数控铣床主传动系统[主轴和传动系统 分离式]设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 本科生毕业设计 (论文 ) 题     目 : 数控铣床主传动系统设计 (分离式 )  #  英文题目 : #  #  系       : #  专     业 : #  班     级 : 系，专业，班级  请 参照书写规范   学     生 : #  学     号 : #  指导教师 1: # 职称 : #  指导教师 2: # 职称 : #   - I - 声     明  本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得研究结果。论文在引用他人已经发表或撰写的研究成果时，已经作了明确的标识；除此之外，论文中不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，均为独立完成。其它同志对本文所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表达了谢意。  学生签名： _                  年       月      日  导师 1 签名： _                  年       月      日  导师 2 签名： _                  年       月      日  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  -  摘   要  本论文首先 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 数控铣床 传动系统进行了设计与计算。  主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。 数控 铣床 主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。  目前，数控 铣床 的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范 围 3 5，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围  。  本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到 铣床 机体上 ,改善了输入轴的受力情况。  关键词 : 传动系统设计 ,传动副，结构网，结构式，齿轮模数，传动比  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  -  of NC NC in a a of in to of At NC is by by it is to of is of of a of by to on of 京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  -  目   录  摘   要  . .  1 章  绪论  . 1 内外研究现状及发展趋势  . 1 控系统的发展趋势  . 1 我国数控铣床的研究现状及发展趋势  . 1 业设计题目、主要技术参数  . 5 第 2 章  运动设计  . 6 动参数及转速图的确定  . 6 定结构网  . 6 制转速图和传动系统图  . 6 定各变速组此传动副齿数  . 7 第 3 章  动力计算  . 9 步带计算选型  . 9  算转速的计算  . 12 轮模数计算及验算  . 12 轴合理跨距的计算  . 15 轴材料的选择及尺寸、参数的计算  . 16 轴箱体的截面形状和壁厚计算  . 18 第 4 章  铣床主轴部分及其设计计算  . 19 床主轴所需标准  . 19 床的刚度  . 19 床的耐车性  . 20 床的旋转精度  . 20 床的抗震能力  . 20 床的热变形  . 21 床主轴部分的分布  . 21 床主轴形状的选择  . 22 床主轴的热处理  . 22 床主轴的设计标准  . 23 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  V 床主轴上轴承的挑选  . 23 床主轴上轴承的校对计算  . 24 床主轴外部伸长量  . 25 床主轴的校核  . 26 力作用的转换  . 26 床主轴的挠度  . 27 床主轴的倾角  . 28 的设计和验算  . 29 的结构设计  . 29 的强度校核  . 30 的刚度校核  . 33 第 5 章  主轴结构设计  . 39 主轴组件的性能要求  . 39 承配置型式  . 40 要参数的确定  . 40 轴头的选用  . 42 码器的选择与安装  . 42 第 6 章  主轴变速箱的装配设计  . 43 体内结构设计的特点  . 43 计的方法 (以轴的布置为例 ) . 43 第 7 章   摩擦离合器 (多片式 )的计算  . 46 构设计  . 47 开图设计  . 47 面图及轴的空间布置  . 48 件验算  . 48 轴刚度  . 48 动轴刚度  . 53 结论  . 58 参考文献  . 59 致   谢  . 60 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 1 - 第 1章  绪论  内外研究现状及发展趋势  控系统的发展趋势  自从 1951 年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（ 计算机数控（ 个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于   未来数控系统将呈以下发展趋势：  1、  继续向开放式、基于 第六代方向发展   基于 具有的开放性、低成本、高可靠性 、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。  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   数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。   （ 2）引入专家系统指导加工   将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。   （ 3） 引入故障诊断专家系统   （ 4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统  可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行 3 。  我国数控 铣床 的研究现状及发展趋势  1、研究现状  我国数控 铣床 从 20 世纪 70 年代初进入市场，至今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合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控 铣床 的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已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，床身有图 1 所示的 5 种布局形式。