卧式加工中心主传动系统模块设计说明书

  卧式加工中心主传动系统模块设计说明书卧式加工中心主传动系统模块设计 卧式加工中心主传动系统模块设计 摘    要 加工中心它是一种既具备刀库还能够自动的去更换一些刀具用来多工序加工工件的数控机床。它把电子技术、气动技术、现代控制的理论、机械技术、计算机软件技术、拖动技术、测量和传感技术、应用编程和通讯诊断等很多高技术集于一身。加工中心更适合精度要求很高的、加工程序多的、形状复杂的、很多工艺装备和要用很多种类型普通的机床。要多次调整多次装夹才能够加工完成的零件。数控加工中心主传动系统是由主轴组件、主轴电动机、转动系统组成。这篇文章简单的去论述了关于加工中心的发...

  卧式加工中心主传动系统设计 卧式加工中心主传动系统设计 摘    要 加工中心它是一种既具备刀库还能够自动的去更换一些刀具用来多工序加工工件的数控机床。它把电子技术、气动技术、现代控制的理论、机械技术、计算机软件技术、拖动技术、测量和传感技术、应用编程和通讯诊断等很多高技术集于一身。加工中心更适合精度要求很高的、加

  序多的、形状复杂的、很多工艺装备和要用很多种类型普通的机床。要多次调整多次装夹才能够加工完成的零件。数控加工中心主传动系统是由主轴组件、主轴电动机、转动系统组成。这篇文章简单的去论述了关于加工中心的发展的新趋势和功能，通过加工中心项目的开发，全面论述和总体

  和拟定过程。参考了国内外的加工中心的机床的布局、实施的课行性、市场的竞争力、经济因素、机床的参数等因素，然后在结合实际设计的方案。主要内容有确定传感的方案、电动机选择、齿轮的校核和设计、拟定的转速图、主轴设计各种动轴刚度的校核和动轴的设计。论文对卧式加工中心主转系统来进行了计算与

  ，包括有齿轮的齿轮弯曲应用的计算和接触应用的计算，轴的饶度计算和弯曲应用的计算，还有轴承寿命的计算。本文的研究应用了很多先进的手段来更好的完成卧式加工中心的设计，以及机床外观初步的方案。这样做才能够使得产品设计的过程可视，同样也大大的提高了设计的效率。 关键词：传动系统，加工中心 Horizontal Machining Center Transmission Design Abstract The machining center it is not only with a knife but also can automatically to replace the CNC machine tool for machining some workpieces. The electronic technology, pneumatic technology, modern control theory, mechanical technology, computer software technology,drive technology, measurement and sensor technology, application programming and communication diagnosis etc. many high technology in a body. Complex shape machining center is more suitable for high precision processing, program, process equipment and manyto many types of ordinary machine tool. To repeatedly adjust multiple clamping processing tofinished parts. The main drive system of CNC machining center is composed of spindle,spindle motor, rotation system. This article simply to discuss the development trend of the processing center and function, through the development of the processing center project,discusses the design method and the overall scheme and the process of drafting. With reference to the processing center at home and abroad, the layout of the machine classimplementation, market competitiveness, economic factors, machine parameters, and in combination with the actual design scheme. The main contents are to determine the sensingscheme, motor selection, design and verification, the proposed gear speed diagram, spindle design dynamic check shaft stiffness and dynamic shaft design. The horizontal machining center main transfer