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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及刀架設(shè)計
作者
尹暉
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號
1103010524
指導(dǎo)教師
鄧朝暉
二〇一五 年 五 月 三 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學(xué) 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 尹暉 學(xué)號: 1103010524 專業(yè):機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： CK20數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及其刀架設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2015 年 3 月 9 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
[1] 關(guān)慧貞、馮辛安等編著.機械制造裝備設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社,2010
[2] 張建民等編著. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京:高等教育出版社, 2010
[3] 文懷心,夏田. 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.6
[4] 易紅. 數(shù)控技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社,2005.8
[5] 潘存云. 機械原理. 湖南:中南大學(xué)出版社,2011:102-129.
[6] 高安邦. 實用機床設(shè)計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,2010,164-170.
[7] 成大先. 機械設(shè)計手冊,第五卷. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:22-3 - 22-109.
[8] 盛伯浩. 數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展, 制造技術(shù)與機床,2004(1):20~23
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1） 機床總體方案設(shè)計及總體布局圖繪制
2） 主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
3） 編碼盤的安裝設(shè)計及液壓卡盤設(shè)計
4） 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
5） CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（硬件連接圖）
6） 外文資料文獻(xiàn)翻譯
7）撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，
畢業(yè)設(shè)計論文字?jǐn)?shù)不少于1.5萬字，
參考文獻(xiàn)至少15篇以上。
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 20 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘要
本論文首先介紹了我國數(shù)控機床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀，并分析了其存在的問題；對數(shù)控機床的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；并對CK20數(shù)控車床主軸箱傳動系統(tǒng)和刀架進(jìn)行了設(shè)計與計算。
主軸箱由安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率。隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。
本設(shè)計主要包括根據(jù)一些原始數(shù)據(jù)，結(jié)合實際條件和情況對車床一些參數(shù)進(jìn)行擬定，再根據(jù)擬定的參數(shù)，進(jìn)行傳動方案的擬定。然后計算各傳動副的傳動比及齒輪齒數(shù)，再估算齒輪的模數(shù)和各軸的軸徑。并對齒輪和軸的強度、剛度進(jìn)行校核。除此之外，還要對箱體內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，如電磁離合器的選擇，從而完成對主傳動系統(tǒng)的整體設(shè)計。刀架設(shè)計主要對總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要傳動部件的設(shè)計計算。包括驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算，蝸輪蝸桿設(shè)計計算，刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：主軸箱；無級調(diào)速；傳動系統(tǒng)；刀架；CK20
ABSTRACT
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented. The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock and the knife?tool of CK20NC lathe has been calculate designed.
Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The knife tools are clamping?cutting, therefore its structure directly affects the cutting performance and cutting efficiency of the machine.The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.With the development of CNC lathes,?CNC turret began to rapid change,?electro-hydraulic?combination of drive and servo drive direction.
This design mainly includes according to some of the original data, combined with the actual conditions and some parameters are proposed for lathe, according to the proposed parameter,to formulate transmission scheme, calculating the transmission vice transmission ratio, gear teeth, estimating the modulus of the gear and the diameter of axle shaft,and the strength, stiffness of gear and shaft for checking. In addition, it not only design of main structure of the casing, such as the choice of the electromagnetic clutch, but also complete the overall design of main drive system. The design of knife tools is not the overall structure design, but the design and calculation of main driving part, including the selection of tool carrier of servo motor, worm gear and worm design calculation, structure design and calculation of tool carriage spindle.
