《數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（75頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 題 目： 數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 起止時(shí)間： 年 12 月 29 日至 年 6月 1 日 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè) 班 級(jí)： 指 導(dǎo) 老 師： 教研室主任： 院 長： 年 12月 30 日 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求： 一、 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容 1、 調(diào)查分析相同規(guī)格數(shù)控臥式加工中心的加工特點(diǎn)，確定新設(shè)計(jì)的數(shù)控控立式加工中心的主要參數(shù)。 2、 進(jìn)行新數(shù)控臥式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì). 3、 完成主軸箱和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4、 完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)（論文）要求 1、 （含本設(shè)計(jì)的目的、擬解決的關(guān)鍵問題及學(xué)生必須掌握的知識(shí)和技能） 2、有關(guān)參考書和具體設(shè)計(jì)步驟、要求見指導(dǎo)老師編寫發(fā)給的2001年的畢業(yè) 指導(dǎo)書。 3、學(xué)生必須按上述規(guī)定完成基本任務(wù)，老師分別按完成日期分項(xiàng)檢查，未 完成每項(xiàng)扣總分2% ，期中檢查進(jìn)度跟不上或請(qǐng)假、遲到多等因素 均推遲答辯。 4、沒有按任務(wù)書完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的推遲答辯，在推遲答辯的時(shí)間里仍沒 有完成不給成績(jī)。 　　　　　　　　　　　　　指導(dǎo)教師： 2008 年 12 月 29 日 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目 數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）題目來源 自選課題 設(shè)計(jì)（論文）題目類型　 產(chǎn)品開發(fā) 起止時(shí)間 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義： 加工中心是在數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床或數(shù)控車床的基礎(chǔ)增加自動(dòng)換刀裝置，使工件在機(jī)床工作臺(tái)上裝夾后，可以連續(xù)完成對(duì)工件表面自動(dòng)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋銑削等多工步的加工，工序高度集中；加工中心能自動(dòng)改變機(jī)床主軸箱轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助功能。由于加工中心具有較好的加工一致性，它與單機(jī)、人工操作方式比較，能排除工藝流程中人為干擾因素，高的生產(chǎn)率和質(zhì)量穩(wěn)定性，尤其是加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時(shí)，更具有良好的經(jīng)濟(jì)性。所以說，加工中心是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線）： 研究?jī)?nèi)容： 1調(diào)查分析相同規(guī)格數(shù)控臥式加工中心的加工特點(diǎn)，確定新設(shè)計(jì)的數(shù)控控立式加工中心的主要參數(shù)。 2進(jìn)行新數(shù)控臥式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì). 3完成主軸箱和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 預(yù)期目標(biāo)： 1根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案,繪制新設(shè)計(jì)數(shù)控臥式加工中心總體外觀圖一張。（三維計(jì)算機(jī)圖） 2進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算, 強(qiáng)度計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算,繪制主軸箱部件展開圖一張（A計(jì)算機(jī)圖） 3進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算,繪制出工作臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)部裝圖一張（A0計(jì)算機(jī)圖） 4繪制數(shù)控加工中心主軸零件圖一張 5.根據(jù)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（根據(jù)情況由教師指定） 6. 科技譯文（不少于2000漢字） 7.編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一套 三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)： 1、主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接的影響。 　　2、進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 　　3、控制系統(tǒng)數(shù)控 臥式加工中心運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。 　　4、輔助裝置 如液壓、氣動(dòng)、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 5、機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架 設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）： 具體時(shí)間安排為： 1. 于12月27號(hào)至1月中旬 參考相關(guān)資料，進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作和計(jì)算； 2. 于1月下旬至5月1號(hào) 成圖紙的繪制工作； 3. 于5月1號(hào)至5月16號(hào) 校正，完成驗(yàn)證工作； 4. .于5月16號(hào)至6月1號(hào) 編寫畢業(yè)論文； 5 畢業(yè)答辯。 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 2009年 1 月 15 日 摘要:本次設(shè)計(jì)通過對(duì)現(xiàn)有加工中心的分析研究,提出一種新的設(shè)計(jì)方案,其自動(dòng)化程度更高,結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單.這一點(diǎn)在論文會(huì)得以體現(xiàn).本方案中,主軸箱采用交流調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速,在X、Y、Z三個(gè)方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠,而動(dòng)力則由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過調(diào)隙齒輪來傳遞,并且采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制. 控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī),通過擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì).論文中也對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出了相關(guān)說明. 關(guān)鍵詞:交流調(diào)速電機(jī) 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展 Abstract:This design tries a new method after the analyze and research of the exited machining center with the higher automatization degrees and the simpler configuration,which will be explained in the paper. In the method, AC adjustable-speed motor is used for the realization of the level shift in variable speed,and in the motion of, we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps.And more,we used singlechip for numerical control. The control system introduces MCS-51 series singlechip,and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus.Also,the paper explained the design for software system. Keywords:AC adjustable-speed motor、ball bearing thread haulm、the step by step electromotor、the enlarge for SCM system 目錄 前言---------------------------------------------1 1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) ------------------------------2 1.1 機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定------------------2 1.2 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定------------3 1.3 機(jī)床總體布局的確定----------------------3 2 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-------------------------------7 2.1 電機(jī)的選擇------------------------------7 2.