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長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文
第一章 數(shù)控機床概述
1.1 數(shù)控機床簡介
1.1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及其重要性
隨著科學技術的飛躍發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈，產(chǎn)品更新越來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費品生產(chǎn)的高速增長，復雜形狀的零件越來越多，精度要求也越來越高。此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設備和制造方法已難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件高效和高質(zhì)量的加工要求。
數(shù)字控制機床，就是為了解決單件、小批量，特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質(zhì)量要求而生產(chǎn)的。1947年，美國Parsons公司為了精確制造直升機翼、槳葉和直升機框架，開始探討用三坐標曲線數(shù)據(jù)來控制機床的運動，并進行實驗，加工飛機零件。1949年，為了能在短時間內(nèi)制造出經(jīng)常變更設計的零件，美國空軍（U。S。AirForce）與Parsons公司簽定了制造第一臺數(shù)控機床的合同。1951年，美國麻省理工學院MIT（Massachusetts Instiute of Technology）承擔了這一項目。1952年，MIT伺服機構(gòu)研究所用實驗室制造的控制裝置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式銑床成功地實現(xiàn)了三軸聯(lián)動數(shù)控運動，可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術的序幕。隨著不斷的改進與完善，1955年，NC（數(shù)控）機床開始用于工業(yè)加工。
數(shù)控機床是綜合應用了微電子、計算機、自動檢測以及精密機械等技術的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床，它標志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。從第一臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在40多年中，數(shù)控技術的發(fā)展非常迅速，使制造技術發(fā)生了根本性的變化，幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化。數(shù)控機床的應用領域也從航空工業(yè)部門逐步擴大到汽車、造船、機床、建筑等民用機械制造行業(yè)。此外，數(shù)控技術也會在繪圖儀、坐標測量儀、激光加工與線切割機等機械設備中得到廣泛的應用。努力發(fā)展數(shù)控加工技術，并向更高層次的自動化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化制造方向推進，是當前機械制造業(yè)發(fā)展的方向。
從20世紀50年代末期，我國就開始研究數(shù)控技術，開發(fā)數(shù)控產(chǎn)品。1958年，清華大學和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數(shù)控銑床。經(jīng)過多年的不斷努力，數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展：國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)基本上掌握了關鍵技術，可靠性已有很大提高；新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際20世紀80年代中期水平，部分達到國際20世紀90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床；技術上也取得很大突破，如高速主軸制造技術、快速進給、快速換刀、柔性制造等技術，為國產(chǎn)數(shù)控機床的下一步發(fā)展奠定了基礎。雖然在數(shù)控技術領域中，我國和先進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在迅速縮小。
數(shù)控技術是機械加工現(xiàn)代化的重要基礎與關鍵技術。應用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實現(xiàn)對各種復雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實行計算機管理，還使車間設備總數(shù)減少，節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益。數(shù)控加工技術的應用，使機械加工的大量前期準備工作與機械加工過程聯(lián)為一體，使零件的計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）的一體化成為現(xiàn)實，使機械加工的柔性化自動化水平不斷提高。
數(shù)控加工技術也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術。美國與西方各國在高檔數(shù)控機床與技工技術方面，一直通過巴黎統(tǒng)籌委員會對我國進行封鎖限制，應為許多先進武器裝備的制造，如飛機、導彈、坦克等的關鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機床的加工。如著名的“東芝事件”，即是由于前蘇聯(lián)利用從日本獲得的大型五坐標數(shù)控銑床，用其制造出具有復雜曲面的潛艇的噪聲大為降低，西方的反潛艇設備頓時失效，對西方構(gòu)成了重大威脅。我國的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引入了一些五坐標機床等高檔數(shù)控設備，但其使用受到國外的監(jiān)控和限制，不準用語軍事用途的零件加工。特別是1999年美國的考克斯報告，其中一項主要內(nèi)容就是指責我國將從美國購買的二手數(shù)控機床用于軍事工業(yè)，這一切均說明數(shù)控加工技術在國防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。
