3946 自動線工件震動去屑臺設計

3946 自動線工件震動去屑臺設計,自動線,工件,震動,震撼,觸動,去屑臺,設計 本科學生畢業(yè)設計自動線工件震動去屑臺設計系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化 08-3 班學生姓名： 指導教師： 職 稱： 二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Design of Numerical Controlled Lathe Candidate： Specialty：Mechanical Design and Manufacture and AutomationClass： Supervisor： 2012-6 I摘 要本次畢業(yè)設計課題是自動線工件震動去屑臺設計該去屑臺結夠簡單，緊湊、體積小，功能齊全，是一個很適用的經濟性數控車床，能夠達到非常滿意的工作效率。主要是由傳動系統(tǒng)，進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。對其傳動系統(tǒng)設計時，先進行總體方案的確定，畫出簡易的傳動系統(tǒng)圖。再根據給定的設計參數來確定傳動和進給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進電機來驅動，步進電機由驅動控制系統(tǒng)來驅動。從而實現進給系統(tǒng)的進給。通過用途，功能和技術要求等合理定出系統(tǒng)結構，并通過認真的計算得到的參數，然后選擇符合規(guī)定的元件和進行系統(tǒng)的結構設計。是無級調速的，由電動機加變頻器來實現。最后通過技術經濟分析，驗證了設計生產該產品是經濟合理的。關鍵詞：車床；滾珠絲杠；步進電機；無級調速；傳動系統(tǒng)IIABSTRACTThe subject of design is the simple NC CJK6032-lathe. The numerical control lathe simple,compact,small size, fully functional,is a suitable economy of CNC lathes. we can achieve a satisfactory work efficient.The simple NC CJK6032-lathe is composed of drive system, feed system and controlsystem. When designing drive system, the diagram of simple drive system are specified.Then the drive and feed system are designed according to the given design parameter. Thefeed system is working with the assistance of ball screw. The steped motor drove by deivecontrol system is drove by ball screw. through the use of functional and technical requeirements set reasonable structure,and through careful calculation by the parameters,and then select the required components and systems for the structural design.The simple NC CJK6032-lathe has variable speed which is accomplished by motor and frequency converter. In the end, the analysis on economic prove its reasonable to produce to CJK6032-lathe.Key words：Lathe ；Ball Screw；Stepping motor；Variable Speed ；Transmission system 1第 1 章 緒 論1.1 課題研究的背景目的和意義自動線工件震動去屑臺利用數字化的信息對車床運動及加工過程進行控制，是一種可編程的通用加工設備，能自動完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復雜的軸類和盤套類零件。與通用機床和專用機床相比，數控車床具有加工靈活、通用性強、能適應產品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點，能夠滿足新產品的開發(fā)和多品種、小批量、生 產自動化的要求，是一種柔性的、高性能的自動化車床，代表了現代控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產品，廣泛應用于機械制造業(yè)。數控車床的主傳動系統(tǒng)包括主軸電機、傳動系統(tǒng)與主軸組件，與普通機床相比，變速功能絕大部分由主軸電機的無級調速來承擔，省去了繁雜的齒輪變速機構，結構簡單，有些只有兩極或三級齒輪變速機構系統(tǒng)用以擴大電機無級調速的范圍。自從20世紀中葉數控技術出現以來，數控車床得到了長足的發(fā)展。