第 1 頁(yè) 共 74 頁(yè)摘要:本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有加工中心的分析研究,提出一種新的設(shè)計(jì)方案,其自動(dòng)化程度更高,結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單.這一點(diǎn)在論文會(huì)得以體現(xiàn).本方案中,主軸箱采用交流調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速,在 X、Y、Z 三個(gè)方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠,而動(dòng)力則由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)隙齒輪來(lái)傳遞,并且采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制.控制系統(tǒng)采用 MCS-51 系列單片機(jī),通過(guò)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O 接口實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì).論文中也對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出了相關(guān)說(shuō)明.關(guān)鍵詞:交流調(diào)速電機(jī) 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展第 2 頁(yè) 共 74 頁(yè)Abstract: This design tries a new method after the analyze and research of the exited machining center with the higher automatization degrees and the simpler configuration,which will be explained in the paper. In the method, AC adjustable-speed motor is used for the realization of the level shift in variable speed,and in the motion of, we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps.And more,we used singlechip for numerical control.The control system introduces MCS-51 series singlechip,and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus.Also,the paper explained the design for software system.Keywords: AC adjustable-speed motor、ball bearing thread haulm、the step by step electromotor、the enlarge for SCM system第 3 頁(yè) 共 74 頁(yè)目錄前言······················································11、機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)·······································11.1 機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定·····························11.2 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定·······················21.3 機(jī)床總體布局的確定·································32、主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算·······································82.1 電機(jī)的選擇····························第 4 頁(yè) 共 74 頁(yè)·············82.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算·································92.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算······································132.4 離合器的選用······································213、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算···································223.1 概述··············································223.2 設(shè)計(jì)計(jì)算··········································223.3 工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)····························29第 5 頁(yè) 共 74 頁(yè)3.4 滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗(yàn)····················303.5 計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度····························313.6 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算····························333.7 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析····························363.8 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析·····················373.9 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)············383.10 滾珠絲桿副的預(yù)緊方式·····························383.11 齒輪傳動(dòng)消隙····································394、控制系統(tǒng)的設(shè)第 6 頁(yè) 共 74 頁(yè)計(jì)········································394.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂····························394.