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摘 要
本文介紹了立式數(shù)控銑床的一些基本概況，簡述了機床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型，分析了各種傳動方案的機理。立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括了主軸電動機、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分組成。本文詳細(xì)介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程，該立式數(shù)控銑床主軸變速箱是靠齒輪進(jìn)行傳動的，主軸箱傳動系統(tǒng)采用齒輪傳動，傳動形式采用集中式傳動，主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點。文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計計算、主軸組件的設(shè)計、軸承的選用基潤滑、關(guān)鍵零件的校核、以及主軸電動機的控制等設(shè)計過程。
[關(guān)鍵詞] 數(shù)控機床；立式數(shù)控銑床；主傳動系統(tǒng)；主軸組件；軸承；主軸電動機
Abstract
this text introduces the sign type number to control some basic general situations of the miller, Chien says the tool machine lord to spread the principle and types of move the systems, analyzing various mechanism that spreads to move the project.The sign type number controls the miller lord to spread to move the system to include the principal axis electric motor, principal axis to spread to move the system and the principal axis module three partses to constitute.Detailed introduction of this text the sign type number controls the design process that the miller lord spreads to move the system, should the sign type number control the miller principal axis to become soon the box is to is carry on by wheel gear to spread to move of, the principal axis box spreads to move the system adoption wheel gear to spread to move, spreading to move the form adoption concentration type to spread to move, the principal axis become soon many of the system adoption slip to move the wheel gear to become soon.The wheel gear spreads to move to have to spread to move the efficiency high, the structure tightly packed, work credibility, the life span is long, spreading to move than accurate etc. advantage.It introduced the sign type number to control the miller lord to spread to move various comparison, lord that spreads to move the project merit and shortcoming of system to spread in the text the choice and assurance, lords of move the projects spread to move to become soon system of design, bearings of design calculation, the principal axis module choose the control of the school pit, and the principal axis electric motor of use the lubrication, the key spare parts etc. the design process.
Key words： the number controls the tool machine;The sign type number controls the miller;The lord spreads to move the system;Principal axis module; Bearings; Principal axis electric motor.
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1概述 1
1.2數(shù)控機床的發(fā)展 2
1.3本文設(shè)計內(nèi)容 7
第2章 電機選擇 9
第3章 軸類零件的設(shè)計 11
3.1軸的設(shè)計概述 11
3.2主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 11
3.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.4 主軸剛度的計算 16
第4章 齒輪傳動設(shè)計與計算 18
4.1主要參數(shù)的選擇 18
4.2 齒輪的設(shè)計與計算 18
第5章 軸承的設(shè)計與計算 22
5.1軸承當(dāng)量動載荷的計算 22
5.2 驗算兩軸承的壽命 23
第6章 圓弧齒同步帶的設(shè)計 24
6.1確定圓弧齒同步帶的基本參數(shù) 24
6.2 確定帶的中心距 25
6.3 選擇帶的類型 25
第7章 蝶形彈簧的設(shè)計 27
7.1蝶形彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸 27
7.2 彈簧的許用應(yīng)力和疲勞極限 28
7.3 蝶形彈簧的設(shè)計與計算 28
7.4 蝶形彈簧的校核 30
第8章 拉桿的設(shè)計 32
8.1確定拉桿的直徑 32
8.2 確定拉桿的長度 32
8.3 選擇帶的類型 32
總 結(jié) 33
致 謝 34
參考文獻(xiàn) 35
I
第一章 緒論
制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。機床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機床是高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機床正朝著高性能、高精度、高效率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機床的制造、設(shè)計、檢測等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在:可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機床方面。因此，我們必須緊跟國際機床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機床的設(shè)計、檢測、制造等技術(shù)。
