1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 加工中心主传动系统的机械结构设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 数控机床技术关系着我国的国民经济水平、高新技术和高尖端产业的发展。虽然我国从未间断过数控加工技术的研究，但是和一些西 方发达国家相比，我们还存在着不小的差距。随着我国综合国力的上升，数控机床技术必然是缩短我国与西方发达国家科技水平差距的一大关键。所以本课题研究很有意义。 本文介绍了加工中心的由来以及加工中心的概况，加工中心主传动系统的结构原理。加工中心由主轴电动机，主轴传动系统和主轴组件组成。本文详细介绍了加工中
2、心主轴电动机的选用，主轴传动系统的各项参数的计算，以及主轴组件的选择计算。本加工中心采用多楔带传动并带有卸荷装置。采用多楔带传动能避免齿轮传动的震动和噪声，采用卸荷装置能加强主轴强度，大大加强加工中心的稳定性。本文 还介绍了加工中心进给电动机和联轴器的选择设计。 关键词 ： 数控机床 ;立式加工中心 ;主传动系统 ;主轴组件 III Abstract The CNC technology is relating our countrys national economy level, the high technology and new technology and the high sta
3、te-of-art industrial development. Although our country has never interrupted the numerical control process technology research, but compares with some Western developed country, we also have not the small disparity. Along with our country comprehensive national strengths rise, the CNC technology is
4、inevitably reduces our country and a Western developed country science and technology horizontal disparity big key. Therefore this topic research is very meaningful. This article introduced the machining center origin as well as the machining center survey, the machining center master drive systems
5、structure principle. The machining center by the main axle electric motor, the main axle transmission system and the main axle module is composed. This article introduced machining center main axle electric motors selection in detail, the main axle transmission systems each parameter computation, as
6、 well as main axle modules choice computation. This machining center uses the multi-wedge belt transmission and has the unloading gear. Uses the multi-wedge belt transmission to be able to avoid the gear drive the vibration and the noise, uses the unloading gear to be able to strengthen the main axl
7、e intensity, strengthens the machining center greatly the stability. This article also introduced the machining center feed motor and shaft couplings choice design. Key Words: CNC Vertical machining center Main drive system Spindle subassembly Unloading device IV 目录 前言 .1 第一章 概述 .2 1.1 加工中心的发展状况 .2
8、1.1.1 加工中心在国外的发展现状 .2 1.1.2 加工中心在国内发展现状 .2 1.2 加工中心的基本概念和分类 .3 1.3 设计参数选择 .3 第二章 加工中心主传动系统方案的确定 .4 2.1 加工中心主轴组件的组成 .4 2.2 机械系统方案的确定 .4 2.2.1 主轴传动机构 .4 2.2.2 主传动类型选定 .4 2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 .5 第三章 主传动变速系统主要参数计算 .6 3.1.计算切削功率 .6 3.2 主传动功率计算 .7 3.3 确定电动机型号 .7 第四章 主轴组件设计计算 .8 4.1 主轴的设计要求 .8 4.1.1 主轴的主要
9、尺寸参数 .8 4.1.2 主轴主要精度指标 .8 4.1.3 主轴的材料的选择 .9 4.1.4 主轴轴端结构 .9 4.2 主轴的设计计算 .9 4.2.1 主轴的结构设计 .9 4.2.2 初选主轴直径 .10 4.2.3 主轴内孔直径的确定 .10 4.2.4 前悬伸 .10 V 4.2.5 主轴的支承跨距 .11 4.3 主轴的校核计算 .12 4.3.1 主轴受力分析 .12 4.3.2 主轴强度校验 .15 4.3.3 主轴的刚度校核 .16 4.4 主轴组件的支承 .17 4.4.1 主轴轴承的类型 .17 4.4.2 主轴轴承的配置 .19 4.4.3 主轴支承方案的确定 .
