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畢業(yè)設計說明書
設計題目：Φ320mm的數(shù)控車床總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計
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專 業(yè)
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年 月 日
摘 要
全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設計特點，論述了數(shù)控車床的設計計算過程，具體闡述如下：
1、數(shù)控機床發(fā)展概述：數(shù)控機床及其特點，數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度，數(shù)控機床的經(jīng)濟分析，數(shù)控機床的發(fā)展趨向。
2、數(shù)控機床總體方案的制訂及比較
3、確定切削用量及選擇刀具
4、本文主要進行的是Φ320mm的數(shù)控車床總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機
Abstract
Comprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design features, discusses the CNC lathes horizontal feed system design and calculation process, described specifically as follows:
1, the development of CNC Machine Tools Overview: CNC machine tool and its characteristics, the process of NC machine tool and machining accuracy of NC machine tools, CNC machine tools of economic analysis, development trend.
2, NC machine overall plan formulation and comparison
3, determine the cutting parameters and selection of cutting tool
4, this paper mainly carries on is Φ320mm CNC lathe design and transverse feeding design,
Key Words: lathe, numerical control, servo motor, ball screw, a transverse feed
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機床及其特點 1
1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度 2
1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 3
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 4
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 8
2.1 總體方案比較 8
2.2 數(shù)控車床方案確定 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 9
3.1刀具選擇 9
3.2切削用量確定 10
3.3切削三要素 10
3.4加工精度和表面粗糙度 10
3.5刀具材料 14
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算 14
4.1.主動參數(shù)參數(shù)的擬定 14
4.2 變速結(jié)構(gòu)的設計 15
4.2.1 主變速方案擬定 15
4.2.2 變速結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇 16
第5章 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 20
5.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 20
5.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程中有關(guān)銷的位置 21
第6章 六角回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設計計算 22
6.1 蝸桿副的設計計算及電動機的選擇 22
6.1.1蝸桿的選型 22
6.1.2蝸桿副的材料 22
6.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計 22
6.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 24
6.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 25
6.2 螺桿的設計計算 25
6.2.1螺距的確定 25
6.2.2其他參數(shù)的確定 25
6.2.3自鎖性能校核 25
6.3 鎖緊定位機構(gòu)的設計 26
6.3.1 端齒盤設計 26
6.3.2 端齒盤的特點 27
6.3.3 端齒盤主要參數(shù)的設計計算 27
致 謝 33
參考文獻 34
34
第1章 緒論
1.1數(shù)控機床及其特點
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機械產(chǎn)品的加工相應地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進了機床行業(yè)的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機床在促進技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：
易于加工異型復雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數(shù)量等。
數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機床的工作性能。隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設計方法遠遠達不到要求，這樣，各種設計理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。
數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多特點。
1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度
隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重。
數(shù)控設備的發(fā)展方向六個方面：智能化、網(wǎng)絡化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應該能進世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機床業(yè)進軍，但機床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機床精度 1.機械加工機床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復定位精度等5種。 2.機床精度體系：目前我們國家內(nèi)承認的大致是四種體系：德國VDI標準、日本JIS標準、國際標準ISO標準、國標GB，國標和國際標準差不多。3.看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機床的重復定位精度如果能達到0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析
目前世界著名機床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機床公司”的機床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復合中心。機床質(zhì)量不錯，目前效益良好，年產(chǎn)600臺，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺。 2. 2003年，德國著名的機床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺左右。 3. 2002年，日本著名的機床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺灣省的著名機床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺。
民營企業(yè)進入機床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機廠商海天公司投資生產(chǎn)機床，主要是從日本引進技術(shù)，目前剛開始，起點比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當不錯。
軍工企業(yè)技情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當年“大使館被炸”，后來臺灣阿扁上臺后，大規(guī)模技開始了，軍工企業(yè)進入新一輪的技高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進數(shù)控機床。也從國內(nèi)機床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機床，國內(nèi)機床廠商為了迎接這次大技，也引進了不少先進技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟發(fā)展相適應的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機床生產(chǎn)大國。
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向
數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。
數(shù)控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎離不開微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來，我國數(shù)控機床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場。
我國在數(shù)控機床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應網(wǎng)絡化、集成化、柔性化的數(shù)控機床。同時，我國也已進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機床。
