新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书
学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计
接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系
设
计(论文)内容目标
培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。
设计(论文)要求
1．论文格式要正确。
2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。
3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。
4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。
论文指导记录
2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。
2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。
2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。
2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。
2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。
参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1
[2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5
[3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5
[4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1
[5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）成绩表学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）
设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴部件设计指导教师指导教师单位机械工程系
指
导
教
师
评语评阅成绩：评阅教师签字：
年月日
答
辩
记
录
成绩：提问教师签字：
年月日
答
辩
小
组
意
见答辩成绩：答辩小组组长签字：
年月日
摘要
数控车床是高度自动化车床，数控车床主传动系统的特点是：①机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；②主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；③主轴应有足够高的刚度和回转精度；④主轴转速范围应用很广，如对铝合金材料的高度切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中转动元件的允许极限（如主轴轴承允许的极限转速），而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。
数控机床作为高精度和高生产率的自动化机床在机械结构方面较普通机床有更高的要求，如高刚度，高精度，高速度，低摩擦等。
机场上带动工件活刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动刚度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。①旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度你的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承制造和装配质量。②动、刚精度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承刚度和阻尼。
③速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
关键词：数控机床；主轴；传动系统
Abstract
CNC lathe is highly automatic lathe, CNC lathe main drive system is characterized by : the machine has a sufficiently high speed and large power, in order to adapt to the high efficiency of processing needs; the spindle speed change is rapid and reliable, can automatic transmission; the main shaft should be high enough stiffness and rotary precision of the spindle speed range; a very wide application, such as the aluminum alloy high cutting, almost no upper limit, maximum spindle speed depends on the main transmission system of the rotating element of the permissible limit ( such as spindle bearings allow the limit speed ), and the lowest speed according to the processing of stainless steel and other hard materials processing to determine requirements.
CNC machine tools as high precision and high productivity of automated machine tools in mechanical structure than ordinary machine tools have higher requirements, such as high rigidity, high precision, high speed, low friction.
The airport drives the workpiece live tool 's axis of rotation. Usually by the spindle, bearings and transmission parts ( gear or belt wheel ) composed of spindle parts. In addition, broaching machine, planer main movement into linear movement of the machine tool, the majority of machine tools have spindle parts. Spindle motor rigidity and stiffness of the structure is to determine the machining quality and machining efficiency are important factors. Measurement of spindle components performance indicators are mainly rotation precision, stiffness and rate adaptation. The rotating precision: the rotation of the main shaft in the effect on machining accuracy in the direction you appear on the axial and radial run-out (see tolerances ), depends mainly on the spindle and the bearing manufacturing and assembly quality. The move, just precision: mainly depends on the spindle of the bending stiffness, bearing stiffness and damping. The speed of adaptation: the maximum allowed speed and range, mainly depends on the structure of bearing and lubrication, and cooling condition. Keywords: CNC machine tool; spindle; transmission system