system was calculated and analyzed, including the calculation of the gear bending application of gear and contact applications, calculation calculation of shaft and bending curvature of the application, and the bearing life calculation.Design of horizontal machining center in the completion of this study on the application of many advanced techniques to better, and the appearance of the preliminary design of machine tool. This makes the process of product design and visual, also greatly improve the efficiency of the design. Key words: horizontal machining center, transmission Systerm 目    录 第1章 绪 论    1 1.1  课

  背景     1 1.3 加工中心的定义    3 1.4 加工中心的特点    3 1.5卧式的主要加工对象    5 1.6 加工中心的机构构成    6 1.6.1 基础部件    6 1.6.2 主轴部件    6 1.6.3 数控系统    7 1.6.4 自动换刀系统    7 1.6.5 辅助装置    7 1.7加工中心的工作原理    7 第2章  总体设计    8 2.1概述    8 2.2 主传动系统的设计要求    8 3.1 加工中心主传动系统的要求    8 3.1.1 调速功能    9 3.1.2动态响应性能    9 3.1.3 精度和刚度要求    9 3.1.4 抗振性和热稳定性要求    9 3.1.5 具有刀具自动夹紧的功能    10 3.1.6 功率要求    10 3.1.7 主轴定位功能要求    10 3.2主传动系统主要技术参数    10 3.2.1 主运动变速系统主要参数    10 3.2.2 主传动功率    11 3.2.3 选择电动机型号    11 3.3主传动变速系统设计    11 3.3.1主轴箱传动系统图    12 3.3.2 转速图的拟定    13 3.3.3各轴计算转速    14 第 4章 主传动系统设计    14 4.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数    15 4.2齿轮齿数的确定    15 4.3齿轮模数的估算    15 4.4按齿面接触疲劳强度校核齿轮模数    17 4.5估算各传动轴直径与各轴的材料选取    19 4.6 传动轴的弯曲刚度验算    20 4.7花键键侧挤压应力计算    24 4.8联轴器的选择    25 4.9 键的选择    25 第5章 主轴及其重要组件的设计    26 5.1主轴的要求    26 5.1.1回转精度    26 5.1.2 静刚度    26 5.1.3 抗振性    26 5.1.4 升温和热变形    26 5.1.5 耐磨性    27 5.1.6 材料和热处理    27 5.1.7 主轴的结构    27 5.1.8主轴轴承的选择    27 5.2主轴的结构尺寸设计    27 5.2.1主轴直径的确定    28 5.2.2主轴的结构尺寸设计    28 5.2.3主轴内孔直径    28 5.2.4主轴轴端结构    29 第6章  绘制总装配图及其重要零件图    30 结  论    31 致谢    32 参考文献    33 第1章 绪 论 1.1  课题背景  装备制造业是为国防建设以及国民经济的发展提供一些技术装备基础性的产业，带动着相关产业高质量发展也为国民各个部门提供了工作母机。它不仅是国民的经济生命线而且还是工业的心脏，同样也是支撑着综合国力重要的基石。实现装备的现代化和制造技术的关键就是机床，他是制造业工作母机，使能确保国防军工的现代化以及高技术的产业高质量发展，所以在国际上的一些很发达的国家是一直把高性能的数字控制机床当做现代化的战略装备。因此，在国际上的很多发达国家把数控机床当做战略的物资给以严加控制，并且限制其他几个国家进口一些高性能的数控机床。 伴随着现代社会制造业和科学技术的进步，机床的工作作为为国防的军队工业还有制造业基础的产业高质量发展的基础，他的作用还有地位逐渐变大，数控的机床它作为先进的产品，已经是用来实现装备现代化很关键的设备，数字控制机床有着性能水平和量的高低，他是去判断国家的总实力一个重要指标，全力发展装备的制造业首先就要去发展机床的工业，而且最重要的事要去发展数控的机床。 从现在社会看，与世界上的机床工业相比较，我国的机床工业还是有很大的差距的：一是机床的系统发展和数控功能都是很落后的，我国的数控机床的发展瓶颈就是这一个；二是数字控制机床的装备和技术水平都很低，中和管理、服务能力还有制造能力都是不能去满足现代市场的发展。换句话说，我国在这方面的发展大多是依靠着中低档的机床数量膨胀，而在那些技术上的含金量很高的、利润很大的、持续的生命力很强的市场，我们的差距就很大了；三是我国高档的机床在数量、水平、和品种上都满足不了国内的发展要求，所以很多依然需要进口。 