毕业设计（论文）-床身上最大回转直径320mm的数控车床总体设计及主轴箱设计.doc

i 兰 州 理 工 大 学 毕 业 论 文 论 文 题 目：床身上最大回转直径 320mm 的 数控车床总体设计及主轴箱设计 专 业 名 称： 层 次： 学 生 姓 名： 完 成 日 期： ii 摘要摘要 随着现代科学的进步，数控行业的飞速发展，数控车床作为主要加工手段，被 广泛应用于机械制造业。因为它具有加工灵活、通用性强的特点，能适应产品的品 种和规格频繁变化，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求， 并且数控车床与普通车床相比，在提高生产率、减轻工人劳动强度、降低生产成本 和增加效益方面都有很大的优越性。 本文对数控车床的主传动方案、总体机械结构进行了详细的设计和计算。电动 机通过变速箱与主轴进行联接，使主轴的功率、扭矩特性和电机的功率扭矩特性相 匹配，这样适用范围就更宽，在使用方面也容易控制。本数控车床，是由无极变速 电磁调速异步电动机经机械分级变速箱驱动主轴，以实现主轴的无级变速。主轴箱 与变速箱为一整体，最后一级采用传动平稳可靠的斜齿轮传动，以保证主轴的旋转 精度。 关键词：关键词：数控车床；变速箱；主轴；无级变速 iii abstract with fast development of science technology, numerical control lathe is widely used in the mechanical manufacturing industry. because of having the characteristics of maching flexibility,strong versatility,it can meet the varity of products and frequent change of the specification,and satisfy the reqanement that the development of new poducts,much varieties,the small quantities,automative production, compared with ordinary lathe, the numerical control lathe has its great superiority in boosting productivity, lightening workers labor intensity, reducing the production cost and increasing benefit. the overall mechanical structure of numerical control late has been designed in this paper, mainly from economy and practical value. the motor is linked to spindle, making power and torsion characteristic of match to torsion characteristic power of the electrical machinery. in this case the scope of application is wider and it is easy to control during machining. horizontal feed system and vertical feed system are designed and calculated in details in this design. this numerical control lathe drives the spindle, which is accomplish by electrodeless changed speed electromagnetical adjusted speed asynchronous,and the mechanical hierarchical gearbox, in order to realize the infinite variable-speeds of the spindle. spindle-box and gearbox are made into a wholebody, final class adopts transmission steady and reliable helical gears transmission, so as to ensure the precision of rotation of the spindle. the servo feed system adopts the high-accuracy ball guide screw transmission, so as to ensure the movement maching accuracy. keyword: numerical control lathe；the transmission ； spindle； power；infinite variable speeds；servo feed system iv 目录目录 摘要摘要 iiii abstractabstract