毕业设计（论文）-液压缸变速式数控车床主传动系统设计.doc

液压缸变速式数控车床主传动系统设计 design on the main axle driving system of cnc controled by the hydraulic cylinder 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期：二 00 九年六月十日 济南大学泉城学院 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - i - 摘 要 数控机床是现代化机械制造企业所必需的重要设备。数控技术,plc 技术、 工业机器人并称为工业自动控制的三大支柱. 发展数控技术是为了克服人类操作者的局限性，而且他确实完成了这项工 作。数控机床比人工操作的普通机床精度更高，生产出的零件一致性更好，生 产速度更快，而且长期的工艺装备成本更低。数字控制还使得比他们采用人工 操纵的前辈们的用途更广泛。一台数控机床可以自动生产很多种类的零件，每 一个零件都可以有不同的和复杂的加工过程。 本设计自动变速装置是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来 实现变速的，从而能够达到主轴的大变速范围。机床主轴驱动采用交流变频调 速电机。 关键词：数控机床； 无级变速；液压缸 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - ii - abstract the numerical control engine tools is the important equipment which the modernized machine manufacture enterprise must.the numerical control technology, plc technology, industry robot are the three big important part. the development numerical control technology is for overcome the human operators limitation, moreover he has completed this work truly. the numerical control engine bed is higher than the manual control ordinary engine bed precision, the components uniformity which produces is better, the production speed is quicker, moreover the long-term craft equipment cost is lower. the numerical control also causes them to use the manual control the senior use to be more widespread than. a numerical control engine bed may the automatic production very many type components, each components all be possible to have different and the complex processing. this design of automatic transmission is base on hydraulic cylinders, piston rod fork- led movement to promote the realization of sliding gear transmission and change the rotational speed, thus can achieve the main axle the big speed change scope. the engine bed main axle actuates to use the exchange frequency conversion velocity modulation electrical machinery. key words：cnc machine；cvt；hydraulic cylinder 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - iii - 目 录 摘要. .i abstract.ii 1 前言.1 1.1 数控机床的发展史.1 1.2 数控机床的工作原理.3 1.2.1 数控机床的构成.3 1.2.2 数控系统的分类.3 1.3 数控机床的优点.4 2 数控机床的主传动系统.5 2.1 数控机床主动的传动形式5 2.2 本设计主传动系统方案.6 3 轴的设计. 10 3.1 轴设计的主要内容. . .10 3.2 轴的结构设计. 11 3.2.1 轴上零件的定位.11 3.2.2 主轴端部的结构和主轴的支承.13 3.3 轴的材料和工艺性. .13 3.4 主轴的技术要求和直径的估算. .14 3.4.1 轴的技术要求. .14 3.4.2 轴的估算. .15 4 带轮的设计. 16 4.1 带传动的类型. .16 4.2 v 带轮设计计算. 