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摘 要
數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動(dòng)化控制技術(shù)是用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動(dòng)極其加工過程進(jìn)行控制的一種方法,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)是一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。
數(shù)控機(jī)床是裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，起技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制造技術(shù)（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動(dòng)控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；（5）傳感技術(shù)；(6軟件技術(shù)等。計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)機(jī)械業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術(shù)的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展天地。數(shù)控機(jī)床就是將加工過程所需的各種步驟以及刀具與工件之間的相對位移量都是用數(shù)字化的代碼來表示。通過控制介質(zhì)數(shù)字信息送入專用區(qū)域通用的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對輸入的信息進(jìn)行處理，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；數(shù)控三坐標(biāo)銑床；主軸；數(shù)控系統(tǒng)。
目 錄
第一章 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生和發(fā)展趨勢··························1
1.1課題的意義············································1
1.2數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生背景····································1
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢····································2
第二章 數(shù)控機(jī)床的組成及優(yōu)點(diǎn)····························5
2.1數(shù)控機(jī)床的組成········································5
2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理····································6
2.3數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)········································7
第三章 數(shù)控銑床的主傳動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)·······················8
3.1概述··················································8
3.1.1主傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求······································8
3.1.2數(shù)控機(jī)床主軸的變速方式······························8
3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)········································9
3.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)······································9
3.2.2 調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性 ························10
3.2.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)·················11
3.3主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)副設(shè)計(jì)·································12
3.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算·····································16
3.5主軸組件設(shè)計(jì)·········································22
參考文獻(xiàn)················································27
致謝····················································28
第一章 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生及發(fā)展趨勢
1.1課題的意義
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生活的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心和技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造業(yè)能力和水平，提高對動(dòng)態(tài)多變市場和適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的。
1.2 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生背景
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，而機(jī)械加工過程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的有效途徑。
從工業(yè)化革命以來，人們實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動(dòng)化的主要手段有：
1.自動(dòng)機(jī)床。
2.組合機(jī)床。
3.專用自動(dòng)生產(chǎn)線。
這些設(shè)備的使用大大提高了機(jī)械加工自動(dòng)化的程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展。但它也存在固有的缺點(diǎn)，如：
1.初始投資大。
2.準(zhǔn)備周期長。
3.柔性差。
因此，上述方法僅適用于批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機(jī)床以及國防工業(yè)部門尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設(shè)備來滿足上述需求，這是機(jī)床數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。另一方面，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC 機(jī)床的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。NC技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復(fù)雜的零件生產(chǎn)提供了自動(dòng)化加工手段。
任何事物都有其特點(diǎn)與發(fā)展條件，人們掌握後才能加速其發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展條件：
它是機(jī)、電、液、氣、光多學(xué)科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)為基石，必須具有鞏固的技術(shù)基礎(chǔ)，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數(shù)控機(jī)床難以順利發(fā)展；
數(shù)控機(jī)床是由主機(jī)、各種元部件(功能部件)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進(jìn)的自動(dòng)化刀具配合，才能實(shí)現(xiàn)加工，各個(gè)環(huán)節(jié)在技術(shù)上、質(zhì)量上必須切實(shí)過關(guān)，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保數(shù)控機(jī)床工作的精度、效率和自動(dòng)化，否則，難以在生產(chǎn)實(shí)際中使用;
