數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及其主軸箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

開題報(bào)告題目：數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)及主軸箱設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)電一體化學(xué)生：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：時(shí)間：選題意義理論意義數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機(jī)械制造的的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。由于數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測(cè)與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果具有高柔性、高精度與高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，因此它提高了機(jī)械制造的制造水平，解決了接卸制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的發(fā)雜型面零件加工，為社會(huì)提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機(jī)械產(chǎn)品已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，數(shù)控技術(shù)已逐步晉級(jí)，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，已成為機(jī)械自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。現(xiàn)實(shí)意義隨著可續(xù)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品日趨復(fù)雜。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求也越來越高，在航空航天、微電子、信息技術(shù)、汽車、造船、建筑、軍工和計(jì)算機(jī)技術(shù)等行業(yè)中，零件形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)改型頻繁、批量小、零件精度高加工困難、生產(chǎn)效率低已成為日益突出的現(xiàn)實(shí)問題，機(jī)械加工工藝過程的自動(dòng)化和智能化是適應(yīng)上述發(fā)展特點(diǎn)的最重要手段。論文綜述理論的淵源及演講過程現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要是高速化、高精度化、多功能和智能化目前，柔性制造技術(shù)的發(fā)展也相當(dāng)迅速。柔性制造技術(shù)主要有柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。柔性制造單元可由一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控設(shè)備組成，即具有獨(dú)立的自動(dòng)加工的功能又部分具有自動(dòng)傳送和監(jiān)控管理的功能。柔性制造單元有兩大類：一類是數(shù)控機(jī)床配上機(jī)器人另一類是加工中心配上工作臺(tái)交換系統(tǒng)若干個(gè)柔性制造單元可組成一個(gè)柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)由中央計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。他是由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些數(shù)控機(jī)床加工中心。傳輸裝置將工件放在托盤或其他連接設(shè)備上送到加工設(shè)備使加工能夠準(zhǔn)確、迅速和自動(dòng)的進(jìn)行計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息集成，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造以求的企業(yè)的總體效益。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是建立在多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上的高技術(shù)制造系統(tǒng)，他綜合利用了CAD/CAM、FMS、FMC及工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，是面向二十一世紀(jì)的生產(chǎn)制造技術(shù)。國(guó)內(nèi)有關(guān)研究的綜述隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國(guó)家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，而中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段?！笆濉逼陂g，中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺(tái)，2002年24803臺(tái)，2003年36813臺(tái)，2004年51861臺(tái)，2004年產(chǎn)量是2000年的3.7倍，平均年增長(zhǎng)39%；2005年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639臺(tái)，接近6萬臺(tái)大關(guān)，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期間，中國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場(chǎng)需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長(zhǎng)速度加快所致。2006年，中國(guó)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到85756臺(tái)，同比增長(zhǎng)32.8%，增幅高于金切機(jī)床產(chǎn)量增幅18.4個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)而使金切機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)到37.8%，同比增加2.3個(gè)百分點(diǎn)。此外，數(shù)控機(jī)床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績(jī)驕人，全年實(shí)現(xiàn)出口額3.34億美元，同比增長(zhǎng)63.14%，高于全部金屬加工機(jī)床出口額增幅18.58個(gè)百分點(diǎn)。2007年，中國(guó)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)123,257臺(tái)，數(shù)控金屬成形機(jī)床產(chǎn)量達(dá)3,011臺(tái)；國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床擁有量約50萬臺(tái)，進(jìn)口約20萬臺(tái)。