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XK7130数控铣床主传动部件及立柱设计【优秀带2+2张CAD图纸】

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关键词：: xk7130数控铣床主传动部件立柱设计 XK7130数控铣床主传动部件

资源描述：

XK7130数控铣床（设计）——主传动部件及立柱设计

XK7130数控铣床设计

主传动部件及立柱设计

XK7130数控铣床总体及主传动部件及立柱设计

XK7130数控铣床主传动部件及立柱设计【优秀+2+2张CAD图纸】

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备用图纸

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毕业设计（论文）任务书

题目XK7130数控铣床（设计）——主传动部件及立柱设计

一、毕业设计（论文）工作内容与基本要求：

1. 主要任务与目标：

(1)翻译2篇与课程相关的最新英文文献，文献翻译要求在2000字以上；

(2)查阅和整理文献并提交一篇反映课题内容的文献综述，文献综述在3000字以上；

(3)独立完成XK7130数控铣床的主传动部件及立柱设计、总装配图和主要传动零件设计、选择一至二个成型零件进行制造工艺设计，提交一份开题报告。

(4)按照开题报告的进度计划，独立进行XK7130数控铣床主传动部件及立柱设计所需的数据计算，结合相关课程中涉及的经验公式与经验数据，撰写论文，论文正文不少于10000字。

2．研究途径与方法：

(1)结合所学专业课程，通过查阅相关资料，温习相关制图软件，完成毕业设计；

(2)查阅XK7130数控铣床主传动部件及立柱相关信息，结合专业课程制定毕业设计计划，搭建论文正文主体框架。根据给定的转速确定主传动的转速图，选择合理的主传动的传动方案，选择电机类型并校验，计算系统所需的各类参数，设计齿轮、主轴等主要传动零件，绘制系统2D总装配图和主要零件图，进行3D造型设计；选择一至二个成型零件进行制造工艺设计；撰写论文，并对格式进行标准化处理；按论文指导手册的要求完成毕业设计全部内容。

3. 原始数据

?工作台尺寸：300mm×900mm；

?工作台行程：X轴480mm，Y轴280mm，Z轴275mm；

?快速移动速度：X轴4000mm/min，Y轴4000mm/min，Z轴3000mm/min；

?切削进给速度：1-2000mm/min；

?定位精度：0.04mm；

?重复定位精度：0.02mm；

?主电机功率：2.2kw；

?主轴转速范围：50-2000r/min；

?起动加速时间：25ms

4. 参考文献

[1] 濮良贵.机械设计(第7版)[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[2] 冯辛安.机械制造装备设计(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 现代实用机床设计手册编写组.现代实用机床设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[4] 机床设计手册编写组.机床设计手册之零件设计[M]. 北京：机械工业出版社，1980.

[5] 戴曙.金属切削机床. 北京：机械工业出版社[M]，2005.

[6] 李忠节.步进电动机应用技术[M]. 北京：机械工业出版社, 1988.

[7] 文怀兴.数控机床系统设计[M]. 北京：化学工业出版社, 2005.

5. 注意事项：

(1)零件图需要有图框、零件尺寸标注需规范并符合制图标准；

(2)要求2D图总量折合为2张A0图的量以上；

(3)最终稿2D图需转换成PDF形式保存，并提交电子文档；

(4)需使用标准工艺卡文件制定工艺卡片；

(5)英文翻译需注明原文出处，并附上PDF格式原文。

摘要

从研究数控铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台用于板材及多种工件加工的数控铣床，满足了生产和设计的要求。整个铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主轴箱安装在龙门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。

全面阐述了数控铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。

其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。

关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠

Abstract

Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.

Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.

In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.

Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut

摘要I

AbstractII

目录III

引言1

第一章绪论2

1.1概述2

1.2数控机床的发展3

第二章立式数控铣床主传动系统方案的确定9

2.1 对立式数控铣床主传动系统简介9

2.2 对立式数控铣床主传动系统的要求9

2.3 主传动的类型及方案选择10

第三章主传动变速系统主要参数计算12

3.1 计算切削功率12

3.1.1切削力的计算12

3.1.2切削功率的计算12

3.1.3主轴转速范围的确定13

3.2 计算主传动功率13

3.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定14

3.3.1 变速级数Z的确定14

3.3.2 电动机的功率的确定14

3.3.3 电动机参数15

3.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定16

第四章主轴组件设计17

4.1概述17

4.1.1轴的分类17

4.1.2主轴材料17

4.2主轴结构设计17

4.2.1主轴部件应满足的基本要求17

4.2.2轴的结构设计19

4.2.3草拟轴上零件的装配方案19

4.2.4轴上零件的定位20

4.2.5 各轴段直径与的确定20

4.2.6 提高主轴强度的措施21

4.2.7 轴的结构工艺性22

4.3主轴强度的校核22

4.3.1按扭转强度进行计算23

4.3.2 强度校核计算24

第五章立柱结构设计28

5.1 立柱的结构选型与三维建模28

5.1.1 三维设计应用的趋势28

5.1.2 选择三维设计软件的关键考虑因素29

5.1.3 SolidWorks的功能29

5.2 立柱结构的有限元分析30

结论37

致谢39

参考文献40

引言

数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。

第一章绪论

1.1概述

数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。一般情况下，在数控铣床上可以加工平面曲线轮廓。

数控铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。

综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。

数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：

易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。

数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。

数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。

参考文献

[1]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]文怀兴，夏田.数控机床系统设计[M]. 北京: 化学工业出版社，2005.5

[4]夏田.数控加工中心设计[M].北京:化学工业出版社，2006.4

[5]陈立德.机械制造装备设计[M].北京：高等教育出版社，2006.4

[6]王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.9

[7] 华楚生.机械制造技术基础[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[8]. 甘永立. 几何量公差与检测[M]. 上海：上海科学技术出版社，2005.

[9] William Orthwein. Machine Component Design. West Publishing Company,St.Paul,MN,USA. 1990；

[10] T.A.Harris etc. Rolling Element Bearings Dynamics[J]. Journal of Basic Engineering, 1959.

[11] A .B .Janes. Ball Motion and sliding Friction in Ball Bearings[J].Journal of Basic Engineering, 1959.

