500mm简易数控车床毕业设计说明书.doc

摘要数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。目前数控机床市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。本次500mm简易数控车床主传动系统采用了电机和主轴通过皮带直接传动的方式，其优点是结构紧凑，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的震动与噪声，主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，主轴的正传、反转和停止有数控系统来控制。进给系统采用光电脉冲编码器作为主轴的脉冲发生器，并将其装在主轴上，与主轴一起旋转，检测主轴的转角、相位、零位等信号。纵向和横向均采用滚珠丝杠螺母副进给。为了提高加工精度和加工效率，实现一次装夹完成多道工序，选用ld-6150型四工位立式电动刀架，该刀架采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆加紧工作原理，具有转位快，定位精度高，切向扭矩大等优点。应根据实际情况采取相应的防护措施，比如滚珠丝杠副由于精度要求高，工作时需要防尘，尤其不能让金属削进入滚道，所以纵向丝杠应安装防护罩。大托板与导轨接触的端面摇贴向橡胶片，防止杂质进入滑动导轨面损伤导轨。关键词：数控机床；主传动系统；纵向进给伺服系统；横向进给伺服系统；刀架 目 录1 绪论.1 1.1 数控机床的历史和现状.1 1.2 数控机床的发展趋势和研究方向.2 1.2.1 高速度、高精度化.2 1.2.2 多功能化.4 1.2.3 智能化.4 1.2.4 数控系统小型化.5 1.2.5 数控编程自动化.5 1.2.6 更高的可靠性.6 1.3 机床数控化改造的必要性.62 机床总体方案设计.8 2.1 设计参数.8 2.2 机床机械结构设计.8 2.2.1 主传动系统设计.8 2.2.2 进给传动系统设计.9 2.2.3 刀架设计.10 2.3 数控系统设计.103运动及动力设计.13 3.1带传动设计.13 3.2选择电机.15 3.2.1选择电机应综合考虑的问题.15 3.2.2电动机类型和结构型式的选择.16 3.2.3电动机容量的选择.17 3.2.4确定电机的型号.184 主轴组件的设计与校核.20 4.1 主轴的要求.20 4.2 主轴轴承选择.21 4.3 主轴的设计.22 4.4 主轴刚度的计算.235 主轴驱动与控制.25 5.1 主轴旋转与轴向进给的同步控制.25 5.2 主轴旋转与径向进给的同步控制.266 结论.27参考文献.28致谢.29外文原文.30外文译文.391绪论1.1 数控机床的历史和现状采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.03 81mm，这在当时水平是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台3坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心.从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床。这是第一台计算机控制的数控机床。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功x53k-1g数控铣床、cjk-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着fms的迅速发展和cms的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到lum,0.lum, 0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措施和进行研究。（1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由8位cpu过渡到16位和32位cpu，并向64位cpu发展，频率已由原来的5mhz提高到16mhz, 20mhz和32mhzo同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标， 特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为f时，其伺服系统的最终滞后位f/g，这使得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。(5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴高速运转的要求。(9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器(programmable logic controller，简称plc)。以提高plc的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的plc具有专用的cpu，基本指令执行时间达0. 2us/步，可编程步数可扩大到16000步以上。利用plc的高速处理功能，将cnc与plc之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2多功能化(1) 数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减少设备台数和占地面积。为了进一步提高工效，现代数控机床采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多cpu结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和crt进行零件加工的编制，并利用crt进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3) 具有更高的通信功能。为了适应fmc,fms以及进一步联网组成cims的要求，一般的数控系统都具有rs-232c和rs-422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的dnc接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现 代 数 控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了map工业控制网络，现在已经实现了map3.0 版本，为现代数控机床进入fms和c工ms创造了条件。1.2.3智能化(1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用cnc系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对cnc系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了crt进行故障报警、提示发生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。(4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。1.2.4数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印制电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大的缩小了系统的占有空间。此外，用新型的tft彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴极射线管crt，即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。1.2.5数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前cad被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用cad绘制的零件加工图样，自动生成nc零件加工程序，实现cad与cam的集成。随着cims技术的发展，目前又出现了cad/capp/cam集成的全自动编程方式，它与cad/cam系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必有人工参与，直接从系统内的capp数据库获得。另外，还出现了测量、编程、加工一体化系统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量机等对样机零件进行测量，并把所测得数据直接送入计算机内，一方面通过cad系统而获得样机零件图样，另一方面通过数控自动编程系统，将其处理生成nc加工程序，然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动加工。