購買設計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請見文件預覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
湖 南 科 技 大 學
畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）
題目
CK20數控車床主傳動系統(tǒng)及刀架設計
作者
尹暉
學院
機電工程學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
學號
1103010524
指導教師
鄧朝暉
二〇一五 年 五 月 三 日
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）任務書
機電工程學 院 機械設計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學生姓名: 尹暉 學號: 1103010524 專業(yè):機械設計制造及其自動化
1 設計（論文）題目及專題： CK20數控車床主傳動系統(tǒng)及其刀架設計
2 學生設計（論文）時間：自 2015 年 3 月 9 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設計（論文）所用資源和參考資料：
[1] 關慧貞、馮辛安等編著.機械制造裝備設計.北京:機械工業(yè)出版社,2010
[2] 張建民等編著. 機電一體化系統(tǒng)設計.北京:高等教育出版社, 2010
[3] 文懷心,夏田. 數控機床系統(tǒng)設計.北京:化學工業(yè)出版社,2005.6
[4] 易紅. 數控技術. 北京:機械工業(yè)出版社,2005.8
[5] 潘存云. 機械原理. 湖南:中南大學出版社,2011:102-129.
[6] 高安邦. 實用機床設計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,2010,164-170.
[7] 成大先. 機械設計手冊,第五卷. 北京:化學工業(yè)出版社,2002:22-3 - 22-109.
[8] 盛伯浩. 數控機床的現狀與發(fā)展, 制造技術與機床,2004(1):20~23
4 設計（論文）應完成的主要內容：
1） 機床總體方案設計及總體布局圖繪制
2） 主傳動系統(tǒng)理論設計及結構設計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
3） 編碼盤的安裝設計及液壓卡盤設計
4） 數控刀架結構設計及刀架的總裝圖，典型構件設計及工程圖繪制
5） CK20數控系統(tǒng)設計（硬件連接圖）
6） 外文資料文獻翻譯
7）撰寫畢業(yè)設計論文（說明書）
5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，
畢業(yè)設計論文字數不少于1.5萬字，
參考文獻至少15篇以上。
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 20 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）指導人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導人： （簽名）
年 月 日
指導人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）評閱人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內容與方法，實用性與科學性，結論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）答辯記錄
日期：
學生： 學號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設計（論文）說明書 共 頁
2 設計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘要
本論文首先介紹了我國數控機床發(fā)展的過程與現狀，并分析了其存在的問題；對數控機床的發(fā)展趨勢進行了探討；并對CK20數控車床主軸箱傳動系統(tǒng)和刀架進行了設計與計算。
主軸箱由安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數控車床主軸可以獲得在調速范圍內的任意速度，以滿足加工切削要求。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。隨著數控車床的發(fā)展，數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。
本設計主要包括根據一些原始數據，結合實際條件和情況對車床一些參數進行擬定，再根據擬定的參數，進行傳動方案的擬定。然后計算各傳動副的傳動比及齒輪齒數，再估算齒輪的模數和各軸的軸徑。并對齒輪和軸的強度、剛度進行校核。除此之外，還要對箱體內的主要結構進行設計，如電磁離合器的選擇，從而完成對主傳動系統(tǒng)的整體設計。刀架設計主要對總體結構設計，主要傳動部件的設計計算。包括驅動刀架的伺服電機的選擇計算，蝸輪蝸桿設計計算，刀架主軸的結構設計計算。
關鍵詞：主軸箱；無級調速；傳動系統(tǒng)；刀架；CK20
ABSTRACT
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented. The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock and the knife?tool of CK20NC lathe has been calculate designed.
Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The knife tools are clamping?cutting, therefore its structure directly affects the cutting performance and cutting efficiency of the machine.The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.With the development of CNC lathes,?CNC turret began to rapid change,?electro-hydraulic?combination of drive and servo drive direction.
This design mainly includes according to some of the original data, combined with the actual conditions and some parameters are proposed for lathe, according to the proposed parameter,to formulate transmission scheme, calculating the transmission vice transmission ratio, gear teeth, estimating the modulus of the gear and the diameter of axle shaft,and the strength, stiffness of gear and shaft for checking. In addition, it not only design of main structure of the casing, such as the choice of the electromagnetic clutch, but also complete the overall design of main drive system. The design of knife tools is not the overall structure design, but the design and calculation of main driving part, including the selection of tool carrier of servo motor, worm gear and worm design calculation, structure design and calculation of tool carriage spindle.