[12] 叶邦彦，陈统坚. Mechanical Engineering English 北京:机械工业出版社

360桌面截图20141202134314.gif

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XK7130数控立式铣床-工作台进及系统.gif

XK7130数控立式铣床-主轴箱0.gif

铣床主传动系统图0.gif

主轴箱展开图0.gif

内容简介：: 机床主要技术参数工作台面积(mm ) 300900工作台T形槽(mm) 314T形槽间距(mm) 65主轴锥度 BT30主轴端面至工作台距离() 100-375主轴转速(rpm) 50-2000无级三向行程(mm) X*Y*Z(480*280*275)主电机功率(220V 50HZ)(KW) 2.2冷却泵电机功率(KW) 0.09联动轴 3三向移动最小设定单位(mm) 0.001三向步进电机扭矩(N.M) 16机床外形尺寸(长*宽*高) 1480*1250*2050机床重量(kg) 1300 毕业设计（论文）任务书所在学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化电话号码学生姓名指导教师题目XK7130数控铣床（设计）主传动部件及立柱设计一、毕业设计（论文）工作内容与基本要求： 1. 主要任务与目标：(1) 翻译2篇与课程相关的最新英文文献，文献翻译要求在2000字以上；(2) 查阅和整理文献并提交一篇反映课题内容的文献综述，文献综述在3000字以上；(3) 独立完成XK7130数控铣床的主传动部件及立柱设计、总装配图和主要传动零件设计、选择一至二个成型零件进行制造工艺设计，提交一份开题报告。(4) 按照开题报告的进度计划，独立进行XK7130数控铣床主传动部件及立柱设计所需的数据计算，结合相关课程中涉及的经验公式与经验数据，撰写论文，论文正文不少于10000字。2研究途径与方法：(1) 结合所学专业课程，通过查阅相关资料，温习相关制图软件，完成毕业设计；(2) 查阅XK7130数控铣床主传动部件及立柱相关信息，结合专业课程制定毕业设计计划，搭建论文正文主体框架。根据给定的转速确定主传动的转速图，选择合理的主传动的传动方案，选择电机类型并校验，计算系统所需的各类参数，设计齿轮、主轴等主要传动零件，绘制系统2D总装配图和主要零件图，进行3D造型设计；选择一至二个成型零件进行制造工艺设计；撰写论文，并对格式进行标准化处理；按论文指导手册的要求完成毕业设计全部内容。3. 原始数据工作台尺寸：300mm900mm；工作台行程：X轴480mm，Y轴280mm，Z轴275mm；快速移动速度：X轴4000mm/min，Y轴4000mm/min，Z轴3000mm/min；切削进给速度：1-2000mm/min；定位精度：0.04mm；重复定位精度：0.02mm；主电机功率：2.2kw；主轴转速范围：50-2000r/min；起动加速时间：25ms 4. 参考文献1 濮良贵.机械设计(第7版)M. 北京：高等教育出版社，2001.2 冯辛安.机械制造装备设计(第2版)M.北京：机械工业出版社，2007.3 现代实用机床设计手册编写组.现代实用机床设计手册M. 北京：机械工业出版社，2006.4 机床设计手册编写组.机床设计手册之零件设计M. 北京：机械工业出版社，1980.5 戴曙.金属切削机床. 北京：机械工业出版社M，2005.6 李忠节.步进电动机应用技术M. 北京：机械工业出版社, 1988.7 文怀兴.数控机床系统设计M. 北京：化学工业出版社, 2005.5. 注意事项：(1) 零件图需要有图框、零件尺寸标注需规范并符合制图标准；(2) 要求2D图总量折合为2张A0图的量以上；(3) 最终稿2D图需转换成PDF形式保存，并提交电子文档；(4) 需使用标准工艺卡文件制定工艺卡片；(5) 英文翻译需注明原文出处，并附上PDF格式原文。二、毕业论文进度计划2011年6月确定论文题目，下发任务书；2011年7月查阅、整理、完善文献并撰写一篇反映课题内容的文献综述，不少于3000字；2011年8月检索并翻译最新英文文献；2011年9月拟定毕业设计完成计划，并完成开题报告；2011年10月根据给定的转速确定主传动的转速图，选择合理的主传动的传动方案，选择电机类型并校验，计算系统所需的各类参数； 2011年11月-12月设计齿轮、主轴等主要传动零件，绘制系统2D总装配图和主要零件图，进行3D造型设计；2012年1月-2月选择一至二个成型零件进行制造工艺设计；2012年3月撰写论文，并对毕业设计论文汇编的所有资料的格式进行标准化处理；经老师修改、确认无误后，将所有资料（包括电子稿和打印稿）整理并按时上交。毕业设计（论文）时间：2011 年 6 月 20 日至 2012 年 3月 30 日计划答辩时间： 2012 年 4 月日三、专业（教研室）审批意见：审批人（签字）：工作任务与工作量要求：原则上查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇；文献综述不少于3000字；文献翻译不少于2000字；毕业论文1篇不少于8000字，理工科类论文或设计说明书不少于6000字（同时提交有关图纸和附件），外语类专业论文不少于相当6000汉字。提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。毕业设计（论文）撰写规范及有关要求，请查阅宁波大红鹰学院毕业设计（论文）指导手册。XK7130XK7130数控铣床点击浏览大图公司名称：发布日期：所在地：生产地址：已获点击：简单介绍：滕州市扬威机床厂 2011-4-20 枣庄市滕州市姜屯镇工业园区 204 /st11648/product_203823.htmlXK7130数控铣床【详细说明】XK7130数控铣床项目内容单位参数工作台工作台面尺寸mm1370360工作台T型槽mm3-1880工作台承重Kg360行程三轴行程 ?X/Y/Zmm980*320*400主轴主轴中心至工作台面距离mm0-400卧轴中心至工作台面距离mm400主轴锥孔?7：24? ISO50主轴转速Rpm60-1800(12级)主轴电机功率kw4快移速度X/Y/Z快移速度mm/min4000进给速度X/Y/Z进给速度mm/min3000工作精度定位精度mm0.025重复定位精度mm0.012最小当量X/Y/Zmm0.001通用参数机床重量kg2300外形尺寸mm222027502400滕州市扬威机床厂分类号密级宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文) XK7130数控铣床（设计）主传动部件及立柱设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文XK7130数控铣床（设计）主传动部件及立柱设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：年月日摘要从研究数控铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台用于板材及多种工件加工的数控铣床，满足了生产和设计的要求。