2008年10月，中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)105,780臺(tái)，比2007年同比增長(zhǎng)2.96%。長(zhǎng)期以來，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的局面，特別是國(guó)家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。究其原因，國(guó)內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了10-15年。同時(shí)中國(guó)在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定相對(duì)滯后，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時(shí)，中國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場(chǎng)營(yíng)銷能力和經(jīng)營(yíng)管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國(guó)外公司在中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80%以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時(shí)，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國(guó)的自主設(shè)計(jì)、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國(guó)產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國(guó)高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平?！笆晃濉逼陂g，中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機(jī)遇，根據(jù)中國(guó)數(shù)控車床1996-2005年消費(fèi)數(shù)量，通過模型擬合，預(yù)計(jì)2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá)8.9萬臺(tái)，年均增長(zhǎng)率為16.5%。根據(jù)中國(guó)加工中心1996-2005年消費(fèi)增長(zhǎng)模型，預(yù)計(jì)2009年加工中心消費(fèi)數(shù)量將達(dá)2.8萬臺(tái)，較2005年年均增長(zhǎng)率為17.8%。我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家，但在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍處于較低水平；即使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各機(jī)床有大量的需求，而另一方面確有不少國(guó)產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國(guó)外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場(chǎng)。（1）、我國(guó)產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計(jì)所占的時(shí)間比例與國(guó)外先進(jìn)水平有很大的差距（2）、我國(guó)工廠由于缺乏設(shè)計(jì)的科學(xué)的分析根據(jù)自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)一次性成功的把握性降底，往往需要反復(fù)試制才能定型，從而可能錯(cuò)過新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的良機(jī)。（3）、用戶根據(jù)使用需要，在訂貨是往往提出一些特殊的要求，甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)是有的用戶臨時(shí)提出一些要求，這就需要迅速變型設(shè)計(jì)和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。（4）、現(xiàn)在我國(guó)工廠設(shè)計(jì)和工藝人員中青年占多數(shù)，他們的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，有擔(dān)負(fù)著開發(fā)的重任。3、國(guó)外有關(guān)研究的綜述數(shù)控機(jī)床各國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷史美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。(1).美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由于美國(guó)首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重于基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。(2).德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。(3).日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺(tái))超過美國(guó)(5,688臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺(tái)，出口27,409臺(tái)，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年****始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國(guó)內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。本人對(duì)以上綜述的評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)及主軸箱設(shè)計(jì)的誕生給人類的發(fā)展帶來了很大的方便，廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域，因而它成為深受歡迎的一種機(jī)器。三、論文提綱1、前言 21.1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 21.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 22、主傳動(dòng)方案選擇與設(shè)計(jì) 32.1數(shù)控車床主傳動(dòng)總體方案選擇 32.2主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42.3計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 52.4傳動(dòng)級(jí)數(shù)的確定 53、電動(dòng)機(jī)的選擇 143.1直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得特點(diǎn) 143.2交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 153.3選擇電機(jī) 164、確定齒輪齒數(shù) 174.1選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù). 