數(shù)控（numerical control,NC）機床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機床。與人工操作的普通機床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強、操作者勞動強度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點。數(shù)控機床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。
1.1概述
數(shù)控銑床是一種加工功能很強的數(shù)控機床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們在研究和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。數(shù)控銑床機械部分與普通銑床基本相同，工作臺可以做橫向、縱向和垂直三個方向的運動。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。一般情況下，在數(shù)控銑床上可以加工平面曲線輪廓。
數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的是數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對機械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動化的要求。在機床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機床為數(shù)控機床所代替，這就極大地促進(jìn)了機床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機車車輛、機床、建筑、通用機械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。
綜上所述，數(shù)控機床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機會等方面，起著非常重要的作用。
數(shù)控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。與普通機床相比，數(shù)控機床具有如下一些優(yōu)點：
易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實現(xiàn)一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數(shù)量等。
數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成。傳動系統(tǒng)的作用是把運動和力由動力源傳遞給機床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動態(tài)特性。傳動系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而影響機床的工作性能。隨著機床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單，但對其機械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。
數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，其加工過程中的動作順序、運動部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機床上加工零件那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補償，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比普通機床設(shè)計得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動化程度的要求，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計已形成自己的獨立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機床相比，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)有許多特點。
1.2數(shù)控機床的發(fā)展
隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變,對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實制造和快速成形制造技術(shù)。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重。
數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向 六個方面：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高精度、符合、環(huán)保。目前德國和瑞士的機床精度最高，綜合起來，德國的水平最高，日本的產(chǎn)值最大。美國的機床業(yè)一般。中國大陸、韓國。臺灣屬于同一水平。但就門類、種類多少而言，我們應(yīng)該能進(jìn)世界前4名。
數(shù)控系統(tǒng) 由顯示器、控制器伺服、伺服電機、和各種開關(guān)、傳感器構(gòu)成。目前世界最大的三家廠商是：日本發(fā)那客、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)由華中數(shù)控、航天數(shù)控等。國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般。高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 華中數(shù)控這幾年發(fā)展迅速，軟件水平相當(dāng)不錯，但差就差在電器硬件上，故障率比較高。華中數(shù)控也有意向數(shù)控機床業(yè)進(jìn)軍，但機床的硬件方面不行，質(zhì)量精度一般。目前國內(nèi)一些大廠還沒有采用華中數(shù)控的。廣州機床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。
機床精度 1.機械加工機床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復(fù)定位精度等5種。 2.機床精度體系：目前我們國家內(nèi)承認(rèn)的大致是四種體系：德國VDI標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)GB，國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)差不多。3.看一臺機床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺機床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。
