数控机床的机械传动装置设计毕业设计

1、 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 设计设计(论文论文)题目：题目： 数控机床的机械传动装置设计 目 录 摘要.ii abstract.iii 1.引言.1 2.主传动方案的拟定 .6 2.1 初定传动方案 .6 2.2 方案的选择 .6 3.动力计算 .12 3.1 齿轮的计算(计算过程参考文献 2 第八章) .12 3.2 电磁离合器的选择和使用 .20 4.轴的设计和验算 .22 4.1 轴的结构设计 .22 4.2 轴的强度校核(以轴为例) .22 4.3 轴的刚度校核(以轴为例) .26 5主轴变速箱的装配设计 .29 5.1 箱体内结构设计的特点 .29 5.2 设计的方法

2、 .29 6.滚动导轨的结构 .32 6.1 导轨结构的设计 .32 7plc 概述.37 7.1 plc 的发展历程.37 7.2 plc 的发展趋势.38 7.3 plc 的应用.39 7.4 plc 的硬件结构.40 7.5 plc 的工作原理.41 8. plc 控制系统设计.43 8.1 确定 io 的点数.43 8.2 选择适用的 plc 机型 .43 8.3 输入输出点的分配 .43 8.4 plc 接线图.44 8.5 plc 控制程序梯形图设计.44 8.6 改造中必须注意的几个问题 .44 结论 .45 参考文献 .46 致谢.47 数控机床的机械传动装置的设计 摘摘 要要

3、 本文研究的主要是数控机床的机械传动装置的设计，传动装置在各外界因素和自身 因素的影响下传动精度会大大降低，例如几何精度与变形产生的误差、机床的热变形以 及运动间的摩擦和传动间隙等因素。这些都是影响数控机床传动精度的重要因素，我也 是从这入手，从各个方面着手提高数控机床的传动精度。 我完成的设计主要包括一些原始数据的拟定，再根据拟定的参数，进行传动方案的 比较，确定传动方案。然后计算各传动副的传动比及齿轮齿数，再估算齿轮的模数和各 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，一些零件的选型，从而完成对整个机械传动系统的设计。 关键词关键词：数控机床

4、传动系统 精度 设计 cnc machine tools, mechanical transmission design abstract this study mainly cnc machine tools mechanical transmission design, mechanical transmission gear under the influence of external factors and the factors driving accuracy will greatly reduce the accuracy, such as geometric accuracy

5、 and deformation of the thermal deformation of machine tools, as well as the movement between the friction and the transmission gap. these are the transmission accuracy of cnc machine tools, i am also from this start begin to improve the transmission accuracy of cnc machine tools, from all aspects.i

6、 completed the design include the formulation of some of the raw data, according to the parameters of the proposed transmission scheme compared to determine the transmission scheme. then calculate the transmission ratio of the pair and gear of the transmission, and then estimate the modulus of the g

7、ear and the axis of the shaft, and gear and shaft strength and stiffness of the check. in addition, we must design the main structure of cabinets, some parts of the selection, thus completing the design of the mechanical drive system as a whole.keywords: accuracy of cnc machine tool drive system des

8、ign keywordskeywords：nc machine tool; driving system; accuracy；design 1.1.引言引言 1.11.1 数控机床的发展及现状数控机床的发展及现状 数控机床是数字控制机床（computer numerical control machine tools）的简称， 是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其 他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机 床有如下特点：对加工对象的适应性强 ，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的 制造提供了合适的加工方法；加工精度高

9、，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联 动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生 产准备时间；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般 为普通机床的 35倍） ；机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；有利于生产管理的现 代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为 计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；对操作人员的素质要求较高，对维 修人员的技术要求更高；可靠性高。 数控机床是由美国发明家 约翰帕森斯上个世纪发明的。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

10、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。 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

11、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。 德国政府同样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

12、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。 至于日本政府对机床工业之发展重视的程度我们也可想而知，他们通过规划、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

13、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年代开始进一步加强科研，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

14、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。 随着各国数控机床的发转，我国的数控行业从 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

15、、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

16、.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，

17、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

18、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%。 1 1. .2 2 数数控控机机床床的的发发展展趋趋势势 1、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。数控机床工序集中的加工特点，将使具有 复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数 控机床的构成比不同于传统的机床构成比。数控机床的应用由单机向单元（系统）方向 发展。目前欧、美、日等国应用 dnc 已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30% 以上。而我国 fmc、fms 和 fml 的拥有量不足50套，

