畢業(yè)論文（設計） 題目名稱： DL32M 數控機床主傳動系統(tǒng)設計 所 在 學 院 ： 機械工程學院 專業(yè)（ 班級）： 機械設計制造及其自動化機英 143 學 生 姓 名 ： 指 導 教 師 ： 評 閱 人 ： 院 長 ： DL32M 斜床身數控機床主傳動系統(tǒng)設計 總計：畢業(yè)論文表 格 插 圖 摘 要 數控機床主傳動系統(tǒng)作為機床中的重要存在部分，它對于機床的工作起著舉足親重的作用。合理設計和優(yōu)化數控機床主傳動系統(tǒng)，可以提高機床的運行質量。數控機床的使用，極大地降低了人工成本，加工精度更高，加工時間更短，使得加工產品的質量得到保證，對市場的改變有更好的應對能力。 本次設計以 DL32M 斜床身數控機床主傳動系統(tǒng)設計為選題，題目涉及電動機的選型、主傳動系統(tǒng)的設計等方面知識。主要設計內容包括：通過對比機床的主傳動方式， 根據切削任務與實際相結合的辦法，首先明確斜床身數控機床主傳動系統(tǒng)的主要組成部分，確定主傳動系統(tǒng)的驅動方式。其次是對主傳動系統(tǒng)的主要部件進行設計計算，如皮帶及帶輪的設計、主軸設計、軸承選型等，最終校核主要傳動部件強度，設計出斜床身數控機床主傳動系統(tǒng)的整體裝配圖及整體三維模型。 在本此設計中，通過對主傳動系統(tǒng)的分析，對其進行可行的設計優(yōu)化，簡化了傳動環(huán)節(jié)，使得主傳動系統(tǒng)的運行質量得到提高，總體設計更加合理，最終達成本次的設計任務。 關鍵詞：數控機床；主傳動系統(tǒng)；帶傳動；結構設計； Ⅰ ABSTRACT The main drive system of the NC machine tool is one of the key parts in the machine tool.Its working ability affects the machine running. The design and optimization of the main drive system of NC machine tool can improve the running quality of NC machine tool. The use of NC machine tool decreased the labour cost and working time which made it had more higher working precision and quality.It had more ability to face the change of market. This desigh is based on the main drive system of DL32M,the oblique bed body Numerical control machine tool. This topic is related to the selection of motor and design of main drive system and other aspects of knowledge. Main design content includes: It compare the main drive mode of machine tool and combine with the cutting task and practice. First, I will define the main parts of main drive system of NC machine tool and then determine the driving mode. Second, I will design and calculate the main parts of drive system, such as the design of belt and belt wheel, main shaft and selection of bearings, etc. Finally, checking strength of main transmission and designing the whole drive system of NC machine tool and drawing the 3D model. Through