174.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 174.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 194.4幾何尺寸計(jì)算 204.5驗(yàn)算 215、皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 236、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 256.1對(duì)主軸組件的性能要求 256.2軸承配置型式 266.3主要參數(shù)的確定 276.4主軸頭的選用 28總結(jié)與體會(huì) 29致謝詞 30參考文獻(xiàn) 31一、前言 主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，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，并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停，變速，換向和制動(dòng)等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)，剩去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速的范圍。1.1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)。（1）、轉(zhuǎn)速高、功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。（2）、變速范圍寬。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，一般Ra>100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。（3）、主軸變速迅速可靠，數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，所以不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍無級(jí)變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。（4）、主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機(jī)械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤(rùn)滑。1.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求（1）、主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)，以滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)要求。 （2）、主電機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求。 （3）、主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗震性，熱變形和噪聲要小，傳動(dòng)效率高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。 （4）、操作靈活可靠，維修方便，潤(rùn)滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。 （5）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。二、主傳動(dòng)方案選擇與設(shè)計(jì)2.1數(shù)控車床主傳動(dòng)總體方案選擇數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級(jí)調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有四種配置方式，如圖1-1所示。帶有變速齒輪的主傳動(dòng)大、中型數(shù)控機(jī)床采用這種變速方式。如圖1-1（a）所示，通過少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，一滿足主軸低速時(shí)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級(jí)變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)如圖1-1（b）所示，這種傳動(dòng)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)速能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的振動(dòng)與噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸如圖1-1（c）所示，這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種性能。高速時(shí)電動(dòng)機(jī)通過帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；低速時(shí)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過兩級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴(kuò)大了變速范圍，克服了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電動(dòng)機(jī)功率不能充分利用的缺陷。內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1-1（d）所示，這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將傳動(dòng)方案“結(jié)構(gòu)化”，向生產(chǎn)提供主傳動(dòng)部件裝配圖，零件工作圖及零件明細(xì)表等。在機(jī)床初步設(shè)計(jì)中，考慮主軸變速箱機(jī)床上位置，其他部件的相互關(guān)系，只是概略給出形狀與尺寸要求，最終還需要根據(jù)箱內(nèi)各元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)與布置才確定具體方案，在可能的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小主軸變速箱的軸向和徑向尺寸，以便節(jié)省材料，減輕質(zhì)量，滿足使用要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對(duì)于不同情況要區(qū)別對(duì)待，如某些立式機(jī)床和搖臂鉆床的主軸箱；要求較小的軸向尺寸而對(duì)徑向尺寸要求并不嚴(yán)格；但有的機(jī)床，如臥式銑鏜床、龍門銑床的主軸箱要沿立柱或橫梁導(dǎo)軌移動(dòng)，為減少其顛覆力矩，要求縮小徑向尺寸。機(jī)床主傳動(dòng)部件即主軸變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：主軸組件設(shè)計(jì)，操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸組件設(shè)計(jì)，其他機(jī)構(gòu)（如開停、制動(dòng)及換向機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)，潤(rùn)滑與密封裝置設(shè)計(jì)，箱體及其他零件設(shè)計(jì)等。