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畢業(yè)設(shè)計（論文）
設(shè)計（論文）題目：立式數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)設(shè)計
學(xué) 院 名 稱：
專 業(yè)：
學(xué) 生 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
立式數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)設(shè)計
摘要：
數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動化控制技術(shù)是用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)是一個國家機(jī)械工業(yè)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。
數(shù)控機(jī)床是裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編輯指令規(guī)定的程序。
數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)執(zhí)照產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，起技術(shù)規(guī)范覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù) （2）信息處理，加工，傳輸技術(shù);(3）自動控制技術(shù)：（4）伺服驅(qū)動技術(shù)；（5）傳感技術(shù);(6)軟件技術(shù)等。計算機(jī)對傳統(tǒng)機(jī)械業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術(shù)的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展天地。
數(shù)控機(jī)床就是將加工過工程所需要的各種步驟以及刀具與弓箭之間的相對位移量都是用數(shù)字化的代碼來顯示。通過控制介質(zhì)數(shù)字信息傳入專用區(qū)域通用的計算機(jī)。計算機(jī)對輸入的信息處理，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或者其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動加工出所需要的工件。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計，數(shù)控三坐標(biāo)銑床，主軸，數(shù)控系統(tǒng)。
英文摘要
Abstract
Summary：
Digital control the modern development of automation control of digital technology is a signal for machine tools are processes to control movement, as a method of science and technology has developed rapidly and Numerical Control machine is a national machinery industry standards of important standard, the machine is a program Numerical Control control system of machine tools, the system to be logical to use a number or other symbols specified procedure.the instruction encoding.
Numerical control machine tools in Numerical Control technology of new technology industries through the traditional manufacturing a product of the electromechanical integration technology.covering many areas:（one）machinery manufacturing technology (two)information processing,processing and transmission technology:(three)automatic technology；（four）servo driving technological;(five)sensing technology;(six) software technology,etc.the computer to traditional service trade the manufacturing industry,has changed completely.and has become industrialized,and because of the information technology,manufacturing into a rising industry,have broad development of the world.
Numerical Control machine tools are the processes of the various steps and the tool relative to the workpiece between the amount of displacement is the use of digital code to represent information media .by controlling figures into a special area of the computer .computer for the processing of information and instructions to control the machine tools or other enforcement servo system components and tools automatically processed out the work.