the analysis of the main transmission system and the feasible design optimization, the transmission system had been simplified and the running quality was improved. The wholel design was more reasonable, and the process of the design is simplified. Keywords: CNC machine tools; Main drive system; Belt drive; Structure design II 目 錄 摘 要 I 1 緒論 1 1.1 選題的理論意義 1 1.2 國內外發(fā)展現狀 1 1.3 發(fā)展趨勢 2 2 主傳動系統(tǒng)總體方案設計 4 2.1 總體結構圖 4 2.2 主傳動系統(tǒng)傳動方案選擇 4 2.3 設計任務 6 2.4 預選電動機 6 3 主傳動系統(tǒng)部件設計 8 3.1 帶及帶輪的設計 8 3.2 主軸的設計 11 4 主傳動系統(tǒng)部件校核 17 4.1 主軸的強度校核 17 4.2 鍵連接的強度校核 19 4.3 軸承壽命計算 19 4.4 軸承潤滑方式 20 5 主軸箱箱體設計 21 5.1 主軸箱的功用和特點 21 5.2 主軸箱結構設計 21 6 結論 25 參 考 文 獻 26 附錄 1：外文翻譯 28 附錄 2：外文原文 36 致 謝 43 I DL32M 斜床身數控機床主傳動系統(tǒng)設計 1 緒論 1.1 選題的理論意義 數控機床為我國機械制造業(yè)的重要機床對促進機械制造業(yè)進一步發(fā)展具有極為重要的作用。數控機床主傳動系統(tǒng)的重要指標是高速度、高精度，高速度、高精度加工技術不僅可以使生產效率大幅提高，對于產品的質量同樣有著極大的促進作用，由于效率的提高，生產周期縮短，使得產品更具有市場競爭力。 數控機床主傳動系統(tǒng)作為機床中的重要存在部分，它對于機床的工作起著舉足輕重的作用。數控機床的使用，極大地降低了人工成本，加工精度更高，加工時間更短，使得加工產品的質量得到保證，對市場的改變有更好的應對能力。合理設計和優(yōu)化數控機床主傳動系統(tǒng)，可以提高機床的運行質量，從而為提高機床整體運行質量和運行效率奠定基礎。 1.2 國內外發(fā)展現狀 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（電機）、傳動系統(tǒng)（定比傳動機構、變速裝置）和運動控制裝置（離合器、制動器等）以及執(zhí)行件（主軸）等組成，是用來實現機床主運動的 [2]。它將主電機的動力轉化為切削扭矩和切削速度，可用于主軸上的刀具。為了適應不 同的加工形式和加工方法，數控機床主傳動系統(tǒng)應具有較大的調速范圍，以保證加工過程中合理選擇切削參數，同時主傳動系統(tǒng)應具有較高的精度和剛度，并盡可能降低噪聲， 從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量[2]。 近年來，車床主軸出現了直接驅動技術。這種傳動技術有兩種結構方式:一種是用交流變頻主軸電機通過剛性聯(lián)軸節(jié)直接傳動車床主軸，另一種是采用內裝式交流變頻主軸電機驅動主軸，國外也稱此為集成主軸。后一種結構中，車床主軸就是電機轉子。目前主軸直接驅動技術推廣得很快，已成機床主傳動的一種發(fā)展趨勢。如日本森精機公司生產的 SL 系列和 ZL 系列數控車床上就采用了交流變頻主軸電機通過剛性聯(lián)軸節(jié)直接傳動車床主軸的形式，使產品性能得到了提高，又如大限鐵工所的 LR 系列和 FTL 系列數控車床上采用了內裝式交流變頻主軸電機驅動主軸的結構，再如德國的埃馬格(EMAG)公司和日本山崎公司均在新產品上采用了直接驅動主軸技術。 數控機床的主傳動系統(tǒng)中,目前多采用交流伺服電動機無級調速系統(tǒng),可以大大簡化機械機構,便于實現自動變速、連續(xù)變速和負載下變速[3]。為擴大調速范圍,適應低速大扭矩的要求,也經常應用齒輪有級調速和電動機無級調速相結合的調速方式。當前主要的主傳動系統(tǒng)主要有三種傳動方式： (1) 變速齒輪傳動方式 26 一般大中型數控機床都采用這種方式。