X铣床主传动系统改造论文说明书

1、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运动极其加工过程进行控制的一种方法,5重要标准。本论文是关于数控铣床主轴传动系统的设计，首先是数控铣床的介绍和数控铣床主传动主轴箱设计的要求，配置以及主要的设计思想要求。再初选数控铣床的主电机，由于本设计是数控铣床，根据所设计的铣削最大工件的铣削力要求，以及各轴要求的转速确定电机的功率，整个传动系统采用无级调速，电机的选取必须为变频系列。电动机与主轴箱之间采用带传动，根据本设计电动机的传动速率以及它与主轴箱之间的传动比，确定出大、小带轮的直径，V带的型号，大小带轮的中心距，同时验算大、小带轮

2、，最后确定V带的根数。在分级变速箱的设计过程中，根据主轴箱内各轴之间传动比，确定各轴的最小直径，以及每个轴上各组啮合齿轮的尺寸。本论文最后一章是数控铣床主轴部分的设计以及对主轴的校核。通过本设计可以一般对数控铣床的主轴传动部分有一个深刻的了解。关键词：数控铣床 主轴进给 机械设计 主轴箱 QQ:780256221(有图纸) AbstractModern digital control is the development of an automated control technology. It is one of the ways used for digital signal proce

3、ssing machine movement control.with the rapid development of science and technology, numerical control machine tools has already been a national level the important machinery industry standards. In this paper, CNC milling machine is on the main drive system design, the first is the introduction of C

4、NC milling machine and CNC milling machine main drive spindle box design requirements, configuration and design of the main requirements. CNC milling machine primaries to the main motor, as the design is CNC milling machine, according to the designed milling largest part of the milling force require

5、ments, as well as the requirements of the axis determined speed motor power, the entire transmission system used stepless speed regulation, The selection must be a motor inverter series. Headstock between the motor and a belt drive, according to the design of the motor and the transmission rate and

6、its spindle box between the transmission ratio, identified large and small diameter of the pulley, V with the model, size pulley from the centre, At the same time checking large and small pulley, the final determination of the V-belt numbers. Grading the gearbox in the design process, according to b

7、ox on the spindle axis between the transmission ratio to determine the minimum diameter of the shaft, and each axis each group meshing gear size. This paper is the final chapter of CNC milling machine spindle part of the design and verification of the spindle. Through the design of the CNC milling m

8、achine can generally drive the main part of a profound understanding.Key words: CNC milling machine; spindle feed; mechanical design; headstock.59目 录前 言11 绪 论4 1.1 数控机床简介4 1.1.1 数控机床的产生和发展4 1.1.2数控机床的特点7 1.2 数控机床的工作原理和组成8 1.2.1数控机床的工作原理8 1.2.2数控机床的组成8 1.3 数控机床的分类10 1.4 数控技术的发展方向112 主传动系统设计14 2.1 主传动

9、系统设计概述14 2.2 数控铣床主传动系统的配置方式16 2.3主轴传动系统的设计思想17 2.3.1 精度17 2.3.2 刚度193 主轴电动机的选取20 3.1 采用交流电动机无级调速20 3.2 初选主轴电动机（交流调速电动机）的功率：20 3.3 铣削力的计算21 3.4 初选交流调速主轴电动机的功率23 3.5 机床计算转速nj的确定23 3.6 变速箱的传动系统设计及主轴电动机的功率功率的确定234 带传动设计与计算26 4.1 选择V带型号26 4.2 确定带轮的计算直径27 4.3 确定V带速度28 4.4 初定中心距28 4.5 确定V带的计算长度和内周长度28 4.6

10、确定实际中心距28 4.7 验算带轮包角29 4.8 确定V带根数295 分级变速箱的设计31 5.1 变速机构的调速范围的确定31 5.2 各轴及齿轮计算转速的确定33 5.2.1 各轴的计算转速34 5.2.2 各轴上齿轮的计算转速35 5.3 各齿轮副模数计算35 5.4 各轴间中心距的计算36 5.5 确定各轴最小直径36 5.6 齿轮结构设计（此谨仅以每轴上一个齿轮为例进行计算）37 5.6.1 主轴齿轮的设计：37 5.6.2 轴I上的齿轮设计尺寸如下：38 5.6.3 轴II上的齿轮设计尺寸如下：40 5.7 轴I和轴II轴轴承的选择406 主轴及其组件的设计42 6.1 主轴组

