数控机床的主传动系统.doc

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1、 常州工学院毕业论文目录绪论.1第1章 主传动系统设计概述.3第2章 数控铣床主传动系统的配置方式.4第3章 主轴电动机的选取.5第4章 同步带传动设计与计算.64.1、同步材料选择.64.2、同步带参数的计算.64.2.1、模数的选取.64.2.2、小带轮齿数.64.2.3、同步带节距.64.2.4、节圆直径.74.2.5、大带轮齿数.74.2.6、大带轮直径.74.2.7、带的速度.74.2.8、定中心距.74.2.9、带的节线长度.74.2.10、计算中心距.74.2.11、带轮与带的啮合齿数.84.2.12、带宽.84.2.13、作用在轴上的力.84.2.14、小带轮的最小包角.84.

2、2.15、带轮宽度.8第5章 主轴组件的设计.95.1、主轴组件的设计要求.95.1.1、回转精度.95.1.2、主轴刚度.95.1.3、主轴的抗振性.105.1.4、主轴温升.105.1.5、主轴耐磨性.105.1.6、提高主轴组件抗振性的措施.105.2、减少主轴组件热变形的措施.105.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算.115.4、主轴转动装置箱体的作用.135.5、主轴箱体的截面形状和壁厚的计算.15第6章 主轴轴承的选择.156.1、轴承的选择和轴承的精度.156.2、轴承预紧力的要求.156.3、主轴轴承的润滑与密封.166.4、选取轴承求.166.5、轴承寿命校核.186.6

3、、轴承座孔的设计要求.19第7章 联接键的选择碟形弹簧的选择与计算.207.1、碟形弹簧的特点.207.2、碟形弹簧材料及热处理厚度和脱碳.217.3、碟形弹簧的强压处理.217.4、表面强化处理和防腐处理.21第8章 螺钉联接的设计.238.1、根据设计要求计算.238.2、螺钉的强度计算与校核.23第9章 液压缸的设计.249.1.液压压缸安装应注意的问题.249.2.压缸各部分的结构及主要尺寸的确定.249.3.强度校核.25第10章 润滑与密封件设计2610.1、封件的作用及其意义.2610.2、密封的分类及密封件的材料要求.2610.3、防尘圈的设计要求.27结论.28致谢. .29

4、参考文献. .30第1章 主传动系统设计概述数控机床的主传动系统包括主轴电动机，传动系统和主轴组件。与普通机床的主传动系统相比数控机床在结构上比较简单，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。省去了繁杂的齿轮变速机构，还有一些数控机床设计中还存在二级或三级齿轮变速机构用以扩大主轴电动机无级变速的范围。对主传动系统的要求:范围： 各种不同的机床对调速范围的要求不同，多用途，通用性比较大的机床，要求主轴的调速范围大，不但有低速大转距的功能，而且还要有比较高的速度。热变形：电动机、主轴及传动件都有热源。降低温升，减少热变形是对主传动系统要求的重要指标。旋转精度和运动精度：主轴的旋转

5、精度:是指装配后，在无载荷，低速转动条件下，测量主轴前端和300mm处的径向和轴向跳动值。主轴在以工作速度旋转时，测量上述两项精度称为运动精度。数控机床要求有较高的旋转精度和运动精度。主轴的静刚度和抗振性；由于数控机床的加工精度比较高，主轴的转速又很高。因此，主轴组件的质量分布是否均匀以及主轴组件的阻尼等，对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。主轴组件的耐磨性； 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持要求的准确精度。凡是有机械摩擦的部位，轴承，锥孔等都要有足够的硬度，轴承还应具有良好的润滑。第2章 数控铣床主传动系统的配置方式数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能

6、选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式：带有变速齿轮的主传动这种配置方式在大中型数控机床中采用比较普遍。它通过少数几对齿轮进行降速，使之能够分段变速，确保低速时拥有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性。但也有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。通过带传动的主传动主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等

7、，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：1.无滑动，传动比准确。2.传动效率高，可达98%以上。3.传动平稳可靠，噪声小。4.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。5.修保养方便，不需要润滑。但是同步带也有不足之处，其安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。由调速电动机直接驱动的主传动：这种主传动方式大大简化了主轴箱与主

8、轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现电气定向。我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。第3章 主轴电动机的选取正确选择电动机的类型、型号及容量是机床设计的重