目录
摘要 (3)
Abstract (4)
第1章绪论 (6)
1.1CJK0640数控车床主传动系统设计概述 (6)
1.2主传动系统设计的技术要求 (6)
1.3设计方案选型分析，画出系统框图 (7)
1.4主传动系统主要技术指标的确定 (8)
第2章 CJK0640数控车床主传动系统设计 (9)
2.1主轴变速方案设计 (9)
2.2主传动功率与调速范围 (9)
2.3主轴电机的选型与校验 (11)
2.4变频器的选型设计 (14)
2.5主轴准停装置及转速与角位移的测定装置 (15)
第3章主轴部件结构设计 (16)
3.1主轴组件及性能要求 (16)
3.2主轴结构设计 (16)
3.3主轴的设计校验 (16)
3.4主轴组件的设计与校验 (18)
第4章总结与展望 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
第1章绪论
1.1 CJK0640数控车床主传动系统设计概述
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,加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件,并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。
数控车床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，与普通机床的主传动系统相比，结构更简单，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，省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，用于扩大电动机无级调速的范围。
1.2主传动系统设计的技术要求
（1）具有更大的调速范围并实现无级变速数控车床为了保证加工时能选用合理的切屑用量，充分发挥刀具的切屑功能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控车床，工序集中，工件一次装夹可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。
（2) 具有较高的精度与刚度，传动平稳、噪声低数控车床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度和运动精度。旋转精度指装配后，在无载和低速转动条件下主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值。主轴部件的旋转精度取决于部件中各个零件的几何精度、装配精度和调整精度。运动精度指主轴在工作状态下的旋转精度，这个精度通常和静止或低速状态的旋转精度较大的差别，它表现在工作时主轴中心位置的不断变化，即主轴轴心漂移。运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能和主轴部件的平衡，还可以对齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚性。
静态刚度反映了主轴或零件抵抗静态外载的能力。数控车床多采用抗弯刚度作为衡量主轴部件刚度的指标。影响主轴部件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸形状，
主轴轴承的类型、数量、配置形式、预紧情况、支承跨距和主轴前端的悬伸量等。
（3) 良好的抗振性、热稳定性数控车床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切屑、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切屑过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此，在主传动系统中的各主要零件部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰引振动的能力——抗振性。抗振性可用动刚度或动柔度来衡量。例如，主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。
机床在切屑加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度而造成加工误差，且热变形限制了切屑用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。
1.3设计方案选型分析，画出系统框图
图1-1 系统框图
1.4主传动系统主要技术指标的确定
CJK0640数控车床床身上最大回转直径 310mm，最大工件长度350mm；主轴通孔直径49mm，主轴内锥度莫氏3号短锥，可以加工直线、锥度、球面、螺纹罩等，功能齐全、精度可靠、操作方便。主传动系统的主要参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电动机的功率；运动参数是指主运动变速范围。根据数控车床的加工工艺、加工对象、所要求精度、成本及生产周期并结合国内外机床发展现状确定数控车床主要技术指标如表1-1所示。
表1-1 CK6430数控车床主要技术参数
参数名称CJK0640
车床上最大工件回转直径mm 300
最大工件长度mm 350
加工最大直径mm 200
主轴内孔锥度莫氏3号
主轴中心高mm 166
主轴孔径mm 49
功率Kw 3
主电机
转速r/min 1450
加工最大长度mm 350
公制mm 0.25～12 螺纹加工范围
英制牙/寸331/2～3牙/寸
第2章 CJK0640数控车床主传动系统设计2.1主轴变速方案设计
数控车床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控车床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求，故大多数数控车床采用无级变速系统,数控车床主传动系统主要有三种方式，如图2-1所示。
（a）变速齿轮（b）带传动（c）内装电动机的主轴传动结构
图2-1 数控车床主传动的三种配置方式
本次所设计的车床是依靠传动比为1的皮带轮来实现变速，所以我所选择的变速传动方式为带传动，如图2-1（b）
图2-2 CJK0640 数控车床传动系统图
2.2 主传动功率与调速范围
(1) 主传动功率的计算
c v 1500100
=2.56000060000
Z F P kw ??=
= 式中 c P ——有效功率，kw ；
z F ——切削力，N ；一般切削力z F 为1500N ；
V ——切削速度，m/min ，由切削用量手册查得，v 取100m/min 。
2.5
=2.94kw 0.85
C
L P P η
=
=
式中 L P ——主传动功率，kw ；
η——主传动系统中传动副的机械效率，经《机械设计手册》查得，主传动
链的功率效率=0.7.85η—0,η取0.85.
因此，电动机的额度功率N P 为3kw 。
(2) 调速范围的计算
