半闭环数控车床主轴系统的机械结构设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)半闭环数控车床主轴系统的机械结构设计THE MECHANICAL STRUCTURE DESIGN  AND SIMULATION OF NC LATHE SPINDLE SYSTEM OF SEMI CLOSED IOOP2015年5月日39XXX毕业设计(论文)XXX学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的

2、法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日XXX学位论文版权协议书本人完全了解XXX关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归XXX所拥有。XXX有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。XXX可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要本次设计主要是针对半闭环数控车床主轴系统机械结构部分的设计。目前，机械制造行

3、业已经涉及到了机床技术，加工工艺技术，计算机技术以及数控技术等多领域的技术，和传统的机械加工模式相比，由于当前机械零件制造呈现出复杂工艺过程、小批量的特点，对机床的加工准确度，加工效率，自动化水平提出了更加苛刻的要求。最近几年，数控加工已经成为了机械加工领域中发展最为迅速的加工方式，它具有减少装夹次数、提高加工准确度以及效加工率的优点。主轴作为机床的重要组成部分，对机床性能起着决定性的影响，本论文主要对半闭环数控车床主轴系统机械结构进行设计，主要包括以下几个方面：（1）半闭环数控车床主轴系统的总体结构设计方案；（2）主轴具体尺寸参数确定和校核；（3）电机的选型与校核；（4）轴承的选型与校核；（

4、5）根据主轴的切削力、承载重量等相关参数，进行主轴的刚度、强度校核。关键词： 数控车床；主轴系统；机械结构；结构设计AbstractThis design is mainly for the design of semi closed loop mechanical structure part of the spindle system of CNC lathe. At present, the machinery manufacturing industry has been involved in the m

5、achine tool technology, processing technology,  many field of computer technology and numerical control technology and mechanical processing technology, compared with the traditional mode,  due to the current mechanical parts manufacturing shows the characteristics

6、 of complex process, small batch, the machining precision, machining efficiency, put forward more demanding the requirement of automation. In recent years, has become a way of NC processing most rapidly in the field of development,

7、0; it has to reduce the number of clamping, improve the machining precision and efficiency. As an important part of the machine tool spindle, has a decisive influence on the performance of machine tool design, this paper mainly on the 

8、closed-loop system of CNC lathe spindle mechanical structure, mainly including the following aspects: First，the overall structure of the spindle system of semi closed loop NC lathe design; Second， determining the specific parameters and check; Third，selec

9、tion and check the motor; Fourth，selection and check of bearing; Fifth， according to the weight of the parameters such as cutting force, spindle, spindle dynamic balance calculation,  stiffness,  strength check.Keywords CNC lathe spindle system mechanical

10、 structure structure design 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 数控车床的相关背景11.2.1 数控车床的简介11.2.3 数控车床的发展趋势21.3 数控机床机械结构的主要特点21.4.数控机床对机械结构的基本要求21.5 本设计的研究内容31.6 本设计的研究意义32 数控车床主轴机械结构方案的确定42.1 数控车床的主要技术参数42.2 数控车床的整体结构42.3 主轴部件的技术要求42.4 主轴部件的传动方案52.4.1 主轴的传动方式52.4.2 主轴传动方式比较分析及方案确定72.4.3 主轴传动件的布置82.5 主轴部件的支

11、承方式102.5.1 速度型的主轴部件支承102.5.2 刚度型的主轴部件支承112.5.3 速度刚度型的主轴部件支承112.5.4 主轴部件支承方案的分析比较与确定122.6主轴组件的润滑及密封122.6.1主轴轴承的润滑122.6.2主轴轴承的密封122.7主轴的材料选择与热处理132.7.1主轴的材料132.7.2主轴的热处理133 电机的选择143.1伺服电机的选择143.2电机型号的确定164 同步带和带轮的选型和计算174.1 同步带的选型和计算174.1.1 同步带的简介174.1.2 同步带的设计功率184.1.3 同步带型号的确定194.2同步带轮的选型和计算194.2.1

12、同步带轮直径确定194.2.2 同步带轮中心距的确定204.2.3 同步带带宽距确定215 主轴结构参数的确定235.1 主轴端部结构的确定235.2 主轴直径的确定235.3 主轴内孔直径的确定245.4 主轴悬伸量的确定255.5 主轴跨距的确定256 主轴结构参数的确定276.1主轴部件的受力分析276.2主轴的校核287 轴承选择与校核307.1 滚动轴承简介307.2 滚动轴承的选择307.3 滚动轴承的校核33结论36致谢37参考文献38 1 绪论1.1 引言对机械零件进行加工，少的话则需要一两道工序就可以完成了，多的话则需要上百道工序才能够完成，通常需要经过数台设备进行加工制造才

