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畢業(yè)設計(論文)
MJ-50型數控車床主傳動系統設計
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
年 月 15 日
本科畢業(yè)設計（論文）任務書
工 學院 機械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 08 級 2 班
學 號 學生 指導教師
畢業(yè)設計（論文）題目
MJ—50型數控車床主傳動系統設計
畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數據）、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁）
一、設計技術要求、原始資料（數據）、參考資料（文獻）
1、設計要求：主要是數控車床主傳動系統的結構設計，以結構設計和關鍵零部件設計為主線，以理論計算及計算機輔助設計為輔的綜合性題目。
2、參考文獻：數控機床構造、機械設計、機械原理、金屬工藝學及熱處理、機械設計手冊、機械工程手冊等資料。
二、設計目標與任務
1、查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；編寫文獻綜述（不少于3000字）。
2、翻譯外文科技資料，不少于3000字。
3、完成開題報告。
4、完成數控車床主傳動系統總體結構設計，繪制裝配圖、部件圖和零件圖，折合折合A1圖紙3張以上。
5、編寫設計說明書，不少于8000漢字。
6、刻錄光盤。
三、時間安排
1——3周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述等
4——11周 完成總體設計、撰寫說明書等
12——13周 修改論文、資格審查等
13周 畢業(yè)答辯
畢業(yè)設計（論文）時間： 年 12 月 15 日至 年 4 月 30 日
計 劃 答 辯 時 間： 年 5 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
畢業(yè)設計（論文） 第 33 頁
MJ-50數控車床主傳動系統
摘要
科學技術和社會生產的不斷發(fā)展，對機械產品的性能、質量、生成率和成本提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程自動化是實現上述要求的重要技術措施之一。單件、小批量生產占機械加工的80%左右，一種適合于產品更新換代快、品種多、質量和生產效率高、成本低的自動化設備的應用已迫在眉睫。而數控機床這一集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品，機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機，適應了這種要求，滿足了目前生產需求。數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中占有非常重要的位置。
因此了解數控車床的結構與工作原理是操作、維修、改進數控車床的前提，也是設計一款數控車床的基本。基于此本文介紹了MJ-50數控車床的主傳動系統。
關鍵詞：機械加工，數控車床，主傳動系統
MJ-50 of CNC lathe main transmission system
Abstract
Science and technology and the development of social production, the mechanical product performance, quality, producing rate and cost put forward more and more high demand. Mechanical processing process automation is to realize the above requirements of important technical one of the measures. Single or small batch production accounts for about 80% of the mechanical processing, a suitable product update quickly, variety, quality and high production efficiency, low cost of the application of automation equipment is imminent. And the numerical control machine this set mechanical, electrical, hydraulic, pneumatic, microelectronics and information etc many technology for the integration of mechanical and electrical products, machinery manufacturing equipment has high precision, high efficiency, high automation and high flexibility of the advantages of machine tools, used to the demand, meet the current production requirements. Numerical control machine tool technology level and in the metal cutting machine tools and the percentage of the total yield of ownership is the measure of a country's national economic development and industrial manufacturing level one of the important marks. Numerical control lathe is one of the main types of the numerical control machine tool, it in the numerical control machine tool occupies very important position.
So understand CNC lathe structure and working principle of operation, maintenance and improvement is the premise of the CNC lathe, CNC lathe is also design a basic. Based on this this paper introduces MJ-50 of CNC lathe main transmission system.
