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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date数控机床主传动系统及主轴设计.数控机床课程设计新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书学 生 姓 名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计接受 任务 日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指 导 教 师指导教师单位机械工程系设计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究
2、能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。设计(论文)要求1论文格式要正确。2题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。3设计要求学生整个课题由学生独立完成。4学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。论文指导记录2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题
3、目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。参考资料1 成大先.机械设计手册-轴承M.化学工业出版社 2004.12 濮良贵 纪名刚.机械设计M.高等教育出版社 2006.53 李晓沛 张琳娜 赵凤霞. 简明公差标准应用手册M.上海科
4、学技术出版社 2005.54 文怀兴 夏田.数控机床设计实践指南M.化学工业出版社 2008.1 5 日刚野修一(著). 杨晓辉 白彦华(译) .机械公式应用手册M.科学出版社 2004新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）成绩表学 生 姓 名专业班级机电一体化09-11（1）设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴部件设计指导教师指导教师单位机械工程系指导教师评语评阅成绩： 评阅教师签字： 年月日答辩记录成绩： 提问教师签字： 年月日答辩小组意见答辩成绩： 答辩小组组长签字： 年月日-摘 要数控车床是高度自动化车床，数控车床主传动系统的特点是：机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效
5、率加工的需要；主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；主轴应有足够高的刚度和回转精度；主轴转速范围应用很广，如对铝合金材料的高度切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中转动元件的允许极限（如主轴轴承允许的极限转速），而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。数控机床作为高精度和高生产率的自动化机床在机械结构方面较普通机床有更高的要求，如高刚度，高精度，高速度，低摩擦等。机场上带动工件活刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动刚度和结构刚度是决定加工质量和切削效率
6、的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度你的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承制造和装配质量。动、刚精度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承刚度和阻尼。速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。关键词：数控机床；主轴；传动系统AbstractCNC lathe is highly automatic lathe, CNC lathe main drive system is characterized by : the machine has a sufficiently
7、 high speed and large power, in order to adapt to the high efficiency of processing needs; the spindle speed change is rapid and reliable, can automatic transmission; the main shaft should be high enough stiffness and rotary precision of the spindle speed range; a very wide application, such as the
8、aluminum alloy high cutting, almost no upper limit, maximum spindle speed depends on the main transmission system of the rotating element of the permissible limit ( such as spindle bearings allow the limit speed ), and the lowest speed according to the processing of stainless steel and other hard ma
9、terials processing to determine requirements.CNC machine tools as high precision and high productivity of automated machine tools in mechanical structure than ordinary machine tools have higher requirements, such as high rigidity, high precision, high speed, low friction.The airport drives the workp
