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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 摘 要数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运动极其加工过程进行控制的一种方法,随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。数控机床是装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业的渗透形成的机电一体化产品，起技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感技术；(6软件技术等。计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业，具有广阔的发展天地。数控机床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。关键词：机械设计；数控三坐标铣床；主轴；数控系统。目 录第一章 数控机床产生和发展趋势11.1课题的意义11.2数控机床的产生背景11.3数控机床的发展趋势2第二章 数控机床的组成及优点52.1数控机床的组成52.2数控机床的工作原理62.3数控机床的优点7第三章 数控铣床的主传动传动设计83.1概述83.1.1主传动设计要求83.1.2数控机床主轴的变速方式83.2主传动系统设计93.2.1主传动系统参数93.2.2 调速电动机的功率和转矩特性 103.2.3 驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计113.3主传动系统传动副设计123.4 齿轮传动设计计算163.5主轴组件设计22参考文献27致谢28第一章 数控机床产生及发展趋势1.1课题的意义装备工业的技术水平和现代程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生活的最基本的生产资料，而数控又是当今先进制造技术和装备最核心和技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造业能力和水平，提高对动态多变市场和适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的。1.2 数控机床产生背景随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有：1.自动机床。 2.组合机床。3.专用自动生产线。这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但它也存在固有的缺点，如：1.初始投资大。2.准备周期长。3.柔性差。因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC 机床的发展提供了坚实的技术基础。NC技术正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。任何事物都有其特点与发展条件，人们掌握後才能加速其发展。数控机床的发展条件：它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如不齐备，则数控机床难以顺利发展；数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用;它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人，互相配合，共同完成。否则，数控机床难以顺利发展。1.3数控机床的发展趋势1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。 2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。 3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。 4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。 5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。