就拿加工中心来说，国内的加工中心以基本的可靠性能、低廉价格和基本可靠的质量作为大部分市场，而那些卧式的加工中心，自动化的程度高、适用的广泛而被大量的生产和配置，现在汽车及配套生产线差不多全部是进口的卧式加工中心主导的 1.2 卧式加工中心机床的发展趋势   （1）高速化 ，生产率的提高是所追求的基本的目标，要想发挥刀具材的料性能，机床的高速化是必不可少的，它不但能够大幅度的提升工作的效率还能大大的提升零件表面的精度和加工质量，减少相关成本。从而对实现高效的、低成本的、优质生产有着广泛适应性。  （2） 高自动化，高自动化就是在整个加工的过程中减少人工的操作，自动的去达成目标，它包括物料流自动化和信息流的自动化 （3）高精度化 ，科学技术的发展，新零件和新材料的出现，都要求加工技术更加精密，发展超精密的加工机床，提高加工的精度，更加完善技术，才能适应现代社会的发展，也是机床发展的方向之一。 （4）智能化，在计算机的领域上，人工智能不断的发展和渗透，为了适应自动化、制造产业生产的柔性，智能化成为了机床发展和要就的一大特点，它不仅贯穿产品售后维修和服务，而且还贯穿生产的加工全工程，（如智能编程、智能数据库）现在主要的技术有：第一，自适应的控制技术 他是能够准确的通过切屑的条件变化，自动的去调节工作的参数，从而使工艺流程更好的工作，得到更小的表面粗糙和更高的加工精度，提高设备的生产效率和刀具使用的寿命，改进系统的运作时的状态。例如检测切屑过程的刀具破损、切屑力、零件的质量、刀具的磨损等，及时反馈信息，并且通过监控、过程控制和优化结合一起，能达到自我的调节。第二，智能化的交流伺服的驱动技术，现在慢慢的开始研究关于自动调节参数和自动识别的智能系统，包括智能的去给伺服系统装置和和智能的主轴交流驱动装置，从而使系统更好的运行。第三，股沾自修复、自诊断技术在系统工作时，可以每时每刻对系统本身和各种相连的设备做检车和自诊断。在发生故障的时候，会马上采取停机措施，进行报警，并且提示故障的原因还有部位，运用技术，使故障的模块脱机，从而连接备用的模块，能确保在没有工作人员的时候，仍然能够顺利的进行。第四，专家技术，在计算机中存入一些专家的经验和切屑加工的一般规律，用加工工艺的参数数据库来建立一个人工智能的系统。提高优化参数，从而使整个加工系统总是保持在最经济和最优的状态，以达到提高编程的效率，且能缩短生产的准备时间。 1.3 加工中心的定义 加工中心是一种可以自动的更换刀库里的刀具来进行很多工序的加工的数控机床。它不仅省时、节能和省力，而且综合了拖动技术、机械技术、电子技术、现代控制理论、传感以及测量技术、计算机软件技术、刀具和编程技术和通讯技术的产品。在一台加工的设备上将数控铣床、数控钻床、数控镗床聚集在一起，而且带有可以自动换刀的装备和刀库。可以在安装工件后，按照不同的工序去自动的更换和选择刀具，自动的去改变机床的主轴转速。可以依次的完成多工序和多面的孔系、环形槽、攻螺纹、端平面、攻螺纹以及内外倒角等加工。这样做才能够减少装夹、调整时间和工件测量，减少搬运存放的时间和工件周转，这样可以提高切屑的利用率，可以达到80%，比普通机床高很多倍。而且是生产率最高和自动化程度最高的综合性的机床。 1.4 加工中心的特点 （1）工序集中，加工中心可以自动的换刀，自己具备刀库，而且还可以多工序的加工。现代的加工中心很大程度的把工件在一起装夹，这样可以实现多工位的连续、多表面、高精度、高效的加工，这就是加工中心最突出的特点。 （2）加工精度高，和其他数控机床一样，加工中心也有很高的加工精度，由于加工中心有着工序集中加工的手段。一次安装可以加工零件上的大部分分待的加工表面，避免了多次装夹而产生的误差，可以保证工件尺寸的精度以及加工表面的相对位置精度。加工中心是程序控制自动的执行，减少了人为操作而产生的误差。运用加工中心高的定位精度、重复定位精度和位置补偿的功能，从而使加工精度提高，加工的质量稳定。 （3）经济效益好，加工零件的时候，虽然费用比较昂贵，但是在小批量、单件生产的时候，是可以节省很多别的费用的。就是因为数控加工，可以不需要专用的钻模等设备，节省了加工之前的划线工时，将零件安装在机床从而能够大大减少检验、加工和调整时间。加工中心是很稳定的，这样做才能够减少废品，从而进一步降低了成本。 （4） 生产效率高 ，加工零件需要辅助时间和机动时间两个部分，而加工中心大大减少了这些时间。加工中心的转速和主轴进给量可以大范围的调节，将适合的切屑用量用到没一道工序上，良好结构的刚性使得加工中心可以强力切削，大大节省机动的时间。加工中心快速的移动和部件定位都是运用了减速和加速的措施，运用空行程运动速度，相比一般的机床，消耗在快进、定位和快退的时间要少。加工中心在更换零件的时候是不用重新去调整机床的。零件安装在定位夹紧中，在停机的时候可以进行零件的安装，从而节省了很多时间。在加工工件的时候，工序的高度集中很大程度上减少了半成品的存放、搬运和周转的时间，从而提高生产效率。 （5） 适应性强，加工中心的信息都是来自外部，像是USB接口介质、光盘、软盘等或者直接在线控制。如果加工的对象改变的时候，除了解决毛坯装夹方式和更换刀具，只要重新去编织程序，运用新的程序就可以对新的零件进行加工了，这样降低了生产的准备周期，同时也节约了装备费用。这些对于小批量的零件还有新品和单件的生产提供了很多方便，当然，它同样可以加工很多精密复杂的零件，这是普通机床难以做的。 （6）劳动强度低，加工中心去加工零件的时候是按照事先做好的程序去操作的，操作员只需要操作键盘、装卸零件观察机床的运行以及中间测量之外，就不需要重复手工性的操作了，大大降低劳动强度。而且，加工中心的结构是全封闭式的设计，工作人员在外面监控，这样的工作条件相对较好，切削和冷却液等都不能影响到工作环境。 （7）现代化的生产管理。运用加工中心生产，可以准确的计算加工时间，简化半成品和工夹具的管理以及简化检验等工作。有利于现代化的管理。现在已经开发生产管理的模块，运用了计算机辅助去管理。使用标准代码的输入和数字信息，很适合联网管理。现在流行的CIMS、ERP、FMS等都需要加工中心应用。 1.5卧式的主要加工对象 （1）普通的机床难加工、 结构复杂的零件。一些复杂的零件加工，需要很多坐标的联动加工。这是普通机床无法实现的。而加工中心是这种零件的最佳选择，常见的零件有整体叶轮类、凸轮类、模具类。 （2）外形不规则零件。异形零件是那些形不规则零件，是需要点、线、面点多工位的混合加工。如支架、拨叉、基座等。异形零件是外形不规则，用普通机床只能工序分散的加工，要很多工装，时间较长。用加工中心的多工位线、面、点混合的加工特点，是可以去完成大部分或者全部工序的内容。 （3）既有孔系又有平面。加工中心有自动换刀的装置，一次安装，是可以完成 螺纹切削、孔系的铰削、平面的铣削、镗削以及钻削等多工步的加工。不仅能够在一个平面而且还能在不同的平面上。所以对于孔系又有平面的零件，加工中心第一要选的事加工的对象，常见零件盘、板、箱体和套类零件。 （4）周期性的投产零件 。加工零件的时候需要的工时包括准备时间和基本时间，准备时间比例大，像是工艺准备、零件首件试切、程序编制等，这些时间是单件时间的很多倍。而加工中心能够把这些时间储存起来，反复使用。这样，对周期性投产的零件，生产周期就可以大大缩减。 （5）试制中的零件。产品定型前，是需要反复的改进和实验的，而用加工中心去试做，可以减少很多普通机床加工试制的工装如果零件需要修改，去调整夹具、刀具以及调整相应的程序就行，节省了很多费用，缩短了试制的周期。 1.6 加工中心的机构构成 1.6.1 基础部件 如图1.1所示，基础结构，有床身、工作台、立柱等组成，不但要承受静载荷，而且还承受切削加工时产生的动载荷，因此加工中心基础部件需要有足够刚度。大件可以是焊接也可以是铸铁件成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的部件。 图1.1 加工中心的组成 1-X轴直流伺服电动机；2-换刀机械手；3-数控柜；4-刀库；5-主轴箱； 6-操作面板；7-驱动电源柜；8-工作台；9-滑座；10-床身 1.6.2 主轴部件 由主轴箱、主轴、主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止、变速等动作均由数控系统控制，通过主轴上刀具参与切削的运动，切削加工功率输出的部件。主轴是关键部件，结构的好坏会给加工中心性带来很大影响，它决定加工中心切削性能、加工精度、动态刚度等。 1.6.3 数控系统 单台加工的数控是由电机、可编程控制器、伺服驱动装置、以及CNC装置等部件组成。CNC装置它是位置控制的系统，控制过程是先输入信息，进行数据插补运算以及处理，得到理想运动的轨迹信息，输出给执行部件，然后加工得到需要的工件。编程控制器去代替普通机床的电气柜，执行系统的指令，来控制机床去执行动作。系统主要有：控制功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符图形显示功能、第二辅助功能、通信功能、自诊断功能、人机对话的编制功能、补偿功能等。 1.6.4 自动换刀系统 该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型装置，它解决工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具自动存储、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程所使用的全部刀具的装置，刀库有盘式、鼓式、链式等多种形式，容量从几把到几百把，当需换刀时，根据数控系统指令，由机械手将刀具取出装入主轴孔中。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同也有多种形式，如双臂式、单臂式、轨道式、回转式等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。 1.6.5 辅助装置 包括冷却、液压、排屑、气动、防护、检测系统、润滑等部件。这些不直接参与切削的运动，但是加工精度、可靠性、加工效率有着保障的作用，所以是加工中心必需的部分。 1.7加工中心的工作原理 根据图纸，制定方案，运用计算机编制零件和加工程序，将零件需要的工艺参数和各种动作变成数控装置中可以接受的信息，而且把代码存在信息的载体上，把信息的载体送进输入的装置，读出信息和送入数控的装置。进入数控信息，通过运算转变和处理成脉冲信号。 第2章  总体设计 2.1概述 主传动系统用来去实现机床的主运动传动的系统，有着一定变速和一定转速的范围，采用不同的材料的刀具，加工不同尺寸、不同要求、不同材料、的工件，而且方便实现运动开停、换向、变速和制动。  2.2 主传动系统的设计要求 （1）主轴有足够转速的范围和一定转速、转速级数，可以达到运动变速、开停、制动和换向，来满足机床运动的要求。  （2）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，满足经济性要求。  （3）主电动机有着全部结构、元件和足够的功率，足够的刚度和强度，来满足动力的要求。  （4）调整维修的方便，操纵的灵活可靠，润滑的密封良好，来满足机床使用的要求。 第3章 加工中心主传动系统设计要求 3.1 加工中心主传动系统的要求                                      加工中心主传动系统是由主轴的传动系统、主轴的电动机和主轴的组件组成。是主要的组成部分。与常规的机床系统相比，加工中心主轴有更高回转精度、转速和更高的抗振性和结构刚性。更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精度，所以系统必须要满足如下的要求。 3.1.1 调速功能 适应各种材料、刀具、以及不同的工序等切削的要求，主轴要有一定调速的范围，来确保加工的时候用合理切削的用量，得到最好的切削效率、表面质量和加工精度。调速范围指标，运用加工的工艺要求主轴最低速度和最高速度，现在加工中心主轴已经基本上实现了变速。 3.1.2动态响应性能 调速时运转的平稳，升降速，时间要短。有些机床要同时可以完整正反转切削，因此要求换向时都可以自动的变速控制。 3.1.3 精度和刚度要求 较高的刚度和精度，传动平稳，噪声低。精度与主轴系统的精度有很大的关系。主轴精度有运动精度和旋转精度。指装配后，在低速转动和无载荷的条件下，前端工作轴向和径向的跳动值。主轴的部件旋转精度决定于部件中的零件的调整精度、几何精度和装配精度。运动精度通常和低速状态或静止的旋转精度差别很大，中心位置的不断变化，及时主轴的轴心漂移。取决主轴的部件、轴承性能和工作速度的平衡。静态的刚度表现主轴零件或部件抗静态外载能力。加工中心常用抗弯刚度来衡量主轴的部件刚度。 3.1.4 抗振性和热稳定性要求 由于加工不均匀、运动速度高以及不平衡、切削的自振和断续切削等原因造成的交变力和冲击干扰。从而主轴产生了振动，降低了加工精度，甚至破坏了主轴零件和刀具。主轴发热使零部件变形，破坏运动精度、相对位置精度、造成了加工的误差。所以，主轴组件必须有固有的频率，合适的配合间隙进行循环润滑。 3.1.5 具有刀具自动夹紧的功能 突出特点自动换刀的功能。能够保证加工的过程连续实施，与其他主轴的系统相比，具有刀具自动夹紧的功能是保证机器的运行更好方法。 3.1.6 功率要求 主轴系统能够有足够的驱动功率或者输出转矩，整个速度的范围内可以提供切削所需的功率转矩，来满足机床的强力切削要求。 3.1.7 主轴定位功能要求 主轴准停功能，就是当主轴停止了，自动换刀所需的功能。切削转矩是通过刀杆端面键去传递的，主轴必须有准确定位于圆周特定角度的功能。通过前壁小孔镗的内壁同轴大孔，进行反倒角加工，主轴实现准停，刀尖要停在固定方位，主轴偏移一定尺寸之后大刀刃通过前壁小孔到箱体对大孔镗削。 3.2主传动系统主要技术参数 HMC50是中等规格的卧式铣镗加工中心，工作台面积500×500mm，允许最大荷重500kg，主轴锥孔ISO 7:24，工作台最大行程X 700mm，主轴箱最大行程Y 650mm,立柱最大行程Z 600mm,工作台回转B 360×1°，主轴转速范围75-850r/min，刀库容量40/定点(带预选功能)，电动机功率7.5kw/10kw，转速为730r/min和980r/min。转数级数为8 3.2.1 主运动变速系统主要参数 动力参数和运动参数。动力参数是主运动变速的范围。运动参数是主运动的驱动电机功率，主传动中动件尺寸是根据传动的功率确定。功率过大，转动件的尺寸粗大，电动机总在低负载工作，浪费能源；功率过小而降低生产的效率。 3.2.2 主传动功率 机床主传动的功率P可根据切削功率 与主运动传动链的总效率η来确定  。 表3.1 动力参数的选取 加工中心的加工范围一般都比较大，切削功率 可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力 按下式来确定 主传动的总效率一般可取为 ，加工中心的主传动采用双速调速电机来实现，传动链较短，因此，效率可取较大值。                3.2.3 选择电动机型号 表3.2 电动机相关参数 3.3主传动变速系统设计 双速电机在一定的范围内能够提供稳定的转数，通过调节双速电机的不同功率和转数来为加工中心提供需要的转速，性能稳定。因此本设计采用双速电机定比传动。 3.3.1主轴箱传动系统图 设计主轴箱传动系统我们要从多方面下手，既要考虑结构的大小，还要考虑到结构的合理性。在设计过程中，尽量做到部件耐用的同时还能降低成本。因此采用齿轮变速组和一级定比传动的机床，用滑移齿轮的移位来实现主轴变速，综合考虑各因素，拟订传动系统示意图。 图3.3 传动系统图 初设定齿轮齿数 Z1=35，Z2=80，Z3=54，Z4=61，Z5=28，Z6=57，Z7=57， Z8=28，Z9=32，Z10=65 电机的转速为730/980r/min，由公式 同上面的方法计算查标准数列表可得主轴的转速为75r/min, 106r/min, 150r/min  ,212r/min , 300r/min, 425r/min, 600r/min, 850r/min 3.3.2 转速图的拟定    我们在设计转速图的时候一般要遵循前多后少、前松后紧、前缓后急等原则，在特殊情况我们要灵活掌握。转速图还要能够完整直观的地描述出系统运动状态。