10、iece live tool s axis of rotation. Usually by the spindle, bearings and transmission parts ( gear or belt wheel ) composed of spindle parts. In addition, broaching machine, planer main movement into linear movement of the machine tool, the majority of machine tools have spindle parts. Spindle motor
11、rigidity and stiffness of the structure is to determine the machining quality and machining efficiency are important factors. Measurement of spindle components performance indicators are mainly rotation precision, stiffness and rate adaptation. The rotating precision: the rotation of the main shaft
12、in the effect on machining accuracy in the direction you appear on the axial and radial run-out (see tolerances ), depends mainly on the spindle and the bearing manufacturing and assembly quality. The move, just precision: mainly depends on the spindle of the bending stiffness, bearing stiffness and
13、 damping. The speed of adaptation: the maximum allowed speed and range, mainly depends on the structure of bearing and lubrication, and cooling condition.Keywords: CNC machine tool; spindle; transmission system目 录摘 要3Abstract4第1章 绪论.61.1CJK0640数控车床主传动系统设计概述6 1.2主传动系统设计的技术要求.61.3设计方案选型分析，画出系统框图71.4主传
14、动系统主要技术指标的确定8第2章 CJK0640数控车床主传动系统设计.92.1主轴变速方案设计92.2主传动功率与调速范围92.3主轴电机的选型与校验112.4变频器的选型设计142.5主轴准停装置及转速与角位移的测定装置15第3章 主轴部件结构设计.163.1主轴组件及性能要求163.2主轴结构设计163.3主轴的设计校验163.4主轴组件的设计与校验18第4章 总结与展望25致谢.26参考文献.27第1章 绪论1.1 CJK0640数控车床主传动系统设计概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统,它应具有一定的转速(速度和一定的变速)范围,以便采用不同材料的刀具,加工不同材料、不同尺寸
15、、不同要求的工件,并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。数控车床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，与普通机床的主传动系统相比，结构更简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统，用于扩大电动机无级调速的范围。1.2主传动系统设计的技术要求 （1） 具有更大的调速范围并实现无级变速 数控车床为了保证加工时能选用合理的切屑用量，充分发挥刀具的切屑功能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控车床，工序集中，工件一次装夹可完成许多工序，所以，为了适应
16、各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。（2) 具有较高的精度与刚度，传动平稳、噪声低 数控车床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配后，在无载和低速转动条件下主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡，还可以对齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨
17、性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。静态刚度反映了主轴或零件抵抗静态外载的能力。数控车床多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支承跨距和主轴前端的悬伸量等。（3) 良好的抗振性、热稳定性 数控车床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切屑、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切屑过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此，在主传动系统