6数控机床用于飞机零件的高速高效加工新型高速加工技术和高速机床的出现，使切削速度得到更进一步的提高，同时应用最新控制和优化技术，机床精度提高，动态性能优异，使得飞机零件的加工质量和加工效率大大提高。高难度、高质量飞机零件的加工需求一直是数控技术和新型数控机床发展的主要原动力，而新型数控加工技术及机床设备往往首先在飞机零件加工中得到实际应用，飞机零件的加工制造与新型数控机床的发展相得益彰，互相促进。随着技术的发展和进步，飞机零件的加工制造越来越多地依赖新型高速高效数控机床。新一代飞机，尤其是军用飞机，需要具备更优异的飞行和作战性能，新技术不断应用，新材料、新结构不断涌现，复杂结构、复杂型面、薄壁、整体结构、大尺寸零件等难加工零件被更多地设计应用；同时，新机研制周期明显缩短，型号数量增多，每种型号的批量减少，这就对承担大部分飞机零件数控加工任务的现代航空用数控机床提出了更高的要求。如何在要求的生产周期内，提高加工生产效率，提高零件加工质量，成为衡量飞机零件数控加工机床水平高低的重要因素，同时也成为各飞机工厂努力追求的目标之一。其中，提高加工生产效率，缩短生产周期在目前显得尤为紧迫和重要。飞机零件的主要特点是尺寸大（如长桁、大梁、壁板等），结构形状复杂（如具有各种形式的槽腔结构、下陷、加强筋及凸缘，带有变斜角、空间复杂曲面等），难加工材料多（如钛合金等），材料去除率高（部分零件可达90%以上），尺寸及位置精度要求高，零件表面质量要求高，零件品种规格多但批量较小等。如按常规加工方法进行加工，尤其是大型复杂整体结构件（如机身整体框等）、薄壁件（要求变形小）等难加工零件，则工艺路线复杂，加工时间长，很难满足周期要求。应运而生的高速加工技术和高速高效加工机床显著地提高了飞机零件的加工精度和加工效率，改善了零件表面质量，本文重点论述提高飞机零件加工效率的高速加工技术和新型高速高效加工机床。高速加工技术，飞机零件多由铝合金材料制成，为得到好的零件表面质量，即使在常规机床上加工时，切削速度也要比加工其他金属材料零件时高得多。新型高速加工技术和高速机床的出现，使切削速度得到更进一步的提高，同时应用最新控制和优化技术，机床精度提高，动态性能优异，飞机零件的加工质量和加工效率大大提高。 高速加工应该以刀具所能达到的切削速度进行定义，对应不同的加工材料有着不同的指标值。为简单起见，在飞机零件加工中，通常将主轴转速达到或高于10000r/min、进给速度达到或高于10m/min的大型机床称为高速加工机床。目前，常见的高速机床主轴转速可达2000040000r/min（最高可达100000r/min以上），进给速度可达2040m/min（最高可达80m/min）。 高速切削时，机床主轴高速旋转，刀具的每齿进给量很小，相当于刀具变得异常锋利，切削所产生的工件材料挤压变形非常小，切削力得到有效减小；因刀具与工件摩擦、工件材料变形等产生的切削热也大大减少，而且热量的大部分会被切屑带走，刚加工完的切削区域也不会有热聚积，用手摸时会感觉到零件表面是凉的，因此，零件的加工变形小，表面质量高；同时，机床的快速进给保证了单位时间内的金属切除率很高，所以，高速加工非常适合具有薄壁、整体等特征的飞机零件的高效加工；另外，随着加工精度和零件表面光洁度的提高，由人工进行零件修整的后续工作量可有效减少甚至取消，减少了后续工序；而且，高速加工使得在一台机床上完成飞机零件的粗加工、半精加工和精加工整个全过程变成可能，大大简化了工艺路线，减少零件加工的辅助时间，缩短零件制造周期，因此，高速加工使得飞机零件加工过程发生了根本性的变化，是迄今为止所用到的提高飞机零件加工效率最有效的手段，实现这一变化的关键就是新型高速高效加工机床。第二章 数控机床的组成及优点2.1数控机床的组成数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过程进行控制的机床，是典型的机电一体化产品，是数控技术的最典型应用。典型数控机床的组成如图所示。由图可知，数控机床主要由零件加工程序、输入装置、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置、机床本体等七部分组成，其中数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置又合称为数控系统。实际上，零件加工程序并非数控机床的物理组成部分，但从逻辑上讲，数控机床加工过程必须按数控加工程序的规定进行，数控加工程序是数控机床加工的一个重要环节，因此常将数控加工程序作为数控机床的一个组成部分。