Key words:Mechanical design,Numerical Control three coordinates of milling
目錄
目錄
1緒論 1
1.1數(shù)控銑床的現(xiàn)狀和發(fā)展 1
1.2畢業(yè)設(shè)計的目的和意義 1
2 設(shè)計方案的確定 2
2.1 整體方案的確定 2
2.2 主軸傳動方案的類型和選擇 2
3 軸類零件的設(shè)計和計算 4
3.1主軸的材料選擇 4
3.2主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 4
3.2.1 主軸最小直徑的估算 4
3.2.2主軸內(nèi)孔直徑d及拉桿直徑的確定 4
3.3.3主軸支承跨距L的確定 5
3.3.4初選軸承 5
3.3主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案 5
3.3.2確定軸各段的直徑 6
3.3.3 確定各軸段的長度 6
3.3.4主軸剛度的計算 7
4 軸承的設(shè)計與計算 9
4.1 軸承當(dāng)量動載荷的計算 9
4.1.1 切削力的計算 9
4.1.2 徑向力的確定 9
4.1.3. 計算兩軸承的派生軸向力s 10
4.1.4 計算兩軸承的軸向載荷 10
4.1.5 計算兩軸承的當(dāng)量動載荷P 10
4.2 驗(yàn)算軸承的壽命 11
5 碟形彈簧的設(shè)計和計算 12
5.1 碟形彈簧的設(shè)計與計算 12
5.2 碟形彈簧的校核 13
6進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計 15
6.1滾珠絲桿副設(shè)計步驟 15
6.2滾珠絲杠的計算 15
6.2.1絲杠導(dǎo)程的計算 15
6.2.2滾珠絲杠精度 17
6.2.3滾珠絲杠選擇 17
6.3滾珠絲杠支承選擇 18
6.4滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 21
7伺服電機(jī)的選擇 23
7.1最大的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算 23
7.2負(fù)載慣量計算 23
7.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算 24
8氣體缸的選擇 26
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
II
1緒論
1.1數(shù)控銑床的現(xiàn)狀和發(fā)展
計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動了數(shù)控技術(shù)的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數(shù)控銑床的高精、高速、高效功能。代表世界先進(jìn)水平的歐洲、美國、日本的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商利用工控機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數(shù)控系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開發(fā)。
開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
近幾年來，由于對切割質(zhì)量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，其相應(yīng)產(chǎn)品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的數(shù)控銑床設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏切割理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐相轉(zhuǎn)換的機(jī)制，因此新技術(shù)運(yùn)用不廣、新產(chǎn)品開發(fā)速度不快，制約了數(shù)控銑床技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和運(yùn)用。
1.2畢業(yè)設(shè)計的目的和意義
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時代的區(qū)別，在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生活的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心和技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造業(yè)能力和水平，提高對動態(tài)多變市場和適應(yīng)能力和競爭能力。
此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
2 設(shè)計方案的確定
2.1 整體方案的確定
本次立式數(shù)控銑床要達(dá)到的技術(shù)要求：電機(jī)功1.5W，進(jìn)給速度為4m/s，換刀的時間靠打刀缸的性能來保證。工作臺面積為840x300的行程480x250x250，工作臺所加工零件的類型為鋁件和一些鋼件。主軸采用BT50、的刀柄和拉抓。
