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開發(fā)低成本接觸觸發(fā)探測器的數(shù)控車床
馬塞洛德爾戰(zhàn)爭a
雷吉納爾多·特謝拉·科埃略b
a:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟社會委員會，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學校
b:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟社會委員會，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學校
2006年4月18日網(wǎng)上可查詢
摘要
數(shù)控機床使用觸發(fā)式測頭已成為世界標準，主要是由于減少了機器設(shè)置時間，以促進工件精度在機測量的能力。然而，一些障礙仍然需要調(diào)換，如測量程序編程困難，這些設(shè)備的成本高和技術(shù)文獻的數(shù)量較少有關(guān)此主題。這項工作提出的觸發(fā)式測頭對車間的應(yīng)用，討論時下用來產(chǎn)生觸發(fā)信號的技術(shù)審查?；诤唵蔚碾娊佑|的新接觸觸發(fā)探頭模型被提出，與所需要的特性和成本低，要用于CNC車床。探針在實驗室開發(fā)的試驗示出0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個可重復性。這些特征似乎是非常媲美于工業(yè)車床應(yīng)用中最需要的。
關(guān)鍵詞：
·尺寸質(zhì)量監(jiān)測和控制;
接觸觸發(fā)探頭;
·在機測量系統(tǒng);
·CNC車床
簡介
如今，在制造系統(tǒng)發(fā)展最困難的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)的全維管理，創(chuàng)建統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和部分到零件的控制。這種融合可以通過使用通常被稱為連接到數(shù)控機床觸發(fā)式測頭設(shè)備來達到。這些設(shè)備是用于基于項目的規(guī)格，閉環(huán)過程控制，部件的尺寸控制。制造，刀具補償，快速設(shè)置，過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)采集和更多的測量和校準。
它是在目前的制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢非常重要的是要使用這些功能，使得可能部分對部分檢驗控制，如果必要的，這保證了尺寸誤差立即檢測，減少廢料，避免了一整批片都刮掉并降低成本，由于零件返工。
為了幫助維控上車削操作，這項工作開始引入觸發(fā)式探頭的特點，用于產(chǎn)生“觸發(fā)信號”技術(shù)。在此之后，本文提出了一種簡單和低成本的無線觸發(fā)式測頭的基礎(chǔ)上，直接電接觸的原則。原型是一起提交的重復性和準確性的研究。
1. 觸發(fā)式測頭
第一個觸發(fā)式測頭的發(fā)明是為了解決一個具體的檢查要求，但繼續(xù)改造的設(shè)計和革命性的制造組件的過程后檢驗使用三坐標測量機（CMM）的。在20世紀70年代末，幾乎所有主要的CMM制造商在世界上采用雷尼紹?探頭。
后來，由于數(shù)控進展，包括測量功能和直線光柵尺在其軸，使用這種裝置傳到機床，在那里他們成為了自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，使得企業(yè)，從汽車到航空航天，提供精密零件的重要組成部分，減少廢料和最大限度地提高工作效率。
大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的觸發(fā)式測頭技術(shù)在1972年的問題出現(xiàn)在勞斯萊斯公司，在那里他是引擎設(shè)計的副總。當時，他正面臨著測量一些復雜的管路，只有毫米直徑6，對協(xié)和使用奧林巴斯引擎的問題。該管道必須適合精確扎實座架之間，但難度來衡量他們，一旦他們被制造。發(fā)現(xiàn)該溶液是觸發(fā)式探頭（TTP），它使用了一個簡單的原則，以確定探針和部件之間的接觸，以進行測量。 1973年，大衛(wèi)·麥克默特里注冊了一家名為雷尼紹早期成為計量和光譜解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，制造商和研究人員在世界各地（雷尼紹[1]）。由于公司使用的專利機制，由打算加入這個市場上的其他公司需要開發(fā)其他技術(shù)。
3.觸發(fā)式測頭主要特點
獨立使用的技術(shù)，其原理是基于電信號此刻探頭的尖端接觸要測量的部分的產(chǎn)生（或中斷）。該信號，一般稱為觸發(fā)信號，被發(fā)送到把它轉(zhuǎn)換到由數(shù)控或CMM的被讀出的接口。在該機器接收到觸發(fā)信號的那一刻，它會立即凍結(jié)，并保存為計算和報告生成軸值（見圖例如1）。
圖.1.連接到數(shù)控機床的測量系統(tǒng)。
紅外線，無線電頻率或簡單的電線電纜：從TTP到探頭接口觸發(fā)信號傳輸可以采用三種基本不同的通信技術(shù)來建立。紅外通信用于標準車床和銑床傳統(tǒng)的應(yīng)用;這種技術(shù)提供了高可靠性，高傳輸速度率，低噪音干擾和低實施成本。這是接近萬無一失的系統(tǒng)，除非探頭和接收器都出視覺接觸的，作為探針深工件內(nèi)孔或其他凹陷內(nèi)時。對于這些情況和應(yīng)用中，射頻系統(tǒng)建議，（工具及制造[2]）。電線電纜通訊用于它們被安裝并固定在機床工作臺刀具調(diào)整器的探針。
4.探測循環(huán)和編程
據(jù)現(xiàn)代機加工在線[3]，少數(shù)專業(yè)人士會提出異議探測超速零件設(shè)置，設(shè)置刀具補償和執(zhí)行過程中的檢驗，至少在理論上的優(yōu)點。在實踐中，然而，探測器系統(tǒng)經(jīng)常被看作是難于使用和昂貴，購買。其結(jié)果是，他們已經(jīng)成為在高生產(chǎn)環(huán)境主要由有經(jīng)驗的程序員的工具。
為了使探測有效，更經(jīng)濟實惠的范圍廣泛的用戶，一些主要領(lǐng)導的CNC的制造商，如發(fā)那科，海德漢，大隈，辛辛那提米拉克龍公司和西門子，都包括在其數(shù)控軟件，專門開發(fā)的圖形用戶友好界面用于探測的Heidenhain TNC控制系列，例如，能夠自動地或手動地通過三維測量，使檢查的功能，如檢查孔的尺寸精度，確定飼料進行精加工，檢查工件的幾何形狀，并確定從公差偏差，確定工件前加工和掃描三維表面。另外，探測循環(huán)正在廣泛開發(fā)和可以由單個線的信息來激活（Zhou等人[4]）。
今天的標準機床提供精度和可重復性接近以前的水平僅在三坐標測量機。此外，技術(shù)的進步使這些機器容易維護。測試和校準技術(shù)，現(xiàn)已啟用的商店，以確保其機床的精度和健康。伸縮式球桿儀是由幾乎所有的商店很容易負擔得起的。一個藏書豐富的工具箱中也應(yīng)包含電子水平還是不錯的一套精密機床的水平。植物和大商店越來越多維護自己的激光干涉儀和電子水平，而租賃設(shè)備和診斷服務(wù)可購到各種來源的小商店（現(xiàn)代機加工在線[5]）。
另外，根據(jù)現(xiàn)代機加工在線[6]，CNC機器，在一般情況下，非常準確，非常重復。他們媲美同等規(guī)模的三坐標測量機的精度和可重復性。隨著在CNC檢查過程中的一些照顧，導致測量誤差和錯誤切割之間相互依存的因素可以被最小化。
5.技術(shù)用于生成所述觸發(fā)信號
根據(jù)沉和月亮[7]，有當探針尖端接觸所述工件不產(chǎn)生觸發(fā)信號。探針將繼續(xù)走向和探頭尖端和工件之間的力會增加，??從而引起的物理量（例如，電阻），以達到一個閾值設(shè)置。當物理的數(shù)量超過在感測系統(tǒng)中的閾限的觸發(fā)信號生成的。觸摸瞬間和觸發(fā)時刻之間的移動距離被稱為探針的預行程。主要是由彎曲筆軸的偏轉(zhuǎn)，它占大多數(shù)探針錯誤。
基本上有用于生成所述觸發(fā)信號四種不同的原則：電觸點（運動接觸），發(fā)光（激光干涉），變形（應(yīng)變計），并利用壓電效應(yīng)。
5.1運動接觸
目前，這是最常用的觸發(fā)式測頭廣泛。由大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的，這個原理徹底改變了使用的坐標測量機。
根據(jù)圖。 2，它是基于三個小的圓柱形件即保持就座于其他六個氣缸/球而引起的彈簧作用的壓力，限制其自由度直到觸針被帶到與該工件接觸的運動重新座位機構(gòu)。電流通常流經(jīng)三個席位串聯(lián)。當探頭端部移動離開其穩(wěn)定位置，一個或多個座椅接觸場所及阻力的增加立即電子檢測（Mayer等人[8]和里德[9]）。測量完成后，當探頭尖端移動從片背面，探頭彈簧迫使機構(gòu)回到初始穩(wěn)定位置，重新建立的標準電阻。
圖2.運動觸發(fā)式測頭的工作原理（模具和生產(chǎn)[2]）。
5.1.1系統(tǒng)優(yōu)勢
從由該系統(tǒng)提供的主要優(yōu)點，這是杰出的：該系統(tǒng)的簡單性，電氣 - 機械組件的堅固性，廣泛和研究原理。
5.1.2系統(tǒng)的缺點
由于電氣 - 機械裝配，運動探測器易受其電接點的消耗和腐蝕。
此外，這種探頭的主要典型特征是相關(guān)的預行程變化。因為觸針之前彎曲觸發(fā)是探針預行程的主要成分，該特性根據(jù)在觸摸方向的變化而變化（里德[10]）。這種行為發(fā)生由于這樣的事實，在三個“V型塊”由120°角隔開，內(nèi)部機構(gòu)的座位使所需要的力，以產(chǎn)生“觸發(fā)信號”，根據(jù)該接近的方向（以改變Kim和Chung [11 ]）。
Miguel等。 [12]也說，必要的動力，打開電接觸一個取決于即將到來的速度。
據(jù)沉和月亮[7]，同樣的觸發(fā)式測頭型號可能會表現(xiàn)出不同的預行程變化的行為，由于制造和組裝過程中的微小變化。
累積誤差使用觸筆更長大于30mm，由于這樣的事實，所必需的接觸力，生成“觸發(fā)信號”時發(fā)生彎曲的觸針和該偏轉(zhuǎn)正比于它的長度。
如果相對于其他系統(tǒng)，提供類似的好處，這些設(shè)備的購置成本是比較高的。該設(shè)備是眾所周知的，而他們生產(chǎn)的品牌有非常高的質(zhì)量有關(guān)。
5.2應(yīng)變計
應(yīng)變計用類比信息從產(chǎn)生在觸筆觸碰部的電阻變化導出探針交易，以進行測量。
使用這種技術(shù)作為數(shù)字交換機，它是必要的電的信號調(diào)節(jié)和處理，建立從其中的“觸發(fā)信號”時所產(chǎn)生的限制。
5.2.1優(yōu)勢