隨著制造業(yè)對數控車床的大量需求，汽車、國防、航空、航天等行業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，數控車床的發(fā)展總體呈現出高速化、高精度化、多軸化、復合化、網絡化、智能化等趨勢。數控加工技術的應用是機械制造業(yè)的一次技術革命，使機械制造的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。由于數控車床綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密檢測與新型機械結構等方面的技術成果，具有高柔性、高精度與高度自動化的特點，因此它提高了機械制造的制造水平，解決了機械制造中的常規(guī)加工技術難以解決甚至無法解決的復雜型面零件加工，為社會提供了高質量、多品種及高可靠的機械產品已取得了巨大的經濟效益。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：（1）機械制造技術；（2）信息處理、加工、傳輸技術；（3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術；（5）傳感器技術；（6）軟件技術等。數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。2數控車床是數控機床的主要品種之一，它在數控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。數控車床的發(fā)展不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控車床的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數控車床及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1. 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為 5 大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為 21 世紀的中心研究方向之一。在加工精度方面，近 10 年來，普通級數控機床的加工精度已由 10μm 提高到5μm，精密級加工中心則從 3～5μm，提高到 1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。在可靠性方面，國外數控裝置的 MTBF 值已達 6000h 以上，伺服系統(tǒng)的 MTBF 值達到30000h 以上，表現出非常高的可靠性。為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。2. 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2 臺 3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動數控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因，其價格要比 3 軸聯(lián)動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現，使得實現 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含 5 面加工機床）的發(fā)展。3. 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數控系統(tǒng)3中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖 ”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用。數控技術和數控裝備是制造工業(yè)現代化的重要基礎。這個基礎是否牢固直接關系到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力?？傊?，大力發(fā)展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展，提高綜合國力和國際地位的重要途徑。數控機床是典型的機電一體化課題，通過畢業(yè)設計可使所學機械學、力學、電工學知識得到綜合應用。結構設計及控制系統(tǒng)設計能力都能受到訓練，可有力的提高學生的分析問題、解決問題能力及機電一體化水平。1.2 數控車床的現狀及發(fā)展趨勢1.2.1 數控車床發(fā)展總趨勢近年來，隨著數控加工技術的不斷發(fā)展，數控車床也呈現出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉速的高速化、功能結構的復合化、柔性化。（1）高速主軸單元 為了適應數控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數控車床采用了電主 軸。電主軸又稱內置式電動機主軸單元，就是將高速的主軸電動機置于主軸內部， 通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉速和轉矩，實現電動機、主軸 的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉動慣量， 提高了4主軸動態(tài)響應速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉時皮帶和帶輪等 傳動的振動和噪聲問題；可精確實現主軸的定位和軸傳動功能。