iiiiii 目录目录 iviv 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1.1 课题背景 .1 1.2 我国数控机床的发展 .1 第第 2 2 章章 数控车床简介数控车床简介 2 2 2.1 数控车床的基本组成 .2 2.2 数控车床的工作过程 .2 2.3 数控车床的分类 .3 2.3.1 按车床主轴位置分类 .3 2.4 数控车床的特点 .4 第第 3 3 章章 数控机床总体结构的设计要求数控机床总体结构的设计要求 5 5 3.1 数控机床总体的结构要求 .5 3.2 机床导轨的选择 .5 3.2.1 导轨的选择 .5 3.3 机床床身结构 .6 3.3.1 床身的结构 .6 3.4 支承件的选择 .6 第第 4 4 章章 c320c320 数控数控车床基本的技术参数车床基本的技术参数7 7 4.1 主参数和尺寸参数 .7 4.2 运动参数的确定 .7 4.3 动力参数 .8 第第 5 5 章章 数控车床主传动系统设计数控车床主传动系统设计 8 8 5.1 数控车床的主传动方式 .8 v 5.2 确定主轴的转速 .9 5.3 确定传动轴的转速 .9 5.4 主传动系统结构设计及校核 10 5.4.1 带传动的结构设计 10 第第 6 6 章章 数控车床主轴组件设计数控车床主轴组件设计 1313 6.1 主轴组件的设计 13 6.1.1 主轴组件的性能要求 13 6.2 传动轴的设计 17 6.3 主轴及传动轴支承的配置形式 18 第第 7 7 章章 车床数控系统车床数控系统 1919 7.17.1 概述概述 1919 7.2 数控系统的主要功能 20 7.3 数控系统的选择 21 结论结论 2222 致谢致谢 2323 参考文献参考文献 2424 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题课题背景背景 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须在最短的时间内以优 异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优 劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。 目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。在我国现有的机 床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式，这些机床触点多、线路复杂， 使用多年后故障多、维修量大、维护不便、可靠性差，严重影响了正常的生产。还 有一些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生 产要求。因此拥有先进的数控机床已经成为满足企业新生产工艺、提高经济效益的 最根本需求1。 1.21.2 我国数控机床的发展我国数控机床的发展 进入 21 世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造 装备发展的良机，也遭受到进入 wto 后激烈的市场竞争的压力，从技术层面上来讲， 加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用， 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 高的要求，当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。 (1)高速、高精密化 （2）高可靠性 （3）数控车床设计 cad 化 （4）功能复合化 （5）智能化 2 第第 2 2 章章 数控车床数控车床简介简介 2.12.1 数控车床的基本组成数控车床的基本组成 虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分 组成。图 2-1 是数控车床的基本组成方框图4。 图 2-1 数控车床的基本组成方框图 2.22.2 数控车床的工作过程数控车床的工作过程 数控车床的工作过程如图 2-2 所示4： 图 2-2 数控车床的工作过程 （1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数 据。 （2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进 行 cad/cam 工作，直接生成零件的加工程序文件。 （3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。 （4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手 工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序， 3 通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（mcu） 。 （5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形 式向伺服系统统发出执行的命令。 （6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的 要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。 2.32.3 数控车床的数控车床的分类分类 数控车床的分类方法较多，但通常都以和普通车床相似的方法进行分类5。 2.3.12.3.1 按车床主轴位置分类按车床主轴位置分类 （1）立式数控车床：立式数控车床简称为数控车床，其车床主轴垂直于水平面， 并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工件用。这类机床主要用于加工径向尺寸 大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 （2）卧式数控车床：卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导 轨卧式车床。倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。 2.3.2 按加工零件的基本类型分类 （1）卡盘式数控车床：这类车床未设置尾座，适合车削盘类（含短轴类）零件。 其夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火（即软卡爪） 。 （2）顶尖式数控车床：这类数控车床配置有普通尾座或数控尾座，适合车削较 长的轴类零件及直径不太大的盘、套类零件。 2.3.3 按刀架数量分类 （1）单刀架数控车床：普通数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工 位卧式自动转位刀架或多工位转塔式自转位刀架。 （2）双刀架数控车床：这类车床其双刀架的配置（即移动导轨分布）可以是平 行分布，也可以是相互垂直分布，以及同轨结构。 4 2.42.4 数控车床的特点数控车床的特点 在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只 是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术 的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提 出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点。 （1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动 结构大为简化，传动链也大大缩短； （2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高 的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小； （3）为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传 动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等； （4）为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用 了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置5。 第第 3 3 章章 数控机床总体结构的设计要求数控机床总体结构的设计要求 5 3.13.1 数控机床总体的结构要求数控机床总体的结构要求 根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构提出以下要求5： （1）较高的机床静、动刚度 数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由 于机械结构(如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等)的几何精度与变形产生 的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须要求机床具有较高的 静、动刚度，以保证所要求的加工精度与表面质量。 （2）减少机床的热变形 在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之 间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加 工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。 (3)减少运动间的摩擦和消除传动间隙 (4)提高机床的寿命和精度保持性 3.23.2 机床导轨的选择机床导轨的选择 3.2.13.2.1 导轨的选择导轨的选择 本设计采用矩形滑动导轨。在动导轨上粘贴聚四氟乙烯塑料软带，它是以聚四 氟乙烯为基体，添加耐磨材料（铜粉）构成的高分子材料。与铸铁导轨组成摩擦副 时，摩擦系数为，且动静摩擦系数相近，具有良好的防爬行性能。与塑02 . 0 04 . 0 料软带配合的金属导轨根据表 6-2-38 选用灰铸铁 ht20-40，表面进行高频淬火处理， 硬度在 hb160 以上。表面粗糙度 5。 6 . 0 3.2.2 对机床导轨的要求 导轨在空载运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。