1.2.6更高的可靠性数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。(1) 提高系统硬件质量.采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格筛选，采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振动等有关考机试验。(2) 模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。(3) 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障;利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故障自恢复;利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时，自动进行相应的保护。1.3机床数控化改造的必要性从微观上看数控机床相对传统机床有以下突出的优越性。这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的特性。(1) 可以加工出传统机床无法加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴的运动量，就可以复合成复杂的曲线和曲面。(2) 可实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比传统机床提高3-7倍。计算机可以将输入的程序记忆和存储，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化。但凸轮制造及调整比较费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳因素的影响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因为刀具磨损而影响工件精度和一致性。此外数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。(4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运是自动化带来的效果(可以自动更换刀具)。如加工中心在工件装夹后，可实现钻、铣、铿、攻丝、扩孔等多工序的加工。现在己出现其他工序集中的机床、如车削中心、车铣中心、磨削中心等。(5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人加工。在配备多种传感器条件下，工人只工作8小时，而机床可工作24小时，劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在70年代末、80年代初己开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)的技术改造，除采用数控机床外、还包括推行cad, cae,cam及mis(管理信息系统)、cms(计算机集成制造系统)。以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强，而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。从20世纪80年代开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到1995年底，我国数控机床的可供品种己超过300种，其中数控车床占40%以上。但是大型卧式锉铣床由于其精度高，加工零件曲线的不规则，对数控系统及机床结构等方面要求都高，目前国内的大部分均采用昂贵的进口设备。2 机床总体方案设计 500mm简易数控车床课题的设计内容为：机床总体方案设计（包括机床的机械结构与控制方案）、运动设计、动力设计及部件机械结构设计及关键零件设计（具体任务分开，根据设计任务书要求的图纸工作量内容进行），编写设计说明书。2.1设计参数所设计机床为主运动系统采用无级变速，进给系统采用数字化控制，配置高速步进电机数控系统的两坐标经济型数控车床，主要承担各种车削工作。通过微机控制，能够自动车削各种零件的外圆、内圆、端面、多级台阶、切槽、锥度、圆弧及任意球面以及螺纹等表面，并可承担钻孔、铰孔等多种加工，四工位电动刀架自动转位。本题目要求学生完成机床的机械结构设计，设计的具体要求如下： 1.床身上加工最大直径：500 mm 2.拖板上加工最大直径：280mm 3.最大工件长度：1000 mm 4.主轴通过棒料直径：50mm 5.主轴正反转由电机实现 6.脉冲当量：z轴：0.01mm，x轴：0.005mm 2.2机床机械结构设计2.2.1主传动系统设计 数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求： 1.具有更大的调速范围，并实现无级调速； 2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低； 3.良好的抗振性和热稳定性。 数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。数控机床主传动系统大致可以分为以下几类：1.电主轴： 电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。数控机床电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴承以及润滑、冷却装置十分重要。2.带有变速齿轮的主传动： 这种配置方式大、中型数控机床采用较多。数控机床它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。3.经过一级变速的主传动： 一级变速目前多用v带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束。4.电动机与主轴直联的主传动： 其优点是结构紧凑，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的震动与噪声，主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，但使用上受到一定限制。常用的是v带和同步带。如图2-1所示： 图2-1 数控机床主传动系统方案本次设计采用方案4作为设计方案，其传动系统图如图2-2所示： 图2-2 传动系统图2.2.2进给传动系统设计 纵、横向传动全部用滚珠丝杠传动。单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。其传动原理如下图：2.2.3刀架设计刀架部分采用电动自动刀架。2.3数控系统设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过i/o接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx 图2-3 500mm简易数控车床总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用广泰数控系统对数据进行计算处理，由i/o接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控车床不仅提高了车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，利用数控方法能准确地加工任意面的旋转体。3运动及动力设计3.1带传动设计带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和v带传动；啮合传动只有同步带一种。 普通v带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速v2530m/s;传动功率p700kw;传动比i10轴间距小的传动。 主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 3带的工作面磨损。保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是v带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。设计过程如下： (1)设计功率的确定：由表8-7查得工况系数(2) 选定带型：根据和确定选用b型。确定带轮的基准直径并验算带速传v：1初选带轮的基准直径由2图5-9和表5-10确定：取小带轮直径=224mm2验算带速v：因为29.3m/s初定带轮距得： 即: 初取 2计算带所需的基准长度：由表8-2选带的基准长度ld=1800mm3计算实际中心距：(5)验算小带轮包角：所以小带轮包角合适。