毕业设计（论文）-CK20数控车床主传动系统的设计.doc

天津工业大学2012届专科生毕业设计目 录第一章 数控车床基础11.1 数控技术简介11.2 数控机床的发展21.3 数控车床的特点21.3.1 数控车床的结构特点31.3.2 数控车床的加工特点31.3.3 数控车床加工零件的特点41.4 数控车床的应用51.5 数控车床的管理使用6第二章 CK20数控车床的整体布局112.1 CK20简介72.2 CK20整体布局72.2.1 45斜床身82.2.2 回转刀架82.2.3 矩形滑动导轨82.2.4 平板链式排屑装置102.2.5 进给传动系统102.2.6 二级机械变速主轴箱10第三章 CK20主传动系统设计123.1 数控车床主传动系统的要求123.2 数控车床主传动系统的特点123.3 数控机床主传动系统综述133.4 CK20主传动系统的设计143.4.1 拟定传动方案143.4.2 选择电机153.4.3 计算各轴转速、功率和转矩193.4.4 传动图203.4.5 转速图203.5 轴系部件的结构设计213.6 电磁摩擦离合器的计算和选择313.7 键和圆螺母的选择.363.8 主轴结构设计373.9 编码器的选择与安装413.10 绘制主传动系统总装图43结 论45参考文献46谢 辞4747第一章 数控车床基础1.1 数控技术简介数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。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(NC)机床。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。 数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。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。例如：进给速度、主轴转速主轴正反转换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工文件(即正常说的数控加工程序)存放在信息载体上(如磁盘、穿孔纸带、磁带等)，然后由机床上的数控系统读入( 或直接通过数控系统的键盘输入，或通过通信方式输入 )，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。 现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术集合。现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。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实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。 数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作数控机床。在加工中工零件的特点是：被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。1.2 数控机床的发展 随着生产和科学技术的飞速发展，社会对机械产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，同时随着汽车工业和轻工业消费品的高速增长，机械产品的结构日趋复杂，其精度日趋提高，性能不断改善，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化、高效和高质量复杂零件加工要求。因此，对制造机械产品的生产设备机床，必然会相应地提出高效率、高精度和高自动化的要求。 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 我国自1958年开始研究数控机床，从电子管起步，当时的一些高等院校、科研机构研制出了试验样机。目前，国内的数控系统开始产业化不久，水平质量一般，相当于国外上世纪90年代的水平，高档次的系统全都是进口。较著名的有华中数控、航天数控等。其中，华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控近年有意向数控机床产业进军，但受限于机床的硬件，加工质量和精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。目前，我们国家承认的机床精度体系大致有四种：德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB，国标和国际标准差不多。1.3 数控车床的特点1.3.1 数控车床的结构特点与传统车床相比，数控车床的结构有以下特点： 1) 由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。伺服电动机丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。 2) 多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。 3) 数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。 4) 为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。 5) 由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。 6) 数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。 7) 数控车床一般还配有自动排屑装置。1.3.2 数控车床的加工特点1) 自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中， 主要是观察和监督车床运行，加上数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，操作者的劳动条件也大为改善。但由于数控车床的技术含量高，操作者的脑力劳动相应提高。2) 加工零件精度高、质量稳定数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。目前数控机床的脉冲当量普遍达到了0.001mm，而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，数控机床能达到很高的加工精度。数控车床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。