XK5040數(shù)控立式銑床主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計【全套包含CAD圖紙三維建?！?/h1>
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摘 要
數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床，數(shù)控技術是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。
本文主要對XK5040數(shù)控立式銑床及控制系統(tǒng)進行設計，首先分析立式銑床的加工特點和加工要求確定其主參數(shù)，包括運動和動力參數(shù)；根據(jù)主參數(shù)和設計要求進行主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件電路設計。主要進行主運動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的機械結構設計及滾珠絲杠和步進電機的選型和校核；對于控制系統(tǒng)由于這里主要針對經(jīng)濟型數(shù)控銑床的設計，這里采用步進電機開環(huán)控制，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的MCS-51系列單片擴展系統(tǒng)，主要進行中央處理單元的選擇、存儲器擴展和接口電路設計。
由于本文采用8031單片機控制系統(tǒng)，因此，設計出的立式銑床性能價格比高，滿足經(jīng)濟性要求?？蓪嵱糜诩庸ぞ容^高的場合。
關鍵詞 數(shù)控技術，立式銑床，設計
ABSTRACT
The numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic performance, the processing precision and the reliability had the enormous enhancement .
This article mainly carries on the design to the XK5040 numerical control vertical milling machine and the control system, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the design, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design .
Because this article uses 8,031 monolithic integrated circuits control system, therefore, designs the vertical milling machine performance price is higher than, satisfies the efficient request. But practical to processing precision higher situation .
Key words：Numerical control technology， Vertical milling machine，Design
目 錄
摘 要 1
1 總體設計 5
1.1、銑床簡介 5
1.2、 XK5040型數(shù)控銑床的總體布局、主要技術參數(shù)及總傳動系統(tǒng)圖 5
1.2.1 XK5040型數(shù)控銑床的總體布局 5
1.2.2 XK5040型數(shù)控銑床的主要技術參數(shù) 6
1.2.3 總傳動系統(tǒng)圖 8
2 主運動系統(tǒng)設計 9
2.1 傳動系統(tǒng)設計 9
2.1.1參數(shù)的擬定 9
2.1.2 傳動結構或結構網(wǎng)的選擇 9
2.1.3 轉速圖擬定 11
2.1.4齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制 13
２.２ 傳動件的估算與驗算 16
2.2.1傳動軸的估算和驗算 16
２.２.２齒輪模數(shù)的估算 19
２.３ 展開圖設計 24
２.３.１結構實際的內容及技術要求 24
２.３.２ 齒輪塊的設計 25
２.３.３ 傳動軸設計 27
２.３.４ 主軸組件設計 30
２.４ 制動器設計 35
２.４.１ 按扭矩選擇 35
２.５ 截面圖設計 36
２.５.１ 軸的空間布置 37
２.５.２ 操縱機構 37
２.５.３ 潤滑 37
２.５.４箱體設計的確有關問題 38
３ 進給系統(tǒng)設計 40
３.１ 總體方案設計 40
３.１.１對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 40
３.１.２進給伺服系統(tǒng)的設計要求 40
３.１.３總體方案 40
３.２ 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計 41
３.２.１確定脈沖當量，計算切削力 41
３.２.２滾珠絲桿螺母副的計算和造型 43
３.２.３齒輪傳動比計算 51
３.２.４ 步進電機的計算和選型 52
３.２.５ 進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計 62
４ 控制系統(tǒng)設計 66
4.1繪制控制系統(tǒng)結構框圖 66
4.2.選擇中央處理單元（CPU）的類型 66
4.3存儲器擴展電路設計 67
４.３.１程序存儲器的擴展 67
４.３.２ 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 68
