数控车床主传动设计说明

1、 .I / 34摘要摘要数控车床可以进行车削，可以完成孔、面的加工。相比于其他类型的机床，其在生产中是使用很广的。在这个设计中，针对数控机床的发展和当前中国的一些情况，提出了一系列问题。本文章通过描述我们国家的数控技术总体发展趋势，并且分析了其中存在的一些毛病，经过了深入的讨论，进而得以完成了对 JIFCNC-B 型号的数控车床的主传动系统的设计与其计算的问题。主轴箱组成，是安装在空心主轴上的精密轴承和传动齿轮构成，主轴能够获得任何的速度，用来满足切削的加工要求。目前的发展趋势是通过电气或者是机械设备提供连续可变的速度。变频电机通过皮带传动和齿轮传动将动力传递给主轴。变频电机的调速通常是 3-

2、5 之间，这是难以满足变速围要求的，通过齿轮传动就可以使主轴获得大的变速围。关键词：主轴箱，无级调速，传动系统 .II / 34AbstractNC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition toturning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the productio

3、n is the most widely used.In this design，the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in Chinaand then the head

4、stock of JIFCNC-B NC lathe has been calculatly designed .Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The spindle can obtain any speedin the speed range to meet the processing requirements of cutting.At present, the developm

5、ent trend is to provide a continuously variablespeed through the electrical or mechanical devices .Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range re

6、quirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed rangeof the spindle In addition, in this design the design of the belt drivehas been changedfrom the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to

7、the lathe body so that input shaft is only forced torque, improvedthe forcing stateofthe input shaft.KeyKey wordswords: headstocks, a continuously variablespeed , transmission Systerm .III / 34目目 录录摘 要 . ABSTRACT（英文摘要） . 目 录 . 第一章第一章 引言引言 .11.1 对主传动系统的要求.11.2 主轴的变速方式方式 .11.3 国外数控车床的发展趋势.2第二章 主传动系统方案

8、的制定 .62.1 主传动技术指标的制定 .7 2.1.1 主运动参数的确定. 7 2.1.2 电机的选择. 82.2 主传动系统的设计 . 10 2.2.1 确定传动方案. 10 2.2.2 转速图与齿轮布置的拟定.11第三章 传动系统零部件设计 . 153.1 带传动的设计与计算 . 153.2 齿轮的设计与校核 . 17 3.2.1 各个传动轴所传递动力计算.17 3.2.2 齿轮副 28/70 的设计与校核. 19 3.2.3 齿轮副 24/76 的设计与校核.233.3 传动轴的设计与校核 . 30 3.3.1 轴 I 的设计与校核. 30 3.3.2 轴 II 的设计与校核. 33

9、第四章 主轴组件的设计与校核 . 354.1 主轴的要求 . 354.2 轴承的选择 . 36 .IV / 344.3 主轴的设计与校核 . 36第五章 主轴驱动与控制 . 395.1 主轴的调速 . 395.2 主轴旋转与进给的同步控制 . 40第六章总结 . 41参考文献 . 43致 . 45 .1 / 34第一章 引言数控技术，是利用数字化的信息对机床的运动与其加工过程进行控制的一种方法。可用数控技术实现加工过程的自动化控制，可以加工精密、复杂、小批量的多种类型的工件、具有很高的柔性和自动化程度，是机电一体化的产品。数控技术如今也是机械行业的基础技术，体现了一个国家的综合实力，是机械行业

10、的一次技术革命，把机械行业推进到了一个新的阶段。数控技术柔和了多种技术成为一体，有计算机技术、自动控制技术、伺服技术、检测等新技术。改变了以往的生产模式和管理方法，解决了机械行业中的许多加工难题，生产出了许多新的高质量的产品，服务与社会建设，对国家的发展有着重要的意义，发挥着巨大的经济效益。数控机床的主运动是通过车头箱的传动系统得到的，车头箱拥有一定的转速和变速围，能够通过不同的刀具来加工各种各样的材料，得到想要的尺寸和以往不能加工出形状的工件。车头箱包括电动机、各级传动系统和主轴。1.1 对主传动系统的要求1） 调速围应该更大一些，最好能实现无级变速，这样就可以保证加工不同工件时能够得到不同