1.最高转速和最低转速的确定 确定最低转速（min n ）和最高转速（max n ）的方法，主要是调查、分析在所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序。按照典型工序的刀具切削速度和刀具（或工件）直径，由式（2-1）、式（2-2）、式（2-3）可计算出min n 、max n 及变速范围n R ；
max
max min 1000v n d π=
（2-1）
min
min max
1000v n d π=
（2-2）
max
min
n n R n =
（2-3） 式中的max v 、min v 可根据切削用量手册、现有机床使用情况调查或者切削实验确定，通用机床的
max d 和min d 并不是指机床上可能加工的最大和最小直径，而是指实际使用情况下，采用max v （或
min v ）时常用的经济加工直径，对于通用机床，一般取
max min max ;d d KD d R d ==
式中 D-----机床加工的最大直径，mm ； K-----系数，根据对现有同类机床使用情况的调查确定，如卧式车床K=0.5，摇臂钻床K=1.0； d R ---计算直径范围，通常d R =0.2~0.25。
根据数据，max 100/min v m =，通用卧式车床k=0.5，d R =0.25，则
max 0.5200100d KD mm ==?= min max 0.2510025d d R d mm ==?=
max max min 10001000100
1273.2/min 25v n r d ππ
?=
==
根据分析，主轴最低转速由下面两道工序确定。
工序 1 用高速钢车刀，对于铸铁材料的盘形零件粗车端面。参考切削用量资料取
m i n 15/m i n v m =，则
min
min max
100048/min v n r d π=
≈
工序 2 用高速钢刀具，精车合金钢材料的梯形螺纹（丝杠）时，主轴转速较低，取
min 1.5/min v m =，据调查，200mm φ卧式车床上加工丝杠最大直径为20~25mm 左右，则
min 1000 1.5
9.55/min 50n r π
?=
≈
综合实际情况，同时考虑今后的发展储备，最后确定max 1500/min n r =，min 10/min n r =。
主轴的调速范围为最高转速与最低转速之比
max n min 1464
1539.55
n R n =
==
2.3主轴电机的选型与校验
数控车床的加工范围一般都比较大，切削功率c P 可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力z F 按下式来确定
1500115
=2.875()6000060000
z c F v P kW ?=
=
查金属切削手册知，以硬质合金刀具合金结构钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力
1500z F N
=，切削速度9050m/min v =—1，取115/min v m =。
查机电一体化手册车削功率在8-16kw 之间，机床主传动的功率P 可根据切削功率
c P 与主运动传动链的总效率η来确定
2.875
=3.02.9c
P P KW η
=
＝
05
故电动机功率取3kw
式中 z F ——主切削力的切向奋力，N ；
v ——切削速度，m/min ； M ——切削转矩，N ·m ； n ——主轴转速，r/min 。
主传动链的功率效率=0.7.85η—0，CJK0640数控车床采用调速电动机和较短的机械传动链，效率较大，因此主传动的总效率取=0.95η。
表2-1是电动机的功率规格表
电动机型号
额定功率
/KW 满载转速/（r/min ） 堵转转矩/额定转矩
最大转矩/额定转矩
质量/kg
同步转速1500 r/min ， 4级
Y90L-4 1.5 1400 2.2 2.3 27 Y100L1-4 2.2 1430 2.2 2.3 34 Y100L2-4 3 1430 2.2 2.3 38 Y112M-4 4 1440 2.2 2.3 43 Y132S-4
5.5
1440
2.2
2.3
68
考虑到数控车床的变速范围比较大，选用三相异步电动机Y100L2-4
表2-2就是电动机的型号表
型号
额定
功率 额定
电流
转速 效率
功率
因数 堵转
转矩 堵转
电流 最大
转矩 噪声
振动
速度
重量 Y100L2-4 3
6.8
1480 82.5
0.81
2.2
7.0
2.3
65/70 1.8
35
考虑到数控车床的变速范围比较大，选用三相异步电动机Y100L2-4 主电动机型号
(1) 电动机 Y100L2-4 (2) 功率 3KW (3) 转速 1450r/min 电动机校核 额定转矩：N T =9550
n N N
P = 39550*19.75/1450N m =
最大转矩：2.3N T =2.3*19.75=45.43/N m 堵转转矩：2.2N T =2.2*19.75=43.45/N m 校核 3
v*10kw m
Z E m
m
P F p μμ-≥=（）
1500z F N
=
115/m i n v m = =0.85
η 3
v*10kw m
Z E m
m P F p μμ-≥
=（）
=3115*1500*10m
μ-=202.9（kw ）
2.4变频器的选型设计
图2-3是变频器的实体图
表2-3是变频器的型号表
型号适配电
机额定输
出电流
导线面
积
结构代
号
冷却方
式
F1000-GOO37T3B 3.7 8.0 2.5 B4 风冷
表2-4是变频器的各种参数
项目内容
输入额定电压范围三相380V±15%;单相220V±15%
额定频率50/60Hz
输出额定电压范围三相0~380V；单相0~220V
频率范围0.5~400.0Hz
V/F控制控制方式空间电压矢量+随机PWM
频率分辨率最高0.01Hz,允许可调
转矩提升转矩提升（V/F）曲线，可在1~16范围内任意设定；
也可以自定义转矩提升曲线
失速防止限电流输出，阀值电流可调
过载能力150%额定电流，一分钟
操作功能频率设定电位器外部模拟信号（0~5V，0~10V，0~20mA）；键
盘（端子）▲/▼键、端子控制设定、Modbus上位机
控制
起/停控制无源触点控制、键盘控制或Modbus上位机控制
频率变化率0.1~3000S（频率变化一定量所需要的时间）
保护功能输入缺相、输入欠压、直流过压、过电流、过载、电流失速、过热、外部干扰等
显示LED数码管显示当前输出频率、当前转速（rpm）、当前输出电流、当前输出电压、当前线速度、故障类型以及系统参数、操作参数；LED灯指
示变频器当前的工作状态
环境条件设备场所无强烈腐蚀性气体和粉尘
环境温度—10℃~+50℃
环境湿度90%以下（无水珠凝结现象）
振动强度0.5g（加速度）以下
海拔高度1000米以下
适配电机0.4~400KW
2.5主轴准停装置及转速与角位移的测定装置
车床在加工螺纹时，需要保证精确的加工位置，因此我们需要有装置来进行对主轴的准停和转速的控制。我选用一对齿数、模数均相同的齿轮来配合光电编码器进行对数据的反馈来对主轴的准停和转速进行控制。
第3章主轴部件结构设计3.1主轴组件及性能要求
图3-1主轴装配图
3.2主轴结构设计
图3-2主轴零件图
3.3主轴的设计校验
D
按主轴部件基本性能要求综合确定1
技术条件：机床类型：数控车床 主轴最高转速：n=1500r/min 床身上最大加工直径：max 200D = 额定功率：3Kw 最小孔径：d=52 最小壁厚：t=13 （1）直径
1
D 的上限值受轴承的速度因数
n
d 值和轴承允许温度T 所限制。
(根据高速性要求，将n
d 和 T=35°C 带入)
1max 0.8/0.8650000/1500346.6n n D d n =?=?=
（2）直径
1
D 的下限值由许用刚度确定
初步设定主轴刚度为 40N/μm 。 可知： 190J D = 应满足： 111K T
D D D ≤≤
实际设计取：175D =
222248252256.53B BH BV M M M N m =+=+=
52d mm =，D=75mm,查表得[]60MPa σ=
520.69375
d D α=
== ()3
4
3
131848.8432
D W mm
πα=
-=
9550
19.76T P
M N m n
== []22223
2
2
256.5319.761048.0831848.84T ca M M MPa W σστσ++?=+===<
所以该轴的强度符合要求。
3.4 主轴组件的设计与校验 3.