采用電主軸結構 可使主軸轉速達到 10000r/min 以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術、冷卻技術、高速變頻驅動技術，是技術含量很高的機電一體化產品。（2）功能復合化、柔性化 隨著數控車床對加工對象的適應性的不斷提高，數控車床的設計發(fā)生了很大變化，并向著功能復合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化，可以擴大車床的使用范圍、提高效率，實現一機多用、一機多能，即一臺數控車床既可以實現車削功能，也可以實現銑削加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內藏式電主軸結構，通過數控系統(tǒng)可直接實現主、副主軸轉速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。數控車床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網和集成為目標，注重加強單元技術的開拓和完善。CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、CAM、CAPP 及 MTS 等聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展。網絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展 由此可見，現代數控車床主傳動系統(tǒng)設計不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現代制造對機床的整體要求，如制造控制、 過程控制以及物料傳送，以縮短產品的加工時間、周轉時間、制造時間，以最大限度的提高生產率。1.2.2 我國數控車床的現狀及發(fā)展趨勢我國數控技術起步于 1958 年，于 1958 年研制出第一臺數控機床，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3 個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“ 六五 ”、 “七五”期間以及“八五” 的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五” 的后期和 “九五”期間，即實施產業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產數控裝備的產業(yè)化取得了實質性進步。5在“九五”末期，國產數控機床的國內市場占有率達 50％，配國產數控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10％。在 20 余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統(tǒng)依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數控車床的水平差距很大。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。在競爭前數控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國數控產業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。1.3 設計的主要內容CJK6032 主要是由傳動系統(tǒng)，進給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。本次設計也重點設計這三個部分。首先，對其傳動系統(tǒng)設計時，先進行總體方案的確定，畫出簡易的傳動系統(tǒng)圖。然后，根據給定的設計參數來確定傳動和進給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進電機來驅動，從而實現進給系統(tǒng)的進給。步進電機由控制系統(tǒng)來驅動?？刂葡到y(tǒng)是由鍵盤，顯示，變頻器，脈沖發(fā)生器和電機驅動部分組成。CJK6032 是無級調速的，本次設計通過三相異步電動機加變頻器來實現無級調速。最后通過技術經濟分析，可以看出設計生產該產品是經濟合理的。6第 2 章 總體方案設計2.1 設計參數震動去屑臺最大加工直徑 160mm，變頻調速（手動三檔） ，開環(huán)系統(tǒng)，脈沖當量0.005mm。?2.2 總體方案的確定初步對自動線工件震動去屑臺的主軸箱設計有兩種設計方案。1、用皮帶輪降速到軸上，再用一個二聯(lián)滑塊實現兩檔變速，最后用一個一比一的定比傳到主軸上，電機用變頻電機。轉速圖如圖 2.1圖 2.1 轉速圖 12、用普通電機帶皮帶輪降速到軸上，再用一個二聯(lián)滑塊實現兩檔變速，最后用一個傳動比為 1:2 的定比傳動齒輪來傳到主軸上，加變頻器經過傳動比為 1：1 齒輪傳到主軸上。