本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目 立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)設計 設計（論文）題目來源 自選課題 設計（論文）題目類型 工程設計類 起止時間一、設計（論文）依據及研究意義：本次設計是 立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)的設計。加工中心是一種有刀庫并能更換刀具對工件進行多序加工的數控機床，它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和應用編程技術的高科技產品，是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造水平，因此在國內外企業(yè)界都受到高度重視。二、設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）：主要研究的內容：1.調查分析相同規(guī)格數控立式加工中心的加工特點，確定新設計的數控立式加工中心的主要技術參數。2.進行數控立式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。3.完成數控立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)的機械結構設計。4.完成控制系統(tǒng)硬件設計。預期的目標：1.通過對立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)簡要了解，了解數控立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)部分結構的設計全過程，達到綜合訓練的目的，提高獨立工作能力，鞏固和提高所學知識，增強機械創(chuàng)新設計的能力；2.根據總體設計方案，繪制新設計數控立式加工中心總體外觀圖一張（三維計算機圖）；進行運動計算、強度計算和動力計算，繪制主軸箱部分展開圖一張（A0 計算機圖）；進行進給運動的運動計算和強度計算，繪制出進給系統(tǒng)機構部裝圖一張（A0 或 A1 計算機圖）；繪制數控加工中心主軸零件圖一張（根據情況由指導教師指定）；根據控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（A0 或 A1 計算機圖）。三、設計（論文）的研究重點及難點：1.立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)機構的設計要求、設計計算（包括主軸極限轉速的確定、主電機功率的確定、進給量的范圍） ；2.數控立式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案的確定；3.立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)機械結構的設計；4.整機各部件的結構以及基本重量和基本尺寸，以保證在設計過程中直接應用；5.對于如何選擇和設計各部件，如何恰當的處理這些部件的位置關系以及達到預期的目的，在相對缺乏經驗和參考資料的情況下，這就成了我們本次設計的難點。四、設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：研究方法：借鑒，對比，設計。進度：1.5—1.15：收集并閱讀 JCS-018 立立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)設計方面的書籍，以及相應的標準，了解立式加工中心主軸箱設計給系統(tǒng)的發(fā)展史，以及目前的發(fā)展方向，完成開題報告；3.15—3.29：在閱讀資料的前提下，初步定出主軸箱及進給系統(tǒng)各部分技術參數，設計計算，方案選擇并確定可行的方案路線；3.31—4.26：依據初定的外形尺寸繪制圖紙；4.27—5.15：整理書寫設計說明書；5.16—5.31：重新回顧一下畢業(yè)設計的內容，對設計進行全面性的修改，并準備答辯；6.1：開始答辯。五、進行設計（論文）所需條件：完成此次設計不僅要有基本的設計繪圖能力及數控技術知識，還應具備查閱與本課題相關的資料和文獻并能加以應用，還應有翻閱外文相關期刊并能加以領會的能力。當然不可避免的要懂得機械產品的功能原理設計、實用化設計、傳動方案的設計、商品化設計以及優(yōu)化設計的基本原理。同時，我們運用了計算機作為輔助，來幫助我們繪制三維圖、繪制裝配圖、查閱資料和書寫任務書。六、指導教師意見：簽名： 年 月 日i摘要:本次設計通過對現有加工 中心的分析研究,提出一種新的設計方案,其自動化程度更高,結構也相對比較簡單.這一點在論文會得以體現.本方案中,主軸箱采用交流調速電機實現無級變速,在 X、Y、Z 三個方向上的進給運動均采用滾珠絲杠,而動力則由步進電動機通過調隙齒輪來傳遞,并且采用單片機進行數字控制.控制系統(tǒng)采用 MCS-51 系列單片機,通過擴展程序存儲器、數據存儲器和I/O 接口實現硬件電路的設計.論文中也對軟件系統(tǒng)的設計做出了相關說明.關鍵詞:交流調速電機 滾珠絲杠 步進電機 單片機系統(tǒng)擴展iiAbstract: 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 systemiii目錄前言······················································11、機床總體方案設計·······································11.1 機床總體尺寸參數的選定·····························11.2 機床主要部件及運動方式的選定·······················21.3 機床總體布局的確定·································32、主傳動的設計計算·······································82.1 電機的選擇····························iv·············82.2 齒輪傳動的設計計算·································92.3 軸的設計計算······································132.4 離合器的選用······································213、進給系統(tǒng)的設計計算···································223.1 