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摘 要
數控車床不僅能夠車外圓還能用于鏜孔、車端面、鉆孔與鉸孔。與其他種類的機床相比，車床在生產中使用最廣。
本論文首先介紹了我國數控機床發(fā)展的過程與現狀 ,并分析了其存在的問題 ;對數控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對ck6125數控車床主軸箱傳動系統(tǒng)進行了設計與計算。
主軸箱有安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數控車床主軸可以獲得在調速范圍內的任意速度，以滿足加工切削要求。
目前，數控車床的發(fā)展趨勢是通過電氣與機械裝置進行無級變速。變頻電機通過帶傳動和變速齒輪為主軸提供動力。通常變頻電機調速范圍3—5，難以滿足主軸變速要求；串聯變速齒輪則擴大了齒輪的變速范圍 。
本設計將原來的帶輪不卸荷結構變?yōu)榱藥л喰逗山Y構，使輸入軸在帶處只受轉矩，將軸上的徑向力傳動到車床機體上,改善了輸入軸的受力情況。
關鍵詞：主軸箱，無級調速，傳動系統(tǒng)
Abstract
Abstract： NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.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 production 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 China and then the headstock of ck6125NC 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 speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.
At present, the development trend is to provide a continuously variable speed 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 requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .
In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft.
Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm
目錄
目錄
摘要 I
ABSTRACT. II
第一章 前言 1
1.1課題背景及目的 1
1.2國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 1
1.2.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1
1.2.2 我國數控車床的研究現狀及發(fā)展趨勢 2
1.3課題研究內容及方法 5
1.3.1 課題研究內容 5
1.3.2 研究方法 5
1.4 論文構成 5
第二章 主傳動系統(tǒng)的設計 6
2.1主傳動系統(tǒng)的設計要求 6
2.2總體設計 6
2.2.1 擬定傳動方案 6
2.2.2 選擇電機 7
2.2.3 主運動調速范圍的確定 9
2.2.4 轉速圖 11
第三章 傳動系統(tǒng)零部件設計 12
3.1傳動皮帶的設計和選定 12
3.1.1．V帶傳動設計 12
3.2軸系部件的結構設計 14
3.2.1 I軸結構設計 14
3.2.2 II軸結構設計 17
3.2.3電磁摩擦離合器的計算和選擇 21
第四章 主軸結構設計 23
4.1 對主軸組件的性能要求 23
4.2 軸承配置型式 24
4.3 主要參數的確定 24
4.4 主軸頭的選用 25
4.5 編碼器的選擇與安裝 25
第五章 結論 27
參 考 文 獻 28
致謝 29
第一章 前言
第一章 前言
1.1課題背景及目的
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的數控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，FMC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品國內、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。
而相對于傳統(tǒng)機床，數控機床有以下明顯的優(yōu)越性：
1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
2、可以實現加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4、可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，可實現長時間無人看管加工。
因此，采用數控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。 此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
由于以上優(yōu)越性，數控機床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費內容也可可看出,普通機床的市場份額在下降,數控機床則大幅度增長，尤其是中高檔數控機床供不應求?？梢灶A見，未來幾年普通機床的市場份額將不斷下滑, 數控機床的消費會逐漸擴大。[2]
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設計一臺數控車床——CK20，用于對轉體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加工，以提高生產效率和產品質量和降低工人勞動強度。通過本次設計培養(yǎng)綜合運用基礎知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，使工程繪圖、數據處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能及能力得到訓練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內外數控技術及數控機床的現狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數控機床產業(yè)的感性認識。
1.2國內外研究現狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
自從1951年計算機技術應用于機床上，數控系統(tǒng)經歷了數控（NC）和計算機數控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未來數控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢：
1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應用自適應控制技術向高速化和高精度化發(fā)展
數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數字伺服驅動系統(tǒng)
可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行[3] 。
1.2.2 我國數控車床的研究現狀及發(fā)展趨勢
1、研究現狀
我國數控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產數控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。
1）床身
按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數控車床或小型精密數控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點：
☆ 容易實現機電一體化；
☆ 機床外形整齊、美觀，占地面積小；
☆ 容易設置封閉式防護裝置；
☆ 容易排屑和安裝自動排屑器；
☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度；
☆ 宜人性好，便于操作；
☆ 便于安裝機械手，實現單機自動化。
2)導軌
車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。
滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數差別大，低速時易產生爬行現象。目前，數控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。
滾動導軌的優(yōu)點是摩擦系數小，動、靜摩擦系數很接近，不會產生爬行現象，可以使用油脂潤滑。根據滾動體的不同，滾動導軌可分為滾珠直線導軌和滾柱直線導軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數略大。
??????