13、能够完成零件的加工，再考虑到工件的装夹以及换刀，这些操作过程必将消耗大量的时间，很大程度上会影响加工精度和加工效率。如今，机械制造业受到了各国的高度重视，为快速发展工业和国民经济，对高质量、高精度、高效率、自动化先进机床的需求更为紧迫，因此，很多国家不惜大量的人力和物力积极参与其中，希望在机械制造业取得突出的成就。数控加工方法是一种先进的机械制造技术，目前数控加工已经成为了国际上机械加工制造领域主流的加工方法。因而，人们把数控车床作为一种典型的机械加工实现形式广泛地应用。1.2 数控车床的相关背景1.2.1 数控车床的简介我们通常把数控车床也可以称为计算机数控车床，目前，数控车床是覆盖面最广的

14、一种数控机床，约占数控机床26%。数控机床包括机械、电气、液压、电子与信息技术。它具有高效率、高精度、高弹性、高自动化等优点。衡量一个国家的经济水平的一个重要标准是数控技术水平的高低以及在金属切削机床产量和总量中的比例。数控车床占有非常重要的地位，近几十年来被世界各国广泛关注，得到了快速的发展。数控车床实物图如图1-1所示。图1-1 数控车床实物图数控车床具有高精度、高效率等优点。它的加工工艺性能应用十分的广泛，不但可以加工斜线圆柱和直线圆柱，而且可以加工圆弧和各种螺旋等。目前，数控车床主要用于复杂零件的批量生产中。1.2.3 数控车床的发展趋势随着先进加工技术的不断涌现和发展，传统的制造工艺

15、与设备难以满足当前的市场需求，尤其在航空领域，其零件产品具有小批量，形状结构日益复杂，精度要求比较高，材料的加工性能好等特点，然而在传统的制造工艺与设备上，普遍存在加工效率低，准确度差，材料切除量大等弊端。数控车床的先进制造技术包括精密测量技术，数控技术，计算机辅助设计/计算机辅助制造技术。数控技术的独特优势，可以提高产品质量和加工效率。数控车床以其自身的加工性能特点，能够很好的解决因为工件多次装夹精度较差，换刀辅助时间过长的问题，而且作为柔性加工设备，便于企业产品的转型，为今后机械制造的发展指明了方向。1.3 数控机床机械结构的主要特点数控机床作为一种高速度，高精度和自动化程度高的加工设备，

16、其强大的控制功能，对机床性能有了很大的提高。机械结构越来越简单，新的结构、功能部件的不断涌现，相比与传统的机械结构和传统的机床，有明显改善，主要体现在以下两个方面： 1、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品数控机床可以进行高速度、高效率、高准确度加工，在化简机械构造的同时，对机械传动装置也提出了更加严格的标准，高效、无间隙传动装置和元件广泛的应用于数控车床。近些年，随着新材料和新科技的不断应用，数控车床已经朝着高速加工方向发展。快进速度达到了每分钟十几米，甚至上百米，主轴转速达到了以上，甚至几十万转。2、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件数控车床是最显著的特点是目前的发展方向是“技术

17、组合”和“功能整合”。自动换刀装置已经成为数控车床的基本装置。1.4.数控机床对机械结构的基本要求随着数字控制技术的发展，为了适应现代制造业高的生产、加工效率和加工精度，现代数控机床的机械结构有以下基本要求：（1）具有高刚度和良好的静态和动态；（2）抗振动和良好的热稳定性；（3）具有高的运动精度和良好的低速稳定性；（4）有良好的操作性能以及安全防护作用。1.5 本设计的研究内容数控车床的发展趋势呈现出高刚度、高精度、高切削速度的优点，然而机床的结构日益复杂，自动化程度不断提高。主轴是机床的大脑，某种程度上决定了数控车床的工作性能，若要加工高精度的工件，则对主轴的装配精度，制造精度提出了更严厉的

18、要求。数控车床能够进行多个工序同时操作，一般相对精加工而言，粗加工切削量比较大，为了降低机床加工过程中的变形而导致的工件制造误差，对主轴的刚度设计是十分关键的环节。本设计主要针对半闭环数控车床主轴系统机械结构进行设计，其主要设计内容包括：1、确定最佳数控车床主轴的总体结构设计方案2、数控车床主轴的电机和轴承的选型3、数控车床主轴的具体尺寸参数设计4、根据所确定的主轴的具体参数对相关零部件以及主要承重件进行计算校核1.6本设计的研究意义本设计着重针对半闭环数控车床主轴系统机械结构进行设计，涉及到了数控车床的主轴结构的设计与优化，具体的设计包括了主轴的传动方案、主轴传动件的布置、主轴部件的支承方式

