带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计【4张图/22400字】【优秀机械毕业设计论文】

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带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

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A0-主轴箱外观图.dwg

A0-尺寸联系总图.dwg

A2-主轴.dwg

A3-传动轴.dwg

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关键词：: 带有装置加工中心传动系统设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,36页,22400字左右.
任务书一份.
开题报告一份.
翻译一份.

图纸共4张:
A0-尺寸联系总图.dwg
A0-主轴箱外观图.dwg
A2-主轴.dwg
A3-传动轴.dwg

摘要
本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。
关键词：数控机床立式加工中心主传动系统主轴组件卸荷装置

Abstract

Some basic concepts and the general knowledge of the vertical machining center were introduced in this paper. The principle and types of the main drive system, analysis mechanism of the transmission project are brief described. The spindle drive system of vertical machining center, including spindle drive motor, transmission and spindle subassembly. The design process of vertical machining center main drive system were introduced in detail in this paper. The vertical machining center used arc tooth timing belt drive, the species transmission features is that it enables the structure of main drive system is relatively simple, and to avoid the noise and vibration. Compared of the program merit and demerit are detailed, the program options and determines of vertical machining center spindle drive system is detailed, main gearshift system and spindle is subassembly designed in this paper.
Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device

第一章绪论 …………………………………………………………………………… 1
1.1、引言 ………………………………………………………………………1
1.2、数控机床的基本概况 ………………………………………………………………1
1.3、加工中心的基本概念和分类 ………………………………………………………2
1.4、加工中心的结构组成 ………………………………………………………………3
1.5、加工中心的发展趋势 ………………………………………………………………3
第二章加工中心主传动系统方案的确定 …………………………………………5
2.1 加工中心主传动系统简介 ………………………………………………………5
2.2 对加工中心主传动系统的要求 …………………………………………………5
2.3 主传动的类型及方案选择 ………………………………………………………6
2.4 主传动系统设计条件 ………………………………………………………… 7
第三章主传动变速系统主要参数计算 ………………………………………… 8
3.1 计算切削功率 ………………………………………………………………… 8
3.2 计算主传动功率 ……………………………………………………………… 8
3.3 确定电动机型号 ……………………………………………………………… 9
3.4多楔带传动的计算 ………………………………………………………………… 9
3.5 主轴的卸荷装置……………………………………………………………………11
3.5.1 径向力的卸荷………………………………………………………………12
3.5.2 轴向力的卸荷………………………………………………………………13
第四章主轴组件设计 ……………………………………………………… 14
4.1 主轴组件的设计要求和步骤 ………………………………………………… 14
4.1.1 主轴组件的设计要求 ………………………………………………… 14
4.1.2 主轴组件的设计步骤 ………………………………………………… 15
4.2主轴的设计要求 ……………………………………………………………… 15
4.2.1 主轴的主要尺寸参数 ………………………………………………… 16
4.2.2 主轴轴端结构 ………………………………………………………… 16
4.2.3 主轴的材料和热处理 ………………………………………………… 16
4.2.4 主轴主要精度指标 …………………………………………………… 17
4.3 主轴滚动轴承 ………………………………………………………………… 17
4.3.1 滚动轴承类型 ………………………………………………………… 17
4.3.2 主轴轴承配置与调整 ………………………………………………… 17
4.4主轴组件的设计计算 ………………………………………………………… 19
4.4.1 初选主轴直径 ………………………………………………………… 19
4.4.2 主轴悬伸量的确定 …………………………………………………… 19
4.4.3 主轴最佳跨距的选择 ………………………………………………… 19
4.5 主轴组件的校核计算 ………………………………………………………… 20
4.5.1 主轴组件的刚度计算 ………………………………………………… 20
4.5.2 主轴组件的强度计算 ………………………………………………… 21
4.5.3 轴承的校核计算 ……………………………………………………… 23
4.5.4 键的校核计算 ………………………………………………………… 25
4.6 主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 ……………………………… 26
4.7 主轴组件的润滑与密封 ……………………………………………………… 26
4.8 提高主轴组件性能的措施 …………………………………………………… 27
结论 ………………………………………………………………………………… 29
参考文献……………………………………………………………………………… 30
致谢…………………………………………………………………………………… 31

