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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
課 題 名 稱：數(shù)控滾齒機(jī)軸向進(jìn)給、徑向進(jìn)給部件及滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件
專 業(yè) 班 級(jí)：
學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)：
起迄日期：
指導(dǎo)教師：
日期：2014年5月22 日
VI
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)控滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)。在這里主要包括: 軸向進(jìn)給的設(shè)計(jì)、徑向進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)、滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。
整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上，絲桿帶動(dòng)絲桿螺母，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本論文研究?jī)?nèi)容：
(1) 數(shù)控滾齒機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 數(shù)控滾齒機(jī)工作性能分析。
(3)電動(dòng)機(jī)的選擇。
(4) 數(shù)控滾齒機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì)。
(5)對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。
(6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。
關(guān)鍵詞：數(shù)控滾齒機(jī)， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is the design of CNC gear hobbing machine. Here mainly includes: the design of axial feed, radial feed component design, hob head rotating parts of the system design of the graduation design, the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.
The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.
The research of this thesis:
(1) the overall structure design of CNC roll grinding machine.
(2) analysis of the work gear machine CNC roll.
(3) the choice of motor.
(4) transmission system, execution unit and the frame design of CNC gear hobbing machine.
(5) the design of components for the design calculation and check.
(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.
Keywords: CNC gear hobbing machine, coupling, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控滾齒機(jī)的研究定義及工作原理 1
1.1.1數(shù)控滾齒機(jī)定義 1
1.1.2工作原理 1
1.2課題的目的及意義 2
1.3國(guó)內(nèi)外概況綜述 3
1.4本課題研究的內(nèi)容及方法 5
1.4.1主要的研究?jī)?nèi)容 5
1.4.2設(shè)計(jì)要求 5
1.4.3關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題 5
第2章 數(shù)控滾齒機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù) 6
2.2 數(shù)控滾齒機(jī)的構(gòu)成 7
2.2 數(shù)控滾齒機(jī)的工作原理 8
第3章 軸向進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 9
3.1 軸向進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇 10
3.1.1導(dǎo)程確定 10
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 10
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 10
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 10
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 11
3.1.6精度的選擇 12
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 12
3.2校核 13
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 13
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 14
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 15
3.3電機(jī)的選擇 15
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 16
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 17
第4章 徑向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.1 確定脈沖當(dāng)量 19
4.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 19
4.2.1 精度的選擇 19
4.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 19
4.2.3 最大工作載荷的計(jì)算 19
4.2.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 20
4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 21
4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 21
4.2.7 傳動(dòng)效率的計(jì)算 22
4.2.8 剛度的驗(yàn)算 22
4.2.9 穩(wěn)定性校核 23
4.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 24
4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 24
4.4 絲杠軸的校核 27
4.5 鍵的校核 28
4.6 軸承的校核 28
4.7 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算和選擇 30
第5章 滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì) 33
