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CK6140 车床 主轴 传动系统 设计

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摘 要此次设计介绍了数控机床的发展及其应用情况，并概括了数控机床的结构特点。主要设计了CK6140数控机床的主传动系统，其主要内容包括：转速图的拟定、变速齿轮的设计与计算、带传动的设计与计算，编码器的选择与安装等。设计结果表明，该机床结构简单，易于维修，且性价比高。CK6140数控车床主轴箱由安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足不同加工切削要求。关键词：数控车床；主轴箱；主传动系统 iABSTRACTThe design of the development and application of NC machine tools was introduced, and the structure characteristics of the NC machine tools are summarized. Main design is CK6140 NC machine tool main driving system, its main contents include: speed figure drawing up, the design and calculation of change gear, belt transmission design and calculation, the selection of the encoder and the installation and so on. The design results show that the machine has simple structure, easy maintenance and cost-effective.CK6140 CNC lathe headstock by the installation in the precision bearing of hollow spindle and a series of change gear. CNC lathe spindle can get any speed within the speed range, in order to meet different processing requirements of cutting.Key words: CNC lathe; headstock ; main driving systemii湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 机电工程学 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 2015 年 1 月 30 日学生姓名: 学号: 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题：CK6140车床主轴系统设计 2 学生设计（论文）时间：自 2015年 1月30 日开始至 2015 年5月 25 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：上一学期所搜集的相关文献资料；相关教材及机械设计、工艺手册；要求熟练使用AutoCAD、PRO/E绘图软件。4 设计（论文）应完成的主要内容： 分析确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；主轴系统结构的总体方案设计；零部件的校核与设计相关的计算 ；装配图的设计、零件工作图的设计；本设计的优缺点分析 ；典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制 ；编写设计说明书；5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：零件图、装配图（Pro/E或AutoCAD完成），折合0号图2.5张；编写的设计说明书不少于40页 ；课题相关论文的翻译（英译中，不少于2000字）一篇 ；6 发题时间： 2015 年 1 月 30 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目CK6140车床主轴系统设计作者文 华学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号指导教师二一五 年 五 月 二十六 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 机电工程学 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 2015 年 1 月 30 日学生姓名: 学号: 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题：CK6140车床主轴系统设计 2 学生设计（论文）时间：自 2015年 1月30 日开始至 2015 年5月 25 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：上一学期所搜集的相关文献资料；相关教材及机械设计、工艺手册；要求熟练使用AutoCAD、PRO/E绘图软件。4 设计（论文）应完成的主要内容： 分析确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；主轴系统结构的总体方案设计；零部件的校核与设计相关的计算 ；装配图的设计、零件工作图的设计；本设计的优缺点分析 ；典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制 ；编写设计说明书；5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：零件图、装配图（Pro/E或AutoCAD完成），折合0号图3张；编写的设计说明书不少于40页 ；课题相关论文的翻译（英译中，不少于2000字）一篇 ；典型零件的数控加工程序；6 发题时间： 2015 年 1 月 30 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 湖 南 科 技 大 学开题报告学 生 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 机械设计制造及其自动化五班 学 号： 指导教师： 2015 年 3 月 7 日湖南科技大学 2011 届毕业设计（论文）开题报告题 目CK6140车床主轴系统设计作者姓名学号所学专业1、 研究的意义，同类研究工作国内外现状、存在问题（列出主要参考文献）研究意义：数控技术是采用计算机实现数字程序控制的技术，目前在机械加工行业等领域中的应用日益广泛。本次毕业设计题目就是CK6140车床主轴系统设计，通过对此课题的设计研究，可以综合运用我们所学的机械方面的知识，一切从生产实际出发，去分析和解决数控车床方面的实际问题，熟悉和掌握数控车床主轴系统、机械传动系统的设计方法和步骤，不断提高自身独立、全面的思考能力和设计能力。同类研究工作国内现状及存在问题：自从数控机床进入我国市场起，我国数控机床行业就呈现出了蓬勃发展的趋势，近年来，我国数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力4。同类研究工作国外现状及存在问题：从1951年将计算机技术应用到机床上起，数控系统经历了数控和计算机数控两个发展阶段。目前数控系统正处于基于PC的第六代更新阶段，这是因为PC可靠性高，成本低，软硬件资源比较丰富等。目前，国际数控系统正朝着智能化的方向飞速发展，数控系统可以检测一些重要的信息，而且能自动调节系统的相关参数，进而达到改进系统运行状态的目的。另外，主传动系统引入故障诊断系统，能通过自动识别负载，调整参数，使驱动系统达到最佳运行状态。