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太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 開(kāi)題報(bào)告
機(jī)械工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題 目： 螺紋在線(xiàn)加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)電1103班
姓 名：
學(xué) 號(hào)： 2011100818
指導(dǎo)教師： 成建平
2015年 月 日
1.課題名稱(chēng)：
螺紋在線(xiàn)加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2. 課題研究背景：
小型零部件上的螺紋孔一般在加工螺紋的專(zhuān)用機(jī)床上進(jìn)行，如鏜床、銑床、鉆床等。但對(duì)于加工大型零部件上的螺紋孔，上述專(zhuān)用機(jī)床就不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)加工，有兩個(gè)方面的原因：第一，這些機(jī)床大都體型巨大而笨重難于到現(xiàn)場(chǎng)加工；第二，這些專(zhuān)用機(jī)床都有加工范圍，對(duì)于大型零部件的螺紋孔，這些機(jī)床都不適用。該數(shù)控設(shè)備通過(guò)主軸箱內(nèi)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔和內(nèi)螺紋的加工，滿(mǎn)足了對(duì)于大型零部件上孔和螺紋的加工。研究該數(shù)控加工設(shè)備可以在線(xiàn)對(duì)零部件的鉆孔和螺紋加工，而且可以連續(xù)加工出不同螺距的螺紋，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的要求，相對(duì)于機(jī)械式數(shù)控加工設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)：操作方便，加工精度較高，生產(chǎn)效率較高，自動(dòng)化程度較高。所以該數(shù)控加工設(shè)備具有較廣的應(yīng)用前景。
3. 課題研究意義：
（ （1）主要解決大型零部件上鉆孔和螺紋的加工
（2）解決專(zhuān)用機(jī)床對(duì)于實(shí)時(shí)在線(xiàn)加工的問(wèn)題
（3）降低生產(chǎn)成本，節(jié)省用于加工的時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率
（4）提高對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)
4. 文獻(xiàn)查閱概況
《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》趙如福
《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》
《數(shù)控技術(shù)指導(dǎo)書(shū)》
5. 設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容
（1） 數(shù)控設(shè)備的總體設(shè)計(jì)
本課題主要設(shè)計(jì)一套數(shù)控加工大型零部件上孔內(nèi)螺紋加工的主軸箱，進(jìn)給箱內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖所示，通過(guò)對(duì)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于螺紋的加工。這是一條內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系兩個(gè)執(zhí)行件，以形成復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈，稱(chēng)為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。它的作用是保證兩個(gè)末端件之間的相對(duì)速度或相對(duì)位移保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被加工表面的性質(zhì)。如在臥式車(chē)床上車(chē)螺紋時(shí)，連接主軸和刀具之間的傳動(dòng)鏈，就屬于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。此時(shí)，必須保證主軸（工件）每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車(chē)刀移動(dòng)工件螺紋一個(gè)導(dǎo)程，才能得到要求的螺紋導(dǎo)程。對(duì)于主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)是采用交流伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳到主軸上，主軸帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)在孔內(nèi)加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母移動(dòng)，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結(jié)，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動(dòng)而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。另外在主運(yùn)動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)上安裝編碼器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸的轉(zhuǎn)速，以便及時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，保證螺紋的加工質(zhì)量。對(duì)于鉆孔加工和螺紋加工類(lèi)似，但卻是一條外聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系交流伺服電動(dòng)機(jī)和主軸，使主軸得到給定的速度運(yùn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比的變化，只影響生產(chǎn)率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈不要求兩末端件之間有嚴(yán)格的傳動(dòng)關(guān)系。通過(guò)主軸的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具同時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出所要求的孔。
伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類(lèi)電動(dòng)機(jī)，它在機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動(dòng)機(jī)分為四大類(lèi)：直流伺服電動(dòng)機(jī)；交流伺服電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電機(jī)特點(diǎn)?：⑴無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。
減速機(jī)構(gòu)采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動(dòng)比穩(wěn)定；4、壽命長(zhǎng)；5、工作可靠性高；6、可實(shí)現(xiàn)平行軸的之間傳動(dòng)。