16 5 齿轮的设计.18 5.1 确定齿轮齿数的原则和要求.18 5.2 齿轮齿数的确定齿轮模数的估算.19 6 轴承和编码器的选择.20 6.1 轴承的选择.20 6.2 编码器的选择.24 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - iv - 结论.25 致谢.26 参考文献.27 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - 1 - 1 前言 1.1 数控机床的发展史 数控机床是多品种小批量生产的高效自动化的技术群体。数控机床主要组 成部分是数控车床、加工中心、数控磨床、数控铣床和数控电加工机床。它是 把多工序加工、切削处理、刀具磨损和测量等各种功能集为一体的自动化机床。 数控机床经济性能好，生产效率高，广泛地受到机械加工 制造业的欢迎。 随着市场经济的发展，市场不断地对产品提出了多样化和商品流通快的要 求，这就要求厂家将大量的工件采用集约化的形式生产出来。这样就出现了高 效率、高精度的数控机床。随着生产规模的扩大，数控机床得到了蓬勃的发展。 数控机床首先诞生在飞机制造业上。1947年，美国parsons公司的john parsons开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行实验，加工飞机 零件。1949年，美国johntparsons为了制造飞机机翼轮廓的板状样板，用 手工制作非常复杂，就提出了在坐标键床上用脉冲信号控制加工的方法，这就 是数控机床诞生的出发点。parsons和麻省理工学院的伺服机构研究所于1951年 研制成功数控三坐标铣床，1955年用于制造航空零件的数控铣床正式问世。 1956年日本富式通公司研制成功数控转塔式冲床。美国g科技投入严重不足，新产品开发能力弱;产品质量不稳定，服务跟不上;外向 型经济发展滞后，引进技术不力等等。 数控机床在我国的使用还是上世纪八十年代初的事，到1981年我国仅有数 控机床891台，而当时日本拥有25926台，原苏联10100台，美国8945台。经过十 年到1990年，我国拥有数控机床量达到3296台而fl本已达到6169台。又经过近 十年，到1998年我国各行业共拥有数控机床13万台。 数控机床的技术水平高低、技术构成状况和拥有量的多少，是衡量一个国 家工业现代化水平的重要标志。我国数控机床占机床总拥有量的比重(即数控化 率)、拥有数量也只相当于工业发达国家 80 年代到 90 年代初的水平。 科学技术的发展和社会经济的进步对现代机械制造技术提出了许多新的和 更高的要求:如要求制造技术必需具有实现高精度和稳定地加工复杂形状零件表 面的能力;要求企业的制造技术必需具有尽可能大的柔性(灵活性)，能根据市场 需求的变化快速调整自己的产品生产，提高企业的竞争能力;要求现代制造技术 必需能高度自动化，以便能在较长的时间(24h-72h或更长的时间)内实现“无人” 或少人参与的安全生产;要求现代制造技术能不受专家条件的限制和生产过程更 好的优化，逐步实现智能化的制造技术(imt)和智能化的制造系统(ims)。 所有上述的对现代机械制造技术的要求，显然普通机床和刚性自动化设备， 都是不可能综合满足的，只有现代的数控机床才能担此重任。因为数控机床是 电子技术、信息技术和机床技术相结合的产物，其本质上是“数据驱动”和软 件控制的自动化设备，并且正朝着“知识驱动”的智能化发展。与传统的普通 机床比，现代数控机床有许多优点和特点。最大的特点是加工复杂的零件不要 求专门的工夹具，生产准备周期短;加工过程所需的运动和动作，包括切削速度 和进给量的改变，刀具的更换和补偿，工件的上、下和装夹，润滑油和冷却液 的供给等，全部可以编入程序并按程序执行，不需人的参与;定位误差，刀具误 差，环境温度变化和重力变形带 来的误差等，均可以通过专门设定的模型进行 补偿，还可以通过数控系统赋予数控机床其他功能，如检测监控功能，诊断功 能，自动编程功能等。这就意味着现代数控机床具有较高的加工精度和效率， 更高的柔性自动化程度，更易于集成为具有更好综合性能的制造单元和制造系 统，并向智能化发展，基本上都满足了现代机械制造技术的要求。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - 3 - 1.2 数控机床的工作原理 数控机床加工零件时，首先应根据零件图纸编制零件的数控加工程序，将 数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床的变速、启停，进给运动的 方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具的选择与冷却与润滑的启停等辅助 动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格的按照程序规定的顺序、路线和参数 进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等的零件。 1.2.1 数控机床的构成 （1）、主传动系统，其功用是实现主运动。 （2）、进给系统，其功用是实现进给运动。 （3）、机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是 支撑机床本体的零部件，并保证这些零部件在切削加工过程中的准确 位置。 （4）、实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压，气动，润滑，排 屑 （5）、实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。 （6）、刀库、刀架和自动换刀装置（atc）。 （7）、自动托盘交换装置（aoc）。 （8）、特殊功能装置，如刀具破损检测等。 1.2.2 数控系统的分类 按伺服系统的控制方式分为：开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系 统通常以步进电机或电液伺服马达为驱动元件。