19、、主轴组件的润滑及密封、主轴的材料选择与热处理、电机的选择、同步带和带轮的选型和计算、主轴结构参数的确定以及轴承选择与校核。本次毕业设计是对我大学四年的专业课的学习，包括机械设计，机械原理，理论力学，材料力学等相关专业知识进行了较为综合地运用，通过本次毕业设计不仅增长了我查阅资料的本领，而且提高了我自主学习以及创新的能力。2 数控车床主轴机械结构方案的确定2.1数控车床的主要技术参数 本次毕业设计数控车床的主要技术参数如下表2-1所示：表2-1 数控车床的主要技术参数项目规格单位最大回转直径400mm最大切削直径220mm最大切削长度1000mm主轴的最高转速1920r/min主轴的额定转矩6

20、00Nm2.2 数控车床的整体结构数控车床主要由六个部分组成，分别为基础部分、数控装置、主传动系统、伺服系统、自动换刀装置以及位置检测装置。基础部分主要指的是机床床身，其强度、刚度、稳定性和吸振性影响了数控车床的性能，它承受着数控车床的静态负载和在加工过程中的动态负载。通常，床身是通过铸造成形，工艺相对简单，铸铁不仅刚度较好，而且能够吸振和缓和冲击。2.3 主轴部件的技术要求1、旋转精度主轴的旋转精度是指装配，在无负荷和低速度的条件下，前端的主轴上的工件或刀具径向跳动和轴向跳动。旋转式精密主轴组件主要取决于各部分零件，例如：主轴、轴承、箱体孔加工、装配和调整精度。还取决于主轴转速、设计和性能、

21、润滑剂和主轴组件的平衡。通用机床的旋转精度的已有标准可循。2、主轴刚度主轴静刚度（刚度）反映了静载变形阻力部件的能力。主轴组件的抗弯刚度影响因素有很多，主要包括：主轴结构，轴承的类型，数量，配置和预紧方式，前、后支的距离和主轴外伸的前端，安排的传动部件，主要部件的制造和装配质量。3、抗振性主轴装配工作产生振动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短了主轴轴承的寿命，而且产生环境噪声的影响。振动分为强迫振动和自激振动的两种形式。有影响的抗振动的因素很多，主要是主轴部件的静刚度、质量、阻尼自然频率分布，主轴应远大于自激振动的频率，否则会发生共振现象。4、耐磨性主轴的耐磨性（精度保持性）是指长期保持原

22、始精度的能力。对耐磨性有影响的因素主要包括轴承、安置刀、夹具以及工件的部位。2.4 主轴部件的传动方案数控车床在加工工件的过程中不仅需要提供切削力，而且要根据不同工艺加工需求实时变换切削速度。于是，需要合理的主轴传动方式以及传动件的结构配置，在一定的切削功率和最佳的切削速度的条件下实现工件的切削加工。需要对数控车床的主传动系统具有以下五点要求：2.4.1 主轴的传动方式在机床设计中有多钟传动方式，这些传动方式根据自身不同的传动特点，被运用到了不同工艺要求的加工场合中，为了确定最为优化的数控车床主轴的传动方式，以下列举四种常用的传动方式，并且根据本设计的具体设计要求拟定符合半闭环数控车床的方案。

23、 1、齿轮传动方式图2-1 齿轮传动方式示意图 2、带传动方式带传动是一种常见的传动方式。带轮之间通过传动带实现动力传递。目前主要有四种形式的带传动：平带、V带、多楔带和同步带。带传动的优点是：（1）结构比较简单、成本也相对低廉；（2）带与带轮之间的打滑可以避免损坏其他零件；（3）可以吸收振动和缓和冲击；（4）多用于中心距较大的传动；带传动的缺点是：（1）传动的整个轮廓比较大；（2）传动比没法保持不变；（3）传动的效率低；带传动相对于齿轮传动，它具有结构简单、成本低、可以缓冲吸振和传动平稳的优点，具有过载保护的功能。而同步带相比于V带，如图2-2所示，又有类似齿轮的特性，它可以保证固定的传动比