我國數(shù)控機床行業(yè)近年來大力推廣應用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計劃實施應用ERP、MRPⅡ和電子商務。如，濟南第二機床集團有限公司的CAD普及率達100%，是國家級“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPⅡ系統(tǒng)應用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床行業(yè)在信息化技術(shù)應用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎薄弱，對國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎薄弱，信息化技術(shù)應用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進國外技術(shù)，對國外技術(shù)的依存度較高，對引進技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還得依賴進口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時；整機平均無故障工作時間國外達800小時以上，國內(nèi)最好只有300小時。
三、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強。我國生產(chǎn)數(shù)控機床的企業(yè)雖達百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標的智能決策，對機床的工藝參數(shù)進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。隨著計算機應用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計算機內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機床零部件加工程序，以實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機床系統(tǒng)自動化的進一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷和報警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
??? 高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機床中得到廣泛應用。應用新的機床運動學理論和先進的驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)，采用當前數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展趨勢
高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機床加工全面高速化，如數(shù)控機床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應用高速加工技術(shù)達到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
??? 通過機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術(shù)的應用等，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機床的重復定位精度可以達到1μm，進入亞微米超精加工時代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復合趨勢明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復合是數(shù)控機床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復合，跨加工類別技術(shù)復合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復合等，目前已由機加工復合發(fā)展到非機加工復合，進而發(fā)展到零件制造和管理信息及應用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復合形成了新一類機床——復合加工機床，并呈現(xiàn)出復合機床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:數(shù)字化控制技術(shù)對機床單機控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動控制；生產(chǎn)過程遠程控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡等智能化技術(shù)有機結(jié)合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實現(xiàn)工件裝卡定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動進行補償、調(diào)整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機床的機械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機處理。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，遠程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務后援。人工智能自動編程系統(tǒng)能按機床加工要求對零件進行自動加工。在線服務可以根據(jù)用戶要求隨時接通INTERNET接受遠程服務。采用智能技術(shù)來實現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應控制、誤差補償智能控制、故障自診斷和智能維護等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡工廠，并進一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點研究微納機電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機床研制，如微型、高精度、遠程控制手術(shù)機器人的制造技術(shù)和應用；應用于制造大型電站設備、大型艦船和航空航天設備的重型、超重型數(shù)控機床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細加工和微納米級加工技術(shù)，研制適應微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機床和特種加工機床；極端制造領(lǐng)域的復合機床的研制等。
第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較
2.1 總體方案比較
總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。
數(shù)控車床后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。
屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
比較項目
方案一
方案二
確定后的方案
具體原因
主軸箱
分級變速采用
調(diào)速電機+
齒輪傳動
采用三相異步
電機+減速器
方案一
變速級數(shù)比較多
滿足多種加工
需要，也符合
任務書要求
進給機構(gòu)
滾珠絲杠
+步進電機
滾珠絲杠
+伺服電機
方案一
脈沖當量
步進電機控制
的準確
刀架
四工位回轉(zhuǎn)
刀架
六工位回轉(zhuǎn)
刀架
都可以
各有各的好處
尾座
液壓尾座
手動普通尾座
液壓尾座
可通過數(shù)控系統(tǒng)
調(diào)整方便
數(shù)控系統(tǒng)
8位單片機
16位單片機
方案一
基本需求可以滿足
2.2 數(shù)控車床方案確定
(1) 主傳動系統(tǒng)設計
為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離磁鐵l-2mm的旋轉(zhuǎn)軌跡外，固定一個磁傳感器，當傳感器發(fā)出信號后經(jīng)過放大，由定向電路使電動機準確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動采用變頻交流電動機無級調(diào)速。低檔轉(zhuǎn)速為270-1500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為1500-4500r/min，在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速。與原立式車床的機械結(jié)構(gòu)相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構(gòu)，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)它的調(diào)速。
(2) 進給傳動系統(tǒng)設計
進給采用滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。，其定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0．005mm。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的設計
采用AT89C58單片機控制系統(tǒng)。采用模塊化設計方案，從總體上分為人機界面模塊、坐標進給模塊、變頻調(diào)速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機的主控模塊。利用變頻調(diào)速的原理，設計主軸的無級變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過插補算法，實現(xiàn)步進電機的準確定位以便達到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)機床功能的完善化。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。
1、主軸轉(zhuǎn)速n：根據(jù)線速度v確定：π
V=
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進給、低切速。
精加工：小切深、小進給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標準（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
（3）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標準（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術(shù)平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－4.5μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
4.5
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
4.5
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算
4.1.主動參數(shù)參數(shù)的擬定
因為已知 ，
∴ Z=+1
∴===1.4129
根據(jù)標準公比。這里我們?nèi)藴使认盗?1.41.