一個這種技術(shù)的主要優(yōu)點是，預行程變化比運動學探針因為觸針的變形本身負責trigging事件要低得多。由于這個原因，這種探針是非常準確和使得有可能使用觸筆只要200毫米（圖3）
圖.3.預行程變化：比較運動探針（TP20）與應(yīng)變計探針（TP800）的性能（Renishaw的[1]）。探頭采用固體電子學，提供了長壽命和低磨損。根據(jù)模擬信號的校準，這些系統(tǒng)能夠檢測0.2 N.接觸力
5.2.2缺點
與這些探頭有關(guān)的缺點依靠高收購成本，極其先進的電子設(shè)備，使得它非常微妙的設(shè)備和事實，也有極少數(shù)的文獻和信息專接近這些系統(tǒng)。
5.3激光
這些探頭操作使用光電開關(guān)的傳感器。透鏡系統(tǒng)匯聚LED發(fā)出的光束并聚焦在差動光電池上。當觸針偏轉(zhuǎn)，差分光電管產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，（約翰的Heidenhain博士[13]）。
5.3.1優(yōu)勢
如果與其他設(shè)備提供類似的性能之一的這些設(shè)備的主要優(yōu)點是與它的成本，相對低的。
5.3.2缺點
有對差分光電點所在的平行光發(fā)生，并產(chǎn)生了“觸發(fā)信號”，首先改變，針尖和被測定，將需要的部分之間的力偏轉(zhuǎn)的內(nèi)部機構(gòu)，類似于什么情況與有關(guān)到它的電觸點的開“運動探測”。由于這個原因，這兩個系統(tǒng)呈現(xiàn)類似預行程變化特性，表現(xiàn)出對方向的方法的準確性依賴于部分進行測量和兩個系統(tǒng)都沒有指示要使用觸筆長于30毫米。
5.4壓電式傳感器
壓電探針基于用于該壓電晶體的兩個面之間產(chǎn)生，當它被按下時的電勢差的原理。使用此物理原理，有可能設(shè)計出能夠產(chǎn)生從在探頭觸針到達部分的瞬間所產(chǎn)生的電位“觸發(fā)信號”探針。
5.4.1優(yōu)勢
他們是非常準確和重復的系統(tǒng)。像應(yīng)變計探頭，預行程變化比運動學探針低得多，這是可能的校準系統(tǒng)是敏感的力在0.2 N的順序
5.4.2缺點
他們可能是一些低頻噪聲的碰撞一樣敏感，啟動電機，主軸高加速/減速，機械振動等。基于簡單的電接觸6.關(guān)于模型的這項工作的目的是利用基本的和眾所周知的技術(shù)，設(shè)計和制造成本低，堅固耐用和準確的觸發(fā)式測頭能夠測量數(shù)控車床外徑。為此，精確的機械加工的零件和裝配的設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)一種能夠在大觸發(fā)式探針的應(yīng)用中使用的系統(tǒng)。
6.1。該系統(tǒng)
所提出的設(shè)備的工作原理是由上閉觸筆（接地）和內(nèi)部目標（正極）之間的電接觸。在這個特殊的時刻，“觸發(fā)信號”，并且由無線電（無線）發(fā)送到探頭的接口，就可以負責發(fā)送一個24伏的直流到CNC的適當?shù)妮斎?。由于這樣的事實，該滑架將繼續(xù)由慣性后的“觸發(fā)信號”發(fā)生移動時，目標應(yīng)該有一個缺點機制能夠吸附該移動，確保其表面完整性（圖4）。
圖.4在測量過程中的缺陷機制動態(tài)行為。
因此，開發(fā)了觸發(fā)式探頭的可重復性是直接與缺點系統(tǒng)觸發(fā)事件發(fā)生之后，精確座椅返回到其原始位置的能力有關(guān)。如果其缺點系統(tǒng)不能正常工作，會出現(xiàn)在測量和測定的下一個部分的直徑后探頭的長度的預置的變化將表現(xiàn)為比實際的不同。出于這個原因，其缺點系統(tǒng)的開發(fā)都非常小心，保證了系統(tǒng)良好的性能。探針被設(shè)計為在VDI刀柄使用的，根據(jù)DIN 69880和VDI 3425標準。
6.2。系統(tǒng)重復性和再現(xiàn)性（R＆R）
用于測試的觸發(fā)式測頭數(shù)控車床是一種INDEX-TRAUB，模型GU600，22千瓦的功率。數(shù)控系統(tǒng)是西門子810D，能夠提供實驗所需的測量功能。確定總系統(tǒng)的R＆R（探針+機床），實驗完成采取其一部分的直徑是預先加工和規(guī)范化。
在此之后，車削操作是使用硬質(zhì)合金刀具VBMT160404UC6010制成，切割0.010毫米從部件的直徑，采取一切必要的照顧與切削參數(shù)，以減少在過程中的工具磨損。
該器件然后檢查使用觸發(fā)式測頭的發(fā)展，連續(xù)探測60次在同一地點。還提供了手動測量是在使用普通的千分點。這些數(shù)據(jù)被保存在CNC和下載到PC。的轉(zhuǎn)動操作和連續(xù)測量步驟重復五次，從而獲得相對于直徑的每一個（圖5）的五個數(shù)據(jù)樣本。
圖.5例證的實驗過程的用于確定所述探針的R＆R和探針檢查部的照片。
7.結(jié)論
數(shù)控機床的使用觸發(fā)式測頭已成為一個世界性的必要性。然而，一些障礙仍然需要被轉(zhuǎn)置，像在測量例程編程困難，準備技術(shù)員低數(shù)量和有關(guān)此主題的技術(shù)文獻和這些設(shè)備的高的購置成本。這個場景使用的中小型企業(yè)幾乎不可能，準確地對他們來說，這對付小批量配套，其中過程控制容易超出范圍的工具。
這項工作是表示基于內(nèi)部交換機上的一個無線觸發(fā)式探頭模型，與所需要的特性和成本低，在數(shù)控車床中使用的開發(fā)的可行性。盡管探針簡單起見，在實驗室測試的結(jié)果顯示了0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個可重復性。這些特點是高兼容大部分用于工業(yè)車床應(yīng)用的需求。該探測器將繼續(xù)發(fā)展使得其在測量和改進其無線功能三個方向提供將采取。
湖 南 科 技 大 學
英文文獻翻譯
學 生 姓 名： 文 華
學 院： 機電工程學院
專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化五班
學 號： 1103010522
指導教師： 萬林林
2015 年 5 月 27 日
摘 要
此次設(shè)計介紹了數(shù)控機床的發(fā)展及其應(yīng)用情況，并概括了數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點。主要設(shè)計了CK6140數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)速圖的擬定、變速齒輪的設(shè)計與計算、帶傳動的設(shè)計與計算，編碼器的選擇與安裝等。設(shè)計結(jié)果表明，該機床結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，且性價比高。
CK6140數(shù)控車床主軸箱由安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足不同加工切削要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；主軸箱；主傳動系統(tǒng)
i
ABSTRACT
The design of the development and application of NC machine tools was introduced, and the structure characteristics of the NC machine tools are summarized. Main design is CK6140 NC machine tool main driving system, its main contents include: speed figure drawing up, the design and calculation of change gear, belt transmission design and calculation, the selection of the encoder and the installation and so on. The design results show that the machine has simple structure, easy maintenance and cost-effective.
CK6140 CNC lathe headstock by the installation in the precision bearing of hollow spindle and a series of change gear. CNC lathe spindle can get any speed within the speed range, in order to meet different processing requirements of cutting.
Key words: CNC lathe; headstock ; main driving system
ii
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 2015 年 1 月 30 日
學生姓名: 學號: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題：CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計
2 學生設(shè)計（論文）時間：自 2015年 1月30 日開始至 2015 年5月 25 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
①上一學期所搜集的相關(guān)文獻資料；
②相關(guān)教材及機械設(shè)計、工藝手冊；
③要求熟練使用AutoCAD、PRO/E繪圖軟件。
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
① 分析確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；②主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；③零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算 ；④裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；⑤本設(shè)計的優(yōu)缺點分析 ；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)計說明書；
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
①零件圖、裝配圖（Pro/E或AutoCAD完成），折合0號圖2.5張；
②編寫的設(shè)計說明書不少于40頁 ；
③課題相關(guān)論文的翻譯（英譯中，不少于2000字）一篇 ；