11、的合理的切削用量和更高的加工效率2） 好的刚度和精度也是必不可少的，这样的话就可以达到平稳低噪的效果了，与此同时，工件的精度也就大大的提高了，这就要求传动系统的制造精度要满足一定的要求，主轴支撑也要达到一定刚度要求。3） 抗震性与其热稳定性也是限制机床加工精度的两个方面，必需要引起重视，否则对于车床加工工件精度与其效率的影响就是相当大的了。因此主轴组件应有一定的频率，能实现动平衡，并保证有合适的配合与润滑。1.2 主轴的变速方式1） 变速齿轮变速通过几对齿轮减速，增大输出转矩。分段无级变速是最佳选择，即在交流或直流变速电机的基础上加上齿轮变速。通过液压拨叉和电磁离合器来控制齿轮变速。2） 带传

12、动的主传动通常选用同步齿形带或是多楔带，这样齿轮传动所引起的振动与噪声等干扰就可以避免。主要用于转速较高，变速围不大的场合，电机本身的调整就能 .2 / 34满足要求。3） 电主轴驱动方式不仅使主轴箱体和主轴的结构可以获得很大围的简化，而且能够使整体的刚度得到较大的提高，床身紧凑，重量轻，惯性小。但是这也是存在缺点的，那就是电机的发热会直接影响到主轴的精度。1.3 国外数控车床的发展趋势近年来电子产业迅猛发展的同时也带动着数控技术进行着日新月异的变化。当前国外数控车床的研究主要是朝着以下几个方向发展的：1、数控车床朝着高速高精高效方向发展。由于近几年采用了高性能的 CPU 芯片等先进技术，同时

13、采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，已经大大提高了数控机床的精度围。2、数控车床朝着更加柔性化的方向发展，包括数控系统本身的柔性和群控系统的柔性。3、数控车床朝着设备故障率低、系统集成化灵活性程度高与其智能化程度高等方向发展。4、数控车床朝着工艺复合与多轴化等方向发展。我国的数控技术开始于 1958 年，虽然历经了 50 年的技术攻关并发展壮大，一些开发生产极地相继落成，一批批相关人才与产业已经初具规模。但是与国外设备相比我们还没有能够与之进行全面竞争的实力，因为我们技术的科技含量还不是很高，只能在低端市场上面获得一些市场，不能进军高端市场，目前主要存在的问题是：1、技术创新成分不高、消化

14、吸收能力较弱。目前我国数控技术的研究主要还是依照外国开发的一些模式，对外依存度还较高，真正的创新成分并不是 .3 / 34很多。2、产品的可靠性、稳定性上面也有很大的不足。国产数控系统平均无故障时间为 3000-6000 小时，国外的一般都能够达到 10 000 小时以上。 .4 / 34第二章 主传动系统方案的制定2.1 主传动技术指标的确定论文依据的是 JIFCNC-B 型这一中等规格，二轴联动的数控车床。查资料得知该机床的床身最大回转直径为 460mm，所加工的最大工件长度为 1000mm；主轴末端通孔直径为 56mm，主轴锥度选莫氏锥度六号。确定数控车床的主要技术指标，如动力参数和运动

15、参数，就要考虑所要求的加工工艺、加工对象、加工精度等多个方面。2.1.1 主运动参数的确定主轴转速与切削速度的关系：= (r/min)n1000 /vd=、=，则机床变速围=minnminmax1000vdmaxnmaxmin1000vdnRmaxminnn一般取=KD， =（0.2-0.25）， K=0.5， D=460mmmaxdmindmaxd经统计分析可知：在硬质合金刀具精车钢材料工件外圆工艺中会出现最高转速，高速工具钢低速精车丝杠的工艺过程中会出现最低转速。从手册查得可知： =250r/min， =1.5 r/min， 加工丝杠最大直径为 d=50mmmaxVminV=0.5 460