9、要问题之一，它直接影响着机床的结构和寿命，选择时要根据机床的功能要求，所设计的结构，工作状况等全面考虑，然后选择适宜的结构型式及容量。 图3-1主轴电动机电动机功率的选择：工作机所需的有效功率为：Pw=Fv/1000=17.5kw,为了计算电动机所需的功率，先要确定从电动机到工作部件的总效率，设1、2、分别为同步带轮和同步带的传动效率，查表所得1和2都等于0.97。则传动的总效率为=12=0.94， 所以电动机所需的功率为Pd=Pw/=18.5KW电动机传速的选择:此次设计要求电动机必须有额定转速1500r/min,最高转速必须达到4000r/min.电动机型号的选取：根据设计要求，本次设计中

10、选取兰州电机厂生产的1PH5167-4CF4型号交流主轴电动机。其主要参数如下表：额定转速（r/min）最高转速(r/min)额定转矩惯性矩(N.M)电机功率(KW)恒功率范围15006000117.70.04618.51:90表3-1第第4章 同步带传动设计与计算同步带传动，综合了带、链和齿轮传动的优点，带的工作面呈齿形,与带轮的的齿槽作啮合传动，使主、从带轮间作无滑差的同步运动，其特点是传动比准确，对轴作用力小，结构 紧凑，耐油耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达99.5%，传动功率从几瓦到数百千瓦，传动比可达10，线速度可达40m/s以上。此次设计选用梯形同步带，它靠齿啮合传动，速比准确，

11、传动效率高，初张紧力最小，轴承承受压力最小，瞬时速度均匀，单位质量传递的功率最大，与链和齿轮传动相比，噪声小，不需要润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大，而冲击振动较好，维修简单，经济。广泛用于各种机械传动中。4.1、材料选择：根据设计要求，选用聚氨酯同步带，由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于中小功率的高速运转部分。4.2、参数计算：设计计算的内容主要是：齿形带的模数、齿数、和宽度的结构和尺寸，传动中心距，作用在轴上载荷以及结构设计。4.2.1、模数的选取：模数主要根据齿形带所传递的计算功率Pd和小带轮转速n1确定的，通过查现代数控机床表4-33

12、查得Pd=KA*P, 式中P传动功率表4-1载荷性质一天运转时间/h10101616以上载荷平稳1.01.11.2载荷变化小1.21.41.6载荷变化大1.41.72.0选取KA=1.7，所以PC=5.51.7=9.35KW由齿形带模数选用图可选m=44.2.2、小带轮齿数Z1:由机械传动装置设计手册表8-38 得Zmin=22,所以取Z1=244.2.3、同步带节距Pb:由PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表选取节距Pb=12.566mm, 齿形角2=40。齿根厚S=5.75mm。齿顶厚St=4mm, 齿高hg=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齿根圆半径Rr=齿顶圆半

13、径Ra=0.40mm, 带高hs=4.4mm, 节顶距=1.000mm, 带bs=3540mm.4.2.4、节圆直径d1:d1=96 4.2.5、大带轮齿数z2与直径：z2=iz1=364.2.6、大带轮直径d2=id1=1.596=1444.2.7、带的速度V:V=7.536， (式4-1)由表查得Vmax=3540 VVmax 所以合格。4.2.8、定中心距a0: 5(d1+d2) a02(d1+d2)所以：0.7（96+144）a02(96+144)则有168a0480 初选a0=3004.2.9、带的节线长度Lp以及齿数Zb：Lp0=2a0+(d1+d2)+=2300+240+=978

14、.72 （式4-2）查表选取Lp=1005 Zb=804.2.10、计算中心距a（采用中心距可调）aa0+=300+ （式4-3） 选取a=314 4.2.11、带轮与带的啮合齿数Zm：Zm=11.82 取Zm=12 （式4-4）因为当m2时，Zm应不小于6 ，所以计算的Zm满足条件。4.2.12、带宽bs: bs 查表取Kz=1.20, Fa=20N/mm （式4-5）Fc=mbV2=4.810-3 7.5362=0.273所以 bs选取bs=404.2.13、作用与轴上的力Fr：Fr= （式4-6）4.2.14、小带轮最小包角：180-60（d2-d1）/a=180。-60。（144-96