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)····························39參考文獻(xiàn)·················································56謝 辭················································57 科技譯文·················································58第 7 頁(yè) 共 74 頁(yè)前 言加工中心集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化控制、傳感測(cè)量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運(yùn)用，開(kāi)創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的 CAD/CAM、FMS 、CIMS，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)數(shù)控的要求也有很大的改變，正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展，為追求加工效率及更通用化迫使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶(hù)界面圖形化，科學(xué)計(jì)算可視化，內(nèi)置高性能 PLC，多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。加工中心的優(yōu)點(diǎn)有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間；3）減少在制品；4）減少刀具費(fèi)；5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)；6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)；7）設(shè)備利用率高。總的來(lái)說(shuō)，加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以大量圖例來(lái)說(shuō)明加工中心的主軸箱設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的思路。設(shè)計(jì)中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo)，在此向他表示誠(chéng)摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，加之設(shè)計(jì)時(shí)間較短、資料收集較困難，說(shuō)明書(shū)中難免有缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，在此懇請(qǐng)讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評(píng)意見(jiàn)，使本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)能有所改進(jìn)。第 8 頁(yè) 共 74 頁(yè)1、 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)1.1 機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：工作臺(tái)寬度×長(zhǎng)度 400×1600mm×mm工作臺(tái)最大縱向行程 650mm工作臺(tái)最大橫向行程 450mm工作臺(tái)最大垂直行程 500mmX、Y 軸步進(jìn)電機(jī) a12/3000iZ 步進(jìn)電機(jī) a12/3000i主軸最大輸出扭矩 70 公斤力×米主軸轉(zhuǎn)速范圍 45～2000r/min主電動(dòng)機(jī)的功率 4kw主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1500r/min機(jī)床外行尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm機(jī)床凈重 500kg1.2 機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定1、主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)因所設(shè)計(jì)的臥式加工中心要求能進(jìn)行車(chē)、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺(tái)不動(dòng)，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機(jī)構(gòu)布局；采用交流無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且串聯(lián)有級(jí)變速箱來(lái)擴(kuò)大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計(jì)算機(jī)控制上齒輪的傳動(dòng)更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級(jí)變速。2、給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在 X、Y、Z 三個(gè)方向上，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副，其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)調(diào)隙齒輪傳遞。第 9 頁(yè) 共 74 頁(yè)3、數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按鈕均安裝在控制臺(tái)上，而控制臺(tái)擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。4、機(jī)床其他零部件的選擇考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開(kāi)關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購(gòu)形式。1.3 機(jī)床總體布局的確定（一）確定主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)方案：主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停、變速、換向和制動(dòng)等。加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)。機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流變頻電動(dòng)機(jī)，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為 2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大 30 甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿(mǎn)足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱。本機(jī)床采用交流調(diào)速電機(jī)變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿(mǎn)足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大變速范圍，在后面串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速裝置。（二）確定主軸箱有級(jí)變速級(jí)數(shù)：取變速箱的公比為 等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 ，即 ，f?dpRdpf??功率特性圖是連續(xù)的，無(wú)缺口和無(wú)重合。如變速箱級(jí)數(shù)為 Z，則主軸的恒功率變速范圍 等于NPR1zzNPdpff??第 10 頁(yè) 共 74 頁(yè)變速箱的變速級(jí)數(shù)可得出：lgnpfZR??主軸要求的恒功率變速范圍 20/45.NP?電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 13dp取變速箱的公比 .f故變速箱的變速級(jí)數(shù) lgl451npfZR???故通過(guò)圓整取 Z=12。