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普通車床的數(shù)控化改造設計說明書 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 課題來源及研究目的和意義 1 1.2 普通車床數(shù)控化的現(xiàn)狀及趨勢 1 1.3 普通車床的數(shù)控化改造方案分析 5 1.3.1 機械結構分析 5 1.3.2 機械結構總體方案和布局 6 第2章 機械結構的設計 10 2.1滾珠絲杠的設計…………………………………………………………………13 2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定……………………….14 2.3滾珠絲杠的預緊…………………………………………………………………15 第3章 車床進給機構的設計計算…………………………………………...15 3.1 同步帶輪選擇.......................................................................................................16 3.2 步進電機選取與計算...........................................................................................17 3.2.1橫向進給機構中步進電機的選用計算.......................................................18 3.2.2 縱向金給機構中步進電機的選用計算......................................................19 3.3傳動齒輪的選擇計算與校核................................................................................20 3.3.1齒輪的選擇.....................................................................................................21 3.3.2按齒面接觸強度設計.....................................................................................22 3.3.3齒輪的校核.....................................................................................................23 3.4直線導軌的選擇....................................................................................................24 3.4.1直線導軌的確定.............................................................................................24 第4章 車床進給系統(tǒng)各部件的選取及校核……………………………....24 4.1 聯(lián)軸器的選取…………………………………………………………………...25 4.2滾珠絲杠選取與校核……………………………………………………………26 4.3滾動軸承的選取與計算……………………………………………………........24 結 論 35 參 考 文 獻 36 致 謝 37 第1章 緒 論 1.1 概述 數(shù)控機床——是數(shù)字控制機床（Computernumericalcontrolmachine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。數(shù)控機床主要組成有：程序編制及程序載體、輸入裝置、數(shù)控裝置、驅動裝置和位置檢測裝置、輔助控制裝置、機床本體數(shù)控機床需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，自動完成對主軸轉速、進給速度、 刀具運動軌跡以及其他機床輔助功能（如自動換刀、自動冷卻等）的控制。它必須利用伺服進給系統(tǒng)代替普通機床的進給系統(tǒng)，并可以通過主軸調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)軸自動變速。因此，在機械結構上，數(shù)控機床主軸箱和進給變速箱的結果一般都非常簡單；齒輪、軸類零件、軸承的數(shù)量大為減少；電動機可以直接連接主軸和滾珠絲杠，不用齒輪。在使用直線電動機、電主軸的場合，甚至可以不用絲杠、主軸箱。在操作上，它不像普通機床那樣，需要操作者通過手柄進行調(diào)整和變速，操作機構比普通機床要簡單的多，多機床甚至沒有手動機械操作機構。此外， 由于數(shù)控機床的大部分輔助動作都可以通過數(shù)控系統(tǒng)的輔助功能（M功能）進行控制，因此常用的操作按鈕也比普通機床少，操作更方便、更簡單。 