Key words: headstocks; a continuously variable speed ; transmission System;knife tools;CK20
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景及目的 ……………………………………………………………… 1
1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 1
1.2.1 我國數控車床的研究現狀及發(fā)展趨勢 ……………………………… 1
1.2.2 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 3
1.3 課題研究內容及方法 ………………………………………………………… 4
1.3.1 課題研究的主要參數 ………………………………………………… 4
1.3.2 課題研究內容 ………………………………………………………… 4
1.3.3 研究方法 ……………………………………………………………… 4
1.4 設計任務與論文構成 ………………………………………………………… 5
1.4.1 設計主要任務 ………………………………………………………… 5
1.4.2 設計的重點與難點 …………………………………………………… 5
1.4.3 本論文構成如下 ……………………………………………………… 5
第2章 機床總體方案的設計 ……………………………………………………… 6
2.1 機床的總體布局 ……………………………………………………………… 6
第3章 主傳動系統(tǒng)的設計 ………………………………………………………… 7
3.1 總體設計 ……………………………………………………………………… 7
3.1.1 擬定傳動方案 ………………………………………………………… 7
3.1.2 選擇電機 ……………………………………………………………… 8
3.1.3 計算各軸計算轉速、功率和轉矩…………………………………… 11
3.1.4 轉速圖與傳動圖……………………………………………………… 12
3.2 軸系部件的結構設計 ……………………………………………………… 13
3.2.1 I 軸結構設計………………………………………………………… 13
3.2.2 II 軸結構設計 ……………………………………………………… 17
3.2.3 III(主)軸結構設計 ………………………………………………… 28
3.2.4 編碼器的選擇與安裝設計 ………………………………………… 30
3.2.5 主傳動系統(tǒng)總裝圖 ………………………………………………… 32
第4章 液壓卡盤的設計（夾具）……………………………………………… 34
4.1 卡盤夾緊機構的設計………………………………………………………… 34
4.2 液壓卡盤系統(tǒng)總裝圖………………………………………………………… 34
第5章 數控刀架的結構設計 ………………………………………………… 35
5.1 數控車床刀架總體方案設計與選擇………………………………………… 35
5.1.1 刀架的整體方案設計………………………………………………… 35
5.1.2 車床刀架的轉位機構方案設計……………………………………… 35
5.1.3 刀架定位機構方案設計……………………………………………… 36
5.2 刀架的設計計算……………………………………………………………… 36
5.2.1 驅動刀架的伺服電機的選擇計算…………………………………… 36
5.2.2 蝸輪蝸桿設計計算…………………………………………………… 39
5.2.3 刀架主軸的結構設計計算…………………………………………… 42
5.3 刀架總裝圖…………………………………………………………………… 44
第六章 數控系統(tǒng)的設計 ………………………………………………………… 46
7.1 線路連接……………………………………………………………………… 46
7.2 安裝調試……………………………………………………………………… 47
第七章 結論 ………………………………………………………………………… 48
參考文獻………………………………………………………………………………… 49
心得體會及致謝 ……………………………………………………………………… 50
-i-
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
近幾年，我國的數控機床無論從產品品種，還是技術水平，或者品質和產量上都取得了很大的發(fā)展，并在一些關鍵技術方面取得了重大突破。特別是在通用微機數控領域，以PC平臺為基礎的國產數控系統(tǒng)，已經走在世界前列，讓國人驕傲。據統(tǒng)計，在我國可供市場的數控機床就有1500種，幾乎籠罩了整個金屬切削機床行業(yè)的品種類別和主要的鍛壓機械。這表明了國內數控機床已經進入了快速發(fā)展的時期。
而相對于傳統(tǒng)機床，數控機床則表現出有以下的優(yōu)越性：
1、數控加工工藝的“內容十分具體、工藝設計工作相當嚴密”。
2、能夠實現加工的柔性自動化。
3、粗精加工與加工精度的結合，裝配就比較容易，不需要“修配”。
4、數控加工的工藝“復合性”，可完成多道工序的集中。
5、精密設備與一般設備的結合，可實現長時間的無人看管加工。
因此，采用數控機床，既可以降低工人的勞動強度，也可以節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），還能減少工裝，縮短新產品試制周期和生產周期，對市場需求作出迅速反應。對此，數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
由于以上優(yōu)越性，數控機床所占的比例正在一步步地增大。從2005年的市場生產消費內容就可以明顯看出,普通機床的市場份額在下降,數控機床的市場份額則大幅度增長，特別是中高檔數控機床需求供不應求。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設計一臺數控車床—CK20，用于對回轉體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加工。應用于飛機﹑汽車﹑航空航天、軍工、電力等領域，實現加工自動化，提高產品質量，提高生產效率[1]。
1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 我國數控車床的研究現狀及發(fā)展趨勢
1、研究現狀
我國數控車床從20世紀70年代初開始進入市場，通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的一系列措施，使得我國的機床制造水平程度有了很大提高，其產量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產數控車床的種類、規(guī)格也比較齊全，質量基本趨于穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。
（1）床身
按照床身導軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數控車床采用較多，平床身只有在大型數控車床或小型精密數控車床才被采用，立床身一般不被采用。在機床中一般采用平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。