本次立式數(shù)控銑床具有加工中心的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動換刀，自動變速，變速方法采用無級變速。由中空電機(jī)連接主軸直接轉(zhuǎn)動，本次設(shè)計選擇采用的是有歐非機(jī)械有限公司型號為O口-FK的中空電機(jī)，它的額定扭矩為179N.m,額定轉(zhuǎn)速為400rpm
本次立式數(shù)控銑床主軸部件的設(shè)計主要有軸以及軸上零件、拉桿的設(shè)計；氣缸的選擇，首先根據(jù)換刀所要達(dá)到的時間，其次，根據(jù)碟形彈簧拉緊刀柄的力，氣缸動作是所產(chǎn)生的力應(yīng)稍大于彈簧的拉緊力。
2.2 主軸傳動方案的類型和選擇
數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級凋速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速。
為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式
1． 具有變速齒輪的主傳動 如上圖a所示
這種配置方式大中型數(shù)控銑床中比較普遍。它通過少數(shù)幾對齒輪進(jìn)行降速，使之能夠夠分段變速，確保低速時擁有足夠的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性。但也有一小部分?jǐn)?shù)控銑床也采用這種傳動方式，以獲得強(qiáng)有力切削時所需要的扭矩。
2． 通過帶傳動的主傳動 如上圖b所示
主要應(yīng)用字中小數(shù)控銑床上，可以避免齒輪傳動引起的振動和噪聲，但它只能適用于地扭矩特性要求的主軸。同步帶有多楔帶，齒形帶，圓弧帶等，是一種綜合了帶傳動和鏈傳動有點(diǎn)的新型傳動。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪和輪齒相嵌合，做吳華東的齒合運(yùn)動。帶內(nèi)采用了承載后無彈性伸長的材料做強(qiáng)力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主動和從動帶輪可做無相對滑動的同步傳動。與一般帶傳動相比，同步帶傳動具有以下優(yōu)點(diǎn);
1).無滑動，傳動比準(zhǔn)確。
2),傳動效率高，可達(dá)98%以上
3).出動平穩(wěn)可靠，噪音小。
4).使用范圍廣泛，速度可叨叨50m/s，速比可達(dá)10左右，傳動功率由幾瓦到數(shù)千瓦。
5).維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。
但是同步帶也有不足之處，其安裝時中心距要求嚴(yán)格，帶與帶輪制造工藝較復(fù)雜，成本高。
3． 由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動 如上圖c所示
這種主傳動方式打打簡化了主軸箱和主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度。但主軸輸出扭矩小，電動機(jī)轉(zhuǎn)動時發(fā)出的熱量對主軸的精度影響比較大。在低于額定轉(zhuǎn)速時為恒轉(zhuǎn)輸出，高于額定轉(zhuǎn)矩時為恒功率輸出。使用這種電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電氣定向。我們把機(jī)床主軸驅(qū)動與一般工業(yè)的驅(qū)動相比較，便可以知道機(jī)床要求其驅(qū)動系統(tǒng)有較高的速度精度和動態(tài)剛度，而且要求具有能連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常礦的恒功率運(yùn)動范圍。隨著功率電子，計算機(jī)技術(shù)，控制理論，新材料和電動機(jī)設(shè)計的進(jìn)一步發(fā)展和完善，矢量控制交流主軸電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到了甚至超過了直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)正逐步取代直流系統(tǒng)。
總的來說，第一第二兩種類型對減速配置要求很高，第三種類型要考慮它的轉(zhuǎn)動慣量。本次設(shè)計是有中空電機(jī)通過鍵連接主軸，直接帶動主軸轉(zhuǎn)動，這樣既簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，也有效地提高了主軸部件的剛度。此設(shè)計方案利用電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，因此對減速配置要求不高，又由于電機(jī)在主軸外部連接，也不需考慮轉(zhuǎn)動慣量，而且成本更低。
綜上討論，所以，本次設(shè)計選擇這種主轉(zhuǎn)動方案。
3 軸類零件的設(shè)計和計算
3.1主軸的材料選擇
從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。
3.2主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：主軸前、后軸頸D1和D2，主軸內(nèi)孔直徑d，主軸主要支撐間的跨距L。這些參數(shù)直接影響主軸旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。
3.2.1 主軸最小直徑的估算
估算最小軸徑:
式中：d—主軸的最小直徑（cm）
P—主軸傳遞的功率(kw)，P=1.5kw0.8=1.2kw
n—主軸的轉(zhuǎn)速(r/min)，前面已給出n=400rpm
查機(jī)械設(shè)計取為112，取=0.5
代人數(shù)值得：d≥56mm
取主軸的最小直徑=60mm，最小直徑本應(yīng)該是后軸頸，但是考慮到軸承的軸向固定采用鎖緊螺母，應(yīng)留鎖緊螺母的位置?？紤]到軸上裝軸承，有配合要求，應(yīng)將后軸頸的直徑圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，同時要考慮到選擇軸承的類型，還有一個鍵槽的關(guān)系，還有主軸是中空電機(jī)直接帶動主軸轉(zhuǎn)動的，考慮到主軸的剛度和強(qiáng)度，因此選擇后軸頸的直徑=120，