存在的主要问题：由于机床的万能性和多功能性，造成机床结构复杂、制造周期长、成本也相应提高。用户往往只需要都分功能，但付出的却是多功能的代价，功能浪费了，根不经济。现在机床制造业从品种少、批量大的生产转换为多品种、专业化和小批量生产。对每一种具体的机床产品来说，它的功能应该是有限的，适合用户特定需要的，尽量不带不必要的功能5。参考文献：1关慧贞，机械制造装备设计，第三版，北京，机械工业出版社，20092范祖尧，现代机械设备设计手册，第三版，北京，机械工业出版社，19963王杰，机械制造工程学，北京，北京邮电大学出版社，20044毕承恩，现代数控机床，北京，机械工业出版社，19915吴祖育，数控机床，上海，上海科学技术出版社，19906赵松年，机电一体化机械系统设计，北京，机械工业出版社，19977濮良贵，机械设计，第八版，北京，高等教育出版社，20062、 研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）研究目标：CK6140车床主轴系统设计研究内容：（1） 分析确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；（2） 主轴系统结构的总体方案设计；（3） 零部件的校核与设计相关的计算 ；（4） 装配图的设计、零件工作图的设计；（5） 本设计的优缺点分析 ；（6） 典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制 ；（7）编写设计说明书拟解决的关键问题：（1）确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；（2）主轴系统结构的总体方案设计3、 特色与创新之处 通过对CK6140数控车床主传动系统的设计，去解决实际生产过程中生产力低下，效率不高的问题，逐步提高生产率，让CK6140数控车床的应用更加广泛。通过本次毕业设计，培养了自己理论联系实际的设计思想，综合运用了已修课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决实际工程中遇到的问题。巩固、深化和扩展了自己对机械设计专业的认识，通过对通用机械零件、常用机械传动和简单机械的设计，使我掌握了一般机械设计的程序和方法，树立了正确的工程设计思想。4、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线研究方法：参阅各种有关变速器和机架等部件的设计、介绍资料，并结合老师和自己的一些相关设计经验来设计。步骤：（1） 完成CK6140数控车床主传动系统机械部分的设计；（2） 完成CK6140数控车床主传动系统控制部分的设计；（3） 用三维绘图软件完成CK6140数控车床的主传动系统的总装图的三维模型及工程图；（4） 完成主要零件的零件图。技术路线：计算出主切削力，确定传动方案；设计主轴系统结构，确定总体方案。5、 拟使用的主要设计、分析软件及仪器设备拟使用的主要设计、分析软件：（1）二维设计软件AutoCAD（2）三维设计软件Pro-E仪器设备：游标卡尺、直尺等6、 参考文献1关慧贞，机械制造装备设计，第三版，北京，机械工业出版社，20092范祖尧，现代机械设备设计手册，第三版，北京，机械工业出版社，19963王杰，机械制造工程学，北京，北京邮电大学出版社，20044毕承恩，现代数控机床，北京，机械工业出版社，19915吴祖育，数控机床，上海，上海科学技术出版社，19906赵松年，机电一体化机械系统设计，北京，机械工业出版社，19977濮良贵，机械设计，第八版，北京，高等教育出版社，2006注：1、开题报告是本科生毕业设计（论文）的一个重要组成部分。学生应根据毕业设计（论文）任务书的要求和文献调研结果，在开始撰写论文之前写出开题报告。2、参考文献按下列格式（A为期刊，B为专著）A：序号、作者（外文姓前名后，名缩写，不加缩写点，3人以上作者只写前3人，后用“等”代替。）、题名、期刊名（外文可缩写，不加缩写点）年份、卷号（期号）：起止页码。B：序号、作者、书名、版次、（初版不写）、出版地、出版单位、出版时间、页码。3、表中各项可加附页。5湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 目 录第一章 前言 11.1 课题背景 1 1.1.1 数控车床的发展及应用情况 1 1.1.2 我国数控机床发展存在的问题 2 1.1.3 经济型数控机床在国民经济中的地位 2 1.1.4 经济型数控机床的特点及要求 31.2 研究内容和方法 4 1.2.1 研究内容 4 1.2.2 研究方法 51.3 设计任务与论文构成 5 1.3.1 设计任务 5 1.3.2 论文构成 5第二章 机床设计 72.1 机床设计应满足的基本要求 72.2 机床设计步骤 92.3 机床总体布局 10第三章 主传动系统的设计 123.1 主传动系统的设计要求和特点 12 3.1.1 数控机床主传动系统的设计要求 123.1.2 数控机床主传动系统的特点 123.2 总体设计 12 3.2.1 拟定传动方案 12 3.2.2 选择电机 143.2.3 计算各轴计算转速、功率和转矩 173.2.4 转速图与传动图 183.3 轴系部件的结构设计 193.3.1 I轴结构设计 193.3.2 II轴结构设计 233.3.3 III(主)轴结构设计 34 3.3.4 编码器的选择与安装设计 37 3.3.5主轴箱展开图39第四章 进给传动系设计的简单介绍 404.1 进给传动系的组成40 4.2 进给传动系设计应满足的基本要求 40第五章 结论 41参考文献 42致谢 43i第一章 前 言1.1 课题背景1.1.1 数控机床的发展及应用情况计算机技术的飞速发展，使得现代制造的技术不断推陈出新。在现代制造系统中，数控技术把计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点，对现代制造业实现集成化、智能化、自动化有着非常重要的的作用。数控技术是一门把自动化控制技术、测量技术、微电子技术、计算机技术、现代机械制造术、信息处理技术等集于一体的综合技术，是这些年来发展很迅速的一门综合性的高新技术。数控技术是为了适应高速度、高精度、复杂零件的加工而出现的，是实现数字化、柔性化、信息化、自动化、集成化、网络化的根基，是现代制造技术的核心和灵魂，应用前景十分广阔。伴随着电子计算机技术、微电子技术、信息自动处理技术、以及数据处理的发展，给自动化带来了新的定义，使得机械制造自动化不断的向前发展。最早在20世纪40年代初，就已经有人提出采用数控技术进行机械制造加工的想法。在1953年，美国空军技术研发部跟麻省理工大学进行合作，计划投身于计算机自动编程的研究与开发，这就是创建自动编程系统的开始。自动编程系统开始于APT的成功研制。在1954年，美国本迪克斯公司生产制造出世界上第一台工用数控机床，在这之后的几年里，数控机床技术在美国进入了飞速发展的阶段，随之在市场上也出现了商品化的数控机床。在1958年，美国一家公司率先研制出带有换刀装置的数控机床，称为“数控加工中心”。在1959年，随着晶体管元器件的出现，于是在数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板。与此同时，麻省理工大学和美国航空部门一起合作发展了APT程序语言。在1960年以后，数控技术进入了迅猛发展的阶段。日本、德国、英国等工业国家陆续地开发、研制、生产及使用数控机床，数控技术慢慢应用到其他机械上。比如，焊接机、饶线机、切割机等。在程序编制方面，已经由手工编程慢慢发展到计算机自动编程。与此同时，又出现和发展了许多的自动编程语言。在1965年，随着小规模集成电路的出现，使得数控系统的可靠性有了进一步提高，数控系统发展到了第三代。装有上面三代数控系统的机床为普通数控机床。在1967年，英国率先把几台数控机床连接成具有柔韧性的加工系统，开始研制和开发最初的柔性制造系统FMS，在此之后，美国、欧洲、日本也开始陆续开发和应用。在20世纪80年代初，出现了柔性制造单元FMC，这时FMS已日趋成熟。并慢慢地发展成为第四代数控系统。在1971年前后，美国一家公司开发了微处理器。在1974年，美国、日本等国家率先研制和开发出了以微处理器为中心的计算机数控系统。