XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)）-主傳動部件及立柱設(shè)計(jì)

XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)）-主傳動部件及立柱設(shè)計(jì),XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)）-主傳動部件及立柱設(shè)計(jì),xk7130,數(shù)控,銑床,設(shè)計(jì),傳動,部件,立柱 分 類 號 密 級 寧 設(shè)計(jì) XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)） ——主傳動部件及立柱設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的《XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)）——主傳動部件及立柱設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 從研究數(shù)控銑床著手，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一臺用于板材及多種工件加工的數(shù)控銑床，滿足了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的要求。整個銑床主要包括橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱、橫梁、底座、工作臺等主要組部件。其中所有進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動，并由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。主軸箱安裝在龍門架上，運(yùn)用類比法自行設(shè)計(jì)了滾珠絲杠螺母副的制動裝置。 全面闡述了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。 其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。 關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠 III Abstract Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request. Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter. In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on. Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 引言 1 第一章 緒論 2 1.1概述 2 1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 3 第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 9 2.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 9 2.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 9 2.3 主傳動的類型及方案選擇 10 第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 12 3.1 計(jì)算切削功率 12 3.1.1切削力的計(jì)算 12 3.1.2切削功率的計(jì)算 12 3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 13 3.2 計(jì)算主傳動功率 13 3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定 14 3.3.1 變速級數(shù)Z的確定 14 3.3.2 電動機(jī)的功率的確定 14 3.3.3 電動機(jī)參數(shù) 15 3.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定 16 第四章 主軸組件設(shè)計(jì) 17 4.1概述 17 4.1.1軸的分類 17 4.1.2主軸材料 17 4.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 4.2.1主軸部件應(yīng)滿足的基本要求 17 4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 4.2.3草擬軸上零件的裝配方案 19 4.2.4軸上零件的定位 20 4.2.5 各軸段直徑與的確定 20 4.2.6 提高主軸強(qiáng)度的措施 21 4.2.7 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 22 4.3主軸強(qiáng)度的校核 22 4.3.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 23 4.3.2 強(qiáng)度校核計(jì)算 24 第五章 試驗(yàn)臺立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 5.1 立柱的結(jié)構(gòu)選型與三維建模 28 5.1.1 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的趨勢 28 5.1.2 選擇三維設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵考慮因素 29 5.1.3 SolidWorks的功能 29 5.2 立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析 30 結(jié) 論 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 40 引言 數(shù)控（numerical control,NC）機(jī)床，顧名思義，是一類由數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)控制的機(jī)床。與人工操作的普通機(jī)床相比，它具有適應(yīng)范圍廣、自動化程度高、柔性強(qiáng)、操作者勞動強(qiáng)度低、易于組成自動生產(chǎn)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床也就是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)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。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：1.培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實(shí)際問題的能力；2.強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3.使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊、文字表達(dá)等各方面的能力；4.培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。 第 41 頁 共 39 頁 第一章 緒論 1.1概述 數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)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(shí)，也一直把銑削加工作為重點(diǎn)。數(shù)控銑床機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)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(jī)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(jī)會等方面，起著非常重要的作用。 數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)： 易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)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(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。 數(shù)控機(jī)床的機(jī)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(yùn)動和力由動力源傳遞給機(jī)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(jī)床的工作性能。隨著機(jī)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(jī)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(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計(jì)理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機(jī)床，其加工過程中的動作順序、運(yùn)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(jī)床上加工零件那樣，對機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)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(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。 1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)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(jī)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(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)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(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),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(jī)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(jī)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(jī)床在機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)、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(jī)床業(yè)進(jìn)軍，但機(jī)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(jī)床廠的簡易數(shù)控系統(tǒng)也不錯。 我們國家機(jī)床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。 機(jī)床精度 1.機(jī)械加工機(jī)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(jī)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(jī)床水平的高低，要看它的重復(fù)定位精度，一臺機(jī)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(jì)法),就是一臺高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO標(biāo)準(zhǔn).、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床，高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。4.加工出高精度零件，不只要求機(jī)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(jī)床廠商在我國的投資情況 1. 2000年，世界最大的專業(yè)機(jī)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(jī)床公司”的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床生產(chǎn)商大隈公司和北京第一機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)廠商海天公司投資生產(chǎn)機(jī)床，主要是從日本引進(jìn)技術(shù)，目前剛開始，起點(diǎn)比較高。 3．2002年，西安北村投產(chǎn)，名字象日本的，其實(shí)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(jī)床。也從國內(nèi)機(jī)床廠哪里采購了大批普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)機(jī)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(shí)，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(jī)床制造商，也將會超越日本，成為世界第一機(jī)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(shí)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(qiáng)弱。 數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)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(jià)格合理，在國際市場上具有一定的競爭力。我國數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床。同時(shí)，我國也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國和高精度精密數(shù)控機(jī)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(jī)床。 我國數(shù)控機(jī)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(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPⅡ和電子商務(wù)。如，濟(jì)南第二機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)的高性能數(shù)控機(jī)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(shí)間在10000小時(shí)以上，國內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅3000-5000小時(shí)；整機(jī)平均無故障工作時(shí)間國外達(dá)800小時(shí)以上，國內(nèi)最好只有300小時(shí)。 三、創(chuàng)新能力低，市場競爭力不強(qiáng)。我國生產(chǎn)數(shù)控機(jī)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(qiáng)。 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)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?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)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(jī)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(jī)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)模或超大規(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(shí)通過自動運(yùn)行診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)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(bào)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(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前數(shù)控機(jī)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(yùn)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(jī)床加工全面高速化，如數(shù)控機(jī)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(shí)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(shí)間和輔助時(shí)間，從而實(shí)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(jī)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(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高機(jī)床加工的幾何精度、運(yùn)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)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(shí)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(jī)床——復(fù)合加工機(jī)床，并呈現(xiàn)出復(fù)合機(jī)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(jī)床單機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對數(shù)控機(jī)床加工過程實(shí)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(shí)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(bǔ)償、調(diào)整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機(jī)床的機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報(bào)警、故障顯示等，直至停機(jī)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(jī)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(shí)接通INTERNET接受遠(yuǎn)程服務(wù)。采用智能技術(shù)來實(shí)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(bǔ)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(kuò)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(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向。重點(diǎn)研究微納機(jī)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(jī)床研制，如微型、高精度、遠(yuǎn)程控制手術(shù)機(jī)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(jī)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(jī)床和特種加工機(jī)床；極端制造領(lǐng)域的復(fù)合機(jī)床的研制等。 第二章 立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定 2.1 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介 主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠种鬏S電動機(jī)的無極調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。 在主傳動系統(tǒng)方面，具有下列特點(diǎn)： (1)目前數(shù)控機(jī)床的主傳動電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。 (2)轉(zhuǎn)速高，功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。 (3)變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，一般Rn＞100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。 (4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。 2.2 對立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 （1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動，以滿足機(jī)床的運(yùn)動要求。 （2）主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有是夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動力要求。 （3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。 （4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。 （5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。 2.3 主傳動的類型及方案選擇 數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級凋速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速。 為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式 1．具有變速齒輪的主傳動 這是大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求，見圖1-1所示。一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動方式以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。 圖1.1 圖1.2 圖1.3 2．通過帶傳動的主傳動 通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時(shí)引起的振動和噪聲，見圖1-2所示。 3．由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動 這種主傳動是由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1-3所示。 近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機(jī)主軸，即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點(diǎn)是電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min。 本次設(shè)計(jì)采用變速齒店主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和驕傲大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費(fèi)用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機(jī)，經(jīng)齒輪變速后，實(shí)現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。 第三章 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算 3.1 計(jì)算切削功率 3.1.1切削力的計(jì)算 銑削時(shí)的切削力，公式如下 （3-1） 式中——銑削時(shí)的主切削力（N） ——加工材料影響的系數(shù) ——每齒進(jìn)給量（mm） ——背吃刀量（mm） ——銑削寬度 ——銑刀齒數(shù) ——銑刀直徑(mm) 用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=0.05mm，=4mm，=68mm， 計(jì)算得：=132N 3.1.2切削功率的計(jì)算 切削時(shí)所消耗的功率稱為切削功率。 切削功率的公式計(jì)算： （3-2） 式中：——切削功率（kw） ——切削力（N） ——切削速度（m/min） 根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取=100m/min 計(jì)算得：=2.2kw 3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定 2 主軸轉(zhuǎn)速范圍：50-2000r/min； 3.2 計(jì)算主傳動功率 用下列粗略估算主電動機(jī)的功率 （3-3） 式中，為銑床主傳動系統(tǒng)總機(jī)械效率，主運(yùn)動為回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，；主運(yùn)動為直線運(yùn)動時(shí)，。 取主傳動的總效率=0.7 則初選電動機(jī)功率 取 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 ； 額定最高轉(zhuǎn)速為 3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定 由3.2中初選電動機(jī)功率為4kw， 計(jì)算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計(jì)算: （3-4） 則電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍: 主軸恒功率調(diào)速范圍: 因此主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率圍，所以在電動機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴(kuò)大電動功率變速范圍。 3.3.1 變速級數(shù)Z的確定 如取變速箱的公比 則由于無級變速時(shí) 故變速箱的變速極數(shù) 可取Z=3 （3-5） 雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重但是Z=3，變速箱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。 因此為簡化變速箱機(jī)構(gòu)，取Z=2。 3.3.2 電動機(jī)的功率的確定 由公式（3—5）可知，應(yīng)增大 即 所以比大很多。 此時(shí)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)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。 缺口處的功率為 低谷處功率應(yīng)保證傳遞全部功率，只有選擇額定功率較大的電機(jī)給予補(bǔ)償。所以選用的交流變頻電動機(jī)。 則缺口處的功率為。有很大的改善。 3.3.3 電動機(jī)參數(shù) 一、電動機(jī)性能指標(biāo) 電機(jī)采用CTB系列變頻電機(jī),型號：CBT—43P5BXB50—4,主要技術(shù)指標(biāo)如下。 （1）電壓:三相380V/50Hz； （2）變頻調(diào)速范圍:5～100Hz無級調(diào)速,5～50Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50～100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1440r/min; （3）電機(jī)應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時(shí)1min,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象; 能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機(jī)頻率在5Hz時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機(jī)因發(fā)熱而燒毀。 （4）CTB系列變頻電機(jī),型號：CBT—43P5BXB50—4 主要性能參數(shù)如表3.1所示： 表3.1 圖3.1為電動機(jī)外形圖 圖3.1 3.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度，低檔轉(zhuǎn)速為，高檔轉(zhuǎn)。采用二級變速傳動，傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機(jī)構(gòu)，采用撥叉變速。顯然如果要求巧內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示。 圖3.1 第四章 主軸組件設(shè)計(jì) 4.1概述 主軸部件設(shè)計(jì)是機(jī)床重要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運(yùn)動。 4.1.1軸的分類 軸是機(jī)械傳動的一個重要零件，一般作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件常要裝在軸上才能實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其承載在載荷可分為： 1.轉(zhuǎn)軸——工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩。 2.心軸——用于支撐轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩。 3.傳動軸——傳遞扭矩。 在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度，而且要防止軸的振動（動平衡）。此外，注意軸上零件的固定，結(jié)構(gòu)工藝性，熱處理等要求。作為制造機(jī)器的機(jī)器上的軸，設(shè)計(jì)的主要原則是——剛度原則,本次設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)軸。 4.1.2主軸材料 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數(shù)控主軸主要傳遞扭矩，且在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生大量的熱，產(chǎn)生一定的軸伸長，其他零件的變形，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。 4.2主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 4.2.1主軸部件應(yīng)滿足的基本要求 （1）旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度指裝配后，在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。 （2）剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性形變時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖4-1所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量都影響主軸部件的剛度。 圖4-1 （3）抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中，主軸部件不僅受靜態(tài)力作用，同時(shí)也受沖擊力和交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布及阻尼。其評價(jià)指標(biāo)是主軸部件的低階固有頻率與振型。 （4）溫升和熱變形 主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化，潤滑油溫度升高會使粘度降低，這些變化會影響主軸部件的工作性能，降低加工精度。 （5）精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此，必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護(hù)方式等。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求而需在軸中裝設(shè)其他零件或者減少軸的質(zhì)量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內(nèi)徑與外徑的比值通常為0.5-0.6為保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。 軸的設(shè)計(jì)也和其他的零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力的計(jì)算兩方面的內(nèi)容。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要。 軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。對于機(jī)械裝備則需剛度計(jì)算，防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形，影響加工精度和表面質(zhì)量。對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計(jì)算，防止發(fā)生共振而破壞。 4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素: （1）軸在機(jī)器中的安裝位置及形式； （2）軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量和軸連接的方法； （3）載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況； （4）軸的加工工藝。 不論什么條件,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件： （1） 軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置,周向和軸向要有準(zhǔn)確的定位； （2） 軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整； （3） 軸應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性。 4.2.3草擬軸上零件的裝配方案 圖2.1 主軸裝配圖 預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關(guān)系，如下圖立式數(shù)控銑床主軸的裝配。 前軸承（前支撐）、套筒、軸承、套筒（曲路密封）與端蓋（曲路密封）齒輪（動力輸入部分）、圓螺母、軸承（后支撐）、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。 4.2.4軸上零件的定位 為防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向和周向的相對運(yùn)動,軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)要求外,都必須進(jìn)行軸向和周向定位,以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 1.零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證； 2.零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運(yùn)動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。 4.2.5 各軸段直徑與的確定 由軸的結(jié)構(gòu)和拉刀方式確定出軸的最小直徑：立式數(shù)控銑床主軸必須制成空心軸，且又因?yàn)闉榭招妮S的內(nèi)徑與外徑d 之比，為了保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度,通常在之間,取為0.6。故d=50mm。按軸上零件的裝配方案和定位要求，從處起逐一確定各軸段的直徑。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，軸的直徑亦可憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定，或參考同類機(jī)器用類比的方法確定。 有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。安裝標(biāo)準(zhǔn)件的部位的軸徑，應(yīng)取為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值及所選的配合公差。且在這樣的軸段需0.5mm的碳氮共滲層。為了使帶輪、軸承等有配合要求的零件裝配拆卸方便，并減少配合面的擦傷，在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑，發(fā)揮軸肩的作用。 確定各軸段長度時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)還需要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠與帶輪等零件相配合部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短23mm，所以取Dmax=78mm. （1）主軸懸伸量a與前端軸頸D1之比可按下表4.1選擇： 表4.1 主軸懸伸量與前端軸頸之比 機(jī)床和主軸的類型 a/D1 通用和精密機(jī)床，自動車床和短主軸端銑床，用滾動軸承和支架 0.5~1.5 中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸較長的精密鏜床 和內(nèi)圓磨床 1.25~2.5 孔加工機(jī)床應(yīng)用加工細(xì)長孔的機(jī)床，由加工技術(shù)決定，需要有長的懸伸刀桿或主軸可移動，因切削較長而不適用于有高精度要求的機(jī)床 >2.5 取a=65mm （2）主軸合理跨距的選擇： 在具體設(shè)計(jì)時(shí)，常常由于結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際跨距l(xiāng)≠最佳合理跨距。這樣就造成主軸組件的剛度損失。在設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為l/=時(shí)，剛度損失不大（5%左右）。應(yīng)該認(rèn)為在合理范圍之內(nèi)，稱之為合理跨距，合理跨距 =（）是一個區(qū)域。 4.2.6 提高主軸強(qiáng)度的措施 軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強(qiáng)度有很大的影響，所以應(yīng)在這些方面進(jìn)行考慮，以利提高軸的承載的能力，減小軸的尺寸和機(jī)器的質(zhì)量，降低制造成本。 （1）合理布置軸上零件以減小軸的載荷。 為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應(yīng)盡量靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。 通常軸是在變應(yīng)力條件下工作的，軸的截面尺寸發(fā)生突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的R減小應(yīng)力集中；選擇合適的配合關(guān)系；可在輪轂或軸上開減載槽；切制螺紋處的應(yīng)力集中較大，應(yīng)避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。 （2）改進(jìn)軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強(qiáng)度。 軸的表面愈粗糙，疲勞強(qiáng)度愈低。因此，應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的，提高軸的疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化處理的方法有：表面高頻淬火；表面滲碳、氮化；碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理。 4.2.7 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 軸的結(jié)構(gòu)工藝性指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，生產(chǎn)率高，成本低。一般說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡單。 為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡量采用相同的尺寸。 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖： 圖2.2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖 4.3主軸強(qiáng)度的校核 常見軸材料見表4.2所示。 表4.2 常見軸材料 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr [] 15-25 20-35 25-45 35-45 A0 149-126 135-112 126-103 112-97 4.3.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果還承受有不大的彎矩時(shí)，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （2-1） ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa T——軸所受的扭矩，單位為Nmm ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 n——軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min P——軸傳遞的功率，單位為kw d——計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa 由上式可的直徑 （2-2） 式中: 對于空心軸 （2-3） 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，有一個鍵槽時(shí)，軸徑應(yīng)增大7%。對于直徑d<100mm的軸，有一個鍵槽時(shí)，軸徑應(yīng)增大5%-7%有兩個鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%-15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。 4.3.2 強(qiáng)度校核計(jì)算 軸的精確計(jì)算主要是軸的強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算，且在滿足軸的強(qiáng)度和剛度要求，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行軸的振動穩(wěn)定性計(jì)算。 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x用許用應(yīng)力。BT30銑床機(jī)械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算,需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行精確校核計(jì)算。 1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行校核計(jì)算。 （2-4） 式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MPa。 T——軸所受的扭矩，單位為Nmm。 d——計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm。 ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa。 ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表8-348查得為45MPa；由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊》表4-1（GB1059-79）可查得；；。 將以上各值代入式（2—4）得： =4.7MPa 2. 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算： 過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸上零件的位置，外載荷和支反力的作用位置都已確定，算出軸上載荷。 由金屬切削手冊表得： 表2.3 參數(shù)表 項(xiàng)目 參數(shù) 數(shù)值 出處 <<金屬切削手冊>> D 50mm 表9-7 B 30mm 表9-4 S 0.1mm/齒 表9-11 t 8mm t=0.02*D Z 4 表9-7 由金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊表3-56得 查手冊表1-2逆銑時(shí)得; , , 所以, 求出支反力： 已知 ； 聯(lián)立解得： 剛度校核計(jì)算: 軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過了允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對于制造產(chǎn)品的銑床主軸來說剛度是關(guān)鍵。 由誤差復(fù)映原理可知,剛度較差的機(jī)床造出的產(chǎn)品,根本就談不上精度。因此,本次設(shè)計(jì)的BT40主軸必須校核剛度。 軸的彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來度量的;扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。主要任務(wù)是:計(jì)算主軸在受載時(shí)的變形量,并控制其在允許范圍內(nèi)。剛度校核計(jì)算： 階梯軸的剛度條件： (2-5) T ——扭矩，單位為Nmm G ——剪切彈性模量，單位為，對于各種鋼材， ——極慣性矩，單位為 L ——階梯軸受扭矩的長度，單位為mm Z ——階梯軸受扭矩軸段數(shù) 、、 ——階梯軸第i段上的扭矩、長度、慣性矩 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得°/m，顯然，。 故滿足剛度條件。 第五章 試驗(yàn)臺立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 立柱的結(jié)構(gòu)選型與三維建模 機(jī)架型式有三梁四柱式、三梁雙柱式、整體框架式。通過比較這幾種型式，選擇整體框架式機(jī)架。整體焊接式框架是常見的型式，組成一個剛性的封閉框架，承受全部工作載荷。 圖5－1立柱的結(jié)構(gòu) 立柱的設(shè)計(jì)老師建議采用三維建模的形式進(jìn)行。 5.1.1 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的趨勢 三維設(shè)計(jì)即實(shí)體建模技術(shù)。比較二維軟件，三維軟件的革新之處在于： 1、產(chǎn)品形象直觀，方便理解，不易出錯。 2、可評估配合和公差，易于糾錯。 3、能設(shè)計(jì)大型裝配。 4、創(chuàng)建即時(shí)工程圖?？筛鶕?jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)體模型自動創(chuàng)建等軸測視圖、爆炸視圖、局部視圖和剖面視圖。 5、方便修改設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)中工程圖相互關(guān)聯(lián)。對實(shí)體模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改時(shí)，可自動更改所有相關(guān)工程圖和關(guān)聯(lián)視圖。 6、在下游的工程和制造工作可使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，提高產(chǎn)品制造效率 三維設(shè)計(jì)軟件的集成模塊可直接將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力分析、切削創(chuàng)建和數(shù)控編程。 7、電子模型節(jié)省制造樣機(jī)的時(shí)間和成本。由于上述功能，自上世紀(jì)90年代起，國際CAD設(shè)計(jì)領(lǐng)域已逐漸轉(zhuǎn)向三維技術(shù)。下圖按用戶數(shù)量比例列出了11種主流CAD設(shè)計(jì)軟件，其中三維數(shù)據(jù)格式已占大部分。 據(jù)國外用戶的資料，三維實(shí)體建模技術(shù)的應(yīng)用有效縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和削減開發(fā)成本。應(yīng)用三維軟件也有助于國際間數(shù)據(jù)的交流。為與國際的接軌，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)已是勢在必行。 5.1.2 選擇三維設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵考慮因素 1、是否易于使用 早期三維軟件較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)和培訓(xùn)周期長，不易操作。隨著技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)在已出現(xiàn)了SolidWorks等較為操作的三維軟件，其易用性好于平面AutoCAD。 2、設(shè)計(jì)效率是否高效 3、雙向關(guān)聯(lián)性和參數(shù)化設(shè)計(jì)能力 雙向關(guān)聯(lián)是指模型的所有元素都是相互關(guān)聯(lián)。在裝配體模型、工程圖、局部視圖和物料清單之間都是雙向。一旦對其中的任何數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，都將在所有關(guān)聯(lián)文件中自動進(jìn)行相應(yīng)更改。 參數(shù)化設(shè)計(jì)在創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型時(shí)，所有特征和尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行保存。通過修改參數(shù)值可以迅速更改設(shè)計(jì)。 4、設(shè)計(jì)大型裝配的能力 5、與Office等桌面效率工具的集成程度 6、輔助工具。是否具備分析工具、設(shè)計(jì)交流等工具，并與輔助工具集成。 7、應(yīng)用基礎(chǔ)。應(yīng)用的廣泛程度和教育教學(xué)方面的廣泛程度。 5.1.3 SolidWorks的功能 從功能和需求角度綜合評估，SolidWorks是較好的一種三維設(shè)計(jì)工具。理由如下： 1、應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛。SolidWorks是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的設(shè)計(jì)格式。多數(shù)學(xué)校已將SolidWorks列入教學(xué)。 2、方便易用。 3、功能特性較為齊全。 4、提供多種文件轉(zhuǎn)換程序，方便管理舊有二維數(shù)據(jù)。特別面向AutoCAD，提供對DWG格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的插件。 5、提供零件庫功能，節(jié)省設(shè)計(jì)資源。設(shè)計(jì)中來自外購的零件大部分可從SolidWorks在線零件庫選取。 6、設(shè)計(jì)功能與分析功能集成，方便設(shè)計(jì)驗(yàn)證 5.2 立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析 COSMOS為 SolidWorks 用戶提供了一容易使用的有限元分析工具。COSMOS通過在計(jì)算機(jī)上測試您的設(shè)計(jì)而取代昂貴并費(fèi)時(shí)的實(shí)地測試可幫助您降低成本及上市時(shí)間。SolidWorks公司推出COSMOS 2007分析軟件，將驗(yàn)證這步驟整合到設(shè)計(jì)過程中，讓設(shè)計(jì)者可輕易尋找和糾正設(shè)計(jì)中可能存在的缺陷。利用SolidWorks2007自帶的有限元分析軟件COSMOS對立柱單側(cè)承載梁進(jìn)行加載分析,模擬本試驗(yàn)臺的最大工作載荷。 圖5－2 啟動COSMOSXpress 1.材料 號數(shù) 零件名稱 材料 質(zhì)量 體積 1 立柱 [SW]碳素鋼 4421.34 kg 0.5742 m^3