数控铣床主传动

1、天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）第一章 数控机床产生及发展趋势1.1 课题的意义装备工业的技术水平和现代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，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 生活的最基本的生产资料， 而数控又是当今先进制造技术和装备最核心和技术。 当今世界各 国制造业广泛采用数控技术， 以提高制造业能力和水平， 提高对动态多变市场和适应能力和 竞争能

2、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。1.2 数控机床产生背景随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提 出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有：1. 自动机床。2. 组合机床。3. 专用自动生产线。这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度， 提高了劳动生产率， 促进了制造业的发 展。但它也存在固

3、有的缺点，如：1. 初始投资大。2. 准备周期长。3. 柔性差。因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新 换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加 工设备来满足上述需求， 这是机床数控技术产生和发展的内在动力。 另一方面， 电子技术和 计算机技术的飞速发展则为 NC机 床的发展提供了坚实的技术基础。 NC技术正是在这种背景 下诞生和发展起来的， 它极其有效地满足了上述要求， 为小批量、 精密复杂的零件生产提供 了自动化加工手段。任何事物都

4、有其特点与发展条件，人们掌握後才能加速其发展。数控机床的发展条件：天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现 代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如不齐备，则数控机 床难以顺利发展；数控机床是由主机、 各种元部件 （ 功能部件 ）和数控系统三大部分组成， 还需先进的自动 化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳 定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用 ;它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不成。如果人员素质

5、差、科技水 平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和 熟练技术工人，互相配合，共同完成。否则，数控机床难以顺利发展。1.3 数控机床的发展趋势1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、

6、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。2 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。3 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，

7、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。4 数字化控制技术进入了智能化的新阶段天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）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

8、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。

9、 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。5 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

10、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。6数控机床用于飞机零件的高速高效加工 新型高速加工技术和高速机床的出现，使切削速度得到更进一步的提高，同时应用最 新控制和优化技术， 机床精度提高， 动态性能优异， 使得飞机零件的加工质量和加工效率大 大提高。 高难度、 高质量飞机零件的加工需求一直是数控技术和新型数控机床发展的主要原 动力， 而新型数控加工技术及机床设备往往首先在飞机零件加工中得到实际应用， 飞

11、机零件 的加工制造与新型数控机床的发展相得益彰， 互相促进。 随着技术的发展和进步， 飞机零件 的加工制造越来越多地依赖新型高速高效数控机床。 新一代飞机， 尤其是军用飞机， 需要具 备更优异的飞行和作战性能，新技术不断应用，新材料、新结构不断涌现，复杂结构、复杂 型面、薄壁、整体结构、大尺寸零件等难加工零件被更多地设计应用；同时，新机研制周期 明显缩短， 型号数量增多， 每种型号的批量减少， 这就对承担大部分飞机零件数控加工任务 的现代航空用数控机床提出了更高的要求。如何在要求的生产周期内，提高加工生产效率， 提高零件加工质量， 成为衡量飞机零件数控加工机床水平高低的重要因素， 同时也成为各

12、飞 机工厂努力追求的目标之一。 其中， 提高加工生产效率， 缩短生产周期在目前显得尤为紧迫 和重要。飞机零件的主要特点是尺寸大（如长桁、大梁、壁板等） ，结构形状复杂（如具有天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）各种形式的槽腔结构、下陷、加强筋及凸缘，带有变斜角、空间复杂曲面等） ，难加工材料 多（如钛合金等） ，材料去除率高（部分零件可达 90%以上），尺寸及位置精度要求高，零件 表面质量要求高， 零件品种规格多但批量较小等。 如按常规加工方法进行加工， 尤其是大型 复杂整体结构件（如机身整体框等） 、薄壁件（要求变形小）等难加工零件，则工艺路线复 杂， 加工时间长， 很难满足周期要

13、求。 应运而生的高速加工技术和高速高效加工机床显著地 提高了飞机零件的加工精度和加工效率， 改善了零件表面质量， 本文重点论述提高飞机零件 加工效率的高速加工技术和新型高速高效加工机床。 高速加工技术， 飞机零件多由铝合金材 料制成， 为得到好的零件表面质量， 即使在常规机床上加工时， 切削速度也要比加工其他金 属材料零件时高得多。 新型高速加工技术和高速机床的出现， 使切削速度得到更进一步的提 高，同时应用最新控制和优化技术，机床精度提高，动态性能优异，飞机零件的加工质量和 加工效率大大提高。高速加工应该以刀具所能达到的切削速度进行定义，对应不同的加工材料有着不同的 指标值。为简单起见，在飞