24、，实现定比传动。图2-2 同步带传动方式示意图 3、两个电动机分别驱动主轴的传动方式这是齿轮传动和皮带传动的混合驱动。高速运行时，电机驱动的皮带传动；低速运行，由另一个电机驱动齿轮传动，齿轮降速和扩大调速范围，从而在恒功率区的增加和传输范围扩大，这样就可以解决电机功率不足以及低速扭矩不足的问题。两个电动机分别驱动主轴的传动方案示意图如图2-3所示。图2-3 两个电动机分别驱动主轴的传动方式示意图 4、电主轴传动方式目前，有一种比较新的传动形式，它是将电机与主轴合并为一个整体，成为独立的电主轴动力系统，如图2-4所示。它在结构上，具有以下优点：结构简单，转动惯量小，质量小，动平衡性能较好。图2-

25、4 电主轴传动方案实物图2.4.2主轴传动方式比较分析及方案确定数控车床的主轴转动要求精度高，传动平稳。齿轮传动可靠，但是在使用过程中会出现轮齿折断、磨损、胶合和点蚀等失效形式，会影响机床的整体性能以致达不到设计要求；两个电动机分别驱动主轴的传动方式中的两个电动机不能同时工作，这是一种浪费；电主轴可以高速运转，可是它只能提供的扭矩较小，而且受热容易变形，主轴的精度难以保证。带传动可以对运转的主轴实现过载保护，能较长跨距传动，其中同步带能保证定传动比。综合上述分析，从各方案的性能以及经济性考虑，同步带传动是本设计的最佳传动形式。2.4.3 主轴传动件的布置主轴在进行切削加工时受到切削力、传动力和

26、支承反力的作用下，主轴会发生扭和轴向转弯曲变形，所以传动件在主轴轴向位置分布的不同情况，可以设计出符合各种机床的工作需求。本次毕业设计有五种预选方案（a）、(b）、（c）、（d）、（e），如图所示。在（a）方案中，传动件轴向位置在两个跨距之间，传动方向与切削力的方向相同。这种布置的优点是能减小主轴的弯曲变形，但缺点是增加了前支承受力。它适用于轴承刚度和承载力较大、受力较小或精度要求较高的主轴。这种布置方案适用于大多数车、铣、镗、钻床。（a）方案（b）方案在（c）方案中，传动件轴向位置安排在主轴尾端，并且传动方向与切削力的方向相同。这种布置方式的优点是支承受力较小，缺点是主轴的受力情况不好。这种

27、布置方式适用于载荷小的主轴，通常用于外圆磨床砂轮主轴。（c）方案（d）方案在（e）方案中，传动件轴向位置安排在悬伸端，并且传动力方向与切削力的方向相反。這種佈置方式優點是能夠減少注重彎曲變形和支承受力，軸端位移也能夠抵消，但是缺點是結構上比較複雜，较难实现，而且主轴悬伸量过大。这种布置方式适用于少数重型机床。（e）方案结合本设计的实际情况，主要使用带传动方式，而且數控車床要有較高的精度，最终选用（d）的传动件布置方式。2.5 主轴部件的支承方式主轴在切削工件时，受到重力、轴向和径向的切削力，而且在高速的状态下工作，所以使用合理的轴承配置形式构造出最优的支承方式就显得格外重要。在设计支承方式时要

28、着重考虑降低主轴的轴向窜动、径向跳动和角度摆动对数控车床的精度影响，与此同时，在切削过程中由于高速运转产生大量的热量，导致主轴受热膨胀以致将轴承卡死，这样的状况也将在设计过程中得以解决。目前的支承方式主要由三大典型的配置：速度型、刚度型和速度刚度型。2.5.1 速度型的主轴部件支承该方案示意图如图2-5所示，前支承采用的是三联角接触球轴承，三个60º角接触球轴承中左边两个采用背向布置，相对于面向布置，它的压力中心间距离更大，可以使支承刚度更大。后支承采用的是双联角接触球轴承，能够承受径向和轴向力。适合运用在高切削速度、较高负载和高精度场合的机床。图2-5 速度型的主轴部件支承2.5.