输入的数据经过数控系统的运 算分配指令脉冲，每一个脉冲送给换形分配器驱动步进电机或电液伺服马达， 使其转动一个角度带动传动机构，从而使被控制对象移动。这种方式对实际传 动机构的动作完成与否不进行检查，驱动控制指令发送出去后不再反馈回数控 系统。闭环控制系统在数控设备的运动部件上装有测量元件，测运动部件的位 置、速度信息及时反馈给伺服系统，伺服系统将指令位置、速度信息与实际情 况比较并发出补偿命令。 1 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 - 4 - 1.3 数控机床的优缺点 (1) . 数控机床的优点： .提高生产率； .完成没有 nc 机床就不能或部分不能进行的加工； .降低刀具、夹具的库存量及费用； .调整时间短； .减少零件库存； .精度高； .减少零件的搬运； .重复加工零件的一致性好； .质量容易控制； .制造过程的控制易于改进。 (2). 数控机床的缺点 .电器维护难度大； .一次性投资大； .每小时的运行费用高； .现有人员的培训。 尽管上述没有列出数控机床的所有优、缺点，但能够给出数控机床适用加工种 类的大体思路。nc 机床的研制始用于飞机制造工业，后来广泛应用于制造业。 cnc 机床 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 5 2 数控机床的主传动系统 数控机床的主传动系统的特点 与普通机床相比，数控机床主传动系统有以下特点： (1).转速高、功率大 它能使数控机床进行大功率车削和高速车削，实现高效率加工。 (2).变速范围广 数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，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。 (3).主轴变换迅速可靠 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。由于支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，而且减少了中间环节，提高了变速控制的可靠性。 (4).主轴组件的耐磨性高 这样就能使传动系统长期保证精度。凡是机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都 有足够的硬度，轴承出有良好的润滑。 2.1 数控机床主运动的传动形式 源于主轴电机的动力和运动需要经过一系列的传动元件传给机床主轴，以实现 运动。由主轴电机，一些列传动元件和主轴构成的 具有运动传动联系的系统称为主 运动系统。 2 由于数控机床采用交流或直流调速电机作为主轴电机，主要由电机来实现主运 动的调速，使 的数控机床的主传动系统的结构大大简化。数控机床主传动系统主要 有三种传动形式如图。 （1） 变速齿轮的主传动（图 a） 这是大中型数控机床采用的较多的一种传动形式。主轴电机到主轴经一级或二 级齿轮变速组进行传动，其中目的一是降速，扩大输出扭矩，二是变速，扩大调速 范围，特别是主轴恒公率输出的调速范围，以满足 （2）通过皮带传动的主传动 (图 b) 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 6 主要应用在小型数控机床上。这种传动形式平稳，结构简单，安装调试方便， 但是只适合用于低扭矩特性要求的主轴，且调速范围比受到电机调速范围比的约束。 （3）由调速电机直接驱动的主传动 （图 c） 这种住传动形式有两种类型。一种如图所示，主轴电机输出轴通过精密连轴器 直接与主轴连接，其优点是结构紧凑，传动效率高，但是主轴转速的变化及转矩的 输出完全与电机的输出特性一致，因而在使用上受到一定的限制。随着主轴电机性 能的提高，这种形式越来越被采用。另一种,主轴与电机转子合为一体，称为内装电 机主轴。这种形式的优点是主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可以提高启动， 停止的响应频率和主轴部件的刚度，并有利于控制震动和噪声，但是电机发热对主 轴的精度影响较大。因此，温度的控制和冷却是使用内装电机主轴的关键问题。 图 c 图 a 图 b 2.2 本设计主传动系统方案 综合以上资料，为满足设计的需要应选用交流无级调速主轴电机后串联分级变 速机构,电动机输出经同步齿形带传递给主轴变速箱，滑移齿轮的位移可采用液压缸、 活塞杆拨叉推动齿轮实现。同时，在主传动系统中安装主轴脉冲编码器，它与主轴 的转速相同，以实现对转速的控制以及满足主轴运动和刀架位移之间的关系。 参数：主轴最高转速 2400r/min，最低转速 40r/min,计算转速 nj=210r/min， 采用交流变频主轴电动机，额定转速为 1500r/min，最高转速为 5040r/min， 最低转速为 310r/min。 主轴电 机 主轴电机 主轴电机 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 7 可见，调频电动机的很功率变速范围为 5040/1500=3.56，而主轴要求的很功率 伴随范围为 2400/210=11.43，显然电动机不能满足主轴所要求很功率段的变速范围。 所以在设计时不能依据总变速范围（最高转速和最低转速之比）来设计主运动系统， 而应该考虑电动机和主轴性能的匹配。 3 现主轴恒功率调速范围为 43.11 210 2400 max 计n n k 而电动机恒功率调速范围为 36 . 3 1500 5040 )( )( max 电额 电 电 n n k 为了使主轴和电动机的很功率匹配，现通过增加两组齿轮变速来满足。该两组 齿轮即扩大了电动机恒功率调速。 