毕业设计（论文）-立式镗铣床主传动系统设计（全套图纸）

本科毕业设计立式镗铣床主传动系统毕业设计院（系、部）名 称 ： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 指 导 教 师： 2016年 5 月25 日 学 术 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 摘要数控技术是最重要的现代制造技术之一，它的发展一直备受人们关注。数控机床主传动系统的正确设计是保证数控机床性能的关键。本文介绍了立式数控镗铣床的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式数控镗铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文论证采用了带有变速齿轮的无极变速主传动系统，通过两级变速齿轮传动，以满足主轴低速时对输出转矩的要求。采用交流伺服电动机进行无级变速，并进行电机功率与转速的确定和型号的选取。完成主轴箱的分级计算确定变速级数、传动比和主轴的转速范围。对主传动系统中的齿轮进行设计计算并进行必要的强度校核，对各轴系部件进行结构设计，并对主轴进行强度校核。根据对齿轮、轴系部件的设计计算选取各轴上所需要的轴承。并对垂直进给系统进行必要的设计计算。主传动系统的合理设计确保了机床的高质量和高性能。关键词：数控机床；立式镗铣床；主传动系统；主轴组件；变频电机全套图纸，加153893706ABSTRACTThis text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.Key words： the number controls the tool machine;The sign type number controls the miller;The lord spreads to move the system;Principal axis module; Bearings; Principal axis electric motor.目 录引言1第一章 绪论21.1概述21.2数控机床的发展3第二章 立式数控镗铣床主传动系统方案的确定92.1 立式数控镗铣床主传动系统简介92.2 立式数控镗铣床主传动系统的要求92.3 主传动的类型及方案选择10第三章 主传动变速系统主要参数计算123.1 计算切削功率123.1.1切削力的计算123.1.2切削功率的计算123.1.3主轴转速范围的确定133.2 计算主传动功率133.3 电机的选择133.4分级变速箱的传动系统的设计143.3.1变速级数的确定133.3.2. 拟定转速图：- 7 -3.3.3各传动轴与主轴计算转速的确定133.3.4 确定各齿轮的齿数：- 8 -4. 传动系统图的拟定：- 9 -5主传动主要零件的强度计算：- 10 -第四章 齿轮传动的设计计算274.1选取传动齿轮齿数的原则和要求174.2齿轮材料热处理及精度等级174.3齿轮齿数的确定174.4估算齿轮模数174.5验算齿轮模数174.6计算齿轮几何尺寸17第五章 主轴组件设计175.1主轴设计概述175.2主轴主要结构参数的确定175.3主轴的结构设计185.4主轴刚度的计算195.5主轴强度的校核225.5.1主轴主要数据225.5.2 计算支反力235.5.3 计算弯矩和转矩235.5.2 按照弯扭合成条件校核轴的强度23第六章 圆弧同步带的设计277.1确定圆弧齿同步带的基本参数297.2确定带的中心距297.3选择带的类型29总论37致谢38参考文献39III引言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备，而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。尽管我国数控机床的制造、设计、检测等技术得到了一定的发展，但与国外相比，差距还是很大，主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，这种差距尤其表现在高精度、高速度等尖端机床方面。因此，我们必须紧跟国际机床技术发展的前沿，发展机床的设计、检测、制造等技术。数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。第 54 页 共 39 页第一章 绪论1.1概述数控镗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镗铣床、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很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控镗铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控镗铣床度能做到。一般情况下，在数控镗铣床上可以加工平面曲线轮廓。数控镗铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控镗铣床，各类铣床配置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.2数控机床的发展随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等5种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB，国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台。 2. 2003年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。 3. 2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。 22004年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技改情况 军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶”三年，我们的整体水平会上一个台阶。 其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过10年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。 我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。 我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。 但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。 