最大加工直径500mm车床主轴系统设计【7.5KW 6级】（全套含CAD图纸）
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南京理工大学泰州科技学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 曾溪漳 学 号： 0501510159 系 部 : 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 指导者： 评阅者： 2009 年 5 月 吴 萍 高 级 工 程师 毕业设计说明书（论文）中文摘要 床主要部件有：主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱以及床身。本设计主要针对 床的主轴箱进行设计。机床主轴箱是一个比较复杂的传动部件。设计的内容主要包括确定机床的主要参数，拟定传动方案和传动系统图，计算和校核了主要零部件，并且利用专业制图软件进行了零件的设计和处理。 数控是先进制造技术的基础技术。数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性。对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的零件 ,而一般的普通机床根本无法满足这个要求。现代的数控机床其突出的优点是可以进行高精度加工和多样化加工， 完全可以取代其他的加工方法。 关键词 数控 机 床 机械设计 数控系统 主轴 箱 毕业设计说明书（论文）外文摘要 at of of is a up to on NC is of NC in of To of NC of be of 毕业设计 (论文 )开 题 报告 题目 名称 ： 车床主轴系统设计 学生姓名： 学 号： 系 /专业 ： 机械工程 学院 /数控设备 应用 与维 护 班 级 ： 指导教师： 2014 年 3 月 14 日 开题报告填写要求 1 开题报告内容必须用黑 或蓝黑 墨水笔工整书写 ， 或按教务处统一设计的电子文档 标准格式（可从教务处网址上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴。 完成后应及时交给指导教师签署意见； 2学生查阅资料的参考文献应不少于 3 篇（不包括辞典、手册）； 3 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 4 月 26 日”或“ 2004 毕 业 设 计 （论文） 开 题 报 告 1本课题的背景及意义 数控技 术也叫计算机数控技术（ 目前它是 采用计算机实现数字程序控制的技术。 数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平 ， 数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量 ，提高劳动生产率不可少的物资手段。 在数控机床中，主轴是机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。 主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种 方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求 近年来， 工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着 术的发 展 , 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。 在本设计中首先进行参数拟定，运动设计，动力计算和结构草图设计，轴和轴承的验算，主轴箱装配设计，设计计算说明书等内容。 设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，带轮，离合器和制动器等），主轴组件，操纵机构，润滑 密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计限于时间，一般只画展开图及一或两个截面图。 2 本课题的基本内容及关键问题 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，不同要求的工件，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比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴 电动机的无级调速来承担，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围。 3 本课题调研情况综述 本课题主要对数控车床主轴控制系统进行调研。 数控机床的主轴控制系统，它是利用数字化的信息对机床运动及工作过程进行控制的一种方法。课题采用 控制这些器件，实现工业控制。以可编程控制器 (简称为控元件，替代机床继电器连接触器组成的电气控制部分，是为了提高机床电气控制系统的可靠性，这种方法主用于组合机床以及生产线上的专 用机床用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。 数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。 主轴驱动系统概述主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成 主轴 上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。 数控机床对主轴驱动系统的要求机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在 20 纪 60代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着 刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求： (1)调速范围宽并实现无极调速为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达 1 100，恒功率调速范围也可达 1 30，一般过载 时可持续工作达到 30轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。 (2)恒功率范围要宽 。 主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切 削的需要，常采用分级无级变速的方法 (即在低速段采用机械减速装置 )，以扩大输出转矩。 (3)具有 4 象限驱动能力 。 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在 1 秒内从静止加速到 6000r/ (4)具有位置控制能力 。 即进给功能 (C 轴功能 )和定向功能 (准停功能 )，以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。 (5)具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。 数控机床加工精度的提高与主轴 系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。 (6)良好的抗振性和热稳定性。 数控机床加工时，可能由于 持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑 4本课题 的方案论证 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇 航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床 数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 从数控机床技术水平看，高精度（定位精度：微米级、纳米级）、高速度（主轴转速 10000r/速进给 24m/刀时间 2 3s）、高柔性（多主轴、多工位、多刀库）、多功能（立卧并用、复合加工）和高自动化（自动上下料、自动监控、自动测量和通信功能）是数控机床的重要发展趋势 1 。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。 在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。 机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、 节约能源、降低成本的重要手段，是企业进行生产准备，计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。然而夹具又是 制造系统的重要组成部分 ， 不论是传统制造 ， 还是现代制造系统 ，夹具都是十分重要的。 因此，好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。 当今激烈 的 市场竞争和企业信息化的要求 ,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。我们这些 即将大学毕业的机械 工程及自动化 专业的学生，要进行对本专业所学习的知识进行综合的运用和掌握，为此我们要进行毕业设计，要自己动手进行思考问题，为社会主义现代化建设的发展贡献力量，也要从此迈出展现自己价值的第一步。 指导教师意见： 本课题为企业课题，结合实习工作，使 学生具有 数控机床 主轴 系统的设计能力 ，为学生今后走向工作岗位打下良好的基础。本课题具有一定的实际意义，工作量适中，具有一定的深度和广度，同意开题。 指导教师： 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨 询 Q 197216396 车床主轴系统设计 目 录 1 引言 . 1 2 数控机床概况 . 9 数控机床的产生与发展 . 9 数控机床的发展趋势 . 9 3 数控车床的简介 . 10 数控车床的组成及工作原理 . 10 数控车床的特点 . 11 数控车床的适用范围 . 11 4 数控车床的设计 . 13 数控车床的设计方法和特点 . 13 数控机床的设计步骤 . 13 5 数控车床主轴系统设计 . 15 数控车床主传动系统的发展 . 15 主传动系统的设计要求 . 16 主传动系统设计 . 17 动力设计 . 18 带传动设计 . 21 6 主轴组件的性能要求 . 25 7 主轴结构及热处理要求 . 26 结束语 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 22 页 1 引言 机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚 度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（ 应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的现代机床设计是学生在学完基础课，技术基础课及有关专业课的基础上，结合机床传动部件（主轴变速箱）设计进行的综合训练。我们毕业设计题目是数控车床的主轴系统设计。 四年的大学生活接近尾声时，我们进行了为期近 四 个月的毕业设计。毕业设计是对大学四年 来我们所学到的基础知识和专业知识的一次系统性的总结与综合运用，同时也是培养我们分析问题和解决问题能力的良好的机会，而且毕业设计也是大学教学的最后一个重要环节。因此，认真踏实地做好这次毕业设计不仅意味着我们能否顺利毕业，而且对今后我们走上工作岗位后能否很出色的做好自己的工作也有十分重要意义。另外，毕业设计还可以培养我们独立思考，开发思维和协调工作的能力，这对今后踏入社会以后能否尽快地适应社会也有很大的帮助。机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。这是因为工业、农业、国防和科学技术的现代化程度 ，都会通过机械工业的发展程度反映出来。人们之所以要广泛使用机器，是由于机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品的质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备和促进技术改造的重要任务，在现代化建设的进程中起着主导和决定性的作用。所以通过大量设计制造和广泛使用各种各样先进的机器，就能大大加强和促进国民经济发展的力度，加速我国的社会主义现代化建设。 机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，是企业进行生产 准备，计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。然而夹具又是 制造系统的重要组成部分 ， 不论是传统制造 ， 还是现代制造系统 ，夹具都是十分重要的。 因此，好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 22 页 提下提高效率、降低成本。 当今激烈 的 市场竞争和企业信息化的要求 ,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。