CK20数控车床主传动系统设计

1、湖南科技大学毕业设计（论文） ck20数控车床主传动系统及刀架设计作学专学者院业号指导教师二o五年五月三円湖南科技大学毕业设计（论文）任务书机电丁程学院机械设计制造及其自动化系（教研室）系（教研室）主任:（签名）年_月_闩学生姓名:学号:1103010524专业:机械设计制造及其自动化1设计（论文）题目及专题：ck20数控车床主传动系统及其刀架设计2学生设计（论文）时间：自2015年3月9日开始至2015年5月29日止 3设计（论文）所用资源和参考资料：1 关慧贞、冯辛安等编著.机械制造装备设计.北京:机械工业出版社，20102 张建民等编著.机电一体化系统设计.北京:高等教育出版社，2010

2、3 文怀心，夏田.数控机床系统设计.北京:化学工业出版社，2005.64 易红.数控技术.北京:机械工业出版社，2005.85 潘存云.机械原理.湖南:中南大学出版社，2011j02-129.6 高安邦.实用机床设计手册.北京:机械工业出版社，2010,164-170.7 成大先.机械设计手册，第五卷.北京:化学工业出版社，2002:22-3 -22-109.8 盛伯浩.数控机床的现状与发展，制造技术与机床，2004（1）:20234设计（论文）应完成的主要内容：1）机床总体方案设计及总体布局图绘制2）主传动系统理论设计及结构设计，主传动系统装配图绘制3）编码盘的安装设计及液压卡盘设计4）数控

3、刀架结构设计及刀架的总装阁，典型构件设计及工程阁绘制5）ck20数控系统设计（硬件连接阁）6）外文资料文献翻译7）撰写毕业设计论文（说明书）5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：图纸总工作量折合a0图纸3张以上，毕业设计论文字数不少于1.5万字，参考文献至少15篇以上。6发题时间：2015 年 120 日指导教师：（签名）湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语实用性，主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性， 科学性，文本（阁纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人：年（签名）月 曰指导人评定成绩:湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评

4、语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科 学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人：（签名）年 月 曰评阅人评定成绩:湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1设计（论文）说明书共 页 2设计（论文）图纸共 页 3指导人、评阅人评语共 页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文） 的介绍，回答问题惜况等进行综合评价答辩委员会主任:委员:（签名） （签名） （签名） （签名） （签名）答辩成绩：总评成绩：

5、摘要木论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状，并分析了其存在的问题；对数 控机床的发展趋势进行了探讨；并对ck20数控车床主轴箱传动系统和刀架进行了设计 与计算。主轴箱由安装在精密轴承屮的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以 获得在调速范围內的任意速度，以满足加工切削要求。刀架用于夹持切削用的刀具，因 此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。随着数控车床的发展，数控刀架开始向 快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。本设计主要包括根据一些原始数据，结合实际条件和情况对车床一些参数进行拟 定，再根据拟定的参数，进行传动方案的拟定。然后计算各传动副的传动比及齿轮齿数， 再估算齿轮

6、的模数和各轴的轴径。并对齿轮和轴的强度、刚度进行校核。除此之外，还 要对箱体内的主要结构进行设计，如电磁离合器的选择，从而完成对主传动系统的整体 设计。刀架设计主要对总体结构设计，主要传动部件的设计计算。包括驱动刀架的伺服 电机的选择计算，蜗轮蜗杆设计计算，刀架主轴的结构设计计算。关键词：主轴箱；无级调速；传动系统；刀架；ck20abstractin this design，the development and current situation of nc machine in china was introduced and a series of problems were prese

7、nted. the development trend to nc lathe was discussed.some countermeasures was presented for the development of nc machine in china and then the headstock and the knife tool of ck20nc lathe has been calculate designed.headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision beari

8、ngs and a series of transmission gears.the knife tools are clamping cutting, therefore its structure directly affects the cutting performance and cutting efficiency of the machine.the spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting. with the development

