卧式数控加工中心主传动系统设计说明书

1、卧式数控加工中心主传动系统的设计摘要：数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，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，关系到国家的战略地位。随着现代机械制造行业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，卧式加工中心在各种场合的使用越来越普遍，技术也越来越成熟。本课题的目的是进行卧式加工中心主传动系统的设计，并满足相关的技术指标要求。加工中心主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。包括电动机、传动系统和主轴部件。本文通过参考国内外卧式加工中心机床布局、参数，综合分析技术先进性、市场竞争力、实施可行性、经济性等因素，确定切合实际的最好设计方案。采用变频电机和一级机械调速达到调速和传

2、递功率的要求；用步进电机驱动主轴运动实现加工中心的动力要求；数控装置采用51单片机来实现对电机更加精确的控制和实现机械调速的自动控制。关键词：数控机床；卧式加工中心；主传动系统Abstract:The numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic d

3、evelopment and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position.With modern machinery manufacturing industry, the rapid development of new technology, full use of new technology, horizontal machining center used in a variety of occasions, more and more common, more and

4、more sophisticated technology. The purpose of this subject is to be horizontal machining centers design, and meet the relevant technical requirements.Machining center tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric motor, transmiss

5、ion system and spindle unit.Through domestic and international horizontal machining center reference tool layout, parameters, comprehensive analysis technology advanced, market competitiveness, implementation feasibility and economy, factors to determine the best design scheme is practical. Uses the

6、 frequency conversion electrical machinery and the first-level machinery velocity modulation achieves the velocity modulation and the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; The numerical control insta

7、llment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control.Keywords: CNC machine tools，Horizontal Machining center，Main drive system目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358796019 摘要 PAGEREF

8、_Toc358796019 h II HYPERLINK l _Toc358796020 Abstract PAGEREF _Toc358796020 h III HYPERLINK l _Toc358796021 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc358796021 h 1 HYPERLINK l _Toc358796022 1.1引言 PAGEREF _Toc358796022 h 1 HYPERLINK l _Toc358796023 1.2课题背景 PAGEREF _Toc358796023 h 1 HYPERLINK l _Toc358796024 1.3课题意义 PAGERE

9、F _Toc358796024 h 1 HYPERLINK l _Toc358796025 1.4课题内容 PAGEREF _Toc358796025 h 2 HYPERLINK l _Toc358796026 1.5课题拟解决的关键问题 PAGEREF _Toc358796026 h 2 HYPERLINK l _Toc358796027 第二章 加工中心综述 PAGEREF _Toc358796027 h 4 HYPERLINK l _Toc358796028 2.1加工中心简介 PAGEREF _Toc358796028 h 4 HYPERLINK l _Toc358796029 2.2

10、加工中心的分类 PAGEREF _Toc358796029 h 4 HYPERLINK l _Toc358796030 2.3加工中心的组成 PAGEREF _Toc358796030 h 4 HYPERLINK l _Toc358796031 2.4加工中心的特点 PAGEREF _Toc358796031 h 6 HYPERLINK l _Toc358796032 2.5加工中心的发展趋势 PAGEREF _Toc358796032 h 7 HYPERLINK l _Toc358796033 2.6加工中心的发展状况 PAGEREF _Toc358796033 h 9 HYPERLINK

11、l _Toc358796034 第三章 卧式加工中心主传动系统方案的确定 PAGEREF _Toc358796034 h 11 HYPERLINK l _Toc358796035 3.1加工中心主传动系统简介 PAGEREF _Toc358796035 h 11 HYPERLINK l _Toc358796036 3.2加工中心主传动系统的要求 PAGEREF _Toc358796036 h 11 HYPERLINK l _Toc358796037 3.3主传动的类型及方案选择 PAGEREF _Toc358796037 h 11 HYPERLINK l _Toc358796038 3.4总结

12、 PAGEREF _Toc358796038 h 13 HYPERLINK l _Toc358796039 第四章 卧式加工中心主传动系统运动参数的设计 PAGEREF _Toc358796039 h 14 HYPERLINK l _Toc358796040 4.1概述 PAGEREF _Toc358796040 h 14 HYPERLINK l _Toc358796041 4.2主运动参数的拟定 PAGEREF _Toc358796041 h 14 HYPERLINK l _Toc358796042 4.3电机的选择 PAGEREF _Toc358796042 h 16 HYPERLINK