5.1 滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 33
5.2 步進(jìn)電機(jī)選擇 33
5.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 38
5.4 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 46
5.5 軸承的校核 54
5.6 鍵的選擇和校核 58
結(jié)論 59
參考文獻(xiàn) 60
致 謝 62
第1章 緒論
1.1數(shù)控滾齒機(jī)的研究定義及工作原理
1.1.1數(shù)控滾齒機(jī)定義
數(shù)控滾齒機(jī)適用于成批、小批及單件生產(chǎn)加工圓柱齒輪和蝸輪，及一定參數(shù)的鼓形齒輪也可用花鍵滾刀連續(xù)分度滾切長(zhǎng)度小于300的6齒及6齒以上的短花鍵軸。 且用鏈輪滾刀可以滾切鏈輪。加工圓柱齒輪時(shí)可采用逆銑和順銑滾切，采用軸向進(jìn)給（垂直進(jìn)給）的方法加工出全齒寬。 數(shù)控滾齒機(jī)滾切普通蝸輪是采用徑向進(jìn)給的方法進(jìn)行加工。數(shù)控滾齒機(jī)加工花鍵軸及鏈輪時(shí)機(jī)床的調(diào)整及加工方法與加工圓柱直齒輪時(shí)一樣。
1.1.2工作原理
齒輪被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾齒是應(yīng)用最廣的切齒方法〔1 〕，傳統(tǒng)的機(jī)械滾齒機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一臺(tái)主電機(jī)不僅要驅(qū)動(dòng)展成分度傳動(dòng)鏈，還要驅(qū)動(dòng)差動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)鏈，各傳動(dòng)鏈中的每一個(gè)傳動(dòng)元件本身的加工誤差都會(huì)影響被加工齒輪的加工精度，同時(shí)為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起來(lái)復(fù)雜費(fèi)時(shí)[2]，大大降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
以德國(guó)西門子、日本發(fā)那科公司數(shù)控系統(tǒng)為主流的數(shù)控滾齒機(jī)的出現(xiàn)，大大提高了齒輪加工能力和加工效率。我國(guó)目前真正能夠生產(chǎn)數(shù)控滾齒機(jī)的只有2－3個(gè)廠家，且使用的多是德國(guó)西門子數(shù)控系統(tǒng)，加工中模數(shù)齒輪，沒(méi)有自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，缺少國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
注意到以上問(wèn)題，并根據(jù)近來(lái)數(shù)控技術(shù)，尤其是開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，本文針對(duì)小模數(shù)、少齒數(shù)、大螺旋角斜齒輪滾齒加工迫切要求數(shù)控化的實(shí)際需求，進(jìn)行了深入的研究，成功地開(kāi)發(fā)了了一套基于開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控滾齒系統(tǒng)并用于實(shí)際生產(chǎn)。
1 基于開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控體系結(jié)構(gòu)
該體系結(jié)構(gòu)的核心是一塊具有PC104 總線并且自帶高速DSP 芯片的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，與嵌入式PC 主機(jī)構(gòu)成多處理器結(jié)構(gòu)，提供4路16 位D/A 模擬電壓（＋/－10V）控制信號(hào)，4路4倍頻差動(dòng)式光電編碼器反饋信號(hào)接口，輸入信號(hào)頻率最高可達(dá)8MHZ，32 路光電隔離輸入輸出接口。可編程數(shù)字PID+速度前饋+加速度前饋濾波方式，卡上自帶DSP 芯片以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速插補(bǔ)、計(jì)算功能，可完成空間直線、圓弧插補(bǔ)，大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)，還提供了程序緩沖區(qū)，降低了對(duì)主機(jī)通訊速度的要求[3]。該運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PC104 總線和計(jì)算機(jī)通訊，一方面將從各控制軸采集到的數(shù)據(jù)送給主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，另一方面，將主機(jī)根據(jù)工藝及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算生成的運(yùn)動(dòng)控制指令經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理送各軸伺服驅(qū)動(dòng)器，完成各軸的運(yùn)動(dòng)控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。由于使用標(biāo)準(zhǔn)的PC104 型工控機(jī)作
為主機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，可靈活地選用電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和反饋元件，支持包括乙太網(wǎng)甚至是Internet 網(wǎng)在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，組網(wǎng)技術(shù)十分靈活而且技術(shù)成熟[4]。
1.2課題的目的及意義
近年來(lái)，隨著汽車、機(jī)械、航天等工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)齒輪提出了更高的要求：傳動(dòng)速度大、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行噪音小、制造成本低，相應(yīng)地對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)等方面也提高了要求。在這種背景下，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的交叉融合，使齒輪相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。
齒輪加工機(jī)床是一種技術(shù)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床系統(tǒng)，由于齒輪使用的量大面廣，齒輪加工機(jī)床已成為汽車、摩托車、工程機(jī)械、船舶等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。
特別是，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)齒輪的需求量日益增加，對(duì)齒輪加工的效率、質(zhì)量及加工成本的要求愈來(lái)愈高使齒輪加工機(jī)床在汽車摩托車等行業(yè)中占有越來(lái)越重要的作用。滾齒機(jī)是齒輪加工機(jī)床中的一種，占齒輪加工機(jī)床擁有量的40%它主要用來(lái)加工圓柱齒輪和蝸輪等。