Keywords: mechanical processing，numerical control lathe，main transmission system
目錄
1緒論 1
1.1數控車床的現狀及前景 1
1.2 數控車床的組成與適用范圍 1
1.2.1數控車床的組成 1
1.2.2數控車床的特點 3
1.2.3 數控車床的分類 3
1.3國內外數控車床主傳動系統的發(fā)展 4
1.3.1 數控車床發(fā)展總趨勢 4
1.3.2中國發(fā)展數控車床存在的主要問題 5
2 主傳動系統設計與結構說明 8
2.1 設計思想 8
2.1.1 MJ-50數控車床的布局 8
2.1.2 MJ-50數控車床的主要技術參數 8
2.2主傳動系統特點 9
2.3對主傳動系統的要求 9
2.4主傳動系統的方式 11
2.5主傳動系統主要技術指標的確定 12
2.5.1動力參數的確定 12
2.5.2主運動調速范圍的確定 14
2.5.3主軸計算轉速的確定 15
3 主軸組件的設計與校核 17
3.1 主軸箱的結構 17
3.2傳動皮帶的設計和選定 18
3.3主軸的設計與校核 20
3.4主軸支撐的選擇 25
3.4.1軸承的選擇 25
3.4.2軸承的預緊 26
3.4.3軸承的潤滑 26
3.5主軸驅動裝置、工作特性及速度控制 27
3.6電機的選擇 28
3.6.1交流主軸驅動裝置及其工作特性 28
3.6.2交流主軸電機的調速 29
3.7主軸轉速的自動變換 30
3.8主軸旋轉與軸向進給的同步控制 31
3.9主軸旋轉與徑向進給的同步控制 31
結論 32
致謝 33
參考文獻 34
1緒論
1.1數控車床的現狀及前景
當前的世界已進入信息時代，科技進步日新月異。生產領域和高科技領域中的競爭日益加劇，產品技術進步、更新換代的步伐不斷加快?，F在單件小批量生產的零件已占到機械加工總量的80%以上，而且要求零件的質量更高、精度更高，形狀也日趨復雜化，這是擺在機床工業(yè)面前的一個突出問題。
數控車床利用數字化的信息對車床運動及加工過程進行控制，是一種可編程的通用加工設備，能自動完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復雜的軸類和盤套類零件。
與通用機床和專用機床相比，數控車床具有加工靈活、通用性強、能適應產品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點，能夠滿足新產品的開發(fā)和多品種、小批量、生產自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現代控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產品，因此被廣泛應用于機械制造業(yè)。
數控車床的主傳動系統包括主軸電機、傳動系統與主軸組件，與普通機床比，變速功能絕大部分由主軸電機的無級調速來承擔，省去了繁雜的齒輪變速機構，結構簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機構系統用以擴大電機無級調速的范圍。
1.2 數控車床的組成與適用范圍
1.2.1數控車床的組成
數控車床由以下幾個部分組成：
1、程序介質
根據零件的幾何和工藝要求，確定零件加工的工藝過程和工藝參數，然后按規(guī)定的代碼和格式編制數控加工程序。編制程序的工作可由人工完成，也可以用計算機自動編程系統來完成。比較先進的數控車床，可以在它的數控裝置上直接編程。
編好的數控程序，存放在便于輸入到數控裝置的一種存儲介質上，稱為程序介質，可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。
2、輸入輸出裝置
輸入輸出裝置主要用于零件數控程序的編制、存儲、打印和顯示等。簡單的輸入輸出裝置只包括鍵盤和發(fā)光二極管顯示器。一般的輸入輸出裝置除了人機對話編程鍵盤和CRT外，還包括紙帶、磁帶和磁盤輸入機、穿孔機等。高級的數控系統還使用自動編程機或CAD/CAM系統。
3、數控裝置
數控裝置是數控車床的核心。它根據輸入的程序和數據，經過數控裝置的系統軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令。
4、伺服驅動系統、位置檢測裝置及輔助控制裝置
伺服驅動系統由伺服驅動電路和伺服驅動裝置組成，并于車床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數控車床的進給系統。它根據數控裝置發(fā)出來的速度和位移指令，控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移。每個進給運動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅動系統。伺服驅動系統由開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。在半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅動系統中，還得使用位置檢測裝置，間接或直接測量執(zhí)行部件的實際進給位移，與指令位移進行比較，按閉環(huán)原理，將其誤差轉換放大后控制執(zhí)行部件的進給運動。
5、機床的機械部件
數控車床的機械部件包括：主運動部件，進給運動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支承部件，還有冷卻、潤滑、轉位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心車床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。
6、數控車床的工藝范圍
數控車削是數控加工中用的最多的加工方法之一。其工藝范圍較普通機床寬的多，凡是能在數控車床上裝夾的回轉體零件都能在數控車床上加工，特別是形狀復雜的軸類或盤類零件。主要包括:
（1）精度要求高的回轉體零件；
（2）輪廓形狀復雜的回轉體零件；
（3）表面粗糙度好的回轉體零件；
（4）特殊的螺紋的回轉體零件；
（5）超精密、超低表面粗糙的零件。
1.2.2數控車床的特點
1、加工對象改型的適應性強
由于在數控車床上改變加工零件時，只需要重新編制程序就能實現對零件的加工，它不同于傳統的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調整車床。因此，數控車床可以快速的從加工一種零件轉變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單件小批以及試制新產品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產準備周期，而且節(jié)約了大量工藝裝備費用。
2、加工精度高，質量穩(wěn)定
數控車床本身的精度較高，還可以利用軟件進行精度校正和補償，加工零件按數控程序自動進行，可以避免人為的誤差。因此，數控車床可以獲得比普通車床更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產的一致性，產品質量穩(wěn)定。