10、20 4.4.4 轴承的配合 .20 4.4.5 主轴轴承设计计算 .20 4.5 多楔带传动的计算 .22 4.6 键的设计计算 .24 4.6.1 主轴上的键 .24 4.6.2 主电机上的键 .25 4.7 主轴的卸荷装置 .25 4.7.1 径向力的卸荷 .26 4.7.2 轴向力的卸荷 .26 第五章 电动机与联轴器的选择 .28 5.1 电动机的选择 .28 5.2 联轴器的设计计算 .28 小结 .28 致谢 .29 参考文献 .30 1 前言 数控机床技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术是发展高新技术产业和尖端 工业的最基本的装备。 制造技术和设
11、备是最基础 的 ，人类的生产活动和数控技术是当今先进制造技术与装备技术的核心。 数控技术被广泛的应用于各国的装备制造业 ，以提高制造能力的水平，提高能力，以适应动态变化的市场和竞争力。此外，世界工业国家也将数控作为一个国家战略物资的技术和数控设备，不仅要采取显著 措施 ，发展他们自己的数字技术和产业， 并且 也在 “高精尖 ”数控关键技术和设备， 对我国实行 限制性政策。 数控机床技术的发展自 1953 年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起，至今已有 53 年历史了。 20 世纪 90 年代，计算机技 术和微电子技术的基础产业的快速发展， 为 数控机床的发展提供了一个良好的平台，数控
12、机床产业得到了快速发展。数控技术在中国的研究从 1958 年第一台北京第一机床厂生产的数控铣床 开始 。 虽然才比外国晚了几年 ，但由于种种原因，数控机床在中国的发展已落后于国际水平 。 在 20 世纪 90 年代，中国的数控机床技术的发展，才获得更大的 加速 。目前，与国外先进水平相比，仍有很大差距。 毕业设计是在修完所有课程之后，我们走向社会之前的一次综合性设计 。此次设计的是加工中心主传动系统的机械结构设计，涉及到了主传动类型、主轴的设计、刀具 加紧装置的设置等。通过做的传动系统设计可以使所学到的基础知识得到进一步的巩固和提高，再结合AutoCAD 绘制零件图和装配图使设计更加的合理。
13、AutoCAD 其已完全具备了从设计，验证，优化到出工程图及产品宣传图等一条龙服务的能力。我感觉要完成这次设计不仅要有扎实的专业知识，还需要查阅各种资料，并且要 CAD 技术绘制图纸，方才能很好的完成这次设计。所以说我们今后的学习中不仅要学好应该所学的，还要尽可能多的去拓展我们在其它方面的领域。 通过本次毕业设计，使我更加了解设计的含义，以及懂得如何查阅相关资料和怎样解决在实际 工作中遇到的实际问题，这为我们以后从事 机械工作 打下了良好的基础。 2 第一章 概述 1.1 加工中心的发展状况 1.1.1 加工中心在国外的发展现状 1992 年，德国 EMAG 公司发明了被誉为 10 年内最佳机
14、床的倒置立车。也是在 20 世纪 90年代初，奥地利 WFL 公司开发了用于凸轮轴及其他复杂轴类零件加工的第一台车铣复合中心M10。 21 世纪初日本 MAZAK 公司在 JIMTOF 上提出了 DONE IN ONE 的口号，即力争在一台机床上能进行所有工艺加工。 就加工的方式而言，立卧两用铣头的研制成功，使卧式 加工中心能进行五面体加工。随着通过两次装夹对小型零件进行六面加工的加工工艺出现，在这方面德国 DMG、瑞士威力銘 马科黛尔、瑞士宝美等均有此类产品。 世界工业发达国家，如美、德、日均重视机床技术和机床工业的发展，因此其工业发展较快。根据美国机床拥有量调查， 1989 年，金切机床共
15、 187 万台，其中 NC 机床 20 万台，MC5.4 万台。直到 1996 年，金切机床共 190 万台，其中 NC 机床共 30 万台， MC 有 15.5 万台。 1996 年比 1989 年加工中心增加近 3 倍。据日本机床拥有量调查， 1987、 1994 年金切机床拥有量分别 为 65 万、 72 万台，其中 NC 机床为 7 万、 15 万台， MC 分别为 1.6 万、 3.4 万台。日本 1994 年比 1987 年加工中心增加 2.1 倍。 目前，美国以生产汽车、飞机、宇航业需要的各种高精、高效、高性能、多轴联动的 NC机床、 MC 为主。也有一些公司生产经济型 MC，供
16、应广大一般制造业用户，最廉价使用的MC 仅约为 3 万美元，已供应市场 23 万台。德国以生产机械制造业所需要的高性能 MC 为主，如 wemer 公司等，能供应用户各种 FMS。日本以生产机械制造业所需的中档 MC 为主，供应世界市场量大面广。而且不断向汽车、模具行业所需的 高速、 5 面加工、高性能、高精、多轴联动等方向发展。瑞士以生产中、小型高精、高效、高速、 5 面加工多轴联动高性能 MC 为主。这四国目前 MC 的科研、设计、制造、使用技术水平最高。人员素质及人才数量在世界领先。 1.1.2 加工中心在国内发展现状 近些年来我国数控加工中心产量快速增加，就 2004 年数数控加工中心
17、产量近五万台，数控加工中心消费量近七万台。数控加工中心的需求增加促进了民营机床厂数量以及机床种类的增加。 虽然国产数控加工中心数量增加很快，但进口数控加工中心的需求量增长趋势更快。就2004 年进口数控加工 中心数量就增长了 32%，消费额增长更达 53%，导致了国产数控机床市场消费额比例大大降低。导致这一原因主要是高精度和性能机床需求主要靠进口解决。 近年来由于国家的大力资助和市场需求，在数控加工中心的技术水平方面，尤其是中高3 档数控加工中心的开发取得了较好的进展，自主开发了包括五轴联动数控加工中心、超精密数控加工中心的生产线，还形成了一批中档数控加工中心生产基地。高档数控加工中心研发也取