a)后斜床身-斜滑板
b)直立床身-直立滑板
c)平床身-平滑板
d)前斜床身-平滑板
e)平床身-斜滑板
圖1.1 床身布局型式
（2）導軌
導軌的功用是承受載荷和導向。它承受安裝在導軌上的運動部件及工件的重力和切削里，運動部件能夠沿導軌運動。車床的導軌按照導軌面的摩擦性質可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。
滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。滾動導軌的優(yōu)點是摩擦系數小，動、靜摩擦系數很接近，因此摩擦力小，輕動方便，運動靈敏，不易爬行。
（3）主軸變速系統(tǒng)
一般說來，經濟型數控車床大多數是不能自動變速的，全功能數控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。
（4）刀架系統(tǒng)
小規(guī)格數控車床一般采用排式刀架，以加工棒料或盤類零件為主。數控車床最常用的一種典型換刀刀架是回轉刀架，它通過刀架的旋轉分度定位來實現機床的自動換刀動作，根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。排刀式刀架和回轉刀架都使得刀具的數目受到一定的限制，當需要數量較多的刀具時，應采用帶刀庫的自動換刀裝置。
（5）進給傳動系統(tǒng)
進給伺服系統(tǒng)是數控車床的進給傳動系統(tǒng)主要采用的系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴；而開環(huán)系統(tǒng)定位精度低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。 進給伺服系統(tǒng)中在數控系統(tǒng)常用的驅動裝置是伺服電機。進給伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。
2、發(fā)展趨勢
2 高速、高精密化
2 高可靠性
2 CAD化、結構設計模塊化
2 功能復合化
2 數控車床設計智能化、網絡化、柔性化和集成化。
2 提高數控機床產品的自主開發(fā)、制造能力。
2 以功能部件為基礎，以關鍵共性技術為支撐；加快技術引進與國際合作[1]。
1.2.2 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1、繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應用自適應控制技術向高速化和高精度化發(fā)展
（2）引入專家系統(tǒng)指導加工
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數字伺服驅動系統(tǒng)[1]
1.3 課題研究內容及方法
1.3.1 課題研究的主要參數
本課題設計的數控車床的主要參數如下：
工件最大回轉直徑：；最大切削直徑：
橫向最大行程(X軸)：180mm；縱向最大行程(Z軸)：650mm
最大車削長度：500mm；X,Z軸的最小設定單位為：0.001mm
主軸最大/最小轉速：4000/45 r/min
快速進給速度:縱向：15m/min；橫向；8m/min
1.3.2 課題研究的主要內容
1、 主軸傳動系統(tǒng)的設計
2、 編碼盤的安裝
3、 液壓卡盤的設計安裝
4、 數控刀架結構設計
5、 數控系統(tǒng)的設計
1.3.3 研究方法
第一步，明白并確定設計要求，找出研究的重難點。
第二步，進工廠觀摩，吸取專家的設計經驗。
第三步，初步確定總體設計方案：
1、軟件方面 選擇了SINUMERIK 802D機床微機控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據機床性能要求，確定機床支承件結構形式為臥式斜床身結構，并進行總體布局；因為這種結構具有容易實現機電一體化、排屑順暢等優(yōu)點。
（2）選擇主電機。根據切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型號；
（3）設計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數以及傳動方式，箱體構架。
（4）選擇刀架伺服電機。根據刀架運轉的負載扭矩和起動時的加速扭矩來確定伺服電機型號。
（5）設計刀架系統(tǒng)。由刀架的蝸輪蝸桿和主軸來確定刀架傳動方式。
第四步，設計中遇到的疑點、難點問題應通過廣泛查閱文獻資料、組內同學相互討論、實地參觀數控車床樣機和實踐操作等各種途徑解決。
1.4 設計任務與論文構成
1.4.1 設計主要任務
1、 機床總體方案設計及總體布局圖繪制
2、 主傳動系統(tǒng)理論設計及結構設計，主傳動系統(tǒng)轉配圖繪制
3、 編碼盤的安裝設計及液壓卡盤設計
4、 數控刀架結構設計及刀架的總裝圖，典型構件設計及工程圖繪制
5、 CK20數控系統(tǒng)設計（硬件連接圖）
6、 外文資料文獻翻譯
7、 撰寫畢業(yè)設計論文（說明書）
1.4.2 設計的重點與難點
1、主傳動系統(tǒng)理論設計及結構設計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
2、數控刀架結構設計及刀架的總裝圖，典型構件設計及工程圖繪制
1.4.3 本論文構成如下
第1章 緒論
第2章 機床總體方案的設計。
第三章 詳細論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結構設計。
第四章 詳細介紹液壓卡盤的設計選用。
第五章 詳細論述數控刀架的結構設計。
第六章 闡述數控車床液壓回路設計
第七章 闡述數控系統(tǒng)的選擇及其設計。
第八章 總結本課題設計的特點及其有待改進之處。
論文最后是本次畢業(yè)設計的心得、致謝和參考文獻。
第二章 機床總體方案的設計
2.1 機床的總體布局
按照床身導軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數控車床采用較多，平床身只有在大型數控車床或小型精密數控車床才被采用，立床身一般不被采用。當然平床身工藝性好，易于加工制造。刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，不過排屑困難；刀架橫滑板較長，反而加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。在機床中一般采用平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。斜床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中之所以被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點：
(1) 容易實現機電一體化；
(2) 機床外形整齊、美觀，占地面積??；
(3) 容易設置封閉式防護裝置；
(4) 容易排屑和安裝自動排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機械手，實現單機自動化[2]。
基于以上優(yōu)點，在此課題中擬采用45o傾斜滑板平床身，其總體布局如圖2.1所示。
圖2.1 機床總體布局圖
第三章 主傳動系統(tǒng)的設計
3.1 總體設計
3.1.1 擬定傳動方案