主軸變速箱部件裝配圖包括展開圖、橫向剖視圖、外觀圖及其他必要的局部視圖等。給制展開圖和橫向剖視圖時(shí)，要相互照應(yīng)，交替進(jìn)行，不應(yīng)孤立割裂地設(shè)計(jì)，以免顧此失彼。給制出部件的主要結(jié)構(gòu)裝配草圖之后，需要檢查各元件是否相碰或干涉，再根據(jù)動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果修改結(jié)構(gòu)，然后細(xì)化、完善裝配草圖，并按制圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加深，最后進(jìn)行尺寸、配合及零件標(biāo)注等。2.3計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速在主軸調(diào)速范圍中所居的地位，是因?yàn)闄C(jī)床種類而已。對(duì)于大型機(jī)床，由于應(yīng)用范圍很廣，調(diào)速范圍很寬，計(jì)算轉(zhuǎn)速可以取高一些。對(duì)于精密機(jī)床，鉆床、滾齒機(jī)等，由于應(yīng)用范圍較窄，調(diào)速范圍較小，計(jì)算轉(zhuǎn)速應(yīng)取低些。下表列出了各類機(jī)床主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)公式。輕型機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速可比表中推薦值的高。數(shù)控機(jī)床由于考慮切削輕金屬，調(diào)速范圍比普通機(jī)床寬，計(jì)算轉(zhuǎn)速也可以比表中推薦的高些。但是，目前數(shù)控機(jī)床尚未總結(jié)出公式，故主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式選用表1對(duì)本次設(shè)計(jì)機(jī)床定位中型車床，故選用公式其中為主軸的最低轉(zhuǎn)速=40r/min為主軸的變速范圍代入公式中 =136.6r/min數(shù)控機(jī)床又與考慮切削輕金屬、調(diào)速范圍比普通機(jī)床要寬，計(jì)算轉(zhuǎn)速也可以比推薦的高些，故取2.4傳動(dòng)級(jí)數(shù)的確定（1）主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)指主運(yùn)動(dòng)的變速范圍。運(yùn)動(dòng)參數(shù)：=2400r/min=40r/min主軸的調(diào)速范圍：===60主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速：=150r/min主軸恒功率變速范圍：（2）主傳動(dòng)級(jí)數(shù)的確定綜合考慮電動(dòng)機(jī)與主軸功率特性的匹配問題（數(shù)控車床主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍），為了解決這一問題，需要在電動(dòng)機(jī)與主軸之間串聯(lián)一個(gè)分擋變速機(jī)構(gòu)，以便擴(kuò)大其恒功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出功率的要求。主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式采用定比傳動(dòng)和分擋無級(jí)變速相結(jié)合的傳動(dòng)方式。交流調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)，傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸再通過變速機(jī)構(gòu)傳遞給主軸，從而實(shí)現(xiàn)主軸的變速。變速機(jī)構(gòu)采用齒輪副來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。這樣通過電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速，配合變速機(jī)構(gòu)便可確保主軸的功率和轉(zhuǎn)矩要求。圖2-1如圖2-1所示，車床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計(jì)算轉(zhuǎn)速為分界，從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下主軸都可以輸出額定的功率，最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升，任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過計(jì)算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩。在Ⅱ區(qū)域內(nèi)，主軸可能輸出的最大功率，則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。如果采用交流調(diào)頻電機(jī)，F(xiàn)ANUC主軸電機(jī)S系列，其額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，恒功率調(diào)速范圍/=6000/1500=4。如圖所示是變速電機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速到的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。很明顯，變速電機(jī)的功率特性與車床主軸的要求不匹配：變速電機(jī)的恒功率范圍小而主軸要求的范圍大。圖2-24遠(yuǎn)小于主軸要求的=16。因此，雖然交流調(diào)頻電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速可以低于45r/min，總的調(diào)速范圍可以超過主軸要求的=60，但由于恒功率調(diào)速范圍不夠，性能不匹配，是不能簡(jiǎn)單地使電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)主軸的。則應(yīng)在電動(dòng)機(jī)與主軸之間串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，來實(shí)現(xiàn)主軸與電機(jī)的恒功率匹配。在設(shè)計(jì)數(shù)控車床傳動(dòng)時(shí)，必須考慮電動(dòng)機(jī)與主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，所以在電動(dòng)機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其恒功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率的要求。在設(shè)計(jì)分級(jí)變速箱時(shí)，考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性要求等因素，變速箱公比的選取有下列三種情況。①取變速箱的公比等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即=，功率特性圖示連續(xù)的、無缺口和無重合。如變速箱的變速級(jí)數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍為變速箱的變速級(jí)數(shù)Z可由上式算出②若要簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級(jí)數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即〉。