13、l _Toc358796043 第五章 传动件的估算及验算 PAGEREF _Toc358796043 h 18 HYPERLINK l _Toc358796044 5.1概述 PAGEREF _Toc358796044 h 18 HYPERLINK l _Toc358796045 5.2确定各轴及各齿轮的计算转速 PAGEREF _Toc358796045 h 18 HYPERLINK l _Toc358796046 5.2齿轮模数的估算 PAGEREF _Toc358796046 h 18 HYPERLINK l _Toc358796047 5.3计算各齿轮参数 PAGEREF _Toc3

14、58796047 h 20 HYPERLINK l _Toc358796048 5.4传动轴的设计 PAGEREF _Toc358796048 h 21 HYPERLINK l _Toc358796049 5.5齿轮强度的校核 PAGEREF _Toc358796049 h 22 HYPERLINK l _Toc358796050 5.6传动轴的校核 PAGEREF _Toc358796050 h 29 HYPERLINK l _Toc358796051 第六章 主轴及其组件的设计 PAGEREF _Toc358796051 h 31 HYPERLINK l _Toc358796052 6.1

15、主轴及其组件的设计要求和步骤 PAGEREF _Toc358796052 h 31 HYPERLINK l _Toc358796053 6.2主轴的设计内容及主要参数 PAGEREF _Toc358796053 h 33 HYPERLINK l _Toc358796054 6.3主轴主要精度指标 PAGEREF _Toc358796054 h 35 HYPERLINK l _Toc358796055 6.4主轴滚动轴承的设计 PAGEREF _Toc358796055 h 36 HYPERLINK l _Toc358796056 6.5主轴参数的确定 PAGEREF _Toc358796056

16、 h 38 HYPERLINK l _Toc358796057 6.6主轴及其组件的校核 PAGEREF _Toc358796057 h 41 HYPERLINK l _Toc358796058 6.7主轴内部刀具自动夹紧机构及切屑清除装置 PAGEREF _Toc358796058 h 46 HYPERLINK l _Toc358796059 6.8主轴与齿轮的连接 PAGEREF _Toc358796059 h 48 HYPERLINK l _Toc358796060 6.9主轴组件的润滑与密封 PAGEREF _Toc358796060 h 49 HYPERLINK l _Toc3587

17、96061 6.10提高主轴组件性能的措施 PAGEREF _Toc358796061 h 50 HYPERLINK l _Toc358796062 6.11其他问题 PAGEREF _Toc358796062 h 51 HYPERLINK l _Toc358796063 第七章 其他部分的设计 PAGEREF _Toc358796063 h 53 HYPERLINK l _Toc358796064 7.1结构设计及技术要求 PAGEREF _Toc358796064 h 53 HYPERLINK l _Toc358796065 7.2联轴器的选择 PAGEREF _Toc358796065

18、h 54 HYPERLINK l _Toc358796066 7.3传动轴的设计 PAGEREF _Toc358796066 h 55 HYPERLINK l _Toc358796067 7.4传动轴轴承的设计 PAGEREF _Toc358796067 h 55 HYPERLINK l _Toc358796068 7.5轴的轴向定位 PAGEREF _Toc358796068 h 56 HYPERLINK l _Toc358796069 7.6齿轮块的设计 PAGEREF _Toc358796069 h 56 HYPERLINK l _Toc358796070 第八章 电气控制系统的设计 P

19、AGEREF _Toc358796070 h 58 HYPERLINK l _Toc358796071 8.1控制系统总体设计 PAGEREF _Toc358796071 h 58 HYPERLINK l _Toc358796072 8.2选择中央处理单元（CPU）的类型 PAGEREF _Toc358796072 h 59 HYPERLINK l _Toc358796073 8.3硬件设计 PAGEREF _Toc358796073 h 59 HYPERLINK l _Toc358796074 8.4软件设计 PAGEREF _Toc358796074 h 61 HYPERLINK l _T

20、oc358796075 8.5控制系统的发展 PAGEREF _Toc358796075 h 63 HYPERLINK l _Toc358796076 总 结 PAGEREF _Toc358796076 h 64 HYPERLINK l _Toc358796077 参考文献 PAGEREF _Toc358796077 h 65 HYPERLINK l _Toc358796078 致 谢 PAGEREF _Toc358796078 h 66 HYPERLINK l _Toc358796079 附录 PAGEREF _Toc358796079 h 67第一章 绪 论1.1引言装备制造业是为国民经济