整个铣床主要包括横纵向进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主轴箱安装在龙门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。全面阐述了数控铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠IIIAbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machines structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machines structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut目录摘要IAbstractII目录III引言1第一章绪论21.1概述21.2数控机床的发展3第二章立式数控铣床主传动系统方案的确定92.1 对立式数控铣床主传动系统简介92.2 对立式数控铣床主传动系统的要求92.3 主传动的类型及方案选择10第三章主传动变速系统主要参数计算123.1 计算切削功率123.1.1切削力的计算123.1.2切削功率的计算123.1.3主轴转速范围的确定133.2 计算主传动功率133.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定143.3.1 变速级数Z的确定143.3.2 电动机的功率的确定143.3.3 电动机参数153.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定16第四章主轴组件设计174.1概述174.1.1轴的分类174.1.2主轴材料174.2主轴结构设计174.2.1主轴部件应满足的基本要求174.2.2轴的结构设计194.2.3草拟轴上零件的装配方案194.2.4轴上零件的定位204.2.5 各轴段直径与的确定204.2.6 提高主轴强度的措施214.2.7 轴的结构工艺性224.3主轴强度的校核224.3.1按扭转强度进行计算234.3.2 强度校核计算24第五章立柱结构设计285.1 立柱的结构选型与三维建模285.1.1 三维设计应用的趋势285.1.2 选择三维设计软件的关键考虑因素295.1.3 SolidWorks的功能295.2 立柱结构的有限元分析30结论37致谢39参考文献40 引言数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。第 41 页共 39 页第一章绪论1.1概述数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。一般情况下，在数控铣床上可以加工平面曲线轮廓。数控铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.2数控机床的发展随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。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。我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等5种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：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。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台。 2. 2003年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。 3. 2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。 22004年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技改情况军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶”三年，我们的整体水平会上一个台阶。其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过10年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。随着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要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。一、是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，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，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。二、是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。三、是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。四、是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。