1.2 普通車床數(shù)控化的現(xiàn)狀及趨勢 從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控車床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控車床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控車床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。進入21世紀，我國經(jīng)濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控車床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控車床的大量需求以及計算機技術和現(xiàn)代設計技術的飛速進步，數(shù)控車床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產(chǎn)加工的需要。為了應對國際金融危機，企業(yè)紛紛調(diào)整數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)政策，競相發(fā)展高檔數(shù)控機床，以促進工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。而目前我國處于裝備更新?lián)Q代的高峰期和工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的關鍵期，對數(shù)控機床尤其是高檔數(shù)控機床的需求，仍將維持30%以上的高增長水平，預計這一增長速度仍將維持35年。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。國內(nèi)數(shù)控機床的需求日益增長，數(shù)控機床的發(fā)展推動了數(shù)控機床功能部件的創(chuàng)新升級。目前我國高檔數(shù)控機床關鍵功能部件工業(yè)還不能滿足國內(nèi)需要，國內(nèi)數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)主要存在以下問題：適應性和滿足度遠達不到市場需求；我國數(shù)控功能部件生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模小；核心零部量依靠進口；缺乏高技術含量威脅產(chǎn)業(yè)安全，機床行業(yè)高端化發(fā)展四步曲。 　　業(yè)內(nèi)人士表示，我國機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要以市場需求為導向，以發(fā)展數(shù)控機床為主導、主機為龍頭、完善配套為基礎，力爭早日實現(xiàn)數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉變。更有專家為機床行業(yè)高端化發(fā)展提出了四方面觀點，為機床行業(yè)高端發(fā)展進程盡微薄之力。 　　一是積極落實“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技專項，創(chuàng)造國內(nèi)自主創(chuàng)新技術的大環(huán)境，以市場為導向，企業(yè)為主題，以科研院校為根基，全方位帶動我國高新技術的創(chuàng)新。 二是開拓新的數(shù)控機床市場或升級現(xiàn)有的數(shù)控機床市場，帶動普通機床及半自動機床的升級改造和淘汰更新。極力拉動國內(nèi)數(shù)控機床的內(nèi)需，帶動高端機床產(chǎn)業(yè)的快速升級。 三是緊抓技術改造，促進中高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化整體升級。充分利用國家技術改造貼息等優(yōu)惠政策，圍繞重點，加強管理，提高資金投入產(chǎn)出比，打好根基，為技術創(chuàng)新提供長足發(fā)展。 四是強化企業(yè)管理，節(jié)省成本提提高高效。數(shù)控機床企業(yè)要從內(nèi)部管理的強化切入，開展結本高效的行動，維持資金流合理運轉，人力資源的合理分配，避免勞民傷財，確保企業(yè)正常的運營。高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備專項將實現(xiàn)自主創(chuàng)新能力顯著提高，掌握一大批具有自主知識產(chǎn)權的核心技術，總體技術水平進入國際先進行列；屆時，主機、數(shù)控系統(tǒng)、功能部件“中檔規(guī)?；⒏邫n產(chǎn)業(yè)化”將得以實現(xiàn)，我國將研制出一批具備國際先進水平的關鍵裝備；進口量大的高速、精密立臥式加工中心、數(shù)控車床等產(chǎn)品市場占有率將有明顯提升。 　　近年來，中國通過引進技術、消化吸收和自主開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)，為數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術基礎。希望未來機床行業(yè)可以帶來更多最新設備和前沿技術，以滿足制造業(yè)對高效加工日益增長的需求。 1.3 普通車床的數(shù)控化改造方案分析 1.3.1機械結構分析 本課題是設計一種普通車床的數(shù)控化改造設備，此設備的工作臺可以在X,Y軸兩個方向自由移動，由電動機控制，人們只需啟動和關閉開關，即可實現(xiàn)車床在任意位置的停止，可以實現(xiàn)將工件移動到指定的位置，為加工提供方便。 