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
圖1.1 床身布局型式
3）主軸傳動系統(tǒng)
機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數的轉速，主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便于自動變速。數控車床得主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速。
與普通車床相比，數控車床的主傳動采用交、直主軸調速電動機，電動機調速范圍大，并可無級調速，使主軸結構大為簡化。為了適應不同的加工需求數控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式。
⑴電動機直接驅動 主軸電動機與主軸通過聯軸器直接連接，或采用內裝式主軸電動機驅動。采用直接驅動可大大簡化主軸箱結構，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉速的變化、輸出轉矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉矩特性直接決定主軸電機的性能，因而這種變速傳動的應用受到一定限制。
⑵采用定比傳動 主軸電動機經定比傳動給主軸。 定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉矩的要求，但其變速范圍仍和電動機的調速范圍相同。
目前，交流、直流主軸電動機的恒功率轉速范圍一般只有2-4，而恒轉矩范圍則達100以上；許多大、中型機床的主軸要求有更寬的恒功率轉速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動機的功率特性和機床主軸的要求不匹配:調速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數控機床。
⑶采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現，電動機的無級變速配合變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求，滿足各種切削運動的轉矩輸出，特別是保證低速時的轉矩和擴大恒功率的調速范圍。
⑷用兩個電機分別驅動主軸
上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅動主軸
4）刀架系統(tǒng)
按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉分度定位來實現機床的自動換刀動作，根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據刀架回轉軸與安裝底面的相對位置，回轉刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉刀架對刀具的數目有一定的限制，當需要數量較多的刀具時，應采用帶刀庫的自動換刀裝置。
5）進給傳動系統(tǒng)
數控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。前者定位精度低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點而被廣泛采用[4]。
2、發(fā)展趨勢
1）高速、高精密化
當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。
2）高可靠性
3）數控車床設計CAD化、結構設計模塊化
采用CAD技術以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、計算、預測及優(yōu)化設計，以及對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設計成本，提高市場競爭能力。
4）功能復合化
擴大機床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一臺數控車床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工。
5）智能化、網絡化、柔性化和集成化[5]。
1.3課題研究內容及方法
1.3.1 課題研究內容
本課題設計的數控車床的主要參數如下：
床身上最大回轉直徑：；溜板箱上直徑：
最大車削長度：；主軸錐度：莫氏6#
主軸轉速：25~2500rpm（有級或無極變頻調速）；主軸功率：4Kw
課題研究的主要內容包括主軸傳動系統(tǒng)的設計、編碼盤的安裝及離合器的使用。
1.3.2 研究方法
第一步，明確設計要求，找出研究的重難點：普通數控車床最基本的要求是精度達標，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長，此外力求外型美觀。
第二步，進工廠觀摩，大量收集國內外相關資料，吸取專家的設計經驗。
第三步，初步確定總體設計方案：
1、軟件方面 綜合考慮功能、價格、技術先進、服務方便等因素，以及數控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK6125的性能相匹配，盡量減少過剩的數控功能。選擇了SINUMERIK 802D機床微機控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據機床性能要求，確定機床支承件結構形式為斜床身結構，并進行總體布局；
（2）選擇主電機。根據切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型號；
（3）設計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數以及傳動方式。
1.4 論文構成
本論文構成如下：
第一章闡述課題的研究背景及內容。
第二章詳細論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結構設計。
第三章詳細介紹液壓卡盤的設計選用。
第四章闡述數控系統(tǒng)的選擇及其設計。
第五章提供了在本機床加工一典型零件的程序。
第六章總結本課題設計的特點及其有待改進之處。
論文最后是本次畢業(yè)設計的心得和參考文獻。
第二章 主傳動系統(tǒng)設計
第二章 主傳動系統(tǒng)的設計
2.1主傳動系統(tǒng)的設計要求
數控系統(tǒng)的主軸系統(tǒng)除了應滿足普通機床主傳動要求外，還提出以下要求：
1、具有更大的調速范圍，并實現無級調速;
2、具有較高的精度和剛度、傳動平穩(wěn)，噪聲低;
3、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性.