具体如下： 由上图可知，当电机转速为 1500r/min 时，经分级变速箱、主轴可得到 718r/min 到 210r/min 范围内的各种转速。当电机转速升至 5040r/min 时，分级变速箱转速也 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 8 随之上升到 718r/min 到 2400r/min，这是恒功率调速区。电机恒功率调速范围扩大到 主轴的恒功率调速范围 11.4。电机由 1500r/min-300r/min，主轴由 140r/min-40r/min 时恒扭矩调速。 现在考虑到实际情况，采用一对定比齿轮和一对双联滑移齿轮变速，以简化分 级变速箱结构和自动化。取 z=3 lg=。 f 35 . 0 lg z rnp 当电机为 1500r/min 时，经分级变速箱、主轴得到 210r/min(低端)- 718r/min（高端）范围内的各种转速。 当电机转速升至 4500r/min 时，主轴的低端转速由 210r/min 升到 718r/min，主 轴高端转速由 718r/min 升到 2400r/min，这是恒功率调速区。当电机由 1500r/min 向 下调速（恒转矩）时，分级变速机构将主轴上的 718r/min（高端）和 210r/min（低 端）也同时向下进行恒转矩调速。为了使恒扭矩之间仍能得到要求的切削功率，电 机的切削功率只能选的大一些。电动机功率 p=5.5kw，可选用 yp132m-4 型交流主 轴电机。 主传动系统简图： 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 9 从 210 r/min718 r/min 采用变速齿轮组为 21/54 的一组齿轮啮合。从 718 r/min2400 r/min 采用变速齿轮为 50/38 的一组齿轮啮合。在(主) （主） min n计n 时（恒扭矩运行），一般就用 21/54 这组齿轮啮合。 通过上述分析可知，用机械结构来实现主轴与电动机的匹配，在实际中是可行 的，单带来的缺点是主轴箱的结构要复杂一些。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 10 3 轴的设计 3.1 轴设计的主要内容 轴的结构设计是根据主轴上零件的安装、定位以及主轴的制造工艺等方面的要 求，合理的确定主轴的结构形式和尺寸。主轴的结构设计不合理，会影响主轴的工 作能力和洲上零件的工作可靠性，还会增加主轴的制造成本和主轴上零件装配的困 难等。因此，主轴的结构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度，刚度和振动稳定性等方面的计算。多速情 况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这是只要对轴进行强度计算，以防止断 裂或塑性变形。而对刚度要求高的主轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以 防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以 防止发生共振而破坏。 主轴部件是在主运动的执行部件，它夹执刀具或工件，并带动其旋转。数控机 床主轴部件的精度，静，动刚度，热变形对加工质量有直接的影响。主轴部件包括 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 11 主轴，主轴的支撑以及安装在主轴上的传动零件，对于自动换刀数控机床，主轴部 件中还装有刀具自动夹紧装置，切削清除装置和主轴准停装置。 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛胚多数用轧钢制圆钢和锻件，有的则 直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热 处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛， 其中最常用是的 45 号钢。我的设计主轴用 45 号钢。 合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力， 并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴， 常采用合金钢。 必须指出：在一般工作温度下（低于 200 摄氏度），各种碳钢和合金钢的弹性 模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度 与耐磨性，而不是轴的弯曲强度或扭曲强度。但也应注意，在既定条件下，有时也 可选择强度较低的钢材，而用适当增加轴的截面面积的方法来提高轴的刚度。 3.2 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构设计。 轴的结构设计主要决定于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装 的零件的类型、尺寸、数量以及和轴的连接方法；载荷的性质、大小、方向及分布 情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具 体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进 4 行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装载轴上的零 件要有准确的工作位置；轴上的零件应变预装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺 星等。