这是第五代数控系统。最近20年以来，伴随着微电子技术的发展，使得数控技术成为现代制造技术的基础。我国数控机床行业有着巨大的市场空间，未来十年，汽车行业和高新技术等产业将会在我国迅猛发展。有专家指出，以目前我国中高档数控机床和成套成线设备的开发、生产能力，在质量、品种和数量上还远远不能适应市场的巨大需求，因此必须加快数控机床的研制和开发。1.1.2 我国数控机床发展存在的问题目前我国的数控机床发展虽然取得了较大的成就，但还是存在一些问题：（1） 数控化水平低这些年来，我国数控机床生产一直保持着高速增长。2000年的产量位居世界第五。但是与很多发达国家相比，我国数控机床数控化率还有待提升，目前生产值的数控化率还不到29%；消耗值的数控化率还未到45%，而大多数发达国家维持在75%左右。以金属切削机床作为例子，我国去年年产量为25万台，其中数控机床只有2.5万台，仅为产量的十分之一左右。中高档次的数控机床及配套部件只能依靠进口。（2） 功能部件有差距数控功能部件是指主轴单元、数控系统、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、高速防护装置、刀库和机械手等，他们是数控机床的重要组成部分。功能部分技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平将直接影响着数控机床整机的性能和技术水平。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展显得落后很多。功能部件的水平不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的65%左右，它的发展状况将直接关系到机床整体的竞争水平。近年来，我国的功能部件生产企业的规模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至还依附于主机厂或者研究所。从整体上来看，我国功能部件的生产发展比较缓慢，品种较少，产业化程度很低，精度指标和性能指标都还不达不到要求。滚珠丝杠，数控刀架、数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽然已经形成一定的规模，但是仅仅只能满足中低档数控机床的配套需要。高级数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还大量依赖进口。因此健全功能部件生产企业的体制规范，做大做强做好一批功能部件的生产企业已经是箭在弦上不得不发。1.1.3 经济型数控机床在国民经济中的地位数控机床的分类方式有很多种，按照数控系统的功能水平来分的话，数控机床可以分为经济型、中档型和高档型。随着我国工业的迅猛发展，机械制造业也得到了快速的发展，以此为基础数控机床的应用越发广泛，例如汽车行业、航天行业等，因为与机械制造有关的行业都有数控机床的存在，特别是经济型数控机床的应用，而且经济型数控机床的伺服进给驱动一般是由步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧以及螺纹的加工。一般控制轴在三轴以下，脉冲当量多为10，快速进给速度在10m/min以下。因此经济型数控机床的应用非常广泛。这些年来，伴随着我国制造业的迅猛发展，让数控机床的应用也越发广泛，其中经济型数控机床的应用特别明显。但是伴随着机械制造业在国民经济中地位不断的提高，数控机床的地位也随之不断提高。这就使得数控机床的产量不断的增加，2000年产量就位居世界第五。以金属切削机床为例，我国去年产量为25万台，其中数控机床只有2.5万台，仅为产量的十分之一左右。其中数控机床产量的增加非常明显，根据资料的统计，国产的数控机床到2000年可提供品种750多种，但是却只有数控车床种类的50%左右，其中占了产量70%的是经济型数控机床，上面的叙述表明了经济型数控机床在国民经济中占据着非常重要的地位。1.1.4 经济型数控机床的结构特点及要求经济型数控机床和一般的数控机床一样，在效率、精度和自动化程度等方面要明显高于普通的机床，同时还具有了柔性，这就对其结构有了以下几点要求：（1） 高的刚度当数控机床要在中高速切削条件下工作时，机床的工作台、床身、主轴、立柱、刀架等主要部件都需要很高的刚度，使得在工作中变形或振动最小。（2） 高的灵敏度数控机床在自动状态下工作时要求的精度高于普通的机床，因此相应地运动也具有高的灵敏度。导轨通常采用塑料导轨、静压导轨、滚动导轨等，以达到减小摩擦力、低速无爬行的目的，工作台、刀架等移动部件则需要由直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。主轴多数采用滚动轴承来提高灵敏度。（3） 高的抗振性数控机床的部分运动部件需要保证在中高速切削的条件下没有振动，以保证加工件的精度和表面粗糙度的要求。同时还要注意避免切削时的产生的谐振。（4） 热变形要小运动的部件容易产生热量。为保证部件的运动精度，一般采取立柱框架式结构，使提高刚度的同时防止产生热变形而发生倾斜偏移，主轴可采用恒温冷却主轴，以保证主轴高速运转时产生的热量最少，电动机可以采用安装散热装置以减少电动机运转时发热的影响。（5） 高精度的保持性数控机床需要保证长时间内具有稳定的工作精度，即高精度的保持性，一般选择合适的零件材料，防止使用时发生变形和磨损，同时采取相应的工艺措施，比如淬火和粘贴塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。（6） 高的可靠性数控机床大多数是在自动或者半自动条件下工作的，需要具有高的可靠性。（7）刀具系统数控机床刀具要具有高的耐用度，合理的结构，同时对于不同的数控机床，需要用不同的刀具系统和相应的刀片。与普通机床相比，数控机床具有以下优越性：1、可以加工出普通机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比普通机床提高47倍。 3、加工零件的精度较高，尺寸分散度很小，使得装配容易 4、可实现多工序的集中加工，减少零件在机床间的搬运。 5、拥有自动监控、自动补偿等多种功能，可实现长时间没有人看管的加工。 因此，采用数控机床，可以大大降低工人的劳动强度，节约劳动力，减少了工装，缩短了新产品试验周期和生产周期，可以对市场的需求作出快速的反应。 而且数控机床推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。数控技术已然成为机械制造业自动化的核心技术。基于以上优越性，数控机床所占的比例迅速增大。从2006年的市场消费的内容可以看出,传统机床的市场份额在下降,数控机床份额则大幅度的增长，尤其是中高档数控机床变得供不应求。因此可以预料，未来几年甚至十年内传统机床的市场份额将不断的下滑, 数控机床的消费会逐步的扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台经济型数控车床CK6140，用于对转体零件的圆柱面、圆锥面、端面以及各种公、英制螺纹等进行高效、批量、高精度的自动加工，以提高生产的效率和产品的质量和降低工人的劳动强度。通过本次毕业设计培养自己综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力1。1.2 研究内容和方法1.2.1 研究内容本课题设计的数控车床的主要参数如下：工件最大回转直径：400mm；中心高：205mm；刀架最大回转直径：210mm；刀架最大回转行程；280mm；主轴最大转速：4000 r/min；主轴最低转速：40r/min；课题研究的主要内容是主轴传动系统的设计。1.2.2 研究方法第一步，明确设计的要求，找出研究的重点和难点：数控车床最基本的要求就是精度达标，运行稳定可靠，操作、保养方便，寿命比较长，此外还要力求外型的美观。第二步，进入工厂观察，大量收集相关的资料，广泛吸取有关专家设计的经验。第三步，初步地确定总体的设计方案：1、 软件的方面 充分考虑功能、技术先进、价格、服务方便等因素，以及考虑数控系统所具有的功能是否与CK6140的性能相匹配，尽量减少数控功能的过剩。