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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） iii目 錄第一章 前言………………………………………………………………… 11.1 課題背景………………………………………………………………… 11.1.1 數(shù)控車床的發(fā)展及應(yīng)用情況…………………………………… 11.1.2 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題………………………………… 21.1.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)中的地位………………………… 21.1.4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及要求………………………………… 31.2 研究內(nèi)容和方法………………………………………………………… 41.2.1 研究內(nèi)容…………………………………………………………… 41.2.2 研究方法…………………………………………………………… 51.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成…………………………………………………… 51.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)…………………………………………………………… 51.3.2 論文構(gòu)成…………………………………………………………… 5第二章 機(jī)床設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 72.1 機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求………………………………………… 72.2 機(jī)床設(shè)計(jì)步驟…………………………………………………………… 92.3 機(jī)床總體布局…………………………………………………………… 10第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………… 123.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)………………………………………… 123.1.1 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求………………………………… 123.1.2 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)……………………………………… 123.2 總體設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 123.2.1 擬定傳動方案……………………………………………………… 123.2.2 選擇電機(jī)…………………………………………………………… 143.2.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩………………………………… 173.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖…………………………………………………… 183.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 193.3.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 193.3.2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 233.3.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………… 34湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） iv3.3.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計(jì)………………………………………… 373.3.5 主軸箱展開圖…………………………………………………39第四章 進(jìn)給傳動系設(shè)計(jì)的簡單介紹…………………………………… 404.1 進(jìn)給傳動系的組成………………………………………………………404.2 進(jìn)給傳動系設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求………………………………… 40第五章 結(jié)論…………………………………………………………………… 41參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 42致謝……………………………………………………………………………… 43全套圖紙加 153893706湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 1 -第一章 前 言1.1 課題背景1.1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及應(yīng)用情況計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得現(xiàn)代制造的技術(shù)不斷推陳出新。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)把計(jì)算機(jī)、微電子、自動檢測、信息處理、自動控制等高新技術(shù)集于一體，具有高效率、高精度、柔性自動化等特點(diǎn)，對現(xiàn)代制造業(yè)實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、自動化有著非常重要的的作用。數(shù)控技術(shù)是一門把自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造術(shù)、信息處理技術(shù)等集于一體的綜合技術(shù)，是這些年來發(fā)展很迅速的一門綜合性的高新技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是為了適應(yīng)高速度、高精度、復(fù)雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、柔性化、信息化、自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的根基，是現(xiàn)代制造技術(shù)的核心和靈魂，應(yīng)用前景十分廣闊。伴隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息自動處理技術(shù)、以及數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，給自動化帶來了新的定義，使得機(jī)械制造自動化不斷的向前發(fā)展。最早在 20 世紀(jì) 40 年代初，就已經(jīng)有人提出采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行機(jī)械制造加工的想法。在 1953 年，美國空軍技術(shù)研發(fā)部跟麻省理工大學(xué)進(jìn)行合作，計(jì)劃投身于計(jì)算機(jī)自動編程的研究與開發(fā)，這就是創(chuàng)建自動編程系統(tǒng)的開始。自動編程系統(tǒng)開始于 APT 的成功研制。在 1954 年，美國本迪克斯公司生產(chǎn)制造出世界上第一臺工用數(shù)控機(jī)床，在這之后的幾年里，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在美國進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，隨之在市場上也出現(xiàn)了商品化的數(shù)控機(jī)床。在 1958 年，美國一家公司率先研制出帶有換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“數(shù)控加工中心 ”。在 1959 年，隨著晶體管元器件的出現(xiàn)，于是在數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板。與此同時，麻省理工大學(xué)和美國航空部門一起合作發(fā)展了 APT 程序語言。在 1960 年以后，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入了迅猛發(fā)展的階段。日本、德國、英國等工業(yè)國家陸續(xù)地開發(fā)、研制、生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床，數(shù)控技術(shù)慢慢應(yīng)用到其他機(jī)械上。比如，焊接機(jī)、饒線機(jī)、切割機(jī)等。在程序編制方面，已經(jīng)由手工編程慢慢發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動編程。