一北京科技大学天 津学院本科生毕业设计（论文）  - 2 - 般来说，中、小规格的数控 铣床 采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控 铣床 或小型精密数控 铣床 才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控 铣床 中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特 点：    容易实现机电一体化；    机床外形整齐、美观，占地面积小；    容易设置封闭式防护装置；    容易排屑和安装自动排屑器；    从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；    宜人性好，便于操作；    便于安装机械手，实现单机自动化。    2)导轨   铣床 的导轨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。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控 铣床 已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴 带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。   滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。  a)后斜床身                             b)直立床身 北京科技大学天 津学院本科生毕业设计（论文）  - 3 - c)平床身            d)前斜床身          e)平床身  图 身布局型式  3）主轴传动系统  机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控 铣床 得主传动系统通常采用无级变速。  与普通 铣床 相比，数控 铣床 的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了 适应不同的加工需求数控 铣床 主传动系统有以下三种方式。   电动机直接驱动  主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。   采用定比传动  主轴电动机经定比传动给主轴。  定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主 轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。  目前 ，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有 2恒转矩范围则达 100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配 :调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。  北京科技大学天 津学院本科生毕业设计（论文）  - 4 - 采用分档变速方式  采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电 动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。   用两个电机分别驱动主轴   上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴  4）刀架系统    按换刀方式的不同，数控 铣床 的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控 铣床 ，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控 铣床 最常用的一种典型换刀刀架，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。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。  5）进给传动系统   数控 铣床 的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器 、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。  数控 铣床 的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用 4。  2、发展趋势  1）高速、高精密化   当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。    2） 高可靠性   3）数控 铣床 设计 、结构设计模块化   采用 术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件北京科技大学天 津学院本科生毕业设计（论文）  - 5 - 整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。   4）功能复合化   扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控 铣床 既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。  5）智能化、网络化、柔性化和集成化 5。  业设计题目、主要技术参数  1、设计数控铣床主传动系，主轴最高转速为 000r/低转速为20r/算转速为 180r/动机功率规定为 15动机的最高转速为4500r/定转速为 1500r/求主轴的功率特性图上无缺口，采用主轴和传动系统分离式传动方式，每根轴上传动副数少于等于 4个。  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 6 - 第 2章  运动设计  技术参数：  1、 设计数控铣床主传动系，主轴最高转速为 000r/低转速为20r/算转速为 180r/动机功率 规定为 15动机的最高转速为4500r/定转速为 1500r/求主轴的功率特性图上无缺口，采用主轴和传动系统分离式传动方式，每根轴上传动副数少于等于 4个。  (1)无级变速传动系统的恒功率调速范围  1804000 =2)交流调速电动机的恒功率调速范围 15004500 =3 (3)分级变速传动的转速级数 Z： = Z=3 定结构网  主轴的计算转速为   180r/转速得 ,选用齿轮精度为 8级精度  图 2构网   （ 1）绘制转速图：  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 7 - 转速图  （ 2）画主传动系统图。根据系统转速图及已知的技术参数  1 (m+D) 轴 最小齿数和 :+D/m) 定各变速组此传动副齿数  (1)100型机床 02)直齿圆柱齿轮 18京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 8 - 图 2主传动系统图  （ 7） 齿轮齿数的确定。 据设计要求 18 20,由表 据各变速组公比，可得各传动比和齿轮齿数，各齿轮齿数如表 2 齿轮  1  2 3 齿数  77 43 46 74 22 88 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 9 - 第 3章  动力计算  步带计算选 型  设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的，表达式如下：  d A  P  式中   需要传递的名义功率   工作情况系数，按表 2工作情况系数 取  表 K  d  确定带的型号和节距  可根据同步带传动的设计功率 小带轮转速 同步带选型图中来确定所需采用的带的型号和节距。  