這時(shí)，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)變速，主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)缺口，稱之為功率降低區(qū)。是用缺口范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí)，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動(dòng)機(jī)輸出全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)相應(yīng)增大，這樣將會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象③如果數(shù)控機(jī)床為了恒線速度切削需在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速時(shí)，取公比小于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，即，在主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖上有一小段重合，這時(shí)變速箱的變速級(jí)數(shù)將增多，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。適合于恒線速度切削時(shí)可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，這時(shí)不能變速箱變速，必須用電動(dòng)機(jī)變速。因?yàn)橛米兯傧渥兯贂r(shí)必須停車，這在連續(xù)切削時(shí)是不允許的。因此，可采用增加變速箱的變速級(jí)數(shù)Z，降低公比的方法解決。根據(jù)數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)要求和上面三種情況相比較，故選用第1種變速箱公比選擇方法。取變速箱的公比等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即=，則車床主軸的恒功率變速范圍為變速箱的變速級(jí)數(shù)電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍=/=6000/1500=4，主軸的恒功率調(diào)速范圍2400/150=16==2因此，車床主軸變速箱的變速級(jí)數(shù)為2（3）分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算通過主傳動(dòng)級(jí)數(shù)的確定，以及分級(jí)變速箱的公比=4的確定可得轉(zhuǎn)速圖（圖2-3）電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)1：2.5，使變速箱的軸得到2400r/min～600r/min（恒功率）和600r/min～160r/min

（恒轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)Ⅱ—主軸之間的一對(duì)1：1齒輪傳動(dòng)，主軸能得到2400r/min～600r/min恒功率轉(zhuǎn)速范圍圖2-3。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n降到600r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降至1500r/min（額定轉(zhuǎn)速）。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也隨之下降。主軸轉(zhuǎn)速為2400r/min～600r/min時(shí)，是恒功率。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，最大輸出功率將下降。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降至1500r/min時(shí)，變速箱變速，經(jīng)1/4傳動(dòng)主軸。這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)又從6000r/min降至1500r/min時(shí)，主軸從600r/min降至150r/min，仍為恒功率。主軸150r/min的轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段?？侩姍C(jī)繼續(xù)降速得到，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至400r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降至150×（1/2.5）×（1/4）=40r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為即為額定功率的27%圖5功率特性圖圖2-4如圖2-4所示a、b、d應(yīng)該為一條直線，為了清楚起見，把她畫成了2段并略為錯(cuò)開。可以看出，主軸的恒功率變速范圍a-d兩段拼接起來的，每段都等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍=4，所以變速箱的公比=4。如圖2-5所示，從a到d（由2段組成）轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的下降而上升。至d點(diǎn)位主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩，d到e位恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。圖6轉(zhuǎn)矩特性圖圖2-5對(duì)于傳動(dòng)軸，除重載軸外，一般無須進(jìn)行強(qiáng)度校核，只進(jìn)行剛度驗(yàn)算。軸的抗彎斷面慣性矩（）花鍵軸=式中d—花鍵軸的小徑（mm）；i—花軸的大徑（mm）；b、N—花鍵軸鍵寬，鍵數(shù)；傳動(dòng)軸上彎曲載荷的計(jì)算，一般由危險(xiǎn)斷面上的最大扭矩求得： =式中N—該軸傳遞的最大功率（kw）; —該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）。傳動(dòng)軸上的彎矩載荷有輸入扭矩齒輪和輸出扭矩齒輪的圓周力、徑向力，齒輪的圓周力式中D—齒輪節(jié)圓直徑（mm）,D=mZ。 齒輪的徑向力： 式中α—為齒輪的嚙合角，α＝20o；ρ—齒面摩擦角，；β—齒輪的螺旋角；β＝0故N花鍵軸鍵側(cè)擠壓應(yīng)力的驗(yàn)算花鍵鍵側(cè)工作表面的擠壓應(yīng)力為：式中—花鍵傳遞的最大轉(zhuǎn)矩（）； D、d—花鍵軸的大徑和小徑（mm）；L—花鍵工作長(zhǎng)度； N—花鍵鍵數(shù)； K—載荷分布不均勻系數(shù)，K=0.7～0.8；（4）傳動(dòng)比的確定從電機(jī)軸到中間軸帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1/2.5，從中間軸到主軸一組齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1/1和1/4參數(shù)軸I軸（電機(jī)軸）II軸（中間傳動(dòng)軸）III軸（主軸）計(jì)算轉(zhuǎn)速（）1500600150輸入功率（Kw）5.55.285.07轉(zhuǎn)矩（）140.82271.39671.79傳動(dòng)比，各軸的傳動(dòng)參數(shù)三、電動(dòng)機(jī)的選擇機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動(dòng)的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動(dòng)全部采用三相異步電動(dòng)機(jī)加上多級(jí)變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)，從而對(duì)主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床占42％，數(shù)控鉆鏜銑床占33％，數(shù)控磨床、沖床占23％，其他只占2％。