1、江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院 毕业论文 题 目 数控车床主轴箱设计 专 业 机电一体化 学生姓名 李园华 论文编号 28 准考证号 20080580 指导教师 吴连连 2010 年度 下 (上 /下） 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 摘要 主轴箱是机床要的部件，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定的传动系统箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。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 。 主
2、轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 关键字 ：数控车床 主轴箱 传 动 齿轮 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 目 录 内容摘要 2 前 言 4 第 1章 数控车床的发展史 1.1数控阶段 5 1.2 计算机数控阶段 5 1.3数控未来发展的趋势 6第 2章 主传动的设计 6 2.1 驱动源的选择 6 2.2转速图的拟定 7 2.3传动轴的估算 8 2.4齿轮模数的估算 10 2.5V带的选择
3、11 第 2章 主轴箱展开图的设计 12 3.1 各零件结构尺寸的设计 12 3.2 设计内容和步骤 12 3.3有关零件结构和尺寸的设计 . 12 3.43各轴结构的设计 . 14 3.5主轴组件的刚度和刚度损失的计算 15 3.6轴承的校核 17 总结 20 参考文献 21 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 前 言 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、
4、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。 “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、外商投资企业增长速度加快所致。 2006 年，
5、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 2.96。 长期以来，国产数控
6、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，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少
7、，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。 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 第一章 数控车床的发展史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃
8、，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952年， 计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1 数控（ NC）阶段（ 1952 1970年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 “搭 “成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ HARD-WIRED NC），简称为数控（ NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代 -电子管； 1959年的第二代 -晶体管；
9、1965 年的第三代 -小规模集成电路。 1.2 计算机数控（ CNC）阶段（ 1970 年现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ CNC）阶段（把计算机前面应有的 “通用 “两个字省略了）。到 1971年，美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 -运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称 CPU）。 到 1974 年微 处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（
10、故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990 年， PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970年的第四 代 -小型计算机； 1974年的第五代 -微处理器和 1990 年的第六代 -基于 PC（国外称为 PC-BASED）。 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江
11、西工业工程职业技术学院毕业论文 ，虽然还要指出的是国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控（ NC）。所以我们日常讲的 “数控 “，实质上已是指 “计算机数控 “了。 1.3 数控未来发展的趋势 1.3.1 继续向开放式、基于 PC的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网 通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 1.3.2 向高速化和高精度化
12、发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 1.3.3 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的 经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 第二章 2 主传动设计 2.1 驱动源的选择 机床上
13、常用的无级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；交流调速电动机是 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，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比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。 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 根据主轴要求的最高转速 4000r/min，最大切削功
14、率 5kw，选择北京数控设备厂的 BESK-8 型交流主轴电动机，最高转速是 4500r/min。 2.2 转速图的拟定 根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围 Rdp=nmax/nd=3 而主轴要求的恒功率转速范围 Rnp=3，远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。 涉及变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比 f 等于交流主轴电动机的恒功率调速范围 Rdp,即 =Rdp=3,功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。变速箱的 变速级数 Z =2.99.取 Z=3 确定各
15、齿轮齿副的齿数：取 S=116 由 U=1.955 得 Z1= 24 Z1=68 由 U=1.54 得 Z2=75 Z2=30 由 U=4.6 得 Z3=48 Z3=57 由此拟定主传动系统图，转速图以及主轴功率特性图分别如图 2-1， 2-2， 2-3 2.3 传动轴的估算 传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转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，不允许有较大的 变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下不至于产生过大的变形。如果刚度不够，江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工业
16、工程职业技术学院毕业论文 轴上的零件由于轴的 变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效，因此，必须保证传动轴有足够的刚度。 计算转速 nj 是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速 图是直接得出，如表 2-1 所示。 表 2-1 各轴的计算转速 轴 I II III 计算转速 1500 530 140 各轴功率和扭矩计算： 已知一级齿轮传动效率为 0.97（包括轴承），同步带传动效率为 0.98，则 I轴： P1=Pd x 0.98=7.5 x 0.98=7.35KW II 轴 p2=p1 x 0.97=7.5 x 0.97=7.28KW II
17、I 轴 P3=P2 x 0.97=7.28 x 0.97=7.06KW II 轴扭矩： T2=9550P2/n2=9550 x x7.28/530=1.31x III 轴扭矩： T3=9550 P3/N3=9550 x 7.06/140=4.82x 是每米长度上允许的扭转角（ deg/m） ,可根据传动轴的要求选取，其选择的原则如表 2-2 所示。 表 2-2 许用扭转角选取原则 轴 主轴 一般传动轴 较低的轴 （ deg/m） 0.5-1 1-1.5 1.5-2 最后所确定各轴所允许的扭转角如表 2-3 所示 轴 I轴 II 轴 III 轴 （ deg/m） 0.5 1 0.5 江西工业工
18、程职业技术学院毕业论文 江西工业工程职业技术学院毕业论文 把以上确定的各轴的输入功率 N=7.5KW，计算转速 nj，允许扭转角 代入扭转刚度的估算公式 d=91 ,可得传动 轴的估算直径：40mm 52.06mm 31.39mm.最后取值如下表所示： 轴 I II III 估算直径 40 32 53 主轴轴径尺寸的确定： 已知车床最大加工直径为 Dmax=400mm,则 主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax 15=85-115mm 后颈直径 D2=(0.7-0.85)D1=67-81mm 内孔直径 d=0.1Dmax 10=35-55mm 2.4 齿轮模数的估算 按接触疲劳强度和弯曲疲劳强
19、度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已 知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。 齿轮模数的估算方法有两种，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。这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。 根据齿轮不产生跟切的基本条件：齿轮数不小于 17。由于 Z3,Z3这对齿轮有较大的传动比，各个齿轮中最小齿数的齿轮必然是 Z3. 取 Z4=22,S=105,则Z4=83 从转速图上直接看出 Z3 的计算转速是 530r/min.根据齿轮弯曲疲劳估算公式 江西工业工 程职业技术学院毕业论文 江西工
20、业工程职业技术学院毕业论文 根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算 得 m=2.7 由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为 m=3 mm,对比上面的结果，可知这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，故取同一变速组中的所以齿轮的模数都为 m=3mm.可得两轴中心距为a=157.5mm.圆整为 a=158mm. 则各齿轮齿数和模数列表如下： 齿轮 Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 Z4 Z4 齿数 24 68 75 30 48 57 22 83 模数 2 2 3 3 3 3 3 3 2.5 V 型带的选 V 带选择 spz 型带，取小带轮的大小 72mm，大带轮的大小为 204mm； 2-5-1 确定中心距 a 和带的基准长 如果中心距未给出，可根据传动的结构需要初定长度中心距 a0，取 0.7（ ） = ；