19、相当于日本80年代的水平，占数控机 床消费额不到5%。出口前景良好。1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元 左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和 巩固，以及我国加入 wto，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2005年 出口创汇可达到12亿美元。 2、加入 wto 后，外资对我国机械工业的结构性冲击也大大加强主要表现在：1） 、部 分行业发展主导权有可能受到冲击。在以下行业将表现得更为突出：一是在国内处于市 场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输 电关键设备、半喂入式水稻联合收割机

20、、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠 有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变 压器高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差 较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型 或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压 电器等。2） 、工程成套行业将面临更严峻的竞争。随着服务贸易领域对外开放，实力雄 厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司， 以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激 烈的

21、竞争。3） 、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制。由于外资在华机械 企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资 企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产 品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。4)、处 于幼稚期的自主产业的成长环 境趋于严峻。由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企 业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品， 从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。 3、高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床

22、技术发展的总趋势，近几年来，在 实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在 :1) 机床复合技术进一步扩展 随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车 - 镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精 度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂 ” 、 “一次装卡，完全加工 ”等理念正 在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。2)数控机床的智能化 技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功 能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、 高精度加工零件智能化参

23、数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用 化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3)机器人使柔性化组合效率更高机器人 与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线 进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、 工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形 式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4)精密加工技术有了新进展数控金切机 床的加工精度已从原来的丝级（ 0.01mm）提升到目前的微米级（ 0.001mm） ，有些品 种已达到0.05m 左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可

24、稳定达到 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精 度可达到纳米级（ 0.001m） 。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精 密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工 的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5） 功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发 展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力 矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用， 极大的提高数控机床的技术水平。 4、

25、体现在新技术的广泛应用和企业效益的明显改善。目前机床行业的消费主流是 数控机床。从国内外市场对数控机床的需求来看，以后数控机床市场具有以下特征： 一是经济型数控机床是以后的主流产品。二采用新技术，降低成本，提高产品稳定性 是企业生存的关键。 随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床 的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。 1.31.3 设计目的设计目的 数控机床是高度自动化机床,其生产效率和加工精度也越来越高，但是由于机械结构 （如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何误差、加工过程机床的热变形、 运动间的摩擦、传动间隙等因素的影响，数控机床的加工精度和加工效率还

26、有一定的提 升空间，本次设计的目的就是最大程度的提高数控机床的加工精度。 2.2.主传动方案的拟定主传动方案的拟定 2.12.1 初定传动方案初定传动方案 传动机构是将机器原动机的运动和动力传递给机器执行机构的中间环节,传动机构中 各传动件因设计、制造和装配不准确及运行中产生的磨损、受外力、温度变化引起的变 形等因素会影响传动机构的精度,所以对传动机构的设计要求较高。 常见的变速方式有三种：通过齿轮结构变速、通过带传动变速、有调速电机直接驱 动。这三种传动各有优缺点。 1.齿轮结构变速 齿轮调速机构可以通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭 矩特性的要求。以获得强力切屑时所需

27、要的扭矩。而且齿轮传动的经度较高，但是这种 结构几何尺寸较大，而且对制造精度、安装精度要求高。 2.通过皮带传动的主传动 带传动可以缓和冲击和振动，而且带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结 构，理论上中心距可以达到很大。当设备承受载荷过大时可以通过打滑，提高设备的防 过载能力。但带传动传递效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈，而且传动比也 不明确。所以带传动一般和齿轮传动一起进行传动。 3.由调速电机直接驱动的主传动 电机的旋转速度之所以能够自由改变，是因为感应式交流电机（以后简称为电机） 的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是 固定不变的。由于该极

28、数值不是一个连续的数值（为2 的倍数，例如极数为 2，4，6） ，所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电 机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。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。改变频 率和电压是最优的电机控制方法 但如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会 使电机出于过电压（过励磁） ，导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同 时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最 高只能是等于电机的额定电压。因此电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低） 而减小，难以保证低速时主

29、轴的转矩。 综合上述所有问题的考虑，本次设计采用齿轮传动和带传动相结合的传动方式。这种 传动方式不但能够保证低速时的转矩，还能使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专 有较小的比重，更容易控制传动的精度。 2.22.2 方案的选择方案的选择 参照数控机床的发展趋势以及对一些典型机床的分析，可初定步将此数控机床的主 轴转速分为高低两档,共有 12 级转速：其中高低两档各有 6 级转速，低速档时 =340r/=45r/min;高速档时=1800 r/min，=235 r/min； max n min n max n min n 电机的转速和功率分别为 1500 r/min，5.5kw。 已知主轴的转