3、生產效率高
數控車床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機加工時。還有自動換刀轉速、自動換刀和其它輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為減縮。
4、自動化程度高
數控車床對零件的加工時按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均大為減小，勞動條件也得到相應的改善。
5、減輕勞動輕度，改善勞動條件。
由于數控機床是自動完成對零件的加工的，許多動作不需要操作者進行，因此勞動條件和勞動強度大為改善。
6、有利于生產管理
采用數控機床，有利于向計算機控制和管理生產方向發(fā)展，為實現制造和生產管理自動化創(chuàng)造了條件。
1.2.3 數控車床的分類
1、按數控系統的功能分類
（1）經濟型數控車床
（2）全功能性數控車床
（3）車削中心
（4）FMC車床
2、按主軸的配置形式分類
（1）臥式數控機床
（2）立式數控機床
3、按數控系統控制的軸數分類
（1）兩軸控制的數控機床
（2）四軸控制的數控機床
4、其他分類方法
按加工零件的基本類型分為卡盤式數控車床；按數控系統的不同控制方式分為直線控制數控車床、輪廓控制數控車床等；按性能可分為多主軸車床、雙主軸車床、縱切式車床、排刀式車床等。
1.3國內外數控車床主傳動系統的發(fā)展
1.3.1 數控車床發(fā)展總趨勢
近年來，隨著數控加工技術的不斷發(fā)展，數控車床的主傳動系統也呈現出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉速的高速化、功能結構的復合化、柔性化。
1、高速主軸單元
為了適應數控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數控車床采用了電主軸。電主軸又稱內置式電動機主軸單元，就是將高速的主軸電動機置于主軸內部，通過交流變頻控制系統，使主軸獲得所需的工作轉速和轉矩，實現電動機、主軸的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉動慣量，提高了主軸動態(tài)響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題；可精確實現主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結構可使主軸轉速達到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術、冷卻技術、高速變頻驅動技術，是技術含量很高的機電一體化產品。
2、功能復合化、柔性化
隨著數控車床對加工對象的適應性的不斷提高，數控車床（特別適合主傳動系統）的設計發(fā)生了很大變化，并向著功能復合化和系統柔性化的方向發(fā)展。
??功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化，可以擴大車床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一臺數控車床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工 。寶雞機床廠已經研制成功的CX25Y數控車銑復合中心，該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內藏式電主軸結構，通過數控系統可直接實現主、副主軸轉速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。
數控車床向柔性自動化系統發(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、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統)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。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提，以易于聯網和集成為目標，注重加強單元技術的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯結，向信息集成方向發(fā)展。網絡系統向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
由此可見，現代數控車床主傳動系統設計不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現代制造對機床的整體要求，如制造控制、過程控制以及物料傳送，以縮短產品的加工時間、周轉時間、制造時間，以最大限度的提高生產率。
1.3.2我國發(fā)展數控車床存在的主要問題
我國于1958年研制出第一臺數控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958～1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現欠佳，無法用于生產而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數控系統技術，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進數控機床先進技術和合作、合資生產，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數控機床開始正式生產和使用，并逐步向前發(fā)展。
在20余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數控車床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統的科研工作；元部件和數控系統不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。
中國今后要加速發(fā)展數控機床產業(yè)，既要深入總結過往的經驗教訓，切實改善存在的問題，又要認真學習國外的先進經驗，沿正確的道路前進。建議切實做好以下幾點：
(1)中國廠多人眾，極需正確的方針、政策對數控車床的發(fā)展進行有力的指引。應學習美、德、日經驗，政府高度重視、正確決策、大力扶植。在方針政策上，應講究科學精神、經濟實效，以切實提高生產率、勞動生產率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學習日本，首先解決量大而廣的中檔數控機床，批量生產，占領市場，減少進口，擴大出口。在步驟措施上，必須使國產數控系統先進、可靠，狠抓產品質量與配套件過關，打好技術基礎。近期重在打基礎，建立信譽，擴大國產數控車床的國內市場份額，遠期謀求趕超世界先進水平，大步走向世界市場。