1.输入装置数控机床的零件加工程序是通过程序输入装置输入数控机床的。输入装置与输入方法有关。（1）控制介质输入，所谓控制介质就是零件加工程序存贮介质即程序载体。通常程序载体有穿孔纸带、磁带、磁盘、光盘等，与之相应的输入装置为光电纸带阅读机、录音机、磁盘驱动器、光驱等。早期的数控机床常用穿孔纸带存贮加工程序，即在特制的纸带上穿孔，孔的不同位置的组合构成不同的数字或数控代码。通过光电纸带阅读机将纸带上的零件加工程序转换为相应的二进制代码输入数控装置中的存贮器。虽然现在很多数控机床上仍附带有纸带阅读机长磁带录机音机，但由于微型计算机的普遍使用期，穿孔纸带和磁带控制介质的应用已越来越少。（2） 手工输入，利用键盘输入控制机床运动和刀具运动的指令。具体说有三种情况：手动数据输入（Manual Data Input,MDI）,通过数控系统操作面板上的相应按键，把数控程序指令逐条输入存储器中。这种方法一般只适用于一些较为简短的程序。 在数控显示的程序编辑界面，通过数控系统操作面板上的相应按键，输入程序指令，存于内存中。后面有关章节中的手工编程主要就是采用这种输入方法。用这种方法还可以调出已存入的数控程序并对其进行编辑修改。 在具有对话功能的数控装置上，根据软件的逻辑格式和显示屏上的对话提示，选择不同的菜单，输入有关的数字和信息后，可自动生成控制程序存入内存。这种方法虽然是手工输入，但却是自动编程。（3）通讯方式输入存储器，从自动编程机上、计算机上或网络上，将编制好的数控加工程序通过通信接口直接输入数控装置的存储器。2. 数控装置，数控装置是数控机床的核心部件，由硬件和软件两大部分组成。硬件包括通用I/O接口、CPU、存储器、可编程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）及数字通信接口等。采用单微处理器的数控装置硬件结构如图1.2所示。软件包括管理软件和控制软件。管理软件用来管理零件程序的输入、输出，显示零件程序、刀具位置、系统参数及报警，诊断数控装置是否正常并检查故障原因。控制软件则完成译码、插补运算、刀具补偿、位置控制等。数控装置的主要功能为读入数值并存储、对程序进行译码及数据处理、插补运算、位置控制和I/O处理，产生控制指令控制机床各部件协调运动，按确定的顺序和设定的条件完成零件加工程序。辅助控制装置是介于数控装置和机床的机械与液压部件之间的各种开关执行电器的控制装置。主要实现各种辅助功能控制，如机床的起停、换刀、冷却液开关等控制，目前多由数控装置内置的可编程序控制器来实现。3.伺服驱动装置，伺服驱动系统由驱动装置、执行机构及位置、速度检测反馈装置三个部分组成。伺服电机是伺服系统的执行机构，驱动装置则是伺服电机的动力源。来自数控装置的控制指令脉冲经伺服驱动装置进行功率放大，驱动伺服电机，进而通过机械传动装置带动机床主轴、工作台或刀架等机床运动部件运动，其输入为电信号，输出为机床的位移、速度和力。4.机床本体，机床本体是实现切削加工的主体，对加工过程起支撑作用。数控机床的精度、精度保持性、刚性、抗振性、低速运动平稳性、热稳定性等主要性能均取决于机床本体。数控机床的机械部件包括：主运动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板及其传动部件以及床身、立柱等支承部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、刀具交换装置等部件。数控机床的机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动控制。2.2数控机床的工作原理在数控机床上加工零件时，首先根据零件图样的要求，结合所采用的数控机床的功能、性能和特点，确定合理的加工工艺，编程相应的数控加工程序，并采用适当的方式将程序输入到数控装置。在数控机床加工过程中，数控装置对数控加工程序进行编译、运算和处理，输出坐标控制指令到伺服驱动系统，顺序逻辑控制指令到PLC，通过伺服驱动系统和PLC驱动机床刀架或工作台按照数控加工程序规定的轨迹和工艺参数运动，从而加工出符合图纸要求的零件。2.3数控机床的优点数控机床比普通机床的优势在于：1.加工效率，节省加工时间。2.工作强度，工人编完程序后，加工首件合格后就可以去喝茶了。3.减少废品数，只要首件合格后，在加工的零件一般都会合格。4.安全性高，工人距离加工设备距离越远，出现事故的概率就越低。等等。