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 30 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計
作者
文 華
學院
機電工程學院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學號
指導教師
二〇一五 年 五 月 二十六 日
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 2015 年 1 月 30 日
學生姓名: 學號: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題：CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計
2 學生設(shè)計（論文）時間：自 2015年 1月30 日開始至 2015 年5月 25 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
①上一學期所搜集的相關(guān)文獻資料；
②相關(guān)教材及機械設(shè)計、工藝手冊；
③要求熟練使用AutoCAD、PRO/E繪圖軟件。
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
① 分析確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；②主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；③零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算 ；④裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；⑤本設(shè)計的優(yōu)缺點分析 ；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)計說明書；
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
①零件圖、裝配圖（Pro/E或AutoCAD完成），折合0號圖3張；
②編寫的設(shè)計說明書不少于40頁 ；
③課題相關(guān)論文的翻譯（英譯中，不少于2000字）一篇 ；
典型零件的數(shù)控加工程序；
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 30 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導人評語
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導人： （簽名）
年 月 日
指導人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學生： 學號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
湖 南 科 技 大 學
開題報告
學 生 姓 名：
學 院： 機電工程學院
專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化五班
學 號：
指導教師：
2015 年 3 月 7 日
湖南科技大學 2011 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目
CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計
作者姓名
學號
所學專業(yè)
1、 研究的意義，同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻）
研究意義：
數(shù)控技術(shù)是采用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)，目前在機械加工行業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。本次畢業(yè)設(shè)計題目就是CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計，通過對此課題的設(shè)計研究，可以綜合運用我們所學的機械方面的知識，一切從生產(chǎn)實際出發(fā)，去分析和解決數(shù)控車床方面的實際問題，熟悉和掌握數(shù)控車床主軸系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，不斷提高自身獨立、全面的思考能力和設(shè)計能力。
同類研究工作國內(nèi)現(xiàn)狀及存在問題：
自從數(shù)控機床進入我國市場起，我國數(shù)控機床行業(yè)就呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢，近年來，我國數(shù)控機床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設(shè)計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術(shù)的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術(shù)工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力[4]。
同類研究工作國外現(xiàn)狀及存在問題：
從1951年將計算機技術(shù)應(yīng)用到機床上起，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控和計算機數(shù)控兩個發(fā)展階段。目前數(shù)控系統(tǒng)正處于基于PC的第六代更新階段，這是因為PC可靠性高，成本低，軟硬件資源比較豐富等。目前，國際數(shù)控系統(tǒng)正朝著智能化的方向飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)可以檢測一些重要的信息，而且能自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，進而達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。另外，主傳動系統(tǒng)引入故障診斷系統(tǒng)，能通過自動識別負載，調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)。存在的主要問題：由于機床的萬能性和多功能性，造成機床結(jié)構(gòu)復雜、制造周期長、成本也相應(yīng)提高。用戶往往只需要都分功能，但付出的卻是多功能的代價，功能浪費了，根不經(jīng)濟。現(xiàn)在機床制造業(yè)從品種少、批量大的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換為多品種、專業(yè)化和小批量生產(chǎn)。對每一種具體的機床產(chǎn)品來說，它的功能應(yīng)該是有限的，適合用戶特定需要的，盡量不帶不必要的功能[5]。
參考文獻：
[1]關(guān)慧貞，機械制造裝備設(shè)計，第三版，北京，機械工業(yè)出版社，2009
[2]范祖堯，現(xiàn)代機械設(shè)備設(shè)計手冊，第三版，北京，機械工業(yè)出版社，1996
[3王杰，機械制造工程學，北京，北京郵電大學出版社，2004
[4]畢承恩，現(xiàn)代數(shù)控機床，北京，機械工業(yè)出版社，1991
[5]吳祖育，數(shù)控機床，上海，上?？茖W技術(shù)出版社，1990
[6]趙松年，機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計，北京，機械工業(yè)出版社，1997
[7]濮良貴，機械設(shè)計，第八版，北京，高等教育出版社，2006
2、 研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進一步具體化）
研究目標：CK6140車床主軸系統(tǒng)設(shè)計
研究內(nèi)容：
（1） 分析確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；
（2） 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；
（3） 零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算 ；
（4） 裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；
（5） 本設(shè)計的優(yōu)缺點分析 ；
（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)計說明書
擬解決的關(guān)鍵問題：
（1）確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；（2）主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計
3、 特色與創(chuàng)新之處
通過對CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，去解決實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)力低下，效率不高的問題，逐步提高生產(chǎn)率，讓CK6140數(shù)控車床的應(yīng)用更加廣泛。通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)了自己理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，綜合運用了已修課程的基礎(chǔ)理論并結(jié)合生產(chǎn)實際進行分析和解決實際工程中遇到的問題。鞏固、深化和擴展了自己對機械設(shè)計專業(yè)的認識，通過對通用機械零件、常用機械傳動和簡單機械的設(shè)計，使我掌握了一般機械設(shè)計的程序和方法，樹立了正確的工程設(shè)計思想。
4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
研究方法：
參閱各種有關(guān)變速器和機架等部件的設(shè)計、介紹資料，并結(jié)合老師和自己的一些相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗來設(shè)計。
步驟：
（1） 完成CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)機械部分的設(shè)計；