４.４?I/O接口電路及輔助電路設計 68
４.４.１ ?I/O接口電路設計 68
４.４.２ 步進電機接口及驅動電路 69
４.２.３ 其他輔助電路 70
參考文獻 73
致謝 74
附 錄（英文翻譯及實習報告） 75
1 總體設計
1.1、銑床簡介
銑床是一種用途廣泛的機床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、溝槽（鍵槽、T型槽、燕尾槽等）、多齒零件上齒槽（齒輪、鏈輪、棘輪、花鍵軸等）、螺旋形表面（螺紋和螺旋槽）及各種曲面。此外，它還可以用于加工回轉體表面及內孔，以及進行切斷工作等。
由于銑床使用旋轉的多齒刀具加工工件，同時有數(shù)個刀齒參加切削，所以生產(chǎn)效率高，但是，由于銑刀每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，且每一個的切削厚度又是變化的，這就使切削力相應地發(fā)生變化，容易引起機床振動，因此，銑床在結構上要求有較高的剛度和抗振性。
銑床的類型很多，主要類型有：臥式升降臺銑床、立式升降臺銑床、龍門銑床、工具銑床和各種專門化銑床等。
隨著科學技術的進步，數(shù)控銑床得到了越來越廣泛的應用，它一般分為立式和臥式兩種，一般數(shù)控銑床是指規(guī)格較小的升降臺數(shù)控銑床，其工作臺寬度多在400mm以下，規(guī)格較大的數(shù)控銑床，例如工作臺寬度在500mm以上的，其功能已向加工中心靠近，進而演變成柔性制造單元。數(shù)控銑床多為三坐標、兩軸聯(lián)動的機床，也稱兩軸半控制，即X、Y、Z三個坐標軸中，任意兩個都可以聯(lián)動。一般情況下，在數(shù)控銑床上只能用來加工平面曲線的輪廓。對于有特殊要求的數(shù)控銑床，還可以加進一個回轉的A坐標或C坐標，即增加一個數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉工作臺，這是機床的數(shù)控系統(tǒng)為四坐``標的數(shù)控系統(tǒng)，它可用來加工旋轉槽、葉片等立體曲面零件。
我們本次設計過程中要接觸到的為XK5040數(shù)控立式銑床。它的工作臺寬度為400mm。
1.2、 XK5040型數(shù)控銑床的總體布局、主要技術參數(shù)及總傳動系統(tǒng)圖
1.2.1 XK5040型數(shù)控銑床的總體布局
圖1.1所示為XK5040型數(shù)控銑床的布局圖，床身6固定在底座1上，用于安裝與支承機床各部件。操縱臺10上有CT顯示器、機床操作按鈕和各種開關及指示燈?？v向工作臺16、橫向溜板12安裝在升降臺15上，通過縱向進給伺服電動機13、橫向進給伺服電動機14和垂直升降進給服電動機4的驅動，完成X、Y、Z坐標進給。強電柜2中裝有機床電器部分的接觸器、繼電器等。變壓器器箱3安裝在床身立柱的后面。數(shù)控柜7內裝有機床數(shù)控系統(tǒng)。保護開關8、11可控制縱向行程硬限位；擋鐵9為縱向參考點設定擋鐵。主軸變速手柄和按鈕板5用于手動控制主軸的正、反轉、停止及切削液開停等。
圖1.1 XK5040銑床外觀圖
1.2.2 XK5040型數(shù)控銑床的主要技術參數(shù)
機床設計的初使，首先需確定有關參數(shù)，它們是傳動設計和就億個度微 設計的依據(jù)，影響到產(chǎn)品是否能滿足所需要的功能要求，因此，參數(shù)擬定是機床設計中的重要問題。
機床參數(shù)有主參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)是最重要的，它直接反映機床的加工能力、特性、決定和影響其他基本參數(shù)的數(shù)值。如銑床的工作臺寬度等?；緟?shù)是一些與加工工件尺寸、機床結構、運動和動力特性有關的參數(shù)?？蓺w納為：尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)。
XK5040型數(shù)控銑床的主要技術參數(shù)如下：
工作臺：
工作臺尺寸（長×寬） 1600×400mm
工作臺最大縱向行程 900mm
工作臺最大橫向行程 375mm
工作臺最大垂直行程 400mm
工作臺T型槽數(shù) 3
工作臺T型槽寬 18mm
工作臺T型間距 100mm
主軸：
主軸錐度 50#（7：24）
主軸孔徑 27mm
刀桿直徑 32mm或50mm
主軸前軸承直徑 90mm
主軸軸向移動距離 70mm
部件間主要尺寸：
立銑頭最大回轉角度 45°
主軸端面到工作臺面的距離 50～400mm
主軸中心線至床身垂直導軌距離 430mm
工作臺側面至床身垂直導軌距離 30～405mm
機動性能：
主軸轉速級數(shù) 18
主軸轉速范圍 30～1500r/min
動力外形：
主電機功率 7.5KW
主電機轉速 1450r/min
工作臺進給量：
縱向 10～1500mm/min
橫向 10～1500mm/min
垂直 10～600mm/min
定位精度ISO標準
X 0. **mm
Y 0.05mm
Z 0.06mm
重復定位精度ISO標準 0.03mm
工作臺最大承載 200kg
機床外形尺寸（長×寬×高） 2495mm×2100mm×2170mm
機床重量 約2700kg
1.2.3 總傳動系統(tǒng)圖
XK5040立式銑床的總的傳動系統(tǒng)圖如圖1.2所示。
圖1.2 XK5040總傳動系統(tǒng)圖
2 主運動系統(tǒng)設計
2.1 傳動系統(tǒng)設計
2.1.1參數(shù)的擬定
選定公比，確定各級傳送機床常用的公比 為1.26或1.41，考慮適當減少相對速度損失，這里取公比為 =1.26，根據(jù)給出的條件：主運動部分Z=18級，根據(jù)標準數(shù)列表，確定各級轉速為：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.
