XK5036数控立式铣床总体及垂直进给传动机构设计【含CAD高清图纸和说明书】
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XK5036
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毕业设计(论文)XK5036 数控立式铣床总体及垂直进给传动机构设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。本文的研究目标是针对XK5036铣床的特点，在满足生产的前提下，对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台X、Y、Z的三坐标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造。根据经济性原则和生产的需要，采用的总体方案为：拆除机床工作台X、 Y、 Z轴原进给系统。将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机。采用步进电机减速齿轮带动滚珠丝杠转动，并通过丝杠螺母副带动工作台转动。首先进行切削力的计算，然后根据切削力的大小计算丝杠的强度、刚度，再结合效率计算校核所选丝杠。选择合适的滚珠丝杠安装方式。之后进行齿轮传动机构设计，根据所选步进电机的步距角、脉冲当量，结合公式计算出减速比，选择合适的齿轮，根据所选齿轮的参数计算出齿轮的转动惯，再结合丝杠的转动惯量，算出总的转动惯量。最后进行转距的计算，计算负载和空载时的最大转矩，根据最大转矩选择匹配的步进电机。关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠目 录摘 要II目 录III第1章 数控机床发展概述11.1国内数控机床现状11.2 数控机床及其特点21.2.1 数控机床与普通机床的区别21.2.2 数控机床的适用范围31.3 数控机床的工艺范围及加工精度31.4 数控机床发展趋势4第2章 数控机床总体方案的制订及比较62.1总体方案设计的内容62.2 数控铣床改造设计总体要求72.3 数控铣床改造设计内容72.4 改造后的数控铣床功能分析9第3章 确定切削用量及选择刀具103.1刀具选择103.2切削用量确定103.3切削三要素113.4加工精度和表面粗糙度113.5刀具材料14第4章 传动系统图设计154.1 传动系统设计154.1.1 参数的拟定154.1.2 传动结构或结构网的选择154.1.3 转速图拟定174.1.4 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制204.2 传动件的估算与验算244.2.1 传动轴的估算和验算244.2.2 齿轮模数的估算与验算274.3 展开图设计324.3.1 结构实际的内容及技术要求324.3.2 齿轮块的设计334.3.3 传动轴设计354.3.4 主轴组件设计384.4 制动器设计434.5 截面图设计444.5.1 轴的空间布置444.5.2 润滑454.5.3 箱体设计的有关问题46第5章 主要部装图（垂直进给系统）的设计与计算475.1设计方案的确定475.2 垂直(Z向)进给系统的设计485.3 升降台自动平衡装置50第6章硬件电路图的设计526.1微机控制系统组成及特点526.1.1微机控制系统的组成526.1.2微机数控系统的特点526.2微机控制系统设备介绍536.2.1主控制器CPU的选择536.2.2存储器电路的扩展546.2.3 I/O口电路的扩展556.2.4 步进电机驱动电路556.2.5其它辅助电路设计566.3程序部分57致 谢62参考文献63 第1章 数控机床发展概述从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势2.轴联动加工和复合加工机床快速发展3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势4.重视新技术标准、规范的建立其中包括：a.关于数控系统设计开发规范b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。1.1国内数控机床现状近年来，随着机床工业的发展，我国机床“工作母机”一直保持两位数的增长。2003年的产值达到260亿元，产量居世界第四。我国的机床消费超过59亿美元，首次跃居世界第一，产值水平260亿元，消费超出220多亿元。其差额自然只有靠进口。据海关统计，2003年我国进口机床产品金切机床及锻压设备各约31.5亿美元，又是一个“世界第一”而全行业出口仅为3.1亿美元。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三大一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括。“母机”水平看“数控”。1992年我国年产数控机床仅4200多台。到2003年这一数字已为2.48万多台.比上年增长了41.6%。 10年来，我国数控金切机床产量翻了两番多.数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30%;消费值数控化率还不到50%,而发达国家大多在76%左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口.我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态.1.2 数控机床及其特点1.2.1 数控机床与普通机床的区别数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。1.2.2 数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 批量小而又多次重复生产的零件； 几何形状复杂的零件； 贵重零件加工； 需要全部检验的零件； 试制件。 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控铣床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通铣床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控铣床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控铣床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能，部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.4 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工 进入21世纪，机床向高速化方向发展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度.上世纪90年代以来欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍.达到5微米;精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.01-0.05微米，加工圆度为0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等从精密加工发展到超精密加工特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm).其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000小时.当前国外数控装置的MIBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几午来特别明显的发展趋势.(2)智能化在数控系统中智能化的内容包括为追求加工效率和加工质量方面的智能化:如自适应控制，工艺参数自动生成:为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等:简化编程、简化操作方面的智能化:智能诊断、智能监控方面的内容等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化FA)、体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展.3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开触式数控的计划等。