18、中的各主要零件部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰引振动的能力抗振性。抗振性可用动刚度或动柔度来衡量。例如，主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。机床在切屑加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误差，且热变形限制了切屑用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。1.3设计方案选型分析，画出系统框图图1-1 系统框图1.4主传动系统主要技术指标的确定CJK0640数控车床床身上最大回转直径31
19、0mm，最大工件长度350mm；主轴通孔直径49mm，主轴内锥度莫氏3号短锥，可以加工直线、锥度、球面、螺纹罩等，功能齐全、精度可靠、操作方便。主传动系统的主要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电动机的功率；运动参数是指主运动变速范围。根据数控车床的加工工艺、加工对象、所要求精度、成本及生产周期并结合国内外机床发展现状确定数控车床主要技术指标如表1-1所示。表1-1 CK6430数控车床主要技术参数参数名称CJK0640车床上最大工件回转直径mm300最大工件长度mm350加工最大直径mm200主轴内孔锥度莫氏3号主轴中心高mm166主轴孔径mm49主电机功率Kw3转速r/min
20、1450加工最大长度mm350螺纹加工范围公制mm0.2512英制牙/寸331/23牙/寸第2章 CJK0640数控车床主传动系统设计2.1主轴变速方案设计数控车床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控车床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求，故大多数数控车床采用无级变速系统,数控车床主传动系统主要有三种方式，如图2-1所示。 （a）变速齿轮 （b）带传动 （c）内装电动机的主轴传动结构 图2-1 数控车床主传动的三种配置方式 本次所设计的车床是依靠传动比为1的皮
21、带轮来实现变速，所以我所选择的变速传动方式为带传动，如图2-1（b）图2-2 CJK0640 数控车床传动系统图2.2 主传动功率与调速范围(1) 主传动功率的计算式中 有效功率，kw； 切削力，N；一般切削力为1500N； V切削速度，m/min，由切削用量手册查得，v取100m/min。式中 主传动功率，kw； 主传动系统中传动副的机械效率，经机械设计手册查得，主传动链的功率效率,取0.85.因此，电动机的额度功率为3kw。(2) 调速范围的计算1.最高转速和最低转速的确定 确定最低转速（）和最高转速（）的方法，主要是调查、分析在所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典
22、型工序。按照典型工序的刀具切削速度和刀具（或工件）直径，由式（2-1）、式（2-2）、式（2-3）可计算出、及变速范围； （2-1） （2-2） （2-3）式中的、可根据切削用量手册、现有机床使用情况调查或者切削实验确定，通用机床的和并不是指机床上可能加工的最大和最小直径，而是指实际使用情况下，采用（或）时常用的经济加工直径，对于通用机床，一般取式中 D-机床加工的最大直径，mm； K-系数，根据对现有同类机床使用情况的调查确定，如卧式车床K=0.5，摇臂钻床K=1.0； -计算直径范围，通常=0.20.25。根据数据，通用卧式车床k=0.5，=0.25，则根据分析，主轴最低转速由下面两道工序
23、确定。工序1 用高速钢车刀，对于铸铁材料的盘形零件粗车端面。参考切削用量资料取，则工序2 用高速钢刀具，精车合金钢材料的梯形螺纹（丝杠）时，主轴转速较低，取，据调查，卧式车床上加工丝杠最大直径为2025mm左右，则综合实际情况，同时考虑今后的发展储备，最后确定，。主轴的调速范围为最高转速与最低转速之比2.3主轴电机的选型与校验数控车床的加工范围一般都比较大，切削功率可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力按下式来确定查金属切削手册知，以硬质合金刀具合金结构钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力，切削速度，取。查机电一体化手册车削功率在8-16kw之间，机床主传动的功率P可根据切削功率与主
24、运动传动链的总效率来确定故电动机功率取3kw式中 主切削力的切向奋力，N； 切削速度，m/min； M切削转矩，Nm； n主轴转速，r/min。主传动链的功率效率，CJK0640数控车床采用调速电动机和较短的机械传动链，效率较大，因此主传动的总效率取。表2-1是电动机的功率规格表电动机型号额定功率/KW满载转速/（r/min）堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩质量/kg同步转速1500 r/min， 4级Y90L-41.514002.22.327Y100L1-42.214302.22.334Y100L2-4314302.22.338Y112M-4414402.22.343Y132S-45.5
25、14402.22.368考虑到数控车床的变速范围比较大，选用三相异步电动机Y100L2-4表2-2就是电动机的型号表型号额定功率额定电流转速效率功率因数堵转转矩堵转电流最大转矩噪声振动速度重量Y100L2-436.8148082.50.812.27.02.365/701.835考虑到数控车床的变速范围比较大，选用三相异步电动机Y100L2-4主电动机型号 (1) 电动机 Y100L2-4(2) 功率 3KW (3) 转速 1450r/min电动机校核额定转矩：=9550= 最大转矩：2.3=2.3*19.75=45.43堵转转矩：2.2=2.2*19.75=43.45校核 =202.9（kw）
26、2.4变频器的选型设计图2-3是变频器的实体图 表2-3是变频器的型号表型号适配电机额定输出电流导线面积结构代号冷却方式F1000-GOO37T3B3.78.02.5B4风冷表2-4是变频器的各种参数项目内容输入额定电压范围三相380V15%;单相220V15%额定频率50/60Hz输出额定电压范围三相0380V；单相0220V频率范围0.5400.0HzV/F控制控制方式空间电压矢量+随机PWM频率分辨率最高0.01Hz,允许可调转矩提升转矩提升（V/F）曲线，可在116范围内任意设定；也可以自定义转矩提升曲线失速防止限电流输出，阀值电流可调过载能力150%额定电流，一分钟操作功能频率设定电