所谓导向 精度是指运动导轨的准确度。它是保证导轨工作质量的前提。影响导向精度的主要 因素有：导轨的结构类型；导轨的几何精度和接触精度；导轨和基础件的刚度；导 轨的油膜厚度和油膜刚度；导轨和基础件的热变形等5。 精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，它与导轨的摩擦性质、导轨材料、 工艺方法以及受力情况等有关。另外，导轨和基础件上的残余应力，也会使导轨变 6 形而影响导轨的精度保持性。 1 3.33.3 机床床身结构机床床身结构 3.3.13.3.1 床身的结构床身的结构 根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。数控车床床身 的结构形式有平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型5。 车床采用“一”字形支承，支承件是床身与底座的组合，采用卧式结构，斜床 身形式。 为了便于排屑，车床的整体结构采用刀架溜板与水平面成 45角。 3.3.2 对床身结构的基本要求 机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部件， 为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求， 与普通机床相比，数控机床应有更高的静，动刚度，更好的抗振性。 在床身上有很多安装零部件的加工表面和运动部件的导轨面，这些面本身的精 度和相互位置精度要求都很高，而且要能长时间保持。19另外，机床在切削加工时， 所有的静，动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为 保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除满足几何尺寸位置等精度要求外， 还需要满足静，动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 3.43.4 支承件的选择支承件的选择 3.4.1 支承件的功用 支承件是机床的基本构件，主要是指床身、底座、立柱、横梁、工作台和箱体 等大件。在数控车床中，支承件主要有床身底座和主轴箱两大部分。它们的主要作 用是支承其他零件，保证它们之间正确的相对位置关系和相对运动轨迹5。 1 第第 4 4 章章 c320c320 数控数控车床基本的技术参数车床基本的技术参数 4.14.1 主参数和尺寸参数主参数和尺寸参数 该车床最大加工工件直径d=320mm，最大长度l=700mm。 要求：设备结构简单，工作可靠，传动精度高、刚性好，动、静态特性好，可 高速定位，移动快，精度稳定持久，操作方便，便于调节、维修。 4.24.2 运动参数的确定运动参数的确定 按照典型工序的切削速度和刀具（或工件）直径，由公式（4- 1）可计算出,及变速范围 max n min n n r min max max d v n 1000 max min min d v n 1000 min max n n n r （4-1） 式（4-1）中的、,可根据切削用量手册、现有机床使用 max v min v 情况调查或者切削试验确定，通用机床的和并不是指机床上 min d max d 可能加工的最大和最小直径，对于通用机床，一般取： =kd，= max d min d maxd dr （4-2） 式中 机床能加工的最大直径（mm）d 系数k 计算直径范围 d r 查表 4-1 得卧式车床k=0.5，=0.313。所以有： d r =kd=0.5 320mm=160mm max d =0.3 160mm=48mm min d maxd dr 根据工艺分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时， 主轴转速为最高。参考切削用量资料13取=150m/min,所以有： max v =663(r/min) min max max d v n 1000 4814 . 3 1001000 （4-3） 通常用高速钢刀具精车合金钢材料的梯形螺纹时主轴转速较低， 取=m/min, 在320mm 的数控车床上加工丝杠的最大直径 min v5 . 1 2 6080mm 左右。则： 1 =3(r/min) max min min d v n 1000 16014 . 3 5 . 11000 （4-4） 考虑到典型工艺不一定只有一种可能，同时为今后技术发展储 备，最后确定=600r/min, =10r/min。 max n min n （4- 1z min max n n n r 5） 两边取对数，可写成 lgrn =（z-1）lg （4- 6） （4-1 lg lgr z n 7） 4.34.3 动力参数动力参数 动力参数包括车床驱动的各种电动机的功率或扭矩。因为车床各传动件的结构 参数（轴或丝杠直径，齿轮或蜗轮的模数，皮带的类型及根数等）都是根据动力参 数设计计算的。如果动力参数取得过大，电动机经常处于低负荷情况，功率因数小， 造成电力浪费，同时使传动件及相关零件尺寸设计过大，浪费材料，且机床笨重。 如果定的过小，机床达不到设计提出的使用性能要求。因此必须将各动力参数合理 的确定。 