目前世界著名機床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機床制造商馬扎克（MAZAK）在寧夏銀川投資建了名為“寧夏小巨人機床公司”的機床公司，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心和車銑復(fù)合中心。機床質(zhì)量不錯，目前效益良好，年產(chǎn)600臺，目前正在建2期工程，建成后可以年產(chǎn)1200臺。 2. 2003年，德國著名的機床制造商德馬吉在上海投資建廠，目前年組裝生產(chǎn)數(shù)控車床和立式加工中心120臺左右。 3. 2002年，日本著名的機床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機床廠合資建廠，年生產(chǎn)能力為1000臺，生產(chǎn)數(shù)控車床、立式加工中心、臥式加工中心。 4.韓國大宇在山東青島投資建廠，目前生產(chǎn)能力不知。 5.臺灣省的著名機床制造商友嘉在浙江蕭山投資建廠，年生產(chǎn)能力800臺。
民營企業(yè)進(jìn)入機床行業(yè)情況 1.浙江日發(fā)公司，2000年投產(chǎn)，生產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心。年生產(chǎn)能力300臺。 2．2004年，浙江寧波著名的鑄塑機廠商海天公司投資生產(chǎn)機床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實老板是中國人，采用日本技術(shù)。生產(chǎn)小型儀表數(shù)控車床，水平相當(dāng)不錯。
軍工企業(yè)技改情況 軍工企業(yè)得到國家撥款開始于當(dāng)年“大使館被炸”，后來臺灣阿扁上臺后，大規(guī)模技改開始了，軍工企業(yè)進(jìn)入新一輪的技改高峰，我們很多軍工企業(yè)開始停止購買普通設(shè)備。尤其是近3年來，我們的軍工企業(yè)從歐洲和日本買了大批量的先進(jìn)數(shù)控機床。也從國內(nèi)機床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機床，國內(nèi)機床廠商為了迎接這次大技改，也引進(jìn)了不少先進(jìn)技術(shù)，爭取軍工企業(yè)的高端訂單。 聽在軍工企業(yè)的朋友講，阿扁如果再能“頂”三年，我們的整體水平會上一個臺階。 其實，胡錦濤總書記掌權(quán)以來，已經(jīng)把國防事業(yè)提到了和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一樣的高度上，他說，我們要建立和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的國防能力，相信再過10年，隨著我國國防工業(yè)和汽車行業(yè)的發(fā)展，我們國家會誕生世界水平的機床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機床生產(chǎn)大國。
數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。
數(shù)控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。我國的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)，“七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，“八五”期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
近年來，我國數(shù)控機床的產(chǎn)量持續(xù)增長，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我國數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國一部分普及型數(shù)控機床的生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有成熟商品走向市場。
我國在數(shù)控機床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機床。同時，我國也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn)國的行列。目前我國已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000~10000轉(zhuǎn)/分以上的數(shù)控機床。
我國數(shù)控機床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等信息技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計劃實施應(yīng)用ERP、MRPII和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機床集團(tuán)有限公司的CAD普及率達(dá)100%，是國家級“CAD示范企業(yè)”，企業(yè)的MRPII系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功，現(xiàn)代化管理水平較高。
但是和發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)控機床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。
一、信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對國外技術(shù)依存度高。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù)來源主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)，對國外技術(shù)的依存度較高，對引進(jìn)技術(shù)的消化仍停留在掌握已有技術(shù)和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的高度。具有高精、高速、高效、復(fù)合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能數(shù)控機床基本上還得依賴進(jìn)口。
二、產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10000小時以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時；整機平均無故障工作時間國外達(dá)800小時以上，國內(nèi)最好只有300小時。
三、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強。我國生產(chǎn)數(shù)控機床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn)品市場競爭能力不強。
隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機床信息化正朝著以下幾個方面發(fā)展。
高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國生產(chǎn)的第六代數(shù)控機床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度，使得高速運算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時，新一代數(shù)控機床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