首先根据最高转速和最低转速确定变速范围 ，确定转速级数 ，计算出公比， 由公式 ：                                                    由于转数级数选取为Z=8，可得公比 ， 代入数据，计算可得 =1.41，结构式确定为 。为了避免扩大传动误差，减少振动噪声，主传动各变速组的最大变速范围 ； 检查变速组的变速范围是否超过极限值时， 只需要检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小。只要最后扩大组的变速范围不超过极限值，其他的变速组便不会超出极限值。结构式为 ， =1.41，其最后扩大组的变速范围 。其变速范围小于 值，符合要求，其他变速组的变速范围肯定也符合要求。 绘制转速图如图3.4 图3.4 转速图 3.3.3各轴计算转速 已知主轴的转速范围是75r/min-850r/min.即nj为主轴第一个（低的）三分之一转速范围内的最高一级转速，即nj=150r/min 各轴的计算转速见表3.3 表3.3 各轴计算转速                                          单位：r/min 第 4章 主传动系统设计 4.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 根据选定的传动方案，选用直齿圆柱齿轮，齿轮的精度等级选用6级精度，小齿轮材料为40Cr(调质处理)，硬度为280HBS，大齿轮材料为40Cr(调质处理)硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 4.2齿轮齿数的确定 确定变速组齿轮齿数时，应注意下列问题：①机床主传动齿轮一般取 大于18～20，以避免发生根切。②保证强度和防止热处理变形过大，套装在轴上的齿轮，齿根圆到键槽的壁厚要大于2倍的模数。③为了缩短变速箱径向尺寸及降低齿轮线速度，齿数和应取少些，中型机床一般取 。因此初设定的各齿轮齿数符合要求，所以各齿轮齿数如表4.1 表4.1各齿轮齿数 4.3齿轮模数的估算 为了设计与制造的方便，同一变速组的齿轮模数应相同，所有齿轮中首先选择载荷较重的小齿轮按轮齿弯曲疲劳强度进行估算,齿轮的相关参数选取见表4.2。 (4.1) 表4.2齿轮的相关参数 (齿数35) 注：齿数比 ，齿宽系数 ，许用齿根应力 ， 按剃齿、磨齿查表 齿轮的模数估算由公式4.1得 由P=7.5kw  n=730r/min  K=1  =4.3  =6 =35  =504带入计算得: 初步选取模数为2mm 其他齿轮模数的计算方法同上， 计算结果见表4.3。 表4.3 齿轮模数的选取 4.4按齿面接触疲劳强度校核齿轮模数 装配草图完成后，验算齿轮的模数是否满足要求。若不满足要求时，可采取调整齿宽、改换齿轮材料，或重新选择齿轮齿数和模数等措施，齿轮验算时的相关参数见表4.4。 (4.2) 表4.4 齿轮的相关参数 注：变动工作用量系数 ，工作期限系数 ，动载系数 ，名义切向力 ，齿轮分度圆圆周速度 ，齿向载荷分布系数 ，许用接触应力 齿轮的模数验算由公式4.2得 选取  =1.1  =1.0088  =1.06 =1.105  =1.19 P=7.5kw  n=730r/min  =35 经验算得模数mH=1.764mm, 小于2mm 所以所选取的模数满足强度要求。 其余齿轮的模数验算方法同上，经过校核，其余齿轮的模数同样满足要求 4.5估算各传动轴直径与各轴的材料选取 (4.3) 式中：d—— 为轴危险截面处的直径 (mm)； ——该传动轴的输入功率 (kw)； ——电动机额定功率 (kw)； ——该轴的计算转速 (r/min)； ——该轴允许的扭转角 (deg/m)。主轴 ；一般传动轴 。 ——从电动机到该传动轴之间传动件传动效率的乘积，传动件的效率概略值见表4.5； 表4.5 常用传动件效率概略值 用花键轴时，可将估算的d值减少7%为花键轴的小径，再选标准的花键轴。 Ⅰ轴的材料选用45钢(调质处理)，由公式4.3得轴的最小直径为 Ⅱ轴的材料选用45钢(调质处理)，由公式4.3得轴的最小直径为 Ⅲ轴的材料选用45钢(调质处理)，由公式4.3得轴的最小直径为 主轴的材料选用45钢(调质处理)，由公式4.3得轴的最小直径为 4.6 传动轴的弯曲刚度验算 弯曲刚度验算时只需验算传动轴的薄弱环节的挠度和倾角。挠度一般只验算受力最大的齿轮处即可。倾角验算支反力最大的支撑处，若支撑处倾角小于安装齿轮处的许用值，则齿轮处的倾角可以不验算，轴的弯曲刚度许用值见表4.6。 表4.6 轴弯曲刚度许用值 校核Ⅰ轴在小齿轮(Z=35)啮合状态下的挠度和倾角 计算Ⅰ轴上小齿轮(Z=35)的转矩 计算Ⅰ轴上小齿轮(Z=35)所受的力，小齿轮受力分析如图所示图4.1 图4.1 轴上小齿轮啮合的受力分析 （4.4）                                  式中：T ——小齿轮传递的转矩 ——小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径 ——啮合角，对标准齿轮 。 由公式4.4得: FTx= Ftxtanα=2803.3Xtan20=1020.3N Ⅰ轴的计算简图可简化为外伸梁，如图4.2。 图4.2 轴的挠度与倾角简图 计算A、B两点的支承反力 Ⅰ轴的抗弯断面惯性矩 小齿轮进入啮合状态时，在，径向力作用下Ⅰ轴上载荷点和悬臂端产生的挠度。