（三）確定各齒輪的齒數(shù)：在確定齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過(guò)大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會(huì)提高齒輪的線(xiàn)速度而增大躁聲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要把齒數(shù)和控制在 ；為了控制每組嚙合齒輪不102zS?～產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù) ，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過(guò)小。8minZ?～受結(jié)構(gòu)限制的個(gè)齒輪（尤其是最少齒輪） ，應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽 （m 為模數(shù)） ，以保證有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，避免出2a現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證：in1TD??標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑 ，代入上式可得：minin(2.5)z??26.5minTZ??式中： ——齒輪的最少齒數(shù)；i——齒輪模數(shù)；——齒輪鍵槽頂面至軸心線(xiàn)的距離。T由于此傳動(dòng)在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動(dòng)，各對(duì)齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必第 11 頁(yè) 共 74 頁(yè)須滿(mǎn)足傳動(dòng)比；當(dāng)各對(duì)齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時(shí)，則各對(duì)齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出：121jjjjzus??式中： ——分別為 J 齒輪副的主動(dòng)與從動(dòng)齒輪的齒數(shù)；12.jz——J 齒輪副的傳動(dòng)比；ju——齒輪副的齒數(shù)和。zs由上述公式可得：12jj zj zjsu???因此，選定了齒數(shù)和 ，便可以計(jì)算出各齒輪的齒數(shù)，或者由上式確定出zs齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。查表選擇齒輪的齒數(shù)： 3121 21 23472156070.5684.964aaabbbccddzzzz?????其中 a 代表二軸，b 代表三軸，c 代表四軸，d 代表主軸。（四）擬定主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速圖由上述計(jì)算得，12 級(jí)轉(zhuǎn)速各傳動(dòng)組中傳動(dòng)數(shù)的確定方案有：12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2，12=2×3×2， 12=2×2×3第 12 頁(yè) 共 74 頁(yè)按照“前多后少”的原則，確定各傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)為 12=3×2×2。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴(kuò)大，因此得結(jié)構(gòu)式為 ，3612??第二擴(kuò)大組的兩個(gè)傳動(dòng)比連線(xiàn)之間，相距格數(shù)應(yīng)為 ，變326nbZ???速范圍是 ，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個(gè)傳動(dòng)組。668.4??因此變速機(jī)構(gòu)需要四軸，再加上電動(dòng)機(jī)軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線(xiàn)。由于齒輪傳動(dòng)比受到 的限制，現(xiàn)在傳動(dòng)組 C 的變速范圍為 ?？?24U? 68??知這個(gè)傳動(dòng)組中兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是極限值，即1224,ccu???該傳動(dòng)組的升降速度傳動(dòng)比都達(dá)到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級(jí)轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為 180～1000r/min。軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動(dòng)比連線(xiàn)間應(yīng)相距 3 格，取，因此，確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速為 355～710 r/min。12,1.4bbu???對(duì)于軸Ⅰ，取123311,,.84.aaau???于是決定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為 1000 r/min，電動(dòng)機(jī)軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為 1000：1440。綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。轉(zhuǎn)速圖如下：第 13 頁(yè) 共 74 頁(yè)200014001000710500355250180125906345100Ⅰ 144 30Ⅰ 4224Ⅰ4819Ⅰ5342Ⅰ 3024Ⅰ4860Ⅰ3018Ⅰ72Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ1440圖 1.1 加工中心轉(zhuǎn)速圖第 14 頁(yè) 共 74 頁(yè)2、 主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇2.1.1 電動(dòng)機(jī)的功率的計(jì)算查《機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)》：端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是 45 號(hào)鋼；1） 主切削力 0.75.8.31.0.3cepzfadnFz??公式中背吃刀量 4,,m??:取，??0.80.16ed側(cè) 吃 刀 量 取每齒進(jìn)給量 ，???12/,0.2/z zmzff?取刀具直徑 ，d?銑刀齒數(shù) z=4,選 ，0/cmsv銑刀轉(zhuǎn)速 ZnadfaFpzec ???????13.0.73.075.08.14642.6 13.075 ????N3.170所以主切削力0.75.8.31.0.3.750.131476.cepz Nfadnz???????2）切削功率銑削過(guò)程中消耗的功率 主要按圓周切削力 和銑削速度 進(jìn)行計(jì)算c cFcv1706.32.84cc kwvFp????進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也消耗一些功率 ，一般情況下 ，所以總的切削力f 0.15fcp?第 15 頁(yè) 共 74 頁(yè)功率 ，由此可估算銑床主電動(dòng)機(jī)的功率；1.5mfccpp???，取 ，??E???式 中 銑 床 傳 動(dòng) 效 率 ???=0.8501.5.243.8EPkw?????2.1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須使得 ，根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手?額 定 總冊(cè)》選取 Y112M-4 型電動(dòng)機(jī)，功率為 4kw。