3) 生产效率高数控车床加工是能再一次装夹中加工多个加工表面，一般只检测首件，所以可以省区普通车床加工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来方便，其综合效率明显提高。4) 便于新产品研制和改型数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来，当产品改型，更改设计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。5) 维修要求高数控车床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修装备。1.3.3 数控车床加工零件的特点1) 最适合多品种中小批量零件随着数控车床制造成本的逐步下降，现在不管是国内还是国外，加工大批量零件的情况也已经出现。加工很小批量和单件生产时，如能缩短程序的调试时间和工装的准备时间也是可以选用的。2) 精度要求高的零件有于数控车床的刚性好，制造精度高，对刀精确，能方便的进行尺寸补偿，所以能加工尺寸精度要求高的零件。3) 表面粗糙度值小的零件在工件和刀具的材料、精加工余量及刀具角度一定的情况下，表面粗糙度取决于切削速度和进给速度。普通车床是恒定转速，直径不同切削速度就不同，像数控车床具有恒线速切削功能，车端面、不同直径外圆时可以用相同的线速度，保证表面粗糙度值既小且一致。在加工表面粗糙度不同的表面时，粗糙度小的表面选用小的进给速度，粗糙度大的表面选用大些的进给速度，可变性很好，这点在普通车床很难做到。4) 轮廓形状复杂的零件任意平面曲线都可以用直线或圆弧来逼近，数控车床具有圆弧插补功能，可以加工各种复杂轮廓的零件。1.4 数控车床的应用近年来，数控技术多用于以下行业：1) 制造行业 机械制造行业是最早应用数控技术的行业，它担负着为国民经济各行业提供先进装备的重任。应该重点研制开发与生产现代化军事装备用的高性能三轴和五轴高速立式加工中心，五坐标加工中心，大型五坐标龙门铣等；汽车行业发动机、变速箱、曲轴柔性加工生产线上用的数控机床和高速加工中心，以及焊接、装配、喷漆机器人、板件激光焊接机和激光切割机等；航空、船舶、发电行业加工螺旋桨、发动机、发电机和水轮机叶片零件用的高速五坐标加工中心、重型车铣复合加工中心等。 2) 信息行业 在信息产业中，从计算机到网络、移动通信、遥测、遥控等设备，都需要采用基于超精技术、纳米技术的制造装备，如芯片制造的引线键合机、晶片键合机和光刻机等，这些装备的控制都需要采用数控技术。 3) 医疗设备行业 在医疗行业中，许多现代化的医疗诊断、治疗设备都采用了数控技术，如CT诊断仪、全身刀治疗机以及基于视觉引导的微创手术机器人等。 4) 军事装备 现代的许多军事装备，都大量采用伺服运动控制技术，如火炮的自动瞄准控制、雷达的跟踪控制和导弹的自动跟踪控制等。 5) 其他行业 在轻工行业，采用多轴伺服控制(最多可达50 个运动轴)的印刷机械、纺织机械、包装机械以及木工机械等；在建材行业，用于石材加工的数控水刀切割机；用于玻璃加工的数控玻璃雕花机；用于席梦思加工的数控行缝机和用于服装加工的数控绣花机等。1.5 数控车床的管理使用数控机床的使用好坏既需要操作者的精心使用，又必须依靠科学的管理，完善的管理制度、科学的生产模式是提高生产效率的有效手段。 1.建立健全完善的管理制度，有效控制、监督数控机床相关人员的工作，使机床的操作、运行全过程受控。 2.加强技术人员、技术工人管理人员的培训。数控加工的培训是一向长期的工作，是一个不断提高的过程。通过培训工艺人员可以编制更加简化的数控加工工艺、简化程序、缩短加工时间；技术工人可以提高操作技能；管理人员可以更加了解数控设备的特点、过程控制，以现代生产管理理念实施管理。 3.科学组织生产。改进停工待料，生产能力不平衡问题，提高数控机床的开工率，合理安排生产节拍，合理分配生产任务。利用零件加工的相似性，将待加工零件进行分类，从而在工艺编制、生产计划及调度中合理安排，提高设备生产能力的平衡度。科学的生产批次将极大限度的降低机床调整时间比例、工装准备时间比例，可提高批量效率。 4.为了发挥数控机床的价值，操作者必须正确的掌握数控机床操作原则。按机床操作规程正确操作机床；按工艺和程序要求加工零件；加工前协调零件、刀具、压板等尺寸避免干涉和碰撞；提高技术素质，减少装刀、找正等非加工时间；正确维护保养各种辅具确保精度可靠。 第二章 CK20数控车床的整体布局2.1 CK20简介CK20数控车床是一种实际生产中用途广泛的高速全机能数控机床，用于回转零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽，以及各种公制、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工。主要用于汽车、电子、轻工、机械等行业，适用于精度要求高、形状复杂、工序多、循环周期长的单件或批量的短轴及盘类零件加工。其最大加工直径为200，最大加工长度为300。下面就该数控车床的具体布局做些简要介绍。2.2 床身该型号数控车床采用卧式45斜床身，床身是车床的基本支承件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部件，因此车床的结构对车床的布局有很大影响。按照床身导轨面和水平面的相对位置，床身的结构有后斜床身斜滑板，直立床身直立滑板，平床身平滑板，前斜床身平滑板和平床身斜滑板五种，它们各有优点和局限性，采用什么样的床身要根据实际情况而定。一般说来，中、小规模的数控车床多采用斜床身和平床身斜滑板。只有大型数控车床和小型精密数控车床才采用平床身平滑板结构，而直立床身结构采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造，由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难。平床身斜滑板结构，再配置向上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，而且床身宽度也不会太大，这种情况在实际生产中较为理想。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中应用较为广泛，是因为这种布局具有以下优点：1) 易实现机电一体化；2) 机床外观整齐、美观，占地面积小；3) 易设置封闭式防护装置；4) 易排屑和易安装自支排屑器；5) 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；6) 其结构便于人员操作；7) 便于安装机械手，实线单机自动化。机床床身的五种结构形式图如下所示：图2-1 床身结构示意图2.3 回转刀架该数控车床采用六工位六方回转刀架。