2.1.2 傳動結構或結構網(wǎng)的選擇
1 確定變數(shù)組數(shù)目和各變數(shù)組中傳動副的數(shù)目
該機床的變數(shù)范圍較大，必須經(jīng)過較長的傳動鏈減速才能把電機的轉速降到主軸所需的轉速。級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)由若干個傳動副組成，各傳動組分別有. .`````````個傳動副，即Z=```````。傳動副數(shù)由于結構的限制，通常采用P=2或3，即變速Z應為2或3的因子：Z=x
因此，這里18=3x3x2，共需三個變速組。
2 傳動組傳動順序的安排
18級轉速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速率的具體結構，裝置和性能。I軸如果安置制動的電磁離和器時，為減少軸向尺寸。第一傳動組的傳動副數(shù)不能多，以2為宜，有時甚至用一個定比傳動副；主軸對加工精度，表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2 ，或一個定比傳動副。
這里，根據(jù)前多后少的原則，選擇18=3x3x2方案。
3 傳動系統(tǒng)的擴大順序安排
對于18=3x3x2的傳動，有3！=6種可能安排，亦即有6種機構副和對應的結構網(wǎng)，傳動方案中，擴大順序與傳動順序可以一致，結構式18=xx的傳動中，擴大順序與傳動順序一致，稱為順序擴大傳動，而，18=xx的傳動順序不一致，根據(jù)“前密后疏”的原則，選擇18=xx的結構式。
4 驗算變速組的變速范圍
齒輪的最小傳動1/4，最大傳動比2，決定了一個傳動組的最大變速范圍=/
因此，可按下表，確定傳動方案：
根據(jù)傳動比及指數(shù) x, 的值
公比
極限值傳動比指數(shù)
1.26
x值: =1/=1/4
6
值: ==2
3
（x+）值：==8
9
因此，可選擇18=xx的傳動方案。
5 最后擴大傳動組的選擇
正常連續(xù)順序擴大傳動（串聯(lián)式）的傳動式為：
Z=*
最后擴大傳動組的變速范圍為：
r==
按原則，導出系統(tǒng)的最大收效Z和變速范圍為：
2
3
1.26
Z=18
R=50
Z=12
R=12.7
因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結構網(wǎng)如下圖2.1：
圖2.1 結構網(wǎng)圖
2.1.3 轉速圖擬定
運動參數(shù)確定后，主軸各級轉速就已知，切削耗能確定電機功率。在此基礎上，選擇電機的型號，分配個變速組的最小傳動比；擬定轉速圖，確定各中間軸的轉速。
1 主電機的選擇
中型機床上，一般都采用交流異步電動機為動力源，可在下列中選用，在選擇電機型號時，應注意：
（1）電機的N：
根據(jù)機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產(chǎn)品的功率已標準化，因此，按要求應選取相近的標準值。
（2）電機的轉速
異步電動機的轉速有：3000，1500，1000，750，r/min,這取決于電動機的極對數(shù)P
=60f/p=60x50/p ( r/min)
機床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 兩種，選用是要使電機轉速與主軸最高速度和工軸轉速相近為宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。
根據(jù)以上要求，我們選擇功率為7.5KW，轉速為1500r/min的電機，查表，其型號為Y132M-4，其主要性能如下表
電機型號
額定功率KW
荷載轉速r/min
同步轉速r/min
Y132M-4
7.5KW
1440
1500
2 分配最小傳動比，擬定轉速圖
（1）軸的轉速：
軸從電機得到運動，經(jīng)傳動系統(tǒng)轉化為主軸各級轉速，電機轉速和主軸最小轉速應相近，顯然，從動件在高速運轉下功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉速不宜將電機轉速降得太低。弱軸上裝有離合器等零件時，高速下摩檫損耗，發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉速也不宜也太高，軸轉速一般取700~1000r/min左右較合適。
因此，使中間變速組降速緩慢。以減少結構的徑向尺寸，在電機軸I到主傳動系統(tǒng)前端軸增加一對26/54的降速齒輪副，這樣，也有利于變型機床的設計，改變降速齒輪傳動副的傳動比，就可以將主軸18級轉速一起提高或降低。
（2）中間軸的轉速
對于中間傳動軸的轉速的考慮原則是：妥善解決結構尺寸大小和噪音，振動等性能要求之間的矛盾。
中間傳動軸轉速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸徑和齒輪模數(shù)小些：d,
m從而可使結構緊湊。但這樣引起空載功率和噪音加大：
=1/(3.5+cn)KW
式中：C——系數(shù)，兩支承滾動軸承和滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；
——所有中間軸軸徑的平均值（mm）；
——主軸前后軸徑的平均值（mm）；
——中間傳動軸的轉速之和；
n——主軸轉速（r/min）；
=20lg-K
式中：——所有中間傳動齒輪的分度圓直徑的平均值mm;
——主軸上齒輪分度圓直徑的平均值mm;
q——傳到主軸上所經(jīng)過的齒輪對數(shù)
——主軸齒輪螺旋角
,K——系數(shù)，根據(jù)機床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床=3.5，車床K=54，銑床K=50.5
