加工中心主轴传动系统结构设计毕业设计.doc
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1、 毕业设计设计题目名称:加工中心主轴传动系统结构设计学 生 姓 名:杨朋朋专业名称: 机械设计与制造 班 级: 机设09-2 学 制: 三年制 学 号: 0950323227 学历层次: 大专 指导老师: 评 阅 人: 论文(设计)提交日期: 2012年 月 日论文(设计)答辩日期: 2012年 月 日江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 二一二年六月 日 摘要 本设计主要介绍了数控加工中心主传动系统的结构形式,并以电主轴作为主传动部件对其进行研究。主要设计了数控加工中心用电主轴的主轴结构,套筒及支承部件磁悬浮轴承。解决了套筒与主轴的配合及支承部件的布置形式等关键技术问题。本设计采用了创新型
2、设计方式:将主轴轴端的捕捉轴承置于内侧以增加主轴刚度;将蝶形弹簧拉刀机构换成弹簧卡爪以增加可靠性;将切削液通道均布于轴端内部以增强冷却效果。 关键词:数控加工中心;电主轴;套筒;磁悬浮轴承 AbstractThis paper introduces the design of CNC machining centers form the structure of the main drive system and electric drive components as the main axis of their research. The main design of the CNC ma
3、chining center spindle of the spindle power structure, sleeve bearings and bearing components of magnetic levitation. Solved with the spindle sleeve and bearing components with the layout of the form of the key technical problems. The design uses an innovative design approach: The main shaft bearing
4、 at the inside of the catch to increase the stiffness of the spindle; will broach Butterfly institutions spring into spring claw card in order to increase reliability; to cloth cutting fluid channel in the shaft end to enhance the cooling effect inside. Keywords: CNC machining center; electric spind
5、le; sleeve;magnetic bearing 目录1.确定主传动系统设计方案,拟定传动原理图071.1直接驭动主轴传动方案001.2一级传动方案861.3多级传动方案651.4合理传动方案的确定462.进行动力设计和运动设计2.1 运动设计872.1.1 传动方案设计782.1.2转速调速范围68 2.1.3变化组57 2.1.4结构式采用13 2.1.5绘制转速图23 2.1.6确定变速组齿轮齿数45 2.1.7传动系统图55 2.1.8带轮设计34 2.1.9计算带的力56 2.2 动力设计34 2.2.1传动件的计算转速45 2.2.2计算各传动轴的输出功率12 2.2.3计算
6、各传动轴的扭矩34 2.2.4轴径设计及键的选取67 2.2.6齿轮校核56 2.2.5计算齿轮模数543.主轴和轴的结构设计、精度设计和刚度设计223.1主要参数的确定99 3.1.1主轴前轴颈直径的选取00 3.1.2主轴内孔直径d的确定89 3.1.3主轴前端悬伸量a的确定903.1.4主轴主要支承间跨距L的确定563.2 主轴的构造243.3 轴上零件的定位993.4 主轴的校核90 3.4.2主轴的扭转刚度校核97 3.4.1主轴按扭转强度校核773.5 主轴的主轴组件的刚度验算663.6 求轴承刚度344.轴承选用与寿命计算23 4.1、滚动轴承的主要类型、性能与特点12 4.1.