（2） 完成CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)控制部分的設(shè)計；
（3） 用三維繪圖軟件完成CK6140數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)的總裝圖的三維模型及工程圖；
（4） 完成主要零件的零件圖。
技術(shù)路線：
計算出主切削力，確定傳動方案；設(shè)計主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定總體方案。
5、 擬使用的主要設(shè)計、分析軟件及儀器設(shè)備
擬使用的主要設(shè)計、分析軟件：
（1）二維設(shè)計軟件AutoCAD
（2）三維設(shè)計軟件Pro-E
儀器設(shè)備：
游標卡尺、直尺等
6、 參考文獻
[1]關(guān)慧貞，機械制造裝備設(shè)計，第三版，北京，機械工業(yè)出版社，2009
[2]范祖堯，現(xiàn)代機械設(shè)備設(shè)計手冊，第三版，北京，機械工業(yè)出版社，1996
[3王杰，機械制造工程學，北京，北京郵電大學出版社，2004
[4]畢承恩，現(xiàn)代數(shù)控機床，北京，機械工業(yè)出版社，1991
[5]吳祖育，數(shù)控機床，上海，上?？茖W技術(shù)出版社，1990
[6]趙松年，機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計，北京，機械工業(yè)出版社，1997
[7]濮良貴，機械設(shè)計，第八版，北京，高等教育出版社，2006
注：
1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。
2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。
3、表中各項可加附頁。
5
湖南科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（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 我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題………………………………… 2
1.1.3 經(jīng)濟型數(shù)控機床在國民經(jīng)濟中的地位………………………… 2
1.1.4 經(jīng)濟型數(shù)控機床的特點及要求………………………………… 3
1.2 研究內(nèi)容和方法………………………………………………………… 4
1.2.1 研究內(nèi)容…………………………………………………………… 4
1.2.2 研究方法…………………………………………………………… 5
1.3 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成…………………………………………………… 5
1.3.1 設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………… 5
1.3.2 論文構(gòu)成…………………………………………………………… 5
第二章 機床設(shè)計……………………………………………………………… 7
2.1 機床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求………………………………………… 7
2.2 機床設(shè)計步驟…………………………………………………………… 9
2.3 機床總體布局…………………………………………………………… 10
第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………… 12
3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求和特點………………………………………… 12
3.1.1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求………………………………… 12
3.1.2 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點……………………………………… 12
3.2 總體設(shè)計………………………………………………………………… 12
3.2.1 擬定傳動方案……………………………………………………… 12
3.2.2 選擇電機…………………………………………………………… 14
3.2.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩………………………………… 17
3.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖…………………………………………………… 18
3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 19
3.3.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………… 19
3.3.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………… 23
3.3.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………… 34
3.3.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計………………………………………… 37
3.3.5主軸箱展開圖…………………………………………………39
第四章 進給傳動系設(shè)計的簡單介紹…………………………………… 40
4.1 進給傳動系的組成………………………………………………………40
4.2 進給傳動系設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求………………………………… 40
第五章 結(jié)論…………………………………………………………………… 41
參考文獻………………………………………………………………………… 42
致謝……………………………………………………………………………… 43
i
第一章 前 言
1.1 課題背景
1.1.1 數(shù)控機床的發(fā)展及應(yīng)用情況
計算機技術(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)把計算機、微電子、自動檢測、信息處理、自動控制等高新技術(shù)集于一體，具有高效率、高精度、柔性自動化等特點，對現(xiàn)代制造業(yè)實現(xiàn)集成化、智能化、自動化有著非常重要的的作用。數(shù)控技術(shù)是一門把自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代機械制造術(shù)、信息處理技術(shù)等集于一體的綜合技術(shù)，是這些年來發(fā)展很迅速的一門綜合性的高新技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是為了適應(yīng)高速度、高精度、復雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實現(xiàn)數(shù)字化、柔性化、信息化、自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的根基，是現(xiàn)代制造技術(shù)的核心和靈魂，應(yīng)用前景十分廣闊。伴隨著電子計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息自動處理技術(shù)、以及數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，給自動化帶來了新的定義，使得機械制造自動化不斷的向前發(fā)展。最早在20世紀40年代初，就已經(jīng)有人提出采用數(shù)控技術(shù)進行機械制造加工的想法。
在1953年，美國空軍技術(shù)研發(fā)部跟麻省理工大學進行合作，計劃投身于計算機自動編程的研究與開發(fā)，這就是創(chuàng)建自動編程系統(tǒng)的開始。自動編程系統(tǒng)開始于APT的成功研制。
在1954年，美國本迪克斯公司生產(chǎn)制造出世界上第一臺工用數(shù)控機床，在這之后的幾年里，數(shù)控機床技術(shù)在美國進入了飛速發(fā)展的階段，隨之在市場上也出現(xiàn)了商品化的數(shù)控機床。在1958年，美國一家公司率先研制出帶有換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“數(shù)控加工中心”。
在1959年，隨著晶體管元器件的出現(xiàn)，于是在數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板。與此同時，麻省理工大學和美國航空部門一起合作發(fā)展了APT程序語言。
在1960年以后，數(shù)控技術(shù)進入了迅猛發(fā)展的階段。日本、德國、英國等工業(yè)國家陸續(xù)地開發(fā)、研制、生產(chǎn)及使用數(shù)控機床，數(shù)控技術(shù)慢慢應(yīng)用到其他機械上。比如，焊接機、饒線機、切割機等。在程序編制方面，已經(jīng)由手工編程慢慢發(fā)展到計算機自動編程。與此同時，又出現(xiàn)和發(fā)展了許多的自動編程語言。
在1965年，隨著小規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使得數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了進一步提高，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)的機床為普通數(shù)控機床。
在1967年，英國率先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔韌性的加工系統(tǒng)，開始研制和開發(fā)最初的柔性制造系統(tǒng)FMS，在此之后，美國、歐洲、日本也開始陸續(xù)開發(fā)和應(yīng)用。在20世紀80年代初，出現(xiàn)了柔性制造單元FMC，這時FMS已日趨成熟。并慢慢地發(fā)展成為第四代數(shù)控系統(tǒng)。
在1971年前后，美國一家公司開發(fā)了微處理器。在1974年，美國、日本等國家率先研制和開發(fā)出了以微處理器為中心的計算機數(shù)控系統(tǒng)。這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。