14、机零件加工中，通常将主轴转速达到或高于 10000r/min 、进给 速度达到或高于 10m/min 的大型机床称为高速加工机床。 目前， 常见的高速机床主轴转速可 达 2000040000r/min （最高可达 100000r/min 以上），进给速度可达 20 40m/min（最高可 达 80m/min ）。高速切削时， 机床主轴高速旋转， 刀具的每齿进给量很小， 相当于刀具变得异常锋利， 切削所产生的工件材料挤压变形非常小， 切削力得到有效减小； 因刀具与工件摩擦、 工件材 料变形等产生的切削热也大大减少， 而且热量的大部分会被切屑带走， 刚加工完的切削区域 也不会有热聚积，用手摸时会感

15、觉到零件表面是凉的，因此，零件的加工变形小，表面质量 高；同时，机床的快速进给保证了单位时间内的金属切除率很高，所以，高速加工非常适合 具有薄壁、 整体等特征的飞机零件的高效加工； 另外， 随着加工精度和零件表面光洁度的提 高，由人工进行零件修整的后续工作量可有效减少甚至取消，减少了后续工序；而且，高速 加工使得在一台机床上完成飞机零件的粗加工、 半精加工和精加工整个全过程变成可能， 大 大简化了工艺路线，减少零件加工的辅助时间，缩短零件制造周期，因此，高速加工使得飞 机零件加工过程发生了根本性的变化， 是迄今为止所用到的提高飞机零件加工效率最有效的 手段，实现这一变化的关键就是新型高速高效加

16、工机床。第二章 数控机床的组成及优点2.1 数控机床的组成 数控机床是采用数控技术对工作台运动和切削加工过程进行控制的机床， 是典型的机电一体化产品，是数控技术的最典型应用。典型数控机床的组成如图所示。由图可知，数控机床主要由零件加工程序、 输入装置、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置、机床本体天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）等七部分组成，其中数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置又 合称为数控系统。实际上， 零件加工程序并非数控机床的物理组成部分，但从逻辑上讲， 数控 机床加工过程必须按数控加工程序的规定进行， 数控加工程序是数控机床加工的 一个重要

17、环节，因此常将数控加工程序作为数控机床的一个组成部分。1. 输入装置数控机床的零件加工程序是通过程序输入装置输入数控机床的。 输入装置与 输入方法有关。（1）控制介质输入，所谓控制介质就是零件加工程序存贮介质即程序载体。 通常程序载体有穿孔纸带、磁带、磁盘、光盘等，与之相应的输入装置为光电纸 带阅读机、录音机、磁盘驱动器、光驱等。早期的数控机床常用穿孔纸带存贮加 工程序，即在特制的纸带上穿孔， 孔的不同位置的组合构成不同的数字或数控代 码。通过光电纸带阅读机将纸带上的零件加工程序转换为相应的二进制代码输入 数控装置中的存贮器。 虽然现在很多数控机床上仍附带有纸带阅读机长磁带录机 音机，但由于微

18、型计算机的普遍使用期， 穿孔纸带和磁带控制介质的应用已越来 越少。（ 2） 手工输入，利用键盘输入控制机床运动和刀具运动的指令。具体说有 三种情况： 手动数据输入（ Manual Data Input,MDI ）, 通过数控系统操作面板上的相 应按键，把数控程序指令逐条输入存储器中。 这种方法一般只适用于一些较为简 短的程序。 在数控显示的程序编辑界面， 通过数控系统操作面板上的相应按键， 输入 程序指令，存于内存中。后面有关章节中的手工编程主要就是采用这种输入方法。 用这种方法还可以调出已存入的数控程序并对其进行编辑修改。 在具有对话功能的数控装置上，根据软件的逻辑格式和显示屏上的对话提 示