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1总体方案设计的内容针对XK5036铣床的特点，在满足生产的前提下，对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台X、Y、z轴的三坐标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。将一台XK5036普通升降台立式铣床，改造成三坐标控制，三轴联动加工的数控铣床，用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工。根据设计任务要求，有三种方案可供选择：方案一：将工作台升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制,三坐标联动的开环控制。方案二:将主轴升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制，任意两坐标联动的开环控制。方案三:仅将工作台X、Y轴进给运动改为微机控制，实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制对上述三个改造方案综合考虑，结合铣床升降台需要修理等实际情况.在符合经济型数控改造一般原则的前提下选择确定第一方案，其具体方案如下:(1)拆除机床工作台X、 Y、 Z轴原进给系统。将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机。对机床传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式。完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等，垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠后会因失去自锁而自动下滑.必须增加平衡装置和制动装置。(2)选择经济型开环数控系统、实现机床工作台X、Y、Z轴3/3数控。主轴的部分数控功能要求X、Y、Z向步进精度为O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;轴向定位精度0.015 mm;重复定位精度0.008 mm。2.2 数控铣床改造设计总体要求数控铣床改造设计主要考虑以下四方面因素：(1) 经济性既然是用于普通铣床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到系统设计目的关键。这里的成本包括数控系统，主传动系统、伺服驱动系统及机械传动系统等。(2) 方便性数控系统的方便性主要反映在系统的人机界面。人机界面应当对用户友好，对此系统应从以下几个途径来体现： 汉化按键，方便各种层次的操作者使用。输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号。快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。(3) 实用性经济型数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要：直线、圆弧插补。插补速度要充分考虑被改造机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高。速度衔接技术，即速度升/降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现2段程序问的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕，保证精度。变频调速。加工程序的掉电保护能力。(4) 可靠性由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。2.3 数控铣床改造设计内容(1) 主传动系统设计拆除机床主轴，重新设计主轴。为了保证主轴在运动时有准确的定位，安装主传动的定位检测装置。采用电气式主轴准停装置，利用磁力传感器检测定位。只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定位。这种磁力传感器的工作原理是，在主轴上装上永磁铁和主轴一起旋转，在距离磁铁l-2mm的旋转轨迹外，固定一个磁传感器，当传感器发出信号后经过放大，由定向电路使电动机准确的停止在规定的周向位置上。将主传动改为采用变频交流电动机无级调速。低档转速为270-1500r/min，高档转速为1500-4500r/min，在各档内可以实现无级调速。与原立式铣床的机械结构相比比较简单，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，省去了复杂的齿轮变速机构，主传动系统是一个开环控制的交流变频调速系统，通过软件来实现它的调速。(2) 进给传动系统设计纵向、横向、垂向进给箱齿轮全部拆除，拆除纵向、横向、垂向进给手柄，在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。改造后的XK5036铣床传动示意图如图1.1所示，其定位精度为0.01mm，重复定位精度为0005mm。X、Y电机能够拖动工作台以6-3200rmin的切削进给速度进行x向、Y向运动，Z向电机能使主轴箱获得3-1600rmin的进给速度。(3) 数控系统的设计采用AT89C58单片机控制系统。采用模块化设计方案，从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于89C58单片机的主控模块。利用变频调速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实现程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的完善化。1双联齿轮 2双联齿轮 3齿轮轴 4主轴电机 5齿轮 6主轴齿轮 7主轴齿轮 8纵向滚珠丝杠 9薄片齿轮 10纵向步进电机 11横向步进电机12薄片齿轮 13横向滚珠丝杠 14垂直步进电机 15薄片齿轮16圆锥齿轮 17垂直进给丝杠图1.1 XK5036铣床传动示意图2.4 改造后的数控铣床功能分析 根据设计要求，改造后的数控铣床应具有以下功能：以实现程序的存储和编辑功能；以实现主传动系统电机正、反转，转速分为两档，并在各档内可以实现无级调速；可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行；以实现数值的任意设定并显示；以实现辅助控制系统的任意起停和故障报警；以实现与上位机的通讯。63第3章 确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择（一）刀具选择：铣平面：硬质合金端铣刀或立铣刀，尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面：立铣刀。毛坯表面或粗加工孔：镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀）。立体型面和变斜角轮廓外形：球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄，保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率。1、主轴转速n：根据线速度v确定：V= (端铣：150m/min；周铣：30m/min)2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切宽L：与刀具直径成正比，与切深成反比。L0.60.9d粗加工：大切深、大进给、低切速。精加工：小切深、小进给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削，快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT834IT94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外，如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15IT18912铸、锻、焊、气割（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了六项形状公差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度。