3325 輕型龍門銑床XKQ2010×30設計,輕型,龍門,銑床,xkq2010,30,設計 本科畢業(yè)設計（論文）輕型龍門銑床 XKQ2010×30 設計學院（系）： 機械工程學院 專 業(yè)： 機制 學生 姓名： 學 號：0XX5 指導 教師： 答辯 日期： 2010.6.24 XX 大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院：機械工程學院 系級教學單位：機械制造工程系 學號 XX5學生姓名專 業(yè)班 級 機制 06-1題目名稱 輕型龍門銑床 XKQ2010×30 設計題目類型 工程設計題目性質 真實題目題目來源 自選主要內容1. 方案設計（工藝分析、工作原理、經(jīng)濟技術分析）;2. 龍門架，主軸箱、工作臺部件設計;3. 動力及其控制系統(tǒng)原始參數(shù)與目標參數(shù)：最大加工尺寸 3000×1200×1200 (毫米); 工作臺最大荷重 2 噸,主軸箱 3 個,回轉角度垂直±30o 水平+30o -15o?；疽? 機器總裝配圖、部件裝配圖 不少于 A0 3 張? 典型零件圖 A3 1 張? 主電控系統(tǒng)圖 A1 1 張? 設計說明書 1 份，設計說明書 2 萬字以上，分析、計算準確詳盡，格式符合“畢業(yè)設計撰寫規(guī)范” ? 參考文獻（不包括教科書）15 篇以上，含一篇外文文獻并譯成中文（5 千字）參考資料? 原始資料教師提供? 《機械設計手冊》 、 《機床設計手冊》 、 《機床設計圖冊》等? 自查科技論文周次 1—4 周 5—8 周 9—12 周 13—16 周 17 周應完成的內容調研、查資料、方案設計、完成開題報告總體設計（草圖） 、部件設計（草圖） 、所有分析與計算總圖、部件圖繪制。控制系統(tǒng)設計、典型零件圖繪制、譯文、設計說明編制設計評審，答辯準備指導教師：李金良職稱：教授2010 年 2 月 28日系級教學單位審批：年 月 日燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）I摘 要從研究數(shù)控龍門銑床著手，借鑒國內外先進經(jīng)驗，設計了一臺用于板材及多種工件加工的數(shù)控龍門銑床，滿足了生產(chǎn)和設計的要求。整個龍門銑床主要包括橫縱向進給機構、立柱、橫梁、底座、工作臺等主要組部件。其中所有進給機構均采用滾珠絲杠進行傳動，并由伺服電機進行驅動。主軸箱安裝在龍門架上，運用類比法自行設計了滾珠絲杠螺母副的制動裝置。全面闡述了數(shù)控龍門銑床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控龍門銑床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數(shù)。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。關鍵詞 龍門銑床 數(shù)控 伺服電機 滾珠絲杠摘要IIAbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Keywords　 planer type milling machine Board Numerical control Step-by-steps the electrical machinery Ball bearing guide screw nut III目 錄摘 要 .....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II第 1 章 緒論 .......................................................................................................11.1 背景 .......................................................................................................11.2 數(shù)控技術的應用與發(fā)展 .......................................................................11.2.2 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 ...................................................................21.3 數(shù)控機床的分類 ...................................................................................21.3.1 按工藝用途分類 ...........................................................................31.3.2 按運動方式分類 ...........................................................................31.3.3 按控制方式分類 ...........................................................................31.4 經(jīng)濟型數(shù)控機床 ...................................................................................41.4.1 經(jīng)濟型數(shù)控機床的概念 ...............................................................41.4.2 經(jīng)濟型數(shù)控機床的分類 ...............................................................41.4.3 經(jīng)濟型數(shù)控機床的特點 ...............................................................51.5 