19、，选择不同的菜单， 输入有关的数字和信息后， 可自动生成控制程序存入内存。 这种方法虽然是手工输入，但却是自动编程。（3）通讯方式输入存储器，从自动编程机上、计算机上或网络上，将编制好的 数控加工程序通过通信接口直接输入数控装置的存储器。2. 数控装置，数控装置是数控机床的核心部件，由硬件和软件两大部分组 成。硬件包括通用 I/O 接口、CPU、存储器、可编程序控制器 （Programmable Logic Controller,PLC ）及数字通信接口等。 采用单微处理器的数控装置硬件结构如图 1.2 所示。软件包括管理软件和控制软件。管理软件用来管理零件程序的输入、天津大学成人高等教育本科

20、毕业设计 （ 论文 ）输出，显示零件程序、刀具位置、系统参数及报警，诊断数控装置是否正常并检 查故障原因。控制软件则完成译码、插补运算、刀具补偿、位置控制等。数控装 置的主要功能为读入数值并存储、对程序进行译码及数据处理、插补运算、 位置 控制和 I/O 处理，产生控制指令控制机床各部件协调运动， 按确定的顺序和设定 的条件完成零件加工程序。辅助控制装置是介于数控装置和机床的机械与液压部件之间的各种开关执 行电器的控制装置。主要实现各种辅助功能控制，如机床的起停、换刀、冷却液 开关等控制，目前多由数控装置内置的可编程序控制器来实现。3. 伺服驱动装置， 伺服驱动系统由驱动装置、执行机构及位置、

21、速度检测反 馈装置三个部分组成。 伺服电机是伺服系统的执行机构， 驱动装置则是伺服电机 的动力源。 来自数控装置的控制指令脉冲经伺服驱动装置进行功率放大， 驱动伺 服电机， 进而通过机械传动装置带动机床主轴、 工作台或刀架等机床运动部件运 动，其输入为电信号，输出为机床的位移、速度和力。4. 机床本体， 机床本体是实现切削加工的主体，对加工过程起支撑作用。数 控机床的精度、精度保持性、刚性、抗振性、低速运动平稳性、热稳定性等主要 性能均取决于机床本体。数控机床的机械部件包括：主运动部件、 进给运动执行 部件如工作台、拖板及其传动部件以及床身、立柱等支承部件，此外还有冷却、 润滑、转位和夹紧等辅

22、助装置。 对于加工中心类的数控机床， 还有存放刀具的刀 库、刀具交换装置等部件。 数控机床的机械部件的组成与普通机床相似， 但传动 结构要求更为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求更高，而且其传动和变速 系统要便于实现自动控制。2.2 数控机床的工作原理在数控机床上加工零件时， 首先根据零件图样的要求， 结合所采用的数控机 床的功能、性能和特点，确定合理的加工工艺，编程相应的数控加工程序，并采 用适当的方式将程序输入到数控装置。 在数控机床加工过程中， 数控装置对数控 加工程序进行编译、运算和处理， 输出坐标控制指令到伺服驱动系统， 顺序逻辑 控制指令到 PLC，通过伺服驱动系统和 PLC驱动

23、机床刀架或工作台按照数控加工 程序规定的轨迹和工艺参数运动，从而加工出符合图纸要求的零件。2.3 数控机床的优点数控机床比普通机床的优势在于： 1.加工效率，节省加工时间。 2. 工作强度， 工人编完程序后，加工首件合格后就可以去喝茶了。 3.减少废品数， 只要首件合 格后，在加工的零件一般都会合格。 4. 安全性高，工人距离加工设备距离越远，天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）出现事故的概率就越低。 等等。错误！未指定书签。 最大的好处就是计算机控制 只需要做一些前期 准备, 把程序员编制好的程序运行 ,就可自动加工成所需要 的零件. 而普通机床需要大量人工来做 .数控机床的优点1

24、. 能完成复杂型面的零件加工 .2. 可以提高零件的加工精度 , 稳定产品的质量 ,由于数控机床是按照预定的程序自动加工的 , 加工过程不需要人工干预 , 而且加工精度还可以利用软 件来进行校正和修补 , 因此可以获得比机床本身精度还要高的加工精度 和重复 精度 .3. 可以提高生产率 . 一般一台数控机床比普通机床可提高效率 2-3 倍.4. 可以一机多用 , 有的数控机床一次装夹可完成多部位的加工 ,可以替代 5-7台普通机床 , 并节省了厂房面积 .5. 几乎不需要专用的工装卡具， 减少了在制品 ,从而加速了流动资金的周转提高了经济效益 .6. 大大减轻了工人的劳动强度 . 综上所述 ,