2.2總體設計
2.2.1 擬定傳動方案
數控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床的主運動的調速范圍較大（），單靠調速電機無法滿足這么大的調速范圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉矩要求相匹配。因此，數控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性。
為簡化主軸箱結構，本方案僅采用二級機械變速機構，運動方案如圖2.1：
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現變速，雙聯滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數控機床的復雜性，而且必須將數控裝置送來的電信號轉換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。
圖2.1 主軸傳動圖
電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由于它便于實現自動操作，并有現成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[6]。
2.2.2 選擇電機
1、選擇電機應綜合考慮的問題
(1)根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。
(2)根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。
(4)根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。
(5)根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[11]。
2、電動機類型和結構型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷[9]。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。
表1.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能
項目
內容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉矩
寬恒功率范圍,并在高速范圍內保持一定轉矩
高旋轉精度
高動態(tài)響應
高加減速,起制動能力
具有強魯棒性,能適應環(huán)境條件和參數變化
高效率,低噪聲
低價格
低購買價格,低維護價格,低服務價格
通用要求
耐用性,可維護性,安全可靠性
感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數控機床上。
經過對比分析本設計中決定采用VFNC系列變頻主軸電機。VFNC系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊。
3、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算[8]，本設計中電機容量按以下步驟確定：
（1）確定電機輸出動率Pd（）
傳動裝置的總效率 (2.2)
其中， ―V帶輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.96；
―滾動軸承效率，由資料[12]，表2－4查得＝0.99；
―圓柱齒輪傳動效率，由資料[12]，表2－4查得＝98；
由此，=0.88
故，
（3）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為5.5Kw。
（4）電動機電壓和轉速的選擇
由資料[10],表22－1－9，小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V。
同一類型、功率相同的電動機具有多種轉速。一般而言，轉速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結構尺寸和重量增加。選用轉速低的電動機則情況相反。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇 [10] 。
本課題中數控機床的主軸的轉速范圍要求為25r/min~2500r/min。由于只有一根中間
傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。V帶輪傳動比確定為，I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為，所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比4，低速傳動鏈傳動比，由此可得電機的轉速范圍：
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取VFNC系列變頻主軸電機型號VFNC 132M-33.3-5.5-4。VFNC系列變頻主軸電機的特點：1. 雙功率設計，應對短時重載切削。2. 恒功率范圍寬，可實現1:6倍恒功率設計3. 導入基頻33.3Hz設計（是我司“基頻制設計原理”在機床主軸電機上的成功應用），達成低速力矩大，確保低速強力切削，超寬恒功率調速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功率，節(jié)省成本和電源容量。
?VFNC系列變頻主軸電機特別適合數控車床類機床的主軸驅動，配合高性能矢量變頻器或主軸驅動器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經濟性具佳的數控車床類機床的變頻主軸驅動方案。電機參數如下表所示：
表2.2 電機參數
型號
S1-100%連續(xù)額定
S6-50% ED
轉動慣量G
（）
恒轉矩范圍
恒功率范圍
額定功率Kw
額定電流A
額定轉矩Nm
額定功率Kw
額定電流A
額定轉矩Nm
0.0524
1-33.3Hz，
30~1000r/min
S1-100%,
1000~6000 r/min
S6-50%,
1000~4500 r/min
VFNC 132M-33.3-5.5-4
5.5
14.1
54
5.5
19.2
74
機座長為470mm，電機軸徑為，軸伸為60mm，中心高115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料[7]得。
2.2.3 主運動調速范圍的確定、計算各軸計算轉速、功率和轉矩
主運動調速范圍的確定
（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[12]）
∵數控車床主軸轉速范圍25～2500r/min
則數控車床總變速范圍
估算主軸的計算轉速，由于采用的是無級調速，所以采用以下的公式：
(2.3)
因為數控機床主軸的變速范圍大于計算轉速的實際值同時為了便于計算
故取：
主軸的恒功率變速范圍
電機的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調速范圍。
取，則對于數控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取Z=2
故前面?zhèn)鲃颖确峙淇扇 ?