因為=1.41=1.06，根據(jù)標準數(shù)列。首先找到最小極限轉(zhuǎn)速20，再每跳過5個數(shù)（1.26～1.06）取一個轉(zhuǎn)速，即可得到公比為1.41的數(shù)列：20，35.5，50，71，100，140，200，280，400，560，800
合理的確定電機功率P，使機床既能充分發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。
現(xiàn)在以常見的中碳鋼為工件材料，取45號鋼，正火處理，車削外圓，表面粗糙度=3.2mm。采用車刀具，可轉(zhuǎn)位外圓車刀，刀桿尺寸：16mm25mm。刀具幾何參數(shù)：=15，=6，=75，=15，=0，=-10，b=0.3mm，r=1mm。
現(xiàn)以確定粗車是的切削用量為設計：
① 確定背吃刀量和進給量f，根據(jù)【2】表8-50，取4mm，f取0.6。
② 確定切削速度，參【2】表8-57，取V=1.7。
③ 機床功率的計算，
主切削力的計算 根據(jù)【2】-表8-59和表8-60，主切削力的計算公式及有關(guān)參數(shù)：
F=9.81
=9.8127040.920.95
=3242（N）
切削功率的計算
==32421.7=5.5（kW）
依照一般情況，取機床變速效率=0.8.
==6.86(kW)
根據(jù)【3】表12-1 Y系列（IP44）電動機的技術(shù)數(shù)據(jù),Y系列（IP44）電動機為一般用途全封閉自扇冷式籠型異步電動機，具有防塵埃、鐵屑或其他雜物侵入電動機內(nèi)部的特點，B級絕緣，工業(yè)環(huán)境溫度不超過+40℃，相對濕度不超過95%，海拔高度不超過1000m，額定電壓380V，頻率50Hz。適用于無特殊要求的機械上，如機床，泵，風機，攪拌機，運輸機，農(nóng)業(yè)機械等。
根據(jù)以上要求，我們選取Y132M-4型可調(diào)速電動機，額定功率7.5kW,滿載轉(zhuǎn)速1440，額定轉(zhuǎn)矩2.2，質(zhì)量81kg。
4.2 變速結(jié)構(gòu)的設計
4.2.1 主變速方案擬定
擬定變速方案，包括變速型式的選擇以及開停、換向、制動、操縱等整個變速系統(tǒng)的確定。變速型式則指變速和變速的元件、機構(gòu)以及組成、安排不同特點的變速型式、變速類型。
變速方案和型式與結(jié)構(gòu)的復雜程度密切相關(guān)，和工作性能也有關(guān)系。因此，確定變速方案和型式，要從結(jié)構(gòu)、工藝、性能及經(jīng)濟等多方面統(tǒng)一考慮。
變速方案有多種，變速型式更是眾多，比如：變速型式上有集中變速，分離變速；擴大變速范圍可用增加變速組數(shù)，也可采用背輪結(jié)構(gòu)、分支變速等型式；變速箱上既可用多速電機，也可用交換齒輪、滑移齒輪、公用齒輪等。
顯然，可能的方案有很多，優(yōu)化的方案也因條件而異。此次設計中，我們采用集中變速型式的主軸變速箱。
4.2.2 變速結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇
結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的變速不失為有用的方法，但對于分析復雜的變速并想由此導出實際的方案，就并非十分有效。
數(shù)為Z的變速系統(tǒng)由若干個順序的變速組組成，各變速組分別有、……個變速副。即
變速副中由于結(jié)構(gòu)的限制以2或3為合適，即變速級數(shù)Z應為2和3的因子： ，可以有三種方案：
12級轉(zhuǎn)速變速系統(tǒng)的變速組，選擇變速組安排方式時，考慮到機床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。
在Ⅰ軸如果安置換向摩擦離合器時，為減少軸向尺寸，第一變速組的變速副數(shù)不能多，以2為宜。
主軸對加工精度、表面粗糙度的影響很大，因此主軸上齒輪少些為好。最后一個變速組的變速副數(shù)常選用2。
綜上所述，變速式為12=2×3×2。
對于12=2×3×2傳動式，有6種結(jié)構(gòu)式和對應的結(jié)構(gòu)網(wǎng)。分別為：
， ， ，
由于本次設計的機床I軸裝有摩擦離合器，在結(jié)構(gòu)上要求有一齒輪的齒根圓大于離合器的直徑。初選的方案。
從電動機到主軸主要為降速變速，若使變速副較多的變速組放在較接近電動機處可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，節(jié)省材料，也就是滿足變速副前多后少的原則，因此取12=2×3×2方案為好。
設計車床主變速傳動系時，為避免從動齒輪尺寸過大而增加箱體的徑向尺寸，在降速變速中，一般限制限制最小變速比 ；為避免擴大傳動誤差，減少震動噪聲，在升速時一般限制最大轉(zhuǎn)速比。斜齒圓柱齒輪傳動較平穩(wěn)，可取。因此在主變速鏈任一變速組的最大變速范圍。在設計時必須保證中間變速軸的變速范圍最小。