它是社會(huì)需求、科技水平和人員素質(zhì)三者的結(jié)合，缺一不成。如果人員素質(zhì)差、科技水平達(dá)不到，則難以滿足社會(huì)需求。人是一切活動(dòng)的主體，需要各種精通業(yè)務(wù)的專家、人才和熟練技術(shù)工人，互相配合，共同完成。否則，數(shù)控機(jī)床難以順利發(fā)展。
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
1〕高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用高性能功能部件，移動(dòng)部件輕量化，減少運(yùn)動(dòng)慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動(dòng)速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時(shí)間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
2〕精密加工技術(shù)有所突破
通過機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時(shí)代。
3〕技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
4〕數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:數(shù)字化控制技術(shù)對機(jī)床單機(jī)控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動(dòng)控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)行智能監(jiān)控和人工智能自動(dòng)編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)工件裝卡定位自動(dòng)找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)整、自動(dòng)更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動(dòng)編程系統(tǒng)能按機(jī)床加工要求對零件進(jìn)行自動(dòng)加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
5〕極端制造擴(kuò)張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機(jī)床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。
6〕數(shù)控機(jī)床用于飛機(jī)零件的高速高效加工
新型高速加工技術(shù)和高速機(jī)床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進(jìn)一步的提高，同時(shí)應(yīng)用最新控制和優(yōu)化技術(shù)，機(jī)床精度提高，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，使得飛機(jī)零件的加工質(zhì)量和加工效率大大提高。高難度、高質(zhì)量飛機(jī)零件的加工需求一直是數(shù)控技術(shù)和新型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要原動(dòng)力，而新型數(shù)控加工技術(shù)及機(jī)床設(shè)備往往首先在飛機(jī)零件加工中得到實(shí)際應(yīng)用，飛機(jī)零件的加工制造與新型數(shù)控機(jī)床的發(fā)展相得益彰，互相促進(jìn)。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，飛機(jī)零件的加工制造越來越多地依賴新型高速高效數(shù)控機(jī)床。新一代飛機(jī)，尤其是軍用飛機(jī)，需要具備更優(yōu)異的飛行和作戰(zhàn)性能，新技術(shù)不斷應(yīng)用，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型面、薄壁、整體結(jié)構(gòu)、大尺寸零件等難加工零件被更多地設(shè)計(jì)應(yīng)用；同時(shí)，新機(jī)研制周期明顯縮短，型號數(shù)量增多，每種型號的批量減少，這就對承擔(dān)大部分飛機(jī)零件數(shù)控加工任務(wù)的現(xiàn)代航空用數(shù)控機(jī)床提出了更高的要求。如何在要求的生產(chǎn)周期內(nèi)，提高加工生產(chǎn)效率，提高零件加工質(zhì)量，成為衡量飛機(jī)零件數(shù)控加工機(jī)床水平高低的重要因素，同時(shí)也成為各飛機(jī)工廠努力追求的目標(biāo)之一。其中，提高加工生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期在目前顯得尤為緊迫和重要。飛機(jī)零件的主要特點(diǎn)是尺寸大（如長桁、大梁、壁板等），結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜（如具有各種形式的槽腔結(jié)構(gòu)、下陷、加強(qiáng)筋及凸緣，帶有變斜角、空間復(fù)雜曲面等），難加工材料多（如鈦合金等），材料去除率高（部分零件可達(dá)90%以上），尺寸及位置精度要求高，零件表面質(zhì)量要求高，零件品種規(guī)格多但批量較小等。如按常規(guī)加工方法進(jìn)行加工，尤其是大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件（如機(jī)身整體框等）、薄壁件（要求變形小）等難加工零件，則工藝路線復(fù)雜，加工時(shí)間長，很難滿足周期要求。應(yīng)運(yùn)而生的高速加工技術(shù)和高速高效加工機(jī)床顯著地提高了飛機(jī)零件的加工精度和加工效率，改善了零件表面質(zhì)量，本文重點(diǎn)論述提高飛機(jī)零件加工效率的高速加工技術(shù)和新型高速高效加工機(jī)床。高速加工技術(shù)，飛機(jī)零件多由鋁合金材料制成，為得到好的零件表面質(zhì)量，即使在常規(guī)機(jī)床上加工時(shí)，切削速度也要比加工其他金屬材料零件時(shí)高得多。新型高速加工技術(shù)和高速機(jī)床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進(jìn)一步的提高，同時(shí)應(yīng)用最新控制和優(yōu)化技術(shù)，機(jī)床精度提高，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，飛機(jī)零件的加工質(zhì)量和加工效率大大提高。
高速加工應(yīng)該以刀具所能達(dá)到的切削速度進(jìn)行定義，對應(yīng)不同的加工材料有著不同的指標(biāo)值。為簡單起見，在飛機(jī)零件加工中，通常將主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到或高于10000r/min、進(jìn)給速度達(dá)到或高于10m/min的大型機(jī)床稱為高速加工機(jī)床。目前，常見的高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)20000～40000r/min（最高可達(dá)100000r/min以上），進(jìn)給速度可達(dá)20～40m/min（最高可達(dá)80m/min）。
高速切削時(shí)，機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，刀具的每齒進(jìn)給量很小，相當(dāng)于刀具變得異常鋒利，切削所產(chǎn)生的工件材料擠壓變形非常小，切削力得到有效減??；因刀具與工件摩擦、工件材料變形等產(chǎn)生的切削熱也大大減少，而且熱量的大部分會(huì)被切屑帶走，剛加工完的切削區(qū)域也不會(huì)有熱聚積，用手摸時(shí)會(huì)感覺到零件表面是涼的，因此，零件的加工變形小，表面質(zhì)量高；同時(shí)，機(jī)床的快速進(jìn)給保證了單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除率很高，所以，高速加工非常適合具有薄壁、整體等特征的飛機(jī)零件的高效加工；另外，隨著加工精度和零件表面光潔度的提高，由人工進(jìn)行零件修整的后續(xù)工作量可有效減少甚至取消，減少了后續(xù)工序；而且，高速加工使得在一臺(tái)機(jī)床上完成飛機(jī)零件的粗加工、半精加工和精加工整個(gè)全過程變成可能，大大簡化了工藝路線，減少零件加工的輔助時(shí)間，縮短零件制造周期，因此，高速加工使得飛機(jī)零件加工過程發(fā)生了根本性的變化，是迄今為止所用到的提高飛機(jī)零件加工效率最有效的手段，實(shí)現(xiàn)這一變化的關(guān)鍵就是新型高速高效加工機(jī)床。
第二章 數(shù)控機(jī)床的組成及優(yōu)點(diǎn)