最大的好处就是计算机控制,只需要做一些前期 准备,把程序员编制好的程序运行,就可自动加工成所需要的零件.而普通机床需要大量人工来做.数控机床的优点1. 能完成复杂型面的零件加工.2. 可以提高零件的加工精度,稳定产品的质量,由于数控机床是按照预定的 程序自动加工的,加工过程不需要人工干预,而且加工精度还可以利用软件来进行校正和修补,因此可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复 精度.3.可以提高生产率.一般一台数控机床比普通机床可提高效率2-3倍.4.可以一机多用,有的数控机床一次装夹可完成多部位的加工,可以替代5-7台普通机床,并节省了厂房面积.5.几乎不需要专用的工装卡具，减少了在制品,从而加速了流动资金的周转, 提高了经济效益.6. 大大减轻了工人的劳动强度.综上所述,数控机床主要适合:1.单件.中小批量生产;2.形状比较复杂.精度要求较高的零件加工;3.产品更新频繁,生产周期要求短的加工.4.新产品的试制.回转链式刀库等.现在国内的生产厂家使用的刀库以台湾生产的为主.刀库的刀具数量不等,一般有12，16，20，24，30，40，60，100，120等刀具数量的刀库.5.辅助装置:加工中心的辅助装置有自动排屑器.恒温油箱,液压装置.润滑系统.刀具测量系统,冷却装置.冷却装置.防护系统等组成.加工中心的辅助装置是根据每个生产厂家的不同而又不同的配置情况,一般情况下润滑系统,冷却装置和防护系统是标准附件.其他的为选择附件,第三章 数控铣床主传动系统设计3.1概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具由一定的转速（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，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便地实现运动的开停，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，与普通机床的主传动系统相比，在结构上比较简单，这是因为变速变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统，用于扩大电动机无级调速的范围。3.1.1主传动设计要求 一、数控机床主传动的特点 数控机床与普通机床比较具有以下特点1， 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。2， 主轴转速变换可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。3， 为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。二、对主轴传动系统的要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还有如下要求。1.具有更大的调速范围并实现无级变速2.具有较高的精度与刚度3.良好的抗振性，热稳定性3.1.2数控机床主轴的变速方式机床主传动系统一般分为有分级（有级）变速传动和无级变速传动两种形式。分级（有级）变速传动主要用于普通铣床或普通铣床数控化改造。无级变速传动主要用于数控车床，故本次数控铣床床主传动系统的传动方式为无级变速传动。数控铣床的主传动采用交、直流主轴调速电机带动主轴实现旋转运动，电动机调速范围大，并可实现无级变速。故本次数控铣床主传动设计有以下A、B、C三个方案，如图3-1所示。图3-1数控铣床主传动设计比较图从图中可以看出：A方案中主轴电动机与主轴通过联轴器直接联接，由电动机直接驱动主轴运动。这种方案可简化主轴箱结构，有效提高主轴的刚度，但主轴的功率及无级变速直接决定于主轴电机的性能，故其调速范围有一定的局限。B方案主轴电机经带传动定比传动给主轴，采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，在一定程度上满足了主轴功率与转矩的要求。但其变速范围仍然与电动机的无级变速范围相同。C方案采用主轴电机带动齿轮对变速齿轮来驱动主轴。在此方案中，通过电机的无级变速，配合变速齿轮的变速可确保主轴所需要的功率及转矩要求。目前，电机本身的调速范围已达1：1001：1000，所以变速齿轮的对数不会很多，其结构也就不会很复杂。通过对以上A、B、C三个方案的分析，结合本次设计的实际情况，本次设计的变速范围是404000r/min，调速范围比较大。