與此同時，又出現(xiàn)和發(fā)展了許多的自動編程語言。在 1965 年，隨著小規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使得數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第三代。裝有上面三代數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床。在 1967 年，英國率先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔韌性的加工系統(tǒng)，開始研制和開發(fā)最初的柔性制造系統(tǒng) FMS，在此之后，美國、歐洲、日本也開始陸續(xù)開發(fā)和應(yīng)用。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 -在 20 世紀(jì) 80 年代初，出現(xiàn)了柔性制造單元 FMC，這時 FMS 已日趨成熟。并慢慢地發(fā)展成為第四代數(shù)控系統(tǒng)。在 1971 年前后，美國一家公司開發(fā)了微處理器。在 1974 年，美國、日本等國家率先研制和開發(fā)出了以微處理器為中心的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。最近 20 年以來，伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)控技術(shù)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)有著巨大的市場空間，未來十年，汽車行業(yè)和高新技術(shù)等產(chǎn)業(yè)將會在我國迅猛發(fā)展。有專家指出，以目前我國中高檔數(shù)控機(jī)床和成套成線設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)能力，在質(zhì)量、品種和數(shù)量上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)市場的巨大需求，因此必須加快數(shù)控機(jī)床的研制和開發(fā)。1.1.2 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題目前我國的數(shù)控機(jī)床發(fā)展雖然取得了較大的成就，但還是存在一些問題：（1） 數(shù)控化水平低這些年來，我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)一直保持著高速增長。2000 年的產(chǎn)量位居世界第五。但是與很多發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)控機(jī)床數(shù)控化率還有待提升，目前生產(chǎn)值的數(shù)控化率還不到 29%；消耗值的數(shù)控化率還未到 45%，而大多數(shù)發(fā)達(dá)國家維持在 75%左右。以金屬切削機(jī)床作為例子，我國去年年產(chǎn)量為 25 萬臺，其中數(shù)控機(jī)床只有 2.5 萬臺，僅為產(chǎn)量的十分之一左右。中高檔次的數(shù)控機(jī)床及配套部件只能依靠進(jìn)口。（2） 功能部件有差距數(shù)控功能部件是指主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副、高速防護(hù)裝置、刀庫和機(jī)械手等，他們是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。功能部分技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平將直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能和技術(shù)水平。相對數(shù)控機(jī)床主機(jī)來說，我國功能部件生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展顯得落后很多。功能部件的水平不僅決定著機(jī)床的整機(jī)性能，還占到整機(jī)成本的 65%左右，它的發(fā)展?fàn)顩r將直接關(guān)系到機(jī)床整體的競爭水平。近年來，我國的功能部件生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至還依附于主機(jī)廠或者研究所。從整體上來看，我國功能部件的生產(chǎn)發(fā)展比較緩慢，品種較少，產(chǎn)業(yè)化程度很低，精度指標(biāo)和性能指標(biāo)都還不達(dá)不到要求。滾珠絲杠，數(shù)控刀架、數(shù)控系統(tǒng)、電主軸等數(shù)控機(jī)床功能部件雖然已經(jīng)形成一定的規(guī)模，但是僅僅只能滿足中低檔數(shù)控機(jī)床的配套需要。高級數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件和數(shù)控動力刀架等還大量依賴進(jìn)口。因此健全功能部件生產(chǎn)企業(yè)的體制規(guī)范，做大做強(qiáng)做好一批功能部件的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)是箭在弦上不得不發(fā)。1.1.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)中的地位湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 3 -數(shù)控機(jī)床的分類方式有很多種，按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平來分的話，數(shù)控機(jī)床可以分為經(jīng)濟(jì)型、中檔型和高檔型。隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)也得到了快速的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越發(fā)廣泛，例如汽車行業(yè)、航天行業(yè)等，因?yàn)榕c機(jī)械制造有關(guān)的行業(yè)都有數(shù)控機(jī)床的存在，特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，而且經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給驅(qū)動一般是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動，功能簡單、價格低廉、精度中等，能滿足加工形狀比較簡單的直線、圓弧以及螺紋的加工。一般控制軸在三軸以下，脈沖當(dāng)量多為 10，快速進(jìn)給速度在 10m/min 以下。因此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用非常廣泛。這些年來，伴隨著我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，讓數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也越發(fā)廣泛，其中經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用特別明顯。但是伴隨著機(jī)械制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中地位不斷的提高，數(shù)控機(jī)床的地位也隨之不斷提高。這就使得數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量不斷的增加，2000 年產(chǎn)量就位居世界第五。以金屬切削機(jī)床為例，我國去年產(chǎn)量為 25 萬臺，其中數(shù)控機(jī)床只有 2.5 萬臺，僅為產(chǎn)量的十分之一左右。其中數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量的增加非常明顯，根據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床到 2000 年可提供品種 750 多種，但是卻只有數(shù)控車床種類的 50%左右，其中占了產(chǎn)量 70%的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，上面的敘述表明了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著非常重要的地位。1.1.4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和一般的數(shù)控機(jī)床一樣，在效率、精度和自動化程度等方面要明顯高于普通的機(jī)床，同時還具有了柔性，這就對其結(jié)構(gòu)有了以下幾點(diǎn)要求：（1） 高的剛度當(dāng)數(shù)控機(jī)床要在中高速切削條件下工作時，機(jī)床的工作臺、床身、主軸、立柱、刀架等主要部件都需要很高的剛度，使得在工作中變形或振動最小。