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常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 題目： CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 二級學(xué)院（直屬學(xué)部）： 無錫技師學(xué)院 專業(yè)： 數(shù)控車 班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名： 職稱： 評閱教師姓名： 職稱： 2013 年 9 月 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 摘 要 CK6150 機床主要部件有：主軸箱、刀架、尾座、進給箱、溜板箱以及床身。本設(shè) 計主要針對 CK6150 機床的主軸箱進行設(shè)計。機床主軸箱是一個比較復(fù)雜的傳動部件。 設(shè)計的內(nèi)容主要包括確定機床的主要參數(shù)，擬定傳動方案和傳動系統(tǒng)圖，計算和校核 了主要零部件，并且利用專業(yè)制圖軟件進行了零件的設(shè)計和處理。 數(shù)控是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控加工在現(xiàn)代化生產(chǎn)中顯示出很大的優(yōu)越性。 對于現(xiàn)代制造業(yè)，數(shù)控機床非常適合那些形狀復(fù)雜、精密和批量小的零件,而一般的普 通機床根本無法滿足這個要求。現(xiàn)代的數(shù)控機床其突出的優(yōu)點是可以進行高精度加工 和多樣化加工，完全可以取代其他的加工方法。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 機械設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng) 主軸箱 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 2 Abstract CK6150machine tool major component includes: headstock, tool slide, tailstock, feedbox, apron and bed. This design mainly aims at the headstock of the CK6150 machine tool .The headstock of machine tool is a quite complex transmission part. The design content mainly includes determines the machine tools main parameter, Draws up the transmission plan and the transmission scheme, Calculated and examined the main spare part，And used specialized charting software to carry on the components design and processing. NC advanced manufacturing technology is the basis of technology. NC in the modernization of production showed great superiority. To the modern manufacturing, numerical control machine tools suitable for those who shape very complex, sophisticated and small quantities of parts, And general machine tools simply can not meet this requirement. Modern CNC machine tools highlight the advantages of high-precision processing can be carried out and diversification of processing, can replace the other processing methods. Keywords: CNC machine mechanical design CNC system main axle box 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................................................1 ABSTRACT .....................................................................................................................................................2 目 錄 ................................................................................................................................................................3 1 緒 論 ............................................................................................................................................................5 2 數(shù)控機床概況 ..............................................................................................................................................6 2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 .......................................................................................................................6 2.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 ...........................................................................................................................6 3 數(shù)控車床的簡介 ..........................................................................................................................................7 3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理 ...............................................................................................................7 3.2 數(shù)控車床的特點 ...................................................................................................................................8 3.3 數(shù)控車床的適用范圍 ...........................................................................................................................8 4 數(shù)控車床的設(shè)計 ........................................................................................................................................10 4.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法和特點 .............................................................................................................10 4.1.