其基本參數(shù)如下(單位為 mm):滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為 min/140maxrn?2.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪也能滿(mǎn)足傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求，所以本次設(shè)計(jì)選用漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；主軸箱中的齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計(jì)都選用 7-6-6 的精度。具體設(shè)計(jì)步驟如下：2.2.1 模數(shù)的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫(huà)后校核用。在繪草圖之前，先估算，再 標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算公式：32(NwjmZn?式 中 即 為 齒 輪 所 傳 遞 的 功 率 ）齒面點(diǎn)蝕的估算公式： 32(jNA?式 中 即 為 齒 輪 所 傳 遞 的 功 率 ）其中 為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速， A 為齒輪中心距。jn第 16 頁(yè) 共 74 頁(yè)由中心距 A 及齒數(shù) 、 求出模數(shù)：1Z212jm??根據(jù)估算所得 和 中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。wj前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下：第一對(duì)齒輪副 333312140/in4221.390.4.90.17jwjjjrNmmZA????????????所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 .3wm?第二對(duì)齒輪 3333120/min4221.6970520.137jwjjjrNZAmm????????????所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 .69w?第三對(duì)齒輪副 3333125/in2.421.8275.6.013475jwjjjrNmmZA????????????所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 .82wm?第 17 頁(yè) 共 74 頁(yè)第四對(duì)齒輪副 333312125/min2.4.501.8.650.144jwjjjrNmZAm????????????所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 2.5wm?綜合上述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因?yàn)閂 軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加 V 軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計(jì)中在 Ⅰ→Ⅱ?qū)X輪模數(shù)均為，在Ⅱ→Ⅳ對(duì)齒輪上就取 。12.5m?23m?2.2.2 齒輪分度圓直徑的計(jì)算根據(jù)漸開(kāi)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計(jì)算公式可得各個(gè)傳動(dòng)副中齒輪的分度圓直徑為：?jiǎn)挝唬╩m）192.547.amd?? 15325amd???60 48103.a 36.a?1247bm?? 17bm??6d290d?1835c 136c20m?? 2m???2.2.3 齒輪寬度 B 的確定齒輪影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動(dòng)和噪音。一般取 B=（6～10）m 。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)輪寬度 B=9m=18mm(最后一對(duì)齒輪也取 B=79m=18mm)。第 18 頁(yè) 共 74 頁(yè)2.2.4 齒輪其他參數(shù)的計(jì)算根據(jù)《機(jī)械原理》中關(guān)于漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計(jì)算所得的參數(shù)計(jì)算出來(lái)，本次設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)在此不在一一計(jì)算。2.2.5 齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級(jí)精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的 7 級(jí)齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于 7級(jí)，或者淬火后再珩齒。6 級(jí)精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到 6 級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。2.2.6 齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度）計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù) ，包括使用系數(shù) ，動(dòng)載荷系數(shù) ，齒間載KAKVK荷分配系數(shù) 及齒向載荷分布系數(shù) ，即：?K???211.2507.1.658189.0AVHEHEKubmpad????????查 表 得 ：將 數(shù) 據(jù) 代 入 得 ； ， Z，齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗(yàn)算，在此略去。第 19 頁(yè) 共 74 頁(yè)2.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1 各傳動(dòng)軸軸徑的估算滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。30PdmnA?對(duì)于空心軸，則??0431dn???式中，P——軸傳遞的功率，KW；n——軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min;——其經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表0A取 的值為 1.5。?(1)計(jì)算各傳動(dòng)軸傳遞的功率 P根據(jù)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選擇可知，本次設(shè)計(jì)所用的電動(dòng)機(jī)額定功率 ，4dkwN?各傳動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算：dpN????電 機(jī) 到 傳 動(dòng) 軸 之 間 傳 動(dòng) 效 率 ；由傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計(jì)中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，及軸承。則各軸傳遞的功率為：12340.94,.,0.9,.1????所以，各傳動(dòng)軸傳遞的功率分別為：10.943.76kwp???25第 20 頁(yè) 共 74 頁(yè)32.50943.2kwp???416(2) 估算各軸的最小直徑315pnd??