傳統(tǒng)滾齒機(jī)完全依靠機(jī)械內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀與工件的同步運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)往需要經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪傳動(dòng)，并且引入蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜調(diào)整維護(hù)非常困難也降低了加工精度。數(shù)控滾齒機(jī)高加工精度、高生產(chǎn)率的特點(diǎn)，在制造業(yè)中的應(yīng)用比例越來(lái)越大，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。隨著風(fēng)電、船舶、建材產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)對(duì)大型高檔機(jī)床的需求旺盛,且要求效率高、精度高。國(guó)內(nèi)機(jī)床技術(shù)與國(guó)外有很大差距。國(guó)內(nèi)還沒(méi)幾家單位有能力加工直徑為兩米的大型數(shù)控滾齒機(jī),全世界也只有兩家,分別在德國(guó)和美國(guó)。在這種情況下,有好幾年,中國(guó)的大型數(shù)控滾齒機(jī)都需進(jìn)口這兩家的產(chǎn)品。從國(guó)外進(jìn)口,價(jià)格貴,交貨期長(zhǎng),售后服務(wù)麻煩。所以研制加工直徑兩米以上的大型數(shù)控滾齒機(jī)和有必要。
對(duì)數(shù)控滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法。而工科類學(xué)生更應(yīng)側(cè)重于從生產(chǎn)的第一線獲得生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)和技能，獲得工程技術(shù)經(jīng)用性崗位的基本訓(xùn)練，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，可樹(shù)立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由學(xué)生向工程技術(shù)人員的過(guò)渡。使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)所學(xué)的知識(shí)，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作、獨(dú)立思考和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提高解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的能力，從而擴(kuò)大、深化所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和技能。
培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻(xiàn)、外文資料的閱讀與翻譯、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、文字表達(dá)等基本工作實(shí)踐能力，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本方法和思路。使學(xué)生學(xué)會(huì)初步掌握解決工程技術(shù)問(wèn)題的正確指導(dǎo)思想、方法手段，樹(shù)立做事嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)資料的搜集、整理、數(shù)據(jù)的查詢，方案的確定，撰寫、電路的設(shè)計(jì)以及畢業(yè)答辯等活動(dòng)，初步了解數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)的方式的種類何工作原理，接受初步的數(shù)控機(jī)床的訓(xùn)練和熏陶，深化和綜合基礎(chǔ)課、專業(yè)課的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及培養(yǎng)協(xié)作精神，樹(shù)立高度的工作責(zé)任感的能力，同時(shí)系統(tǒng)的對(duì)我們?nèi)晁鶎W(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，全面的復(fù)習(xí)整理，查缺補(bǔ)漏，以達(dá)到熟練掌握專業(yè)知識(shí)的目的，并綜合運(yùn)用和深化所學(xué)專業(yè)理論識(shí)培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決一般工作實(shí)際問(wèn)題的能力，樹(shù)立高度的責(zé)任感，以便在日后工作中能得心應(yīng)手。能更好的適應(yīng)社會(huì)的需要，充分發(fā)揮自己的才華，貢獻(xiàn)自己的一份力量。
隨著教育改革的逐步深入，為落實(shí)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育三大新的教育目標(biāo)打破以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐為輔的傳統(tǒng)教育方法，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力及靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，以便能最快的適應(yīng)工作的需求。
1.3國(guó)內(nèi)外概況綜述
我國(guó)生產(chǎn)滾齒機(jī)的歷史始于1953年，經(jīng)過(guò)30年的努力，到80年代初已進(jìn)入世滾齒機(jī)主要生產(chǎn)國(guó)家行列。目前，國(guó)產(chǎn)滾齒機(jī)以傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式為主，品種、系列齊全。傳統(tǒng)滾齒機(jī)完全依靠機(jī)械內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀與工件的同步運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，往往需要經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪傳動(dòng)，并且引入蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜調(diào)整維護(hù)非常困難也降低了加工精度。近幾年，我國(guó)在滾齒機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方面研究的主要經(jīng)歷了從統(tǒng)機(jī)械式滾齒機(jī)通過(guò)數(shù)控改造發(fā)展為2至3軸（直線運(yùn)動(dòng)軸）實(shí)用型數(shù)控高效滾齒機(jī)，到全新六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速滾齒機(jī)的開(kāi)發(fā),最大主軸轉(zhuǎn)速一般為1200 轉(zhuǎn)/分，與發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品相比我國(guó)仍然存在著不小的差距，究其原因主要還是因?yàn)榛A(chǔ)研究差，整體設(shè)計(jì)能力不足，由此導(dǎo)致新技術(shù)應(yīng)用慢和仿制比重較大，如零傳動(dòng)技術(shù)干切技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用一直處于落后狀態(tài)。
