1、广西工学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 41 页 摘要 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈下，以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、计算机技术、传感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术有机地结合在一起，构成高度信息化、高度柔性化、高度自动化的制造系统。 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。 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
2、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，剩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以扩大电动机无级调速的范围。 采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现。 关键词：交流变频电机、数控机床、同步带、主轴、齿轮。 广西工学院毕业设计（论文） 第 2 页 共 41 页 1 概述 数控机床、重型机床和精密机床已广泛地采用直流或交流无级变速电动机。根据分级变速箱的主传动设计，我 们可以知道做旋转运动的主轴，从计算转速至最高转速为恒功率区，从计算转速至最低转速为恒扭矩区，恒功
3、率变速范围比恒转矩变速范围大 2 4倍。直流并激电动机从额定转速 nd 向上至最高转速 nmax ，是采用调节磁场电流（简称调磁）的办法来调速的，属于恒功率调速，从 nd 向下至最低转速 nmin ，是利用调节电枢电压（简称调压）的办法来调速的，属于恒转矩调速。普通直流电机 的 nd =1000 2000r/min，恒功率调速范围为 2 4，恒转矩调速范围达几十甚至 100 以上。交流（变频）调速电机的 nd =1500r/min，额定转速向上至最高转速 nmax 为恒功率，范围为 3 5；由额定转速 nd 至最低转速 nmin 为恒转矩，调速范围可达几十或者超过 100。 1.1 金属切削机
4、床在国民经济中的地 位 金属切削机床是一种用切削方法加工金属零件的工作机械。它是制造机器的机器，因此又称工作母机或工具机，在我国习惯上将其简称为机床。在我国的各个工农业生产部门、科研单位和国防生产中，制造和使用着各式各样的机器、仪表和工具。机器的种类虽然很多，但从根本上来说任何一部庞大复杂的机器都是由各种轴类、盘类、齿轮类、箱体类、机架类等零件组成的，而这些零件的绝大部分都是由机床加工而成的。在一般机械制造厂的上要技术装备中，机床约占设备总量的 60 80，其中包括金属切削机床、锻压机床和木工机床等。 在现代机械制造 工业中加工机械零件的方法有多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工和各种特种加上等
5、，但切削加工是将金属毛坯加工成具有一定形状、尺寸和表面质量的零件的主要加工方法，尤其是在加工精密零件时，目前主要依靠切削加工来达到所需的加工精度和表面质量的要求。所以，金属切削机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量在一般的机械制造厂中约占机器制造总量的 40 60。因此，机床的技术水平直接影响到机器制造工业的产品质量和劳动生产率。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，而 机床 上业则是机械制造工业的重要组成部分，是为机械制造工业提供先进加工技术和现代化技术装备的“工作母机”工业。一个国家机床工业的技术水平，是衡量这个国家的工业生产能力和科学技术水平的重要标志之一。
6、因此，机床工业在国民经济中占有极为重要的地位，机床的工作母机属性决定了它与国民经济广西工学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 41 页 各部门之间的关系。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的工艺装备，即为工业、农业、交通运输业、石油化工、矿山冶金、电子、科研、兵器和航空等产业提供各种机器、仪器和工具， 从而促进机械制造工业的牛产能力和工艺水平的提高。显然，机床工业对国民经济各部门的发展和社会进步均起着重要的作用。 1.2 数控机床的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民
7、生的一些重要行业（ IT、汽车、轻工、医疗等 ）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代化发展的大趋势。当前世界上数控技术及其装备的发展呈现以下发展趋势： 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之一。其精度已从微米级到亚微米级，乃至纳米级。提高数控系统的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现提高数控机床的加工精度。 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
8、代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度，对制造野实现高效 、优质、低成本生产具有广泛的适用性。 3 高柔性化 采用柔性 自动化设备或系统，是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力的有效手段。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单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型化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床研究和发展的热点，它不仅贯穿在生产广西