Key words: headstocks; a continuously variable speed ; transmission System;knife tools;CK20
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景及目的 ……………………………………………………………… 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 1
1.2.1 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ……………………………… 1
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ………………………………………………… 3
1.3 課題研究內(nèi)容及方法 ………………………………………………………… 4
1.3.1 課題研究的主要參數(shù) ………………………………………………… 4
1.3.2 課題研究內(nèi)容 ………………………………………………………… 4
1.3.3 研究方法 ……………………………………………………………… 4
1.4 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成 ………………………………………………………… 5
1.4.1 設(shè)計主要任務(wù) ………………………………………………………… 5
1.4.2 設(shè)計的重點與難點 …………………………………………………… 5
1.4.3 本論文構(gòu)成如下 ……………………………………………………… 5
第2章 機床總體方案的設(shè)計 ……………………………………………………… 6
2.1 機床的總體布局 ……………………………………………………………… 6
第3章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………… 7
3.1 總體設(shè)計 ……………………………………………………………………… 7
3.1.1 擬定傳動方案 ………………………………………………………… 7
3.1.2 選擇電機 ……………………………………………………………… 8
3.1.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩…………………………………… 11
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖……………………………………………………… 12
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 13
3.2.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………… 13
3.2.2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 17
3.2.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………… 28
3.2.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計 ………………………………………… 30
3.2.5 主傳動系統(tǒng)總裝圖 ………………………………………………… 32
第4章 液壓卡盤的設(shè)計（夾具）……………………………………………… 34
4.1 卡盤夾緊機構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………… 34
4.2 液壓卡盤系統(tǒng)總裝圖………………………………………………………… 34
第5章 數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………… 35
5.1 數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計與選擇………………………………………… 35
5.1.1 刀架的整體方案設(shè)計………………………………………………… 35
5.1.2 車床刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設(shè)計……………………………………… 35
5.1.3 刀架定位機構(gòu)方案設(shè)計……………………………………………… 36
5.2 刀架的設(shè)計計算……………………………………………………………… 36
5.2.1 驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算…………………………………… 36
5.2.2 蝸輪蝸桿設(shè)計計算…………………………………………………… 39
5.2.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算…………………………………………… 42
5.3 刀架總裝圖…………………………………………………………………… 44
第六章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………… 46
7.1 線路連接……………………………………………………………………… 46
7.2 安裝調(diào)試……………………………………………………………………… 47
第七章 結(jié)論 ………………………………………………………………………… 48
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 49
心得體會及致謝 ……………………………………………………………………… 50
-i-
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
近幾年，我國的數(shù)控機床無論從產(chǎn)品品種，還是技術(shù)水平，或者品質(zhì)和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，并在一些關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。特別是在通用微機數(shù)控領(lǐng)域，以PC平臺為基礎(chǔ)的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在世界前列，讓國人驕傲。據(jù)統(tǒng)計，在我國可供市場的數(shù)控機床就有1500種，幾乎籠罩了整個金屬切削機床行業(yè)的品種類別和主要的鍛壓機械。這表明了國內(nèi)數(shù)控機床已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的時期。
而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床則表現(xiàn)出有以下的優(yōu)越性：
1、數(shù)控加工工藝的“內(nèi)容十分具體、工藝設(shè)計工作相當(dāng)嚴(yán)密”。
2、能夠?qū)崿F(xiàn)加工的柔性自動化。
3、粗精加工與加工精度的結(jié)合，裝配就比較容易，不需要“修配”。
4、數(shù)控加工的工藝“復(fù)合性”，可完成多道工序的集中。
5、精密設(shè)備與一般設(shè)備的結(jié)合，可實現(xiàn)長時間的無人看管加工。
因此，采用數(shù)控機床，既可以降低工人的勞動強度，也可以節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），還能減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對市場需求作出迅速反應(yīng)。對此，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機床所占的比例正在一步步地增大。從2005年的市場生產(chǎn)消費內(nèi)容就可以明顯看出,普通機床的市場份額在下降,數(shù)控機床的市場份額則大幅度增長，特別是中高檔數(shù)控機床需求供不應(yīng)求。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計一臺數(shù)控車床—CK20，用于對回轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動加工。應(yīng)用于飛機﹑汽車﹑航空航天、軍工、電力等領(lǐng)域，實現(xiàn)加工自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[1]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1、研究現(xiàn)狀
我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初開始進(jìn)入市場，通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的一系列措施，使得我國的機床制造水平程度有了很大提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的種類、規(guī)格也比較齊全，質(zhì)量基本趨于穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實用和全面發(fā)展階段。
（1）床身
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。在機床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。
a)后斜床身-斜滑板
b)直立床身-直立滑板
c)平床身-平滑板
d)前斜床身-平滑板
e)平床身-斜滑板
圖1.1 床身布局型式
（2）導(dǎo)軌
導(dǎo)軌的功用是承受載荷和導(dǎo)向。它承受安裝在導(dǎo)軌上的運動部件及工件的重力和切削里，運動部件能夠沿導(dǎo)軌運動。車床的導(dǎo)軌按照導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。
滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，因此摩擦力小，輕動方便，運動靈敏，不易爬行。
（3）主軸變速系統(tǒng)
一般說來，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。
（4）刀架系統(tǒng)
小規(guī)格數(shù)控車床一般采用排式刀架，以加工棒料或盤類零件為主。數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架是回轉(zhuǎn)刀架，它通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架都使得刀具的數(shù)目受到一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。
（5）進(jìn)給傳動系統(tǒng)
進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)主要采用的系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴；而開環(huán)系統(tǒng)定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)中在數(shù)控系統(tǒng)常用的驅(qū)動裝置是伺服電機。進(jìn)給伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。
2、發(fā)展趨勢
2 高速、高精密化
2 高可靠性
2 CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化
