XK5036數控立式銑床總體及垂直進給傳動機構設計【含CAD高清圖紙和說明書】

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數控機床總體方案的制訂及比較62.1總體方案設計的內容62.2 數控銑床改造設計總體要求72.3 數控銑床改造設計內容72.4 改造后的數控銑床功能分析9第3章 確定切削用量及選擇刀具103.1刀具選擇103.2切削用量確定103.3切削三要素113.4加工精度和表面粗糙度113.5刀具材料14第4章 傳動系統(tǒng)圖設計154.1 傳動系統(tǒng)設計154.1.1 參數的擬定154.1.2 傳動結構或結構網的選擇154.1.3 轉速圖擬定174.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制204.2 傳動件的估算與驗算244.2.1 傳動軸的估算和驗算244.2.2 齒輪模數的估算與驗算274.3 展開圖設計324.3.1 結構實際的內容及技術要求324.3.2 齒輪塊的設計334.3.3 傳動軸設計354.3.4 主軸組件設計384.4 制動器設計434.5 截面圖設計444.5.1 軸的空間布置444.5.2 潤滑454.5.3 箱體設計的有關問題46第5章 主要部裝圖（垂直進給系統(tǒng)）的設計與計算475.1設計方案的確定475.2 垂直(Z向)進給系統(tǒng)的設計485.3 升降臺自動平衡裝置50第6章硬件電路圖的設計526.1微機控制系統(tǒng)組成及特點526.1.1微機控制系統(tǒng)的組成526.1.2微機數控系統(tǒng)的特點526.2微機控制系統(tǒng)設備介紹536.2.1主控制器CPU的選擇536.2.2存儲器電路的擴展546.2.3 I/O口電路的擴展556.2.4 步進電機驅動電路556.2.5其它輔助電路設計566.3程序部分57致 謝62參考文獻63 第1章 數控機床發(fā)展概述從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面。1.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢2.軸聯動加工和復合加工機床快速發(fā)展3.智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢4.重視新技術標準、規(guī)范的建立其中包括：a.關于數控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范b. 關于數控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范，加強數控銑床的整機設計中應該把握的主要問題的訓練。1.1國內數控機床現狀近年來，隨著機床工業(yè)的發(fā)展，我國機床“工作母機”一直保持兩位數的增長。2003年的產值達到260億元，產量居世界第四。我國的機床消費超過59億美元，首次躍居世界第一，產值水平260億元，消費超出220多億元。其差額自然只有靠進口。據海關統(tǒng)計，2003年我國進口機床產品金切機床及鍛壓設備各約31.5億美元，又是一個“世界第一”而全行業(yè)出口僅為3.1億美元。出口的數控機床品種以中低檔為主。機床業(yè)現狀可以用“三大一小”一一消費大國、生產大國、進口大國和出口小國來概括?！澳笝C”水平看“數控”。1992年我國年產數控機床僅4200多臺。到2003年這一數字已為2.48萬多臺.比上年增長了41.6%。 10年來，我國數控金切機床產量翻了兩番多.數控機床產品開發(fā)加快，一批反映當前世界數控機床發(fā)展潮流的高檔次數控機床問世，如直線電機驅動加工中心、五軸車銑復合中心、五軸龍門加工中心等。建立了以中、低檔次數控機床為主的產業(yè)體系和高檔次數控機床的研發(fā)和生產體系，可以說，我國機床業(yè)整體素質有了明顯提高。但與發(fā)達國家相比，我國機床數控化率還不高，目前生產產值數控化率還不到30%;消費值數控化率還不到50%,而發(fā)達國家大多在76%左右。高檔次的數控機床及配套部件只能靠進口.我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。這些數控機床，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài).1.2 數控機床及其特點1.2.1 數控機床與普通機床的區(qū)別數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點： 1. 適合于復雜異形零件的加工 數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應用。 2. 加工精度高 3. 加工穩(wěn)定可靠 實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩(wěn)定可靠。 4. 高柔性 加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節(jié)省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)FMS。 5. 高生產率 數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 35 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 6. 勞動條件好 機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環(huán)境較好。 7. 有利于管理現代化 采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發(fā)展，為實現生產過程自動化創(chuàng)造了條件。 8. 投資大，使用費用高 9. 生產準備工作復雜 由于整個加工過程采用程序控制，數控加工的前期準備工作較為復雜，包含工藝確定、程序編制等。 10. 維修困難 數控機床是典型的機電一體化產品，技術含量高，對維修人員的技術要求很高。1.2.2 數控機床的適用范圍由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有： 批量小而又多次重復生產的零件； 幾何形狀復雜的零件； 貴重零件加工； 需要全部檢驗的零件； 試制件。 對以上零件采用數控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數控加工的優(yōu)勢。1.3 數控機床的工藝范圍及加工精度數控銑床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數量最多的數控機床，約占數控機床總數的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。