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長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 目錄 第一章 數(shù)控機(jī)床概述 .................................................1 一．?dāng)?shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)介 ....................................................1 （一）數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及其重要性 ......................................1 （二）數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍及特點(diǎn) ........................................1 （三）數(shù)控機(jī)床的組成 ................................................2 （四）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) ......................................3 第二章 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì) .............................................5 一.機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定 .............................................5 二.機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 .....................................5 第三章 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì) .................................................6 一．議定轉(zhuǎn)速圖 ........................................................6 （一）確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)式 ..........................................6 （二）議定轉(zhuǎn)速圖 ....................................................7 （三）確定各齒輪的齒數(shù) ..............................................8 （四）傳動(dòng)系統(tǒng)圖的擬定 .............................................10 二．主傳動(dòng)主要零件的強(qiáng)度計(jì)算 .........................................11 （一）電動(dòng)機(jī)的選擇 .................................................11 （二）齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................11 （三）軸的設(shè) 計(jì)計(jì)算 .................................................14 （四）離合器的選用 .................................................27 第四章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)計(jì)算 .........................................28 一．垂直進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................28 (一)脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .........................................28 (二)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ...............................................30 (三)步進(jìn)電機(jī)的選擇 .................................................34 (四)滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 ...........................................36 （五）齒輪傳動(dòng)消隙 ..................................................36 二．橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................37 (一)脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .........................................37 (二)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ...............................................38 (三)步進(jìn)電機(jī)的選擇 .................................................40 第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ..............................................42 一．控制系統(tǒng)總體方案的擬定 ...........................................42 二．總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ...........................................42 （一）單片機(jī)的選用 .................................................42 （二）系統(tǒng)的擴(kuò)展 ...................................................45 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 （三）鍵盤(pán)、顯示器接口 .............................................47 （四）步進(jìn)電機(jī)控制電路 .............................................48 （五）光電隔離電路 .................................................49 結(jié)論 ..................................................................51 致謝 ..................................................................52 參考文獻(xiàn) .............................................................53 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第一章 數(shù)控機(jī)床概述 一．?dāng)?shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)介 （一）數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及其重要性 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈， 產(chǎn)品更新越來(lái)越快，特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域需要的機(jī)械零件。