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，德國(guó)西門子、利勃海爾和日本的馬扎克、法拉克掌握著數(shù)控系統(tǒng)的最高水平，利勃海爾數(shù)控系統(tǒng)16個(gè)軟件包的價(jià)格接近母機(jī)價(jià)格，軟件和母機(jī)一起賣，不分開(kāi)出售，軟件利潤(rùn)非常高。目前國(guó)內(nèi)機(jī)床企業(yè)使用的中高檔機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)基本都是國(guó)外進(jìn)口。同時(shí)國(guó)內(nèi)研制加工效率高、精度高直徑為兩米的大型數(shù)控滾齒機(jī)的單位的能力比較弱，而從國(guó)外進(jìn)口,價(jià)格貴,交貨期長(zhǎng),售后服務(wù)麻煩。數(shù)控系統(tǒng)和功能部件發(fā)展滯后已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。國(guó)產(chǎn)中檔數(shù)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率只有35%，而高檔數(shù)控系統(tǒng)95%以上依靠進(jìn)口。功能部件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)總體占有率約為30%，其中高檔功能部件市場(chǎng)占有率更低。臺(tái)灣地區(qū)品牌功能部件約占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的50%，其余20%為歐盟、日本等品牌產(chǎn)品。據(jù)國(guó)家海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年我國(guó)進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)金額達(dá)18.1億美元，滾齒機(jī)附件(含功能部件和夾具)類產(chǎn)品達(dá)16.2億美元。
以高速、高精、復(fù)合、智能等為特征的高檔數(shù)控滾齒機(jī)關(guān)鍵技術(shù)雖然已經(jīng)取得明顯進(jìn)步，一批共性、基礎(chǔ)技術(shù)和新產(chǎn)品研發(fā)也有了新的進(jìn)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，還存在較大差距。有些關(guān)鍵技術(shù)，如：高速高精運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)、多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工技術(shù)、智能化技術(shù)、高精度直驅(qū)技術(shù)、可靠性技術(shù)等尚需進(jìn)一步突破，有些重大技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化還有一段路程。以企業(yè)為主體、以市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的研發(fā)體系尚未真正建立，行業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展缺乏高新技術(shù)支撐。
我國(guó)滾齒機(jī)工具行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量整體水平已經(jīng)有了很大提高，對(duì)提升產(chǎn)業(yè)的整體素質(zhì)和核心競(jìng)爭(zhēng)力起到了重要作用，也得到廣大用戶的認(rèn)可。但在產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性方面，例如：滾齒機(jī)早期故障率較高，精度穩(wěn)定性周期短，工程能力系數(shù)(CPK值)、平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)等指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平比較尚有一定差距。加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量工作，解決深層次的質(zhì)量問(wèn)題依然不容忽視。
1.4本課題研究的內(nèi)容及方法
1.4.1主要的研究?jī)?nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求和本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控滾齒機(jī)整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。
3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控滾齒機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。
1.4.2設(shè)計(jì)要求
1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出數(shù)控滾齒機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成數(shù)控滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；
3 通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型；
4 完成數(shù)控滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；繪制數(shù)控滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
1.4.3關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題
1 方案選擇
2整體設(shè)計(jì)
3電機(jī)選型設(shè)計(jì)
4 強(qiáng)度校核
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第2章 數(shù)控滾齒機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)
本機(jī)床主要用于模數(shù)小于1.5mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密、高效加工，可進(jìn)行硬齒面齒輪的一次成形加工或二次對(duì)刀成形加工，也可進(jìn)行模數(shù)小于3mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密加工。通過(guò)閉環(huán)的X軸控制可進(jìn)行高精度鼓形齒輪的加工。
本機(jī)床可廣泛用于汽車、摩托車、儀器、儀表、玩具、 電動(dòng)工具、漁具等行業(yè)的各種不同精度的齒輪的大批量、高效率加工。
最大加工直徑———————————————100mm
最大加工模數(shù)———————————————3mm
最大軸向行程———————————————150mm
加工齒數(shù)范圍———————————————4～100齒
滾刀架可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍—————————————±50°
最大滾刀直徑———————————————63mm
滾刀軸轉(zhuǎn)速————————————————550～4000 rpm
工件軸轉(zhuǎn)速————————————————5～495 rpm
軸向運(yùn)動(dòng)快速———————————————5000 mm /min
徑向運(yùn)動(dòng)快速———————————————5000 mm/min
切向運(yùn)動(dòng)快速———————————————5000 mm/min
2.2 數(shù)控滾齒機(jī)的構(gòu)成