各軸計算轉速
各軸輸入功率
各軸輸入轉矩
將以上計算結果整理后列于表2.2，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表2.3 各軸的傳動參數
參數 軸
0軸（電機軸）
I軸(傳動軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸)
計算轉（）
1000
416.7
208
104/416.7
輸入功率（Kw）
5.5
5.28
5.12
4.79
轉矩（）
54
121
235
456.4/114
傳動比
，
2.2.4 轉速圖
由電機的轉速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動比,作數控車床的轉速圖, 見圖2-2.
圖2.2 轉速圖
第三章 傳動系統(tǒng)零部件設計
第三章 傳動系統(tǒng)零部件設計
3.1傳動皮帶的設計和選定
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。
普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，其結構為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為：當量摩擦系數大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預緊力小。繩芯結構帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應用于：帶速V≤25～30m/s;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。
一．主要失效形式
1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力；
2．帶由于疲勞產生脫層、撕裂和拉斷；
3．帶的工作面磨損。
保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強度和使用壽命是V帶傳動設計的主要依據，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設計的主要依據。
3.1.1．V帶傳動設計
(1)設計功率的確定：
由表8-7查得工況系數
(2) 選定帶型：
根據和由圖8-10確定選用A型。
確定帶輪的基準直徑并驗算帶速傳V：
1>初選帶輪的基準直徑由表8-6和表8-8確定：
取小帶輪直徑=125mm
2>驗算帶速V：
因為5m/s
計算大帶輪的基準直徑。
=i?=2.4×125=300mm
根據表8-8圓整為=315mm
確定V帶的中心距a和基準長度Ld
1>初定帶輪距
得：
即:
初取
2>計算帶所需的基準長度：
由表8-2選帶的基準長度Ld=1800mm
3>計算實際中心距：
安裝時所需最小軸間距：
張緊或補償伸長所需最大軸間距：
(5)驗算小帶輪包角：
所以小帶輪包角合適。
(6)計算帶的根數Z。
1>單根V帶的基本額定功率：
根據dd1和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=1.428Kw。
再根據=1000r/min、i=2.4和A型帶查表8-4b得Δ=0.12Kw
查表8-5得：
2>計算帶的根數z。
取 根。
計算單根V帶的初拉力的最小值：
應使帶的實際初拉力
計算壓軸力
壓軸力的最小值為：
(9)帶輪的結構和尺寸：
由表8-10可查得
為了減輕傳動軸上載荷，采用卸荷式帶輪結構，使帶輪上的載荷由軸承支撐進而傳給箱體，軸只承受轉矩，裝配裝置參見裝配圖。
3.2軸系部件的結構設計
3.2.1 I軸結構設計
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用凸臺定位,另一端用緊定螺釘定位。
1.選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數.
根據選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動.
（1）本次設計屬于金屬切削機床類,一般齒輪傳動,故選用6級精度.
（2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調質),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.
（3）選小齒輪齒數大齒輪齒數
2.按齒面接觸強度設計
由設計計算公式(10-9a)進行試算,即：
(2.5)
確定公式內的各計算數值
（1）試選載荷系數
（2）計算小齒輪傳遞的轉矩
由上文可知為121N/m
（3）由表10-7選取齒寬系數
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限;
（6）由式10-13計算應力循環(huán)次：
(2.6)
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數
（8）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得：
(2.7)
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值：
(2.8)
（2）計算圓周速度：
(2.9)
（3）計算齒寬：
(2.10)
（4）計算齒寬與齒高之比：
模數 (2.11)
齒高 (2.12)
(2.13)
（5）計算載荷系數
根據，6級精度，由圖10-8查得動載系數；
直齒輪，假設。由表10-3查得；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4查得6級精度，小齒輪懸臂支承時：
(2.14)
將數據代入得：
； (2.15)
由，查圖10-13得；故載荷系數：
(2.16)
（6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得：
(2.17)
（7）計算模數：
(2.18)
3.按齒根彎曲強度設計：
由式（10-5）得彎曲強度的設計公式為：
(2.19)
1）確定公式內的各計算數值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數，；
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由式（10-12）得：
(2.20)
（4）計算載荷系數K：
(2.21)
（5）查取齒形系數
由表10-5查得；。
（6）查取應力校正系數
由表10-5查得；。
（7）計算大小齒輪的并加以比較：
(2.22)
大齒輪的數值大。
2）設計計算：
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數2.31并就近圓整為標準值m=2.5，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數：
大齒輪齒數
這樣設計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑：
2）計算中心距：
3）計算齒輪寬度：
取。
5.驗算：
，合適。
3.2.2 II軸結構設計
（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[14]）
1.軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖所示：
圖2.4 中間軸的支承形式
2.軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應的電磁離合器。滾子軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用圓螺母固定,右端用軸肩定位.另外兩齒輪所對應的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，兩齒輪的另兩端用螺釘鎖緊擋圈定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。
（1）軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
式中，由表15－3，可取得110，故：
?。?5mm。由于取值較計算值大的多，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
軸的零件圖如圖2-5.