數(shù)控機床的組成及工作原理 ...............................................................51.5.1 數(shù)控機床的組成 ...........................................................................51.5 本章小節(jié) ...............................................................................................8第 2 章 數(shù)控龍門銑床總體方案設計 .................................................................82.1 機床的設計要求 ...................................................................................82.2 設計方案 ...............................................................................................82.3 本章小節(jié) .............................................................................................11第 3 章 機床主軸箱的設計 ...............................................................................123.1 主軸箱的設計要求 .............................................................................123.2 主傳動系統(tǒng)的設計 ..............................................................................123.2.1 主傳動功率 .................................................................................123.2.2 驅動源的選擇 .............................................................................133.2.3 轉速圖的擬定 .............................................................................133.2.4 傳動軸的估算 ..............................................................................153.2.5 齒輪模數(shù)的估算 ..........................................................................17IV3.3 主軸箱展開圖的設計 ..........................................................................183.3.1 設計的內容和步驟 ......................................................................183.3.2 有關零部件結構和尺寸的確定 .................................................183.3.3 各軸結構的設計 .........................................................................213.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計算 .........................................223.4 零件的校核 ........................................................................................233.4.1 齒輪強度校核 ..............................................................................233.5 本章小節(jié) .............................................................................................25第 4 章 進給伺服系統(tǒng)設計 ...............................................................................264.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 .............................................................264.