在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度。檢測(cè)角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測(cè)線(xiàn)位移和線(xiàn)速度常用的則是直線(xiàn)光柵。這兩種位移檢測(cè)裝置本身就是旋轉(zhuǎn)器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡(jiǎn)單方便。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光學(xué)式位置檢測(cè)元件，主要用以測(cè)量轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器最初的結(jié)構(gòu)是一種光電盤(pán)，如圖4-36所示。在一個(gè)圓盤(pán)的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構(gòu)成主柵），圓盤(pán)與工作軸1一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個(gè)固定不動(dòng)的圓形薄片（分度柵8）與圓盤(pán)（主柵7）平行放置，分度柵開(kāi)有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯(cuò)開(kāi)1/4柵距（主柵上相鄰兩線(xiàn)的間距為一個(gè)柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感光元件接收到的光通量會(huì)時(shí)大時(shí)小地連續(xù)變化（近似于正弦信號(hào)），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號(hào)，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時(shí)工作軸為正轉(zhuǎn)，則相超前于相時(shí)工作軸就為反轉(zhuǎn)。相是零位脈沖（每轉(zhuǎn)一個(gè)），通常用作測(cè)量基準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，從編碼器輸出的、相信號(hào)經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測(cè)量脈沖被引入位置控制回路進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號(hào)送給速度控制單元進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。
（1） 鉆孔的基本尺寸和切削用量
根據(jù)加工螺紋的公稱(chēng)直徑確定孔徑的大小，查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱(chēng)直徑在之間，中徑公差等級(jí)為8級(jí)。查《手冊(cè)》可知，直徑大于的孔采用兩個(gè)鉆頭分兩次來(lái)鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴(kuò)至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊(cè)》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進(jìn)給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊(cè)》查得=，當(dāng)?shù)毒咧睆?，；?dāng)?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時(shí)軸向力，扭矩及功率的計(jì)算公式查《手冊(cè)》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計(jì)算，
根據(jù)（3）式，計(jì)算，
對(duì)于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計(jì)算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線(xiàn)電流28.6,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
電機(jī)性能曲線(xiàn)如上圖所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速在之間時(shí)，轉(zhuǎn)矩在之間。
減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)選擇的電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和切削加工時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩的要求，初選進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
(2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量
螺紋的公稱(chēng)直徑查《手冊(cè)》知，如下表所示
選擇加工三角形內(nèi)螺紋的公稱(chēng)直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質(zhì)合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼。
切削速度計(jì)算公式：
（6）
其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)，
根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77.
主軸轉(zhuǎn)速公式：
= （8）
同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉(zhuǎn)速公式得轉(zhuǎn)速的范圍在之間。電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速之間根據(jù)螺紋加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速范圍可知，主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比符合要求。
主軸做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
（3）主軸的設(shè)計(jì)以及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算
主軸是機(jī)床中最常見(jiàn)的一種旋轉(zhuǎn)類(lèi)零件。主要由內(nèi)圓面、外圓面、內(nèi)外圓錐面、螺紋、花鍵和橫向孔等組成。主軸是機(jī)床的執(zhí)行件，它的主要功能是支撐傳動(dòng)件和傳遞轉(zhuǎn)矩、在運(yùn)作時(shí)，由它帶動(dòng)刀具直接參與表面成形運(yùn)動(dòng)；同時(shí)還保證刀具對(duì)機(jī)床其他部件有正確的相對(duì)位置。所以，主軸的性能對(duì)加工質(zhì)量和機(jī)床的生產(chǎn)效率有重要影響。另外，主軸的傳動(dòng)方式是由皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩種方式結(jié)合的。各種車(chē)床主軸部件有所不同，但他們的基本用途是相同的，在結(jié)構(gòu)和要求方面也是類(lèi)似的。在工作性能上都必須與機(jī)床使用性能有相匹配的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和耐磨性等。
主軸的基本要求：
1.承受摩擦與磨損?
機(jī)床主軸的不同部位承受著不同程度的磨損，尤其是軸頸部分，由于某些軸承與軸頸配合時(shí)，摩損較大，所以此部位應(yīng)具有很高的硬度來(lái)增強(qiáng)耐磨性。
2. 工作中時(shí)承受載荷
在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)床主軸要承受不同載荷的作用，如彎曲變形、沖壓，扭轉(zhuǎn)等。因此要求主軸必須有抵抗不同載荷的能力。主軸在載荷大轉(zhuǎn)速高時(shí)還要承受著很高的交變應(yīng)力。所以要求主軸具有較高的綜合力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度。
前錐孔用來(lái)裝頂尖或其他工具錐柄，要求能自鎖，目前采用莫氏錐孔，本主軸錐孔采用莫氏錐度6號(hào)。設(shè)計(jì)主軸內(nèi)徑的原則是為減輕主軸重量，在滿(mǎn)足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。主軸孔徑越大，主軸部件的相對(duì)重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸相等；等于0.5時(shí)空心主軸的剛度為實(shí)心主軸的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。?