21、发展和国防建设提供技术装备的基础性产业，承担着为国民经济各部门提供工作母机、带动相关产业发展的重任，可以说它是工业的心脏和国民经济的生命线，是支撑国家综合国力的重要基石。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的关键，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。因此，国际上一些发达国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严加控制，限制我国进口高性能数控机床。随着世界科技进步和制造业的发展，机床工业作为制造业的基础产业和国防军工发展的战略产业，其地位和作用越来越明显。数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，数控机床的拥有量及其性能水平的高低是衡量

22、一个国家综合实力的重要标志。振兴装备制造业首先要发展机床工业，重点是发展数控机床，这已被近代世界产业发展史所证实。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2课题背景随着现代工业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，社会生产力又跃上了一个新水平，中国成为世界制造大国，加工中心在各种加工场合使用的越来越普遍，技术也越来越成熟。由于生产的实际以及市场竞争的需要，对加工中心的技术要求也越来越高。1.3课题意义主轴箱是加工中心的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的

23、HYPERLINK /view/426343.htm t _blank 传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和 HYPERLINK /view/237581.htm t _blank 传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。主轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的加工工艺直接影响机床的性能。没有性能良好、工作正常、结构合理的主轴箱，任何机床和加工中心都不能确保其加工精度，从而也无法加工出令人满意的产品。随着时代的发展和科技的进步，旧一代机床的技术及精度已经无法满足各行各业的使用要求，由于加工中心高精度、高效率的工作特点，开始逐渐代替传统机床，并普遍运用在机械、工业、造船等

24、行业。1.4课题内容本次设计的题目是卧式加工中心重要组成部分主传动系统。主传动系统的主要技术参数很大程度是就决定了卧式加工中心的技术参数和加工范围及精度。本课题的设计是在我国卧式加工中心已有的设计基础上，吸收国内外的一些先进技术，并解决传统卧式加工中心存在的些许问题，使卧式加工中心能够满足现代企业的机械加工要求，并尽量降低生产成本及提高机械产品的市场竞争力。本课题设计的卧式加工中心主传动系统既保证了其原有的使用功能和质量，又降低了生产成本，适用于多数企业的生产车，具有较高的实际使用价值和可观的市场经济效益。在设计中，多使用新材料，新工艺，多使用标准件设备、组合构件，能够快速制造与安装，适应市场

25、变化和发展趋势要求。设计内容主要有：拟定设计方案，选取最优方案，设计多级减速传动系统，零、部件设计，力学校核，以及运用AutoCAD完成系统装配图和全部零、部件图。最后撰写了毕业设计论文（说明书）。1.5课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件和进给组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件和进给组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求：旋转精度：旋转精度是指机床在空载低速旋转时，安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值

26、满足要求，目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。刚度：指主轴组件和进给组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动，恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。抗振性：指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。温升和热变形：温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转和进给的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。耐磨性：指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承

27、类型和润滑方式。第二章 加工中心综述2.1加工中心简介加工中心,简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝、切槽等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果1。2.2加工中心的分类按照加工中心的形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。1）立式加工中心 立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，

28、结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格底，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。2）卧式加工中心 卧式加工中心的主轴轴心线为水平状态配置，通常都带有可进行分度回转运动的工作台，适合加工箱体类零件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。3）万能加工中心(又 HYPERLINK /view/703714.htm t _blank 称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、 HYPERLINK

29、/view/19087.htm t _blank 模具、刃具等工件的加工。4）此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工1。2.3加工中心的组成加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体来看大体上由以下几部分组成： 1）基础部件 由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。2）主轴部件由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止等

30、动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。3）控制系统单台加工中心的数控中心由CNC装置，可编程序控制器，伺服驱动装置，以及电机等部分组成它们是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。4）伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性 能是决定机床的加工精度，表面质量和加工效率的主要因素之一，加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。5）自动换刀装置 加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多道工序加工的能力，有一套自动换刀装

31、置。它由刀库，机械手和驱动机构等部件组成。6）辅助系统包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不能直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。7）自动托盘更换系统 有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工件托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工工效1。2.4加工中心的特点现代加工中心具有如下鲜明的特点鲜明：1、工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使

