数控车床主传动系统及数控系统设计

1、1 绪 论1.1课题背景及目的我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化

2、率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统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，从而效率比传统机床提高37倍。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（

3、计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。2在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题

4、的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。1.2国内外研究现状及发展趋势 数控系统的发展趋势自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于PC（PCBASED）。未来数控系统将呈以下发展趋势：1、 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC

5、机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2、向高速化和高精度化发展3、向智能化方向发展（1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行3。我国数控车床的研究现状及发展趋势1、研究现状我国数控车床从20世纪7

6、0年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。（1）床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。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，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽

7、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特点：容易实现机电一体化；机床外形整齐、美观，占地面积小；容易设置封闭式防护装置；容易排屑和安装自动排屑器；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；宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。(2)导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车

8、床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。      a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板   c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板图1.1 床身布局型式（3）主轴变速系统经济型数控车床大多数是不能自动变速的，全功

9、能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。（4）刀架系统按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，

10、回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。（5）进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用4。2、发

11、展趋势（1）高速、高精密化 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 （2）高可靠性 （3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化 采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

12、（4）功能复合化扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。（5）智能化、网络化、柔性化和集成化5。1.3课题研究内容及方法 课题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:;最大加工直径:横向最大行程(X轴):,纵向最大行程(Z轴):最大车削长度:;X,Z轴的最小设定单位为:主轴最大/最小转速:快速进给速度:纵向:,横向:课题研究的主要内容包括主轴传动系统的设计、编码盘的安装、液压卡盘的设计安装及数控系统的设计。研究方法第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：普通数控车床最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、

13、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。第三步，初步确定总体设计方案：1、软件方面 综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功能是否与CK20的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。选择了SINUMERIK 802D机床微机控制系统。2、硬件方面（1）根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局；（2）选择主电机。根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型号；（3）设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动方式。1.4 论文构成本论文构成如下：第

14、一章阐述课题的研究背景及内容。第二章详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。第三章详细介绍液压卡盘的设计选用。第四章阐述数控系统的选择及其设计。第五章提供了在本机床加工一典型零件的程序。第六章总结本课题设计的特点及其有待改进之处。论文最后是本次毕业设计的心得和参考文献。   2 主传动系统的设计2.1主传动系统的设计要求数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：1、具有更大的调速范围，并实现无级调速;2、具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低;3、良好的抗振性和热稳定性.2.2总体设计 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

15、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。 为简化主轴箱结构，本方

16、案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1：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。图2.1 主轴传动图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

17、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6。 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

18、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11。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9。表1简要给出了用户所期望的主轴驱

19、动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 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。3、电动机容量的选择选

20、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9，本设计中电机容量按以下步骤确定：（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7)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().切削用量范围：主切削力： (2.1) 取 切深取，进给量取。切削功率：（2）确定电机

21、输出动率Pd 传动装置的总效率 (2.2)其中，圆柱直齿轮传动效率，由资料12，表24查得0.98；轴轴承效率，由资料12，表24查得0.99×0.990.98；轴（主轴）轴承效率，由资料7，表24查得0.99×0.990.98。 由此，0.98×0.98×0.98×0.980.922。 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，负荷率一般取0.80.9，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由资料10,表2219，小功率电动机一般选为380V电压。所以本电机的电压可选为380V。 同一类型、功率相同的电动

22、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。10本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为。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， 。所以两条传动链中，高速传动链传动比，低速传动链传动比。由此可得电机的转速范围:（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/

23、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2.2 电机参数型号额定功率连续30min功率最低转速最高转速重量振动冷却机座长为，电机轴径为，轴伸为，中心高，其余安装尺寸及其外形由资料8得8。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12）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：； (2.3)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 (2.4)上式中，、的意义如前所述。3、各轴输入转矩将以

24、上计算结果整理后列于表2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：表2.3 各轴的传动参数参数轴I轴（电机轴）II轴（中间传动轴）III轴（主轴）计算转速（）746373145输入功率（Kw） 11 10.6 10.2转矩（） 140.82 271.39 671.79 传动比， 转速图由电机的转速范围(包括恒功率变速范围)和各轴传动比,作数控车床的转速图,见图2-2.图2.2 转速图 传动图初定数控车床的传动图,如图2-3.图2.3传动图 2.3轴系部件的结构设计 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料14）I轴上的零件主要是齿轮1。一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。1.选定齿轮类型

25、,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6级精度.（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr(调质),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.按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算,即 (2.5)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为（3）由表10-7选取齿宽系数（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

26、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 (2.6)（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）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 (2.7)2）计算（1）小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 (2.8)（2）计算圆周速度 (2.9)（3）计算齿宽 (2.10)（4）计算齿宽与齿高之比 模数 (2.11) 齿高 (2.12) (2.13)（5）计算载荷系数根据，6级精度，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得6级精度，小齿轮悬臂支承时， (2.14)将数据代入得； (2

27、.15)由，查图10-13得；故载荷系数 (2.16)（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得 (2.17)（7）计算模数 (2.18)3.按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 (2.19)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；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；（2）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；（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 (2.20)（4）计算载荷系数K (2.21)（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；。（7）计算大

28、小齿轮的并加以比较 (2.22)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2.46并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，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。4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。5.验算，合适。 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式

29、均出自资料14）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，如图所示：图2.4 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。滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,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，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。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。（1）轴的选材和最小直径得确定轴的材料选择为：

30、45号钢（调质处理）。轴的最小尺寸，由式（152），式中，由表153，可取得110，故 取35mm。由于取值较计算值大的多，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2-5.图2.5 中间轴零件图（2）齿轮的设计齿轮1和2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，初选齿数本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；由表101，小齿轮材料选择为40，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。小齿轮齿数初选为24， 2.按齿面接触强度