主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I
（7）
由式子可知取孔徑的直徑極限為：<0.7。
此時(shí)若孔徑再大，剛度則急劇下降，根據(jù)推薦值，取0.6。
根據(jù)前面鉆削加工鉆刀的直徑設(shè)計(jì)主軸的錐孔孔徑,鉆刀直徑最大為50，則主軸直徑為105，主軸各部分尺寸如圖表所示.
自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)
1. 自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)形式
鉆削電主軸的自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)可以分為兩部分，即刀具夾緊部分和松刀部分。刀具夾緊部分主要由夾頭、拉桿、碟形彈簧等組成，這一部分隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)；松刀部分主要是氣缸部分。自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的工作原理是：在夾頭夾緊刀具的狀態(tài)下，碟形彈簧壓縮，彈簧向后施加力給拉桿，拉桿拉緊夾頭，夾緊刀具；松刀時(shí)，主軸后部配置的松刀氣缸充氣，頂桿頂推拉桿后部，壓縮碟形彈簧，拉桿推動(dòng)夾頭下移，彈簧夾頭張開(kāi)，松開(kāi)刀具。
2. 刀具夾緊結(jié)構(gòu)夾緊結(jié)構(gòu)
圖2 所示的是碟形彈簧后置式夾緊結(jié)構(gòu)形式。碟形彈簧安裝在后螺母內(nèi)，拉桿較長(zhǎng)，拉桿對(duì)主軸的動(dòng)平衡有一定的影響。這種結(jié)構(gòu)的碟形彈簧損壞后可以方便地取出，進(jìn)行更換。一般多使用在采用滾動(dòng)軸承的鉆削主軸上。
自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件：
（1）夾頭
夾頭是主軸夾緊刀具用的關(guān)鍵零件，通常采用的夾頭有EX1010、EX820、1201 等型號(hào)。夾頭本身的因素是引起掉刀的原因之一，夾頭的有效長(zhǎng)度和疲勞壽命是掉刀的直接因素。圖8 是測(cè)量夾頭有效長(zhǎng)度的示意圖，圖中h 的值相差太大，當(dāng)更換夾頭不當(dāng)時(shí)就會(huì)引起掉刀或松不開(kāi)刀的現(xiàn)象發(fā)生。h值直接影響的是拉緊刀具的碟形彈簧的壓縮量，鉆、銑削電主軸的碟形彈簧壓縮量都很小，碟形彈簧的工作壓縮量根據(jù)主軸型號(hào)的不同在0.5～1.2mm 之間。經(jīng)檢測(cè)即使進(jìn)口的彈簧夾頭其圖中的h 值相差也會(huì)到0.3mm 以上。假設(shè)使用的夾頭與原配的夾頭相差0.2mm，彈簧的拉緊力就要相差25% 左右，對(duì)于有些型號(hào)的主軸會(huì)相差更大。
（2）碟形彈簧
碟形彈簧是自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，向主軸生產(chǎn)廠家購(gòu)買(mǎi)質(zhì)量差的碟形彈簧會(huì)出現(xiàn)脆裂、彈性在較短時(shí)間內(nèi)喪失等問(wèn)題。新購(gòu)來(lái)的碟形彈簧片需要進(jìn)行以下處理：(1)為了能使碟彈簧在工作時(shí)伸縮自由，需要對(duì)其進(jìn)行研邊處理，兩端研磨出約0.1mm 寬的平面。(2)需要進(jìn)行強(qiáng)壓處理，如圖9所示，把碟形彈簧片依次反向裝入預(yù)壓心軸上，將臺(tái)鉆的鉆夾頭端部壓在壓套上端，向下加力，直到把碟形彈簧壓平，這樣壓50～100 次。強(qiáng)壓處理后，單片彈簧的高度和原來(lái)相比要低0.05mm，或更大一些。經(jīng)過(guò)處理的碟形彈簧片，裝機(jī)后，拉刀力穩(wěn)定性好，拉緊力下降不明顯。
3.松刀氣缸
浮動(dòng)缸是指氣缸體在工作過(guò)程中有上下移動(dòng)，圖6 所示是一種浮動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)形式。浮動(dòng)缸的工作原理是：壓縮空氣從圖6 箭頭所示方向進(jìn)入氣缸，當(dāng)氣缸充氣時(shí)，浮動(dòng)缸體上移，拉住轉(zhuǎn)軸的后部，在消除頂桿與拉桿間的間隙后，頂桿繼續(xù)下移，接觸拉桿后端，頂桿頂住拉桿的后部，松刀力只作用在碟形彈簧上，轉(zhuǎn)軸和軸承均不受力。這樣轉(zhuǎn)軸的支撐不承受松刀的拉力，達(dá)到給支撐卸載的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸和頂桿均與轉(zhuǎn)軸脫開(kāi)，不影響轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種浮動(dòng)缸結(jié)構(gòu)在鉆削主軸上用的較為廣泛。
6.設(shè)計(jì)（論文）提交形式
1. 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)1份。（按太原理工大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫(xiě)規(guī)范寫(xiě)）。
2. 主軸箱裝配圖1張（A0）。
3. 主軸零件圖1張（A1）。
4. 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖1張（A1）。
5. 箱體零件圖1張（A0）。
6．1萬(wàn)印刷符號(hào)的英文資料翻譯文件。
7. 進(jìn)度安排
第四周 查找有關(guān)外文資料并翻譯成中文
第五周 查閱資料并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告
第六周 基本參數(shù)計(jì)算
第七周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第八周 畢業(yè)實(shí)習(xí)，完成實(shí)習(xí)報(bào)告