下面讨论轴的结构设计中要解决的几个主要问题。 3.2.1轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动 或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 (1)零件的轴向定位 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 12 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证 的。 轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用 轴肩就必然会是轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外， 轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的 高度 h 一般取为 h=(0.07-0.1)d，d 为与零件相配处的直径，单位为 mm。滚动轴承 的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便于拆卸轴承，轴肩的高度可查 手册中轴承的安装尺寸。为了使零件能靠近轴肩而得到准确可靠的定位，轴肩处的 过渡圆角半径 r 必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径 r 或倒角尺寸 c。 套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响 轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜 采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的 转速很高时，也不宜采用套筒定位。 轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺 钉固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆柱销锁定轴端挡圈可采用双 螺钉加止动垫片防松等固定方法。 圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的 疲劳强度，故一般用于固定轴端零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫圈两周形式。 当轴上两零件的间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。 轴承端盖用螺钉或槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情 况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。 利用弹性挡圈、紧定螺钉及锁定挡圈等进行轴向定位，只适用于零件上的轴向 力不大之处。紧定螺钉和锁紧挡圈常用于光轴上零件的定位。此外，对于承受冲击 载荷和同心度要求较高的轴端零件，也可以采用圆锥面定位。 (2) 零件的周向定位 周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、 花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中锁定螺钉只用在传力不大之处。 (3) 各轴段直径和长度的确定 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 13 零件在轴上的定位和装拆方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段所需的直 径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，通常还不知道支反力的作用点， 不能确定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力 来确定轴的直径。但在进行轴的结构设计前，通常已能求得轴所受的扭矩。因此， 可按轴所受的扭矩初步估算轴所需的直径。将初步求出的直径作为承受扭矩的轴段 的最小直径 dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从 dmin处起注意确定 各短轴的直径。在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验去定，或参考同类机 器用类比的方法确定。 为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在 配合轴段前应采用较小的直径。为了使宇轴做过盈配合的零件易于装配，相配轴段 的压入段应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。 确定各轴段的长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整 空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要 的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴 段长度一般应比轮毂长度短 2-3mm. 3.2.2 主轴端部的结构和主轴的支承 (1) 主轴端部的结构 主轴端部用与按装刀具或者夹持工件的夹具。在结构上，能够保证定位准确， 安装可靠，连接牢固，装卸方便，并能够传递足够的扭矩。主轴端部的结构都已经 标准化。