第第 5 5 章章 数控车床主传动系统设计数控车床主传动系统设计 5.15.1 数控车床的主传动方式数控车床的主传动方式 车床主传动系统课分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动实在一定 的变速范围内均匀地、离散地分布着有限级数的转速，这种传动方式只适用于普通 车床；无极变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便满足加工要求的 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。 2 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4。 1. 由电机直接传动 主轴电机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电机直接传动，如图 5- 1（a） 。这种传动特点是主轴转速变化、输出转矩与电动机转矩特性完全一致。但由 于主轴的功率和转矩特性直接决定与主轴电动机的性能，因而这种传动方式的应用 受到 1 一定限制。 2. 采用定比传动 主轴电机经定比传递给主轴，如图 5-1（b） 。采用带传动或齿轮传动，带传动具有 噪声小、振动小的有点一般应用在中小型数控机床上。采用定比传动扩大了直接驱 动的应用范围，即在一定程度上能满足主轴功率与转矩要求，但其变速范围仍与电 机的调速范围相同。 5.25.2 确定主轴的转速确定主轴的转速 5.2.1 计算主轴转速 查表 2-615得计算主轴转速公式 （5- 0.3 ) n n (nn min max min 1） 则： min/ r15.31) 10 600 (10 3 . 0 n 5.35.3 确定传动轴的转速确定传动轴的转速 主轴的计算转速，轴使主轴获得的最低一级转速为 10r/min，min/ r15.31n 不能传动全部功率，所以轴的计算转速和主轴的计算转速相同。min/ r15.31 2 n 轴的计算转速 min/ r21 5 . 1 31.15 1 n 5.4 主轴变速箱的设计 由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机的恒功率变速范围，所以 np r dp r 在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速 大功率切削时对电动机输出功率的要求。 5.4.1 选取变速箱公比 为了简化变速箱结构，变速箱级数应少些。变速箱公比可取大于电动机的恒 f 功率调速范围，即。 dp r f dp r = dp r2 400 800 取=3 f 5.4.2 计算变速箱的变速级数 2 由式 5-2 得变速级数计算公式 = )1 f dp np lg lgr lgrz（5 . 1) lg3 lg3 lg56.711 （ 1 1 （5-3） 取z=2。 5.4.3 分级变速箱转速图的绘制 主轴的最大转速 600r/min，最小转速 10r/min，电动机的额定转速为 800r/min，最低转速为 40r/min。转速图绘制如图 5-2 所示。 u1 u3 u2 图 5-2 分级变速箱转速图 由转速图可以看出带传动的传动比=1/1.43，齿轮传动的传动比 1 u =1.07，=1/2.8。 2 u 3 u 5.45.4 主传动系统结构设计及校核主传动系统结构设计及校核 5.4.15.4.1 带传动的结构设计带传动的结构设计 电动机轴与轴之间运动及动力的传递用多楔带。多楔带兼有平带和v带的优 点：柔性好，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。 （5-pkp ad 4） 式中 为工况系数 a k 传动功率p 由表 13-1-1115查得=。则： a k2 . 11.2 1518kw d p 由，查图 13-1-715选取 pl 型多楔型带18kw d p min/ r006n 传动比已由前面确定 43 . 1 1 12 1 un n i 由表 13-1-2315查得小带轮有效直径，有效线差150mm e1 d3mm e =364mm （5- ee did2)( e1e2 32)32(15037 . 2 5） 由表 13-1-2415选取375mm e2 d = （5-6） 100060 1 nd v p1 s/5m 100060 00615614 . 3 中心距范围： 2 （5-)(2a)0.7( e2e10e2e1 dddd 7） 取=500mm 0 a 0 2 e2e1 e2e10 4 )( )( 2 2 a dd dd ale0 1 （5-8） = =1850mm 5004 )375150( )375150( 2 14 . 3 5002 2 查表 13-1-2215取带的有效长度1900mm e0 l = =550mm （5- 2 0 e0e ll aa 2 18001900 500 9） =157 （5- 3 . 57 2 180 e1e2 1 dd 3 .57 550 150-375 180 10） 查表 13-1-2813-1-3015得 1 2.11kwp 1 0.11kwp （5- l11 d kkpp p z )( 11） 式中 、 分别为包角系数和带长修正系数 k l k 查表 13-1-31 和表 13-1-32 得，。则：93 . 0 k92 . 0 k 5 . 9 0.920.932.22 18 z 选取楔数 10 = （5- 3 10 v p f d t 3 10 5 18 3600(n) 12） =3600 （5-) 1 ( 1 r r t k k ff(n)7324 118 . 