(2)必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質、培養(yǎng)各種專家人才，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)。人是一切事業(yè)成敗的根本，層層都要重視“培才、選才、用才”，建立學習型企業(yè)，樹立企業(yè)文化，加速培育新人，培訓在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術講座、訓練班和專題討論會，甚至聘請外國專家、顧問等，盡力提高數控。
2 主傳動系統設計與結構說明
2.1 設計思路
本設計師參照濟南第一機床廠的MJ-50型數控車床來進行設計：床身和導軌的布局采用水平床身斜滑板；主軸驅動采用交流伺服電動機無機調速，采用V型帶帶動主軸旋轉：進給系統也使用交流伺服電動機驅動，使用同步帶機構減速，采用滾珠絲杠副進行傳動；刀架系統使用回轉刀架機構；尾座使用標準尾座。
2.1.1 MJ-50數控車床的布局
MJ-50數控車床為兩坐標連續(xù)控制的臥式車床。床身為平床身，床身導軌上面支承著30度傾斜布置的滑板，排屑方便。導軌的橫截面為矩形，支承剛性好，且導軌上配置有防護罩。床身的左上方安裝有主軸箱，主軸有AC交流伺服電動機驅動，免去變速傳動裝置，因此使主軸箱的結構變得十分簡單。為了快速而省力地裝夾工件，主軸卡盤的夾緊與松開是由主軸尾端的液壓缸來控制的。
床身右上方安裝有尾座。該機床有兩種可配置的尾座，一種是標準尾座，另一種是選擇配置的尾座。
滑板的傾斜導軌上安裝有回轉刀架，其刀盤上由10個工位，最多安裝10把刀具。滑板上分別安裝有X軸和Z軸的進給傳動裝置。
根據用戶的要求，主軸箱前端上可以安裝對刀儀，用于機床的機內對刀。檢測刀具時，對刀儀的轉臂擺出，其上端的接觸式傳感器測頭對所有刀具進行檢測。檢測完成后，對刀儀的轉臂擺回到原位，且測頭被鎖在對刀儀防護罩中。
機床上配置有操作面板，機床防護門，可以配置手動防護門，也可以配置氣動防護門。液壓系統的壓力由壓力表顯示。附有主軸卡盤夾緊與松開的腳踏開關。
2.1.2 MJ-50數控車床的主要技術參數
允許最大工件回轉直徑 500mm
最大切削直徑 310mm
最大切削長度 650mm
主軸轉速范圍 35～3500r/min(連續(xù)無級)
其中恒扭矩范圍 35～437 r/min
其中恒功率范圍 437～3500 r/min
主軸通孔直徑 80mm
拉管直徑 65mm
刀架有效行程 X軸 182mm; Z軸 675mm
快速移動速度 X軸 10m/min;Z軸 15m/min
安裝刀具數 10把
刀具規(guī)格 車刀25mmx25mm;鏜刀12mmx45mm
選刀方式 刀盤就近轉位
分度時間 單步 0.8s; 180°;2.2s
尾座套筒行程 130mm
主軸AC伺服電動機連續(xù)/30min 超載 11/15kw
進給伺服電動機 X軸AC 0.9kw;Z軸AC 1.8kw
機床外形尺寸（長x寬x高） 2995mmX1667mmX1796mm
2.2主傳動系統特點
1、目前數控機床的主傳動電動機已不再采用普通的交流異步電動機或傳統的直流調速電動機，它們已逐步被新型的交流調速電動機和直流調速電動機所代替。
2、轉速高，功率大。它能使數控機床進行大功率的切削和高速切削，實現高效率加工。
3、變速范圍大。數控機床的主傳動系統要求有較大的調速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。
4、主軸速度的變換迅速可靠。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。由于直流和交流主軸電動機的調速系統日趨完善，不僅能夠方便地實現寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。
2.3對主傳動系統的要求
數控機床的主傳動系統除應滿足普通機床傳動要求外，還有如下要求：
1、旋轉精度
主軸的旋轉精度上是指裝配后，在無載荷，低轉速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。主軸組件的旋轉精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的的制造，裝配和調整精度。還決定于主軸轉速，支撐的設計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數控）機床的旋轉精度已有標準規(guī)定可循。
2、靜剛度
主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號，數量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質量等。各類機床主軸組件的剛度目前尚無統一的標準。
3、抗振性
主軸組件工作時產生震動會降低工件的表面質量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產生噪聲影響環(huán)境。振動表現為強迫振動和自激振動兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應遠大于激動力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標，只有一些實驗數據可供設計時參考。
4、升溫和熱變形
主軸組件工作時因各相對運動的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導致主軸軸線傾斜。
由于受熱膨脹是材料固有的性質，因此高精度機床要進一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機床主軸組件的研究的主要課題之一。
5、耐磨性
主軸組件的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機床主軸上的上述部分應淬硬至HRC60左右，深約1mm。
6、材料和熱處理
主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應力通常遠遠小于鋼的強度極限。因此，強度一般不做為選材的依據。主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據。
主軸材料的選擇主要根據耐磨性和熱處理變形來考慮。數控機床的材料通常是45號或60號優(yōu)質中碳鋼，需調質處理。
7、主軸的結構
為了提高剛度，主軸的直徑應該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常作成階梯形的，主軸的結構和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數量，位置和安裝方法有直接的關系。
主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的70%。
2.4主傳動系統的方式
機床主傳動系統可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數的轉速，主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便于自動變速。數控車床得主傳動系統通常采用無級變速。