11、件的基本要求42 6.1.1 旋转精度42 6.1.2 刚度42 6.1.3 抗振性43 6.1.4 温升和热变形43 6.1.5 精度保持件44 6.2 主轴的构造44 6.3 主轴的材料和热处理44 6.4 主轴部件的传动方式及布置型式45 6.4.1 传动方式45 6.4.2 传动件位置的合理布置46 6.5 主轴部件轴承的配置46 6.6 主轴主要结构参数的确定48 6.7 主轴的技术要求49 6.8 主轴组件校核51 6.8.1 主轴最大扭矩51 6.8.2 主轴的刚度计算54结束语56致 谢57参考文献58前 言科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的

12、要求。机械加工过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。数控机床及其由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备。它的发展一直备受人们的关注。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河。因此，数控机床成为先进制造技术中一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提高。最初的数控机床只是在机械结构上对普通机床进行了局部改进。但是，随着数字控制技术在数控机床上的发展，以及数控机床高刚度、高精度、高速度的要求，逐步发展到目前数控机床独特的结构特点。它在总体布局

13、、传动系统、刀具装置以及操作辅助机构等方面发生了很大变化，最基本的表现是改进了普通机床传动链长、传动结构刚度不足、抗振性能差、滑动面的摩擦阻力大以及传动元件的间隙大等缺点，经济型数控机床机械基本功能的构成模式仍然没有脱离普通机床的基本模式，如机床支承件、导轨、主传动及进给传动系统等组成部件是不可缺少的。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，

14、以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”， 从20世纪70年代开始，由于打破国外的技术封锁和我国的基础条件不断改善，我国的数控铣床等数控技术全面开展，并成功研制了一些简单的数

15、控铣床。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数

16、控人才缺乏等。因此我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。为了满足市场和科学技术的发展的需要，当前，世界数控铣床正朝着（1）高速、高效和高精度：主轴转速最高达200000r/min,在分辨率为0.01微米时，最大进给率达到240m/min,自动换刀时间最短可达0.5s，加工精度可达±11.5微米。（2）高可靠性：当前国外的数控系统平均无故障时间MTBF在（710）×104h以上，整机的平均无故障工作时间达800h以上。（3）模块化、智能化、柔性化和集成化：智能化包括自适应控制.工艺参数自动生成、自

17、动编程。智能化的人机界面、智能诊断、智能监控等。柔性化和集成化的趋势是从点、线向面、体，注重应用性和经济性的方向发展，以提高系统的可靠性.实用性为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓/完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；向信息集成方向发展；网络系统开放和集成化方向发展。铣床是普通机床中比较常见的一种，而数控铣床则是数控机床中应用比较广泛的一种。与普通机床相比，数控机床具有传动链短、传动结构刚度好、抗振性好、滑动面的摩擦阻力小以及传动元件的间隙小等优点。对数控铣床的设计，无疑会有助于理解各类数控机床的工作原理和结构特性。1 绪 论1.1 数控机床简介1.1.1 数控

18、机床的产生和发展1952年，美国帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所成功试制第一台三坐标立式数控铣床。早在1948年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的加工机床任务时，就提出了研制数控机床的初步设想。1949年，在美国空军的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省工学院伺服机构实验室合作，开始了数控机床的研制工作。经三年的努力，于1952年正式试制成功世界上第一台数控机床试验样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其控制装置由2000多个电子管组成，占了普通实验室那么大。这台数控机床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。数控机床的发展史随着数控技术的发展而发展

19、的。随着计算机技术的发展，数控系统的发展经历了电子管分立式晶体管小规模集成电路大规模集成电路小型计算机超大规模集成电路微机式数控系统等几个发展阶段。而数控铣床也在不断的随着数控技术的发展不断的采用计算机.控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点：1.美国的数控发展史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

