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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第一章 前言………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景………………………………………………………………… 1
1.1.1 數(shù)控車床的發(fā)展及應(yīng)用情況…………………………………… 1
1.1.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問(wèn)題………………………………… 2
1.1.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位………………………… 2
1.1.4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及要求………………………………… 3
1.2 研究?jī)?nèi)容和方法………………………………………………………… 4
1.2.1 研究?jī)?nèi)容…………………………………………………………… 4
1.2.2 研究方法…………………………………………………………… 5
1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成…………………………………………………… 5
1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)…………………………………………………………… 5
1.3.2 論文構(gòu)成…………………………………………………………… 5
第二章 機(jī)床設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 7
2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求………………………………………… 7
2.2 機(jī)床設(shè)計(jì)步驟…………………………………………………………… 9
2.3 機(jī)床總體布局…………………………………………………………… 10
第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………… 12
3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)………………………………………… 12
3.1.1 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求………………………………… 12
3.1.2 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)……………………………………… 12
3.2 總體設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 12
3.2.1 擬定傳動(dòng)方案……………………………………………………… 12
3.2.2 選擇電機(jī)…………………………………………………………… 14
3.2.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩………………………………… 17
3.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動(dòng)圖…………………………………………………… 18
3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 19
3.3.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 19
3.3.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 23
3.3.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………… 34
3.3.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計(jì)………………………………………… 37
3.3.5主軸箱展開圖…………………………………………………39
第四章 進(jìn)給傳動(dòng)系設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單介紹…………………………………… 40
4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系的組成………………………………………………………40
4.2 進(jìn)給傳動(dòng)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
i
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(dòng)檢測(cè)、信息處理、自動(dòng)控制等高新技術(shù)集于一體，具有高效率、高精度、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、自動(dòng)化有著非常重要的的作用。數(shù)控技術(shù)是一門把自動(dòng)化控制技術(shù)、測(cè)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(lái)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(dòng)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(dòng)處理技術(shù)、以及數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，給自動(dòng)化帶來(lái)了新的定義，使得機(jī)械制造自動(dòng)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(guó)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(dòng)編程的研究與開發(fā)，這就是創(chuàng)建自動(dòng)編程系統(tǒng)的開始。自動(dòng)編程系統(tǒng)開始于APT的成功研制。
在1954年，美國(guó)本迪克斯公司生產(chǎn)制造出世界上第一臺(tái)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(guó)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，隨之在市場(chǎng)上也出現(xiàn)了商品化的數(shù)控機(jī)床。在1958年，美國(guó)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(shí)，麻省理工大學(xué)和美國(guó)航空部門一起合作發(fā)展了APT程序語(yǔ)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(guó)、英國(guó)等工業(yè)國(guó)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(dòng)編程。與此同時(shí)，又出現(xiàn)和發(fā)展了許多的自動(dòng)編程語(yǔ)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(guó)率先把幾臺(tái)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(guó)、歐洲、日本也開始陸續(xù)開發(fā)和應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了柔性制造單元FMC，這時(shí)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(guó)一家公司開發(fā)了微處理器。在1974年，美國(guó)、日本等國(guó)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(lái)，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(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)有著巨大的市場(chǎng)空間，未來(lái)十年，汽車行業(yè)和高新技術(shù)等產(chǎn)業(yè)將會(huì)在我國(guó)迅猛發(fā)展。有專家指出，以目前我國(guó)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(chǎng)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(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問(wèn)題
目前我國(guó)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(wèn)題：
（1） 數(shù)控化水平低
這些年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)一直保持著高速增長(zhǎng)。2000年的產(chǎn)量位居世界第五。但是與很多發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)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(guó)家維持在75%左右。以金屬切削機(jī)床作為例子，我國(guó)去年年產(chǎn)量為25萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床只有2.5萬(wàn)臺(tái)，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(tái)、滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、高速防護(hù)裝置、刀庫(kù)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(huì)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(duì)數(shù)控機(jī)床主機(jī)來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(jìng)爭(zhēng)水平。
近年來(lái)，我國(guó)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(lái)看，我國(guó)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(jí)數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動(dòng)功能部件和數(shù)控動(dòng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位
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(lái)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(guó)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(dòng)一般是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動(dòng)，功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、精度中等，能滿足加工形狀比較簡(jiǎn)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(lái)，伴隨著我國(guó)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(guó)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(guó)去年產(chǎn)量為25萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床只有2.5萬(wàn)臺(tái)，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(guó)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(guó)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(dòng)化程度等方面要明顯高于普通的機(jī)床，同時(shí)還具有了柔性，這就對(duì)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(shí)，機(jī)床的工作臺(tái)、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(dòng)最小。