跳动：圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB103183、GB131-83） 轮廓算术平均偏差： Ra 或近似于Ra 微观不平十点高度： Rz(+) 在常用数值范围内（Ra0.256.3m，Rz0.125m），在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉16325050200可见刀纹4016023212525100微见刀纹2080316.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨48326.325微见加工痕迹52054163.212.5不见加工痕迹2.5106281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.256.3精铰刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光100.1250. 630.10.50亮光泽面0.0800.40110.0630.320.050.25镜状光泽面0.0400.20120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬质合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000，V100-300m/min。另外，还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章 传动系统图设计4.1 传动系统设计XK5036数控立式铣床设计参数1、主轴转速：30-1500转/分 2、工作台尺寸(长宽)： 1250mm360mm 3、工作台最大行程： 纵向 600mm 横向 320mm 垂直 360mm 4、快速移动速度： 15m/min工作台定位精度 x、y、z 0.03mm；5、工作台重复定位精度 x、y、z 0.02mm；6、纵向、横向及垂直进给为微机控制，采用步进电机或伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.010mm/脉冲。7、实现功能：铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。8、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4.1.1 参数的拟定XK5036数控立式铣床选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.4.1.2 传动结构或结构网的选择1，确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有. .个传动副，即Z=。传动副数由于结构的限制，通常采用P=2或3，即变速Z应为2或3的因子：Z=x因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。2，传动组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2，或3x2x3。选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能。I轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸。第一传动组的传动副数不能多，以2为宜，有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2 ，或一个定比传动副。这里，根据前多后少的原则，选择18=3x3x2方案。3，传动系统的扩大顺序安排 对于18=3x3x2的传动，有3！=6种可能安排，亦即有6种机构副和对应的结构网，传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，结构式18=xx的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=xx的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=xx的结构式。4验算变速组的变速范围 齿轮的最小传动1/4，最大传动比2，决定了一个传动组的最大变速范围=/因此，可按下表，确定传动方案：根据传动比及指数 x, 的值公比极限值传动比指数1.26x值: =1/=1/46值: =23（x+）值：=89因此，可选择18=xx的传动方案。5、最后扩大传动组的选择：正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为：Z=*最后扩大传动组的变速范围为：r=按原则，导出系统的最大收效Z和变速范围为： 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图4.1：图4.1 结构网图4.1.3 转速图拟定XK5036数控立式铣床运动参数确定后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率。在此基础上，选择电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。1，主电机的选择中型机床上，一般都采用交流异步电动机为动力源，可在下列中选用，在选择电机型号时，应注意：（1）电机的N：根据机床切削能力的要求确定电机功率，但电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。（2）电机的转速异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750，r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p ( r/min)机床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 两种，选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜，以免采用过大或过小的降速传动。根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW 荷载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002、分配最小传动比，拟定转速图 （1）轴的转速：轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近，显然，从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速也不宜也太高，轴转速一般取7001000r/min左右较合适。因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴I到主传动系统前端轴增加一对26/54的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。 （2）中间轴的转速 对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些： d, m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大：=1/(3.5+cn)KW式中：C系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；所有中间轴轴径的平均值；主轴前后轴径的平均值中间传动轴的转速之和n主轴转速（r/min）=20lg-K式中：（所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角,K系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床=3.5，铣床K=50.5 从上述经验公式可知，主轴n和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。a，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度v8m/s(可用级齿轮精度)，在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。（3），齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：a, 升速传动中，最大传动比 2 ，过大，容易引起振动的噪音。b, 降速传动中，最小传动比 1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。