20、，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。2.德国的数控发展史 德国政府一贯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，

21、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。 3.日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，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)，

22、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。随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高。因此对加工机械产品零部件的生产设备机床也相应提出了高性能、高精度与高自动化的要求。大批大量的产品，如汽车、拖拉机与家用电器的零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化

23、机床或专用的自动化生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占7080%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量。特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿行机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床，就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。自1952年美国PARSO

24、NS公司与麻省理工学院合作研制了第一台三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的机床，可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造行业中的一次革命，使机械制造的发展进入一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也在绘图机械、坐标测量机、激光与火焰切割机等机械设备中得到广泛应用。特别是相继出现的自动换刀数控机床、直接数字控制系统、计算机集成制造系统等，进一步说明，

25、数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统，实现设计、制造、检验与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。1.1.2数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点。1）能适应不同零件的自动化。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必用凸轮、靠模、样板、或钻镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。数控机床上可以采用较大的铣削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其它辅助操作自动化等，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，

26、比普通机床的生产效率高34倍甚至更高。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。3）能完成复杂型面的加工。4）工序集中，一机多用。数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹的误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。5）数控机床是一种高技术的设备。因此，机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修。尽管如此，使用数控机床的经济

27、效益还是很高的。1.2 数控机床的工作原理和组成1.2.1数控机床的工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其它诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。1.2.2数控机床的组成数控机床由以下几部分组成1）控制介质：控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中全部信息。2）数控系统：数控系统是机

28、床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输入/输出接口等组成。主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成。其控制对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量，其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中主控制器内的插补模块就是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等处理后，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号的比较，从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常由可编程控制器PLC来完成，它根据机床各个部件有条不紊地按顺序工作。3）伺服系统：伺服系统是数控系统和机床本

29、体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。4）强电控制柜：强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，主要在PLC的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起桥梁连接作用，控制机床辅助装置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。此外，它也与机床操作台有关手

30、动按扭连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。它与一般普通机床的电气类似，但为了提高对弱电控制系统的抗干扰性，要求各类频繁启动或切换的电动机、接触器等电磁感应器件中均必须并接RC阻容吸收器；对各种检测信号的输入均要求用屏蔽电缆连接。5）机床本体：数控机床的本体指其机械结构实体。它与传统的普通机床相比较，同样由主传动系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大变化。为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点，归纳起来包括以下几个方面的变化。 6）辅助装

31、置：辅助装置主要包括自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer ） 、自动交换工作台机构APC（Automatic Pallet Changer）、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、铣削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。下图所示为XK5040A式数控铣床的整体图，及各部件名称：1.3 数控机床的分类数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按下面四种原则进行分类。按机床运动的控制轨迹分类1）点位控制的数控机床：点位控制只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进

32、行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。2）直线控制数控机床：又称平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线，但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个，在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行铣削，一般只能加工矩形、台阶形零件。3）轮廓控制数控机床：也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此在这类控制方式中，就要求数控装置具有插补运算功

33、能，所谓插补就是根据程序输入的运算器的数学处理，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合。在运动过程中刀具对工件表面连续进行铣削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工。1.4 数控技术的发展方向随着世界对数控机床研究的深入化及行业需求标准的精确化，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工提出了更高的要求，超高速铣削、超精密加工等技术的应用，要求数控机床的各个组成部分具有更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，超着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。具体表现在

34、以下几个方面：1）高速度与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，特别是在超高速铣削、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相互制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度越难提高。2）多功能化 数控机床采用一机多用途，以最大限度地提高设备利用效率。前台加工、后台编辑的前后台功能，以充分提高其工作效率和机床利用率。具有更高的通讯功能，现代数控机床除具有通讯口、DNC功能外，还有网络功能。3）智能化引进自适应控制技术：自适应控制AC（Adaptive Control）技术的目的是要求在随机变化的加工

35、过程中，通过自动调节加工过程中所得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以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余种变量直接或间接地影响加工效果，如工件毛坯余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。这些变量事先难预知，编制加工程序时只能依据经验数据，以致在实际加工中，很难用最佳参数、铣削用量等，使加工过程中能保持最佳工作状态，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率。采用故障自诊断、自修复功能：主要是利用CNC系统的内装程序实现在线故障诊断，一旦出现故障时，立即采取停机等措施，并通过CRT进行