2.1數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)對工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和切削加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控技術(shù)的最典型應(yīng)用。
典型數(shù)控機(jī)床的組成如圖所示。由圖可知，數(shù)控機(jī)床主要由零件加工程序、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置、機(jī)床本體等七部分組成，其中數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。
實(shí)際上，零件加工程序并非數(shù)控機(jī)床的物理組成部分，但從邏輯上講，數(shù)控機(jī)床加工過程必須按數(shù)控加工程序的規(guī)定進(jìn)行，數(shù)控加工程序是數(shù)控機(jī)床加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此常將數(shù)控加工程序作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)組成部分。
1.輸入裝置
數(shù)控機(jī)床的零件加工程序是通過程序輸入裝置輸入數(shù)控機(jī)床的。輸入裝置與輸入方法有關(guān)。
（1）控制介質(zhì)輸入，所謂控制介質(zhì)就是零件加工程序存貯介質(zhì)即程序載體。通常程序載體有穿孔紙帶、磁帶、磁盤、光盤等，與之相應(yīng)的輸入裝置為光電紙帶閱讀機(jī)、錄音機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)等。早期的數(shù)控機(jī)床常用穿孔紙帶存貯加工程序，即在特制的紙帶上穿孔，孔的不同位置的組合構(gòu)成不同的數(shù)字或數(shù)控代碼。通過光電紙帶閱讀機(jī)將紙帶上的零件加工程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼輸入數(shù)控裝置中的存貯器。雖然現(xiàn)在很多數(shù)控機(jī)床上仍附帶有紙帶閱讀機(jī)長磁帶錄機(jī)音機(jī)，但由于微型計(jì)算機(jī)的普遍使用期，穿孔紙帶和磁帶控制介質(zhì)的應(yīng)用已越來越少。
（2） 手工輸入，利用鍵盤輸入控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)和刀具運(yùn)動(dòng)的指令。具體說有三種情況：
①手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（Manual Data Input,MDI）,通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，把數(shù)控程序指令逐條輸入存儲(chǔ)器中。這種方法一般只適用于一些較為簡短的程序。
②在數(shù)控顯示的程序編輯界面，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，輸入程序指令，存于內(nèi)存中。后面有關(guān)章節(jié)中的手工編程主要就是采用這種輸入方法。用這種方法還可以調(diào)出已存入的數(shù)控程序并對其進(jìn)行編輯修改。
③在具有對話功能的數(shù)控裝置上，根據(jù)軟件的邏輯格式和顯示屏上的對話提示，選擇不同的菜單，輸入有關(guān)的數(shù)字和信息后，可自動(dòng)生成控制程序存入內(nèi)存。這種方法雖然是手工輸入，但卻是自動(dòng)編程。
（3）通訊方式輸入存儲(chǔ)器，從自動(dòng)編程機(jī)上、計(jì)算機(jī)上或網(wǎng)絡(luò)上，將編制好的數(shù)控加工程序通過通信接口直接輸入數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。
2. 數(shù)控裝置，數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部件，由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括通用I/O接口、CPU、存儲(chǔ)器、可編程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）及數(shù)字通信接口等。采用單微處理器的數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。軟件包括管理軟件和控制軟件。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出，顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)及報(bào)警，診斷數(shù)控裝置是否正常并檢查故障原因?？刂栖浖t完成譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、位置控制等。數(shù)控裝置的主要功能為讀入數(shù)值并存儲(chǔ)、對程序進(jìn)行譯碼及數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和I/O處理，產(chǎn)生控制指令控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，按確定的順序和設(shè)定的條件完成零件加工程序。
輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床的機(jī)械與液壓部件之間的各種開關(guān)執(zhí)行電器的控制裝置。主要實(shí)現(xiàn)各種輔助功能控制，如機(jī)床的起停、換刀、冷卻液開關(guān)等控制，目前多由數(shù)控裝置內(nèi)置的可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)。
3.伺服驅(qū)動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及位置、速度檢測反饋裝置三個(gè)部分組成。伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置則是伺服電機(jī)的動(dòng)力源。來自數(shù)控裝置的控制指令脈沖經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而通過機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)床主軸、工作臺(tái)或刀架等機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，其輸入為電信號，輸出為機(jī)床的位移、速度和力。
4.機(jī)床本體，機(jī)床本體是實(shí)現(xiàn)切削加工的主體，對加工過程起支撐作用。數(shù)控機(jī)床的精度、精度保持性、剛性、抗振性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性等主要性能均取決于機(jī)床本體。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件以及床身、立柱等支承部件，此外還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫、刀具交換裝置等部件。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、抗振性等方面要求更高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)要便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理
在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先根據(jù)零件圖樣的要求，結(jié)合所采用的數(shù)控機(jī)床的功能、性能和特點(diǎn)，確定合理的加工工藝，編程相應(yīng)的數(shù)控加工程序，并采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⒊绦蜉斎氲綌?shù)控裝置。在數(shù)控機(jī)床加工過程中，數(shù)控裝置對數(shù)控加工程序進(jìn)行編譯、運(yùn)算和處理，輸出坐標(biāo)控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，順序邏輯控制指令到PLC，通過伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC驅(qū)動(dòng)機(jī)床刀架或工作臺(tái)按照數(shù)控加工程序規(guī)定的軌跡和工藝參數(shù)運(yùn)動(dòng)，從而加工出符合圖紙要求的零件。
2.3數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床的優(yōu)勢在于：1.加工效率，節(jié)省加工時(shí)間。2.工作強(qiáng)度，工人編完程序后，加工首件合格后就可以去喝茶了。3.減少廢品數(shù)，只要首件合格后，在加工的零件一般都會(huì)合格。4.安全性高，工人距離加工設(shè)備距離越遠(yuǎn)，出現(xiàn)事故的概率就越低。等等。最大的好處就是計(jì)算機(jī)控制,只需要做一些前期 準(zhǔn)備,把程序員編制好的程序運(yùn)行,就可自動(dòng)加工成所需要的零件.而普通機(jī)床需要大量人工來做.