载荷点F的挠度 悬臂端C点的挠度 载荷点的倾角        左支承点的倾角 右支承点的倾角 在切向力作用下挠度及转角计算载荷点F的挠度 悬臂端C点的挠度 在小齿轮(Z=35)进入啮合状态时，Ⅰ轴上载荷点和支承点的倾角 载荷点的倾角    左支承点的倾角    右支承点的倾角 挠度合成 yF= = =0.00516mm Yc= = =0.0237mm 转角合成 A= = =0.00166rad B= = =0.00023rad F= = =0.00177rad 经校核知在小齿轮啮合状态下，Ⅰ轴的挠度和倾角满足要求。 同上面的方法，经校核知在大齿轮啮合状态下，  Ⅰ轴的挠度和倾角满足要求。 4.7花键键侧挤压应力计算 已知：花键的大径D=40mm，花键的小径 ，花键的长 ，花键的键数 ， 。 (4.6) 式中 ——计算挤压应力(MPa) [ ]——许用挤压应力(MPa)，见表4.7 ——花键轴传递的最大转矩( ) D、d——花键轴的大径、小径(mm) N——花键的齿数， k——载荷分布不均系数，k=0.7~0.8。 由公式4.6得 经计算知花键键侧的挤压应力为5.52 MPa，满足许用值。由公式可知当其他不变而增加花键的长度时，花键的侧挤压应力会减小，同时满足花键的强度。所以可以取大于满足其强度条件的花键长度。 同理校核其他花键的强度满足使用要求。 表4.7  花键键侧的许用挤压应力 4.8联轴器的选择    由于Ⅰ轴与电机直接相连，连接装置用联轴器，Ⅰ轴的最小直径是27.6mm。为了使所选择的轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器的型号。 联轴器的计算转矩Tca=KAT,考虑到转矩变化小，故取KA=1.3则： Tca= KAT=1.3X98116.4=127551.32N.mm 通过查手册，计算，我们选用公称转矩为315000N.mm的HL12型联轴器，选用长度为62mm孔径为28mm的半联轴器。 4.9 键的选择 根据各轴段的直径选择不同的键，如Ⅰ轴的最小直径是28，查表可知选择公称尺寸bXh为8X7的键，长度根据长度系列和齿轮的宽度选为28mm,同理可以根据不同的轴径选择不同的键。 花键的选择根据轴的最小直径减少7%来作为花键的小径，进而选择花键的尺寸。如Ⅱ轴最小直径为33.96mm。可选择花键的最小径为32mm ,根据国家标准，查表花键轴的大经为36mm,及选择型号为NXdXDXB=6X32X36X6的花键。 同理可选择Ⅲ轴的最小直径为37.6mm,查表，根据国家标准，取花键轴小径为36mm，大径为42mm，及型号为. NXdXDXB=8X36X40X7的矩形花键。 根据轴径的选取原则，选取较大的花键，因此Ⅱ轴和Ⅲ轴的花键选择NXdXDXB=8x42x46x7。 第5章 主轴及其重要组件的设计 5.1主轴的要求    5.1.1回转精度 在机床低转速，无载荷条件下，主轴的回转精度就是前段工件或刀具部位的纵向跳动和径向跳动。回转精度是影响机床加工精度的重要因素之一，所以在设计的时候要着重设计机床的精密部件，如主轴，轴承，箱体孔的制造等，主轴转速和性能，润滑剂，支撑的设计及主轴组件的平衡也会影响回转精度。 5.1.2 静刚度 主轴静刚度能反映结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量。主轴的尺寸和形状，滚动轴承的数量，型号，配置形式和欲紧，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等都会影响主轴刚度。 5.1.3 抗振性 主轴的抗振性是指工件反抗振荡而继续平稳工作的才能。工件的表面质量，磨具的使用寿命及主轴轴承的寿命都与主轴组件的抗振性有关。主轴组件的刚度，固有频率和阻尼及主轴的传动方法，轴承的类型等都会影响主轴组件的抗振性。为防止发生共振，主轴的固有频率应远远大于激动力的频率。 5.1.4 升温和热变形 由于主轴组件各部位的温升不同，不同材料的热胀系数也不相同，工作时产生温升，导致主轴组件产生形变，称之为热变形。它会直接影响加工精度，使轴承间隙发生改变，降低轴承的承载能力从而缩短轴承寿命。主轴箱热变会使主轴偏离位置。 5.1.5 耐磨性 主轴耐磨性是指组件保持原有状态的的能力。耐磨性几乎和材料的所有性能都有关系，材料的热处理、润滑方式和轴承的类型是影响耐磨性的主要因素。在主轴上，刀具的安装部位及主轴移动的部位是最容易受磨损的地方。所以，我们必须要在上述部位进行淬硬，提高硬度增加耐磨性。要时常润滑轴承，提高耐磨性。 5.1.6 材料和热处理 设计过程中我们要根据耐磨性和热处理的变形来选择主轴材料。常规材料的热处理分为四种：退火、正火、淬火和回火。其中淬火+回火称为热处理，其中淬火冷却速度最快。加热温度根据材料不同会不一样。所以通常用调制处理的45#或60#优质中碳钢作为数控机床的材料。 5.1.7 主轴的结构 主轴的结构主要是由主轴上安装的传动件，轴承等零部件的位置，类型和安装方法来决定。把主轴的直径做大些能大大的提升刚度，主轴做成阶梯形更方便装配。通常我们还会把悬伸量尽可能做小。 5.1.8主轴轴承的选择 主轴的刚度和主轴的转速是选择主轴轴承的最重要的两个因素。滚动轴承由于刚度好、精度知道的较高、承载能力较强和结构较简单的缘故，经常作为机床主轴的首选。从高速性的角度看，滚动轴承中角接触轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆子轴承最差。所以要根据转速和载荷选择合适的结构组成形式。 5.2主轴的结构尺寸设计 主轴是机床的重要组成部分,它的结构尺寸参数包括:主轴直径、内孔直径、支撑跨距和悬伸长度。主轴的刚度、主轴组件的工艺和结构工艺性是主轴尺寸的主要依据。 