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 ..................................................................274.3 滾珠絲杠的選擇 ..................................................................................274.3.1 滾珠絲杠副的導程 ................................................................28hP4.4 同步齒形帶的選擇 ..............................................................................304.5 伺服電機的選擇 ..................................................................................304.6 滾珠絲杠副的安全使用 .....................................................................314.6.1 潤滑 .............................................................................................314.6.2 防塵 .............................................................................................314.6.3 使用 ..............................................................................................324.6.4 安裝 .............................................................................................324.7 伺服進給系統(tǒng)結構圖的設計 .............................................................324.8 本章小 節(jié) .............................................................................................34第 5 章 床身、橫梁導軌和工作臺 ...................................................................355.1 床身結構 .............................................................................................355.1.1 對床身結構的基本要求 .............................................................355.1.2 床身的結構 .................................................................................365.2 導軌 .....................................................................................................385.2.1 導軌的潤滑與防護 .....................................................................385.2.2 導軌的安裝調整 .........................................................................395.3 工作臺 .................................................................................................395.4 本章小節(jié) .............................................................................................39結論 .....................................................................................................................39 V參考文獻 .............................................................................................................40致謝 .....................................................................................................................41附錄 1..................................................................................................................42附錄 2..................................................................................................................48附錄 3..................................................................................................................541第 1 章 緒論1.1 背景二十世紀中期以來，由于航空和航天技術的快捷發(fā)展，對于各種飛行器的加工提出更好更快的要求。這些零件形狀大都相當復雜，材料多為難加工的合金，用傳統(tǒng)的機床和工藝方法進行加工，不能保證精度，也很難提高生產(chǎn)效率，隨著計算機的發(fā)明和發(fā)展，是數(shù)控機床的設想成為現(xiàn)實，且已經(jīng)或即將成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)過程的基本環(huán)節(jié)。也就是說，結合現(xiàn)實的生產(chǎn)實際，根據(jù)我國的國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質量、降低廢品率、提高加工精度、節(jié)約工裝費用、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、減輕工人的勞動強度，以致使企業(yè)取得最好的技術經(jīng)濟效果，在這種總的前提和要求下，就必須使機械加工自動化，適應于生產(chǎn)對象經(jīng)常改變的情況，并且具有較好的通用性，較大的柔性。因此經(jīng)濟性數(shù)控機床就這樣被設計并被廣泛的應用在現(xiàn)代化生產(chǎn)當中。1.2 數(shù)控技術的應用與發(fā)展隨著社會生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，機械加工產(chǎn)品的形狀和結構不斷改進，對加工質量的要求越來越高。由于產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，目前在一般機械加工中單件、小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品約占 70%-80%。為了保證產(chǎn)品的質量，提高生產(chǎn)效率和降低成本，要求機床不僅具有較好的通用性和靈活性，而且加工過程要盡可能實現(xiàn)自動化。數(shù)控技術就是在這種條件下發(fā)展起來的，適用于精度高、零件形狀復雜的單價及小批量生產(chǎn)，以數(shù)字形式實現(xiàn)控制的一門技術。1.2.1 數(shù)控技術領域與計算機應用的特點 1.2.1.1數(shù)控的技術領域 數(shù)控就是以數(shù)字程序的形式實現(xiàn)控制的一門技術，它是隨著電子計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的，綜合了各技術領域里的新成就，具有廣泛的通用性，是高自動化程度的工業(yè)自動控制技術?，F(xiàn)代數(shù)控技術所涉及到的技術領域學科很多，范圍較廣，除機械技術本體之外，還有以燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）2下關鍵技術：1.計算機及接口技術 2.自動控制技術3.傳感器技術4.信息技術數(shù)控技術首先在機床行業(yè)獲得廣泛應用，現(xiàn)在已有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控加工中心及數(shù)控線切割機床等。 1.2.1.2 數(shù)控技術中計算機技術應用的特點 計算機數(shù)控多以通用的小型或微型計算機為核心，在增加適當?shù)慕涌陔娐芳巴鈬O備，來代替數(shù)控柜中的專用計算裝置。 計算機數(shù)控系統(tǒng)有以下特點1.靈活性強2.通用性好3.可靠性高4.易于實現(xiàn)多功能、高復雜程度的控制5.使用維修方便6.具有通信功能1.2.2 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢從數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展來看，數(shù)控機床已發(fā)展了五代在實際應用中，除了機床行業(yè)之外，數(shù)控技術還應用在其他部門，產(chǎn)生了各種數(shù)控設備。例如：數(shù)控繪圖機、數(shù)控繞線機、數(shù)控測量機等。隨著數(shù)控技術向其他行業(yè)的推廣，計算機技術、成組技術及系統(tǒng)等技術在各工業(yè)部門的應用，推動了機械工業(yè)從傳統(tǒng)的概念和方法中解脫出來，向著綜合自動化的方向變革。在產(chǎn)品設計方面，采用計算機輔助設計（CAD）技術，可以提高設計質量，縮短設計周期，發(fā)現(xiàn)和修正設計中的錯誤。在加工制造方面，采用計算機輔助制造技術（CAM） ，使計算機參與從零件材料選擇到加工和裝配檢驗直至成品出庫的整個過程。1.3 數(shù)控機床的分類31.3.1 按工藝用途分類（1）一般數(shù)控機床這類機床和傳統(tǒng)的通用機床品種一樣，其工藝可能性和通用機床相似，且能加工復雜形狀零件。（2）數(shù)控加工中心機床它是在一般數(shù)控機床上加裝一個刀庫和自動換刀裝置而構成的一種帶自動換刀裝置的數(shù)控機床。其主要來加工箱體零件。（3）多坐標數(shù)控機床其特點是數(shù)控裝置的軸數(shù)較多，機床結構也比較復雜。（4）計算機群控它也稱為直接數(shù)控系統(tǒng)，是一臺大型通用計算機直接控制一群數(shù)控機床的系統(tǒng)。1.3.2 按運動方式分類（1）點位控制數(shù)控機床這類機床的數(shù)控裝置只能控制機床移動部件從一個位置（點）精確的移動到另一個位置（點） ，在移動過程中不進行任何切削加工。（2）點位直線控制數(shù)控機床這類機床工作時，不僅要控制兩相關點之間的位置，還要控制兩相關點之間的移動速度和路線。（3）輪廓控制數(shù)控機床這種機床的控制裝置能夠同時對兩個或兩個以上坐標軸進行連續(xù)控制。加工時不僅要控制起點和終點，還要控制整個過程中每點的速度和位置。1.3.3 按控制方式分類（1）.開環(huán)控制數(shù)控機床在開環(huán)控制中，機床沒有檢測反饋裝置，如圖 1-1，數(shù)控裝置發(fā)出信號的流程是單向的，所以不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，故機床加工精度不高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）4圖 1-1 開環(huán)控制示意圖這種機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試方便，維修簡單，其控制精度受到限制。它適用于一般要求的中、小型數(shù)控機床。（2）.半閉環(huán)控制控制數(shù)控機床這種控制方式對工作臺的實際位置不進行檢查測量。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調試比閉環(huán)方便。（3）.閉環(huán)控制數(shù)控機床這類機床的優(yōu)點是精度高、速度快，但是調試和維修比較復雜。（4）.混合控制機床它集中了上述三種控制方式的特點。