此外， 激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法難 于適應(yīng)這種多樣化與復(fù)雜形狀零件高質(zhì)量的加工要求，為了解決上述問(wèn)題，數(shù)控 機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。 數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)以及精密機(jī)械等技術(shù)的最 新成果而發(fā)展起來(lái)的新型機(jī)床，它標(biāo)志著機(jī)床工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。從第一 臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的 變化，幾乎所有品種的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域也從航空工業(yè) 部門(mén)逐步擴(kuò)大到汽車(chē)、造船、機(jī)床、建筑等民用機(jī)械制造行業(yè)。努力發(fā)展數(shù)控加 工技術(shù)，并向更高層次的自動(dòng)化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推 進(jìn)，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的方向。 數(shù)控加工技術(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。美國(guó)與西方各國(guó)在高檔數(shù) 控機(jī)床與技工技術(shù)方面，對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖限制，因?yàn)樵S多先進(jìn)武器裝備的制造， 如飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開(kāi)高性能數(shù)控機(jī)床的加工。我國(guó)的航 空、能源、交通等行業(yè)也從西方引入了一些五坐標(biāo)機(jī)床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其使 用受到國(guó)外的監(jiān)控和限制，這一切均說(shuō)明數(shù)控加工技術(shù)在國(guó)防現(xiàn)代化方面所起的 重要作用。 （二）數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍及特點(diǎn) 目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩方面： 一方面的應(yīng)用是常規(guī)零件加工，如二維車(chē)削、箱體類(lèi)鏜銑等。其目的在于提 高加工效率，避免認(rèn)為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以柔性加工方式取代高成本的工裝 設(shè)備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應(yīng)市場(chǎng)需求。這類(lèi)零件一般形狀較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)上述 目的的關(guān)鍵在于提高機(jī)床的柔性自動(dòng)化程度、高速精加工能力、加工過(guò)程的可靠 性。 另一方面的應(yīng)用是復(fù)雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類(lèi)零件 在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機(jī)床品 的質(zhì)量。這類(lèi)零件型面復(fù)雜，常規(guī)加工方法難以實(shí)現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技 術(shù)的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應(yīng)用對(duì)象。由于零件型面復(fù) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 雜，在加工技術(shù)方面，除要求數(shù)控機(jī)床具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力外，更重要的是 如何有效地獲得高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工程序，并從加工過(guò)程整體上提高生產(chǎn)效率。 （三）數(shù)控機(jī)床的組成 如圖所示，數(shù)控機(jī)床由一下幾個(gè)部分組成： 1．程序編制 數(shù)控程序是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件的工作指令。在對(duì)加工零件進(jìn)行工藝分析 的基礎(chǔ)上，確定零件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系上的相對(duì)位置，即零件在機(jī)床上的安裝 位置，刀具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的尺寸參數(shù)，零件加工的工藝路線(xiàn)或加工順序，主運(yùn) 動(dòng)的起、停、換向、變速、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝 置的動(dòng)作，得到零件的運(yùn)動(dòng)、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用由文字、數(shù)字和 符號(hào)組成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序單。 2．輸入裝置 輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)控 制存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控 機(jī)床加工程序也可通過(guò)鍵盤(pán)用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。 零件加工程序輸入過(guò)程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是 一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲(chǔ)器，加工時(shí)再?gòu)膬?nèi)部存儲(chǔ)器中 逐段逐段調(diào)出進(jìn)行加工。 3．?dāng)?shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置 送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、 運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn) 行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。 4．輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開(kāi)關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、 邏輯判別和運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣 動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、 換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟動(dòng)停止，工件和 機(jī)床部件的松開(kāi)、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)作 圖 1-1 數(shù)控機(jī)床組成 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 5．驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測(cè)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息 的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度 和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。 位置檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī) 床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控 制驅(qū)動(dòng)裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。 6.機(jī)床的機(jī)械部件 數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床 身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但 數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀(guān)造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方 面都發(fā)生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。 （四）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床借助于微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步正向 著高精度、多功能、高速化、高效率、復(fù)合加工功能、智能化等方向邁進(jìn)，明顯 地反映出時(shí)代的特征。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)： 1.精度化 當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度提出了越高的要求，典型的高精度零件如陀螺框架、伺 服閥體、渦輪葉片、非球面透鏡、光盤(pán)、等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、 亞微米級(jí)。因此，加工這些零件的機(jī)床也受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。 2.高速度化 提高生產(chǎn)率是機(jī)床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標(biāo)之一，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的最主要、 最直接的方法就是提高切削速度和減少輔助時(shí)間。隨著刀具、電機(jī)、軸承、數(shù)控 系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機(jī)床本身基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，使各種運(yùn)動(dòng)速度大為提高。 3.高柔性化 柔性是指機(jī)床適應(yīng)加工對(duì)象變化的能力，當(dāng)代產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化，對(duì)機(jī) 床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝著單元柔 性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。不僅中、小批量的生產(chǎn)方式在努力提高柔性化能力， 就是在大批量生產(chǎn)方式中，也積極向柔性化方向轉(zhuǎn)向。 4.高自動(dòng)化 高自動(dòng)化是指在全部加工過(guò)程中盡量減少“人”的介入而自動(dòng)完成規(guī)定的任 務(wù)，包括物料流和信息流的自動(dòng)化。自上世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)，以數(shù)控機(jī)床為 主體的加工自動(dòng)化已從“點(diǎn)”的自動(dòng)化（單臺(tái)數(shù)控機(jī)床）發(fā)展到“線(xiàn)”的自動(dòng)化 （柔性制造車(chē)間） ，結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動(dòng)化，逐步形成整個(gè)工廠(chǎng)“體”的自 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 動(dòng)化，并出現(xiàn)了 FA（自動(dòng)化工廠(chǎng)）和 CIM（計(jì)算機(jī)集成制造）工廠(chǎng)的雛形實(shí)體。 數(shù)控機(jī)床的高自動(dòng)化并向 FMC、FMS 集成方向發(fā)展的總趨勢(shì)仍然是機(jī)械制造業(yè)發(fā) 展的主流。 5.復(fù)合化 復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。在一臺(tái)數(shù)控設(shè)備上能完成多工序切削 加工（如車(chē)、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開(kāi)加工的 規(guī)程。一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的鏜銑加 工中心，不僅一次裝夾便可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗(yàn)等工序，而且還 可以完成箱體件五個(gè)面粗、精加工的全部工序。 6.智能化 數(shù)控技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是加工過(guò)程的智能化，帶有自適應(yīng)控制功能的 控制系統(tǒng)，可以在加工過(guò)程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)，自動(dòng)優(yōu)化加工 過(guò)程，從而達(dá)到提高生產(chǎn)率，增加刀具壽命并改善加工表面質(zhì)量等目的。刀具破 損監(jiān)控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作狀態(tài)。 另外以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐的、具有人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)被用于指導(dǎo)加工。 7.網(wǎng)絡(luò)化 為適應(yīng)制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和全球化發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能也日趨重 要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息 共享，適應(yīng)未來(lái)車(chē)間的面向任務(wù)的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式，使得生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集 成更加簡(jiǎn)便有效。 8.高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，數(shù)控機(jī)床能否發(fā) 揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。