25、 数控机床主要适合 :1. 单件. 中小批量生产 ;2. 形状比较复杂 . 精度要求较高的零件加工3. 产品更新频繁 , 生产周期要求短的加工 .4. 新产品的试制 . 回转链式刀库等 . 现在国内的生产厂家使用的刀库以台湾生产的为主 . 刀库的刀具数量不等 , 一般有 12，16，20，24，30， 40，60，100，120 等刀具数量的刀库 .5. 辅助装置 :加工中心的辅助装置有自动排屑器 .恒温油箱,液压装置 .润 滑系统.刀具测量系统 ,冷却装置 .冷却装置.防护系统等组成 .加工中 心的辅助装置是根据每个生产厂家的不同而又不同的配置情况 , 一般 情况下润滑系统 , 冷却装置和防

26、护系统是标准附件 . 其他的为选择附件第三章 数控铣床主传动系统设计天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）3.1 概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统， 它应具由一定的转速 （速度） 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，不同的尺寸， 不同的要求的工作，并能方便地实现运动的开停，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， 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，用于扩大电动机无级调速的范

27、围。3.1.1 主传动设计要求一、数控机床主传动的特点数控机床与普通机床比较具有以下特点 1，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。2，主轴转速变换可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进 行。3，为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸，主轴 定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。二、对主轴传动系统的要求 数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还有如下要求。1. 具有更大的调速范围并实现无级变速2. 具有较高的精度与刚度3. 良好的抗振性，热稳定性3.1.2 数控机床主轴的变速方式机床主传动系统一般分为有分级 （有级）

28、变速传动和无级变速传动两种形式。 分级（有级）变速传动主要用于普通铣床或普通铣床数控化改造。 无级变速传动 主要用于数控车床，故本次数控铣床床主传动系统的传动方式为无级变速传动。数控铣床的主传动采用交、直流主轴调速电机带动主轴实现旋转运动，电动 机调速范围大，并可实现无级变速。故本次数控铣床主传动设计有以下A、B、C三个方案，如图 3-1 所示。天津大学成人高等教育本科毕业设计 ( 论文 )图 3-1 数控铣床主传动设计比较图从图中可以看出： A 方案中主轴电动机与主轴通过联轴器直接联接，由电动 机直接驱动主轴运动。这种方案可简化主轴箱结构，有效提高主轴的刚度， 但主 轴的功率及无级变速直接决

29、定于主轴电机的性能，故其调速范围有一定的局限。 B 方案主轴电机经带传动定比传动给主轴，采用定比传动扩大了直接驱动的应用 范围，在一定程度上满足了主轴功率与转矩的要求。 但其变速范围仍然与电动机 的无级变速范围相同。 C 方案采用主轴电机带动齿轮对变速齿轮来驱动主轴。在 此方案中， 通过电机的无级变速， 配合变速齿轮的变速可确保主轴所需要的功率 及转矩要求。目前，电机本身的调速范围已达 1： 1001：1000，所以变速齿轮 的对数不会很多，其结构也就不会很复杂。通过对以上 A、B、C三个方案的分析，结合本次设计的实际情况，本次设计的变 速范围是 40 4000r/min ，调速范围比较大。如

30、选 A、B 两种方案的话，由上面 的分析可知， 势必会造成主轴箱相对简单， 而主轴电机的功率将会选的很大才能 满足各种不同加工的需要。 这样不仅使电机的功率得不到充分利用， 同时从结构 上来看很不协调。故本次主传动系统的设计方案选方案 C3.2 主传动系统设计3.2.1 主传动系统的参数主传动系统的主要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。(1) 主传动功率 P由设计任务书可知： 主切削功率为 p =4.5KW。查文献 1 P 24页可得主 传动功率 P 的计算公式为p c 4.5kwP = 0.8 =5.625 kw kw 5.63 k