30、速分为 12 级，参考文献 1，可将机床的转速分为高低两档，其中高档 最大转速为 1800r/min，最小转速为 235 max n min n r/min；r1=/=1800/235=7.66,r= 1max n min n1z 当机床处于低速档时,转速范围= min max n n = 45 340 =7.556。=，即 n r n r 1z =1.499，取=1.449,已知=45,查标准数列表(见参考文献 1 1z n r 5 566 . 7 7 06 . 1 min n 第 6 页).从表中找到=45,就可每隔六个数取得一个数,得低速档的 6 级转速分别为 min n 45,67,1

31、03,154,230,340 r/min; 当机床处于高速档时, 主轴共有 6 级，转速范围=7.659。=，即 n r 235 1800 n r 1z =1.50,取=1.50,已知=1800 ,查标准数列表(见参考文献 1 1z n r 5 659 . 7 7 06 . 1 max n 第 6 页). 从表中找到=1800, 就可每隔六个数取得一个数,得高速档的 6 级转速分别为 max n 236,354,543,815,1200,1800 r/min。 基本参数确定后，就可以根据需要确定具体的传动方式了，首现确定数控机床的主 传动方式。数控机床的主传动要求传递给一定的功率，要求主轴转速

32、可以按加工要求在 一定的转速范围内作有级机速，并且要求转速的转换要迅速可靠，并能满足寿命要求。 2.2.12.2.1 齿轮变速机构的设计 由于整个装置为级变速，传动副数由于结构的限制以 2 或 3 为合适，即变速级数 z 应为 2 和 3 的因子 z=3。可以有两种方案： a 2 方案一 12=232 图 2-1 主轴箱传动方案 1 传动齿轮数目 2（2+3+2）=14。 传动轴数目为 4 根。 操纵机构较为简单：两个滑移齿轮和一个三联滑移齿轮，可单独也可集中操纵。 方案二 12=34 图 2-2 主轴箱传动方案 2 传动齿轮数目 14 个。 传动轴数目为 3 根。 两方案结构非常相似，运用的

33、齿轮数量相当但方案二中，中间轴上齿轮较多，所承 担负载较大，对轴的刚度要求过高，负载时轴的变形过大影响机床加工的精度。相对来 说方案一轴的数目较多，但结构还是比较清晰，没根轴上的载荷分配比较均匀，受载时 变形较少，有利于提高传动精度。综合各方面因素选用方案一较为合适。 2.2.22.2.2 各级传动比的计算各级传动比的计算 假设结构如图： 图 2-3 传动比分配图 由于已经设计了各轴之间的相对位置关系，由传动系统草图知共有六个传动比。 分别设齿轮 1 和齿轮 4 之间的传动比为,齿轮 2 和齿轮 5 之间的传动比为,齿轮 8 和 14 i 25 i 齿轮 9 之间的传动比为 ,齿轮 3 和齿轮

34、 6 之间的传动比为,齿轮 7 和齿轮 10 之间的 89 i 36 i 传动比为,带轮传动比为。 710 i 轮带 i 设其中。当处于低档时，手动操作使得齿轮 12 和齿轮 14 啮合。 25 i 14 i 36 i 当中间的电磁离合器得电，齿轮 2 和齿轮 5 之间啮合，当时的主轴转速最小，为 45 或 67 r/min。 可得 1500=45r/min 25 i 89 i 轮带 i 1113 i 1500=67 r/min 25 i 89 i 轮带 i 1214 i 当左侧的电磁离合器得电，齿轮 3 和齿轮 6 之间啮合，当时的主轴转速最大，为 226 或 340 r/min。 可得 1

35、500=230 r/min 36 i 89 i 轮带 i 1113 i 1500=340 r/min 36 i 89 i 轮带 i 1214 i 当右侧的电磁离合器得电，齿轮 1 和齿轮 4 之间啮合，当时的主轴转速为 100 或 150 可得 1500=100 r/min 14 i 89 i 轮带 i 1113 i 1500=150 r/min 14 i 89 i 轮带 i 1214 i 当处于高档时，手动操作使得齿轮 7 和齿轮 10 啮合 236 或 354 可得 1500=235 r/min 25 i 710 i 轮带 i 1113 i 1500=354 r/min 25 i 710

