畢業(yè)設計論文CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計

提供全套畢業(yè)論文圖紙，歡迎咨詢河南科技大學畢業(yè)論文題目：CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：指導老師： 姓名： 學號： 摘要數(shù)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(chǎn)中使用最廣。本論文首先介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀 ,并分析了其存在的問題 ;對數(shù)控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對ck6140數(shù)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(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。目前，數(shù)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(diào)速范圍35，難以滿足主軸變速要求；串聯(lián)變速齒輪則擴大了齒輪的變速范圍 。本設計的不足之處由于受到傳遞轉(zhuǎn)矩的限制而無法采用電磁離合器進行變速換擋，而采用了液壓撥叉進行變速換擋，增加了機床的復雜性，必須將數(shù)控裝置的電信號轉(zhuǎn)換為電磁閥的機械動作，從而增加了變速機構的中間環(huán)節(jié)，相應地帶來更多不可靠的因素。關鍵詞：數(shù)控車床，無級調(diào)速，傳動系統(tǒng) ，變速機構AbstractNC 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 ck6140NC 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 .Disadvantages of this design because of the transmission torque limit and cannot use electromagnetic clutch to shift gears, and adopts the hydraulic fork are shifting, machine tools increased complexity, we must convert electrical signals into mechanical actions of numerical control device of electromagnetic valve, thereby increasing the intermediate link transmission mechanism, accordingly bring more unreliable factors.Key words: CNC lathes, a continuously variable speed , transmission Systerm, Transmission mechanism目錄摘要IAbstractII第一章 緒論- 1 -1.1 課題背景及目的- 1 -1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢- 2 -1.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢- 2 -1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢- 2 -1.3 課題研究內(nèi)容及方法- 6 -1.3.1 課題研究內(nèi)容- 6 -1.3.2 研究方法- 6 -1.4 論文構成- 6 -第二章 主傳動系統(tǒng)的設計- 7 -2.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求- 7 -2.2 總體設計- 7 -2.2.1 擬定傳動方案- 7 -2.2.2 選擇電機- 8 -2.2.3 主運動調(diào)速范圍的確定、計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩- 11 -2.2.4 轉(zhuǎn)速圖- 13 -第三章 傳動系統(tǒng)零部件設計- 14 -3.1 傳動皮帶的設計和選定- 14 -3.1.1 V帶傳動設計- 14 -3.2 皮帶輪結(jié)構設計- 16 -3.2.1 對三角皮帶帶輪設計的要求：- 16 -3.2.2 皮帶輪的材料- 16 -3.2.3 結(jié)構尺寸的設計- 17 -3.3 軸系部件的結(jié)構設計- 18 -3.3.1 軸結(jié)構設計與校核- 18 -3.3.2 軸齒輪組的設計- 21 -3.3.3 軸結(jié)構設計- 25 -3.3.4 軸齒輪組的設計- 26 -第四章 主軸結(jié)構設計- 31 -4.1 主軸的要求- 31 -4.2 主軸軸承選擇- 32 -4.3 主軸的設計與校核- 33 -4.4 主軸驅(qū)動與控制- 37 -第五章 結(jié)論- 41 -參考文獻- 42 -致謝- 43 -第一章 緒論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(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)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，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)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(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)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(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高37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(xiàn)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?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)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(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應。 此外，機床數(shù)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(shù)控技術已經(jīng)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(shù)控機床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費內(nèi)容也可可看出,普通機床的市場份額在下降,數(shù)控機床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)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(shù)控機床的消費會逐漸擴大。在這樣一種背景下，我的課題選擇為設計一臺數(shù)控車床CK20，用于對轉(zhuǎn)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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)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(shù)據(jù)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(nèi)外數(shù)控技術及數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的感性認識。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 數(shù)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(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代基于PC（PCBASED）。未來數(shù)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(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)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(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關參數(shù)，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(jīng)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(shù)數(shù)據(jù)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(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。1.2.2 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1、研究現(xiàn)狀我國數(shù)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(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴峻的形勢：一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓，國內(nèi)機床產(chǎn)品充斥市場，嚴重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外，一個最主要的原因就是新產(chǎn)品（包括基型、變型和專用機床）的開發(fā)周期長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。 