9、工学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 41 页 加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿在长品的售后服务和维修中。 6 复合化 复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概念。 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，利用大规模或超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。 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能力，除有 RS232 串行接口、 RS422 等接口外，还带有远程缓冲功能的 DNC 接
10、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地更新换代，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。 1.3 数控机床 数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的机构刚性允许数控机床进行大切削用量
11、的强力切 削，有效地节约了机动时间。 我国是制造大国，数控机床应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。 随着我国 的研发制造能力的不断提高，渐渐地从进口数控机床到出口，表明我国的数控业发展的强劲势头 ,这样有利于 ,我国制造业的发展 ,可 以看出现在数控车床的需求是非常大的 ,对于研究数控机床的发展有很大的促进作用。 1.4本课题的设计目的和意义 在通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实广西工学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 41 页 习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的 。通过设计
12、分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。 2 参数的拟定 2.1 了解原机床的基本情况和特点 最大的工件回转直径 D（ mm）是 400；主轴通孔直径 d要大于或等于 36；主轴头号（ JB2521-79）是 5；最大工件长度 L是 750 2000；主电机功率（ kw）是5.5 10。 表 2-1 机床主要技术参数 项 目 参
13、 数 三轴行程 (X Y Z) 500 400 300 mm 主轴端面至工作台面距离 100/ 410 mm 主轴中心至立柱滑轨面距离 280 mm 工作台尺寸 ( 长 宽 ) 800 410 mm T 型槽 ( 宽度 X 数量 X 间距 ) 12 3 110 mm 工作台最大载荷能力 50Kg 主轴电机 750W 主轴转速 ( 无级 ) 50-3000rpm 主轴定位 光电感应式 主轴锥度 BT40 主轴直径 75 mm X 、 Y 、 Z 轴电机扭矩 8 n.m 三轴快速移动速度 1.5m /min 切削进给率 1 -1500mm /min 手动进给率 0 -2000mm /min 分辨率
14、 0.01mm 滚珠丝杆 ( 直径 X 节距 ) 25 6 mm 定位精度 0.08/ 300mm 重复定位精度 0.05mm 广西工学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 41 页 2.2 改造后所达到的要求 数控 机床采用直流或交流调速电动机的主运动 无级变速系统中，主轴转速的变换则电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变 换相配合来实现 1、具有更大的 变速 范围， 使之成为分段无级变速； 2、 适应低速大转矩的要求 ； 3、 完善变速电机的功率特性与机床主轴的要求匹配 。 主轴转速范围： 30 2800 2.3 初选电动机 1.已知电动机功率 P=7.5KW 因主轴最高转速为 2800r/
15、min，所以我们需要选与之相接近的电机转速，根据 N=7.5KW，由于要使交流变频电机转速的最高转速与主轴最高转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。所以初步定交流电机为： 上海日卅电气有限公司 YVP132M-4 额定功率 7.5（ kW） 额定电压 380（ V） 额定转速 1500（ rpm） 恒功率范围（ 50 100Hz） 恒转矩范围（ 5 50Hz）。 2.电机的安装和外形 根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。 3.常用电机的资料 根据常用电机所提供的
16、资料，选用： Y型系列电机的安装尺寸 图 2-1 电动机安装尺寸 广西工学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 41 页 3 传动方案的设计 3.1 主传动方案的拟定 机床的主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动式在一定的变速范围内均匀地、分散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过2030 级。这种传统主要用于普通机床，无级变速传动可以再一定的范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。数控 铣 床主轴箱的主传动通常采用无级变速传动。 为适应不同的加工需要，数控 铣 床的主传动系统有以下三种传动方式： 1）电动机直接驱动 主轴电动机与主