2、硬件的方面 （1）根据机床的性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体的布局； （2）选择主电动机。根据切削力的大小以及机床的变速要求，初步地选定主电动机的型号； （3）设计主传动系统及主轴箱。根据主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动的方式。1.3 设计任务与论文构成1.3.1 设计主要任务1、 分析确定CK6140车床主轴系统的整体传动方案；2、 主轴系统结构的总体方案设计；3、 零部件的校核与设计相关的计算；4、 装配图的设计、零件工作图的设计；5、 本设计的优缺点分析；6、 典型零件加工工艺及图形交互式（CAD/CAM）或手工数控程序编制；7、 编写设计说明书。1.3.2 论文构成第1章 前言第2章 机床的设计。第三章 详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。第四章 简单介绍进给传动系的设计。第五章 总结本次毕业设计。 论文最后是本次毕业设计的心得、参考文献和致谢。第二章 机床设计2.1 机床设计应满足的基本要求1、 工艺范围机床工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，也可称为机床的加工功能。机床应满足一定的加工作业要求，包括加工作业功能和加工作业空间。机床的加工作业功能要求将决定其运动功能，加工作业空间要求将决定其运动行程范围。机床的工艺范围一般包括可加工工件的类型、加工方法、加工表面形状、材料、工件和加工尺寸范围、毛坯类型等。机床的工艺范围主要取决于其用于哪种生产模式。如使用单机生产模式，工序集中，要求机床具有较宽的加工范围，对加工效率和自动化程度的要求相对低一些。如使用于多品种小批量的自动化生产系统模式，要求机床能适应多品种工件的加工，具有一定的工艺范围、较高的加工效率和自动化程度。如使用于大批量生产模式，工序分散，一台机床仅需要对一种工件完成一道或几道工序的加工，工艺范围窄，但要求加工效率高，自动化程度高。机床的工艺范围直接影响到机床结构的复杂程度、设计制造成本、加工效率和自动化程度。对于生产率，就机床本身而言，工艺范围增加，可能会使加工效率下降。但就工件的制造全过程而言，机床工艺范围增加，将会减少工件的装卸次数，减少安装、搬运等辅助时间，有可能使总的生产率提高。2、 柔性机床的柔性是指其适应加工对象变化的能力。随着市场经济的发展，对机床及其组成的生产线的柔性要求越来越高。传统的刚性自动生产线尽管生产效率高，但无法适应产品更新换代速度越来越快的要求。机床的柔性包括空间上的柔性和时间上的柔性。所谓空间柔性，也就是功能柔性，包括机床的通用性和在同一时期内进行快速功能重构的能力，即机床能够适应多品种小批量的加工，机床的运动功能和刀具数目多，工艺范围广，一台机床具备多台机床的功能，因此在空间上布置一台高柔性机床，其作用等于布置了几台机床。所谓时间上的柔性，也就是结构柔性，指的是在不同时期，机床的各部件的重新组合，构成新的机床，即通过机床重构，改变其功能，以适应产品更新变化快的要求。3、 与物流系统的可接近性可接近性是指机床与物流系统之间进行物料流动的方便程度。对于普通机床，是由人工进行物料流动的，要求机床的使用、操作、清理和维护方便和安全。对于自动化制造系统，是采用工件传送带、自动换刀系统和自动排屑系统等装置自动进行物料流动的，要求机床的结构便于物料的流动，可靠性好。4、刚度机床的刚度是指加工加工过程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相对于工件在影响机床加工精度方向变形的能力。刚度包括静态刚度、动态刚度、热态刚度。机床的刚度直接影响机床的加工精度和生产率，因此机床应有足够的刚度。机床是工作母机，其刚度要求比一般机械装备要高得多。5、精度要保证能加工出一定精度的工件，作为工作母机的机床必须具有更高的精度要求。机床精度主要指机床的几何精度和机床工作精度。机床的几何精度指空载条件下机床本身的精度，描述机床独立部件相对理想的线或面的形状特征、位置、旋转、位移的偏差程度。他们对于机床的工作精度及工具、重要零部件和附件的安装都是非常重要的。机床的工作精度指精加工条件下机床的加工精度。6、噪声噪声损坏人的听觉器官和生理功能，是一种环境污染。设计和制造过程中要设法降低噪声。7、生产率机床的生产率通常是指单位时间内机床所能加工的工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，则它的生产率越高。对用户而言，使用高效率的机床，可以降低工件的加工成本。8、自动化机床的自动化程度越高，则加工效率越高，加工精度的稳定性越好，还可以有效降低工人的劳动强度，便于一个工人看管多台机床，大大提高劳动生产率。9、成本成本概念贯穿在产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、使用维护、再利用和报废处理等的费用，是衡量产品竞争力的重要指标，应在尽可能保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。10、生产周期为了快速响应市场需求变化，生产周期是衡量产品市场竞争力的重要指标，应尽可能缩短机床的生产周期。这就要求应尽可能采用现代设计方法，缩短新产品的开发周期；尽可能采用现代制造和管理技术，缩短制造周期。11、可靠性应保证机床在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定的加工功能时，无故障运行的概率要高。12、造型与色彩机床的外观造型与色彩，要求简洁明快、美观大方、宜人性好。应根据机床功能、结构、工艺及操作控制等特点，按照人机工程学要求进行设计。13、机床设计方法随着科学技术的进步和社会需求的变化，机床的设计理论和技术也在不断的发展。计算机技术和分析技术的飞速进步，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。计算机辅助设计（CAD )和计算机辅助工程（CAE）已在机床设计的各个阶段得到了应用，改变了传统的经验设计方法，使机床设计由传统的人工设计向计算机辅助设计、由定性设计向定量设计、由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行性设计向最佳设计过渡。数控技术的发展与应用，使得机床的传动与结构发生了重大的变化。伺服驱动系统可以方便地实现机床的单轴运动及多轴联动，从而可以省去复杂笨重的机械传动系统，使其结构和布局产生了很大的变化2。2.2 机床设计步骤一般机床设计的内容及大致步骤如下：（1） 总体设计1、 机床主要技术指标设计机床主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。对于不同的设计任务，如工厂的规划产品，或根据机床系列型谱进行设计的产品、用户的订货等，尽管具体的设计要求不同，但主要的技术指标大致相同，包括：（1） 工艺范围 包括加工件的材料类型、形状、质量和尺寸范围等。（2） 运行模式 机床是单机运行模式，还是用于生产系统。（3） 生产率 包括加工件的类型、批量及所要求的生产率。（4） 性能指标 加工件所要求的精度或机床的精度、刚度、热变形、噪声等性能指标。（5） 主要参数 即确定机床的加工空间和主参数。（6） 驱动方式 机床的驱动方式有电动机驱动和液压驱动。电动机驱动方式中又有普通电动机驱动、步进电动机驱动与伺服电动机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。（7） 成本及生产周期 无论是订货还是工厂规划产品，都应确定成本及生产周期方面的指标。2、总体方案设计总体方案设计包括：（1） 运动功能设计 包括确定机床所需运动的个数、形式、功能及排列顺序，最后画出机床的运动原理图，并进行运动功能分配。（2） 基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。（3） 传动系统设计 包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。（4） 总体结构布局设计 包括总体布局结构形式及总体结构方案图设计。