4 18 . 4 13） =4732 （5- t12 fff(n)73216003 14） = （5- 2 )( 1 21 sinfffr(n)3346 2 157 sin)73217324( 15） 5.5.2 轴上的齿轮参数确定及校核 两个齿轮的材料均采用 45 号钢,表面淬火，表面硬度达到 5662hrc。 ,mm/300n,mm/500n,mm/500n 222 flim1hlim2hlim1 9。 2 mm/280n flim2 (1)确定中心距 由表 133-1-7715和表 13-1-7915选取，齿数比i=1.437 . 0 d （5-7 . 0 )43 . 1 1 (5 . 0 7 . 0 )1 (5 . 0 i d a 2 16） (2)小齿轮传递扭矩 = （5- 1 1 9550 n p t )mm/6821(n 21 159550 2 17） (3)中心距 （5-3 2 1 ) 1(453 hlim1a i kt ia 18） =453 2 5000.529 . 0 68211.7 ) 143. 1 ( =198(mm) 取a。200(mm) (1)模数 查表 14-1-315得： （5-am)02 . 0 007 . 0 (4(mm)1.4200)02 . 0 007 . 0 ( 19） (2)齿数 查表 14-1-315得： （5- )1 ( 2 1 im a z 15 . 1 4 43 . 1 14 2002 ）（ 20） 取z。,取=60。24 1 34.343 . 1 24 1 z 1 z (3)齿宽 11 ab d （5-21） 式中 为齿宽系数 d 。则：7 . 0 d 70(mm)1007 . 0 1 b (4)小齿轮分度圆直径 （5- 11 mzd140(mm)354 22） (5)大齿轮分度圆直径 （5- 12 mzd 264(mm)664 3 23） （1）分度圆上的圆周力 t f （5- 1 1 t 2000 d t f (n)74429 140 68212000 24） （2）使用系数 a k 由表 14-1-6415查得=。 a k25 . 1 （3）动载系数 v k 由表 14-1-1815查得=。 v k1 . 1 （4）齿向载荷分布系数 h k （5-bkh 3 1 1023 . 0 ) d b (18 . 0 12 . 1 25） 1.331401023 . 0 ) 140 140 (18 . 0 12 . 1 3 （5）齿间载荷分布系数 h k 由表 13-1-1915查得= h k25 . 1 （6）节点区域系数 由表 14-1-2015= h z23 . 1 （7）弹性系数 e z 由表 14-1-6615查得= e z 2 mm/n 8 . 189 （8）重合度系数(接触强度计算) z 由表 14-1-6715查得66 . 1 （9）齿轮单对啮合系数、 b z d z 由表 13-1-10415查得=1，=1 b z d z 34.585 1.1 106 . 1 91 . 0 15 . 1 500 （5- 2121212121 21 xwryl h nhlim2 h2 zzzzz s z 30） 396.83 1.4 11 . 191 . 0 11 . 1 500 、均达到规定的可靠度，最小安全系数的要求，齿面接触强度校 1h 2h 93.560 核通过。 4 第第 6 6 章章 数控车床主轴组件设计数控车床主轴组件设计 主轴、主轴轴承以及安装在主轴上的传动件等所组成的部件称之为主轴部件。 它是机床上的一个重要组成部分。 主轴是机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受 切削力和驱动力等载荷。完成表面成形运动，因此，主轴部件的工作性能对加工质 量和机床生产率有直接影响5。 6.16.1 主轴组件的设计主轴组件的设计 6.1.16.1.1 主轴组件的性能要求主轴组件的性能要求 1.旋转精度 主轴组件的旋转精度是指主轴装配后，在无载荷、低速运动的条件下，主轴前 端安装工件的部位的径向跳动和轴向跳动。 2.静刚度 主轴组件的静刚度反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。它可以定义为：使主 轴前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力。即： n/m （6-k f 1） 3.抗振性 主轴组件工作时产生振动会降低工件的表面质量，缩短主轴轴承使用寿命，还 会产生噪声影响环境。振动表现为强迫振动荷自激振动两种形式。影响抗振性的因 素主要有：主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼。主轴的固有频率应远大于自激振 动的频率，使它不易发生共振。 4.温升和热变形 主轴部件的热变形是指机床工作时因各相对运动处的摩擦和搅油等耗损而发热 造成的温升，使主轴部件在形状和位置上产生的畸变。 5 6.1.2 主轴参数的确定 1.主轴前轴径直径 d1 的确定 根据主电动机功率p=kw，查图 6.1-8313得d=120mm，后径15 d2=d=120=96(mm)8 . 08 . 0 2.主轴内孔直径d的确定 78721200.65(0.60.65)(0.6dd） （6-2） 3.