36、i 轮带 i 1214 i 当左侧的电磁离合器得电，齿轮 3 和齿轮 6 之间啮合，当时的主轴转速最大，为 1200 或 1800 可得 1500=1200 r/min 36 i 710 i 轮带 i 1113 i 1500=1800 r/min 36 i 710 i 轮带 i 1214 i 当右侧的电磁离合器得电，齿轮 1 和齿轮 4 之间啮合，当时的主轴转速为 543 或 816 可得 1500=543 r/min 14 i 710 i 轮带 i 1113 i 1500=815 r/min 14 i 710 i 轮带 i 1214 i 由这 6 各方程联列可解得 0.3226 0.7447

37、 1.6452 25 i 14 i 36 i 0.2576 1.3659 0.534 89 i 710 i 轮带 i 1.532 0.326 1214 i 1113 i 传动比的选用时，应注意的几个问题，充分使用齿轮副的极限传动比=1/4， min u =2， max u 这个传动方案采用了带轮变速和齿轮变速相结合的方式，不但保证了低速时的传动 力矩，而且减少了传动件数，进而减少了传动过程中产生的误差。在实践中，若传动比 过大，特别是中间轴的传动，会导致齿轮和箱体尺寸过大，齿轮线速度增大，容易产生 振动和噪音，不利于提高加工精度。这组齿轮传动中传动比合适，零件尺寸适中，既有 利于减少震动和噪音

38、，又有利于提高传动的精度。 2.2.32.2.3 各轴转速的确定方法各轴转速的确定方法 由传动比和电机的转速，可以计算出各轴的转速； 1.轴的转速 轴从电机得到运动，经传动系统转化成各级转速。电机转速转速和主轴最高转速 应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴不宜 将电机转速降得太低。但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发 热都将成为突出矛盾，因此，轴转速也不宜太高机床的轴转速一般取 7001000 r/min 左右比较合适。另外也要注意到电机与轴的传动方式，如用带轮传动时，降速比 不宜太大，和主轴尾部可能干涉。 2. 中间传动轴的转速 对于中间传

39、动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、振动等性能 要求之间的矛盾。中间传动轴的转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴 径和齿轮模数小些，从而可以使结构紧凑。但是，这将引起空载功率和噪音加大。从经 验知：主轴转速和中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1、对于功率较大 的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些对减小结构尺寸的效果 较明显。2、对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低一些。3、控制齿轮圆周速度 ，在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。smv/8 2.2.42.2.4 转转速图的确定速图的确定 运动参数确定以后，主轴各级转速就已经知道了

40、，而且根据设计出来的各级齿轮的 传动比，这样就可以拟定主运动的转速图，使主运动逐渐具体化。 电动机轴 轴主轴 45 103 154 230 340 236 354 543 815 1200 1800 1500 1000 0.534：1 53：31 20：62 35：47 54：41 17：66 此机床集中传动:公比为,级数 z=12,变速范围 r=1800/45=40。41. 1 3.3.动力计算动力计算 3.13.1 齿轮的计算齿轮的计算( (计算过程参考文献计算过程参考文献 2 2 第八章第八章) ) 3.1.13.1.1 确定齿轮齿数和模数（查表法）确定齿轮齿数和模数（查表法） 可以用计

41、算法或查表法确定齿轮齿数，后者更为简便。根据上面计算的传动比和初 步定出的小齿轮齿数，查表即可求出齿轮副齿数之和，再减得大齿轮的齿数。 用查表法求轴和轴上的齿轮的齿数和模数 1. 常用传动比的适用齿数（小齿轮） 选取时应注意：不产生根切。一般取 zmin1820； 保证强度和防止热变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚 2m,一般取 5mm 则 zmin6.5+2t/m。 同一传动组的各对齿轮副的中心距应当相等。若模数相同，则齿数和亦应相等。但 由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求。机床 上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差

42、不能超过 34 个齿。 为了防止各种碰撞和干涉，三联滑移齿轮的相邻两齿轮的齿数差应大于 4。 所以，可以假设其中最小的齿轮 2 齿数为 20，而且由上可知，齿轮 2 和齿轮 5 之间 的传动比为 3.1，查常用传动比的适用齿数（小齿轮）表，可找到最接近的传动比为 3.15，当时的齿数之和为 82。可得大齿轮齿数为 62。 2. 齿轮模数的估算 按接触疲劳和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂,而且有些系数只有在齿轮各参数 都已经知道后方可确定,所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用 标准齿轮模数。 齿轮弯曲疲劳的估算： 32mm m3 znj n 其中 n 计算齿轮传递的额定功率