由于為了普通車床數(shù)控化后可以實現(xiàn)多種方案，本課題采用車床的橫向進給機構采用步進電機驅動滾珠絲桿的方式來帶動工作臺的平移，現(xiàn)提供以下設計方案： 步進電機 工作臺 滾滾絲桿 聯(lián)軸器 圖1 步進電機驅動滾珠絲桿實現(xiàn)進給機構方案 此種方案為傳統(tǒng)的的進給機構設計方案，此種方案步進電機與滾珠絲桿通過聯(lián)軸器固結，絲桿螺母裝在滾珠絲桿上面，保持滾珠絲桿與工作臺通過螺紋連接，，這種方法由于滾珠絲桿動，從而帶動絲桿螺母轉動，從而實現(xiàn)工作臺的平移，可以做X、Y方向的移動，從而實現(xiàn)車床工作臺的快速進給。此種方案結構簡潔，造價低廉，定位精準，可靠，符合此次設計的要求，因此此種方案雖然是傳統(tǒng)的設計方法，但切合實際，我們優(yōu)先考慮。 1.3.2 機械結構總體方案和布局 確定好設計方案后我們對整體方案進行大體設計布局，整個傳動裝置由電動機帶動，由于需要在任意位置能停止，本次設計的電動機我們采用步進電動機，由于步進電動機輸出轉速很快，需要分配傳動減速比，需要加減速器進行減速，經(jīng)過減速器出來后，通過聯(lián)軸器或者連接套，使步進電機輸出軸與滾珠絲桿相鏈接，而滾珠絲桿與滾珠螺母配合，滾珠螺母是與車床的橫向，縱向移動工作臺通過螺紋連接的，這樣，當步進電機轉動后，就帶動滾筒絲桿轉動，而滾珠絲桿的轉動又帶動與滾珠螺母固接的工作移動，從而實現(xiàn)了工件在車床上面任意位置的變化，從而實現(xiàn)了普通車床無法實現(xiàn)的功能，直接通過按鈕代替繁雜的人力就能夠解決問題，實現(xiàn)工件的快速進給。具體結構圖如下： 橫向進給機構結構圖 縱向進給機構結構圖 第2章 機械結構的設計 2.1滾珠絲杠的設計 （1）傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2～4倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉為旋轉運動（運動可逆）。 （2）運動平穩(wěn)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 （3）高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。 （4）高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 一般來說滾珠絲杠在工作中應該預緊以提高絲杠的剛度，從而提高傳動精度，但在本機械系統(tǒng)中由于絲杠所承受的彎矩很小，所以我覺得沒必要進行預緊，所以安裝方式是一端固定一端游動的形式。X軸向的工作臺與其上面所安裝的機械結構重力約10N，焊槍在焊接時由于電流作用與工件之間的相互吸引力約2N。 2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定 查《機械傳動設計手冊》，根據(jù)滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數(shù)和特點的比較選擇如下： （1）確定選擇螺紋滾道法面截形為單圓弧，參數(shù)公式見表8.2-11，接觸角為=45。其特點是：磨削滾道的砂輪成形簡便，可得到較高的加工精度。有較高的接觸強度，但比值/小，運行時摩擦損失增大。接觸角α隨初始間隙和軸向載荷的大小變化，為保證α=，必須嚴格控制徑向間隙。圖示如圖2 圖2 單圓弧法面截形 （2）單圓弧法面截形要求消除間隙和調(diào)整預緊必須采用雙螺母結構。 （3）根據(jù)機床的特點，選用內(nèi)循環(huán)浮動式反向器，其特點是徑向尺寸小，循環(huán)通道短，摩擦損失小，傳動效率高。 2.3 滾珠絲杠的預緊 滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有要求，以保證其反向傳動的精度。我們通常采用雙螺母結構預緊方式（圖3） 圖3 雙螺母結構預緊示意圖 雙螺母預緊的結構通常有三種： 1.墊片調(diào)隙式(圖4) 圖4 墊片調(diào)隙式 調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。為便于調(diào)整，墊片常制成剖分式。 特點：結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊。適用于高剛度重載傳動。 2.螺紋調(diào)隙式(圖5) 圖5 螺紋調(diào)隙式 調(diào)整方式：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。 特點：結構緊湊，工作可靠，調(diào)整方便；但準確性差，且易于松動。用于剛度要求不高或需隨時調(diào)節(jié)預緊力的傳動。 3.齒差調(diào)隙式(圖6) 圖6 齒差調(diào)隙式 調(diào)整方式：螺母1、2的凸緣上有外齒，分別與緊固在螺母座兩端的內(nèi)齒圈3、4嚙合，其齒數(shù)風別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個螺母向相同方向同時轉動，每轉過一個齒，調(diào)整軸向位移量為：(Ph—導程)。 特點：能夠精確地調(diào)整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調(diào)整比較復雜，宜用于高精度的傳動機構。 