9、 of cnc lathes, cnc turret began to rapid change，electro-hydraulic combination of drive and servo drive direction.this design mainly includes according to some of the original data，combined with the actual conditions and some parameters are proposed for lathe，according to the proposed parameter,to f

10、ormulate transmission scheme, calculating the transmission vice transmission ratio, gear teeth，estimating the modulus of the gear and the diameter of axle shaft,and the strength, stiffness of gear and shaft for checking. in addition, it not only design of main structure of the casing，such as the cho

11、ice of the electromagnetic clutch，but also complete the overall design of main drive system. the design of knife tools is not the overall structure design，but the design and calculation of main driving part，including the selection of tool carrier of servo motor，worm gear and worm design calculation,

12、 structure design and calculation of tool carriage spindle.key words: headstocks; a continuously variable speed ; transmission system;knife tools;ck20第一胃雜11.1课题背景及目的11.2国内外研究现状及发展趋势11.2.1我国数控车床的研究现状及发展趋势11.2.2数控系统的发展趋势31.3 课题研究内容及方法41.3.1课题研究的主要参数41.3.2课题研究内容41.3.3 研宄方法41.4设计任务与论文构成51.4.1设计主耍任务51.4.

13、2设计的重点与难点51.4.3 木论文构成如下5第二章机床总体方案的设计62. 1机床的总体布局6第三章主传动系统的设计73.1总体设计73. 1. 1拟定传动方案73. 1.2选择电机83.1.3计算各轴计算转速、功率和转矩113.1.4转速图与传动图123.2轴系部件的结构设计133.2. 1i轴结构设计133.2.2 ii轴结构设计173.2.3 111（主）轴结构设计283.2.4编码器的选择与安装设计303.2.5主传动系统总装阁 32第四章液压卡盘的设计（夹具）34344.1卡盘夹紧机构的设计34第五章、！/:控刀架的结构设计354.2液压卡盘系统总装图5. 1数控车床刀架总体方案

14、设计与选择355. 1. 1刀架的整体方案设计355.1.2车床刀架的转位机构方案设计355. 1.3刀架定位机构方案设计365.2刀架的设计计算365.2.1驱动刀架的伺服电机的选择计算365.2.2蜗轮蜗杆设计计算395.2.3刀架主轴的结构设计计算425.3刀架总装图4446464748第六章数控系统的设计7. 1线路连接 7.2安装调试第七章结论参考文献49心得体会及致谢50第一章绪论1.1课题背景及目的近儿年，我w的数控机床无论从产品品种，还是技术水平，或者品质和产量上都取 得了很大的发展，并在一些关键技术方面取得了重大突破。特别是在通用微机数控领域， 以pc平台为基础的国产数控系统

15、，已经走在世界前列，让国人骄傲。据统计，在我国 可供市场的数控机床就有1500种，几乎笼罩了整个金属切削机床行业的品种类别和主 要的锻压机械。这表明了国内数控机床己经进入了快速发展的吋期。而相对于传统机床，数控机床则表现出有以t的优越性：1、数控加工工艺的“内容十分具体、工艺设计工作相当严密”。2、能够实现加工的柔性自动化。3、粗精加工与加工精度的结合，装配就比较容易，不需耍“修配”。4、数控加工的工艺“复合性”，可完成多道工序的集中。5、精密设备与一般设备的结合，可实现长时间的无人看管加工。因此，采用数控机床，既可以降低工人的劳动强度，也可以节省劳动力（一个人可 以看管多台机床），还能减少工

16、装，缩短新产品试制周期和生产周期，对市场需求作出 迅速反应。对此，数控技术己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，数控机床所占的比例正在一步步地增大。从2005年的市场生产 消费内容就可以明显看出，普通机床的市场份额在下降，数控机床的市场份额则大幅度 增长，特别是中高档数控机床需求供不应求。在这样一种竹景下，我的课题选择为设计一台数控车床一ck20,用于对回转体零件 的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高 精度的自动加工。应用于飞机、汽车、航空航天、军工、电力等领域，实现加工自动化, 提高产品质量，提高生产效率1。1.2国内外研宄现状及发