4.1. 轴承的选型设计与校验
主轴常用的滚动轴承的类型有： (1) 圆锥孔双列圆柱滚子轴承 (2) 滚子轴承
(3) 双向推力角接触球轴承 (4) 角接触球轴承 (5) 陶瓷滚动轴承 (6) 磁浮轴承
按照本次设计的数控车床主轴系统的要求，我选择角接触球轴承。因为角接触球轴承可同时承受径向和一个方向的轴向载荷，极限转速较高，单独承受径向载荷时，会引起轴向分力，轴向承载能力随接触角α的增大而增大。根据本次车床主轴系统的设计要求，属于高速轻载类，且对于轴向载荷的大小要求较高，因此我所选择25接触角。 滚动轴承的尺寸选择（后轴承）
由于后轴承所配合的主轴的外径为65mm,因此前轴承的内径65mm d =后,由《机械手册-轴承》表6-2-61得：前轴承的外径=120mm D 后，=23mm B 后。 查《机械设计手册-轴承》可得后轴承代号为7213AC 。用这种方法可得前轴承代号为7015AC 。
3.4.2. 轴承盖的设计
轴承盖起到轴承轴向固定的作用，同时也能有效的保护轴承。
后轴承盖的内径为83mm ，外径为151mm ，厚度为16.6mm 。其与后轴承配合部分的内径为120mm ，壁厚为2mm ，长度23mm 。
后轴承盖的内径为101mm ，外径为151mm ，厚度为16.6mm 。其与后轴承配合部分的内径为115mm ，壁厚为2mm ，长度20mm 。
3.4.3 齿轮的设计
压力角 20
α=
齿距
2.9p mm =
齿顶高系数 ha =1 *
齿顶高 a a
h =h m=1*0.8=0.8mm *
齿根高 *() 1.25 1.25*0.81f a h h c m m mm *=+===
全齿高 0.81 1.8a f h h h mm =+=+=
顶隙系数 (c
=0.25*
) c=c m=0.25*0.8=0.2*
全齿高*
*
a a a h=h +h =(2h +c )m =(2*0.8+0.25)*0.8=1.85*0.8=1.48mm 分度圆 0.8*127101.6d
mz mm ===
齿厚
2.9
1.4522
p s mm ===
齿槽宽 2.9 1.4522
p e mm === 传动比 传动比 i 为主动齿轮的转速n 1（r/min ）与从动齿轮的转速n 2
（r/min ）之比，或从动齿轮的齿数与主动齿轮的齿数之比。
即 i= n 1/n 2 = z 2/z 1 1:1i
=
中心距 a 两圆柱齿轮轴线之间的最短距离称为中心距，即：
a=(d 1+d 2)/2=m(z 1+z 2)/2=101.6*2=203.2
图3-1同步齿轮
3.4.4 皮带轮的设计
皮带轮传动的特点:
皮带轮传动的优点有：皮带轮传动能缓和载荷冲击；皮带轮传动运行平稳、低噪音、低振动；皮带轮传动的结构简单，调整方便；皮带轮传动对于皮带轮的制造和安装精度不像啮合传动严格；皮带轮传动具有过载保护的功能；皮带轮传动的两轴中心距调节范围较大。皮带传动的缺点有：皮带轮传动有弹性滑动和打滑，传动效率较低和不能保持准确的传动比；皮带轮传动传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴向压力比啮合传动大；皮带轮传动皮带的寿命较短。
皮带轮的分类:
皮带传动主要有：平皮带、三角带、同步齿型带三种，三种皮带都有国家标准，但是皮带轮因传动比、功率的变化较大，没有完全对应的国家标准或国家标准无法涵盖所有内容，但国家标准确定了选用范围、使用条件、设计方法等内容。另外与国标类似的标准编号为ISO 1081-1995 的标准规定了皮带传动、三角皮带和三角有棱皮带,及有槽皮带轮的选用、设计规范。分为SPZ，SPA，SPB，SPC，SPD型五种皮带轮。三种皮带轮的优缺点:
平带是传动带的一种。它价格低，结构简单，但是传动时易打滑，所以不适合用于较精密的传动。
三角带结构简单，制造、安装精度要求不高，使用维护方便，适用于两轴中心局较大的场合。传动平稳，噪音低，有缓冲吸振作用过载时，传动带会在带轮
绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于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。
一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
第一章概述 1.1设计目的 (2) 1.2主轴箱的概述 (2) 第2章主传动的设计 (2) 2.1驱动源的选择 (2) 2.2转速图的拟定 (2) 2.3传动轴的估算 (4) 2.4齿轮模数的估算 (3) 2.5V带的选择 (4) 第3章主轴箱展开图的设计 (7) 3.1各零件结构尺寸的设计 (7) 3.1.1 设计内容和步骤 (7) 3.1.2有关零件结构和尺寸的设计 (7) 3.1.3各轴结构的设计 (9) 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 (10) 3.1.5轴承的校核 (13) 3.2装配图的设计的概述 (13) 总结 (19) 参考文献 (20)
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主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。 第二章2主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上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。 根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率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
