机械机床毕业设计179数控卧式加工中心主轴箱及进给机构设计

前言

加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。

随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能PLC，多媒体技术应用等方面发展。

加工中心的优点有：1）提高加工质量；2）缩短加工准备时间；3）减少在制品；4）减少刀具费；5）最少的直接劳务费；6）最少的间接劳务费；7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。

本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。

编者

2009年6月

1. 机床总体方案设计

1.1机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

工作台宽度×长度 400×1600mm×mm

工作台最大纵向行程 650mm

工作台最大横向行程 450mm

工作台最大垂直行程 500mm

X、Y轴步进电机 a12/3000i

Z步进电机 a12/3000i

主轴最大输出扭矩 70公斤力×米

主轴转速范围 45～2000r/min

主电动机的功率 4kw

主轴电动机转速 1500r/min

机床外行尺寸（长×宽×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm

机床净重 500kg

1.2机床主要部件及其运动方式的选定

1.2.1主运动的实现

因所设计的卧式加工中心要求能进行车、铣和镗，横向方向的行程比较大，因而采用工作台不动，而主轴箱各轴向摆放为卧式的机构布局；采用交流无级调速电动机实现无级调速，并且串联有级变速箱来扩大变速范围。为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳、工作更可靠，主轴箱主要采用离合器交换齿轮的有级变速。

1.2.2给运动的实现

本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。

1.2.3数字控制的实现

采用单片机控制，各个控制按钮均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。

1.2.4机床其他零部件的选择

考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。

1.3机床总体布局的确定

1.3.1确定主轴箱传动系统方案：

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、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。

加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，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。

机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定的转速上为恒功率变速，通常变速范围仅为2-3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可大30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个有级变速箱。

本机床采用交流调速电机变速，为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，为了进一步扩大变速范围，在后面串联机械有级变速装置。

1.3.2确定主轴箱有级变速级数：

取变速箱的公比为f ϕ等于电动机的恒功率变速范围dp R ，即dp f R ϕ=，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱级数为Z ，则主轴的恒功率变速范围NP R 等于

1

z z NP

dp

f

f

R

R

ϕϕ

-=

=

变速箱的变速级数可得出：

lg lg np f

R Z ϕ=

主轴要求的恒功率变速范围 2000/4544.4NP R == 电动机的恒功率变速范围 2000/1500 1.34dP R == 取变速箱的公比 1.41dp f

R ϕ==

故变速箱的变速级数 lg lg 44.5

11.15lg lg1.41

np f

R Z ϕ=

=

=

故通过圆整取 Z=12。

1.3.3确定各齿轮的齿数：

在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大躁声，所以在设计时要把齿数和控制在100120z S ≤～；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数min 1820Z ≥～，因而齿轮的齿数和不应过小。 受结构限制的个齿轮（尤其是最少齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽2a m ≥（m 为模数），以保证有足够强的强度，避免出现变形或断裂现象。应保证：

min 1

22

D T m -≥

标准直齿圆柱齿轮，其最少齿根直径min min ( 2.5)D m z =-，代入上式可得： min 26.5T Z m

≥+

式中：min Z ——齿轮的最少齿数； m ——齿轮模数；

T ——齿轮键槽顶面至轴心线的距离。

由于此传动在同一变数组为同模数传动，各对齿轮的齿数的齿数之比，必须满足传动比；当各对齿轮的模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必然相等，可列出：