南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 65 页 前 言 前 言加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、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，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的 CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能 PLC，多媒体技术应用等方面发展。加工中心的优点有：1）提高加工质量；2）缩短加工准备时间；3）减少在制品；4）减少刀具费；5）最少的直接劳务费；6）最少的间接劳务费；7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。编者 2009 年 6 月南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 65 页 1.机床总体方案设计 1.机床总体方案设计1.1 机床总体尺寸参数的选定1.1 机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度长度 4001600mmmm工作台最大纵向行程 650mm工作台最大横向行程 450mm工作台最大垂直行程 500mmX、Y 轴步进电机 a12/3000iZ 步进电机 a12/3000i主轴最大输出扭矩 70 公斤力米主轴转速范围 452000r/min主电动机的功率 4kw主轴电动机转速 1500r/min机床外行尺寸（长宽高）0mmmmmm机床净重 500kg1.2 机床主要部件及其运动方式的选定1.2 机床主要部件及其运动方式的选定1.2.1 主运动的实现1.2.1 主运动的实现因所设计的卧式加工中心要求能进行车、铣和镗，横向方向的行程比较大，因而采用工作台不动，而主轴箱各轴向摆放为卧式的机构布局；采用交流无级调速电动机实现无级调速，并且串联有级变速箱来扩大变速范围。为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳、工作更可靠，主轴箱主要采用离合器交换齿轮的有级变速。1.2.2 给运动的实现1.2.2 给运动的实现本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在 X、Y、Z 三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。1.2.3 数字控制的实现1.2.3 数字控制的实现南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 65 页采用单片机控制，各个控制按钮均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。1.2.4 机床其他零部件的选择1.2.4 机床其他零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。1.3 机床总体布局的确定1.3 机床总体布局的确定1.3.1 确定主轴箱传动系统方案：1.3.1 确定主轴箱传动系统方案：主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定的转速上为恒功率变速，通常变速范围仅为 2-3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可大 30 甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个有级变速箱。本机床采用交流调速电机变速，为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，为了进一步扩大变速范围，在后面串联机械有级变速装置。1.3.2 确定主轴箱有级变速级数：1.3.2 确定主轴箱有级变速级数：取变速箱的公比为f等于电动机的恒功率变速范围dpR，即dpfR，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱级数为 Z，则主轴的恒功率变速范围NPR等于 1zzNPdpffRR变速箱的变速级数可得出：南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 65 页 lglgnpfRZ主轴要求的恒功率变速范围 2000/4544.4NPR电动机的恒功率变速范围 2000/1500 1.34dPR 取变速箱的公比 1.41dpfR故变速箱的变速级数 lglg44.511.15lglg1.41npfRZ故通过圆整取 Z=12。1.3.3 确定各齿轮的齿数：1.3.3 确定各齿轮的齿数：在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大躁声，所以在设计时要把齿数和控制在100120zS；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数min1820Z，因而齿轮的齿数和不应过小。受结构限制的个齿轮（尤其是最少齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽2am（m 为模数），以保证有足够强的强度，避免出现变形或断裂现象。应保证：min122DTm标准直齿圆柱齿轮，其最少齿根直径minmin(2.5)Dmz，代入上式可得：min26.5TZm 式中：minZ齿轮的最少齿数；m齿轮模数；T齿轮键槽顶面至轴心线的距离。由于此传动在同一变数组为同模数传动，各对齿轮的齿数的齿数之比，必须满足传动比；当各对齿轮的模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必然相等，可列出：南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 65 页 1212jjjjjzzuzszz 式中：12.jjzz分别为 J 齿轮副的主动与从动齿轮的齿数；juJ 齿轮副的传动比；zs 齿轮副的齿数和。