立式加工中心
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同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kw，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。
虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一
直落后于国际水平，到1980年我国的ห้องสมุดไป่ตู้控机床产量还不到700台。到90年代，我国
的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
[15]陈立德.机械制造装备设计[M].北京：高等教育出版社，2006.4.
[16]向敬忠，宋欣等.机械设计课程设计图册.北京：化学工业出版社.2009.9.
[17]Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid Peter．Computer numerical control simplified[M]．New York：Industrial Press，2001.
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，故不适合于主运动系统中。
4、主要参考文献与资料
[1]张新义主编.经济型数控机床[M].北京：机械工业出版社，1993.10
[2]徐溥滋，张舒勃主编.专用机床设计与制造[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.12
国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
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年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。
2.加工中心主轴组件总体设计
由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。
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。
2、发展趋势
装备工业的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,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为
[11]刘鸿文主编.材料力学（第四版）北京：高等教育出版社，2004.4
[12]蔡春源主编.机械零件设计手册（上册）[M].北京：冶金出版社，1996.4
[13]蔡春源主编.机械零件设计手册（下册）[M].北京：冶金出版社，1996.4
[14]王昆、何小柏、汪信远主编.机械设计基础课程设计.北京：高等教育出版社，2009.6
指导教师意见
系（教研室）意见
签字：
年月日
主任(签字)：
年月日
沈阳工程学院
毕业设计开题报告
题目名称
立式加工中心主轴传动系统设计
学生姓名
学号
专业班级
一、所选题目在其领域的发展现状、设计的目的和意义
1、国内外现状
国外高速加工中心主轴转速一般都在25000~12000r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.006~0.01之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。
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同步带传动。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/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。
[7]张新义主编.经济型数控机床系统设计[M].北京：机械工业出版社.2003.4
[8]文怀兴、夏田著.数控机床设计实践指南[M]北京：化学工业出版社2008.1
[9]文怀兴、夏田主编.数控机床系统设计[M]北京：化学工业出版社，2006.5
[10]文怀兴、夏田主编.数控铣床设计[M]北京：化学工业出版社，2006.5
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。
3、意义
数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感器测量、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，改变了制造业的格局、产业结构和管理方式。
数控机床加上刀具交换装置即构成加工中心，可实现一次装夹工件，完成多道工序的加工，提高了加工效率，能够保证工件的位置精度。普通精度的加工中心，定位精度为几十μm，重复定位精度为10μm左右，快移速度为10m/min左右，联动轴数4轴（包括4轴）以下。
[18]Tang YiPing Advanced Manufacturing Technology. China Machine Press.2005
[19]Mason GW.some design aspects of Ratier-Forest NC machines[J]. Machinery and production Engineering，1970，117：1027-1033
[20]Krar Stephen FGill ArthurSmid peter. Computer numerical control Simplified[M]. New York Industrial Press2001
[21]J inunshian Phuah，J ianming Lu.Chattering Free SlidingMode Control In Magnetic Levitation System[J].IEEJ Trans EIS,2005 125(4):600-605.
二、设计主要内容
（1）确定主传动系统的传动方式
（2）计算主传动系统的参数
（3）主轴支撑方式的确定
（4）主轴轴承的选择和计算
（5）主轴润滑方式的选择
（6）主轴密封方式的确定
（7）主轴组件的设计计算
（8）主轴变速驱动方式的选择与设计
（9）主轴电动机的选择
（10）算变频器的选择计
（11）主轴档位控制
三、设计方案及思路
国内高速加工中心主轴转速一般在18000~6000r/min，定位精度控制在0.008~0.015mm之内，重复定位精度控制在0.005~0.01mm之内。在换刀速度方面，国内机床多在4~5s，无法与国际水平相比。
虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。
[3]濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版) [M].北京:高等教育出版社,2006.5
[4]戴曙主编.金属切削机床设计[M].北京：机械工业出版社，1983.4
[5]北京航空学院机械加工教研室编.数控机床的结构与传动[M].北京；国防工业出版社.1977.9
[6]吴祖育等编著.数控机床[[M].上海：上海科学技术出版社，1989.5
同步带传动的优点是：
（1）无滑动，能保证固定的传动比；
（2）预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；
（3）带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；
（4）带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。
其主要缺点是安装时中心距的要求严格。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。而同步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同步带传动。
虽然从时间上看只比国外晚了几年，但由于种种原因，数控机床技术在我国的发展却一
直落后于国际水平，到1980年我国的ห้องสมุดไป่ตู้控机床产量还不到700台。到90年代，我国
的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。目前，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
[15]陈立德.机械制造装备设计[M].北京：高等教育出版社，2006.4.