（2） 高的靈敏度數(shù)控機(jī)床在自動狀態(tài)下工作時要求的精度高于普通的機(jī)床，因此相應(yīng)地運(yùn)動也具有高的靈敏度。導(dǎo)軌通常采用塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌等，以達(dá)到減小摩擦力、低速無爬行的目的，工作臺、刀架等移動部件則需要由直流或交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動。主軸多數(shù)采用滾動軸承來提高靈敏度。（3） 高的抗振性數(shù)控機(jī)床的部分運(yùn)動部件需要保證在中高速切削的條件下沒有振動，以保證加工件的精度和表面粗糙度的要求。同時還要注意避免切削時的產(chǎn)生的諧振。（4） 熱變形要小運(yùn)動的部件容易產(chǎn)生熱量。為保證部件的運(yùn)動精度，一般采取立柱框架式結(jié)構(gòu)，使提高剛度的同時防止產(chǎn)生熱變形而發(fā)生傾斜偏移，主軸可采用恒溫冷卻主軸，以保湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 4 -證主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量最少，電動機(jī)可以采用安裝散熱裝置以減少電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)熱的影響。（5） 高精度的保持性數(shù)控機(jī)床需要保證長時間內(nèi)具有穩(wěn)定的工作精度，即高精度的保持性，一般選擇合適的零件材料，防止使用時發(fā)生變形和磨損，同時采取相應(yīng)的工藝措施，比如淬火和粘貼塑料導(dǎo)軌等，以提高運(yùn)動部件的耐磨性。（6） 高的可靠性數(shù)控機(jī)床大多數(shù)是在自動或者半自動條件下工作的，需要具有高的可靠性。（7）刀具系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床刀具要具有高的耐用度，合理的結(jié)構(gòu)，同時對于不同的數(shù)控機(jī)床，需要用不同的刀具系統(tǒng)和相應(yīng)的刀片。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)越性：1、可以加工出普通機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2、可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比普通機(jī)床提高 4～7 倍。 3、加工零件的精度較高，尺寸分散度很小，使得裝配容易 4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中加工，減少零件在機(jī)床間的搬運(yùn)。 5、擁有自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，可實(shí)現(xiàn)長時間沒有人看管的加工。 因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以大大降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約勞動力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試驗(yàn)周期和生產(chǎn)周期，可以對市場的需求作出快速的反應(yīng)。 而且數(shù)控機(jī)床推行 FMC、FMS 以及 CIMS 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已然成為機(jī)械制造業(yè)自動化的核心技術(shù)?；谝陨蟽?yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例迅速增大。從 2006 年的市場消費(fèi)的內(nèi)容可以看出,傳統(tǒng)機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床份額則大幅度的增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床變得供不應(yīng)求。因此可以預(yù)料，未來幾年甚至十年內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)床的市場份額將不斷的下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會逐步的擴(kuò)大。在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計(jì)一臺經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床—CK6140，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓錐面、端面以及各種公、英制螺紋等進(jìn)行高效、批量、高精度的自動加工，以提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量和降低工人的勞動強(qiáng)度。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實(shí)際問題的能力 [1]。1.2 研究內(nèi)容和方法1.2.1 研究內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 5 -工件最大回轉(zhuǎn)直徑： Φ 400mm；中心高：205mm；刀架最大回轉(zhuǎn)直徑： Φ 210mm；刀架最大回轉(zhuǎn)行程；280mm；主軸最大轉(zhuǎn)速：4000 r/min；主軸最低轉(zhuǎn)速：40r/min；課題研究的主要內(nèi)容是主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.2.2 研究方法第一步，明確設(shè)計(jì)的要求，找出研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)：數(shù)控車床最基本的要求就是精度達(dá)標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作、保養(yǎng)方便，壽命比較長，此外還要力求外型的美觀。第二步，進(jìn)入工廠觀察，大量收集相關(guān)的資料，廣泛吸取有關(guān)專家設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。第三步，初步地確定總體的設(shè)計(jì)方案：1、軟件的方面 充分考慮功能、技術(shù)先進(jìn)、價格、服務(wù)方便等因素，以及考慮數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與 CK6140 的性能相匹配，盡量減少數(shù)控功能的過剩。2、硬件的方面（1）根據(jù)機(jī)床的性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體的布局；（2）選擇主電動機(jī)。根據(jù)切削力的大小以及機(jī)床的變速要求，初步地選定主電動機(jī)的型號；（3）設(shè)計(jì)主傳動系統(tǒng)及主軸箱。根據(jù)主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動的方式。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成1.3.1 設(shè)計(jì)主要任務(wù)1、分析確定 CK6140 車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；2、主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)；3、零部件的校核與設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算；4、裝配圖的設(shè)計(jì)、零件工作圖的設(shè)計(jì)；5、本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析；6、典型零件加工工藝及圖形交互式（ CAD/CAM）或手工數(shù)控程序編制；7、編寫設(shè)計(jì)說明書。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 6 -1.3.2 論文構(gòu)成第 1 章 前言第 2 章 機(jī)床的設(shè)計(jì)。第三章 詳細(xì)論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第四章 簡單介紹進(jìn)給傳動系的設(shè)計(jì)。第五章 總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得、參考文獻(xiàn)和致謝。