數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
1. 能完成復(fù)雜型面的零件加工.
2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量,由于數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)定的
程序自動(dòng)加工的,加工過程不需要人工干預(yù),而且加工精度還可以利用軟件來進(jìn)行校正和修補(bǔ),因此可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù) 精度.
3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺(tái)數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床可提高效率2-3倍.
4.可以一機(jī)多用,有的數(shù)控機(jī)床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7
臺(tái)普通機(jī)床,并節(jié)省了廠房面積.
5.幾乎不需要專用的工裝卡具，減少了在制品,從而加速了流動(dòng)資金的周轉(zhuǎn),
提高了經(jīng)濟(jì)效益.
6. 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.
綜上所述,數(shù)控機(jī)床主要適合:
1.單件.中小批量生產(chǎn);
2.形狀比較復(fù)雜.精度要求較高的零件加工;
3.產(chǎn)品更新頻繁,生產(chǎn)周期要求短的加工.
4.新產(chǎn)品的試制..回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)降稁斓?現(xiàn)在國內(nèi)的生產(chǎn)廠家使用的刀庫以
臺(tái)灣生產(chǎn)的為主.刀庫的刀具數(shù)量不等,一般有12，16，20，24，30，40，60，100，120等刀具數(shù)量的刀庫.
5.輔助裝置:加工中心的輔助裝置有自動(dòng)排屑器.恒溫油箱,液壓裝置.潤滑系統(tǒng).刀具測量系統(tǒng),冷卻裝置.冷卻裝置.防護(hù)系統(tǒng)等組成.加工中心的輔助裝置是根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)廠家的不同而又不同的配置情況,一般情況下潤滑系統(tǒng),冷卻裝置和防護(hù)系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)附件.其他的為選擇附件,
第三章 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1概述
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)具由一定的轉(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，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便地實(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，與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯僮兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)，用于擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速的范圍。
3.1.1主傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求
一、數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的特點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下特點(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， 主軸轉(zhuǎn)速變換可靠，并能自動(dòng)無級變速，使切削工作始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行。
3， 為實(shí)現(xiàn)刀具的快速或自動(dòng)裝卸，主軸上還必須設(shè)計(jì)有刀具自動(dòng)裝卸，主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。
二、對主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動(dòng)要求外，還有如下要求。
1.具有更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無級變速
2.具有較高的精度與剛度
3.良好的抗振性，熱穩(wěn)定性
3.1.2數(shù)控機(jī)床主軸的變速方式
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為有分級（有級）變速傳動(dòng)和無級變速傳動(dòng)兩種形式。分級（有級）變速傳動(dòng)主要用于普通銑床或普通銑床數(shù)控化改造。無級變速傳動(dòng)主要用于數(shù)控車床，故本次數(shù)控銑床床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式為無級變速傳動(dòng)。
數(shù)控銑床的主傳動(dòng)采用交、直流主軸調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可實(shí)現(xiàn)無級變速。故本次數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)有以下A、B、C三個(gè)方案，如圖3-1所示。
圖3-1數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)比較圖
從圖中可以看出：A方案中主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)。這種方案可簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，有效提高主軸的剛度，但主軸的功率及無級變速直接決定于主軸電機(jī)的性能，故其調(diào)速范圍有一定的局限。B方案主軸電機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)定比傳動(dòng)給主軸，采用定比傳動(dòng)擴(kuò)大了直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍，在一定程度上滿足了主軸功率與轉(zhuǎn)矩的要求。但其變速范圍仍然與電動(dòng)機(jī)的無級變速范圍相同。C方案采用主軸電機(jī)帶動(dòng)齒輪對變速齒輪來驅(qū)動(dòng)主軸。在此方案中，通過電機(jī)的無級變速，配合變速齒輪的變速可確保主軸所需要的功率及轉(zhuǎn)矩要求。目前，電機(jī)本身的調(diào)速范圍已達(dá)1：100—1：1000，所以變速齒輪的對數(shù)不會(huì)很多，其結(jié)構(gòu)也就不會(huì)很復(fù)雜。