2 功能復(fù)合化
2 數(shù)控車床設(shè)計智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化。
2 提高數(shù)控機床產(chǎn)品的自主開發(fā)、制造能力。
2 以功能部件為基礎(chǔ)，以關(guān)鍵共性技術(shù)為支撐；加快技術(shù)引進(jìn)與國際合作[1]。
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1、繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)[1]
1.3 課題研究內(nèi)容及方法
1.3.1 課題研究的主要參數(shù)
本課題設(shè)計的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：
工件最大回轉(zhuǎn)直徑：；最大切削直徑：
橫向最大行程(X軸)：180mm；縱向最大行程(Z軸)：650mm
最大車削長度：500mm；X,Z軸的最小設(shè)定單位為：0.001mm
主軸最大/最小轉(zhuǎn)速：4000/45 r/min
快速進(jìn)給速度:縱向：15m/min；橫向；8m/min
1.3.2 課題研究的主要內(nèi)容
1、 主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計
2、 編碼盤的安裝
3、 液壓卡盤的設(shè)計安裝
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計
5、 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
1.3.3 研究方法
第一步，明白并確定設(shè)計要求，找出研究的重難點。
第二步，進(jìn)工廠觀摩，吸取專家的設(shè)計經(jīng)驗。
第三步，初步確定總體設(shè)計方案：
1、軟件方面 選擇了SINUMERIK 802D機床微機控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據(jù)機床性能要求，確定機床支承件結(jié)構(gòu)形式為臥式斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局；因為這種結(jié)構(gòu)具有容易實現(xiàn)機電一體化、排屑順暢等優(yōu)點。
（2）選擇主電機。根據(jù)切削力大小及機床的變速要求，初步確定主電機型號；
（3）設(shè)計主傳動系統(tǒng)及箱體。由主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數(shù)以及傳動方式，箱體構(gòu)架。
（4）選擇刀架伺服電機。根據(jù)刀架運轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動時的加速扭矩來確定伺服電機型號。
（5）設(shè)計刀架系統(tǒng)。由刀架的蝸輪蝸桿和主軸來確定刀架傳動方式。
第四步，設(shè)計中遇到的疑點、難點問題應(yīng)通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料、組內(nèi)同學(xué)相互討論、實地參觀數(shù)控車床樣機和實踐操作等各種途徑解決。
1.4 設(shè)計任務(wù)與論文構(gòu)成
1.4.1 設(shè)計主要任務(wù)
1、 機床總體方案設(shè)計及總體布局圖繪制
2、 主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)配圖繪制
3、 編碼盤的安裝設(shè)計及液壓卡盤設(shè)計
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
5、 CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（硬件連接圖）
6、 外文資料文獻(xiàn)翻譯
7、 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）
1.4.2 設(shè)計的重點與難點
1、主傳動系統(tǒng)理論設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，主傳動系統(tǒng)裝配圖繪制
2、數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計及工程圖繪制
1.4.3 本論文構(gòu)成如下
第1章 緒論
第2章 機床總體方案的設(shè)計。
第三章 詳細(xì)論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第四章 詳細(xì)介紹液壓卡盤的設(shè)計選用。
第五章 詳細(xì)論述數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第六章 闡述數(shù)控車床液壓回路設(shè)計
第七章 闡述數(shù)控系統(tǒng)的選擇及其設(shè)計。
第八章 總結(jié)本課題設(shè)計的特點及其有待改進(jìn)之處。
論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計的心得、致謝和參考文獻(xiàn)。
第二章 機床總體方案的設(shè)計
2.1 機床的總體布局
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。當(dāng)然平床身工藝性好，易于加工制造。刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，不過排屑困難；刀架橫滑板較長，反而加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。在機床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機床的平面占地位置，床身寬度也不會太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機床精度，有利于機床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中之所以被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局形式具有以下特點：
(1) 容易實現(xiàn)機電一體化；
(2) 機床外形整齊、美觀，占地面積??；
(3) 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；
(4) 容易排屑和安裝自動排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化[2]。
基于以上優(yōu)點，在此課題中擬采用45o傾斜滑板平床身，其總體布局如圖2.1所示。
圖2.1 機床總體布局圖
第三章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 總體設(shè)計
3.1.1 擬定傳動方案
數(shù)控機床需要自動換刀、自動變速；主軸則必須通過自動變速，在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，以維持引起切削直徑各種變化的切削速度基本恒定。自動變速一般采用無級變速，有利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，還可以有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣一般被無級變速數(shù)控機床采用。但是數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機根本無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性與直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求太難相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)通常在無級變速電機之后，還要串聯(lián)機械有級變速傳動，以期滿足機床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性[3]。
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動機所能提供的恒功率變速范圍，則必須配以分級變速箱。為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級變速級數(shù)應(yīng)該少些，分級變速箱的公比可取等于電動機的恒功率變速范圍，而恒功率的調(diào)速范圍一般比較小，僅能達(dá)到2~3。我方案選定的調(diào)速范圍為=3，故有，主軸的轉(zhuǎn)速范圍為：45r/min~4000r/min;根據(jù)以下計算（以下計算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計算轉(zhuǎn)速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/173=23.1
無級變速時：==23.1 （3.2）
故變速箱的變速級數(shù)： 取級數(shù)Z=2
故本方案僅采用二級機械變速機構(gòu)，故變速箱為三級變速箱，運動方案如圖3.1。
圖3.1 主軸傳動圖
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動，變速時必須主軸停車后才能進(jìn)行，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因此它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[4]。
3.1.2 選擇電機
1、電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(如旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因而，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)可以在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。經(jīng)過對比分析本設(shè)計中決定采用FANU系列交流主軸電機。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊[5]。
表3.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能
項目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動態(tài)響應(yīng)
高加減速，起制動能力
具有強魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率，低噪聲
低價格
低購買價格，低維護(hù)價格,低服務(wù)價格
通用要求
耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性
2、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計算，本設(shè)計中電機容量按以下步驟確定：
（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料[6])
確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進(jìn)給量??；
根據(jù)主切削力的指數(shù)公式： （3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機輸出動率
