立式加工中心主传动系统设计1

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1、 毕 业 设 计题 目： 立式加工中心主传动系统设计 学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2012年6月6号 2诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 立 式 加 工 中 心 主 传 动 系

2、 统 设 计 姓名 学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求： 本课题以立式加工中心的主传动系统设计为目标，通过对其机械部分、电气控制部分的设计，使之能够适应现代制造企业对加工设备的更高要求。通过设计使学生掌握加工中心数控机床主传动系统结构及控制部分设计的基本方法、步骤、过程和原理，同时提高他们分析、解决问题的能力及综合运用所学知识的能力。课题基本任务及要求： 1.熟悉数控机床（加工中心）本身的特点、明确设计要求； 2.拟定机床主传动系统的总体方案（机械部分、控制部分）； 3.进行加工中心机械部分的结构设计； 4.进行主传动电气控制系统的设计； 二、进度安排及完成

3、时间：1.明确设计任务、熟悉设计课题、搜集有关资料； 2月29日前完成2.在熟悉课题要求的前提下，进入课题实施阶段，进行有关方面知识的准备、撰写开题报告； 3月20日前完成3.根据要求提出主传动系统设计的思路、拟定其方案； 3月31日前完成4.进行机械结构设计（绘制主轴箱部装图及1-2个零件图）； 4月20日前完成5.进行系统的动态特性分析（如果时间紧这一步可省）； 5月10日前完成6.进行主传动电机控制系统的设计（绘制控制系统图）； 5月20日前完成7.编写毕业设计说明书并打印； 5月28日前完成8.程序文件的整理、存储介质的制作、准备答辩； 5月31日前完成9.毕业设计答辩。 6月10日前

4、完成1目 录摘要Abstract第1章 绪 论11.1 引言11.2 研发背景及意义11.3 加工中心的发展状况21.4 课题拟解决的关键问题2第2章 立式加工中心主传动系统设计42.1 加工中心主轴箱的组成42.2 机械系统方案的确定42.2.1 主轴传动机构42.2.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定42.3 运动及动力参数计算52.3.1 铣削分力52.3.2 铣削圆周力的计算62.3.3 选用电机9第3章 传动系统的设计113.1 主传动系统的设计113.1.1 带传动的设计113.1.2 齿轮传动的设计123.2 轴的设计173.2.1 轴的初步设计173.2.2 I轴的校核18

5、3.3 主轴的设计213.3.1 主轴的设计213.3.2 主轴受力分析243.3.3 主轴的强度校核283.3.4 主轴的刚度校核29第4章 控制系统设计304.1控制系统总体设计30374.2硬件设计314.3软件设计324.3.1 步进电机的控制原理334.3.2 变频电机的相关控制344.3.3 译码法寻址344.3.4 键盘显示器接口344.3.5 程序存储器（EEPROM）芯片344.2.6 数据存储器（RAM）芯片34结论35致 谢36参考文献37立式加工中心主传动系统设计摘要：数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系

6、到国家的战略地位。立式加工中心主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。包括电动机、传动系统和主轴部件。本文通过对立式加工中心主传动系统的各方面设计，以达到低制造成本、简化机构、实现优化。采用变频电机和一级机械调速达到调速和传递功率的要求；用步进电机驱动主轴上下运动达到Z行程的要求；数控装置采用51单片机来实现对电机更加精确的控制和实现机械调速的自动控制。关键词：主传动；设计；立式加工中心Main drive system designed for vertical machining centersAbstract:The numerical control technology and t

7、he numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position. Machining center tool master drive syste

8、m is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric motor, transmission system and spindle unit. This article through designs to Machining center master drive systems various aspects, achieves the low production cost, the simplified organization, to realize

9、the optimization. Uses the frequency conversion electrical machinery and the first-level machinery velocity modulation achieves the velocity modulation and the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; T

10、he numerical control installment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control.Keywords:Main drive system; Design; Machining center 第1章 绪 论1.1 引言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技

11、术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有53年历史了。

12、20世纪90年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。我国数控技术研究从1958年起步，国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平，到1980年我国的数控机床产量还不到700台。到90年代，我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2 研发背景及意