該機(jī)在整體結(jié)構(gòu)的主要零部件有底座基礎(chǔ)、縱向?qū)к?、橫向?qū)к?、支柱、切削頭、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、控制箱、等組成。其中底座基礎(chǔ)上安裝有地腳螺栓，縱向?qū)к壷误w通過(guò)地腳螺栓與基礎(chǔ)體固定在一起。
該機(jī)分為主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、軸向進(jìn)給、徑向進(jìn)給部件、滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件、
2.2 數(shù)控滾齒機(jī)的工作原理
機(jī)器工作時(shí)，主電機(jī)運(yùn)動(dòng)將動(dòng)力通過(guò)帶輪傳遞給主軸，主軸帶動(dòng)工作臺(tái)上的工件。通過(guò)縱向?qū)к壓蜋M向?qū)к墝?shí)現(xiàn)刀具的上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)。整機(jī)的運(yùn)動(dòng)是在PLC的控制下進(jìn)行的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件加工的連續(xù)性和自動(dòng)化.
立式滾齒機(jī)工作時(shí)，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀架可沿立柱導(dǎo)軋垂直移動(dòng)，還可繞水平軸線調(diào)整一個(gè)角度。工件裝在工作臺(tái)上，由分度蝸輪副帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與滾刀的運(yùn)動(dòng)一起構(gòu)成展成運(yùn)動(dòng)。滾切斜齒時(shí),差動(dòng)機(jī)構(gòu)使工件作相應(yīng)的附加轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)(或立柱)可沿床身導(dǎo)軌移動(dòng),以適應(yīng)不同工件直徑和作徑向進(jìn)給。
滾齒機(jī)的齒形加工原理為展成法。展成法是將齒輪嚙合副中的一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)化為刀具，另一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)化為工件，齒輪刀具做切削主運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，以內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈強(qiáng)制刀具和工件做嚴(yán)格的嚙合運(yùn)動(dòng)，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齒形表面來(lái)。這種方法的加工精度和生產(chǎn)效率都很高。
滾齒機(jī)的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的導(dǎo)軌做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。安裝滾刀的刀桿固定在刀架體的刀具主軸上，刀架體能繞自身軸線傾斜一個(gè)角度，這個(gè)角度成為滾刀安裝角，其大小與滾刀螺旋升角大小及旋向有關(guān)。安裝工件用的心軸固定在工作臺(tái)上，工作臺(tái)與后立柱裝在床鞍上，可沿床身導(dǎo)軌做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或調(diào)整徑向進(jìn)給位置支架用于支撐工件心軸上端，以提高心軸的剛度。
第3章 軸向進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡(jiǎn)圖
特點(diǎn)
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動(dòng)
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無(wú)間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。
3.1 軸向進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
設(shè)軸向進(jìn)給最大行程為150mm,最快進(jìn)給速度為5000 mm /min,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺(tái)最大行程為300mm。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
主軸箱重量
工作臺(tái)重量
移動(dòng)部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計(jì)算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），徑向進(jìn)給為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，徑向進(jìn)給為4級(jí)。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證
絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm
代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N
可見(jiàn)Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計(jì)算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長(zhǎng)度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、軸向進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 軸向進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
第4章 徑向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 確定脈沖當(dāng)量
一個(gè)進(jìn)給脈沖，使數(shù)控滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為數(shù)控滾齒機(jī)的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控?cái)?shù)控滾齒機(jī)加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖。
根據(jù)數(shù)控滾齒機(jī)精度要求確定脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖。
4.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。
4.2.1 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控?cái)?shù)控滾齒機(jī)的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)數(shù)控滾齒機(jī)定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），徑向進(jìn)給為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，徑向進(jìn)給為4級(jí)。
4.2.2絲杠導(dǎo)程的確定
選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選向絲杠導(dǎo)程為8。