第九周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第十周 主運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十一周 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十二周 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)計(jì)算
第十三周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
第十四周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
第十五周 計(jì)算機(jī)繪圖，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
第十六周 審查和修改圖紙及整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
第十七周 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯答辯
第十八周 畢業(yè)答辯
8. 指導(dǎo)教師意見(jiàn)
簽名：
年 月 日
太原理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
課 題 名 稱(chēng)：螺紋在線(xiàn)加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
日期：2015年6月10 日
V
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對(duì)螺紋在線(xiàn)加工部件的設(shè)計(jì)。在這里主要包括: 主軸箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)、刀具卡緊部件系統(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)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而主軸箱通過(guò)二級(jí)齒輪減速帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),
改設(shè)計(jì)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) 螺紋在線(xiàn)加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 螺紋在線(xiàn)加工部件工作性能分析。
(3)電動(dòng)機(jī)的選擇。
(4) 螺紋在線(xiàn)加工部件的傳動(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：螺紋在線(xiàn)加工部件，滾珠絲杠,進(jìn)給傳動(dòng),主軸箱
Abstract
This design is the design of the thread on-line processing parts.. Here mainly include: the ability to design and tool design of spindle box transmission mechanism, a feeding part of card tight component system the design of the graduation design on the design of the basic skills training, improve the analysis and solve engineering problems, and for general mechanical design created certain conditions.
Whole structure mainly by the motor generate power through the coupling will need the power delivered to the screw rod and screw rod drives the screw rod nut, so as to drive the machine feed movement, and spindle box by secondary gear deceleration drive the spindle rotating motion,
Improving labor productivity and production automation level. It has a broad prospect for its development..
Research content of this thesis:
(1) the overall structure design of the online machining parts of the screw threads.
(2) working performance analysis of the screw online working part.
(3) motor selection.
(4) the transmission system, the execution parts and the frame design of the thread processing parts.
(5) design and calculation of the design parts for calculation and verification.
(6) drawing the assembly drawings and important parts of the assembly drawings and parts drawings of the design parts.