（4）分配最小传动比a,决定轴V-VI和VI-的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1，b,决定各变速组的传动比；由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则，取轴IV-V的最小降速比为极限值的1/4，=1.26，=4，轴III-IV和轴II-III均取=1/（5）拟定转速图：根据结构图及结构网图及传动比的分配，拟定转速图，如下图4.2所示： 图4.2 传动系统图4.1.4 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制1，齿轮齿数的确定的要求：可用计算法或查表确定齿轮齿数，后者更为简便，根据要求的传动比u和初步定出的传动副齿数和，查表即可求出小齿轮齿数：选择是应考虑：a,传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数，即：推荐：对轴齿轮=12，特殊情况下=11，对套装在轴上的齿轮，=16，特殊情况下=14，对套装在滚动轴承上的空套齿轮，=20；当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角a=20的直齿标准，=17），一般需对齿轮进行正变位修正。b,保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚，一般取则，如图4.3所示。c、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等。若摸数相等时，则齿数和亦相等，但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能够超过34个齿。2，变速传动组中齿轮齿数的确定 为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸，这里采用了公用齿轮。但由于公用齿轮的采用，使两个传动组间的传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸，因此，径向尺寸一般较大，此外，公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数。查机床设计手册确定个齿轮齿数如下： 轴II-III间变速齿轮齿数的确定：由于公比=1.26，传动比为=1/=，=1/=，=1/设：传动组中最小齿轮齿数=16，查机床设计手册表7.3-14可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）齿数和为=55公用齿轮选为=39轴III-IV间变速组齿轮齿数的确定：传动比为=1/ =1/ =根据=，主动轮齿数为39，从表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）齿数和为：=65轴IV-V间变速组齿轮齿数的确定：由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化，受力差别较大，为了得到合理的结构尺寸，可采用不同模数的齿轮副。轴IV-V间的两对齿轮，其传动比为=1/4, =2分别取，则34取30，30x3=90, =30x4=120按传动比将齿数分配如下：=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38轴V-VI及VI-VII间齿数确定，由于这两个传动组只是改变传动方向，不起便速度作用，只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪音等因素。，取V-VI轴间锥材料齿轮齿数为29，I-VII轴间齿轮齿数为67。3、主轴转速系列的验算：主轴转速在使用上并要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。 由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过即%主轴的各级实际转速分别为：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min=2%而%=2.6%故符合条件同理：经验算，其他各级转速也满足要求。4、传动系统图的绘制转速图和齿轮齿数确定后，变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数，轴数，支承轴，为使变速箱的结构紧凑，合理布置齿轮是一个重要的问题，因为它直接影响变速箱的尺寸，变速操作的方便性和结构实现的可行性问题，在考虑主轴适当的支承距和散热条件下，一般应尽可能减少变速箱尺寸。这里为使变速操作的方便，提高效率采用电磁离合器操纵方式。根据计算结果，绘制出传动系统图，如图2.4所示 图1.4 主传动系统图主运动传动链的传动路线表达式如下：电动机IIIIIIIV=VVIVIII（主轴）4.2 传动件的估算与验算4.2.1 传动轴的估算和验算传动轴除应满足强度要求外，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高，不允许有较大的变形因此，疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情况下，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（弯曲，失稳，转角）。若刚度不足，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，或产生振动和噪声，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。可以先扭转刚度估算轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。1，传动轴直径的估算传动轴直径按扭转刚度用下列公式估算传动轴直径：d=91mm式中：N该传动轴的输入功率N= KW电机额定功率从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效率）。该传动轴的计算转速；计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速，各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车，铣床主轴的计算转速为：（主）=每米长度上允许的扭转角（deg/m）;可根据传动轴的要求选取。对传动轴刚度要求允许扭转角主轴一般传动轴较低的轴（deg/m）0.5-11-1.51.5-2估算时应注意：（1）值为每米长度上允许的扭转角，而估算的传动轴的长度往往不足1m，因此，在计算时应按轴的实际长度计算和修正，如轴为500mm，取=1deg/m则d=91 mm（2）效率y对估算轴径d影响不大，可以忽略（3）如使用花键是可根据估算的轴径 d选取相近的标准花键轴的规格，主轴总轴径可参考统计数据确定；1.5-2.82.8-44.5-7.55.5-7.57.5-11车床60-8070-9070-10595-130110-145升降台铣床50-9060-9060-9575-10090-105各轴的计算转速：=95 r/min=118 m/min =300 r/min=750 r./min =1450 r/min轴径的估算：=91x=24.4=91x=28.78 =91x=36.18=91x =45.69 =91x=48.242、传动轴刚度的验算（1）轴的弯曲变形的条件和允许值机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承出的挠度y和倾角。各类轴的挠度y，装齿轮和轴承处的倾角，应小于弯曲刚度的许用值和，即 轴的弯曲变形的允许值：轴的类型允许挠度变形部位允许倾角一般传动轴（0.00030.0005）装轴承处，装齿轮处0.0025 0.0001刚度要求较高的轴0.00021装单列圆锥磙子轴承0.0006安装齿轮的轴（0.010.03）装滑动轴承处0.001安装蜗轮的轴（0.020.05）装单列径向圆锥磙子轴承处0.001（2）轴的弯曲复形计算公式：计算花键轴的刚度时可采用平均直径或当量直径计算公式：矩形花键轴：平均直径=（D+d）/2当量直径 =惯性矩： I=4.2.2 齿轮模数的估算与验算1、 估算：按接触疲劳和弯曲强度计算次论模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知的情况先才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳强度的估算： mm齿面点蚀的估算：A mm其中 为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心矩，由中心矩A及齿数，求出模数=2A/ mm根据估算所得和中较大的值，选择相近的标准模数，各齿轮的计算转数为：=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min =300r/min =118r/min轴III间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=1.87齿轮点蚀的估算：A=370x =81.76 mm=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm所以模数为m=3.