4.2.3 最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。
表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。假設(shè)重量G=1000 N
查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為1000；
算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000）
=2171.55
4.2.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。
對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通數(shù)控滾齒機(jī)T取5000-10000h，數(shù)控?cái)?shù)控滾齒機(jī)T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。
4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤數(shù)控滾齒機(jī)附件有限公司生產(chǎn)的FL4008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 FL4008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
40
8
4.763
38.6
35.24
66
31
4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)絲杠采用雙推—簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
4.2.7 傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
4.2.8 剛度的驗(yàn)算
滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3234.36，取1665，為45.24，算得：
==±0.01597=±15.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量
有效行程
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
4.2.9 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2000；
（其中工件加工長(zhǎng)度為1400，取2000，留600的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205513.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
4.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2300；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長(zhǎng)度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)， 時(shí)
當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷，則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
切削時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：
（3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求[7-12]。
4.4 絲杠軸的校核
需要驗(yàn)算傳動(dòng)軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗(yàn)算傾角時(shí)，若支撐類型相同則只需驗(yàn)算支反力最大支撐處傾角；當(dāng)此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時(shí)，則齒輪處傾角不必驗(yàn)算。驗(yàn)算撓度時(shí)，要求驗(yàn)算受力最大的齒輪處，但通?？沈?yàn)算傳動(dòng)軸中點(diǎn)處撓度（誤差<%3）.
當(dāng)軸的各段直徑相差不大，計(jì)算精度要求不高時(shí)，可看做等直徑，采用平均直徑進(jìn)行計(jì)算，彎曲剛度驗(yàn)算；的剛度時(shí)可采用平均直徑或當(dāng)量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁，其撓度和傾角計(jì)算公式見(jiàn)【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產(chǎn)生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號(hào)，在同一平面上進(jìn)行代數(shù)疊加，不在同一平面上進(jìn)行向量疊加。
：通過(guò)受力分析，
最大撓度：
查【1】表3-12許用撓度；
。
4.5 鍵的校核
鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得
可見(jiàn)連接的擠壓強(qiáng)度足夠了，鍵的標(biāo)記為：
4.6 軸承的校核
⑴、軸軸承的校核
Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負(fù)荷為19.5KN, 由于該軸的轉(zhuǎn)速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對(duì)軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)Ⅰ軸未端的滾子軸承進(jìn)行校核。
②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
∴
受力
根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為:
在水平面：
在水平面：
∴
④因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數(shù)，取，則有：
⑤軸承的壽命計(jì)算:所以按軸承的受力大小計(jì)算壽命
故該軸承6206能滿足要求。
⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。
4.7 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算和選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
（1）選BR直線滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)軌,E級(jí)精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）工作壽命每天8小時(shí)，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為:
Lh=5×250×8=10000 h,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為4000N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
P=110/4=27.5N
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N
由《機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-20中選用LY15AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=606N, C0α=745N.