三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 一、是高速加工技术发展迅速 高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。二、是精密加工技术有所突破 通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1m，进入亚微米超精加工时代。三、是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。五、是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。第二章 立式数控镗铣床主传动系统方案的确定2.1立式数控镗铣床主传动系统简介主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)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。(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，一般Rn100，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。(4)主轴速度的变换迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能够方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。2.2立式数控镗铣床主传动系统的设计要求 本次设计任务是立式数控镗铣床主传动结构，设计的数控镗铣床用于加工铝合金活塞销孔。具体功能设计要求如下：机床类型： 立式数控镗铣床 加工零件 铝合金材质活塞销孔最大镗铣孔直径 50mm 加工精度： IT6级以上加工效率 200-300件/班主轴材料： 45#主轴转速范围： 9002800r/min机床净重： 300 Kg此外，无级变速可以再一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，以便实现变速自动化；能在负载下变速，便于保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。因此设计的主传动结构应具有无极变速功能。2.3 主传动的类型及方案选择 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要求。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凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式1具有变速齿轮的主传动这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图1-1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。图1.1 图1.2 图1.32通过带传动的主传动通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图1-2所示。3由调速电机直接驱动的主传动这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图1-3所示。近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r/min。针对本次设计的主传动系统，考虑到加工材质，加工尺寸，转速范围，可得到其所需扭矩和驱动功率不大，无级变速范围差别也不多。因此可以采用交流变频调速电机之后串联机械有级变速传动满足主系统传动要求。考虑到变速范围不大，二级以上齿轮变速系结构复杂，制造和维修费用高，而且采用了变频电机后，主轴箱只要一级机械调速就可以实现转速要求，大大的节约了材料和零件。因而初步采用变频电机加一级分级调速作为立式数控镗铣床主传动系统方案。分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器（如摩擦片式、牙嵌式、齿轮式离合器）变速。除摩擦片式离合器外，其他变速方式具有传递功率较大，变速范围广，传动比准确，工作可靠等优点。缺点是具有速度损失，不能在运转中进行变速。摩擦片式离合器可在运转中进行变速，操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化。考虑到操作方便易于实现自动化要求，本次设计采用电磁式离合器实现分级变速。镗铣床的主轴是莫氏锥度孔的空心轴，主要用于安装刀具和刀杆。刀杆用于装夹刀具，在主轴中可以滑动。常态时，其受蝶形弹簧拉紧刀具，换刀时受液压缸推挤弹簧松开以便装夹刀具。综上，本次设计的立式镗铣床主传动系统采用变频调速调速电机作为主电机，串联二级电磁离合器式分级传动，方案如图1.4所示。图1.4 数控镗铣床主传动系统结构图第三章 主传动变速系统主要参数计算3.1 计算切削功率 3.1.1拟定切削用量本设计任务是立式镗铣床加工直径50活塞孔，加工精度IT6以上，活塞厚度为40mm。拟定的加工方案是钻小孔，然后用高速刀具粗铣45孔留有加工余量，最后用高度刚刀具精铣50孔达到加工要求。铣刀加工加工方式主要如图3.1所示。 图3.1 铣削加工方式显然，加工活塞孔为方式e立铣刀加工。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：粗加工时，刀具材料为高速刚立铣刀，刀具直径D=45mm，刀齿数为2，主轴转速1000r/min；精加工，刀具材料为高速刚立铣刀，刀具直径D=50mm，刀齿数为4，主轴转速2500r/min。3.1.2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：管状6061铝合金,b=75公斤力/mm加工方式立铣 查切削用量简明手册参数如下 又45=50mm, B=0.40.8D=2652mm(取B=35mm)由经验取值t=5mm, ，z=2,n=1000r/min, 2、刀具：高速钢（精加工、高速）加工材料：=75公斤力/mm,6061铝合金立铣 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =0 经验植：D=50mm,B=40mm,t=3mm,mm ，z=4,n=2500r/min, 3.1.3 确定电机功率及型号根据本次设计传动结构，取机床的效率5，由上述计算知，精加工是所需功率较大，电机所需功率所以电动机额定功率选取为5.5KW。YVF系列变频调速电机是机床上常用的驱动动力源。结合使用条件可以选用YVF系列四极电机，其技术参数如表3.1所示表3.1 YVF四极变频调速电机根据上表，初选电机型号为:YVF132S-4其额定功率为5.5KW,电压380V,额定转速1500r/min，恒功率调速范围为50-100HZ，对应的转速为1500r/min3000r/min。