1.4 經(jīng)濟型數(shù)控機床1.4.1 經(jīng)濟型數(shù)控機床的概念所謂經(jīng)濟型數(shù)控機床就是指價格低廉，操作使用方便，適合我國國情的裝有數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機床。1.4.2 經(jīng)濟型數(shù)控機床的分類以驅動和定位方式劃分，經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)可分為以下三類：（1）.步進電機式采用步進電機驅動與定位，是開環(huán)系統(tǒng)，不采用其他措施進行補償位置誤差。其力矩不太大，所以機床行程速度較低?？杉庸ゅF面、螺紋、簡單外形的曲面等，十分靈活。由于性能價格比合適，所以被廣泛采用。5（2）.交流點位式它采用交流電機變頻驅動，用光柵數(shù)字點位控制。它可提高精度。但只能加工柱面，且成本高，其性能價格比下降。（3）.半閉環(huán)連續(xù)控制式它采用了高性能直流伺服電機驅動，扭矩大，速度高，承載能力強，可進行強力切削，但造價太高不經(jīng)濟，不適用于中小企業(yè)。1.4.3 經(jīng)濟型數(shù)控機床的特點經(jīng)濟型數(shù)控機床有以下特點：1．價格便宜，其性能價格比適中。2．適用于多品種，中小批量產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，對產(chǎn)品的適應性強。3．提高產(chǎn)品質量，降低廢品損失。4．能解決復雜零件的加工精度控制問題。5．節(jié)約大量工裝費用，降低生產(chǎn)成本。6．減輕工人的勞動強度。7．提高工人素質，促進技術進步。8．增強了企業(yè)應變能力，為提高企業(yè)競爭能了創(chuàng)造了條件。1.5 數(shù)控機床的組成及工作原理1.5.1 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床一般由控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床主機組成，如圖 1-2：1．控制介質控制介質是存貯數(shù)控加工所需要的全部動作和刀具相對于工作位置信息的媒介物，它記載著加工零件的加工程序。常用的有穿孔帶、穿孔卡片、磁帶和磁盤等。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）6圖 1-2 數(shù)控機床的組成2．數(shù)控裝置它是數(shù)控機床的核心。先導數(shù)控機床都采用計算機數(shù)控裝置，既CNC(computerized numerial control)裝置。他能完成信息輸入、存儲、變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。3．伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)世界手術控裝置的指令，驅動機床執(zhí)行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。4．測量反饋裝置該裝置由檢測元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋出來，構成閉環(huán)控制。5．機床主機主機是數(shù)控機床的主體，包括床身、主軸、進給機構等機械部件。1.5.2 數(shù)控機床的工作原理當機床進行加工零件時，對加工要求零件尺寸及其參數(shù)，加工步驟等專用代碼化的數(shù)字表示，通過控制介質，輸入到控制裝置，經(jīng)微機處理后，發(fā)出控制與運算的信息，在由伺服系統(tǒng)把脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，從而實現(xiàn)加工需要。數(shù)控裝置的基本組成框圖如圖 1-3：7圖 1-3 數(shù)控裝置的基本組成 程序編制的一般步驟：圖 1-4 表示的零件圖到成品的全過程，虛線框圖中即為程序編制的內容及步驟。圖 1-4 零件圖到成品的全過程7 位坐標軸或執(zhí)行機構的測量裝置，用于對坐標軸（或工作臺）實際位置的測量，并反反饋到控制系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，形成全封閉控制。后者用以對驅動電機軸位置檢測并反饋到數(shù)控系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)形成半閉環(huán)控制若不需要檢測裝置到形成開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，變速扭矩小，一半用于傾覆在變化不太大或經(jīng)濟型數(shù)控機床上。全閉環(huán)系統(tǒng)適用于具有傳動部件精度高，性能穩(wěn)定，使用過程溫度差燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）8變化不大的高精度數(shù)控機床。1.5 本章小節(jié)本章主要講述了數(shù)控技術的發(fā)展趨勢以及數(shù)控機床的相關知識，包括數(shù)控機床的類型，其組成部分和工作原理，著重講解了其控制原理。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）8第 2 章 數(shù)控龍門銑床總體方案設計數(shù)控機床的總體設計方案由以下三部分組成： 1.技術參數(shù)設計：主要尺寸規(guī)格、運動參數(shù)（轉速和進給范圍)、動力參數(shù)（電機功率，最大拉力） 。2.總體布局設計：相互位置關系、運動分析、運動仿真（干涉檢查） 、外觀造型。3.結構優(yōu)化設計：整機靜剛度、整機的運動性能、整機的熱特性。總布局與使用要求：1.便于同時操作和觀察。2.刀具、工件，裝卸、夾緊方便。 3.排屑和冷卻。2.1 機床的設計要求本機床的設計，符合國家機床標準。已定設計參數(shù)： 工作臺：3000×1200mm工作臺最大荷重 2t高速高效，結構簡單可靠，功能強大，性能穩(wěn)定，精度較高，可用于銑削板材以及多種工件等。2.2 設計方案我設計的主要內容是工作臺移動數(shù)控龍門銑床。工作臺數(shù)控龍門銑床是指工作臺作縱向移動的龍門銑床。