從上述經(jīng)驗公式可知，主軸n和中間傳動軸的轉速和 對機床噪音和發(fā)熱的關系，確定中間軸轉速時，應結合實際情況做相應的修正。
a，對高速輕載或精密機床，中間軸轉速宜取低些
b,控制齒輪圓周速度v<8m/s(可用７級齒輪精度)，在此條件下，可適當選用較高的中間軸轉速。
（3）齒輪傳動比的限制
機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：
a, 升速傳動中，最大傳動比 2 ，過大，容易引起振動的噪音。
b, 降速傳動中，最小傳動比 1/4。過小，則主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大將導致結構龐大。
（4）分配最小傳動比
a,決定軸V-VI和VI-的傳動比，根據(jù)臺式銑床的結構特點，及對同類車床的比較，為使傳動平穩(wěn)取其傳動比為1，
b,決定各變速組的傳動比；
由前面2軸的轉速及中間軸轉速的分析，及齒輪傳動比的現(xiàn)在，根據(jù)“前緩后急”的原則，取軸IV-V的最小降速比為極限值的1/4，=1.26，=4，軸III-IV和軸II-III均取=1/
（5）擬定轉速圖：
根據(jù)結構圖及結構網(wǎng)圖及傳動比的分配，擬定轉速圖，如下圖2.2所示：
圖2.2 傳動系統(tǒng)圖
2.1.4齒輪齒數(shù)的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制
1 齒輪齒數(shù)的確定的要求
可用計算法或查表確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡便，根據(jù)要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數(shù)和，查表即可求出小齒輪齒數(shù)：
選擇是應考慮：
a,傳動組小齒輪不應小于允許的最小齒數(shù)，即：
推薦：
對軸齒輪=12，特殊情況下=11，
對套裝在軸上的齒輪，=16，特殊情況下=14，
對套裝在滾動軸承上的空套齒輪，=20；
當齒數(shù)少于不發(fā)生根切的最小齒數(shù)時（壓力角a=20的直齒標準，=17），一般需對齒輪進行正變位修正。
b,保證強度和防止熱處理變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚，一般取則，如圖2.3所示。
c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應相等。若摸數(shù)相等時，則齒數(shù)和亦相等，但由于傳動比要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求，機床上可用修正齒輪，在一定范圍內調整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能夠超過3~4個齒。
2 變速傳動組中齒輪齒數(shù)的確定
為了減少齒輪數(shù)目和縮短變速箱的軸向尺寸，這里采用了公用齒輪。但由于公用齒輪的采用，使兩個傳動組間的傳動比互相牽制，不能獨立地按照最緊湊的原則決定傳動件的尺寸，因此，徑向尺寸一般較大，此外，公用齒輪的兩側齒面同時嚙合會影響其磨損和壽命。這里我們采用查表法來確定齒輪的齒數(shù)。查《機床設計手冊》確定個齒輪齒數(shù)如下：
軸II-III間變速齒輪齒數(shù)的確定：
由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/
設：傳動組中最小齒輪齒數(shù)=16，查《機床設計手冊》表7.3-14
可查得：=16/39 （0.1%），=19/36 （0.9%），=22/33 （-0.3%）
齒數(shù)和為=55
公用齒輪選為=39
軸III-IV間變速組齒輪齒數(shù)的確定：傳動比為=1/ =1/ =
根據(jù)=，主動輪齒數(shù)為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）
齒數(shù)和為：=65
軸IV-V間變速組齒輪齒數(shù)的確定：
由于變數(shù)組齒輪傳動比和各傳動副上受力差別較大齒輪副的速度變化，受力差別較大，為了得到合理的結構尺寸，可采用不同模數(shù)的齒輪副。
軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別?。剑?，＝３則
／＝／＝３／４
取Ｋ＝３０，＝３０x3=90, =30x4=120
按傳動比將齒數(shù)分配如下：
=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數(shù)確定，由于這兩個傳動組只是改變傳動方向，不起便速度作用，只需考慮其結構尺寸及磨損振動和噪音等因素。，取V-VI軸間錐材料齒輪齒數(shù)為２９，ＶI-VII軸間齒輪齒數(shù)為67。
3 主軸轉速系列的驗算
主軸轉速在使用上并要求十分準確，轉速稍高或稍低并無太大影響，但標牌上標準數(shù)列的數(shù)值一般也不允許與實際轉速相差太大。
由確定的齒輪齒數(shù)所得的實際轉速與傳動設計理論值難以完全相符，需要驗算主軸各級轉速，最大誤差不得超過即
%
主軸的各級實際轉速分別為：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
==2%
而%=2.6%故符合條件
同理：經(jīng)驗算，其他各級轉速也滿足要求。
4 傳動系統(tǒng)圖的繪制
轉速圖和齒輪齒數(shù)確定后，變速箱的結構復雜程度也基本確定了（如齒輪個數(shù)，軸數(shù)，支承軸，為使變速箱的結構緊湊，合理布置齒輪是一個重要的問題，因為它直接影響變速箱的尺寸，變速操作的方便性和結構實現(xiàn)的可行性問題，在考慮主軸適當?shù)闹С芯嗪蜕釛l件下，一般應盡可能減少變速箱尺寸。這里為使變速操作的方便，提高效率采用電磁離合器操縱方式。根據(jù)計算結果，繪制出傳動系統(tǒng)圖，如圖2.4所示