16、=230mm， =（0.2-0.25） 230=46-57.5mm,取maxdmind=50mmmindmax=1591 r/minnminmax1000vd1000 25050=41.52 r/minminnmaxmin1000dv1000 1.550鉴于往后的金属切削机床进一步发展所需，取=10r/min，=1600 minVmaxVr/min则=160，计算转速: ，取nRmaxminn/ n0.30.3min10 16045.84mincnnnRr .5 / 34=90r/minnc2.1.2 电机的选择 该车床的车削功率在 8kw-16kw 之间,可以根据切削功率 Pc 与主传动链总

17、效率 估算主传动功率 P： P=Pc/ ，这里的 一般在 0.70.85 之间，数控车床的效率较大，取 =0.78，数控车床在硬质合金刀具切削合金结构钢时主切削分力约为 2500N，车削速度为 90250rmin，则ZFPc=2500 200/60000=8.333kwP=10.68kw/Pc依据J1FCNCI-B型号机床的实际情况选择YVP160-4型电机，额定功率为 11kw额定扭矩为70Nm，最高转速为 4000r/min，额定转速为 1500r/min。2.2 主传动系统的设计2.2.1 确定传动方案1). 主轴要求的恒定功率变速围：Rnp=max/=1600/90=35,nn计2).

18、 电动机恒功率变速围 Rdp=max/=4000/1500=2.67nn额3). 电机不能达到主轴所要求的变速围，需要齿轮变速组来扩大变速围。4). ， R 为 4-15 之间的数,则分级变速箱的级数为： np=/6.66dpR RR，取 Z=4 1 lg6.66/lg(0.95 2.67)3.03Z 5). 公比13=6.661.88ZR6). 为了防止因传动比过小引起的齿轮尺寸过大，一般1/4；为进一步mini提高精度，减小振动，2，各级传动比取 1/3.16，1/2.51，1/2.11maxi2.2.2 转速图与齿轮布置的拟定1）画转速图 .6 / 342） 齿轮的空间布置 .7 / 3

19、4第三章 传动系统零部件设计3.1 带传动的设计与计算主传动系统采用 V 带传动，这样传动平稳，噪声小，适合于大轴距传动。(1) 确定计算功率：查得工况系数，计算功率2 . 1AKkWkWPKPAd2 .13112 . 1(2) 带型的选择：根据和，由手册查得选 B 型带kWPd2 .13min15001rn （3）小带轮直径：查手册取1150Dmm（4）大带轮直径：121215001150 1 1%313.5711nDDmmn取标准值2315Dmm(5) 计算带速：1 1150 150011.7860 100060 1000Dnvm sm s由于在之间，所以满足经济性要求。11.78vm s

20、 smv255(6) 带轮中心距的确定：0a120120.72DDaDD即： 00.71503152 150315a0325.5930mmamm初取 0520amm(7) 带基准长度的确定：0dL2100120224dDDLaDDa .8 / 34=2315 1502 52015031524 520mm1783.5mm 由手册选取01800dLmm(8) 确定实际轴间距的确定：a，150315232.52mD315 150=82.52V22a()8/ 4mmLDLD （）/ 4221800232.5(1800232.5)8 82.5 / 4 （）/ 4528.3mm安装时的最小轴间距：min0

21、.015528.30.015 1800501.3daaLmmmm紧或补偿伸长的最大轴间距：max0.03528.30.03 1800582.3daaLmmmm(9) 小带轮包角：211315 1501806018060161.3120528.3DDa 所以小带轮包角合适。(10) 求带根数查手册得，03.64PkW=0.955K=0.95LK0=0.46 wPKV 0013.23.953.220.460.955 0.95cLPzPP K K根取 根4z (11) 求紧力：0F202.55001cPFqvv zK213.22.550010.17 11.7811.78 4 0.955N .9 /

22、34250.2N(12) 轴上载荷：10161.32sin2 250.2 4 sin197522rFF zNN 3.2 齿轮的设计与校核3.2.1 各个传动轴所传递动力计算电动机输出功率=11kw，额定转速=1500r/min，0PdP0n输出转矩=9550=0T0P/0n70mN 轴 I=11 0.96=10.56kw 为带传动效率1P0P00=711r/min1n01in1500 / m1in2.1r=9550=1T11nP141.8mN 轴 II=10.56 0.99 0.97=10.14kw， 分别为轴承、齿轮传2P1P1212动效率。 高速 =7111.33=535 r/min2n1