3.2.2主軸內(nèi)孔直徑d及拉桿直徑的確定
一般銑床主軸孔徑d可比刀具拉桿直徑大5～10mm。由于機(jī)床使用場合多種多樣，為了適應(yīng)加工工藝及刀具特點(diǎn)，機(jī)床工具行業(yè)已經(jīng)開發(fā)了多種軸端結(jié)構(gòu)，并已形成專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，銑床常用的主軸端部結(jié)構(gòu)前端帶有7:24的錐孔.供插入銑刀尾部錐柄定位,，拉桿從主軸后端拉緊刀具，常用的是BT—50刀柄，因此我采用BT—50的外螺紋拉桿，為了滿足拉桿的剛性要求，取拉桿的直徑為φ40mm，根據(jù)拉桿的直徑確定主軸內(nèi)孔的最小直徑為φ50即可
3.3.3主軸支承跨距L的確定
合理確定主軸主要支承間的跨距L，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。支承跨距過小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前軸端的位移量增大；反之，支承跨距過大，支承變形引起主軸前軸端的位移量盡管減小了，但主軸的彎曲變形增大，也會引起主軸前端較大的位移。因此存在一個最佳跨距，在該跨距時，因主軸彎曲變形和支承變形引起主軸前軸端的總位移量為最小。一般取=（2～3.5），本文所設(shè)計的主軸暫取L=475mm，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于結(jié)構(gòu)上的原因，以及支承剛度因磨損會不斷降低，主軸主要支承間的實(shí)際跨距L往往大于最佳跨距。
3.3.4初選軸承
本文所設(shè)計的銑床主要用于銑削平面和打孔，軸承承受徑向載荷，故選擇角接觸球軸承背對背的組合。根據(jù)工作要求，由軸承產(chǎn)品目錄中選取型號為7320C的角接觸球軸承
3.3主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案
本文所設(shè)計的主軸要用原有的主軸箱，根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)、軸上零件定位、加工要求以及不同的零件裝配方案，參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，得出如圖所示的軸結(jié)構(gòu)。
3.3.2確定軸各段的直徑
軸段1由于選用的是BT50，查機(jī)床設(shè)計簡明手冊，考慮主軸前端部收到的徑向力較大，所以軸段1的直徑D=140mm
軸段2要軸承配合，因?yàn)橐惺芎艽蟮膹较蛄Γ蔬x的角接觸球軸承是重型的，故取軸段2的直徑=130mm。
軸段3由于軸段2安裝螺母的關(guān)系，軸段3的直徑比軸段2小2～3mm，故=126mm
軸段4有個軸肩，又由于又軸承配合和鍵的關(guān)系，故直徑=120mm。
3.3.3 確定各軸段的長度
軸段1由于主軸內(nèi)孔要裝拉桿、拉刀抓及BT50刀柄，整體裝配起來應(yīng)該讓拉桿不要伸出主軸內(nèi)孔太長，否則銑床的整體動剛度不好，根據(jù)主軸和主動軸的整體裝配關(guān)系，故=66mm。
軸段2由于有軸承，套筒和螺母安裝的緣故根據(jù)軸承和螺母的選擇標(biāo)準(zhǔn)查出它們的寬度，故
軸段3主要考慮的是碟形彈簧導(dǎo)程的關(guān)系，根據(jù)計算取=80mm
軸段4主要是軸承和鍵的配合，并且要連接中空電機(jī)，故長度取
3.3.4主軸剛度的計算
(1)、當(dāng)量直徑d：
式中：；是各段的長度
(2)、主軸切削力的計算
根據(jù)公式得：，則當(dāng)線速度最小時,切削力最大
==0.76m/s
==2.1KN
(3)、撓度的計算
主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計。后懸伸部分不影響剛度。當(dāng)主軸前端作用一外載，則撓度
y=（mm）=×10（μm）
式中 —典型切削工藝的切削力
a—前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離（mm）
l—跨距，等于前后支承之間的距離（mm）
Ｅ—彈性模量，鋼?。牛?×10（Mpa）
I—截面慣性矩，I=0.05（）（mm）
d，—主軸的外徑和孔徑（mm）
將E和I的值待人，可得
y===7.5μm≤0.0002L=0.0950mm
(4)、偏轉(zhuǎn)角
主軸切削工件時承受很大的切削力，主軸前端產(chǎn)生彎曲變形，查機(jī)床設(shè)計手冊得
式中 —主軸前端偏轉(zhuǎn)角(rad)
、a、l、Ｅ、Ｉ與前面相同
代入數(shù)據(jù)得
×(2×475+3×20)=0.0028 rad
所以 ≤[θ]=0.005 rad
綜上所述 主軸的剛度滿足條件，不必重新設(shè)計。
4 軸承的設(shè)計與計算
本文所設(shè)計的數(shù)控銑床主要用于銑削平面和打孔，軸承承受徑向載荷的同時，還承受不大的軸向載荷，根據(jù)軸承承受載荷的特性，選擇角接觸球軸承的背對背的組合方式。
4.1 軸承當(dāng)量動載荷的計算
軸承壽命可由式進(jìn)行校核，軸承只承受徑向載荷的作用，由于工作溫度不高且沖擊不大，故查表13-4和13-6可取取
基本額定動負(fù)荷為
4.1.1 切削力的計算
根據(jù)公式P=得：，根據(jù)典型切削工藝取n=1200r/min
==0.23KN
4.1.2 徑向力的確定
角接觸球軸承背對背組合，可知：
=×0.86=0.22KN
==0.22+0.23=0.45KN
4.1.3. 計算兩軸承的派生軸向力s
查機(jī)械設(shè)計手冊得，角接觸球軸承的派生軸向力為S=/(2Y)，則0.08KN
4.1.4 計算兩軸承的軸向載荷
軸承外加的軸向力=2KN
+=0.16+2=2.16KN＞
所以軸承Ⅰ被“壓緊”，軸承Ⅱ被“放松”，故
4.1.5 計算兩軸承的當(dāng)量動載荷P