圖2.5 中間軸零件圖
（2）齒輪的設計
齒輪1和2的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設計。
1.選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數
①本數控機床的運行速度較高，精度等級選擇6級精度；
②由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調質后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調制后表面淬火，硬度為240HBS。
③小齒輪的齒數初選為＝24，＝ ＝24×2=48
2.按齒面接觸強度進行設計
按式（10－9）試算：
確定公式內的各計算值：
①初選載荷系數Kt＝1.6；
②計算小齒輪傳遞的轉矩
由前文可知小齒輪傳遞的轉矩為235;
③由表10－7及其說明，可選定齒寬系數；
④由表10－6，查得材料的彈性影響系數＝189.8；
⑤由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝650MPa；大齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa；
⑥兩齒輪的設計壽命為50000h，由式10－13，計算應力循環(huán)次數：
⑦由圖10－19查得接觸疲勞壽命系數=0.9,=0.95;
⑧計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%,安全系數s＝1。由式（10－12），
==0.9×650/1＝585MPa
==0.95×600/1=570MPa
將以上參數代入公式進行計算
① 算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[H-]中較小的值：
②計算圓周速度v：
③計算齒寬：
④計算齒寬與齒高之比：
齒輪模數
齒高
⑤計算載荷系數K
由圖10－8，查得動載系數；
由表10－3，查得;
由表10－2，查得使用系數＝1.25；
小齒輪精度為6級，相對支撐作對稱分布。由表10－4，
由b/h＝4.27，=1.15,查圖10－13，得＝1.12，
故，動載系數：
⑥按實際得載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式（10－10a）得：
⑦計算模數 ：
3.按齒根彎曲強度設計
由式（10－5）得彎曲疲勞的設計公式為
以下確定式中各參數的值：
①由圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限＝520MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限＝440MPa；
②由圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數＝0.82，＝0.87；
③計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數S＝1.3，由式（10－12）得：
＝＝0.82×520/1.3＝328MPa
＝＝0.87×440/1.3＝294.46Mpa
④計算載荷系數 K：
⑤查取齒形系數
由表10-5查得。
⑥查取應力校正系數
由表10－5,查得；。
⑦計算大、小齒輪的并加以比較：
大齒輪數值大，將用于以下計算。
將以上參數代入式（10－5）進行計算：
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而由齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度所算得的模數m=4，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數
4.幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑
2）計算中心距
3）計算齒輪寬度
取。
5.驗算
，合適。
第二對齒輪的模數可取得比齒輪1小，＝4。由于這兩齒輪得中心距與齒輪1和2的中心距相等，故,,
四個齒輪的尺寸參數如表2.4所示。
表2.4 齒輪尺寸參
參數 齒輪
1
2
3
4
模數m
4
4
4
4
齒數z
38
76
76
38
中心距a
228
分度圓直徑d
152
304
304
152
齒頂圓直徑
160
312
312
160
齒根圓直徑
142
194
194
142
全齒高h
9
9
壓力角
基圓直徑
142.8
285.67
285.67
142.8
傳動比
2/1
1/2
齒輪寬B
45
40
40
45
齒寬系數
0.25
3.2.3電磁摩擦離合器的計算和選擇
本課題中數控機床得轉速較高，對工作可靠性要求高，根據資料[13]中的結構選擇原則，選取濕式多片電磁離合器。
形式選定后，應進一步確定其規(guī)格（本小節(jié)公式及參數除非特別說明，均出自資料[15]）
（1）規(guī)格計算
其規(guī)格選擇計算的基本原則是使其計算轉矩小于或等于其薄弱環(huán)節(jié)的失效條件限制而允許其傳遞的許用轉矩[T]，即
(2.23)
其中--理論轉矩
--計算轉矩
--公稱轉矩
--許用轉矩
--最大轉矩
--許用最大轉矩
--許用轉速
1）計算轉矩