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算----------------------8 2.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算---------------------------12 2.4 離合器的選用---------------------------19 3 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算----------------------------20 3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-----------------20 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)--------------------------------37 4.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂-----------------37 4.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)-----------------40 參考文獻(xiàn) ---------------------------------------53 謝詞--------------------------------------------54 附錄--------------------------------------------55 前 言 加工中心集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化控制、傳感測(cè)量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)數(shù)控的要求也有很大的改變，正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展，為追求加工效率及更通用化迫使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學(xué)計(jì)算可視化，內(nèi)置高性能PLC，多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。 加工中心的優(yōu)點(diǎn)有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間；3）減少在制品；4）減少刀具費(fèi)；5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)；6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)；7）設(shè)備利用率高?？偟膩碚f，加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。 本設(shè)計(jì)說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的思路。設(shè)計(jì)中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo)，在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，加之設(shè)計(jì)時(shí)間較短、資料收集較困難，說明書中難免有缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，在此懇請(qǐng)讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評(píng)意見，使本設(shè)計(jì)說明書能有所改進(jìn)。 編者 年6月 1. 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 1.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下： 工作臺(tái)寬度長度 4001600mmmm 工作臺(tái)最大縱向行程 650mm 工作臺(tái)最大橫向行程 450mm 工作臺(tái)最大垂直行程 500mm X、Y軸步進(jìn)電機(jī) a12/3000i Z步進(jìn)電機(jī) a12/3000i 主軸最大輸出扭矩 70公斤力米 主軸轉(zhuǎn)速范圍 45～2000r/min 主電動(dòng)機(jī)的功率 4kw 主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1500r/min 機(jī)床外行尺寸（長寬高） 248812002710mmmmmm 機(jī)床凈重 500kg 1.2機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 1.2.1主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 因所設(shè)計(jì)的臥式加工中心要求能進(jìn)行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺(tái)不動(dòng)，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機(jī)構(gòu)布局；采用交流無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并且串聯(lián)有級(jí)變速箱來擴(kuò)大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計(jì)算機(jī)控制上齒輪的傳動(dòng)更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級(jí)變速。 1.2.2給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個(gè)方向上，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副，其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過調(diào)隙齒輪傳遞。 1.2.3數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) 采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按鈕均安裝在控制臺(tái)上，而控制臺(tái)擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。 1.2.4機(jī)床其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。 1.3機(jī)床總體布局的確定 1.3.1確定主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)方案： 主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)等。 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)。 機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流變頻電動(dòng)機(jī)，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱。 本機(jī)床采用交流調(diào)速電機(jī)變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大變速范圍，在后面串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速裝置。 1.3.2確定主軸箱有級(jí)變速級(jí)數(shù)： 取變速箱的公比為等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，即，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱級(jí)數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍等于 變速箱的變速級(jí)數(shù)可得出： 主軸要求的恒功率變速范圍 電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 取變速箱的公比 故變速箱的變速級(jí)數(shù) 故通過圓整取 Z=12。 1.3.3確定各齒輪的齒數(shù)： 在確定齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會(huì)提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。 