29、2 刚度型的主轴部件支承如图2-6所示，该方案的前支承采用的是双列圆柱滚子轴承和双向角接触球轴承的配合使用，后支承是一个双列圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承的滚动体是先接触形式，磨损相对较小，可以承受更高的径向负载。轴向负载可以由前支承的双向角接触球轴承进行平衡。这种方案具有高刚度，寿命长的特点，适合对刚度、承载能力和精度要求较高的机床。图2-6 刚度型的主轴部件支承2.5.3 速度刚度型的主轴部件支承如图2-7所示，方案的后支承采用双列圆柱滚子轴承，前支承采用三联角接触球轴承。三联角接触球轴承中靠近端面的两个角接触球轴承呈大口朝外的配置，可以承受较大的轴向力，还有一个与其他两个背向布置，可以得到很

30、大的支承跨距，有利于提高抵抗主轴的颠覆力矩的能力。图2-7 速度刚度型主轴部件支承2.5.4 主轴部件支承方案的分析比较与确定根据对上述的三种支承方案的分析，速度型的支承方式可以满足主轴的高速运转时的工作性能，但是在主轴受热膨胀时会导致轴承卡死，而且角接触球轴承的滚子以点接触，磨损严重，使用寿命较短。刚度型支承方案可以实现机床的较大承载能力，但是其运转速度受到限制。结合前两种方案的速度刚度型具有良好的综合性能，能够在较高承载的情况下，实现高速加工。综上所述，本设计数控车床的支承方式采用速度型的支承方案。2.6主轴组件的润滑及密封数控车床在切削加工的过程中，主轴转速要求比较高，会使主轴部件（尤其

31、主轴轴承）加快磨损和热变形，从而导致（1）主轴运动的精度严重下降（2）加工的工件的质量难以达到设计标准（3）在数控床的外部，会有杂质进入主轴部件内部，也会加大零部件的磨损。因此，在主轴的设计中，关于主轴润滑和密封的装置设计是必不可少的。2.6.1主轴轴承的润滑主轴润滑会减少主轴运转过程中的摩擦、带走热量，降低主轴的摩擦损失和受热变形的程度。目前，主轴的润滑形式主要利用循环润滑系统，具体有两种形式：油气润滑和喷注润滑。油气润滑就是在一定时间间隔给主轴润滑系统添加一定量的油雾。而喷注润滑则是用恒温大流量润滑油对主轴轴承进行润滑，同时对主轴有冷却的功能，降低主轴的热变形，挺高主轴的运转时的精度。由于

32、主轴前端速度较高，导致发热比较多，所以采用油润滑，在润滑时也起冷却的作用；为了防止油液外漏，后端采用的是脂润滑。2.6.2主轴轴承的密封如果要防止灰尘、水分等进入轴承以及润滑剂的流失，往往就要对主轴进行密封。选择滚动轴承的密封方法必须考虑到润滑剂的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度。密封的方法可分为两大类：接触式密封和非接触式密封。前端轴承为角接触球轴承，转速较高，采用油润滑，为防止油液甩出，此处采用了迷宫式密封，如图2-8所示；后端轴承用脂润滑，此处用非接触式密封中的迷宫式密封，如图2-9所示利用其节流的作用达到密封的效果，且间隙中充满着润滑脂，密封效果更好。图2-8 毛毡圈密封图2-

33、9 迷宫式密封2.7主轴的材料选择与热处理主轴的机械性能包括其强度、刚度和稳定性，往往决定于主轴的材料选择和热处理方式。主轴要求具有较好的刚度，在主轴部件的连接处还要有足够的硬度抵抗零件对其的磨损，而且主轴切削时会产生大量的热量，所以要求主轴能够抗热变形。上述的这些性质要求，必须再设计主轴结构时选择好符合要求的材料和热处理方式。2.7.1主轴的材料数控车床具有较高的加工准确度，这对主轴的刚度要求比较苛刻，而主轴的刚度则取决于使用材料的性能，弹性模量可以很好的描述材料的刚性。因此，弹性模量必须选择大一点材料来加工主轴，钢材作为首选材料，钢材之间的弹性模量差别不太大。常用的钢材有优质合金钢，其中号

34、钢最为典型，对于精度要求较高的主轴可以考虑合金结构钢（比如）。结合本设计的技术要求选择作为数控车床的主轴材料。2.7.2主轴的热处理数控车床的主轴在工作运转时，要承受工件重量与主轴的自重，在支承端要具有高的接触强度和耐磨性。为了提高工件的定位精度，对于轴端面的定位表面要求表面质量高和硬度大。于是可以对主轴进行局部热处理，本设计在上述的材料选择部分已经说明，采用作为主轴材料。合金结构钢可以经过化学热处理，比如渗碳处理和渗氮处理。3 电机的选择3.1伺服电机的选择机床切削需要稳定的动力源，动力源的性能好坏将直接影响机床的整体性能。数控车床主轴对转动速度以及稳定扭矩有着较高的要求，而且所选的动力源要