23、1ni =9550=9550=2T22Pn10.14535181mN 低速 =7112.51=283 r/min2n12ni =9550=9550=2T22Pn10.14283342.18mN 轴 III=10.14 0.99 0.97=9.7kw，分别为、轴 III 上轴3P2P23232323承、齿轮传动效率 高速 =535 1.21=599 r/min3n2n1i=9550=9550=3T33nP9.7599154.6mN 低速 =2833.16=90 r/min3n2n2i .10 / 34=9550=9550=3T33nP9.7901029.3mN 3.2.2 齿轮副()的设计与校核

24、 2870齿轮材料为 20Cr，渗碳淬火，低温回火，小齿轮硬度 60HRC，大齿轮硬度56HRC。1. 齿面接触疲劳强度计算1）.初步计算转矩 =9550=9550=2T22Pn10.14283342.18mN 齿宽系数 查手册=0.5b接触疲劳强度极限 查手册=1250MPa, =1200MPa,lim1Hlim2H初步计算许用接触应力 =0.9=1125 MPa, 1Hlim1H=0.9=1080MPa2Hlim2H值 查表=85dAdA初步计算小齿轮直径 =1d3221ddHTuAu 3234218002.51 1850.5 10802.5179.57，取=80mm1d1d初步齿宽 b=

25、0.5 80，取 b=40mmd1d2).校核计算圆周速度 v v= =7.94m/s.11d80 189660 100060 1000n精度等级 查手册选 7 级齿数 Z 和模数 m =28，m=2.86，取 m=3 ,=84mm1Z90321d1mz=70，=70 3=210mm，b=0.5 84=42mm2Z2dd1d使用系数 查手册得=1.0AKAK动载系数 查手册得=1.16vKvK .11 / 34齿间载荷分配系数=8147NHK2t1=2dTF2 342180084=194N/mm100N/mmtAbFK8147 1.042 查表得=1.2 HK=1.721211=1.88-3.

26、2 ()coszz111.88-3.2 ()2870=0.8744 1.7233Z齿向载荷分配系数 查表得=1.04HKHK载荷系数 K K=1.0 1.161.21.04=1.45AKvKHKHK弹性系数 查表得=189.8EZEZaMP节点区域系数 由图得=2.5HZHZ接触最小安全系数 由表得=1.05minHSminHS 总工作时间=1030080.2=4800hhtht 应力循环次数=6017114800=2.05LN1LN60 nht 810=2LN71/8.16 10LNi 接触寿命系数 由图 =0.95，=1.0NZ1NZ2NZ许用接触应力 = =1131MPaH1Hlim11

27、limHNHZS1250 0.951.05 =1143MPa2Hlim22lim=HNHZS1200 1.01.05验算 =HEZHZZ2212(u+1)bdKTu= 189.82.50.8722 1.45 342180(2.51+1)42 842.51=893.3MPa 1H .12 / 343).齿轮传动主要尺寸 中心距 a =147mm12)m(2zza23 (28+70)齿宽 b 大齿轮,小齿轮242bmm152bmm2. 齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数FaY12.56FaY22.25FaY应力修正系数 由图得 SaY11.62SaY21.74SaY重合度系数=0.25+=0.25+=0

28、.69YY0.750.751.72齿间载荷分配系数 由表查得 =1.2FKFK齿向载荷分配系数 b/h=42/ (2.253)=6.2 由图知=1.03FKFK载荷系数 K K=1.01.161.21.03=1.43AKvKFKFK弯曲疲劳极限 由图查得=620MPa,minFmin1F=620 MPa,min2F弯曲最小安全系数 由表得 =1.25minSFminSF应力循环次数=6017114800=2.05LN1LN60 nht 810=2LN71/8.16 10LNi 弯曲寿命系数 查弯曲寿命系数图 =0.8， =0.9NY1NY2NY尺寸系数 査尺寸系数图 =1.0 xYxY许用弯曲