轴IIIII传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32=2.759齿面点蚀估算：A=370x =108.18=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm取标准模数 m=4轴IIIIV间传动组齿轮模数的估算齿轮弯曲疲劳估算：=32x=3.046齿面点蚀估算：A=370x =117.3=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61所以取标准模数m=4mm。轴VVI间传动组齿轮模数的估算：齿轮弯曲疲劳计算，4.46齿面点蚀估算：Ax=153.4=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29取标准模数值m=5,轴VIVII间齿轮模数的确定：齿轮弯曲疲劳强度计算：齿面点蚀估算：Ax =158.7=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37取模数值为m=4。2、计算（验算）结构确定后，齿轮的工作条件：空间安排，材料和精度等级都已经确定，才可以核验齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度值是否满足要求。根据接触疲劳强度计算齿轮模数的公式：= mm根据弯曲疲劳强度计算齿轮模数，公式：= mm 式中：N计算齿轮传递的额定功率N= KW计算齿轮的计算转速r/min齿宽系数=b/m, 常取6-10；大齿轮与小齿轮齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数i大齿轮与小齿轮的传动比， i=/1; “+”用于外啮合，“-”用于内啮合寿命系数，=，工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的指数m和基准循环次数n齿轮的最低转速 r/minT预先的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=1500020000h;转速变化系数功率利用系数材料强化系数，幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起阻止疲劳的刃缝扩大的作用工作情况系数，中等冲击的主运动，=1.21.6；动载荷系数齿向载荷分布系数齿形系数许用弯曲，接触应力MPa;1、轴I-II间齿轮模数的计算(验算)(1)按接触疲劳计算齿轮模数:N=y=0.987.5=7.35W=8 查表: 取 则 取 线速度 查表: 取 查表 取 查表取 . 因此: (2) 根据弯曲疲劳计算 查表取 : 而 查表取 .Y=0.43, 因此: 。由以上计算结果知，齿轮模数合格。2、其它齿轮模数的验算其它齿轮的验算过程与上面相同，将有关数值代入上式，经计算均满足要求；4.3 展开图设计4.3.1 结构实际的内容及技术要求1设计内容：设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，齿轮，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连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。2技术要求主轴变速箱是指机床的主要部分，设计时除考虑一般机械传动的有关要求外，着重考虑以下几个方面的问题：（1）精度立式铣床主轴部分要求比较高的精度主轴的径向跳动，0.01mm；主轴轴向串动0.01mm。（2）刚度和抗振性综合刚度（主轴刀架之间的力与相对变形之比）；综合3400N/m主轴与刀架之间的相对振幅的要求等级IIIIII振幅（0.001mm）123(3)，传动效率要求等级IIIIII效率0.850.80.75（4）主轴总轴承处温升和温升应控制在以下范围：条件温度温升用滚动轴承7040用滑动轴承6030 噪声要控制在以下范围：等级IIIIIIdB788083噪音=20log式中：所有中间传动齿轮分度圆直径的平均值mm主轴上齿轮的分度圆直径的平均值mm传到主轴所经过的齿轮对数,k系数，根据个类型及制造水平选取。我国中型车床，铣床=3.5，铣床K50.5（5）结构简单，紧凑，加工和装配工艺性好，便于维修和调整（6）操作方便，安全可靠（7）遵循标准化和通用化的原则4.3.2 齿轮块的设计1，特点齿轮是变速箱中的重要元件，齿轮同时啮合的齿数是周期性变化的，也就是说，作用在一个齿上的载荷是变化的。同时由于齿轮制造及安装误差，不可避免要产生动载荷而引起振动和噪音，常常成为变速箱的主要噪声源，并影响主轴回转均匀性，在设计齿轮时，应充分考虑这些问题。2，精度等级的选择变速箱中齿轮用于传递动力和运动。它的精度选择主要取决于周围速度。采用同一精度时，周围速度越高，振动和噪声越大，根据实验结果，周围速度增加一倍，噪音约增加6dB。工作平稳性和接触误差对振动和噪音的影响比运动误差更大。所以这两项精度应选高一级，为了控制噪音，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，大都用7-6-6,这里主运动齿轮的精度选为7-6-6。3、结构与加工方法不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构要求也有不同。8级精度齿轮，一般滚齿或插齿就可以达到。7级精度齿轮，用较高精度滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度下降，因此，需淬火的7级齿轮一般滚（插）后要剃齿，使精度高于7级或淬火和衍齿才能达到6级。机床主轴变速箱中齿轮一般都需要淬火。多联齿轮块的结构形式如下图2.5所示，各部分的尺寸推荐如下：（1）、空刀槽，插齿时： 模数 12mm， 5mm; 模数2.54mm, 6mm。剃齿时： 采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及计算。图4.5式中，k为与剃齿刀倾斜角有关的系数。 若齿面要高频淬火，为避免互相影响，应大于8。由于这里采用的齿轮的精度为7-6-6，需要剃齿或珩齿，需齿面淬火，所以8，取=8。（2）、齿宽b 图4.5齿宽影响齿的强度。但如果太宽，由于齿轮误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取=(610)m齿轮模数m小，装在轴的中部或单片齿轮，取大值齿轮模数m大，装在靠近支承处或多联齿轮，取小值。薄的大齿轮容易产生板振动，成为噪音发射体，因此，齿轮基体不宜太薄，设计单片齿轮时要注意这里均是单片齿轮，取齿宽（m为模数）。（3）、其他问题 滑移齿轮进出啮合的一端要圆齿，有规定的形状和尺寸（见图1.6），圆齿和倒角性质不同，加工方法和画法也不一样， 图1.6部分（图（一）用于安装拨动齿轮的滑块，一般取=或，这里我们选。选折齿轮块的结构时要考虑毛坯形式（棒料、自由锻或模锻）和机械加工时的安装和定位基面，尽可能做到省工，省料又容易保证精度。4、齿轮的轴向定位要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠，空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴向定位可采用隔套定位。4.3.3 传动轴设计1特点机床传动轴，广泛采用滚动轴承作支承。轴上要安装齿轮，离合器和制动器等。传动轴应保证这些传动件或机构能正常工作首先，传动轴应有足够的强度和刚度，如挠度和倾角过大，将使齿轮啮合不良，轴承工作条件恶化，使振动，噪音、空载功率、磨损和发热增大。两轴中心距误差和轴心线间的平行度等装配及加工误差也会引起上述问题。 2，轴的结构传动轴可以是光轴也可以是化键轴，成批生产中，有专门加工花键轴的洗床和磨床，工艺上并无困难。所以一般都采用化键轴，花键轴承载能力高，加工如转盘也比但单键的光轴方便。这里I轴与电机轴相连，I轴上只装有一个齿轮，可选光轴II、III、IV、V轴采用花键轴，VI轴采用光轴。3，轴承的选择 机床传动轴常用的滚动轴承有球轴承和滚锥轴承。在温升。空载功率和噪音等方面，球轴承都比滚锥轴承优越。而且滚锥轴承对轴的刚度、支承孔的加工精度要求都比较高，异常球轴承用得更多。