（3.5）
傳動裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[7]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9，所以電動機額定功率選取為11。
（4）電動機電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V[5]。
本課題中數(shù)控機床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為45r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數(shù)較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。所以兩條傳動鏈中，高速傳動鏈傳動比，低速傳動鏈傳動比。由此可得電機的轉(zhuǎn)速范圍:
，。
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取FANUC交流電機，型號為。作為α系列的后續(xù)產(chǎn)品，這種電機轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現(xiàn)電機的高速、高加速控制，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機參數(shù)如下表所示
型號
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
重量
振動
冷卻
表3.2 電機參數(shù)
機座長為，電機軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[5]得[5]。
3.1.3 計算各軸計算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
1、 各軸計算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級調(diào)速，所以采用以下的公式：
==； （3.6）
然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉(zhuǎn)速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩： (N/m) （3.7）
將以上計算結(jié)果整理后列于表3.3，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表3.3 各軸的傳動參數(shù)
參數(shù)
軸
I軸（電機軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸）
計算轉(zhuǎn)速（）
347
231
173
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉(zhuǎn)矩（）
303.2
434.66
552.02
傳動比
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動圖
由電機的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉(zhuǎn)矩變速范圍)和各軸傳動比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖,見圖3.2。
圖3.2 轉(zhuǎn)速圖
由轉(zhuǎn)速圖3.2可知，電動機經(jīng)2:3定比傳動降速后，如果經(jīng)3:4傳動比傳動主軸，則當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速從4500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速從4000r/min降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時變速箱變速，經(jīng)3:4傳動比傳動主軸，電動機又恢復(fù)從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至750r/min。故主軸從4000r/min降至750r/min為恒功率調(diào)速。主軸從750r/min降至45r/min，電動機從1500r/min降至90r/min為電動機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。（額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率；額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩；本方案電動機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。）
初定數(shù)控車床的傳動圖,如圖3.3：
圖3.3傳動圖
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.2.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
（1）本次設(shè)計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故選用8級精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?5mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進(jìn)行疲勞強度校合。
3、按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式(10-9a)進(jìn)行試算，即
（3.9）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限；
（6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（假定工作壽命15年（每年工作300天），兩班制）（j=1）則：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
（8）傳動比u=3/2；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.12）
（3）計算齒寬
（3.13）
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪懸臂支承時，1.310；
由；，查圖10-13得1.254；故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.14）
（7）計算模數(shù)
145.8/24mm=6.075mm
4、按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為
（3.15）
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，0.87；
（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得
（3.16）
（4）計算載荷系數(shù)K
（3.17）
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；2.53。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；1.63。
（7）計算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計計算
=
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)3.97mm，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=4mm，按接觸強度算得的分度圓直徑145.8mm，算出小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
5、幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑 （3.19）
2）計算中心距 （3.20）
3）計算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=56mm
3.2.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應(yīng)的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一甩油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。
3、軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?0mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進(jìn)行疲勞強度校合。
軸的零件圖如圖3.5。
圖3.5 中間軸零件圖
4、齒輪的設(shè)計
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對齒輪的設(shè)計。
1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數(shù)
(1)本數(shù)控機床的運行速度較高，精度等級選擇8級精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。
(3)小齒輪齒數(shù)初選為=18，＝＝
2）按齒面接觸強度進(jìn)行設(shè)計
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內(nèi)的各計算值：
(1)初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
(2)計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為434.66N·m；
(3)由表10－7及其說明，可選定齒寬系數(shù)＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
(5)由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa；
大齒輪的接觸疲勞強度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設(shè)計壽命為72000h，由式10－13，計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
(8)傳動比u=4/3；
（9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.26）
（3）計算齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
(5)計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，由圖10－8，查得動載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪非對稱布置時，1.256；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數(shù)
（3.27）
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.28）
（7）計算模數(shù) 154.4/18mm=8.58mm
3）按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計公式為