智能化。現(xiàn)代數(shù)控機床的智能化發(fā)展將通過對影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速作出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對機床的工藝參數(shù)進(jìn)行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計算機內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機床零部件加工程序，以實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得，推動數(shù)控機床系統(tǒng)自動化的進(jìn)一步發(fā)展。
發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時通過自動運行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報警。
一、是高速加工技術(shù)發(fā)展迅速
高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機床運動學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展趨勢
高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結(jié)構(gòu)的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機床加工全面高速化，如數(shù)控機床主軸的轉(zhuǎn)速從每分鐘幾千轉(zhuǎn)發(fā)展到幾萬轉(zhuǎn)、幾十萬轉(zhuǎn)；快速移動速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應(yīng)用高速加工技術(shù)達(dá)到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質(zhì)量和高效率。
二、是精密加工技術(shù)有所突破
通過機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機床的重復(fù)定位精度可以達(dá)到1μm，進(jìn)入亞微米超精加工時代。
三、是技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合趨勢明顯
技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復(fù)合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，跨加工類別技術(shù)復(fù)合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結(jié)與鏡面切削復(fù)合等，目前已由機加工復(fù)合發(fā)展到非機加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術(shù)集成和復(fù)合形成了新一類機床——復(fù)合加工機床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機床多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
四、是數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:數(shù)字化控制技術(shù)對機床單機控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動控制；生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機結(jié)合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實現(xiàn)工件裝卡定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動進(jìn)行補償、調(diào)整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機床的機械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術(shù)后援和在線服務(wù)后援。人工智能自動編程系統(tǒng)能按機床加工要求對零件進(jìn)行自動加工。在線服務(wù)可以根據(jù)用戶要求隨時接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實現(xiàn)與管理信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補償智能控制、故障自診斷和智能維護(hù)等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術(shù)在制造系統(tǒng)上的應(yīng)用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡(luò)工廠，并進(jìn)一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
五、是極端制造擴張新的技術(shù)領(lǐng)域
極端制造技術(shù)是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術(shù)。極端制造技術(shù)是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點研究微納機電系統(tǒng)的制造技術(shù)，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關(guān)的數(shù)控制造技術(shù)、檢測技術(shù)及相關(guān)的數(shù)控機床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機器人的制造技術(shù)和應(yīng)用；應(yīng)用于制造大型電站設(shè)備、大型艦船和航空航天設(shè)備的重型、超重型數(shù)控機床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展需要超精細(xì)加工和微納米級加工技術(shù)，研制適應(yīng)微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機床和特種加工機床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機床的研制等。
1.3本文設(shè)計內(nèi)容
本文要求設(shè)計一立式數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)，主要參數(shù)要求如下：
工作臺尺寸(寬×長) mm：400×800；T型槽寬×數(shù)量×間距mm：18×3×125；工作臺最大承重kg：500；工作臺行程（X軸）mm：600；滑鞍行程（Y軸）mm：420；主軸箱行程（Z軸）mm：600；主軸伺服電機功率Kw：7.5/11；主軸轉(zhuǎn)速范圍rpm：20～6000；主軸最大扭矩：92Nm
第二章 電機的選擇
現(xiàn)在數(shù)控機床常用直流電動機和交流調(diào)頻電機兩種。目前，中小型數(shù)控機床中，交流調(diào)頻電機已占優(yōu)勢，有取代直流電機之勢。本文所設(shè)計的銑床采用交流調(diào)頻電機調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，額定轉(zhuǎn)速常為1500r／min，如圖1-1所示是變速電機的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域I為恒功率區(qū)，從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域II為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。