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(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)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(jié)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(jié)構在現(xiàn)代數(shù)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(xiàn)機電一體化； 機床外形整齊、美觀，占地面積??； 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(xiàn)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(jié)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(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)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(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。根據(jù)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(shù)略大。結(jié)構如下圖所示： a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 圖 1.21導軌布置圖c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 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(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)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(shù)控車床的主傳動采用交、直主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸結(jié)構大為簡化。為了適應不同的加工需求數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式。 電動機直接驅(qū)動 主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機驅(qū)動。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉(zhuǎn)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。采用定比傳動 主軸電動機經(jīng)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(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動機的調(diào)速范圍相同。 目前，交流、直流主軸電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(shù)控機床。 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(xiàn)，電動機的無級變速配合變速機構可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。用兩個電機分別驅(qū)動主軸 上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅(qū)動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅(qū)動主軸4）刀架系統(tǒng) 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)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(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對刀具的數(shù)目有一定的限制，當需要數(shù)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(shù)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(jié)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(zhuǎn)變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)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。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(nèi)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(shù)控車床設計CAD化、結(jié)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(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工。5）智能化、網(wǎng)絡化、柔性化和集成化5。1.3 課題研究內(nèi)容及方法1.3.1 課題研究內(nèi)容本課題設計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：床身上最大回轉(zhuǎn)直徑： ；溜板箱上直徑： 最大車削長度：；主軸錐度：莫氏6#主軸轉(zhuǎn)速：252500rpm（有級或無極變頻調(diào)速）；主軸功率：5.5Kw課題研究的主要內(nèi)容包括主軸傳動系統(tǒng)的設計、換擋變速機構的選用。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(shù)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(nèi)外相關資料，吸取專家的設計經(jīng)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(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK6140的性能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)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(jù)機床性能要求，確定機床支承件結(jié)構形式為斜床身結(jié)構，并進行總體布局。（2）選擇主電機。根據(jù)切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型。（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(shù)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(nèi)容。第二章詳細論述主軸系統(tǒng)方案的制定。第三章傳動系統(tǒng)零部件的設計。第四章主軸結(jié)構的設計。第五章總結(jié)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)的設計2.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削過程中能自動變換速度，機床結(jié)構要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機電一體化設備，其主傳動系統(tǒng)的設計應滿足如下基本要求。使用性能要求 首先應滿足機床的運動性能，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。傳遞動力要求 主電動機和傳遞結(jié)構能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩(wěn)定。此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護性能好；使用壽命長。2.2 總體設計2.2.1 擬定傳動方案數(shù)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(diào)速范圍內(nèi)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(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡化主軸箱結(jié)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(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)控機床的復雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)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 2.21機械變速方案示意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(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)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(shù)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(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式。2.2.2 選擇電機1、選擇電機應綜合考慮的問題(1)根據(jù)機械的負載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。(2)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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0.80.9。(3)根據(jù)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(jié)構型式。(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)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(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)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(zhuǎn)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。