與普通車床相比，數控車床的主傳動采用交、直主軸調速電動機，電動機調速范圍大，并可無級調速，使主軸結構大為簡化。為了適應不同的加工需求數控車床主傳動系統有以下三種方式：
1、電動機直接驅動
主軸電動機與主軸通過聯軸器直接連接，或采用內裝式主軸電動機驅動。采用直接驅動可大大簡化主軸箱結構，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉速的變化、輸出轉矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉矩特性直接決定主軸電機的性能，因而這種變速傳動的應用受到一定限制。
2、 采用定比傳動
主軸電動機經定比傳動給主軸。 定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉矩的要求，但其變速范圍仍和電動機的調速范圍相同。
目前，交流、直流主軸電動機的恒功率轉速范圍一般只有2～4，而恒轉矩范圍則達100以上；許多大、中型機床的主軸要求有更寬的恒功率轉速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動機的功率特性和機床主軸的要求不匹配:調速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數控機床。
3、采用分檔變速方式
采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現，電動機的無級變速配合變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求，滿足各種切削運動的轉矩輸出，特別是保證低速時的轉矩和擴大恒功率的調速范圍。
4、用兩個電機分別驅動主軸
上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅動主軸。
2.5主傳動系統主要技術指標的確定
2.5.1動力參數的確定
MJ-50數控車床，床身最大回轉直徑500mm，最大工件長度650mm；主軸通孔直徑80mm，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統的主要參數有動力參數和運動參數。動力參數是指主運動驅動電動機的功率；運動參數是指主運動變速范圍。根據數控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產周期并結合國內外機床發(fā)展現狀確定數控車床主要技術指標。
圖2.1主軸功率扭矩特性
主軸傳遞的功率或扭矩與轉速之間的關系如圖2.1所示：
當機床處在連續(xù)運轉狀態(tài)下，主軸的轉速在437～3500r/min范圍內，主軸應能傳遞電動機的全部功率11kw，II（實線）為主軸的恒功率區(qū)域。在這個區(qū)域內，主軸的最大輸出扭矩（245N·m）應隨著主軸的轉速的增高而變小。主軸轉速在35～437r/min范圍內的各級轉速并不需要傳遞全部功率，但是主軸的輸出扭矩不變，稱為主軸的恒扭矩區(qū)域I（實線）。在這個區(qū)域內，主軸所能傳遞的功率隨著主軸的轉速的降低而降低。電動機的超載功率為15kw,超載的最大輸出扭矩為334 N·m。
主傳動中個傳動件的尺寸要根據傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機常在低負載下工作，功率因數小而浪費能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統計方法相互比較來確定。
查機電一體化手冊車削功率在8～16kw之間根據切削功率PC與主傳動鏈的總效率估算,即。主傳動鏈的功率效率=0.7～0.85， 數控車床多采用調速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計P在10.26kw～20.51kw.之間。
數控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據有代表性的加工情況，由其主切削抗力
(2.1)
---主切削力的切向分力，N；
---切削速度，m/min；
查金屬切削手冊知，以硬質合金刀具車削合金結構鋼為例，數控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90～250r\min，則可知道PC。
考慮到空轉運轉的功率損失，如各傳動件在空轉運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。MJ-50型數控車床，參照國內外同類機床的電動機功率，此機床可以選取功率為11/15kw的AC伺服電動機驅動，經一級1：1的帶傳動帶動主軸旋轉，使主軸在35～3500r/min轉速范圍內實現無級調速，主軸箱內部省去了齒輪傳動變速機構，因此減少了原齒輪傳動對主軸精度的影響，并且維修方便。
2.5.2主運動調速范圍的確定
主軸轉速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定
(2.2)
計算該數控車床
(2.3)
(2.4)
則數控車床變速范圍
(2.5)
代入公式，選擇，，，要據車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經統計分析車床的最高轉速出現在硬質合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉速出現在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質合金刀具刀具精車鋼料的絲杠；高速車刀粗車圓柱體（隨被吃刀量與進給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠，車床主參數500mm，加工絲杠的最大直徑，則
取=50mm。
==3591 r/min
==41.52 r/min
由于現代數控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術儲備，類比行業(yè)中同類數控車床的轉速范圍初步選取=30 r/min，=3500 r/min。
則數控車床總變速范圍
2.5.3主軸計算轉速的確定
由切削原理知主運動為直線運動的機床，主運動為恒轉矩運動；主運動為旋轉運動的機床，主運動為恒功率運動。數控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進給量；低速主軸轉速小，不需傳動電動機的全部功率。我們把機床能傳遞全部功率的最低轉速稱為主軸計算轉速，以它為臨界轉速，如圖2.2。從至最高轉速的區(qū)域為恒功率區(qū)域，任意轉速能夠傳遞電動機的全部功率，但主軸轉矩隨主軸轉速的上升而下降；從最低轉速至的區(qū)域b為恒轉矩區(qū)域，任意轉速能夠輸出最大轉矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉速的下降而下降。
數控車床變速范圍比較廣，計算轉速比普通車床高。目前數控機床計算轉速的確定尚無統一標準，確定是參考同類機床，結合該機床加工工藝要求，使.