通過對以上A、B、C三個(gè)方案的分析，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的變速范圍是40—4000r/min，調(diào)速范圍比較大。如選A、B兩種方案的話，由上面的分析可知，勢必會(huì)造成主軸箱相對簡單，而主軸電機(jī)的功率將會(huì)選的很大才能滿足各種不同加工的需要。這樣不僅使電機(jī)的功率得不到充分利用，同時(shí)從結(jié)構(gòu)上來看很不協(xié)調(diào)。故本次主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選方案C
3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1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)電機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的變速范圍。
(1) 主傳動(dòng)功率P
由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知：主切削功率為=4.5KW。查文獻(xiàn)[1] 頁可得主傳動(dòng)功率P的計(jì)算公式為
==5.625
式中P————主傳動(dòng)的功率
————切削功率
————主傳動(dòng)鏈的總效率，這里取0.8
（2）計(jì)算變速范圍
由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知主軸的最低轉(zhuǎn)速為=40 r/min,最高轉(zhuǎn)速為=4000r/min。查文獻(xiàn)[1] 頁可得變速范圍的計(jì)算公式為
===100 （r/min）
3.2.2 調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性
銑床主軸轉(zhuǎn)速不僅決定于切削速度而且還決定于工件的直徑，較低轉(zhuǎn)速多用于加工大直徑工件，這時(shí)要求的輸出扭矩增大了。因此車床主運(yùn)動(dòng)鏈的變速機(jī)構(gòu)，輸出扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，基本上是恒功率的。車床主軸最低的幾級轉(zhuǎn)速常用于光整車削，車削大直徑螺紋、絞大孔、精鏜等，并不需要傳遞全部功率。機(jī)床所傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為機(jī)床主軸的功率或扭矩特性。如圖3-2所示。主軸從最高轉(zhuǎn)速到某一轉(zhuǎn)速之間，主軸應(yīng)能傳遞運(yùn)動(dòng)源的全部功率。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)主軸的最大輸出扭矩應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而加大。從以下直到最低轉(zhuǎn)速，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出扭矩不再隨轉(zhuǎn)速的降低而增大，而是保持時(shí)的扭矩不變。所能傳遞的功率，則隨轉(zhuǎn)速的降低而降低。主軸能傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。機(jī)床主軸在整個(gè)變速范圍內(nèi)，以計(jì)算轉(zhuǎn)速為界，分為兩個(gè)區(qū)域：計(jì)算轉(zhuǎn)速及以上直到為恒功率區(qū)域I；計(jì)算轉(zhuǎn)速以下直到為恒扭矩區(qū)域II。
通過上面的分析，銑床主軸，從計(jì)算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率區(qū)，從計(jì)算轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒扭矩區(qū)。恒功率變速范圍比恒扭矩范圍大2-4倍。直流并磁電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速，是采用調(diào)節(jié)磁場電流（簡稱調(diào)磁）的辦法來調(diào)速的，屬恒功率調(diào)速；從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速，是利用調(diào)節(jié)電樞電壓（簡稱調(diào)壓）的辦法來調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
3.2.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)時(shí)，必須要考慮電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。
在設(shè)計(jì)分級變速箱時(shí)，考慮機(jī)床機(jī)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=。功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。
2、 取變速箱的公比小于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即<。這時(shí)在主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖上有小段重合，變速箱的變速級數(shù)將增多，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
3、 取變速箱的公比大于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即>。這時(shí)變速機(jī)構(gòu)簡化了，但存在恒功率變速段不連續(xù)，中間有恒轉(zhuǎn)矩過渡，這樣電機(jī)的利用率得不到充分的利用。
故本設(shè)計(jì)取第一種情況=計(jì)算。
1）中型銑床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為
159.24 r/min
式中————主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
————主軸的最小轉(zhuǎn)速
————主軸的變速范圍
2）確定主軸要求的恒功率調(diào)速范圍
==25.119325.12
式中————主軸要求的恒功率調(diào)速范圍
————主軸的最大轉(zhuǎn)速
————主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
3)確定電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍
本設(shè)計(jì)初定采用交流調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min計(jì)算。
==3
式中————電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍
————電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速
————電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速
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)對電動(dòng)機(jī)的輸出功率要求。
4）確定主軸變速箱的變速級數(shù)Z