29、应力=F1Flim11min620 0.8 13991.25FNXaFY YMPS=2Flim22min620 0.9 14461.25FNXaFY YMPS验算 =1F21112FaSaKTYY Ybd m .13 / 342 1.43 3421802.56 1.62 0.6942 84 3=265MPa1F222111FaSaFFFaSaYYYY100NmmtAbFK21444 148 由表得1.1HK=1.71211=1.88-3.2 ()coszz111.88-3.2 ()2476=0.8844 1.733Z齿向载荷分布系数 由表得=1.02HKHK载荷系数 K K=1 11521.1

30、1.02=1.29AKvKHKHK弹性系数 由表=189.8EZEZaMP 节点区域系数 由图=2.5HZHZ 接触最小安全系数 由表=1.05minHSminHS 总工作时间=1030080.2=4800hhtht 应力循环次数=6012834800=8.15LN1LN60 nht 710=2LN71/2.58 10LNi 接触寿命系数 由图得 =0.95，=1.13NZ1NZ2NZ许用接触应力 = = =1448MPaH1Hlim11limHNHZS1600 0.951.05 = = =1722MPa2Hlim22limHNHZS1600 1.131.05验算 =HEZHZZ2312( +

31、1)bdKTuu .15 / 34= 189.82.50.88aMP22 1.29 1029300(3.16+1)48 963.16=1174MPa 1H中心距 a =200mm12)m(2zza42(24+76)齿宽 b 大齿轮,小齿轮248bmm158bmm2. 齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数FaY12.65FaY22.24FaY应力重合修正系数 查表得 SaY11.57SaY21.75SaY重合度系数=0.25+=0.25+=0.69YY0.750.751.7齿间载荷分配系数 由表得 =1.1FKFK齿向载荷分布系数 b/h=48/ (2.254)=5.3，查相关图知=1.03FKFK载荷

32、系数 K K=11.151.11.03=1.3AKvKFKFK弯曲疲劳极限 查试验齿轮的弯曲极限表=620MPa,minFmin1F=620 MPa,min2F弯曲最小安全系数 查表得 =1.25minSFminSF应力循环次数=6012834800=8.15LN1LN60 nht 710=2LN71/2.58 10LNi 弯曲寿命系数 查弯曲寿命系数图 =0.9， =0.95NY1NY2NY尺寸系数 査尺寸系数图 =1.0 xYxY许用弯曲应力=F1Flim11min620 0.9 14461.25FNXaFY YMPS .16 / 34=2Flim22min620 0.95 14711.2

33、5FNXaFY YMPS验算 =1F31112FaSaKTYY Ybd m2 1.3 10293002.65 1.57 0.6948 96 4417MPa=1F222111FaSaFFFaSaYYYY2.24 1.754173932.65 1.57aMP2F3.3 传动轴的设计与校核3.3.1 传动轴 I 的设计与校核1）.估算轴颈 d材料为 45 钢调质，由公式，查得3nPdCC=118，=29mm，310.56118711d 2) 轴结构设计 a）.计算齿轮受力=9550=141.81T11nPmN 圆周力=3377N.1t1=2dTF2 14183984 径向力=rF0tan3377ta

34、n201229ntFN 画轴 I 受力图 见图（b） b）.计算支撑反力 水平面支撑反力=1320N，260 1975 1229 271271 71RF1=1975 1320 1229=2066RFN 垂直面支撑反力,23377 271267671271RFN133772676701RFN 水平面受力图 见图（c） 垂直面受力图 见图（e） .17 / 34c). 画水平面弯矩图 见图（d） 画垂直面弯矩图 见图（f） 画合成弯矩图 见图（g） 22xyxzMMMd). 画轴转矩图 见图（h）e) 许用应力 用查入法查表得=102.5MPa,=60MPa0b1b 应力校正系数=0.5910bb

35、60102.5f). 画出当量弯矩图 见图（i） 当量弯矩0.59 141839N.mm=83865 N.mmTg). 校核轴颈=29mm40mm1d311b0.1M/31451740.1 60=33.6mm40mm，结构合理2d321b0.1M/32278280.1 60 .18 / 343.3.2.轴 II 的设计与校核1）.估算轴颈 d材料为 40 钢调质，由公式，查表3nPdCC=118，=38.9mm310.56118711d 2) 轴结构设计 a）.计算齿轮受力=9550=342.181T22PnmN 圆周力=7129N.1t1=2dTF2 34218096 径向力=N，rF0ta