數(shù)控系 統(tǒng)可采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模的專(zhuān)用及混合式集成電路，以減少 元器件的數(shù)量，提高可靠性。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 圖 1-2 數(shù)控立式鉆銑床 第二章 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì) 一.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 主軸錐孔 7∶24 工作臺(tái)最大縱向行程 300mm 工作臺(tái)最大橫向行程 375mm 主軸箱最大垂直行程 400mm 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12 級(jí) 主軸轉(zhuǎn)速范圍 30~1500r/min X、Y 軸步進(jìn)電機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)） Z 軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)） 主電動(dòng)機(jī)的功率 4.0KW 主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1440r/min 機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 150×1200×2300mm 機(jī)床凈重 500Kg 二.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)的機(jī)床要求能進(jìn)行立式的鉆和銑，垂直方向的行程比較大,因而采 用工作臺(tái)不動(dòng),而主軸箱各軸向擺放為立式的結(jié)構(gòu)布局。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，主軸箱主要采用液壓系 統(tǒng)控制滑移齒輪和離合器變換齒輪的有級(jí)變速。 2.進(jìn)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。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 3.數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) 采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按扭均安裝在控制臺(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。 第三章 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 一．議定轉(zhuǎn)速圖 （一）確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)式 1.主傳動(dòng)的確定 ， 和公比 Ф 的確定：nmaxin 根據(jù) ZJK-7532 的使用說(shuō)明書(shū)，初步定主軸轉(zhuǎn)速范圍為 95～1600r／min， 則 Ф ＝ = ＝ ＝1.29 （3-1?ZnR1minaxz19560 1） 由設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值得：Ф=1.26 令 ，則in/160maxr? min/9.1256.01maxin rZ??? 則取 i/6i,/25axin r 2.確定變速組和傳動(dòng)副數(shù)目： 大多數(shù)機(jī)床廣泛應(yīng)用滑移齒輪的變速方式，為了滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操縱方便 的要求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪，因此主軸轉(zhuǎn)速為 12 級(jí)的變速系統(tǒng)，總 共需要三個(gè)變速組。 3.確定傳動(dòng)順序方案： 按著傳動(dòng)順序，各變速組排列方案有： 12＝3×2×2 12＝2×3×2 12＝2×2×3 從電機(jī)到主軸，一般為降速傳動(dòng)，接近電機(jī)處的零件轉(zhuǎn)速較高，從而轉(zhuǎn)矩 較小，尺寸也就較小。如果使傳動(dòng)副較多的傳動(dòng)組放在接近電機(jī)處，則可使小 尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，這樣就節(jié)省省材料，經(jīng)濟(jì)上就占 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 優(yōu)勢(shì)，且這也符合“前多后少”的原則。從這個(gè)角度考慮，以取 12=3×2×2 的 方案為好，本次設(shè)計(jì)即采用此方案。 4.確定擴(kuò)大順序方案： 傳動(dòng)順序方案確定以后，還可列出若干不同擴(kuò)大順序方案。如無(wú)特殊要求， 根據(jù)“前密后疏”的原則，應(yīng)使擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序一致，通常能得到最佳的 結(jié)構(gòu)式方案，故選用 12＝ × × 結(jié)構(gòu)式方案。1326 檢查最后擴(kuò)大組的變速范圍： r= ～10 故合符要求。 80.46.)12(3 ?????ⅣⅢⅡⅠ 圖 2-1 12 級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖 （二）議定轉(zhuǎn)速圖 根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)式或結(jié)構(gòu)網(wǎng)議定轉(zhuǎn)速圖時(shí)，應(yīng)注意解決定比傳動(dòng)和分配傳 動(dòng)比，合理確定傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。 1.定比傳動(dòng) 在變速傳動(dòng)系統(tǒng)中采用定比傳動(dòng)，主要考慮傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)和性能等方面的要求， 以及滿(mǎn)足不同用戶(hù)的使用要求。在鉆銑床的設(shè)計(jì)中，總降速比為 u=125/1440=0.087。若每一個(gè)變速組的最小降速比均取 1/4，則三個(gè)變速組的總 降速可達(dá) ，故無(wú)需要增加降速傳動(dòng)，但為了使中間兩個(gè)變016.41?? 速組做到降速緩慢，以利于減小變速箱的徑向尺寸和有利于制動(dòng)方便，在Ⅰ－Ⅱ 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 軸間增加一對(duì)降速傳動(dòng)齒輪（ ） ，同時(shí)也有利于設(shè)計(jì)變型機(jī)床，因?yàn)橹灰淖?42 這對(duì)降速齒輪傳動(dòng)比，在其他三個(gè)變速組不變的情況下，就可以將主軸的 12 種 轉(zhuǎn)速同時(shí)提高或降低，以便滿(mǎn)足不同用戶(hù)的要求。 2.分配降速比 前面已確定，12＝3×2×2 共需三個(gè)變速組，并在Ⅰ－Ⅱ軸間增加一對(duì)降速 傳動(dòng)齒輪，要用到四個(gè)變速組，在主軸Ⅴ上標(biāo)出 12 級(jí)轉(zhuǎn)速：125～1600r/min,在 第Ⅰ軸上用 A 點(diǎn)代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ，最低轉(zhuǎn)速用 E 點(diǎn)標(biāo)出，因此min/140r? A,E 兩點(diǎn)相距約 11 格，即代表總降速傳動(dòng)比為 。1??ut 3.定出各變速組的最小傳動(dòng)比 根據(jù)降速前慢后快的原則，在Ⅳ－Ⅴ軸間變速組取 ，在Ⅲ－Ⅳ軸間變4?? 速組取 ，在Ⅱ－Ⅲ軸間變速組取 ，則31??u 21??uⅤⅣⅢⅡⅠ n (160)23975n8 (61)035n4 (2)198.75140 圖 2-2 轉(zhuǎn)速圖 根據(jù)結(jié)構(gòu)式可知：Ⅱ～Ⅴ軸間變速組的級(jí)比指數(shù)分別為：1，3，6，傳動(dòng)副 為：3，2，2，則畫(huà)出上圖的轉(zhuǎn)速圖。