工作臺移動龍門銑床的最大特點是：（1）造價便宜,容易制造生產(chǎn)。工作臺移動式龍門銑床，整機長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動式龍門銑床的整機長度只需縱向行程加上龍門架側面寬度即可。 （2）機床的動態(tài)響應好。工作臺移動式龍門銑床采用的是固定龍門架,工作臺移動可以銑刀做切削運動時更加穩(wěn)定，從而保證了加工精度和機床的響應性能。第 2 章 數(shù)控龍門銑床總體方案設計 91、機械部分設計整機分為床身、龍門架、滑臺、主軸箱、三軸進給驅動機構機械部分及相關數(shù)控伺服部分?，F(xiàn)把設計過程中的重點闡述如下：床身是本次設計工作的基礎，床身的尺寸設計影響著對整機的設計，而且設計的合理性直接影響到整機的剛度。床身的上平面即工作臺面設計有 K 條T形槽，為方便床身工作臺面和T形槽的精刨加工，槽完全貫通。床身的左、右兩下腳各設計有一個狹長平面，用來安放滾動直線導軌副。我把導軌面設計在床身的兩下側，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設計可使龍門框架的重力直接傳入到機床的基礎上，而床身只受到工件的重力。龍門框架采用的是整體龍門架的設計概念，即把橫梁與左右立柱設計成一體，雖然使鑄造和裝配調整時的難度加大，但整體龍門框架的剛性更好，更重要的是使主軸箱、滑臺等部件有了裝配基準?；_的設計是在龍門架和主軸箱的幾何尺寸確定后，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導軌面為原則，并把Z軸驅動安裝位置設計在滑臺上，有效地減輕滑臺的重量。設計進給驅動機構的構思如下：X 軸的進給驅動機構采用雙邊齒輪齒條副加重預壓滾動直線導軌副，Y 軸與 X 軸采用大直徑預壓滾珠絲杠副加硬導軌副，且導軌滑動部分貼有工程塑料，避免低速時產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導軌部分設計有斜鑲條可調裝置。這樣設計使機床的整體進給性能得以協(xié)調，各軸的進給速度和進給力得到了最佳匹配。主軸箱的上下垂直運動Z軸采用滾珠絲杠副傳動。由于本機床不是高速銑床，Z軸的進給系統(tǒng)為伺服電動機通過傳動比為4的平行軸定比齒輪箱帶動滾珠絲杠旋轉。Z 軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次在滾珠絲杠上裝有一雙向超越離合器，防止?jié)L珠螺母自轉引起主軸箱機械式下垂。當然，為了保護Z軸進給機構的精度，還在滑臺上裝有兩個平衡油缸。平衡力Q等于主軸箱部件質量的85﹪。主軸箱的左右移動為Y軸，為了保證Y軸的傳動精度，并使絲杠只受水燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）10平軸向力，故采用伺服電動機與滾珠絲杠直聯(lián)方式。筆者選用的聯(lián)軸器帶有過載保護裝置，在過載時聯(lián)軸器會自動脫開。2、數(shù)控系統(tǒng)選型數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子 4-05，因為此系統(tǒng)提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機床可以對龍門框架進給軸（X1 ， X2）實現(xiàn)無機械偏差的位移。運動的實際值可進行連續(xù)比較，即使最小的偏差也可以得到糾正，因此提高了軸的運動精度。圖 1-1 數(shù)控龍門銑床總裝圖（主視圖）第 2 章 數(shù)控龍門銑床總體方案設計 11圖 2-2 數(shù)控龍門銑床總裝圖（右視圖）2.3 本章小節(jié)本章主要講解了數(shù)控龍門銑床的總理方案設計，其主要內容有機械部分的設計和數(shù)控部分設計，根據(jù)所給要求制定出總體設計方案。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）12第 3 章 機床主軸箱的設計3.1 主軸箱的設計要求1. 具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無級調速。2. 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 3. 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。3.2 主傳動系統(tǒng)的設計3.2.1 主傳動功率 機床主傳動的功率 P 可由下式來確定：cP??式中 －機床主傳動的功率 －切削功率 c－主傳動鏈的總效率 數(shù)控機床的加工范圍一般都比較大， 可根據(jù)有代表性的加工情況，cp由下式確定： )(650/60/ KWnMvFPzc??式中 －主切削力的切向力（N） z－切削速度（m/min） v－切削扭矩 （N/cm ） M－主軸轉速 （r/min）n主傳動的總效率一般可取為 ＝0.70～0.85，數(shù)控機床的主傳動多用?調速電機和有限的機械變速來實現(xiàn)，傳動鏈比較短，因此，效率可以取較 第 3 章 機床主軸箱的設計 13大值。主傳動中各傳動件的尺寸都是根據(jù)其傳動的功率確定的，如果傳動效率定的過大，將使傳動件的尺寸笨重而造成浪費，電動機常在低負荷下工作，功率因數(shù)太小從而浪費能源。如果功率定的過小，將限制機床的切削加工能力而降低生產(chǎn)率。因此，要較準確合適的選用傳動功率。3.2.2 驅動源的選擇 機床上常用的無級變速機構是直流或交流調速電動機，直流電動機從額定轉速 nd 向上至最高轉速 nmax 是調節(jié)磁場電流的方法來調速的，屬于恒功率，從額定轉速 nd 向下至最低轉速 nmin 是調節(jié)電樞電壓的方法來調速的，屬于恒轉矩；交流調速電動機是靠調節(jié)供電頻率的方法調速。由于交流調速電動機的體積小，轉動慣量小，動態(tài)響應快，沒有電刷，能達到的最高轉速比同功率的直流調速電動機高，磨損和故障也少，所以在中小功率領域，交流調速電動機占有較大的優(yōu)勢，鑒于此，本設計選用交流調速電動機。 根據(jù)主軸要求的最高轉速 4500r/min，最大切削功率 5.5KW,選擇北京數(shù)控設備廠的 BESK-8 型交流主軸電動機，最高轉速是 4500 r/min。