概述··············································223.2 設計計算··········································223.3 工作臺部件的裝配圖設計····························29v3.4 滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗····················303.5 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度····························313.6 驅動電動機的選型與計算····························333.7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析····························363.8 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析·····················373.9 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號············383.10 滾珠絲桿副的預緊方式·····························383.11 齒輪傳動消隙····································394、控制系統(tǒng)的設vi計········································394.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂····························394.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設計····························39參考文獻·················································56謝 辭················································57 科技譯文·················································58第 1 頁 共 4 頁目錄前言······················································11、機床總體方案設計·······································11.1 機床總體尺寸參數的選定·····························11.2 機床主要部件及運動方式的選定·······················21.3 機床總體布局的確定·································32、主傳動的設計計算·······································82.1 電機的選擇·········································8第 2 頁 共 4 頁2.2 齒輪傳動的設計計算·································92.3 軸的設計計算······································132.4 離合器的選用······································213、進給系統(tǒng)的設計計算···································223.1 概述··············································223.2 設計計算··········································223.3 工作臺部件的裝配圖設計····························293.4 滾珠絲杠螺母副的承載能力的校第 3 頁 共 4 頁驗····················303.5 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度····························313.6 驅動電動機的選型與計算····························333.7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析····························363.8 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析·····················373.9 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號············383.10 滾珠絲桿副的預緊方式·····························383.11 齒輪傳動消隙····································394、控制系統(tǒng)的設計····························第 4 頁 共 4 頁············394.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂····························394.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設計····························39參考文獻·················································56謝 辭················································57 科技譯文·················································58 畢業(yè)設計( 論文)任務書學 院： 機械工程學院 題 目： 立式加工中心主軸箱設計 起 止 時 間 ： 學 生 姓 名 ： 專 業(yè) 班 級 ： 指 導 老 師 ： 教研室主任： 院 長： 設計任務書學生： 指導老師： 設計時間： （一） 題目：JDS-018 立時加工中心主軸箱及進給系統(tǒng) 設計（二） 設計內容：1.調查分析相同規(guī)格數控立式加工中心的加工特點，確定新設計的數控立式加工中心的主要技術參數。2.