圖2.4 主傳動系統(tǒng)圖
主運動傳動鏈的傳動路線表達式如下：
電動機I——II——III——IV—=V——VI——VIII（主軸）
２.２ 傳動件的估算與驗算
2.2.1傳動軸的估算和驗算
傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求高，不允許有較大的變形因此，疲勞強度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。若剛度不足，軸上的零件如齒輪，軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或產(chǎn)生振動和噪聲，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度?？梢韵扰まD剛度估算軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。
1 傳動軸直徑的估算
傳動軸直徑按扭轉剛度用下列公式估算傳動軸直徑：
d=91mm
式中：N——該傳動軸的輸入功率
N—— KW
——電機額定功率
——從電機到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積（不計該軸軸承上的效率）。
——該傳動軸的計算轉速；
計算轉速是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速，各傳動件的計算轉速可以從轉速圖上，按主軸的計算轉速和相應的傳動關系而確定，而中型車，銑床主軸的計算轉速為：
（主）=
——每米長度上允許的扭轉角（deg/m）;可根據(jù)傳動軸的要求選取。
對傳動軸剛度要求
允許扭轉角
主軸
一般傳動軸
較低的軸
（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
估算時應注意：
（1） 值為每米長度上允許的扭轉角，而估算的傳動軸的長度往往不足1m，因此，在計算時應按軸的實際長度計算和修正，如軸為500mm，取=1deg/m則
d=91 mm
（2） 效率y對估算軸徑d影響不大，可以忽略
（3） 如使用花鍵是可根據(jù)估算的軸徑 d選取相近的標準花鍵軸的規(guī)格，主軸總軸徑可參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定；
1.5-2.8
2.8-4
4.5-7.5
5.5-7.5
7.5-11
車床
60-80
70-90
70-105
95-130
110-145
升降臺銑床
50-90
60-90
60-95
75-100
90-105
各軸的計算轉速：
=95 r/min
=118 m/min =300 r/min
=750 r./min =1450 r/min
軸徑的估算：
=91x=24.4
=91x=28.78 =91x=36.18
=91x =45.69 =91x=48.24
2 傳動軸剛度的驗算
（1）軸的彎曲變形的條件和允許值
機床的主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應小于彎曲剛度的許用值和，即
。
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐磙子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動軸承處
0.001
安裝蝸輪的軸
（0.02~0.05）
裝單列徑向圓錐磙子軸承處
0.001
（2）軸的彎曲復形計算公式：
計算花鍵軸的剛度時可采用平均直徑或當量直徑
計算公式：矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當量直徑=
慣性矩：I=
確定矩形花鍵軸的平均直徑d1, 當量直徑d 2和慣性In,慣性In查《機床設計指導》35頁表可定：
花鍵軸尺寸
（GB1144-74）
平均直徑
mm
當量直徑
mm
極慣性矩
慣性矩
軸Ⅱ:
39
39.26
233341
116671
軸Ⅲ:
45
45.3
414840
207420
軸IV:
52.5
52.7
758297
379148
軸V:
52.5
52.7
758297
379148
２.２.２齒輪模數(shù)的估算
1 估算
按接觸疲勞和彎曲強度計算次論模數(shù)比較復雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知的情況先才能確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數(shù)。
齒輪彎曲疲勞強度的估算：
mm
齒面點蝕的估算：
A mm
其中 為大齒輪的計算轉速，A為齒輪中心矩，由中心矩A及齒數(shù)，求出模數(shù)
=2A/ mm
根據(jù)估算所得和中較大的值，選擇相近的標準模數(shù)，
各齒輪的計算轉數(shù)為：
=1450r/min =695r/min =300r/min 235r/min =95r/min =273r/min =235r/min =695r/min =475r/min =118r/min =695r/min =695r/min =300r/min
=300r/min =118r/min
軸I—II間傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32=1.87
齒輪點蝕的估算：A=370x =81.76 mm
=2A/=2x81.76/(26+54)=2.04 mm
所以模數(shù)為m=3.