由上述公式可得：12111jjzjjzjuszuszu因此，选定了齿数和ZS，便可以计算出各齿轮的齿数，或者由上式确定出齿轮副的任一齿轮后，用上式算出另一齿轮的齿数。查表选择齿轮的齿数：42721.4755603730.53608024.9640aaabbbbbccccddzzzzzzzzzzzzzz其中 a 代表二轴，b 代表三轴，c 代表四轴，d 代表主轴。1.3.4 拟定主运动转速图：1.3.4 拟定主运动转速图：由上述计算得，12 级转速各传动组中传动数的确定方案有：12=43 ，12=34 ，12=322，12=232，12=223按照“前多后少”的原则，确定各传动组的传动副数为 12=322。根据“前密后疏”的原则，确定基本组在前，后面依次扩大，因此得结构式为 南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 65 页13612322，第二扩大组的两个传动比连线，在允许的范围内，所选定的结构式共有三个传动组。因此变速机构需要四轴，再加上电动机轴共五轴，故转速图有五条竖线U的限制，现在传动组 C 的变速范围为68。可知这个传动组中两个传动副的传动比必然是极限值，即 122411,24ccuu 该传动组的升降速度传动比都达到了极限值，就确定了轴的六级转速只有一种可能，即为 1801000r/min。轴-之间，两条传动比连线bbuu，因此，确定轴的转速为 355710 r/min。对于轴，取 ,2.8241.41aaauuu于是决定了轴的转速为 1000 r/min，电动机轴与轴之间为齿轮传动，传 动 比 为1000：1440，综 合 上 述，主 轴 的 调 速 范 围：45.63.90.125.180.250.355.5000.710.1000.1400.2000。转速图如下：南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 65 页 图 2.1 加工中心转速图 南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 65 页2.主运动的设计计算2.主运动的设计计算2.1 电动机的选择2.1 电动机的选择2.1.1 电动机的功率的计算2.1.1 电动机的功率的计算查机床主轴/变速箱设计指导：端铣：硬质合金端铣刀，铣刀材料是 45 号钢；1）主切削力0.750.850.731.00.13118cepzfada nFz公式中背吃刀量34,4,amm:取a，0.40.80.8160ddmm:e侧吃刀量a取每齿进给量0.10.2/,0.2/zzmm zmm zff:取刀具直径200dmm铣刀齿数 z=4,选100/cm sv铣刀转速0.750.850.731.00.130.850.750.750.13118118 1600.22004 16041706.3cepzNfada nFz 所以主切削力0.750.850.731.00.130.850.750.750.13118118 1600.22004 16041706.3cepzNfada nFz 2）切削功率铣削过程中消耗的功率cp主要按圆周切削力CF 和铣削速度cv进行计算 1706.3 1002.841000 6060ccckwkwvFp进给运动也消耗一些功率fP，一般情况下0.15CfPP，所以总的切削力功率1.15pppmcf，由 此 可 估 算 铣 床 主 电 动 机 的 功 率；mEpp式中铣床传动效率，取=0.85，南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 65 页 01.151.15 2.843.840.85EPPkwkw2.1.2 电动机参数的选择2.1.2 电动机参数的选择 在选择电动机时，必须使得PP总额定，根据这个原则，查机械设计手册选取 Y112M-4 型电动机，功率为 4kw。其基本参数如下(单位为 mm):满载转速为 1440r/min2.2 齿轮传动的设计计算2.2 齿轮传动的设计计算 由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮也能满足传动设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用 7-6-6 的精度。具体设计步骤如下：2.2.1 模数的估算2.2.1 模数的估算 按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画后校核用。在绘草图之前，先估算，再 标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式：332(NwjNmmmZn式中 即为齿轮所传递的功率）齿面点蚀的估算公式：332(NjNAmmn式中 即为齿轮所传递的功率）其中jn为大齿轮的计算转速，A 为齿轮中心距。由中心距 A 及齿数1Z、2Z求出模数：122jAmmmZZ根据估算所得wm和jm 中较大的值，选取相近的标准模数。南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页 共 65 页前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：第一对齿轮副 3333121440/min432321.3934 1440432324.49144022 4.490.113447jwjjjnrNmmmmmmmZnNAmmmmmmnAmmmmmmmzz所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为1.39wmmmm第二对齿轮 3333121000/min432321.6927 1000432325.02100022 5.020.132753jwjjjnrNmmmmmmmZnNAmmmmmmnAmmmmmmmzz所。