Key words: online processing parts, ball screw, feed drive, spindle box
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1 螺紋在線(xiàn)加工部件的要求 1
1.2 課題的目的及意義 1
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 4
1.4.1 主要的研究?jī)?nèi)容 4
1.4.2 設(shè)計(jì)要求 4
1.4.3 關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題 4
2 螺紋在線(xiàn)加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 螺紋在線(xiàn)加工部件的構(gòu)成 5
2.2 螺紋在線(xiàn)加工部件的工作原理 5
2.3 鉆孔的基本尺寸和切削用量 7
2.4 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3 進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12
3.1 進(jìn)給部位齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 12
3.2 高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.3 低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.4進(jìn)給絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì) 18
3.5 軸向進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇 19
3.5.1 導(dǎo)程確定 19
3.5.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 19
3.5.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 19
3.5.4 確定絲桿的等效負(fù)載 20
3.5.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 20
3.5.6 精度的選擇 21
3.5.7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 21
3.6 校核 22
3.6.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 22
3.6.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 23
3.6.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 23
3.7 電機(jī)的選擇 24
3.7.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 24
3.7.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 25
4 主軸箱的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
4.1進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 27
4.2低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 31
4.3 軸的計(jì)算 34
4.3.1 高速軸的計(jì)算 34
4.3.2 中間軸的計(jì)算 38
4.3.3 低速軸的計(jì)算 42
5 鍵連接的選擇和計(jì)算 46
5.1 高速軸（I軸）上鍵的選擇及校核 46
5.2 中間軸（II軸）上鍵的選擇及校核 46
5.3 高速軸（III軸）上鍵的選擇及校核 47
6 滾動(dòng)軸承的選擇和計(jì)算 48
7 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 51
7.1 自動(dòng)松拉刀系統(tǒng) 52
7.2 自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件 53
結(jié) 論 55
參考文獻(xiàn) 56
致 謝 58
1 緒論
1.1 螺紋在線(xiàn)加工部件的要求
對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備，在日常維護(hù)或技術(shù)改造過(guò)程中，難免需要在大型固定基礎(chǔ)件上加工螺紋，大型固定基礎(chǔ)件不易拆卸移動(dòng)，為了不影響生產(chǎn)，采用通用機(jī)床上常規(guī)的加工方法以不適合。當(dāng)螺紋直徑較大（>φ40mm）時(shí)，需采用專(zhuān)用加工設(shè)備。本課題擬設(shè)計(jì)滿(mǎn)足上述要求的專(zhuān)用加工設(shè)備。
1 以φ80mm螺紋為例，采用鏜削方法，多次加工底孔和多次加工螺紋表面，分析計(jì)算切削用量，確定所需要的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和初始參數(shù)（軸向切削力和徑向切削力）；
2、要求采用數(shù)控方式實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)的控制和關(guān)聯(lián)，滿(mǎn)足不同螺紋規(guī)格的加工需要，通過(guò)切換能實(shí)現(xiàn)螺紋退刀槽的加工；
3專(zhuān)用鏜削頭經(jīng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主軸精度按普通精度機(jī)床要求；
4主軸組件采用可伸縮式套筒結(jié)構(gòu)，主軸端結(jié)構(gòu)可安裝鉆頭，鏜桿，切槽刀具。
1.2 課題的目的及意義
近年來(lái)，隨著汽車(chē)、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(chē)、摩托車(chē)、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(chē)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(chē)摩托車(chē)等行業(yè)中占有越來(lái)越重要的作用。機(jī)床是齒輪加工機(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)機(jī)床完全依靠機(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。螺紋在線(xiàn)加工部件高加工精度、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螺紋在線(xiàn)加工部件,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)的大型螺紋在線(xiàn)加工部件都需進(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螺紋在線(xiàn)加工部件和有必要。
對(duì)螺紋在線(xiàn)加工部件的設(shè)計(jì)主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專(zhuān)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(lèi)學(xué)生更應(yīng)側(cè)重于從生產(chǎn)的第一線(xiàn)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(zhuān)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(zhuān)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(xún)，方案的確定，撰寫(xiě)、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(lèi)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識(shí)的目的，并綜合運(yùn)用和深化所學(xué)專(zhuān)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)機(jī)床的歷史始于1953年，經(jīng)過(guò)30年的努力，到80年代初已進(jìn)入世機(jī)床主要生產(chǎn)國(guó)家行列。目前，國(guó)產(chǎn)機(jī)床以傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式為主，品種、系列齊全。傳統(tǒng)機(jī)床完全依靠機(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)在機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)方面研究的主要經(jīng)歷了從統(tǒng)機(jī)械式機(jī)床通過(guò)數(shù)控改造發(fā)展為2至3軸（直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸）實(shí)用型數(shù)控高效機(jī)床，到全新六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速機(jī)床的開(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(lèi)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(mén)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(mài)，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螺紋在線(xiàn)加工部件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，機(jī)床附件(含功能部件和夾具)類(lèi)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螺紋在線(xiàn)加工部件關(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)機(jī)床工具行業(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(hù)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：機(jī)床早期故障率較高，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)，確定螺紋在線(xiàn)加工部件整體設(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)，完成螺紋在線(xiàn)加工部件各零部件的結(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，提出螺紋在線(xiàn)加工部件的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成螺紋在線(xiàn)加工部件結(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 完成螺紋在線(xiàn)加工部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；繪制螺紋在線(xiàn)加工部件結(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