我们这些即将大学毕业的机械 工程及自动化 专业的学生，要 进行对本专业所学习的知识进行综合的运用和掌握，为此我们要进行毕业设计，要自己动手进行思考问题，为社会主义现代化建设的发展贡献力量，也要从此迈出展现自己价值的第一步。 在本设计中首先进行参数拟定，运动设计，动力计算和结构草图设计，轴和轴承的验算，主轴箱装配设计，设计计算说明书等内容。 设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，带轮，离合器和制动器等），主轴组件，操纵机构，润滑密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计限于时间，一般只画展开图及一或两个截面图。 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，不同要求的工件，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比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，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围。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 22 页 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 22 页 2 数控机床概况 数控机床的产生与发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床 数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 数 控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看，高精度（定位精度：微米级、纳米级）、高速度（主轴转速 10000r/速进给 24m/刀时间 2 3s）、高柔性（多主轴、多工位、多刀库）、多功能（立卧并用、复合加工）和高自动化（自动上下料、自动监控、自动测量和通信功能）是数控机床的重要发展趋势 1 。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。 在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 国的 美国的 司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16位和 32 位微处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到 1床分辨率可达 速进给可达 100m/制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺 2 。 在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 22 页 3 数控车床的简介 数 控车床的组成及工作原理 数控车床由 :程序编制及程序载体、输入装置 、 数控装置、伺服驱动、位置检测装置、辅助控制装置、车床本体等几部分组成。如图 图 伺服系统总体方案框图 在传统的金属切削机床上，加工零件时操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹，运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。 数控车床的加工其实质是应用了“微分”原理。 其工作原理与过程可简述如下： (1) 数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按车床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量） 进行微分，并计算出各轴需要移动的脉冲数。 (2) 通过数控装置的插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用最小移动单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。 (3) 数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使车床坐标轴按分配的脉冲运动。 由上可见： (a) 只要数控车床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就完全可以等效代替理论曲线； 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 22 页 (b) 只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的； (c) 只要改变分配脉 冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控车床控制刀具移动轨迹的根本目的。 数控车床的特点 (1) 加工对象改型的适应性强 由于在数控车床上改变加工零件时，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的车床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整车床。 (2）加工精度高 数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量）且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等 均可由数控装置进行补偿，因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。 3 (3）生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控车床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般车床高得多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通车床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。 (4）自动化程度高 数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机 床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均大为减小，劳动条件也得到相应的改善。 (5）良好的经济效益 使用数控车床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。 (6）有利于生产管理的现代化 用数控车床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些都有利于使生产管理现代 化。 数控车床的适用范围 数控车床与卧式车床一样，也是用来加工轴类或盘类的回转体零件。但是由于数 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 22 页 控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。 数控车床确实存在一般车床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控车床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控车床通常最适合加工具有以下特点的零件。 多品种小批量生产的零件 通常采用数控车床加 工的合理生产批量在 10200 件 之间。目前有向中批量发展的趋势。 结构比较复杂的零件 通常数控车床适宜于加工结构比较复杂，在非数控车床上加工时需要有昂贵的工艺装备的零件。 需要频繁改型的零件 它节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。 价格昂贵、不允许报废的关键零件。 需要最短生产周期的急需零件。数控车床的初始投资相对较大，由于系统的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。 考虑到以上所述 的种种原因，在决定选用数控车床加工时，需要进行反复对比和 细的经济分析，使数控车床发挥它的最佳经济效益。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 22 页 4 数控车床的设计 数控车床的设计方法和特点 （ 1）数控车床的设计方法 在过去的机床设计中多采用类比法，以古典力学和数学为基础的简单公式或经验数据进行手工计算和手工设计，设计效率低、质量差、周期长。随着科学技术的进步和社会需求的变化，数控车床的设计理论和技术也在不断地发展。特别是近年来计算方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，尤其是计算机技 术的广泛应用，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。 车床的设计方法是根据其设计类型而定。普通车床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变型设计类型。 在创新设计类型中，车床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。前者是用类比分析、推理方法产生方案，是目前创新设计一般采用的方法。后者则用创成解析的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究发展之中。 （ 2）设计方法的特点 数控车床设计方法与现代科技发展相适应，具有明显的特点。 (a) 设计手段计算机化 (b) 设计方法综合化 (c) 设计对象系统化 (d) 设计目标最优化 (e) 设计问题模型化 (f) 设计过程程式化与并行化 数控机床的设计步骤 数控车床的设计内容及步骤大致可概括为以下几方面。 (1) 主要技术指标设计 主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。设计任务的来源不同，如工厂的规划产品，或根据车床系列型谱进行设计的产品，或用户定货等，虽具体的要求不同，但所要进行的内容大致相同。主要有以下技术指标。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 22 页 (a) 用途 指数控车床的工艺范围，包括加工对象的材料、质量、形状及尺寸等。 (b) 生产率 包括加工对象 的种类、批量及所要求的生产率。 (c) 性能指标 包括加工对象所要求的精度或数控车床的精度、刚度、热变形、噪声等性能指标。 (d) 主要参数 即确定数控车床的加工空间和主要参数。 (e) 驱动方式 数控车床电动驱动方式分为步进电动机驱动与伺服电动机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。 (f) 成本及生产周期 无论是定货还是工厂规划的产品，都应确定成本及生产周期方面的指标。 (2) 总体方案设计 总体方案设计包括以下几方面设计。 (a) 运动功能设计 包括确定数控 车床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出数控车床的运动功能图。 (b) 基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。 (c) 传动系统设计 包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。 (d) 总体结构布局设计 包括运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构方案图设计。 (e) 控制系统设计 包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。 (3) 总体方案综合评价与选择 在总体方案设计阶段，对其各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案。 (4) 总体方案的设计修改或优化 对所选择的方案进行进一步的修改或优化，确定最终方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。 (5) 详细设计 (6) 技术设计 包括确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。 施工设计 包括零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。 上述步骤可反复进行，达到设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复进行，可以提高一次设计成功率。