回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀盘转位和刀架锁紧三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压系统实现，而刀盘转位则由伺服电机驱动。图2-2 回转刀架示意图2.4 矩形滑动导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 CK20车床的导轨即为新型塑料矩形滑动导轨，故下面主要介绍滑动导轨。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨或新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。车床滑动导轨的横截面形状常采用山形截面和矩形截面。其中，山形截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。2.5 平板链式排屑装置 排屑装置是数控机床必备的附属装置，其主要作用是将切屑从加工区域排到数控机床之外。迅速、有效地排除切屑才能保证数控机床正常运行。排屑装置的安装一般尽可能靠近刀具切屑区域。如车床的排屑装置，装在回转工件的下方；铣床和加工中心的排屑装置装在床身的回水槽上或工作台边侧位置，以利于简化机床或排屑装置，减小机床占地面积，提高排屑效率。排出的切屑一般都落在切屑收集箱或小车里，有的则直接进入车间的排屑系统。排屑装置种类繁多，以下为常见的几种典型排屑装置。平板链式排屑装置以滚动链轮牵引钢制平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带上，经过提升将废屑中的切削液分离出来，切屑排出机床，落入存屑箱。这种装置能排除各种形状的切屑，适应性强，各类机床都能采用。在车床上使用时多与机床切削液箱合为一体，以简化机床结构。 平板链式排屑装置是一种具有独立功能的附件。接通电源之前应先检查减速器润滑油是否低于油面线，如果不足，应加入40号全损耗系统用油至油面线。电动机起动后，应立即检查链轮的旋转方向是否与箭头所指方向相符，如不符应立即改正。 排屑装置链轮上装有过载保险离合器，在出厂调试时已作了调整。如电动机起动后，发现磨擦片有打滑现象，应立即停止开动，检查链带是否被异物卡住或其他原因。等原因弄清后，可再次起动电动机，如能正常运转，则说明故障已排除：如不能顺利运转，则可从以下两方面找原因：1、磨擦片的压紧力是否足够。先检查碟形弹簧的压缩量是否在规定的数值之内；碟形弹簧自由高度为8.5mm，压缩量应为2.63mm，若这个数值之内，则说明压紧力已足够了；如果压缩量不够，可均衡地调紧3只M8压紧螺钉 2、若压紧后还是继续打滑，则应全面检查卡住的原因。2.6 进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件与反馈电路组成检测系统。这类伺服系统的位置检测点是从驱动电机（常用交直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，由于在位置环内各组这类伺服系统的位置检测点是从驱动电机（常用交直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，由于在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，而位置环外的各环节如丝杠的螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差均难以消除。因此，其精度比开环要好，比闭环要差。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。2.7主轴箱主轴箱是机床的重要的部件，又称床头箱，用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构。它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。CK20数控车床采用的是二级机械变速主轴箱。它的变速方式分为两类：液压变速和电磁离合器变速。CK20数控车床采用的是二级机械变速主轴箱。它的变速方式分为两类：液压变速和电磁离合器变速。液压系统是通过依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、传递、放大，实现机械功能的轻巧化、科学化、最大化。液压机械装置一般由动力、执行、控制和辅助四部分组成。液压机械具有重量轻、功率大、结构简单、布局灵活、控制方便等特点，速度、扭矩、功率均可做无级调节，能迅速换向和变速，调速范围宽，快速性能好，工作平稳、噪音小。下面主要介绍一下电磁离合器。电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。电磁离合器工作方式又可分为：通电结合和断电结合。电磁离合器可分为：干式单片电磁离合器，干式多片电磁离合器，湿式多片电磁离合器，磁粉离合器，转差式电磁离合器等。干式单片电磁离合器：线圈通电时产生磁力吸合“衔铁”片，离合器处于接合状态；线圈断电时“衔铁”弹回，离合器处于分离状态。干式多片、湿式多片电磁离合器：原理同上，另外增加几个摩擦付，同等体积转矩比干式单片电磁离合器大，湿式多片电磁离合器工作时必须有油液冷却和润滑。磁粉离合器：在主动与从动件之间放置磁粉，不通电时磁粉处于松散状态，通电时磁粉结合，主动件与从动件同时转动。优点：可通过调节电流来调节转矩，允许较大滑差。缺点：较大滑差时温升较大，相对价格高。转差式电磁离合器：离合器工作时，主、从部分必须存在某一转速差才有转矩传递。转矩大小取决于磁场强度和转速差。励磁电流保持不变，转速随转矩增加而剧烈下降；转矩保持不变，励磁电流减少，转速减少得更加严重。 第三章 CK20主传动系统设计3.1主传动系统的设计要求数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：1、具有更大的调速范围，并实现无级调速;2、具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低;3、良好的抗振性和热稳定性.3.2 数控车床主传动系统的特点数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，它的机械部分较普通机床有更高的要求，如高精度、高刚度、高速度、低摩擦等。因此，无论是从机床布局、基础件结构设计，还是轴承的选择与配置，都十分注意提高它们的刚度；零部件的制造精度和精度保持性都比普通机床提高很多，基本上按精密或高精密机床考虑，如主轴轴承都采用C级或超C级轴承，传动丝杠采用高精度的滚珠丝杠螺母副。