軸II—III傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32=2.759
齒面點蝕估算：A=370x =108.18
=2A/=2x108.18/(16+39)=3.93 mm
取標準模數(shù) m=4
軸III—IV間傳動組齒輪模數(shù)的估算
齒輪彎曲疲勞估算：=32x=3.046
齒面點蝕估算：A=370x =117.3
=2A/=2x147.3/(28+37)=3.61
所以取標準模數(shù)m=4mm。
軸V—VI間傳動組齒輪模數(shù)的估算：
齒輪彎曲疲勞計算，
4.46
齒面點蝕估算：Ax=153.4
=2A/=2x153.4/(29+29)=5.29
取標準模數(shù)值m=5,軸VI—VII間齒輪模數(shù)的確定：
齒輪彎曲疲勞強度計算，
齒面電蝕估算
Ax =158.7
=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37
取模數(shù)值為m=4。
2 計算（驗算）
結構確定后，齒輪的工作條件：空間安排，材料和精度等級都已經(jīng)確定，才可以核驗齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度值是否滿足要求。
根據(jù)接觸疲勞強度計算齒輪模數(shù)的公式：= mm
根據(jù)彎曲疲勞強度計算齒輪模數(shù)，公式= mm
式中：N—計算齒輪傳遞的額定功率N= KW
——計算齒輪的計算轉速r/min
——齒寬系數(shù)=b/m, 常取6-10；
——大齒輪與小齒輪齒數(shù)，一般取傳動中最小齒輪的齒數(shù)
i——大齒輪與小齒輪的傳動比， i=/1; “+”用于外嚙合，“-”用于內嚙合
——壽命系數(shù)，=，
——工作期限系數(shù)，=
齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的指數(shù)m和基準循環(huán)次數(shù)
n——齒輪的最低轉速 r/min
T——預先的齒輪工作期限，中型機床推薦：T=15000~20000h;
——轉速變化系數(shù)
——功率利用系數(shù)
——材料強化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強化，起阻止疲勞的刃縫擴大的作用
——工作情況系數(shù)，中等沖擊的主運動，=1.2~1.6；
——動載荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù)
——齒形系數(shù)
——許用彎曲，接觸應力MPa;
（1） 軸I-II間齒輪模數(shù)的計算(驗算)
a 按接觸疲勞計算齒輪模數(shù):
N=y=0.987.5=7.35W
=8
查表: 取
則
取
線速度
查表: 取
查表 取
查表取 .
因此:
b 根據(jù)彎曲疲勞計算
查表取 :
而
查表取 .
Y=0.43,
因此: 。
由以上計算結果知，齒輪模數(shù)合格。
（２）其它齒輪模數(shù)的驗算
其它齒輪的驗算過程與上面相同，將有關數(shù)值代入上式，經(jīng)計算均滿足要求；
２.３ 展開圖設計
２.３.１結構實際的內容及技術要求
1 設計內容
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（傳動軸，軸承，齒輪，離合器和制動器等），主軸組件，操縱機構，潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其連接件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。
2 技術要求
主軸變速箱是指機床的主要部分，設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，著重考慮以下幾個方面的問題：
（1）精度
立式銑床主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動，〈0.01mm；主軸軸向串動〈0.01mm。
（2）剛度和抗振性
綜合剛度（主軸刀架之間的力與相對變形之比）；
綜合剛度〉3400N/m
主軸與刀架之間的相對振幅的要求
等級
I
II
III
振幅（0.001mm）
1
2
3
(3)傳動效率要求
等級
I
II
III
效率
0.85
0.8
0.75
（4）主軸總軸承處溫升和溫升應控制在以下范圍：
條件
溫度
溫升
用滾動軸承
70
40
用滑動軸承
60
30
（５）噪聲要控制在以下范圍：
等級
I
II
III
dB
78
80
83
噪音
=20log
式中：——所有中間傳動齒輪分度圓直徑的平均值mm
——主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm
——傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù)
,k——系數(shù)，根據(jù)個類型及制造水平選取。我國中型車床，銑床=3.5，車床K254，銑床K50.5
（６）結構簡單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調整
（７）操作方便，安全可靠
（８）遵循標準化和通用化的原則
２.３.２ 齒輪塊的設計
1 特點
齒輪是變速箱中的重要元件，齒輪同時嚙合的齒數(shù)是周期性變化的，也就是說，作用在一個齒上的載荷是變化的。同時由于齒輪制造及安裝誤差，不可避免要產(chǎn)生動載荷而引起振動和噪音，常常成為變速箱的主要噪聲源，并影響主軸回轉均勻性，在設計齒輪時，應充分考慮這些問題。
2 精度等級的選擇
變速箱中齒輪用于傳遞動力和運動。它的精度選擇主要取決于周圍速度。采用同一精度時，周圍速度越高，振動和噪聲越大，根據(jù)實驗結果，周圍速度增加一倍，噪音約增加6dB。工作平穩(wěn)性和接觸誤差對振動和噪音的影響比運動誤差更大。所以這兩項精度應選高一級，為了控制噪音，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，大都用7-6-6,這里主運動齒輪的精度選為7-6-6。
3 結構與加工方法
不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結構要求也有不同。
8級精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達到。
7級精度齒輪，用較高精度滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度下降，因此，需淬火的7級齒輪一般滾（插）后要剃齒，使精度高于7級或淬火和衍齒才能達到6級。機床主軸變速箱中齒輪一般都需要淬火。多聯(lián)齒輪塊的結構形式如下圖2.5所示，各部分的尺寸推薦如下：
（1）、空刀槽，
插齒時： 模數(shù) 12mm， 5mm;
模數(shù)2.54mm, 6mm。
剃齒時：
采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計算。
試中，k為與剃齒刀傾斜角有關的系數(shù)。
若齒面要高頻淬火，為避免互相影響，應大于8。
由于這里采用的齒輪的精度為7-6-6，需要剃齒或珩 圖2.5
齒，需齒面淬火，所以8，取=8?！ ?