5.2.1主轴直径的确定 主轴轴承直径的大小会决定主轴旋转精度的重要因素，主轴直径的大小也会决定其刚度的大小及轴承等零部件尺寸的大小。同时极限转速下降。主轴的前轴颈 可根据主电动机功率参照表5.1进行初步选择，后轴颈按 来确定。 表5.1 主轴前轴颈 根据所设计的机床选用7.5/10kw的双速电动机，所以主轴前轴颈 直径选用110mm，后端直径 ，圆整后取 。 5.2.2主轴的结构尺寸设计 初步选择角接触球轴承。因为轴承同时受径向力和轴向力的作用，故选择角接触球轴承，参照主轴的最大直径，选择角接触球轴承7020AC尺寸为dXD=100mmX150mm用于主轴前轴颈的支撑。.轴承之间用套筒定位，在齿轮安装处，根据台阶轴的标准和轴肩的关系确定齿轮出的轴径为90mm，同理根据传动的需要定出各段的轴径尺寸，在轴径为85mm轴段选择型号为7017AC的角接触球轴承。根据需要定出各段的长度。 5.2.3主轴内孔直径 刀具夹紧装置固定刀具、液压卡盘和传动气动都是由内孔直径确定的。主轴的刚度是由主轴的孔径与直径之比限制的,它直接决定主轴孔径的大小。一般可取其比之值为0.5左右。由于主轴的最小直径为80mm，所以孔径的尺寸为80X0.6=48mm。绘主轴的结构图如图5.2： 图5.2主轴图 5.2.4主轴轴端结构 夹具和刀具一般都是安在主轴的轴端。在选择夹具和刀具的时候，一定要选择精度高、刚度好且装卸方便的，还要使主轴的的悬伸量减小。如图5.3所示是常用的中心主轴的前端部形状。通常我们用螺孔和长键来固定铣刀，这样既能传递刀具的扭矩，还能用于轴向定位。 图5.3 主轴端部形状 第6章  绘制总装配图及其重要零件图 在确定结构绘制草图时，一定要注意检查传动设计的结果是否干涉、碰撞或有其他不良情况。计算出各轴的受力方向和受力点，确定传动轴的支撑跨距、齿轮在轴上的位置和各轴的空间位置，为验算轴和轴承提供依据。展开图是按传动轴传递运动的先后顺序，按主轴的最高或最低转速的传动路线的齿轮位置，沿其轴心线剖开、并将这些剖切面展开在同一平面上形成的试图。有几个轴不在里面，可以画在适当位置，轴向尺寸不能变动。各传动件的传动关系都能在展开图中表现出来，通过查看展开图能够看到各零件间的配合性质和精度以及紧固、定位方法等。 在A0图纸上绘制装配图，在A1图上绘制截面图和主轴图，在A4图纸上绘制联轴器图和双联滑移齿轮图。 图6.1 装配图 结  论 这篇论文主要是论述了数控卧式加工中心主传动系统理论，在这基础上对HMC50中等规格的卧式铣镗加工中心主传动系统做了初步设计。 数控加工中心的主轴电机、主轴组件及传动系统和普通机床相比，变速的过程大部分都是由主轴电机的无级调速或者双速电机来实现的，结构简单，本设计中采用双速电机和四级齿轮变速机构用以扩大电机的调速范围。 设计过程中存在的主要问题： 1、开始没有了解过卧式加工中心传动系统的工作原理及结构，所以花掉了大量时间去查阅相关资料，没能及时的初步设计出主轴箱的零部件草图，浪费了很多时间。 2.对于卧式加工中心的主轴组件选择以及四级齿轮的中心距定位用去了不少时间，在定完四级齿轮的中心距后，模数的选择花费了太久时间。 3.在用CAD画图中，某些指令以及画图口令运用不太熟练，在期间浪费了宝贵的时间。 设计中着重考虑问题与解决的问题： 1. 在卧式加工中心主传动系统中，调节机床的恒功率要在双速电动机之后串联四级齿轮变速机构。 2.为使机床的结构更完美紧凑，我将原来采用的两组双联滑移齿轮实现的四级调速变机构改进，采用两组双联滑移齿轮加一级定比传动的四级调速机构，节约空间，减少材料的运用。 致谢 经过两个月的时间，我的毕业设计已经完成，在这里非常感谢在我做毕业设计中给予我帮助和关心的老师和同学。 首先我要感谢的是我的母校—烟台南山学院对我的培养和教育，其次是我的导师，在这次毕业设计中，老师对于我的帮助让我感受到了犹如父母般的关心。在设计开始时对于题目的不了解，让我很头疼，但是老师在我遇到困难时鼓励和指导我，与我讲解毕业设计题目应注意的问题，以及毕业设计的流程。慢慢的我找到了做毕业设计的重点和方向。在这里对于徐老师的帮助和关爱，我表示衷心的感谢。 对于我的同学在我毕业设计的帮助，真心的说句，谢谢我亲爱的同学，在我遇到不懂时，我提出疑问，他就帮我解决，如果他也不会，我们共同查资料，在CAD制图中，我最要感谢的是董建平同学，遇到不会的指令，他都告诉我怎么去做，与我讲解其中的原理，真心的感谢他对于我的帮助。 参考文献 [1]杨有君.数字控制技术与数字控制机床.北京：机械工业出版社，2011.[35-40] [2]娄锐.数控机床.大连：大连理工大学出版社，2012.[38-51] [3]王爱玲.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2011.[167-187] [4]王润孝.机床数控原理与系统.西安：西北工业大学出版社，2012.[134-142] [5]鲁远东.机床电气控制技术.电子工业出版社，2010.[56-64] [6]关慧贞、冯辛安.机械制造装备设计.机械工业出版社，2010.[83-105] [7]濮良贵、纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社，2012.[75-157] [8]周文玉.数控加工技术.北京：中国轻工业出版社，2012.[112-123] [9]张超英.数控车床.化学工业出版社，2013.[141-155]

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