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機(jī)床的需要，對(duì)主軸傳動(dòng)提出了下述要求：主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有2.2～250kW的功率范圍；要有大的無級(jí)調(diào)速范圍，如能在1：100～1000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動(dòng)有四象限的驅(qū)動(dòng)能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動(dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。主軸傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。交流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式同步電動(dòng)機(jī)和籠型異步電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動(dòng)機(jī)的情況則不同，交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本會(huì)很高，對(duì)數(shù)控機(jī)床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對(duì)交流主軸電動(dòng)機(jī)性能要求又與普通異步電動(dòng)機(jī)不同，要求交流主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性曲線（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時(shí)為恒功率區(qū)域。數(shù)控機(jī)床使用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩大類。下面根據(jù)這兩大類主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3.1直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床高速,高效,高精度的控制要求,使得FANUC直流主軸驅(qū)動(dòng)與通常的速度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn):調(diào)速范圍寬,采用FANUC主軸驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，小型機(jī)床通常采用電機(jī)與主軸直接或皮帶變速的結(jié)構(gòu)形式、中、大型機(jī)床通常只設(shè)置高,低速兩級(jí)簡(jiǎn)單的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，因此，主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速必須全部依賴主軸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。為保證數(shù)控機(jī)床的加工范圍,使加工工藝相對(duì)集中，并達(dá)到理想的切削效果，主軸驅(qū)動(dòng)器必須實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。在結(jié)構(gòu)上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動(dòng)機(jī)為全封閉的結(jié)構(gòu)形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。在冷卻系統(tǒng)上，為了縮小體積，提高效率，ＦＡＮＵＣ主軸電動(dòng)機(jī)采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散。在磁路設(shè)計(jì)上，為了使電機(jī)發(fā)熱最小，ＦＡＮＵＣ煮粥電動(dòng)機(jī)定子采用了獨(dú)特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。3.2交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在近幾年，很多機(jī)床都采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，下面談?wù)撘幌陆涣髦鬏S驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)：由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)矩，可以較方便地與數(shù)控機(jī)床相配套。較大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動(dòng)”技術(shù)，在制動(dòng)時(shí)，既可將電動(dòng)機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動(dòng)速度。驅(qū)動(dòng)器具有Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、實(shí)際轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出、電氣主軸“定向準(zhǔn)停”等功能，可以方便地與各類ＣＮＣ配套。電機(jī)采用無外殼結(jié)構(gòu)，定子硅鋼片直接進(jìn)行空氣冷卻，可以在浮塵、切削液飛濺的場(chǎng)合安全、可靠地工作。與直流電機(jī)相比，由于交流主軸電機(jī)在結(jié)構(gòu)上無換向器，主軸電機(jī)通常不需要進(jìn)行維修。主軸低年級(jí)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制，最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸低年級(jí)更高。主軸電機(jī)的冷卻空氣由前端向后流動(dòng)，可以有效減少電機(jī)發(fā)熱對(duì)機(jī)床精度的影響。3.3選擇電機(jī)通過上面兩種主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較，交流主軸電動(dòng)機(jī)在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調(diào)速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，故根據(jù)在這些方面的優(yōu)勢(shì)本設(shè)計(jì)的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)．其選用的交流主軸電機(jī)的參數(shù)如下：主軸型號(hào)連續(xù)輸出功率３０分鐘額定輸出功率基本速度變速范圍5.55.5ＫＷ7.5ＫＷ１５００r/min４５～６０００r/min四、確定齒輪齒數(shù)4.1選定齒輪類型,精度等級(jí),材料及齒數(shù).