数控车床总体设计及其主轴箱设计要点(doc 47页)

数控车床总体设计及其主轴箱设计要点(doc 47页)
开题报告
题目：数控车床总体设计及主轴箱设计专业：机电一体化
学生：
学号：
指导教师：
1、
2、理论的渊源及演讲过程
现代数控技术的发展趋势主要是高速化、高精度化、多功能和智能化
目前，柔性制造技术的发展也相当迅速。

柔性制造技术主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。

柔性制造单元可由一台或多台数控设备组成，即具有独立的自动加工的功能又部分具有自动传送和监控管理的功能。

柔性制造单元有两大类：一类是数控机床配上机器人另一类是加工中心配上工作台交换系统若干个柔性制造单元可组成一个柔性制造系统
柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。

他是由一个传输系统联系起来的一些数控机床加工中心。

传输装置将工件放在托盘或其他连接设备上送到加工设备使加工能够准确、迅速和自动的进行
计算机集成制造系统就是利用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生产制造以求的企业的总体效益。

计算机集成制造系统是建立在多项先进技术基础上的高技术制造系统，他综合利用了CAD/CAM、FMS、FMC及工厂自动化系统，是面向二十一世纪的生产制造技术。

3、国内有关研究的综述
随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。

数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。

它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。

目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。

其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39%；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。

“十五”期间，中国
机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。

固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。

2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。

此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。

2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。

2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96%。

长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。

究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。

同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。

同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。

更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。

如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。

同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。

“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床1996-2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。

根据中国加工中心1996-2005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。

我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各机床有大量的需求，而另一方面确有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。

（1）、我国产品开发的总周期还是设计所占的时间比例与国外先进水平有很大的差距
（2）、我国工厂由于缺乏设计的科学的分析根据自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，是设计一次性成功的把握性降底，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。

（3）、用户根据使用需要，在订货是往往提出一些特殊的要求，甚至在产品即将投产是有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。

（4）、现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，有担负着开发的重任。

3、国外有关研究的综述
数控机床各国数控机床发展历史美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。

因其社会条件不同，各有特点。

(1).美国的数控发展史
美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。

因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。

由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。

当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。

从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。

(2).德国的数控发展史
德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。

，于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。

企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。

德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。

尤其是大型、重型、精密数控机床。

德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。

如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。

(3).日本的数控发展史
日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。

在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。

自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占
59%)。

战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。

在上世纪80年****始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。

日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。

该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。

4、本人对以上综述的评价
数控机床设计及主轴箱设计的诞生给人类的发展带来了很大的方便，广泛应用在石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域，因而它成为深受欢迎的一种机器。

三、论文提纲
1、前言 (10)
1.1数控机床主传动系统的特点 (10)
1.2 主传动系统的设计要求 (11)
2、主传动方案选择与设计 (11)
2.1 数控车床主传动总体方案选择 (11)
2.2 主传动系统结构设计 (13)
2.3 计算转速的确定 (14)
2.4 传动级数的确定 (15)
3、电动机的选择 (27)
3.1 直流主轴驱动系统得特点 (28)
3.2 交流主轴驱动系统 (28)
3.3选择电机 (29)
4、确定齿轮齿数 (29)
4.1 选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数 (29)
4.2按齿面接触强度设计 (30)
4.3 按齿根弯曲强度设计 (32)
4.4几何尺寸计算 (34)
4.5验算 (35)
5、皮带轮的设计计算 (37)
6、主轴结构设计 (40)
6.1对主轴组件的性能要求 (40)
6.2轴承配置型式 (42)
6.3主要参数的确定 (42)
6.4主轴头的选用 (44)
总结与体会 (45)
致谢词 (46)
参考文献 (47)
一、前言
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。

1.1数控机床主传动系统的特点
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。

（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。

1.2 主传动系统的设计要求
（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。

（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
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。

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

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。

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。

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
3.0min n j R n n =
其中 m in n 为主轴的最低转速 m in n =40r/min
n R 为主轴的变速范围 6040/2400==n R 代入公式中
3.06040⨯=j n
=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min /150r n j =
2.4 传动级数的确定
（1）主传动系统的参数
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：
m ax n =2400r/min m in n =40r/min
主轴的调速范围n R ： n R =
m in m ax n n =402400=60 主轴的计算转速j n ：
j n =150r/min 主轴恒功率变速范围nP R ：
16150/2400/m ax ===j nP n n R
（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j n 为分界，从j n 至最高转速m ax n 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m in n 至j n 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m ax M 。