（5） 控制系统设计 包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。3、 总体方案综合评价与选择在总体方案设计阶段，对其各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案。4、 总体方案的设计修改或优化对所选择的方案进行进一步修改或优化，确定最终方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。（2） 详细设计详细设计包括：技术设计、施工设计。1、 技术设计设计机床的传动系统，确定各主要结构的原理方案，设计部件装配图，对主要零件进行分析计算和优化，设计液压原理图和相应的液压部件装配图，设计电气控制系统原理图和相应的电气安装接线图，设计和完善机床总装配图和总联系尺寸图。2、 施工设计设计机床的全部自制零件图，编制标准件、通用件和自制件明细表，编写设计说明书、使用说明书，制定机床的检验方法和标准等技术文档。（3） 机床整机综合评价对所设计的机床进行整机性能分析和综合评价。可对所设计的机床进行计算机建模，得到所谓的数字化样机，又称虚拟样机。采用虚拟样机技术对所设计的机床进行运动学仿真和性能仿真，在实际样机没有试造出来之前对其进行综合评价，可以大大减少新产品研制的风险，缩短研制的周期，提高研制的质量。上述步骤可反复进行，直至达到设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复进行，可以提高一次设计成功率。（4） 定型设计在上述步骤（三）完成后，可以进行实物样机的制造、实验及评价。根据实物样机的评价结果进行修改设计，最终完成产品的定型设计。2.3 机床总体布局按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有5种布局形式，主要包括：1、 后斜床身-斜滑板 2、 直立床身-直立滑板3、 平床身-平滑板4、 前斜床身-平滑板5、 平床身-斜滑板一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。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；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置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，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下的特点： (1) 更容易实现机电一体化；(2) 机床外形美观，占地面积小；(3) 更容易设置封闭式防护装置；(4) 容易进行排屑以及安装自动排屑器； (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) 宜人性好，便于操作； (7) 便于安装机械手，实现单机的自动化1。 基于以上的优点，在本课题中采用倾斜滑板平床身。第三章 主传动系统的设计3.1 主传动系统的设计要求和特点3.1.1 数控机床主传动系统的设计要求：1、主轴要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，以满足机床不同的运动要求；2、主电动机要具有足够的功率，全部的机构和元件要具有足够的刚度和强度，来满足机床动力方面的要求；3、主轴部件要有足够的精度，抗振性、热变形以及噪音都要小，传动效率必须要高，以满足机床工作性能方面的要求；4、调整维修方便，操作灵活可靠，密封润滑良好，用以满足机床的使用要求；5、结构要简单紧凑，工艺性能要好，成本要低，以满足经济方面的要求2。3.1.2 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：1、转速更高、功率更大；2、更大的变速范围，并实现了无级调速；3、主轴变速要快速并且可靠，要有比较高的刚度以及精度、传动平稳，噪声要低；4、主轴部件的耐磨性要高，要有比较好的热稳定性和抗振性2。3.2 总体设计3.2.1 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2。 由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。为简化主轴箱结构，分级变速级数应该少些，分级变速箱的公比可取大于电动机的恒功率变速范围，即。主轴的设计转速范围为40r/min4000r/min;根据以下计算：（以下计算公式均来自于资料2）估算主轴的计算转速：= （3.1）主轴要求的恒功率变速范围为：=4000/159=25.2 电动机恒功率变速范围为： 为了简化变速箱结构，取变速箱的变速级数Z=2,由 （3.2）可算出变速箱的公比=5.1，大于值许多，在主轴的功率特性图中将出现较大的“缺口”，在缺口处的功率仅为： 主传动系图如下图所示： 图3.1 主轴传动图 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4。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3。3.2.2 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4。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。表3.1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。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4。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，本设计中电机容量按以下步骤确定：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（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5)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250公斤/m2。 切削用量范围： 背吃刀量取，进给量取；根据主切削力的指数公式： （3.3） 可得： =3664.7（N） 故切削功率： （3.4） （2）确定电机输出动率 （3.5） 传动装置的总效率 其中，圆柱直齿轮传动效率，由资料6，附表1-1查得0.97；轴滚动轴承效率，由资料6，附表1-1查得=0.99； 轴（主轴）轴承效率，由资料6，附表1-1查得=0.99；由此，。 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，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小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V4。 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40r/min4000r/min。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， 。 （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功率额定转速最高转速重量振动冷却机座长为，电机轴径为35mm，轴伸为，中心高，其余安装尺寸及其外形由资料4得4。3.2.3 计算各轴计算转速、功率和转矩1、 各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料2）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： =159 r/min； （3.6） 然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速， 上式中、 、的意义如前所述。