数控机床主传动系统 第一节概述 1、对主传动系统的要求 (1)调速范围 :多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，低速大转矩功能，较高的速度，如车削加工中心。 (2)热变形: 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度: 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。 (4)主轴的静刚度和抗振性: 数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。 (5)主轴组件的耐磨性: 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。 2、主轴变速方式 (1).无级变速 (2)(分段无级变速 :1)带有变速齿轮的主传动2)通过带传动的主传动3)用两个电动机分别驱动主轴 (3)(液压拨叉变速机构在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨耳来完成 3、主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。 机床的主轴部件满足的要求:主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。 (1)、主轴端部的结构形状 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩 主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。 1)莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。锥度很小，利用摩擦力可以传递一定的扭矩，方便拆卸。莫氏锥度又分为长锥和短锥,长锥多用于主动机床的主轴孔,短锥用于机床附件和机床连接孔, (2)主轴部件的支承 机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。 (3)滚动轴承的精度 主轴部件所用滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取C、D级，后支承用D、E级。特高精度的机床前后支承均用B级精度液体静压轴承和动压轴承主要应用在主轴高转速、高回转精度的场合，对于要求更高转速的主轴，可以采用空气静压轴承，这种轴承达每分钟几万转的转速，有非常高的回转精度。 (4)(主轴滚动轴承的预紧
数控机床主轴部件结构 主轴部件是数控机床的核心部件，其运转精确度、耐磨性能、防震性能、机械强度等都会影响到工件加工的质量，再加上操作过程中还会有环境的影响以及人为因素的影响，工件加工的质量就更难得到保证。所以要从可控的方面着手，将一切可控因素都调整到位，比如数控机床的主轴结构设计以及主轴结构的日常维护等。 目前所使用的数控机床类型主要包括数控车床、数控铣床以及工件加工中心。 1.数控车床主轴部件结构特点 （1）主轴的主体结构是一个空心阶梯轴。 （2）主轴的前面部分主要由法兰盘和专门的卡盘结构组成。 （3）主轴的后面部分放置回转油缸。 （4）主轴空心部分用于设置油缸的活塞杆。 （5）车床的传动装置主要有齿轮传动、传送带传送以及齿轮-传送带组合传动等方式。 （6）驱动器主要作用是连接电动机，驱动数控车床的运转。 （7）光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并
及时反馈信息至数控系统。 （8）回转油缸的主要作用是通过调整液压来控制卡盘装置与法兰盘的结合与分离。 2.数控铣床主轴部件结构特点 （1）同数控车床一样，主轴的中心是空心的。 （2）主轴的前面部分是一个比例为7：24的锥型孔洞，并且在端面上设有一对专门的主轴转矩检测装置将主轴转矩数据传输给铣刀。 （3）主轴的后面部分设有液压缸装置用于放松铣刀。 （4）主轴中间的空心部分用于弹簧的安装、以及铣刀固定刀爪的安装等。 （5）主轴的传动装置主要是齿轮传动，而且是变速传动。 （6）电气结构与数控车床相似，驱动器用于连接电动机，驱动数控铣床的运转；光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并及时反馈信息至数控系统；液压缸的主要作用是通过调整液压来控制回路。 3.工件加工中心主轴部件结构特点 工件加工中心主轴部件的大致结构与数控铣床相类似，唯一不同的地方在于工件加工中心自带刀库和自动换刀的装置，自动化程度相对较高，在控制结构上与数控铣刀会有所不同，具体表现在：
目录 1. 绪论 (2) 2. 数控机床主轴总体设计 (3) 2.1数控机床的加工原理 (3) 2.2机床主传动系统设计 (3) 2.2.1机床主传动功率 (3) 2.2.2 主传动的调速围 (4) 2.2.3主传动系统设计要求 (4) 2.2.4 主传动系统电机选择 (6) 2.2.5 主传动分级变速设计 (6) 3. 主轴设计 (8) 3.1 主轴材料的选择及热处理 (8) 3.2 主轴尺寸确定 (8) 3.2.1 主轴前后颈及孔尺寸确定 (8) 3.2.2 主轴部件支承结构选择 (8) 3.3主轴组件设计 (9) 3.3.1主轴组件的性能要求 (9) 3.3.2 主轴轴承的选择……………………………………………………… 10 3.3.3 主轴轴承的预紧及润滑……………………………………………… 11 3.3.4 主轴上齿轮参数确定及键的选择…………………………………… 12 3.3.5 主轴部件结构图……………………………………………………… 13 4. 主轴验算 (14) 4.1 确定弯曲变形的验算条件 (14) 4.1.1刚度标准 (14) 4.1.2主轴的载荷 (15) 4.2三支承主轴刚度验算………………………………………………………
17 5. 设计总结 (19) 6. 参考文献 (20) 1 绪论 在现代制造技术中，数控机床已经用它所显示的效益和巨大潜力，引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。发展现代数控机床是当前机械制造业技术改造，技术更新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 数控机床主轴及其部件作为数控机床主要部件的一部分，在数控机床中占据着重要的地位，主轴系统的精度将直接影响到数控加工产品的精度，因此在数控机床设计中当十分注意主轴及其部件的设计。 此次课程设计，主要针对数控车床主传动系统和主轴组件设计，学习和了解数控机床主轴设计的基本思路，理解数控车床主传动系统的传动原理，以及主轴组件选用和数控主轴结构的构成。并熟悉数控机床主轴设计相关计算，了解数控机床设计中的一些验算公式，并对关键部件进行强度或者刚度验算。 通过此次课程设计，应当达到熟悉数控机床主轴系统设计的基本思路，熟练掌握主轴系统设计流程，绘制主轴系统结构装配图和部分零件图，了解设计过程中的必要计算及一些经验公式的运用，初步具备数控机床主轴设计能力。