60
2 螺紋在線(xiàn)加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 螺紋在線(xiàn)加工部件的構(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、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。
2.2 螺紋在線(xiàn)加工部件的工作原理
本課題主要設(shè)計(jì)一套數(shù)控加工大型零部件上孔內(nèi)螺紋加工的主軸箱，進(jìn)給箱內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖所示，通過(guò)對(duì)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于螺紋的加工。這是一條內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系兩個(gè)執(zhí)行件，以形成復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈，稱(chēng)為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。它的作用是保證兩個(gè)末端件之間的相對(duì)速度或相對(duì)位移保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被加工表面的性質(zhì)。如在臥式車(chē)床上車(chē)螺紋時(shí)，連接主軸和刀具之間的傳動(dòng)鏈，就屬于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。此時(shí)，必須保證主軸（工件）每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車(chē)刀移動(dòng)工件螺紋一個(gè)導(dǎo)程，才能得到要求的螺紋導(dǎo)程。對(duì)于主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)是采用交流伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳到主軸上，主軸帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)在孔內(nèi)加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母移動(dòng)，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結(jié)，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動(dòng)而移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。另外在主運(yùn)動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)上安裝編碼器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸的轉(zhuǎn)速，以便及時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，保證螺紋的加工質(zhì)量。對(duì)于鉆孔加工和螺紋加工類(lèi)似，但卻是一條外聯(lián)系傳動(dòng)鏈，聯(lián)系交流伺服電動(dòng)機(jī)和主軸，使主軸得到給定的速度運(yùn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比的變化，只影響生產(chǎn)率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動(dòng)鏈不要求兩末端件之間有嚴(yán)格的傳動(dòng)關(guān)系。通過(guò)主軸的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具同時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出所要求的孔。
伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類(lèi)電動(dòng)機(jī)，它在機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動(dòng)機(jī)分為四大類(lèi)：直流伺服電動(dòng)機(jī)；交流伺服電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電機(jī)特點(diǎn)?：⑴無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。
減速機(jī)構(gòu)采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動(dòng)比穩(wěn)定；4、壽命長(zhǎng)；5、工作可靠性高；6、可實(shí)現(xiàn)平行軸的之間傳動(dòng)。
在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度。檢測(cè)角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測(cè)線(xiàn)位移和線(xiàn)速度常用的則是直線(xiàn)光柵。這兩種位移檢測(cè)裝置本身就是旋轉(zhuǎn)器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡(jiǎn)單方便。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光學(xué)式位置檢測(cè)元件，主要用以測(cè)量轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器最初的結(jié)構(gòu)是一種光電盤(pán)，如圖4-36所示。在一個(gè)圓盤(pán)的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構(gòu)成主柵），圓盤(pán)與工作軸1一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個(gè)固定不動(dòng)的圓形薄片（分度柵8）與圓盤(pán)（主柵7）平行放置，分度柵開(kāi)有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯(cuò)開(kāi)1/4柵距（主柵上相鄰兩線(xiàn)的間距為一個(gè)柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感光元件接收到的光通量會(huì)時(shí)大時(shí)小地連續(xù)變化（近似于正弦信號(hào)），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號(hào)，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時(shí)工作軸為正轉(zhuǎn)，則相超前于相時(shí)工作軸就為反轉(zhuǎn)。相是零位脈沖（每轉(zhuǎn)一個(gè)），通常用作測(cè)量基準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，從編碼器輸出的、相信號(hào)經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測(cè)量脈沖被引入位置控制回路進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號(hào)送給速度控制單元進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。
2.3 鉆孔的基本尺寸和切削用量
根據(jù)加工螺紋的公稱(chēng)直徑確定孔徑的大小，查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱(chēng)直徑在之間，中徑公差等級(jí)為8級(jí)。查《手冊(cè)》可知，直徑大于的孔采用兩個(gè)鉆頭分兩次來(lái)鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴(kuò)至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊(cè)》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進(jìn)給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊(cè)》查得=，當(dāng)?shù)毒咧睆剑?；?dāng)?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時(shí)軸向力，扭矩及功率的計(jì)算公式查《手冊(cè)》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計(jì)算，
根據(jù)（3）式，計(jì)算，
對(duì)于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計(jì)算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線(xiàn)電流28.6,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
電機(jī)性能曲線(xiàn)如上圖所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速在之間時(shí)，轉(zhuǎn)矩在之間。
2.4 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)選擇的電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和切削加工時(shí)功率和轉(zhuǎn)矩的要求，初選進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
(2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量
螺紋的公稱(chēng)直徑查《手冊(cè)》知，如下表所示
選擇加工三角形內(nèi)螺紋的公稱(chēng)直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質(zhì)合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼。
切削速度計(jì)算公式：
（6）
其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)，
根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77.