（2） 高的靈敏度
數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)狀態(tài)下工作時(shí)要求的精度高于普通的機(jī)床，因此相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌等，以達(dá)到減小摩擦力、低速無(wú)爬行的目的，工作臺(tái)、刀架等移動(dòng)部件則需要由直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動(dòng)。主軸多數(shù)采用滾動(dòng)軸承來(lái)提高靈敏度。
（3） 高的抗振性
數(shù)控機(jī)床的部分運(yùn)動(dòng)部件需要保證在中高速切削的條件下沒有振動(dòng)，以保證加工件的精度和表面粗糙度的要求。同時(shí)還要注意避免切削時(shí)的產(chǎn)生的諧振。
（4） 熱變形要小
運(yùn)動(dòng)的部件容易產(chǎn)生熱量。為保證部件的運(yùn)動(dòng)精度，一般采取立柱框架式結(jié)構(gòu)，使提高剛度的同時(shí)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，以保證主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量最少，電動(dòng)機(jī)可以采用安裝散熱裝置以減少電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shí)發(fā)生變形和磨損，同時(shí)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(dòng)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(dòng)或者半自動(dòng)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(shí)對(duì)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(lái)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(dòng)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(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)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(duì)市場(chǎng)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(dòng)化的核心技術(shù)。
基于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例迅速增大。從2006年的市場(chǎng)消費(fèi)的內(nèi)容可以看出,傳統(tǒng)機(jī)床的市場(chǎng)份額在下降,數(shù)控機(jī)床份額則大幅度的增長(zhǎng)，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(lái)幾年甚至十年內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)床的市場(chǎng)份額將不斷的下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會(huì)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(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床—CK6140，用于對(duì)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。
1.2 研究?jī)?nèi)容和方法
1.2.1 研究?jī)?nèi)容
本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：
工件最大回轉(zhuǎn)直徑：Φ400mm；
中心高：205mm；
刀架最大回轉(zhuǎn)直徑：Φ210mm；
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(dòng)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(zhǎng)，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(jià)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(guò)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(dòng)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(dòng)機(jī)的型號(hào)；
（3）設(shè)計(jì)主傳動(dòng)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(jí)數(shù)以及傳動(dòng)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(dòng)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(shuō)明書。
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(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第四章 簡(jiǎn)單介紹進(jìn)給傳動(dòng)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。
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(dòng)功能，加工作業(yè)空間要求將決定其運(yùn)動(dòng)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(duì)加工效率和自動(dòng)化程度的要求相對(duì)低一些。如使用于多品種小批量的自動(dòng)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(dòng)化程度。如使用于大批量生產(chǎn)模式，工序分散，一臺(tái)機(jī)床僅需要對(duì)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(dòng)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(dòng)化程度。對(duì)于生產(chǎn)率，就機(jī)床本身而言，工藝范圍增加，可能會(huì)使加工效率下降。但就工件的制造全過(guò)程而言，機(jī)床工藝范圍增加，將會(huì)減少工件的裝卸次數(shù)，減少安裝、搬運(yùn)等輔助時(shí)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(duì)象變化的能力。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床及其組成的生產(chǎn)線的柔性要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)生產(chǎn)線盡管生產(chǎn)效率高，但無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來(lái)越快的要求。
機(jī)床的柔性包括空間上的柔性和時(shí)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(shí)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(dòng)功能和刀具數(shù)目多，工藝范圍廣，一臺(tái)機(jī)床具備多臺(tái)機(jī)床的功能，因此在空間上布置一臺(tái)高柔性機(jī)床，其作用等于布置了幾臺(tái)機(jī)床。所謂時(shí)間上的柔性，也就是結(jié)構(gòu)柔性，指的是在不同時(shí)期，機(jī)床的各部件的重新組合，構(gòu)成新的機(jī)床，即通過(guò)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(dòng)的方便程度。對(duì)于普通機(jī)床，是由人工進(jìn)行物料流動(dòng)的，要求機(jī)床的使用、操作、清理和維護(hù)方便和安全。對(duì)于自動(dòng)化制造系統(tǒng)，是采用工件傳送帶、自動(dòng)換刀系統(tǒng)和自動(dòng)排屑系統(tǒng)等裝置自動(dòng)進(jìn)行物料流動(dòng)的，要求機(jī)床的結(jié)構(gòu)便于物料的流動(dòng)，可靠性好。
4、剛度
機(jī)床的剛度是指加工加工過(guò)程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(guò)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(shí)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(shí)間越短，則它的生產(chǎn)率越高。對(duì)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(dòng)化
機(jī)床的自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，便于一個(gè)工人看管多臺(tái)機(jī)床，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
9、成本
成本概念貫穿在產(chǎn)品的整個(gè)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(jìng)爭(zhēng)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(jià)格比。
10、生產(chǎn)周期
為了快速響應(yīng)市場(chǎng)需求變化，生產(chǎn)周期是衡量產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的加工功能時(shí)，無(wú)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(jiǎn)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(huì)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(gè)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(dòng)態(tài)和非線性分析、由可行性設(shè)計(jì)向最佳設(shè)計(jì)過(guò)渡。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使得機(jī)床的傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變化。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)床的單軸運(yùn)動(dòng)及多軸聯(lián)動(dòng)，從而可以省去復(fù)雜笨重的機(jī)械傳動(dòng)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(duì)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(dòng)方式 機(jī)床的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式中又有普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式的確定。