查機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)得：載荷系數(shù)=1.5
軸承Ⅰ的當(dāng)量動載荷P1：
=10.8＞e=0.42
查機(jī)械設(shè)計手冊得： =0.4， =1.4
=1.5×(0.4×0.22+1.4×2.39)=5.2KN
軸承Ⅱ的當(dāng)量動載荷P1：
=0.32＜e=0.44
查機(jī)械設(shè)計手冊得： =1， =0
1.5×0.45=0.68KN
4.2 驗(yàn)算軸承的壽命
由于軸承是在正常溫度下工作，t <120℃，查表機(jī)械設(shè)計手冊得=1
角接觸球軸承ε=10/3，則軸承I的壽命
=46500 h
軸承Ⅱ的壽命
=9.9×10 h
綜上所述，軸承滿足5年，一年工作300天、每天24小時的壽命，不必重新選擇
5 碟形彈簧的設(shè)計和計算
5.1 碟形彈簧的設(shè)計與計算
碟形彈簧的組合方式有疊合組合、對合組合和復(fù)合組合，本文設(shè)計的銑床采用對合組合方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，對合片數(shù)少。
主軸采用的是BT50的刀柄，通常BT50的刀柄需要用3.5噸的力才能拉緊，既工作載荷=3500×9.8=34300N，在裝配時用鎖緊螺母固定彈簧，預(yù)緊力為=2000N，使用過程中要求彈簧的最大變形量為8.5mm，根據(jù)要求設(shè)計合適的彈簧組合。
(1)、根據(jù)要求查機(jī)械設(shè)計手冊，從Ａ、B、C系列中選取一個規(guī)格.
(2)、由=1.96查機(jī)械設(shè)計手冊得＝0.686，碟簧有支承面時,取=1.6
當(dāng)?shù)蓧浩綍r碟簧載荷
其中： Ｅ—彈性模量（Ｍpa），彈簧鋼取E=
μ—泊松比，彈簧鋼取μ=0.3
帶入數(shù)據(jù)解得
=N
(3)、根據(jù)=0.4和0.23，由查得=0.22
由此變形量
=0.22，=0.48mm
滿足總變形量=8.5，所需的碟簧片數(shù)為i=17.7，取i=18片
對合碟簧組的總自由高度為
=i=18×8.2=147.6mm
承受載荷3.5噸時的高度
==147.6—18×0.48=138.96mm
5.2 碟形彈簧的校核
(1)、由 求
根據(jù)上面的計算知：
因此 0.03 0.23
按照 =0.4，查圖5-1得到= 0.03 =0.22
由此
=0.03×2.2=0.066mm
=0.22×2.2=0.48mm
(2)、疲勞破壞的關(guān)鍵部位
由=0.64和C=1.96，查圖8-3得，疲勞強(qiáng)度破壞的關(guān)鍵部位在二點(diǎn) 或
(3)、計算應(yīng)力并檢驗(yàn)碟簧壽命
當(dāng)=0.066mm時，由下式得：
=55.34Mpa
當(dāng)=0.22時，由下式得：
=200.7Mpa
碟簧的計算應(yīng)力幅為
=200.6—55.34=145.26 Mpa
由圖5—2b查得：當(dāng)=55.34 Mpa，壽命2×10時的=720 Mpa
即疲勞強(qiáng)度應(yīng)力幅為
=720—55.34=664.66Mpa
即，能夠滿足無限壽命的要求。
至此碟型彈簧的設(shè)計與校核已全部完成，選用A 型支承面、共18片對合組合的碟型彈簧。
6進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計
6.1滾珠絲桿副設(shè)計步驟
通常的滾珠絲桿副設(shè)計步驟為:
A、計算作用在滾珠絲杠上的最大動載荷;
B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動負(fù)載的近似值,并初選幾個型號;
C、根據(jù)具體工作要求，對于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動效率等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號。
D、根據(jù)所選的型號,列出或計算出其主要參數(shù)的數(shù)值,計算傳動效率,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號,再作上述計算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。
6.2滾珠絲杠的計算
6.2.1絲杠導(dǎo)程的計算
根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
從產(chǎn)品目錄中查得伺服電動的最高轉(zhuǎn)速為伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接，即。工作臺快速進(jìn)給的最高速度要求達(dá)到。取電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也為?；窘z杠導(dǎo)程公式如下：
根據(jù)精度要求，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可定為mm/脈沖。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)由以下公式可知：
伺服系統(tǒng)中常用的位置反饋器有旋轉(zhuǎn)變壓器和脈沖編碼器。如果采用旋轉(zhuǎn)變壓器方案，因旋轉(zhuǎn)變壓器的分解精度為每轉(zhuǎn)2000個脈沖，則在伺服電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器軸之間安裝1：1的升速齒輪。當(dāng)采用脈沖編碼器方案時，因脈沖編曲碼器有每轉(zhuǎn)2000、2500、5000脈沖等數(shù)種產(chǎn)品，故編碼器后應(yīng)加倍頻器。如選用每轉(zhuǎn)2500脈沖的編碼器，則位頻器的倍數(shù)為0.8。