2、電動機類型和結(jié)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(zhuǎn)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。總的來說，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表2.2-1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)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 2.21主軸驅(qū)動系統(tǒng)的理想性能項目內(nèi)容高性能低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩高旋轉(zhuǎn)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(shù)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(qū)動系統(tǒng)是當前商用主軸驅(qū)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(shù)控機床上。 經(jīng)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(xiàn)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(zhuǎn)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，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（） (2.1) 傳動裝置的總效率 其中， V帶輪傳動效率，由資料10，表24查得0.96； (2.2)滾動軸承效率，由資料10，表24查得0.99； 圓柱齒輪傳動效率，由資料10，表24查得0.98； 由此， =0.87 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0.80.9，所以電動機額定功率選取為7.5Kw。（4）電動機電壓和轉(zhuǎn)速的選擇由資料7,表2219，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(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)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(jié)構尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)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。本課題中數(shù)控機床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為25r/min2500r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)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,軸上齒輪傳動比確定為軸上兩對直齒輪的傳動比分別為，所以兩條傳動鏈中，底速傳動鏈傳動比，高速傳動鏈傳動比，由此可得電機的轉(zhuǎn)速范圍：r/min,（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 160M-33.3-7.5-4。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(xiàn)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(diào)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(shù)控車床類機床的主軸驅(qū)動，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟性具佳的數(shù)控車床類機床的變頻主軸驅(qū)動方案。電機參數(shù)如下表所示：表 2.22電機參數(shù)型號S1-100%連續(xù)額定S6-50% ED 轉(zhuǎn)動慣量（錯誤!未找到引用源。）恒轉(zhuǎn)矩范圍恒功率范圍額定功率Kw額定電流A額定轉(zhuǎn)矩Nm額定功率Kw額定電流A額定轉(zhuǎn)矩Nm0.10871-33.3Hz，301000r/minS1-100%,10006000 r/minS6-50%,10004500 r/minVFNC 160M-33.3-7.5-47.518.873.51125105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2得。2.2.3 主運動調(diào)速范圍的確定、計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 主運動調(diào)速范圍的確定（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料10）數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍252500r/min則數(shù)控車床總變速范圍 (2.3)估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式： (2.4)因為數(shù)控機床主軸的變速范圍大于計算轉(zhuǎn)速的實際值同時為了便于計算故?。褐鬏S的恒功率變速范圍 (2.5)電機的恒功率變速范圍由于Rnp>>Rdp，電動機直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。取，則對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 (2.7)各軸輸入功率 (2.8)各軸輸入轉(zhuǎn)矩 (2.9)將以上計算結(jié)果整理后列于表2.2-3，供以后計算選擇，供Fz以后計算使用：表 2.23各軸傳動參數(shù)參數(shù) 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(zhuǎn)（）1000769.24273178/427.3輸入功率（Kw）7.57.26.856.51轉(zhuǎn)矩（）71.689.4153349/145.5傳動比2.2.4 轉(zhuǎn)速圖由電機的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖, 見圖2.2-2. 圖 2.22 轉(zhuǎn)速圖第三章 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5）帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據(jù)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(jié)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(shù)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(jié)構帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應用于：帶速V2530m/s;傳動功率P700kW;傳動比i10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(chǎn)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(jù)，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設計的主要依據(jù)。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(shù) (3-1)(2) 選定帶型：根據(jù)和由圖8-11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=160mm2>驗算帶速V： (3-2)因為5m/s<V<30m/s,故帶速合適。3>計算大帶輪的基準直徑。=i=1.3160=208mm根據(jù)表8-8圓整為=224mm確定V帶的中心距a和基準長度Ld 1>初定帶輪距得： (3-3)即 初取 2>計算帶所需的基準長度： (3-4)由表8-2選帶的基準長度Ld=1800mm3>計算實際中心距： (3-5)安裝時所需最小軸間距： (3-6)張緊或補償伸長所需最大軸間距： (3-7)(5)驗算小帶輪包角： (3-8)所以小帶輪包角合適。(6)計算帶的根數(shù)Z。1>單根V帶的基本額定功率：根據(jù)和=1000r/min查表8-4a得基本額定功率=2.8Kw。再根據(jù)=1000r/min、i=1.3和A型帶查表8-4b得=0.22Kw查表8-5得： (3-9)2>計算帶的根數(shù)z。 (3-10)取Z=4根計算單根V帶的初拉力的最小值： (3-11)應使帶的實際初拉力計算壓軸力壓軸力的最小值為： (3-12)(9)帶輪的結(jié)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(jié)構，使帶輪上的載荷由軸承支撐進而傳給箱體，軸只承受轉(zhuǎn)矩，裝配裝置參見裝配圖。3.2 皮帶輪結(jié)構設計 3.2.1 對三角皮帶帶輪設計的要求：、重量輕；、結(jié)構工藝性好，無過大鑄造內(nèi)應力，便于制造；、質(zhì)量分布均勻；、輪槽工作面要精細加工56，以減少皮帶的磨損；、應保證一定的幾何尺寸精度，以使載荷分布均勻；、要有足夠的強度和剛度；、盡可能的從經(jīng)濟角度加以考慮。3.2.2 皮帶輪的材料 根據(jù)V=10.55ms30ms ,考慮到加工方便及經(jīng)濟性的原則，采用HT15-30的鑄鐵帶輪。3.2.3 結(jié)構尺寸的設計 、輪槽的設計對與A型皮帶由【3】*表12-12查得有關參數(shù)表格 三1 A型帶各參數(shù)MfTsbB=312.53.5161011668b=17 B=（Z-1）t+2s=（4-1）16+210=68mm (3-13)圖 3.21帶輪各參數(shù)的定義帶輪的設計 mm300mm， 故采用腹板式。