主轴悬伸量 a 的确定 根据结构要求初步确定悬伸量a=120mm。 4.主轴最佳跨距 l 的选择 由经验关系式 l=(2)a=240420 5 . 3 （6-3） 取l=300mm。 6.1.3 轴承的选择及极限转数的较核 1.轴承类型及精度的选择 根据载荷分析，径向载荷与轴向载荷同时存在，所以前轴承选用 3 个角接触球 轴承，前面两个大口向外，后面一个大口向里布置，形成背靠背组合形式。主轴的 后支承采用 2 个角接触球轴承背靠背布置。前后轴承的精度均取级12。4p （1）轴承支反力 主轴最大输出扭矩 (n) j n n p m95504261 31 15 9550 （6-4） 床身最大加工工件直径为 320mm。半径r=m15 . 0 (n) r m f n z 28406 15 . 0 4261 （6-5） =0.5(n) y f z . 0 （6-6） 总切削力 (n) 22 yzr fff317581420328406 22 6 （6-7） 前后支反力分别为： (n) （6-)1 ( c a fra22231) 300 120 1 ( 2 31758 8） (n) （6- c a frb6352 300 120 2 31758 9） （2）确定轴承的型号及基本参数 我国生产的角接触球轴承有 3 种：7000c 型=15、7000ac 型、7000b 25 型。根据轴径查表 7-2-5213可选轴承有 9 种，初步确定前轴承型号为 40 7220ac，后支承轴承型号 7317b。 6.1.4 校核主轴 1.材料及热处理 选择轴的材料为 45 号钢，并且进行表面淬火处理，硬度达到 5662hrc。由表 6-1-113查得 11 735mpa,540mpa.355mpa,200mpa bs 2.主轴的结构设计 齿轮的轴向定位采用套筒和轴肩。 3.确定轴的输入端直径 轴的输入端直径已确定：d=100mm。 4.键的选择与强度校核 选用型平键，与斜齿轮连接处的键的尺寸由表 4-1-1815查得a 。与齿轮套筒连接处的键的尺寸。22 14 125mmb h l 16 10 125mmb h l 因斜齿轮承受的载荷较大，故需对此键进行校核。键所传递的扭矩： （6- j n p t95504621 31 15 9550)mn( 14） 键工作面的压强为： （6- dkl t p 2000 15） 查表 4-3-1715得mm，202mpa,0.50.5 147 pp kh mm。则：10322125bll 7 2000 4621 175.8mpa 100 6 103 pp p 键的强度校核通过。 5.计算主轴的支反力、弯矩和扭矩 （1）主轴的受力简图、水平面及垂直面弯矩图如图 6-2 所示。 ba f f f f f f r ff rr y z t r z ax t y ay r by r 4261n.m 受力简图 水平面受力图 水平面弯矩图 垂直面受力图 垂直面弯矩图 总弯矩图 扭矩图 3811.1n.m 1167.5n.m 1704.6n.m 639.5n.m 3408.7n.m 977.3n.m 图 6-2 主轴弯矩扭矩图 （2）支反力的计算 前面已算出。则：4261,n14203,n28406tff yz mn (n) （6-)1 ( 2 1 c a fr zax 5 . 4343) 300 120 1 (28406 2 1 16） (n) （6- c a fr zbx 2 1 5681 300 120 28406 2 1 17） (n) （6-)1 ( 2 1 c a fr yay 9942) 300 120 1 (14203 2 1 18） (n) （6- c a fr yby 2 1 6 . 2840 300 120 14203 2 1 19） (n) （6- d t ft 2000 6 . 40435 280 42612000 20） (n) （6- tr ff5 . 015218 6 . 404355 . 0 21） （3）弯矩计算 水平方向： 面： 3 . 97710225 5 . 434310225 33 1 ax rm)mn( 面： 7 . 3408101202840610120 33 2 z fm)mn( 垂直方向： 面： 5 . 63910225 6 . 284010225 33 1 by rm)mn( 面： 6 . 1704101201420310120 33 2 y fm)mn( 总弯矩： 面： 5 . 1167 5 . 639 3 . 977 22 2 1 2 11 mmm)mn( 面： 1 . 3811 6 . 1704 7 . 3408 22 2 2 2 22 mmm)mn( 8 （4）扭矩计算 4621 31 15 95509550 j n p t)mn( 6.轴的静强度校核 9242462122 max tt)mn( 2 . 7622 1 . 381122 2max mm)mn( 由表 5-1-2415到表 5-1-2615查得截面模数 ，60,100,540mpa ps zz0.580.58 540313.2mpa ss 弯曲平均应力 2max2 )(3)( p ax s s z t z m s 62 . 2 ) 100 9242 (3) 60 2 . 7622 ( 540 22 sp s =,静强度校核通过。 sp s5 . 2 7.轴的疲劳强度校核 （1）确定危险截面 由弯矩图校核扭矩图可以看出面为危险截面。 （2）校核危险截面的安全系数 由表 6-1-2415得截面模数。