7、1向心轴承83 4.1.2推力轴承55 4.1.3滚子动轴承98 4.2 轴承的选取67 4.3 寿命计算78 4.3.1基本额定寿命和基本额定动载荷80 4.3.2滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式575.主轴箱体结构设计和精度设计355.1箱体基本知识66 5.1.1箱体的主要功能79 5.1.2箱体的分类445.2设计的主要问题和设计要求54 5.2.1满足强度和刚度要求99 5.2.2散热性能和热变形问题88 5.2.3结构设计合理77 5.2.4工艺性好66 5.2.5造型好、质量小665.3主轴箱体结构设计876.拉刀装置设计996.1刀具自动夹紧机构776.2 拉刀装置的工作原理55
8、7.绘制主传动系统装配图和零件图447.1主传动系统装配图887.2主轴图787.3传动轴图777.4带轮图447.5齿轮图448、 结论22指标转速/(r/min)计算/额定转速/(r/min)输出功率/kW主 轴540001506.13交流主电动机 04500 15007 一、确定主传动系统设计方案,拟定传动原理图1.1, 直接驭动主轴传动方案 这种传动方式是八十年代未期发展起来的, 它是采用交流变频宽调速VAC电机通过刚性连轴节与机床主轴联接, 或采用内装或主轴电机(即将机床主轴装在电机的定子内)来驱动主轴的一种传动方式。这种传动方既没有齿轮变速装置, 又没有皮带变速机构, 主要是由电机
9、本身来完成变速和传递扭矩任务。其优点是省去齿轮和皮带传动装置, 明显地降低了机床的振动, 噪声和热量的产生, 提高了机床主轴的工作热稳定性, 可实现高精度加工。直接驭动主轴的传动方案见图1 1.2,一级传动方案一级传动时, 无齿轮变速箱, 只可能有齿轮或皮带降速。这时也主要是由电机本身来完成变速和传递扭矩的任务, 这种方案目前采用较少。见图2 1.3,多级传动方案二级以上传动方案为多级传动方案。多级传动时, 方案很多但各有千秋, 选择时应根据具体实际情况而定。 但最多为四级, 四级以上没有使用价值。一般采用齿轮两档变速机构(二级传动方案), 可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机, 既可获
10、得较高转速, 又可较大地拓宽恒功率范围, 提高低速扭矩, 适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。采用齿轮三档变速机构(三级传动方案), 配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机, 既可获得较高转速, 又可大大拓宽恒功率范围,大大提高低速扭矩, 适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合, 其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但结构复杂, 且由于采用齿轮多级传动方式, 最高转速受限更大。目前这种传动方式很少采用。多级传动方案图略1.4, 合理传动方案的确定从以上介绍可知, 各种传动方式各有优缺点, 关键是根据不同的使用要求选择不同的传动方式。“三图”设计“三图”是指转速、功
11、率和转矩曲线图。相关数据计算如下:主轴恒功率调速范围=主轴最高转速主轴计算转速400015027主电动机恒功率调速范围主电动机最高转速主电动机计算转速450015003要将主电动机的恒功率调速范围由3通过齿轮变速扩大9倍到27,此时主传动系统的最大降速比150015010,即让主电动机的基本转速1500 r/min. 经齿轮降速后落在主轴的计算转速150 r/min上,这样才能使主电动机恒功率调速范围与主轴恒功率调速范围最低极限匹配。要让转速图上不出现“重叠”、“缺口”,还得令:齿轮变速公比=变速级数=电动机恒功率调速范围=3由此可知采用三级传动方案45001500 高速级降速比=450040
12、00=1.125 1333400045001500 中速级降速比=103=3.33 450133345001500 低速级降速比=1500150=10 5450 二、动力设计和运动设计2.1, 运动设计2.1.1 传动方案设计(选择集中传动方案)2.1.2转速调速范围2.1.3根据计算得出三个档次速度变化组45001500 高速降速比=45004000=1.125 (0.89) 1333400045001500 中速降速比=103=3.33 (0.3) 450133345001500 低速降速比=1500150=10 (0.1) 54502.1.4结构式采用:由于在变速级数Z=3一定时,减少变
13、速组个数势必增加各变速组的传动副数,并且降速过快而导致齿轮的径向尺寸增大,为使变速箱中的齿轮个数最少,每个变速组的传动副数最好取23个。所以采用如图传动2.1.5绘制转速图:(1)分配总降速比 (2)确定传动轴数变速轴轴数=变速组数+定比变速副数+1=3+1+1=4。 如下图所示 3)绘制转速图2.1.6确定变速组齿轮齿数 (1)先计算基本组的齿轮的齿数基本组的降速比分别为:、, =2 根据传动比和查表计算的:Z1=37,Z2=22;Z3=25,Z4=44。(2)扩大组的齿数确定:=0.4、 =1.2根据传动比和查表计算的:Z3=25,Z4=44; Z5=20,Z6=36,Z7=50。2.1.