（7） 成本及生產(chǎn)周期 無(wú)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)
總體方案設(shè)計(jì)包括：
（1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序，最后畫出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)原理圖，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能分配。
（2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì) 包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。
（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)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(píng)價(jià)與選擇
在總體方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)其各種方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，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(duì)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(guò)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(dòng)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(duì)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(shuō)明書、使用說(shuō)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(píng)價(jià)
對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行整機(jī)性能分析和綜合評(píng)價(jià)。可對(duì)所設(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(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和性能仿真，在實(shí)際樣機(jī)沒有試造出來(lái)之前對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以大大減少新產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)程中，設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)物樣機(jī)的評(píng)價(jià)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(duì)位置，床身有5種布局形式，主要包括：
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(lái)說(shuō)，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(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長(zhǎng)，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(huì)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(dòng)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(dòng)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。
第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 主傳動(dòng)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(dòng)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(jí)數(shù)、能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)，以滿足機(jī)床不同的運(yùn)動(dòng)要求；
2、主電動(dòng)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(lái)滿足機(jī)床動(dòng)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(dòng)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(rùn)滑良好，用以滿足機(jī)床的使用要求；
5、結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)
與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)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(wú)級(jí)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(dòng)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(dòng)方案
數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化,主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)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)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，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(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，故必須配以分級(jí)變速箱。為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級(jí)變速級(jí)數(shù)應(yīng)該少些，分級(jí)變速箱的公比可取大于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，即>。主軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍為40r/min~4000r/min;根據(jù)以下計(jì)算：（以下計(jì)算公式均來(lái)自于資料[2]）
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/159=25.2
電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍為：
為了簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)，取變速箱的變速級(jí)數(shù)Z=2,
由 （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)較大的“缺口”，在缺口處的功率僅為：
主傳動(dòng)系圖如下圖所示：
圖3.1 主軸傳動(dòng)圖
有級(jí)變速的自動(dòng)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(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。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(dòng)化。但變速時(shí)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(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)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(lái)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(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)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(wèn)題
(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型。
(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據(jù)使用場(chǎng)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(dòng)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(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素[4]。
2、電動(dòng)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(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)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。總的來(lái)說(shuō)，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡(jiǎn)要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。
經(jīng)過(guò)對(duì)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、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(dòng)機(jī)容量的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過(guò)載能力和起動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)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(dòng)機(jī)（如本課題中的電動(dòng)機(jī)），只要其所需輸出功率不超過(guò)其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過(guò)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(dòng)系統(tǒng)性能
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(dòng)態(tài)響應(yīng)
高加減速，起制動(dòng)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(jià)格
低購(gòu)買價(jià)格，低維護(hù)價(jià)格,低服務(wù)價(jià)格
通用要求
耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性