受結(jié)構(gòu)限制的個(gè)齒輪（尤其是最少齒輪），應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽（m為模數(shù)），以保證有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證： 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑，代入上式可得： 式中：——齒輪的最少齒數(shù)； ——齒輪模數(shù)； ——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。 由于此傳動(dòng)在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動(dòng)，各對(duì)齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必須滿足傳動(dòng)比；當(dāng)各對(duì)齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時(shí)，則各對(duì)齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出： 式中：——分別為J齒輪副的主動(dòng)與從動(dòng)齒輪的齒數(shù)； ——J齒輪副的傳動(dòng)比； ——齒輪副的齒數(shù)和。 由上述公式可得： 因此，選定了齒數(shù)和，便可以計(jì)算出各齒輪的齒數(shù)，或者由上式確定出齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。 查表選擇齒輪的齒數(shù)： 其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。 1.3.4擬定主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速圖： 由上述計(jì)算得，12級(jí)轉(zhuǎn)速各傳動(dòng)組中傳動(dòng)數(shù)的確定方案有： 12=43 ，12=34 ，12=322， 12=232， 12=223 按照“前多后少”的原則，確定各傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)為12=322。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴(kuò)大，因此得結(jié)構(gòu)式為 ， 第二擴(kuò)大組的兩個(gè)傳動(dòng)比連線之間，相距格數(shù)應(yīng)為，變速范圍是，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個(gè)傳動(dòng)組。 因此變速機(jī)構(gòu)需要四軸，再加上電動(dòng)機(jī)軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線。由于齒輪傳動(dòng)比受到的限制，現(xiàn)在傳動(dòng)組C的變速范圍為?？芍@個(gè)傳動(dòng)組中兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是極限值，即 該傳動(dòng)組的升降速度傳動(dòng)比都達(dá)到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級(jí)轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為180～1000r/min。 軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動(dòng)比連線間應(yīng)相距3格，取 ，因此，確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速為355～710 r/min。對(duì)于軸Ⅰ，取 于是決定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為1000 r/min，電動(dòng)機(jī)軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1000：1440，綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：45.63.90.125.180.250.355.5000.710.1000.1400.2000。轉(zhuǎn)速圖如下： 圖2.1 加工中心轉(zhuǎn)速圖 2.主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 2.1.1電動(dòng)機(jī)的功率的計(jì)算 查《機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)》： 端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是45號(hào)鋼； 1） 主切削力 公式中 背吃刀量， 每齒進(jìn)給量 刀具直徑 銑刀齒數(shù)z=4,選 銑刀轉(zhuǎn)速 所以主切削力 2）切削功率 銑削過程中消耗的功率主要按圓周切削力和銑削速度進(jìn)行計(jì)算 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也消耗一些功率，一般情況下，所以總的切削力功率 ，由此可估算銑床主電動(dòng)機(jī)的功率；，取， 2.1.2電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇 在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須使得，根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取Y112M-4型電動(dòng)機(jī)，功率為4kw。其基本參數(shù)如下(單位為mm): 滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min 2.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求，所以本次設(shè)計(jì)選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；主軸箱中的齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計(jì)都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計(jì)步驟如下： 2.2.1模數(shù)的估算 按接觸疲勞和彎曲疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再 標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算公式： 齒面點(diǎn)蝕的估算公式： 其中為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。 由中心距A及齒數(shù)、求出模數(shù)： 根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下： 第一對(duì)齒輪副 所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第二對(duì)齒輪 所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第三對(duì)齒輪副 所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第四對(duì)齒輪副 所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 綜合上述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因?yàn)閂軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計(jì)中在Ⅰ→Ⅲ對(duì)齒輪模數(shù)均為 ，在Ⅳ→Ⅴ對(duì)齒輪上就取 2.2.2齒輪分度圓直徑的計(jì)算 根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計(jì)算公式可得各個(gè)傳動(dòng)副中齒輪的分度圓直徑為：?jiǎn)挝唬╩m） 2.2.3齒輪寬度B的確定 齒輪影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動(dòng)和噪音。一般取B=（6～10）m。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)輪寬度B=9m=18mm(最后一對(duì)齒輪也取B=79m=18mm)。 2.2.4齒輪其他參數(shù)的計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計(jì)算所得的參數(shù)計(jì)算出來，本次設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)在此不在一一計(jì)算。 2.2.5齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級(jí)精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級(jí)齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級(jí)，或者淬火后再珩齒。6級(jí)精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。 2.2.6齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度） ∵計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)，動(dòng)載荷系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即： 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗(yàn)算，在此略去。 2.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1各傳動(dòng)軸軸徑的估算 滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。 