32、得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中这是加工中心最突出的特点。2、 对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力。3、 加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。4、 加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时

33、间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80以上。5、 操作者的劳动强度减轻加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。6、 经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多

34、其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。7、 有利于生产管理的现代化用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧

35、迫而艰巨的任务。但加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，我们要立足于我国的实际情况，在看到国际上制造业发展趋势的同时扎扎实实地做好基础工作1。2.5加工中心的发展趋势（1）高精度化 现代科学技术的发展，新材料及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一。（2）高速化 提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本。而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对

36、制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的适应性。（3）高柔性化 采用柔性自动化设备或系统，提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争能力的有效手段，数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单位元柔性化和系统柔性化方向发展。（4）高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。（5）智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产柔性、自动化发展需求，智能化正成为数控机床研究及发展特点，它不仅贯穿在生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿在产品的售后服务和维修中，目前采用的主要技术措施

37、包括以下几个方面。自适应控制技术 自适应控制可根据切屑条件的变化，自动调节工作参数，是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，同时能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切屑过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切屑力及零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。专家系统技术 将专家经验和切屑加工一般规律与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提过经过优化的切屑参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作

38、人员的技术要求，缩短生产准备时间。股沾自诊断、自修复技术 在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及其相连的各种设备进行自诊断和检查。出现故障时，立即采用停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，并利用技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。智能化交流伺服驱动技术 目前已开始研究能自动识别负载并自动调节参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服系统装置，使驱动系统获得最佳运行。模式识别技术 应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行。（6）复合化 复合化包括工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、

39、精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程，可最大限度的提高设备的利用率。为了进一步提高工效，数控机床又采用了多主轴、多面体切屑，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切屑加工，如各类五面体加工中心。另外，数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多达15轴，其同时联动的轴数已达六轴。（7）高可靠性 数控机床的可靠性一直是用户最关心的。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通

40、用化及系列化，提高硬件生产批量，以便于组织生产和质量把关。（8）网络化 为了适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，先进的CNC系统为用户提供了强大的联网功能，除有RS232串行接口、RS422等接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。（9）开放式体系结构 20世纪90年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快的更新换代，世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，其新一代数控系统的硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于

41、有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促使了数控系统多档次，多品种的开发和广泛应用1。2.6加工中心的发展状况当今社会，加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备。它加工范围广，使用量大，近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展，品种繁多：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维CAD/CAM对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。在性能方面，普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达610万转；直线

42、电机的应用使机床加工速度达到了3-5g；执行ISO/VDI检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能从总体来看，我国机床工业与世界先进水平相比，差距仍然十分明显：一是国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展要求，高档数控机床目前仍然大量进口；二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控机床产业发展瓶颈；三是机床制造企业技术装备水平不高，制造能力、综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏的发展的要求。可以说，我们的高速发展更多的是依靠中低档机床

43、数量的膨胀，而在技术含量高、利润大、持续生命力强的高端市场，我们与国际品牌差距甚大。以加工中心为例，国产立式加工中心以低廉的价格、基本可靠的性能和质量占据了国内大部分市场，而在卧式加工中心等高自动化、高附加值、高利润的产品市场却很少见达到量产的本土企业。卧式加工中心以其加工适用面广、自动化程度而大量配置在汽车及配套件生产线上，而现阶段汽车及配套件生产线几乎完全是进口卧式加工中心的天下。第三章 卧式加工中心主传动系统方案的确定3.1加工中心主传动系统简介加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件组成。它是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统具有更高的转

44、速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。3.2加工中心主传动系统的要求数控机床主传动的要求1.数控机床与普通机床比较具有以下特点：1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工；2）主轴转速变换可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行；3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。2.数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还有如下要求：1）具有更大的调速范围并实现无级变速；2）具有较高的精度和刚度；3）良好的抗震性，热稳定性； 4）要求升降速时间短，调速时运转平稳； 5）具有刀具

45、的自动夹紧功能，加工中心突出的特点是自动换刀功能； 6）主轴定位功能要求2。3.3主传动的类型及方案选择对现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达，效率可达。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计