本课题来源于江苏恒力机电有限公司，完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算。
该项目包括：

1、带有卸荷装置的加工中心主传动联系尺寸总图
2、加工中心主轴箱尺寸总图
3、部分零件图
4、毕业设计说明书一份（中文摘要不少于300字，英文摘要不少于1200个印刷符号）。
5、翻译与本专业相关的15000个印刷符号的科技英语文章
一、技术指标
1、主轴转速：20~6000rpm, 主轴最大输出扭矩：255Nm
2、主轴端面至工作台面最小距离：150mm
3、主轴锥孔号：ISO40
二、质量指标
1、主轴轴承要承受轴向力不大于20 kN
2、选择的主轴轴承要能承受轴向、径向双向作用力
3、主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命要高
4、主轴的卸荷效果要好，主轴有足够的刚度与抗振性能，回转精度高；
进程安排：
3周到4周明确设计任务，收集资料、调查研究。
5周到7周完成毕业设计开题报告，方案论证、确定课题总体方案。
8周到10周完成总体设计草图。
11周到15周完成主传动联系尺寸装配总图、主轴箱尺寸总图、部分零件图。
16周到18周编写毕业设计说明书以及答辩准备。
[1] 戴曙, 《金属切削机床设计》[M] 机械工业出版社 1981
[2] 机械加工工艺手册编写组，《机械加工工艺手册》[M] 机械工业出版社 1998
[3]文怀兴，,《数控铣床设计》[M]，化学工业出版社 2006
[4] 任嘉卉，《公差与配合手册》[M]，机械工业出版社 1990
[5] 文怀兴，夏田，《数控机床系统设计》[M]，机械工业出版社 2006
[6] 周建方, 《材料力学》[M] 机械工业出版社 2002
[7] 范真,《加工中心》[M] 化学工业出版社2004
[8] 南京市机械研究所,《金属切削机床夹具图》[M] 机械工业出版社1990
[9] 李学梅, 《数控机床》[M] 电子工业出版社 2005
[10] 夏田，《数控加工中心设计》[M]，化学工业出版社 2006

