数控车床主轴箱说明书

图2-2
4远小于主轴要求的 =16。因此，虽然交流调频电机的最低转速可以低于45r/min，总的调速范围可以超过主轴要求的 =60，但由于恒功率调速范围不够，性能不匹配，是不能简单地使电动机直接拖动主轴的。则应在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，来实现主轴与电机的恒功率匹配。
在设计数控车床传动时，必须考虑电动机与主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围 远大于电动机的恒功率变速范围 ，所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。
机床主传动部件即主轴变速箱的结构设计主要内容包括：主轴组件设计，操纵机构设计，传动轴组件设计，其他机构（如开停、制动及换向机构等）设计，润滑与密封装置设计，箱体及其他零件设计等。
主轴变速箱部件装配图包括展开图、横向剖视图、外观图及其他必要的局部视图等。给制展开图和横向剖视图时，要相互照应，交替进行，不应孤立割裂地设计，以免顾此失彼。给制出部件的主要结构装配草图之后，需要检查各元件是否相碰或干涉，再根据动力计算的结果修改结构，然后细化、完善装配草图，并按制图标准进行加深，最后进行尺寸、配合及零件标注等。
（4）、主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。
（1）、主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。
（2）、主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。
与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。
（1）、转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。
（2）、变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，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。
（3）、主轴变速迅速可靠，数控机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操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。
③ 如果数控机床为了恒线速度切削需在运转中变速时，取公比 小于电动机的恒功率变速范围，即 ，在主传动系统功率特性图上有一度切削时可在运转中变速，这时不能变速箱变速，必须用电动机变速。因为用变速箱变速时必须停车，这在连续切削时是不允许的。因此，可采用增加变速箱的变速级数Z，降低公比 的方法解决。
传动轴上弯曲载荷的计算，一般由危险断面上的最大扭矩求得：
=
式中 N—该轴传递的最大功率（kw）;
—该轴的计算转速（r/min）。
传动轴上的弯矩载荷有输入扭矩齿轮和输出扭矩齿轮的圆周力、径向力，齿轮的圆周力
式中 D—齿轮节圆直径（mm）,D=mZ。
齿轮的径向力 ：
式中 α—为齿轮的啮合角，α＝20º；
如果采用交流调频电机，FANUC主轴电机S系列，其额定转速 为1500r/min，最高转速 为6000r/min，恒功率调速范围 / =6000/1500=4。如图所示是变速电机的功率特性。从额定转速 到最高转速 的区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速 到 的区域Ⅱ为恒转矩区。很明显，变速电机的功率特性与车床主轴的要求不匹配：变速电机的恒功率范围小而主轴要求的范围大。
4内装电动机主轴传动结构如图1-1（d）所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大
2.2主传动系统结构设计
机床主传动系统的结构设计，是将传动方案“结构化”，向生产提供主传动部件装配图，零件工作图及零件明细表等。
在机床初步设计中，考虑主轴变速箱机床上位置，其他部件的相互关系，只是概略给出形状与尺寸要求，最终还需要根据箱内各元件的实际结构与布置才确定具体方案，在可能的情况下，设计应尽量减小主轴变速箱的轴向和径向尺寸，以便节省材料，减轻质量，满足使用要求。设计中应注意对于不同情况要区别对待，如某些立式机床和摇臂钻床的主轴箱；要求较小的轴向尺寸而对径向尺寸要求并不严格；但有的机床，如卧式铣镗床、龙门铣床的主轴箱要沿立柱或横梁导轨移动，为减少其颠覆力矩，要求缩小径向尺寸。
主轴150r/min的转速已经接近于原要求的计算转速，转速继续下降将进入恒转矩段。靠电机继续降速得到，当电机转速降至400r/min时，主轴转速降至150
×（1/2.5）×（1/4）=40r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为
即为额定功率 的27%
图5功率特性图
图2-4
如图2-4所示a、b、d应该为一条直线，为了清楚起见，把她画成了2段并略为错开。可以看出，主轴的恒功率变速范围a-d两段拼接起来的，每段都等于电动机的恒功率调速范围 =4，所以变速箱的公比 =4。
2通过带传动的主传动如图1-1（b）所示，这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是V带和同步齿形带。
3用两个电动机分别驱动主轴如图1-1（c）所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。
（3）、主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性，热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。
（4）、操作灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。
（5）、结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。
二、主传动方案选择与设计
2.1数控车床主传动总体方案选择
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，运动参数指主运动的变速范围。
运动参数：
=2400r/min =40r/min
主轴的调速范围 ： = = =60
主轴的计算转速 ： =150r/min
主轴恒功率变速范围 ：
（2）主传动级数的确定
综合考虑电动机与主轴功率特性的匹配问题（数控车床主轴要求的恒功率变速范围远大于调速电动机的恒功率变速范围），为了解决这一问题，需要在电动机与主轴之间串联一个分挡变速机构，以便扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机输出功率的要求。主传动系统的传动方式采用定比传动和分挡无级变速相结合的传动方式。交流调频主轴电动机经带传动，传递给传动轴，传动轴再通过变速机构传递给主轴，从而实现主轴的变速。变速机构采用齿轮副来实现，如图2所示。这样通过电动机的无级变速，配合变速机构便可确保主轴的功率和转矩要求。
图2-1
如图2-1所示，车床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速 为分界，从 至最高转速 的区域Ⅰ为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可以输出额定的功率，最大转矩则随主轴转速的下降而上升。从最低转速 至 的区域Ⅱ为恒转矩区，在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩 。在Ⅱ区域内，主轴可能输出的最大功率 ，则随主轴转速的下降而下降。
2.3计算转速的确定
主轴的计算转速在主轴调速范围中所居的地位，是因为机床种类而已。对于大型机床，由于应用范围很广，调速范围很宽，计算转速可以取高一些。对于精密机床，钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取低些。
下表列出了各类机床主轴计算转速的统计公式。轻型机床的计算转速可比表中推荐值的高。数控机床由于考虑切削轻金属，调速范围比普通机床宽，计算转速也可以比表中推荐的高些。
一、
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，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。
数控机床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，剩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以扩大电动机无级调速的范围。
但是，目前数控机床尚未总结出公式，故主轴的计算转速的计算公式选用表1
对本次设计机床定位中型车床，故选用公式
其中 为主轴的最低转速 =40r/min
为主轴的变速范围
代入公式中
=136.6r/min
数控机床又与考虑切削轻金属、调速范围比普通机床要宽，计算转速也可以比推荐的高些，故取
2.4传动级数的确定
（1）主传动系统的参数
图2-3
。当主轴转速n降到600r/min时，电机转速降至1500r/min（额定转速）。如果电机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也随之下降。主轴转速为2400
r/min～600r/min时，是恒功率。当电机转速低于额定转速时，最大输出功率将下降。
当主轴转速降至1500r/min时，变速箱变速，经1/4传动主轴。这时电机转速自动地回到最高转速。当电机又从6000r/min降至1500r/min时，主轴从600r/min降至150r/min，仍为恒功率。
数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。
数控机床主传动系统主要有四种配置方式，如图1-1所示。
1带有变速齿轮的主传动大、中型数控机床采用这种变速方式。如图1-1（a）所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，一满足主轴低速时对输出转矩特性的要求。数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拨叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。