17、展趋势1.2.1我国数控车床的研宄现状及发展趋势1、研究现状我国数控车床从20世纪70年代初开始进入市场，通过各大机床厂家的不懈努力， 通过采取与国外著名机床厂家的一系列措施，使得我国的机床制造水平程度有了很大提 高，其产量在金属切削机床中么冇较大的比例。0前，国产数控车床的种类、规格也比 较齐全，质量基本趋于稳定可靠，己进入实用和全面发展阶段。（1）床身按照床身导轨面与水平面的相对位置来分，床身有图1.1所示的5种布局形式。一 般来说，斜床身和平床身斜滑板在中、小规格的数控车床釆用较多，平床身只有在大型 数控车床或小型精密数控车床才被采用，立床身一般不被采用。在机床中一般采用平床 身斜滑板结

18、构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了能有效利用空间，大大减小 了机床的平面占地位置，床身宽度也不会太大，又有利于克服重力有更好的稳定性来提 高机床精度，有利于机床的清扫清洁工作，使得切屑不容易堆积。a）后斜床身-斜滑板c）平床身-平滑板d）前斜床身-平滑板e）平床身-斜滑板b）直立床身-直立滑板图1. 1床身布局型式（2）导轨导轨的功用是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的重力和切 削里，运动部件能够沿导轨运动。车床的导轨按照导轨面的摩擦性质可分为滑动导轨和 滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。滚动导轨的优点是摩擦系 数小，动、静摩擦系数很接近

19、，因此摩擦力小，轻动方便，运动灵敏，不易爬行。(3) 主轴变速系统一般说来，经济型数控车床人多数是不能自动变速的，全功能数控车床的主传动系 统大多采用无级变速。目前，无级变速系统一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动 带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。由于主轴电机调速 范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。(4) 刀架系统小规格数控车床一般采用排式刀架，以加工棒料或盘类零件为主。数控车床最常用 的一种典型换刀刀架是回转刀架，它通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动 作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。排刀式刀架和回转刀架都使 得刀具的数

20、0受到一定的限制，当需要数量较多的刀具吋，砬采用带刀库的自动换刀装 置。(5) 进给传动系统进给伺服系统是数控车床的进给传动系统主要采用的系统，按其控制方式不同可分 为开环系统和闭环系统。闭环系统控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高, 且造价较昂贵；而开环系统定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。进给 伺服系统中在数控系统常用的驱动装罝是伺服电机。进给伺服电机有直流伺服电机和交 流伺服电机之分。2、发展趋势今高速、高精密化今高可靠性今cad化、结构设计模块化功能复合化今数控车床设计智能化、网络化、柔性化和集成化。今提高数控机床产品的自主开发、制造能力。今以功能部件为基础，以关

21、键共性技术为支撑；加快技术引进与国际合作1。1.2.2数控系统的发展趋势1、继续向开放式、基于pc的第六代方向发展2、向高速化和高精度化发展3、向智能化方向发展(1) 应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展(2) 引入专家系统指导加工(3) 引入故障诊断专家系统(4) 引入动装罝智能化数字伺服驱动系统11.3课题研宄内容及方法1.3.1课题研宄的主要参数本课题设计的数控车床的主要参数如下：工件最大回转直社：0400mm;最大切削直社：0280mm横向最人行程(x轴)：180mm；纵向最人行程(z轴)：650mm 最大牢削长度：500mm； x，z轴的最小设定单位为：0.001mm 主轴最大/

22、最小转速：4000/45 r/min快速进给速度:纵向：15m/min；横向；8m/min 1.3.2课题研宄的主要内容1、主轴传动系统的设计2、编码盘的安装3、液压卡盘的设计安装4、数控刀架结构设计5、数控系统的设计 1.3.3研宄方法第一步，明白并确定设计要求，找出研究的重难点。第二步，进工厂观摩，吸取专家的设计经验。第三步，初步确定总体设计方案：1、软件方面选择了 sinumerik 802d机床微机控制系统。2、硬件方面(1) 根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为卧式斜床身结构，并进行总体 布局；因为这种结构具有容易实现机电一体化、排屑顺畅等优点。(2) 选择主电机。根据切削力大