14、7传动系统图如右图:2.1.8带轮设计 (1)确定计算功率: ,K为工作情况系数,可取工作8小时,取K=1.0 (2)选择三角带的型号: 由和查表选择型带(3)取,则,取(4)核算胶带速度V -(5)初定中心矩根据机械设计经验公式(11.20)根据机械设计表(11.4)的 取.(6)计算胶带的长度由机械设计公式(11.2)计算带轮的基准长度 由机械设计图11.4,圆整到标准的计算长度 (7)计算实际中心距 (8)核算小带轮的包角 (9)确定胶带的根数 由机械设计中的表11.8到11.12得 , ,取三根带。 (10)大带轮结构如下图所示: 2.1.9计算带的张紧力作用在轴上的压轴力 -带的传动
15、功率,KW;v-带速,m/s; q-每米带的质量,kg/m;取q=0.17kg/m。v = 1500r/min = 9.81m/s、v =4500r/min=29.44m/s。 2.2, 动力设计2.2.1传动件的计算转速 主轴的计算转速:n=150r/min。各轴的计算转速如下:轴序号电2主计算转速(r/min)1500750370150核算主轴转速误差 所以合适。2.2.2计算各传动轴的输出功率 2.2.3计算各传动轴的扭矩 (n.mm) (n.mm)(n.mm)2.2.4轴径设计及键的选取(查机械设计公式16.9和表16.4得)轴一:,取带入公式: 有,,圆整取选花键:轴二:,取带入公式
16、: 有,,圆整取 选花键:主轴:,取带入公式: 有,,圆整取选花键:其中:P-电动机额定功率(kW);-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积;-该传动轴的计算转速(); -传动轴允许的扭转角()。2.2.5计算齿轮模数齿轮模数的估算。通常同一变速组内的齿轮取相同的模数,如齿轮材料相同时,选择负荷最重的小齿轮,根据齿面接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度条件进行估算模数和,并按其中较大者选取相近的标准模数,为简化工艺变速传动系统内各变速组的齿轮模数最好一样,通常不超过23种模数。先计算最小齿数齿轮的模数,齿轮选用直齿圆柱齿轮及斜齿轮传动,查表的齿轮精度选用7级精度,再由表10-1选择小齿轮材料为
17、40C(调质),硬度为280HBS:有公式: 齿面接触疲劳强度:其中: -公比 ; = 2; -齿轮传递的名义功率; -齿宽系数=; -齿轮许允接触应力; -计算齿轮计算转速;-载荷系数取1.76。 -齿轮齿数 齿轮弯曲疲劳强度: 其中: -齿轮传递的名义功率; -齿宽系数; -齿轮许允齿根应力 45号钢整体淬火, 按接触疲劳计算齿轮模数m,查表计算可得低速档 取, 由公式可得,m=3.5mm 由公式 可得,m=2mm因为所以m=3.5mm中速档 取,由公式可得,m=2.5mm由公式 可得,m=1.5mm因为所以m=2.5mm高速档 取,由公式可得,m=2.5mm由公式 可得,m=2mm因为所
18、以m=2.5mm2.2.6齿轮校核 初选齿轮的材料:一律选用锻钢(需进行精加工的齿轮所用锻钢)材料牌号:硬度60HRC齿顶圆直径 ; 齿根圆直径;分度圆直径 ;齿顶高 ;齿根高 ;表6.1齿轮尺寸表 (单位:mm)齿轮齿数z模数分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高Z5203.5707761.253.54.375Z2222.5556048.752.53.125Z3252.562.567.556.252.53.125Z6362.5909583.752.53.125Z1372.592.597.586.252.53.125Z4442.5110115103.752.53.125Z7503.517
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