31、进行设计按式（109）试算，确定公式内的各计算值：初选载荷系数Kt1.6；计算小齿轮传递的转矩由前文可知小齿轮传递的转矩为271.39;由表107及其说明，可选定齿宽系数0.4； 由表106，查得材料的弹性影响系数189.8；由图1021d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度650MPa；大齿轮的接触疲劳强度600MPa；两齿轮的设计寿命为50000h，由式1013，计算应力循环次数由图1019查得接触疲劳寿命系数=0.9,=0.95;计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s1。由式（1012），=0.9×650/1585MPa =0.95×600/1=570M

32、Pa 将以上参数代入公式进行计算 试算小齿轮分度圆直径d1t，代入H-中较小的值计算圆周速度v计算齿宽计算齿宽与齿高之比 齿轮模数齿高 计算载荷系数K由图108，查得动载系数；由表103，查得;由表102，查得使用系数1.25；小齿轮精度为6级，相对支撑作对称分布。由表104， 由b/h4.27，=1.15,查图1013，得1.12，故，动载系数按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得计算模数 3.按齿根弯曲强度设计由式（105）得弯曲疲劳的设计公式为以下确定式中各参数的值：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440MPa；由图1

33、018查得弯曲疲劳寿命系数0.82，0.87；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.3，由式（1012）得0.82×520/1.3328MPa0.87×440/1.3294.46Mpa 计算载荷系数 K 查取齿形系数由表10-5查得。查取应力校正系数由表105,查得；。计算大、小齿轮的并加以比较大齿轮数值大，将用于以下计算。将以上参数代入式（105）进行计算对比计算结果，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

34、弯曲强度所算得的模数，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数4.几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）计算中心距3）计算齿轮宽度取。5.验算，合适。第二对齿轮的模数可取得比齿轮1小，3。由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，故,.四个齿轮的尺寸参数如表2.4所示。表2.4 齿轮尺寸参参数 齿轮1234模数m3.53.533齿数z389710056中心距a236.25分度圆直径d133339.5300168齿顶圆直径140346.5306174齿根圆直径124.25330.75292.5160.5全齿高h7.8756.75齿宽b60545560压力角基圆直径125319282 158传动

35、比18/79/16齿轮宽B65607075齿宽系数0.40.150.20.2轮毂宽706585901.电磁摩擦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，根据资料13中的结构选择原则，选取牙嵌式电磁离合器。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15）（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 (2.23)其中-理论转矩-计算转矩-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

36、K本机床承受长期平稳载荷，故 (2.24)式中，-分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，；-离合器理论转矩，；K离合器工况系数，见下表所示。本文中为金属切学机床，取K=1.4，从而得到 (2.25)根据计算转矩，查表5-3-42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） (2.26)牙的外径： (2.27)表2.5 离合器工况系数机械类型K机械类型K金属切削机床轻纺机械1.2-2曲柄式压力机械农业机械2-3.5汽车,车辆1.2-3挖掘机械拖拉机1.5-3钻探机械2-4船舶活塞泵,通风机,压力机1.3起重运输机械

37、在最大载荷下结合活塞泵(单缸),大型通风机,压缩机,木材加工机械1.7在空载下结合冶金矿山机械牙的内径： (2.28)牙的平均直径： (2.29)牙的宽度： (2.30)牙的高度： (2.31)牙的个数： (2.32)式中-主，从动半离合器的转速差 (2.33)-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 (2.34)近似可取 (2.35)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， (2.36)（3）磁路结构设计1）磁轭铁心截面积 (2.37)式中，-磁感应强度，一般取-牙间压紧力，N。取

38、，2）线圈槽内径（内铁心外径） (2.38) 式中-离合器轴径。3）线圈槽外径（外铁心内径） (2.39)4）线圈槽宽度 (2.40)5）励磁磁势 (2.41)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 (2.42)6）线圈槽高度(2.43)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 (2.44)7）导线直径 (2.45)式中，-线圈的平均直径，-电源电压，一般取24V8）线圈匝数 (2.46)9）磁轭底部厚度 (2.47)磁

39、轭高度：，一般取10）衔铁厚度衔铁内径由轴径根据结构确定，外径（4）磁路验算1）线圈总磁势 (2.48)式中，-气隙，磁轭，衔铁等各部分的磁均强度与磁路长度2）气隙磁场强度 (2.49)3）电磁吸力 (2.50)6.轴承的选择由资料12，可选得轴承的型号和其他参数，如表2-7所示：7、键和圆螺母的选择由资料12，可选择键的尺寸如下表2-6：表2.6 键的尺寸参数键 参数公称尺寸长度轴深度孔深度与离合器配合的键505.53.8圆螺母选用 M35×1.5。表2.7 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10735621441577307C7307AC35

40、80214471与齿轮配合的轴承7308C7308AC4090234981 主轴结构设计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由很大的影响。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：回转精度 主轴组件的回转精度，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

41、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。主轴回转精度的测量，一般分为三种：静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿用传统的静态测量法，用一个精密的测量棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的读数差即认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直坐标系的垂直度数据

42、综合表示。动态测量是用以标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作态上安装两个互成90º角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上的测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L300mm时允许误差应小于0.02mm。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。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

43、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。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

44、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。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。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。以上这些要求，

45、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6。2.轴承配置型式本课题中数控机床的转速较高，却要求径向刚度好，所以轴承的配置型式选择为刚度速度型13。前轴承采用双列角接触球轴承，接触角为，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2.6 主轴支承型式3.主要参数的确定主轴的主要参数是指：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

46、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。但加大直径受到轴承dn值的限制，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。按车床主电动机功率来确定，由资料16图6.183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

47、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16，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：尽量采用短锥法兰式主轴端部结构。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。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。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。改变轴端工夹具的结构形式来