（２）、齒寬b
齒寬影響齒的強度。但如果太寬，由于齒輪誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取=(6~10)m
齒輪模數(shù)m小，裝在軸的中部或單片齒輪，取大值齒輪模數(shù)m大，裝在靠近支承處或多聯(lián)齒輪，取小值。薄的大齒輪容易產(chǎn)生板振動，成為噪音發(fā)射體，因此，齒輪基體不宜太薄，設計單片齒輪時要注意
這里均是單片齒輪，取齒寬（m為模數(shù)）。
（3）、其他問題
滑移齒輪進出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸（見圖2.6），圓齒和倒角性質不同，加工方法和畫法也不一樣，
圖2.6
部分（圖（一））用于安裝撥動齒輪的滑塊，一般取=或，這里我們選。
選折齒輪塊的結構時要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機械加工時的安裝和定位基面，盡可能做到省工，省料又容易保證精度。
4 組合齒輪
齒輪磨齒時，要求有叫大的空刀（砂輪）距離，因此，多聯(lián)齒輪不便作成一整體一般都作成組合的齒輪塊。有時為了縮短軸向尺寸，也采用組合齒輪。
這里軸的三聯(lián)滑移齒輪可做成浮動連接的組合齒輪，其結構如下圖2.7
圖2.7
說明：齒輪3的左邊挖一圓溝槽，端面上有若干個徑向缺口，齒輪1的右側有2個銷子2，安裝時將銷子2對證齒輪端面的缺口，把齒輪1和齒輪3拼裝后，相對轉過一個角度，一起裝在花鍵軸上。
這種結構，連接后的兩個齒輪成為一體，但連接是浮動的，不影響兩個齒輪在花鍵軸上的定心。
5 齒輪的軸向定位
要保證正確嚙合，齒輪在軸上的位置應該可靠，空套齒輪和固定在軸上的齒輪的軸向定位可采用隔套定位。
２.３.３ 傳動軸設計
1 特點
機床傳動軸，廣泛采用滾動軸承作支承。軸上要安裝齒輪，離合器和制動器等。傳動軸應保證這些傳動件或機構能正常工作
首先，傳動軸應有足夠的強度和剛度，如撓度和傾角過大，將使齒輪嚙合不良，軸承工作條件惡化，使振動，噪音、空載功率、磨損和發(fā)熱增大。
兩軸中心距誤差和軸心線間的平行度等裝配及加工誤差也會引起上述問題。
2 軸的結構
傳動軸可以是光軸也可以是化鍵軸，成批生產(chǎn)中，有專門加工花鍵軸的洗床和磨床，工藝上并無困難。所以一般都采用化鍵軸，花鍵軸承載能力高，加工如轉盤也比但單鍵的光軸方便。
這里I軸與電機軸相連，I軸上只裝有一個齒輪，可選光軸II、III、IV、V軸采用花鍵軸，VI軸采用光軸。
3 軸承的選擇
機床傳動軸常用的滾動軸承有球軸承和滾錐軸承。在溫升?？蛰d功率和噪音等方面，球軸承都比滾錐軸承優(yōu)越。而且滾錐軸承對軸的剛度、支承孔的加工精度要求都比較高，異常球軸承用得更多。但滾錐軸承的內外圈可以公開。裝配方便，間隙容易調整。所以有時在沒有軸向力時，也常采用這種軸承。選擇軸承的型式和尺寸，首先取決于承載能力，但也要考慮其它結構條件。
即要滿足承載能力要求，又要符合孔的加工工藝，可以用輕、中、或重系列的軸承來達到支承孔直徑的安排要求
花鍵軸兩端裝軸承的軸頸尺寸至少有一個應小于花鍵的內徑，一般傳動軸上軸承選用G級精度。
（1）滾動軸承的選擇計算
a，壽命計算公式：
滾動軸承的壽命計算公式如下：
L=
試中：L—額定壽命（ x）轉
C—額定動載荷（Kgf）
P—當量負載荷（Kgf）
——壽命指數(shù)，對球軸承 =3 對滾子軸承=10/3
在實際計算中，一般采用工作小時數(shù)表示軸承的額定壽命，這時上試可變?yōu)椋?