13、义本课题是以加工中心为研究目标，从其主传动系统结构及其电气系统控制系统入手，对其系统结构设计、结构组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析和主传动电气控制系统的设计的几个方面进行设计研究。为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据通过本课题的研究，使加工中心结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密。与普通数控机床的工艺装备相比较，加工中心工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压以及计算机控制，其自动化程度更高。合理使用加工中心的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊

14、功能不尽相同外，其主要功能基本相同。1.3 加工中心的发展状况对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上，最高已达到。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在左右，高的已达，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程

15、以下，定位精度可控制在之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右，个别达到。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在，定位精度控制在之内，重复定位精度控制在之内。在换刀速度方面，国内机床多在，无法与国际水平相比。虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机

16、床的平均无故障时间（MTBF）都在小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。1.4 课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件和进给组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件和进给组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求：旋转精度：旋转精度是指机床在空载低速旋转时，安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度：指主轴组件和进给组

17、件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性：指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形：温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转和进给的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性：指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。第2章 立式加工中心主传动系统设计2.1 加工中心主轴箱的组

18、成主轴箱是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和减速齿轮等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。2.2 机械系统方案的确定2.2.1 主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定

19、的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达（有时允许达），传动功率可达，传动比可达（有时允许达），传动效率可达。本课题的主轴传动方式中选择齿轮传动。2.2.2 加工中心主轴组件总体设计方案的确定综合2.2中的方案，本课题的总体设计方案现确定如下：由于采用齿轮传动，能保证固定的传动比，且传动

20、效率高，传递功率大，允许的线速度较高，需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择齿轮传动。在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保Z轴的进给精度。由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机床操作者调整转速。在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻

21、松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。在伺服系统中，本课题在进给系统中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于主运动系统中。2.3 运动及动力参数计算由主轴转速1002500r/min,由此初步确定轴转速及电机选用。1主轴转

22、速由变速箱加上PCL控速速，选取总传动比1：1.2，则电机转速范围为120r/min3000r/min.2 确定主轴转矩以及功率电机转矩由主轴正常工作时需要的转矩来确定，因此需要计算切削用量。由专用机床设计与制造Pg680页铣削力及铣削功率的计算如下：2.3.1 铣削分力 车铣削时的切削分力（见切削了力图 图2-5和表2-1）有： 圆周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；颈向力Py，即铣刀所受的颈向切学力；轴向力Po；压轴力（垂直分力）Pv。图2-5 切削力图表2-1 铣削各分力与圆周力的比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端 铣PH/PZ0.3-0.40.9-0.60.3-0.

23、15B/D=0.4-0.8=0.1-0.2mmPV/PZPO/PZ0.85-0.950.5-0.550.45-0.70.5-0.551-0.90.5-0.55平面铣、立铣、圆盘铣、成形铣t/D=0.5PH/PZ1-1.20.8-0.9=0.1-0.2mmPV/PZ0.2-0.30.75-0.8PO/PZ0.35-0.40.35-0.42.3.2 铣削圆周力的计算 公式如下： 1、刀具：高速钢（粗加工，低速）加工材料：b=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： B=0.40.8D=2652mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=912m/min n=100r/min V=Dn=653

24、.14*100/1000=20.42m/min 2)立铣： 由经验值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, V=Dn=303.14*1000/1000=9.42m/min2、刀具：硬质合金钢（精加工、高速）加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： 精加工：铣削深度t=0.51mm 取t=1mm铣削速度v=90150m/min V=Dn=453.14*1000/1000=141.4m/minB=0.40.8 D=1836mm(取B=35mm) z=2 2）立铣 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 经验植：

25、D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, V=Dn=323.14*1000/1000=100.53m/min 铣削功率：N=2.3.3 选用电机选用变频调速电机，频率范围2100HZ，4极，转速范围603000r/min。当f50Hz时为恒功率调速。故有，当f=50Hz时电机有最大转矩，若电机额定功率为4KW，则。现选用带传动比为1：1.2，齿轮传动比为1：1或1：3的二联齿轮传动副。则主轴转速范围为57.2r/min2860r/min，满足要求100r/min2500r/min。由图2-5电机特性曲线图及表2-2、表2-3、表2-4和图2-6确定电机：