根據(jù)中間變速軸變速范圍小的原則選擇結(jié)構(gòu)網(wǎng)。從而確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下：
主軸的變速范圍應等于住變速傳動系中各個變速組變速范圍的乘積，即：
檢查變速組的變速范圍是否超過極限值時，只需檢查最后一個擴大組。因為其他變速組的變速范圍都比最后擴大組的小，只要最后擴大組的變速范圍不超過極限值，其他變速組就不會超過極限值。
其中，，
∴，符合要求。
繪制轉(zhuǎn)速圖
⑴、選擇Y132M-4型Y系列籠式三相異步電動機。
⑵、分配總降速變速比
總降速變速比
電動機轉(zhuǎn)速不符合轉(zhuǎn)速數(shù)列標準，因而增加一定比變速副。
⑶、確定變速軸軸數(shù)
變速軸軸數(shù) = 變速組數(shù) + 定比變速副數(shù) + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。
⑷、確定各級轉(zhuǎn)速
由、、z = 12確定各級轉(zhuǎn)速： 800、560、400、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。
⑸、繪制轉(zhuǎn)速圖
在五根軸中，除去電動機軸，其余四軸按變速順序依次設為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（主軸）。Ⅰ與Ⅱ、Ⅱ與Ⅲ、Ⅲ與Ⅳ軸之間的變速組分別設為a、b、c?，F(xiàn)由Ⅳ（主軸）開始，確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的轉(zhuǎn)速：
① 先來確定Ⅲ軸的轉(zhuǎn)速
變速組c 的變速范圍為，結(jié)合結(jié)構(gòu)式，
Ⅲ軸的轉(zhuǎn)速只有一種可能：
100、140、200、280、400、560r/min。
② 確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速
變速組b的級比指數(shù)為2，希望中間軸轉(zhuǎn)速較小，因而為了避免升速，又不致變速比太小，可取
，，
軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速確定為：400、560r/min。
③確定軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速
對于軸Ⅰ，其級比指數(shù)為1,可取
，
確定軸Ⅰ轉(zhuǎn)速為800r/min。
由此也可確定加在電動機與主軸之間的定變速比。下面畫出轉(zhuǎn)速圖（電動機轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速相近）。
齒輪齒數(shù)的確定，當各變速組的傳動比確定以后，可確定齒輪齒數(shù)。對于定比傳動的齒輪齒數(shù)可依據(jù)機械設計手冊推薦的方法確定。對于變速組內(nèi)齒輪的齒數(shù)，如傳動比是標準公比的整數(shù)次方時，變速組內(nèi)每對齒輪的齒數(shù)和及小齒輪的齒數(shù)可以從【1】表3-9中選取。一般在主傳動中，最小齒數(shù)應大于18～20。采用三聯(lián)滑移齒輪時，應檢查滑移齒輪之間的齒數(shù)關(guān)系：三聯(lián)滑移齒輪的最大齒輪之間的齒數(shù)差應大于或等于4，以保證滑移是齒輪外圓不相碰。
根據(jù)【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數(shù)。
⑴、變速組a:
∵，；
時：……57、60、63、66、69、72、75、78……
時：……58、60、63、65、67、68、70、72、73、77……
可取84,于是可得軸Ⅰ齒輪齒數(shù)分別為：28、35。
于是，，
可得軸Ⅱ上的三聯(lián)齒輪齒數(shù)分別為：56、49。
⑵、變速組b:
根據(jù)【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數(shù),
∵，,
時：……87、89、90、91、92……
時：……87、89、90、91……
時：……86、88、90、91……
可取 90，于是可得軸Ⅱ上兩聯(lián)齒輪的齒數(shù)分別為：18、30、45。
于是 ，，，得軸Ⅲ上兩齒輪的齒數(shù)分別為：72，60、45。
⑶、變速組c:
根據(jù)【1】,查表3-9各種常用變速比的使用齒數(shù),
,
時：……、85、89、90、94、95、108……
時： ……84、87、89、90、108……
可取 108.
為降速變速，取軸Ⅲ齒輪齒數(shù)為22；
為升速變速，取軸Ⅳ齒輪齒數(shù)為36。
于是得,
得軸Ⅲ兩聯(lián)動齒輪的齒數(shù)分別為22，72；
得軸Ⅳ兩齒輪齒數(shù)分別為86，36。
第5章 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理