如取變速箱的公比
則由于無級變速時(shí)
故變速箱的變速級數(shù)
2.93為變速箱的變速級數(shù)，應(yīng)取整數(shù)，故選變速箱的變速級數(shù)為Z=3。這時(shí)由上面知，主運(yùn)動(dòng)的功率為5.63，電機(jī)的功率應(yīng)取7.5，才能滿足要求。所以可選北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，連續(xù)額定輸出為7.5。
3.3主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)副設(shè)計(jì)
一、轉(zhuǎn)速圖的確定
本次主傳動(dòng)設(shè)計(jì)的總體方案如下圖3-3所示
圖3-3 數(shù)控銑床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)的總體方案
傳動(dòng)副的極限傳動(dòng)比和傳動(dòng)組的極限變速范圍。從圖3-3可以看出，從電機(jī)軸到I軸為齒輪副降速傳動(dòng)，取傳動(dòng)比 ，則當(dāng)電機(jī)在最高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速為
（3-1）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速。
電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速為
（3-2）
式中————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)電機(jī)在高速4500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸應(yīng)獲得最大轉(zhuǎn)速4000r/min,由（3-1）式可知，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸經(jīng)齒輪降速后速度為2025r/min，要使主軸達(dá)到4000r/min，I軸到主軸II之間必為升速傳動(dòng)，如圖3-3左邊的一對齒輪嚙合；因機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，為防止振動(dòng)和噪聲，取I軸到主軸II的傳動(dòng)比。則此時(shí)主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-3）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)電機(jī)-I軸-主軸，主軸的轉(zhuǎn)速為
（3-4）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸應(yīng)獲得計(jì)算轉(zhuǎn)速=159.24r/min,由（3-2）式可知，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸經(jīng)第一對齒輪降速后速度為675r/min，要使主軸達(dá)到=159.24r/min,I軸到主軸II之間必為降速傳動(dòng)，如圖3-3右邊的一對齒輪嚙合；因機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，為了防止被動(dòng)齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，取I軸到主軸II的傳動(dòng)比。則此時(shí)主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-5）
式中————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
同用這對齒輪嚙合，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為高速4500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸II的轉(zhuǎn)速為
（3-6）
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸經(jīng)的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
現(xiàn)在已經(jīng)確定了電機(jī)到I軸的傳動(dòng)比，I軸到主軸II軸的兩組傳動(dòng)比為、。經(jīng)電機(jī)高速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得4000 r/min；經(jīng)電機(jī)額定速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得145r/min的轉(zhuǎn)速。滿足了主軸所需要的計(jì)算轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。I軸-主軸II的傳動(dòng)副為Z=3，現(xiàn)從已知的經(jīng)電機(jī)高速-I軸-主軸II軸（、）得到的恒功率范圍4000r/min-445r/min轉(zhuǎn)速中，選一個(gè)主軸中間轉(zhuǎn)速1350r/min來確定I軸-主軸II的另外一對齒輪副。
當(dāng)電機(jī)高速4500r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，I軸轉(zhuǎn)速=2025r/min，主軸轉(zhuǎn)速為=1345 r/min，則此時(shí)I軸-主軸II的傳動(dòng)比為
==
式中————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，II軸經(jīng)的轉(zhuǎn)速
————電機(jī)運(yùn)行高速時(shí)，I軸-II軸的傳動(dòng)比
根據(jù)以上的分析及計(jì)算，取公比=1.41，現(xiàn)將各軸間傳動(dòng)副的傳動(dòng)比按如下方式寫出：
電機(jī)軸與I軸之間
I軸與 II軸之間傳動(dòng)組
圖3-4為圖3-3傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速圖。圖中用距離相等的一組豎線代表各軸，軸號寫在上面。從左至右依次標(biāo)注電動(dòng)機(jī)軸、I軸、II軸，與傳動(dòng)系統(tǒng)圖（3-3）上各軸對應(yīng)。各軸之間傳動(dòng)比的大小用轉(zhuǎn)速連線的傾斜方向和傾斜程度表示。電機(jī)軸與軸I之間是降速傳動(dòng)，連線向下傾斜2格，軸I與軸II之間有3對傳動(dòng)副，連線分別為升2格、降1.2格和降4.7格。連線中的平行線代表同一傳動(dòng)比。
二、各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
主軸II軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速由前面的計(jì)算已經(jīng)確定為159.24 r/min，軸I的計(jì)算轉(zhuǎn)速可從主軸1599.24r/min按的傳動(dòng)副找上去，應(yīng)為724r/min。各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速如下：
表3－1 軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速表