圖2.2主軸轉速曲線
3 主軸組件的設計與校核
3.1 主軸箱的結構
數控車床主軸箱結構如圖3.1，交流主軸電動機通過帶輪15把運動傳給主軸。主軸有前后兩個支承。前支承由一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和一對角接觸軸承組成，圓錐孔雙列圓柱滾子軸承用來承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口向外（朝向主軸前端），另一個大口向里（朝向主軸后端），用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母來調整。用螺釘來防止螺母回松。主軸的后支承為圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，軸承間隙用兩個螺母來調整。兩個螺釘是防止螺母回松的。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉速高。前支承中的角接觸球軸承能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉速高。主軸所采用的支承結構適宜低速大載荷的需要。主軸的運動經過同步帶輪以及同步帶帶動脈沖編碼器，使其與主軸同速運轉。脈沖編碼器用螺釘固定在主軸箱體上。
圖3.1主軸箱結構圖
3.2傳動皮帶的設計和選定
帶傳動是由帶和帶輪組成傳遞運動和動力的傳動。根據工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動和嚙合帶傳動。摩擦帶傳動是機床主要傳動方式之一，常見的有平帶傳動和V帶傳動；嚙合傳動只有同步帶一種。
普通V帶傳動是常見的帶傳動形式，其結構為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對高度進似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點為：當量摩擦系數大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動比大、預緊力小。繩芯結構帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應用于：帶速V＜25～30m/s;傳動功率P＜700kW;傳動比i≤10軸間距小的傳動。
主要失效形式：
（1）帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力；
（2）帶由于疲勞產生脫層、撕裂和拉斷；
（3）帶的工作面磨損。
保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強度和使用壽命是V帶傳動設計的主要依據，也是靠摩擦傳動的其它帶傳動設計的主要依據?！?
1、設計功率的確定：
查得工況系數
2、 選定帶型：
根據和
確定為B型。
3、傳動比：
根據轉速圖知,傳動比為
4、確定帶輪直徑：
參考表取
5、確定電機帶輪直徑：
6、 驗算帶速：
因為在之間，所以經濟耐用。
7、初定帶輪軸中心距：
得：
即：
初取
8、確定帶基準長度：
選取基準長度
9、計算實際軸間距：
取標準值 。
安裝時所需最小軸間距：
張緊或補償伸長所需最大軸間距：
10、單根V帶的基本額定功率：
根據和查得B型V帶的基本額定功率。
11、計算帶的根數：
取 根。
12、單根V帶的預緊力：
13、作用在軸上的力：
14、帶輪的結構和尺寸：
由資料可查得
帶輪的具體結構參見零件圖
3.3主軸的設計與校核
主軸的主要參數是：主軸前端直徑，主軸內徑d,主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。
1、 前端直徑，主軸后軸頸的直徑
由表3.1可取 =110mm
因此可知由式子
（3.1）后端直徑
圓整后
主軸孔徑d取主軸平均直徑的55%～65%，取d=56mm。
表3.1主軸（按電機功率）mm
功率（kw）
(mm)
1.4～2.5
2～3.6
3～5.5
5～7.3
7.4～11
車床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
銑床及加工中心
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
外圓磨床
——
50～60
55～70
70～80
75～90
3、前錐孔尺寸
前錐孔用來裝頂尖或其它工具錐柄，要求能夠自鎖，目前采用莫氏錐孔。因車床最大回轉直徑D=500mm>400mm，采用莫氏錐度6號，錐度大端直徑D=63.348mm，錐度=1：19.180，長度L=181mm，d=53.911mm
4、支撐跨度及懸伸長度