23、小及机床的变速要求，初步确定主电机型号；(3) 设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传 动方式，箱体构架。(4) 选择刀架伺服电机。根据刀架运转的负载扭矩和起动时的加速扭矩来确定伺服 电机型号。(5) 设计刀架系统。由刀架的蜗轮蜗杆和主轴来确定刀架传动方式。第四步，设计中遇到的疑点、难点问题应通过广泛查阅文献资料、组内同学和互讨 论、实地参观数控车床样机和实践操作等各种途径解决。1.4设计任务与论文构成1.4.1设计主要任务1、机床总体方案设计及总体布局阁绘制2、主传动系统理论设计及结构设计，主传动系统转配图绘制3、编码盘的安装设计及液压卡盘设计4、数控刀架结构设

24、计及刀架的总装图，典型构件设计及工程图绘制5、ck20数控系统设计（硬件连接图）6、外文资料文献翻译7、撰写毕业设计论文（说明书）1.4.2设计的重点与难点1、主传动系统理论设计及结构设计，主传动系统装配图绘制2、数控刀架结构设计及刀架的总装图，典型构件设计及工程图绘制1.4.3本论文构成如下第一章绪论第二章机床总体方案的设计。第三章详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。 第四章详细介绍液压卡盘的设计选用。第五章详细论述数控刀架的结构设计。第六章阐述数控车床液压回路设计 第七章阐述数控系统的选择及其设计。第八章总结本课题设计的特点及其有待改进之处。 论文最后是本次毕业设计的心得、致谢和参考文

25、献。第二章机床总体方案的设计翻译（尹晖）d脚（5 |vitocad 固开js關尹autocad s形数控系统连接囝a3 （ . dwg.ucad 0形au液压卡盘装配图a1 （autocad 0形主传动ao （尹晖）dwg autocad 图形主轴a2 （尹晖）autocad 囝琅 108 kb本部尹杏3度表docmicrosoft ford 文档 21 kb车床参观（尹晖）.docmicrosoft. word 文桂b开题报吿（尹晖）microsoft word 交s说明书（尹«）.docmicrosoft ford 文挡 2,790 kb第三章主传动系统的设计3.1总体设计3.1

26、.1拟定传动方案数控机床需要自动换刀、自动变速；主轴则必须通过自动变速，在切削不同直径的 阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，以维持引起切削直径各种变化的切削速度基本恒定。自动变速一般采用无级变速，有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，还可以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，直流或交流调速电动机作为驱动源的电气一般被无级变速数控机床采用。但是数控 机床的主运动的调速范围较大，单靠调速电机根本无法满足这么大的调速范围，另一方 面调速电机的功率扭矩特性与直接与机床的功率和转矩要求太难相匹配。因此，数控机 床主传动变速系统通常在无级变速电机之后，还要

27、串联机械有级变速传动，以期满足机 床要求的调速范围和转矩特性3。由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，则必须 配以分级变速箱。为简化主轴箱结构，分级变速级数应该少些，分级变速箱的公比科口j 取等于电动机的恒功率变速范围/?dp,而恒功率的调速范围一般比较小，仅能达到23。我方案选定的调速范围为/?dp=3，故有(pf=rdp=3,主轴的转速范围为 45r/min4000r/min;根据以下计算(以下计算公式均来自丁*资料2)估算主轴的计算转速：n，- = ninin x (3 = 45x()°3173r/min(3.1)min45主轴要求的恒功率变速范围为