如选A、B两种方案的话，由上面的分析可知，势必会造成主轴箱相对简单，而主轴电机的功率将会选的很大才能满足各种不同加工的需要。这样不仅使电机的功率得不到充分利用，同时从结构上来看很不协调。故本次主传动系统的设计方案选方案C3.2主传动系统设计3.2.1主传动系统的参数主传动系统的主要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。(1) 主传动功率P由设计任务书可知：主切削功率为=4.5KW。查文献1 页可得主传动功率P的计算公式为 =5.625 式中P主传动的功率 切削功率 主传动链的总效率，这里取0.8（2）计算变速范围由设计任务书可知主轴的最低转速为=40 r/min,最高转速为=4000r/min。查文献1 页可得变速范围的计算公式为=100 （r/min）3.2.2 调速电动机的功率和转矩特性 铣床主轴转速不仅决定于切削速度而且还决定于工件的直径，较低转速多用于加工大直径工件，这时要求的输出扭矩增大了。因此车床主运动链的变速机构，输出扭矩与转速成反比，基本上是恒功率的。车床主轴最低的几级转速常用于光整车削，车削大直径螺纹、绞大孔、精镗等，并不需要传递全部功率。机床所传递的功率或扭矩与转速之间的关系，称为机床主轴的功率或扭矩特性。如图3-2所示。主轴从最高转速到某一转速之间，主轴应能传递运动源的全部功率。在这个区域内主轴的最大输出扭矩应随转速的降低而加大。从以下直到最低转速，这个区域内的各级转速并不需要传递全部功率。主轴的输出扭矩不再随转速的降低而增大，而是保持时的扭矩不变。所能传递的功率，则随转速的降低而降低。主轴能传递全功率的最低转速称为主轴的计算转速。机床主轴在整个变速范围内，以计算转速为界，分为两个区域：计算转速及以上直到为恒功率区域I；计算转速以下直到为恒扭矩区域II。通过上面的分析，铣床主轴，从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转速至最低转速为恒扭矩区。恒功率变速范围比恒扭矩范围大2-4倍。直流并磁电机从额定转速向上至最高转速，是采用调节磁场电流（简称调磁）的办法来调速的，属恒功率调速；从额定转速向下至最低转速，是利用调节电枢电压（简称调压）的办法来调速的，属恒转矩调速。3.2.3 驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。 在设计分级变速箱时，考虑机床机构复杂程度、运转平稳性要求等因素，变速箱公比的选取有下列三种情况。1、 取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范围，即=。功率特性图是连续的，无缺口和无重合。2、 取变速箱的公比小于电动机的恒功率调速范围，即。这时变速机构简化了，但存在恒功率变速段不连续，中间有恒转矩过渡，这样电机的利用率得不到充分的利用。故本设计取第一种情况=计算。1）中型铣床主轴的计算转速为159.24 r/min 式中主轴的计算转速 主轴的最小转速 主轴的变速范围2）确定主轴要求的恒功率调速范围=25.119325.12式中主轴要求的恒功率调速范围 主轴的最大转速 主轴的计算转速3)确定电动机的恒功率调速范围本设计初定采用交流调频主轴电动机，额定转速为1500r/min，最高转速4500r/min计算。=3式中电动机的恒功率调速范围 电动机的最大转速 电动机的额定转速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的输出功率要求。4）确定主轴变速箱的变速级数Z如取变速箱的公比 则由于无级变速时 故变速箱的变速级数 2.93为变速箱的变速级数，应取整数，故选变速箱的变速级数为Z=3。这时由上面知，主运动的功率为5.63，电机的功率应取7.5，才能满足要求。所以可选北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，额定转速为1500r/min，最高转速4500r/min，连续额定输出为7.5。3.3主传动系统传动副设计一、转速图的确定本次主传动设计的总体方案如下图3-3所示图3-3 数控铣床主传动设计的总体方案传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围。从图3-3可以看出，从电机轴到I轴为齿轮副降速传动，取传动比 ，则当电机在最高速时，I轴的转速为 （3-1）式中电机运行高速时，I轴的转速。