15、）/314=170.8。5.2.15、带轮宽度bf, bf1, bf2 bf=bs+(1.53)=41.543bf1=bs+(67)=4647bf2=bs+(35)=4345第5章 主轴组件的设计主轴组件主要包括：主轴、主轴支撑和安装在主轴上的传动件、密封件等，因为主轴带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工作性能对加工质量和生产率产生直接影响，是机床最重要的部件之一。5.1.主轴组件的设计要求：主要体现在如下方面：5.1.1回转精度： 主轴组件的回转精度,是指主轴的回转精度。当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的得回转中心线。回转中心线的空间位置，每一瞬间都是变化的，这

16、些瞬间回转中心线的平均空单位转移不为理想回转中心线。瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间位置的距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。纯径转误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是在所有的情况下都表示为被加工工件所得的加工形状。主轴回转精度的测量，一般分为三种静态测量、动态测量和间接测量。目前我国在生产中沿着传统的静态测量法，用一个精密的检测棒插入主轴锥孔中千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。千分表最大和最小的

17、读数差既认为是主轴的径向回转误差。端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直度，数据综合表示。动态测量是用一标准球装在主轴中心线上，与主轴中心线上，与主轴同时旋转；在主轴同时旋转；在工作台上安装两个互成90度角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。间接测量是用小的切削量用小的切削量回工有色金属试件，然后在圆度仪上测量试件的圆度来评价。出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L=300mm时允许误差应小于0.02。造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。因此加工中

18、心的主轴不平衡量要控制在0.4/s以下。5.1.2、主轴刚度：主轴组件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。通常抵以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。主轴组件的刚度越大，主轴受力的变形就越小。主轴组件的刚度不足，在切削力及其他力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支撑跨距、所选轴承类型及配置形势、砂间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。5.1.3、主轴抗振性：主轴组件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳的运转而不发生振动的能力。主轴组件抗振性及

19、在必要时安装阻尼（消振）器。另外，使主轴固有频率远远大于激振力的频率。5.1.4、主轴温升：主轴组件在运转中，温升过高会起两方面的不良结果：一是主轴组件和箱体因热膨胀而变形，主轴的回转中心线和机床其他件的相对位置会有变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。严重时甚至会发生：“抱轴”。数控机床在解决温升问题时，一般采用恒温主轴箱。5.1.5、主轴的耐磨性：主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提

20、高硬度增加耐磨性。主轴轴承也需要有良好的润滑，提高其耐磨性。以上这些要求，有的还是矛盾的，例如高刚度和高速，高速和高精度等，这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件的主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。同时，主轴结构要保证个部件定位可靠，工艺性能好等要求。5.1.6、提高主轴组件抗振性的措施：尽量缩短主轴前轴承结构的长度， 适当增大跨矩；尽量提高前轴承的刚度和阻尼；提高前轴承的精度，把推力轴承放在前支撑初可提高抗振性；对高速旋转的零件作静、动平衡，提高齿轮、主轴的制造精度都可适当减少强迫振动源；对于非连续切削过程的铣削，滚削等加装飞

21、轮可减少振动；应用阻尼器消耗振动能量是有效的措施；考虑系统的固有频率，避免共振。5.2、减少主轴组件热变形的措施：把热源移至机床以外。改善主传动的润滑条件。如进行箱外循环润滑，用低粘度的润滑油、油雾润滑等，特别注意前轴承的润滑情况。采用冷却散热装置。例如用热管冷却减少机床各部位的温差,进行热补偿。如可以在结构设计采用一些自动补偿的装置设法使热变形朝不影响加工精度的方向发展。还可以在工艺上减少热变形的影响。如先空运转一段时间再加工。把粗、精加工分开等。5.3、主轴材料的选择及尺寸、参数的计算：图5-1主轴主轴是主轴组件的重要组成部分，它的结构尺寸和形状、制造精度、材料、及其热处理，对主轴组件的工

22、作性能都有很大的影响。主轴结构随系统设计要求的不同而有各种形式。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转数下降。主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.70.8的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。主轴内孔直径 主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液

23、动卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的适用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴的直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.35时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；大于0.7时空心主轴的刚度急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。根据设计要求，此设计选用的主轴材料是45#钢。其热处理及参数如下表表5-1材料热处理硬度（HBS）抗拉强度极限屈服强度极限s弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限-1许用弯曲应力-1 45调质、渗氮21725564035530015560因为选用的主轴电机功率为P=18.5K