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 （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)速度而增大噪聲， 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產(chǎn)生根120~?sz 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。18min? 在Ⅳ－Ⅴ軸間因?yàn)?， ，又因?yàn)?而最小59.27??u52.48?17min?z 齒輪的齒數(shù)是在 的齒輪副中，令 ，則 等，因?yàn)樵? 0minz8,730,64sz 高速軸中盡量使齒輪的幾何尺寸小一點(diǎn)以減小主軸的尺寸，所以可取 67?sz 可查出： ，195?z481967?? ，2423z 同理： ， 且查得 ….1us6?74,2603sz 取 則查得： ，3?z 1?12?? ，39 360 ， ，12u26.13?5.124u 查得： .70,52?sz 因?yàn)槿?lián)滑移齒輪中的最大齒數(shù)與次大齒數(shù)之差必須要大于或等于 4 則必需有 。70min2z 又因?yàn)榍皞鲃?dòng)軸的轉(zhuǎn)速高，扭矩小，一般傳動(dòng)件的尺寸要小一些，因而齒數(shù) 和可取比前一級(jí)變速組小。 用計(jì)算法取 ，則 ， 23min7?z3759.12478?uz60372??sz 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 可得 ，2760.1135 ????suzz 32760??z ，323z 4 因?yàn)?所以取 ，則 69.014?21?3469.0212?uz 滑移齒輪齒數(shù)的驗(yàn)算：在三聯(lián)滑移齒輪 中，為了確保其左右移動(dòng)時(shí)753, 能順利通過(guò)，不致相碰，則必須保證三聯(lián)滑移齒輪的次大齒輪 與最大齒輪的配z5 對(duì)齒輪 不相碰（最大齒輪布置在中間） ，即：z4 （3-Amz??)2(1)2(145 2） 又因?yàn)?， 則必須保證： ，從上面計(jì)算可知：)(43A? 453??z ， ，則 ，這與要求不符。但是由于Ⅲ與30z75 27305???z Ⅳ都采用了離合器，使齒輪 和 的距離拉大了，因而在滑移齒輪在移動(dòng)過(guò)程48 中不存在相碰的情況，所以三聯(lián)滑移齒輪在這個(gè)設(shè)計(jì)里是可以實(shí)現(xiàn)的。 （四）傳動(dòng)系統(tǒng)圖的擬定 根據(jù)以上分析及計(jì)算，擬定如下傳動(dòng)系統(tǒng)圖： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 2648411943323723023303424 主 電 機(jī) 二．主傳動(dòng)主要零件的強(qiáng)度計(jì)算 （一）電動(dòng)機(jī)的選擇 1．電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算 鉆頭材料選用 W18Cr4V, ，根據(jù)加工要求選用鉆頭直徑毫 米公 斤σ /80?b D＝25mm，則查表得進(jìn)給量 S＝0.39～0.47mm，根據(jù)鉆孔切削用量表查得： n＝377r/min，M=8580N·m 則可得： （3-kw32.6.17208536.1720＝＝ ???MnN 3） 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 P ≥P ，根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手額 定 總 圖 2-3 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 冊(cè)》選取 Y112M-4 型電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如下（單位為 mm）： A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8 G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230 AD=190 HD=265 BB=180 L=400 （二）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)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu) 點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪傳動(dòng)也能滿(mǎn)足設(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： 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)完之后校核用，在畫(huà)草圖之 前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算公式： mm （式中 即為齒輪所傳遞的功率） （3-wm32jZnN?N 4） 齒面點(diǎn)蝕的估算公式： mm （式中 即為齒輪所傳遞的功率） （3-A32jnN?N 5） 其中 為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速， 為齒輪中心距。j A 由中心距 及齒數(shù) 求出模數(shù)：A21,Z mm （3-21mj?? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 6） 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)。wmj 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 in/140rnj? mmwm5.129.3??? mmA48.0.43? mm15.2.??j 所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 mm。15.0?wm 第二對(duì)齒輪副 in/0rnj mmwm76.102398..42??? mmA.1..3 mm06.7298.??j 所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 mm。06.?wm 第三對(duì)齒輪副 in/631rnj mmwm06.2631298..043??? mmA7.5..3 mm1.04278.5??j 所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 mm。175.0?wm 第四對(duì)齒輪副 in/35rnj 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 mmwm71.231598.0.43234??? mmA...34 mm2.0819.7??j 所以，第四對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 mm。2.0?wm 綜上所述，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 為Ⅴ軸得轉(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～Ⅳ間各個(gè)齒 輪模數(shù)均為 =2.5mm，在Ⅴ軸上就取 。1mm32? 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： 605.241??d 85.2342??d 75.230??d 73675 .86 ..7 .9.8 9 2510??d 521??d 105.2412??d 343 78364 735 816 3.齒輪寬度 B 的確定 齒寬影響齒的強(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，反兒容易引起振動(dòng)和噪聲。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)齒輪寬度 B=8m=8×2.5=20mm(在最后一對(duì)齒輪嚙合取也取 B=7m≈20)，則與其嚙合的從 動(dòng)齒輪的寬度一致。而取多聯(lián)齒輪的寬度 B=8m=8×2.5=20mm，為了使嚙合更 容易和平穩(wěn)，則與其嚙合的從動(dòng)齒輪的寬度要小一點(diǎn)，取 B’ =6m＝6×2.5＝15mm。 