由于數控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數控銑床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。1.精度要求高的回轉體零件由于數控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。2.表面粗糙度要求高的回轉體零件數控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件由于數控銑床具有直線和圓弧插補功能，部分銑床數控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。1.4 數控機床發(fā)展趨勢1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工 進入21世紀，機床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度.上世紀90年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。（2）高精度、超精密化加工當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達到5微米;精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級(0.001微米)，主軸回轉精度要求達到0.01-0.05微米，加工圓度為0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工特高精度加工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(10nm).其應用范圍日趨廣泛（3）高可靠性是指數控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF 就必須大于3000小時.當前國外數控裝置的MIBF值已達60000小時以上，驅動裝置達30000小時以上.2. 模塊化、智能化、柔性化和集成化(1)模塊化、專門化與個性化為了適應數控機床多品種、小批量的特點.機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾午來特別明顯的發(fā)展趨勢.(2)智能化在數控系統(tǒng)中智能化的內容包括為追求加工效率和加工質量方面的智能化:如自適應控制，工藝參數自動生成:為提高驅動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算等:簡化編程、簡化操作方面的智能化:智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容等。(3)柔性化和集成化數控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床) 、線(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段車間獨立制造島、工廠自動化FA)、體(CIMS,分布式網絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展.3. 開放性為適應數控進線、聯網、普及型個性化、多品種、柔性化及數控迅速發(fā)展的耍求，最重耍的發(fā)展趨勢是體系結構的開放性，設計生產開放式的數控系統(tǒng)，例如美國的OMAC,歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開觸式數控的計劃等。第2章 數控機床總體方案的制訂及比較2.1總體方案設計的內容針對XK5036銑床的特點，在滿足生產的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數控系統(tǒng)控制銑床運動，實現工作臺X、Y、z軸的三坐標控制及任意三軸的聯動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數控化改造數控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內容:系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內容。將一臺XK5036普通升降臺立式銑床，改造成三坐標控制，三軸聯動加工的數控銑床，用以實現平面、凸輪、溝槽、圓弧槽等復雜零件的自動銑削加工。根據設計任務要求，有三種方案可供選擇：方案一：將工作臺升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進給改為微機控制，實現三坐標控制,三坐標聯動的開環(huán)控制。方案二:將主軸升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進給改為微機控制，實現三坐標控制，任意兩坐標聯動的開環(huán)控制。方案三:僅將工作臺X、Y軸進給運動改為微機控制，實現兩坐標控制，兩坐標軸聯動的開環(huán)控制對上述三個改造方案綜合考慮，結合銑床升降臺需要修理等實際情況.在符合經濟型數控改造一般原則的前提下選擇確定第一方案，其具體方案如下:(1)拆除機床工作臺X、 Y、 Z軸原進給系統(tǒng)。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電機。對機床傳動系統(tǒng)設計計算，選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。完成齒輪傳動機構設計，步進電機選擇等，垂向工作臺傳動升降機構在更換滾珠絲杠后會因失去自鎖而自動下滑.必須增加平衡裝置和制動裝置。(2)選擇經濟型開環(huán)數控系統(tǒng)、實現機床工作臺X、Y、Z軸3/3數控。主軸的部分數控功能要求X、Y、Z向步進精度為O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;軸向定位精度0.015 mm;重復定位精度0.008 mm。2.2 數控銑床改造設計總體要求數控銑床改造設計主要考慮以下四方面因素：(1) 經濟性既然是用于普通銑床的數控化改造，因此，必須充分考慮系統(tǒng)的成本，這是保證達到系統(tǒng)設計目的關鍵。這里的成本包括數控系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)等。(2) 方便性數控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機界面。人機界面應當對用戶友好，對此系統(tǒng)應從以下幾個途徑來體現： 漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。輸入、檢索、修改盡量一體化。即輸入時可以檢索、修改，檢索時可以修改、輸入，并且自動顯示程序段號。快速檢索，即能對程序進行上下翻頁顯示。(3) 實用性經濟型數控系統(tǒng)的設計不應追求功能的大而全，應以實用為原則。