轉速圖如圖 2.2：圖 2.2 轉速圖 2對于第一種方案雖然要簡單，它不需要變頻器要比第二種方案少一根軸，但是由7于它的變頻范圍使它皮帶輪上的傳動比很大，對于帶傳動來說要不合適，且所選電機為變頻電機，耗資較大，我們不采用這種結構。第二種方案雖然要多一根軸來連接變頻器，但是它由于有定比為 1：2 的傳動使的皮帶輪的傳動比降低，這個方案比較合理，在帶傳動結構中這樣的傳動比很常見，而且不是很大可以采用。而且?guī)л啿皇呛艽蟛粫椭鬏S存在干涉現象?？v向和橫向進給是靠絲杠來實現的，絲杠用步進電機來帶動。因為脈沖當量小于0.005。所以在步進電機和絲杠之間，我采用傳動比為 1：2 的齒輪來降低脈沖當量。大帶輪與帶輪軸連接采用卸荷方式，可以使大帶輪的重量不壓在軸上，減輕了軸的負荷，使傳動更平穩(wěn)。主軸箱內有一對滑移齒輪，把它們放在第一根軸上，將第一根軸做成花鍵軸，使整體結構更緊湊，更合理。主軸與脈沖發(fā)生器連接采用齒輪一比一傳動，這樣方便計算主軸轉一圈，絲杠進給多少。縱、橫向進給系統(tǒng)選擇的步進電機步距角都為 0.36°，縱向進給的最小進給量為0.002mm，橫向進給的最小進給量為 0.01mm，所以必須通過減小步距角來實現這個最小進給量。減小步距角一可以通過齒形帶傳動來減小，二是通過齒輪傳動來減小，由于齒形帶傳動精度沒有齒輪傳動精度高，而機床的進給精度要求較高，所以選擇齒輪傳動來減小步距角，采用雙片薄齒輪錯齒調整法來消除傳動齒輪間隙。2.3 傳動原理1、傳動原理主要滿足設計任務所給出的精度要求。 2、應當在保證精度的情況下盡量使結構簡單。3、主軸的轉速范圍為 50—2000r/min，若采用變頻配合普通電機，則需要采用換擋控制主軸轉速。4、脈沖當量為 0.001—0.003m/min，若采用較高級數的步進電機，通過齒輪減速來帶動絲杠就可以達到，并且結構簡單，在該處還沒有傳動誤差，可以使電控部分的結構及程序編制更為簡單。因此，得到如下傳動原理，如圖 2.3。2.4 基本參數的確定1、通過主軸孔最大棒料直徑mm （2.1）32010???Dd2、床身寬度 mm （2.274.282.B）83、經濟合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經驗公式估定圖 2.3 傳動方案總圖mmmax(0.5~7)0.6192dD??mm （2.3）in81234、運動參數可通過類比實驗和計算等方法綜合確定（2.4）mininax10vd??maxaxin10vd??、 、 、 為經濟加工切削速度和經濟合理的工件或刀具直徑。minvax、 是機床的最低、最高轉速，其中常用經濟加工切削速度硬質合金刀具精i9車中碳鋼 =200 220m/min，取 =220m/min， 取高速鋼刀具精車絲杠速度v~maxvminv=1.5m/min。r/min49.21.350in??r/minmax8取 50~1800r/minn?主軸計算轉速 r/min 147)50()(3.3.0minaxi ????j5、動力參數據下列公式及數據估算電機功率 P。總切削力 （kgN）ZFfts?—單位切削面積上的切削力，取硬質合金刀加工中碳鋼 =200（kgN/mm 2） ；f f—切削深度； t—進給量。s切削深度及進給量取半精車中碳鋼，故 取 1mm； 取 0.2mm； =190m/stsvkw （2.5）24.1609.12610????vstfPc2.5 本章小結本章對整個數控車床的原理做了詳細的介紹，并重點分析和計算了兩種設計方案，通過比較，確定了第二種方案作為本次設計的方案，第二種方案雖然要多一根軸來連接變頻器，但是它由于有定比為 1:2 的傳動使的皮帶輪的傳動比降低達到2.8，這個方案比較合理，在帶傳動結構中這樣的傳動比很常見，而且不是很大可以采用。而且?guī)л啿皇呛艽蟛粫椭鬏S存在干涉現象。另外，還確定了機床的一些基本的設計參數，主要有床身寬度，最大加工棒料直徑，運動參數，動力參數等。10第 3 章 傳動設計3.1 設計參數為了方便計算，現將主要技術參數列表如下：表 3.1 主要技術參數項 目 單 位 參 數床身上最大工件回轉直徑 mm Ф320拖板上最大工件回轉直徑 mm Ф160最大工件長度 mm 750主軸轉速范圍 rpm 35～1910主軸通孔直徑 mm Ф38主軸錐孔 --- 主軸錐孔主軸電機功率 kW 3刀架刀位數 --- 4車刀刀桿最大尺寸（寬×高） mm 20×20進給電機扭矩（功率）橫向（X ） Nm 7縱向（Z） Nm 7尾架套筒錐孔 --- 莫氏 3 號機床外形尺寸（長×寬× 高） mm 1680×740×1160機床重量（毛重/凈重） kg 4503.2 減速齒輪設計及校核設計齒輪的輸入功率是 2.07kw，小齒輪的轉速 =330r/min，齒數比 =75/22，1nu工作壽命 15 年（設每年工作 300 天） ，兩班制。1、選齒輪的類型、精度等級、材料及齒數（1）按傳動方案選用直齒圓柱柱齒輪傳動。（2）速度不是很高，選用 7 級精度（GB10095―88 ） 。（3）材料的選擇。由參考文獻[1]表 10―1 常用齒輪材料及力學特性選小齒輪的材料是 40Cr(調質) ，硬度為 280HBS，大齒輪的材料為 45 鋼 (調質)，硬度為240HBS，二者材料硬度差 40HBS。11（4）選小齒輪的齒數 =22,大齒輪的齒數 =75。1z2z2、按齒面接觸強度設計由參考文獻[1]設計計算公式（10―9a ）進行試算，即2.32 （3.1）1td?213tEdHKTZu?????????確定公式內的各計算數值（1）試選載荷系數 =1.3。tK（2）計算小齒輪傳遞的扭矩=9550000×p/ =9550000×2.07/330=59904.5N·mm1T1n由參考文獻[1]表 10—7 圓柱齒輪的齒寬系數 根據齒輪相對支撐非對稱布置選d?