36、n7129 tan202595tF 画轴 II 受力图 见图（b）b）计算支撑反力 .19 / 34垂直面支撑反力,23377 251 7129 5787580662RFN13377712975802926RFN 水平面支撑反力=1810N，22595 618 1229 271702RF水平面受力图 见图（c） 垂直面受力1=1229 18102595=444RFN图 见图（e）c). 水平面弯矩图 见图（d） 垂直面弯矩图 见图（f） 合成弯矩图 见图（g）22xyxzMMMd). 画轴转矩图 见图（h）e). 许用应力 用查入法查表=125MPa， =71MPa0b1b 应力校正系数=0.

37、5710bb71125f). 当量弯矩图 见图（i） 当量弯矩0.57 342180N.mm=195043 N.mmTg). 校核轴颈=48.8mm54mm1d311b0.1M/38253980.1 71=45.8mm400mm，采用莫氏锥度 6 号，锥度前端直径 D=63.348mm，长度L=200mm，d=53mm，锥度=1：19.180DdL4支撑跨度与悬伸量缩短悬伸量 a 的同时选择合适的跨度 L 可以提高主轴的刚度。一般而言取：La=35，且应使 La 尽量大，这对于提高主轴刚度有很大好处。机床 L=720mm左右，外伸长度 a 取 160mm 即可满足要求。5. 对主轴进行强度校核

38、 a）.计算齿轮受力=9550=1029.31T22PnmN 圆周力=6772N.1t1=2dTF2 1029300304 径向力=N， rF0tan6772 tan202595tF 画轴 II 受力图 见图（b）b）计算支撑反力垂直面支撑反力,26772 6235967707RFN167725967805RFN水平面支撑反力=2172N，22465 623707RF1=24652172=293RFN .24 / 34水平面受力图 见图（c） 垂直面受力图 见图（e）c). 水平面弯矩图 见图（d） 垂直面弯矩图 见图（f） 合成弯矩图 见图（g）22xyxzMMMd). 画轴转矩图 见图（h

39、）e). 许用应力 用查入法查表=102.5MPa， =60MPa0b1b 应力校正系数=0.5910bb60102.5f). 当量弯矩图 见图（i） 当量弯矩0.59 1029344N.mm=607313N.mmTg). 校核轴颈d31b0.1M/=38083680.1 60=51.3mm100mm .25 / 34 .26 / 34第五章 主轴驱动与控制数控车床一种典型的机电化产品，是一种自动化设备，集成了机床、计算机、电气、控制、信息检测等学科。主轴产生主运动，消耗的功率是最大的，主轴的控制是指主轴的正反转、开关和变速。为了达到驱动主轴的目的，必需满足：（1）调速围宽，高速稳定性要好；（

40、2）间歇性负载时要保持小的波动；（3）升速和降速时间要短；（4）承载能力大，工作时间长。由于微电子技术的兴起，伴随着交流调速技术和半导体技术的成熟，使得交流变速越发普遍。交流调速已经有取代直流调速的趋势。本机床采用的是交流变频器控制电机。主传动通过调速电机来实现无级变速，其正反转和起停均由直接驱动电机来完成。5.1 主轴的调速对主轴电机进行控制时，根据转换指令，驱动电路完成对驱动电机信号的转换。调速过程：读控制代码，判断是否要换挡，如果不需要，则求得新的转速值，并把新的转速输入到变频器中，进而调节电机转速。如果需要换挡，这时候就发一个降速的指令，使频率降到最低值，经过一定的时间后，换挡继电器通电动作，再检测信号，检测是否完成换挡动作，若动作完成，则在新的位置上进行转速调节。参照变频驱动电机原理图与电气接线图。机床用液压拨叉来完成有级变速，低速切削用低速挡，精密切削用的是高速挡，装卸工件用空挡。以上动作的完成需要通过电磁阀来改变液压缸通油方式，从而推动变挡齿轮实现。参照液压控制原理图。5.2 主轴旋转与进给的同步控制螺纹加工的工艺里，需要固定的起刀点和退刀点来保证对于螺距的要求。通常螺距为常数，但是现今变螺距的