车床的主轴端部前端的圆锥面和凸缘面为安装卡盘的定为面；拨销用于传 递扭矩；安装卡盘时，卡盘上的固定螺栓连同螺母从凸缘孔中穿过。转过快卸卡盘 同时将几个螺栓卡住，在拧紧螺母。 (2)主轴的支承 数控机床的主轴支承根据主轴部件的性能（转速，承载能力，回转精度等）要 求不同而采用不同种类的轴承。一般中小数控机床（如车床，铣床，加工中心等） 的主轴部件多数采用滚动轴承；重型数控机床采用液体静压轴承；高精度数控机床 采用气体静压轴承；更高转速的主轴可以采用磁力轴承或陶瓷滚动轴承。不同类型 的主轴轴承的优缺点不同。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 14 采用滚动轴承作为主轴支承时候，可以有许多种不同的配置形式。目前数控机 床主轴轴承的配置形式主要有以下几种： 前支承采用双列圆柱磙子轴承和角接触推力双列向心轴承，承受径向力和 轴向力，这种配置在中等转速的数控机床应用普遍。 前支承采用角接触球轴承，由 2 或者 3 个轴承组成一套背靠背安装能够承 受轴向和径向力；后支撑采用双列圆柱滚子轴承。这种适合转速高，重载荷， 主轴端部精度好 后支撑采用成组角接触球轴承，用以承受径向和轴向力，这种配置多用于轻载， 精密数控机床。 3.3 轴的材料和工艺性 轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，并且生产率 高,成本低。一般地说，轴的结构越简单，轴的工艺性越好。因此，在满足使用要求 的前提下，轴的结构形式应尽量简化。 为了便于装配零件并去除毛刺、轴端应制出 45 度的倒角；需要磨削加工的轴段， 应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。它们的尺寸可参看标准 或手册。 为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上。 为了减少加工道具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽 度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。 (1)为了提高周的强度和韧性，轴的材料选用45和40cr，进行调质处理或局部表 面淬硬处理。 (2)为了得到高强度的表面硬度，增加耐磨性，可以选用20cr渗碳后淬火淬硬； 如果精度不够可以选用gcr15挑质后表面淬硬处理。 (3)精密机床主轴，要求精度保持好，应该进行热处理后残余应力小的材料，例 如10cr,65mn，进行调质后局部淬硬处理。 (4)高精度和高速度机床主轴，要求很高的耐磨性，精度，可以选用热 处理后 能够得到极高硬度和小变形的材料。 5 本设计主轴采用材料45钢，调质处理。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 15 3.4 主轴的技术要求和直径的估算 3.4.1. 轴的技术要求 （1）对轴颈的技术要求 .轴承轴颈和滚动轴承的配合，几何形状的偏差及粗糙度，如果采用 3182100 型轴承，则必须保证轴颈的锥度与轴承 1：12 锥孔的一致性。 .主轴前，后轴承轴颈中心的连线是主轴工作时候的回转中心线，因此要求两 个轴承的同轴度。以一个轴颈度对另一个轴颈的圆跳动，径向跳动。 （2）主轴对锥孔的技术要求 主轴孔与轴承检验时候的基准，也是安装式的基准因此要求如下： .主轴孔与轴承轴颈的同轴度。一锥孔端面距离端部出处的径向跳动。 .主轴锥孔表面用标准涂色检查，要求一定的接触率。 （3）其他部分的技术要求 .传动件定新轴颈的配合类型，粗糙度和径向跳动。 .轴承的传动件的止推轴肩面向对于前后轴颈的中心连线轴向跳动。 .连接传动件的花键和平键，要规定与主轴中心的平行度和对称度。 .锁紧轴承和传动件的螺纹要规定精度等级，有的还规定装上螺母后检验前后 端对中心连线的端面跳动。 . 为了防止划伤其他零件，自由表面的粗糙度不能过低，当主轴转速大于 600r/min 时候，粗糙度不低于 6 级。 7 . 线速度大于 3m/s 时候主轴部件要进行平衡。 3.4.2 轴的估算 轴的计算通常都是在完成结构设计后进行算，计算准则是满足轴的强度或刚度 要求，必要的时候还应校核轴的振动稳定性。 估算轴的直径 根据公式 轴的材料为45钢，调质处理，取=112。 3 0min n p ad 0 a i 轴 mm 6 . 21 2 1 1500 96 . 0 5 . 5 112 3 3 1 1 0min n p ad ii 轴 mm 8 . 23 38 . 1 1 2 1 1500 99 . 0 96 . 0 5 . 5 112 3 3 2 2 0min n p ad 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 16 iii 轴 mm 6 . 32 210 99 . 0 96 . 0 5 . 5 112 3 2 3 3 3 0min n p ad 主轴的直径最小为32.6mm，为了达到主轴要求的强度和刚度要求，主轴前端直 径选为90mm。 4 带轮的设计带轮的设计 4.1 带传动的类型 在带传动中，常用的有平带传动，v 带传动，多楔带传动和同步带传动等。 平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。 常用的平带有帆布芯平带、编织平带、锦纶片复合平带等数种。其中以帆布芯平带 应用最广。在一般机械传动中，应用最广的是 v 带传动。 v 带的横街城等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，v 带只和轮槽的两个侧 面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，v 带传 动较平带能产生更大的摩擦力。