36、故障报警，提示发生故障的部位、原因等。并利用“戎余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块。刀具寿命自动检测和自动换刀功能：利用红外、声发射、激光等检测手段，对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损、破损等，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。引进模式识别技术：应用图象识别和声控技术，使机器自己辨别图样，按照语言命令进行加工。4）高的可靠性数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为了提高可靠性，目前主要采取以下几个方面的措施： 提高系统硬件质量； 采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式； 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。除上

37、述几方面外，数控机床的数控系统正向小型化、数控编程自动化等方向发展。2 主传动系统设计2.1 主传动系统设计概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。主传动系统还应必须尽量满足下面的要求，才能够做到符合要求：1.主轴具有一定的转速和足够的变速范围、转速级数，能实现运动的开停、变速，换向和制动，以满足机床的运动要求。2.主电动机具有足够的功率，全部结构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。3.主传动的有关结构，特别是主轴组件要

38、有足够高的精度，抗振性、热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床饿工作性能要求。4.操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。5.结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。相比之下，数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，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，省之了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率铣削和高速铣削，实现高效率加工。变速范围宽。数控机床的

39、主传动系统有较宽的调速范围，一般Rn100，以保证加工时能选用合理的铣削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。 主传动系统可按不同的特征来分类：(1)按动力源的类型 可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分为单速交流电动机

40、驱动、调速交流电动机驱动和交流伺服电动机驱动。调速交流电动机驱动又有多速交流电动机驱动和变频凋速交流电动机驱动。驱动方式的选择主要根据变速形式和运动特性要求来确定。 (2)按传动装置类型 可分为机械传动装置、液压传动装置、电气传动装置以及它们的组合。 (3)按变速的连续性 可以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的变速范围内均匀、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过20一30级。分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交换齿轮变速和离合器(如摩擦片式、牙嵌式、齿轮式离合器)变速。除摩棕片式离合器外，其它变速方式具有传递功率较大，变速范围广，传动比推确，工作可靠等优点。缺点是

41、有速度损失，不能在运转中进行变速。摩擦片式离合器可在运转中变速，操纵方式可以是机械的、电磁的或液压的，便于实现自动化。缺点是传动比不准确，发热量大。无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的铣削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载下变速，便于铣削大端面、无级变速器、液压无级变速器和电气无级变速器实现。机械摩擦无级变速器结构简单、使用可靠，常用在中小型铣床、铣床等主传动中。液压无级变速器传动平稳、运动换向冲击小，易于实现直线运动，常用于主运动为直线运动的机床，如磨床、拉床、刨床等机床的主传动中。电气无级变速器有直流电动机或交流调速电动机两种，由于可以大大简化机

42、械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，应用越来越广泛，尤其在数控机床上，目前几乎都采用电气变速。2.2 数控铣床主传动系统的配置方式数控机床的调速是按照按制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮合级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。数控机床主传动系统主要有四种配置方式。(1)带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。如图31(a)所示，通过少数几对齿轮降速，“大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求。数控机床在交流或直流电动

43、机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段元级变速。滑移齿轮的移位大都采用液压缸加拔叉，或者直接由液压缸带动齿轮来实现。(2)通过带传动的主传动 如图31(b)所示，这种传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。常用的是v带和同步齿形带。(3)用两个电动机分别驱动主轴 如图31(c)所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过带轮直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，

44、扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。(4)内装电动机主轴传动结构 如图31(d)所示，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，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。图21 数控机床主传动的四种配置方式2.3主轴传动系统的设计思想数控铣床不同于一般的机械，它是用来生产其他机械的工作母机，和其他机床一样的在刚度，精度及运动特性方面有其特殊要求。下面简单介绍一下与上述特性相关的一些基础理论和概念。2.3.1 精度机床精度是指机床的主要部件的形状、相互位置及相对运动的精确程度，包括几何精度、传动精度、定位精度及精度保持性等几个方面