西门子802S数控车床变频主轴设计与调试 摘要 主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。通过对西门子802S数控车床主轴的研究、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。主轴控制系统由西门子802S数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。 关键词：数控车床；主轴；西门子802S Designing Spindle Control System for a Siemens 802S CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.T o grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802S CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the speed. Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system
目录 引言 (2) 第一章数控系统的介绍 (3) 1.1 数控系统发展简史 (3) 1.1.1 数控NC阶段 (3) 1.1.2 计算机数控(CNC)阶段 (3) 1.2 数控技术未来发展方向 (4) 1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展 (4) 1.2.2 向高速化和高精度化发展 (4) 1.2.3 向智能化方向发展 (4) 第二章西门子802S数控车床系统 (6) 2.1 西门子802S的系统 (6) 2.2 人机界面 (7) 2.3 步进进给系统 (8) 2.4 主轴驱动系统 (8) 2.5 刀架控制系统 (9) 第三章西门子802S数控车床主轴的设计 (10) 3.1 设计方案 (10) 3.2 变频器MICROMASTER 420 (11) 3.2.1 变频器的选型 (11) 3.2.2 变频器的接口 (12) 3.2.3 变频器的主要参数设置 (12) 3.4 控制电路的设计 (12) 3.5 西门子802S的主轴参数调试 (13) 第四章 PLC程序设计 (15) 4.1 PLC控制流程图 (15) 4.2 PLC的I/O分配 (16) 4.3 PLC的部分参数设定 (18) 致谢............................................................ 错误！未定义书签。参考文献. (20) 附录1 PLC程序 (21) 附录2 电气原理图 (31)
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
毕业设计（论文）任务书 指导老师 课题名称CA6150车床主轴箱设计学生姓名 专业班级数控班
目录 1、概述 2、主运动的方案选择与主运动的设计 3、确定齿轮齿数 4、选择电动机 5、皮带轮的设计计算 6、传动装置的运动和运动参数的计算 7、主轴调速系统的选择计算 8、主轴刚度的校核 一、概述 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。 1.1数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 4转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 5变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，以保证加工时能选用合理的切 削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面 质量。 6主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的 要求。由于直流和交流主轴电动机的调速系统日趋 完善，所以不仅能够方便地实现宽范围无级变速， 而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠 性。 7主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都 有足够的硬度，轴承处还有良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计要求 ①主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数， 能够实现运动的开停、变速、换向和制动，以满足 机床的运动要求。 ②主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够 的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 ③主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的
数控车床主轴箱设计 一、设计题目 Φ400 毫米数控车床主轴箱设计。主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw 。采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。 二、主轴箱的结构及作用 主轴箱是机床的重要的部件，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传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。 主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。 三、主传动系设计 机床主传动系因机床的类型，性能，规格尺寸等基本因素的不同，应满足的要求也不一样。再设计时结合具体机床进行具体分析，一般应满足下属基本要求： 1）满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动性能能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。 