46、制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kw，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。加工中心主传动系统主要有以下四种形式：（1）二级齿轮变速传动 低速主轴通过采用齿轮变速机构或同步带传动降速，增大输出转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。该种主轴电动机经过二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系列，这是大中型加工中心机床采用较多的一种配置方式。这种分段无级变速，确保低速时的大转矩，满足机床内转矩特性的要求。滑移齿轮常用液压拨叉或电磁离合器来改变其位置。（2）定比传动 该种传动方式经定比传动传递给主

47、轴，定比传动采用齿轮传动或带传动。带传动主要用于小型机床上，可以避免齿轮传动的噪声与振动。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）由主轴电动机直接驱动 该种传动方式的电动机轴与主轴用联轴器同轴连接。这种方式大大简化了主轴结构，有效地提高主轴刚度。但主轴输出转矩小，电动机的发热对主轴精度影响大。（4）内装电动机主轴 高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加减速度。通过齿轮或传动带这些中间环节，常常会引起较大振动和较大噪声，而且增加了转动惯量。为此将主轴电动机与主轴合而为一，制成电主轴，即主轴与电动机转子合为一体。电动机的轴就是

48、主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。实现无中间环节的直接传动，是主轴高速单元的理想结构1。3.4总结数控机床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，省去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，用于扩大电动机无级调速的范围。 本次设计的卧式加工中心的主传动系统采用二级齿轮变速传动。第四章 卧式加工中心主传动系统运动参数的设计4.1概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具由一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便的实现运动的开停，变速，换向

49、和制动等。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，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，省去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，用于扩大电动机无级调速的范围。4.2主运动参数的拟定1.机床主轴驱动系统设计要求主轴电动机：额定功率 23.5kw额定转速 1500r/min最高转速 3500r/min主轴：最高转速 2000r/min最低转速 20r/min2.二级传动系统具体参数的确定1）齿轮齿数的确定的要求为了便于设计和制造，同一传动组内各齿轮的模数常取为相同。此时，各传动副的齿轮齿数和相同。显然

50、，齿数和太小，则小齿轮的齿数少，将会发生根切，或造成其加工齿轮中心孔的尺寸不够（与传动轴直径有关），或造成加工键槽（传递运动需要）时切穿齿根；若齿数和太大，则齿轮结构尺寸大，造成主传动系统结构庞大。因此，应根据传动轴直径等适当选取。通常用计算法或者查表法确定齿轮齿数，后者更为简便。根据要求的传动比U和初步定出的传动齿轮副齿数和S查表即可求出小齿轮齿数。选择时，应考虑：.传动组小齿轮应保证不产生根切。对于标准齿轮，其最小齿数=17.齿轮的齿数和不能太大，以免齿轮尺寸过大而引起机床结构增大，一般推荐齿数和100-120，常选用在100之内。.同一变速组中的各对齿轮，其中心距必须保证相等。若模数相同

51、时，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，但修正量不能过大，一般齿数差不超过34个齿。.保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚，一般取则。.保证主轴的转速误差在规定的范围之内。.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。2）确定齿轮齿数 其中：主动齿轮的齿数；被动齿轮的齿数；对齿轮的传动比；对齿轮的齿数和2。 最终确定齿轮齿数为：Z1=47；Z2=77；Z3=22；Z4=102；Z5=80；Z6=44.传动系统图为：4.3电机的选择机床的工况是选择主电机的

52、依据，机床零件和结构的强度设计也是依据它进行的。它包括切屑功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即 N=Nc+Nmo+Nmc其中，切屑功率Nc是按照各个加工情况下经常遇到的最大切屑力和最大切屑速度来计算，即 Nc=FzV其中Fz是主切屑力（N） V是切屑速度（m/s）至于空载功率和附加功率在此不考虑。卧式加工中心主要具有铣、镗、钻、攻丝等功能。合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。确定机床电机功率的常用方法有：（1）类比法：对同类型机床使用的功率实际情况进行调查，进行分析对比；（2）估算法：按机床典型加工条件（工艺种类、加

53、工材料、刀具、切削用量）进行估算；（3）试验测定法：根据典型的、起决定作用的加工条件，在同类（或相似）机床上进行切削实验，直接测定电机功率。一般采用估算法和类比法相结合方法确定通用机床电机功率。功率估算法常用计算公式有：主切削力：；切削功率：；估算主电动机功率：加工中心上常用的无极变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机时靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动作反应快，没有电刷，能达到的最高转速比