35、利于控制，实现根据不同加工精度要求提供相应的转速和扭矩。电机作为动力源，有利于主轴的控制，且动力平稳，已经成为机床的主流动力源。为了选择合适的电机，需要对数控车床的主传动功率进行估算，并且由此为根据选择合适的电机型号。以下逐步进行计算与电机选型。电动机可以区分为交流电动机和直流电动机。交流电动机有可以区分为异步电动机和同步电动机。直流电动机按照励磁方式的不同可以区分为四种形式：并励、他励、复励和串励。国内广泛使用的伺服电动机主要是德国的伦茨、西门子公司和日本的三菱电机、发那科公司等国外产品。 机床切削需要稳定的动力源，动力源的性能好坏将直接影响机床的整体性能。电机的选择采用试算法，现初步假设如

36、下参数，如表3-1所示。表3-1 电机初始假设数据工件材料45号钢工件直径刀具材料硬质合金刀具参数切削条件修正系数单位切削力切削用量背吃刀量进给量切削速度切削力可以分解为相互垂直的三个分力：进给力、主切削力和背向力，它们之间大小关系是;,方向如图3-1所示图3-1 切削合力和分解计算切削力的具体公式是： 式（3.1） 式中 单位面积切削力； 切削条件修正系数。根据式（3.1）计算可得主切削力切削功率是切削过程中所有切削分力消耗的总和。因为方向没有位移，所以不消耗功率。因此，切削功率可以按照（3.2）计算： 式（3.2）因为远小于，而方向的运动速度又很小，因此所消耗的功率，相对于所消耗的功率，通

37、常比较小，可以忽略不计，于是， 式（3.3）根据式（3.3）可进一步求得切削功率： 机床电动机的功率应满足： 式（3.4）为机床的传动效率，这里选取根据式（3.4）主传动的功率估算为： 机床电动机的扭矩应满足式（3.5）： 式（3.5）式中 机床电动机的功率（kw）； 主轴转速（）。根据式（3.5）机床电动机的扭矩估算为：3.2电机型号的确定最终采用电机型号为：西门子 的实际参数如表3-2所示。表3-2 的实际参数功率额定转矩转动惯量额定转速最高转速因为；，所以经过验算得出此种型号的电机符合要求。4 同步带和带轮的选型和计算4.1 同步带的选型和计算4.1.1 同步带的简介同步带（也

38、可以称为同步齿形带）是以钢丝为抗拉体，外面包覆橡胶或聚氨酯。它的横截面为矩形，其工作面具有等距横向齿的环形传动带。因为带与带轮无相对滑动，能保持两轮的圆周速度同步，所以称为同步带。目前在我国最常用的T型齿同步带，也被称为“节距制”，横截面形状如图4-1所示：图4-1 同步带的外形和截形示意图这种带的齿形为梯形，大多数齿形的夹角为40度。同步带的工作原理：在传输同步带，两侧梯形齿只能使用和同步带轮的牙齿相同，所以我们可以通过皮带和皮带轮的转矩，当旋转扭矩传递到同步带，应该依靠同步带传递转矩张力。同步带的优缺点：同步带的优点：（1）传动比恒定；（2）由于带薄而轻、抗拉体强度高，所以带速可以达到,传

39、动比可达，传动功率可达；（3）结构紧凑；（4）效率较高，约为。同步带的缺点：（1）带与带轮价格较高；（2）安装、制造要求高。 图4-2 同步带参数4.1.2 同步带的设计功率上部分已经确定了电机型号，西门子交流伺服电机的功率为，额定转速为。为了使设计的数控车床具有较长的工作潜力，设定每天工作小时以上，并以此作为设计出发点。查阅机械设计使用手册，已知设计功率的公式: 式(4.1) 式中 工况系数，见表4-1； 传动功率（）。表4-1 工况系数工作机原动机工作时间（h/日）358101624带式输送机，烘干机，杠车床，带锯，筛选机1.21.41.6液体搅拌机，钻床，车床，龙门刨床，造纸机1.41.

40、61.8牛头刨床，磨床，铣床，钻镗床，纺织机械1.51.71.9由表4-1可以确定数控车床的工况系数，并代入式（4.1）则可以求出设计功率。4.1.3 同步带型号的确定同步带传动为挠性传动，它有减振过载保护的作用，但是与此同时，为了使得传动平稳，应当尽量增加齿数，让啮合更为可靠，所以要取节距较小的同步带。同步带按其齿形的不同，有梯形齿形带和圆弧形齿形带两种，本设计使用的是梯形齿形带。关于梯形同步带的选型，在机械设计使用手册有专门的图表作为依据，如图4-3所示，根据电机功率和转速查图选择H型同步带，其对应节距为。图4-3 梯形齿同步带选型图4.2同步带轮的选型和计算4.2.1 同步带轮直径确定同