通過多對齒輪減速，使其分段無級變速，保證低速時的輸出扭矩，少數小型數控機床因為需要較大的輸出扭矩，所以也采用這種傳動方式。 (2) 帶傳動方式 這種方法主要用于高轉速、小轉速范圍的小型數控機床。電機的調速可以滿足要求， 不需要換檔，避免了齒輪傳動帶來的振動和噪聲的缺點。通常有同步齒輪帶、v 帶、平帶和 v 帶。 （3）調速電動機直接驅動 調速電動機直接驅動實際等同于電主軸驅動，電動機轉子即為主軸，這種驅動方式使得機床的主傳動系統(tǒng)傳動鏈環(huán)節(jié)得到極大的簡化，有效地提高了主軸部件的剛度，雖然主軸能夠進行高速旋轉，但輸出扭矩較小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大[5]。 國外工業(yè)發(fā)達國家對數控車床的研究時間較長，而且經驗豐富，技術水平較高，其特點如下: （1)高速高精與多軸加工成為數控車床的主流，納米控制已經成為高速高效加工的潮流； （2)多任務、多軸加工數控車床越來越多地應用到航空航天、能源、汽車及船舶等行業(yè)； （3）智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機床本身的狀態(tài)信息，分析相關數據，預測機床的狀態(tài)，提前進行相關的維護，避免事故的發(fā)生，減少機床的故障率，提高機床的利用率； (4) 機床誤差檢測與補償功能越來越強大，能夠在較短的時間內完成對機床的補償測量。與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高 3-4 倍，同時效率得到大幅度提升； (5) 最新的 CAD/CAM 技術為多軸、多任務數控車床提供了強有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 1.3 發(fā)展趨勢 （1） 高精度化 當代工業(yè)產品對精度的要求越來越高，在計算機技術發(fā)展的推動下，各種加工精度補償技術得以發(fā)展和應用；機床主軸轉速的提高，大大提升了加工表面質量；同時，各種高性能新型材料在機床結構制造中的使用，使得數控機床的各項精度顯著提高。 （2） 動力功率高 由于對高效率日益增長的要求，加之刀具材料和技術的進步，大多數 NC 機床均要求有足夠高的功率來滿足高速強力切削。一般 NC 機床的主軸驅動功率在 3.7～250 kW。 （3） 調速范圍寬 調速范圍有恒扭矩、恒功率調速范圍之分?，F在，數控機床的主軸調速范圍一般在100～10000r/min，且能無級調速。要求恒功率調速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。變速范圍負載波動時，速度應穩(wěn)定。 （4） 控制功能的多樣化 主運動系統(tǒng)的控制功能需要有：NC 車床車螺紋時主運動和進給運動的同步控制功能，加工中心自動換刀、NC 車床車螺紋時用主軸準停功能，NC 車床在進行端面加工時需要恒線速切削功能，在車削中心中，需要有C 軸控制功能。 （5） 性能要求高 電機過載能力強。要求有較長時間（1～30min）和較大倍數的過載能力；在斷續(xù)負載下，電機轉速波動要?。凰俣软憫欤邓贂r間要短；電機溫升低，振動和噪音?。豢煽啃愿?，壽命長，維護容易；體積小，質量輕，與機床聯(lián)接容易[4]。 2 主傳動系統(tǒng)總體方案設計 2.1 總體結構圖 1. 電動機托架 2.電動機 3.小帶輪 4.大帶輪. 5 主軸 6.編碼器 7.主軸箱 8.斜床身圖 2.1 總體結構圖 總體結構圖如圖所示，為了突出設計部分，斜床身只畫了局部，大小有修改。從總體結構圖上看，設計部分為從電動機到電動機帶輪及主軸帶輪的尺寸設計，主軸以及主軸箱的結構設計。 2.2 主傳動系統(tǒng)傳動方案選擇 數控機床主傳動要求較大的調速范圍，是為了在切削過程中選擇合適的參數來加工工件，從而使機床的生產效率、加工精度和表面質量得到更好的處理[2]。機床的一切運行都是由控制指令完成的，而其中機床的變速機構自動運行的動作則是控制指令的直接 體現。大多數數控機床采用無級變速系統(tǒng)，數控機床主傳動系統(tǒng)主要有以下三種傳動方式： (1) 變速齒輪傳動方式 一般大中型數控機床都采用這種方式。通過多對齒輪減速，使其分段無級變速，保證低速時的輸出扭矩，少數小型數控機床因為需要較大的輸出扭矩，所以也采用這種傳動方式。 圖 2.1 變速齒輪傳動 (2) 帶傳動方式 這種方法主要用于高轉速、小轉速范圍的小型數控機床。電機的調速可以滿足要求， 不需要換檔，避免了齒輪傳動帶來的振動和噪聲的缺點。通常有同步齒輪帶、v 帶、平帶和 v 帶。 圖 2.2 帶傳動 （3）調速電動機直接驅動 調速電動機直接驅動實際等同于電主軸驅動，電動機轉子即為主軸，這種驅動方式使得機床的主傳動系統(tǒng)傳動鏈環(huán)節(jié)得到極大的簡化，有效地提高了主軸部件的剛度，雖然主軸能夠進行高速旋轉，但輸出扭矩較小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大[5]。 圖 2.3 調速電動機直接驅動 通過比較，選取帶傳動作為主傳動系統(tǒng)的傳動機構。帶傳動系統(tǒng)相對于齒輪傳動來說，傳動精度更高，無滑動，傳動過程沒有較大磨損且傳遞噪聲較?。幌鄬﹄姍C驅動方式，帶傳動傳遞轉矩更大，且不會出現發(fā)熱情況?？傮w對比，帶傳動的使用范圍更廣， 速度可達 10m/s，傳遞功率范圍大，維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。 2.3 設計任務 主傳動系統(tǒng)的裝配圖，設計主軸 A2-11 主軸頭，φ100mm 通孔，前端軸承安裝位置直徑φ170mm；假定切削直徑 600mm 的 45 鋼，線速度 120m/min,進給量 0.5mm/z,切深 3mm，滿足以上要求選型電動機，設計相應的主軸帶輪主電機帶輪，減速比 2-3 之間，選型主軸軸承，要求滿足最大轉速 1500rpm。 2.4 預選電動機 在數控機床的主傳動系統(tǒng)中,目前多采用交流伺服電動機無級調速系統(tǒng),因為無極調速系統(tǒng)可以滿足在不同情況下的變速情況。而主軸要求的變速范圍一般遠大于電機的變速范圍，所以電動機與主軸之間都會有變速裝置。 根據切削任務，切削直徑 600 的 45 鋼，v=120m/min, f=0.5mm/z, a=3mm,刀具的材料選取硬質合金，根據《機械制造技術基礎》[6]式 2.1，計算切削力： ?????? ?? = ?? ? ?? ? ???????? ? ?? ? ???????? (2.1) ?? ???? ?? ???? 其中，ap，f, v 分別為背吃刀量，進給量，切削速度。 CFZ 由被加工的材料性質和切削條件決定，CFZ=1433，xFZ 、yFZ 、nFZ 分別為 ap、f、v 的指數，分別為 1.0、0.75、-0.15。 ???? = 2303.8N 。切削功率PC: 取主傳動總效率η = 0.8。主軸轉速: ???? = ???? ?? (2.2) ???? = 4.6???? ?? = 1000?? ???? =63.7r/min (2.3) 減速比為 2~3，取 i=3,V 電機=191.1r/min。 ?? = ???? ?? =5.75KW  (2.4) 初選電動機型號為αiIp22/6000?？紤]到機床實際切削情況，為滿足多種切削任務， 最終選擇電動機型號為αiIp50/6000。P 額=22kW，低速繞組最大轉速為 1500r/min，高速繞組最大轉速為 6000r/min。 3 主傳動系統(tǒng)部件設計 3.1 帶及帶輪的設計 根據《機械設計》[7],選擇 V 帶傳動，電動機功率 P=22kW，根據本次任務選擇低速繞組轉速 1500r/min。 減速比 i=3，設每天工作 10h。 3.1.1 確定計算功率 Pca 由式 3.1，取工作情況系數 KA=1.1 KA 為工況系數，P 為電機額定功率。 Pca = 24.2kW 3.1.2 選擇 V 帶帶型 根據圖 3.1，  ?????? = ???? ? ?? (3.1) 圖 3.1 帶輪轉速圖 由計算功率 Pca,轉速 n,選擇 B 型帶。 3.1.3 確定帶輪基準直徑dd 并驗算帶速 （1） 初選小帶輪基準直徑dd1=160mm。 （2） 按式 3.2 驗算帶的速度 ?? = ??????1 ??1 (3.2) 60×1000 v=12.6m/s。帶速范圍滿足 5m/s120° ??1 ≈ 180° ? （????2 ? ????1 ） 57.3° ??  (3.8) 3.1.6 計算帶的根數 （1） 單根 V 帶功率 Pr 由dd1 = 160mm，n1 = 1500r/min，得 P0=3.7kW。 根據 n1=1500r/min，i=3，B 型帶，得△P0=0.48KW。查表 3.2 表 3.2 包角修正系數Ka 包 角 a1 220 210 200 190 180 170 160 Ka 1.2 0 1.1 5 1.1 0 1.0 5 1.0 0 0.9 8 0.9 5 得 Kα=1，KL=1.03，于是 Pr = ( P0 +△ P0) ? Kα ? KL (3.9) Pr=4.31kW （2） 計算 V 帶的根數 Z 由式 3.10 計算： Z=5.61,取 6 根。  Z = Pca (3.10) Pr 3.1.7 計算單根 V 帶的初拉力F0 由表 3.3 得 B 型帶的單位長度質量 q=0.17kg/m， 表 3.3 V 帶單位長度的質量 帶型 Y Z A B C D E q/(kg/m) 0.023 0.060 0.105 0.170 0.300 0.630 0.970 所以 F0=267N。 3.1.8 計算壓軸力 Fp  ??0  = 500 (2.5?????)?????? + ????2 (3.11) ???????? Fp=3204N。 Fp=2zF0sinα1 2  (3.12) 3.1.9 確定帶輪的結構和尺寸 （1）帶輪結構選擇 V 帶輪輪輻結構的不同，可以分為以下幾種型式： 實心式：用于帶輪基準直徑為(dd≤(2.5～3)d)，如圖 3.2a； 腹板式：用于帶輪基準直徑為(dd≤300mm)，如圖 3.2b； 孔板式：用于帶輪基準直徑為(dd–d﹥100mm)，如圖 3.2c； 橢圓輪輻式：用于帶輪基準直徑為(dd＞500mm)，如圖 3.2d。 圖 3.2 帶輪結構類型圖 根據 V 帶輪結構的選擇條件，由新版主軸電動機查得αiIp50/6000 型電動機主軸直徑為 d=60mm，所以αiIp50/6000 型電動機主軸帶輪選擇腹板帶輪，主軸帶輪選用孔板帶輪。 3.2 主軸的設計 3.2.1 主軸軸徑的確定 主軸直徑包含三個參數:主軸前軸頸 D1，后軸頸 D2，主軸平均直徑 D。在結構上三者關系[5]： D1=（1.10～1.15）D; D2=（0.85～0.90）D 或 D2=（0.7～0.8）D1。 對幾種常見通用機床鋼質主軸的前軸頸直徑 D1，根據切削功率選定前軸徑 D1=170mm， D2=150mm。 3.2.2 主軸內孔直徑d 的確定 主軸內孔直徑主要用來通過棒料、鏜桿等。孔徑的大小與機床的工作性質有關。確定孔徑 d 的原則是: 當主軸的空心直徑d 不大于主軸的平均直徑D 的 0.5 倍時，一般對主軸的剛度影響不大。在滿足上述工藝要求且對主軸剛度不產生影響的情況下，為使主軸減輕重量，盡量取選取較大值?？箯澖孛鎽T性 I 是孔徑對主軸剛度影響的體現，抗彎截面慣性I 與主軸本身的剛度正比，根據他們的關系公式： I 空 = π（ D4?d4）/64 = 1 ? (d)4 （3.13） I實 πD4 /64 D 圖 3.3 孔徑 d 對主軸剛度的影響曲線 根據設計要求，主軸通孔直徑選取 100mm。 3.2.3 軸承型號的選擇 因為主軸在切削過程中同時受到軸向力和徑向力的作用，角接觸球軸承可以滿足這個要求，角接觸球軸承軸承在使用中成對配用，這樣還可以提高預緊力。主軸前端選用三列角接觸球軸承組配方式，一組反裝角接觸球軸承加單個角接觸球軸承如圖 3.4。主軸后端采用一個雙列圓柱滾子軸承，如圖 3.5。根據主軸軸徑，主軸前端軸徑為 170mm， 所以選用 7034AC 型角接觸球軸承。主軸后端軸徑為 150mm，選用 NN3030 型雙列圓柱滾子軸承。 圖 3.4 三聯(lián)角接觸球軸承 圖 3.5 雙列圓柱滾子軸承 3.2.3 主軸懸伸量a 確定 主軸懸伸量a 是指主軸前端到主軸前支承中點的距離。懸伸量 a 的大小主要由主軸端部結構形式、尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等決定,確定懸伸量 a 的原則是:在滿足結構要求、強度要求的前提下盡可能取較小值。a 暫定 130mm。 3.2.4 軸的結構設計 主軸軸向尺寸確定： 首先，由于主軸的空心直徑為 100mm，計算出主軸前徑為 170mm，后徑為 150mm。從前向后看，由于采用 A2-11 主軸頭，主軸頭尺寸均可以確定。 主軸頭左側做一軸肩，為角接觸球軸承右側限位。軸肩左側為三聯(lián)角接觸球軸承組， 已知 7034AC 型角接觸球軸承寬度為 42mm，三組為 126mm，為使一組反裝角接觸球軸承更好的轉動，彼此減小影響，在二三角接觸球軸承中間加入隔套，寬度為 30mm。第三個角接觸球軸承左側設置一軸套，為軸承端左限位，同時軸套左側加一限位螺母，防止軸承向左竄動。 接著左端為一光軸，由軸承跨距公式暫定軸承跨距為 600mm。左支撐處設計 1:12 的錐度，跨度為雙列圓柱滾子軸承的寬度 56mm。設置錐度的是為了當雙列圓柱滾子軸承因為受力的原因而向右竄動時，由于軸段是有錐度，使得軸承越向右，配合越緊。雙列圓柱滾子軸承左側為端蓋，寬度為 34mm,與主軸箱配合的同時，防止軸承向左竄動。端蓋左側為限位螺母，寬度為 34mm,起軸向定位的作用。螺母左側為編碼器的測速小帶輪， 寬度為 18mm，測速小帶輪右側有一軸肩，防止向右竄動。軸肩處做一退刀槽，如圖 3.6 所示，防止應力集中且減小小帶輪與軸肩的摩擦。測速小帶輪左側為主軸大帶輪，寬度為 152mm。大帶輪左側為限位螺母，防止大帶輪向左竄動。 圖 3.6 退刀槽 主軸徑向尺寸確定： 從主軸頭向左開始確定。因為 A2-11 主軸頭尺寸確定，所以主軸最大直徑為 280mm。主軸前徑為 170mm，為使角接觸球軸承更好的轉動，軸承右側軸肩處直徑設置為 185mm。光軸直徑設為 165mm，帶輪處直徑設置為 140mm。 圖 3.7 主軸頭端部 Ⅰ-Ⅱ為螺紋端，長度為 36mm,軸徑為 140mm，選用 M140×2 螺母; Ⅱ-Ⅲ為主軸與大帶輪連接部分，選用普通 A 型平鍵，鍵長 l=160mm;軸徑為 150mm； Ⅲ-Ⅳ為螺紋段，長度為 38mm，選用 M150×2 螺母限位； Ⅳ-Ⅴ為主軸左透蓋，寬度為 34mm; Ⅴ-Ⅵ為雙列圓柱滾子軸承安放位置，雙列圓柱滾子軸承 NN3030 型寬 56mm； Ⅵ-Ⅶ長度為 370mm；軸徑為 166mm； Ⅶ-Ⅷ為螺紋段，長度為 44mm，選用 M170×3 螺母；軸徑為 170mm； Ⅷ-Ⅸ為 7034AC 角接觸球軸承安放位置，長度為 183mm; Ⅸ-Ⅹ設置一軸肩，寬度為 26mm；軸徑為 186mm； Ⅹ-Ⅺ為主軸頭位置，主軸前端規(guī)格選擇為 A2-11 主軸頭。主軸最終結構設計如圖 3.8： 圖 3.8 主軸的結構圖 4 主傳動系統(tǒng)部件校核 4.1 主軸的強度校核 4.1.1 計算支撐反力 為計算支撐反力，制作主軸的計算簡圖，如圖 4.1 所示： 計算軸承反力水平面： 垂直面：  圖 4.1 軸的計算簡圖 ∑Fy = 0，Ft + Ft2 = 0, Ft2 = 824N ∑F?? = 0 Fp + Fn1 + Fn2 + Fz = 0 ∑Mz = 0 Fp ???1 + ????2 ???2 = ?????（??2 + ?? 3） 計算得：Fn1 = 3569N， Fn2 = 1938N 4.1.2 計算截面彎矩 （1） 垂直面上截面B 處的彎矩： MBy =611964N?mm。 垂直面上截面C 處的彎矩： MCZ=287875 N?mm。 （2） 水平面上截面B 處的彎矩： MBZ= Fp?L1 （4.3） MCZ= Fz?L3 （4.4） MBy=472152 水平面上截面C 處的彎矩： MCy =103000 N?mm。 （3） 總彎矩 MBy=Ft2?L2 （4.5） MCy=Ft?L3 （4.6） ??1 = √??2 + ??2 （4.7） ??1=772934N?mm。 ???? ???? ??2 = √??2 + ??2 （4.8） ??2=305746N?mm。 （4） 主軸扭矩 ???? ???? T=420200 N?mm。 T = 9549 ?? （4.9） ?? 4.1.3 按彎矩合成應力校核 軸上承受最大彎矩和扭矩的截面是截面B，所以根據軸的彎扭合成條件，由式4.10： ?? = √??2 +(????)2 ≤ [?? ] （4.10） 確定公式內各參數值： σ —軸的計算應力， MPa ； ca ???? ?? ?1 M—軸所受彎矩，M1 = √M2 + M2 =772934N?mm； By Bz T—軸所受扭矩，T=420200 N?mm； W—軸的抗彎截面系數，由軸的截面形狀確定，因為主軸的危險截面處為空心軸，根據 W = 0.1d3(1 ? (d1)4) = 321300mm3; d [σ ] —對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力,查得 [σ ]=60Mpa; ?1 ?1 計算σ ： ca 將上述參數值帶入軸的彎扭合成條件： √M2+(αT)2 σ = ca W =2.53Mpa≤ [σ ?1 ]=60Mpa 故主軸的強度滿足要求。 4.2 鍵連接的強度校核 普通 A 型平鍵（GB/T 1096）,b×h×L=36×20×160,連接方式為靜連接，取得許用壓應力[????] =120Mpa. 鍵連接強度計算公式見式 4.11： 確定公式內各參數值： ???? －工作面擠壓應力，MPa ； T －傳遞的轉矩，N?m； ???? = 2000?? (4.11) ?????? k －鍵與輪轂鍵的接觸高度，k=10mm; d－軸的直徑，mm；d=140 mm; 鍵連接傳遞轉矩 T=105.05MPa。 T = 9550 ?? (4.12) ?? 將上述各參數值帶入鍵連接強度計算公式，得： ????=1.21MPa<[????] =120Mpa 鍵連接強度滿足要求。 4.3 軸承壽命計算 角接觸球軸承型號為 7034AC，由機械設計手冊查得基本額定動載荷：C=310kN。軸向力 Fa=902N,單個軸承承受徑向力為 745N。軸承當量動載荷 P: 因為Fa=1.2>e=0.68, Fr 查軸承的徑向載荷系數和軸向載荷系數為： X=0.41，Y=0.87，按設計要求（軸承運轉平穩(wěn)），根據中等沖擊載荷的選取方式取載荷系數fd=1.5： P = ????(?????? + ?????? ) （4.11） P =1635N。 軸承壽命計算公式： ?? = 106 (??)?? （4.12） ? 60?? ?? 式中：n—轉速，r/min； C—基本額定動載荷，C=310KN； P—軸承當量動載荷, P =1635N； ε—壽命指數，滾子軸承所以取 10/3。 將上述各參數值帶入軸承基本額定壽命計算公式[1]，得： ??? = 1.67 × 1023h。 雙列圓柱滾子軸承型號為 NN3030 型，由機械設計手冊查得基本額定動載荷：C= 335000N，因為雙列圓柱滾子軸承只承受徑向力，當量動載荷為 P 等于徑向力 Fp=3204N。按設計要求（軸承運轉平穩(wěn)），取載荷系數fd=1.5，ε取 10/3。將上述各參數值帶入軸承基本額定壽命計算公式，得： ??? = 1.73 × 1021h。 4.4 軸承潤滑方式 滾動軸承的潤滑方式由 dn 值來確定，d 為軸承的內徑，n 為軸的轉速。雙列圓柱滾子軸承： dn = 7.5 × 104mm?r/min ≤ 12 × 104mm?r/min 。雙列圓柱滾子軸承的潤滑方式為脂潤滑。 角接觸球軸承： dn = 8.5 × 104mm?r/min ≤ 16 × 104mm?r/min 。角接觸球軸承的潤滑方式為脂潤滑。 5 主軸箱箱體設計 5.1 主軸箱的功用和特點 箱體主要起到支撐和保護主軸的作用，所以必須按照主軸的尺寸設計內部結構。主軸箱要通過自己的裝配基準，把整個部件裝到床身上去。主軸箱的加工質量對機床的工作精度和使用壽命有著重要影響[8] 作為主軸與斜床身的樞紐，主軸箱體與斜床身的裝配對主軸的加工有著至關重要的影響。主軸箱不僅需要按照設定的要求進行動力的傳動，而且要保證在主軸切削過程中的位置精度以及箱體與斜床身的位置關系精度。主軸箱要防止?jié)櫥屯饬骱突覊m、污物浸入的殼形零件，自身結構比較復雜，尺寸比較大。 鑄鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，且成本低，故主軸箱箱體采用 HT250 制造。 圖 5.1 主軸箱箱體三維圖 5.2 主軸箱結構設計 斜床身數控機床主軸箱與傳統(tǒng)主軸箱有所不同，箱體的連接部分為與斜床身一樣具有斜面，并通過地腳螺栓和斜床身連接。為盡量避免切削過程中產生較大震動，要求連接部分必須有足夠的支撐剛度，選擇 M20 螺栓按圖 5.2 排列。螺栓之間的距離與主軸箱和斜床身配合面有關，因為斜床身與主軸箱的裝配位置固定，接觸面之間的距離固定， 螺栓的固定范圍可以確定。 圖 5.2 螺栓排列方式 箱體側面如圖 5.3 所示。為與斜床身配合，主軸箱底部為一斜面，斜度與斜床身相同。其中，箱體中間有一 直徑 140mm 的空心孔，在不影響箱體工作性能的前提下，盡可能減輕主軸箱的質量，減少裝配面的壓力。虛線部分為主軸箱的內部結構。 圖 5.3 主軸箱側視圖 主軸箱的正視半剖視圖如圖 5.4。 圖 5.4 主軸箱的正視半剖視圖 主軸箱體最重要的結構之一為主軸箱和主軸裝配的部分。因為主軸的尺寸均已確定， 主軸箱為與主軸配合，內部尺寸按照和主軸的配合尺寸設計。主軸箱外壁為不平整平面 的原因，是因為在鑄造成型后為加速冷卻。 圖 5.5 主軸箱俯視圖 圖 5.5 為箱體俯視圖。箱體上側有一矩形通孔，通過通孔可以看到主軸箱的內部裝配情況。通孔的設計一方面是為了安裝銘牌，另一方面是當出現問題時，不需要將整個主軸箱從斜床身上拆下，方便維修。 6 結論 主傳動系統(tǒng)是機床運行的重要環(huán)節(jié)，它傳動方式的選擇決定機床切削的性能和效率。本次設計是結合大連機床廠 DL32M 斜床身數控機床而提出的設計任務，首先是通過切削任務選擇電動機，通過相關計算設計帶輪及皮帶的相關參數，設計主軸結構，校核主軸強度，以及主軸箱的結構設計,最終達成主傳動系統(tǒng)的設計任務。 通過對主傳動系統(tǒng)的設計，可以明確的了解其工作過程。首先是電動機的工作性能， 電機的轉矩特性對機床切削過程有著直接影響，因為機床所需的轉速范圍電動機往往無法直接達到，必須通過相關的變速機構來進行轉化。本次設計中遇到了一些困難，最大的難題在于主軸的設計過程。主軸結構為空心階梯軸形式，主軸強度和空心尺寸有關， 空心軸軸和實心軸不同點在于各項尺寸沒有相關的設計步驟，我按照主軸上各個零件的排布，查找設計相關的零件尺寸，在結構設計做出后進行強度校核，最終完成空心階梯軸的結構設計。 本次設計通過對主傳動系統(tǒng)的分析，對其進行可行的設計優(yōu)化，尤其是在驅動方式的選擇上，對于主傳動系統(tǒng)的運行質量以及穩(wěn)定性有一定提高，最終達成本次的設計任務。 參 考 文 獻 [1] 徐立.淺談數控機床的主傳動系統(tǒng)[J].農業(yè)裝備技術,2016,42(05):49-52. 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(1) 29 ???? ???? ???? ???? 通過數學調整和角速度/速度的積分, 我們得到了關于角位置的信息，對參照系統(tǒng)(傾斜)的導航對象。用三分量加速度計測量的數據表示在導航對象軸中測量的加速度向量。 ????=[??????, ?????? , ??????]?? (2) 處理后將這些數據轉化為參考系統(tǒng)數據, 由重力和科里奧利補償執(zhí)行加速度, 隨后進行二重積分。由第一個集成的信息在導航對象的速度得到, 并且由另一個信息在對象位置得到。 Eq 3 代表在導航坐標系中操作的慣性導航系統(tǒng)的數學模型。 ?? ?? ????? ?? [??? ?? ] = [?? ?? ? ???? ? (2 ? ???? + ???? ) ? ???? + ???? ? ???? ? ???? ? ???? ] (3) 30 ?? ?? ???? ???? ?? ???? ???? ?? ?? ?? ?? ? [(???? ? ?? ?? ? (???? + ?? ?? ? ???? )) ×] ?? ?? ???? ?? ???? ?? ???? ???? =[xn,y,n,zn]T -導航坐標系中的位置向量, Vn=[vnx,vny,vnz]T -導航坐標系中的速度向量, g n -導航坐標系中的重力加速度矢量, a b 由導航對象坐標系中的加速度計測量的b 加速度, ???? ???? -導航物體坐標系與慣性坐標系之間的角速度 ?? ?? ??-將導航對象坐標系轉換為導航坐標系統(tǒng)的矩陣, ???? =[???? ×]-在導航坐標系中表示的地球坐標系與慣性坐標系之間的角速度反對稱 ???? 矩陣, ???? ???? = [???? ×]-地球坐標系與導航坐標之間的角速度反對稱矩陣，系統(tǒng)用導航坐標 ???? ???? 系表示。 rn ????? =???? , ??? ??的向量在 Eq 3 中用笛卡爾坐標表示 (例如 [xn、yn、zn ] (方向為 ?? ?? 東北)。另一種可能的方法是通過在坐標中表達這些向量來, 如下所示: rn=[λ, ψ,h]T(參考橢球以上的經度、緯度和高度)。它們的相互關系可以通過轉換來表達。 ?? ???? ?? 0 ???? + ? 0 λ ???? = [?????? ] = [(?? + ?)???????? 0 0] ?[ ] ?? ?? ?? ???? ?? ?? ψ 0 0 ?1 h RN ,RM -是地球曲率的半徑。相反變換如下 如果我們把 eq 5 應用到 eq 3, 我們得到的結果方程 3. 慣性導航系統(tǒng)在機器人操作中的應用 對于工業(yè)機