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 7 -第二章 機(jī)床設(shè)計(jì)2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求1、工藝范圍機(jī)床工藝范圍是指機(jī)床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力，也可稱為機(jī)床的加工功能。機(jī)床應(yīng)滿足一定的加工作業(yè)要求，包括加工作業(yè)功能和加工作業(yè)空間。機(jī)床的加工作業(yè)功能要求將決定其運(yùn)動功能，加工作業(yè)空間要求將決定其運(yùn)動行程范圍。機(jī)床的工藝范圍一般包括可加工工件的類型、加工方法、加工表面形狀、材料、工件和加工尺寸范圍、毛坯類型等。機(jī)床的工藝范圍主要取決于其用于哪種生產(chǎn)模式。如使用單機(jī)生產(chǎn)模式，工序集中，要求機(jī)床具有較寬的加工范圍，對加工效率和自動化程度的要求相對低一些。如使用于多品種小批量的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)模式，要求機(jī)床能適應(yīng)多品種工件的加工，具有一定的工藝范圍、較高的加工效率和自動化程度。如使用于大批量生產(chǎn)模式，工序分散，一臺機(jī)床僅需要對一種工件完成一道或幾道工序的加工，工藝范圍窄，但要求加工效率高，自動化程度高。機(jī)床的工藝范圍直接影響到機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)制造成本、加工效率和自動化程度。對于生產(chǎn)率，就機(jī)床本身而言，工藝范圍增加，可能會使加工效率下降。但就工件的制造全過程而言，機(jī)床工藝范圍增加，將會減少工件的裝卸次數(shù)，減少安裝、搬運(yùn)等輔助時間，有可能使總的生產(chǎn)率提高。2、柔性機(jī)床的柔性是指其適應(yīng)加工對象變化的能力。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對機(jī)床及其組成的生產(chǎn)線的柔性要求越來越高。傳統(tǒng)的剛性自動生產(chǎn)線盡管生產(chǎn)效率高，但無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快的要求。機(jī)床的柔性包括空間上的柔性和時間上的柔性。所謂空間柔性，也就是功能柔性，包括機(jī)床的通用性和在同一時期內(nèi)進(jìn)行快速功能重構(gòu)的能力，即機(jī)床能夠適應(yīng)多品種小批量的加工，機(jī)床的運(yùn)動功能和刀具數(shù)目多，工藝范圍廣，一臺機(jī)床具備多臺機(jī)床的功能，因此在空間上布置一臺高柔性機(jī)床，其作用等于布置了幾臺機(jī)床。所謂時間上的柔性，也就是結(jié)構(gòu)柔性，指的是在不同時期，機(jī)床的各部件的重新組合，構(gòu)成新的機(jī)床，即通過機(jī)床重構(gòu)，改變其功能，以適應(yīng)產(chǎn)品更新變化快的要求。3、與物流系統(tǒng)的可接近性可接近性是指機(jī)床與物流系統(tǒng)之間進(jìn)行物料流動的方便程度。對于普通機(jī)床，是湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 8 -由人工進(jìn)行物料流動的，要求機(jī)床的使用、操作、清理和維護(hù)方便和安全。對于自動化制造系統(tǒng)，是采用工件傳送帶、自動換刀系統(tǒng)和自動排屑系統(tǒng)等裝置自動進(jìn)行物料流動的，要求機(jī)床的結(jié)構(gòu)便于物料的流動，可靠性好。4、剛度機(jī)床的剛度是指加工加工過程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相對于工件在影響機(jī)床加工精度方向變形的能力。剛度包括靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。機(jī)床的剛度直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率，因此機(jī)床應(yīng)有足夠的剛度。機(jī)床是工作母機(jī)，其剛度要求比一般機(jī)械裝備要高得多。5、精度要保證能加工出一定精度的工件，作為工作母機(jī)的機(jī)床必須具有更高的精度要求。機(jī)床精度主要指機(jī)床的幾何精度和機(jī)床工作精度。機(jī)床的幾何精度指空載條件下機(jī)床本身的精度，描述機(jī)床獨(dú)立部件相對理想的線或面的形狀特征、位置、旋轉(zhuǎn)、位移的偏差程度。他們對于機(jī)床的工作精度及工具、重要零部件和附件的安裝都是非常重要的。機(jī)床的工作精度指精加工條件下機(jī)床的加工精度。6、噪聲噪聲損壞人的聽覺器官和生理功能，是一種環(huán)境污染。設(shè)計(jì)和制造過程中要設(shè)法降低噪聲。7、生產(chǎn)率機(jī)床的生產(chǎn)率通常是指單位時間內(nèi)機(jī)床所能加工的工件數(shù)量。機(jī)床的切削效率越高，輔助時間越短，則它的生產(chǎn)率越高。對用戶而言，使用高效率的機(jī)床，可以降低工件的加工成本。8、自動化機(jī)床的自動化程度越高，則加工效率越高，加工精度的穩(wěn)定性越好，還可以有效降低工人的勞動強(qiáng)度，便于一個工人看管多臺機(jī)床，大大提高勞動生產(chǎn)率。9、成本成本概念貫穿在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，包括設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用維護(hù)、再利用和報(bào)廢處理等的費(fèi)用，是衡量產(chǎn)品競爭力的重要指標(biāo)，應(yīng)在盡可能保證機(jī)床性能要求的前提下，提高其性能價格比。10、生產(chǎn)周期為了快速響應(yīng)市場需求變化，生產(chǎn)周期是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標(biāo)，應(yīng)盡可能縮短機(jī)床的生產(chǎn)周期。這就要求應(yīng)盡可能采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期；盡可能采用現(xiàn)代制造和管理技術(shù)，縮短制造周期。11、可靠性應(yīng)保證機(jī)床在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的加工功能時，無湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 9 -故障運(yùn)行的概率要高。12、造型與色彩機(jī)床的外觀造型與色彩，要求簡潔明快、美觀大方、宜人性好。應(yīng)根據(jù)機(jī)床功能、結(jié)構(gòu)、工藝及操作控制等特點(diǎn)，按照人機(jī)工程學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。13、機(jī)床設(shè)計(jì)方法隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會需求的變化，機(jī)床的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)也在不斷的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)和分析技術(shù)的飛速進(jìn)步，為機(jī)床設(shè)計(jì)方法的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD )和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）已在機(jī)床設(shè)計(jì)的各個階段得到了應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，使機(jī)床設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、由定性設(shè)計(jì)向定量設(shè)計(jì)、由靜態(tài)和線性分析向動態(tài)和非線性分析、由可行性設(shè)計(jì)向最佳設(shè)計(jì)過渡。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使得機(jī)床的傳動與結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變化。伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)床的單軸運(yùn)動及多軸聯(lián)動，從而可以省去復(fù)雜笨重的機(jī)械傳動系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)和布局產(chǎn)生了很大的變化 [2]。2.2 機(jī)床設(shè)計(jì)步驟一般機(jī)床設(shè)計(jì)的內(nèi)容及大致步驟如下：（1）總體設(shè)計(jì)1、機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)是后續(xù)設(shè)計(jì)的前提和依據(jù)。