五、是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。第二章立式数控铣床主传动系统方案的确定2.1 对立式数控铣床主传动系统简介主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、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，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。在主传动系统方面，具有下列特点：(1)目前数控机床的主传动电机已不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。(2)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。(3)变速范围大。数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，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。(4)主轴速度的变换迅速可靠。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。由于直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，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。2.2 对立式数控铣床主传动系统的要求（1）主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。（2）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有是够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。（3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。2.3 主传动的类型及方案选择数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式1具有变速齿轮的主传动这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，见图1-1所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。图1.1 图1.2 图1.32通过带传动的主传动通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声，见图1-2所示。3由调速电机直接驱动的主传动这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。如图1-3所示。近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量亦使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r/min。本次设计采用变速齿店主传动系统。使主轴获得较高的转速和骄傲大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然此种结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交、直流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用二级以上齿轮变速系统作为主传动的变速方式。第三章主传动变速系统主要参数计算3.1 计算切削功率 3.1.1切削力的计算铣削时的切削力，公式如下（3-1）式中铣削时的主切削力（N）加工材料影响的系数每齿进给量（mm）背吃刀量（mm）铣削宽度铣刀齿数铣刀直径(mm)用直径=50mm的四齿锥柄立铣刀，铣刀宽=40mm的刚工件，=0.05mm，=4mm，=68mm，计算得：=132N3.1.2切削功率的计算切削时所消耗的功率称为切削功率。切削功率的公式计算：（3-2）式中：切削功率（kw）切削力（N）切削速度（m/min）根据机床设计手册典型加工条件以及钢材料的铣削速度范围，取=100m/min计算得：=2.2kw3.1.3主轴转速范围的确定主轴转速范围：50-2000r/min；3.2 计算主传动功率用下列粗略估算主电动机的功率（3-3）式中，为铣床主传动系统总机械效率，主运动为回转运动时，；主运动为直线运动时，。取主传动的总效率=0.7则初选电动机功率取电动机额定转速为；额定最高转速为3.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定由3.2中初选电动机功率为4kw，计算转速依据如下公式计算: （3-4）则电动机的恒功率调速范围:主轴恒功率调速范围:因此主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率围，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动功率变速范围。3.3.1 变速级数Z的确定如取变速箱的公比则由于无级变速时故变速箱的变速极数可取Z=3 （3-5）虽然此中方法功率特性图示连续的、无缺口(即没有功率降低区)和无重但是Z=3，变速箱机构较复杂。因此为简化变速箱机构，取Z=2。3.3.2 电动机的功率的确定由公式（35）可知，应增大即所以比大很多。此时变速箱每挡内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统的功率特性图中出现缺口区。缺口处的功率为低谷处功率应保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。所以选用的交流变频电动机。则缺口处的功率为。有很大的改善。3.3.3 电动机参数一、电动机性能指标电机采用CTB系列变频电机,型号：CBT43P5BXB504,主要技术指标如下。（1）电压:三相380V/50Hz；（2）变频调速范围:5100Hz无级调速,550Hz恒转矩调速,50100Hz恒功率调速,级数为4级,额定转速1440r/min;（3）电机应能承受额定转矩的60%过载,历时1min,低速时转矩平滑,无爬行现象;能通过变频装置的电压提升,保证电动机频率在5Hz时输出额定转矩而不致使电机因发热而烧毁。