取齒寬系數 =1。d?（3）由參考文獻[1]表 10—6 彈性影響系數查的材料 的彈性影響系數 =189.8EZEZ。12MP（4）由參考文獻[1]表 10—21d 齒輪的接觸疲勞強度 查按齒面硬度查得小齒limH?輪的接觸疲勞強度極限 =600Mpa，大齒輪的接觸疲勞強度極限 =550Mpa。lim1H? lim2H（5）由參考文獻[1]式 10—13 計算應力循環(huán)的次數=60×330×(2×8×300×15)×1=1.426× （3.2）160hNnjL? 910=1.426× /3.3=4.32× 29810（6）由參考文獻[1]圖 10—19 查得接觸疲勞壽命系數 =0.92；1HNK=0.962HN（7）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數 =1，由參考文獻[1]式 10—12 得S=0.92×600=552MPa （3.3）??KHNH1lim1??12=0.96×550=528 MPa （3.4）??SKHNH2lim2??3、齒輪主要尺寸計算（1）試算小齒輪分度圓直徑 ,代入 中較小的值1td[]H2.32 =2.32× =54.7mm1td?213tEdHKTZu????????? 23.1749.3189.().5??（2）計算圓周速度 vm/s （3.6）18.0637.54106?????ndt計算齒寬 b mm （3.7）1.54.7dt??（3）計算齒寬與齒高之比 /h模數 =54.7/22=2.486mm （3.81ttmz?）齒高 mm （3.92.5.24865.9th??）=54.7/5.59=9.785 （3.10/b）（4）計算載荷系數根據 =1.18m/s，7 級精度，由圖參考文獻 [1]10—8 查得動載荷系數 =1.03；直v VK齒輪，假設 /㎜。由參考文獻[1]表 10—3 查得 = =1.2;由參考文/10AtKFbN? H?F獻[1] 表 10—2 查得使用系數 =1.25，由參考文獻 [1]表 10—4 查得 7 級精度、小齒AK輪相對支撐非對稱布置時，（3.11）231.038(.6)0.1Hdb? ??????將數據代入后得=1.44381 （3.12）23[1].(.).dK? ?由 =5.59, =1.44381 查參考文獻[1]圖 10—13 得 =1.35/bhH FK?故載荷系數=1×1.03×1.2×1.44381=1.649 （3.13）??HVA?13（5）按實際的載荷系數校正所算得分度圓直徑，由參考文獻[1]式（10—10a）得（6）計算模數 =59.2/22=2.69mm （3.14）1/mdz?4、按齒根彎曲強度設計由參考文獻[1]式（10—5）得彎曲強度的設計公式為（3.15）??321???????FSadYzKT??（1）確定公式內的各計算數值由參考文獻[1]圖 10—20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 =500MPa；小齒1FN?輪的彎曲疲勞強度極限 =380MPa；2FN?（2）由參考文獻[1]圖 10—18 查得彎曲疲勞壽命系數 =0.83 , =0.84: FNIK2FN（3）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數 =1.4 由參考文獻[1]公式（10—12）得SMPa （3.16）??43.296.1508311 ???KFNF?MPa （3.17）8.422SFF（4）計算載荷系數 1×1.03×1.2×1.35=1.6686 （3.18）AVFK????（5）查取齒形系數由參考文獻[1]表 10—5 查得 2.72， 2.221Y2F?（6）查取應力校正系數由參考文獻[1]表 10—5 查得 1.57， 1.771S??2S（7）計算大、小齒輪的 并加以比較[]FY???014.3.296571??FS?14（3.19）??01723.285.2??FSY??大齒輪的數值大。（8）設計計算mm321.685904.1723.9m????對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 大于由齒根彎曲疲勞強度計算m的模數，由于齒輪模數 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所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數 1.93 并就近圓整為標準值 =2㎜，按接觸強度算得的分度圓直徑 =59.2mm 算出小齒輪齒數1d取 30 （3.20）159.2.6dzm?大齒輪的齒數 =3.3×30=992這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。5、幾何尺寸計算（1）計算分度圓直經=30×2=60mm （3.21）1dzm?=99×2=198mm （3.22）2（2）計算中心距 =（60+198 ）/2=129mm （3.23）??12/ad??（3）計算齒輪寬度 根據經驗一般齒寬取模數的 6 10 倍取 =8×2=16mm~8bm?3.3 帶輪及帶的計算選用窄 V 帶傳動，設已知電動機的型號為 Y100L1-2，額定功率 P=2.2kw，轉速n1=2800r/min 傳動比 i=2.8 一天的運轉時間 ?10h。