對于不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，如工廠的規(guī)劃產(chǎn)品，或根據(jù)機(jī)床系列型譜進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品、用戶的訂貨等，盡管具體的設(shè)計(jì)要求不同，但主要的技術(shù)指標(biāo)大致相同，包括：（1）工藝范圍 包括加工件的材料類型、形狀、質(zhì)量和尺寸范圍等。（2）運(yùn)行模式 機(jī)床是單機(jī)運(yùn)行模式，還是用于生產(chǎn)系統(tǒng)。（3）生產(chǎn)率 包括加工件的類型、批量及所要求的生產(chǎn)率。（4）性能指標(biāo) 加工件所要求的精度或機(jī)床的精度、剛度、熱變形、噪聲等性能指標(biāo)。（5）主要參數(shù) 即確定機(jī)床的加工空間和主參數(shù)。（6）驅(qū)動方式 機(jī)床的驅(qū)動方式有電動機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。電動機(jī)驅(qū)動方式中又有普通電動機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與伺服電動機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動方式的確定不僅與機(jī)床的成本有關(guān)，還將直接影響傳動方式的確定。（7）成本及生產(chǎn)周期 無論是訂貨還是工廠規(guī)劃產(chǎn)品，都應(yīng)確定成本及生產(chǎn)周期方面的指標(biāo)。2、總體方案設(shè)計(jì)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 10 -總體方案設(shè)計(jì)包括：（1）運(yùn)動功能設(shè)計(jì) 包括確定機(jī)床所需運(yùn)動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，最后畫出機(jī)床的運(yùn)動原理圖，并進(jìn)行運(yùn)動功能分配。（2）基本參數(shù)設(shè)計(jì) 包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計(jì)。（3）傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。（4）總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 包括總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計(jì)。（5）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。3、總體方案綜合評價與選擇在總體方案設(shè)計(jì)階段，對其各種方案進(jìn)行綜合評價，從中選擇較好的方案。4、總體方案的設(shè)計(jì)修改或優(yōu)化對所選擇的方案進(jìn)行進(jìn)一步修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設(shè)計(jì)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過程中要交叉進(jìn)行。（2）詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)包括：技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)。1、技術(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結(jié)構(gòu)的原理方案，設(shè)計(jì)部件裝配圖，對主要零件進(jìn)行分析計(jì)算和優(yōu)化，設(shè)計(jì)液壓原理圖和相應(yīng)的液壓部件裝配圖，設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)原理圖和相應(yīng)的電氣安裝接線圖，設(shè)計(jì)和完善機(jī)床總裝配圖和總聯(lián)系尺寸圖。2、施工設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)床的全部自制零件圖，編制標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和自制件明細(xì)表，編寫設(shè)計(jì)說明書、使用說明書，制定機(jī)床的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文檔。（3）機(jī)床整機(jī)綜合評價對所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行整機(jī)性能分析和綜合評價?？蓪λO(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，得到所謂的數(shù)字化樣機(jī)，又稱虛擬樣機(jī)。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和性能仿真，在實(shí)際樣機(jī)沒有試造出來之前對其進(jìn)行綜合評價，可以大大減少新產(chǎn)品研制的風(fēng)險，縮短研制的周期，提高研制的質(zhì)量。上述步驟可反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)果滿意為止。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)與評價反復(fù)進(jìn)行，可以提高一次設(shè)計(jì)成功率。（4）定型設(shè)計(jì)在上述步驟（三）完成后，可以進(jìn)行實(shí)物樣機(jī)的制造、實(shí)驗(yàn)及評價。根據(jù)實(shí)物樣機(jī)的評價結(jié)果進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，最終完成產(chǎn)品的定型設(shè)計(jì)。2.3 機(jī)床總體布局按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有 5 種布局形式，主要包括：湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 11 -1、后斜床身-斜滑板 2、直立床身-直立滑板3、平床身-平滑板4、前斜床身-平滑板5、平床身-斜滑板一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運(yùn)動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下的特點(diǎn)： (1) 更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；(2) 機(jī)床外形美觀，占地面積??；(3) 更容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；(4) 容易進(jìn)行排屑以及安裝自動排屑器； (5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； (6) 宜人性好，便于操作； (7) 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)的自動化 [1]。 基于以上的優(yōu)點(diǎn)，在本課題中采用傾斜滑板平床身。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 12 -第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)3.1.1 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：1、主軸要具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)、能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動，以滿足機(jī)床不同的運(yùn)動要求；2、主電動機(jī)要具有足夠的功率，全部的機(jī)構(gòu)和元件要具有足夠的剛度和強(qiáng)度，來滿足機(jī)床動力方面的要求；3、主軸部件要有足夠的精度，抗振性、熱變形以及噪音都要小，傳動效率必須要高，以滿足機(jī)床工作性能方面的要求；4、調(diào)整維修方便，操作靈活可靠，密封潤滑良好，用以滿足機(jī)床的使用要求；5、結(jié)構(gòu)要簡單緊湊，工藝性能要好，成本要低，以滿足經(jīng)濟(jì)方面的要求 [2]。