3.2.3 轉速圖的擬定根據(jù)交流主軸電動機的最高轉速和基本轉速可以求得交流主軸電動機的恒功率轉速范圍Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1）而主軸要求的恒功率轉速范圍 Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,遠大于交流主軸電動機所能提供的恒功率轉速范圍，所以必須串聯(lián)變速機構的方法來擴大其恒功率轉速范圍。設計變速箱時，考慮到機床結構的復雜程度，運轉的平穩(wěn)性等因素，取變速箱的公比 Фf 等于交流主軸電動機的恒功率調速范圍 Rdp，即Фf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合的。變速箱的變速級數(shù):燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）14Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2)取 Z=3 確定各齒輪副的齒數(shù)：取 S=114由 u=2 得 Z1=38 Z1′=76由 u=0.67 得 Z2=68 Z2′=46由 u=0.22 得 Z3=94 Z3′=20如取總效率 η=0.75，則電動機功率 P=5.5/0.75=7.3kw。可選用北京數(shù)控設備廠的 BESK-8 型交流主軸電動機，連續(xù)額定輸出功率為 7.5kw。由此擬定主傳動系統(tǒng)圖、轉速圖以及主軸功率特性圖分別如圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3。圖 3-1 主傳動系統(tǒng)圖 第 3 章 機床主軸箱的設計 15圖 3-2 轉速圖 圖 3-3 主軸功率特性3.2.4 傳動軸的估算傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強度一般不是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角） 。如果剛度不夠，軸上的零件如齒輪，軸承等由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）16計算轉速 nj 是傳動件傳遞全部功率時的最低轉速，各個傳動軸上的計算轉速可以從轉速圖上直接得出如表 3-1 所示:表 3-1 各軸的計算轉速各軸功率和扭矩計算：已知一級齒輪傳動效率為 0.97（包括軸承） ，則：Ⅰ軸：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KWⅡ軸：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KWIII 軸：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KWⅠ軸扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=47.24 N.mⅡ軸扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×7.20/750=91.68N.mIII 軸扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×6.98/173=385.31N.m[φ]是每米長度上允許的扭轉角（deg/m） ，可根據(jù)傳動軸的要求選取，其選取的原則如表 3-2 所示:表 3-2 許用扭轉角選取原則軸 主軸 一般傳動軸 較低的軸[φ]（deg/m） 0.5-1 1-1.5 1.5-2根據(jù)表 2-2 確定各軸所允許的扭轉角如表 3-3 所示:表 3-3 許用扭轉角的確定軸 Ⅰ Ⅱ III[φ]（deg/m ） 1 1 1把以上確定的各軸的輸入功率 N=7.5KW、計算轉速 nj（如表 2-1） 、允許扭轉角[φ]（如表 2-3）代入扭轉剛度的估算公式(3-3)40.1[]Td??軸 Ⅰ Ⅱ III計算轉速（r/min）1500 750 173 第 3 章 機床主軸箱的設計 17可得各個傳動軸的估算直徑：Ⅰ軸： d 1=28.8mm 取 d1=30mmⅡ軸： d 2=34.0mm 取 d1=35mm主軸軸徑尺寸的確定：已知銑床最大加工直徑為 Dmax=400mm, 則：主軸前軸頸直徑 D 1=0.25Dmax±15=85～115mm 取 D1=95mm主軸后軸頸直徑 D2=(0.7～0.85)D 1=67～81mm 取 D2=75mm主軸內孔直徑 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取 d=40mm3.2.5 齒輪模數(shù)的估算按接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度計算齒輪模數(shù)比較復雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都已知方可確定，故只有在裝配草圖畫完后校驗用。在畫草圖時用經(jīng)驗公式估算，根據(jù)估算的結果然后選用標準齒輪的模數(shù)。齒輪模數(shù)的估算有兩種方法，第一種是按齒輪的彎曲疲勞進行估算，第二種是按齒輪的齒面點蝕進行估算，而這兩種方法的前提條件是各個齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個齒輪的齒數(shù)。根據(jù)齒輪不產(chǎn)生根切的基本條件：齒輪的齒數(shù)不小于 17，在該設計中，即最小齒輪的齒數(shù)不小于 17。而由于 Z3,Z3’這對齒輪有最大的傳動比，各個傳動齒輪中最小齒數(shù)的齒輪必然是 Z3’。取 Z3’=20,S=114，則 Z3=94。從轉速圖上直接看出直接可以看出 Z3 的計算轉速是 750r/min。根據(jù)齒輪彎曲疲勞估算公式 mω =2.4 (3-4)32Nznj??根據(jù)齒輪接觸疲勞強度估算公式計算得: m=2.84由于受傳動軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數(shù)為 m =3mm，對比上述結果，可知這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，而且考慮到兩傳動軸的間距，故取同一變速組中的所有齒輪的模數(shù)都為 m=3mm?