主軸轉(zhuǎn)速公式：
= （8）
同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉(zhuǎn)速公式得轉(zhuǎn)速的范圍在之間。電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速之間根據(jù)螺紋加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速范圍可知，主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比符合要求。
主軸做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，二級(jí)傳動(dòng)。
3 進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 進(jìn)給部位齒輪的傳動(dòng)計(jì)算
根據(jù)前面章節(jié)介紹，該部分總傳動(dòng)比為i=3
其中高速級(jí)取i1=1.5，低速級(jí)取I2=2.
3.2 高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
按設(shè)計(jì)計(jì)算公式1 選擇齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS，二者硬度差為40 HBS。
4）初選小齒輪的齒數(shù)，，選
2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)公式（注:腳標(biāo)t表示試選或試 算值,下同.）
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（非對(duì)稱(chēng)布置）
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（j為齒輪轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；為工作壽命）
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入較小值
由計(jì)算式得，
mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒輪b
4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
由表10-2查得
由表10-4用插值法，7級(jí)精度,小齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)布置
查得
由 查圖10-13得
故載荷系數(shù)
=1.562
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
7）計(jì)算模數(shù)
3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）
（1）確定計(jì)算參數(shù)
1)圖10-20C查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪彎曲疲勞
強(qiáng)度極限為
1） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)由公式(10-12)得
4)算載荷系數(shù) =
5)取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得
6)比較大小齒輪的大小
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，終合考慮，滿(mǎn)足兩方面，對(duì)模數(shù)就近取整，則
m=2
4 幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算得齒輪的參數(shù)為：
齒輪參數(shù)表
名 稱(chēng)
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
24
Z2
36
壓力角
n
分度圓直徑
d1
72
d2
108
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
90
齒 寬
3.3 低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1 選擇齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（表面淬火），硬度為
48-55HRC,大齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS
4）初選小齒輪齒數(shù)，。取
2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
按設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選
2）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算式
得，mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒輪b
4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計(jì)算載荷系數(shù)K
由10-2查得使用系數(shù)，；
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
因?yàn)槭侵饼X輪 所以 ；
由表10-4用插值法查的7級(jí)精度,小齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)軸承時(shí)
.
由查圖10-13得
.
故載荷系數(shù)
=1.469
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
=70.39mm
7） 計(jì)算模數(shù)
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，終合考慮，滿(mǎn)足兩方面，對(duì)模數(shù)就近取整，則
m=3
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪零件草圖見(jiàn)附件
齒輪參數(shù)表
名 稱(chēng)
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
30
Z2
60
壓力角
n
分度圓直徑
d1
90
d2
180
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
135
齒 寬
3.4進(jìn)給絲杠傳動(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。
3.5 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(xiàn)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)。
3.5.1 導(dǎo)程確定
則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm (3.1)
3.5.2 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 (3.2)
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (3.3)
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
(3.4)
3.5.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
主軸箱重量 (3.5)
工作臺(tái)重量 (3.6)
移動(dòng)部件重量 (3.7)
3.5.4 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
(3.8)
(3.9)
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
(3.10)
3.5.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
(3.11)
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3-2-1各類(lèi)機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
表3-2-2精度系數(shù)fa
表3-2-3可靠性系數(shù)fk
表3-2-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.5.6 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)。
3.5.7 選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN (3.12)
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN (3.13)
公稱(chēng)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(chēng)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
3.6 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。
3.6.1 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：
(3.14)
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）
(3.15)
式中do--------是絲桿公稱(chēng)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 (3.16)
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(mǎn)足要求。
3.6.2 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：
(3.17)
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 (3.18)
----------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(mǎn)足要求。
3.6.3 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， (3.19)
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：
(3.20)
(3.21)
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(mǎn)足要求。
3.7 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(xiàn)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。
3.7.1 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
(3.22)
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 (3.23)
b、軸向進(jìn)給直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
(3.24)
上式中：M—質(zhì)量 軸向進(jìn)給直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得 (3.25)
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得 (3.26)
因此 (3.27)
3.7.2 電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
(3.28)
上式中： (3.29)
J=0.0028kg/m2 (3.30)
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 (3.31)
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
(3.32)
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
(3.33)
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
4 主軸箱的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1進(jìn)給結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
根據(jù)加工螺紋的公稱(chēng)直徑確定孔徑的大小，查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《手冊(cè)》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱(chēng)直徑在之間，中徑公差等級(jí)為8級(jí)。查《手冊(cè)》可知，直徑大于的孔采用兩個(gè)鉆頭分兩次來(lái)鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴(kuò)至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊(cè)》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進(jìn)給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊(cè)》查得=，當(dāng)?shù)毒咧睆?，；?dāng)?shù)毒咧睆剑瑢⑾嚓P(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時(shí)軸向力，扭矩及功率的計(jì)算公式查《手冊(cè)》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計(jì)算，
根據(jù)（3）式，計(jì)算，
對(duì)于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計(jì)算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號(hào)大慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線(xiàn)電流28.6,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
進(jìn)給部位齒輪的傳動(dòng)計(jì)算
根據(jù)前面章節(jié)介紹，該部分總傳動(dòng)比為i=4
其中高速級(jí)取i1=2，低速級(jí)取I2=2.