數控機床需要自動換刀、自動變速；主軸則必須通過自動變速，在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，以維持引起切削直徑各種變化的切削速度基本恒定。自動變速一般采用無級變速，有利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，還可以有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣一般被無級變速數控機床采用。但是數控機床的主運動的調速范圍較大，單靠調速電機根本無法滿足這么大的調速范圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性與直接與機床的功率和轉矩要求太難相匹配。因此，數控機床主傳動變速系統(tǒng)通常在無級變速電機之后，還要串聯(lián)機械有級變速傳動，以期滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性[3]。
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率變速范圍，則必須配以分級變速箱。為簡化主軸箱結構，分級變速級數應該少些，分級變速箱的公比可取等于電動機的恒功率變速范圍，而恒功率的調速范圍一般比較小，僅能達到2~3。我方案選定的調速范圍為=3，故有，主軸的轉速范圍為：45r/min~4000r/min;根據以下計算（以下計算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計算轉速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/173=23.1
無級變速時：==23.1 （3.2）
故變速箱的變速級數： 取級數Z=2
故本方案僅采用二級機械變速機構，故變速箱為三級變速箱，運動方案如圖3.1。
圖3.1 主軸傳動圖
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現三位移動，變速時必須主軸停車后才能進行，而且必須將數控裝置送來的電信號轉換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由于它便于實現自動操作，并有現成的系列產品可供選用，因此它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[4]。
3.1.2 選擇電機
1、電動機類型和結構型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(如旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因而，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)可以在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。經過對比分析本設計中決定采用FANU系列交流主軸電機。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊[5]。
表3.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能
項目
內容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內保持一定轉矩
高旋轉精度
高動態(tài)響應
高加減速，起制動能力
具有強魯棒性，能適應環(huán)境條件和參數變化
高效率，低噪聲
低價格
低購買價格，低維護價格,低服務價格
通用要求
耐用性，可維護性，安全可靠性
2、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算，本設計中電機容量按以下步驟確定：
（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料[6])
確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進給量取；
根據主切削力的指數公式： （3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機輸出動率
（3.5）
傳動裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[7]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為11。
（4）電動機電壓和轉速的選擇
小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V[5]。
本課題中數控機床的主軸的轉速范圍要求為45r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比，低速傳動鏈傳動比。由此可得電機的轉速范圍:
，。
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取FANUC交流電機，型號為。作為α系列的后續(xù)產品，這種電機轉動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現電機的高速、高加速控制，具有更先進的節(jié)能效果。電機參數如下表所示
型號
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉速
最高轉速
重量
振動
冷卻
表3.2 電機參數
機座長為，電機軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[5]得[5]。
3.1.3 計算各軸計算轉速、功率和轉矩
1、 各軸計算轉速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計算轉速，由于采用的是無級調速，所以采用以下的公式：
==； （3.6）
然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉矩： (N/m) （3.7）
將以上計算結果整理后列于表3.3，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表3.3 各軸的傳動參數
參數
軸
I軸（電機軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸）
計算轉速（）
347
231
173
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉矩（）
303.2
434.66
552.02
傳動比
3.1.4 轉速圖與傳動圖
由電機的轉速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉矩變速范圍)和各軸傳動比,作數控車床的轉速圖,見圖3.2。
圖3.2 轉速圖