主传动和进给传动都广泛采用高性能的交、直流伺服电动机驱动。此外为提高数控机床的灵敏度，改善摩擦特性，数控机床普遍采用了滚珠丝杠螺母副、滚动导轨、贴塑导轨以降低摩擦损失，减少动、静摩擦系数之差，以避免爬行。为了防止不灵敏区产生，在进给传动系统中普遍采用消除间隙和预紧的措施。数控车床是基于数字控制的它与普通车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点：1由于大多数数控车床采用了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。2为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。3更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副等。CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。3.3 数控机床主传动系统综述 普通机床一般采用机械有级变速传动，而数控机床需要自动换刀，且在切削阶梯轴、曲线旋转面时，需要随切削直径的变化而自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种型式，数控机床一般都采用由直流或交流调运电动机作为驱动源的电气无级调速。目前数控机床主传动系统大致可以分为以下三类：1) 电动机与主轴直联的主传动如图3-1(a)所示，主轴和电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑，重量轻，惯量小，提高了主轴启动、停止的响应特性，目前高速加工机床主轴多采用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴。2) 经过一级变速的主传动如图3-1(b)所示，电机轴的转动经带传递给主轴。一级变速目前常多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单，安装调试方便，无震动和噪声，且在一定程度上能够满足转速和转矩的的输出要求，但主轴调速范围仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束，调速范围不大。3) 带有变速齿轮的主传动如图3-1(c)所示，它通过几对齿轮降速，使之实现分段无级变速，确保低速大转矩以满足输出转矩特性的要求。这种配置方式，大、中型数控机床采用的较多，但也有部分小型数控机床为获得强力切削所需的扭矩而采用这种方式。(a) (b)(c)图3-1 数控车床主传动系统的配置方式3.4 CK20主传动系统的设计3.4.1 拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大（），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。 为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图3.1：有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。图3-2 主轴传动图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用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式6。3.4.2 选择电机 1、选择电机应综合考虑的问题(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素11。2、电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷9。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表3-1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。 经过对比分析本设计中决定采用FANU系列交流主轴电机。系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。3、电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算9，本设计中电机容量按以下步骤确定：（1）确定主轴切削力(如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料7)确定主轴材料为45号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为44HRC，单位切削力为().切削用量范围： 主切削力： 取 切深取，进给量取。切削功率：（2）确定电机输出动率Pd 传动装置的总效率 其中，圆柱直齿轮传动效率，由资料12，表24查得0.98；轴轴承效率，由资料12，表24查得0.990.990.98； 轴（主轴）轴承效率，由资料7，表24查得0.990.990.98。 由此，0.980.980.980.980.922。 故，（3）选择电动机额定功率如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9，所以电动机额定功率选取为11。（4）电动机电压和转速的选择由资料10,表2219，小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V。 同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为。由于只有一根中间传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。I轴上齿轮传动比确定为，II轴上两对直齿轮的传动比分别为， 。所以两条传动链中，高速传动链传动比，低速传动链传动比。由此可得电机的转速范围:（5）确定电机的型号由前面信息，可选取FANUC交流电机，型号为。这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为系列的后续产品，具有更先进的节能效果。电机参数如下表所示：表3-2 电机参数型号额定功率连续 30min功率最低转速最高转速重量振动冷却机座长为，电机轴径为，轴伸为，中心高，其余安装尺寸及其外形由资料8得。3.4.3 计算各轴转速、功率和转矩1、各轴计算转速(注：一般的讲，机床主轴的计算转速是由主电机决定的。h.a&c8计算转速的意思是指，当低于该转速为恒扭矩区，发挥最大扭矩；高于该转速为恒功率区，发挥满功率。)