在速度反饋裝置中，與旋轉(zhuǎn)變壓器配套的，可采用測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min時，輸出一定的電壓量（例如，1000r/mm輸出6V）。如采用脈沖編碼器方案，則可在倍頻器后加頻率/電壓轉(zhuǎn)換器（F/V），其轉(zhuǎn)換比例為每輸出電壓為（例如6V）。即相當(dāng)于測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min時，才能輸出6V的電壓，而此時脈沖編碼應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
圖4－1為上述2種方案的傳動系統(tǒng)圖。這2種方案目前都有使用，各配不同的數(shù)控系統(tǒng)。本設(shè)計采用圖b方案。
圖6－1 伺服系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)圖
6.2.2滾珠絲杠精度
由于本系統(tǒng)要求達(dá)到±0.015 mm的定位精度，根據(jù)此要求查閱滾珠絲杠樣本，對于1級（P1）精度絲杠，任意300mm內(nèi)導(dǎo)程允差為0.006mm，2級（P2）精度絲杠的導(dǎo)程允差為0.008mm。初步設(shè)計時先設(shè)計絲杠的任意300mm行程內(nèi)的行程變動量為定位精度的1/3～1/2，即0.005～0.0075，因此，取滾珠絲杠精度為P1級，即為1級精度絲杠。
6.2.3滾珠絲杠選擇
滾珠絲杠的名義直徑、滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動載荷選擇。
絲杠的最大載荷為切削力的最大進(jìn)給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。已知最大進(jìn)給力，工作臺加工件與夾具的重力為4000N，貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
絲杠最大載荷
平均載荷
絲杠最高轉(zhuǎn)速3000r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為1mm/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min,可取為0，則平均轉(zhuǎn)速。絲杠使用命取，，，故絲杠工作壽命由公式可知：
式中 —工作壽命，以為一個單位；
—絲杠轉(zhuǎn)速，；
—絲杠的使用壽命，對數(shù)控機(jī)床可取，本題選取。
代入公式可得絲杠的當(dāng)量動載荷為
式中 —精度響影系數(shù)，對于1、2、3級精度的滾珠絲杠取，對于4、5級精度滾珠絲杠取，本題取；
—載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1~1.2一般情況取1.2~1.5，有較大沖振動時取1.5~2.5，本題取。
查滾珠絲杠樣本中與相近的額定動載荷，使得選擇＜，然后由此確定滾珠絲杠副的型號和尺寸。查滾珠絲杠產(chǎn)品中樣本，選擇FFZ4010型內(nèi)循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副。其名義直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，每個螺母滾珠有5列。額定動載荷，＜，符合設(shè)計要求。軸向剛度。預(yù)緊力。只要軸向載荷值不達(dá)到或超過預(yù)緊力的3倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本題中絲杠最大載荷為5.16kN，遠(yuǎn)小于。
6.3滾珠絲杠支承選擇
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況如圖6－2所示的軸向固定方式。其中圖a）為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短杠和垂直進(jìn)給絲杠杠；圖b)為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；圖c)為兩端固定方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度的絲杠，這種配置方式可對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。
圖6－2 滾珠絲杠的支承配置
滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動軸承有以下2類。
1） 接觸角為的角接觸球軸承
這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可組配置。圖書6－3b）為1對背靠背組合方式，圖6-3c)為一對面對面方式。這兩種方式可承受雙向軸向推力。圖6－3d)為一同向組合方式，其承受能力較高，但只承受1個方向的軸向力，同向組合時的額定動載荷等于單個軸承的乘下列數(shù)：2個為1.63；3 個為2.16；4個為2.64.圖6－3e)為1對同向與左邊1個面對面組合方式。用上述方法還能派生出三聯(lián)、四聯(lián)等多種組合方式。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對面組合方式時兩接觸與軸線交點(diǎn)間的距離比背對背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動中面對面組合用得較多。
2） 滾珠—推力圓柱滾子組合軸承
外圈3與箱體固定不轉(zhuǎn)，只圈1、5和隔套內(nèi)圈6隨軸轉(zhuǎn)動，滾針7承受徑向載荷，圓柱滾子（或球）2和4分別承受兩個方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈6的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。
滾珠絲杠用軸承