4.齒輪其他參數(shù)的計(jì)算 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 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，齒輪的其它參數(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。 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，7 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，必須才能達(dá)到 6 級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。 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) K，包括使用系數(shù) ,動(dòng)載荷系數(shù) ,齒間載AKV 荷分配系數(shù) 及齒向載荷分布系數(shù) ，即：?K? =1.25×1.07×1.1×1.12=1.65 （3-?vA? 7） 查表得： =0.88 =2.5 =189.8?ZHEZ = （3-H?E?ubdK21)(?? 8） 將數(shù)據(jù)代入得： 1100mpaH? 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，其它齒 輪也符合要求，故其余齒輪不再驗(yàn)算，在此略去。 （三）軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 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，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： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 （3-30nPAd?m 9） 對(duì)于空心軸，則 （3-340)-n(1PAd?? 10） 式中， ——軸傳遞的功率，kW ——軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/minn ——經(jīng)驗(yàn)值0A 取 β 的值為 0.5 (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)所選用的電動(dòng)機(jī)額定功率 各傳動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算：kWNd0.4? （3-??dP 11） ——電機(jī)到傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)效率η 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)，則各軸傳遞 的功率為： kWNPd 842.39.0.0411 ????? 782322 k61..7.3 3.509????9.061.44?P (2)估算各軸的最小直徑 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，其它各軸的材料均選擇 45 鋼，取 A0 值為 115，各軸 的計(jì)算轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速圖得出： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min 所以各軸的最小直徑為： md8.16024.315??? .7.31 md9.2561.531??? 7.0.31 在以上各軸中，每根軸都開(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 5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小 直徑為： minⅡd=18 , =23 , =34 , =46minⅢdminⅣdminⅤd 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： （1）應(yīng)滿(mǎn)足軸承及齒輪的定位要求。 （2）應(yīng)滿(mǎn)足滑移齒輪安全滑移的要求。 3.軸的剛度與強(qiáng)度校核 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，需選擇除主軸外的一根軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，而主軸 必須進(jìn)行剛度校核，在此選擇第Ⅲ根軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。 （1）第Ⅲ根軸的強(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)齒輪傳遞過(guò)來(lái)，而后 通過(guò)一個(gè)三聯(lián)齒輪將動(dòng)力傳遞到下一根軸，其兩端通過(guò)一對(duì)角接觸球軸承將力 轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽 略不計(jì)。所以只要校核其在 xz 平面及 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 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 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)作鉸鏈支座上的梁，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)： R2FtFt1R DCBA b=5l=450a=0 在 yz 平面內(nèi)： TT1a=0l=450b=25ABCDR'FrFrR' 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。 在 xz 平面內(nèi)，根據(jù)力的平衡原理可得： R1+R2+Ft2=Ft1 將各個(gè)力對(duì) R1 取矩可得： Ft1×a=Ft2×（l-b）+R2×l Ft1=2 /d7PⅡ Ft2=2 /d11Ⅲ 由以上兩式可解出： 圖 2-4 xz 平面的受力圖 圖 2-5 yz 平面的受力圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 R1=Ft1（l-a）/l-Ft2×b/l R2=Ft1×a/l-F2xz+Ft2×b/l 由于有多個(gè)力的存在，彎矩?zé)o法用一個(gè)方程來(lái)表示，用 x 來(lái)表示所選截面 距 R1 的距離，則每段的彎矩方程為： 在 AB 段：M=R1×x （a≥x≥0） 在 BC 段：M=R1×（a+x）-Ft1×x （l-b≥x≥a） 在 CD 段：M=R2（l-x） （l≥x≥l-b） 則該軸在 xz 平面內(nèi)的彎矩圖為： DCBAXM 圖 2-6 軸在 xz 平面內(nèi)的彎矩圖 同理可得在 yz 平面內(nèi)的彎矩圖為： B 圖 2-7 軸在 yz 平面內(nèi)的彎矩圖 3）作出總的彎矩圖 由上求得的在 xz、yz 平面的彎矩圖，根據(jù) M= 可得總的彎矩圖yzMxz2? 為： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 DCBA XM 圖 2-8 軸的總彎矩圖 4）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 Mca= 求出計(jì)算彎22)(T?? 矩，其中 α 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)的變應(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。