带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计

内容简介：: 2009 届毕业设计任务书二级学院（直属学部）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级： 05 机三学生姓名胥林指导教师张海宇职称副教授课题名称带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计课题工作内容本课题来源于江苏恒力机电有限公司，完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算。该项目包括： 1、带有卸荷装置的加工中心主传动联系尺寸总图 2、加工中心主轴箱尺寸总图 3、部分零件图 4、毕业设计说明书一份（中文摘要不少于 300 字，英文摘要不少于 1200 个印刷符号）。 5、翻译与本专业相关的 15000 个印刷符号的科技英语文章标（目标）要求一、技术指标 1、主轴转速： 206000主轴最大输出扭矩： 255、主轴端面至工作台面最小距离： 150、主轴锥孔号：、质量指标 1、主轴轴承要承受轴向力不大于 20 、选择的主轴轴承要能承受轴向、径向双向作用力 3、主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命要高 4、主轴的卸荷效果要好，主轴有足够的刚度与抗振性能，回转精度高；进程安排进程安排： 3 周到 4 周明确设计任务，收集资料、调查研究。 5 周到 7 周完成毕业设计开题报告，方案论证、确定课题总体方案。 8 周到 10 周完成总体设计草图。 11 周到 15 周完成主传动联系尺寸装配总图、主轴箱尺寸总图、部分零件图。 16 周到 18 周编写毕业设计说明书以及答辩准备。主要参考文献 1 戴曙 , 金属切削机床设计 M 机械工业出版社 1981 2 机械加工工艺手册编写组，机械加工工艺手册 M 机械工业出版社 1998 3文怀兴， ,数控铣床设计 M，化学工业出版社 2006 4 任嘉卉，公差与配合手册 M，机械工业出版社 1990 5 文怀兴，夏田，数控机床系统设计 M，机械工业出版社 2006 6 周建方 , 材料力学 M 机械工业出版社 2002 7 范真 ,加工中心 M 化学工业出版社 2004 8 南京市机械研究所 ,金属切削机床夹具图 M 机械工业出版社 1990 9 李学梅 , 数控机床 M 电子工业出版社 2005 10 夏田，数控加工中心设计 M，化学工业出版社 2006 地点州学院起止日期 20082009主任：指导教师：年月日年月日说明：毕业设计任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经系部审核签字后生效。此任务书在毕业设计工作开始前一周内填写并发给学生。机电工程学院毕业设计外文翻译 1 数控技术的发展趋势摘要：简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化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，不在于生产什么，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产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的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的战略物资，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先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其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)传感器技术； (6)软件技术等。 1 数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。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 4。速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿机电工程学院毕业设计外文翻译 2 车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料 “ 掏空 ” 的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/至更高，空运行速度可达 100m/右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国司的床进给速度最大达 60m/速为 100m/速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/工一薄壁飞机零件，只用 30同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/ 1g。在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到5m ，精密级加工中心则从 3 5m ，提高到 1 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 (。在可靠性方面，国外数控装置的已达 6 000h 以上，伺服系统的 0000h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为， 1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。在会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国司展出列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工，可由统控制或接或间接控制。能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势机电工程学院毕业设计外文翻译 3 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的欧共体的日本的中国的。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在中，日本山崎马扎克（司展出的 “（智能生产控制中心，简称日本大隈（床公司展出 “（信息技术广场，简称场 )；德国西门子 (司展出的放制造环境，简称，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的 “ 六五 ” 、 “ 七五 ” 期间以及 “ 八五 ” 的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的 “ 八五 ” 的后期和 “ 九五 ” 期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在 “ 九五 ” 末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了 10。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过 4 个 5 年计划的攻关，总机电工程学院毕业设计外文翻译 4 体来看取得了以下成绩。本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。国外先进水平大约落后 10 15 年，在高精尖技术方面则更大。场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步 “ 空芯 ” 。