但滚锥轴承的内外圈可以公开。装配方便，间隙容易调整。所以有时在没有轴向力时，也常采用这种轴承。选择轴承的型式和尺寸，首先取决于承载能力，但也要考虑其它结构条件。即要满足承载能力要求，又要符合孔的加工工艺，可以用轻、中、或重系列的轴承来达到支承孔直径的安排要求花键轴两端装轴承的轴颈尺寸至少有一个应小于花键的内径，一般传动轴上轴承选用G级精度。（1）滚动轴承的选择计算a，寿命计算公式：滚动轴承的寿命计算公式如下：L=试中：L额定寿命（ x）转C额定动载荷（Kgf）P当量负载荷（Kgf）寿命指数，对球轴承 =3 对滚子轴承=10/3在实际计算中，一般采用工作小时数表示轴承的额定寿命，这时上试可变为：=试中： 额定寿命（h）n轴承的计算转速（r/min）当量动载荷：P=X+Y试中：径向负荷（Kgf）轴向负荷（Kgf）X径向系数Y轴向系数（2）按照负载荷选择轴承按额定静负载选择轴承的基本公式如下：= 试中：当量静负荷（kgf） 按下列两式计算，取大值 额定静负荷（kgf）安全系数（3）轴承的选择I轴两端轴承的选择，根据前面估算的直径及该轴的结构和受力情况，选择单列向心球轴承（GB27664）轴承型号为7000308（左轴承）右轴承7000307II轴两端轴承的选择左轴承：7000307 右轴承：7000306III轴：左，7000309 右，7000308IV轴：左，7000310，右7000409V轴轴承的选择，由于轴V右端悬伸部分与锥齿轮不相连，承受一定的轴向负荷及径向负荷，因此，可选用圆锥滚子轴承左端型号：27310（GB29864）右端：27610VI轴垂直布置，下端轴承承受到大的轴向力，可选用向心推力球轴承，型号为36107，上端轴承可选用向心球轴承70003094，轴的轴向定位传动轴必须在箱体内保持准确的位置，相对保证安装在轴上各传动件的位置正确性，不论轴是否转动，是否受轴向力，都必须有轴的定位。对受轴向力的轴，其轴向定位更重要。回转轴的轴向包括轴承在轴上的定位和在箱体孔中定位）在选择定位方式时应注意：1，轴的长度，长度要考虑热伸长的问题，宜有一端定位。2，轴承的间隙是否需要调整。3，整个轴的轴向位置是否需要调整4，在有轴向载荷的情况下不宜采用弹簧卡圈5，加工和装配的工艺性等根据轴的结构特点和收里情况，I，II，III，IV，V轴均采用弹簧卡圈定位或压盖和轴肩定位。5、传递轴的结构设计1）、 轴I的结构设计:1,选联轴器轴I与电机轴用联轴器相连,需同时选取连轴器.轴I上的转矩T为: 联轴器的计算转矩 查表取 则,根据工作需要,选用弹性柱销连轴器,型号为HL3,联轴器的许用转矩为: , 联轴器的轴孔直径d=38mm, 半联轴器的长度为L=82mm,联轴器标记为: HL3联轴器 3882 GB501485.2,按轴向定位要求确定轴的各段直径和长度.4.3.4 主轴组件设计主轴组件结构复杂,技术要求高,安装工件(车床)或者刀具(铣床,钻床)的主轴参予切削成形运动,因此它的精度和性能直接影响加工质量(加工精度和表面粗糙度),设计时主要围绕着保证精度,刚度和抗振性,减小温度和热变形等几个方面考虑1、对主轴部件的基本要求主轴组件是机床主要部件之一. 它的性能对整机性能影响很大. 主轴直接承受切削力,转速范围又很大,所以对主轴组件的主要性能基本要求如下:1), 回转精度. 主轴组件的回转精度是指主轴的回转精度.造成主轴回转误差的原因是主要是由于主轴的结构及其加工精度,主轴轴承的选用及刚度等,而主轴及其回转零件的不平衡,在回转时引起的激振力也会造成主轴的回转误差.2), 刚度. 主轴组件的刚度指受外力作用时,主轴组件抵抗变形的能力. 主轴部件的刚度与主轴结构尺寸,支承跨距,所选用的轴承类型及配置形式,轴承间隙的调整,主轴上传动元件的位置等有关.3), 抗振性: 主轴组件的抗振性是指切削加工时,主轴保持平衡运转而不发生振动的能力,提高主轴抗振性,必须提高主轴组件的静刚度,采用较大阻尼比的前轴承,以及在必要时安装阻尼(消振)器,另外,使主轴的固有频率远远大于激振力的频率.4), 温度. 主轴组件在运转时,温度过高会引起很多不良结果,数控机床在解决温度问题时,一般采用注温主轴箱. 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.2, 主轴部件的传动方式和布置形式.1),传动方式主轴旋转运动传动方式的选择,决定于主轴转速的高低,所传递扭矩的大小,对远转平稳性的要求及结构紧凑,装卸维修方便.这里我们选择齿轮传动,这样结构简单,紧凑和能传递较大的扭矩.2),传动件位置的合理布置.对于传动件直接装在主轴上的主轴部件,工作时主要承受传动力Q.切削力P和支承反力. 合理布置传动件的轴向位置,可以改善主轴的受力情况,减少主轴的变形,改善传动件的轴承工作条件,减少轴承的受力,提高主轴部件的抗振性等.合理布置的原则(1)传动力Q引起的主轴弯曲变形小,且能部分抵消切削力P引起的主轴弯曲变形.(2)传动力Q引起的支承反力能部分抵消切削力引起的支承反力.(3) 传动力Q引起的主轴端位移小,并且尽可能部分地抵消切削力引起的端位移,尤其在影响加工精度的敏感方向上.(4)结构紧凑,主轴箱尺寸小,装配维修方便.综合所上述原则,选择传动件的轴向布置形式采用3、 主轴部件轴承的选择 1), 主轴轴承的选择主轴部件上的轴承应具有旋转精度高,刚度高,承载能力强,抗振性好,极限转速高,适应变速范围大,摩擦功耗小,噪音低,寿命长的性能,同时应满足制造简单,使用维修方便,成本低,结构尺寸小等要求。滚动轴承已经标准化,并有专门工程批量生产,而且它在旋转精度高,刚度,承载能力,转速,发热等主要性能上能满足大多数主轴部件的要求,特别是它具有能在转速和载荷变动范围很大的的条件下稳定工作的的优点。这里前支承选用-3182100型,可承受径向力,反支承选用一对推力球轴承,承受径向和轴轴向载荷,使主轴轴向定位.2), 轴承的配置大多数机床主轴采用两个支承,结构简单,制造方便,在配置轴承时,应注意以下几点:(1) 没个支承点都要能承受径向回力(2) 每个方向的轴向力应分别有相应的轴承承受(3)径向力和两个方向的轴向力都应传递到箱体上,即负载都由机床支承件承受 3),轴承的精度配合主轴轴承的精度要求比一般传动高,前轴承的误差对主轴前端的影响最大,所以前轴承的精度一般比后轴承的选择要高一级。普通精度级机床的主轴,前轴承选C或D级,后轴承选D或E级.精密或高精级机床, 前轴承选B或C级, 后轴承选C或D级。这里前轴承选C精度, 后轴承选D级精度轴承与轴和轴承与箱体孔之间,一般都采用过渡配合,采用比一般轴要松一些.如:j5, js5, j6, js6. 另外,轴承内外环都是薄壁件,轴的孔和形状误差都会反映到轴承滚道上去,如果配合精度选得过低,会降低轴承的回转精度,所以, 轴承孔的精度应与轴承精度相匹配. 内圆选 外圆选4、主轴支承结构设计支承中的轴承应定位可靠,精度保证性好.安装调整方便. 支承中各零部件的加工和装配工艺性好,维修更换方便.1, 轴承(3182118型)内圈的轴向定位双列短圆柱滚子轴承内圈相对外圈可以移动,当内圈向大端移动时,由于1:12的内锥孔.内圈将胀大消除间隙。5. 主轴端部的结构型式主轴端部的型式取决于机床的类型和安装夹具或刀具的型式. 主轴端部的结构,应保证夹具顶尖或刀具可靠,定位准确,高的联结刚度以传递足够的扭矩,并尽量缩短主轴悬伸长度,以及装卸方便等.立式铣床主轴多采用7:24锥孔作定位面,供安装铣刀或铣刀心轴的尾锥,再用拉杆从主轴后端拉紧四个螺孔供安装铣刀用,两个长槽供安装端面键以传递扭矩6、主轴主要参数的确定主轴的主要参数是指:主轴平均直径D(主轴前轴颈直径D1);主轴内孔直径d,;主轴悬伸量a和主轴支承跨距L。这些参数直接影响主轴的工作性能.但为简化问题,主要从静刚度条件出发来确定这些参数. 即选择D,d,a,L使主轴获得最大的静刚度,也就是使主轴轴端位移最小,同时兼顾其他的要求,如高速性,抗振性能等。1), 主轴轴颈直径的确定主轴轴颈直径对主轴部件刚度影响最大. 加大直径,可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形所引起的轴端位移,从而提高主轴部件刚度. 但加大直径受到轴承值的限制,同时造成相配零件尺寸加大,制造困难,结构庞大和重量增加等. 因此在满足刚度要求下应取小值。查取=90mm,后轴颈 平均轴颈 取d=27mm.2), 主轴内孔直径d的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆,冷却管等,大型,重型机床的空心主轴还可以减轻重量. 确定孔径d的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些。由材料力学知,轴刚度K与抗弯截面惯性矩I成正比,与直径之间有下列关系: 由上式可知,当时,空心主轴的刚度与实心主轴的刚度相差甚小,即内孔对主轴刚度降低的影响很小, 当时,刚度降低约25%.