26、变频调速电机 4级 频率范围2100Hz, 转速范围603000RPM，拐点转速（50Hz）1430r/min，额定功率4KW，最大转矩40转矩与频率的关系曲线功率与频率的关系曲线图2-5 电机特性曲线图表2-2 电机参数表型号额定功率（KW）机座号额定转速(r/min)额定电流(A)额定转矩(N.m)堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩转动惯量（kg.）重量（Kg）变频器功率（kw）A型B型CTB-41P5BXB33-41.5100LM9203.6151.32.30.00716361.52.2CTB-42P2BXB33-42.2100L19205.2221.32.30.00975382.23

27、.7CTB-43P0BXB33-43100L29206.8311.32.30.0116403.73.7CTB-44P0BXB33-44112M9408.7401.32.30.0207575.55.5CTB-45P5BXB33-45.5132S95011.5551.32.30.0418755.57.5注：额定电压/频率：380V/50Hz 极数：4极同步转速1430转/分图2-6 B5法兰安装图所以可以选用的电机为：电机：CTB44P0BXB33合理 第3章 传动系统的设计3.1 主传动系统的设计3.1.1 带传动的设计1 计算功率带轮传动的传动比 ：i=1.2 ，选取SPA型窄带，且 所以：2

28、中心距的计算取 则3 计算包角4 计算带速 5 计算预紧力 式中 计算功率；带速；材料的修正系数；带数6 计算作用到轴上的压轴力3.1.2 齿轮传动的设计 1 材料的选择：小齿轮 40Cr调 , ；大齿轮 45钢 , 。初选小齿轮的齿数 ，且其mm,则大齿轮的齿数2 齿面接触强度设计1）确定公式中个计算数值试选载荷系数 =1.3。计算小齿轮传递的扭矩 由机械设计 表10-7圆柱齿轮的齿宽系数 选取齿宽系数 =0.4。由机械设计 表10-6弹性影响系数查得材料的弹性影响系数。 由机械设计 图10-21d齿轮的接触疲劳强度极限 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳强度极限。

29、计算疲劳寿命h。由机械设计 图10-19接触疲劳寿命系数 查得接触疲劳寿命系数 ，。 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1,由此得： 2）计算试算小齿轮分度圆直径，代人中较小的值计算圆周速度v计算齿宽b0.463.13mm =25.2mm计算齿宽和齿高之比b/h:法向模数 齿高 b/h=19.82/6.75=3.73计算载荷系数根据v=3.94m/s,7级精度，由机械设计 图10-8动载系数图 查得动载系数 直齿轮，假设 100N/mm。由机械设计 表10-3查得 。由机械设计 表10-2查得使用系数 。 由机械设计 表10-4查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时：由b/h

30、=3.73， ，查机械设计图10-13得 故载荷数 。按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，由式机械设计（10-10a）得： 计算模数 。3 按齿根弯曲强度设计由机械设计 式（10-5）的弯曲强度设计公式1）确定公式中的各计算数值由机械设计图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度是 大齿轮的弯曲疲劳强度是 。由机械设计 图10-18查得弯曲疲劳强度寿命系数 ，。计算弯曲许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-1）得： 计算载荷系数K查取齿形系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。查取应力校正系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。计算大小齿轮的并加以比较：比较可知大齿轮的数值比较大。2)

31、设计计算对比计算结果，又因为齿轮模数m主要取决于弯曲强度，因而m=3mm，分度圆直径=79.41mm,算出小齿轮齿数。则大齿轮齿数，则。4 几何尺寸的计算1）分度圆直径d的计算2）中心距a的计算3）齿厚b的计算5 验算所以此齿轮设计合理。6 的齿轮设计齿轮的材料都为45钢，调质处理。由 i=1,a=168,且m=3, 则 ，取B=25mm。 传动系统图如图3-1：图3.1 传动系统图 当电机转速最高和最低时候主轴箱各轴转速图如下：图3-2 传动系统转速图3.2 轴的设计3.2.1 轴的初步设计 材料的选择:45钢，调制处理到HB=220-250HBS,5级精度.因而可由以下公式进行设计：所以最