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法 .................................................................................................................10 4.1.2 設(shè)計方法的特點 .........................................................................................................................10 4.2 數(shù)控機床的設(shè)計步驟 .........................................................................................................................10 4.2.1 主要技術(shù)指標設(shè)計 .....................................................................................................................10 4.2.2 總體方案設(shè)計 .............................................................................................................................10 4.2.3 總體方案綜合評價與選擇 .........................................................................................................11 4.2.4 總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化 .....................................................................................................11 4.2.5 詳細設(shè)計 .....................................................................................................................................11 4.2.6 技術(shù)設(shè)計 ......................................................................................................................................11 4.2.7 施工設(shè)計 .....................................................................................................................................11 5 CK6150 數(shù)控車床主軸箱設(shè)計 ...................................................................................................................12 5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 .............................................................................................................12 5.2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 .....................................................................................................................12 5.3 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 .................................................................................................................................13 5.3.1 運動設(shè)計 .....................................................................................................................................13 5.3.2 結(jié)構(gòu)分析式 .................................................................................................................................13 5.3.3 確定轉(zhuǎn)速 .....................................................................................................................................14 5.4 動力設(shè)計 .............................................................................................................................................14 確定各軸轉(zhuǎn)速 .......................................................................................................................................14 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 4 5.5 帶傳動設(shè)計 .........................................................................................................................................17 6 主軸組件的性能要求 ................................................................................................................................20 6.1 精度 .....................................................................................................................................................20 6.2 靜態(tài)剛度 .............................................................................................................................................20 6.3 抗振性 .................................................................................................................................................20 6.4 熱穩(wěn)定性 .............................................................................................................................................20 6.5 耐磨性 .................................................................................................................................................20 7 主軸結(jié)構(gòu)及熱處理要求 ............................................................................................................................21 7.1 主軸的結(jié)構(gòu)形狀 .................................................................................................................................21 7.2 主軸的材料和熱處理 .........................................................................................................................21 7.3 主軸主要精度指標 .............................................................................................................................21 8 設(shè)計體會 ....................................................................................................................................................22 致 謝 ..............................................................................................................................................................23 參考文獻 ........................................................................................................................................................24 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 1 緒 論 機床設(shè)計和制造的發(fā)展速度是很快的。由原先的只為滿足加工成形而要求刀具與 工件間的某些相對運動關(guān)系和零件的一定強度和剛度，發(fā)展至今日的高度科學(xué)技術(shù)成 果綜合應(yīng)用的現(xiàn)代機床的設(shè)計，也包括計算機輔助設(shè)計（CAD）的應(yīng)用。但目前機床 主軸變速箱的設(shè)計還是以經(jīng)驗或類比為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)（經(jīng)驗）設(shè)計方法。因此，探索科 學(xué)理論的應(yīng)用，科學(xué)地分析的處理經(jīng)驗，數(shù)據(jù)和資料，既能提高機床設(shè)計和制造水平， 也將促進設(shè)計方法的現(xiàn)代 機床設(shè)計是學(xué)生在學(xué)完基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課的基礎(chǔ)上，結(jié)合機床傳 動部件（主軸變速箱）設(shè)計進行的綜合訓(xùn)練。我們畢業(yè)設(shè)計題目是 CK6150 數(shù)控車床 的主軸箱設(shè)計。 在本設(shè)計中首先進行參數(shù)擬定，運動設(shè)計，動力計算和結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計，軸和軸承 的驗算，主軸箱裝配設(shè)計，設(shè)計計算說明書等內(nèi)容。 設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件（傳動軸，軸承，帶輪，離合器和制動器等） ， 主軸組件，操縱機構(gòu)，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置，用一張展 開圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計限于時間，一般只畫展開圖及一或兩個截面圖。 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和 一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求 的工件，并能方便的實現(xiàn)運動的開停，變速，換向和制動等。 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主 傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無 級調(diào)速來承擔(dān)，剩去了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以 擴大電動機無級調(diào)速的范圍。 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 6 2 數(shù)控機床概況 2.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。 特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的機械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。 加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣踊瘷C床已不 能適應(yīng)這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機床——數(shù)控機床應(yīng)運而生。這種 新型機床具有適應(yīng)性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應(yīng) 用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成 果，是今后機床控制的發(fā)展方向。 2.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機床技術(shù)水平看，高精度（定位精度：微米級、納米級） 、高速度（主軸轉(zhuǎn) 速 10000r/min，快速進給 24m/min，換刀時間 2～ 3s） 、高柔性（多主軸、多工位、多 刀庫） 、多功能（立臥并用、復(fù)合加工）和高自動化（自動上下料、自動監(jiān)控、自動測 量和通信功能）是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢 ［1］ 。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自 動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能 力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的 FANCU，德國的 SIEMENS 和美國的 AB 公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和 成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微處理機、標準總線及軟件 模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到 1MB 以上，機床分辨率可達 0.1um，高速進給 可達 100m/min，控制軸數(shù)可達 16 個，并采用先進的電裝工藝 ［2］ 。 在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā) 展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所 取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 3 數(shù)控車床的簡介 3.1 數(shù)控車床的組成及工作原理 數(shù)控車床由:程序編制及程序載體、輸入裝置 、 數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動、位置檢測 裝置、輔助控制裝置、車床本體等幾部分組成。