2、各轴输入功率 =11Kw = 上式中，、的意义如前所述。3、各轴输入转矩： (N/m) （3.7） 将以上计算结果整理后列于表3.3，供以后计算选择，供以后计算使用：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（） 700350 159输入功率（Kw） 11 10.5 10.0转矩（） 150.16 286.66 600.63传动比 ，3.2.4 转速图与传动图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围和恒转矩变速范围)和各轴传动比,作数控车床的主运动转速图和功率特性图,见图3.2。图3.2 转速图和功率特性图由转速图3.2可知，电动机经1:2定比传动降速后，如果经16：9传动比传动主轴，则当电动机转速从4500r/min降至1500r/min（恒功率区），主轴转速从4000r/min降至1333r/min。主轴转速再需下降时变速箱变速，经5:11传动比传动主轴，电动机又恢复从4500r/min降至1500r/min，主轴则从1333r/min降至341r/min。故主轴从4000r/min降至341r/min为恒功率调速。主轴从341r/min降至40r/min，电动机从1500r/min降至176r/min为电动机的恒转矩区。（额定转速向上至最高转速为恒功率；额定转速向下至最低转速为恒转矩；本方案电动机的额定转速为1500r/min。）初定数控车床的传动系统图,如图3.3。图3.3 传动系统图 3.3 轴系部件的结构设计3.3.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料7）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用套筒定位，另一端采用单螺钉固定的轴端挡圈定位。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）本次设计属于金属切削机床类，一般齿轮传动，故选用8级精度。 （2）材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质热处理),硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 （3）选小齿轮齿数，大齿轮齿数。 2、轴的选材和最小直径的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）， （3.8）式中，由表153，可取得120，故 取35mm。由于取值较计算值大一些，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。 3、按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算，即 （3.9） 1）确定公式内的各计算数值 （1）试选载荷系数 （2）计算小齿轮传递的转矩，由上文可知 （3）由表10-7选取齿宽系数（小齿轮做悬臂布置） （4）由表10-6查得材料的弹性影响系数 （5）由图10-21d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； （6）由式10-13计算应力循环次数（假定工作寿命15年（每年工作300天），两班制）（j=1）则： （3.10） （7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数； （8）传动比u=2； （9）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得 （3.11） 2）计算 （1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 = mm （2）计算圆周速度 （3.12） （3）计算齿宽 （3.13） （4）计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 （5）计算载荷系数根据，8级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，由表10-3查得1；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮悬臂支承时，1.305；由；，查图10-13得1.255；故载荷系数 （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 = （3.14） （7）计算模数 112.0/30mm=3.73mm 4、按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 （3.15）1）确定公式内的各计算数值 （1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限380MPa； （2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，0.87； （3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得 （3.16） （4）计算载荷系数K （3.17） （5）查取齿形系数由表10-5查得；。 （6）查取应力校正系数由表10-5查得；1.73。 （7）计算大小齿轮的并加以比较 （3.18）大齿轮的数值大。2）设计计算=对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，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2.73mm，并就近圆整为标准值m=2.75mm，按接触强度算得的分度圆直径112.0mm，算出小齿轮齿数 齿轮齿数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。5、几何尺寸计算1）计算分度圆直径 （3.19）2）计算中心距 （3.20）3）计算齿轮宽度 （3.21）取，。 6、平键尺寸的确定： ；L=50mm 3.3.2 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料8） 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3.4所示：图3.4 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。深沟球轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩和套筒定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用套筒固定，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，齿轮用套筒定位，两齿轮的另两端用套筒定位。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。 3、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）， （3.22）式中，由表153，可取得120，故 取40mm。由于取值较计算值大一些，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3.5。图3.5 中间轴零件图 4、齿轮的设计齿轮1（小齿轮）和2（大齿轮）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(1)本数控机床的运行速度较高，精度等级选择8级精度；(2)由表101，小齿轮材料选择为40Cr，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,硬度差为40HBS。