對(duì)于空心軸，則 式中， P——軸傳遞的功率，KW； n——軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min; ——其經(jīng)驗(yàn)值見表 取的值為1.5。 （1）、計(jì)算各傳動(dòng)軸傳遞的功率P 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選擇可知，本次設(shè)計(jì)所用的電動(dòng)機(jī)額定功率，各傳動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算： 由傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計(jì)中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，及軸承。則各軸傳遞的功率為： 所以，各傳動(dòng)軸傳遞的功率分別為： （2） 估算各軸的最小直徑 本次設(shè)計(jì)中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速可推算出為： 所以各軸的最小直徑為： 在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為： 對(duì)于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式； 故主軸為考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取 2.3.2各軸段長度值的確定 各軸段的長度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則；應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求。 2.3.3軸的剛度與強(qiáng)度校核 （1）軸的受力分析及受力簡(jiǎn)圖 由主軸箱的展開圖可知，該軸的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動(dòng)力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對(duì)角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計(jì)。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計(jì)算時(shí)常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡(jiǎn)圖如下： 在XZ平面內(nèi)： 圖2.2 XZ平面受力分析 在YZ平面內(nèi)： 圖2.3 YZ平面受力分析 （2）作出軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按XZ平面及YZ平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出兩個(gè)平面的上的彎矩圖。 則該軸在XZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.4 XZ平面內(nèi)的玩矩 同理可得在YZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.5 YZ平面內(nèi)的彎矩 （3）作出軸的扭矩圖 由受力分析及受力簡(jiǎn)圖可知， 則扭矩圖為： 圖2.6 扭矩圖 （4）作出總的彎矩圖 由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據(jù)可得總的彎矩圖為： 圖2.7 合成彎矩圖 （5）作出計(jì)算彎矩圖 根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式求出計(jì)算彎矩，其中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計(jì)算彎矩時(shí)，必須計(jì)及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取a=1。應(yīng)本次設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取a=0.3，則計(jì)算彎矩圖為： 圖2.8 計(jì)算彎矩圖 （6）校核軸的強(qiáng)度 選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計(jì)算彎矩圖可知，該軸的危險(xiǎn)截面在B的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩： 其中Z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中，所以其截面的慣性矩為W=273.5 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計(jì)算公式可得圓周力與徑向力： 其中T1為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)，；為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，??； 而與分別對(duì)應(yīng)與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長度可從2號(hào)A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險(xiǎn)截面的計(jì)算彎矩為：，則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為：，所以該軸的強(qiáng)度滿足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。 2.3.4主軸的確定 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。 （1）主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度及強(qiáng)度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理； （2）主軸結(jié)構(gòu)的確定 ①主軸直徑的選擇 根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來確定 ∵P=2.96KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床 ∴可取=50～70mm ②主軸內(nèi)孔直徑 其中 ，---空心主軸的剛度和截面慣性矩 ，---實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩 當(dāng)則主軸的剛度急劇下降，故取 主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚。 ③提高主軸的性能措施 A、提高旋轉(zhuǎn)精度 提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。 B、改善動(dòng)態(tài)特性 主軸應(yīng)有較高的動(dòng)剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動(dòng)的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內(nèi)高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問題，按靜態(tài)處理。 C.控制主軸組件溫升 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在滾道中磨擦、攪油，滑動(dòng)軸承乘載油膜受到剪切內(nèi)磨擦，均會(huì)產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要有兩項(xiàng)措施。 1、減少支承發(fā)熱量。 2、采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。 主軸的主要尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍， 故主軸的剛度一般都能滿足要求。在此就免于校核。 2.4離合器的選用 離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離或接合，對(duì)離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸??；質(zhì)量??；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號(hào)DLM9-25。其結(jié)構(gòu)尺寸如下： 3. 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ---臥式加工中心工作臺(tái)（X軸）設(shè)計(jì) 3.1概述 3.1.1技術(shù)要求 工作臺(tái)、工件和夾具的總質(zhì)量m=918 kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺(tái)的質(zhì)量 (所受的重力W=5000N）;工作臺(tái)最大行程；工作臺(tái)快速移動(dòng)速度;工作臺(tái)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩檫系數(shù)均為0.01；工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)間為10年）。 