軸序號
I軸
II軸
計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）
724
159.24
3.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算
一、確定齒輪的齒數(shù)
如上圖3-3，計(jì)算Z1和Z2這對齒輪。
1、電機(jī)軸上最小齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）選擇材料、精度及參數(shù)
a、選擇小齒輪的材料為40Cr表面淬火平均表面硬度為HRC50，選擇大齒輪的材料為45鋼表面淬火平均表面硬度為HRC45。
b、初選小齒輪的齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)
c、齒數(shù)比
d、小齒輪轉(zhuǎn)矩T
式中T———小齒輪轉(zhuǎn)矩單位
P————電機(jī)傳遞的功率單位
———小齒輪的轉(zhuǎn)速單位r/mm
e、選擇齒寬系數(shù)和傳動(dòng)精度等級 參照文獻(xiàn)[2]頁表18-12，取齒寬系數(shù)，初估小齒輪直徑，則齒寬
齒輪圓周速度
參照文獻(xiàn)[2]頁表18-3，選擇精度等級為8級。
（2）確定許用彎曲應(yīng)力
a、總工作時(shí)間 設(shè)機(jī)床工作預(yù)期壽命為10年（每年按250天計(jì)算單班工作），則總工作時(shí)間為
b、壽命系數(shù) 由文獻(xiàn)[4]頁式
式中N———應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
————齒輪每轉(zhuǎn)一周同一齒面的嚙合次數(shù)
———齒輪轉(zhuǎn)速，單位r/mm
————總工作時(shí)間，單位
由文獻(xiàn)[2]頁圖18-25，取彎曲壽命系數(shù)
c、彎曲疲勞極限由文獻(xiàn)[2]頁圖18-8 a取極限應(yīng)力
=350 MPa =350Mpa
d、尺寸系數(shù) 估計(jì)模數(shù),由文獻(xiàn)[2]頁圖18-26取尺系數(shù)
e、安全因數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11，取安全系數(shù)
f、計(jì)算許用彎曲應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁式18-21得
（3）確定許用接觸應(yīng)力
a、壽命系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-21得
b、接觸疲勞極限 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-4 a得
c、安全因數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11得
d、許用接觸應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁式18-16及得
（4）確定重合度系數(shù)、由文獻(xiàn)[2]頁式18-14計(jì)算重合度
由文獻(xiàn)[2]頁式18-13及頁式18-20可得
（5）確定載荷系數(shù)
a、使用系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-7取
b、動(dòng)載荷系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-14取
c、齒向載荷分布系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-16取
根據(jù)條件
查文獻(xiàn)[2]頁表18-8取
由文獻(xiàn)[2]頁式18-8、18-9
（6）齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算
a、齒形系數(shù)、 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-23取
b、應(yīng)力修正系數(shù)、 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-23取
c、由齒根抗彎疲勞強(qiáng)度條件求模數(shù)，由于
由文獻(xiàn)[2]頁式18-19，為滿足齒根抗彎曲疲勞強(qiáng)度條件，則需使模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)
（7）確定齒輪的主要參數(shù)
a、計(jì)算中心距
由文獻(xiàn)[2]頁表18-1取中心距a=125
b、齒輪分度圓直徑
c、齒輪寬度
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
（8）齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
a、彈性系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁表18-9，取
b、節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 由文獻(xiàn)[2]頁圖18-20，取
c、校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 由文獻(xiàn)[2]頁式18-11得，
（9）齒面靜強(qiáng)度驗(yàn)算
a、確定許用接觸應(yīng)力 由文獻(xiàn)[2]頁表18-11，取靜強(qiáng)度安全因數(shù)；由文獻(xiàn)[2] 頁表18-21，取壽命系數(shù)；根據(jù)文獻(xiàn)[2] 頁式18-22得許用接觸應(yīng)力
b、校核齒面靜強(qiáng)度 假設(shè)過載條件為，由文獻(xiàn)[2] 頁式18-22得齒面最大接觸應(yīng)力
由以上計(jì)算可知，齒面靜強(qiáng)度足夠
二.電機(jī)軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)如下表所示
表3－2 傳動(dòng)組主要參數(shù)表
傳動(dòng)組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
.2
35
77
2
70
154
28
24
三．確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)及其他參數(shù)
根據(jù)上面對齒輪的計(jì)算，我們由相同的方法，確定確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)：I軸到II軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)如下表所示
表3－3 I軸到II軸之間傳動(dòng)組主要參數(shù)表
傳動(dòng)組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
42
82
3
126
246
38
30
49
75
3
147
225
30
25
22
102
3
66
306
60
50
齒輪在軸上的齒輪齒數(shù)關(guān)系圖如下：
圖3-5 齒輪齒數(shù)關(guān)系圖
四，確定齒輪在軸上的軸向尺寸
為了使機(jī)床主軸箱軸向尺寸及軸頸的徑向尺寸不至于太大，這里選擇三聯(lián)滑移齒輪在軸上軸上位置排列方式為窄式排列。其排列方式及軸向尺寸如下圖：
圖 3-6齒輪軸向尺寸圖