=
試中：—額定壽命（h）
n—軸承的計算轉速（r/min）
當量動載荷P=X+Y
試中：—徑向負荷（Kgf）
—軸向負荷（Kgf）
X—徑向系數(shù)
Y—軸向系數(shù)
（2）按照負載荷選擇軸承
按額定靜負載選擇軸承的基本公式如下：
=
試中：—當量靜負荷（kgf） 按下列兩式計算，取大值
—額定靜負荷（kgf）
—安全系數(shù)
（3）軸承的選擇
I軸兩端軸承的選擇，根據(jù)前面估算的直徑及該軸的結構和受力情況，選擇單列向心球軸承（GB276—64）軸承型號為7000308（左軸承）右軸承7000307
II軸兩端軸承的選擇
左軸承：7000307 右軸承：7000306
III軸：左，7000309 右，7000308
IV軸：左，7000310，右7000409
V軸軸承的選擇，由于軸V右端懸伸部分與錐齒輪不相連，承受一定的軸向負荷及徑向負荷，因此，可選用圓錐滾子軸承左端型號：27310（GB298—64）
右端：27610
VI軸垂直布置，下端軸承承受到大的軸向力，可選用向心推力球軸承，型號為36107，上端軸承可選用向心球軸承7000309
4 軸的軸向定位
傳動軸必須在箱體內保持準確的位置，相對保證安裝在軸上各傳動件的位置正確性，不論軸是否轉動，是否受軸向力，都必須有軸的定位。對受軸向力的軸，其軸向定位更重要。
回轉軸的軸向包括軸承在軸上的定位和在箱體孔中定位）在選擇定位方式時應注意：1，軸的長度，長度要考慮熱伸長的問題，宜有一端定位。
2，軸承的間隙是否需要調整。
3，整個軸的軸向位置是否需要調整
4，在有軸向載荷的情況下不宜采用彈簧卡圈
5，加工和裝配的工藝性等
根據(jù)軸的結構特點和收里情況，I，II，III，IV，V軸均采用彈簧卡圈定位或壓蓋和軸肩定位。
５ 傳遞軸的結構設計
（１）、 軸I的結構設計:
1）選聯(lián)軸器
軸I與電機軸用聯(lián)軸器相連,需同時選取連軸器.軸I上的轉矩T為:
聯(lián)軸器的計算轉矩 查表取 則,根據(jù)工作需要,選用彈性柱銷連軸器,型號為HL3,聯(lián)軸器的許用轉矩為: , 聯(lián)軸器的軸孔直徑d=38mm, 半聯(lián)軸器的長度為L=82mm,聯(lián)軸器標記為: HL3聯(lián)軸器 3882 GB5014—85.
2）,按軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度.
２.３.４ 主軸組件設計
主軸組件結構復雜,技術要求高,安裝工件(車床)或者刀具(銑床,鉆床)的主軸參予切削成形運動,因此它的精度和性能直接影響加工質量(加工精度和表面粗糙度),設計時主要圍繞著保證精度,剛度和抗振性,減小溫度和熱變形等幾個方面考
慮
１ 對主軸部件的基本要求
主軸組件是機床主要部件之一. 它的性能對整機性能影響很大. 主軸直接承受切削力,轉速范圍又很大,所以對主軸組件的主要性能基本要求如下:
（1） 回轉精度. 主軸組件的回轉精度是指主軸的回轉精度.造成主軸回轉誤差的原因是主要是由于主軸的結構及其加工精度,主軸軸承的選用及剛度等,而主軸及其回轉零件的不平衡,在回轉時引起的激振力也會造成主軸的回轉誤差.
（2） 剛度. 主軸組件的剛度指受外力作用時,主軸組件抵抗變形的能力. 主軸部件的剛度與主軸結構尺寸,支承跨距,所選用的軸承類型及配置形式,軸承間隙的調整,主軸上傳動元件的位置等有關.
（3） 抗振性: 主軸組件的抗振性是指切削加工時,主軸保持平衡運轉而不發(fā)生振動的能力,提高主軸抗振性,必須提高主軸組件的靜剛度,采用較大阻尼比的前軸承,以及在必要時安裝阻尼(消振)器,另外,使主軸的固有頻率遠遠大于激振力的頻率.
（4） 溫度. 主軸組件在運轉時,溫度過高會引起很多不良結果,數(shù)控機床在解決溫度問題時,一般采用注溫主軸箱.
（5） 耐磨性, 主軸組件必須有足夠的耐磨性,以便能長期保持精度.
２ 主軸部件的傳動方式和布置形式.
（1）傳動方式
主軸旋轉運動傳動方式的選擇,決定于主軸轉速的高低,所傳遞扭矩的大小,對遠轉平穩(wěn)性的要求及結構緊湊,裝卸維修方便.這里我們選擇齒輪傳動,這樣結構簡單,緊湊和能傳遞較大的扭矩.
（2）傳動件位置的合理布置.
對于傳動件直接裝在主軸上的主軸部件,工作時主要承受傳動力Q.切削力P和支承反力. 合理布置傳動件的軸向位置,可以改善主軸的受力情況,減少主軸的變形,改善傳動件的軸承工作條件,減少軸承的受力,提高主軸部件的抗振性等.
合理布置的原則
①傳動力Q引起的主軸彎曲變形小,且能部分抵消切削力P引起的主軸彎曲變形.
②傳動力Q引起的支承反力能部分抵消切削力引起的支承反力.
③傳動力Q引起的主軸端位移小,并且盡可能部分地抵消切削力引起的端位移,尤其在影響加工精度的敏感方向上.
④結構緊湊,主軸箱尺寸小,裝配維修方便.
綜合所上述原則,選擇傳動件的軸向布置形式如下圖2.8:
圖2.8
３ 主軸部件軸承的選擇
（1） 主軸軸承的選擇
主軸部件上的軸承應具有旋轉精度高,剛度高,承載能力強,抗振性好,極限轉速高,適應變速范圍大,摩擦功耗小,噪音低,壽命長的性能,同時應滿足制造簡單,使用維修方便,成本低,結構尺寸小