41、步带与同步轮啮合实现同步传动，对应与同步带，同步轮的参数也有要求。电机轴和数控车床的主轴都安装有同步轮，相比之下，前者为小带轮，后者为大带轮。首先确定小带轮的节径，其有计算公式如下： 式（4.2）式中 同步带的节距（mm）； 小带轮的齿数。小带轮的齿数最小值有相应的标准，如表4-2所示。在安装方便和带速满足条件的前提下要尽量选择齿数大的带轮。表4-2 小带轮最少齿数（梯形齿带轮部分）小带轮转速梯形齿带轮型号MXLXXLT2.5XLT5LT10HXHT20XXH1012142222121012162424141214182626161216203018151822由表可查的。各类型的同步带的带速

42、要求不同，具体的带速范围可以参考机械设计使用手册，其标准如表4-3所示。表4-3 带速范围型号MXLXXLXLT2.5T5LHT10XHXXHT20模数1,1.5,2,2.53,4,57,10405035402530带速与小带轮的节径有如下关系： 式（4.3）根据式（4.2）和表4-3查得带速的范围是。联立式（4.2）和式（4.3），通过公式变形，可以得到小带轮的齿数与最大带速的关系如下：根据上式结果，选取小带轮的齿数，则。而大带轮的齿数为，大带轮节径。4.2.2 同步带轮中心距的确定同步轮之间的距离需要进行初选与校核，距离过大则会导致皮带振动，传动不平稳。同步带的中心距离满足式（4.4）：

43、式（4.4）所以初选中心距为。根据选定的中心距，由式（4.5），进一步初选带的节线长度。 式 (4.5)将数据代入上式，可得初选的同步带节距长度为。由图4-4，可选择最接近计算结果的同步带规格，其齿数为，节线长为。表4-4 H型同步带型号规格（部分）规格节线长齿数445H1130.3089450H1143.0090460H1168.4092465H1181.1093470H1193.8094480H1219.2096485H1231.9097490H1244.6098500H1270.00100510H1295.40102515H1308.10103520H1320.80104525H1333

44、.50105530H1346.20106540H1371.60108550H1397.00110在考虑在生产实际中，同步轮之间的距离需要可调或者有张紧轮装置，需要对之前设定的中心距进行调整，查机械设计实用手册得到实际的中心距为：。4.2.3 同步带带宽距确定数控车床需要通过同步带将电机的功率传递给主轴，所以要有适当的带宽，才能可靠的传递动力。同步带的宽度选择涉及到小带轮的啮合齿数和基准额定功率。小带轮的啮合齿数有如下的计算公式： 式 (4.6)代入参数，求得。根据机械设计使用手册可以查得基准额定功率计算公式： 式（4.7） 式中 许用工作拉力（N），查表4-5； 单位长度的质量（kg/m），查

45、表4-5。表4-5 梯形齿形带的基准宽度和许用工作拉力及其质量型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度6.49.525.476.2101.6127.0许用工作拉力273150.17244.462100.854048.906398.03带的质量0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473查表得，基准宽度，许用工作拉力,单位长度质量，代入式（4-7），计算得：。根据以上计算的基准额定功率结果，以及梯形齿带宽有计算公式（4.8）： 式（4.8）式中 基准宽度（mm），查表4-5； 小带轮的啮合齿数系数，查表4-6。表4-6 小带轮的啮合齿数系数654321.000.800.

46、600.400.20再结合带宽标准，选择带宽为。5 主轴结构参数的确定本部分内容主要包含数控车床的主轴设计的具体结构参数，当主轴在切削加工的时，既受到反支承力又受到切削力的作用。其中反支承力主要来源于主轴的自重以及工件重量，由于在支撑上不是理想的分布，主轴会受到弯矩的作用产生形变。在夹紧工件切削时，也会产生扭矩的，对主轴的传动精度产生影响。主轴的稳定性取决于支承与支承间的跨距以及主轴的悬伸量。因此，对数控车床的主轴结构参数的确定与优化尤为重要。主轴的主要参数是：主轴的端部结构、主轴直径、主轴内孔直径和主轴悬伸量。5.1主轴端部结构的确定主轴的端部是主轴与工件或工具联系的结合部位。其结构形状由机