1、確定計算功率 Pca由參考文獻[1]表 8—6 查得工作情況系數=1.3 ，故15kw （3.24）86.23.1???PKAca2、選取窄 V 帶帶型根據、P ca ， n1 由參考文獻[1]圖 8—9 確定選用 A 型。3、確定帶輪基準直徑由表參考文獻[1]表 8—7，選取主動輪基準直徑 dd1=100mm根據參考文獻[1]式（8—15） ，從動輪基準直徑 dd2dd2=i． dd1=2.8×100=280mm （3.25）根據參考文獻[1]表 8—7，取 dd2=280mm按參考文獻[1]式（8—13）驗算帶的速度11.974 35 （3.26）1802606dnv????/ms?/帶的速度合適。4、確定窄 V 帶的基準長度和傳動中心距根據 初步確定中心距 =800mm120120.7()()dda???0a根據參考文獻[1]式（8—20）計算帶所需的基準長度2430mm （3.27）???????021210' 4adLdd?由參考文獻[1]表 8—2 選帶的基準長度 2500mmdL按參考文獻[1]式（8—21）計算實際中心距=800+1/2（2500-2430）=835mm （3.28）'01()daL???5、驗算主動輪上的包角 1?由參考文獻[1]式（8—6）得（3.30）000211857.6.241da?????主動輪上的包角合適。6、計算窄 V 帶的根數由參考文獻[1] 式（8—22）知 （3.31）??LcaKPz?0???由 、 mm、 查參考文獻[1]表 8－5c 和表 8－5d 得1280/minnr?10?d2.8i2.61kw 0.56kwP0?16查參考文獻[1]表 8—8 得 0.98，查表 8－2 得 1.00 則K??LK?.60.9(2.105)1z??取 2。z?3.4 軸的初步確定1、第一根軸設其傳動效率為 則其功率為 kw， r/min，96.0??12.96.021??P30?j?按參考文獻[1] 式（15—2）初步估算軸的最小直徑，選軸的材料為 45 鋼，調質處理，根據 15—3 取 于是得：10Amm （3.31）79.2031.2310min ???jAd軸徑取 30㎜。2、第二根軸齒輪和軸的傳動效率是 則其功率為0.97??2.112×0.97=2.0486 ， 330 ，按參考文獻[1] 式（15—2）初步估?2PkWjn/minr算軸的最小直徑，選軸的材料為 45 鋼，調質處理，根據參考文獻[1]表 15—3 取于是得：01Amm233min0.048612.5jPdA???軸徑取 30mm。3.5 軸的校核校核床頭箱內第一根軸軸上的功率 = 2.07kw ， 轉速 n = 330r/min P轉矩 N·mm 作用在齒輪上的力 Ft , Fr5.90437.2950950???nPT齒輪分度圓直徑 d = 60mmN （3.32）.237.6tTFd?N （3.33）5.410tan.an????tr軸上受力情況見圖 5.117求軸上的載荷水平面 H 故有 FNH1 + FNH2 = Ft0BM??20tBCNHBDll??聯(lián)立解得： FNH1 = 1736.7NFNH2 = 300.585N在垂直面 V： FNV1 + FNV2 = Fr20rBCNVDll??聯(lián)立解得： FNV1 = 632NFNV2 = 109N彎矩 = FNV2×260 = 109×260= 28340N·mm2VM= FNV1×45= 632×45= 28440N·mm1MH = FNH1 ×45 =1736.7×45 = 78152.175 N·mm總彎矩： N·mm83167240781521 ?????VN·mm22H扭矩： T = 59904.5N·mm作出軸的彎矩圖扭矩圖如圖（3.1） 。進行校核時通常只校核軸上承受最大彎矩的截面（即危險截面 C）的強度，根據參考文獻[1]式（ 15—5）及上表中的數值并取 ，由參考文獻[1]表 15—4 抗彎矩0.6??截面系數計算公式由軸的形式查得：（3.34）42[()]/375.2WdDdzbD????軸的計算應力：MPa （3.35）2 213()816(0.94.).6375caMT??????前已選定軸的材料 為 45 鋼，調質處理，由參考文獻[1]表 15-1 查得，因此 ，故安全。??160P????1ca??18TFNV1FNH1FrFtFNV2FNH2A B C DFNH1 FNH2FtFNV1 FNV2MH:78152N.mMV2:2840N.mT:5904.5N.m45 260M2:83167N.m圖 3.1 軸的載荷分析圖193.6 本章小結本章主要設計計算了數控機床的各個主要部分的尺寸，包括齒輪減速器，主要設計計算了軸 1:2 配合的二聯(lián)齒輪和三聯(lián)齒輪的大小齒輪的幾何尺寸，并進行了校核；帶傳動的設計，主要有大小帶輪的幾何尺寸及 V 帶的選取。另外，還初步設計了軸，并校核了主要的受力軸。20第 4 章 進給系統(tǒng)設計4.1 縱向進給絲杠設計4.1.1 滾動螺旋傳動工作原理螺桿和螺母的螺紋軌道間放置有滾動體，當螺桿或螺母轉動時，滾動體在螺紋滾道里滾動，使螺桿和螺母作相對運動時為滾動摩擦，提高了傳動效率和傳動精度。多數滾動螺旋的螺母或螺桿上有滾動體內循環(huán)通道，與螺紋軌道形成循環(huán)回路，使得滾動體在螺紋滾道內循環(huán)。4.1.2 絲杠設計計算1、最小載荷Fmin 為機床空載時作用在滾珠絲杠上的軸向載荷。此時 Fx = Fy = Fz = 0 ,CJK6032型數控機床的拖板加電動四方刀架的重量約為 25+20=45㎏, 查參考文獻[2]三角形組合導軌摩擦系數為 0.15，F min = 45×0.15×9.8=66N .2、最大載荷Fmax 為機床承受最大切削力時作用于滾珠絲杠的軸向載荷，F max 等于最大進給力加摩擦力。