如圖 3.1 所示： 圖 3.1 伺服系統(tǒng)總體方案框圖 在傳統(tǒng)的金屬切削機床上，加工零件時操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀 具的運動軌跡，運動速度等參數(shù)，使刀具對工件進行切削加工，最終加工出合格零件。 數(shù)控車床的加工其實質(zhì)是應(yīng)用了“微分”原理。 其工作原理與過程可簡述如下： （1）數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按車床對應(yīng)的坐標軸，以最 小移動量（脈沖當(dāng)量）進行微分，并計算出各軸需要移動的脈沖數(shù)。 （2）通過數(shù)控裝置的插補軟件或插補運算器，把要求的軌跡用最小移動單位的等 效折線進行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。 （3）數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的坐標軸連續(xù)不斷地分配進給脈沖， 并通過伺服驅(qū)動使車床坐標軸按分配的脈沖運動。 由上可見： （1）只要數(shù)控車床的最小移動量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就完全可 以等效代替理論曲線； （2）只要改變坐標軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達到改 變加工軌跡的目的； （3）只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標軸（刀具）的運動速度。這樣就實 現(xiàn)了數(shù)控車床控制刀具移動軌跡的根本目的。 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 8 3.2 數(shù)控車床的特點 （1）加工對象改型的適應(yīng)性強 由于在數(shù)控車床上改變加工零件時，只需要重新 編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、 夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。 （2）加工精度高 數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進行加工的，由于目前數(shù)控 裝置的脈沖當(dāng)量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機床移動部件相應(yīng)的移動量）一般達到了 0.001mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償， 因此，數(shù)控車床能達到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。 ［3］ （3）生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控 車床能夠有效地減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般車床高得多。數(shù)控車床主 軸轉(zhuǎn)速和進給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量， 良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進行大切削用量的強力切削，有效地節(jié)省了機動時間。 （4）自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操 作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他 的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作， 勞動強度與緊張程度均大為減小，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。 （5）良好的經(jīng)濟效益 使用數(shù)控車床加工零件時，分攤在每個零件上的設(shè)備費用 是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產(chǎn)工 時、生產(chǎn)管理費用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。 （6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用數(shù)控車床加工零件，能準確地計算零件的加工 工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些都有利于使生產(chǎn)管理 現(xiàn)代化。 3.3 數(shù)控車床的適用范圍 數(shù)控車床與臥式車床一樣，也是用來加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件。但是由于數(shù) 控車床是自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所 以數(shù)控車床特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類或盤類零件。 數(shù)控車床確實存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件 為前提的。數(shù)控車床的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床， 也還不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有 以下特點的零件。 多品種小批量生產(chǎn)的零件 通常采用數(shù)控車床加工的合理生產(chǎn)批量在 10~200 件 之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 通常數(shù)控車床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在非數(shù)控車床上 加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。 需要頻繁改型的零件 它節(jié)省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。 價格昂貴、不允許報廢的關(guān)鍵零件。 需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。數(shù)控車床的初始投資相對較大，由于系統(tǒng)的復(fù)雜 性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時排除設(shè)備故障，將 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 會在一定程度上影響機床的利用率，這些因素都會增加綜合生產(chǎn)費用。 考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控車床加工時，需要進行反復(fù)對比和 細的經(jīng)濟分析，使數(shù)控車床發(fā)揮它的最佳經(jīng)濟效益。 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 10 4 數(shù)控車床的設(shè)計 4.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法和特點 4.1.1 數(shù)控車床的設(shè)計方法 在過去的機床設(shè)計中多采用類比法，以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的簡單公式或經(jīng)驗 數(shù)據(jù)進行手工計算和手工設(shè)計，設(shè)計效率低、質(zhì)量差、周期長。隨著科學(xué)技術(shù)的進步 和社會需求的變化，數(shù)控車床的設(shè)計理論和技術(shù)也在不斷地發(fā)展。特別是近年來計算 方法、控制理論、系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程、價值工程等學(xué)科的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù) 的廣泛應(yīng)用，為機床設(shè)計方法的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。 