24、W，额定转速nc=1500r/min所以主轴功率 p=pc/123=9.67 kw (式5-1)因为主轴是空心转轴，所以 d1=21.68 . （式5-2）查表得=1.23 所以d1=21.681.2321.23=56.6 又因为此处轴上有一个键槽，所以d1=d(1+5%)=59.45 取d1=60;d2=d1+2a,a为轴肩高度，用于轴上零件的定位和固定，故a值应该稍微大于毂孔的圆角半径或倒角深，通常取a（0.070.1）d1；d2应符合密封件的孔径要求。所以 d2=63mmd3=d2+58mm=72mm。 d4=d3+15mm=74mm。d5=d4+15mm=78mm。d6=d5+2a。a

25、(0.070.1)d1 所以d6=80mm。根据选用的轴承确定d7=98mm主轴的疲劳强度安全系数校核，危险截面安全系数s的校核计算： s=s （式5-3）_只考虑弯距作用的安全系数；s_只考虑扭距作用是的安全系数；s _许用安全系数；在此查表所得s=1.31.5；s= 查表得出-1=270Mpa -1=155Mpa k=1.71 k=1.44 =1.6 =0.78 =0.74，=0.3，=0.21，=， m= M= Wp= 所以：s=1.08T 因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴承合格的。6.6、轴承座孔的设计要求：箱体壁上有安装轴承的轴承座孔，通常轴承座孔宽度均大于壁厚，而且，孔的

26、两端面往往需要机械加工，壁厚则不需要加工，故在箱壁单侧或者双侧制造出凸台，凸台可以增强主轴箱体的局部刚度，但D/d小于或等于2时，增强效果较为明显。由于结构的原因，h/t2的情况下，为改善凸台的局部刚度，应该设有加强肋。 第7章 联接键的选择和碟形弹簧的选择与计算联接键的选择键的类型可根据联接的结构特点，使用要求和工作条件选择，键截面尺寸通常根据轴的直径，从标准中选取，对于某些特殊情况（如阶梯轴）在保证传递所需的转矩的条件下，允许选用较标准规定小一挡的截面尺寸，有时候由于工艺和强度原因，也可以选用较标准规定尺寸大一挡的键，键的长度按轮毂长度而定，即键的长度等于略短于轮毂的长度，而导向平键就的按

27、轮毂的长度及滑动距离而定，键的长度应该符合标准规定的长度系列。根据设计尺寸和GB/T1096-1979选普通平键联接，键的公称尺寸是bhL=108(2836)，材料选取45号钢。7.1碟形弹簧的选择与计算碟形弹簧它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是： 图7-1碟形弹簧7.1.1、刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。7.1.2、具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量h0和弹簧板厚度t不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。7.1.3、在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。根据设计要求，选用A系列碟形弹簧。采用对合组合方式安

28、装。7.2、碟形弹簧材料及热处理、厚度和脱碳。碟形弹簧材料为60Si2MnA，碟簧成型后，进行淬火，回火后的硬度必须在HRC4245范围内单面脱碳层深度，对于厚度小于1.25mm的第一类碟形弹簧，不得超过其厚度的5%，对于厚度不小于1.25mm的碟形弹簧，不超过其厚度的3%（其最小值允许为0.06）。7.3、碟形弹簧的强压处理：碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于5次，压平力不小于二倍的Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。7.4、表面强化处理和防腐处理：对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等

29、，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等），经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。其主要设计参数如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 M=-1250N/2 =1430 N/2 Q=34.30kg/1000件D/t18 h0=0.4 E=206000N/2 =0.3 K4=1 C=2 压平弹簧的负载：PC= （式7-1） K1=0.69， （式7-2）P/Pc=5000/8410=0.59 因为h0/t=0.4 (查表所得) 所以 f=0.57h0=0.51 所以对合组合的片数为I= 取12片.未受负载的高度是HZ=i.H0=223.15=69.3受负载时的高度H1=HZ-if=69.3-220.51=58.08压平弹簧时(f=h0)M点的应力 M= （式7-3）此数据与60Si2MnA的屈服极限1400接近碟形弹簧的刚度P=9015.53N （式7-4）第8章 螺钉联接的设计设计要求：1.螺钉的布置一般对称形式，并应该根据结构和力流方向使螺钉受力合理，加工与安装方便。2.形心与结合面的形心应该重合。3.用铰制孔螺钉（受剪切螺钉）承受横向载荷时，沿力流方向的螺钉应不多于6个。4.一组螺钉的直径和长度应该尽