5.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程
自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖5.1所示。
圖3.1 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程
當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后（設刀架當前處于鎖緊狀態(tài)即上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合），電動機正轉(zhuǎn)，通過電動機正傳帶動蝸桿正轉(zhuǎn)，再經(jīng)過蝸輪帶動螺桿轉(zhuǎn)（通過鍵聯(lián)接），作為螺母的上刀體（在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋）要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動，此處設計為電動機正轉(zhuǎn)時上刀體向上移動，當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使作為螺母的上刀體向上移動，從而使刀架抬起，在螺桿旋轉(zhuǎn)的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)（通過螺桿上部的圓柱銷和上蓋圓盤的銷聯(lián)接），當?shù)都芡耆鸷?，端面齒脫離嚙合，上刀體上部的圓柱銷落入上蓋圓盤，上蓋圓盤就通過圓柱銷帶動一同轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了上刀體的轉(zhuǎn)位，再通過霍爾元件觸發(fā)判斷上刀體是否轉(zhuǎn)到了工作位置。完成轉(zhuǎn)位后，由微動開關(guān)發(fā)出信號使電機反轉(zhuǎn)，通過電機反轉(zhuǎn)帶動蝸桿反轉(zhuǎn)，再經(jīng)過蝸輪帶動螺桿旋轉(zhuǎn)（通過鍵聯(lián)接），螺桿旋轉(zhuǎn)的同時也帶動上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)（通過銷聯(lián)接），上蓋圓盤通過上刀體上部的圓柱銷帶動上刀體開始反轉(zhuǎn)，上刀體下部的反靠銷馬上就會落入反靠圓盤的十字槽內(nèi)，反靠銷反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，至此，實現(xiàn)粗定位。螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動使上刀體下降，最后至上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全嚙合，實現(xiàn)精定位，電動機停轉(zhuǎn)，再延時鎖緊，整個換刀過程至此結(jié)束。
5.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程中有關(guān)銷的位置
圖3.2表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。
圖3.2 刀架轉(zhuǎn)位過程中銷的位置
a) 換刀開始時，圓柱銷2與上蓋圓盤1可以相對滑動
b) 上刀體4完全抬起后，圓柱銷2落入上蓋圓盤1槽內(nèi)，上蓋圓盤1將帶動圓柱銷2以及上刀體4一起轉(zhuǎn)動
c) 上刀體4連續(xù)轉(zhuǎn)動時，反靠銷6可從反靠盤7的槽左側(cè)斜坡滑出
d) 找到刀位時，刀架電動機反轉(zhuǎn)，反靠銷6反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)粗定位
1—上蓋圓盤 2—圓柱銷 3—彈簧 4—上刀體 5—圓柱銷 6—反靠銷 7—反靠圓盤
其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要作用。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖a所示，此時反靠銷6落在反靠盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端齒在圖 a中未畫出）。
需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉(zhuǎn)動，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上端圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（上端圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當轉(zhuǎn)過約170度時，上端圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上端圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動起來（此時端齒面齒已完全脫開）。如圖b 所示。