17、轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动，如图 3-1（ a）。这种直接驱动可以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、输出转矩与电动机的特性完全一致。但是由于主轴的功率和转矩特性直接决定于主轴电动机的性能，因而使这种变速传动的应用受到一定限制。 2）采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动，如图3-1（ b）。带传动具有传动噪声小、振动小的优点，一般应用在中、小型数控车窗上。采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上能满足主轴功率 与 转 矩 的 要 求 ， 但 其 变 速 范 围 仍 与 电 动 机
18、 的 调 速 范 围 相 同 。广西工学院毕业设计（论文） 第 8 页 共 41 页 图 3-2 为直接驱动和定比传动时的主轴输出特性。图中， Tn 为输出转矩曲线，它在小于计 算转速 nj 时为一水平线，为恒转矩输出； P 为功率输出曲线，它在大于计算转速 nj 时，为一水平线，为恒功率输出。恒转矩输出与恒功率输出的变量点的转速称为计算转速 nj 。这种特性一般能够满足低速加工所需较大恒转矩的要求，而高转速时多为精加工，需要较小的转矩和恒功率输出。 目前，主轴电动机的恒功率调速范围一般只有 24，而恒转矩调速范围则可达 100以上。但是，许多大、中型机车的主轴要求有更宽的恒功率变速范围，其恒
19、功率范围一般占主轴全部变速的 2/33/4（一般为 2030）。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性与机床 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，这两种变速传动方式多用于小型或高速数控机床。 3)采用分档变速传动 主要是为了解决电动机的功率特性与机床主轴功率特性的匹配。变速机构一般仍用齿轮副来是实现，如图 3-1（ c）。通过电动机的无级变速，配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求。目前，电动机本身的调速范围已达 1： 100 1： 1000，所以多数机床的变速传动机构不超过 2 级。采用分档变速传动可适应更多种类的刀具材料和更广泛的工艺要求，并满足各
20、种切削运动的转矩输出，特别是保证 低转速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。例如，某数控机床主轴采用交流调速电动机驱动，主电动机功率 22KW、额定转矩 140N m、额定转速 1500r/min、最高转速 6000r/min，通过 1： 1 和 1： 4 两级变速机构，使主轴的低速输出转矩提高啦 4 倍，其恒功率变速范围由原来的 1： 4 增加到了 1： 16，而主轴的最高转速仍保持 6000r/min 不变。目前，大、中型数控车床多采用这种传动方式。 分档无极变速的主轴输出特性是由图 d 所示的单级输出特性曲线叠加而成，其每广西工学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 41 页 一级速度都有其计
21、算转速。因此，设计时，首先要确定其加工能力 的范围，然后确定所需要的功率及转矩覆盖面（转矩曲线和功率曲线与坐标轴所围成的面积）；最后依据所需的功率 -转矩 -转速曲线覆盖范围，决定采用何种变速传动形式。 因此，考虑到电主轴目前来讲成本较高不适合大范围应用，由原来的无级变速形式改造为分段无级变速形式，扩大机床的切削范围。 3.2 主运动参数的确定 1）极限速度 机床主运动为回转运动时，主运动参数是机床的主轴速度。 主运动是回转运动的通用机床或专门化机床，需适应不同尺寸、不同材料工件的加工，主轴应在一定范围内实现变速，为此在机床设计中要确定主轴的最高转速和最低 转速。 由式 dvn 1000 ，
22、（ 3.1） m a xm inm inm inm a xm a x 1 0 0 01 0 0 0 dvn dvn （ 3.2） maxminmax dRd kDdd D-机床的最大加工直径； Rd -计算直径范围，通常取 Rd =0.20 0.35，卧式车床取 0.25； k 为系数，根据现有机床调查而定，卧式车床 k=0.5. 切削速度 v 主要与刀具和工件材料有关，可通过切削试验、查阅工艺手册在 调查统计的基础上类比确定。经查手册 axmv =150m/min300 m/min,可取，m in/20m in ,/300 m i nm a x rvrv 计算车床主轴的极限转速时的加工直径，
23、按经验分别取（ 0.1 0.2） D 和（ 0.45 0.5） D。由于 D=400mm，则主轴极限转速应为： m i n/238840014.31.0 30010001.010001000 m a xm i nm a xm a x rDvd vn ； m i n/304 0 014.35.0 201 0 0 05.01 0 0 01 0 0 0 m i nm ax m i nm i n rDvd vn ； 为给今后工艺和技术发展留有储备，一 般可将 maxn 的计算值提高20% 25%。主轴转速为 302800r/min。 广西工学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 41 页 2)主轴输出
24、最大与最小功率 根据 9表 1.4，选用 YT15 硬质合金车刀；根据 9表 1.10 及实际金属切削机床参数比较，取 切削深度 mmap 4 ；进给量 rmmf /5.0 ；切削速度 min/138 mvc 由 4表 1.28 查得切削速度的修正系数 65.0tvk ， 92.0arvk ， 8.0svk ， 0.1Tvk ， 0.1kvk ； 则 m i n/02.668.092.065.0138 mkvv vtc m in/56.524 0 0 02.661 0 0 01 0 0 0 rDvn cc （ 3.3） 实际切削速度 cv m in/661000 56.524001000 mnDv cc 主切削力 zF NfGF p 4 1 7 545.041 9 0 01 9 0 0 75.075.0z （ 3.4） 切削功率 切N kwvFN 5.461200 02.66417561200z 切 （ 3.5） 主电动机功率总切主 NN ，式中 总 为机床总机械效率，主运动为旋转运动的机床，7.0总 0.85,机构较简单和主轴转速较低时， 总 取大值。取 85.0总 kw3.585.0 5.4 总切主 NN 3)验证电动机 依据机械设计手册查得常用机械传动的效率： 0.98