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际 “ 加工中心 ” 和 “ 组装中心 ” ，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全机电工程学院毕业设计外文翻译 5 看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制， “ 东芝事件 ” 和 “ 考克斯报告 ” 就是最好的例证。展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以 “ 做得出、用得上、卖得掉 ” 为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。参考文献： 1 中国机床工具工业协会行业发展部礼 J 2001(3)： 18 2 梁训王宣 ,周延佑 J 001(3)： 21 3 中国机床工具工业协会数控系统分会礼 J 2001(5)： 13 4 杨学桐，李冬茹，何文立，等 ?距世纪数控机床技术发展战略研究 M 家机械工业局， 2000. 机电工程学院毕业设计外文翻译 6 of of of of of of in s to TO to on of of of of of of of of of of of o as ). of do in is in of . of to of in to to of In in of as of to s to of In a of as in a to to go on to by of of to is a of 机电工程学院毕业设计外文翻译 7 (1)(2) (3)(4)(5)(6) 1 of a he of of to of of of of he ) to s a of to of in at 14. of At a to of as of to it as in 1st to of in In of 0 as 00,000 / it is of be In of s or in to as to a of to of to 0m/ 00m/A of in at of up up . , to be to 0m/it 00m/to be g, of 0 000r/a of 0at a 机电工程学院毕业设计外文翻译 8 h, h of of 2* 000r/mm g. In in 0 of of to 0m m, of - 5m, - In 0 of of m , - 5m of 0m - to In of 000h, of 0000h, at a to it if is to to of of is by a It is a 5 of 3 go on at a at 5 to go of to be in of At of of to it by a of So to ). of of of be at of of in be NC AM or 1.3 电工程学院毕业设计外文翻译 9 1st be in In to In to is so to so n to At to SS s s s so of is in or s in At as as so on is he is a to be in if (is to IT (电工程学院毕业设计外文翻译 10 is T is so to of of of of he of of 958, in 0 be is 958 979, In of of of of of is 2009 届毕业设计开题报告题目带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计专业机械设计制造及其自动化姓名胥林班级 05 机三指导教师张海宇起止日期 20082008 2009 年 3 月 2 日业设计开题报告（含课题的来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等内容，字数为 2000 字左右。）一、课题的来源及现状本课题来源于江苏常州恒力机电有限公司，完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算。随着社会的进步，制造业的发展越来越迅速，数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。数控机床发展很快，作为数控机床的重要部分，主轴箱的设计更新也越来越快。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，随着加工中心的普及应用，急需一大批掌握加工中心设计、操作和维修的应用型人才。加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它是加工中心的主要组成部分。它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以扩大电动机无级调速的范围。加工中心大多采用交流和直流调速电动机来实现无级变速。主轴的传动方式有四种，分别是二级齿轮变速传动、定比传动、由主轴电动机直接驱动、内装电动机主轴传动。本设计采用定比传动中的多楔带传动，这种传动方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。多楔带传动功率大，空间相同时多楔带比普通 V 带的传动功率约高 30%；带体薄，富有柔软性，比较能适应带轮直径小的传动；适应高速传动，带速可达 40m/s，使用伸长小，发热小，振动小，运转比较平稳。主轴组件由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件组成。机床加工时，主轴带动工件或刀具直接参与表面成形运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产效率等有着重要影响。而且数控加工过程中不能进行人工调整，这些影响就更为重要。对加工精度影响最大的是回转精度的要求。随着科技的发展，加工中心主轴的转速越来越高，这种趋势必然会去主轴的精度和刚度提出了更高的要求。主轴在告诉旋转的过程中，由于动力输入源存在径向力（如：带拉力）作用在主轴后端：动力源与主轴安装不同心使主轴产生的内应力变形，使主轴回转综合精度收到影响。同样主轴再松刀过程中会受到很大的轴向力的影响，这种影响会导致主轴运动精度及主轴使用寿命。相比而言，轴向力的影响远大于径向力的作用。在通常情况下，采用卸荷装置来减小上述因素对主轴的影响，能收到很好的效果。本设计就是采用卸荷装置，是主轴的轴向力转移到床身上以达到加工精度的要求。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各个组成部分提出了更高的性能指标。当今的加工中心正在不断的采用新的成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化、与高可靠性等方向发展。二、工作内容和设计方案完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算，完成毕业说明书。该项目包括： 1、带有卸荷装置的加工中心主传动联系尺寸总图 2、加工中心主轴箱尺寸总图 3、部分零件图 4、毕业设计说明书一份（中文摘要不少于 300字，英文摘要不少于 1200个印刷符号）。 5、翻译与本专业相关的 15000个印刷符号的科技英语文章三、设计路线完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算，完成毕业说明书。四、预期目标一、技术指标 1、主轴转速： 206000主轴最大输出扭矩： 255 2、主轴端面至工作台面最小距离： 150 3、主轴锥孔号：二、质量指标 1、主轴轴承要承受轴向力不大于 20 2、选择的主轴轴承要能承受轴向、径向双向作用力； 3、主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命要高； 4、主轴的卸荷效果要好，主轴有足够的刚度与抗振性能，回转精度高。五、进程安排： 3周到 4周明确设计任务，收集资料、调查研究。 