最近20年以來，伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)控技術(shù)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。
我國數(shù)控機床行業(yè)有著巨大的市場空間，未來十年，汽車行業(yè)和高新技術(shù)等產(chǎn)業(yè)將會在我國迅猛發(fā)展。有專家指出，以目前我國中高檔數(shù)控機床和成套成線設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)能力，在質(zhì)量、品種和數(shù)量上還遠遠不能適應(yīng)市場的巨大需求，因此必須加快數(shù)控機床的研制和開發(fā)。
1.1.2 我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題
目前我國的數(shù)控機床發(fā)展雖然取得了較大的成就，但還是存在一些問題：
（1） 數(shù)控化水平低
這些年來，我國數(shù)控機床生產(chǎn)一直保持著高速增長。2000年的產(chǎn)量位居世界第五。但是與很多發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床數(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)達國家維持在75%左右。以金屬切削機床作為例子，我國去年年產(chǎn)量為25萬臺，其中數(shù)控機床只有2.5萬臺，僅為產(chǎn)量的十分之一左右。中高檔次的數(shù)控機床及配套部件只能依靠進口。
（2） 功能部件有差距
數(shù)控功能部件是指主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、高速防護裝置、刀庫和機械手等，他們是數(shù)控機床的重要組成部分。功能部分技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平將直接影響著數(shù)控機床整機的性能和技術(shù)水平。相對數(shù)控機床主機來說，我國功能部件生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展顯得落后很多。功能部件的水平不僅決定著機床的整機性能，還占到整機成本的65%左右，它的發(fā)展狀況將直接關(guān)系到機床整體的競爭水平。
近年來，我國的功能部件生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至還依附于主機廠或者研究所。從整體上來看，我國功能部件的生產(chǎn)發(fā)展比較緩慢，品種較少，產(chǎn)業(yè)化程度很低，精度指標和性能指標都還不達不到要求。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)控機床的配套需要。高級數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件和數(shù)控動力刀架等還大量依賴進口。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)濟型數(shù)控機床在國民經(jīng)濟中的地位
數(shù)控機床的分類方式有很多種，按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平來分的話，數(shù)控機床可以分為經(jīng)濟型、中檔型和高檔型。隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，機械制造業(yè)也得到了快速的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)數(shù)控機床的應(yīng)用越發(fā)廣泛，例如汽車行業(yè)、航天行業(yè)等，因為與機械制造有關(guān)的行業(yè)都有數(shù)控機床的存在，特別是經(jīng)濟型數(shù)控機床的應(yīng)用，而且經(jīng)濟型數(shù)控機床的伺服進給驅(qū)動一般是由步進電機實現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動，功能簡單、價格低廉、精度中等，能滿足加工形狀比較簡單的直線、圓弧以及螺紋的加工。一般控制軸在三軸以下，脈沖當量多為10，快速進給速度在10m/min以下。因此經(jīng)濟型數(shù)控機床的應(yīng)用非常廣泛。
這些年來，伴隨著我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，讓數(shù)控機床的應(yīng)用也越發(fā)廣泛，其中經(jīng)濟型數(shù)控機床的應(yīng)用特別明顯。但是伴隨著機械制造業(yè)在國民經(jīng)濟中地位不斷的提高，數(shù)控機床的地位也隨之不斷提高。這就使得數(shù)控機床的產(chǎn)量不斷的增加，2000年產(chǎn)量就位居世界第五。以金屬切削機床為例，我國去年產(chǎn)量為25萬臺，其中數(shù)控機床只有2.5萬臺，僅為產(chǎn)量的十分之一左右。其中數(shù)控機床產(chǎn)量的增加非常明顯，根據(jù)資料的統(tǒng)計，國產(chǎn)的數(shù)控機床到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)濟型數(shù)控機床，上面的敘述表明了經(jīng)濟型數(shù)控機床在國民經(jīng)濟中占據(jù)著非常重要的地位。
1.1.4 經(jīng)濟型數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點及要求
經(jīng)濟型數(shù)控機床和一般的數(shù)控機床一樣，在效率、精度和自動化程度等方面要明顯高于普通的機床，同時還具有了柔性，這就對其結(jié)構(gòu)有了以下幾點要求：
（1） 高的剛度
當數(shù)控機床要在中高速切削條件下工作時，機床的工作臺、床身、主軸、立柱、刀架等主要部件都需要很高的剛度，使得在工作中變形或振動最小。
（2） 高的靈敏度
數(shù)控機床在自動狀態(tài)下工作時要求的精度高于普通的機床，因此相應(yīng)地運動也具有高的靈敏度。導軌通常采用塑料導軌、靜壓導軌、滾動導軌等，以達到減小摩擦力、低速無爬行的目的，工作臺、刀架等移動部件則需要由直流或交流伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動。主軸多數(shù)采用滾動軸承來提高靈敏度。
（3） 高的抗振性
數(shù)控機床的部分運動部件需要保證在中高速切削的條件下沒有振動，以保證加工件的精度和表面粗糙度的要求。同時還要注意避免切削時的產(chǎn)生的諧振。
（4） 熱變形要小
運動的部件容易產(chǎn)生熱量。為保證部件的運動精度，一般采取立柱框架式結(jié)構(gòu)，使提高剛度的同時防止產(chǎn)生熱變形而發(fā)生傾斜偏移，主軸可采用恒溫冷卻主軸，以保證主軸高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量最少，電動機可以采用安裝散熱裝置以減少電動機運轉(zhuǎn)時發(fā)熱的影響。
（5） 高精度的保持性
數(shù)控機床需要保證長時間內(nèi)具有穩(wěn)定的工作精度，即高精度的保持性，一般選擇合適的零件材料，防止使用時發(fā)生變形和磨損，同時采取相應(yīng)的工藝措施，比如淬火和粘貼塑料導軌等，以提高運動部件的耐磨性。
（6） 高的可靠性
數(shù)控機床大多數(shù)是在自動或者半自動條件下工作的，需要具有高的可靠性。
（7）刀具系統(tǒng)
數(shù)控機床刀具要具有高的耐用度，合理的結(jié)構(gòu)，同時對于不同的數(shù)控機床，需要用不同的刀具系統(tǒng)和相應(yīng)的刀片。
與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下優(yōu)越性：
1、可以加工出普通機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比普通機床提高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、可實現(xiàn)多工序的集中加工，減少零件在機床間的搬運。
5、擁有自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N功能，可實現(xiàn)長時間沒有人看管的加工。
因此，采用數(shù)控機床，可以大大降低工人的勞動強度，節(jié)約勞動力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試驗周期和生產(chǎn)周期，可以對市場的需求作出快速的反應(yīng)。 而且數(shù)控機床推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已然成為機械制造業(yè)自動化的核心技術(shù)。
基于以上優(yōu)越性，數(shù)控機床所占的比例迅速增大。從2006年的市場消費的內(nèi)容可以看出,傳統(tǒng)機床的市場份額在下降,數(shù)控機床份額則大幅度的增長，尤其是中高檔數(shù)控機床變得供不應(yīng)求。因此可以預料，未來幾年甚至十年內(nèi)傳統(tǒng)機床的市場份額將不斷的下滑, 數(shù)控機床的消費會逐步的擴大。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺經(jīng)濟型數(shù)控車床—CK6140，用于對轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓錐面、端面以及各種公、英制螺紋等進行高效、批量、高精度的自動加工，以提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量和降低工人的勞動強度。通過本次畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)自己綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力[1]。
1.2 研究內(nèi)容和方法
1.2.1 研究內(nèi)容
本課題設(shè)計的數(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)容是主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計。
1.2.2 研究方法
第一步，明確設(shè)計的要求，找出研究的重點和難點：數(shù)控車床最基本的要求就是精度達標，運行穩(wěn)定可靠，操作、保養(yǎng)方便，壽命比較長，此外還要力求外型的美觀。
第二步，進入工廠觀察，大量收集相關(guān)的資料，廣泛吸取有關(guān)專家設(shè)計的經(jīng)驗。