这是 v 带传动性能上的最主要优点。因而 v 带传动 的应用逼平带传动广泛的多。 多锲带兼有平带和 v 带的优点；柔韧性好，摩擦力大，能传递的功率大，并解 决了多根 v 带长短不一而使各带受力不均的问题。多锲带主要用于传递功率较大而 且结构要求紧凑的场合，传动比可达 10，带速可达 40r/s。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 17 v 带由普通 v 带，窄 v 带、联组 v 带，齿形 v 带、大锲角 v 带、宽 v 带等多种 类型，其中普通 v 带应用最广，近年来窄 v 带也得到广泛的使用。 标准普通 v 带都制成无接头的环形。其结构由顶胶、抗拉体，底胶和包布等部 分组成。抗拉体的结构分为帘布芯 v 带和绳芯 v 带两种。帘布芯 v 带，制造方便。 绳芯 v 带柔韧性好，抗弯强度高，适用于转速较高，载荷不大和带轮直径较小的场 合。窄 v 带式用合成纤维绳作抗拉体，与普通 v 带相比，当高度相同时，窄 v 带的 宽度约缩小 1/3。而承载能力可提高 1.5-2.5 倍，适用于传递动力而又要求传动装 置紧凑的场合。 4.2v带轮设计计算 （1）.确定计算功率pca 计算功率p是根据传递的功率和载荷性质和每天的工作情况 ca p=kap ka是工作情况系数 p=5.5kw 查表8-6得ka =1.1 ca p=kap= p=1.3 4=6.05kw caca （2）.选择带型 根据计算转速和小带轮转速选择窄v带 （3）. 确定带轮的基准直径dd1和dd2 根据v带轮来型参考表8-3和8-7 初选小带轮直径 dd1=80mm 验算带的速度 v1=6.28=2m 2 1 标准直齿圆柱齿轮的最小根圆直径 dmin=m(zmin-2.5) 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 19 带入上式得 zmin=6.5+=6.5+ m t2 m t2 式中, zmin齿轮的最小齿数； m齿轮的模数； t键槽顶面至齿轮轴线的高度； d齿轮花键孔大径,d=2t。 齿轮传动设计参数的选择 （1）.压力角的选择 我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为=。本工作台的设计20 中，一对啮合直齿圆柱齿轮的压力角均取=。20 （2）.齿数的选择 保持中心距不变的情况下，增加齿数，除能增加重合度，改善传动的平稳外，a 还可以减少模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减少冲击振动，以齿数 多一些为好，小齿轮的齿数可 z1=20-40，小齿轮确定后，按齿数比确定大 12/ z zu 齿轮的齿数。为了使各个相啮合的齿相对磨损均匀，传动平稳，与一般是互为 2 z 1 z 质数。 5.2齿轮齿数的确定齿轮模数的估算 （1） 齿数的确定 本设计中 i 轴上齿轮=32；ii 轴上齿轮=44；双联滑移齿轮中小齿轮 1 z 2 z =21，大齿轮=50；iii 轴上的双联齿轮中小齿轮=38，大齿轮=54。 3 z 4 z 5 z 6 z 齿宽系数一般取 6-10。本设计中取 8。 d d （2） 齿轮模数的估算 在机床变速箱中同一变速组的齿轮一般取同一模数，选择负荷载荷最重的小齿 轮数估算 =16300 j m 3 )1( 2 1jm d nz p -接触疲劳强度估算的齿轮模数 j m -驱动电动机功率 d p 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 20 -被计算齿轮 j n z1 -齿轮的齿数 -齿宽系数 m 本设计中最小齿轮为21，查表得=1100 mpa =50/21=2.38 j =16300 j m 3 150110038. 2217 5 . 5) 138 . 2 ( 22 =2.96 本设计中主轴上双联滑移齿轮中小齿轮取模数m=3，齿宽b=20；大齿轮模数m=3.5， 齿宽b=23。i轴和ii轴上的一对齿轮模数m=3，齿宽b=20。 6 轴承和编码器的选择 6.1. 轴承的选择 溜板箱由轴、轴承、传动件（如齿轮）和一些标准件（如螺母）等组成。设计 机床一般轴用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类，从旋转精度来看，两大类轴承 都能满足要求。 滚动轴承的优点是： (1)滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作； (2)滚动轴承能在无间隙甚至预紧的条件下工作； (3)滚动轴承的磨擦系数很小，有利于减少发热； (4)滚动轴承润滑容易，可以使用油润滑，也可以使用脂润滑； 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 21 (5)滚动轴承由轴承厂生产，可以外购。 滚动轴承也有缺点： (1) 滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的，这是引 起振动的主要原因之一； (2) 滚动轴承的阻尼低； (3)滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。 根据以上分析可知，轴受径向力不受轴向力，采用深沟球轴承；轴既承 受较大的径向力又承受较大的轴向力，且为双向轴向力，选用双列圆柱滚子轴承和 背对背的 角接触球轴承。 在不提高各轴与轴承加工精度的条件下，要提高轴的旋转精度，可以采用定向 装配法（又称对点装配法）。这种装配方法的关键是用轴承的误差补偿主轴的误差。 在各轴装配之前，首先进行各轴检验和轴承检验，为定向装配做准备。 (1)轴检验 主要使用平板、v 型快、量块、指示标及磁性表架等对轴的形位误差进行检验。 测量时以轴心线和端面作为基准，用 v 形块来模拟轴心线基准，测出被测实际要素 上各点基于模拟基准的变动量，从而计算其误差。检验项目有：径向圆跳动误差、 端面圆跳动误差及键槽的对称度误差。 (2) 滚动轴承的安装方法 滚动轴承装配方法有机械压装法，手工装配法和热装法。无论采用那一种装配 方法，都不能让受到压力和擦伤配合表面，或产生卡死和歪斜现象。所施加的外力， 应均匀的加在轴承的内环和外环上。装配时应使用专用工具，不允许用手锤直接敲 打。 机械压装法 大都利用压力机，并借用辅具或衬垫，衬垫放在轴承与压杆之 间，加压后把轴承装入箱体孔内或轴颈上。此种方法安装轴承，由于使用辅具压轴 承，轴承承受力均匀，装配时可避免歪斜和掉入杂质，因而能够提高装配质量。并 且安装迅速，操作简捷，能够降低劳动强度。此法适合用于过盈量较大的轴承的装 配。 热装法 热装法是将轴承放在油或水为介质的容器中加热，使其内环受热膨 胀，从而将轴承装在轴上。加热温度，应控制在 100 摄氏度左右（油温 90 摄氏度左 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 22 右），不宜过高，保温 15 至 20 分钟。假若加热温度超过 140 摄氏度，将会使轴承 的抗磨性降低。如果轴承保持器是塑料的，只宜用水加热。 前支承采用 3 个超精密级角接触球轴承组合力式，最适应高速化要求，且因轴 承精度高，能保证较高的回转精度。3 个轴承的组合形式根据载荷大小和最高转 9 速以及结构设计要求，可以是如图 52所示组合形式也可以是 3 个轴承都挨着 10 的结构形式。后支承结构用两个角接触球轴承支承局或一个调心圆柱滚子轴承支承 的，如图。 由于在运转中发热，主轴必然产生热膨胀。为了吸收这个热胀量，希望后支承 能在轴向移动。调心圆柱滚子轴承正好具有这个机能，而角接触球轴承则由于施加 了预紧，轴向不能移动容易使轴承受损。因此从提高后支承刚性和适应主袖热胀时 后端能自由移动要求来说，后支承用圆柱滚子轴承为好 。 （1）. 主轴轴承润滑方式 主轴轴承润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。 下面将分别论述上述各种润滑方式。 油脂润滑方式 这是目前在加工中心的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别在前支承轴承上更 是常用。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系，那么后支承袖承和其它轴承，亦 采用油脂润滑方式。 所用油脂种类：高级锂基油脂或德国产 nbu-15 型油脂。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 23 主轴轴承油脂封入量，通常为轴承空间容积 10，切忌随意境满。油脂过多， 会加剧主轴发热。 采用油脂润滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或润滑油液进到轴 承中去。 主轴前端密封方式，除采用迷宫式密封方式外，对卧式主轴还在前会兰盖下端 加一个泄漏孔，而后端密封则既可以是与前端类似方式，也可以是特殊的密封圈 密封。 油液循环润滑方式 在中等转速的加工中心主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有法国 gamet 轴承主轴，即可使用这种方式。对一般轴承来说，在主轴后支承上采用这冲润滑 方式比较常见。 油雾润滑方式 对于油雾润滑方式，冷却效果好但油雾容易被吹出污染环境。 油气润滑方式 油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式它是用极微量油润滑轴承， 以抑制轴承发热。 (2) 主轴轴承配合 主轴轴承配合，主要是指主轴前支承轴承。配合量的大小，不仅影响主轴刚性， 还影响轴承组装后的预紧力和主轴发热量，所以必须慎重从事。 .3182l00 型调心圆柱滚子轴承的配合量 装配这种轴承的关键是要保证最佳 径向配合量。如果间隙过大，会使主轴产生摆动，破坏加工精度；相反如果过盈 过大会增大发热，且大大缩短滚动疲劳寿命。如图 b 轴承间隙与寿命的关系。 这种轴承的最佳配合量，以小过盈状态为最好，通常采用 15um 过盈量 。与 3182100 型轴承成组使用的轴承有 2268100 型推力角接触球轴承 (接触角 60)， 亦有与 46000 型角接触球轴承(接触角 26)成组使用的。 这两种轴承与主轴配合，均采取 1-5um 过盈配合，而外圈与套筒孔的配合则采 用 05um 间隙配合。 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 24 .角接触球轴承的配合量 用于主轴前支承上的角接触球轴承，为推荐配 合量。 如表所示： 液压缸变速式数控车床主传动系统设计 25 6.2 编码器的选择 编码器是数字式传感器中最重要、最基础的结构形式之一。它是将机械运动中 转速、位移、转度等物理量转变为数字脉冲化电信号的一类传感器件，它与数字处 理技术和计算机技术相结合,可实现快速、及时、准确的检测与控制。随着工厂自动 化和办公自动化水平的提高, 编码器工业有了突飞猛进的发展。编码器的代表性用 途是用作侍服电机系统的转角、转速的测量。 常用的数字式编码器有光学编码器、磁旋转编码器、脉冲发生器、霍尔元件等。 光学编码器是目前应用最广的编码器,磁旋转编码器是近年来常报道的一种新型电磁 器件。它是随光学编码器发展起来的。 在实际应用中, 磁旋转编码器制成封闭式结构, 因此不易受外界污染的影响。 与其它的编码器