3.1.2 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：1、轉(zhuǎn)速更高、功率更大；2、更大的變速范圍，并實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速；3、主軸變速要快速并且可靠，要有比較高的剛度以及精度、傳動平穩(wěn)，噪聲要低；4、主軸部件的耐磨性要高，要有比較好的熱穩(wěn)定性和抗振性 [2]。3.2 總體設(shè)計(jì)3.2.1 擬定傳動方案數(shù)控機(jī)床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機(jī)作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 13 -機(jī)床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級變速傳動，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性 [2]。由于主軸要求的恒功率變速范圍 遠(yuǎn)大于電動機(jī)的恒功率變速范圍 ，故必須NRn dNR配以分級變速箱。為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級變速級數(shù)應(yīng)該少些，分級變速箱的公比可取大于電動機(jī)的恒功率變速范圍 ，即 。主軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍為f?dNf?dN40r/min~4000r/min;根據(jù)以下計(jì)算：（以下計(jì)算公式均來自于資料 [2]）估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速： = = jn3.0minaxi)(?min/159403.r??）（（3.1）主軸要求的恒功率變速范圍為： =4000/159=25.2 NRn電動機(jī)恒功率變速范圍為： 31504?d為了簡化變速箱結(jié)構(gòu)，取變速箱的變速級數(shù) Z=2,由 dNfNnR1??（3.2）可算出變速箱的公比 =5.1，大于 值許多，在主軸的功率特性圖中將出現(xiàn)較大f?dN的“缺口”，在缺口處的功率僅為：kWPRfdN5.61/3/???電 動 機(jī)實(shí)主傳動系圖如下圖所示：湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 14 -圖 3.1 主軸傳動圖有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素 [4]。電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動時，能簡化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式 [3]。3.2.2 選擇電機(jī)1、選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 0.8～0.9。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 15 -(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護(hù)等等因素 [4]。2、電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等) ，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表 3.1 簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比、分析。感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個 kW 到上百 kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。經(jīng)過對比分析本設(shè)計(jì)中決定采用 FANU 系列交流主軸電機(jī)。 系列是高速、ci?ci?高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊 [4]。3、電動機(jī)容量的選擇選擇電動機(jī)容量就是合理確定電動機(jī)的額定功率。決定電動機(jī)功率時要考慮電動機(jī)的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)（如本課題中的電動機(jī)），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定：表 3.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 16 -（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計(jì)算方法均出自資料[5])確定主軸材料為 45 號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為 44HRC，單位切削力為 250 公斤/m 2。切削用量范圍： rmfaivp/8.0~142/95?進(jìn) 給 量 ：背 吃 刀 量 ：切 削 速 度 ：背吃刀量取 ，進(jìn)給量取 ；p4a?5根據(jù)主切削力的指數(shù)公式： )(16084.NfafCFpyFcxpc（3.3）可得： =3664.7（N） 84.01c5??故切削功率：)(80.51697.34min/)(33c KWPvFc ?????切 削 速 度 ?。?.4） （2）確定電機(jī)輸出動率 d項(xiàng)目 內(nèi)容高性能低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩高旋轉(zhuǎn)精度高動態(tài)響應(yīng)高加減速，起制動能力具有強(qiáng)魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化高效率，低噪聲低價格 低購買價格，低維護(hù)價格,低服務(wù)價格通用要求 耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 17 -?cdP?（3.5） 傳動裝置的總效率 231其中， ―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[6]，附表 1-1 查得 ＝0.97；1? 1?―Ⅱ軸滾動軸承效率，由資料[6]，附表 1-1 查得 =0.99；2 2―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[6]，附表 1-1 查得 =0.99；3 3由此， 。90490.97.0?????故： ）（ KWPd26.85（3）選擇電動機(jī)額定功率 edP如前所述，電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，，所以電動機(jī)額定功率選取為 11 。Kw（4）電動機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇小功率電動機(jī)一般選為 380V 電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為 380V[4]。 同一類型、功率相同的電動機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為 40r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機(jī)恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I 軸上齒輪傳動比確定為 ，II 軸上兩對直齒輪的傳動比分別為1/2?i， 。16/92?i5/3i（5）確定電機(jī)的型號由前面信息，可選取 FANUC 交流電機(jī)，型號為 。這種電機(jī)轉(zhuǎn)動非常12/60ci?平穩(wěn)，采用 160,000,000/rev 的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速、高加速控制，作為 α 系列的后續(xù)產(chǎn)品，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機(jī)參數(shù)如下表所示：表 3.2 電機(jī)參數(shù)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 18 -機(jī)座長為 ，電機(jī)軸徑為 35mm，軸伸為 ，中心高 ，其余安裝465m10m132m尺寸及其外形由資料[4]得 [4]。3.2.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩1、各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）首先估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式：= =159 r/min； ?3nj 3.0minaxi)(?（3.6） 然后通過傳動比計(jì)算傳動軸和電機(jī)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，in/8.3495/132 rin???mi/350r?6.2.11 n7上式中 、 、 的意義如前所述。