弯曲疲劳极限mpa，100,60 p zz355 1 mpa。查表 6-1-115钢的平均应力折算系数。圆角处有200 1 15 . 0 ,25 . 0 效应力集中系数。不同表面粗糙度的表面质量系数。绝对尺2 . 1, 5 . 1 z kk1 寸影响系数 。弯曲应力幅及平均应力：8 . 0,78 . 0 0, 0 mm （6- z m a 5 . 63 60 3811 22） （6- m a k s 1 87 . 2 025 . 0 78 . 0 1 5 . 635 . 1 350 23） 扭转应力幅及平均应力 （6- p a z t max 61.42 100 4261 24） （6- m a k s 1 13 . 3 015 . 0 8 . 01 61.422 . 1 200 25） 危险截面安全系数 （6- 22 ss ss s 16 . 2 13 . 3 87 . 2 13 . 3 87 . 2 22 9 26） 许用安全系数。故轴的疲劳强度校核通过。 pp sss,89 . 1 6.26.2 传动轴的设计传动轴的设计 6.2.1 传动轴的设计要求 1. 刚度要求： 轴在弯曲和扭转载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不足，则装在轴中部 的齿轮会因轴的挠度过大而破坏它们正常的啮合关系，并产生振动。装在轴两端的 齿轮和轴承，会因倾角过大而压强分布不均匀，产生不均匀的磨损和过大的噪声。 如果扭转刚度不足，则会产生扭振。 2.强度要求： 保证轴在反复弯曲载荷和扭转载荷下不发生疲劳破坏。 6.2.2 传动轴的选择 通常决定轴的尺寸的主要因素是刚度。各种钢的弹性模量差不多，又与热处理 方式相差不大，所以传动轴通常都用 45 钢，经淬火处理，硬度达到 50hrc。 6.2.3 计算传动轴的直径 由于轴的跨距、齿轮在轴上位置都还没有确定不可能进行准确的计算，由式 4- 336得轴径计算公式 cm （6- 4 n mbd 27） 式中 为额定扭矩 n mcmn 值可根据每米长度上得扭转角来选择。查表 4-1015得。则：b292 . 0 b mm 2 100010563 . 0 43 d 取d=80mm。 6.2.4 轴承的选择 号 7220ac，轴两端采用深沟球轴承，型号为 6004；轴两端采用角接触轴承， 型后支承轴承型号 7317b，中间采用深沟球轴承，型号为 6004。 10 6.36.3 主轴及传动轴支承的配置形式主轴及传动轴支承的配置形式 6.3.1 主轴支承的配置 本简易数控车床采用两支承形式中的速度型配置，前支承采用三联角接触球轴 承，后支承采用双联角接触球轴承。结构如图6-3所示。 图6-3 主轴支承的配置图 6.3.2 传动轴支承的配置 轴两端采用深沟球轴承支承，如图6-4（a）所示；轴两端采用圆锥滚子轴 承，中间为深沟球轴承支承，如图6-4（b）所示。 图6-4 传动轴支承的配置图 11 第第 7 7 章章 车床数控系统车床数控系统 7.17.1 概述概述 车床数控系统必须具备控制数控车床的全部功能和要求。车床数控系统与一般 的数控系统组成基本相同，由硬件和软件共同完成数控任务。主要由输入/输出装置、 数控装置、伺服驱动系统和可编程逻辑控制器（plc）四部分组成5。 数控装置即 cnc 装置，是数控系统的核心，其硬件和软件控制着全部数控功能 的实现，它与数控系统的其它部分通过接口相连，实质上是一个微型计算机组成的 控制器。通过对输入的数控加工程序的正确识别和解释进行相应的数据计算和逻辑 运算，完成对伺服驱动系统（包括进给驱动和主轴驱动） 、可编程控制器等的控制 （包括反馈信号的检测） 。数控装置向伺服驱动系统输出的是连续控制量，向可编程 控制器输出的是离散的开关控制量。 输入/输出装置包括输入/输出接口和输入/输出设备。输入/输出接口是计算机 和机床之间联系的桥梁和通道，数控系统对机床进行自动控制所需的各种外部控制 信息及加工数据都是通过输入设备送入 cnc 装置的存储器中，作为控制的依据。一 般输入数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。因输入设备的不同又有 多种输入方式：纸带输入、键盘输入及计算机通信输入等。而数控系统工作过程中 的状态和数据一般通过显示器和各种指示灯来向用户显示。 现代数控系统普遍采用可编程控制器（plc）取代了传统的机床电器逻辑控制装 置，实现数控机床的各种逻辑控制，有内装式和外装式两种类型。plc 接受数控装 置发出的数控辅助功能控制指令，进行机床操作面板及各种机床机电控制/监测机构 的逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关装置应答信号。 12 7.27.2 数控系统的主要功能数控系统的主要功能 数控系统采用微处理器以后，实质上就是一台专用微型计算机，通过硬件和软 件实现全部的数控功能。 数控系统品种繁多，性能各异，选用时应根据数控机床的类型、用途和档次仔 细考虑其功能，选择适合于机床特点和工作用途的数控系统。数控系统系统的功用 有：轴控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具功能、主轴功能、辅助功 能、字符显示功能、自诊断功能、补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信 功能、人机对话编程功能等。 7.37.3 数控系统的选择数控