32、小可取30mm。当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，当轴截面上开有一个键槽时，应增大3；有两个键槽时，应增大7。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大57%；有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。3.2.2 I轴的校核通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度较核计算。其中轴的结构如下图3-3轴结构简图图3-3轴结构简图轴上力的计算步骤如下：1）轴上各个方向力的计算轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将

33、轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图来确定。由以上的计算过程可得， 。根据3.1.1 带传动的设计的计算可知，带轮作用到轴上的压轴力FP=1017N，其力的方向如图3-1轴的载荷分析图，且可计算作用到齿轮上的圆周力和径向力如下： 现在从轴受力方向进行力的计算，其中力的方向如图3-1轴的载荷分析图，而轴上的力的计算如下：沿圆周方向： 在竖直截面方向： 2）根据力学图，分别按在横截面方向和在竖直截面方向计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上

34、的弯矩MH和垂直面上的弯矩MV，然后按下式计算总弯矩并作出M图；根据力学关系与受力性质可知弯矩。根据图可得： ；则。3）作载荷分部图如图3-2轴的载荷分析图4）较核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面作弯扭合成强度较核计算。按第三强度理论，计算应力。通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转去、切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。齿轮上的扭矩是脉动的，所以去。对直径为d的圆

35、轴，弯曲应力，扭转切应力，将和代入式中，则轴的弯扭合成强度条件为式中： 轴的计算应力，单位为MPa; M轴所受的弯矩，单位为Nmm; T轴所受的扭矩，单位为Nmm; W轴的抗弯截面系数，单位为 对称循环变应力的轴的许用弯曲应力。上式中，所以；查表得到=所以轴的设计合理。图3-4 轴的载荷分析图3.3 主轴的设计3.3.1 主轴的设计主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径；主轴内孔径；主轴悬伸量和主轴支承跨距，见图3.5。图3.5主轴主要参数示意图 （1） 主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前轴颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的

36、轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径受到轴承值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈直径按主电动机功率来确定，由现代数控机床结构设计查得。由于装配需要，主轴的直径总是由前轴颈向后缓慢地逐段减小的。在确定前轴径后，可知前轴颈直径和后轴颈直径有如下关系：（2） 主轴内孔直径的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。由经

37、验得知，当时（是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而当时，内孔对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径的极限值为：此时，刚度削弱小于。按照任务书的要求及综合各轴段直径的实际大小，确定内孔直径。（3） 主轴端部形状的选择机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化。图3.6所示为铣床主轴的轴端形式，其尺寸大小按照JB2324-78进行加工，选择主轴序号为50的主轴端部尺寸。图3.6 铣床主轴的轴端形式（4） 主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（

38、一般即为前径向支承中点）的距离。它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸、前支承的轴承配置和密封装置等，有的还与机床其他结构参数有关，如工作台的行程等，因此主要由结构设计确定。悬伸量值对主轴部件的刚度和抗振性具有较大的影响。因此，确定悬伸量的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减值。（5） 主轴支承跨距的确定支承跨距是指主轴相邻两支承反力作用点之间的距离。跨距是决定主轴系统动、静刚度的重要影响因素。合理确定支承跨距，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。最优跨距是指在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小时的跨距。其推导公式是在静态力作用下进行的。实验证明，动态作用下最

39、优跨距很接近于推得的最优值。最优跨距可按下列公式计算： （3.2）式中： （3.3） （3.4）式中： 主轴前端悬伸长，单位为； 材料的弹性模量，单位为； 轴惯性矩，单位为； 前轴承刚度值，单位为； 后轴承刚度值，单位为。按上式计算最优跨距，计算过程如下： （3.5）式中： 主轴跨距部分的平均直径，单位为； 主轴跨距部分的平均孔颈，单位为。由式（3.5）得：；， ；由主轴材料为40Cr查得材料的弹性模量；由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长将上述参数值代入公式(3.3)(3.4)，得，将，值代入公式（3.2），得按照结构设计的要求，取。由于，故满足设计要求。3.3.2 主轴受力分析轴所受的载荷是