i3i2、各軸輸入功率= ＝11KwIPed＝ I21?I Kw5.109.07.???＝ = I32I Kw0.19.7??上式中， 、 、 的意義如前所述。1233、各軸輸入轉(zhuǎn)矩： (N/m) nPT/950??（3.7）1 ).(16.6/mN?2T28349509??3 )/(./.將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表 3.3，供以后計(jì)算選擇，供以后計(jì)算使用：型號 額定功率 連續(xù) 30min 功率 額定轉(zhuǎn)速 最高轉(zhuǎn)速 重量 振動 冷卻12/60ci?Kw15/inr4/ir95KgV56W湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 19 -表 3.3 各軸的傳動參數(shù)軸 參數(shù)I 軸（電機(jī)軸） II 軸（中間傳動軸） III 軸（主軸）計(jì)算轉(zhuǎn)速（ ）min/r700 350 159輸入功率（Kw） 11 10.5 10.0轉(zhuǎn)矩（ ）N? 150.16 286.66 600.63傳動比 1/2?i ，16/92?i5/3i3.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉(zhuǎn)矩變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的主運(yùn)動轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖,見圖 3.2。圖 3.2 轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖由轉(zhuǎn)速圖 3.2 可知，電動機(jī)經(jīng) 1:2 定比傳動降速后，如果經(jīng) 16：9 傳動比傳動主軸，則當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速從 4500r/min 降至 1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速從 4000r/min 降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時變速箱變速，經(jīng) 5:11 傳動比傳動主軸，電動機(jī)又恢復(fù)從 4500r/min 降至 1500r/min，主軸則從 1333r/min 降至 341r/min。故主軸從 4000r/min降至 341r/min 為恒功率調(diào)速。主軸從 341r/min 降至 40r/min，電動機(jī)從 1500r/min 降至176r/min 為電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。（額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率；額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩；本方案電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min。）湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 20 -初定數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖,如圖 3.3。圖 3.3 傳動系統(tǒng)圖 3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[7]）I 軸上的零件主要是齒輪 1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù).根據(jù)選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類，一般齒輪傳動，故選用 8 級精度。（2）材料選擇。由表 10-1 選擇小齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì)熱處理),硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼(調(diào)質(zhì))硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。（3）選小齒輪齒數(shù) ，大齒輪齒數(shù) 。 30z1?6032??z2、軸的選材和最小直徑 的確定mind軸的材料選擇為：45 號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 21 -軸的最小尺寸，由式（15－2）， 3min0PdA?（3.8）式中， 由表 15－3，可取得 120，故 0Amd06.371203min???取 ＝35mm。由于 取值較計(jì)算值大一些，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件mindin計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。 3、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a) 進(jìn)行試算，即21312.()[]tEtdHKTZud?????（3.9） 1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù) 3.1?tK（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由上文可知 mNT.1650?（3）由表 10-7 選取齒寬系數(shù) （小齒輪做懸臂布置）.0d?（4）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 2/18.9MPaZE（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;601limMPaH??齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；PaH502lim??（6）由式 10-13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（假定工作壽命 15 年（每年工作 300 天），兩班制）（j=1）則：99129h1 105.2/0.3/ 102.38760?????iNjLn）（（3.10）（7）由圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) ； ；2.1HNK95.02?HN（8）傳動比 u=2；湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 22 -（9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（10-12）得?? MPaSKlinHN 5.2509.a62.][221lim1 ????（3.11） 2）計(jì)算（1）小齒輪分度圓直徑 ，代入[ ]中較小的值1tdH?21312.()[]tEtdHKTZud????= mm 78.95.21835.0.3 ???）（（2）計(jì)算圓周速度 vm/s62.31067.4.3106??ndt?（3.12） （3）計(jì)算齒寬 b39.478.51????td?（3.13） （4）計(jì)算齒寬與齒高之比 /bh模數(shù) mzdmtt 293.078.1?齒高 409.7.52.ht??67409.3b（5）計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) ，8 級精度，由圖 10-8 查得動載系數(shù) ；smv/62.3? 16.?vK直齒輪，由表 10-3 查得 1；??HKF湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 23 -由表 10-2 查得使用系數(shù) ；1.25AK?由表 10-4 用插值法查得 8 級精度，小齒輪懸臂支承時， 1.305；??HK由 ； ，查圖 10-13 得 1.255；故載荷系數(shù)67./?hb30.?H?F?K??HVA 892.1305.16.25?（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得= 31/ttKdm78.93?（3.14） （7）計(jì)算模數(shù) m112.0/30mm=3.73mm ?1/zd4、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5 ）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為132()[]FaSdYKTmz???（3.15）1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）由圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 500MPa；大齒輪的彎曲疲?1FE?