為了提高剛度，應盡量縮短主軸的外伸長度a，選擇適當的支撐跨度L。一般推薦取：L/a=3~5.應使 L/a盡量大，提高主軸剛度。
機床支撐跨度很大程度上受其他零件結構的影響，此機床L=510mm左右，主軸的外伸長度a=170~102mm范圍即可。
5、頭部尺寸的選擇
目前頭部尺寸廣泛采用短圓錐式的頭部結構，懸伸短，剛度好。采用快速裝卸卡盤結構。
詳細結構件零件在水平面內與豎直平面內對軸進行受力分析計算如下：
（1） 圓周力
==3803N
徑向力
=N
軸向力
（2）計算支撐反力
垂直面內支撐反力，如圖3.2。
=488N =919N
圖3.2垂直面受力圖
水平面支撐反力，如圖3.3。
圖3.3水平面受力圖
（3）畫水平面彎矩圖 Mxy 如圖3.4
圖3.3水平彎矩圖
畫垂直面彎矩圖 Mxz 如圖3.5
圖3.5垂直彎矩圖
畫合成彎矩圖 如圖3.6
圖3.6合成彎矩圖
（4）畫軸轉矩圖 如圖3.7
圖3.7軸轉矩圖
（5）許用應力
用查入法查表
=102.5MPa =60MPa
應力校正系數
==0.59
（6）畫出當量彎矩圖 如圖3.8
當量彎矩 0.59441196N.mm=260305
中間截面處當量彎矩：
圖3.8當量彎矩圖
（7）校核軸頸
中間處軸直徑
所以該軸設計得合理。
3.4主軸支撐的選擇
3.4.1軸承的選擇
機床主軸常用的滾動軸承有：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承，雙列推力向心球軸承，雙列圓錐滾子軸承，帶凸肩的雙列空心圓柱滾子軸承，帶預緊彈簧的單列圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。在這次設計中用到的滾動軸承主要有：
1、圓錐孔雙列圓柱滾子軸承
內圈為1：12的錐孔，當內圈沿錐形軸頸軸向移動時，內圈脹大以調整滾道的間隙。滾子數目多，兩列滾子交錯排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉速高。它的內外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差是軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉精度。該軸承只能承受徑向載荷。
2、角接觸球軸承
這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。角接觸球軸承一般組合使用。背對背組合、面對面組合和同向組合，這三種方式，兩個軸承都共同承擔徑向載荷；背對背、面對面可承受雙向軸向載荷；同向組合只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。
軸承要合理配置，對提高主軸部件的精度和剛度，降低支承溫升，簡化支承結構有很大的作用。主軸的前后支承均應有承受徑向載荷的軸承。
3.4.2軸承的預緊
所謂軸承預緊，就是使軸承滾道預先承受一定的載荷，不僅能消除減隙，而且還能使?jié)L動體與滾道之間發(fā)生一定的變形，從而使接觸面積增大，軸承受力時變形減小，抵抗變形的能力增大。因此，對主軸滾動軸承進行預緊和合理選擇預緊量，可以提高主軸部件的旋轉精度、剛度和抗振性。機床主軸部件在裝配時要對軸承進行預緊，使用一段時間后，間隙或過盈有了變化，還得重新調整，所以要求預緊結構便于進行調整。滾動軸承間隙的預緊與調整，通常是使軸承內、外圈相對軸向移動來實現的。常用的方法如下：
1、軸承內圈移動。
這種方法適用于圓錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過套筒推動內圈在錐形軸頸上作軸向移動，使內圈變形脹大，在滾道上產生過盈，從而達到預緊的目的。
2、修磨座圈或隔套。
當軸承外圈寬邊相對（背對背）安裝，這時修磨軸承內圈的內側；當軸承外圈窄邊相對（面對面）安裝，這時修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時按相對關系裝配，并用螺母或法蘭盤將兩個軸承軸向壓攏，使兩個修磨過的端面緊貼，這樣在使兩個軸承的滾道之間產生預緊。另一種方法是將兩個厚度不同的隔套放在兩軸承內、外圈之間，同樣將兩個軸承軸向相對壓緊，使?jié)L道之間產生預緊。
3.4.3軸承的潤滑
滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。
1、脂潤滑
滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。
2、油氣潤滑
如果轉速較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。
滾動軸承屬于精密零件，因而在使用時要求相應地持慎重態(tài)度，既變使用了高性能的軸承，如果使用不當，也不能達到預期的性能效果。所以，使用軸承應注意以下事項：