43、 n=nd 齿轮点蚀的估算：a370mm3 nj n 其中为大齿轮的计算转速,a 为齿轮中心距。nj 由中心距 a 及齿数 z1、z2 求出模数： 21 2 zz a mj 根据估算所得和中较大得值,选取相近的标准模数 mmj 以齿轮 2 和齿轮 5 为例 =n=15000.534=801 r/minnj 轮带 i n=5.50.95=5.225kw 321.509 m 3 534 . 0 150062 225 . 5 a37069.133mm 3 534 . 0 1500 225 . 5 1.686 6220 133.692 mj 所以,根据选取,为了保证模数一定满足要求,假设齿轮 2 和齿

44、轮 5 的模数为 3mj 由此可知,输入轴 1 和传动轴 2 之间的中心距为 a=123mm 2 )52(zzm 2 )6220(3 同理且根据 1 轴和 2 轴之间的距离始终为 123mm,可得出 1 轴和 2 轴之间其余的齿轮 的齿数和模数 分别为 z1=35 m1=3 z4=47 m4=3 z3=51 m3=3 z6=31 m6=3 3.1.23.1.2 确定齿轮的齿数和模数（计算法）并校核确定齿轮的齿数和模数（计算法）并校核 以齿轮 8 和 9 为例 设计时采用最高转速，即齿轮 10 的转速为 1800r/min,已知该组齿轮传递的功率为 5.5kw,已知传动比为0.2576,假设齿轮

45、对称布置,使用寿命为 8 年,每年以 300 工作日 89 i 计,两班制,中等冲击,齿轮单向回转。 1、齿轮的材料、精度和齿数选择 因传递功率不大、转速不高、材料按表 7-1 选取，都采用 55 钢，锻造毛坯，大齿轮 正火处理，小齿轮调质，均用软齿面。 齿轮精度用 6 级，软齿表面粗糙度为1.6。 a r 软齿面闭式传动，失效形式为点蚀，考虑传动平稳性，取齿轮 8 的齿数为 17，则齿 轮 9 为 17/0.2576=66 2、设计计算 （1） 、设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 （2） 、按齿面接触疲劳强度设计 3 1 1 ) 1(2 u uktzzz d dh

46、eh t =9.55 1 t mmnmmn n p .113290. 171800 665 . 51055 . 9 10 6 6 由图 7-6 选取材料的接触疲劳极限应力为: , ah mp580 lim2 ah mp560 min2 由图 7-7 选取材料的弯曲疲劳极限应力为: , af mp230 lim1 af mp210 lim2 应力循环次数 n 由式(7-3)计算 =83001617180060 1 n 9 1007 . 1 2 n u n1 8 9 1076 . 2 66 171007 . 1 由图 7-8 查得接触疲劳强度寿命系数,1.021 1n z 2n z 由图 7-9

47、查得弯曲疲劳寿命系数,1,1 1 n y 2n y 由表 7-2 查得接触疲劳安全系数1,弯曲疲劳安全系数1.4,又=2.0, minh s minf s st y 试选1.3 t k 由前面的式子求得许用接触应力和许用弯曲应力 an h h m mpz s 580 1 lim lim1 an h linh h mpz s 571 2 lim 1 2 an f stf f mpy s y 3281 4 . 1 2230 1 lim lim1 1 an f stf f mpy s y 300 2 lim lim2 2 将有关值代入式子 得 =59.17 3 1 1 ) 1(2 u uktzzz

48、d dh eh t 3 2 66 831132903 . 12 571 90 . 0 8 . 1895 . 2 则1.44 100060 11 1 nd v t sm/ 查图 7-10 得; 由表 7-3 查得;由表 7-4 查得;取;则09 . 1 v k25 . 1 a k05 . 1 k1 k 431 . 1 105 . 1 09 . 1 25 . 1 k kkkk vah 修正mmdd t 95.6003 . 1 17.59 3 . 1 431 . 1 3 11 mmzdm58 . 3 17/95.60/ 11 由表 7-6 取标准模数 5 . 3m 3校核齿根弯曲疲劳强度 由图 7-