电机在额定转速时，I轴的转速为 （3-2）式中电机运行额定转速时，I轴的转速。当电机在高速4500 r/min运转时，主轴应获得最大转速4000r/min,由（3-1）式可知，在电机高速运转时，I轴经齿轮降速后速度为2025r/min，要使主轴达到4000r/min，I轴到主轴II之间必为升速传动，如图3-3左边的一对齿轮啮合；因机床高速运转时易产生振动和噪声，为防止振动和噪声，取I轴到主轴II的传动比。则此时主轴II的转速为 （3-3）式中电机运行高速时，I轴的转速电机运行高速时，II轴的转速电机运行高速时，I轴-II轴的传动比当电机在额定转速1500 r/min运转时，经电机-I轴-主轴，主轴的转速为 （3-4）式中电机运行高速时，I轴的转速电机运行高速时，II轴的转速电机运行高速时，I轴-II轴的传动比当电机在额定转速1500 r/min运转时，主轴应获得计算转速=159.24r/min,由（3-2）式可知，在电机高速运转时，I轴经第一对齿轮降速后速度为675r/min，要使主轴达到=159.24r/min,I轴到主轴II之间必为降速传动，如图3-3右边的一对齿轮啮合；因机床高速运转时易产生振动和噪声，为了防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，取I轴到主轴II的传动比。则此时主轴II的转速为 （3-5）式中电机运行额定转速时，I轴的转速电机运行额定转速时，II轴的转速电机运行额定转速时，I轴-II轴的传动比同用这对齿轮啮合，当电机的转速为高速4500 r/min运转时，主轴II的转速为 （3-6）式中电机运行高速时，I轴的转速电机运行高速时，II轴经的转速电机运行高速时，I轴-II轴的传动比现在已经确定了电机到I轴的传动比，I轴到主轴II轴的两组传动比为、。经电机高速-I轴-主轴II轴（），主轴可获得4000 r/min；经电机额定速-I轴-主轴II轴（），主轴可获得145r/min的转速。满足了主轴所需要的计算转速和最高转速。I轴-主轴II的传动副为Z=3，现从已知的经电机高速-I轴-主轴II轴（、）得到的恒功率范围4000r/min-445r/min转速中，选一个主轴中间转速1350r/min来确定I轴-主轴II的另外一对齿轮副。当电机高速4500r/min运转时，I轴转速=2025r/min，主轴转速为=1345 r/min，则此时I轴-主轴II的传动比为=式中电机运行高速时，II轴的转速电机运行高速时，II轴经的转速电机运行高速时，I轴-II轴的传动比根据以上的分析及计算，取公比=1.41，现将各轴间传动副的传动比按如下方式写出：电机轴与I轴之间I轴与II轴之间传动组 图3-4为图3-3传动系统的转速图。图中用距离相等的一组竖线代表各轴，轴号写在上面。从左至右依次标注电动机轴、I轴、II轴，与传动系统图（3-3）上各轴对应。各轴之间传动比的大小用转速连线的倾斜方向和倾斜程度表示。电机轴与轴I之间是降速传动，连线向下倾斜2格，轴I与轴II之间有3对传动副，连线分别为升2格、降1.2格和降4.7格。连线中的平行线代表同一传动比。二、各轴计算转速的确定主轴II轴的计算转速由前面的计算已经确定为159.24 r/min，轴I的计算转速可从主轴1599.24r/min按的传动副找上去，应为724r/min。各轴的计算转速如下：表31 轴的计算转速表轴序号I轴II轴计算转速（r/min）724159.243.4 齿轮传动设计计算一、确定齿轮的齿数如上图3-3，计算Z1和Z2这对齿轮。1、电机轴上最小齿轮的设计计算（1）选择材料、精度及参数a、选择小齿轮的材料为40Cr表面淬火平均表面硬度为HRC50，选择大齿轮的材料为45钢表面淬火平均表面硬度为HRC45。b、初选小齿轮的齿数，则大齿轮齿数c、齿数比 d、小齿轮转矩T式中T小齿轮转矩单位P电机传递的功率单位小齿轮的转速单位r/mm e、选择齿宽系数和传动精度等级 参照文献2页表18-12，取齿宽系数，初估小齿轮直径，则齿宽 齿轮圆周速度参照文献2页表18-3，选择精度等级为8级。