由轉速圖3.2可知，電動機經2:3定比傳動降速后，如果經3:4傳動比傳動主軸，則當電動機轉速從4500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉速從4000r/min降至1333r/min。主軸轉速再需下降時變速箱變速，經3:4傳動比傳動主軸，電動機又恢復從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至750r/min。故主軸從4000r/min降至750r/min為恒功率調速。主軸從750r/min降至45r/min，電動機從1500r/min降至90r/min為電動機的恒轉矩區(qū)。（額定轉速向上至最高轉速為恒功率；額定轉速向下至最低轉速為恒轉矩；本方案電動機的額定轉速為1500r/min。）
初定數控車床的傳動圖,如圖3.3：
圖3.3傳動圖
3.2 軸系部件的結構設計
3.2.1 I軸結構設計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數.
根據選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
（1）本次設計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故選用8級精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調質熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數，大齒輪齒數。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?5mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
3、按齒面接觸強度設計
由設計計算公式(10-9a)進行試算，即
（3.9）
1）確定公式內的各計算數值
（1）試選載荷系數
（2）計算小齒輪傳遞的轉矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限；
（6）由式10-13計算應力循環(huán)次數（假定工作壽命15年（每年工作300天），兩班制）（j=1）則：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數；；
（8）傳動比u=3/2；
（9）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.12）
（3）計算齒寬
（3.13）
（4）計算齒寬與齒高之比
模數 mm
齒高
（5）計算載荷系數
根據，8級精度，由圖10-8查得動載系數；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪懸臂支承時，1.310；
由；，查圖10-13得1.254；故載荷系數
（6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.14）
（7）計算模數
145.8/24mm=6.075mm
4、按齒根彎曲強度設計
由式（10-5）得彎曲強度的設計公式為
（3.15）
1）確定公式內的各計算數值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數，0.87；
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由式（10-12）得
（3.16）
（4）計算載荷系數K
（3.17）
（5）查取齒形系數
由表10-5查得；2.53。
（6）查取應力校正系數
由表10-5查得；1.63。
（7）計算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數值大。
2）設計計算
=
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數3.97mm，并就近圓整為標準值m=4mm，按接觸強度算得的分度圓直徑145.8mm，算出小齒輪齒數
大齒輪齒數
這樣設計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
5、幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑 （3.19）
2）計算中心距 （3.20）
3）計算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=56mm
3.2.2 II軸結構設計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一甩油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。
3、軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得110，故
取＝40mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
軸的零件圖如圖3.5。
圖3.5 中間軸零件圖
4、齒輪的設計
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設計。
1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數
(1)本數控機床的運行速度較高，精度等級選擇8級精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調質后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調制后表面淬火，硬度為240HBS。
(3)小齒輪齒數初選為=18，＝＝
2）按齒面接觸強度進行設計
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內的各計算值：
(1)初選載荷系數Kt＝1.6；
(2)計算小齒輪傳遞的轉矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉矩為434.66N·m；
(3)由表10－7及其說明，可選定齒寬系數＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數＝189.8；
(5)由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa；
大齒輪的接觸疲勞強度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設計壽命為72000h，由式10－13，計算應力循環(huán)次數
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數；；
(8)傳動比u=4/3；
（9）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.26）
（3）計算齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比
模數 mm
齒高
(5)計算載荷系數K
根據，由圖10－8，查得動載系數；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪非對稱布置時，1.256；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數
（3.27）
（6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.28）
（7）計算模數 154.4/18mm=8.58mm
3）按齒根彎曲強度設計
由式（10－5）得彎曲疲勞的設計公式為