一般的機械加工只要能具有以下功能即可滿足需要：直線、圓弧插補。插補速度要充分考慮被改造機床本身的內在素質，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。速度銜接技術，即速度升/降速控制。速度銜接技術可以保證系統(tǒng)在加工過程中實現2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。變頻調速。加工程序的掉電保護能力。(4) 可靠性由于數控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2.3 數控銑床改造設計內容(1) 主傳動系統(tǒng)設計拆除機床主軸，重新設計主軸。為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉，在距離磁鐵l-2mm的旋轉軌跡外，固定一個磁傳感器，當傳感器發(fā)出信號后經過放大，由定向電路使電動機準確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動改為采用變頻交流電動機無級調速。低檔轉速為270-1500r/min，高檔轉速為1500-4500r/min，在各檔內可以實現無級調速。與原立式銑床的機械結構相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調速系統(tǒng)，通過軟件來實現它的調速。(2) 進給傳動系統(tǒng)設計縱向、橫向、垂向進給箱齒輪全部拆除，拆除縱向、橫向、垂向進給手柄，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進電機相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。改造后的XK5036銑床傳動示意圖如圖1.1所示，其定位精度為0.01mm，重復定位精度為0005mm。X、Y電機能夠拖動工作臺以6-3200rmin的切削進給速度進行x向、Y向運動，Z向電機能使主軸箱獲得3-1600rmin的進給速度。(3) 數控系統(tǒng)的設計采用AT89C58單片機控制系統(tǒng)。采用模塊化設計方案，從總體上分為人機界面模塊、坐標進給模塊、變頻調速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機的主控模塊。利用變頻調速的原理，設計主軸的無級變頻調速系統(tǒng)；通過插補算法，實現步進電機的準確定位以便達到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設計，實現機床功能的完善化。1雙聯齒輪 2雙聯齒輪 3齒輪軸 4主軸電機 5齒輪 6主軸齒輪 7主軸齒輪 8縱向滾珠絲杠 9薄片齒輪 10縱向步進電機 11橫向步進電機12薄片齒輪 13橫向滾珠絲杠 14垂直步進電機 15薄片齒輪16圓錐齒輪 17垂直進給絲杠圖1.1 XK5036銑床傳動示意圖2.4 改造后的數控銑床功能分析 根據設計要求，改造后的數控銑床應具有以下功能：以實現程序的存儲和編輯功能；以實現主傳動系統(tǒng)電機正、反轉，轉速分為兩檔，并在各檔內可以實現無級調速；可以在平面或空間范圍內按設定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運行；以實現數值的任意設定并顯示；以實現輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報警；以實現與上位機的通訊。63第3章 確定切削用量及選擇刀具3.1刀具選擇（一）刀具選擇：銑平面：硬質合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。（二）原則：安裝調整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。（三）排序原則減少刀具數量；裝夾一次，盡是加工完；即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；先銑后鉆；精加工，先曲面后二維輪廓；盡可能自動換刀。3.2切削用量確定粗：效率；半精、精：質量、兼顧效率。1、主軸轉速n：根據線速度v確定：V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。L0.60.9d粗加工：大切深、大進給、低切速。精加工：小切深、小進給、高切速。3.3切削三要素主軸轉速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差與配合國家標準（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。新公差等級與舊公差等級的對照及應用新公差等級舊精度等級加工方法應用軸孔IT01IT2無研磨用于量塊、量儀制造IT3IT4研磨用于精密儀表、精密機件的光整加工IT51無研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍IT621IT732磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金IT834IT94銑、鏜、銑、刨、插用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合IT105IT116粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148沖壓、壓鑄用于非配合IT15IT18912鑄、鍛、焊、氣割（2）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準確程度。 國家標準（GB11821184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。（3）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準確程度。 國家標準（GB11821184-80）規(guī)定了八項位置公差：定向：平行度、垂直度、傾斜度。定位：同軸度、對稱度、位置度。跳動：圓跳動、全跳動。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標準（GB3503-83、GB103183、GB131-83） 輪廓算術平均偏差： Ra 或近似于Ra 微觀不平十點高度： Rz(+) 在常用數值范圍內（Ra0.256.3m，Rz0.125m），在圖樣上應優(yōu)先選用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法舊國際光潔度級別代號第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明顯可見的刀紋80320粗銑粗銑粗刨鉆粗銼16325050200可見刀紋4016023212525100微見刀紋2080316.06312.550半精加工可見加工痕跡1040半精銑精銑精銑精刨粗磨48326.325微見加工痕跡52054163.212.5不見加工痕跡2.5106281.6精加工可辨加工痕跡的方向1.256.3精鉸刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕跡的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕跡的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光澤面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工拋光100.1250. 