5周到 7周完成毕业设计开题报告，方案论证、确定课题总体方案。 8周到 10周完成总体设计草图。 11周到 15周完成主传动联系尺寸装配总图、主轴箱尺寸总图、部分零件图。 16周到 18周编写毕业设计说明书以及答辩准备。六、主要参考文献 1 戴曙 , 金属切削机床设计 M 机械工业出版社 1981 2 机械加工工艺手册编写组，机械加工工艺手册 M 机械工业出版社 1998 3文怀兴， ,数控铣床设计 M，化学工业出版社 2006 4 任嘉卉，公差与配合手册 M，机械工业出版社 1990 5 文怀兴，夏田，数控机床系统设计 M，机械工业出版社 2006 6 周建方 , 材料力学 M 机械工业出版社 2002 7 范真 ,加工中心 M 化学工业出版社 2004 8 南京市机械研究所 ,金属切削机床夹具图 M 机械工业出版社 1990 9 李学梅 , 数控机床 M 电子工业出版社 2005 10 夏田，数控加工中心设计 M，化学工业出版社 2006 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计结果的预测）：本课题来源于江苏常州恒力机电有限公司，要求完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算。本课题要求学生具有一定的综合应用所学理论知识与技能方面的能力，并要求学生具备扎实的机械设计基础和全面的机械专业知识以及数控机床设计的能力，所以该课题具有一定的深度和广度。该同学的工作内容有：带有卸荷装置的加工中心主传动联系尺寸总图、加工中心主轴箱尺寸总图、部分零件图、毕业设计说明书一份、翻译与本专业相关的 15000 个印刷符号的科技英语文章。因此该同学的毕业设计工作量比较饱满，通过设计计算使主传动结构合理、简单、实用；卸荷装置在实际生产中广泛应用，具有很大的实用价值。指导教师：张宇 2009 年 3 月 20 日系部意见：系主任：年月日注：开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。 2009 届毕业设计选题申报表二级学院（直属学部）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化课题名称带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计地点课题来源恒力机电有限公司学生人数 1 申报人职称课题简介：本课题来源于恒力机电有限公司，完成三轴联动的带有卸荷装置的加工中心的主传动系统设计，确定加工中心主传动系统的结构方案和调速范围，并确定主轴的卸荷装置和结构形式，确定电机类型、功率，确定传动系统链、并进行必要的理论计算。指标（目标）要求：一、技术指标 1、主轴转速： 206000主轴最大输出扭矩： 255、主轴端面至工作台面最小距离： 150、主轴锥孔号：、质量指标 1、主轴轴承要承受轴向力不大于 20 、选择的主轴轴承要能承受轴向、径向双向作用力 3、主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命要高 4、主轴的卸荷效果要好，主轴有足够的刚度与抗振性能，回转精度高；程安排： 3 周到 4 周明确设计任务，收集资料、调查研究。 5 周到 7 周完成毕业设计开题报告，方案论证、确定课题总体方案。 8 周到 10 周完成总体设计草图。 11 周到 15 周完成装配总图、部件图及部分零件图。 16 周到 18 周编写毕业设计说明书以及答辩准备。每个学生课题分工情况、课题的副标题：（当课题需由 2 名及以上学生完成时）系部审核意见负责人签名：年月日二级学院（直属学部）审核意见负责人签名：年月日审题说明对选题应从以下几方面进行审核：文）教学大纲的要求，与专业知识结合程度如何；会价值和经济效益；注：本表由提出课题的教师填写，系部保存。业设计说明书题目：带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计二级学院（直属学部）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级： 05机三学生姓名：胥林学号： 05010332 指导教师姓名：张海宇职称：副教授评阅教师姓名：云平职称：讲师 2009 年 6 月电工程学院毕业设计说明书摘要本文介绍了立式加工中心的一些基本概况，简述了机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。立式加工中心主传动系统由主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了立式加工中心主传动系统的设计过程，该立式加工中心选用多楔带传动，该种传动方式的特点在于它能使主传动系统的结构比较简单，而且避免了齿轮传动的振动和噪声。文中介绍了立式加工中心主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式以及关键零件的校核等设计过程。关键词：数控机床立式加工中心主传动系统主轴组件卸荷装置机电工程学院毕业设计说明书 of in of of of of in in is it of is to of of is is in 目录第一章绪论 1 引言 1 控机床的基本概况 1 工中心的基本概念和分类 2 工中心的结构组成 3 工中心的发展趋势 3 第二章加工中心主传动系统方案的确定 5 工中心主传动系统简介 5 加工中心主传动系统的要求 5 传动的类型及方案选择 6 传动系统设计条件 7 第三章主传动变速系统主要参数计算 8 算切削功率 8 算主传动功率 8 定电动机型号 9 9 轴的卸荷装置 11 向力的卸荷 12 向力的卸荷 13 第四章主轴组件设计 14 轴组件的设计要求和步骤 14 轴组件的设计要求 14 轴组件的设计步骤 15 轴的设计要求 15 轴的主要尺寸参数 16 轴轴端结构 16 轴的材料和热处理 16 轴主要精度指标 17 轴滚动轴承 17 动轴承类型 17 轴轴承配置与调整 17 轴组件的设计计算 19 选主轴直径 19 轴悬伸量的确定 19 轴最佳跨距的选择 19 轴组件的校核计算 20 机电工程学院毕业设计说明书轴组件的刚度计算 20 轴组件的强度计算 21 承的校核计算 23 的校核计算 25 轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 26 轴组件的润滑与密封 26 高主轴组件性能的措施 27 结论 29 参考文献 30 致谢 31 机电工程学院毕业设计说明书 1 第一章绪论引言毕业设计是对我们大学四年期间所学知识的一次综合运用过程，是对大学四年所学知识的一次总结，是一次较全面的设计训练，是理论联系实际的重要实践性环节，是我们在理论学习和生产实践基础上迈向工程设计的一个转折点。在这一学习过程中，培养了我们运用所学知识解决问题的能力，提高了我们对产品整体设计把握的能力。通过这次毕业设计，可以培养和提高我们综合运用所学机械方面的课程和其它以前所学的各科基础知识和专业知识、结合生产实际去分析和解决工程实际问题的能力；可以学习机械设计的一般程序，熟悉和掌握通用机械零件、机床传动系统和简单机械的设计方法和步骤，培养创造性思维能力和增强独立、全面、科学的工程设计能力；可以完成机械设计基本技能的训练，学会使用各种设计资料（标准、规范、手册、图册等）、经验估算、数据处理及编写设计计算说明书。本次毕业设计的课题是设计一个带有卸荷装置的立式加工中心的主传动系统。参考式加工中心，初步了解到该型号立式加工中心主传动系统采用多楔带传动，从主轴电动机经一级带传动传递给主轴。在本文中，详细介绍了立式加工中心主传动系统传动方案的选择设计、电动机选型及功率的计算、多楔带传动的计算、各种零件的设计并确定主轴的卸荷装置和结构形式及关键零件的校核等设计过程。数控机床的基本概况数控（ C）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 2。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 8。 