（1）確定主軸切削力(如無(wú)特殊說(shuō)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(hào)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/m2。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進(jìn)給量取；
根據(jù)主切削力的指數(shù)公式：
（3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機(jī)輸出動(dòng)率
（3.5）
傳動(dòng)裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動(dòng)效率，由資料[6]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動(dòng)軸承效率，由資料[6]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[6]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動(dòng)機(jī)額定功率
如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為11。
（4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
小功率電動(dòng)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(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小，價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價(jià)格、車床性能要求等因素來(lái)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(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動(dòng)比確定為，II軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為， 。
（5）確定電機(jī)的型號(hào)
由前面信息，可選取FANUC交流電機(jī)，型號(hào)為。這種電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過(guò)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)
型號(hào)
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
重量
振動(dòng)
冷卻
機(jī)座長(zhǎng)為，電機(jī)軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝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(shuō)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(wú)級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式：
==159 r/min； （3.6）
然后通過(guò)傳動(dòng)比計(jì)算傳動(dòng)軸和電機(jī)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩： (N/m) （3.7）
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：
表3.3 各軸的傳動(dòng)參數(shù)
軸
參數(shù)
I軸（電機(jī)軸）
II軸（中間傳動(dòng)軸）
III軸（主軸）
計(jì)算轉(zhuǎn)速（）
700
350
159
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉(zhuǎn)矩（）
150.16
286.66
600.63
傳動(dòng)比
，
3.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動(dòng)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(dòng)比,作數(shù)控車床的主運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)1:2定比傳動(dòng)降速后，如果經(jīng)16：9傳動(dòng)比傳動(dòng)主軸，則當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時(shí)變速箱變速，經(jīng)5:11傳動(dòng)比傳動(dòng)主軸，電動(dòng)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(dòng)機(jī)從1500r/min降至176r/min為電動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。）
初定數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖,如圖3.3。
圖3.3 傳動(dòng)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(wú)特殊說(shuō)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(jí)、材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動(dòng)方案,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類，一般齒輪傳動(dòng)，故選用8級(jí)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)。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得120，故
?。?5mm。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
（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)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
（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：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
（8）傳動(dòng)比u=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
（3.11）
2）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
= mm
（2）計(jì)算圓周速度
（3.12）
（3）計(jì)算齒寬
（3.13）
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪懸臂支承時(shí)，1.305；
由；，查圖10-13得1.255；故載荷系數(shù)
（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
= （3.14）
（7）計(jì)算模數(shù)
112.0/30mm=3.73mm
4、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
（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；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，0.87；
（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
（3.16）
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K
（3.17）
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；1.73。
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
=
對(duì)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)
齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，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
1）計(jì)算分度圓直徑 （3.19）
2）計(jì)算中心距 （3.20）
3）計(jì)算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=50mm
3.3.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如無(wú)特殊說(shuō)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(duì)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(duì)直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對(duì)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(duì)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
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得120，故
?。?0mm。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(duì)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(duì)齒輪的設(shè)計(jì)。
1）選定齒輪的精度等級(jí)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(jí)選擇8級(jí)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，＝＝
2）按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
按式（10－9）試算，
（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；
(3)由表10－7及其說(shuō)明，可選定齒寬系數(shù)＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
(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；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝550MPa；
(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)
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
(8)傳動(dòng)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
（3.25）
3）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計(jì)算圓周速度
（3.26）
（3）計(jì)算齒寬
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
(5)計(jì)算載荷系數(shù)K
由圖10－8，查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪非對(duì)稱布置時(shí)，1.254；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數(shù)
（3.27）