本設計中將采用的是雙螺母內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)整式滾動螺旋副來消除間隙。 墊片調(diào)整式有結構比較簡單，裝卸方便，剛度高的特點。 第3章 車床進給機構的設計計算 3.1 同步帶輪選擇 橫向進給機構同步輪傳動中同步輪的選取： (1)傳動名義功率P_=0.5kW (2)主動輪轉速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=100mm左右 (4)工作情況，24小時運轉． 求設計功率P=K0 Pm=0.42= 0.8Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設計功率0.8Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為L型，對應節(jié)距P =9.525mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=14，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．28614=60取標準帶輪齒敦==60 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =150.54 選擇最接近計算值的標準 節(jié)線長(見表4)L=160.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=160.20/9.525=17 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式 得出a=102.45與精確計算結果相似。 最后測量裝置同步帶選用L型同步帶P= 9.525mm ZB=17， L,= 150．20ram b．= 25.4mm 同步帶輪： Z1=14，Z2=60，dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm 縱向進給機構同步輪傳動中同步輪的選取： 1)傳動名義功率P_=0.25kW (2)主動輪轉速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=55mm左右 (4)工作情況， 24小時運轉． 求設計功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設計功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為XL型，對應節(jié)距P =5.08mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=12，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．28612=51取標準帶輪齒敦==50 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=19.414mm d2= Pb Z2/π=80.9mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =54.54 選擇最接近計算值的標準 節(jié)線長(見表4)L=55.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式得出a=102.45與精確計算結果相似。 最后測量裝置同步帶選用XL型同步帶P= 5.08mm ZB=11， L,= 55．20ram b．= 9.5mm 同步帶輪： Z1=11，Z2=50，dI==Pb Z1/π=19.4146mm d2= Pb Z2/π=80.9mm 3.2 步進電機選取與計算 3.2.1橫向進給機構中步進電機的選用計算 1、各參數(shù)設定 滑塊工作重量臺w=60N 工作臺上最大承受重量為200N 滑塊與導軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=320毫米 定位精度0.001毫米 2、確定步進電動機的型號 （1）脈沖當量的選擇，脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.20 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.60 其每轉的脈沖數(shù)S==600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負載轉矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉矩 得= =0.014N.M 2、測量儀工作時的轉矩 得=0.467N.M 得電動機的最大靜轉矩為（0.3～0.5）TL=（0.1152～0.192）N.M （3）等效轉動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉動慣量 Js= Js=5.146x10-6 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=3.419x10-7 kgm2 換算到電動機軸上的總轉動慣量 JL= 得JL=0.00035 kgm2 （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1152～0.192）N.M和電動機總轉動慣量=0.00035初步選定電動型號為85BYG3H358B反應式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=6.0N.M 查表選用兩個85BYG3H358B型步進電機。 