已知最大進為 560N，則 Fmax=560+66=626N平均載荷 Fm = N （4.1）4396232minax?????因為 CK6163×3000 絲杠 nmax = 600r/minCK6180×5000 絲杠 nmax = 500r/min拖板的最低速度為 1mm/min 故絲杠最低轉速可為 0CK6163×3000 絲杠的平均轉速為 300r/minCK6180×5000 絲杠的平均轉速為 250r/min類比法 CJK6032 絲杠的平均轉速 nm = 200r/min3、計算絲杠（1）額定載荷 Fc = KF·KH·K1·Fm = 1.2×1×1×439 = 495.6N （4.2）（2）求必需的額定動載荷Lh′= 15000h21Ca′= N （4.3）30126.4951067.251067.334 ??????chmFLn（3）選擇滾珠絲杠的型號和主要尺寸根據查參考文獻[11] 選取內循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副，C a′選取GL40×08-3-E2 型號滾珠絲杠，C a =9800N ，d m = 40mm，P = 8mm，D w = 4.763mm 材料為 CrWMn ，d = 39mm ，R C = 9800N/μm表 4.1 絲杠主要參數表主要尺寸 符號 計算公式 結果公稱直徑 dm 40 mm螺距 P 8 mm接觸角 β 45°鋼球直徑 Dw Dw≈0.6p 4.8 mm螺紋滾道曲率半徑 rs,rm rs(rm)≈ （0.51 ～0.56）D w 2.5 mm偏心距 e e=(rs- Dw /2)sinβ 或 e=0.707(rs- Dw /2)0.0707 mm螺 紋 滾 道螺紋升腳 λ λ=arctan(p/π dm) 3°39’螺桿大徑 d d= dm -(0.2～0.25) D w 39 mm螺桿小徑 d1 d1= dm +2e-2rs 35 mm螺桿接觸點直徑 dK dK = dm - Dw cosβ 37.5 mm螺 桿螺桿牙頂圓角半徑 ra ra=(0.1～0.15) Dw 0.5 mm螺母螺紋大徑 D D= dm -2e+2rM 45 mm螺母螺母螺紋小徑 D1 D1= dm +0.5(dm -d) 40.5 mm（4）穩(wěn)定性驗算 D1因螺桿較長，應驗算螺桿的穩(wěn)定性，臨界載荷為（4.4）??21lEIFacr???E — 螺桿材料的彈性模量 E = 2.06×105N/mm2Ia — 螺桿危險截面的軸慣性矩mm （4.5）5441 108.69.3?????dIaμ — 長度系數 按一端固定一端鉸支 μ = 0.722l1 — 絲杠螺紋全長 l1 = lu+2le = 750+2×24 =798 mmN （4.6）52552 103.)798.0(1.6?????crF故 ＞2.5～4 合格。 3910.55??mcrF（5）剛度驗算按最不利情況考慮，即在螺距（應為導程）內受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：（4.7）214126EdFPGpTs????式中： （4.8）01tan()mv?= 43924680)?????= 442N·mm式中磨擦系數 f 按 0.0025 計，當量摩擦角 ρv = 8′40″剪切彈性模量 G = 8.33×104 N/mm2則 24521643968.305.92.01.s???????=0.06122μm每米螺桿長度上的螺距的彈性變形μm/m 15)(/2.106.3 ?????Pss m???（6）計算效率 （4.9tan()v????）= ta2.735n894?= 0.95 式中 （5.0）arctrta0.vf????234.2 橫向進給絲杠設計同縱向進給系統(tǒng)設計相類似，根據查參考文獻[11]選取內循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副，C a′選取 GL40×08-3-E2 型號滾珠絲杠 Ca =9800N ，d m = 40mm，P = 8mm，D w = 4.763mm，材料為 CrWMn ，d = 39mm，R C = 9800N/μm 4.3 步進電機的選擇4.3.1 步進電機的工作原理1、基本原理步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。2、分類感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG 為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG（國際標準），而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均為國內標準。圖 4.1 型號說明243、驅動控制系統(tǒng)組成使用控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：圖 4.2 驅動控制框圖（1）脈沖信號的產生 脈沖信號一般由單片機或 CPU 產生，一般脈沖信號的占空比為 0.3-0.4 左右，電機轉速越高，占空比則越大。