根據(jù)選定的傳動(dòng)方案,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng).（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類,一般齒輪傳動(dòng),故選用6級(jí)精度.（2）材料選擇.由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS.（3）選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)4.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算,即確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩由上文可知為（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;（6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)（8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得2）計(jì)算（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值（2）計(jì)算圓周速度（3）計(jì)算齒寬（4）計(jì)算齒寬與齒高之比模數(shù)齒高（5）計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)，6級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；直齒輪，假設(shè)。由表10-3查得；由表10-2查得使用系數(shù)；由表10-4查得6級(jí)精度，小齒輪懸臂支承時(shí)，將數(shù)據(jù)代入得；由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得（7）計(jì)算模數(shù)4.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得（4）計(jì)算載荷系數(shù)K（5）查取齒形系數(shù)由表10-5查得；。（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得；。（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較大齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)2.46并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)為24.大齒輪齒數(shù)為96這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。4.4幾何尺寸計(jì)算1）計(jì)算分度圓直徑=72mm2）計(jì)算中心距3）計(jì)算齒輪寬度取。4.5驗(yàn)算，合適。根據(jù)上邊計(jì)算方法，依次求得其他齒輪參數(shù)如下：公式：d=mza組：Za1=24Za2=96b組:Zb1=60Zb2=60表2標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪輪齒各部分的尺寸計(jì)算由表2計(jì)算a、b兩組齒輪參數(shù)如下a組：模數(shù)m=3壓力角α=20°齒距P=πm=9.42齒厚s=πm/2=4.71齒槽寬e=πm/2=4.71頂隙c=cm=0.75齒頂高h(yuǎn)=3齒根高h(yuǎn)=(h+c)m=3.75全齒高h(yuǎn)=h+h=(2h+c)m=6.75b組:模數(shù)m=3壓力角α=20°齒距P=πm=9.42齒厚s=πm/2=4.71齒槽寬e=πm/2=4.71頂隙c=cm=0.75齒頂高h(yuǎn)=hm=3齒根高h(yuǎn)=(h+c)m=3.75全齒高h(yuǎn)=h+h=(2h+c)m=6.75中心距五皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間=8～10小時(shí)（按小帶輪計(jì)算）1確定計(jì)算功率由表8-7查得工作情況系數(shù)，故計(jì)算功率=KA·P=1.2×5.5=6.6kw2根據(jù)和n選膠帶型別為：A型3確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速v1）選小帶輪直徑d1=85㎜則大帶輪直徑d2=2.5×d1=212㎜2）驗(yàn)算帶速v：V===6.67米/秒4確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度根據(jù)公式初定中心距2）由公式計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=2+(d1+d2)+=1040.93mm選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=1000mm3）計(jì)算實(shí)際中心距a。=+=295mm5驗(yàn)算小帶輪包角≈180°-×60°=161.2°≥90°6計(jì)算帶的概數(shù)z1）單根V帶傳遞的功率1500r/min查表得Pr=2.03kw單根膠帶傳遞功率的增量：ΔP0=0.18kw2）計(jì)算V帶的根數(shù)z膠帶根數(shù)：取z=4根。7計(jì)算單根V帶的初始拉力的最小值應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力F0>8作用在軸上的力F=2·Z·sin=1522N帶輪寬：B=（Z-1）e+2f=72㎜六、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1對(duì)主軸組件的性能要求主軸組件是機(jī)床主要部件之一，它的性能對(duì)整機(jī)性能由很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求：①回轉(zhuǎn)精度主軸組件的回轉(zhuǎn)精度，是指主軸的回轉(zhuǎn)精度。當(dāng)主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為主軸的回轉(zhuǎn)中心線?；剞D(zhuǎn)中心線的空間位置，在理想的情況下應(yīng)是固定不變。實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的空間位置每一瞬間都是變化的，這些瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線的平均空間位置成為理想回轉(zhuǎn)中心線。瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置距離，就是主軸的回轉(zhuǎn)誤差，而回轉(zhuǎn)誤差的范圍，就是主軸的回轉(zhuǎn)精度。純徑向誤差、角度誤差和軸向誤差，它們很少單獨(dú)存在。當(dāng)徑向誤差和角度誤差同時(shí)存在時(shí)，構(gòu)成徑向跳動(dòng)，而軸向誤差和角度誤差同時(shí)存在構(gòu)成端面跳動(dòng)。由于主軸的回轉(zhuǎn)誤差一般都是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，它并不是所有的情況下都表示為被加工工件所得到的加工形狀。主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量，一般分為三種：靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和間接測(cè)量。