即當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 α≈0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng) 力時(shí)，取 α≈0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也為對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取 α=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 α≈0.3，則計(jì)算彎矩圖為：MXABCD 5）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)上安裝滑移齒輪，開(kāi)有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩為： W= [πd 4+（D-d） （D+d） 2zb]/32D （3- 12） 圖 2-9 彎矩圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 其中 z 為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中，z=6，D=28mm，d=23mm， b=6mm 所以其截面的慣性矩為 W=524.38mm3 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： Ft=2T1/d1， Fr=Ft×tanα （3- 13） 其中 T1 為小齒輪傳遞的扭矩，N·mm；α 為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，取 α=20 ；而 Ft 與 Fr 分別對(duì)應(yīng)與 xz 平面及 yz 平面的力。各段軸的長(zhǎng)度可從 2 號(hào) A0 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： Mca=25014.22N·m，則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為： δ ca=25014.22/524.38≈47.7MP≤60MP，所以該 軸的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 （2）主軸的剛度校核 1）主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度幾強(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 主軸直徑的選擇，根據(jù)機(jī)床主電機(jī)功率來(lái)確定 1D 因?yàn)?P＝4KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床，所以可取mD70~61? 根據(jù)以下的公式確定主軸內(nèi)孔直徑 （3-4440 1)(6/)( ?????DddDIK 14） 其中 ， ----空心主軸的剛度和截面慣性矩0I K, I ----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 <0.77.?? ? 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， 在此不在繪出。 其中： D=31.750 832.691?D0.542?D d＝18 L=7314 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 3）主軸的剛度驗(yàn)算 軸的變形和允許值： 軸上裝齒輪和軸承處的繞度和傾角（y 和 ）應(yīng)該小于彎曲變形的許用值? ，即 y ???和 ????? 軸的類(lèi)型 （mm）y變形部位 （rad）??? 一般傳動(dòng)軸 4.0003~0.0005l 裝向心軸承處 0.0025 剛度的要求較高 -0.0002l 裝齒輪處 0.001 安裝齒輪軸 （0.01~0.00）m 裝單列圓錐滾子軸 承 0.006 其中：L 表跨距，m 表模數(shù) 軸的變形計(jì)算： 計(jì)算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的繞度 y 及傾角 時(shí)，一般常將軸簡(jiǎn)化為集中載荷下? 的簡(jiǎn)支梁。按材料力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算，主軸的直徑相差不大且計(jì)算精度要求不高 的時(shí)候，可把軸看作等徑軸，采用平均直 d 來(lái)計(jì)算，計(jì)算花鍵時(shí)同樣選擇用平均 直徑。 圓軸： d （3-i?? 15） 慣性矩： I= （3-64i? 16） 矩形花鍵軸：d1= （3-2dD? 17） （3-?id64? 18） 慣性矩： （3-64)( 24dDzI???? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 19） 軸的分解和變形合成：對(duì)于復(fù)雜受力的變形，先將受力分解為三個(gè)垂直面上 的分力，應(yīng)用彎曲變形公式求出所求截面的兩個(gè)垂直平面的 和 y。然后進(jìn)行疊? 加，在同以平面內(nèi)的可進(jìn)行代數(shù)疊加，在兩平面內(nèi)按幾何公式，求出該截面的總 繞度和總傾角。 提高軸剛度的一些措施：加大軸的直徑，適當(dāng)減少軸的跨度或增加第三支承， 重新安排齒輪在軸上的位置改變軸的布置方位等。 軸的校核計(jì)算： 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖在 xz 平面內(nèi)： 主軸的傳動(dòng)功率： P 主 = =3.513KW469.0.4? 主軸轉(zhuǎn)矩： T 主 = =1569002513. 6?mN? 支點(diǎn)上的力： dFtB 8.26409.T5??主 NtC351.21?主 根據(jù)彎矩平衡得： 0)48623()962( ?????tBtcHEFFR 求得：R HE=-84.9 根據(jù)力平衡得： NHA7.0? 4）垂直平面的彎矩圖 =951.71N?tgFBR? =761.4NCr? 根據(jù)平面內(nèi)彎矩平衡有： 0)48623()3962(3?????rBrCNE FFR.8? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 再根據(jù)力平衡得： ，則可得 B、C 點(diǎn)得彎矩圖：NRNA71.0?? M X 圖 2-10 垂直平面內(nèi)的彎矩圖 在 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)為最危險(xiǎn)截面，要滿(mǎn)足要求，B、C 點(diǎn)滿(mǎn)足即可，在 B、C 截面 得彎矩為： =803403.1N·㎜ （3-22BVHBM??? 20） =675702.3 N·㎜ （3-22CVHC? 21） 扭矩圖為： T X 圖 2-11 垂直平面內(nèi)的扭矩圖 經(jīng)分析可知 B 所在得位置為最危險(xiǎn)截面，只要 B 滿(mǎn)足條件即可，則剛度滿(mǎn)足。 計(jì)算彎矩： （3-2)(BBCTM??? 22） =862517.2 N·㎜ 軸得抗彎截面系數(shù)為： （3-23） 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 347.14598021806)(mDzbddW????? 所以 53.96?Mca???1??? 故滿(mǎn)足第三強(qiáng)度理論。 剛度驗(yàn)算： 在水平面內(nèi)， 單獨(dú)作用時(shí)：tBF （3-EIblpfc48)3(12?? 24） = I??5 2210.48)463(.26 =-0.02598mm 其中 I= =274750032)( 4dD?? 在 單獨(dú)作用下：tcf （3-EIblpfc48)(22?? 25） = I??5 2210.48)4963(90 =-0.0182mm 在兩力得共同作用下： mffcc078.12?? 在垂直面內(nèi)有(在 單獨(dú)作用時(shí))rBF （3-EIblpfc483(12? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 26） = I???5 2210.48)463(7.951 =-0.0072mm 其中 I= =274750032)( 4dD?? 在 單獨(dú)作用下：rCF （3-EIblpfc48)(22?? 27） = I???5 2210.48)9463(9.761 =-0.0182mm 在兩力的共同作用下： mffcc06.12?? 故在 共同作用下，x 處為危險(xiǎn)截面，其最大繞度為rCtrBt F、、、 l21? （3-ffcc0783.2?? 28） 而一般的剛度 ??ly)5.~.