2）满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。 3）满足机床工作性能要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性，热变形特性稳定。 4）满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以节省材料，降低成本。 5）调整维修方便，结构简单、合理、便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。 四、主传动系传动方式 由题目知，我们设计的主轴箱传动方式为交流电动机驱动、机械传动装置的无级变速传动。再者，本题目中对精度要求一般，因此选用集中传动方式。另外主轴箱结构设计只需达到结构紧凑，便于集中操作，安装调整方便即可。 五、电动机的选择 按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。 根据设计要求采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。选用FANUC-S 系列8s 型交流主轴电动机。 六、 计算过程 主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw ； 交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min ； 主轴要求的恒功率调速范围max 400026.7150 nN i n R n === 电动机的调速范围450031500dN R == 在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。 根据以上分析，选择交流电动机的型号为： 若取3f dN R ?==，则可得到变速箱的变速级数 99 .2lg /lg ==f nN R Z ψ 所以，Z 可近似取为3，此处我们分别对Z=2、3、4三种情况进行研究，比较。 1） Z=3 根据f nN R Z ψlg /lg =可以得出99.2=f ψ，查表2-5取f ψ的标准值为3.0，dN f R =ψ,即主传动系功率特
摘要 对CM6132精密车床主传动系统进行数控化改造，主要对主传动系统进行改造。改造包括机械和数控两部分。机械部分：拆掉变速箱改用变频电动机实现无级调速。数控部分：数控系统采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环系统主要由步进电机驱动，结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维修比较方便简单，已广泛应用于数控机床.数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技术都是建立在数控技术之上。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。 关键词：数改造；数控车床；步进电机控
Abstract As to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe. 【Key words】Numerical control innovation NC lathe Stepper motor
数控机床主轴箱设计 数控机床主轴箱设计 楚海涛 继续教育学院 机电一体化 指导老师：杨建宇 二0一一年十月二日
数控机床主轴箱设计 毕业设计（论文）任务书
摘要 主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。 本设计采用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。通过给定的技术参数来初步设定部分轴、齿轮等单元的结构尺寸，对传动系统进行理论力学分析，精确计算选定尺寸及材料，由电机转速传动至进给系统的参数反馈，校核所选定主轴和转动轴尺寸的合理性完成整体结构设计，最后对齿轮进行了验算以及V型带的、离合器的选择与计算。 通过本次设计，使数控机床结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密，有利于改善数控机床的性能，使得产品的加工更加高效。 关键词：数控机床；主轴箱；交流调速电动机；BESK-8
Abstract For the spindle box of NC machine tool main transmission system which comprises a motor, the transmission system and the spindle, it with ordinary lathe spindle box is relatively simple, only two or three stage gear transmission system, it is mainly used to expand the range of stepless speed regulation of motor, to meet a certain constant power, and speed problems. This design uses the Beijing CNC equipment factory of type BESK-8 AC spindle motor, maximum speed is 4500r / min. Through the given technical parameter to set an initial portion of the shaft, gear unit size, the transmission system of theoretical mechanics analysis, accurate calculation of the selected size and material, the motor speed drive to the feed system parameters feedback, check the selected spindle and rotary shaft size is reasonable to complete the overall structure design, assembly drawing and parts graph.