上述2類軸承中，角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中，小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經(jīng)過分析在此設(shè)計中本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結(jié)構(gòu)形式如圖6－3所示。固定端采用1對接觸球軸承面對面組配，以容易實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整。簡支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。
6.4滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊
珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。
滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較?。划?dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。
滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖3－4所示
1－滾珠螺母；2－緊定螺釘；3－支座；4－滾珠絲杠；5－調(diào)整墊片
圖6－4 雙螺母滾珠絲杠
圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。
通過調(diào)整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為墊片調(diào)整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實(shí)現(xiàn)軸向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、可靠性好。
7伺服電機(jī)的選擇
伺服電機(jī)的選擇用，應(yīng)考慮三個要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。
7.1最大的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算
所選伺服電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載矩可根據(jù)公式計算可得，即
其中，從前面的計算已知，最大進(jìn)給力，絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，查絲杠樣本，滾珠絲杠螺母副的機(jī)械效率。因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩
查哈爾濱軸承總廠《角接觸推力球軸承組配技術(shù)條件》，得7602030TVP單個軸承的摩擦力矩為0.32,故一對軸承的摩擦力矩。簡支端軸承不預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機(jī)絲杠直連，其傳動比，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
故所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于此值。
7.2負(fù)載慣量計算
伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。負(fù)載慣量可按以下次序計算。工件夾具與工作臺的最大質(zhì)量為408.2kg，折算到電動機(jī)軸上的慣量可按公式計算得：
式中 —工作臺移動速度，；
—伺服電機(jī)的角速度，；
—直線移動工件夾具和工作臺的``` 質(zhì)量，kg。
絲杠名義直徑，長度，絲杠材料（鋼）的密度。則絲杠加在電動機(jī)軸上的慣量，根據(jù)公式可知：
聯(lián)軸器節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即
故負(fù)載總慣量
按式3.4－4中小型數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件， ，所選伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0044～0.0176范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計算可初步選定伺服電動機(jī)，如果選用直流伺服電動機(jī)，可選北京數(shù)控設(shè)備廠的FB－15型直流伺服電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子慣量，滿足匹配要求。如選用交流伺服電動機(jī)，可選用交流伺服電動機(jī)，可選BESK－20型。其額定轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子慣量，最大輸出轉(zhuǎn)矩，機(jī)械時間常數(shù)，滿足要求。
7.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算
當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快移）速度時，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩按公式求得，即
空載加速時，主要克服的是慣性。如選用FB—15直流伺服電機(jī)，總慣量：
加速時間通常取的3～4倍，故
（3~4）＝(3~4)×15.2=45.6~60.8ms=0.0456~0.0608s
則
49.32～65.76
BESK—20型交流伺服電動機(jī)的＝6ms,故
18 ms~24 ms＝0.018s~0.024ms
則
120~160
空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。由此可見，F(xiàn)B—15型直流伺服電動機(jī)的>49.32～65.76,滿足設(shè)計要求；BESK—20型交流伺服電動機(jī)的略小于，也可使用，但加速時間較長。