在Ⅱ区域内，主轴可能输出的最大功率m ax P ，则随主轴转速的下降而下降。

如果采用交流调频电机，FANUC 主轴电机S 系列，其额定转速
d n 为1500r/min ，最高转速m ax d n 为6000r/min ，恒功率调速范围
dP R m ax d n /d n =6000/1500=4。

如图所示是变速电机的功率特性。

从额定转速d n 到最高转速m ax d n 的区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速min d n 到d n 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。

图2-2
=dP R 4远小于主轴要求的nP R =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n R =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np R 远大于电动机的恒功率变速范围dP R ，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。

在设计分级变速箱时，考虑机床结构复杂程度、运转平稳性要求等因素，变速箱公比的选取有下列三种情况。

① 取变速箱的公比ϕ 等于电动机的恒功率调速范围dP R ，即ϕ=dP R ，功率
特性图示连续的、无缺口和无重合。

如变速箱的变速级数为Z ，则主轴的恒功率变速范围np R 为
Z dP Z nP R R ϕϕ==-1
变速箱的变速级数Z 可由上式算出
ϕlg /lg nP R z =
② 若要简化变速箱结构，变速级数应少些，变速箱公比ϕ可取大于电动机的恒功率调速范围dP R ，即ϕ〉dP R 。

这时，变速箱每挡内有部分低转速只能恒转变速，主传动系统功率特性图中出现缺口，称之为功率降低区。

是用缺口范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出全部功率。

为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大，这样将会出现“大马拉小车”的现象
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ϕ小于电动机
的恒功率变速范围，即ϕ〈dP R ，在主传动系统功率特性图上有一小段重合，这
时变速箱的变速级数将增多，使结构变得复杂。

适合于恒线速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f ψ的方法解决。

根据数控车床的结构要求和上面三种情况相比较，故选用第1种变速箱公比选择方法。

取变速箱的公比ϕ等于电动机的恒功率调速范围
dP R ，即ϕ=dP R ，则车床主轴的恒功率变速范围为
Z dP Z nP R R ϕϕ==-1
变速箱的变速级数
ϕlg /lg nP R z =
电动机恒功率调速范围=dP R ϕ=m ax d n /d n =6000/1500=4，
主轴的恒功率调速范围=nP R 2400/150=16
ϕlg /lg nP R z =
=4lg /16lg
=2
因此，车床主轴变速箱的变速级数为2
（3）分级变速箱的设计计算
通过主传动级数的确定，以及分级变速箱的公比ϕ=4的确定可得转速图（图2-3）
电动机经定比传动1：2.5，使变速箱的轴∏得到2400r/min～600r/min（恒功率）和600r/min～160r/min （恒转矩）的转速。

如果经Ⅱ—主轴之间的一对1：1齿轮传动，主轴能得到2400r/min～600r/min恒功率转速范围
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。

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
d d P P P 27.0)1500/400(2==
即为额定功率d
P 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
R=4，所以变速箱的公比 =4。

电动机的恒功率调速范围dP
如图2-5所示，从a到d（由2段组成）转矩随着转速的下降而上升。

至d点位
M，d到e位恒转矩区。

主轴输出的最大转矩max
图6 转矩特性图
图2-5
对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度校核，只进行刚度验算。

轴的抗弯断面惯性矩（4mm ） 花键轴
42
4()()()64
d b N D d D d I mm π+-+=
=
42
4432.268(3832.2)(3832.2)7.421064
mm π⨯+⨯⨯-⨯+≈⨯
式中 d —花键轴的小径（mm ）；
i —花轴的大径（mm ）；
b 、N —花键轴键宽，键数；
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：
4
j N 95510(N mm)n M =⨯扭=445.62595510 6.5510820
N mm ⨯⨯≈⨯ 式中 N —该轴传递的最大功率（kw ）;
j n —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4
322 6.5510 2.3410N D 56
t M P ⨯⨯==≈⨯扭 式中 D —齿轮节圆直径（mm ）,D=mZ 。

齿轮的径向力r P ：
()/cos ()r t P P tg N =α+ρβ
式中 α—为齿轮的啮合角，α＝20º；
ρ—齿面摩擦角， 5.72ρ≈︒； β—齿轮的螺旋角；β＝0 故30.5 1.1710r t P P ≈=⨯N 花键轴键侧挤压应力的验算 花键键侧工作表面的挤压应力为：。