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 22 页 5 数控车床主轴系统设计 数控车床主传动系统的发展 近年来，随着数控加工技术的不断发展，数控车床的主传动系统也呈现 出一些新的发展趋势，如主轴转速的高速化、功能结构的复合化、柔性化。 高速主轴单元为适应数控加工高速化的发展，目前越来越多的高速数控车床采用了电主轴。电主轴又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和转矩，实现电动机、主轴的一体化功能。与传统主传动系统相比，电主轴的主要特点有： (1) 结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小、精度高； (2) 电主轴可在额定转速范围实现无级调速； (3) 可实现精确的主轴定位及轴传动功能； (4) 电主轴更易实 现高速化，其动态精度和动态稳定性更好； (5) 主轴运行更平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 高速电主轴所融合的技术主要包括以下几方面。 (1) 高速精密轴承 (2) 润滑技术 (3) 冷却技术 (4) 高速变频驱动 复合化和柔性化 随着数控车床对加工对象适应性的不断提高，数控车床的 设计发生了很大变化，并向着单元柔性化和系统柔性化方向发展。 数控车床的发展已经模糊了粗、精加工的工序概念，车削中心又把车、铣、镗、钻等工序集中到同一台机床上来完成，完全打破了传统工艺规程规定，由机床单一化走向多元化 、复合化。 由此可见，现代数控车床主传动系统的设计不限于只满足原有的基本要求，还要综合考虑现代制造对机床的整体要求，如制造控制、过程控制以及物料传输，以缩短产品的加工时间、周转时间、制造周期，最大限度地提高生产率 4 。 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 22 页 主传动系统的设计要求 现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无级调速范围；在切削加工中能自动变换速度，机床结构要简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。数控车床作为高度自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计一般应满足如下基本 要求。如图 图 征设计树 (1) 使用性能要求 首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 (2) 传递动力要求 主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。 (3) 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形特性稳定。 此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护 性能好；使用寿命长。 主传动系统的传动方式： 传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定个零件的实际尺寸和有关布置。为此，常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置与尺寸；然后按结构尺寸进行主要零件的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等，必要时作结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求，最后才能画正式装备图。 机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定的变速范围内均匀地、离散地分布着 有限级数的转速，变速级数一般不超过 2030级。这种传动方式主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速传动方式。无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用无级变速传动。 与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 22 页 范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式： (1) 由电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通 过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。 (2) 采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动。 (3) 采用分挡变速传动 采用分挡变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率特性与机床主轴功率特性的匹配。变速机构一般仍用齿轮副来实现。 主传动系统设计 运动设计 已知条件： (1) 确定转速范围：主轴最小转速 70r/轴最高转速 1400r/ (2) 齿轮换档转速级数 :z=6： 结构分析式 6 2 3 从电动机到主轴主要为降速传动，若使传动副较多的传动组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足传动副前多后少的原则 5 。在降速传动中，防止齿轮直径过大而使径向尺寸常限制最小传动比41i；在升速时为防止产生过大的噪音和震动常限制最大转速比 2i。在主传动链任一传动组的最大变速范围 108m a xm a x 设计时必须保证中间传动轴的变速范围最小 6 。 确定转速 (1) 选择电动机 一般车床若无特殊要求，多采用 据原则条件选择 功率为 双 速电机，转速为 1440 r/60 r/ (2) 分配总降速传动比 总降速传动比 i=n /n =76/1400=电动机转速 440 不符合转速数列标准，因而增加一定比传动副 7 。 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 22 页 (3) 确定传动轴轴数 传动轴轴数 = 变速组数 + 定比传动副 =3 (4) 确定各级转速并确定转速 由 n=76r/1=2=&3=4=5=6=定各级转速： 主电机转速为 1440r/轴转速依次为 :1400、 682、 427、 374、 208、 114r/电机转速为 960r/轴转速依次为 :933、 455、 285、 249、 139、 76r/四根轴中，除去电动机轴，其余三轴按传动顺序依次设为、。与、与。