31、w天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）式中 P主传动的功率PC切削功率主传动链的总效率，这里取 0.8（2）计算变速范围 Rn由设计任务书可知主轴的最低转速为 nm i n=40 r/min, 最高转速为 nmax =4000r/min 。查文献 1 P27 页可得变速范围的计算公式为Rn=nmax nmin400040 =100r/min )3.2.2 调速电动机的功率和转矩特性铣床主轴转速不仅决定于切削速度而 且还决定于工件的直径，较低转速多用于 加工大直径工件，这时要求的输出扭矩增 大了。因此车床主运动链的变速机构，输 出扭矩与转速成反比， 基本上是恒功率的。 车床主轴最低的几

32、级转速常用于光整车 削，车削大直径螺纹、绞大孔、精镗等， 并不需要传递全部功率。机床所传递的功 率或扭矩与转速之间的关系，称为机床主 轴的功率或扭矩特性。如图 3-2 所示。主 轴从最高转速 nmax到某一转速 nj 之间，主 轴应能传递运动源的全部功率。 在这个区域内主轴的最大输出扭矩应随转速的降 低而加大。从 nj 以下直到最低转速 nmin ，这个区域内的各级转速并不需要传递全部功率。主轴的输出扭矩不再随转速的降低而增大，而是保持nj 时的扭矩不变。所能传递的功率， 则随转速的降低而降低。 主轴能传递全功率的最低转速称 为主轴的计算转速。 机床主轴在整个变速范围内，以计算转速为界，分为两

33、个区 域：计算转速 nj及以上直到 nmax为恒功率区域 I ；计算转速 nj以下直到 nmin为 恒扭矩区域 II 。通过上面的分析，铣床主轴，从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转10天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）速至最低转速为恒扭矩区。 恒功率变速范围比恒扭矩范围大 2-4 倍。直流并磁电 机从额定转速 nd 向上至最高转速 nmax ，是采用调节磁场电流（简称调磁）的办 法来调速的，属恒功率调速；从额定转速 nd向下至最低转速 nmin ，是利用调节 电枢电压（简称调压）的办法来调速的，属恒转矩调速。3.2.3 驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 在设计数控机床主传动

34、时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问 题。在设计分级变速箱时， 考虑机床机构复杂程度、运转平稳性要求等因素，变 速箱公比的选取有下列三种情况。1、取变速箱的公比 F 等于电动机的恒功率调速范围 Rdp，即 F =Rdp 。功率特性图是连续的，无缺口和无重合。2、取变速箱的公比 F 小于电动机的恒功率调速范围 Rdp，即 F Rdp 。这时变速机构简化了， 但存在恒功率变速段不连续， 中 间有恒转矩过渡， 这样电机的利用率得不到充分的利用。故本设计取第一种情况 F =Rdp 计算。1）中型铣床主轴的计算转速为0.3 0.3nj nmin Rn40X1000.3 159.24 r/min式

35、中nj 主轴的计算转速nmin主轴的最小转速Rn主轴的变速范围2）确定主轴要求的恒功率调速范围 Rnp11天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）Rnp=nmaxnj=25.1193 25.12159.24式中 Rnp 主轴要求的恒功率调速范围nmax主轴的最大转速nj主轴的计算转速3）确定电动机的恒功率调速范围 Rdp 本设计初定采用交流调频主轴电动机，额定转速为 1500r/min ，最高 转速 4500r/min 计算。Rdp=ndmaxnd45001500=3式中 Rdp电动机的恒功率调速范围ndmax电动机的最大转速nd 电动机的额定转速由于主轴要求的恒功率变速范围 Rnp 远

36、大于电动机的恒功率变速范围Rdp ，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速 范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率要求。4）确定主轴变速箱的变速级数 Z如取变速箱的公比 F Rdp 3则由于无级变速时RnpfZ 1Rdp fZ故变速箱的变速级数lg Rnp lg 25.12 Zlg f lg32.93Z 2.93 为变速箱的变速级数， 应取整数， 故选变速箱的变速级数为 Z=3。这时 由上面知，主运动的功率为 5.63 kw ，电机的功率应取 7.5 kw ，才能满足要求。 所以可选北京数控设备厂的 BESK-8型交流主轴电动机， 额定转速为 1500r/min