45、。各类机床按精度可分为普通精度级、精密级和高精度级。以上三种精度等级的机床均有相应的精度标准，其允差若以普通级为1，则大致比例为1：0.4：0.25。在设计阶段主要从机床的精度分配、元件及材料选择等方面来提高机床精度。它主要包括以下几个方面：1）几何精度 几何精度是指机床空载条件下，在不运动（机床主轴不转或工作台不移动等情况下）或运动精度较低时各主要部件的形状、相互位置和相对运动的精度程度。如主轴径向跳动及轴向窜动、主轴中心线对滑台一动方向的平行度或垂直度等。几何精度直接影响加工工件的精度，是评价机床质量的基本指标。它主要取决于结构设计、制造和装配质量。2）运动精度 运动精度是指机床的主要零件

46、以工作状态的运动时的精度。如高速回转主轴的回转精度。对于高速精密的机床，运动精度是评价机床质量的一个重要指标。3）传动精度 传动精度是指机床传动系统个末端执行件之间相对运动的协调性和准确度。这方面的误差成为该传动链的传动误差。传动精度有传动系统的设计、传动件的制造和装配精度等决定。4） 定位精度 定位精度是指机床的定位部件运动到达规定的位置精度。定位精度直接影响被加工工件的尺寸精度和形位精度。5）工作精度 机床加工规定的时间所能达到的加工精度，成为机床的工作精度。用试件的加工精度表示。工作精度是各种因素综合影响的结果，包括机床自身的精度、刚度、热变形和刀具、工件的刚度及热变形。6）精度保持性

47、在规定的工作期间内，保持机床所要求的精度，称为精度保持性。影响精度保持性的主要因素是磨损。2.3.2 刚度1）定义：机床刚度是指机床系统抵抗变形的能力，通常用下面的式子来表示即： K 式中 K机床刚度，N/ F作用在机床上的载荷，N y在载荷的作用下，机床或主要零部件的变形，作用在机床上的载荷有重力、夹紧力、切削力、传动力、摩擦力、冲击力和振动干扰力等。按照载荷的性质不同，可分为静载荷和动载荷。不随时间变化或变化极为缓慢的力称为静载荷，如重力、切削力的静力部分等。凡随时间变化的力，如冲击振动力及切削力的交变部分等称为动载荷。故机床刚度相应地分为静刚度和动刚度，后者是抗振性的一部分。通常所说的刚

48、度一般指静刚度。 2）整机刚度 机床是由许多构件结合而成的，在载荷作用下各构件及结合部都要产生变形，这些变形直接或间接的引起刀具和工件之间的相对位移，这个位移的大小代表了机床的整机刚度。因此，机床的整机刚度不能用某个零部件的刚度评价，而是指整台机床在静载荷作用下，各构件及结合面抵抗变形的综合能力。显然，静刚度对机床抗振性、生产率均有影响。因此，在机床设计中如何提高其刚度是十分重要的。3 主轴电动机的选取主轴电动机是数控铣床主传动系统的主要部件之一，它的选择涉及到主传动系统的变速方式。下面对于数控铣床进行设计。3.1 采用交流电动机无级调速伺服电动机和脉冲步进电动机都是恒转矩的，而且功率不大，所

49、以只能用直线进给运动和辅助运动。而直流电动机结构复杂，价格高。又因为换向器和电刷，在运行过程中容易出故障。所以选择交流调速电动机，因为交流调速电动机体积小、转动惯量小、动态反应快，没有电刷，等达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。3.2 初选主轴电动机（交流调速电动机）的功率由中小型电机产品样本所列电机得，目前适用于这类机床的系列交流主轴电机，其连续运转额定功率分别为7.5、11、15、18.5、22KW五种规格，电机的最高转速，额定转速，最低转速。其功率转矩特性曲线如下图所示 3.3 铣削力的计算根据简明铣工手册，对高速钢圆柱铣刀，铣削力的计算公式：（4-1）式中：C系数，其