现由（主轴）开始，确定、轴的转速： 先来确定轴的转速 轴转速可能有： n=1440r/ 1375、 670、 367 n=960r/917、 447、 245 确定轴的转速 n=1440r/： 1037、 690r/此也可确定加在电动机与主轴之间的定传动比 71/144710/1440 i 。（电动机转速与主轴最高转速相近） 8 。 (5) 确定各变速组传动副齿数 轴齿轮齿数分别为： 42、双联齿轮 61、 28。 轴上的齿轮齿数分别为：双联齿轮 65、 46、 79、 57、 23。 轴上的齿轮齿数分别为： 57、 74。 动力设计 确定各轴转速 (1) 确定主轴计算转速：主轴的计算转速为 N=70r/2) 各传动轴的计算转速： 轴可从主轴 70r/4/23的传动副找上去，轴的计算转速 245r/的计算转速为 690r/ 主轴箱共设置四套变速操纵机构。共设有 4个电磁离合器，不同的离合器的工作与断开组合可实现 6种转速，主电机选双速电机，我们设计的机床一共有 12种转速。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 22 页 (a) 离合器合上，离合器合上，离合器断开，离合器断开，滑动齿轮 56处于左位。（主电机转速 n 1440， n=960 大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数5,2,6,7） 9 主电机转速为 1440r/1440 158/215 42/65 57/56=682r/=680r/=（ 682 5% 符合国家转速误差标准 主电机转速为 960r/960 158/215 42/65 57/56=455r/ 460r/=（ 4605% 符合国家转速误差标准 (b) 离合器合上，离合器合上，离合器断开，离合器断开，滑动齿轮 56处于右位。（主电机转速 n 1440， n=960,大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数5,2,4,3） 10 主电机转速为 1440r/1440 158/215 42/65 23/74=210r/210r/n =（ 2105% 主电机转速为 960r/960 158/215 42/65 23/74=139r/ 140r/=（ 140 5% 符合国家转速误差标准 (c) 离合器断开，离合器合上，离合器合上，离合器断开，滑动齿轮 56处于左位。（主电机转速 n 1440， n=960,大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数6,1,6,7） 11 主电机转速为 1440r/1440 158/215 61/46 57/56=1410r/ 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 22 页 1400r/05% 主电机转速为 960r/960 158/215 61/46 57/56=933r/930r/（ 933 5% 符合国家转速误差标准 (d) 离合器断开，离合器合上，离合器合上，离合器断开，滑动齿轮 56处于右位。（机床转速 n 1440， n=960,大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数 1=46,1,4,7） 主电机转速为 1440r/1440 158/215 61/46 27/74=427r/430r/（ 430 5% 主电机转速为 960r/960 158/215 61/46 27/74=335r/290r/（ 2905% 符合国家转速误差标准 12 (e) 离合器断开，离合器合 上，离合器断开，离合器合上，滑动齿轮 56处于左位。（主电机转速 n 1440， n=960,大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数8,9,6,7） 主电机转速为 1440r/1440 158/215 28/79 57/56=377r/ 370r/（ 3745% 主电机转速为 960r/960 158/215 28/79 57/56=249r/250r/（ 250 5% 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 22 页 符合国家转速误差标准 (f) 离合器断开，离合器合上，离合器断开，离合器合上，滑动齿轮 56处于右位 13 。 （主电机 转速 n 1440， n=960,大带轮 D=215,小带轮 d 158，效率系数 9,8,4,Z=23） 主电机转速为 1440r/1440 158/215 28/79 23/74=115r/ 110r/(114114= 5 主电机转速为 960r/960 158/215 28/79 23/74=76r/75r/ (7676= 5% 符合国家转速误差标准 由上得机床转速最高 1400r/低 70r/带传动设计 电动机转速 n=1440r/递功率 P=动比 i=班制， 一天运转 作年数 10年。 (1) 确定计算功率 取 A P=2) 选取 根据小带轮的转速和计算功率，选 B 型带。 (3) 确定带轮直径和验算带速 查表小带轮基准直径 d =158mm,d =158 i=158 15 验算带速成 = 10006011 其中 1n r/ 1d V=440158 m/s (4) 确定带传动的中心距和带的基准长度 设中心距为0a,则 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 22 页 0 55（ 21 ） a 2（ 21 ） 于是 a 746,初取中心距为 0 带长0L 02a+2 021221 4)()( =2 158215()215158(2/ 查表取相近的基准长度L =1390带传动实际中心距 =+2 0 =5) 验算小带轮的包角 一般小带轮的包角不应小于 120 。 1 12180 = 120合适。 (6) 确定带的根数 Z=p)( 00 其中： 0p- 1i 时传递功率的增量； ，查得的包角系数； 长度系数； 为避免 制根数不大于 10 14 。 Z=4 (7) 计算带的张紧力000kq 2v 其中： m/s； kg/m；取 q=m。 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 22 页 v = 1440r/ 11.9/s。 ( )+=8) 计算作用在轴上的压轴力 21a 2 =1530N 我们设计的数控车床的主轴是一个空心的阶梯轴，其内孔可用来通过棒料或卸顶尖时穿入所用的铁棒，也 可用于通过气功、电动或液压夹紧装置的机构。主轴前端的锥孔为莫氏 6号锥度，用来安装顶尖套及前顶尖；有时，也可以安装心轴，利用锥面配合的摩擦力直接带动心轴和工作转动。 主轴前端采用短锥法兰式结构。