車床的設(shè)計方法是根據(jù)其設(shè)計類型而定。普通車床采用系列化設(shè)計方法。系列中 基型產(chǎn)品屬創(chuàng)新設(shè)計類型，其他屬變型設(shè)計類型。 在創(chuàng)新設(shè)計類型中，車床總體方案的產(chǎn)生方法可采用分析式設(shè)計或創(chuàng)成式設(shè)計。 前者是用類比分析、推理方法產(chǎn)生方案，是目前創(chuàng)新設(shè)計一般采用的方法。后者則用 創(chuàng)成解析的方法生成方案，創(chuàng)新能力強，這種方法尚在研究發(fā)展之中。 4.1.2 設(shè)計方法的特點 數(shù)控車床設(shè)計方法與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應(yīng)，具有明顯的特點。 （1）設(shè)計手段計算機化 （2）設(shè)計方法綜合化 （3）設(shè)計對象系統(tǒng)化 （4）設(shè)計目標最優(yōu)化 （5）設(shè)計問題模型化 （6）設(shè)計過程程式化與并行化 4.2 數(shù)控機床的設(shè)計步驟 數(shù)控車床的設(shè)計內(nèi)容及步驟大致可概括為以下幾方面。 4.2.1 主要技術(shù)指標設(shè)計 主要技術(shù)指標設(shè)計是后續(xù)設(shè)計的前提和依據(jù)。設(shè)計任務(wù)的來源不同，如工廠的規(guī) 劃產(chǎn)品，或根據(jù)車床系列型譜進行設(shè)計的產(chǎn)品，或用戶定貨等，雖具體的要求不同， 但所要進行的內(nèi)容大致相同。主要有以下技術(shù)指標。 （1）用途 指數(shù)控車床的工藝范圍，包括加工對象的材料、質(zhì)量、形狀及尺寸等。 （2）生產(chǎn)率 包括加工對象的種類、批量及所要求的生產(chǎn)率。 （3）性能指標 包括加工對象所要求的精度或數(shù)控車床的精度、剛度、熱變形、 噪聲等性能指標。 （4）主要參數(shù) 即確定數(shù)控車床的加工空間和主要參數(shù)。 （5）驅(qū)動方式 數(shù)控車床電動驅(qū)動方式分為步進電動機驅(qū)動與伺服電動機驅(qū)動。 驅(qū)動方式的確定不僅與機床的成本有關(guān)，還將直接影響傳動方式的確定。 （6）成本及生產(chǎn)周期 無論是定貨還是工廠規(guī)劃的產(chǎn)品，都應(yīng)確定成本及生產(chǎn)周 期方面的指標。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 4.2.2 總體方案設(shè)計 總體方案設(shè)計包括以下幾方面設(shè)計。 （1）運動功能設(shè)計 包括確定數(shù)控車床所需運動的個數(shù)、形式（直線運動、回轉(zhuǎn) 運動）功能（主運動、進給運動、其他運動）及排列順序，最后畫出數(shù)控車床的運動 功能圖。 （2）基本參數(shù)設(shè)計 包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計。 （3）傳動系統(tǒng)設(shè)計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。 （4）總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 包括運動功能分配、總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案 圖設(shè)計。 （5）控制系統(tǒng)設(shè)計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。 4.2.3 總體方案綜合評價與選擇 在總體方案設(shè)計階段，對其各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案。 4.2.4 總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化 對所選擇的方案進行進一步的修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設(shè)計內(nèi)容，在設(shè) 計過程中要交叉進行。 4.2.5 詳細設(shè)計 4.2.6 技術(shù)設(shè)計 包括確定結(jié)構(gòu)原理方案、裝配圖設(shè)計、分析計算或優(yōu)化。 4.2.7 施工設(shè)計 包括零件圖設(shè)計、商品化設(shè)計、編制技術(shù)文檔等。 上述步驟可反復(fù)進行，達到設(shè)計結(jié)果滿意為止。在設(shè)計過程中，設(shè)計與評價反復(fù) 進行，可以提高一次設(shè)計成功率。 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 12 5 CK6150 數(shù)控車床主軸箱設(shè)計 5.1 數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的發(fā)展 近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新 的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化、柔性化。 高速主軸單元為適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用 了電主軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動機主軸單元，就是將高速電動機置于機床主軸部件 內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作速度和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動機、主 軸的一體化功能。與傳統(tǒng)主傳動系統(tǒng)相比，電主軸的主要特點有： (1) 結(jié)構(gòu)緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小、精度高； (2) 電主軸可在額定轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)無級調(diào)速； (3) 可實現(xiàn)精確的主軸定位及軸傳動功能； (4) 電主軸更易實現(xiàn)高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好； (5) 主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承的壽命得到延長。 高速電主軸所融合的技術(shù)主要包括以下幾方面。 (1) 高速精密軸承 (2) 潤滑技術(shù) (3) 冷卻技術(shù) (4) 高速變頻驅(qū)動 復(fù)合化和柔性化 隨著數(shù)控車床對加工對象適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床的 設(shè)計發(fā)生了很大變化，并向著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。 數(shù)控車床的發(fā)展已經(jīng)模糊了粗、精加工的工序概念，車削中心又把車、銑、鏜、 鉆等工序集中到同一臺機床上來完成，完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機床單一化 走向多元化、復(fù)合化。 由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計不限于只滿足原有的基本要求，還要 綜合考慮現(xiàn)代制造對機床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳輸，以縮短 產(chǎn)品的加工時間、周轉(zhuǎn)時間、制造周期，最大限度地提高生產(chǎn)率 ［4］ 。 5.2 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機床主傳動系統(tǒng)具有 更高的轉(zhuǎn)速和更大的無級調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機床結(jié)構(gòu)要簡單， 噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機電一體化設(shè)備， 其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足如下基本要求。如圖 5.1 所示： 圖 5.1 特 征 設(shè) 計 樹 (1) 使用性能要求 首先應(yīng)滿足機床的運動特性，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍 和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 (2) 傳遞動力要求 主電動機和傳動機構(gòu)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較 高的傳動效率。 (3) 工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形 特性穩(wěn)定。 此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝 配；防護性能好；使用壽命長。 主傳動系統(tǒng)的傳動方式： 傳動方案確定后，要進行方案的結(jié)構(gòu)化，確定個零件的實際尺寸和有關(guān)布置。為 此，常對傳動件的尺寸先進行估算，如傳動軸的直徑、齒輪模數(shù)、離合器、制動器、 帶輪的根數(shù)和型號等。在這些尺寸的基礎(chǔ)上，畫出草圖，得出初步結(jié)構(gòu)化的有關(guān)布置 與尺寸；然后按結(jié)構(gòu)尺寸進行主要零件的驗算，如軸的剛度、齒輪的疲勞強度等，必 要時作結(jié)構(gòu)和方案上的修改，重新驗算，直到滿足要求，最后才能畫正式裝備圖。 機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定的 變速范圍內(nèi)均勻地、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級數(shù)一般不超過 20~30 級。 這種傳動方式主要用于普通機床，一些普通機床經(jīng)數(shù)控化改造后也保留了原分級變速 傳動方式。無級變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工 要求的最佳速度，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用 無級變速傳動。 與普通機床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速 范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車 床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式： (1) 由電動機直接驅(qū)動 主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主 軸電動機直接驅(qū)動。 (2) 采用定比傳動 主軸電動機經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或 齒輪傳動。 (3) 采用分擋變速傳動 采用分擋變速傳動主要是為了解決主軸電動機的功率特性 與機床主軸功率特性的匹配。變速機構(gòu)一般仍用齒輪副來實現(xiàn)。 5.3 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 5.3.1 運動設(shè)計 已知條件： (1)確定轉(zhuǎn)速范圍：主軸最小轉(zhuǎn)速 nmin =70r/min 主軸最高轉(zhuǎn)速 nmax =1400r/min. (2)齒輪換檔轉(zhuǎn)速級數(shù):z=6： 5.3.2 結(jié)構(gòu)分析式 6＝2×3 從電動機到主軸主要為降速傳動，若使傳動副較多的傳動組放在較接近電動機處 可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，節(jié)省材料，也就是滿足傳動副前多后少的原 CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 14 則 ［5］ 。在降速傳動中，防止齒輪直徑過大而使徑向尺寸常限制最小傳動比 41min? ； 在升速時為防止產(chǎn)生過大的噪音和震動常限制最大轉(zhuǎn)速比 2max?i。在主傳動鏈任一傳 動組的最大變速范圍 ??10~8minaxa??R。在設(shè)計時必須保證中間傳動軸的變速范 圍最小 ［6］ 。 5.3.3 確定轉(zhuǎn)速 (1)選擇電動機 一般車床若無特殊要求，多采用 Y 系列封閉式三相異步電動機，根據(jù)原則條件選 擇功率為 7.5KW 的雙速電機，轉(zhuǎn)速為 1440 r/min 和 960 r/min 籠式三相異步電動機。 (2)分配總降速傳動比 總降速傳動比 i=n /n =76/1400=0.054 又電動機轉(zhuǎn)速 min/140rnd?不符合轉(zhuǎn)速數(shù)列標準，因而增加一定比傳動副 ［7］ 。 (3)確定傳動軸軸數(shù) 傳動軸軸數(shù) = 變速組數(shù) + 定比傳動副 =3 (4)確定各級轉(zhuǎn)速并確定轉(zhuǎn)速 由 n=76r/min &1=1.83 &2=1.80 &3=1.35 &4=1.35 &5=2.05 &6=2.03 確定各級轉(zhuǎn) 速： 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時，主軸轉(zhuǎn)速依次為: 1400、682、427、374、208、114r/min 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時，主軸轉(zhuǎn)速依次為: 933、455、285、249、139、76r/min 在四根軸中，除去電動機軸，其余三軸按傳動順序依次設(shè)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ與 Ⅱ、Ⅱ與Ⅲ。現(xiàn)由Ⅲ（主軸）開始，確定Ⅰ、Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速： 先來確定Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速 Ⅱ軸轉(zhuǎn)速可能有： n=1440r/min 時 1375、670、367 n=960r/min 時 917、447、245 確定軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速 n=1440r/min 時：1037、690r/min 由此也可確定加在電動機與主軸之間的定傳動比 71/40/1?i 。 （電動機 轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速相近） ［8］ 。 (5)確定各變速組傳動副齒數(shù) 軸Ⅰ齒輪齒數(shù)分別為：42、雙聯(lián)齒輪 61、28。 軸Ⅱ上的齒輪齒數(shù)分別為：雙聯(lián)齒輪 65、46、79、57、23。 軸Ⅲ上的齒輪齒數(shù)分別為：57、74。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 5.4 動力設(shè)計 確定各軸轉(zhuǎn)速 (1) 確定主軸計算轉(zhuǎn)速：主軸的計算轉(zhuǎn)速為 N=70r/min (2) 各傳動軸的計算轉(zhuǎn)速： 軸Ⅱ可從主軸 70r/min 按 74/23 的傳動副找上去，軸Ⅲ的計算轉(zhuǎn)速 245r/min；軸Ⅱ的計算轉(zhuǎn)速為 690r/min。 主軸箱共設(shè)置四套變速操縱機構(gòu)。共設(shè)有 4 個電磁離合器，不同的離合器的工作 與斷開組合可實現(xiàn) 6 種轉(zhuǎn)速，主電機選雙速電機，我們設(shè)計的機床一共有 12 種轉(zhuǎn)速。 ①離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪 56 處 于左位。 （主電機轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960 大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=56,Z4=57） ［9］ 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×42/65×57/56=682r/min n 標 =680r/min n 誤差 =（682-680）/680= 3‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×42/65×57/56=455r/min n 標=460r/min n 誤差 =（460-455）/455= 1%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 ②離合器Ⅰ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅱ斷開，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪 56 處 于右位。 （主電機轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960,大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=74,Z4=23） ［10］ 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×42/65×23/74=210r/min n 標=210r/min n 誤差 n =（210-208 ）/210= 1%<5% 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×42/65×23/74=139r/min n 標=140r/min n 誤差 =（140-139）/140= 7‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 ③離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪 56 處 于左位。 （主電機轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960,大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=56,Z4=57） ［11］ 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×61/46×57/56=1410r/min CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 16 n 標=1400r/min n 誤差=0<5% 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×61/46×57/56=933r/min n 標=930r/min n 誤差=（933-930）/930= 3‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 ④離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ合上，離合器Ⅳ斷開，滑動齒輪 56 處 于右位。 （機床轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960,大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=46,Z2=61,Z3=74,Z4=27） 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×61/46×27/74=427r/min n 標=430r/min n 誤差=（430-427）/430= 7‰<5% 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×61/46×27/74=335r/min n 標=290r/min n 誤差=（290-285）/290= 1.7%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 ［12］ ⑤離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪 56 處 于左位。 （主電機轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960,大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=28,Z2=79,Z3=56,Z4=57） 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×28/79×57/56=377r/min n 標=370r/min n 誤差=（374-370）/374= 1%<5% 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×28/79×57/56=249r/min n 標=250r/min n 誤差=（250-2490）/250=4‰<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 ⑥離合器Ⅰ斷開，離合器Ⅱ合上，離合器Ⅲ斷開，離合器Ⅳ合上，滑動齒輪 56 處 于右位 ［13］ 。 （主電機 轉(zhuǎn)速 n＝1440，n=960,大帶輪 D=215,小帶輪 d＝158，效率系數(shù) ＝0.98，Z1=79,Z2=28,Z3=74,Z=23） 主電機轉(zhuǎn)速為 1440r/min 時 n 計算=1440 ×158/215×0.98×28/79×23/74=115r/min n 標=110r/min n 誤差=(114-110)/114= 3.6%<5 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 主電機轉(zhuǎn)速為 960r/min 時 n 計算=960 ×158/215×0.98×28/79×23/74=76r/min n 標=75r/min n 誤差=(76-75)/76= 1.3%<5% 符合國家轉(zhuǎn)速誤差標準 由上得機床轉(zhuǎn)速最高 1400r/min,最低 70r/min. 5.5 帶傳動設(shè)計 電動機轉(zhuǎn)速 n=1440r/min,傳遞功率 P=7.5KW,傳動比 i=1.36，兩班制， 一天運轉(zhuǎn) 16.1 小時，工作年數(shù) 10 年。 (1) 確定計算功率 取 ?AK1.1，則 P =K P=1.1 7.5=8.25KWcaA? (2) 選取 V 帶型 根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速和計算功率，選 B 型帶。 (3) 確定帶輪直徑和驗算帶速 查表小帶輪基準直徑 d =158mm,d =158×i=158×1.36=215 驗算帶速成 =?1061?n? 其中 1-小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min； d-小帶輪直徑，mm ； V=3.14 m/s9./458?? (4) 確定帶傳動的中心距和帶的基準長度 設(shè)中心距為 0a,則 0．55（ 21d?） ?a 2（ 21d?） 于是 205.15 a 746,初取中心距為 ?0a400mm。 帶長 +0L??021214)()(d? =2 6.378/58)2158(/4.30 ????? 查表取相近的基準長度 d，L =1390mm. 帶傳動實際中心距 = + =397.5mm??0? (5) 驗算小帶輪的包角 一般小帶輪的包角不應(yīng)小于 ?12。 =161.4 ≈120°合適。1?80d????3.57?? (6) 確定帶的根數(shù) Z= Lcakp?)(0?? CK6150 數(shù)控車床主軸箱及傳動系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計 18 其中： 0p?- 1?i時傳遞功率的增量； ?k-按小輪包角 ，查得的包角系數(shù)； L-長度系數(shù)； 為避免 V 型帶工作時各根帶受力嚴重不均勻，限制根數(shù)不大于 10［14］ 。 Z= =490.5)46.019.2(8?? (7) 計算帶的張緊力 0F F =500 ( )+q0vzpcaak?.2v 其中： cap-帶的傳動功率,KW； v-帶速,m/s； q-每米帶的質(zhì)量，kg/m；取 q=0.17kg/m。 v = 1440r/min = 11.9/s。 F =500 )+0.17 =193.7N042.958?9.0(?24.9? (8) 計算作用在軸上的壓軸力 F =1530NQ0Z?sin1a2.16sin7.3?? 我們設(shè)計的 CK6150 數(shù)控車床的主軸是一個空心的階梯軸，其內(nèi)孔可用來通過棒 料或卸頂尖時穿入所用的鐵棒，也可用于通過氣功、電動或液壓夾緊裝置的機構(gòu)。主 軸前端的錐孔為莫氏 6 號錐度，用來安裝頂尖套及前頂尖；有時，也可以安裝心軸， 利用錐面配合的摩擦力直接帶動心軸和工作轉(zhuǎn)動。 主軸前端采用短錐法蘭式結(jié)構(gòu)。它的作用是安裝卡盤和撥盤，它以短錐和軸肩端 面作定位面?？ūP、撥盤等夾具通過卡盤座，用四個螺栓固定在主軸上。安裝卡盤時 只需將預(yù)先擰緊在卡盤上的螺栓連同螺母一起，從主軸軸肩和鎖緊盤上的孔中穿過， 然后將鎖緊盤轉(zhuǎn)過一個角度，使螺栓進入鎖緊盤上寬度較窄的圓弧槽內(nèi)，把螺母卡住， 然后再把螺母擰緊，就可把卡盤等夾具緊固在主軸上。這種主軸軸端結(jié)構(gòu)的定心精度 高，連接剛度好，卡盤懸伸長度短，裝卸卡盤也比較方便，因此，在新型車床上應(yīng)用 很普通。 主軸安裝在兩支承上，前支承為 P5 級精度的雙列圓柱滾珠軸承，用于承受徑向力。 軸承內(nèi)環(huán)和主軸之間有 1：12 錐度相配合。