40、从轴上零件传来的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。(a)(b)(c)图3.7 轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示3.7a为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图3.7b）和水平面（图3.7c）两个平面力系。由公式（3.1）得出切向铣削力径向负荷切向负荷 轴向负荷图3.8 静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示3.8为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求。利用叠加

41、法，得挠度为： （3.6）式中： 径向（切向）负荷分力，单位为； 径向（切向）负荷，单位为； 材料的弹性模量，； 轴惯性矩，。由公式（3.5）得。将，代入公式（3.6），则铅垂面的挠度为：得得得将，代入公式（3.6），则水平面的挠度为：得得得(a)机构草图(b)受力简图(c)水平面受力(d)水平面弯矩图(e)垂直面受力(f)垂直面弯矩图(g)合成弯矩图(h)转矩图图3.9 轴的结构和载荷图A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：轴的受力简图、水平面及垂直面受力简图见图3.9b、c、e。A-B段弯矩：

42、水平面：垂直面：合成：B-C段弯矩：水平面：垂直面：合成：C-D段弯矩：水平面：垂直面：合成：D-E段弯矩：水平面：垂直面：合成：轴的水平面、垂直面及合成弯矩图见图3.9d、f、g。轴的转矩图见图3.9h。3.3.3 主轴的强度校核从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面C、D处承受了较大的弯矩，并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算。轴的弯扭合成强度条件为 （3.7）式中： 轴的计算应力，； 轴的抗弯截面系数，； 折合系数； 轴的许用弯曲应力，； 轴所受的扭矩，单位为； 轴所受的弯矩，单位为。轴的抗弯截面系数为式中： 轴颈处直

43、径，单位为； ，此处，为轴孔直径。得根据主轴材料为，由工程力学查得许用弯曲应力。按扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数。将上述参数代入公式（3.7），则轴的计算应力为因为，所以主轴的强度符合要求。3.3.4 主轴的刚度校核轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 （3.8）式中： 轴的计算挠度，单位为； 轴惯性量，单位为； 轴所用材料的弹性模量，单位为； 支承跨度，单位为； 轴所受圆周力，单位为； 轴所受径向力，单位为。 轴的允许挠度，单位为已知：，。

44、由工程力学查得轴的允许挠度为将上述参数代入公式（3.8），则轴的计算刚度为由于，所以轴能够满足刚度要求。综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。 第4章 控制系统设计数控机床一般要求能够正确无误的驱动步进电机和运用开关来实现整台机器的各种控制，譬如能实现机器的自动起动和自动停止，自动换当以及能够自动的对轴的运动状态进行检测等等功能。而本数控升降台铣床主要要求实现的功能是通过控制系统能很好的驱动步进电机，也就是能够具体的实现步进的随时停和运动的功能，还有也就是能够通过控制系统实现自动换当的功能。控制系统可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品作为数控装置，还可以由设计人员对其进行配套的专业设计。

45、一般如果机器对于控制系统部分要求非常严格的话，这时就要求专业的自动控制人员对其进行专业的设计，而本方案只要求实现的是开控制系统，只要求能够驱动步进电机和实现变频电机的调速以及键盘显示和对汽缸进行简单的运动和停止控制即可，因而不是很复杂的电路设计，可以套用典型电路控制，也可以进行简单的各部分控制即可实现。由于单片机具有体积小、可靠性高、控制功能强的优点，而本台机器要求的存储空间不是很大，控制也相当的简单明了，MCS-51单片机相对u，n sp 单片机来说，其价格廉价，而且也能实现上述要求，电路结构也不复杂，性能控制也非常优秀，故本台机器的的现场控制采用MCS-51单片机来实现控制。4.1控制系统

46、总体设计 单片几控制系统是由软件和硬件共同组成的。对于某些既可用用硬件实现、又可用软件实现的功能，在进行设计时主要充分考虑硬件和软件的特点，合理地分配与协调起功能。软件可以减少硬件的数量，提高系统的可靠性，增加系统控制的灵活性。但是系统的工作速度要相应降低，而且软件初次研制成本较高，因此它适用于大批生产。硬件可以减轻软件设计工作量，增加系统的快速性。但因连接点数增加而是故障点增多，不可靠因素也随之增多，并且使单台成本增加。如下图系统结构总图4-1：图4-1 控制系统机构总框图4.2硬件设计 硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系