，F(xiàn)將各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下：表 3-4 齒輪的估算齒數(shù)和模數(shù)列表齒輪 Z0 Z0’ Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’齒數(shù) 35 70 38 76 68 46 94 20模數(shù)（mm）3 3 3 3 3 3 3 3燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）183.3 主軸箱展開圖的設計主軸箱展開圖是反映各個零件的相互關系，結構形狀以及尺寸的圖紙。因此設計從畫展開圖開始，確定所有零件的位置，結構和尺寸，并以此為依據(jù)繪制零件工作圖。3.3.1 設計的內容和步驟這一階段的設計內容是通過繪圖設計軸的結構尺寸及選出軸承的型號，確定軸的支點距離和軸上零件力的作用點，計算軸的強度和軸承的壽命。3.3.2 有關零部件結構和尺寸的確定傳動零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其它零件的結構和尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結構而定。所以設計時先畫主要零件，后畫其它零件，先畫傳動零件的中心線和輪廓線，后畫結構細節(jié)。1）傳動軸的估算這一步在前面已經(jīng)做了計算。2）齒輪相關尺寸的計算為了確定軸的軸向距離，齒輪齒寬的確定是必須的。而容易引起振動和噪聲，一般取齒寬系數(shù) Φm =(6-10)m。這里取齒寬系數(shù) Φm=10, 則齒寬 B=Φm×m=10×3=30mm. 現(xiàn)將各個齒輪的齒厚確定如表 3-5 所示:表 3-5 各齒輪的齒厚齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′齒厚（mm）30 30 30 30 30 30齒輪的直徑?jīng)Q定了各個軸之間的尺寸，所以在畫展開圖草圖前，各個齒輪的尺寸必須算出。現(xiàn)將主軸部件中各個齒輪的尺寸計算如表 3-6 所示:表 3-6 各齒輪的直徑齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′分度圓直徑 114 228 204 138 282 60 第 3 章 機床主軸箱的設計 19（mm）齒頂圓直徑（mm）120 234 210 144 288 66 齒根圓直徑（mm）106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 Z0 Z0’105 210111 21697.5 202.5 由表 3-2 可以計算出各軸之間的距離，現(xiàn)將它們列出如表 3-7 所示:表 3-7 各軸的中心距軸 ⅠⅡ ⅡⅢ距離（mm） 160 1753）確定齒輪的軸向布置為避免同一滑移齒輪變速組內的兩對齒輪同時嚙合，兩個固定齒輪的間距，應大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙 1-2mm，所以首先設計滑移齒輪。Ⅱ軸上的滑移齒輪的兩個齒輪輪之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時，當模數(shù)在 1-2mm 范圍內時，間隙必須不小于 5mm,當模數(shù)在 2.5-4mm 范圍內時，間隙必須不小于 6mm，且應留有足夠空間滑移，據(jù)此選取該滑移齒輪三片齒輪之間的間隙分別為 d1= 45mm,d2=8mm。由滑移齒輪的厚度以及滑移齒輪上的間隙可以得出主軸上的齒輪的間隙?，F(xiàn)取齒輪之間的間距為 82mm 和 45mm。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）20圖 3-4 齒輪的軸向間距4）軸承的選擇及其配置主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號選用主要應根據(jù)主軸的剛度，承載能力，轉速，抗振性及結構要求合理的進行選定。同樣尺寸的軸承，線接觸的滾子軸承比電接觸的球軸承的剛度要高，但極限轉速要低；多個軸承的承載能力比單個軸承的承載能力要大；不同軸承承受載荷類型及大小不同；還應考慮結構要求，如中心距特別小的組合機床主軸，可采用滾針軸承。為了提高主軸組件的剛度，通常采用輕型或特輕型系列軸承，因為當軸承外徑一定時，其孔徑（即主軸軸頸）較大。通常情況下，中速重載采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承（如配推力軸承，則極限轉速低） ，或者成對圓錐滾子軸承，其結構簡單，但是極限轉速較低，如配空心圓錐滾子軸承，其極限轉速顯著提高，但成本也相應的提高了。高速輕載采用成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用 25°或 15°的接觸角。軸向載荷為主且精度要求不高時，選用推力軸承配深溝球軸承，精度要求較高時，選用向心推力軸承。該設計的主軸不僅有剛度高的要求，而且有轉速高的要求，所以在選擇主軸軸承時，剛度和速度這兩方面都要考慮。主軸前軸承采用 3182119型軸承一個，后支承采用 30215 型和 8215 型軸承各一個。 第 3 章 機床主軸箱的設計 213.3.3 各軸結構的設計I 軸的一端與電動機相連，將其結構草圖繪制如下圖 4—2 所示圖 3—5II 軸安裝滑移齒輪，其結構如草圖 3—2 所示圖 3-6III 軸其結構完全按標準確定，根據(jù)軸向的尺寸將結構簡圖繪制如下圖 4—4 所示圖 4-43.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計算：最佳跨距的確定：取彈性模量 E=2.1X ，D=（95+75）/2=85；10Pa主軸截面慣距64(4)2.810DdI m??????燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）22截面面積：A=4415.63 2m主軸最大輸出轉矩：95047.