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主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。 第二章主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上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。 根据主轴要求的最高转速3150r/min，交流主轴电动机，最高转速是5000r/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=5000/1000=5 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=nmax/nd=3150/125=25.2，远大于交流主
沈阳理工大学课程设计专用纸 № 成绩评定表 学生姓名班级学号 专业课程设计题目数控车床主传动系统 结构与控制设计（1） 评 语 组长签字： 成绩 日期201 年月日
课程设计任务书 学院机械学院专业 学生姓名班级学号 课程设计题目数控车床主传动系统结构与控制设计（1） 实践教学要求与任务: 1、设计内容 （1）数控车床的主传动系统设计计算：绘制转速图、确定齿轮的齿数，模数，绘制主传动系统图，设计皮带轮和各个传动轴、选择轴承； （2）绘制主传动系统的展开图，校核一个传动轴的刚度、校核该轴最小齿轮刚度、强度及该轴轴承的寿命； （3）设计PLC与交流伺服电机驱动器、编码器的接线图； （4）按照加速-匀速-减速的速度曲线，可正反转，设计PLC控制梯形图； （5）撰写设计计算说明书； 2、主要技术参数： 主轴变速范围r/min；转速级数Z=4；电机额定转速n d=1500r/min，电机最高转速n max=6000r/min；电机功率11 KW；床身上最大回转直径630mm。 工作计划与进度安排:（共2周） （1）集中讲授设计内容、步骤及要求，下发设计题目及任务书，理解题目要求，查阅资料，确定结构设计方案（第16周的周一～周二） （2）指导学生进行设计计算及确定设计方案、展开图设计（第16周的周三～周五） （3）结构部分说明书撰写及答辩验收（第16周的周六～第17周的周一上午）（4）控制方案确定及接线图设计、PLC梯形图设计（第17周的周一下午～周四）（5）控制部分说明书撰写及答辩验收（第17周的周四～周五） 指导教师： 2012 年12月1日专业负责人： 2012年12月2日 学院教学副院长： 2012 年12月 3 日
数控机床的主运动机械部件 来源：切削技术数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。 一、主传动运动的变速系统 目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。 带有变速齿轮的主传动 这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。 通过皮带传动的主传动 这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。 由调速电机直接驱动的主传动 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 二、数控击穿主轴部件 数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴厂主要有三种型式。 1) 前后支撑采用不同轴承 前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。 2) 前轴承采用高精度双列向心推力球轴承 向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。
目录 第一章引言 (1) 第二章设计方案论证与拟定 (2) 2.1 总体方案的论证 (2) 2.2 总体方案的拟定 (2) 2.3 主传动系统总体方案图及传动原理 (2) 第三章设计计算说明 (5) 3.1 主运动设计 (5) 3.1.1 参数的确定 (5) 3.1.2 传动设计 (6) 3.1.3 转速图的拟定 (8) 3.1.4 带轮直径和齿轮齿数的确定 (12) 3.1.5 传动件的设计 (19) 3.2 纵向进给运动设计 (38) 3.2.1 滚珠丝杆副的选择 (38) 3.2.2 驱动电机的选用 (42) 结论 (47) 小结 (48) 致谢 (49) 参考文献 (50)
第一章引言 当前的世界已进入信息时代，科技进步日新月异。生产领域和高科技领域中的竞争日益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形状也日趋复杂化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。为了解决复杂、精密、单件小批量以及形状多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字控制(Numerical control)机床的产生也就是必然的了。 此次设计是数控机床主传动系统的设计，其中包括机床的主运动设计，纵向进给运动设计，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。
第二章总体方案论证与拟定 2.1 总体方案的论证 数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点： 1．由于大多数数控车床采用了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。 2．为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。 3．更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副等。CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。 2.2 总体方案的拟定 1．根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高 ψ=。 转速是2000r/min，最低转速是40r/min， 1.26 2．纵向进给是一套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。 3．为了保证进给传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 4．采用滚珠丝杆螺母副可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。 2.3主传动系统总体方案图及传动原理 4．数控车床主传动系统图 数控车床的主传动系统见图 2.1。整个主传动系统主要由主运动传动链和纵向进给传动链组成。
目录 第一章概述 1.1设计目的 (2) 1.2主轴箱的概述 (2) 第2章主传动的设计 (2) 2.1驱动源的选择 (2) 2.2转速图的拟定 (2) 2.3传动轴的估算 (4) 2.4齿轮模数的估算 (3) 2.5V带的选择 (4) 第3章主轴箱展开图的设计 (7) 3.1各零件结构尺寸的设计 (7) 3.1.1 设计内容和步骤 (7) 3.1.2有关零件结构和尺寸的设计 (7) 3.1.3各轴结构的设计 (9) 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 (10) 3.1.5轴承的校核 (13) 3.2装配图的设计的概述 (13) 总结 (19) 参考文献 (20)
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主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。 第二章2主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上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。 根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率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
数控车床主轴系统分 析报告 学院：机械工程学院 班级：09创新一班 姓名： 学号：0910100xxx
MJ-50数控车床主轴结构 下图为MJ-50数控车床主轴结构。交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7 。主轴前支承由一个双列圆柱滚子轴承1 1和一对角接触球轴承1 0组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承分别承受两个方向的轴向载荷，另外还承受径向载荷。松开螺母8的锁紧螺钉，就可用螺母来调整前支承轴承的间隙。主轴的后支承为双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和螺母6来调整。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长，前后支承所用双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜高速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮16、同步带轮3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。 1、主传动系统的传动方式： 机床主传动系统可分为无极变速传动和有级变速变速传动。与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有一下三种传动方式： 1.1由电机直接驱动：主轴电机与主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，如下图a所示。采用直接驱动大大简化了主轴箱结构，能有效提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、出去转矩与电机的特性完全一致。但由于主轴的输出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了一定的限制。 1.2采用定比传动：主轴电动机经定比传动传递给主轴，如下图b所示。定比传动可采用带传动或齿轮传动，带传动具有传动噪声小、振动小的有点，一般应用在中小型数控车床上。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的调速范围相同。
第一章概论 一、数控系统发展简史 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，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。二、国内数控机床状况分析 （一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 （二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。 三、数控系统的发展趋势 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。 2.向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 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