高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
按設(shè)計(jì)計(jì)算公式1 選擇齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS，二者硬度差為40 HBS。
4）初選小齒輪的齒數(shù)，，選
2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)公式（注:腳標(biāo)t表示試選或試 算值,下同.）
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（非對(duì)稱(chēng)布置）
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（j為齒輪轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；為工作壽命）
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入較小值
由計(jì)算式得，
mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒輪b
4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
由表10-2查得
由表10-4用插值法，7級(jí)精度,小齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)布置
查得
由 查圖10-13得
故載荷系數(shù)
=1.562
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
7）計(jì)算模數(shù)
3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）
（1）確定計(jì)算參數(shù)
1)圖10-20C查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪彎曲疲勞
強(qiáng)度極限為
2） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)由公式(10-12)得
4)算載荷系數(shù) =
5)取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得
6)比較大小齒輪的大小
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，終合考慮，滿(mǎn)足兩方面，對(duì)模數(shù)就近取整，則
m=2
4 幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算得齒輪的參數(shù)為：
齒輪參數(shù)表
名 稱(chēng)
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
24
Z2
48
壓力角
n
分度圓直徑
d1
72
d2
144
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
108
齒 寬
4.2低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1 選擇齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（表面淬火），硬度為
48-55HRC,大齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS
4）初選小齒輪齒數(shù)，。取
2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
按設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）
（1）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1）試選
2）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(shù)
5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計(jì)算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算式
得，mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒輪b
4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計(jì)算載荷系數(shù)K
由10-2查得使用系數(shù)，；
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
因?yàn)槭侵饼X輪 所以 ；
由表10-4用插值法查的7級(jí)精度,小齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)軸承時(shí)
.
由查圖10-13得
.
故載荷系數(shù)
=1.469
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
=70.39mm
8） 計(jì)算模數(shù)
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，終合考慮，滿(mǎn)足兩方面，對(duì)模數(shù)就近取整，則
m=3
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及齒輪零件草圖見(jiàn)附件
齒輪參數(shù)表
名 稱(chēng)
計(jì) 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
30
Z2
60
壓力角
n
分度圓直徑
d1
90
d2
180
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
135
齒 寬
4.3 軸的計(jì)算
4.3.1 高速軸的計(jì)算
２．求作用在齒輪上的力
３．初定軸的最小直徑
選軸的材料為４５鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表１５－３，取
（以下軸均取此值），于是由式１５－２初步估算軸的最小直徑
４．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
１）擬定軸上零件的裝配方案（見(jiàn)下圖）
２）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（１）為滿(mǎn)足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，１軸段右端需制處一軸肩，軸肩高度半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度=30mm.，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故的長(zhǎng)度應(yīng)該比略短一點(diǎn)，現(xiàn)取
(3)取齒輪左端面與箱體內(nèi)壁間留有足夠間距，取。為減小應(yīng)力集中,并考慮右軸承的拆卸,軸段4的直徑應(yīng)根據(jù)６００５的深溝球軸承的定位軸肩直徑確定
（4）軸段5上安裝齒輪,為便于齒輪的安裝, 應(yīng)略大與,可取.齒輪左端用套筒固定,為使套筒端面頂在齒輪左端面上,即靠緊,軸段5的長(zhǎng)度應(yīng)比齒輪轂長(zhǎng)略短,若轂長(zhǎng)與齒寬相同,已知齒寬,故取。齒輪右