（4）CTB系列变频电机,型号：CBT43P5BXB504 主要性能参数如表3.1所示：表3.1图3.1为电动机外形图图3.13.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定本系统设计的传动系统具有两档速度，低档转速为，高档转。采用二级变速传动，传动比为的高速传动的低速传动两种变速机构，采用拨叉变速。显然如果要求巧内作恒功率的不停车变速可用高档。如果要求在内作恒功率的不停车变速可用低档。转速图和功率特性图如图3.2所示。图3.1第四章主轴组件设计4.1概述主轴部件设计是机床重要部件之一，它是机床的执行件。它的功用是支撑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，完成表面成型运动。4.1.1轴的分类轴是机械传动的一个重要零件，一般作回转运动的零件常要装在轴上才能实现其回转运动。其承载在载荷可分为：1.转轴工作时既承受弯矩又承受扭矩。2.心轴用于支撑转动零件，只承受弯矩。3.传动轴传递扭矩。在高速传动的轴不仅要考虑轴的材料、结构、强度和刚度，而且要防止轴的振动（动平衡）。此外，注意轴上零件的固定，结构工艺性，热处理等要求。作为制造机器的机器上的轴，设计的主要原则是刚度原则,本次设计选择转轴。4.1.2主轴材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。数控主轴主要传递扭矩，且在高速旋转中产生大量的热，产生一定的轴伸长，其他零件的变形，从而影响加工精度和表面质量。从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。4.2主轴结构设计主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 4.2.1主轴部件应满足的基本要求（1）旋转精度主轴的旋转精度指装配后，在无载荷、低转速条件下，在安装工件或刀具的主轴部位的径向和端面圆跳动。其主要取决于主轴、轴承、箱体孔等的制造、装配和调整精度。（2）刚度主轴部件的刚度指其在外加载荷的作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性形变时，在位移方向上所施加的作用力来定义。如图4-1所示。主轴部件的刚度是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件布置形式、主轴部件的制造和装配质量都影响主轴部件的刚度。图4-1（3）抗振性主轴部件的抗振性指抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中，主轴部件不仅受静态力作用，同时也受冲击力和交变力的干扰，使主轴产生振动。影响抗振性的主要因素是主轴部件的静刚度、质量分布及阻尼。其评价指标是主轴部件的低阶固有频率与振型。（4）温升和热变形主轴部件运转时，因相对运动产生的摩擦热、切削的切削热等使主轴部件的温度升高，形状尺寸和位置发生变化，造成主轴部件的热变形。其引起轴承间隙变化，润滑油温度升高会使粘度降低，这些变化会影响主轴部件的工作性能，降低加工精度。（5）精度保持性主轴部件的精度保持性指长期保持其原始制造精度的能力。磨损是主轴部件丧失原始精度的主要原因。因此，必须提高主轴部件的耐磨性。对耐磨性影响较大的有主轴的材料、轴承的材料、热处理方式、轴承类型及润滑防护方式等。由于机械结构的要求而需在轴中装设其他零件或者减少轴的质量具有特别重大的作用的场合,则将轴制成空心的,空心轴内径与外径的比值通常为0.5-0.6为保证轴的刚度和扭转稳定性。轴的设计也和其他的零件的设计相似，包括结构设计和工作能力的计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺性等方面的要求,合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此轴的结构设计很重要。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。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。对于机械装备则需刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形，影响加工精度和表面质量。对于高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，防止发生共振而破坏。4.2.2轴的结构设计轴的结构主要取决于以下因素:（1）轴在机器中的安装位置及形式；（2）轴上安装零件的类型、尺寸、数量和轴连接的方法；（3）载荷的性质、大小、方向及分布情况；（4）轴的加工工艺。不论什么条件,轴的结构应满足以下条件：（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置,周向和轴向要有准确的定位；（2）轴上的零件应便于装拆和调整；（3）轴应具有良好的结构工艺性和制造工艺性。4.2.3草拟轴上零件的装配方案图2.1 主轴装配图预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和关系，如下图立式数控铣床主轴的装配。前轴承（前支撑）、套筒、轴承、套筒（曲路密封）与端盖（曲路密封）齿轮（动力输入部分）、圆螺母、轴承（后支撑）、端盖、依次从轴的后端向前端安装。4.2.4轴上零件的定位为防止轴上零件受力时发生沿轴向和周向的相对运动,轴上零件除了有游动或空转要求外,都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。 1.零件的轴向固定:通常由轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母来保证； 2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制轴上零件与轴发生相对运动。常用周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等,其中紧定螺钉只用在传力不大之处。