28、：/?np =4000/173=23.1无级变速时：/?np =(pzfrdp=(pzf=23a(3.2)故变速箱的变速级数：z = h = 111 = 1.85 取级数z=2 lg/ lg3故本方案仅采用二级机械变速机构，故变速箱为三级变速箱，运动方案如阁3.1。图3. 1主轴传动图有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联 滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位 移动，变速时必须主轴停车后才能进行，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁 阀的机械动作，然后再将压力油分配到

29、相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带 来了更多的不可靠因素41。电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并 有现成的系列产品可供选用，因此它己成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用 于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的 离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器 一般分为摩檫片式和牙嵌式w。3.1.2选择电机1、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（如旋转速度，输出功率，动态刚度，振 动抑制等），因而，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

30、主轴 驱动系统可以在价格与性能之间找岀一种理想的折衷。表3.1简要给出了用户所期望的 主轴驱动系统的性能。经过对比分析本设计中决定采用fanuacz系列交流主轴电机。 6tcz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5。表3. 1理想主轴驱动系统性能项目内界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lal保持一定转矩高旋转精度高动态响应低价格高加减速，起制动能力具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化高效率，低噪声低购买价格，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2、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

31、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人，ii在常温下连续 运转的电动机（如本课题屮的电动机），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i步骤确定：（1）确定主轴切削力（如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料6）确定主轴材料为45号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为44hrc,单位切 削力为270公斤/m2。切削速度：v = 90105m/ mim 切削用量范围：背吃刀量：cip = 15mm进给量：/ = 0.

32、1 0.8mm/r 背吃刀量取a,，= 4mm，进给量取/ = 0.5mm/r ;(3.3)根据主切削力的指数公式：fc= c fea;ftfc = 1640</，（/v）可得：=1640x4x0.5°84 =3664.7 （n）故切削功率：pc = fcvx0-kw）切削速度取v = 100m/min(3.4)p. =3664.7xxlo'3 =6.11（/gv） c 60（2）确定电机输出动率p,(3.5)传动装置的总效率n =其中，0圆柱直齿轮传动效率，由资料7,附表1-1查得 =0.97; ；72 11轴滚动轴承效率，由资料p,附表1-1查得 =0.99;%-i

33、ii轴（主轴）轴承效率，由资料7,附表1-1查得 =0.99由此，7 = 0.97x0.97x0.99x0.99x0.99x0.99 = 0.904 o故：(3) 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,所以电动机额定功率 选取为11 /gv。(4) 电动机电压和转速的选择小功率电动机一般选为380v电压。所以本电机的电压可选为380v51。本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为45r/min4000r/min。由于只有一根中间传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范 围要求较高。i轴上齿轮传动比确定为/, =3/2, i

34、i轴上两对直齿轮的传动比分别为 z2=3/4, f3=4/3。所以两条传动链中，高速传动链传动比fwz2=3/2x3/4 = 9/8, 低速传动链传动比f & x/3 = 3/2x4/3 = 2。由此可得电机的转速范围：hmax > 4000x9/8 = 4500r/min , nnlin < 45x2 = 90/-/min。(5) 确定电机的型号由前面信息，可选取fanuc交流电机，型号为6rcl2/6000/。作为ct系列的后续产 品，这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈 切换可实现电机的高速、高加速控制，具有更先进的

35、节能效果。电机参数如下表所示 表3. 2电机参数型号额定功率连续30min功率额定转速最高转速軍暈振动冷却acl2hkwi5kw1500r/min4500/7 min95似v556w/6000z机座长为465mm，电机轴径为35mm，轴伸为110mm，中心高132mm，其余安装 尺寸及其外形由资料5得51。3.1.3计算各轴计算转速、功率和转矩1、各轴计算转速(木小节公式除非特别说明，均出自资料2)首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式:max x 0.3 = 45x()0 3min45-173/v min ;(3.6)然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速，n2