經(jīng)過比較從成本與造價方面考慮本題采用BESK—20型交流伺服電動機(jī)。
8氣體缸的選擇
氣缸其實(shí)就是一種增壓缸，將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化高的推力輸出。氣缸的系列很多，我選用的是上海健椿機(jī)械有限公司”生產(chǎn)的KTL系列氣缸，也稱KTL系列增壓缸。
KTL系列增壓缸為一中氣液轉(zhuǎn)換增壓缸。具有增壓比大，動作時間短，動力來源取得方便，無油壓系統(tǒng)溫升困擾等優(yōu)點(diǎn)，主要用于數(shù)控銑床、加工中心機(jī)床的松刀系統(tǒng)。
對于BT50主軸，通常選用KTL450A/KTL600型增壓缸，對于BT50拉抓需要3.5t的力就可以拉緊，因此選擇KTL450A型增壓缸即可，可以將5公斤的力轉(zhuǎn)換成3815N的力。
對與一般的銑床選擇BT50刀柄拉抓和適合于BT50的KTL450A型的氣缸，這樣不僅滿足了要求，同時在維護(hù)、購買、操作上都非常的方便
設(shè)計液壓缸時，要在對液壓系統(tǒng)工作情況分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)液壓缸在機(jī)構(gòu)中所要完成的任務(wù)來選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，然后按負(fù)載、運(yùn)動要求、運(yùn)動要求、最大行程等確定主要尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗(yàn)算，最后進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
此次設(shè)計選用的是雙桿活塞式液壓缸，這種液壓缸是缸筒固定的雙桿活塞缸，活塞的兩側(cè)的活塞桿直徑相等，它的進(jìn)油口和出油口位于缸筒的兩端，當(dāng)工作壓力和輸入流量向同時，兩個方向上的推力和速度是相等的。
圖8-1液壓缸
（1）液壓缸的基座必須有足夠的剛度，如果按裝基座不夠堅固，加壓時，缸筒將會呈弓形和向上翹起，致使活塞桿彎曲或折損，還有得就是盡量使活塞桿在受拉力狀態(tài)下能夠承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下活塞桿具有良好的縱向穩(wěn)定性。
（2）液壓缸軸向兩端不要固定死， 因?yàn)橐簤焊谉崤蛎浀纫蛩?，會在軸向伸縮，假若兩端固定死，將會使液壓缸的整體向上彎曲，而導(dǎo)致個部分變形，當(dāng)活塞移動時，會產(chǎn)生阻滯現(xiàn)象，活塞和活塞桿的導(dǎo)向套等表面產(chǎn)生不均勻的磨損等不良現(xiàn)象，所以必須避免這種安裝方法。
結(jié)束語
感謝我的導(dǎo)師尚偉燕老師，她嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。
感謝我的陳老師，這片論文的每個實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開你的細(xì)心指導(dǎo)。而你開開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入我們這個新的實(shí)驗(yàn)室.
感謝我的室友們，從遙遠(yuǎn)的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我們沒有紅過臉，沒有吵過嘴，沒有發(fā)生上大學(xué)前所擔(dān)心的任何不開心的事情。只是今后大家就難得再聚在一起吃每年元旦那頓飯了吧，沒關(guān)系，各奔前程，大家珍重。但愿遠(yuǎn)赴M國的C平平安安，留守復(fù)旦的快快樂樂，揮師北上的G順順利利，也愿離開我們寢室的開開心心。我們在一起的日子，我會記一輩子的。
感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！
致謝
畢業(yè)設(shè)計很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅。
在寫致謝信的這個時候心里想有一些說出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計時的種種困難，在楊老師的用心幫助下也一一解決了，說句實(shí)話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對別人無私幫助的時候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計的楊老師會有問必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西是用心感覺的，楊老師讓我學(xué)到了很多，他這次畢業(yè)設(shè)計中給于我很大的幫助，我非常的感激。當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué)，在我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計的時候，因?yàn)槲乙郧皬臎]接觸過的東西，一開始很是迷茫，我的好幾位同學(xué)都在這時候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治觯餐鉀Q。最終自己終于完成了主傳動系統(tǒng)設(shè)計這一部分的畢設(shè)要求?，F(xiàn)在想起來，有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。
在此，我對給我?guī)椭睦蠋?，同學(xué)至以誠摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對我的幫助，和教會我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的感謝！
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