630.10.50亮光澤面0.0800.40110.0630.320.050.25鏡狀光澤面0.0400.20120.0320.160.0250.125霧狀光澤面0.0200.10130.0160.0800.0120.063鏡面0.0100.050鏡面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬質合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000，V100-300m/min。另外，還有新型硬質合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。第4章 傳動系統(tǒng)圖設計4.1 傳動系統(tǒng)設計XK5036數控立式銑床設計參數1、主軸轉速：30-1500轉/分 2、工作臺尺寸(長寬)： 1250mm360mm 3、工作臺最大行程： 縱向 600mm 橫向 320mm 垂直 360mm 4、快速移動速度： 15m/min工作臺定位精度 x、y、z 0.03mm；5、工作臺重復定位精度 x、y、z 0.02mm；6、縱向、橫向及垂直進給為微機控制，采用步進電機或伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動，脈沖當量0.010mm/脈沖。7、實現功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。8、操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止4.1.1 參數的擬定XK5036數控立式銑床選定公比，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，根據給出的條件：主運動部分Z=18級，根據標準數列表，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）.4.1.2 傳動結構或結構網的選擇1，確定變數組數目和各變數組中傳動副的數目該機床的變數范圍較大，必須經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，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“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：根據傳動比及指數 x, 的值公比極限值傳動比指數1.26x值: =1/=1/46值: =23（x+）值：=89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： 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，傳動方案18=3*3*2符合上述條件，其結構網如下圖4.1：圖4.1 結構網圖4.1.3 轉速圖擬定XK5036數控立式銑床運動參數確定后，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：根據機床切削能力的要求確定電機功率，但電機產品的功率已標準化，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，以免采用過大或過小的降速傳動。根據以上要求，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/minY132M-47.5KW144015002、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7001000r/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，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；主軸前后軸徑的平均值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傳到主軸上所經過的齒輪對數主軸齒輪螺旋角,K系數，根據機床類型及制造水平選取，我國中型車床，銑床=3.5，銑床K=50.5 從上述經驗公式可知，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v8m/s(可用級齒輪精度)，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，及齒輪傳動比的現在，根據“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：根據結構圖及結構網圖及傳動比的分配，擬定轉速圖，如下圖4.2所示： 圖4.2 傳動系統(tǒng)圖4.1.4 齒輪齒數的確定及傳動系統(tǒng)圖的繪制1，齒輪齒數的確定的要求：可用計算法或查表確定齒輪齒數，后者更為簡便，根據要求的傳動比u和初步定出的傳動副齒數和，查表即可求出小齒輪齒數：選擇是應考慮：a,傳動組小齒輪不應小于允許的最小齒數，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；當齒數少于不發(fā)生根切的最小齒數時（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4.3所示。c、同一傳動組的個齒輪副的中心矩應相等。若摸數相等時，則齒數和亦相等，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，一般齒數差不能夠超過34個齒。2，變速傳動組中齒輪齒數的確定 為了減少齒輪數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。查機床設計手冊確定個齒輪齒數如下： 軸II-III間變速齒輪齒數的確定：由于公比=1.26，傳動比為=1/=，=1/=，=1/設：傳動組中最小齒輪齒數=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%）齒數和為=55公用齒輪選為=39軸III-IV間變速組齒輪齒數的確定：傳動比為=1/ =1/ =根據=，主動輪齒數為39，從表7.3-14可查得：=18/47 （-0.1%），=28/37 （0.9%），=39/26 （-0.3%）齒數和為：=65軸IV-V間變速組齒輪齒數的確定：由于變數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，可采用不同模數的齒輪副。