4.2.5 各轴段直径与的确定由轴的结构和拉刀方式确定出轴的最小直径：立式数控铣床主轴必须制成空心轴，且又因为为空心轴的内径与外径d 之比，为了保证轴的刚度和扭转刚度,通常在之间,取为0.6。故d=50mm。按轴上零件的装配方案和定位要求，从处起逐一确定各轴段的直径。在实际的设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验确定，或参考同类机器用类比的方法确定。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值及所选的配合公差。且在这样的轴段需0.5mm的碳氮共渗层。为了使带轮、轴承等有配合要求的零件装配拆卸方便，并减少配合面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径，发挥轴肩的作用。确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还需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必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠与带轮等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23mm，所以取Dmax=78mm.（1）主轴悬伸量a与前端轴颈D1之比可按下表4.1选择：表4.1 主轴悬伸量与前端轴颈之比机床和主轴的类型a/D1通用和精密机床，自动车床和短主轴端铣床，用滚动轴承和支架0.51.5中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸较长的精密镗床和内圆磨床1.252.5孔加工机床应用加工细长孔的机床，由加工技术决定，需要有长的悬伸刀杆或主轴可移动，因切削较长而不适用于有高精度要求的机床2.5取a=65mm（2）主轴合理跨距的选择：在具体设计时，常常由于结构上的限制，实际跨距l最佳合理跨距。这样就造成主轴组件的刚度损失。在设计中一般认为l/=时，刚度损失不大（5%左右）。应该认为在合理范围之内，称之为合理跨距，合理跨距 =（）是一个区域。4.2.6 提高主轴强度的措施轴和轴上零件的结构、工艺及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行考虑，以利提高轴的承载的能力，减小轴的尺寸和机器的质量，降低制造成本。（1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷。为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。通常轴是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生突变处产生应力集中，轴的疲劳破坏也常常发生在此处。轴肩要采用较大的R减小应力集中；选择合适的配合关系；可在轮毂或轴上开减载槽；切制螺纹处的应力集中较大，应避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。（2）改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度。轴的表面愈粗糙，疲劳强度愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的，提高轴的疲劳强度。表面强化处理的方法有：表面高频淬火；表面渗碳、氮化；碾压、喷丸等强化处理。4.2.7 轴的结构工艺性轴的结构工艺性指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，生产率高，成本低。一般说，轴的结构越简单，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单。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45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。为了减少加工刀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量采用相同的尺寸。主轴结构设计如下图：图2.2 主轴结构示意图4.3主轴强度的校核常见轴材料见表4.2所示。表4.2 常见轴材料轴的材料Q235-A、20Q275、354540Cr15-2520-3525-4535-45A0149-126135-112126-103112-974.3.1按扭转强度进行计算下面这种方法只是按轴所承受的扭矩来计算轴的强度；如果还承受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。在作轴的结构设计时通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为计算结果。轴的扭转强度条件为（2-1）扭转切应力，单位MPaT轴所受的扭矩，单位为Nmm轴的抗扭截面系数，单位为n轴的转速，单位为r/minP轴传递的功率，单位为kwd计算截面处轴的直径，单位为mm许用扭转切应力，单位为MPa由上式可的直径（2-2）式中: 对于空心轴（2-3）应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大7%。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%-7%有两个键槽时，应增大10%-15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。4.3.2 强度校核计算轴的精确计算主要是轴的强度和刚度校核计算，且在满足轴的强度和刚度要求，必要时还应进行轴的振动稳定性计算。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的计算方法,并恰当地选用许用应力。BT30铣床机械主轴既承受弯矩又承受扭矩,应按弯扭合成强度条件进行计算,需要时还应按疲劳强度进行精确校核计算。1. 按扭转强度条件进行校核计算。（2-4）式中：扭转切应力，单位MPa。T轴所受的扭矩，单位为Nmm。d计算截面处轴的直径，单位为mm。许用扭转切应力，单位为MPa。轴的抗扭截面系数，单位为。