進行數控立式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。3.完成數控立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)的機械結構設計。4.完成控制系統(tǒng)硬件設計。（三）任務和要求：1.根據總體設計方案，繪制新設計數控立式加工中心總體外觀圖一張（三維計算機圖） ；2.進行主運動的運動計算、強度計算和動力計算，繪制主軸箱部分展開圖一張（A0 計算機圖） ；3.進行進給運動的運動計算和強度計算，繪制出進給系統(tǒng)機構部裝圖一張（A0 或 A1 計算機圖） ；4.繪制數控加工中心主軸零件圖一張（根據情況由指導教師指定） ；5.根據控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（A0 或 A1 計算機圖一張根據情況由指導教師指定） 。6.科技譯文（不少于 2000 漢字，原文可自選或由指導老師提供） 。7.編寫畢業(yè)設計說明書一套（不少于二萬字，有原文摘要，全部用計算機打出） 。（四）主要參考資料：1.《機械設計手冊》 ，機械工業(yè)出版社。2.《實用機床設計手冊》 ，遼寧科技出版社。3.《機床設計圖冊》 ，上?？萍汲霭嫔?。4.《TTL 集成電路手冊》5.《存儲器手冊》6.《機床主軸變速箱設計指導書》 ，機械工業(yè)出版社。7.《機床數控系統(tǒng)設計指導書》 ，中國科技出版社。8.數控系統(tǒng)，富大偉主編，化學工業(yè)出版社。9.數控機床系統(tǒng)設計，文懷星編著，化學工業(yè)出版社。10.數控加工中心設計，夏田主編，化學工業(yè)出版社。11.機電綜合設計指導書，中國人民大學出版社。本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目 JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)設計 設計（論文）題目來源 自選課題 設計（論文）題目類型 工程設計類 起止時間一、設計（論文）依據及研究意義：本次設計是 JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)的設計。加工中心是一種有刀庫并能更換刀具對工件進行多序加工的數控機床，它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和應用編程技術的高科技產品，是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造水平，因此在國內外企業(yè)界都受到高度重視。二、設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）：主要研究的內容：1.調查分析相同規(guī)格數控立式加工中心的加工特點，確定新設計的數控立式加工中心的主要技術參數。2.進行數控立式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。3.完成數控立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)的機械結構設計。4.完成控制系統(tǒng)硬件設計。預期的目標：1.通過對 JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)簡要了解，了解數控立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)部分結構的設計全過程，達到綜合訓練的目的，提高獨立工作能力，鞏固和提高所學知識，增強機械創(chuàng)新設計的能力；2.根據總體設計方案，繪制新設計數控立式加工中心總體外觀圖一張（三維計算機圖）；進行運動計算、強度計算和動力計算，繪制主軸箱部分展開圖一張（A0 計算機圖）；進行進給運動的運動計算和強度計算，繪制出進給系統(tǒng)機構部裝圖一張（A0 或 A1 計算機圖）；繪制數控加工中心主軸零件圖一張（根據情況由指導教師指定）；根據控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（A0 或 A1 計算機圖）。三、設計（論文）的研究重點及難點：1.JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)機構的設計要求、設計計算（包括主軸極限轉速的確定、主電機功率的確定、進給量的范圍） ；2.數控立式加工中心的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案的確定；3.JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)機械結構的設計；4.整機各部件的結構以及基本重量和基本尺寸，以保證在設計過程中直接應用；5.對于如何選擇和設計各部件，如何恰當的處理這些部件的位置關系以及達到預期的目的，在相對缺乏經驗和參考資料的情況下，這就成了我們本次設計的難點。四、設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：研究方法：借鑒，對比，設計。進度：2009.1.5—2009.1.15：收集并閱讀 JCS-018 立立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)設計方面的書籍，以及相應的標準，了解 JCS-018 立式加工中心主軸箱及進給系統(tǒng)的發(fā)展史，以及目前的發(fā)展方向，完成開題報告；2009.3.15—2009.3.29：在閱讀資料的前提下，初步定出主軸箱及進給系統(tǒng)各部分技術參數，設計計算，方案選擇并確定可行的方案路線；2009.3.31—2009.4.26：依據初定的外形尺寸繪制圖紙；2009.4.27—2009.5.15：整理書寫設計說明書；2009.5.16—2009.5.31：重新回顧一下畢業(yè)設計的內容，對設計進行全面性的修改，并準備答辯；2009.6.1：開始答辯。五、進行設計（論文）所需條件：完成此次設計不僅要有基本的設計繪圖能力及數控技術知識，還應具備查閱與本課題相關的資料和文獻并能加以應用，還應有翻閱外文相關期刊并能加以領會的能力。當然不可避免的要懂得機械產品的功能原理設計、實用化設計、傳動方案的設計、商品化設計以及優(yōu)化設計的基本原理。同時，我們運用了計算機作為輔助，來幫助我們繪制三維圖、繪制裝配圖、查閱資料和書寫任務書。六、指導教師意見：簽名： 年 月 日第 1 頁 共 74 頁摘要:本次設計通過對現有加工中心的分析研究,提出一種新的設計方案,其自動化程度更高,結構也相對比較簡單.這一點在論文會得以體現.本方案中,主軸箱采用交流調速電機實現無級變速,在 X、Y、Z 三個方向上的進給運動均采用滾珠絲杠,而動力則由步進電動機通過調隙齒輪來傳遞,并且采用單片機進行數字控制.控制系統(tǒng)采用 MCS-51 系列單片機,通過擴展程序存儲器、數據存儲器和I/O 接口實現硬件電路的設計.論文中也對軟件系統(tǒng)的設計做出了相關說明.關鍵詞:交流調速電機 滾珠絲杠 步進電機 單片機系統(tǒng)擴展第 2 頁 共 74 頁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 共 74 頁目錄前言······················································11、機床總體方案設計·······································11.1 機床總體尺寸參數的選定·····························11.2 機床主要部件及運動方式的選定·······················21.3 機床總體布局的確定·································32、主傳動的設計計算·······································82.1 電機的選擇····························第 4 頁 共 74 頁·············82.2 齒輪傳動的設計計算·································92.3 軸的設計計算······································132.4 離合器的選用······································213、進給系統(tǒng)的設計計算···································223.1 概述··············································223.2 設計計算··········································223.3 工作臺部件的裝配圖設計····························29第 5 頁 共 74 頁3.4 滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗····················303.5 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度····························313.6 驅動電動機的選型與計算····························333.7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析····························363.8 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析·····················373.9 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號············383.10 滾珠絲桿副的預緊方式·····························383.11 齒輪傳動消隙····································394、控制系統(tǒng)的設第 6 頁 共 74 頁計········································394.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂····························394.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設計····························39參考文獻·················································56謝 辭················································57 科技譯文·················································58第 7 頁 共 74 頁前 言加工中心集計算機技術、電子技術、自動化控制、傳感測量、機械制造、網絡通信技術于一體，是典型的機電一體化產品，它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化。現在的 CAD/CAM、FMS 、CIMS，都是建立在數控技術之上。目前數控技術已經廣泛運用于制造業(yè)，數控技術水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)現代化程度的核心標志。而加工中心的發(fā)展最為重要。隨著科學技術的高速發(fā)展，市場上對數控的要求也有很大的改變，正要求數控系統(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控機床結構模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學計算可視化，內置高性能 PLC，多媒體技術應用等方面發(fā)展。加工中心的優(yōu)點有：1）提高加工質量；2）縮短加工準備時間；3）減少在制品；4）減少刀具費；5）最少的直接勞務費；6）最少的間接勞務費；7）設備利用率高?？偟膩碚f，加工中心的發(fā)展動向是高速、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。本設計說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設計及橫向進給機構的設計的思路。設計中得到顏竟成教授的悉心指導，在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經驗有限，加之設計時間較短、資料收集較困難，說明書中難免有缺點和錯誤，在此懇請讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評意見，使本設計說明書能有所改進。第 8 頁 共 74 頁1、 機床總體方案設計1.1 機床總體尺寸參數的選定根據設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數如下：工作臺寬度×長度 400×1600mm×mm工作臺最大縱向行程 650mm工作臺最大橫向行程 450mm工作臺最大垂直行程 500mmX、Y 軸步進電機 a12/3000iZ 步進電機 a12/3000i主軸最大輸出扭矩 70 公斤力×米主軸轉速范圍 45～2000r/min主電動機的功率 4kw主軸電動機轉速 1500r/min機床外行尺寸（長×寬×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm機床凈重 500kg1.2 機床主要部件及其運動方式的選定1、主運動的實現因所設計的臥式加工中心要求能進行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺不動，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機構布局；采用交流無級調速電動機實現無級調速，并且串聯(lián)有級變速箱來擴大變速范圍。為了使主軸箱在數控的計算機控制上齒輪的傳動更準確、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變速。2、給運動的實現本次所設計的機床進給運動均由單片機進行數字控制，因此在 X、Y、Z 三個方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進電機通過調隙齒輪傳遞。第 9 頁 共 74 頁3、數字控制的實現采用單片機控制，各個控制按鈕均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據實際情況而定。4、機床其他零部件的選擇考慮到生產效率以及生產的經濟性，機床附件如油管、行程開關等，以及標準件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。1.3 機床總體布局的確定（一）確定主軸箱傳動系統(tǒng)方案：主傳動系統(tǒng)是用來實現機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應具有一定的轉速（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，并能方便地實現運動的開停、變速、換向和制動等。加工中心主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結構上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔。機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定的轉速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為 2-3；額定轉速以下為恒轉矩變速，調整范圍很大，變速范圍可大 30 甚至更大。上述功率和轉矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個有級變速箱。本機床采用交流調速電機變速，為了在變速范圍內，滿足一定恒功率和恒轉矩的要求，為了進一步擴大變速范圍，在后面串聯(lián)機械有級變速裝置。（二）確定主軸箱有級變速級數：取變速箱的公比為 等于電動機的恒功率變速范圍 ，即 ，f?dpRdpf??功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱級數為 Z，則主軸的恒功率變速范圍 等于NPR1zzNPdpff??第 10 頁 共 74 頁變速箱的變速級數可得出：lgnpfZR??主軸要求的恒功率變速范圍 20/45.NP?電動機的恒功率變速范圍 13dp取變速箱的公比 .f故變速箱的變速級數 lgl451npfZR???故通過圓整取 Z=12。（三）確定各齒輪的齒數：在確定齒輪齒數時應注意：齒輪的齒數和不應過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機床的結構龐大，而且增大齒數和還會提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設計時要把齒數和控制在 ；為了控制每組嚙合齒輪不102zS?～產生根切現象，使最小齒數 ，因而齒輪的齒數和不應過小。8minZ?～受結構限制的個齒輪（尤其是最少齒輪） ，應能可靠地裝到軸上或進行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽 （m 為模數） ，以保證有足夠強的強度，避免出2a現變形或斷裂現象。應保證：in1TD??標準直齒圓柱齒輪，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；i——齒輪模數；——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。T由于此傳動在同一變數組為同模數傳動，各對齒輪的齒數的齒數之比，必第 11 頁 共 74 頁須滿足傳動比；當各對齒輪的模數相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數和必然相等，可列出：121jjjjzus??式中： ——分別為 J 齒輪副的主動與從動齒輪的齒數；12.jz——J 齒輪副的傳動比；ju——齒輪副的齒數和。zs由上述公式可得：12jj zj zjsu???因此，選定了齒數和 ，便可以計算出各齒輪的齒數，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。查表選擇齒輪的齒數： 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）擬定主運動轉速圖由上述計算得，12 級轉速各傳動組中傳動數的確定方案有：12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2，12=2×3×2， 12=2×2×3第 12 頁 共 74 頁按照“前多后少”的原則，確定各傳動組的傳動副數為 12=3×2×2。根據“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴大，因此得結構式為 ，3612??第二擴大組的兩個傳動比連線之間，相距格數應為 ，變326nbZ???速范圍是 ，在允許的范圍內，所選定的結構式共有三個傳動組。668.4??因此變速機構需要四軸，再加上電動機軸共五軸，故轉速圖有五條豎線。由于齒輪傳動比受到 的限制，現在傳動組 C 的變速范圍為 ?？?24U? 68??知這個傳動組中兩個傳動副的傳動比必然是極限值，即1224,ccu???該傳動組的升降速度傳動比都達到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級轉速只有一種可能，即為 180～1000r/min。軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動比連線間應相距 3 格，取，因此，確定軸Ⅱ的轉速為 355～710 r/min。12,1.4bbu???對于軸Ⅰ，取123311,,.84.aaau???于是決定了軸Ⅰ的轉速為 1000 r/min，電動機軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動，傳動比為 1000：1440。綜合上述，主軸的調速范圍：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。轉速圖如下：第 13 頁 共 74 頁200014001000710500355250180125906345100Ⅰ 144 30Ⅰ 4224Ⅰ4819Ⅰ5342Ⅰ 3024Ⅰ4860Ⅰ3018Ⅰ72Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ1440圖 1.1 加工中心轉速圖第 14 頁 共 74 頁2、 主運動的設計計算2.1 電動機的選擇2.1.1 電動機的功率的計算查《機床主軸/變速箱設計指導》：端銑：硬質合金端銑刀，銑刀材料是 45 號鋼；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 吃 刀 量 取每齒進給量 ，???12/,0.2/z zmzff?取刀具直徑 ，d?銑刀齒數 z=4,選 ，0/cmsv銑刀轉速 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）切削功率銑削過程中消耗的功率 主要按圓周切削力 和銑削速度 進行計算c cFcv1706.32.84cc kwvFp????進給運動也消耗一些功率 ，一般情況下 ，所以總的切削力f 0.15fcp?第 15 頁 共 74 頁功率 ，由此可估算銑床主電動機的功率；1.5mfccpp???，取 ，??E???式 中 銑 床 傳 動 效 率 ???=0.8501.5.243.8EPkw?????2.1.2 電動機參數的選擇在選擇電動機時，必須使得 ，根據這個原則，查《機械設計手?額 定 總冊》選取 Y112M-4 型電動機，功率為 4kw。其基本參數如下(單位為 mm):滿載轉速為 min/140maxrn?2.2 齒輪傳動的設計計算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產成本低等優(yōu)點，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動設計要求，所以本次設計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關。為了控制噪聲，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設計都選用 7-6-6 的精度。具體設計步驟如下：2.2.1 模數的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪各參數都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再 標準齒輪模數。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 為大齒輪的計算轉速， A 為齒輪中心距。jn第 16 頁 共 74 頁由中心距 A 及齒數 、 求出模數：1Z212jm??根據估算所得 和 中較大的值，選取相近的標準模數。wj前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數估算如下：第一對齒輪副 333312140/in4221.390.4.90.17jwjjjrNmmZA????????????所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數應為 .3wm?第二對齒輪 3333120/min4221.6970520.137jwjjjrNZAmm????????????所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數應為 .69w?第三對齒輪副 3333125/in2.421.8275.6.013475jwjjjrNmmZA????????????所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數應為 .82wm?第 17 頁 共 74 頁第四對齒輪副 333312125/min2.4.501.8.650.144jwjjjrNmZAm????????????所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數應為 2.5wm?綜合上述，為了降低成本，機床中各齒輪模數值應盡可能取相同，但因為V 軸的轉速比較小，扭矩比較大，為了增加其強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，本次設計中在 Ⅰ→Ⅱ對齒輪模數均為，在Ⅱ→Ⅳ對齒輪上就取 。12.5m?23m?2.2.2 齒輪分度圓直徑的計算根據漸開線標準直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑為：單位（mm）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，反而容易引起振動和噪音。一般取 B=（6～10）m 。本次設計中，取主動輪寬度 B=9m=18mm(最后一對齒輪也取 B=79m=18mm)。第 18 頁 共 74 頁2.2.4 齒輪其他參數的計算根據《機械原理》中關于漸開線圓柱齒輪參數的計算公式及相關參數的規(guī)定，齒輪的其他參數都可以由以上計算所得的參數計算出來，本次設計中，這些參數在此不在一一計算。2.2.5 齒輪結構的設計不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結構的要求也不同，七級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的 7 級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于 7級，或者淬火后再珩齒。6 級精度的齒輪，用精密滾齒機可以達到。淬火齒輪，必須達到 6 級。機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（接觸疲勞強度）計算齒輪強度用的載荷系數 ，包括使用系數 ，動載荷系數 ，齒間載KAKVK荷分配系數 及齒向載荷分布系數 ，即：?K???211.2507.1.658189.0AVHEHEKubmpad????????查 表 得 ：將 數 據 代 入 得 ； ， Z，齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應力小于許用的接觸應力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗算，在此略去。第 19 頁 共 74 頁2.3 軸的設計計算2.3.1 各傳動軸軸徑的估算滾動軸承的型號是根據軸端直徑確定的，而且軸的設計是在初步計算軸徑的基礎上進行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉強度法用下列公式進行估算。30PdmnA?對于空心軸，則??0431dn???式中，P——軸傳遞的功率，KW；n——軸的計算轉速，r/min;——其經驗值見表0A取 的值為 1.5。?(1)計算各傳動軸傳遞的功率 P根據電動機的計算選擇可知，本次設計所用的電動機額定功率 ，4dkwN?各傳動軸傳遞的功率可按下式計算：dpN????電 機 到 傳 動 軸 之 間 傳 動 效 率 ；由傳動系統(tǒng)圖可以看出，本次設計中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動，及軸承。則各軸傳遞的功率為：12340.94,.,0.9,.1????所以，各傳動軸傳遞的功率分別為：10.943.76kwp???25第 20 頁 共 74 頁32.50943.2kwp???416(2) 估算各軸的最小直徑315pnd??本次設計中，考慮到主軸的強度與剛度以及制造成本的經濟性，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，各軸的計算轉速可推算出為：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，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強度，應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???對于主軸應該應用公式；??3041PAn????故主軸為 34157.2.5md?考慮到軸上有花鍵，所以應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 共 74 頁2.3.2 各軸段長度值的確定各軸段的長度值，應根據主軸箱的具體結構而定，且必須滿足以下的原則；應滿足軸承及齒輪的定位要求。2.3.3 軸的剛度與強度校核1） 、軸的受力分析及受力簡圖由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對角接觸軸承將力轉移到箱體上去。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。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的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關。其受力簡圖如下：在 XZ 平面內：圖 2.1 XZ 平面受力分析在 YZ 平面內：第 22 頁 共 74 頁圖 2.2 YZ 平面受力分析2）作出軸的彎矩圖根據上述簡圖，分別按 XZ 平面及 YZ 平面計算各力產生的彎矩，并按計算結果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。則該軸在 XZ 平面內的彎矩圖為：圖 2.3 XZ 平面內的彎矩第 23 頁 共 74 頁同理可得在 YZ 平面內的彎矩圖為：圖 2.4 YZ 平面內的彎矩3）作出軸的扭矩圖由受力分析及受力簡圖可知，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 可得總22XZYM??的彎矩圖為：第 24 頁 共 74 頁圖 2.6 合成彎矩圖5） 、作出計算彎矩圖根據已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式 求??22caTM???出計算彎矩，其中 是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產生應力的循環(huán)特性差異?的系數，因通常由彎矩產生的彎曲應力是對稱循環(huán)的邊應力，而扭矩所產生的扭轉切應力則常常不是對稱循環(huán)的變應力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。既當扭轉切應力為靜應力時，取 a=0.3;扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力時，取 a=0.6；若扭矩切應力也為對稱循環(huán)變應力時，則取 a=1。應本次設計中扭轉切應力為靜應力，所以取 a=0.3，則計算彎矩圖為：圖 2.7 計算彎矩圖第 25 頁 共 74 頁6） 校核軸的強度選擇軸的材料為 45 鋼，并經過調質處理。由機械設計手冊查得其許用彎曲應力為 60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在 B 的作用點上，由于該作用點上開有花鍵，由機械設計可查得其截面的慣性矩： ??24 /3WdDdzD????????其中 Z 為花鍵的數目，在本次設計中， ，所以其截6,23,8,6??bdz面的慣性矩為 W=2984.2 。3m根據標準直齒圓柱齒輪受力計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， ；1 mN?為嚙合角，對標準齒輪，取 ；?02??而 與 分別對應與 XZ 平面及平面 YZ 的力。各段軸的長度可從 2 號 A0tr圖中得出，則根據前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為： mNMca??2.014則該軸危險截面所受的彎曲應力為： MPca 6017.48.5423. ?????所以該軸的強度滿足要求。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造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數量、位置和安裝定位方法等。應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉矩。第 26 頁 共 74 頁1） 主軸材料的選擇考慮到主軸的剛度及強度，選擇主軸的材料為 40Cr，并經過調質處理。2） 主軸結構的確定①主軸直徑的選擇根據機床主電動機功率來確定 1D∵P=2.96KW，屬于中等以上轉速，中等以下載荷的機床∴可取 =50～70mm；1②主軸內孔直徑??4440/61dKI D?????????????其中 ， ---空心主軸的剛度和截面慣性矩0， ---實心主軸的剛度和截面慣性矩當 則主軸的剛度急劇下降，故取.7??7.0??主軸的結構應根據主軸上應安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結構已在三維圖上表達清楚。③提高主軸的性能措施a、提高旋轉精度提高主軸組件的旋轉精度，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、改善動態(tài)特性主軸應有較高的動剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內高的，遠遠高于主軸的最高轉速，故不必考慮共振問題，按靜態(tài)處理。c.控制主軸組件溫升主軸運轉時滾動軸承的滾動體在滾道中磨擦、攪油，滑動軸承乘載油膜受到剪切內磨擦，均會產生熱量，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。主要有兩項措施。(1)減少支承發(fā)熱量。第 27 頁 共 74 頁(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結構上確定的，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足要求。在此就免于校核。2.4 離合器的選用離合器在機器運轉中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或接合，對離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調節(jié)和修理方便；外廓尺寸?。毁|量?。荒湍バ院煤陀凶銐虻纳崮芰?；操作方便省力。 ；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結構尺寸限制，我選用了無滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結構尺寸限制，我選用了無滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號 DLM9-25。其結構尺寸如下：12346,15,6,9508DeL???第 28 頁 共 74 頁3、進給系統(tǒng)的設計計算--立式加工中心工作臺（X 軸）設計3.1 概述（1）技術要求：工作臺、工件和夾具的總質量 m=918 kg（所受的重力 W=9000N） ，其中，工作臺的質量 (所受的重力 W=5000N）;工作臺最大行程 ；kgm510? mLP60?工作臺快速移動速度 ;工作臺采用滾動直線導軌，導軌的min/2axv動、靜摩檫系數均為 0.01；工作臺的定位精度為 20 ，重復定位精度為?8 ；機床的工作壽命為 20000h（即工作時間為 10 年） 。?機床采用主軸伺服電動機，額定功率 ，機床采用端面銑刀進行強kwpE4?力切削，銑刀直徑 ，主軸轉速 ，切削狀況如下表所示：mD20?min/160r加工中心切削狀況切削方式 進給速度/（m/min）時間比例/（%） 備注強力切削 0.6 10 主電動機滿功率條件下切削一般切削 0.8 30 粗加工精加工切削 1 50 精加工快速進給 20 10 空載條件下工作臺快速進給（2） 總體方案設計為了滿足以上技術要求，采取以下技術方案。（1）工作臺工作面尺寸（寬度×長度）確定為 400mm×1200mm。（2）工作臺導軌采用滾動直線導軌。（3）對滾動絲杠螺母副進行預緊。（4）采用伺服電動機驅動。（5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直連。第 29 頁 共 74 頁3.2 設計計算3.2.1 主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削 。FZ根據已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉速下進行強力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動機的全部功率，此時銑刀的切mD20?削速度為 smsnv /67.1/60124.363?????若機械效率 ，則由公式可以計算主切削力 ：85.?m FZNvpFEz 93.205167.41033?????（2）計算各切削分力根據經驗可得工作臺縱向切削力 、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 導軌摩檫力的計算由公式計算在切削狀態(tài)下的導軌摩檫力 ，此時導軌摩檫系數 ，F? 01.??查表得導軌緊固力 ，則Nfg40?73.2)6.193.409(1.)( ????? NWFvc?又由公式計算在不在切削狀態(tài)下的導軌摩檫力 和導軌靜摩檫力 。0?F0Nfg .)0(.)(0 ???N490第 30 頁 共 74 頁3.2.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力（1）由公式計算最大軸向負載力 。FamxNa 1.935)7.1203.84(1mx ?????（2）由公式計算最小軸向負載力 aminNFa4.90min??3.2.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算（1）確定滾珠絲杠的導程 L0根據已知條件，取電動機的最高轉速 ，可得min/20minr?minvL10210max0 ???（2）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉速和平均載荷①估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將估算結果填入下表臥式加工中心滾珠絲杠的計算切削方式 軸向載荷/N進給速度/（m/min）時間比例/（%）備注強力切削 935.1 6.01?v10 Famx1?一般切削（粗加工）277.44 8230 a%20mxin2?精細切削（精加工）137.16 13?v50 aa5xmin3?快移和鉆鏜定位90.4 max410 FaMIN4②計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉速 。imn/60i/106.301 rrLvn????