49、18 查得 2 . 4 1 fs y0 . 4 2 fs y 取7 . 0 y 由式（7-12）校核大小齿轮的弯曲强度 1 2 1 3 2 1 1 87.767 . 02 . 4 53 . 3 171 11329043 . 1 22 fafs d f mpyy mz kti 20.73 2 . 4 0 . 4 87.76 2 1 2 12fa fs fs ff mp y y 所以，初选的齿轮齿数和计算出的模数符合要求。 求得齿轮 8 和 9 的齿数和模数分别为 z8=17 m8=3.5 z9=66 m9=3.5 其中齿轮8的齿数为17，有可能会发生根切现象，所以要修正齿轮，齿轮修正的方法如下

50、正变位齿轮传动 - 根切现象 当用范成法加工齿数较少的齿轮，会出现轮齿根部的渐开线齿廓被部分切除的现象 。这种现象称为根切。严重的根切，不仅削弱轮齿的弯曲强度，也将减小齿轮传动的重 合度，应设法避免。为避免根切，应使所设计直齿轮的齿数大于17，在轮齿弯曲强度足 够的条件下，允许齿根部分有轻微根切时，最少齿数可取为14。 正变位齿轮传动 - 变位齿轮 1、标准齿轮传动的缺点 1）结构不够紧凑：齿轮的结构尺寸取决于模数和齿数，而模数是由强度条件决定的。 所以齿轮的结构尺寸就取决于齿数，齿数越少结构越紧凑，但标准齿轮的齿数不可小于1 7，否则轮齿要产生根切。这就限制了齿轮的结构尺寸不能太小。 2）难

51、以配凑中心距：标准齿轮传动不适用于实际中心距不等于标准中心距的场合。当 实际中心距大于标准中心距时，采用标准齿轮传动虽仍然保持定传动比，但会出现过大 的齿侧间隙，反向转动时，有较大的振动冲击，同时重合度也减小。当实际中心距小于 标准中心距时，则无法安装。 3）承载能力较低：一对相互啮合的标准齿轮，小齿轮齿根厚度小于大齿轮的齿根厚度 ，两者抗弯能力有差别，使大齿轮的抗弯能力不能充分发挥出来，达不到等强度要求。 为了弥补标准齿轮的缺点，满足生产不断发展的需要，人们提出了对齿轮进行变位修正 的加工方法。 变位齿轮 （1）变位修正法：将齿条刀具相对轮坯移动一段距离 xm 切制齿轮的方法。其中 xm 称

52、为 变位量，x 称为变位系数。 刀具向远离轮坯的方向移动，称为正变位；向靠近轮坯的方向移动，则称为负变位。用 变位修正法切制的齿轮称为变位齿轮。因为齿条刀具中与分度线平行的任一直线上的齿 距，模数和压力角都相等，又 dbm*z*cos，所以如采用变位修正，变位齿轮的齿距、 模数、压力角及基圆参数不变。由变位切齿原理可知，切制变位齿轮与切制标准齿轮相 比较，只是刀具位置的变动，并没有改变切齿机床的相对运动关系，所以无需重新设计 齿轮加工机床与刀具，这为变位齿轮的制造提供了极大的方便，使变位齿轮传动得以广 泛应用。 用变位修正法求得齿轮的变位系数如下。 编号模数齿数齿形角变位系数 1335 20

53、+0.5 2320 20 +0.8 3351 20 0 4347 20 -0.5 5362 20 0 6331 20 0 7356 20 0 8 35 17 20 +0.218 9 35 66 20 0 10341 20 +0.169 11380 200 12325 200 13344 200 143106 200 齿轮材料为 55 钢,热处理为齿部 g580.2,深 0.5 3.1.33.1.3 齿轮的精度设计齿轮的精度设计 齿轮精度设计的方法及步骤：1、确定齿轮的精度等级； 2、齿轮误差检验组的选择及其公差值的确定； 3、计算齿轮副侧隙和确定齿厚极限偏差代号； 4、确定齿坯公差和表面粗糙度

54、； 5、公法线平均长度极限偏差的换算； 6、绘制齿轮零件图。 以齿轮 9 为例：齿数为 66，模数为 3.5,变位系数为 0。 1.确定齿轮的精度等级 由于该齿轮是主轴箱内的齿轮，对传动精度和稳定性的要求都比较高，主要要求 的是传动平稳性精度等级。据圆周速度 100060 dn v sm/11 . 4 60000 340665 . 3 对于如此要求高的齿轮，并参考文献 1 的表 10-8，采用 6 级精度。 2.齿轮误差检验组的选择及其公差值的确定 该齿轮属中等精度，且为批量生产查表 12-3 选定、 i f w f i f f 组成检验方案。根据及mmmzd231665 . 3 11 mmb