機(jī)床采用主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑，主軸轉(zhuǎn)速，切削狀況如下表所示： 表3.1 加工中心切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度/（m/min） 時(shí)間比例/（%） 備注 強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿功率條件下切削 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進(jìn)給 20 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給 表3.1 3.1.2總體方案設(shè)計(jì) 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。 （1）工作臺(tái)工作面尺寸（寬度長度）確定為400mm1200mm。 （2）工作臺(tái)導(dǎo)軌采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 （3）對(duì)滾動(dòng)絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。 （4）采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連。 3.2設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算 （1）計(jì)算主切削。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切削速度為 若機(jī)械效率，則由公式可以計(jì)算主切削力： （2）計(jì)算各切削分力 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得工作臺(tái)縱向切削力、橫向切削力 和垂直切削力分別為 3.2.2導(dǎo)軌摩檫力的計(jì)算 （1）由公式計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力，此時(shí)導(dǎo)軌摩檫系數(shù)，查表得導(dǎo)軌緊固力，則 N 又由公式計(jì)算在不在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力和導(dǎo)軌靜摩檫力。 3.2.3 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （1）由公式計(jì)算最大軸向負(fù)載力 （2）由公式計(jì)算最小軸向負(fù)載力 3.2.4滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 （1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，可得 （2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 1）.估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將估算結(jié)果填入下表 表3.2 臥式加工中心滾珠絲杠的計(jì)算 切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/（m/min） 時(shí)間比例/（%） 備注 強(qiáng)力切削 935.1 10 一般切削（粗加工） 277.44 30 精細(xì)切削（精加工） 137.16 50 快移和鉆鏜定位 90.4 10 2).計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。 3）.由公式計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 其中代表時(shí)間比例系數(shù) 4）.由公式計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 （3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 1）.由預(yù)期工作時(shí)間按公式計(jì)算。查表 表3.3 載荷性質(zhì)系數(shù) 載荷性質(zhì) 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 根據(jù)載荷性質(zhì)，有輕微沖擊，取載荷性質(zhì)=1.3； 查表 表3.4 精度系數(shù) 精度等級(jí) 1、2、3 4、5 7 10 1 0.9 0.8 0.7 根據(jù)初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)精度，取精度系數(shù)； 查表 表3.5 可靠性系數(shù) 可靠性（%） 90 95 96 97 98 99 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 一般情況下可靠性應(yīng)達(dá)到97%，故取可靠性系數(shù)。 2）.因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以還可以按公式估算最大軸向載荷。查表 表3.6 預(yù)加載荷系數(shù) 預(yù)加載荷類型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 6.7 4.5 3.4 按中預(yù)載選取預(yù)加載荷系數(shù)則 3）.確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷，取上兩種結(jié)果的最大值，即 4）.按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底經(jīng) ① 估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8，根據(jù)公式計(jì)算以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求得 取上述計(jì)算結(jié)果的最小值，即。 ② 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 本工作臺(tái)（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定，一端游動(dòng)的支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為 又可得 5）.初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的、、和結(jié)果的需要，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號(hào)為：FFZD4010-3，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠底徑如下： 故滿足要求。 6）.確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 由式得 7）.確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) ①由公式計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷 ②計(jì)算軸承的預(yù)緊力 ③計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷 ④由式計(jì)算軸承的基本額定動(dòng)載荷。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速相同，取；軸承的基本額定載荷壽命，軸承所承受的軸向載荷。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因?yàn)樗圆楸淼茫瑥较蛳禂?shù)X，軸向系數(shù)Y分別為，故 3.2.5確定軸承的規(guī)格型號(hào) 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動(dòng)的支承方式，所以將在固定端選用角接觸球承組背對(duì)背安裝，以承受兩個(gè)方向的軸向力。由于滾珠絲杠螺母副的底徑為，所以選擇軸承的內(nèi)徑為，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 選擇國產(chǎn)角接觸球承兩件一組背對(duì)背安裝，型號(hào)為760206TNI/P4DFA，尺寸（內(nèi)徑外徑寬度）為，選用油脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力為1450N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力。在油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為，高于本機(jī)床滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為 ，而該軸承在工作壽命下的基本額定動(dòng)載荷，故也滿足要求。 3.3工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì) 圖3.1工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3.4滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗(yàn) 3.4.1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 根據(jù)圖得滾珠絲杠螺母副的最長受壓長度，絲杠水平安裝時(shí)， 本工作臺(tái)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 3.4.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 由圖可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度，其彈性模量， 已知材料密度安全系數(shù)由表得與支承有關(guān)的系數(shù)。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為 由式得 本工作臺(tái)滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故 滿足要求。 