勞強(qiáng)度極限 380MPa；?2FE?（2）由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 0.87；10.82FNK2FN（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式（10-12）得???1F?SKFEN1 a86.29a4.5082MP??（3.16） SFENF22 aa14.2364.1807（4）計(jì)算載荷系數(shù) K湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 24 -?K???FVA 820.15.16.25??（3.17） （5）查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 ； 。52.Y1F?a8.Fa（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表 10-5 查得 ； 1.73。6.1Sa?2SaY（7）計(jì)算大小齒輪的 并加以比較[]F?01398.86.295][Y1??FSa7.4.3][2FSa?（3.18）大齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算=132()[]FaSdYKTmz??? m73.2016.35.018235???對比計(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m的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù) 2.73mm，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2.75mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 112.0mm，算出小齒輪齒數(shù)?1d4175.2/01?z齒輪齒數(shù) 82??zi這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。5、幾何尺寸計(jì)算湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 25 -1）計(jì)算分度圓直徑 mmzd75.12.41???（3.19） z8222）計(jì)算中心距 da 125.69/)5.7.1(/)(1 ????（3.20）3）計(jì)算齒輪寬度 mbd 732.01 ???（3.21）取 ， 。mB572?616、平鍵尺寸的確定： ；L=50mm 810?hb3.3.2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）1、軸的支承形式該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖 3.4 所示：圖 3.4 中間軸的支承形式2、軸上零件的軸向定位II 軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應(yīng)的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。3、軸的選材和最小直徑 得確定mind軸的材料選擇為：45 號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。軸的最小尺寸，由式（15－2），湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 26 -3min0PdA?（3.22）式中， 由表 15－3，可取得 120，故 0Amd29.3750.123min???取 ＝40mm 。由于 取值較計(jì)算值大一些，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件mindin計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。軸的零件圖如圖 3.5。圖 3.5 中間軸零件圖4、齒輪的設(shè)計(jì)齒輪 1（小齒輪）和 2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪 1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對齒輪的設(shè)計(jì)。1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù)(1)本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高，精度等級選擇 8 級精度；(2)由表 10－ 1，小齒輪材料選擇為 40Cr，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為 280HBS；大齒輪材料選擇為 45 鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為 240HBS,硬度差為 40HBS。(3)小齒輪齒數(shù)初選為 ＝20， ＝ ＝1z21z3i45/0??2）按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)按式（10－9 ）試算，a21312.()[]tEtdHKTZud?????（3.23）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：(1)初選載荷系數(shù) Kt＝1.6；(2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為 286.66N.m；?2T(3)由表 10－7 及其說明，可選定齒寬系數(shù) ＝0.6； d?湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 27 -(4)由表 10－6，查得材料的彈性影響系數(shù) ＝189.8 ；EZ1/2aMP(5)由圖 10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 ＝600MPa；大lim1H?齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 ＝550MPa；lim2H?(6)兩齒輪的設(shè)計(jì)壽命為 72000h，由式 10－13，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)993129h 106.2/05./ 105.3860??????iNjLn）（（3.24）(7)由圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) ； ；.1HNK96.02HN(8)傳動比 u=2.2；（9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（10-12）得?? MPaSKlinHN528096.461.][22lim1????（3.25） 3）計(jì)算（1）小齒輪分度圓直徑 ，代入[ ]中較小的值1tdH?= mm21312.()[]tEtdHKTZud???? 6.1258.92.36.018723. 5???）（（2）計(jì)算圓周速度 vm/s3.10.4.12??ndvt?（3.26） （3）計(jì)算齒寬 b96.72.6.01???td?（4）計(jì)算齒寬與齒高之比 /h模數(shù) m08.2.1zmtt湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 28 -齒高 m68.130.625m.ht ???368.1972?b(5)計(jì)算載荷系數(shù) K由圖 10－8，查得動載系數(shù) ；0.V直齒輪，由表 10-3 查得 1；??HF由表 10-2 查得使用系數(shù) ；.25AK由表 10-4 用插值法查得 8 級精度，小齒輪非對稱布置時， 1.254；??HK由 ； ，查圖 10-13 得 1.19；故載荷系數(shù)3.5/?hb4.1?H??F?K??HVA 724.15.10.25?（3.27） （6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得= 31/ttd?24.6m1·.76.213??（3.28） （7）計(jì)算模數(shù) mm m.0/.4/1z3）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計(jì)公式為132()[]FaSdYKTz???（3.29） 以下確定式中各參數(shù)的值：（1）由圖 10－20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ＝520MPa ；大齒輪的 彎1FE?曲疲勞強(qiáng)度極限 ＝42 0MPa；FE?（2）由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 0.88， 0.92；?1FNK?2FN（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式（10-12）得