50、值取决于铣削条件和工件材料，当工件为碳钢时，查简明铣工手册表3-13，取公式（4-1）中：铣削宽度（铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量）被吃刀量铣刀直径 铣刀转数、和公式中各个系数的指数铣削条件改变时，铣削力的修正系数，其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。查简明铣工手册表3-13取=27mm，=4mm， z=4，=30mm，=0.1mm， n取r/min，其中=1.0，=0.72，=0.86，=0，=0.73。加工碳钢时，=673MPa其修正系数由简明铣工手册表3-14得： 则 利用圆柱铣刀进行逆铣时，工作台的工作载荷；工作台纵向进给方向载荷 工作台垂向进给方向载荷 工

51、作台横向进给方向载荷 个系数分别取中间值，则 由此可以算出周向铣削力； 3.4 初选交流调速主轴电动机的功率为主轴传递全部功率时的最低铣削速度，即电动机的额定转数。为1500r/min。所以 =Fv4366.6×/（60×1000） =4366.6××27×1500/（60×1000）=9259.7W=9.3KW取总效率=0.75，由此估算出的最初电机功率=9.3/0.75=12KW电动机额定转速=1500r/min额定最高转速为=4500r/min最低转速=150r/min3.5 机床计算转速nj的确定机床计算转速的定义，指能够传递

52、电机全部功率中的最低 一级转速，并以此作为计算机床最大扭矩值的根据。其计算公式如下：为机床的计算转速（r/min）修正系数一般取 0.30. 5 =120r/min3.6 变速箱的传动系统设计及主轴电动机的功率功率的确定由3.4初选的电动机的功率为为12KW电动机应选择YVP系列变频调速三相异步电动机。电动机型号最高转速（r/min）额定转速（r/min）额定功率(KW)额定电流（A）额定转矩效率%重量/kgYVP160L-445001500153395.488.5146电动机的恒功率调速范围=/=4500/1500=3 ,主轴恒功率调速范围=/=3000/120=25，因此，主轴要求的恒功率

53、变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，是不能简单的使用电动机直接直接拖动主轴的。所以在电动机与主轴之间要串联一个分级变速箱，来扩大电动机的恒功率变速范围。如果取变速箱的公比=3则由于无级变速时 (4-2)故变速箱的变速级数 Z= 2.9 系统变速组数 采用收尾法圆整，因此变速箱的变速级数Z=3，K=2。参照数控铣床的参数，本设计的目标：主轴的所以机床的变速范围：=100在本数控铣床的主轴箱设计当中，第二轴（中间轴）上采用滑移齿轮，并采用拨叉，手动地改变对应各组齿轮的啮合，从而改变主轴的转速。达到预期要求的铣刀的转速。4 带传动设计与计算根据XK5325A数控铣床的传动特性，机械设计中几

54、种带传动的优缺点，可选定从电动机到主轴部分的传动选V带传动。而且V带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传动，带与轮槽间会有打滑也可因而缓和冲击及隔离震动。使传动平稳。V带又分为普通V带和窄V带。窄V带的传动特点为：适合于功率较大，同时又要求外形尺寸较小的场所。所以选取窄V带作为该数控铣床的电机到主轴的传动部件。而窄V带的工作原理和设计方法与普通V带类似，因此，可以按普通V带的设计方法设计窄V带。下面是V带传动中的设计计算：4.1 选择V带型号由机械设计可知：普通V带按断面尺寸分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，如下图：根据计算功率（kw）和带轮的转速从图中选取带型号计算功率=K式中 -电动机额定功率； K-工作情况系数，取K=1.1则=K=1.1x15=16.5 KW而=1500r/min可从图中选取带的型号为C型号带4.2 确定带轮的计算直径小带轮的直径越小，带的弯曲应力越大，同时会增大带传动的有效拉力，从而导致V带根数的增加。而且，也增大了载荷在V带之间分配的不均匀性为了提高带的使用寿命，小带轮的直径不应过小，要求大于许用最小带轮直径，也就是D>。经查机械设计制图手册知C型带的最小带轮直径为200mm，考虑到本数控铣床的功率及带速，因此这里选取小带轮=212mm。大带轮的计算直径， 按下列公式计算，