1、立式数控铣床主传动系统设计摘要本文介绍了数控铣床的一些基本概况，简述了数控机床主传动系统方面的原理和类型，分析了各种传动方案的机理。数控铣床主传动系统包括了主轴电动机、主轴传动系统和主轴组件三部分组成。本文详细介绍了数控铣床主传动系统的设计过程，该数控铣床主轴变速箱是靠齿轮进行传动的，主轴箱传动系统采用齿轮传动，传动形式采用集中式传动，主轴变速系统采用多联滑移齿轮变速。齿轮传动具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确等优点。文中介绍了数控铣床主传动系统各种传动方案优缺点的比较、主传动方案的选择和确定、主传动变速系统的设计计算、主轴组件的设计、轴承的选用基润滑、关键零件的校核、以及
2、主轴电动机的控制等设计过程。关键词 数控机床；数控铣床；主传动系统；主轴组件；轴承；主轴电动机The sign type number controls the miller lord to spread to move the system designAbstract： this text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and typ
3、es of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to con
4、stitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis b
5、ox spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to mov
6、e the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming
7、 of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key
8、spare parts etc. the design process.Key words： the number controls the tool machine;The sign type number controls the miller;The lord spreads to move the system;Principal axis module; Bearings; Principal axis electric motor.目 录引言 .1第一章 绪论 .21.1 概述 .21.2 数控机床的发展 .3第二章 数控铣床主传动系统方案的确定 .92.1 对数控铣床主传动系统简
9、介 .92.2 对数控铣床主传动系统的要求 .92.3 主传动的类型及方案选择 .10第三章 主传动变速系统主要参数计算 .123.1 计算切削功率 .123.1.1 切削力的计算 .123.1.2 切削功率的计算 .123.1.3 主轴转速范围的确定 .133.2 计算主传动功率 .133.3 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定 .143.3.1 变速级数 Z 的确定 .143.3.2 电动机的功率的确定 .153.3.3 电动机参数 .153.3.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定 .16第四章 主轴组件设计 .17I4.1 概述 .174.1.1 轴的分类 .174.
10、1.2 主轴材料 .174.2 主轴结构设计 .174.2.1 主轴部件应满足的基本要求 .184.2.2 轴的结构设计 .194.2.3 草拟轴上零件的装配方案 .194.2.4 轴上零件的定位 .204.2.5 各轴段直径与的确定 .204.2.6 提高主轴强度的措施 .214.2.7 轴的结构工艺性 .224.3 主轴强度的校核 .224.3.1 按扭转强度进行计算 .224.3.2 强度校核计算 .23第五章 轴承的设计 .275.1 概述 .275.2 轴承的类型选择 .275.3 轴承游隙等级的选择 .285.4 轴承的寿命计算 .285.4.1 轴承布局 .285.5 轴承装置的
11、设计 .295.5.1 轴承的配置 .295.5.2 轴承的配合 .30II5.5.3 轴承的润滑 .315.5.4 轴承的密封 .32第六章 数控铣床主轴电气控制系统设计 .336.1 控制方式选择 .336.2 PLC 的简单介绍 .336.4.1 可编程控制器的由来 .336.4.2 可编程控制器的现状 .336.4.3 可编程控制器的分类 .336.2.4 可编程控制器的特点 .356.2.5 PLC 的应用领域 .356.3 主轴电动机控制 .36总论 .37致谢 .38参考文献 .39第 0 页 共 39 页引言制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经
12、济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。机床是制造业的主要生产设备，而数控机床是高精度、高效率的自动化生产设备。目前，国内、外数控机床正朝着高性能、高精度、高效率、高柔性、高自动化和模块化方向迅速发展。尽管我国数控机床的制造、设计、检测等技术得到了一定的发展，但与国外相比，差距还是很大，主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，这种差距尤其表现在高精度、高速度等尖端机床方面。因此，我们必须紧跟国际机床技术发展的前沿，发展机床的设计、检测、制造等技术。数控（numerical control,NC）机床，顾名思
13、义，是一类由数字程序实现控制的机床。与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点。数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点
14、，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。陕西理工学院毕业设计（论文）第 1 页 共 39 页第一章 绪论1.1 概述数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。一般情况下，在数控铣床上可以加工平面曲线轮廓。数控
15、铣床也像通用铣床那样可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各类铣床配置的是数控系统不同，其功能也不尽相同。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，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。综上所述，数控机床在
16、促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大陕西理工学院毕业设计（论文）第 2 页 共 39 页大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递
17、给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机
18、床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.2 数控机床的发展随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快
19、速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性” 强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“ 一个工人，一把刀，一台机床” ，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。陕西理工学院毕业设计（论文）第
20、3 页 共 39 页数控设备的发展方向 六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前 4 名。数控系统 由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。 华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高
21、。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度） 、定位精度、重复定位精度等 5 种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国 VDI 标准、日本 JIS 标准、国际标准 ISO 标准、国标 GB，国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到 0.005mm(ISO 标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.00
22、5mm(ISO 标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000 年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产 600台，目前正在建 2 期工程，建成后可以年产 1200 台。 2. 2003 年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心 120 台左右。 3. 2
23、002 年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为 1000 台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力 800 台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000 年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力 300 台。 22004 年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资陕西理工学院毕业设计（论文）第 4 页 共 39 页生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002 年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，
24、采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技改情况 军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技改开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近 3 年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。 听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶” 三年，我们的整体水平会上一个台阶。 其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国
25、防能力，相信再过 10 年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进， “七五”期间的数控系统开发， “八五”期间的数控应用技术研究以及“
26、九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000 转 /分以上的数控机床。