基本參數(shù)如下:
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長(zhǎng)度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
（3）滾動(dòng)導(dǎo)軌間隙調(diào)整
預(yù)緊可以明顯提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過(guò)盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過(guò)盈量。
（4）潤(rùn)滑與防護(hù)
潤(rùn)滑:采用脂潤(rùn)滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵。
防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌,以提高導(dǎo)軌壽命。
防護(hù)方式用蓋板式。
第5章 滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)
5.1 滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
（1） 支撐架的設(shè)計(jì)
支撐架主要承載所有零件的重量，右端設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)支撐架?？紤]滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)的偏心力，合理設(shè)計(jì)支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。
（2） 機(jī)座的設(shè)計(jì)
機(jī)座在中間軸對(duì)應(yīng)的位置處加工一個(gè)軸承固定座，其他無(wú)特殊要求。
滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》[14]。
5.2 步進(jìn)電機(jī)選擇
5.2.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
——慣性力矩
——摩擦力矩
——輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——啟動(dòng)時(shí)間
=0.5s
=0.8m/s
=0.5m
1.6 rad/s
=1.6kgm
代入式（3.5）得：
=6.67kgm
m
計(jì)算相關(guān)滾刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)值得出：kg
代入式（3.6）得：
=5.75kgm
代入（3.2）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到
=49.85Nm
= =6.86Nm
選擇二級(jí)圓柱齒輪減速器i=9
（3.7）
=0.99 ——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率
=0.96 ——齒輪傳動(dòng)效率
=0.98 ——軸承傳動(dòng)效率
代入式（3.7）得到：
0.807
5.2.2 確定各軸傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比=9 ，根據(jù)推薦的傳動(dòng)副傳動(dòng)比合理范圍，?。?
高速級(jí)傳動(dòng)比=3 ，低速級(jí)傳動(dòng)比=3
5.2.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
由圖3.2，各軸由高速至低速依次設(shè)計(jì)為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。
圖3.2 傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖
各軸轉(zhuǎn)速
（3.8）
（3.9）
=1.6rad/s
=15.3r/min
代入式（3.8）、式（3.9）得：
45.9r/min，137.7r/min
轉(zhuǎn)矩計(jì)算
（3.10）
49.85Nm
代入式（3.7）得：
17.7Nm
同理得到：
=17.7Nm
=6.27Nm
=6.66Nm
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司的一些步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參如表3.1。
表3.1 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品系列及技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
相數(shù)
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
靜轉(zhuǎn)矩
(N.m)
空載運(yùn)行頻率
(KHZ)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(Kg.cm2)
備注
86BYG250AN
2
0.9°/1.8°
110
3.6
2.4
≥15
0.56
86BYG250BN
2
0.9°/1.8°
110
4
5.0
≥15
1.2
86BYG250CN
2
0.9°/1.8°
110
5
7.0
≥15
4.28
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線如圖3.3。
圖3.3 運(yùn)行矩頻特性
由計(jì)算得到所需：
=6.86Nm，137.7r/min
該電機(jī)可以滿足要求。
北京和利時(shí)電機(jī)電器有限公司86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)的外型簡(jiǎn)圖如圖3.4。
圖3.4 步進(jìn)電機(jī)外形簡(jiǎn)圖
根據(jù)前面計(jì)算，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)。
由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動(dòng)端均選用型軸孔[16]。
5.3 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.3.1高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1） 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù)
按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
由資料[14]（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），表面硬度為240HBS。
選擇7級(jí)精度，，
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即：
（3.11）
——載荷系數(shù)
——輸入軸承受扭矩
——齒寬系數(shù)
——重合度系數(shù)
——彈性影響系數(shù)
——接觸疲勞許用應(yīng)力
確定上式中各參數(shù)：
試選載荷系數(shù)=1.3，
小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27Nm
查表10-7，選齒寬系數(shù)=1；
查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8，
查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。
計(jì)算應(yīng)力循環(huán):
（3.12）
——輸入軸轉(zhuǎn)速
——工作時(shí)間
137.7r/min
=10000h
雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，取=2
代入式（3.12）得：
=1.65×108次
=4.96×108次
查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)
1.15，1.26；
計(jì)算接觸疲勞許