軸IV-V間的兩對齒輪，其傳動比為=1/4, =2分別取，則34取30，30x3=90, =30x4=120按傳動比將齒數分配如下：=1/4=18/7219/71 ，=2=80/4082/38軸V-VI及VI-VII間齒數確定，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為29，I-VII軸間齒輪齒數為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，但標牌上標準數列的數值一般也不允許與實際轉速相差太大。 由確定的齒輪齒數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確定后，變速箱的結構復雜程度也基本確定了（如齒輪個數，軸數，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的可行性問題，在考慮主軸適當的支承距和散熱條件下，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。根據計算結果，繪制出傳動系統(tǒng)圖，如圖2.4所示 圖1.4 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IIIIIIIV=VVIVIII（主軸）4.2 傳動件的估算與驗算4.2.1 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）0.5-11-1.51.5-2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)計數據確定；1.5-2.82.8-44.5-7.55.5-7.57.5-11車床60-8070-9070-10595-130110-145升降臺銑床50-9060-9060-9575-10090-105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=48.242、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（0.00030.0005）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（0.010.03）裝滑動軸承處0.001安裝蝸輪的軸（0.020.05）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=4.2.2 齒輪模數的估算與驗算1、 估算：按接觸疲勞和彎曲強度計算次論模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪各參數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。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，求出模數=2A/ mm根據估算所得和中較大的值，選擇相近的標準模數，各齒輪的計算轉數為：=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III間傳動組齒輪模數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所以模數為m=3.軸IIIII傳動組齒輪模數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 m=4軸IIIIV間傳動組齒輪模數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m=4mm。軸VVI間傳動組齒輪模數的估算：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取標準模數值m=5,軸VIVII間齒輪模數的確定：齒輪彎曲疲勞強度計算：齒面點蝕估算：Ax =158.7=2A/=2x158.7/(67+67)=2.37取模數值為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。根據接觸疲勞強度計算齒輪模數的公式：= mm根據彎曲疲勞強度計算齒輪模數，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=b/m, 常取6-10；大齒輪與小齒輪齒數，一般取傳動中最小齒輪的齒數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，=，工作期限系數，=齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的指數m和基準循環(huán)次數n齒輪的最低轉速 r/minT預先的齒輪工作期限，中型機床推薦：T=1500020000h;轉速變化系數功率利用系數材料強化系數，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，中等沖擊的主運動，=1.21.6；動載荷系數齒向載荷分布系數齒形系數許用彎曲，接觸應力MPa;1、軸I-II間齒輪模數的計算(驗算)(1)按接觸疲勞計算齒輪模數: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: (2) 根據彎曲疲勞計算 查表取 : 而 查表取 .Y=0.43, 因此: 。由以上計算結果知，齒輪模數合格。2、其它齒輪模數的驗算其它齒輪的驗算過程與上面相同，將有關數值代入上式，經計算均滿足要求；4.3 展開圖設計4.3.1 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3400N/m主軸與刀架之間的相對振幅的要求等級IIIIII振幅（0.001mm）123(3)，傳動效率要求等級IIIIII效率0.850.80.75（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7040用滑動軸承6030 噪聲要控制在以下范圍：等級IIIIIIdB788083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傳到主軸所經過的齒輪對數,k系數，根據個類型及制造水平選取。我國中型車床，銑床=3.5，銑床K50.5（5）結構簡單，緊湊，加工和裝配工藝性好，便于維修和調整（6）操作方便，安全可靠（7）遵循標準化和通用化的原則4.3.2 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 12mm， 5mm; 模數2.54mm, 6mm。剃齒時： 采用公式：=4.5+k(1.1+0.038-0.03)mm及計算。圖4.5式中，k為與剃齒刀傾斜角有關的系數。 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，需要剃齒或珩齒，需齒