電機的有關參數(shù)見下表2.1： 表2.1 測量裝置步進電機參數(shù) 型號 主要技術數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 85BYG3H358B 0.6-1.2 6.0 500 3 60 5.8 85 97 12 35 1、各參數(shù)設定 滑塊工作重量臺w=90N 工作臺上最大承受重量為400N 滑塊與導軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=1000毫米 定位精度0.001毫米 確定步進電動機的型號 （1）脈沖當量的選擇，脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.2 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.60其每轉的脈沖數(shù)S==4600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負載轉矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉矩 得= =0.025N.M 2、測量儀工作時的轉矩 得=0.56N.M 得電動機的最大靜轉矩為（0.5～0.7）TL=（0.1352～0.232）N.M （3）等效轉動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉動慣量 Js= Js=1.6x10-5 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=5.7x10-7 kgm2換算到電動機軸上的總轉動慣量: JL= 得JL=0.00035 kgm2； （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1352～0.232）N.M和電動機總轉動慣量=0.00035初步選定電動型號為110BYG3H525反應式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=8.0N.M ; 表2.2 步進電機參數(shù) 型號 主要技術數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6-1.2 8.0 500 3 60 2.5 110 126 16 50 3.2.2橫向進給機構中步進電機的選用計算 1、設計參數(shù) 滑塊工作重量臺w=40N 工作臺上最大承受重量為200N 滑塊與導軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=1000毫米 定位精度0.001毫米，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，確定步進電動機的型號為： +me2 Jg=4.99X10-2 kgm2; 傳動齒輪1的慣量為J=1/8md2+me2=0.05 kgm2; 傳動齒輪2的慣量為J=1/8md2+me2=0. 55 kgm2; 總的轉動慣量為0.049+0.05+0.55=0.649 kgm2; 可得電機的轉動慣量為0.649，初步選定電動型號為110BYG3H525反應式步進電動機。 查表選用110BYG3H525型步進電機。 表2.3 電機參數(shù) 型號 主要技術數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 N 步距角 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6/1.2 12 480 3 60 3.5 110 150 20 70 3.3傳動齒輪選擇計算與校核 3.3.1齒輪的選擇 1）選擇小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），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。 2） 精度等級選用7級精度； 3）小齒輪齒數(shù)z1＝41，大齒輪齒數(shù)z2＝74的； 4） 齒輪模數(shù)都為3的直齒輪 3.3.2按齒面接觸強度設計 因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進行計算 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1） 試選Kt＝1.6 （2）選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433 （3）選取尺寬系數(shù)φd＝1 （4）查得εα1＝0.75，εα2＝0.87，則εα＝εα1＋εα2＝1.62 （5）查得材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa （6）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1＝600MPa；大齒輪的解除疲勞強度極限σHlim2＝550MPa； （7）計算應力循環(huán)次數(shù) N1＝60n1jLh＝601921（283005）＝3.3210e8 N2＝N1/5＝6.64107 （8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝0.95； KHN2＝0.98 （9） 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由得 [σH]1＝＝0.95600MPa＝570MPa [σH]2＝＝0.98550MPa＝539MPa [σH]＝[σH]1＋[σH]2/2＝554.5MPa 3.3.3齒輪的校核 根據(jù)以上所得：m=3,Z1=41,Z2=74, 兩齒輪材料均選用45,表面淬火，48~55HRC。 查得： 預期齒輪壽命5年，每天工作12小時，工作載荷為輕微沖擊，則 查《機械設計基礎》圖，得： (1) 驗算齒面接觸疲勞強度 (2) 載荷系數(shù)，取K=1.5 查得： 接觸應力為： (2)驗算齒根彎曲疲勞強度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應力： 彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取 則： 由上述計算可知，均滿足要求。 3.4直線導軌的選擇 3.4.1直線導軌的確定 導軌主要根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，導軌分為： （1）滑動導軌 兩導軌之間為滑動摩擦。結構簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機床上最廣泛采用的。 特點：導向精度高，不會出現(xiàn)間隙，能自動補償磨損。一般選取三角形頂角γ=90,重型機械采用大頂角γ=110～120。當水平力大于垂直力，V形導軌兩側受力不均勻時，采用不對稱V形導軌。直線導軌和圓導軌均可采用 　　承載能力大，制造方便。必須留有側向間隙。不能補償磨損。用鑲條調(diào)整時，會降低導向精度。 需注意導軌的保護。直線導軌和圓導軌均可采用 尺寸緊湊，適用于要求高度小﹑導軌層數(shù)多的場合?？蓸嫵砷]式導軌。用一根鑲條可以調(diào)整各面的間隙。剛度比平面導軌小。制造簡單，彎曲剛度小，主要用于受軸向載荷的導軌。適用于同時作直線和旋轉運動的場合。 （2）滾動導軌 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當導軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再 進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。 特點： 滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉颍够瑝K與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得： 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 驅動功率大幅度下降，只相當于普通機械的十分之一。與V型十字交叉滾子導軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。 適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍。能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，從而降低基礎件（導軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎件的機械制造成本與難度。導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結構的設計和制造。 查《機械設計手冊3》第二版選取直線滾動導軌副系列，又根據(jù)機床設計要求的特點，本設計初步選擇: (1)直線滾動導軌副選取四方向等載荷型（GGB型），其特點是：垂直向上向下和左右水平額定載荷是等同的，額定載荷比較大，剛度高。 (2)尺寸規(guī)格初選45，其結構形式選擇AA 型。 (3)每根導軌上的滑塊數(shù)為2。 (6)查出全自動軸承磨床推薦的精度等級為3。 (7)導軌的材料為HT200. 初步確定直線滾動導軌的型號為GGB45AA1C123 選擇用南京工藝設備制造廠的滾動直線導軌如圖1 第4章 車床進給系統(tǒng)各部件的選取及校核 4.1 聯(lián)軸器的選取 由以上條件可知，系統(tǒng)的工況在一定的條件，有以下公式： mm 輸入軸的最小直徑為安裝聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器的計算轉矩，查《機械設計（第八版）》表14-1，由于轉矩變化很小，故取，則: =1.3X49.24=64012N.Mm 查《機械設計課程設計》表14-4，選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器其工稱轉矩為1250N.m，而電動機軸的直徑為19mm所以聯(lián)軸器的孔徑不能太小。取=19mm，半聯(lián)軸器長度L=82mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為60mm。 