36、= n3xi3 = 173x4/3 = 230.7r/min - 231/7minzij = n2 x/j = 231x3/2 = 346.5r/min « 347r/min - 1096r/min上式中z、/3的意义如前所述。2、各轴输入功率p=pe(=npu = 11 x 0.97 x 0.99 x 0.99 = 10.5/fvvpm = pl z7,=0.97 x 0.99 x 0.99 x 0.97 x 0.99 x 0.99 = 10.0尺上式中，7i、的意义如前所述。3、各轴输入转矩：t = 9550xp/n (n/m)(3.7)t = 9550x11/346.5 = 3

37、03.2(a/m)t2 = 9550x10.5/230.7 = 434.66(2v/m)t3 = 9550x10.0/173 = 552.02(7v/m)将以上计算结果整理后列于表3.3,供以后计算选择，供以后计算使用：表3. 3各轴的传动参数参数轴1轴（电机轴）ii轴（屮间传动轴）111轴（主轴）计算转速（r/min ）347231173输入功率（kw）1110.510.0转矩（n. m ）303.2434.66552.02传动比z； =3/2/2=3/4z3=4/33.1.4转速图与传动图由电机的转速范围（包括恒功率变速范围和恒转矩变速范围）和各轴传动比，作数控 车床的转速阁，见阁3.2。

38、主轴电机4000(r/min)2250133375030817380图3. 2转速图由转速图3.2可知，电动机经2:3定比传动降速后，如果经3:4传动比传动主轴， 则当屯动机转速从4500r/min降至15oor/min （恒功率区），主轴转速从4000r/min降至 1333r/mino主轴转速再需下降时变速箱变速，经3:4传动比传动主轴，电动机又恢复从 4500r/min 降至 15oor/min,主轴则从 1333r/min 降至 750r/min。故主轴从 4000r/min 降至 750r/min为恒功率调速。主轴从750r/min降至45r/min,电动机从1500r/min降至9

39、0r/min 为电动机的恒转矩区。（额定转速向上至最高转速为恒功率；额定转速向下至最低转速 为恒转矩；本方案电动机的额定转速为1500r/min。）初定数控车床的传动图，如图3. 3:3.2轴系部件的结构设计3.2.1 i轴结构设计（如无特殊说明，木小节公式均出自资料8）3.2.2 ii轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料8）1、轴的支承形式该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深 沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如阁3.4所示：图3. 4中间轴的支承形式2、轴上零件的轴向定位ii轴上的主要零件主要冇三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮

40、对应的电磁离合 器。深沟球轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩和套筒定位。与电机轴上齿轮相啮合的 齿轮左端用套筒固定，右端用轴肩定位。另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间, 相互紧靠，齿轮用套筒定位，两齿轮的另两端用套筒定位。轴右端的轴承左边利用轴肩 定位，右端用一甩油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。3、轴的选材和最小直径dmin得确定轴的材料选择为：45号钢（调质处理）。 轴的最小尺寸，由式（15 2）,(3.22)式中，' 由表15 3,可取得110,故nnn>110x3/772772 =23139.3mm取n,n=40mm。41于弋。取值较汁算值大一s,所以不用再按弯扭

41、合成强.度条件汁算和进行疲劳强度校合。轴的零件图如图3.5。图3.5中间轴零件图4、齿轮的设计齿轮1 (小齿轮)和2 (大齿轮)的直径相差较大，对齿轮1 (小齿轮)在模数和选 材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。1) 选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数(1) 本数控机床的运行速度较高，精度等级选择8级精度；(2) 由表10 1，小齿轮材料选择为40c、,.，调质后表面淬火，硬度为280hbs;大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240hbs。(3) 小齿轮齿数初选为z, =18, z2 = z, 4 = 18x4/3 = 242) 按齿面接触强度进行设计 按式(109

42、6/)试算，> 2.323(s.l(_)2(3.23)v “ aj确定公式内的各计算值：(1) 初选载荷系数kt= 1.6；(2) 计算小齿轮传递的转矩，由前文可知小齿轮传递的转矩为r2 =434.66n - m；(3) 由表10-7及其说明，可选定齿宽系数么=0.6；(4) 由表106，査得材料的弹性影响系数= 189.8娜。(5) 由图1021d,按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度cr/liml=600mpa;大齿轮的接触疲劳强度ermim2 =550mpa；(6) 两齿轮的设计寿命为72000h,由式10 13,计算应力循环次数tv, =60n2ylh= 60x231x1x(2