上蓋圓盤1、圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動，如圖C所示。
上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體停轉(zhuǎn)，至此，完成粗定位，如圖d所示。此時，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷孔內(nèi)，之后，上蓋圓盤1的下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動。在此期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現(xiàn)精定位，經(jīng)過設定的延時時間后，刀架電動機停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。由于蝸桿副具有自瑣功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。
第6章 六角回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設計計算
6.1 蝸桿副的設計計算及電動機的選擇
自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。由于刀架轉(zhuǎn)動所需的功率較小，根據(jù)設刀架為15Kg,上刀體設計轉(zhuǎn)速,則F=150N,V=0.2m/min,。故算出=37.5W查機械設計手冊第四版第5卷只有YS5024型電動機符合要求，選取電機參數(shù)具體為：額定功率為=40W，額定轉(zhuǎn)速=1380r/min的電動機 。所以動力部分選擇YS5024型三相異步電機。上刀體設計轉(zhuǎn)速，則蝸桿副的傳動比。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命。
6.1.1蝸桿的選型
GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿）和錐面包絡蝸桿（ZK蝸桿）。本設計采用結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(ZI型)。
6.1.2蝸桿副的材料
刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45～55HRC，以提高表面耐磨性；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,采用金屬模鑄造。
6.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計
刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。
按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為：
（4.1）
式中 a--------蝸桿副的傳動中心距，單位為mm;
K--------載荷系數(shù)；
-------作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，單位為；
-------彈性影響系數(shù)，單位N.mm;
-------接觸系數(shù)；
-----許用接觸應力，單位為MPa
從式（4.1）算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)傳動比i=36，從機械設計書第245頁表11—2中選擇一個合適的中心距a值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數(shù)。
①確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
設蝸桿頭數(shù)=1，蝸桿副的傳動效率。有電動機的額定功率 =40W ,可以算得蝸輪傳遞的功率，再有蝸輪的轉(zhuǎn)速求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：
=11.753N.m=11753N.mm
②確定載荷系數(shù)K
載荷系數(shù)。其中為使用系數(shù)，由機械設計書第253頁表11—5查得，由于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取；為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故?。粸閯虞d荷系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取。則有載荷系數(shù)：