本次設(shè)計(jì)中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為 40Cr，其他各軸的材料均選擇 45 鋼，取 A0 值為 115，各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速可推算出為：123440/min,10/in,5/min,125/inrrrr????所以各軸的最小直徑為：3156.40d?? 32.76.8910md??33.2.7m?34.5.2?在以上各軸中，因有些軸上開(kāi)有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到 5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：2min3min4min0,25,30dd???對(duì)于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式；??3041PAn????故主軸為 34157.2.5md?考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大 5%，將增大的直徑在圓整后取 460m?第 21 頁(yè) 共 74 頁(yè)2.3.2 各軸段長(zhǎng)度值的確定各軸段的長(zhǎng)度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿(mǎn)足以下的原則；應(yīng)滿(mǎn)足軸承及齒輪的定位要求。2.3.3 軸的剛度與強(qiáng)度校核1） 、軸的受力分析及受力簡(jiǎn)圖由主軸箱的展開(kāi)圖可知，該軸的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器傳遞過(guò)來(lái)，而后通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞到下一根軸。其兩端通過(guò)一對(duì)角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計(jì)。所以，只要校核其在 XZ 平面和 YZ 平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來(lái)的，計(jì)算時(shí)常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類(lèi)型和布置方式有關(guān)。其受力簡(jiǎn)圖如下：在 XZ 平面內(nèi)：圖 2.1 XZ 平面受力分析在 YZ 平面內(nèi)：第 22 頁(yè) 共 74 頁(yè)圖 2.2 YZ 平面受力分析2）作出軸的彎矩圖根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按 XZ 平面及 YZ 平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出兩個(gè)平面的上的彎矩圖。則該軸在 XZ 平面內(nèi)的彎矩圖為：圖 2.3 XZ 平面內(nèi)的彎矩第 23 頁(yè) 共 74 頁(yè)同理可得在 YZ 平面內(nèi)的彎矩圖為：圖 2.4 YZ 平面內(nèi)的彎矩3）作出軸的扭矩圖由受力分析及受力簡(jiǎn)圖可知，則扭矩圖為：圖 2.5 扭矩圖4） 、作出總的彎矩圖由以上求得的在 XZ、YZ 平面的彎矩圖，根據(jù) 可得總22XZYM??的彎矩圖為：第 24 頁(yè) 共 74 頁(yè)圖 2.6 合成彎矩圖5） 、作出計(jì)算彎矩圖根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式 求??22caTM???出計(jì)算彎矩，其中 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異?的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱(chēng)循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱(chēng)循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計(jì)算彎矩時(shí)，必須計(jì)及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取 a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取 a=1。應(yīng)本次設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取 a=0.3，則計(jì)算彎矩圖為：圖 2.7 計(jì)算彎矩圖第 25 頁(yè) 共 74 頁(yè)6） 校核軸的強(qiáng)度選擇軸的材料為 45 鋼，并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其許用彎曲應(yīng)力為 60MP，由計(jì)算彎矩圖可知，該軸的危險(xiǎn)截面在 B 的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開(kāi)有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩： ??24 /3WdDdzD????????其中 Z 為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中， ，所以其截6,23,8,6??bdz面的慣性矩為 W=2984.2 。3m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計(jì)算公式可得圓周力與徑向力：12tTFd?rtgF???其中： 為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)， ；1 mN?為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，取 ；?02??而 與 分別對(duì)應(yīng)與 XZ 平面及平面 YZ 的力。各段軸的長(zhǎng)度可從 2 號(hào) A0tr圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險(xiǎn)截面的計(jì)算彎矩為： mNMca??2.014則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為： MPca 6017.48.5423. ?????所以該軸的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。2.3.4 主軸的確定主軸的構(gòu)造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承等零件的類(lèi)型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。第 26 頁(yè) 共 74 頁(yè)1） 主軸材料的選擇考慮到主軸的剛度及強(qiáng)度，選擇主軸的材料為 40Cr，并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。2） 主軸結(jié)構(gòu)的確定①主軸直徑的選擇根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定 1D∵P=2.96KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床∴可取 =50～70mm；1②主軸內(nèi)孔直徑??4440/61dKI D?????????????其中 ， ---空心主軸的剛度和截面慣性矩0， ---實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩當(dāng) 則主軸的剛度急劇下降，故取.7??7.0??主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來(lái)確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚。③提高主軸的性能措施a、提高旋轉(zhuǎn)精度提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。