圖 2-1 變速電動機的功率特性
在設(shè)計數(shù)控銑床主傳動時，必須考慮電機與機床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電機的恒功率變速范圍，所以在電機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴大其功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時對電機的輸出功率要求。為了簡化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電機的恒功率調(diào)速范圍，即＞。這時，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)“缺口”，稱之功率降低區(qū)。使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動機輸出的全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動機的功率應(yīng)相應(yīng)的增大。根據(jù)設(shè)計要求，選擇上海富田電機生產(chǎn)的IAG系列變頻調(diào)速專用感應(yīng)電動機，其型號為IAG 132M—1500—7.5。
其中：IAG—系列代號
132—極座號（中心高）
M—機座長度代號，有S、M、L三種類型
1500—基本轉(zhuǎn)速（單位：r／min）
7.5—額定功率（單位：kw）
電機在20—1500r／min內(nèi)，實現(xiàn)恒扭矩輸出，在1500—4500r／min內(nèi)實現(xiàn)恒功率輸出；最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000r／min。
為了實現(xiàn)數(shù)控銑床的無級變速，采用交流調(diào)頻電機，本文所設(shè)計的銑床所選擇的電機需要實現(xiàn)兩級變速，當(dāng)通電時離合器脫離，小齒輪和大齒輪嚙合，實現(xiàn)增速傳動；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到電機的計算轉(zhuǎn)速時，離合器吸合，大齒輪和小齒輪嚙合，實現(xiàn)增速傳動。
第三章 軸類零件的設(shè)計
主軸部件是機床實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行件，是機床上的一個重要部件。主軸部件由主軸、主軸支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成，對于銑床主軸部件還有拉桿和拉抓。
3.1軸的設(shè)計概述
軸是主成機械的一個重要零件，它支承其它回轉(zhuǎn)件并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時它又通過軸承和支架連接，所有軸上零件都圍繞軸心線做回轉(zhuǎn)運動，形成一個以軸為基準(zhǔn)的锝組合體—軸系部件，所以在軸的設(shè)計中不能只考慮軸的本身，還必須和軸系零件的整個結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來。
軸設(shè)計的特點：在軸系零部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點和支點間的跨距無法精確的確定，故彎距大小和分布情況不能求出，因此在軸的設(shè)計中必須把軸的強度計算和軸系零件結(jié)構(gòu)設(shè)計交錯進(jìn)行，邊畫圖，邊計算，邊修改。
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，主軸前端懸伸量a和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
，將T=92Nm，電機功率代入式得
當(dāng)數(shù)值上時，可按扭轉(zhuǎn)剛度估算最小軸徑，即：
……………………………………………(1)
式中：d—主軸的最小直徑（cm）
P—主軸傳遞的功率(kw)，
—主軸的計算轉(zhuǎn)速(r/min)，前面已計算出
代人數(shù)值得：d≥4.4cm
取主軸的最小直徑=45mm，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，因此選擇后軸頸的直徑=50，
3.2.2 主軸內(nèi)孔直徑d及拉桿直徑的確定
主軸內(nèi)孔直徑與機床的類型有關(guān)，主要用來通過棒料、拉桿、鏜桿或頂出頂尖等，銑床主要用于通過拉桿和拉抓，確定孔徑的原則是：為減輕主軸重量在滿足上述工藝要求及不削弱主軸剛度的前提下，盡量取較大值，孔徑d對主軸剛度的影響影響是通過抗彎截面慣性矩而體現(xiàn)的，即主軸本身的剛度正比于抗彎截面慣性矩，其關(guān)系式為
Ｉ空/Ｉ實＝＝１－
根據(jù)上式可繪制出主軸孔徑對主軸剛度影響曲線，如圖4-1
D—主軸平均直徑，d—主軸平均孔徑，—直徑為Ｄ實心主軸剛度 ，
—直徑為Ｄ，孔徑為d的空心軸的剛度。
圖3-1 主軸孔徑對主軸剛度影響曲線
由圖3-1知：當(dāng)d／Ｄ≤0.5時，內(nèi)孔d對主軸剛度幾乎無影響，通常取孔徑d的極限值＜0.7D。此時Ｉ空＞0.75Ｉ實，即剛度消弱量小于25%，若孔徑再大主軸剛度急劇下降，一般銑床主軸孔徑d可比刀具拉桿直徑大5～10mm。
由于機床使用場合多種多樣，為了適應(yīng)加工工藝及刀具特點，機床工具行業(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，因此我們采用BT—50的外螺紋拉抓，查資料知BT—50拉抓外螺紋的尺寸為M22×P1.5，所以拉桿前端必須是M22的內(nèi)螺紋，為了滿足拉桿的剛性要求，取拉桿的直徑為φ28mm，根據(jù)拉桿的直徑確定主軸內(nèi)孔的最小直徑為φ32即可.
3.2.3 主軸前端懸伸量的確定
主軸前端懸伸量a是指主軸前端面到前軸承徑向支反力作用中點（或前徑向支承中點）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)、前支承軸承和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計確定。由于前端懸伸量對主軸部件的剛度、抗振性影響很大，變形量與a的二次方或三次方成正比例關(guān)系。，因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，設(shè)計時應(yīng)盡量縮短該懸伸量。
在確定主軸前端懸伸量時應(yīng)該滿足以下結(jié)構(gòu)要求：主軸前端要留有裝切削液噴頭的位置；軸承的寬度B=27；軸承擋環(huán)的厚度b=8；主軸下支承的安裝位置以及軸肩的寬度。
3.2.4 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=2.5a=360，但是實際結(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際跨距L往往大于最佳跨距。
3.2.5 選擇軸的材料和熱處理方法
選擇軸的材料為40Cr，，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理, 其機械性能有設(shè)計手冊查得
，，
查機械設(shè)計手冊得
3.2.6 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，還承受不大的軸向載荷，故選擇單列圓錐滾子軸承背對背的組合。根據(jù)工作要求及后軸頸的直徑(為50mm)，由軸承產(chǎn)品目錄中選取型號為32010的單列圓錐滾子軸承，其尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為d×D×b=50×80×20。