18、得了可观的进展。 1.2 加工中心的基本概念和分类 （ 1）加工中心的基本概念 加工中心（ MC）是当今世界各类数控（ NC）机 床中技术上比较先进、优点比较突出、使用范围较广、发展较快、功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削等多种加工功能集中在一台设备上。加工中心设置有刀库这是加工中心与数控机床的主要区别。它是在高效化自动化机床设计、制造、 NC 机床控制的技术基础上逐步发展起来的。并随着微电子、计算机技术的迅速发展，广大用户的生产需要而不断向更高水平发展。 （ 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
19、线为垂直状态配置，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） 五坐标加工中心 五坐标加工中心兼具立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式 ，一种是主轴可以 90旋转，另一种是工作台可以 90
20、旋转。 1.3 设计参数选择 立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格相对较低的特点。本次设计的立式加工中心主轴的转速范围为 20 3000 r/min，主轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，传动采用多楔带实现。 立式加工中心设计参数： 切削性能参考值（工件材料 45）：面铣时，刀具直径 35mm，刀齿数 5，切削深度 4mm，切削宽度 70mm，主轴转速 1500rpm，进给速度 600mm/min；钻孔时，刀具直径（高速钢） 30mm，主轴转速 400rpm，进给速率 100mm/min；采用多楔带传动；主轴锥度 ISO40。 4 第二章 加工中心主传动系统方案的确定 2.1 加工中心
21、主轴组件的组成 主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴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，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。 2.2 机械系统方案的 确定 2.2.1 主轴传动机构 对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和多楔带传动等。 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 200m/
22、s，效率可达 0.99。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。 多楔带摩擦力大，载荷分布均匀，传动能力出众。而且多楔带大多较薄，柔韧性好，作用在带轮上的工作应力也小。多楔带还具有传动比大、抗震性强、 散热好、寿命长的特点。多楔带能大大增加传动效率，并且减少空间的占用， 适用于结构要求紧凑、传动功率大的高速传动。 多楔带传动 主要特点如下： 1.传动系统 结构紧凑， 占用空间小 。 2 传动功率比普通带传动大 3耐热、耐油、耐磨， 使用寿命长。 4带体薄 而柔软 ，适应带 小带轮 传动，也适应高速传动，振
23、动小， 散热快 ， 运作稳定 。 2.2.2 主传动类型选定 本次设计的立式加工中心主轴的转速范围为 20 3000 r/min，主轴电动机采用标准型交流调速主轴电动机，由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而多楔带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择多楔带传动。传动装置简图参考数控加工中心设计如图 2-1 5 图 2-1 2.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 综合 2.2 中的方案，本课题的总体设计方案现确定如下： 由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件
24、，而且为了使主 轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而 多楔带 传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求。 在主轴的进给运动中，采用滚珠丝杠。其耐磨性好、磨损小，低速运行时无爬行、无振动，能够很好地确保 Z 轴的进给精度。 由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。在本课题中，主轴准停机构采用磁力传感器检测定向，其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上，而且能够检测到主轴的转速，并在加工中心的操控面板上显示出来，方便机 床操作者调整转速。 在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段碟形弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。 在伺服系统中，本课题在进给系统 中选用直流伺服电动机，而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有电刷和换向器，需要常常维修，故不适合于进给系统中。 主 轴电动机