b、改善動(dòng)態(tài)特性主軸應(yīng)有較高的動(dòng)剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動(dòng)的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內(nèi)高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問(wèn)題，按靜態(tài)處理。c.控制主軸組件溫升主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在滾道中磨擦、攪油，滑動(dòng)軸承乘載油膜受到剪切內(nèi)磨擦，均會(huì)產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要有兩項(xiàng)措施。(1)減少支承發(fā)熱量。第 27 頁(yè) 共 74 頁(yè)(2)采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。主軸的主要尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍，故主軸的剛度一般都能滿(mǎn)足要求。在此就免于校核。2.4 離合器的選用離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離或接合，對(duì)離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速?gòu)氐?；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸??；質(zhì)量??；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。 ；離合器的類(lèi)型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無(wú)滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無(wú)滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類(lèi)型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號(hào) DLM9-25。其結(jié)構(gòu)尺寸如下：12346,15,6,9508DeL???第 28 頁(yè) 共 74 頁(yè)3、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算--立式加工中心工作臺(tái)（X 軸）設(shè)計(jì)3.1 概述（1）技術(shù)要求：工作臺(tái)、工件和夾具的總質(zhì)量 m=918 kg（所受的重力 W=9000N） ，其中，工作臺(tái)的質(zhì)量 (所受的重力 W=5000N）;工作臺(tái)最大行程 ；kgm510? mLP60?工作臺(tái)快速移動(dòng)速度 ;工作臺(tái)采用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的min/2axv動(dòng)、靜摩檫系數(shù)均為 0.01；工作臺(tái)的定位精度為 20 ，重復(fù)定位精度為?8 ；機(jī)床的工作壽命為 20000h（即工作時(shí)間為 10 年） 。?機(jī)床采用主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率 ，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)kwpE4?力切削，銑刀直徑 ，主軸轉(zhuǎn)速 ，切削狀況如下表所示：mD20?min/160r加工中心切削狀況切削方式 進(jìn)給速度/（m/min）時(shí)間比例/（%） 備注強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)功率條件下切削一般切削 0.8 30 粗加工精加工切削 1 50 精加工快速進(jìn)給 20 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給（2） 總體方案設(shè)計(jì)為了滿(mǎn)足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。（1）工作臺(tái)工作面尺寸（寬度×長(zhǎng)度）確定為 400mm×1200mm。（2）工作臺(tái)導(dǎo)軌采用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌。（3）對(duì)滾動(dòng)絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。（4）采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。（5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連。第 29 頁(yè) 共 74 頁(yè)3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 主切削力及其切削分力計(jì)算（1）計(jì)算主切削 。FZ根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切mD20?削速度為 smsnv /67.1/60124.363?????若機(jī)械效率 ，則由公式可以計(jì)算主切削力 ：85.?m FZNvpFEz 93.205167.41033?????（2）計(jì)算各切削分力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得工作臺(tái)縱向切削力 、橫向切削力 和垂直切削力 分F1c v別為 Nz 37.849.2035401 ???FzC 195zv 63.2.2 導(dǎo)軌摩檫力的計(jì)算由公式計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力 ，此時(shí)導(dǎo)軌摩檫系數(shù) ，F(xiàn)? 01.??查表得導(dǎo)軌緊固力 ，則Nfg40?73.2)6.193.409(1.)( ????? NWFvc?又由公式計(jì)算在不在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力 和導(dǎo)軌靜摩檫力 。0?F0Nfg .)0(.)(0 ???N490第 30 頁(yè) 共 74 頁(yè)3.2.3 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力（1）由公式計(jì)算最大軸向負(fù)載力 。FamxNa 1.935)7.1203.84(1mx ?????（2）由公式計(jì)算最小軸向負(fù)載力 aminNFa4.90min??3.2.4 滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算（1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 L0根據(jù)已知條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ，可得min/20minr?minvL10210max0 ???（2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷①估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將估算結(jié)果填入下表臥式加工中心滾珠絲杠的計(jì)算切削方式 軸向載荷/N進(jìn)給速度/（m/min）時(shí)間比例/（%）備注強(qiáng)力切削 935.1 6.01?v10 Famx1?一般切削（粗加工）277.44 8230 a%20mxin2?精細(xì)切削（精加工）137.16 13?v50 aa5xmin3?快移和鉆鏜定位90.4 max410 FaMIN4②計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 。imn/60i/106.301 rrLvn????