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案
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)。
圖3-2 主軸的結(jié)構(gòu)
如圖3-2中，拉桿與BT50拉刀抓連接，從右側(cè)裝入內(nèi)孔，然后再裝入BT50刀柄；齒輪、軸承、套筒、軸承套以及電磁鐵固定架從左側(cè)裝入，法蘭蓋從右側(cè)裝入，與軸承套用螺釘連接。
3.3.2 確定軸各段的直徑
根據(jù)前面的計算知：最小直徑D=45mm，小軸承用鎖緊螺母進(jìn)行軸向固定，所以取軸段1外螺紋的直徑M=45mm；根據(jù)軸承的型號以及與軸的配合關(guān)系，取軸段2的直徑=50mm。
軸段4處裝小齒輪，承受很大的徑向力，同時主軸是空心的，考慮到主軸的整體剛性，取軸段4的直徑=75mm，小齒輪用鎖緊螺母壓緊，則軸段4的直徑比軸段3的直徑大2～3mm，所以取軸段3處的外螺紋直徑M=72mm。
軸段5上有兩個軸套，軸套左側(cè)用于定位小齒輪，中間用來壓緊和定位電磁鐵固定架，考慮到拆卸方便，軸段5要比軸段4大2～3mm，同時要比軸段6小2～3mm因此取軸段5的直徑，軸段6的直徑。
大齒輪主要靠軸段7的軸肩來定位的，為了保證定位可靠，軸段7要比軸段6的直徑大5～10mm，但是考慮到主軸前端的內(nèi)孔交大，因此取軸段7的直徑為。 軸段8是前軸頸，主軸的直徑因與軸承的內(nèi)徑相等，考慮到軸承的型號以及與主軸的配合關(guān)系，取軸段8的直徑，軸承的型號為32109。
主軸前端內(nèi)孔采用7：24的錐度，裝BT50的刀柄，內(nèi)孔較大，取軸段10的外徑，軸段9主要起定位作用，因比軸段10大5～10mm，因此取軸段9的直徑為。
3.3.3 確定各軸段的長度
軸段4和6的長度要比輪轂寬度（38mm）短2～3mm，故這兩處軸段的長度取為36mm。其中軸段4不包括退刀槽的長度。
軸段1和3有外螺紋，裝徑向鎖緊螺母，故軸段1和3的長度比鎖緊螺母長2～3mm，取軸段1的長度為15.7mm，軸段3的長度為 18.2mm
軸段7主要與軸承套配合，壓緊軸承，為了保證軸承套與大齒輪之間有一定的間隙，取軸段7的長度為25mm；軸段8是后軸頸，所選軸承的寬度B=32mm，軸承擋環(huán)的寬度T=8mm，故取軸段8的長度為44mm。
軸段9是一個軸肩，主要起定位作用，取軸段9的長度為11即可；主軸的前端面要裝端面鍵，同時主軸前端要留下裝切削液噴頭的位置，因此取軸段10的長度為69mm。
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，取軸段1的長度為75.4mm，軸段5的長度為209mm。
綜上所述，主軸的跨距L＝373mm，懸伸量ａ=96mm
3.3.4 軸向零件的周向固定
齒輪、電磁鐵固定架與軸的周向定位均采用半圓鍵聯(lián)接。對于齒輪，由手冊查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=10×13×32(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為29.7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB1096-79)；對于電磁鐵固定架，由手冊查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=6×9×22(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，
長為29.7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB1096-79)，軸承與軸的周向定位是采用過盈配合來保證的。
3.3.5 確定軸上倒角和退刀槽的尺寸
取主軸前端的倒角為4×45°，其余倒角1×45°；所有退刀槽的尺寸為2×1
3.4主軸剛度的計算
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)茐你姶驳墓ぷ餍阅堋Ｒ虼嗽谠O(shè)計重要軸時，必須檢驗軸的變形量，這在軸的設(shè)計中稱為剛度計算。
剛度計算包括扭轉(zhuǎn)剛度計算和彎曲剛度計算兩種。前者以扭轉(zhuǎn)角ψ來度量；后者以撓度y和截面轉(zhuǎn)角θ來度量。本文以彎曲剛度校核，查機械設(shè)計手冊知：[y]=0.00025L；圓錐滾子軸承處的偏轉(zhuǎn)角[θ]＝0.0016rad。
3.4.1主軸的簡化和彎曲剛度的計算
1、如主軸前后軸承頸之間有數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑d
d=
式中：、；、；…；、—分別為各段的直徑和長度
—總長，=++…+（mm）
2、主軸切削力的計算
根據(jù)公式P=得：=，則當(dāng)線速度最小時，切削力最大
===0.21m/s
===25.7KN
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
—前懸伸，等于載荷作用點至前支承點間的距離（mm）
—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）
，—主軸的外徑和孔徑（mm）
將E和I的值待人，可得
y===79μm≤0.0002L=0.09325mm
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，查機床設(shè)計手冊得
＝
式中 —主軸前端偏轉(zhuǎn)角(rad)
、、、E、I與前面相同
代入數(shù)據(jù)得
×(2×373+3×69)＝0.0011 rad
所以 ≤[θ]=0.0016 rad
綜上所述 主軸的剛度滿足條件，不必重新設(shè)計。
第四章 齒輪傳動設(shè)計與計算
一般，設(shè)計齒輪傳動時，已知的條件是：傳遞的功率P=5.4kw，轉(zhuǎn)速n=20r／min—6000r／min，傳動比暫取i=1.78；預(yù)定的壽命5年，每年工作300天，每天24小時。
設(shè)計開始時，往往不知道齒輪的尺寸和參數(shù)，無法準(zhǔn)確定出某些系數(shù)的數(shù)值，因而不能進(jìn)行精確的計算。所以通常需要先初步選擇某些參數(shù)，按簡化計算方法初步確定出主要尺寸，然后再進(jìn)行精確的校核計算。當(dāng)主要參數(shù)和幾何尺寸都已經(jīng)合適之后，再進(jìn)行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制零件工作圖。
4.1主要參數(shù)的選擇
1、模數(shù)m 模數(shù)由強度計算或結(jié)構(gòu)設(shè)計確定，要求圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，傳遞動力的齒輪傳動m≥2。初步確定模數(shù)時，對于軟齒面齒輪(齒面硬度)350HBS）外嚙合傳動m=（0.007～0.02）a；載荷平穩(wěn)，中心距過大時取小值，本文所設(shè)計的主軸傳動暫定中心距a=150mm，因此取模數(shù)m=0.015a=2.25mm，將模數(shù)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值，取m=2.5mm。
2、螺旋角β β角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點；但太大將會引起很大的軸向力。一般取β=8—15，此處取β=13。
3、齒數(shù)z 當(dāng)中心距一定時，齒數(shù)取多，則重合度增大，改善了傳動的平穩(wěn)性。同時，齒數(shù)多則模數(shù)小、齒頂圓直徑小，并且又能減小金屬切削量，節(jié)省材料，降低加工成本。但是齒數(shù)增多則模數(shù)減小，齒輪的抗彎強度降低，因此，在滿足抗彎強度的條件下，宜取較多的齒數(shù)。