[16]向敬忠，宋欣等.机械设计课程设计图册.北京：化学工业出版社.2009.9.
[17]Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid Peter．Computer numerical control simplified[M]．New York：Industrial Press，2001.
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，故不适合于主运动系统中。
4、主要参考文献与资料
[1]张新义主编.经济型数控机床[M].北京：机械工业出版社，1993.10
[2]徐溥滋，张舒勃主编.专用机床设计与制造[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.12
国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
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年开始，计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展，给数控机床的发展提供了一个良好的平台，使数控机床产业得到了高速的发展。
2.加工中心主轴组件总体设计
由于同步带无滑动，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。
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。
2、发展趋势
装备工业的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,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为
[11]刘鸿文主编.材料力学（第四版）北京：高等教育出版社，2004.4
[12]蔡春源主编.机械零件设计手册（上册）[M].北京：冶金出版社，1996.4
[13]蔡春源主编.机械零件设计手册（下册）[M].北京：冶金出版社，1996.4
[14]王昆、何小柏、汪信远主编.机械设计基础课程设计.北京：高等教育出版社，2009.6
指导教师意见
系（教研室）意见
签字：
年月日
主任(签字)：
年月日
沈阳工程学院
毕业设计开题报告
题目名称
立式加工中心主轴传动系统设计
学生姓名
学号
专业班级
一、所选题目在其领域的发展现状、设计的目的和意义
1、国内外现状
国外高速加工中心主轴转速一般都在25000~12000r/min，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.006~0.01之内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。
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同步带传动。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/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。
[7]张新义主编.经济型数控机床系统设计[M].北京：机械工业出版社.2003.4
[8]文怀兴、夏田著.数控机床设计实践指南[M]北京：化学工业出版社2008.1
[9]文怀兴、夏田主编.数控机床系统设计[M]北京：化学工业出版社，2006.5
[10]文怀兴、夏田主编.数控铣床设计[M]北京：化学工业出版社，2006.5
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。
3、意义
数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感器测量、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，改变了制造业的格局、产业结构和管理方式。
数控机床加上刀具交换装置即构成加工中心，可实现一次装夹工件，完成多道工序的加工，提高了加工效率，能够保证工件的位置精度。普通精度的加工中心，定位精度为几十μm，重复定位精度为10μm左右，快移速度为10m/min左右，联动轴数4轴（包括4轴）以下。
[18]Tang YiPing Advanced Manufacturing Technology. China Machine Press.2005
[19]Mason GW.some design aspects of Ratier-Forest NC machines[J]. Machinery and production Engineering，1970，117：1027-1033
[20]Krar Stephen FGill ArthurSmid peter. Computer numerical control Simplified[M]. New York Industrial Press2001
[21]J inunshian Phuah，J ianming Lu.Chattering Free SlidingMode Control In Magnetic Levitation System[J].IEEJ Trans EIS,2005 125(4):600-605.
二、设计主要内容
（1）确定主传动系统的传动方式
（2）计算主传动系统的参数
（3）主轴支撑方式的确定
（4）主轴轴承的选择和计算
（5）主轴润滑方式的选择
（6）主轴密封方式的确定
（7）主轴组件的设计计算
（8）主轴变速驱动方式的选择与设计
（9）主轴电动机的选择
（10）算变频器的选择计
（11）主轴档位控制
三、设计方案及思路
国内高速加工中心主轴转速一般在18000~6000r/min，定位精度控制在0.008~0.015mm之内，重复定位精度控制在0.005~0.01mm之内。在换刀速度方面，国内机床多在4~5s，无法与国际水平相比。
虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（MTBF）都在5000小时以上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。
[3]濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版) [M].北京:高等教育出版社,2006.5
[4]戴曙主编.金属切削机床设计[M].北京：机械工业出版社，1983.4
[5]北京航空学院机械加工教研室编.数控机床的结构与传动[M].北京；国防工业出版社.1977.9
[6]吴祖育等编著.数控机床[[M].上海：上海科学技术出版社，1989.5
同步带传动的优点是：
（1）无滑动，能保证固定的传动比；
（2）预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小；
（3）带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高；
（4）带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。
其主要缺点是安装时中心距的要求严格。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。而同步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同步带传动。