因此,为了不至于过分地削弱主轴刚度,一般应使 另外,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够. 推荐: 铣床,d=拉杆直径+(5-10)mm.根据铣床XK5040的主参数, 取d=29mm.则 22。满足要求.3), 主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前端大炮前支承径向反力作用中点(一般为前径向支承中点)的距离,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多都有轴端标准),前支承的轴承配置和密封装置等. 有的还与机床其它结构参数有关,如工作台的行程等. 因此主要由结构设计确定。参考同类机床和,取则悬伸量a=63mm。 4), 主轴跨距的确定根据,计算前支承刚度. 计算综合变量=此处取弹性横量. (钢的)主轴的截面惯性距则有： 由主轴跨距计算线图,得:， 所以.合理跨距范围为:，为提高刚度,应尽量缩短主轴外延伸长度a,选择适当的跨距,一般推荐取/a=3-5。跨距小时,轴承变形对轴端变形影响大,所以轴承刚度小时, /a取大值,轴承刚性差时,则取小值。这里取=4a=463=252(mm).7. 主轴部件的密封根据主轴转速,主轴轴承的润滑方式,工作温度,工作状况和轴端结构特点来选择密封装置的型式立式铣床的主轴是垂直安装的. 属立式主轴,可选用曲路密封(迷宫式密封),这装置密封,垫圈和曲路相结合的密封. 垫圈甩开油液使其集中于端盖中引回,曲路密封还可以防止外界杂质侵入.4.4 制动器设计对制动器的要求是:制动迅速,平稳,结构简单,紧凑,维修调整方便等.制动方式有两类:电机制动和机械制动。 在XK5036数控铣床上，通常根据刀具与工艺要求需进行主轴转速的变换及制动，这制动装置常用离合器来实现，而电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件。由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选择，因而它已成为自动装置中常用的元件。这里我们采用机械制动,采用电磁离合器制动。按照要求，根据电磁离合器所能传递的静扭矩和动扭矩选择各类电磁离合器的规格，型号，从而确定其尺寸。一般应使选用和设计的离合器的额定静扭矩和额定动扭矩满足工作要求。 额定静扭矩： 式中：离合器的额定静力矩（Kgm） K安全系数运转时的最大负载力矩对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭矩设计，查机械设计手册表4-430，取K=2 取y=0.99则 K= Kx9550=2x9550x7.5/1450x0.99=97.8 Nm额定动扭矩：式中，加速扭矩；所有被离合器带动的零件折算到离合器轴上的当量飞轮矩； ; 安装轴(转速为n)及轴上零件的非轮矩之和 ; 分别为离合器带动的其他各轴(转速为n，nn)上零件的飞轮矩之和;加速时间,中型车床取1-3s,位行用0.010.02s；空转扭矩。湿式多片式离合器一般为的12%，油量小，精度高，水平安装是取小值；通过计算，这里选用铣床专用离合器，型号为：DLMOZ-5B。4.5 截面图设计截面图设计主要考虑以下四个方面的问题:1, 个轴的位置安排:包括主轴,I轴和中间各传动轴的合理安排和确定;2, 箱体结构和外形:变整箱体结构,与床身的连接方式,外观造型等;3, 操纵机构的设计和选择;4, 润滑系统的设计和润滑元件的选择.4.5.1 轴的空间布置1,主轴和传动主轴的轴立式铣床的主轴是垂直布置的,XKSV40的主轴可上下移动，装在套筒内，传动主轴的轴与主轴之间用一对1：1的齿轮出动，该轴也是垂直分布的。2，轴入轴的装置（1）I轴上装有电磁离合器制动，该部件的位置安排应便于调整；（2）电磁离合器，需要考虑便于冷却和润滑，离主轴部件部件要远一些，以减少摩擦发热对主轴热变形的影响。（3）综上所述，铣床I轴一般安排在变速箱后壁处；3，中间各传动轴主轴和各传动轴位置确定后，中间各传动轴位置即可按转动顺序进行安。4.5.2 润滑主轴变速箱常用的润滑方式有飞润滑和压力循环润滑，飞润滑适用于润滑点比较集中，要求不很高的变速箱，这里我们采用压力循环润滑，压力循环润滑分箱内循环润滑和箱外循环润滑，前者结构简单，布置紧凑，后者冷却润滑效果1，压力循环润滑系统的计算（1）润滑油量 油量粗算： 式中： 额定功率 机床效率也可用如下公式计算各润滑部位的需油量； 式中： 允许循环油温升，通常为45-50 （2）油池容量： （升） （升）油池容积应超过V的30%，即为：7.254-16.93 （升）（3）油管的选择与计算油管的内径计算： 式中： -流量 （l/min） -管内油的流速 取主轴管内油的流速为支油管： =1 l/min,外径x壁厚为：4x0.5；回油管： ，外径x壁厚为：12x1。2，柱塞泵的油量计算、结构和规格尺寸供油量 l/min 式中： d柱塞直径 N柱塞每分钟往复次数， 次/分 以300-700次/分为宜，400-520次/分为佳。 S柱塞行程。 效率，=0.750.9。4.5.3 箱体设计的有关问题箱体材料以中等强度的灰铸铁HT15-33和HT20-40用得最广泛。需时效处理。砂型铸造时，箱体铸件的最小壁厚：尺寸（长x宽x高）mm壁厚mm大于800x800x500约253，箱体壁孔对刚度的影响和补偿箱体轴承孔面积点总侧壁面积30%左右时候，与未开孔的箱体比较，扭转刚度下降20-30%，弯曲刚度下降更大，为弥补因开孔而削弱的刚度，常用凸缘和加工筋。加强筋：厚度为：0.7b，筋高：（45）b。第5章 主要部装图（垂直进给系统）的设计与计算5.1设计方案的确定利用微机对纵横垂直进给系统进行半闭环控制，脉冲当量都为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向、垂直进给运动。机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承件、旋转支承件、轴系及架体等机构组成.常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动，同步带、高速带以及各种非线性传动部件等。1. XK5036铣床数据进给电机额定功率1.5kw额定转速1440rpm最大水平拖动力1500kg=15KN最大进给速度 纵向2.3m/min 横向1.54m/min 垂向(升降台)0.77m/min工件最大重量 200kg机动范围 纵向690mm 横向240mm 垂向(升降台)350mm2. 工艺数据根据改造设计任务的要求，参考(切削用量手册, 确定选用YT15硬质合金端铣刀铣削。铣刀直径=0.125m；齿数Z=4；切削宽度=0.07m；铣削深度=h=3.7 m；每齿进给量 =2 m/z；刀具耐用度T= s；主轴转速n=(4.17-5.0)r/s=(250300)rpm；切削速度v=(1.64-1.96)m/s；进给速度 =（3.53.92）m/s。3. 机床进给部件重量估算纵向（X轴）工作台 长1335mm 约重220kg=2200N横向(Y轴)工作台 约重450kg-4500N升降(Z轴)部分运动件 约重1000kg=10000N5.2 垂直(Z向)进给系统的设计XK5036经济型数控改造纵向进给系统采用步进电机一级减速齿轮传动，带动滚珠丝杠转动，并通过丝杠一螺母副带动工作台移动。一般把步进电机安装在纵向丝杠的右端。1. 铣削力的计算根据(切削用量手册对YT15硬质合金端铣刀，切削力为： =9.81（789.3） z (3-l)考虑修正系数 = （公式中的单位为）将相关的参数带入（3-1）得：=2224.2 N各切削分力为：纵向水平分力 =(0.3-0.4) 取=0.35 （3-2）横向分力 =(0.85-0.95) 取 =0.9 （3-3）垂直分力= (0.5-0.55) 取=0.525 （3-4）于是得 =778.47 N=2001.78 N =1167.71 N1. 已知条件 垂向升降台质量(含最大承载量200kg) 1200kg时间常数T=25ms 快速进给速度1000mm/min 在垂向进给系统改造设计中。拆去纵向、横向、垂向进给的齿轮、手柄等部件、机构(这样可大大减轻垂向升降台质量，但在设计时仍以1000kg重量计算)，校核并更换垂向丝杠为滚珠丝杠，保留图3-5中弧形锥齿轮Z3 、Z4 、Z5设计齿轮Z1、 Z2，选择平衡装置和步进电机型号。改造中采用滚珠丝杠，脉冲当量，步距角,五相十拍130BYG5502步进电机。其设计过程与纵向、横向相似。经计算选择:滚珠丝杠基本导程 L=12mm，右旋 滚珠丝扛型号 HJG-S FYD5012 减速齿轮 、步进电机型号 130BYG5502其中:(1)垂向滚珠丝杠工作中承受的最大轴向力,最大动载荷Q=44.4217KN。而FYD5012型滚珠丝杠额定动载荷为54.821KN可见该珠丝杠的强度能满足工作要求 (2) 经校核滚珠丝杠的刚度和稳定性足够. (3) 有关减速齿轮机构的计算 根据已知条件 有减速比得：=2.4 在实际改造中，步进电机经过一对直齿轮、一对弧形锥齿轮两次减速后驱动滚珠丝杠转动从而驱动升降台上升或下降。