27、位器外部模拟信号（05V，010V，020mA）；键盘（端子）/键、端子控制设定、Modbus上位机控制起/停控制无源触点控制、键盘控制或Modbus上位机控制频率变化率0.13000S（频率变化一定量所需要的时间）保护功能输入缺相、输入欠压、直流过压、过电流、过载、电流失速、过热、外部干扰等显示LED数码管显示当前输出频率、当前转速（rpm）、当前输出电流、当前输出电压、当前线速度、故障类型以及系统参数、操作参数；LED灯指示变频器当前的工作状态环境条件设备场所无强烈腐蚀性气体和粉尘环境温度10+50环境湿度90%以下（无水珠凝结现象）振动强度0.5g（加速度）以下海拔高度1000米以下适配
28、电机0.4400KW2.5主轴准停装置及转速与角位移的测定装置车床在加工螺纹时，需要保证精确的加工位置，因此我们需要有装置来进行对主轴的准停和转速的控制。我选用一对齿数、模数均相同的齿轮来配合光电编码器进行对数据的反馈来对主轴的准停和转速进行控制。第3章 主轴部件结构设计3.1主轴组件及性能要求图3-1主轴装配图3.2主轴结构设计图3-2主轴零件图3.3主轴的设计校验按主轴部件基本性能要求综合确定 技术条件：机床类型：数控车床 主轴最高转速：n=1500r/min 床身上最大加工直径： 额定功率：3Kw 最小孔径：d=52 最小壁厚：t=13（1）直径的上限值受轴承的速度因数值和轴承允许温度T
29、所限制。 (根据高速性要求，将和 T=35C带入)（2）直径的下限值由许用刚度确定 初步设定主轴刚度为 40N/m。 可知： 应满足： 实际设计取：，D=75mm,查表得所以该轴的强度符合要求。3.4 主轴组件的设计与校验3.4.1. 轴承的选型设计与校验主轴常用的滚动轴承的类型有：(1) 圆锥孔双列圆柱滚子轴承(2) 滚子轴承(3) 双向推力角接触球轴承(4) 角接触球轴承(5) 陶瓷滚动轴承(6) 磁浮轴承按照本次设计的数控车床主轴系统的要求，我选择角接触球轴承。因为角接触球轴承可同时承受径向和一个方向的轴向载荷，极限转速较高，单独承受径向载荷时，会引起轴向分力，轴向承载能力随接触角的增大
30、而增大。根据本次车床主轴系统的设计要求，属于高速轻载类，且对于轴向载荷的大小要求较高，因此我所选择接触角。滚动轴承的尺寸选择（后轴承）由于后轴承所配合的主轴的外径为65mm,因此前轴承的内径,由机械手册-轴承表6-2-61得：前轴承的外径，。查机械设计手册-轴承可得后轴承代号为7213AC。用这种方法可得前轴承代号为7015AC。3.4.2. 轴承盖的设计 轴承盖起到轴承轴向固定的作用，同时也能有效的保护轴承。后轴承盖的内径为83mm，外径为151mm，厚度为16.6mm。其与后轴承配合部分的内径为120mm，壁厚为2mm，长度23mm。后轴承盖的内径为101mm，外径为151mm，厚度为16
31、.6mm。其与后轴承配合部分的内径为115mm，壁厚为2mm，长度20mm。 3.4.3 齿轮的设计压力角 齿距 齿顶高系数 齿顶高 齿根高 全齿高 顶隙系数 () 全齿高 分度圆 齿厚 齿槽宽 传动比 传动比 i 为主动齿轮的转速n1（r/min）与从动齿轮的转速n2（r/min）之比，或从动齿轮的齿数与主动齿轮的齿数之比。 即 i= n1/n2 = z2/z1 中心距 a 两圆柱齿轮轴线之间的最短距离称为中心距，即：a=(d1+d2)/2=m(z1+z2)/2=101.6*2=203.2 图3-1同步齿轮3.4.4 皮带轮的设计皮带轮传动的特点:皮带轮传动的优点有：皮带轮传动能缓和载荷冲击
32、；皮带轮传动运行平稳、低噪音、低振动；皮带轮传动的结构简单，调整方便；皮带轮传动对于皮带轮的制造和安装精度不像啮合传动严格；皮带轮传动具有过载保护的功能；皮带轮传动的两轴中心距调节范围较大。皮带传动的缺点有：皮带轮传动有弹性滑动和打滑，传动效率较低和不能保持准确的传动比；皮带轮传动传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴向压力比啮合传动大；皮带轮传动皮带的寿命较短。皮带轮的分类:皮带传动主要有：平皮带、三角带、同步齿型带三种，三种皮带都有国家标准，但是皮带轮因传动比、功率的变化较大，没有完全对应的国家标准或国家标准无法涵盖所有内容，但国家标准确定了选用范围、使用条件、设计方法等内容。另外与国标类似的
33、标准编号为ISO 1081-1995 的标准规定了皮带传动、三角皮带和三角有棱皮带,及有槽皮带轮的选用、设计规范。分为SPZ，SPA，SPB，SPC，SPD型五种皮带轮。三种皮带轮的优缺点:平带是传动带的一种。它价格低，结构简单，但是传动时易打滑，所以不适合用于较精密的传动。三角带结构简单，制造、安装精度要求不高，使用维护方便，适用于两轴中心局较大的场合。传动平稳，噪音低，有缓冲吸振作用过载时，传动带会在带轮上打滑，可以防止薄弱零件的损坏，起安全保护作用。其缺点是不能保证准确的传动比，外廓尺寸较大，传动效率低。同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸震，噪音小，传动
34、比范围大，一般可达1：10，允许线速度可达40m/s，传动效率高，一般可达98%-99%。传递功率从几瓦到数百千瓦。结构紧凑还适用多轴传动，张紧力小，不需润滑，无污染，因而可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场合下正常工作。而且它的传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。结构紧凑还适用多轴传动，张紧力小，无污染，因而可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场合下正常工作。应此广泛应用于汽车、烟草、纺织、印刷，玻璃，化工、轻工、冶金，仪表仪器、矿山、石油、机床、SMT、电脑打印、食品包装等机械设备传动装置上。从三种皮带轮的特点来说，我们应选用同步齿型带，因为它不易打滑，传动效率高，传动