其中 500表 3 3京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 10 - 选同步带的型号为 H：，节距为： 择小带轮齿数 根据同步带的最小许 用齿数确定。查表 3 查得小带轮最小齿数 14。  实际齿数应该大于这个数据  初步取值 4故大带轮齿数为： z2=i 8。  故 4， 8。  确定带轮的节圆直径 带轮节圆直径  =34/带轮节圆直径  =34/证带速 v 由公式 v= 0000计算得，  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 11 - s 0m/s， 确定带长和中心矩  根据机械设计基础得 )(2)(1021  所以有：    1 0  现在选取轴间间距为取 0a 2240、同步带带长及其齿数确定  0L = 22 0a (21  ) =1、带轮啮合齿数计算  有在本次设计中传动比为 1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即 17。  12、基本额定功率 0P 的计算  1000 )(20a 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表 4m=m。  表 3准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量  13、计算作用在轴上力  =京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 12 - 算转速的计算  （ 1） 传动件的计算转速)1( mi n/18 0 主轴的计算转速  ,  :各轴的计算转速如下  轮模数计算及验算  1、计算各传动轴的输出功率  44( 2 )1 5 0 . 9 6 0 . 9 9 1 4 . 8 01 4 . 8 0 . 9 7 0 . 9 9 1 3 . 6 5( 3 ) :1 4 . 89 5 5 1 0 2 8 2 2 5 ( )7501 3 . 6 59 5 5 1 0 1 6 2 9 8 7 ( )1500I r  I r  n n K  n n K  m  m m 1;:(91)4(4该轴的计算转速该轴的传递功率注由公式择轴径的计算以及键的选 : , , 12 . 6 69 1 2 1 . 2 2 ; 2 59 0 0 12 . : 2 . 5 6 ; 1 5 0 / m i n ; 12 . 5 69 1 3 2 . 8 9 ; 3 51 5 0 1  I  nd m m d m  P K W n rd m m d m m 4、模数计算， 一般同一变速组 内的齿轮取同一模数，选取负荷最重的小齿轮，轴     序     号  电动机 (0) 计算转速r/500 750 120 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 13 - 按简化的接触疲劳强度公式进行计算，即 63383 221 )1( 可得各组的模数，如表 3示。  45号钢整体淬火， 1 1 0 0j 按接触疲劳计算齿轮模数 m  6338mm i n/250;4;10:6338mm i n/772;4;10:0;104;m i n )/();()1(16338取轴取轴小齿轮齿数大小齿轮齿数比齿轮计算转速驱动电机的功率（ 2） 齿轮计算 。  齿轮几何尺寸见下表  齿轮  1  2 3 齿数  77 43 46 74 22 98 模数  3 3 3 3 3 3 分度圆直径  231 129 138 222 66 294 齿顶圆直径  237 135 144 228 72 300 齿根圆直径  宽  24 24 24 24 24 24 按基本组最小齿轮计算 。 小齿轮用 40质处理，硬度 241286均取 260齿轮用 45 钢，调质处理，硬度 229286均取 240算如下：    齿面接触疲劳强度计算：  接触应力验算公式为   P  n )()1(102088 3218弯曲应力验算公式为：  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 14 - P   )(101 9 12 3215  式中   这里取 N 为电动机功率， N=4r/.  , ;  u=3;  K   里取 T=15000h.; 1n r/ 1 n =500（ r/ 0触载荷取0C= 710 ，弯曲载荷取0C= 6102  触载荷取 m=3；弯曲载荷取 m=6;  【 5】 2 上，取 【 5】 2 上，取 【 5】 2 上 ,3K=K  【 5】 2 上，取 2K =1 1K  【 5】 2 上， 1K =1       【 5】 2 上， Y= j ,查 【 4】，表 4 j =650   w 查 【 4】，表 4 w =275  根据上述公式，可求得及查取值可求得：  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 15 - 合格；弯曲应力校核：合格接触应力校核：M P aM p   aM p  (按扩大组最小齿轮计算 。 小齿轮用 40质处理，硬度 241286均取 260齿轮用 45 钢，调质处理，硬度 229286均取 240 同理根据基本组的计算，  查文献 【 6】， 可得 : K= 2K =1， 1K =1， m=355；可求得：   合格；弯曲应力校核：合格接触应力校核：M P aM p   aM p  (轴合 理跨距的计算  由于电动机功率 P=11据【 1】表 轴径应为 6090步选取 0轴径的   0据设计方案，前轴承为 ，后轴承为圆锥滚子轴承。定悬伸量 a=120轴孔径为30 轴承刚度，主轴最大输出转矩 T=95509550设该机床为铣床的最大加工直径为 300床身上最常用的最大加工直径，即经 济加工直径约为最大回转直径的 50%，这里取 60%，即 180半径北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 16 - 为  切削力（沿 y 轴）         4716N 背向力（沿 x 轴）         c=2358N 总作用力                 F= 22F =力作用于工件上，主轴端受力为 F= 先假设 l/a=2， l=3a=240后支承反力 B 分别为  40240120 =B=F40120=据 文献 【 1】式 得： iz 前 支承的刚度： ； N/ m ；轴的当量外径 80+60)/2=70惯性矩为  I=64 )4 =10 =38 9 = 【 1】图 3  原假设接近，所以最佳跨距0l=120 40理跨距为（ l，取合理跨距 l=360 根据结构的需要，主轴的实际跨距大于合理跨距，因此需要采取措施增加主轴的刚度，增大轴径：前轴径 D=100轴径 d=80轴承采用双列圆柱滚子轴承，后支承采用背对背安装的角接触球轴承。  轴材料的选择及尺寸、参数的计算  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、传动气动或液动卡盘等。主轴孔径越大，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。  北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）  - 17 - 根据设计要求。此设计选用的主轴材料是 45#钢。  表 35#钢热处理和参数表  因为选用的主轴电机功率为 P=11定转速 500r/以主轴功率  p= 1 2 3=          因为主轴是空心转轴，所以   3122 )(3