1952 年，美国司与麻省理工学院（作，研制出世界上第一台数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。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。对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。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机电工程学院毕业设计说明书 2 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 2。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。一般来说，数控机床可分为数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心几类 2。此次毕业设计主要是针对立式加工中心主传动系统设计，故以下介绍一些加工中心的应用和发展情况。加工中心的基本概念和分类（ 1）加工中心的基本概念在数控铣床的基础上，如果再配以刀具库和自动换刀系统，就构成加工中心 2。加工中心的特点是它的刀具库能存放几十把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以在没有人工干预的情况下，一次完成很多工艺内容。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行许多工序加工的数控机床。在加工中心上，工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量、刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成工件一个或几个面上多工序的加工。加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开放时间之比）可达 80%以上，高于普通机床 3其是在加工形状比较复杂，精度要求较高、品种更换频繁的零件时，加工中心更体现出良好的加工效果。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，可称为镗铣加工中心，习惯上简称为加工中心 3。（ 2）加工中心的分类按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心 1。 1）立式加工中心立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。 2）卧式加工中心卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。 3）五坐标加工中心五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次机电工程学院毕业设计说明书 3 装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以 90旋转，另一种是工作台可以 90旋转。加工中心的结构组成 1958年美国的卡尼特富克公司在一台数控镗铣床上增加了自动换刀装置，第一台加工中心问世。随后，出现了各种类型的加工中心，有立式加工中心、卧式加工中心、五坐标加工中心等。虽然加工中心的外型结构不尽相同，但从总体上看，加工中心基本上由以下几部分组成：基础部件、主轴系统、控制系统、伺服系统、自动换刀装置、辅助系统、自动托盘更换系统等 3。（ 1）基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，是加工中心的基础构件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。（ 2）主轴组件它是主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。（ 3）控制系统单台加工中心的数控部分是由置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程中的控制中心。（ 4）伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。（ 5）自动换刀装置它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。（ 6）辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。（ 7）自动托盘更换系统有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工效。加工中心的发展趋势随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这使得数控机床在生产中得到更广泛的应用，并不断地发展。尤其是随着柔性制造系统的机电工程学院毕业设计说明书 4 迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床统提出更高的要求。现代数控机床（加工中心）正在向更高速度、更高精度、更加高度自动化、更高可靠性及更完善的方向发展 20。（ 1）高速度加工中心向高速度发展的主要目的是提高生产率，主要措施是提高主轴转速、提高进给速度和缩短辅助时间等。 1）提高主轴转速近些年来，加工中心的主轴转速普遍提高。中、小型加工中心的主轴最高转速大部分提高到 5000的加工中心已达到 40000r/此，在主轴轴承的材料、结构、润滑方式，主轴组件的结构，电机的冷却防振措施等方面都进行了大量工作。例如某些高速加工中心主轴采用了陶瓷流动体轴承，润滑方式采用了油气润滑以及主轴系统进行严格的动平衡等。 2）提高进给速度一般的加工中心，进给速度可达 1速移动速度已达33m/步靠近 50m/了实现高速，数控装置可进行快速处理。例如采用数控高速转换器，将数据快速传递；采用 32 位的计算机数控装置等。在机械结构方面也相应地采取了措施，例如采用大导程滚珠丝杠和滚动导轨等。驱动元件采用交流伺服电机也有利于提高伺服进给的速度。 3）缩短辅助时间缩短辅助时间包括缩短换刀时间、刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等。现在许多小型加工中心的换刀时间达到 1的已缩短到移速度又有所提高，以缩短刀具移近或离开工件的时间。（ 2）高精度在工厂的一般情况下，加工中心的加工精度可达，经过努力可以达到。镗孔加工时，如提高主轴主件的刚度和精度，其加工孔径公差可达高加工中心加工精度的主要措施是提高编程时的圆弧插补精度、机床定位精度和精度补偿技术。世界许多国家都在进行机床运动和负载变形误差以及机床热误差的软件补偿技术的研究，有的可消除此类误差的 60%。高精度加工中心，目前已达到坐标镗床的精度水平。所采用的数控系统，其最小设定单位（分辨率）可达类高精度加工中心，必须在恒温、恒湿的环境中工作。（ 3）高度自动化为了进一步提高自动化程度，加工中心的硬件和软件采取了许多改进措施。例如采用对话系统，可使操作方便、操作时间短、检验及时以及差错率低。在现代数控机床上，装有各种类型监控、检测装置，实现了工件的自动检测和刀具的监控，从而提高了数控机床的自动化程度，保证了数控机床长时间工作时的产品质量。（ 4）可靠性的提高由于现代机床、加工中心统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保证产品质量。现代统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片或混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可靠性。（ 5）采用自动程序编制技术现代机床统利用其自身很强的存储及运算能力，把很多自动编程功能植入统。