37、， 最高转速 4500r/min ，连续额定输出为 7.5 kw 。3.3 主传动系统传动副设计12天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）、转速图的确定本次主传动设计的总体方案如下图 3-3 所示图 3-3 数控铣床主传动设计的总体方案传动副的极限传动比和传动组的极限变速范围。 从图 3-3 可以看出， 从电机 轴到 I 轴为齿轮副降速传动，取传动比 i 0.45 ，则当电机在最高速时， I 轴的 转速为n I高 4500 0.45 2025 r / min（3-1）式中 nI高 电机运行高速时， I 轴的转速。 电机在额定转速时， I 轴的转速为3-2)n I 额 1500 0.45

38、 675 r / min式中 nI额 电机运行额定转速时， I 轴的转速。当电机在高速 4500 r/min 运转时，主轴应获得最大转速 4000r/min, 由（3-1 ） 式可知，在电机高速运转时， I 轴经齿轮降速后速度为 2025r/min ，要使主轴达 到 4000r/min ，I 轴到主轴 II 之间必为升速传动， 如图 3-3 左边的一对齿轮啮合； 因机床高速运转时易产生振动和噪声，为防止振动和噪声，取 I 轴到主轴 II 的 传动比 ia1 2。则此时主轴 II 的转速为nII高 ia1nI高 2025 2 4050r / min（3-3）13天津大学成人高等教育本科毕业设计

39、（ 论文 ）式中 nI高 电机运行高速时， I 轴的转速nII高 电机运行高速时， II 轴的转速i a1 电机运行高速时， I 轴-II 轴的传动比当电机在额定转速 1500 r/min 运转时，经电机 -I 轴- 主轴，主轴的转速为nII额 ia1nI额 675 2 1350r / min（3-4）式中 nI额 电机运行高速时， I 轴的转速nII 额 电机运行高速时， II 轴的转速i a1 电机运行高速时， I 轴-II 轴的传动比当 电 机 在 额 定 转 速 1500 r/min 运 转 时 ， 主 轴 应 获 得 计 算 转 速 n j =159.24r/min, 由（ 3-2

40、）式可知，在电机高速运转时， I 轴经第一对齿轮降 速后速度为 675r/min ，要使主轴达到 n j =159.24r/min,I 轴到主轴 II 之间必为 降速传动，如图 3-3 右边的一对齿轮啮合； 因机床高速运转时易产生振动和噪声， 为了防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，取 I 轴到主轴 II 的传动比 ia3 0.22 。则此时主轴 II 的转速为nII ia3nI额 675 0.22 145r / min（3-5）式中 nI额 电机运行额定转速时， I 轴的转速nII 电机运行额定转速时， II 轴的转速ia3 电机运行额定转速时， I 轴-II 轴的传动比同用 ia3 0

41、.22这对齿轮啮合，当电机的转速为高速 4500 r/min 运转时，主 轴 II 的转速为nIIia3 ia3nI高 2025 0.22 445r / min（3-6）14天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）式中 nI高 电机运行高速时， I 轴的转速n IIi a 3 电机运行高速时， II 轴经 ia3 的转速ia3 电机运行高速时， I 轴-II 轴的传动比现在已经确定了电机到 I 轴的传动比 i 0.45，I 轴到主轴 II 轴的两组传动 比为 ia1 2、 ia3 0.22。经电机高速 -I 轴- 主轴 II 轴（ ia1 2 ），主轴可获得 4000 r/min ；经电

42、机额定速 -I 轴- 主轴 II 轴（ ia3 0.22 ），主轴可获得 145r/min 的转速。满足了主轴所需要的计算转速和最高转速。 I 轴-主轴 II 的传动副为 Z=3， 现从已知的经电机高速 -I 轴-主轴II 轴（ ia1 2、 ia3 0.22）得到的恒功率范 围 4000r/min-445r/min 转速中，选一个主轴中间转速 1350r/min 来确定 I 轴 - 主轴 II 的另外一对齿轮副。当电机高速 4500r/min 运转时，I 轴转速 nII高 =2025r/min ，主轴转速为 nIIia2=1345 r/min ，则此时 I 轴-主轴 II 的传动比为nIIi