③確定彈性影響系數(shù)
鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關(guān)手冊查得彈性影響系數(shù)。
④確定接觸系數(shù)
先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，從機械設計書第253頁圖11—18中可查得接觸系數(shù)
⑤確定許用接觸應力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可機械設計書中第254頁表11-7中查得鑄錫青銅蝸輪的基本許用應力。由于蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個齒輪嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)速；蝸桿副的使用壽命。則應力循環(huán)次數(shù)：
N=60j=
壽命系數(shù)：
許用接觸應力:
==260Mpa
⑥計算中心距
將以還是各參數(shù)帶入式(4.1),求得中心距:
查機械設計手冊,可取中心距a=40mm,已知蝸桿頭數(shù),先設模m=1.25mm,得蝸桿分度圓直徑.這時,由機械設計書第253頁圖11—18中可得接觸系數(shù)=2.5。因為,所以上述結(jié)果可用。
6.1.4蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖了。
①蝸桿參數(shù)與尺寸
頭數(shù)，模數(shù)m=1.25，軸向齒距Pa==3.925，軸向齒厚=0.5m=1.9625mm,分度圓直徑,直徑系數(shù)q=16，分度圓導程角3°34′35″。
取齒定高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)
則齒頂圓直徑 =22.5mm
齒根圓直徑 =17.1mm
②蝸輪參數(shù)與尺寸
齒數(shù)=49，則i=/=49，這時傳動比誤差為（53-49）/53=7.5%，由于該裝置對傳動比要求不高，則該傳動比誤差滿足要求。模數(shù)m=1.25
分度圓直徑 =m=61.25mm
變位系數(shù) =[a-()/2]/m=0.6
喉圓直徑 =+2m (+)=65.25mm
齒根圓直徑 =-2m（-+）=59.75mm
蝸輪咽喉母圓半徑 =a/2=4065.25/2=7.375mm
6.1.5校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度
檢驗下式是否成立，即可較核蝸輪齒根彎曲疲勞強度。
（4.2）
式中 ——蝸輪齒根彎曲應力，單位為MPa；
——蝸輪齒形系數(shù)；
——螺旋角影響系數(shù)；
——蝸輪的許用彎曲應力，單位為MPa。
則蝸輪的當量齒數(shù)：=
根據(jù)蝸輪變位系數(shù)和當量齒數(shù)=49.29，查手冊得齒形系數(shù)：=2.06
螺旋角影響系數(shù)：=1-=0.974
根據(jù)蝸桿的材料和制造方法，查表機械設計書第256頁表11-8，則可得蝸輪基本許用彎曲應力：=56MPa
蝸輪的壽命系數(shù)：=0.72
蝸輪的許用彎曲應力：=29.11 MPa
將以上參數(shù)帶入式（5.2），得蝸輪齒根彎曲應力：=29.11< ，則設計滿足要求。
6.2 螺桿的設計計算
6.2.1螺距的確定
刀架轉(zhuǎn)位時，要求螺桿在轉(zhuǎn)動約的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離；在鎖緊的時候，要求上下端面齒的嚙合深度達2mm。因此，螺桿的螺距應滿足，即，今取螺桿的螺距。
6.2.2其他參數(shù)的確定
采用單頭梯形螺紋，頭數(shù) ,牙側(cè)角，外螺紋大徑（公稱直徑），牙側(cè)間隙，基本牙型高度，外螺紋高，外螺紋中徑，外螺紋小徑，螺桿螺紋部分長度。
6.2.3自鎖性能校核
螺桿螺母材料均用45鋼，查表4.1，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的當量摩擦角：
而螺紋升角：
小于當量摩擦角，因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。
表6.1 滑動螺旋副材料的許用壓力及摩擦因素
蝸桿-螺母的材料
滑動速度/
許用壓力/MPa
摩擦因素
鋼-青銅
低速
18～25
0.08～0.10
≤3.0
11～18
6～12
7～10
＞15
1～2
淬火鋼-青銅
6～12
10～13
0.06～0.08
鋼-鑄鐵
<2.4
13～18
0.12～0.15
6～12
4～7
鋼-鋼
低速
7.5～13
0.11～0.17
6.3 鎖緊定位機構(gòu)的設計
6.3.1 端齒盤設計
端齒盤又稱多齒盤、細齒盤、鼠牙盤，是具有自動定心功能的精密分度定位元件，廣泛應用于加工中心、柔性單元、數(shù)控機床、組合機床、