它的作用是安装卡盘和拨盘，它以短锥和轴肩端面作定位面。卡盘、拨盘等夹具通过卡盘座，用四个螺栓固定在主轴上。安装卡盘时只需将预先拧紧在卡盘上的螺栓连同螺母一起，从主轴轴肩和锁紧盘上的孔中穿过，然后将锁紧盘转过一个角度，使螺栓进入锁紧盘上宽度较窄的圆弧槽内，把螺母卡住，然后再把螺母拧紧，就可把卡盘等夹具紧固在主轴上。这种主 轴轴端结构的定心精度高，连接刚度好，卡盘悬伸长度短，装卸卡盘也比较方便，因此，在新型车床上应用很普通。 主轴安装在两支承上，前支承为 精度的双列圆柱滚珠轴承，用于承受径向力。轴承内环和主轴之间有 1： 12锥度相配合。当内环与主轴在轴向相对移动时，内环可产生弹性膨胀或收缩，以调整轴承的径向间隙大小，调整后用圆形螺母锁紧。前支承处装有阻尼套筒，内套装在主轴上，外套装在前支承座孔内。中充满了润滑油，能有效地抑制振动，提高主轴的动态性能。 后轴承由一个推力球轴承和角接触球轴承组 成，分别用以承受轴向力（左、右）和径向力。同理，轴承的间隙和预紧可以用主轴尾端的螺母调整。 主轴前后支承的润滑，都是由润滑油泵供油。润滑油通过进油孔对轴承进行充分的润滑，并带走轴承运转所产生的热量。为了避免漏油，前后支承采用了油沟式密封。主轴旋转时，由于离心力的作用，油液就沿着斜面（朝箱内方向）被甩到轴承端盖的接油槽内，由孔流向主轴箱。 主轴上装有三个齿轮，右端的斜齿圆柱齿轮 Z（ 74， m 旋角 8 4751，左旋）空套在主轴上。采用斜齿齿轮可以使主轴运转比较平衡，传动时此齿轮作用在主轴上的轴 向力与进给力 方向相反，因此，可以减少主轴前支承所承受 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 22 页 的轴向力。中间的齿轮 时可用手转动主轴，以便于测量主轴回转精度及装夹时正等工作。左端的齿轮 于将主轴旋转信号传给编码器，以实现螺纹加工。 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 22 页 6 主轴组件的性能要求 主轴组件是机床主要部件之一。由于主轴组件直接承受切削力，转速范围又很大，因而数控机床的加工质量很大程度上要靠它保证。据统计，相对于机床的其他部件，主轴组件对加工综合误差的影响在通常 情况下要占 30% 40%，严重时可达 60% 80%。因此，数控机床设计对主轴组件提出了很高的要求。主轴组件的性能包括以下几方面。 (1) 精度 主轴组件的精度包括旋转精度和运动精度 15 。 旋转精度是指装配后的部件在无载或低速转动条件下，轴锥孔中心线的径向跳动：近主轴端 300 板移动对主轴中心线不平行度：上母线 母线 许向操作者；小刀架移动对主轴中心线的不平行度： 主轴的轴向窜动： 轴轴肩支撑面的跳动： 轴锥孔中心线 和尾架套筒伸出方向的不平行度：上母线 00 只许向上，侧母线 00 只许向操作者； 主轴锥孔中心线和尾架套筒锥孔中心线对溜板移动的不等高度 (2) 静态刚度 主轴组件的静态刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力，又分为抗弯和扭转两种刚度。数控机床多采用抗弯刚度作为衡量主轴组件刚度的指标。 (3) 抗振性 抗振性包括抵抗受迫振动的能力和抵抗自激振动的能力。有时也把抵抗受迫振动的能力称为动刚度，此时，抗振性仅指抵抗自激振动的能力。 (4) 热稳定性 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膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。 (5) 耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以便能长期保持精度。 传动轴除了应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此，疲劳强度不是主要矛盾。除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的 强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形。如果刚度不足，轴上的零件如齿轮、轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪声、发热、过早磨损而 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 22 页 失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 7 主轴结构及热处理要求 主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构形状和尺寸、制造精度、材料及其热处理，对主轴组件的工作性能都有很大影响。 (1) 主轴的结构形状 主轴的结构形状主要取决于轴上所安装的零件、轴承、传动件及夹具等的类型、数目、位置、安装定位方式等，也考虑其工艺性要求。主轴通常是一个前粗后细的阶梯轴 ，即轴径尺寸从前轴颈起，向后逐渐缩小。这样的结构，是为了适应主轴各段承受的不同载荷，以满足刚度要求，同时也为其上的多个零件提供足够的安装、定位及止推面，同时也有利于加工和装配。 数控车床主轴的轴端通常用于安装夹具，要求夹具在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式。 (2) 主轴的材料和热处理 选择主轴材料与热处理方法，主要依据主轴部件的工作条件及结构特点，即应满足主轴对刚度、强度、耐磨性、精度等方面的具体要求。 (3) 主轴主要精度指标 主轴的 精度直接影响到主轴部件的旋转精度。主轴的轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度。因此，设计主轴时，必须根据机床精度标准有关的项目制定合理的技术要求。 主轴主要精度指标有：前支承轴颈的同轴度约 5右；轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈 15孔与轴承轴颈的同轴度为 35锥面的接触面积不小于 80%，且大端接触较好；装 调心圆柱滚子轴承的 1： 2 锥面，与轴承内圈接触面积不小于 85%。 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 22 页 结束语 车床主轴系统 设计的课程设计任务完成了，虽然设计的过程比较繁琐，而且刚开始还有些不知所措，但是在同学们的共同努力下，再加上老师的悉心指导，我终于顺利地完成了这次设计任务。本次设计巩固
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