由机械设计手册表8-348查得为45MPa；由机械设计课程设计手册表4-1（GB1059-79）可查得；。将以上各值代入式（24）得：=4.7MPa 2. 按弯扭合成强度计算：过轴的结构设计，轴上零件的位置，外载荷和支反力的作用位置都已确定，算出轴上载荷。由金属切削手册表得：表2.3 参数表项目参数数值出处D50mm表9-7B 30mm表9-4 S0.1mm/齿表9-11t8mmt=0.02*DZ4表9-7由金属切削机床夹具设计手册表3-56得查手册表1-2逆铣时得;, , 所以, 求出支反力：已知；联立解得：刚度校核计算:轴在载荷作用下,将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过了允许的限度,就会影响轴上零件的正常工作,甚至会丧失机器应有的工作性能。对于制造产品的铣床主轴来说刚度是关键。由误差复映原理可知,刚度较差的机床造出的产品,根本就谈不上精度。因此,本次设计的BT40主轴必须校核刚度。轴的弯曲刚度以挠度和偏转角来度量的;扭转刚度以扭转角来度量。主要任务是:计算主轴在受载时的变形量,并控制其在允许范围内。刚度校核计算：阶梯轴的刚度条件： (2-5)T 扭矩，单位为NmmG 剪切弹性模量，单位为，对于各种钢材，极惯性矩，单位为L 阶梯轴受扭矩的长度，单位为mmZ 阶梯轴受扭矩轴段数、阶梯轴第i段上的扭矩、长度、惯性矩由机械设计查得/m，显然，。故满足刚度条件。第五章立柱结构设计5.1 立柱的结构选型与三维建模机架型式有三梁四柱式、三梁双柱式、整体框架式。通过比较这几种型式，选择整体框架式机架。整体焊接式框架是常见的型式，组成一个刚性的封闭框架，承受全部工作载荷。图51立柱的结构立柱的设计老师建议采用三维建模的形式进行。5.1.1 三维设计应用的趋势三维设计即实体建模技术。比较二维软件，三维软件的革新之处在于：1、产品形象直观，方便理解，不易出错。2、可评估配合和公差，易于纠错。3、能设计大型装配。4、创建即时工程图。可根据所设计的实体模型自动创建等轴测视图、爆炸视图、局部视图和剖面视图。5、方便修改设计。三维设计中工程图相互关联。对实体模型的设计进行更改时，可自动更改所有相关工程图和关联视图。6、在下游的工程和制造工作可使用设计数据，提高产品制造效率三维设计软件的集成模块可直接将设计数据导入应力分析、切削创建和数控编程。7、电子模型节省制造样机的时间和成本。由于上述功能，自上世纪90年代起，国际CAD设计领域已逐渐转向三维技术。下图按用户数量比例列出了11种主流CAD设计软件，其中三维数据格式已占大部分。据国外用户的资料，三维实体建模技术的应用有效缩短设计周期、提高产品质量和削减开发成本。应用三维软件也有助于国际间数据的交流。为与国际的接轨，应用三维设计已是势在必行。5.1.2 选择三维设计软件的关键考虑因素1、是否易于使用早期三维软件较为复杂，学习和培训周期长，不易操作。随着技术的改进，现在已出现了SolidWorks等较为操作的三维软件，其易用性好于平面AutoCAD。2、设计效率是否高效3、双向关联性和参数化设计能力双向关联是指模型的所有元素都是相互关联。在装配体模型、工程图、局部视图和物料清单之间都是双向。一旦对其中的任何数据进行更改，都将在所有关联文件中自动进行相应更改。参数化设计在创建设计模型时，所有特征和尺寸作为设计参数进行保存。通过修改参数值可以迅速更改设计。4、设计大型装配的能力5、与Office等桌面效率工具的集成程度6、辅助工具。是否具备分析工具、设计交流等工具，并与辅助工具集成。7、应用基础。应用的广泛程度和教育教学方面的广泛程度。5.1.3 SolidWorks的功能从功能和需求角度综合评估，SolidWorks是较好的一种三维设计工具。理由如下：1、应用基础广泛。SolidWorks是目前世界范围内应用最广的设计格式。多数学校已将SolidWorks列入教学。2、方便易用。3、功能特性较为齐全。4、提供多种文件转换程序，方便管理旧有二维数据。特别面向AutoCAD，提供对DWG格式文件进行数据转换的插件。5、提供零件库功能，节省设计资源。设计中来自外购的零件大部分可从SolidWorks在线零件库选取。6、设计功能与分析功能集成，方便设计验证5.2 立柱结构的有限元分析COSMOS为 SolidWorks 用户提供了一容易使用的有限元分析工具。COSMOS通过在计算机上测试您的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助您降低成本及上市时间。SolidWorks公司推出COSMOS 2007分析软件，将验证这步骤整合到设计过程中，让设计者可轻易寻找和纠正设计中可能存在的缺陷。利用SolidWorks2007自带的有限元分析软件COSMOS对立柱单侧承载梁进行加载分析,模拟本试验台的最大工作载荷。图52 启动COSMOSXpress1.材料号数零件名称材料质量体积1立柱SW碳素钢4421.34 kg0.5742 m3图53 选择材料2.载荷和约束信息约束假设一端固定于1面immovable (no translation).图54 设定约束载荷加载液压力于 1 面应用法向力 -8.5e+006 N使用均匀分布图55 选择载荷作用面图56 填写载荷大小3.算例属性网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅各宾式检查: 4 Points 单元大小:83.118 mm公差:4.1559 mm品质:高单元数:16439节数:33478完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:16计算机名:4FB67FB0EBB24EE解算器信息品质:高解算器类型:自动图57 采用系统默认网格划分设置图58 COSMOSXpress运行分析中4结果（图59）图59 显示分析结果应力（图510）名称类型最小位置最大位置图解1VON:von Mises 应力8.53554e+007 N/m2(540 mm,-101.25 mm,0 mm)1.98313e+008 N/m2(-15 mm,285 mm,-41.3532 mm)图510 框架应力分析结果位移（图511）名称类型最小位置最大位置图解2URES:合位移0 mm(0 mm,0 mm,0 mm)8.52536 mm(-30 mm,-315 mm,-11000

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