一般取。由于D、a一定期，越大，轴承的径向跳动对主轴前端的径向跳动影响越小，且加大可较小振动。当需要远不小于时，可采用三支承构造6。6.4主轴头的选用如前文所述，采用短锥法兰式主轴端部构造有助于减小主轴悬伸量。本课题选用B型法兰式主轴端部，代号为6，其基本尺寸由资料16表6.131可获得。总结与体会主轴箱是机床的动力源将动力和运动传递给机床主轴的基本环节，其机构复杂而巧妙，这次设计的效果没有估计的轻松。由于在时间上拖了下来，并且所学的知识内容也很不抱负。我接受的设计任务是对车床的主

54、轴箱进行设计。主轴箱的构造繁多，我省去了诸多细部构造。从这点让我深深的体会到“科技是第毕生产力”这句话的对的与严峻性。在设计中我们也遇到了其他许多棘手的问题，但是有问题就问，在设计过程中常常去网上查资料，去图书馆找相应的专业书籍，并且书上看不懂的找导师去问，虽然所学知识有限，但最后还是实现设计的效果。对于一次设计来说，总体安排很重要。这次设计由于总体安排刚开始的时候没有很合理的制定，因此工作量的实际大小与工作的具体性质不是很明确，以致在开始的几周里没有什么实质性的进展。在随后的工作过程中我注意了这一点，常常彻夜熬夜，因此进度才勉强赶了上来，但是时间还是紧了点。对但最后我还是努力完毕了设计任务。

55、毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的主传动系统设计，我挣脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基本知识，解决实际问题的能力。同步也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其她专业能力水平，并且通过 对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌解决，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同限度的提 升。这是我们都但愿看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。道谢词我的毕业设计论文始终是在导师的悉心指引下进行的。教师教学态度严谨， 学识渊博，为人和蔼可亲。并且在整个毕业

56、设计过程中，不断对我得到的结论进行指引，并提出新的问题，使得我的毕业设计课题可以进一步地进行下去， 也使我接触到了许多理论和事实上的新问题，使我做了许多有益的思考。在此表达诚挚的感谢和由衷的敬意。也是教师在我时间急切的时候给我急切感，让我深深的明白时间的珍贵性 教师在机械设计方面具有丰富的实践经验，对我的设计予以了不少的指引和协助，使我可以将理论中的成果与实际相结合。此外，她看待问题的严谨作风也给我留下了深刻的印象。在此表达深深的谢意。尽管我是第一次设计，难免遇到许多比较低档的问题，教师却都极其耐心地予以解答，在此表达深深的谢意。谨此向教师表达衷心的感谢和崇高的敬意. 最后，再次对关怀、协助我

57、的教师和同窗表达衷心地感谢三、 参照文献：l 机械设计手册第三版第二卷 成大先主编 化学工业出版社l 实用机床设计手册 李洪主编 辽宁科学技术出版社l 现代金属切削机床概论 贾亚州主编 机械工业出版社l 机械传动装置设计手册 卜炎主编 机械工业出版社l 机械零件设计手册 吴宗泽主编 机械工业出版社l 机械设机师手册 吴宗泽主编 机械工业出版社l 实用机械传动设计手册 姚振浦主编 科学技术出版社l 机械工程师手册 赵明生主编 机械工业出版社l 现代数控机床 王爱玲主编 国防工业出版社l 数控机床加工工艺编程技术与维护维修实用手册 席子杰主编吉林电子出版社l 冯辛安主编.,机械制造装备设计.机械工

58、业出版社. 北京.1999.12 l 周开勤主编. 机械零件手册.高等教育出版社. l 曹玉榜 易锡麟.机床主轴箱设计指引. 机械工业出版社. 北京.1987.5.l 陆凤仪 钟守炎主编.机械设计.机械工业出版社.北京.l 黄鹤汀主编. 金属切削机床设计. 北京. 机械工业出版社， l 冯开平 左宗义主编.画法几何与机械制图.华南理工出版社.9l 唐金松主编.简要机械设计手册.上海科技技术出版社.上海.1992.06l 卢秉恒主编.机械制造技术基本.机械工业出版社.北京.l 孙恒 陈作模主编.机械原理.高等教育出版社.北京.l 曹金榜主编 机床主轴/变速箱设计指引, 北京.机械工业出版社.20