(? =0.21~0.35mm ，故 符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗(yàn)算了。??yfc? 下面校核由 V 傳到主軸時(shí)的強(qiáng)度、剛度、校核， 主軸的傳動(dòng)功率：P 主 = =5.9974KW697.05.7? 主軸轉(zhuǎn)矩：T 主 = =143188Nmm410.9 6 支點(diǎn)上的力： NdFtB 5.238602T???主 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 NdFtC8.137650421T???主 根據(jù)彎矩平衡得： 2.48362???tBtDHEFR 求得：R HE=-244.9N 根據(jù)力平衡得： NHA6.15? 5）垂直平面彎矩： =868.6N?tgFBR? =501.1 NCr? 根據(jù)平面內(nèi)的彎矩平衡有： 0215.48362????rBrDNEFR1.9? 再根據(jù)力的平衡： NNA.7 在 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)為最危險(xiǎn)截面，要滿(mǎn)足要求，B、C 點(diǎn)滿(mǎn)足即可，在 B、C 截面 得彎矩為： =110489.6N·㎜ （3-22BVHBM??? 29） =708402.5 N·㎜ （3-22CVHC? 30） 經(jīng)分析可知 B 所在得位置為最危險(xiǎn)截面，只要 B 滿(mǎn)足條件即可，則剛度滿(mǎn)足。 計(jì)算彎矩 =942100 N·㎜ （3-2)(BBCTM??? 31） 軸的抗彎截面系數(shù)為： （3-32) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 347.14598021806)(mDzbddW????? =58.94 （3-?Mca???1??? 33） 故滿(mǎn)足第三強(qiáng)度理論。 剛度驗(yàn)算： 在水平面內(nèi)， 單獨(dú)作用時(shí)tBF （3-EIblpfc48)3(12?? 34） = I??5 2210.48)463(5.23 =-0.018147mm 其中 I= =274750032)( 4dD?? 在 單獨(dú)作用下tcf （3-EIblpfc48)(22?? 35） = I???5 2210.).48363(.1376 =-0.00551mm 在兩力的共同作用下 mffcc01264.2?? 在垂直面內(nèi)有(在 單獨(dú)作用時(shí))rBF （3-EIblpfc483(12? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 36） = I???5 2210.48)463(.6 =-0.0066mm 其中 I= =274750032)( 4dD?? 在 單獨(dú)作用下rCF （3-EIblpfc48)(22?? 37） = I???5 2210.48).48363(1.50 =-0.001515mm 在兩力的共同作用下 mffcc084.12?? 故在 共同作用下，x 處為危險(xiǎn)截面，其最大繞度為rCtrBt F、、、 l21? （3-ffcc064.2?? 38） 而一般的剛度 =0.21~0.35mm??ly)5.~3.(? 故 符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不用驗(yàn)算了。fc? （四）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)量小、耐磨性好和有足夠 的散熱能力、操作方便省力。離合器常用的可分牙嵌式和摩擦式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 選用了電磁式摩擦片離合器。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值 ； 。dD)3~2(1?d)5.2~1(2? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 第四章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 一．垂直進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 假定主軸箱的重量： =100kgf=100×9.8=980NW Z 軸的行程為： 400mm 垂直脈沖當(dāng)量： 0.005mm 預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =10mm0L 步距角： ??75.b? 快速進(jìn)給速度： =2.0m/min maxV (一)脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 (1)傳動(dòng)比的選定 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量 確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程 和步進(jìn)電機(jī)步距??0L 角 都已初步選定后，則可用下式來(lái)計(jì)算該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比：b? （4-17.46250.36170＝＝??PbLi? 1） (2)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為 130BF001，則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ＝40.06×DJ25m10．kg? 對(duì)于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸節(jié)，絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為： （4-8 2MJC?)c(2．k 2） 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 對(duì)于鋼材，材料密度為 ，則有3108.7－?)cm/(3kg （4-3478.0－?LDJ(2． 3） 從資料定出齒輪副為： ， ， m＝1.5 mm， B=20mm21?Z962 則齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 334341 107.58410.278.0178.0 －－－ ＝ ????LDJ )cm(2．kg ＝ 5－ 2．kg 334342 .9.69.. －－－?J )c(2．k ＝ 510－?2m．k 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算： 33434 104.581078.78. －－－ ????LDJS )cm(2．kg ＝ 510.－?2．kg 工作臺(tái)質(zhì)量折算： ＝ （4-53.2).()2(20＝??MLJG )cm(2．kg5103.－?2．kg 4） 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： （4-221/)(iJJGSD???? 5） ＝ 2555 17.4/03.2815.308.06.4 －－－ ）＋＋＋ （＋ ?? ＝ ＝6.16?2m．kgc．kg (3)工作載荷分析及計(jì)算 普通麻花鉆每一切刃都產(chǎn)生切向切削抗力 ,徑向切削抗力 與軸向切削ZFyF 抗力 。當(dāng)左，右切削刃對(duì)稱(chēng)時(shí)，徑向抗力 相互平衡。切向抗力 形成鉆削xFy Z 扭矩 M，它消耗了切削功率 。所有切削刃上軸向抗力 之和形成了鉆頭上的軸mPx 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 向力 。xF?? 鉆削時(shí)安裝工件的工作臺(tái)是靜止的，不作縱，橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此鉆削時(shí) 工作臺(tái)載荷主要是垂直進(jìn)給方向載荷 ，其大小與鉆削軸向力 F 相同，方向相反。vF 當(dāng)鉆削工作臺(tái)不作垂直進(jìn)給時(shí)， 是工作臺(tái)的靜壓垂直載荷；當(dāng)工作臺(tái)作垂直進(jìn) 給時(shí)， 是工作臺(tái)垂直進(jìn)給抗力。vF 因?yàn)殂@頭直徑 ，取進(jìn)給量 f＝0.36mm/r，則查表得到高速鋼