(6)计算带的根数z。1单根v带的基本额定功率： 根据dd1和=2500r/min查2表5-3得基本额定功率=2.85kw。再根据=2500r/min、i=1和b型带查表5-4得=0.00kw查表5-8得：2计算带的根数z。取z=4根。(7)计算单根v带的初拉力的最小值：应使带的实际初拉力(8)计算压轴力压轴力的最小值为：(9)带轮的结构和尺寸为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，使带轮上的载荷由轴承支撑进而传给箱体，轴只承受转矩，装配装置参见装配图。3.2选择电机3.2.1选择电机应综合考虑的问题(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。3.2.2电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表3.1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。 表3.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速，起、制动能力能适应环境条件和参数变化高效率、低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格 通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kw到上百kw，广泛地应用于各种数控机床上。 经过对比分析本设计中决定采用vfnc系列变频主轴电机。vfnc系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。3.2.3电动机容量的选择选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算，本设计中电机容量按以下步骤确定： （1）确定电机输出动率pd 传动装置的总效率 其中， v带轮传动效率，由资料12，表24查得0.96；滚动轴承效率，由资料12，表24查得0.99； 圆柱齿轮传动效率，由资料12，表24查得98； 由此, 故， （2）选择电动机额定功率如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9，再加上空转功率等，所以电动机额定功率选取为7.5kw。（3）电动机电压和转速的选择由资料10,表2219，小功率电动机一般选为380v电压。所以本电机的电压可选为380v 。同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择 。本课题中数控机床的主轴的转速范围为30r/min-2500r/min。由于没有中间传动轴，传动链较短，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。v带轮传动比确定为,由此可得电机的转速范围： ，3.2.4确定电机的型号由前面信息，可选取vfnc系列变频主轴电机型号vfnc 132m-33.3-5.5-4。vfnc系列变频主轴电机的特点：1. 双功率设计，应对短时重载切削。2. 恒功率范围宽，可实现1:6倍恒功率设计3. 导入基频33.3hz设计（是我司“基频制设计原理”在机床主轴电机上的成功应用），达成低速力矩大，确保低速强力切削，超宽恒功率调速范围，保障高速切削光洁度。 降低变频器功率，节省成本和电源容量。vfnc系列变频主轴电机特别适合数控车床类机床的主轴驱动，配合高性能矢量变频器或主轴驱动器，更能发挥其优良的主轴特性，成为性能与经济性具佳的数控车床类机床的变频主轴驱动方案。电机参数如表3.2所示： 表3.2 电机参数 型号s1-100%连续额定s6-50% ed转动惯量g（）恒转矩范围恒功率范围额定功率kw额定电流a额定转矩nm额定功率kw额定电流a额定转矩nm0.10871-33.3hz，301000r/mins1-100%33.3200hz10006000 r/min。s6-50%33.3150hz10004500 r/min。vfnc 160m-33.3-7.5-47.518.873.51125105电机功率特性如图3-1所示： 图3-1 电机功率特性曲线4主轴组件的设计与校核4.1 主轴的要求 1. 旋转精度 主轴的旋转精度上是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴，轴承，箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2. 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和欲紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 3. 抗振性主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼（特别是主轴前支撑的阻尼）主轴的固有频率应远大于激动力的频率，以使它不易发生共振。目前，尚未制定出抗振性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。 4. 升温和热变形主轴组件工作时因各相对运动的处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化（热变形）。主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温度是使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控制温度，是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。 5. 耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。为了提高耐磨性，一般机床主轴上的上述部分应淬硬至hrc60左右，深约1mm. 6. 材料和热处理主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此，强度一般不做为选材的依据。主轴的形状，尺寸确定之后，刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同，因此刚度也不是选材的依据。主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。数控机床的材料通常是45号或60号优质中碳钢，需调质处理。 7. 主轴的结构为了提高刚度，主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离（称悬伸量）应尽可能小一些。为了便于装配，主轴通常作成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。主轴中孔用与通过棒料，拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料，车床的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。4.2主轴轴承选择角接触轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。它常用于高速主轴，接触角越大轴向刚度越大，径向刚度和允许转速越低。主轴前轴承采用双向推力角接触球轴承和圆锥孔双列圆柱滚子轴承；轴承由圆螺母进行预紧，预紧量在轴承制造时配好。轴承精度等级选p4级。圆锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈有锥度为1：12的锥孔与主轴的锥形轴颈相配。通过轴向移动内圈，改变其在主轴上的位置来调整轴承间隙。这种轴承径向刚度和承载能力较大，旋转转速高，径向结构紧凑。主轴后端安装圆锥孔双列圆柱滚子轴承，其径向间隙也由圆螺母来调整。因前轴承对主轴组件的精度影响较大，后轴承精度等级采用p5级。这种配置保证了轴承有较高的回转精度，允许较高的转速和刚性，适用于负载较大的数控车床。4.3主轴的设计主轴的主要参数是：主轴前端直径d1，主轴内径d,主轴悬伸量a和主轴支撑跨距l。1. 前端直径d1，主轴后轴颈的直径d2表4.1主轴d1（按电机功率）mm功率（kw）d1mm1.42.523.635.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床5060557070807590由上表可取因此可知由式子后端直径 2主轴内径主轴孔径d取主轴平均直径的55%-65%，取d=50mm。3前锥孔尺寸前锥孔用来装顶尖或其它工具锥柄，要求能够自锁，目前采用莫氏锥孔。因车床最大回转直径d=500mm400mm，采用莫氏锥度6号，锥度大端直径d=56.19mm，锥度=1：19.212，长度l=119mm，d=50.00mm.4支撑跨度及悬伸长度为了