由于各類聯軸器，離合器實際工況不同，在確定計算轉矩時應將理論轉矩乘以不同系數K。
本機床承受長期平穩(wěn)載荷，故：
(2.24)
式中，，，--分別為離合器的計算轉矩，公稱，許用轉矩，N/m；
--離合器理論轉矩,N/m；
K—離合器工況系數
—離合器接合頻率系數
—離合器滑動速度系數
本文中為金屬切學機床，由表15.2-3查得K=1.4，由表15.2-4查得 =1.00，由表15.2-4查得=1.08從而得到：
(2.25)
根據計算轉矩，查表資料[00000]選取規(guī)格為DLMS-16A的濕式多片電磁離合器，相關尺寸可從資料中查取。
第四章 主軸結構設計
第四章 主軸結構設計
4.1 對主軸組件的性能要求
主軸組件是機床主要部件之一，它的性能對整機性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求：
①回轉精度 主軸組件的回轉精度，是指主軸的回轉精度。當主軸做回轉運動時，線速度為零的點的連線稱為主軸的回轉中心線?；剞D中心線的空間位置，在理想的情況下應是固定不變。實際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時回轉中心線的平均空間位置成為理想回轉中心線。瞬時回轉中心線相對于理想回轉中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉誤差，而回轉誤差的范圍，就是主軸的回轉精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨存在。當徑向誤差和角度誤差同時存在時，構成徑向跳動，而軸向誤差和角度誤差同時存在構成端面跳動。由于主軸的回轉誤差一般都是一個空間旋轉矢量，它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。
主軸回轉精度的測量，一般分為三種：靜態(tài)測量、動態(tài)測量和間接測量。目前我國在生產中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量法，用一個精密的測量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測棒圓柱表面，以低速轉動主軸進行測量。千分表最大和最小的讀數差即認為是主軸的徑向回轉誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內的直角坐標系的垂直坐標系的垂直度數據綜合表示。動態(tài)測量是用以標準球裝在主軸中心線上，與主軸同時旋轉；在工作態(tài)上安裝兩個互成90o角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉情況。間接測量是用小的切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上的測量試件的圓度來評價。出廠時，普通級加工中心的回轉精度用靜態(tài)測量法測量，當L＝300mm時允許誤差應小于0.02mm。造成主軸回轉誤差的原因主要是由于主軸的結構及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉零件的不平衡，在回轉時引起的激振力，也會造成主軸的回轉誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。
②剛度 主軸部件的剛度是指受外力作用時，主軸組件抵抗變形的能力。通常以主軸前端產生單位位移時，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其它力的作用下，主軸將產生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質量，還會破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結構尺寸、支承跨距、軸承類型及配置型式、軸承間隙的調整、主軸上傳動元件的位置等有關。
③抗振性 主軸組件的抗振興是指切削加工時，主軸保持平穩(wěn)地運行而不發(fā)生振動的能力。主軸組件抗振興差，工作時容易產生，不僅降低加工質量，而且限制了機床生產率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠遠大于激振力的頻率。
④溫升 主軸組件在運轉中，溫升過高會引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱彭漲而變形，主軸的回轉中心線和機床其它組件的相對位置會發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會因溫度過高而改變已調好的間隙和破壞正常潤滑條件，影響軸承的正常工作。嚴重時甚至會發(fā)生“抱軸”。數控機床一般采用恒溫主軸箱來解決恒溫問題。
⑤耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤滑，以提高耐磨性。
以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度和高速，高速與低溫升，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設計高效數控機床的主軸組件時，主軸應滿足高速和高剛度的要求；