第三步，初步地確定總體的設(shè)計方案：
1、 軟件的方面
充分考慮功能、技術(shù)先進、價格、服務(wù)方便等因素，以及考慮數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK6140的性能相匹配，盡量減少數(shù)控功能的過剩。
2、硬件的方面
（1）根據(jù)機床的性能要求，確定機床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進行總體的布局；
（2）選擇主電動機。根據(jù)切削力的大小以及機床的變速要求，初步地選定主電動機的型號；
（3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及主軸箱。根據(jù)主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動的方式。
1.3 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成
1.3.1 設(shè)計主要任務(wù)
1、 分析確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；
2、 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；
3、 零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算；
4、 裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；
5、 本設(shè)計的優(yōu)缺點分析；
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)計說明書。
1.3.2 論文構(gòu)成
第1章 前言
第2章 機床的設(shè)計。
第三章 詳細論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第四章 簡單介紹進給傳動系的設(shè)計。
第五章 總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計。
論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計的心得、參考文獻和致謝。
第二章 機床設(shè)計
2.1 機床設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求
1、 工藝范圍
機床工藝范圍是指機床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力，也可稱為機床的加工功能。機床應(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。機床的加工作業(yè)功能要求將決定其運動功能，加工作業(yè)空間要求將決定其運動行程范圍。機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。如使用單機生產(chǎn)模式，工序集中，要求機床具有較寬的加工范圍，對加工效率和自動化程度的要求相對低一些。如使用于多品種小批量的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)模式，要求機床能適應(yīng)多品種工件的加工，具有一定的工藝范圍、較高的加工效率和自動化程度。如使用于大批量生產(chǎn)模式，工序分散，一臺機床僅需要對一種工件完成一道或幾道工序的加工，工藝范圍窄，但要求加工效率高，自動化程度高。
機床的工藝范圍直接影響到機床結(jié)構(gòu)的復雜程度、設(shè)計制造成本、加工效率和自動化程度。對于生產(chǎn)率，就機床本身而言，工藝范圍增加，可能會使加工效率下降。但就工件的制造全過程而言，機床工藝范圍增加，將會減少工件的裝卸次數(shù)，減少安裝、搬運等輔助時間，有可能使總的生產(chǎn)率提高。
2、 柔性
機床的柔性是指其適應(yīng)加工對象變化的能力。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對機床及其組成的生產(chǎn)線的柔性要求越來越高。傳統(tǒng)的剛性自動生產(chǎn)線盡管生產(chǎn)效率高，但無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快的要求。
機床的柔性包括空間上的柔性和時間上的柔性。所謂空間柔性，也就是功能柔性，包括機床的通用性和在同一時期內(nèi)進行快速功能重構(gòu)的能力，即機床能夠適應(yīng)多品種小批量的加工，機床的運動功能和刀具數(shù)目多，工藝范圍廣，一臺機床具備多臺機床的功能，因此在空間上布置一臺高柔性機床，其作用等于布置了幾臺機床。所謂時間上的柔性，也就是結(jié)構(gòu)柔性，指的是在不同時期，機床的各部件的重新組合，構(gòu)成新的機床，即通過機床重構(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
可接近性是指機床與物流系統(tǒng)之間進行物料流動的方便程度。對于普通機床，是由人工進行物料流動的，要求機床的使用、操作、清理和維護方便和安全。對于自動化制造系統(tǒng)，是采用工件傳送帶、自動換刀系統(tǒng)和自動排屑系統(tǒng)等裝置自動進行物料流動的，要求機床的結(jié)構(gòu)便于物料的流動，可靠性好。
4、剛度
機床的剛度是指加工加工過程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相對于工件在影響機床加工精度方向變形的能力。剛度包括靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。機床的剛度直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率，因此機床應(yīng)有足夠的剛度。機床是工作母機，其剛度要求比一般機械裝備要高得多。
5、精度
要保證能加工出一定精度的工件，作為工作母機的機床必須具有更高的精度要求。機床精度主要指機床的幾何精度和機床工作精度。機床的幾何精度指空載條件下機床本身的精度，描述機床獨立部件相對理想的線或面的形狀特征、位置、旋轉(zhuǎn)、位移的偏差程度。他們對于機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。機床的工作精度指精加工條件下機床的加工精度。
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)計和制造過程中要設(shè)法降低噪聲。
7、生產(chǎn)率
機床的生產(chǎn)率通常是指單位時間內(nèi)機床所能加工的工件數(shù)量。機床的切削效率越高，輔助時間越短，則它的生產(chǎn)率越高。對用戶而言，使用高效率的機床，可以降低工件的加工成本。
8、自動化
機床的自動化程度越高，則加工效率越高，加工精度的穩(wěn)定性越好，還可以有效降低工人的勞動強度，便于一個工人看管多臺機床，大大提高勞動生產(chǎn)率。
9、成本
成本概念貫穿在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，包括設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用維護、再利用和報廢處理等的費用，是衡量產(chǎn)品競爭力的重要指標，應(yīng)在盡可能保證機床性能要求的前提下，提高其性能價格比。
10、生產(chǎn)周期
為了快速響應(yīng)市場需求變化，生產(chǎn)周期是衡量產(chǎn)品市場競爭力的重要指標，應(yīng)盡可能縮短機床的生產(chǎn)周期。這就要求應(yīng)盡可能采用現(xiàn)代設(shè)計方法，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)保證機床在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的加工功能時，無故障運行的概率要高。
12、造型與色彩
機床的外觀造型與色彩，要求簡潔明快、美觀大方、宜人性好。應(yīng)根據(jù)機床功能、結(jié)構(gòu)、工藝及操作控制等特點，按照人機工程學要求進行設(shè)計。
13、機床設(shè)計方法
隨著科學技術(shù)的進步和社會需求的變化，機床的設(shè)計理論和技術(shù)也在不斷的發(fā)展。計算機技術(shù)和分析技術(shù)的飛速進步，為機床設(shè)計方法的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。計算機輔助設(shè)計（CAD )和計算機輔助工程（CAE）已在機床設(shè)計的各個階段得到了應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法，使機床設(shè)計由傳統(tǒng)的人工設(shè)計向計算機輔助設(shè)計、由定性設(shè)計向定量設(shè)計、由靜態(tài)和線性分析向動態(tài)和非線性分析、由可行性設(shè)計向最佳設(shè)計過渡。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使得機床的傳動與結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變化。伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)機床的單軸運動及多軸聯(lián)動，從而可以省去復雜笨重的機械傳動系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)和布局產(chǎn)生了很大的變化[2]。
2.2 機床設(shè)計步驟
一般機床設(shè)計的內(nèi)容及大致步驟如下：
（1） 總體設(shè)計
1、 機床主要技術(shù)指標設(shè)計
機床主要技術(shù)指標設(shè)計是后續(xù)設(shè)計的前提和依據(jù)。對于不同的設(shè)計任務(wù)，如工廠的規(guī)劃產(chǎn)品，或根據(jù)機床系列型譜進行設(shè)計的產(chǎn)品、用戶的訂貨等，盡管具體的設(shè)計要求不同，但主要的技術(shù)指標大致相同，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） 運行模式 機床是單機運行模式，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 加工件所要求的精度或機床的精度、剛度、熱變形、噪聲等性能指標。
（5） 主要參數(shù) 即確定機床的加工空間和主參數(shù)。