(3)小齿轮齿数初选为20，2）按齿面接触强度进行设计按式（109）试算， （3.23）确定公式内的各计算值： (1)初选载荷系数Kt1.6； (2)计算小齿轮传递的转矩，由前文可知小齿轮传递的转矩为286.66N.m； (3)由表107及其说明，可选定齿宽系数0.6； (4)由表106，查得材料的弹性影响系数189.8； (5)由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度600MPa；大齿轮的接触疲劳强度550MPa；(6)两齿轮的设计寿命为72000h，由式1013，计算应力循环次数 （3.24）(7)由图10-19查得接触疲劳寿命系数； (8)传动比u=2.2； （9）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得 （3.25） 3）计算 （1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值=mm （2）计算圆周速度 （3.26） （3）计算齿宽 （4）计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 (5)计算载荷系数K由图108，查得动载系数；直齿轮，由表10-3查得1；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮非对称布置时，1.254；由；，查图10-13得1.19；故载荷系数 （3.27） （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 = （3.28） （7）计算模数 mm 3）按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为 （3.29） 以下确定式中各参数的值：（1）由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限520MPa；大齿轮的 弯曲疲劳强度极限420MPa； （2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数0.88，0.92； （3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得 （3.30） （4）计算载荷系数K （3.31） （5）查取齿形系数由表10-5查得2.8；2.36。 （6）查取应力校正系数由表10-5查得1.55；1.678。 （7）计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大。4）设计计算=对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，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，而由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，可取由弯曲强度所算得的模数，按接触强度算得的分度圆直径124.66mm，算出小齿轮齿数 ，大齿轮齿数。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。5、几何尺寸计算1）计算分度圆直径 2）计算中心距 （3.32）3）计算齿轮宽度 取，。6、验算 （3.33），合适。 第二对齿轮的模数可取和齿轮1相同，4。由于这两齿轮得中心距与齿轮 1和2的中心距相等，即，所以,。四个齿轮的尺寸参数如表3.4所示。 表3.4 齿轮尺寸参数 齿轮参数1234模数m（mm）4444齿数z32706537中心距a（mm）204分度圆直径d（mm）128280260148齿顶圆直径（mm）136288268156齿根圆直径（mm）118270250138压力角基圆直径（mm）120263248 139传动比11/59/16齿轮宽B（mm）827789947、电磁离合器的计算和选择 本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高。选择离合器时，对离合器的基本要求是：接合平稳、分离迅速而彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小、质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。电磁离合器可实现远距离操纵，动作迅速，没有不平衡的轴向力，因而在数控机床等机械中广泛的应用。根据资料8中的结构选择原则，选取牙嵌式电磁离合器8。形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料8） 1）规格计算 其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许其传递的许用转矩T，即 （3.34） 式中：理论转矩 算转矩 公称转矩 许用转矩 最大转矩 许用最大转矩 许用转速 在我国现行的离合器的标准中，一般可取T=，。 （1）计算转矩 由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩时应将理论转矩乘以不同系数K； 本机床承受长期平稳载荷且选用的是啮合式离合器，故： （或） （3.35） 式中，分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，N.m； 离合器理论转矩，N.m； K离合器工况系数，见下表3.5所示。表3.5 离合器工况系数机械类型K机械类型K金属切削机床1.3-1.5轻纺机械1.2-2曲柄式压力机械1.1-1.3农业机械2-3.5汽车,车辆1.2-3挖掘机械1.2-2.5拖拉机1.5-3钻探机械2-4船舶1.3-2.5活塞泵,通风机,压力机1.3起重运输机械在最大载荷下结合1.35-1.5活塞泵(单缸),大型通风机,压缩机,木材加工机械1.7在空载下结合1.25-1.5冶金矿山机械1.8-3.2 本文中为金属切削机床，取K=1.35，从而得到： 根据计算转矩，查表选取规格为DLY5-40A的牙嵌式离合器，相关尺寸可从表中查取。 2）牙嵌式离合器的设计计算 （1）离合器的外径计算（经验公式） （3.36） 牙的外径： 牙的内径： 牙的平均直径： 牙的宽度： 牙的高度： 牙的个数： 式中 主，从动半离合器的转速差， ，； （3.37） -牙齿接合圆周速度差，一般取； -离合器允许结合时间，一般机床，取本文中取，则可以得到 （2）牙间压紧力 （3.38） 近似可取 （3.39） 式中 牙形角，一般取 摩擦角，钢与钢接触，取 牙的平均直径 弹簧推力，一般取 本课题中取， 从而， 3）磁路结构设计 （1）磁轭铁心截面积 （3.40）式中，-磁感应强度，一般取 -牙间压紧力，N。取， = （2）线圈槽内径（内铁心外径） （3.41） 式中-离合器轴径。 （3）线圈槽外径（外铁心内径） （4）线圈槽宽度 （3.42） （5）励磁磁势 （3.43）式中，-气隙中中磁感应强度，一般取 -工作气隙，近似取牙的高度。 -气隙系数，一般取取，则 （6）线圈槽高度 （3.44）式中，线圈槽高宽比， 传热系数。线圈散热良好时，； 线圈散热不良时， ； 填充系数，按导线直径由图9-13查得； 温升，K，按技术要求确定； 电阻系数，可取；取，。查得，得 （7）导线直径 式中，线圈的平均 电源电压，一般取24V （8）线圈匝数 （3.45） （9）磁轭底部厚度 磁轭高度：，一般取 （10）衔铁厚度 9.14+2mm=11.14mm衔铁内径由轴径根据结构确定，外径4） 磁路验算 （1）气隙磁场强度 （3.46） （2）线圈总磁势 （3.47） 式中，-气隙，磁轭，衔铁等各部分的磁均强度与磁路长度 （3）电磁吸力 （3.48） 8、轴承的选择 由资料12附录六，可选得轴承的型号和其他参数，如表3.6所示： 表3.6 轴承尺寸参数 轴承参数型号内径外径轴承宽安装尺寸安装尺寸轴两端的支撑轴承630840681546627309C7309AC4585195278与齿轮配合的轴承601060105080165674 9、键和圆螺母的选择由资料12附录四，根据装离合器的轴的直径d=55mm可取键的，根据离合器的磁轭高度h=60mm可取键的长度L=50mm。