3.4.3滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn) 查表得滾珠絲杠螺母的額定動(dòng)載荷，軸向載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，由公式得 一般來講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命故滿足要求。 3.5計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 3.5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 （1）計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度。 本機(jī)床工作臺(tái)的絲杠支承方式為一端固定、一端游動(dòng)。由圖可知，滾珠絲杠螺母中心至固定端的距離時(shí)，滾珠絲杠具有最小拉壓剛度，由式得 當(dāng)時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，由公式得 （2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度。 已知軸承接觸角，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)軸承的最大軸向工作載荷，可得 （3）計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度。 查表得滾珠絲杠的剛度，額定動(dòng)載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，又公式得 （4）計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。 由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。 由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故。 3.5.2 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 由圖可知，扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離，剪切模量， 滾珠絲杠的底徑故由公式得 3.6驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 3.6.1計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 （1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知滾珠絲杠的密度，可得 （2）計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （3）由公式計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離則 （4）由式計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.6.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 （1）由式計(jì)算切削負(fù)載力矩。 切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，則 （2）由式計(jì)算摩擦負(fù)載力矩。 在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力故 （3）由式計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副的效率，則 3.6.3計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上各種所需的力矩 （1）由公式計(jì)算線性加速力矩。 已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量。取進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益則加速時(shí)間，故 (2)計(jì)算階躍加速力矩。 加速時(shí)間故 計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。 ①由公式計(jì)算線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩。 ②由公式計(jì)算階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩。 ③由公式計(jì)算空載時(shí)的快進(jìn)力矩力矩。 ④由公式計(jì)算切削時(shí)的工進(jìn)力矩 3.6.4選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) （1）選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。 根據(jù)以上計(jì)算和表格，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的a12/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率，3KW；最高轉(zhuǎn)速，3000r/min;額定力矩，；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；質(zhì)量，18kg。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5～10倍，若按5倍計(jì)算，該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為，均大于本機(jī)床工作臺(tái)線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩或階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩，所以，不管采用何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。 該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的快進(jìn)力矩或工進(jìn)力矩。因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩的要求。 （2）慣性匹配驗(yàn)算 為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足下式，即 在本設(shè)計(jì)中，，故滿足要求。 3.7機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 3.7.1計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，其中分別為機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量，已知?jiǎng)t 3.7.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 又絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度則 由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 3.8機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 3.8.1計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力，由公式得 即故滿足要求。 3.8.2計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由公式得 即，故滿足要求。 3.8.3計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （1）由公式計(jì)算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。 負(fù)載力矩。由圖得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則 （2）由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動(dòng)滯后量將影響工作臺(tái)的定位精度。由公式得 3.9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 3.9.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) 本機(jī)床工作臺(tái)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級(jí)為2級(jí)，查表得查表得，當(dāng)螺紋長度為時(shí)，故滿足設(shè)計(jì)要求。 3.9.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為FFZD4010-3-P2/1105850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm；螺紋長度：850mm；絲杠長度：1150mm；類型與精度：P類，2級(jí)精度。 3.10滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。 雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。 雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 3.11齒輪傳動(dòng)消隙 齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除間隙。 4. 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)總體方案的擬訂 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、，磨床等等。控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示： 圖4.1 控制系統(tǒng)總體方案