目前我國(guó)在生產(chǎn)中沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量法，用一個(gè)精密的測(cè)量棒插入主軸錐孔中，使千分表觸頭觸及檢測(cè)棒圓柱表面，以低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸進(jìn)行測(cè)量。千分表最大和最小的讀數(shù)差即認(rèn)為是主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差。端面誤差一般以包括主軸所在平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系的垂直坐標(biāo)系的垂直度數(shù)據(jù)綜合表示。動(dòng)態(tài)測(cè)量是用以標(biāo)準(zhǔn)球裝在主軸中心線上，與主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；在工作態(tài)上安裝兩個(gè)互成90o角的非接觸傳感器，通過儀器記錄回轉(zhuǎn)情況。間接測(cè)量是用小的切削量加工有色金屬試件，然后在圓度儀上的測(cè)量試件的圓度來評(píng)價(jià)。出廠時(shí)，普通級(jí)加工中心的回轉(zhuǎn)精度用靜態(tài)測(cè)量法測(cè)量，當(dāng)L＝300mm時(shí)允許誤差應(yīng)小于0.02mm。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的原因主要是由于主軸的結(jié)構(gòu)及其加工精度、主軸軸承的選用及剛度等，而主軸及其回轉(zhuǎn)零件的不平衡，在回轉(zhuǎn)時(shí)引起的激振力，也會(huì)造成主軸的回轉(zhuǎn)誤差。因此加工中心的主軸不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。②剛度主軸部件的剛度是指受外力作用時(shí)，主軸組件抵抗變形的能力。通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移時(shí)，在位移方向上所施加的作用力大小來表示。主軸組件的剛度越大，主軸受力變形就越小。主軸組件的剛度不足，在切削力及其它力的作用下，主軸將產(chǎn)生較大的彈性變形，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。主軸部件的剛度與主軸結(jié)構(gòu)尺寸、支承跨距、軸承類型及配置型式、軸承間隙的調(diào)整、主軸上傳動(dòng)元件的位置等有關(guān)。③抗振性主軸組件的抗振興是指切削加工時(shí)，主軸保持平穩(wěn)地運(yùn)行而不發(fā)生振動(dòng)的能力。主軸組件抗振興差，工作時(shí)容易產(chǎn)生，不僅降低加工質(zhì)量，而且限制了機(jī)床生產(chǎn)率的提高，使刀具耐用度下降。提高主軸抗振興必須提高主軸組件的靜剛度，采用較大阻尼比的前軸承，以及在必要時(shí)安裝阻尼器。另外，使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振力的頻率。④溫升主軸組件在運(yùn)轉(zhuǎn)中，溫升過高會(huì)引起兩方面的不良后果：一是主軸組件和箱體因熱彭漲而變形，主軸的回轉(zhuǎn)中心線和機(jī)床其它組件的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，直接影響加工精度；其次是軸承等元件會(huì)因溫度過高而改變已調(diào)好的間隙和破壞正常潤(rùn)滑條件，影響軸承的正常工作。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生“抱軸”。數(shù)控機(jī)床一般采用恒溫主軸箱來解決恒溫問題。⑤耐磨性主軸組件必須有足夠的耐磨性，以能長(zhǎng)期保持精度。主軸上易磨損的地方是刀具或工件的安裝部位以及移動(dòng)式主軸的工作部位。為了提高耐磨性，主軸的上述部位應(yīng)該淬硬或氮化處理。主軸軸承也需有良好的潤(rùn)滑，以提高耐磨性。以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度和高速，高速與低溫升，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度、低溫升的要求[6]。6.2軸承配置型式本課題中數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速較高，卻要求徑向剛度好，所以軸承的配置型式選擇為剛度速度型[13]。前軸承采用雙列角接觸球軸承，接觸角為，它們通過套筒背靠背配置，以減少主軸懸伸量。后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承，以承受較大的傳動(dòng)力。如下圖所示：圖2.6主軸支承型式6.3主要參數(shù)的確定主軸的主要參數(shù)是指：主軸平均直徑D（或主軸前軸頸直徑）；主軸內(nèi)孔直徑；主軸懸伸量a和主軸支承跨距。這些參數(shù)直接影響主軸的工作性能，但為簡(jiǎn)化問題，主要是由靜剛度條件來確定這些參數(shù)，即選擇D、d、a、l使主軸獲得最大靜剛度，同時(shí)兼顧其它要求，如高速性、抗振性等。（1）主軸前軸頸直徑的確定主軸平均直徑對(duì)主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承dn值的限制，同時(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。按車床主電動(dòng)機(jī)功率來確定，由資料[16]圖6.1－83可取。（2）主軸內(nèi)孔直徑d的確定確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔頸要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)取較大值。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，，。（3）主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到支承徑向反力作用中點(diǎn)的距離，它對(duì)主軸部件的剛度和抗振性影響很大。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值。減小的常見措施有：①盡量采用短錐法蘭式主軸端部結(jié)構(gòu)。②推力軸承配置在前支承時(shí)，應(yīng)安裝在徑向軸承的內(nèi)側(cè)而不是外側(cè)。③合理設(shè)計(jì)前支承的調(diào)整結(jié)構(gòu)和密封裝置形式。盡量采用主軸端部的法蘭盤和軸肩等構(gòu)成密封裝置。④采用向心推力軸承來代替向心軸承。成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承，應(yīng)采取滾錐小端相對(duì)的形式；成對(duì)安裝的向心推力軸承應(yīng)采取背對(duì)背或面朝外的同方向排列形式。本課題中主軸前端的一對(duì)向心推力軸承正是采用這種安裝形式。⑤改變軸端工夾具的結(jié)構(gòu)形式來減小a值[16]。（4）支承跨距的確定支承跨距是指相鄰兩支承的支承反力作用點(diǎn)之間的距離。合理確定是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。當(dāng)時(shí)，主軸部件具有最大剛度，即為主軸部件的最佳跨距。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，往往由于結(jié)構(gòu)上的限制而使，這就造成主軸部件的剛度損失。合理跨距,通常取。因?yàn)镈、a一定時(shí)，越大，軸承的徑向跳動(dòng)對(duì)主軸前端的徑向跳動(dòng)影響越小，且加大可較小振動(dòng)。當(dāng)需要遠(yuǎn)大于時(shí)，可采用三支承結(jié)構(gòu)[6]。6.4主軸頭的選用如前文所述，采用短錐法蘭