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 500mmX、Y轴步进电机 a12/3000iZ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 500kg1.2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1z z NPdpffRRϕϕ-==变速箱的变速级数可得出：lg lg np fR 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 fR ϕ==故变速箱的变速级数 lg lg 44.511.15lg lg1.41np fR 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 122D 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：1212j jj j j zz u zsz z =+=式中：12.j j z z ——分别为J 齿轮副的主动与从动齿轮的齿数； j u ——J 齿轮副的传动比； z s ——齿轮副的齿数和。

由上述公式可得：12111j j zjj zju szu s zu =∙+=∙+因此，选定了齿数和Z S ，便可以计算出各齿轮的齿数，或者由上式确定出齿轮副的任一齿轮后，用上式算出另一齿轮的齿数。

查表选择齿轮的齿数：31212121123212342721..4755603730.53608024.9640a a ab b b b bc c c cd d z z z z z zz z z z zz zz=======其中a 代表二轴，b 代表三轴，c 代表四轴，d 代表主轴。

1.3.4拟定主运动转速图：由上述计算得，12级转速各传动组中传动数的确定方案有：12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2， 12=2×3×2， 12=2×2×3按照“前多后少”的原则，确定各传动组的传动副数为12=3×2×2。

根据“前密后疏”的原则，确定基本组在前，后面依次扩大，因此得结构式为13612322=⨯⨯，第二扩大组的两个传动比连线之间，相距格数应为326n b Z Z =⨯=∙，变速范围是661.418ϕ=≈，在允许的范围内，所选定的结构式共有三个传动组。

因此变速机构需要四轴，再加上电动机轴共五轴，故转速图有五条竖线。

由于齿轮传动比受到124U ≤≤的限制，现在传动组C 的变速范围为68ϕ=。

可知这个传动组中两个传动副的传动比必然是极限值，即 122411,24c c u u ϕϕ====该传动组的升降速度传动比都达到了极限值，就确定了轴Ⅲ的六级转速只有一种可能，即为180～1000r/min 。

轴Ⅱ-Ⅲ之间，两条传动比连线间应相距3格，取12211, 1.412b b uu ϕϕ====，因此，确定轴Ⅱ的转速为355～710 r/min 。

对于轴Ⅰ，取 12332111111,,2.824 1.41a a a u u u ϕϕ======于是决定了轴Ⅰ的转速为1000 r/min ，电动机轴与轴Ⅰ之间为齿轮传动，传动比为1000：1440，综合上述，主轴的调速范围：45.63.90.125.180.250.355.5000.710.1000.1400.2000。

转速图如下：图2.1 加工中心转速图2.主运动的设计计算2.1电动机的选择2.1.1电动机的功率的计算查《机床主轴/变速箱设计指导》：端铣：硬质合金端铣刀，铣刀材料是45号钢； 1） 主切削力0.750.850.731.00.13118c epzf a da n F z-=公式中背吃刀量34,4,a mm ≈=取a ，()0.40.80.8160d d mm ==e 侧吃刀量a 取 每齿进给量()()0.10.2/,0.2/zzmm z mm z ff ≈=取刀具直径200d mm = 铣刀齿数z=4,选100/c m s v = 铣刀转速0.750.850.731.00.130.850.750.750.131181181600.2200416041706.3c ep z Nf a da n F z--==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=所以主切削力0.750.850.731.00.130.850.750.750.131181181600.2200416041706.3c epzNf a da n F z--==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=2）切削功率铣削过程中消耗的功率c p 主要按圆周切削力C F 和铣削速度c v 进行计算1706.31002.8410006060ccck w k wvF pπ⨯===⨯⨯ 进给运动也消耗一些功率f P ，一般情况下0.15C f P P ≤，所以总的切削力功率1.15p p p m c f=+≤ ，由此可估算铣床主电动机的功率；()mEppηη≥-式中铣床传动效率，取()η=0.85，01.15 1.15 2.843.840.85E P P k w k w η⨯∴≥== 2.1.2电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得P P ≥总额定，根据这个原则，查《机械设计手册》选取Y112M-4型电动机，功率为4kw 。

其基本参数如下(单位为mm): 满载转速为1440r/min2.2齿轮传动的设计计算由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮也能满足传动设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。