（6） 驅(qū)動方式 機床的驅(qū)動方式有電動機驅(qū)動和液壓驅(qū)動。電動機驅(qū)動方式中又有普通電動機驅(qū)動、步進電動機驅(qū)動與伺服電動機驅(qū)動。驅(qū)動方式的確定不僅與機床的成本有關(guān)，還將直接影響傳動方式的確定。
（7） 成本及生產(chǎn)周期 無論是訂貨還是工廠規(guī)劃產(chǎn)品，都應(yīng)確定成本及生產(chǎn)周期方面的指標。
2、總體方案設(shè)計
總體方案設(shè)計包括：
（1） 運動功能設(shè)計 包括確定機床所需運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序，最后畫出機床的運動原理圖，并進行運動功能分配。
（2） 基本參數(shù)設(shè)計 包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計。
（3） 傳動系統(tǒng)設(shè)計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。
（4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計 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。
（5） 控制系統(tǒng)設(shè)計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。
3、 總體方案綜合評價與選擇
在總體方案設(shè)計階段，對其各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案。
4、 總體方案的設(shè)計修改或優(yōu)化
對所選擇的方案進行進一步修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設(shè)計內(nèi)容，在設(shè)計過程中要交叉進行。
（2） 詳細設(shè)計
詳細設(shè)計包括：技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計。
1、 技術(shù)設(shè)計
設(shè)計機床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結(jié)構(gòu)的原理方案，設(shè)計部件裝配圖，對主要零件進行分析計算和優(yōu)化，設(shè)計液壓原理圖和相應(yīng)的液壓部件裝配圖，設(shè)計電氣控制系統(tǒng)原理圖和相應(yīng)的電氣安裝接線圖，設(shè)計和完善機床總裝配圖和總聯(lián)系尺寸圖。
2、 施工設(shè)計
設(shè)計機床的全部自制零件圖，編制標準件、通用件和自制件明細表，編寫設(shè)計說明書、使用說明書，制定機床的檢驗方法和標準等技術(shù)文檔。
（3） 機床整機綜合評價
對所設(shè)計的機床進行整機性能分析和綜合評價?？蓪λO(shè)計的機床進行計算機建模，得到所謂的數(shù)字化樣機，又稱虛擬樣機。采用虛擬樣機技術(shù)對所設(shè)計的機床進行運動學仿真和性能仿真，在實際樣機沒有試造出來之前對其進行綜合評價，可以大大減少新產(chǎn)品研制的風險，縮短研制的周期，提高研制的質(zhì)量。
上述步驟可反復進行，直至達到設(shè)計結(jié)果滿意為止。在設(shè)計過程中，設(shè)計與評價反復進行，可以提高一次設(shè)計成功率。
（4） 定型設(shè)計
在上述步驟（三）完成后，可以進行實物樣機的制造、實驗及評價。根據(jù)實物樣機的評價結(jié)果進行修改設(shè)計，最終完成產(chǎn)品的定型設(shè)計。
2.3 機床總體布局
按照床身導軌面與水平面的相對位置，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
一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局形式具有以下的特點：
(1) 更容易實現(xiàn)機電一體化；
(2) 機床外形美觀，占地面積小；
(3) 更容易設(shè)置封閉式防護裝置；
(4) 容易進行排屑以及安裝自動排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機的自動化[1]。
基于以上的優(yōu)點，在本課題中采用傾斜滑板平床身。
第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求和特點
3.1.1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求：
1、主軸要具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)、能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床不同的運動要求；
2、主電動機要具有足夠的功率，全部的機構(gòu)和元件要具有足夠的剛度和強度，來滿足機床動力方面的要求；
3、主軸部件要有足夠的精度，抗振性、熱變形以及噪音都要小，傳動效率必須要高，以滿足機床工作性能方面的要求；
4、調(diào)整維修方便，操作靈活可靠，密封潤滑良好，用以滿足機床的使用要求；
5、結(jié)構(gòu)要簡單緊湊，工藝性能要好，成本要低，以滿足經(jīng)濟方面的要求[2]。
3.1.2 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點
與普通機床比較，數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點：
1、轉(zhuǎn)速更高、功率更大；
2、更大的變速范圍，并實現(xiàn)了無級調(diào)速；
3、主軸變速要快速并且可靠，要有比較高的剛度以及精度、傳動平穩(wěn)，噪聲要低；
4、主軸部件的耐磨性要高，要有比較好的熱穩(wěn)定性和抗振性[2]。
3.2 總體設(shè)計
3.2.1 擬定傳動方案
數(shù)控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調(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大于電動機的恒功率變速范圍，故必須配以分級變速箱。為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級變速級數(shù)應(yīng)該少些，分級變速箱的公比可取大于電動機的恒功率變速范圍，即>。主軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍為40r/min~4000r/min;根據(jù)以下計算：（以下計算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計算轉(zhuǎn)速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/159=25.2
電動機恒功率變速范圍為：
為了簡化變速箱結(jié)構(gòu)，取變速箱的變速級數(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：
主傳動系圖如下圖所示：
圖3.1 主軸傳動圖
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數(shù)控機床的復雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(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
1、選擇電機應(yīng)綜合考慮的問題
(1)根據(jù)機械的負載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。
(2)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式。
(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構(gòu)的復雜程度，選擇電動機額定轉(zhuǎn)速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[4]。
2、電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。感應(yīng)電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機床上。
經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用FANU系列交流主軸電機。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊[4]。
3、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算，本設(shè)計中電機容量按以下步驟確定：
表3.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能
項目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動態(tài)響應(yīng)
高加減速，起制動能力
具有強魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率，低噪聲
低價格
低購買價格，低維護價格,低服務(wù)價格
通用要求
耐用性，可維護性，安全可靠性
（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料[5])
確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為250公斤/m2。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進給量?。?
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）確定電機輸出動率
（3.5）
傳動裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[6]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動軸承效率，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）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應(yīng)留有余量，，所以電動機額定功率選取為11。
（4）電動機電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V[4]。