3.3 分级变速箱的传动系统的设计3.3.1传动公比数确定根据工艺加工条件，主轴只有工作在一定转速范围之内才能保持恒功率切削，即计算转速与最高转速之间。对于一般的镗铣床而言，其计算转速一般为。主轴转速在900r/min-2800r/min之间，那么主轴的计算转速为1533r/min。则电动机的恒功率调速范围:主轴恒功率调速范围:虽然主轴要求的恒功率变速范围远小于电动机所能提供的恒功率围，但是为了提高电机输出扭矩，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动功率变速范围。3.3.2 变速级数Z的确定本次设计确定变速级数Z=2， 则由于无级变速时 故变速箱的公比 ；由设计手册取标准值得：=1.26。根据设计条件，变速级数Z为2。传动顺序方案确定以后，还可列出若干不同扩大顺序方案。如无特殊要求，根据“前密后疏”的原则，应使扩大顺序和传动顺序一致，通常能得到最佳的结构式方案，故选用21结构式方案。检查最后扩大组的变速范围： r=10 故合符要求。 3.3.2拟定转速图根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比，合理确定传动轴的转速。 定比传动 在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以及满足不同用户的使用要求。本设计电机恒功率转速在1500r/min-3000r/min之间，然后同步带减速，在串联公比w =1.26，级数Z=2的分级传动，最后带动主轴恒功率输出转速在1533r/min-2800r/min之间。因此，当电机工作在3000r/min时，取传动链最高转速比，主轴输出转速应为2800r/min；当电机变速到1500r/min，取传动链最低减速比，主轴输出转速应为1533r/min。且电机变速过程中，主轴恒功率转速应该衔接。根据这个原则，拟定的转速图如图3.1所示。图3.1 分配降速比 前面已确定，最高最低变频调速分别是，分级传动级数为2，一共共需1个变速组，并在轴间增加一对降速传动齿轮，要用到2个变速组，在主轴III上标出4级转速：14002800r/min。有转速图可以看到，总减速比 定出各变速组的最小传动比 减速传动：根据降速前慢后快的原则，在III轴间变速组取，在II轴间变速组取升速传动i3=1533/(1500/1.26)，接近取i3=1.26，3.3.3确定各齿轮的齿数在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大噪声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。在I与II轴间： 在II与III轴间： 在II与III轴间： 采用查表法选取各轴齿数。查实用机床传动手册表6-4，查表法先确定传动组中最小传动比为的小齿轮齿数，然后查表，在行中找到，在根据对应的那组的小齿轮齿数， 对应列中找到，那么对于I与II轴之间，减速比为1.26，该轴采用同步带传动。下面将对其设计进行分析。只分析II与III轴之间变速齿轮传动。对于II与III减速传动比中，最大减速比为1.5，查u=1.5，同样取总齿数为100，则Z1=40，Z2=100-40=60对于II与III升速传动比中，传动比比为1.26，查u=1.26，取Z3=44，总齿数为100，则Z4=563.3.4传动系统计算转速的确定根据设计手册3查得：主轴计算转速是第二个三分之一变速范围内的最低一级转速即n=1533r/min；从转速图可以看到，II轴能够传递全部功率的转速范围11902381r/min，则I轴计算转速为1587r/min；从转速图可以看到，I轴能够传递全部功率的转速范围15003000r/min，则I轴计算转速为2000r/min；第四章 齿轮传动的设计计算4.1 选取传动齿轮齿数的原则和要求 根据金属切削机床设计，齿轮的选择原则及要求分为如下几点：1齿轮的齿数和应按传动顺序逐渐加大；2齿轮的齿数和应满足：；3齿轮的最小齿数；4. 同一变速组中的齿轮，中心距必须相等；5. 两轮间中心距不应过小，否则将导致两轴轴承之间孔壁过薄，导致强度不够；6. 要保证齿轮可以套装在轴上，齿轮的齿槽到孔壁或键槽底部的壁厚应大于或等于2m（m为齿轮模数），从而保证齿轮有足够的强度；如果用的是花键轴，则可以查机械制造装备设计课程设计指导书图1-14，确定齿轮的允许装配的花键轴直径；7. 三联滑移齿轮的最大齿轮和次大齿轮之间的齿数差，应该大于或等于4，以防止变速时发生干涉。4.2 齿轮材料、热处理及精度等级由于主传动中绝大多数齿轮都采用45钢或者40Cr，所以本机床齿轮均采用45钢，高频淬火，已达到传动时的刚度、强度要求；按精度GB/T 100952008，传递动力的齿轮，选第公差组，然后根据机械设计表10-6，机床齿轮精度为38级，本机床取7级精度。4.3 齿轮齿数的确定由转速图、传动比、及类比同类机床，再根据齿轮的选择原则，查机械制造装备设计第3版表2-8，初步选择各传动副齿轮为表4-1。表4-1 各齿轮齿数fr齿轮Z1Z2Z3Z4齿数Z40605644传动比1.51.264.4 估算齿轮模数齿轮材料相同时，要选择负荷最重的小齿轮，按齿面接触疲劳与轮齿弯曲疲劳进行估算模数，并由两值中较大的选取相近的标准模数，计算时所需系数由金属切削机床设计指导书中表选取。4.4.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1.本次设计选用直齿圆柱齿轮传动，选用8级精度（GB10095-88）。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，二者材料硬度差为40HBS。3.选小齿轮齿数为Z1=40,大齿轮齿数Z2=Z1=1.540=60 4.4.2按齿面接触强度设计（1）初步计算小齿轮采用，调质处理，硬度为241-286HB, 取平均硬度260HB,大齿轮采用45钢，调质处理，硬度为229-286HB,取平均硬度为240HB。小齿轮工作条件为预期使用寿命10年，每年300个工作日，在使用期限内，工作时间占据20%，工作中有中等振动。其载荷变化规律如图4.1所示。P1.0P 0.5P 0.2P0.2t 0.5t 0.3t 图4.1 小齿轮载荷规律图估算小齿轮的直径： （式4.1） 公式内各计算式数值选用如下：1.计算小齿轮传递的转矩当主轴以计算转速运行时，小齿轮传递的扭矩最大，此时又2.由机械设计手册表9.15选取系数3.由机械设计手册表9.12选取齿宽系数d0.54.计算由机械设计手册查图9.18（c）按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1 =710MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim