电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计文档格式.docx
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工艺性好，使用寿命长。
1.2数控车床主传动系统的方式
机床主传动系统可分为无级变速传动和分级变速传动。
无级变速传动可以在一定范围内连续改变机床转速，以得到加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。
数控车床得主传动系统通常采用无级变速。
分级变速式传动是在一定范围能离散地分布、均匀的着有限级数的转速，主要用于普通机床。
与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。
为了适应不同加工需求数控车床主传动系统分为以下三种方式。
（1）电动机直接驱动，主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。
采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。
这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。
但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。
（2）采用定比传动，主轴电动机经定比传动给主轴。
定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。
目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有2-4，而恒转矩范围则达100以上；
许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。
很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:
调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。
所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。
（3）采用分档变速方式采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。
变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。
2变速主传动系统方案的制定
2.1主传动系统的设计要求
数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：
（1）具有更大的调速范围，并实现无级调速；
（2）具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低；
（3）良好的抗振性和热稳定性。
2.2设计参数
数控车床综合应用了计算机技术、自动化控制、机床结构等方面的最新技术，主传动系统是其重要的组成部分。
毕业设计的内容是设计一台变速方式为有级和无级串联的数控车床主传动系统，有级变速部分为三级传动，用电磁离合器控制变速，进行相应的运动设计和结构设计。
相关数据如下：
工件最大回转直径：
Φ320mm；
主轴转速范围：
47.5-4000r/min；
主轴计算转速：
190r/min；
电动机功率：
7.5kw；
电动机最高转速：
4500r/min；
电动机额定转速：
1500r/min；
电动机最低转速：
310r/min。
2.3转速图的拟定
分析和设计主传动系统须应用一种特殊线图，称为转速图。
转速图能够清楚的表达出：
传动轴的数目，主轴及各传动轴的转速级数、转速值及其传动路线，变速组的个数、传动顺序及扩大顺序，各变速组的传动副数及其传动比数值变速规律等。
首先根据最高转速和最低转速确定变速范围，选择合适的公比后再确定转速级数，绘制转速图。
根据设计要求可知主轴转速为190r/min，主轴转速一般案等比数列排列，公比Φ由机床的使用性能和结构要求确定，本方案中取Φ=1.41。
1.41=1.066所以在转速标准数列表中每隔6个数取一组数即：
47.5,67,95,132,190,265,375,530,750,1060,1500,2120,3000,4250.。
设定i1=z2/z1=2,i2=z4/z3=1/Φ,i3=z6/z5=1/Φ4，转速图如图2.1。
电机轴Ⅰ轴Ⅱ轴Ⅲ轴
图2.1
2.4拟定传动系统图
拟定传动系统的原则是：
在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；
传动效率高以及操作简单方便。
首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：
如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；
其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。
为简化主轴箱结构，本方案采用三级机械变速机构，运动方案如图2.2。
图2.2
本设计采用电磁离合器实现变换转速，电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。
电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。
通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。
传动路径：
由电机把转速传到带轮在由带轮定比传到一轴，此时一轴与二轴的电磁离合器控制使齿轮1和2、3和4、5和6分别啮合可实现三段速度转换传到主轴。
2.5选择电机
2.5.1选择电机应综合考虑的问题
（1）根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。
（2）根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。
所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.8～0.9。
（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。
（4）根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。
（5）根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。
此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。
2.5.2电动机类型和结构型式的选择
由于不同的机床要求不同的主轴输出性能（旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等），因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。
总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷[1]。
根据电机设计参数查阅机《械械设计手册》可选择Z4-112/4-2型号电机。
这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制。
电机参数如表2.1。
表2.1电机参数
型号
额定功率
额定转速
最低转速
最高转速
重量
振动
冷却
Z4-112/4-2
7.5KW
1500r/min
310r/min
4500r/min
106kg
3传动系统零部件设计
3.1传动皮带的设计和选定
带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。
根据工作原理可分为两类：
摩擦带传动和啮合带传动。
摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；
啮合传动只有同步带一种。
普通V带传动是常见的带传动形式，其结构为：
承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40°
、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。
其特点为：
当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。
绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。
其应用于：
带速V＜25～30m/s;
传动功率P＜700kW;
传动比i≤10轴间距小的传动。
其主要失效形式为：
（1）带在带轮上打滑，不能传递动力；
（2）带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断；
（3）带的工作面磨损。
保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。
V带传动设计：
（1）设计功率的确定：
查得工况系数
（3.1）
（2）选定带型：
根据和
确定为B型。
（3）传动比：
根据转速图知,传动比为
（4）确定小带轮基准直径：
参考表取
（5）确定大带轮直径：
（3.2）
取标准值
（6）验算带速：
（3.3）
因为在之间，所以经济耐用。
（7）初定带轮轴中心距：
得：
（3.4）
即：
初取
（8）确定带基准长度：
（3.5）
选取基准长度
（9）计算实际轴间距：
（3.6）
取标准值。
安装时所需最小轴间距：
张紧或补偿伸长所需最大轴间距：
（10）验算小带轮包角：
（3.7）
所以小带轮包角合适。
（11）单根V带的基本额定功率：
根据和查得B型V带的基本额定功率。
（12）单根V带的额定功率增量：
考虑到传动比的影响，额定功率的增量由表查得：
（13）计算带的根数：
（3.8）
取4根。
（14）带轮的结构和尺寸：
为了减轻传动轴上载荷，采用卸荷式带轮结构，带轮支在轴承外圈上，两轴承安装在与箱体固定的的法盘上，扭矩从断头花键传入。
装配装置参见装配图。
3.2齿轮的的设计
3.2.1齿轮齿数确定原则
（1）为减小变速箱的径向尺寸，齿数和SZ≤120，考虑到两轴的中心距不至于过大，以避免两轴的轴承或传动件与其它零件发生干涉，齿数和不宜过大。
（2）为保证齿轮v欢动的平稳和不发生跟切现象，一般去ZMIN≥17.
（3）为保证强度和防止热处理辨清过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚δ≥2mm.
3.2.2齿轮模数相同时齿数的确定
（1）在机床变速箱中，同一变速组的齿轮一般取同一模数。
为简化为设计和制造难度本设计中齿轮齿数取统一模数。
（2）有转速图可知个传动比为i1=z2/z1=Φ2,i2=z4/z3=1/Φ,i3=z6/z5=1/Φ4
显然最小齿轮在第三传动比中，假设ZMIN=22，根据《机床课程设计》表3-6设定SZ=110，初选Z6=22，Z5=88。
（3）通过《机床课程设计》表3-6查出满足要求的齿数值即Z1=37，Z2=73，Z3=46，Z4=64。
3.2.3齿轮模数的计算
按齿根弯曲强度设计
查《机械设计》齿轮模数按弯曲强度的设计公式为：
（3.9）
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