43、x8x300x15) = 0.99xl09,、12 门1(3.24)af2 =/3 =0.99x109/4/3 = 0.75x109(7) 由图10-19查得接触疲劳寿命系数尺.=0.92; khn2 = 0.95 ；(8) 传动比u=4/3；(9) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数s=l,由式(10-12)得ah = 0.92x600mpa = 552mpas(3.25)(7n i = k腿了li,t2 = 0.95x550mpa = 522.5mpa3) 计算(1) 小齿轮分度圆直径代入中较小的值1.6x4.35xl05 7 , 189.8、2t/lz >2.32=2.

44、32xw一w x:x()z =149.6mm伞（1心0.64522.5（2）计算圆周速度v7id 3.14x149.6x231, o1 .v- = 1.8 lm/s60x100060x1000(3.26)（3）计算齿宽/7b 二(f)d dxl - 0.6x149.6 = 89.76mm（4）计算齿宽与齿高之比/?/z模数 mt = = 1 收& mm = 8 3 mmz118齿高 h = 2.25mt = 2.25 x8.3mm = 18.68mm（5：）计算载荷系数k翌= 4.8h 18.68根据v = 1.81m/s,由图10 8,查得动载系数/cv= 1.12直齿轮，由表10-

45、3查得尺/<7 =尺pzv = 1;l'a由表10-2查得使用系数么=1.25;由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮非对称布置时，at# = 1.256；由z?/a = 4.8; ku/j =1.256,査图 10-13 得/ = 1.19;故载荷系数k = kakvkhakh/ = 1.25x1.12x1x1.256 = 1.76 （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得(3.27)=149,6xr?=154.4 麵(3.28)(7)计算模数m m = dj=154.4/18mm=8.58mm3)按齿根弯曲强度设计由式(10 5)得弯曲疲劳的设计公

46、式为0.9x520 _l4_mpa = 334.3mpd(3.29)以下确定式中各参数的值：(1) 由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限rra=520mpa;大齿轮的弯曲疲劳强度极限=420mpa；(2) 由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数/v1二0.9，kfn1 =0.92；(3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4,由式(10-12)得krn2fe2 = 092x420 mpa = 276.0嫩z(3.30)l fh s1.4(4) 计算载荷系数kk = k八k、,kfakfp 二 1.25x1.12x1x1.19 = 1.67(3.31)(5) 査取齿形系数由表 10

47、-5 查得=2.91； yfa2 =2.65。(6) 查取应力校正系数由表 10-5 査得=1.53; ksu2 =1.58o(7) 计算大小齿轮的并加以比较2.91x1.53334.3= 0.013322.65x1.58276.0二 0.01517大齿轮的数值大。4) 设计计算2xl.76x4.35xl050.6xl82x0.01517znm =4.9mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的 模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲 劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关，可取由弯曲强 度所算得的

48、模数m = 5mm，按接触强度算得的分度圆直径154.4mm,算出小齿轮齿 数z, =154.4/5 = 30大齿轮齿数 z2 = z3z, =4/3x30 = 40这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，乂满足了齿根弯曲疲劳强度， 并做到结构紧凑，避免浪费。5、几何尺寸计算1) 计算分度圆直径d - zjm - 30x 5mm = 150mmd2 - z2m = 40x5mm - 200mm2) 计算中心距6/ = (rf, + )/2 = (1504-200)/2mm = 115mm(3.32)3) 计算齿轮宽度b = 0.6x150mm = 90mm取 b2 = 90mm , b