軸向滾動絲杠副絲杠軸，選HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯(lián)軸器的孔徑19mm，半聯(lián)軸器長度42mm。 徑向滾動絲杠副絲杠軸選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯(lián)軸器的孔徑19mm，半聯(lián)軸器長度42mm。 4.2滾珠絲桿的選取與校核 （1） 初始條件 本設計的橫向進給長度大于縱向進給結構，只校核軸向進給結構用的絲杠如下： 由本設計要求可知，估算工作臺的重量和安裝在工作臺上面的電磁夾具給絲杠的平均工作載荷Fm=4000N，最大軸向行程420 mm，取用絲杠的工作長度為672mm，有效滾道長度是500mm。 兩支承間最大距離為：575mm平均轉速100r/m使用壽命Lh=15000h,Ra為58-62HRC,要求傳動精度0.03mm，螺桿材料為：50Mn， 高、中頻加熱,表面淬火。螺母材料為：CrWMn ，整體淬火、低溫回火。返向器材料為：40Cr，離子滲氮處理螺紋滾道法面截形為半圓弧，螺母采用雙螺母墊片式預緊方式。 （2） 計算載荷 （公式摘自《機械零件設計手冊》第二版中冊滾動螺旋傳動設計計算部分，下同） = （式1） 式中為載荷系數(shù)，K為硬度系數(shù)，為短行程系數(shù)。參考《機械零件設計手冊》表18-18，表18-19，表18-20取=1.2，K=1，=1 （3） 計算額定動載荷 計算額定動載荷公式 （式2） 其中n為平均轉速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計算得C=21496.42N （4）根據(jù)必須的額定動載荷C選擇螺旋尺寸 根據(jù)內(nèi)循環(huán)滾動螺旋副結構，查表8.2-18《機械傳動設計手冊》，使選擇規(guī)格的螺旋副C接近 C 或者稍大于C，如下表1， 表1 螺旋尺寸表 結合公稱直徑和公稱導程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數(shù)如下： 查特征代號確定型號為 FD406-3-3/全長螺紋長度，其尺寸參數(shù)如下： 額定動載荷 公稱直徑 公稱導程 鋼球直徑 mm 圈數(shù)列數(shù)=13, 螺紋升角 = 基本額定靜載荷 =70650N 滾道半徑R = 0.52 =2.064mm 偏心距e = 0.707x（R-/2）=0.0562mm 絲杠螺紋內(nèi)徑d==35.984mm （5）穩(wěn)定性驗算 因為絲杠采用一端固定一端鉸支的安裝方式，查表18-7《機械零件設計手冊》長度系數(shù)， 參照《機電一體化系統(tǒng)設計基礎》表2-10取安全系數(shù)[S]=3，因為螺桿較長，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷成為臨界載荷F（N）按下式計算： F= （式3） 式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GP；l為絲杠工作長度（m），l=672mm；為絲杠危險截面軸慣性矩（m）; == （式4） =8.14910m 又 可得： 安全系數(shù)S= F/= （式5） 絲杠安全,不會失穩(wěn). （6） 剛度驗算 按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向是一致的。 滾珠絲杠在工作載荷F(N)和轉矩T(Nm)共同作用下引起每個導程變形量 (m)為 = （式6） 式中,A為絲杠截面積,A=1/4;為絲杠的極慣性矩,=/32(m);G為絲杠的切變模量,對鋼G=83.3GP;T（Nm）為轉矩。 又T=F （式7） 式中，為摩擦角，其正切值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷；可以查出螺旋副運動由旋轉運動轉化為直線運動時取參數(shù)摩擦系數(shù)tan=0.0025，又=，所以樣有下式： T=F 按最不利的情況計算，F(xiàn)=F有 則每米螺紋距離上彈性變形量為 （式8） 而每米螺紋距離上彈性變形量的許用值見《機械零件設計手冊》第二版中冊表18-17. 通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即 =3.02μm/m<1/2()=1/2 10μm/m 所以絲杠的剛度是完全滿足要求的。 （7） 效率驗算 合格 （式9） 綜上所校核，該絲杠是符合要求的。 同理，徑向傳動的滾珠絲杠也好似符合要求的。 4.3滾動軸承的選取與計算 根據(jù)以上工況，如圖所示： 根據(jù)如圖選取深溝球軸承6006 求當量載荷P。 FA=309.6N 查表12-5得，6306軸承的Cr=27kN，C0r=15.2kN；輕微沖擊，取fP=1.1 因，查表可得，e=0.21. 因，故P1=fp=1834.8N P2=fp=2305.8N 3.2計算軸承壽命Lh 已知球軸承ε=3，因工作溫度小于120℃，取ft=1。 滿足壽命要求。 另一端受力如圖所示，根據(jù)圖所選取深溝球軸承6206。 3.3求當量載荷P。 查表12-5可得，6210軸承的C0r=19.8kN，Cr=27kN；輕微沖擊，取fP=1.2 P1=fp=2135.2N P2=fp=1277.7N (2)計算軸承壽命Lh。 已知球軸承ε=3，因工作溫度小于120℃，取ft=1。 （3）因轉速較低，此處還需進行靜強度計算 查表得X0=0.6，Y0=0.5，S0=1.2 P01= [0.6，]max＝=1779.3N C0r/P01=11.13＞S0=1.2 滿足壽命要求。 軸向滾珠絲杠副絲杠軸的滾動軸承電機傳動部分，初步選擇的滾動軸承為0基本游隙組，標準精度級的推力球軸承51206。 軸向力 ， ，Y=1.9，X=0.4 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 則 則 則 則 則 則 故合格。 徑向滾珠絲杠副絲杠軸的滾動軸承電機傳動部分，初步選擇的滾動軸承為0基本游隙組，標準精度級的推力球軸承52207。 軸向力 ， ，Y=1.7，X=0.4 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 則 則 則 則 ， 則 結 論 通過本次設計普通車床的數(shù)控化改造，從中深刻掌握到數(shù)控車床橫向與縱向進給機構的設計，并對該結構進行設計計算，并繪制出裝配圖和零件圖。然后在通過三維軟件AUTOCAD軟件進行零件的二維建模和裝配圖的建模。 綜上所述得到一下結論： (1)本設計適應了普通車床數(shù)控化改造后的需求，可以使橫向、縱向工作臺在任意位置下停止。 (2)步進電機驅動滾珠絲桿螺母副結構的應用得到了認可； (3)充分查找資料根據(jù)計算結果和設計的需要，選用合適的零部件，并對其進行校核；精度驗算； (4)機械系統(tǒng)中各個傳動系統(tǒng)的設計，方案合理，能適應實際的情況。 參 考 文 獻 [1] Zhang Guoxiong，Liu Shugui，Qiu Zurong，Yu Fusheng，NaYonglin，Leng Changlin.NON-CONTACT MEASUREMENT OF SCULPTURED SURFACE OF ROTATION［J］.CHINESE JOURNAL OF M ECHANICAL ENGIN EERING.Vo1，17，No．4，2004. [2 ] GUO Yuan，WANG Yutian，HAO Bing .Non—touch Fiber—optic Reflective Displacement Sensor for Roller［J］ Wear.Semiconductor Photonics and echnology.Nov，2OO4. [3 ] Tatsuo Inoue，Youichi，Watanabe，Kazuo，Okamura，Michiharu，Narazaki，Hayato Shichino，DongYing，JuHideo，Kanamori，Katsumi Ichitani［M］. A CooperativeActivityon QuenchingProcessSimulation—JapaneseIMS-VHTProjectontheBenchmarkAnalys.TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT PROCEEDINGS OF THE 14TH IFHTSE CONGRESS［J］.October,2004. [4] MA Xiaojian，GAN Xuehui.Faults Analysis and Diagnosis of DRJ-460 Dish CentrifugalSeparator＇s Helical Gear.Intemational Journal of PIant Engineering and Management［J］.Vo1．9 No.4 December 2004. [5]. 王中發(fā). 機械設計［M］.北京理工大學出版社.1998.7.. [6] 機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊（上冊）［M］.機械工業(yè)出版社.1997， 7. [7] 孔凌嘉，張春林.機械基礎綜合課程設計［M］.北京理工大學出版社.2004.6. [8] 張晉西.直齒圓柱齒輪幾何參數(shù)計算機輔助測定［J］.機械設計.2003年6期. [9] 東北工學院《機械零件設計手冊》編寫組.機械零件設計手冊（上）［M］.冶金工業(yè)出版社，1986.4. 致 謝 本課題是在xxx老師的精心指導和熱情關懷下完成的，在此謹向導師表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意。 本次畢業(yè)設計是在指導老師xx的細心指導下完成的。在我三個月的畢業(yè)設計中，正是他們以無私的關懷、忘我的研究精神和嚴謹?shù)膶W術作風關心影響和教導了我，將令我終身受益。從課題的開始到最后，無處不凝聚著xxx老師的心血。xxx老師在學習和生活方面給予了我極大的關心和支持。同時老師嚴謹?shù)?、科學的學術作風，前瞻的科研眼光、敏銳的思維、淵博的知識、豐富的閱歷、謙虛大度的胸懷、獨特的為人處世原則,忘我工作的奉獻精神是永遠值得我學習的。在此謹向xxx老師表示衷心的感謝！ 感謝應用技術學院的各位老師！在我四年多的求學生涯中，從學習和生活各方面給予我莫大的關懷和幫助。感謝我的大學同學,與他們共同度過這一段難忘的人生旅程，他們?yōu)槲业拇髮W生生活和畢業(yè)設計生活增添了無限色彩。 再有要感謝一起學習生活的同學們，與他們的一次次交流使我得以不斷進步和提高。 我能夠專心學習，順利完成學業(yè)，與我的父母的培養(yǎng)、鼓勵和支持是分不開的，在此向他們表示最誠摯的感謝！ 感謝文中所引用文獻的所有作者們！再次感謝所有關心、支持和幫助過我的老師、同學和朋友們！