首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： ( 3.4 )然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速: 上式中i1、i2、i3的意义如前所述。2、各轴输入功率=11 kW 110.98210.6 kW110.98410.2 kW3、各轴计算转矩 T=9550P/n ( 3.5 )上式中，功率P的单位为kW，转矩T的单位N mT1=955011/746=140.82 NmT2=955010.6/373=271.39 NmT3=955010.2/145=671.79 Nm将以上计算结果整理后列于表3-3，供以后计算选择与使用：表3-3 各轴的传动参数轴参数 I轴（电机轴） II轴（中间传动轴）III轴（主轴）计算转速（）746373145输入功率（kW）1110.610.2转矩（）140.82271.39671.79传动比 , 3.4.4 传动图初定数控车床的传动图,如图3-3。图3-3 传动图 3.4.5 转速图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围)和各轴传动比,作数控车床的转速图,见图3-4.图3-4 转速图3.5 轴系部件的结构设计3.5.1 I轴结构设计I轴上的零件主要是齿轮1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1. 选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数.根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.1)该设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级中等精度.2)材料选择.选择小齿轮材料为40Cr(调质处理),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质处理)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.3)初选小齿轮齿数大齿轮齿数 2. 通常，一对啮合齿轮的齿面硬度均大于350HBS，称为硬齿面齿轮，否则即称为软齿面齿轮。因为这对啮合齿轮的齿面硬度均不大于350HBS，故为软齿面齿轮，其失效方式多为齿面点蚀。故应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再校核齿根的弯曲疲劳强度3。 ( 3.6 )1)确定公式内的各计算数值a.试选载荷系数b.计算小齿轮传递的转矩T1，由上文可知为140.82 N m c.选取齿宽系数e.材料的弹性影响系数(大小轮均为锻钢范畴)ZE=189.8f.按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限;g.计算应力循环次数 ( 3.7 ) h.接触疲劳寿命系数i.计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得 ( 3.8 )2)相关计算a.小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 b.计算圆周速度 ( 3.9 ) c.计算齿宽 b=d1t 96.047=48.024 mm ( 3.10 )d.计算齿宽与齿高之比模数 ( 3.11 ) 齿高 ( 3.12 ) 则有 b/h=48.024/6.175=7.78 ( 3.13 ) e.计算载荷系数根据，6级精度，得动载系数；直齿轮，假设。得；使用系数；6级精度，小齿轮悬臂支承时 ( 3.14 ) 将数据代入得；由，得；故载荷系数 ( 3.15 ) f.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，得 ( 3.16 ) g.计算模数 ( 3.17 ) 3.齿根弯曲疲劳强度校核 ( 3.18 ) 式(3.18)为齿根弯曲疲劳强度校核公式，单位为MPa1)确定公式内的各计算数值a.小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa；大齿轮FE2=380MPa；b.弯曲疲劳寿命系数，；c.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得 ( 3.19 )d.计算载荷系数K ( 3.20 )e.查取齿形系数查得；。f.查取应力校正系数查得；。g.计算大小齿轮的并加以比较 ( 3.21 ) 大齿轮的数值大.F = = 108 MPa对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的弯曲疲劳许用应力大于由齿根弯曲疲劳强度计算的弯曲疲劳许用应力，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.46并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 z1=110.60/2.5=44大齿轮齿数 z2=i1 z1=88这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4. 几何尺寸计算1)计算分度圆直径2)计算中心距3)计算齿轮宽度取b1=55mm,b2=60mm5.验算，合适。3.5.2 II轴结构设计1.轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：图3-5 中间轴的支承形式2.轴上零件的轴向定位II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故 取35mm。由于取值较计算值大的多，所以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图3-6.图3-6 中间轴零件图（2）齿轮的设计齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为40，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS。小齿轮齿数初选为24， 2.按齿面接触强度进行设计按式（109）试算， 确定公式内的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为271.39;由表107及其说明，可选定齿宽系数0.4； 由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MPa；两齿轮的设计寿命为50000h，由式1013，计算应力循环次数 由图1019查得接触疲