55、27 1 查表 12-13、表 12-14、表 12-15 可得公差值： 第公差组 36 r f25 f45 p f 第公差组 9 f f11 pt f10 pb f 第公差组 9 f 3.计算齿轮副侧隙和确定齿厚极限偏差代号代号 计算齿轮副的最小极限侧隙 由文献 1 表 12-10 按油池润滑和查得 minn j smv/11 . 4 035 . 0 5 . 301 . 0 01 . 0 1 nn mj sin)(2 22112tn taj 根据齿轮和箱体的材料，从材料手册上查得，钢和铸铁的线膨胀系数分别为 c /10 5 . 11 6 1 c /105 .10 6 2 传递的中心距 mm

56、zzm a25.145 2 )1766(5 . 3 2 )21( 所以，mmjn038 . 0 031 . 0 120 25.145 2 确定齿厚极限偏差代号 齿厚上偏差 由文献 1 式（12-15） n bb nnna ss fffjjf e cos2 104 . 2 tan 2 2 2 1 2 21 式中前面已查得 f9 fm 由文献 1 表 12-14 按 6 级精度查得 pb f mfpb11 1 mfpb9 2 由文献 1 表 12-17 按 145.5，6 级精度查得 ，mfa20 所以，代入数据得，me ss 56 因为 11 pt f 11 56 pt ss f e 由文献 1

57、 图 12-29 或者 12-9 查得齿厚的上偏差代号为 g，因此 666 ptss fe 齿厚下偏差 可知 6 22 tan2 rrn sbft 查表文献 112-13，6 级精度齿轮，查表 12-11，mfr36 ，所以mmitbr917226 . 1 826 . 1 mt s 24.71913620tan2 22 mmtee ssssi 1377166 5 . 12 11 137 pt si f e 由文献 1 图 12-29 或表 12-9 查得齿厚下偏差代号为 k，因此 mesi1321112 至此，小齿轮的精度为：6gk gb10095-88 4.确定齿坯公差、表面粗糙度 齿轮内孔

58、是加工、检验及安装的定位基准，对 6 级精度的齿轮，由表 12-18 查得： 内孔尺寸公差为 it7，内孔直径为 85mm,偏差按基准孔 h 选取，即齿轮内孔的下偏差为 0，上偏差为+0.022。内孔的形状公差按 6 级决定或遵守包容原则。 定位端面的端面圆跳动公差由表 12-19 查得为 0.014mm。 齿顶圆只作为切齿加工的找正基准，不作为检验基准，故其公差选用 it11，齿顶圆 直径，偏差按基准轴 h 选取,即下偏差为-0.290，上偏差为 0。mmmhdd aa 2382 11 齿轮的表面粗糙度按 7 级查表 12-20，各表面粗糙度分别为：齿面=1.6,内孔 a r a r =1.

59、6,基准端面=3.2,齿顶圆=6.3。 a r a r a r 5.公法线平均长度极限偏差的换算 公法线的公称长度 w 及其跨齿数 k,可从机械设计有关手册中查得或按式 12-7 和式 12-8 求得 跨齿数85 . 09/665 . 09/ zk 724.8066014 . 0 ) 116(476. 1 5 . 3014 . 0 ) 12(476. 1 zkmw 该齿轮为中模数齿轮，控制侧隙的指标宜采用公法线平均长度极限偏差，按换 wiwse e 算式 12-20、式 12-21、式 12-22 得 mfee nrnsswms 9 . 7020sin3672 . 0 20cos66sin72

60、 . 0 cos mfee nrnsiwsi 2 . 11520sin3672 . 0 20cos132sin72 . 0 cos 6.齿轮工作图 下图为本例齿轮零件图。 公差组 ff 0.025 0.036 0.045 0.009 0.011 0.010 0.009 fpb f fpt fr fp fw 80.724-0.071 -0.115wk 跨k齿公法线 平均长度偏差 精度等级 齿轮副中心距 及其极限偏差 配对齿轮 afa 检验项目代号 齿数 图号 17 公差值 138 6gkgb10095-88 145.50.020 法向模数 齿数 齿形角 径向变化系数 跨齿数 齿顶高系数 ha*