同一類型、功率相同的電動機具有多種轉(zhuǎn)速。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機則情況相反。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。
本課題中數(shù)控機床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為40r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取FANUC交流電機，型號為。這種電機轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現(xiàn)電機的高速、高加速控制，作為α系列的后續(xù)產(chǎn)品，具有更先進的節(jié)能效果。電機參數(shù)如下表所示：
表3.2 電機參數(shù)
型號
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
重量
振動
冷卻
機座長為，電機軸徑為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 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
1、 各軸計算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式：
==159 r/min； （3.6）
然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉(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）
將以上計算結(jié)果整理后列于表3.3，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表3.3 各軸的傳動參數(shù)
軸
參數(shù)
I軸（電機軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸）
計算轉(zhuǎn)速（）
700
350
159
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉(zhuǎn)矩（）
150.16
286.66
600.63
傳動比
，
3.2.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖
由電機的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉(zhuǎn)矩變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的主運動轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖,見圖3.2。
圖3.2 轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖
由轉(zhuǎn)速圖3.2可知，電動機經(jīng)1:2定比傳動降速后，如果經(jīng)16：9傳動比傳動主軸，則當電動機轉(zhuǎn)速從4500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速從4000r/min降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時變速箱變速，經(jīng)5:11傳動比傳動主軸，電動機又恢復從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至341r/min。故主軸從4000r/min降至341r/min為恒功率調(diào)速。主軸從341r/min降至40r/min，電動機從1500r/min降至176r/min為電動機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。（額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率；額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩；本方案電動機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。）
初定數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖,如圖3.3。
圖3.3 傳動系統(tǒng)圖
3.3 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[7]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
（1）本次設(shè)計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故選用8級精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得120，故
?。?5mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
3、按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式(10-9a)進行試算，即
（3.9）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪傳遞的轉(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度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限；
（6）由式10-13計算應(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）傳動比u=2；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
= mm
（2）計算圓周速度
（3.12）
（3）計算齒寬
（3.13）
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級精度，由圖10-8查得動載系數(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級精度，小齒輪懸臂支承時，1.305；
由；，查圖10-13得1.255；故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
= （3.14）
（7）計算模數(shù)
112.0/30mm=3.73mm
4、按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為
（3.15）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，0.87；
（3）計算彎曲疲勞許用應(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)計計算
=
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強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)，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)2.73mm，并就近圓整為標準值m=2.75mm，按接觸強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)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
5、幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑 （3.19）
2）計算中心距 （3.20）
3）計算齒輪寬度 （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（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應(yīng)的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。
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。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
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
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設(shè)計。
1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù)
(1)本數(shù)控機床的運行速度較高，精度等級選擇8級精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40Cr，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS,硬度差為40HBS。
(3)小齒輪齒數(shù)初選為＝20，＝＝
2）按齒面接觸強度進行設(shè)計
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內(nèi)的各計算值：
(1)初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
(2)計算小齒輪傳遞的轉(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度＝600MPa；大齒輪的接觸疲勞強度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設(shè)計壽命為72000h，由式10－13，計算應(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)傳動比u=2.2；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.26）
（3）計算齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
(5)計算載荷系數(shù)K
由圖10－8，查得動載系數(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級精度，小齒輪非對稱布置時，1.254；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數(shù)
（3.27）