（2）确定许用弯曲应力a、总工作时间 设机床工作预期寿命为10年（每年按250天计算单班工作），则总工作时间为b、寿命系数 由文献4页式式中N应力循环次数齿轮每转一周同一齿面的啮合次数齿轮转速，单位r/mm总工作时间，单位由文献2页图18-25，取弯曲寿命系数c、弯曲疲劳极限由文献2页图18-8 a取极限应力=350 MPa =350Mpad、尺寸系数 估计模数,由文献2页图18-26取尺系数e、安全因数 由文献2页表18-11，取安全系数f、计算许用弯曲应力 由文献2页式18-21得（3）确定许用接触应力a、寿命系数 由文献2页图18-21得b、接触疲劳极限 由文献2页图18-4 a得c、安全因数 由文献2页表18-11得d、许用接触应力 由文献2页式18-16及得（4）确定重合度系数、由文献2页式18-14计算重合度由文献2页式18-13及页式18-20可得 （5）确定载荷系数a、使用系数 由文献2页表18-7取b、动载荷系数 由文献2页图18-14取c、齿向载荷分布系数 由文献2页图18-16取根据条件查文献2页表18-8取由文献2页式18-8、18-9（6）齿根抗弯疲劳强度计算a、齿形系数、 由文献2页图18-23取 b、应力修正系数、 由文献2页图18-23取 c、由齿根抗弯疲劳强度条件求模数，由于 由文献2页式18-19，为满足齿根抗弯曲疲劳强度条件，则需使模数取标准模数（7）确定齿轮的主要参数a、计算中心距由文献2页表18-1取中心距a=125b、齿轮分度圆直径c、齿轮宽度小齿轮齿宽 大齿轮齿宽 （8）齿面接触疲劳强度验算a、弹性系数 由文献2页表18-9，取b、节点区域系数 由文献2页图18-20，取c、校核齿面接触疲劳强度 由文献2页式18-11得， （9）齿面静强度验算a、确定许用接触应力 由文献2页表18-11，取静强度安全因数；由文献2 页表18-21，取寿命系数；根据文献2 页式18-22得许用接触应力b、校核齿面静强度 假设过载条件为，由文献2 页式18-22得齿面最大接触应力由以上计算可知，齿面静强度足够二.电机轴之间传动组主要参数如下表所示表32 传动组主要参数表传动组名称小齿轮齿数大齿轮齿数模数小齿轮节径大齿轮节径小齿轮齿宽大齿轮齿宽.235772701542824三确定主轴上三联滑移齿轮各齿轮齿数及其他参数根据上面对齿轮的计算，我们由相同的方法，确定确定主轴上三联滑移齿轮各齿轮齿数：I轴到II轴之间传动组主要参数如下表所示表33 I轴到II轴之间传动组主要参数表传动组名称小齿轮齿数大齿轮齿数模数小齿轮节径大齿轮节径小齿轮齿宽大齿轮齿宽428231262463830497531472253025221023663066050齿轮在轴上的齿轮齿数关系图如下： 图3-5 齿轮齿数关系图四，确定齿轮在轴上的轴向尺寸为了使机床主轴箱轴向尺寸及轴颈的径向尺寸不至于太大，这里选择三联滑移齿轮在轴上轴上位置排列方式为窄式排列。其排列方式及轴向尺寸如下图： 图 3-6齿轮轴向尺寸图3.5主轴组件设计主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴组件的润滑和密封等一系列问题。一 对主轴组件的性能要求（1）旋转精度：主轴的旋转精度是指装配后，在无卸荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心断锥、锥孔）的径向和轴向的跳动，选择精度取决与各个主要零件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配、和调整精度。工作转速下的选择精度还取决于主轴的转速、轴承的性能、润滑剂和主轴组件的平衡。（2）度：主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，滚动主轴的型号，数量、和配置形式，前后支撑的跨距和主轴前悬伸，传动件的布置方式等。（3）温升：温升将引起热变形，使主轴伸长，轴承间隙变化，降低加工精度；温升也会降低润滑剂的黏度，恶化润滑条件。（4）可靠性：数控机床是高度自动化机床，必须保证工作可靠性。（5）精度保持性：对数控机床主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。二 主轴1,确定主轴的直径 车床因装配的需要，主轴直径常常是自前逐步减小的。前轴颈D1大于后轴颈D2，一般D2=（0.7-0.9）D1。几种常见的车床钢质主轴前颈可参照下表选取。表34 主轴前颈直径表主电机功率（kw）5.57.51115卧式车床（mm）60-9075-12090-120100-160 本设计电机功率为7.5kw，故选取D1=（75-110）mm，在此选D1=100mm，则： D2=（0.7-0.9）D1 = (0.7-0.9)X100 =（70-90）mm 取D2=70mm。2,确定主轴的跨距主轴的跨距是指前后支承间的距离。由前面确定的三联齿