49、 = 95mm。6、验算ft = 2t!d = 2x434.66xl03 /150n = 5795.5n(3.33)90_ 5795.5x1.25 _80.5yv<10，合适第二对齿轮的模数可取和齿轮1相同，m3=m4=5o由于这两齿轮得中心距与齿轮1和2的中心距相等，故么=175x4/7x2/5 = 40, z4 = z3/2 =40x3/4 = 30。四个齿轮的 尺寸参数如表3.4所示。表3. 4齿轮尺寸参数参数齿轮1234模数m (mm)5555齿数z30404030巾心距a (mm)175分度圆直枝d (mm)150200200150齿顶圆直径4 (nim)16021021016

50、0齿根圆直径(mm)137.5177.5177.5137.5全齿高h (inni)11.2511.25齿宽b (mm)95909095压力角汉20°20°20°20c基圆直径4 (瞧)141188188141传动比f3/44/3齿轮宽b (mm)95909095齿宽系数么0.60.360.360.6轮毂宽(mm)959090957、电磁离合器的计算和选择木课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高。选择离合器时，对离合器的 基本要求是：操作方便省力；调节和修理方便；外廓尺寸小、质量小；接合平稳、分离 迅速而彻底；耐磨性好和有足够的散热能力。电磁离合器在数控机床等

51、机械屮得到广泛 应用。根据资料9屮的结构选择原则，选取牙嵌式电磁离合器9。形式选定后，应进一步确定其规格(本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料 9)1)规格计算苏规格选择计算的基本原则是使艿计算转矩7；小于或等于其薄弱环节的失效条件 限制而允许其传递的许用转矩t,即r< wr<n(3.34)n < n式中：r一理论转矩 7；算转矩 tn 一公称转矩r 一许用转矩 tmm 一最大转矩 u一许用最大转矩 n许用转速在我国现行的离合器的标准中，一般可取丁=7；，rniax = （23）7；。（1）计算转矩由于各类联轴器，离合器实际工况不同，在确定计算转矩7；吋应将理论转矩r乘以

52、 不同系数k;本机床承受长期平稳载荷且选用的是啮合式离合器，故：tc = kt < t（或7；）（3.35）式中，7；.，7；，门一分别为离合器的计算转矩，公称，许用转矩，n/m；尸一离合器理论转矩，n/m；k一离合器工况系数，见下表3.5所示。本文中为金属切削机床，取k=1.4,从而得到：tc = kt = iax 434.667v /m = 608.52n/m根据计算转矩，查表选取规格为dly5-40a单滑环的牙嵌式离合器，相关尺寸可从 表中查取。表3. 5离合器工况系数机械类型k机械类型k金属切削机床1. 3-1.5轻纺机械1.2-2曲柄式压力机械1. 1-1. 3农业机械2-3.

53、5汽车，车辆1.2-3挖掘机械1. 2-2.5拖拉机1.5-3钻探机械2-4船舶1.3-2. 5活塞泵,通风机，压力机1.3起重运输机械1.35-1.5活塞泵（单缸），大型通风机，压缩1. 7在最大载荷下结合机，木材加工机械在空载下结合1.25-1.5冶金矿山机械1. 8-3.22)牙嵌式离合器的设计计算(1)离合器的外径计算(经验公式)d = 50/2.8+ 0.087； (mm) = 50 x v2.8 + 0.08x608.52(mm) = 186mm(3.36)牙的外径：«dz = dmm = 1 s6mm牙的内径：d7 = 0.1 dmm = 0.7 xl 86mm = 130.2mm牙的平均直径：dm= 0.5(£)_ + £>z) mm = 0.5x (186 + 130.2)mm =牙的宽度：b_ = 0.5(dz dz )mm 0.5x(186一130.2)mm =牙的高度：/r = 0j5bjnm = 0.75 x 27.9mm = 20.93mmzz牙的个数：z = 60/(an>z)式中 an 主，从动半离合器的转速差，az? = 60xl000av/(.zr£)zz/), rmin-1 ；v-牙齿接合圆周速度差，一般取av = 0.7o.sm/s；离合器允许结合时间，一般机床，取rso.55