47、统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU。（2）总线 包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3）存贮器 包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM）。（4）I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。其电路图如下图4-2控制电路图：图4-2控制电路图4.3软件设计软件设计采用模块化程序结构，

48、主要由主程序、控制算法子程序、系统初始化程序、升降频控制程序、显示键盘子程序等组成。如图4-3 主程序流程图主 程 序显示子程序有键按下？系统初始化主电路V、I检测正常调动处理子程序启动键？调动处理子程序YNNN正常运行Y转速测量及PID调节运算处理子程序变速运行？停车？调动处理子程序变速处理子程序停车处理及显示Y图4-3 主程序流程图4.3.1 步进电机的控制原理步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。步进电机是手脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，已防止电源串路。具体控制电路如图4-2控制

49、电路图所示。4.3.2 变频电机的相关控制对于变频电机而言，主要是实现其相应速度的控制，也就是通过单片机输出的脉冲来控制变频电机的输出转速，实现机床主轴的无极变速。单片机中，通过对整流电路、逆变器电路、PWM模块、门极可关断可控硅（GTO）驱动电路、检测保护电路和转速测量电路，对变频电机加以变速控制和安全保护，从而能使变频电机的正常工作。电路图如图4-2控制电路图所示。4.3.3 译码法寻址由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译码器组成译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干块，其输出作为存贮器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存贮

50、器空间，又避免了空间分散的缺点，还可以减少I/O口线。本数控机床采用74LS138地址译码器如4.3.4 键盘显示器接口键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用8255作为并行接口使用。8255的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信号控制实现分时信息传递。4.3.5 程序存储器（EEPROM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控，所以数控系统需要有程序存储器，放置监控程序。本数控机床选用EEPROM （容量为8K）。4.2.6 数据存储器（RAM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工

51、程序的调试，所以数控系统需要有随机 储器，放置调试程序。本数控机床选用静态RAM6264（容量为8K）。结论 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。但是在这些数控机床中，大都处于单机运行状态，并且相当一部分处于效率不高，加工不精密的状态。 在本次设计中，在参考国内外同类机床产品结构的下，完成了主传动系统的动力参数设计和结构设计，合理

52、布置了各轴空间位置，并绘制了主轴箱主传动系统图，而且主轴转速由普通数控机床单一转速设计为两级变速，使其满足不同材料的表面对其加工的要求。本项目的研究，有利于改善加工中心的性能，使得产品的加工更加高效，更加精密。致 谢 本论文是在xxx老师的悉心指导下完成的。陈老师作为一名优秀的、经验丰富的教授，具有丰富的知识和经验，在整个论文实验和论文写作过程中，对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的实验习惯和科研精神。在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！在论文即将完成之际，

53、我的心情久久无法平静，从开始选题到顺利论文完成，有不知多少多少可敬的师长、同学、朋友给了我无数的帮助。感谢学校在过去的四年里为我提供的良好的学习环境和氛围，感谢学校在我学习期间曾给予的各种资助和奖励，这些都为我能正常完成学业提供了莫大帮助；感谢曾给我授课的所有老师们，没有他们的细心教导，我就不可能具备现在的专业素养和能力。感谢我的家人和与我四年相依相伴的同学们，他们的支持与情感，是我永远的财富。感谢文中所引用文献的所有作者们、所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们！正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个困难、解明疑惑，直至本文顺利完成，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1 张新义主编. 经济型数控机床M. 北京：机械工业出版社，1993.102 徐溥滋，张舒勃主编.专用机床设计与制造M.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.12 3 濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版) M.北京:高等教育出版社,2006.54 戴曙主编.金属切削机床设计M.北京：机械工业出版社，1983.45 北京航空学院机械加工教研室编.数控机床的结构与传动M.北京；国防工业出版社.1977.96 吴祖育等编著. 数控机床M. 上海：上海科学技术出版社，1989.57 张新义主编.经济型数控机床系统设计M.北京：机械工业出版社.20