4.2 齒輪的設(shè)計與計算
4.2.1、選擇材料
查機床設(shè)計手冊，小齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC
大齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC
按MQ級質(zhì)量要求取值，查得=780N/mm，=820N/mm；=620 N/mm，=640 N/mm。
4.2.2 有關(guān)參數(shù)和系數(shù)的確定
載荷系數(shù)K 查表取K =1.4
齒寬系數(shù) 查設(shè)計手冊取=0.25
4.2.3 中心距及主要參數(shù)的確定
確定齒輪嚙合時的中心距a=150mm
按經(jīng)驗公式，=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×150mm=1.05～3
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)=2.5mm
初取β=13，cosβ=cos13=0.9744
初取齒數(shù)比μ=1.78
===42.06
取=42，則=μ=1.78×42=74.76，則取=75
精求螺旋角β
cosβ===0.975
即β=arccos0.975=124824，此值與初選β值相差不大，故不必重新計算。
傳動比 ===1.786，此值與初選齒數(shù)比相差不大，故不必重新計算
4.2.4 許用彎曲應(yīng)力
1、當(dāng)量齒數(shù)為： ===45.3
===80.9
根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)查得：齒形系數(shù)=2.37，=2.25
應(yīng)力修正系數(shù)=1.69，=1.77
2、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=60=60×1200×1×（5×330×24）=2.85×10
==2.85×10×1.786=5×10
根據(jù)、查得：=0.86，=0.88
3、查機械設(shè)計手冊得：安全系數(shù)=1.4
根據(jù)公式[]=得：許用彎曲應(yīng)力
[]===393Mpa
[]===389Mpa
4.2.5、主要尺寸的計算
分度圓直徑d：
===107.7mm
===192.3mm
齒寬b ==0.25×150=37.5mm
取==38mm
4.2.6 校核齒面接觸疲勞強度
=3.17≤[]
確定有關(guān)系數(shù)和參數(shù)
1、許用接觸應(yīng)力[]
查機械設(shè)計手冊得==850Mpa，安全系數(shù)=1.2
根據(jù)、查得=0.86，=0.88
許用彎曲應(yīng)力
[]===609Mpa
[]===623Mpa
查設(shè)計手冊得：彈性系數(shù)=189.8，故
=3.17×189.8=246.7Mpa
＜[]，齒面接觸疲勞強度合格。
4.2.7 驗算齒輪圓周速度
===22.5m/s
===40.25m/s
查機械設(shè)計手冊知選擇6級精度即可
第五章 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，選擇單列圓錐滾子軸承的背對背的組合方式。
查軸承手冊得：32010型軸承基本額定動載荷Cr=61KN，e=0.42，Y =1.4。
32109型軸承基本額定動載荷Cr=175KN，e=0.44，Y =1.4。
5.1 軸承當(dāng)量動載荷的計算
5.1.1 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
===6.28m/s
===0.86KN
5.1.2 徑向力的確定
單列圓錐滾子軸承背對背組合，如圖5-1所示，可知：
==×0.86=0.22KN
=+=0.22+0.86=1.08KN
圖5-1 軸承受載示意圖
5.1.3 計算兩軸承的派生軸向力s
查機械設(shè)計手冊得，單列圓錐滾子軸承的派生軸向力為S=/(2Y)，則
===0.08KN
===0.39KN
5.1.4 計算兩軸承的軸向載荷
軸承外加的軸向力
+=0.39+5=2.39KN＞
所以軸承I被“壓緊”，軸承II被“放松”，故
==2.39KN
=0.39KN
5.1.5 計算兩軸承的當(dāng)量動載荷P
查機械設(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P2：
==0.36＜e=0.44
查機械設(shè)計手冊得：=1，=0
==1.5×1.08=1.62KN
5.2 驗算兩軸承的壽命
由于軸承是在正常溫度下工作，t <120℃，查表機械設(shè)計手冊得=1
圓錐滾子軸承ε=10/3，則軸承I的壽命
=（）=（）=46500 h
軸承II的壽命
=（）=（）=9.9×10h
第六章 圓弧齒同步帶的設(shè)計
6.1 確定圓弧齒同步帶的基本參數(shù)
6.1.1 確定設(shè)計功率
設(shè)計功率，其中為載荷修正系數(shù)
根據(jù)已知工作條件查表取則
6.1.2 選擇帶形和節(jié)距
根據(jù)和電機基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速查表確定為8M型，節(jié)距＝８
6.1.3 傳動比的選擇
帶傳動是一種最常見的機械傳動形式，它的主要用傳遞轉(zhuǎn)矩和改變轉(zhuǎn)速。大部分帶傳動是依靠擾性傳動與帶輪間的摩擦力來傳遞運動和動力的，銑床方面的傳動還有電主軸和電機直連式，我們選擇了帶傳動的方式，帶傳動簡單，而且效率高，選擇的傳動比=2
6.1.4 小帶輪齒數(shù)
根據(jù)帶型M和小帶輪的轉(zhuǎn)速，由表查得小帶輪的最小齒數(shù)=18，此處取=23。
則大帶輪的齒數(shù)
6.1.5 小帶輪的節(jié)圓直徑
查表得其外徑其中2δ為節(jié)根距
6.1.6 大帶輪節(jié)圓直徑
查表得其外徑
6.1.7 帶的傳動速度
===4.6m/s
6.2 確定帶的中心距
6.2.1 初定軸間距
查機械設(shè)計手冊知 0.7（）≤≤2()
同時根據(jù)對銑床產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗初定=160mm
6.2.2 帶長及其齒數(shù)的確定
=2＋()＋
=2×160＋1.57×(58.57＋117.14) ＋（117.14—58.57）／4×160
=320＋275.8647＋0.092
=595.96mm
查表應(yīng)選用帶長代號為600的8M型同步帶，其節(jié)線長度=600mm，節(jié)線長上的齒數(shù)=75
6.2.3 實際軸間距，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整
M=4—2π（+）
=4×600—6.28×（58.57＋117.14）
=2400—1103.4588
=1296.5412mm
（＋/16
=[1296.5＋]/16
=159.37mm
6.3 選擇帶的類型
1、嚙合齒數(shù)的確定
=ent(0.5—)=ent（0.5—）×23
=ent10.12=10
2、基本額定功率的確定
根據(jù)小帶輪的轉(zhuǎn)速和節(jié)圓直徑查表知=2.5kw
3、所需的帶寬
≥
其中：—帶的基本寬度表7-1查得
表7-1
帶型
3M
5M
8M
14M
20M
bs0/mm
6
9
20
40
115
—帶長系數(shù)，查機械設(shè)計手冊知=0.8
當(dāng)＜6時=1，當(dāng)＜6時=1-2（6—），此處取=1
則 ≥20×=68.86mm
至此帶輪的設(shè)計已經(jīng)完成，根據(jù)上面的計算數(shù)據(jù)，取標(biāo)準(zhǔn)帶寬代號為70的8M型的帶，其帶寬為70，則帶輪的寬度=72.7。
第七章 碟形彈簧的設(shè)計
7.1 碟形彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸
7.1.1 碟形彈簧的基本概念
碟形彈簧是用鋼板沖壓成形的截錐壓縮彈簧.具有剛度大、變剛度性等特點，蝶形彈簧按其結(jié)構(gòu)型式分為無支承面和有支承面兩種，如圖7—1所示
(a) 無支承面 （b）有支承面
圖7—1 碟形彈簧
圖中：D—彈簧外徑(mm)；d—彈簧內(nèi)經(jīng)（mm）；—彈簧中性徑（mm）為彈簧中性點所在圓直徑，其大小按計算。
t—厚度（mm）；—減薄彈簧厚度（mm）；—自由高度（mm）；—無支承面碟簧壓平時變形量（mm），；—有支承面碟簧壓平時變形量（mm）；=—；b≈D/150；F—載荷（N）；f—變形量（mm）
7.1.2 碟形彈簧的分類
1、碟形彈簧按其厚度分為三類，如表7-1所示
表7-1 碟簧按厚度的分類
類別
碟簧厚度t/mm
支承面和減厚厚度
1
<1.25
無
2
1.25—6.0
無
3
>6.0—14.0
有
2、碟形彈簧按外徑D、壓平時變形量和厚度t的比值D/t、/t分為三個系列，如表7—2所示
表7—2 碟簧按外徑D的分類
系列
D/t
/t
E(Gpa)
u
f
A
≈18
≈0.4
206
0.3
≈0.75
B
≈18
≈0.75
206
0.3
≈0.75
C
≈28
≈1.3
206
0.3
≈0.75
7.2 彈簧的許用應(yīng)力和疲勞極限
7.2.1 碟形彈簧按其載荷性質(zhì)分為兩類：
1、 靜載荷—作用載荷在規(guī)定壽命內(nèi)變化次數(shù)小于1×10次。
2、 變載荷—作用在碟簧上的載荷，在預(yù)知載荷和工作載荷之間，在規(guī)定壽命內(nèi)變化次數(shù)大于1×10次。
（1）、靜載荷作用下碟簧許用應(yīng)力
靜載荷作用下的碟簧，應(yīng)通過校核OM點的應(yīng)力來保證自由高度的穩(wěn)定，在壓平時的應(yīng)接近彈簧材料的屈服點。
（2）變載荷作用下碟簧的疲勞極限
7.2.2 變載荷作用下碟簧使用壽命可分為兩類
1、有限壽命—可以在持久強度范圍內(nèi)承受1×10—2×10次有限的加載次數(shù)值至破壞
2、無限壽命—可以在持久強度范圍內(nèi)承受2×10次有限的加載次數(shù)值至破壞
7.3 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)要求查機械設(shè)計手冊，從Ａ、B、C系列中選取一個規(guī)格，其尺寸和參數(shù)如下表，
碟簧
D/mm
d/mm
t/mm
/mm
/mm
F=0.75
F/Ｎ
f/mm
或
A
100
51
6
2.2
8.2
4800
1.65
1420
B
100
51
3.5
2.8
6.3
13100
2.1
1050
C
100
51
2.7
3.5
6.2
8610
2.63
1240
2、由Ｃ＝＝=1.96查機械設(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=2.06×Ｍpa
μ—泊松比，彈簧鋼取μ=0.3
帶入數(shù)據(jù)解得=××=1.47×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===17.7，取=18片
對合碟簧組的總自由高度為
==18×8.2=147.6mm
承受載荷3.5噸時的高度
=—=147.6—18×0.48=138.96mm
7.4 碟形彈簧的校核
1、由、求、
根據(jù)上面的計算知：=1.47×N
因此 /==0.03 /==0.23
按照 =0.4，查圖5-1得到/=/=0.22
由此 =0.03=0.03×2.2=0.066mm
=0.22=0.22×2.2=0.48mm
3、疲勞破壞的關(guān)鍵部位
由=0.64和C=1.96，查圖8-3得，疲勞強度破壞的關(guān)鍵部位在二點
或
``
圖7-3 碟簧疲勞破壞的關(guān)鍵部位
4、計算應(yīng)力并檢驗碟簧壽命
當(dāng)=0.066mm時，由下式得：
=[（）]
=-×1.6××[1.6×1.2111×
(-)-1.362]Mpa=55.34Mpa
當(dāng)=0.22時，由下式得：
=[（-）]
=××1.6××[1.6×1.2111×
(-)-1.362]Mpa=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。
第八章 拉桿的設(shè)計
在銑床主軸內(nèi)有松卡刀裝置，結(jié)構(gòu)從主軸前端到末端分別是拉抓，拉桿，一組碟形彈簧，鎖緊螺母，打刀缸。其中拉桿，一組碟形彈簧，鎖緊螺母組合在一起，然后與拉抓通過螺紋連接。抓刀時，打刀缸不工作，靠施加在疊簧上的力拉緊刀具；松刀時，打刀缸工作推動拉桿向前運動，推動拉抓，拉抓從主軸孔前端向前運動松開，實現(xiàn)換刀動作。
8.1 確定拉桿的直徑
拉桿前端與拉抓通過螺紋連接 ，BT50拉抓前端是M25×1.5的外螺紋，因此拉抓必須是M22×1.5的內(nèi)螺紋，如圖8-1所示，取1處的直徑=28mm，
圖8-1 拉桿結(jié)構(gòu)圖
2處的直徑根據(jù)碟形彈簧的型號確定，因為碟形彈簧所承受的力和大，為了滿足剛性要求取2處的直徑=51mm，碟形彈簧選擇φ51的內(nèi)徑。
3處主要是裝鎖緊螺母和壓板，通過鎖緊螺母預(yù)緊彈簧，為了安裝方便，3處的直徑比2處小2～3mm，故取3處的外螺紋為M48×1.5，4處是當(dāng)打刀缸工作時，打桿的接觸面，沒有什么特殊的要求，只須外徑比打桿稍大一些，此處取=26mm
8.2 確定拉桿的長度
2處裝碟形彈簧，有彈簧的設(shè)計與計算只，碟簧總自由高度為111.6mm，碟簧要用鎖緊螺母預(yù)緊，因此取2處長度=110即可；3初的長度因＞鎖緊螺母的寬度20mm+壓板的寬度10mm，故取3處長度=38mm；4處的長度沒有特別的要求，取=6mm；1處的長度根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)要求而定，主軸箱上下兩個面的距離為550，同時拉桿前端還與BT50拉抓連接裝入主軸中，因此根據(jù)主軸部件的裝配關(guān)系取=370mm
至此拉桿的主要尺寸已經(jīng)確定完.
總 結(jié)
短短的三個月的畢業(yè)設(shè)計是我們對大學(xué)四年的機械知識的整體總結(jié)，也是理論與實踐的結(jié)合，通過這次畢業(yè)設(shè)計我們收益非淺，這次設(shè)計，主要是對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計中，我學(xué)到了許多新的知識。我深刻的認(rèn)識到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識。
首先從主傳動系統(tǒng)設(shè)計以及主軸零件的選用，再定軸承的選型及其組配形式。
在以上設(shè)計中，對零件的材料，對軸承，對裝配方法等等知識點溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識能夠應(yīng)用到實際設(shè)計當(dāng)中去，更加深了我們對所學(xué)知識的理解。對實際加工中的一些問題有了進(jìn)一步的了解，并在設(shè)計中考慮和避免這些問題的發(fā)生。
沒有具體的了解，經(jīng)常會有無從下手的感覺，碰到問題只有去問老師和看相關(guān)書籍，確實雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計算基本符合設(shè)計要求。在此，我表示由衷地感謝！
35
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，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說句實話，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。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計中給于我一些幫助，我非常的感激。當(dāng)