54、同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。根据主轴要求的最高转速2000r/min最大切削功率23.5KW，选择Y112M-4型三相交流异步电动机，额定功率23.5KW，满载转速1440r/min，同步转速1500r/min5。第五章 传动件的估算及验算5.1概述在传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定各零件的实际尺寸和有关布置。为此常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置与尺寸，然后按结构尺寸进行主要零件

55、的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等。必要时做结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求，最后才能画出正式装配图。5.2确定各轴及各齿轮的计算转速变速箱圆柱齿轮传动选取8级精度，主轴箱精度要求高，选取7级精度。设计机床主传动系统时，为了使传动件工作可靠、结构紧凑，必须对传动件进行动力计算。主轴及其他传动件的结构尺寸主要根据它所传递的转矩大小来决定，即与传递的功率和转速两个因素有关。因而要计算主轴所能传递全功率的最低转速即主轴的计算转速。I轴的计算转速为1500r/minII轴的计算转速为915.6r/minIII轴的计算转速为197.5r/min各齿轮计算转速：齿轮Z=47Z=77Z=22Z=

56、102Z=80Z=44计算转速（r/min）1500915.6915.6197.5915.61664.75.2齿轮模数的估算齿轮模数的估算方法有俩种，一是按齿轮的弯曲疲劳进行估算；二是按齿轮的齿面点蚀进行估算。这俩种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。根据齿轮弯曲疲劳的估算：mm式中：为齿轮传递的功率；为齿轮齿数；为该齿轮的计算转速。 齿面点蚀的估算：mm 其中为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距。 由中心距A及齿数、求出模数：mm 根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。1）齿数为47与77的齿轮Z1、Z2N=23.5KW mm= mm mm取模数为32）齿数为22与102的齿轮N3

57、、N4 N=22.56KW mm=mmmm取模数为43）齿数为80与44的齿轮N5、N6 N=22.56KW mm =mmmm取模数为34）结合总体情况所有齿轮模数均取为4mm5。5.3计算各齿轮参数齿轮分度圆直径公式 d=mz 齿顶高ha=ha*m 齿根高hf=(ha*+c*)m 齿顶圆直径 da=(z+2ha*)m 齿根圆直径 df=(z-2ha*-2c*)m 其中，ha*=1，c*=0.25齿宽b=dd1t，其中取d=0.6经计算查表，得各齿轮的参数如下表：齿数Z齿宽b模数m分度圆直径d齿根高hf齿顶高ha齿根圆直径df齿顶圆直径da中心距Z147112418854178196248Z2

58、77107430854298316Z32252488547896248Z410247440854398416Z580100432054310328248Z6441054176541661845.4传动轴的设计传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。（1）各轴直径的估算一般按照扭转刚度初算传动轴直径：mm 其中：；为该传动轴的传递功率；为电动

59、机的输出功率；-该传动轴的计算转速；为从电动机到传动轴之间传动件的传动效率的乘积；（deg/m）为每米长度上允许的扭转角，可查机械设计手册，各传动的效率为；其中，联轴器 ，带传动，齿轮传动，轴承（其余可忽略不计）。计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。1）、轴的直径： N=23.5kw,n=1500r/min，【】=1deg/m，d91=32.195mm,取d=35mm 2）、轴的直径：N=22.56kw, n=915.6r/min，【】=1deg/m，d91=36.054mm,取d=40mm3）、轴的直径：N=22.

60、56kw, n=197.5r/min，【】=1deg/m，d91=52.9mm,主轴为空心，在后文中进一步说明5。5.5齿轮强度的校核由于本设计中主轴上齿轮的转速较低，扭矩较大，因而最为危险。选择主轴上的齿轮副进行强度校验。考虑到此机构为一般机械，传递的功率23.5kw，并不大，工作环境良好且为闭式传动，由于希望齿轮工作寿命长，所以采用大小齿轮硬齿面。选用材料为40Cr，加工方法为高频淬火。查得，大小齿轮的强度极限，屈服极限，硬度4855HRC，平均值为52HRC，由于所选齿轮的齿数相同，所以对该齿轮同时进行齿根弯曲疲劳强度校核和接触疲劳强度校核。第一组齿轮：1.对齿轮进行齿根弯曲疲劳强度校验