47、床类型及夹具或刀具的形状而定，同时应使之能保证卡盘和刀具的定位准确、安装牢固、装卸方便，能够传遞到足夠的扭矩，并且有利于减少主轴端部的悬伸量长度。型主轴端部结构常用于卧式车床、自动车床、高精度车床及磨床等主轴，它用于主轴前端的短锥面定心，由螺钉固定，端面键传递力矩，结构简单，刚度较好。根据GB/T 5900.11997和GB/T5900.31997，型主轴有可以细分为和，数控车床选用。如图5-1所示。图5-1 数控车床主轴的端面结构示意图5.2主轴直径的确定主轴直径关系到主轴的刚度，直径越大的主轴其刚性，可以提高车数控车床的性能。主轴外径的尺寸，主要是对轴的前轴颈（前支承轴承处）的设计。数控车

48、床可以借鉴通用机床的设计原则与经验，根据实用机床设计手册关于通用机床的主轴前轴颈的直径设计尺寸，如表5-1所示，大致对数控车床的主轴直径进行取值。表5-1 主轴前轴颈的前直径切削功率/kw1.472.52.63.63.75.55.67.37.4111114.714.818.418.5222229.5车床608870907010595130110145140165150190220230对于普通车床而言，也可以按照车床主要参数最大加工直径来确定主轴前轴颈 如表5-2列举了普通车床主轴前轴颈直径和主参数的关系。表5-2 通车床主轴前轴颈直径和主参数的关系由前文所述最大加工直径，经过计算得，由图5-

49、2 选择代号为的型主轴端部结构。图5-2 型主轴端部尺寸5.3 主轴内孔直径的确定主轴内孔主要应用于通过棒料、拉杆、镗杆或顶出顶尖等。确定孔径应该遵循的基本原則是：考慮到減輕主軸重量，在滿足上述工藝要求及不削弱主軸剛度的前提下，儘量取較大值。主轴的内径时通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主軸部件的相對重量就越輕，主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主轴的孔径与主轴直徑之比，當小於時，空心主軸的剛度幾乎與實心主軸相等；當等於時，空心主軸的刚度为实心主轴的；当大于时，空心主轴的刚度就急剧下降，一般可取其比值为左右。考虑到主轴刚度，查实用机床设计手册，主轴内孔直径有下列的

50、关系式：普通车床；半自动车床。综合考虑数控车床的实际工作性能，选取求得主轴内孔直径5.4 主轴悬伸量的确定主轴悬伸量指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离。从理论分析和實際測試來看，主軸懸伸量值越小越能提高主軸部件的剛度，所以確定主軸懸伸量的方法是：在滿足結構要求的前提下，盡可能去較小值。查阅机床设计实用手册，如图5-3所示，因为数控车床具有高准确度、高刚度的特点，可以大致选定主轴悬伸量与前轴颈直径比，求得。 图5-3 主轴悬伸量与前轴颈直径之比5.5 主轴跨距的确定支承跨距是指主轴相邻两支承的支反力作用点之间的距离。获得主轴部件最大静刚度的重要條件之一是合理確定主軸支承跨距

51、。主轴轴端受力后，轴端的弹性变形由、两部分构成，如图5-4所示。 图5-4 主轴端部受力变形位移分析图当支承是刚体时，主轴弹性变形引起的主轴轴端位移时；当主轴是刚体时，主轴弹性变形引起的主轴轴端位移时，前支承的彈性變形為，后支承的弹性变形为；、和的关系是：。支承跨距越小，则主轴的弯曲变形越小，主轴端部的变形位移也将随之越小，但是主軸支承的彈性變形所引起的主軸端部變形位移會越大，所以要综合选定主轴的支承跨距，而不是一味的选择较小的值，一般情况下选定，根据上述的的取值为，初步取。6 主轴结构参数的确定6.1主轴部件的受力分析根据实验结论，当车刀，和时，、和之间有以下近似关系： 式（6.1） 式（6

52、.2） 式（6.3）由第三章已经求得:根据式（6.1）得： 根据式（6.2）得： 根据式（6.3）得： 主轴主要受切削力、支承反力和、自重、同步带的压轴力和扭矩的作用。其中在后支承A处和前支承B处的力可以分解到水平和垂直方向上，主轴所受的切削力可以等效为和的共同作用。目前已知：，自重、压轴力、以及需要进一步计算得到。首先大致计算出主轴的自重，外径为140mm，内孔直径为91mm，长约为500mm，1 在垂直平面内：, 式（6.4） ， 式（6.5）联立两式，解得，。2 在水平平面内：， 式（6.6）， 式（6.7）联立两式，解得，。6.2主轴的校核由作出的弯矩图可得，。判断A处为危险截面，A处截面的弯矩和扭矩最大。数控车床主轴在转动时受到对称循环弯应力和脉动循环剪应力。在弯曲和扭转