故可选择键的尺寸如下表3.7： 表3.7 键的尺寸参数 参数 键公称尺寸长度轴深度孔深度与离合器配合的键506.04.3与齿轮配合的键505.53.8键的上表面和轮毂的键槽底面间要留有间隙。圆螺母选用 M451.5。3.3.3 主轴结构设计（轴）1、对主轴组件的性能要求：主轴组件是机床主要部件之一，它的性能对整机性能有很大的影响。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特提出如下要求： （1）旋转精度 主轴组件的旋转精度，是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变。实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状2。 （2）刚度 主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其它力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型及配置型式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关2。 （3）抗振性 主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运行而不发生振动的能力。主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。提高主轴抗振兴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器。另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率2。 （4）温升 主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：一是主轴组件和箱体因热彭涨而变形，主轴的回转中心线和机床其它组件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生“抱轴”。数控机床一般采用恒温主轴箱来解决恒温问题2。 （5）耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以能长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬或氮化处理。主轴轴承也需有良好的润滑，以提高耐磨性2。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度和高速，高速与低温升，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。2、轴承配置型式对于本课题中CK6140数控机床的主轴，主轴轴承的配置形式选择刚度型。前轴承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷，角接触双列推力球轴承承受轴向载荷，它们通过套筒背靠背配置，以减少主轴悬伸量。后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，以承受较大的传动力。如下图所示：图3.6 主轴支承型式3、主要参数的确定由文献9可知，主轴的主要尺寸参数是包括：主轴平均直径D（或主轴前轴颈直径）；主轴内孔直径；主轴悬伸量a和主轴支承跨距。这些参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，主要是由静刚度条件来确定这些参数，即选择D、d、a、l使主轴获得最大静刚度，同时兼顾其它要求，如高速性、抗振性等。1）主轴前轴颈直径的确定主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。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引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径，轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。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较小值9。按车床主电动机功率（切削功率）来确定，由资料15表8-20可取。 2）主轴内孔直径d的确定确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔颈要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应取较大值。对于数控机床，本课题中车床主轴尾端需要安装皮带轮，轴径较小，故取，即。 3）主轴悬伸量的确定主轴悬伸量是指主轴前端面到支承径向反力作用中点的距离，它对主轴部件的刚度和抗振性影响很大。因此在满足结构要求的前提下尽可能取小值。减小的常见措施有： （1) 尽量采用短锥法兰式主轴端部结构。 （2) 推力轴承配置在前支承时，应安装在径向轴承的内侧而不是外侧。 （3) 合理设计前支承的调整结构和密封装置形式。尽量采用主轴端部的法兰盘和轴肩等构成密封装置。 （4) 采用向心推力轴承来代替向心轴承。成对安装的圆锥滚子轴承，应采取滚锥小端相对的形式；成对安装的向心推力轴承应采取背对背或面朝外的同方向排列形式。本课题中主轴前端的一对向心推力轴承正是采用这种安装形式。 （5) 改变轴端工夹具的结构形式来减小a值。查表8-24可知主轴悬伸量与前轴径之比。 4）支承跨距的确定支承跨距是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。合理确定是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。当时，主轴部件具有最大刚度，即为主轴部件的最佳跨距。在具体设计时，往往由于结构上的限制而使，这就造成主轴部件的刚度损失。当时，刚度损失不大，应认为在合理范围之内，称为合理跨距9。4、主轴头的选用如前文所述，采用短锥法兰式主轴端部结构有利于减小主轴悬伸量。本课题选用C型法兰式主轴端部，代号为6，其基本尺寸由资料9表8-14可获得。5、轴承型号的选择考虑到主轴上部件的安装需要利用轴肩来进行轴向定位，初步确定好安装轴承部位轴径后，选择轴承型号及其尺寸如表3.8所示： 表3.8 主轴轴承尺寸参数 参数 轴承型号内径d外径D轴承宽B安装尺寸D1安装尺寸D2前轴承3621810015060114135后轴承31821147011040801013.3.4 编码器的选择与安装设计在数控车床上加工螺纹或丝杠时，进刀速度应与车床主轴转速之间保持一个恒定的比例关系，为此要在车床主轴上安装一个主轴位置信号的反馈元件，即主轴脉冲发生器。在选用简易数控装置时，应选用含有螺纹加工功能的系统软件和相应的主轴脉冲发器。光电编码器由于是数字信号，所以噪声容限大，容易实现高分辨率，检测精度高，且体积小、重量轻、易安装，在现代检测技术中得到了广泛地应用。本课题选用LF1024型光电脉冲编码器。光电编码器的安装通常采用两种方式：同轴安装和异轴安装。同轴安装结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装较同轴安装麻烦，需配一对同步平带轮及同步平带。在加工螺纹时，将其装上，不使用时将其断开，避免磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生器的使用寿命。本课题采用异轴安装方式，利用同步带传动带动轴转动，轴通过联轴器与光电脉冲编码器相联，带动光电脉冲编码器转动10。1、联轴器的选择本课题中联轴器选用柱销联轴器，由资料9可知，它应用于正反转多，启动频繁的高、低速传动，其结构简单，制造容易，维护方便，寿命长，能缓冲减振，符合要求。由于轴所传动的力矩不大，故联轴器的尺寸由LF1024型光电编码器的轴径（28mm）决定。由资料9,表5-2可选取型号为LX2的弹性柱销联轴器，其尺寸和性能参数分