又：D1d1=19445=149100 ，故在腹板上開4孔，a）、有關結(jié)構尺寸如下：d=25mm; 第I軸直徑d1=1.825=45mmD0=0.5（D1d1）=0.5（45194）=119.5mmD1=224262（12.53.5）=194mmd0=0.25（2803058）=48mmL=2d=322=64mm=2247=231mm3.3 軸系部件的結(jié)構設計3.3.1 軸結(jié)構設計與校核（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料5）I軸上的零件主要是齒輪1。一端用軸肩定位,另一端用套筒定位。（1）軸的選材和最小直徑得確定軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。軸的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： (3-14)（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度初步選擇滾動軸承因該軸承僅承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求選擇型號為6006的深溝球軸承，參數(shù)如下，安裝尺寸所以取安裝齒輪處的軸段2-3的直徑29mm;齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為37mm, 為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度，故取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d,故取h=3mm,則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)寬度,取。 取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=18mm,考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm,已知滾動軸承寬度b=12mm,則軸結(jié)構如圖所示：圖 3.31軸結(jié)構圖軸的受力分析和彎矩的計算1.輸入軸的功率=7.2KW，轉(zhuǎn)速=769.2r/min，轉(zhuǎn)矩2.求作用在齒輪上的力 (3-15)3.計算支撐反力 在水平面上 (3-16) 在垂直平面上 (3-17)4.計算彎矩和轉(zhuǎn)矩并做彎矩扭矩圖（如下圖所示） (3-18) 5.按彎扭組合強度校核軸的強度對于直徑為d的圓軸，彎曲應力為,扭轉(zhuǎn)切應力為,將，則軸的彎扭合成強度條件為 (3-19)式中：軸的計算應力，MPa M軸所受的彎矩，Nmm T軸所受的扭矩，Nmm W軸的抗彎截面系數(shù)，進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面D）的強度。根據(jù)校核公式及以上數(shù)據(jù)，以及軸雙向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力： 前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查表可得:。因此，故安全。圖 3.32 軸的載荷分析圖3.3.2 軸齒輪組的設計1.選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數(shù).根據(jù)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(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.（3）選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù) 2.按齒面接觸強度設計 由設計計算公式(10-9a)進行試算,即： (3-19)確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩由上文可知為89.4Nm（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)（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： (3-20)（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)（8）計算接觸疲勞許用應力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得： (3-21)2）計算（1）小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值： (3-22)（2）計算圓周速度： (3-23)（3）計算齒寬： (3-24)（4）計算齒寬與齒高之比： 模數(shù) (3-25) 齒高 (3-26) (3-27)（5）計算載荷系數(shù)根據(jù)，6級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)；直齒輪，由表10-2查得使用系數(shù)由表10-4查得6級精度，小齒輪非對稱支承時： (3-28)將數(shù)據(jù)代入得：； (3-29)由b/h=4.66,，查圖10-13得；故載荷系數(shù)： (3-30) （6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得： (3-31)（7）計算模數(shù)： (3-32)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： (3-33)1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)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(shù)，；（3）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得： (3-34) （4）計算載荷系數(shù)K： (3-35) （5）查取齒形系數(shù)由表10-5查得。（6）查取應力校正系數(shù)由表10-5查得。（7）計算大小齒輪的并加以比較： (3-36)大齒輪的數(shù)值大。2）設計計算：對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)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(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)2.47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(shù)：大齒輪齒數(shù)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(jié)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。3.3.3 軸結(jié)構設計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料5）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 3.33中間軸支撐形式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是雙聯(lián)滑移齒輪。滾動軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩定位，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(diào)質(zhì)處理）。軸的最小尺寸，由式（152）， 式中，由表153，可取得110，故： （2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度初選型號6008的深溝球軸承 參數(shù)如下故軸 ，即安裝滑移齒輪處軸段的直徑取安裝固定齒輪處軸段2-3的直徑齒輪左端與左端軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為32mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度，故取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d,故取h=5mm,則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)寬度,取。 取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離a=18mm,考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=8mm,已知滾動軸承寬度b=15mm,則取35mm。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3.3-4.圖 3.34中間軸零件圖3.3.4 軸齒輪組的設計齒輪1和2的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數(shù)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(shù)本數(shù)控機床的運行速度較高，精度等級選擇6級精度；由表101，小齒輪材料選擇為20，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。小齒輪的齒數(shù)初選為24， 242.4=57.62.按齒面接觸強度進行設計按式（109）試算： 確定公式內(nèi)的各計算值：初選載荷系數(shù)Kt1.6；計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為153Nm;由表107及其說明，可選定齒寬系數(shù)； 由表106，查得材料的彈性影響系數(shù)189.8；由圖1021d，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；兩齒輪的設計壽命為72000h，由式1013，計算應力循環(huán)次數(shù)： 由圖1019查得接觸疲勞壽命系數(shù)=0.92,=0.95;計算接觸疲勞許用應力取失效概率為1%,安全系數(shù)s1。由式（1012），將以上參數(shù)代入公式進行計算 算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值：計算圓周速度v： 計算齒寬： 計算齒寬與齒高之比： 齒輪模數(shù) 齒高 計算載荷系數(shù)K由圖108，查得動載系數(shù)；由表103，查得;由表102，查得使用系數(shù)1.25；小齒輪精度為6級，相對支撐作對稱分布。由表104， 由b/h2.66，=1.13,查圖1013，得1.07，故，動載系數(shù)：