43、a2nII 高ia2a2 =nII a2nII 高134520250.66式中 nII高 电机运行高速时，II 轴的转速nIIi 2 电机运行高速时，II 轴经 ia2 的转速ia2 电机运行高速时，I 轴 -II 轴的传动比根据以上的分析及计算，取公比 =1.41 ，现将各轴间传动副的传动比按如 方式写出：电机轴与I 轴之间11i 0.45 22 1.41 2I 轴与 II 轴之间传动组15天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）a12 1.41211a20.661.411.413.21.411.2a30.22115 1.41图 3-4 为图 3-3 传动系统的转速图。图中用距离相等的

44、一组竖线代表各轴， 轴号写在上面。从左至右依次标注电动机轴、 I 轴、II 轴，与传动系统图（ 3-3 ） 上各轴对应。 各轴之间传动比的大小用转速连线的倾斜方向和倾斜程度表示。 电 机轴与轴 I 之间是降速传动，连线向下倾斜 2格，轴 I 与轴 II 之间有 3 对传动 副，连线分别为升 2格、降1.2 格和降4.7 格。连线中的平行线代表同一传动比。电机轴 轴轴图3-4 转速图二、各轴计算转速的确定主轴 II 轴的计算转速由前面的计算已经确定为 159.24 r/min ，轴 I 的计算 转速可从主轴 1599.24r/min 按ia3 0.22 的传动副找上去，应为 724r/min 。

45、各轴的计算转速如下：表 3 1 轴的计算转速表轴序号I轴II 轴计算转速 nj （r/min ）724159.243.4 齿轮传动设计计算16天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）一、确定齿轮的齿数如上图 3-3 ，计算 Z1和 Z2这对齿轮。1、电机轴上最小齿轮的设计计算（1）选择材料、精度及参数a、选择小齿轮的材料为 40Cr 表面淬火平均表面硬度为 HRC50，选择大齿轮的材料为 45 钢表面淬火平均表面硬度为 HRC45。b、初选小齿轮的齿数 z1 35 ，则大齿轮齿数 z2 35 2.2 77c、齿数比uz277 2.235z1d、小齿轮转矩 T9550pTn式中 T小齿轮转

46、矩单位 N mmP电机传递的功率单位 kwn 小齿轮的转速单位 r/mm9550pTn69.55 106 7.572498930N mme、选择齿宽系数 d 和传动精度等级 参照文献 2 P142 页表 18-12，取齿宽系数 d 0.4 ，初估小齿轮直径 d1估 70mm ，则齿宽 b估b估d d1 估 0.4 70 28mm齿轮圆周速度d1n170 724v估5.49r /mm估 60 1000 60 1000参照文献2 P124页表 18-3，选择精度等级为 8级17天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）2）确定许用弯曲应力Fa、总工作时间 th 设机床工作预期寿命为 10年（每

47、年按 250 天计算单 班工作），则总工作时间为t h 10 250 8 20000hb、寿命系数 Y N 由文献4 P141页式N 60 nth式中 N应力循环次数齿轮每转一周同一齿面的啮合次数n 齿轮转速，单位 r/mmth 总工作时间，单位 hNF1 60 nth 60 1 724 20000 1.8 109N F1 1.8 1098NF2 F1 8.2 108 F2 u 2.2由文献 2P146页图 18-25 ，取弯曲寿命系数 YN1 0.94,YN2 0.96c、弯曲疲劳极限 F lim 由文献 2 P132 页图 18-8 a 取极限应力F lim1 =350 MPaF lim

48、2 =350Mpad、尺寸系数 Yx 估计模数 m 5mm, 由文献2 P146 页图 18-26 取尺系 数 Yx 1e、安全因数 SF 由文献2 P146页表 18-11，取安全系数 SF 1.6f 、计算许用弯曲应力 F 由文献 2 P145 页式 18-21 得18天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）F1 2 F lim1YN1YX2 350 0.94 1 411.3MPaSF1.6F22 Flim2 YN 2YXSF2 350 0.96 1 420MPa1.63）确定许用接触应力a、寿命系数 ZN由文献2 P142页图 18-21 得ZN1 0.92, ZN 2 0.95b

49、、接触疲劳极限Hlim 由文献2 P131页图 18-4 a 得H1limH 2lim 1140MPac、安全因数 SH 由文献2 P142页表 18-11 得SH 1.25d、许用接触应力 H 由文献2 P141页式 18-16 及ZN1 ZN2 得H lim ZN1 1140 0.92 SN1.25839MPa4）确定重合度系数 Z 、Y 由文献2 P140页式 18-14 计算重合度1.88 3.2( 1 1 ) 1.88 3.2 ( 1 1 ) 1.75Z1 Z235 77由文献2 P140页式18-13 及P144页式18-20可得Z 434 1.75 0.873Y 0.25 0.7