在一些新型的统中，还装入了小型工艺数据库，使得统不仅具有在线零件程序编制功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能、工件材料及零件加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量。有的统还具有自适应控制功能。机电工程学院毕业设计说明书 5 第二章加工中心主传动系统方案的确定工中心主传动系统简介加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成 1。它是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。加工中心主传动系统的要求由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度 1，因此，它的主轴系统必须满足如下要求。（ 1）调速功能 15 为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围的指标主要由各种加工工艺对主轴最低速度和最高速度的要求来确定。目前加工中心主轴基本实现无级变速。（ 2）精度和刚度要求具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。加工中心加工精度与主轴系统精度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配好后，在无载荷和低速转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度有较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡。静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。加工中心多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支承跨距、主轴前端的悬伸量等。（ 3）动态响应性能要求升降速时间短，调速时运转平稳。对有的机床需同时能实现正反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制。（ 4）抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时，由于断续切削、加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡，以及切削过程中的自振等原因引起的冲击力和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合间隙并进行循环润滑等。（ 5）具有刀具的自动夹紧功能加工中心突出的特点是自动换刀功能。为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴系统与其他主轴系统相比，必须具有刀具自动夹紧功能。（ 6）功率要求要求主轴具有足够的驱动功率或输出转矩，能在整个速度范围内提供切削所需功率和转矩，以满足机床强力切削时的要求。机电工程学院毕业设计说明书 6 （ 7）主轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴定位功能（即当主轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必需的功能。在自动换刀的数控镗铣加工中心上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能。此外，在通过前臂小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上（或在 X 轴方向上，或在 Y 轴方向上），以便主轴偏移一定尺寸后大刀刃能通过前臂小孔进入箱体内对大孔进行镗削。传动的类型及方案选择加工中心主传动系统主要有以下四种形式。（ 1）二级齿轮变速传动低速主轴通过采用齿轮变速机构或同步带传动降速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。该种主轴电动机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型加工中心机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大转矩，满足机床内转矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。（ 2）定比传动该种传动方式经定比传动传递给主轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是 V 带和同步齿形带。本次设计的立式加工中心的主传动系统即采用同步齿形带，具体选择原理及方案将在后文详述。（ 3）由主轴电动机直接驱动该种传动方式的电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。（ 4）内装电动机主轴高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加减速度。通过齿轮或传动带这些中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合而为一，制成电主轴，即主轴与电动机转子合为一体。电动机的轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。实现无中间环节的直接传动，是主轴高速单元的理想结构。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴所融合的技术有以下几个方面 1。高速轴承技术电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。高速电机技术电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。润滑电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要受到影响。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑机电工程学院毕业设计说明书 7 油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。冷却装置为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。内置脉冲编码器为了实现自动换刀及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。自动换刀装置为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。高速刀具的装卡方式常用的具，已不适合于高速加工。这种情况下出现了高速刀柄。高速变频装置要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。由于取消了主轴齿轮箱的传动与电动机的连接，因而主轴组件结构更紧凑、质量小、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点同样是热变形问题，即电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。例如日本研制的某立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达 20000r/ 目前高速主轴已商品化，如瑞士轴制造厂生产的主轴单元，其转速可达到12000 14000 r/径范围 33 300率范围 125 80矩范围 00Nm。美国司研制的 20主轴，最高主轴转速达到 120000 r/ 本次设计的立式加工中心主轴的转速范围为 20 6000 r/轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，传动采用多楔带实现。