（2）信號分配感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為 1.8 度；二相八拍為,步距角為 0.9 度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為 AB-BC-CD-DA-AB,步距角為 1.8 度；四相八拍為 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為 0.9 度）。（3）功率放大功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。SH 系列二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下：25圖 4.3 接線圖現在步進電機的驅動都已模塊話，這里僅大致介紹。4.3.2 步進電機的選取進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機）、0.9 度/1.8 度（二、四相電機）、1.5 度/3 度 （三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 2-3 倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：26圖 4.4 步進電機選擇步驟框圖4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60 （4.1）其 P 為功率單位為瓦，Ω 為每秒角速度，單位為弧度，n 為每分鐘轉速，M 為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作） （4.2）其中 f 為每秒脈沖數（簡稱 PPS)5、步進電機選取對于本次設計，縱向與橫向進給步進電機根據同型號機床縱向保持靜轉矩為8N·m,橫向保持靜轉矩為 12N·m,采用類比法選擇：圖 4.5 步進電機參數由圖 4.5 選取 110BYG5200B 型步進電機。其外形及基本參數如圖 4.6：27圖 4.6 步進電機簡圖4.4 本章小結本章通過對進給系統(tǒng)的設計，主要是對進給絲杠的設計校核，選取 GL40×08-3-E2 型號滾珠絲杠，C a =9800N，d m = 40mm，P = 8mm，D w = 4.763mm，材料為CrWMn ，d = 39mm，R C = 9800N/μm。并對步進電機原理進行了解和選取，完成了機床機械部分的設計和校核。28第 5 章 經濟技術分析隨著技術的進步，數控車床正在迅速普及和發(fā)展，并已形成了一個縱深而廣闊的市場。數控車床是具有高技術附加值的高技術產品，其市場占有能力遠遠高于傳統(tǒng)的普通車床。因此企業(yè)可以通過產品的規(guī)?；鴶U大市場占有率，從中獲得巨大的技術經濟效益。市場競爭規(guī)律要求產品不僅應具有高性能，而且要有低價格，從而給數控車床的設計提出了越來越高的要求，此外，種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，也給數控車床的設計提供了眾多的可選方案，使設計工作具有很大的靈活性，如何充分利用這些條件，設計出滿足市場需求的數控產品. 提高技術經濟價值可以從以下四個方面著手：1、進一步改善和簡化設計，減少零件數目，提高標準化、通用化程度；2、采用廉價材料；3、改善毛坯、零件加工、裝配等工藝性，合理選擇精度、公差和配合以及其他技術條件；4、改善生產、經營管理制度。技術和經濟在人類進行物質生產，交換活動中始終并存，是不可分割的兩個方面。兩者相互促進又相互制約。技術具有強烈的應用性和明顯的經濟目的性，沒有應用價值和經濟效益的技術是沒有生命力的。而經濟的發(fā)展必須依賴于一定的技術手段，世界上不存在沒有技術基礎的經濟發(fā)展。技術與經濟的這種特性使得它們之間有著密切而不可分割的聯(lián)系，所以有必要對設計方案進行經濟技術分析。對工程技術進行經濟性評價，其核心內容是經濟效果的評價。為了確保經濟決策的正確性和科學性，研究經濟效果評價的指標和方法是十分必要的。經濟效果評價的指標和方法是多種多樣的，它們從不同程度反映工程技術方案的經濟性，這些指標主要可以分為三大類：第一類是以時間作為計量單位的時間型指標，如投資回收期，貸款償還期等；第二類是以貨幣單位計量的價值型指標，如凈現值，費用現值等；第三類是反映資源利用效率型指標，如投資利潤率，內部收益率等。本篇設計的 CJK6032 型數控車床機身凈重 450kg，本機床的 3/4 為鑄鐵，1/4 為普通鋼材。29成本核算：表 5.1 原材料成本序號 名稱 單價 每臺所用量 每臺成本1 40Cr 3500（元/噸） 1（kg） 3.5（元）2 普通碳素結構鋼 3200（元/噸） 112.5（kg） 360（元）3 鑄鐵 2500（元/噸） 337.5（kg） 843.75（元）4 鐵皮 5（元/平方米） 3（平方米） 15（元）5 不銹鋼 14000（元/噸） 80（kg） 1120（元）綜述上表原材料總成本大約為 P1=2342.25 元表 5.2 外構件成本序號 名稱 單價 每臺所用量 每臺成本1 電機 1500（元/臺） 3（臺） 4500（元）2 絲杠 1500（元/根） 2（根） 3000（元）3 V 帶 10（元/根） 2（根） 20（元）4 軸承 15（元/個） 30（個） 450（元）5 液晶顯示 3000（元/臺） 1（臺） 3000（元）6 單片機 3000（元/臺） 1（臺） 3000（元）7 變頻器 1500（元/臺） 1（臺） 1500（元）8 脈沖發(fā)生器 1500（元/臺）