50、50.25 0.751.750.685）确定载荷系数19天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）a、使用系数 KA 由文献2 P136页表18-7 取KA 1.25c、齿向载荷分布系数 Kb、动载荷系数 Kv 由文献2 P137页图 18-14取Kv 1.1 由文献2 P137页图 18-16 取K 1.15根据条件查文献 2KAFtK AT1bbd11.25 47500 30 10028 70P138页表18-8 取KHa1Z20.8172 1.3KF11.5Y 0.68由文献 2P133页式 18-8、18-9KHKAKV K KHa 1.25 1.1 1.15 1.3 2KFKAK

51、VK KF 1.25 1.1 1.15 2 36）齿根抗弯疲劳强度计算a、齿形系数 YFa1、YFa2 由文献2 P144页图 18-23 取YFa1 2.36YFa2 2.25b、应力修正系数 Ysa1、 Ysa2由文献 2 P145页图 18-23 取Ysa1 1.65Ysa2 1.76c、由齿根抗弯疲劳强度条件求模数 m ，由于YFa1YSa1 2.36 1.65F1 411.30.009468 YFa2FY2Sa22.25 1.76 0.00942942020天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）由文献2 P144页式 18-19 ，为满足齿根抗弯曲疲劳强度条件，则需 使模数2

52、K FT12 3 47500m 3 2 F 1 YFa1YSa1Y 3 2 2.36 1.65 0.68 1.55 d z12 F1 0.4 352 411.3取标准模数 m 2 7）确定齿轮的主要参数a、计算中心距a m(z1 z2)22 (35 77)2112由文献2 P123页表 18-1 取中心距 a=125b、齿轮分度圆直径d1 mz1 35 2 70mmd2 mz2 77 2 154mmc、齿轮宽度小齿轮齿宽b1 dd1 0.4 70 28大齿轮齿宽b2 288）齿面接触疲劳强度验算a、弹性系数 zE 由文献 2 P140 页表 18-9 ，取 zE 190 MPab、节点区域系数

53、 zH 由文献2 P141页图 18-20，取 zH 2.5c、校核齿面接触疲劳强度 由文献2 P140页式18-11 得，ZEZHZ2KHT1 u 1b1d12 u2.5 190 0.872 1.3 47500 2.2 128 7022.2473MPa H 839MPa9）齿面静强度验算a、确定许用接触应力 H max 由文献 2 P140页表 18-11，取静强度21天津大学成人高等教育本科毕业设计 （ 论文 ）ZN1SH安全因数 SH 1.4 ；由文献2 P142页表 18-21，取寿命系数ZN1 ZN2 1.6 ；根据文献2 P147页式 18-22得许用接触应力H max H ZZN

54、N11SSHH839 10.9671.12.54 1235.6MPab、校核齿面静强度 假设过载条件为 T1max 2T1 ，由文献 2 P147页式 18-22 得齿面最大接触应力T1max1T1KAKV2T11T11.25 1.18391012MP H maxH max H由以上计算可知，齿面静强度足够二. 电机轴之间传动组主要参数如下表所示 表 3 2 传动组主要参数表传动组名 称小齿轮 齿数 Z1大齿轮 齿数 Z2模数 m小齿轮 节径 d1大齿轮 节径 d2小齿轮 齿宽 b1大齿轮 齿宽 b2ia1 2.235772701542824三确定主轴上三联滑移齿轮各齿轮齿数及其他参数根据上面对齿轮的计算， 我们由相同的方法， 确定确定主轴上三联滑移齿轮 各齿轮齿数： I 轴到 II 轴之间传动组主要参数如下表所示表 3 3 I 轴到 II 轴之间传动组主要参数表传动组名 称小齿轮 齿数大齿轮齿数模数 m小齿轮 节径 d1大齿轮 节径 d2小齿轮 齿宽 b1大齿轮 齿宽 b2ia1 1.95428231262463830ia2 1.5497531472253025ia3 4.622102366306605