（1） 保持軸承及其周圍環(huán)境的清潔。即使肉眼看不見的微小灰塵進入軸承，也會增加軸承的磨損，振動和噪聲。
（2） 使用安裝時要認真仔細，不允許強力沖壓，不允許用錘直接敲擊軸承，不允許通過滾動體傳遞壓力。
（3） 使用合適、準確的安裝工具，盡量使用專用工具，極力避免使用布類和短纖維之類的東西。
（4） 防止軸承的銹蝕，直接用手拿取軸承時，要充分洗去手上的汗液，并涂以優(yōu)質礦物油后再進行操作，在雨季和夏季尤其要注意防銹。
3.5主軸驅動裝置、工作特性及速度控制
數控車床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術為一身的自動化設備。其中主軸運動是數控車床的一個重要內容，以完成切削任務，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%。基本控制是主軸的正、反轉和停止，可自動換檔和無級調速。
為滿足數控車床對主軸驅動的要求，必須有以下性能：(1)寬調速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高；(2)在斷續(xù)負載下，電機的轉速波動要??；(3)加減速時間短；(4)過載能力強；(5)噪聲低、震動小、壽命長。隨著微電子技術、交流調速理論和大功率半導體技術的發(fā)展，交流變頻技術進入實用階段。目前，交流驅動的性能已達到直流驅動的水平。而且，籠型交流變頻電機不限制六電動機那樣有機械換向帶來的麻煩和高速大功率的限制，并且體積小、重量輕、采用全封閉式罩殼、對灰塵和油有較好的防護優(yōu)點。在目前數控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。
主傳動采用調速電動機進行無級變速，主軸的正反轉、啟動與停止是直接驅動電動機來實現的。
3.6電機的選擇
3.6.1交流主軸驅動裝置及其工作特性
大多數進給交流伺服電動機采用永磁式同步電動機，但主軸交流電動機則多采用鼠籠式感應異步電動機，這是因為數控機床主軸驅動系統不必像進給系統那樣，需要如此高的動態(tài)性能和調速范圍。鼠籠式感應電動機其結構簡單、便宜、可靠，配上矢量變換控制的主軸驅動裝置則完全可以滿足數控機床的主軸的要求。
交流主軸電機的性能可由圖3.9所示功率/速度曲線反應過來。從圖中曲線可見交流主軸電機的特性曲線與直流電機類似，即在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電機，如圖中所示那樣，當電機速度超過某一定值后，其功率/速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。對于一般主軸電機，這個恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。另外交流主軸電機也有一定的過載能力，一般為額定值的1.2倍~1.5倍，過載時間則從幾分鐘到半個小時不等。
圖3.9交流主軸電機的特性曲線
3.6.2交流主軸電機的調速
交流主軸電機屬于交流感應電機，當定子三相繞組通上三相交流電時，將建立起旋轉磁場，其主軸磁通的空間轉速為同步轉速，其值為
(3.2)
式中，為定子供電電源頻率（Hz）；p為旋轉磁場極對數。
感應電機轉子的轉數n為
(3.3)
式中，s為轉數差， (3.4)
由上面可知調速方法分為兩類。第一類改變同步轉速的調速，它可以改變極對數，由于是正整數，所以只能得到級差很大的有級調速，僅適用于不要求平滑調速的場合；另外是變頻調節(jié)，采用連續(xù)地調節(jié)定子電源頻率，來實現連續(xù)地改變電動機的轉速，它是一種高效型交流調速，范圍寬，精度高，是數控機床中常用的方法。第二類是不改變同步轉速的調速，常用的有調壓調速和電磁調速，由于有轉差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數控機床調速。
從以上分析中，可知改變電源頻率的調速是一種最有前途的調速方案，只要改變就能實現的調速。但實際調速中單純改變頻率是不夠的，因為當磁場以速度切割定子繞組，則在每組繞組感應電勢為
(3.5)
式中，為定子每組繞組等效匝數；為每極磁通量；為定子相電壓。所以
(3.4)
由此可知，保持定子電壓不變，則主磁通的大小將會發(fā)生變化。在調速過程中，如果頻率從工頻往下調節(jié)，則上升，將導致鐵心過飽和而使勵磁電流迅速上升，鐵心過熱，功率因數下降，電機帶負載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這就是恒磁通變頻調速中的“調頻調壓控制”。
變頻調速有下面幾種控制方式：
（1）恒轉矩調速
（2）恒最大轉矩調速
（3）恒功率調速
為了擴大調速范圍，可以使大于I頻頻率，得到n﹥的