则 (3-20)为保证改造时结构不作大的改变，、仍用原齿数齿轮即、，则 =2 所以 =2.4/2=1.2 、之间的中心距与原齿轮的中心距相同，综合考虑取=25，=30，模数m=2，宽度b=20mm。于是知垂直进给系统折算到电机轴上的总的转动惯量为： （3-21）其中 （3-22） 于是 J=25.8217=0.0253 电机最大转动力矩发生在快速启动时，此时 (4)步进电机的选择考虑安全系数K=1.5-2,取K=2时= 29.818NM,若选用J130BYG5502步进电机，其最大静转=84NM,按五相十拍驱动，步距角。由电机正常启动的条件知道必须满足,而。正常的工作频率，电机能够正常工作，选用合适。5.3 升降台自动平衡装置 (1) 步进电机1经一对减速齿轮2将运动传到,轴右端的弧齿锥齿轮3带动锥齿轮4使垂直滚珠丝杠旋转，升降台上升或下降。(2) 垂直滚珠丝杠螺母副的螺母11由支承套12固定在基座上，丝杠通过锥齿轮4与升降台连接。其支撑由深沟球角接触轴承和角接触球轴承承受径向载荷，由D级精度的推力圆柱滚子轴承承受轴向载荷。(3) 轴的实际安装位置在水平面内，与轴的轴线呈90度相交。(4) 轴的右端为自动平衡机构，由单向超越离合器和摩擦离合器(自锁器)组成。因滚珠丝杠无自锁能力，当垂直放置时，部件因自重会自动下移，因此，除升降台驱动电机带有制动器外，还在传动机构中装有自动平衡机构，一方面防止升降台因自重而下落，另外还可以平衡上升下降的驱动力。其工作原理是，丝杠旋转的同时通过锥齿轮5和轴带动单向超越离合器的星轮6转动当升降台上升时，星轮6的转向使滚子7与超越离合器的外环8脱开，外环8不随星轮6转动，自锁器不起作用。当升降台下降时，星轮6转向使滚子楔在星轮与外环之间，使外环随轴一起转动，外环与两端固定不动的摩擦环(由防转销固定形成相对运动，由于内外摩擦片之间由弹簧压紧，增加升降台下降阻力，所以起到阻尼和自锁作用。并使上下运动的力量平衡。(5) 调整自锁力时，适当调整螺母9完成。调整前先松开螺母9的锁紧螺钉10,调整后应将锁紧螺钉再锁紧。(6) 该自动平衡装置特点:滚珠丝杠的4种制动方式是摩擦离合器(机械式、电磁式)具有刹车作用的制动电机;传动链中配置逆转效率高的减速比系统如齿轮、蜗轮蜗杆减速器、超越离合器。本改造实例综合运用滚珠丝杠的几种制动方式，采用具有刹车作用的制动电机.超越离合器和机械式摩擦离合器，收到很好的升降台自动平街效果。第6章硬件电路图的设计6.1微机控制系统组成及特点6.1.1微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。（1）微机控制系统基本硬件组成硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。1）主控制器，即中央处理单元CPU2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器3）接口（2）微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：1）输入数据处理程序它接受输入的零件加工程序，用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。2）插补运算程序它完成普通数控系统中插补器的功能。3）速度控制程序它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。4）管理程序和诊断程序管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。6.1.2微机数控系统的特点（1）可靠性高。由于采用大规模集成电路、软件连接以及资诊断功能，所以大大提高了无故障运行时间，即使又极少的故障也能及时发现和排除。（2）灵活性强。由于系统的硬件是通用、标准化的，对于不同机床的控制要求只需更换可编程只读存储器中的系统程序就可实现。（3）易于实现机电一体化。采用大规模集成电路时控制框尺寸大为缩小，采用可编程接口又可将M、S、T等顺序控制部分逻辑电路与数控装置结合一起，使结构更为紧凑。（4）价格低。采用微机数控，使数控机床电气部分成本大为下降，对功比较齐全的数控机床价格幅度下降更大。（5）由于微机的功能强，存储量大，可实现多功能控制、多路运行控制及数据和图形显示等，给操作人员和监视生产过程带来方便。6.2微机控制系统设备介绍6.2.1主控制器CPU的选择CPU的选择应考虑以下要素：（1） 控制数据处理的速度。（2） ROM/RAM的容量。（3） 指令系统功能的强弱（即编程的灵活性）。（4） I/O口扩展的能力（即对外设控制的能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。目前在数控系统中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位机的CPU。但从性能价格比上，我们拟采用MCS-51系列单片机中的8031作为主控制器。下面介绍MCS-51单片机的硬件结构，如图（4）。下面对各功能部件作进一步的说明：（1）数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可扩至64K字节。（2）程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件；8051为4KROM；8751为4KEPROM。片外最多可外扩至64K字节。（3）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。（4）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。（5）串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。（6）P1口、P2口、P3口、P0口：为四个并行8位I/O口。（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。（8）微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。图6.1 MCS-51单片机内结构6.2.2存储器电路的扩展（1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。2764与8031主要是三总线的联接。2764中的低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相联。当地址锁存允许信号ALE位搞点评，则P0口输出地址有效。8位数据线直接与8031P0口相联；高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，OE引脚直接同8031PSEN引脚相联，片选信号CE接地，以便总能选中。由于8031只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。（2）数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，8位数据线直接接至8031P0口，读写控制引脚OE、WE与8031的读写控制引脚RD、WR直接相联，片选端CE1通过译码电路与8031相联。6.2.3 I/O口电路的扩展（1）并行口的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8031的联接可归结为三总线的联接。8155本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线AD0AD7直接与8031口线对应的相联，8155的ALE与8031的ALE直接相联，高8位地址的P2.5P2.7经译码器74LS139提供8155的片选信号CE,IO/M控制端接P2.0口，其它读写信号WR、RD也都对应相联。8155的地址与8031统一编址。（2）键盘、显示器接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，按键设置在行列的交点上。本系统中所设计的是由48键和8位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的段码共用一个口，即8155的PB口，键盘的行线由8155的PA口提供，LED的字位控制则由PC口经74154后提供。6.2.4 步进电机驱动电路步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移
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