这种传动方式多用于数控车床和中、小型加工中心，可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。多楔带传动功率大，空间相同时多楔带比普通 V 带的传动功率约高 30%；带体薄，富有柔软性，比较能适应带轮直径小的传动；适应高速传动，带速可达 40m/s，使用伸长小，发热小，振动小，运转比较平稳。因此在加工中心中得到了优先选用 15。其传动装置简图如图 2 传动系统设计条件切削性能参考值（工件材料 45）：面铣时，刀具直径 100齿数 5，切削深度 4削宽度 70轴转速 1500给速度 600mm/孔时，刀具直径（高速钢） 30轴转速 400给速率 100mm/用多楔带传动；主轴锥度主轴电动机图 2 传动装置简图机电工程学院毕业设计说明书 8 第三章主传动变速系统主要参数计算算切削功率 10 由金属切削手册，对面铣这种典型加工情况。平均切削厚度 r 分齿平均=0 =属切削率 0 图 4位切削功率在 510) 。考虑到工件材料强度不高，取，则：切削功率 5 由金属切削手册，对钻孔这种典型加工情况。每分进给量分r 平均切削厚度 1 0 属切削率 422 n s DZ w 图 4位切削功率在 510) 范围内，综合工件材料分析，取，则：切削功率 45 上，可取切削功率算主传动功率机床主传动系统的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。机电工程学院毕业设计说明书 9 （ 1）主传动功率机床主传动的功率 P 可根据切削功率主运动传动链的总效率来确定 1 加工中心的加工范围一般比较大，切削功率根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力 65 5 00 060 0 00 （式中主切削力的切向分力， N； v 切削速度， m/ M 切削转矩， N n 主轴转速， r/ 加工中心主传动的总效率一般可取为 =工中心的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动功率确定的，如果传动功率定得过大，将使传动件的尺寸粗大而造成浪费，电动机常在低负载下工作，功率因数很小而浪费资源。如果功率定得过小，将限制机床的切削加工性能而降低生产率。因此，要较准确合适地选用传动功率。由于加工情况多变，切削用量变化范围较大，加之对传动系统因摩擦等因素消耗的功率也难于掌握，因此，单纯用计算的方法来确定功率尚有困难，通常要用类比、测试、理论计算等几种方法相互比较来确定。这里按较高的传动效率取值，取 =：主传动功率取 2）主运动的调速范围由带有卸荷装置的加工中心主传动系统设计说明书可知，所设计立式加工中心主轴的变速范围在 20r/6000r/ 定电动机型号 10 根据现代实用机床设计手册（下册），选择主轴电动机。这里选择列标准型交流主轴电动机。型号为 6S 型，连续负载短时负载 30定转速 1500r/大转速 6000r/出力矩 m，惯性矩楔带传动的计算参照机械传动装置设计手册多楔带设计举例以及机械设计手册上关于带传动的设计计算介绍，并由前述能知以下已知条件：电动机功率 P=速机电工程学院毕业设计说明书 10 500r/动轮 500r/动比 1150 0150 021 班制工作，中心距可调。（ 1）确定设计功率 7 由铣床、二班制工作等条件查机械设计手册表 13工况系数：设计功率 K A 2）选定带型和节距根据 500r/ 机械传动装置设计手册图 8L 型多楔带。（ 3）小带轮有效直径由表 8为 75选 701 大带轮有效直径 702 7632170211 （ 4）计算带速 p /30/ 0 060 1 5 0 0 060 11 所以合适。（ 5）初定中心距根据 )(2)(即 2380a 680 所以初选0a=250 6）带的有效长度 170170()170170()(22 202122100 由表 8择 030（ 7）计算中心距 a 中心距可调，则实际中心距为： 482 0 （ 8）小带轮包角 a dd 11所以机电工程学院毕业设计说明书 11 （ 9）带每楔所传递的额定功率及其增量由带型， 701 ， 5001 ，按表 8算得：由于 i=1，所以 00 P（ 10）带的楔数由公式 Z=)( 00 （其中带长修正系数）由表 8， 1K 所以 00 表 8取 Z=6 （ 11）有效圆周力计算 3 3 （ 12）作用于轴上的力 21（与带轮楔合系数，见表 8 取 50.1， = 13）带轮的结构和尺寸综上所选的多楔带为 6表 8距 e=角 a= 有效线差 3e轴的卸荷装置随着科技的发展，加工中心主轴的转速越来越高，这种趋势必然会去主轴的精度和刚度提出了更高的要求。主轴在告诉旋转的过程中，由于动力输入源存在径向力（如：带拉力）作用在主轴后端：动力源与主轴安装不同心使主轴产生的内应力变形，使主轴回转综合精度收到影响。同样主轴再松刀过程中会受到很大的轴向力的影响，这种影响会导致主轴运动精度及主轴使用寿命。在通常情况下，采用卸荷装置来减小上述因素对主轴的影响，能收到很好的效果。本设计就是采用卸荷装置，是主轴所受到的径向载荷和机电工程学院毕业设计说明书 12 轴向载荷转移到床身上以达到加工精度的要求。图 3荷装置图 123456 7 8910向力的卸荷随着加工零件精度的不断提高，对高速回转主轴的综合回转精度提出了越来越高的要求，如一些高速大功率高精度的加工中心的回转主轴转速已经达到 20000r/至更高，综合回转的精度要求小于 4m,甚至达到如此高的主轴转速和主轴回转精度，除了提高主轴自身的回转精度外，同时也采用卸荷装置来减少主轴后端的径向作用力。本设计由于动力源即多楔带带传动过程中会产生张力，张力会作用在主轴的后端上，但主轴加工精度的要求是不允许主轴后端承受径向作用力的，所以我们采用卸荷装置消除这一影响。如图 3示：电动机动力通过多楔带传递给卸荷传动轴，多楔带在传递动力的过程中会产生一定的张力，这就使得传动轴的后端产生径向载荷，为了消除径向载荷的影响我们做了一个卸荷传动轴，就是把主轴做成两段，后端我们叫他卸荷传动轴，如图 3带的张力传递到卸荷传动轴 2上，卸荷传动轴 2通过螺钉 4固定在拉杆套上，所以径向载荷传递到拉杆套上，拉杆套与传动轴固定在轴承座上，因为我们选用的是角接触球轴承，四个一组，背对背安装，角接触球轴承是可以承受径向载荷的，所以一部分的载荷通过轴承 6传递到外隔套9 上，外隔套 9 是和支架 8 一起连接在箱体上的，也就是说径向载荷大部分传递到了主轴箱体上面去了，达到卸掉主轴径向载荷的作用，又因为主轴和卸荷传动轴做成了两段，图 3荷传动轴机电工程学院毕业设计说明书 13 没完全卸载掉的载荷也不会对主轴的精度产生影响，保证了主轴的旋转精度。向力的卸荷一般的加工中心在松刀过程中，主轴轴承要承受很大的轴向力，大约 15气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆 3左端面接触后，拉杆 3 受压向右运动，拉杆 3 通过拉杆套和垫片，压缩碟形弹簧 5，碟形弹簧5将受到的作用力通过垫片 10传递到主轴上，主轴受到此向右的轴向力后有向右运动的趋势，主轴前端背对背安装的 4个一组的角接触球轴承必须限制这种趋势，因此主轴轴承要承受主轴传来的向右的轴向力，当汽缸活塞运动到最右端时，此时夹刀的弹簧卡爪应经松开拉钉，刀具已松开，碟形弹簧变形量最大，反作用力也最大，将达到大约15就是主轴轴承受到的轴向力，如此大的轴向力会对主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命带来很大的影响。为了解决上述问题，我们把加工中心的主轴结构设计成如图 3 当气缸得到主轴松刀信号时，气缸左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆 3左端面接触后，拉杆 3 受压向右运动，松刀过程的初始阶段主轴轴承会承受一点轴向力，但此时碟形弹簧的压缩量很小，所以主轴受到的力对主轴的影

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