3.5主軸組件設(shè)計(jì)
主軸在結(jié)構(gòu)上要處理好卡盤或刀具的裝卡、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙調(diào)整、主軸組件的潤滑和密封等一系列問題。
一 對主軸組件的性能要求
（1）旋轉(zhuǎn)精度：主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無卸荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心斷錐、錐孔）的徑向和軸向的跳動(dòng)，選擇精度取決與各個(gè)主要零件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配、和調(diào)整精度。工作轉(zhuǎn)速下的選擇精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)
速、軸承的性能、潤滑劑和主軸組件的平衡。
（2）度：主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，滾動(dòng)主軸的型號，數(shù)量、和配置形式，前后支撐的跨距和主軸前懸伸，傳動(dòng)件的布置方式等。
（3）溫升：溫升將引起熱變形，使主軸伸長，軸承間隙變化，降低加工精度；溫升也會(huì)降低潤滑劑的黏度，惡化潤滑條件。
（4）可靠性：數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化機(jī)床，必須保證工作可靠性。
（5）精度保持性：對數(shù)控機(jī)床主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。
二 主軸
1,確定主軸的直徑
車床因裝配的需要，主軸直徑常常是自前逐步減小的。前軸頸D1大于后軸頸D2，一般D2=（0.7-0.9）D1。幾種常見的車床鋼質(zhì)主軸前頸可參照下表選取。
表3－4 主軸前頸直徑表
主電機(jī)功率（kw）
5.5
7.5
11
15
臥式車床（mm）
60-90
75-120
90-120
100-160
本設(shè)計(jì)電機(jī)功率為7.5kw，故選取D1=（75-110）mm，在此選D1=100mm，則：
D2=（0.7-0.9）D1
= (0.7-0.9)X100
=（70-90）mm
取D2=70mm。
2,確定主軸的跨距
主軸的跨距是指前后支承間的距離。由前面確定的三聯(lián)齒輪及主軸上齒輪的布置，現(xiàn)在確定主軸的垮距為。
3,主軸的剛度計(jì)算
由前面的設(shè)計(jì)可知道，主軸的最小軸徑為，現(xiàn)在我們驗(yàn)算它的剛度。由扭轉(zhuǎn)剛度軸徑計(jì)算公式
式中———軸端直徑，單位
————軸所傳遞的扭矩，單位； ;
———軸所傳遞的功率，單位；
———軸的工作速度，單位r/min；
———許用扭轉(zhuǎn)角, 取=0.25度/米；
———空心軸的內(nèi)徑=56mm與外徑=70mm之比；
;
將數(shù)據(jù)代入扭轉(zhuǎn)剛度公式得
從上面可以看出，由扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算出來的軸端直徑為，而我們所設(shè)計(jì)的軸端最小直徑為，其他各段直徑是按此直徑加粗的，所以，軸的剛度合格。由材料力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)的知識可知，軸的剛度足夠的話，其強(qiáng)度必定足夠。 所以，所設(shè)計(jì)的主軸剛度強(qiáng)度合格。
4,主軸的材料和結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)主軸部件的工作條件選定此次主軸的材料為45鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求選擇主軸端部錐孔莫氏錐度為莫氏6號。(莫氏錐度是一個(gè)錐度的國際標(biāo)準(zhǔn)，用于靜配合以精確定位。由于錐度很小，利用摩擦力的原理，可以傳遞一定的扭距，又因?yàn)槭清F度配合，所以可以方便的拆卸。在同一錐度的一定范圍內(nèi),工件可以自由的拆裝,同時(shí)在工作時(shí)又不會(huì)影響到使用效果,比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會(huì)影響鉆頭的中心位置.莫氏錐度，有0，1，2，3，4，5，6共七個(gè)號，錐度值有一定的變化，每一型號公稱直徑大小分別為9.045，12.065，17.78，23.825，31.267，44.399，63.348。主要用于各種刀具（如鉆頭、銑刀)各種刀桿及機(jī)床主軸孔錐度。）主軸調(diào)質(zhì)到224-250HBS，主軸端部錐孔、定心軸頸部分淬硬至50-55HRC。如下圖3-7。
圖3-7 主軸結(jié)構(gòu)尺寸圖
三 主軸軸承
本設(shè)計(jì)采用剛度速度型，前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承（7020 C），后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承（NN3014k）。主軸的動(dòng)力從后端傳入，后軸承要承受較大的傳動(dòng)力，所以采用雙列短圓柱滾子軸承。前軸承的配置特點(diǎn)是：外側(cè)的兩個(gè)角接觸軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力，第三個(gè)角接觸軸承則通過軸套與外側(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大支承跨度，以提高承受顛覆力矩的能力。主要用于臥式銑床主軸，要求徑向剛度好、并有較高的轉(zhuǎn)速。
四 主軸組件的潤滑與密封
潤滑的作用是阻止設(shè)備潤滑劑的泄露和外界污染物的進(jìn)入。本設(shè)計(jì)主軸端用氈圈密封（如圖3-8）和迷宮密封（如圖3-9）。本次設(shè)計(jì)支承采用的是滾子軸承和角接觸球軸承，采用油脂潤滑。這樣操作起來較方便，且不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油現(xiàn)象。
圖3－8 后端主軸氈圈密封
3－8 前端主軸迷宮密封
參考文獻(xiàn)
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［9］ 卜炎主編, 《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊》：機(jī)械工業(yè)出版社，2006
致 謝
首先，我要感謝老師。在他的精心指導(dǎo)和大力支持下終于完成了數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我萬分的感謝他給我的寶貴的意見和鼓勵(lì)。
同時(shí)，我深深謝謝邢金嶺院長、宋力宏老師、房金卓老師、杜君文老師、鄧廣敏老師等等，在他們的教育和課堂上是我受益匪淺，得到了不少對我論文有幫助的知識和想法，另外，還有對我無言幫助的同學(xué)和朋友們，在這里請接受我誠摯的謝意！。
我也非常感謝我的家庭。在學(xué)習(xí)和生活上，他們一直都很支持我，使我能全身心的投入到學(xué)習(xí)中。
最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師。感謝你們抽出寶貴的時(shí)間來閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)。