1.1.2 數(shù)控機床應用范圍及特點
目前的數(shù)控加工主要應用于以下兩方面：
一方面的應用是常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等。其目的在于：提高加工效率，避免認為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以柔性加工方式取代高成本的工裝設備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應市場需求。這類零件：一般形狀較簡單，實現(xiàn)上述目的的關鍵一方面在于提高機床的柔性自動化程度、高速精加工能力、加工過程的可靠性與設備的操作性能，另一方面在于合理的生產(chǎn)組織、計劃調(diào)度和工藝過程安排。
另一方面的應用是復雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等。該類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床品的質(zhì)量。這類零件型面復雜，常規(guī)加工方法難以實現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技術的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術的主要研究及應用對象。由于零件型面復雜，在加工技術方面，除要求數(shù)控機床具有較強的運動控制能力（如多軸聯(lián)動）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，并從加工過程整體上提高生產(chǎn)效率。
數(shù)控機床在機械制造領域中得到日益廣泛的應用，是因為它具有如下特點：高柔性、生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、自動化程度高、能完成復雜型面的加工、有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
1.2. 數(shù)控機床的工作原理與組成
1.2.1 數(shù)控機床的工作原理
數(shù)控機床是數(shù)字信息進行控制的機床。即凡是用代碼化和數(shù)字信息將刀具移動軌跡信息記錄在程序介質(zhì)上，然后送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯碼和運算，控制機床刀具與工件的相對運動，加工出所需工件的一類機床即為數(shù)控機床。數(shù)控加工基本過程見圖1所示：
圖1、 計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)框圖
數(shù)控機床加工零件時，首先編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置機床主運動的變速、啟停，進給運動的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換，工件夾緊、松開和冷卻、潤滑的啟、停等動作，使刀具與其他輔助裝置嚴格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度等符合要求的零件。
1.2.2 數(shù)控機床的組成
數(shù)控機床的種類繁多，但從組成一臺完整的數(shù)控機床來講，它由信息輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體以及復雜裝置組成。
1.3. 數(shù)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
近十幾年來，數(shù)控機床借助于微電子、計算機技術的飛速進步著高精度、多功能、高速化、高效率、，正向復合加工功能、智能化等方向邁進，明顯地反映出時代的特征，其主要表現(xiàn)為以下幾方面。
1.3.1 精度化
當代工業(yè)產(chǎn)品對精度提出了越來越高的要求，像儀表、鐘表、家用電器等都有相當高精度的零件，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、磁頭、反射鼓等，這些零件的尺寸精度要求均在微米、亞微米級。因此，加工這些零件的機床也必須受到需求的牽引而向高精度發(fā)展。
1.3.2 高速度化
提高生產(chǎn)率是機床技術發(fā)展追求的基本目標之一，而實現(xiàn)這個目標的最主要、最直接的方法就是提高切學速度和減少輔助時間。隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控系統(tǒng)等相關技術的突破及機床本身基礎技術的進步，使各種運動速度大為提高。
1.3.3 高柔性化
柔性是指機床適應加工對象變化的能力，當代產(chǎn)品的多樣化和個性化，對機床提供了更高的柔性加工要求。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，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。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標動力單元等具有柔性的高效率加工設備，柔性加工單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。
1.3.4 高自動化
高自動化是指在全部加工過程中盡量減少“人”的介入而自動完成規(guī)定的任務，它包括物料流和信息流的自動化。自20世紀80年代中期以來，以數(shù)控機床為主體的加工自動化已從“點”的自動化（單臺數(shù)控機床）發(fā)展到“線”的自動化（柔性制造車間），結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動化，逐步形成整個工廠“體”的自動化，并出現(xiàn)了FA（自動化工廠）和CIM（計算機集成制造）工廠的雛形實體。盡管由于這種高自動化的技術還不夠完備。投資過大，回收期較長，而提出“有人介入”的自動化觀點，但數(shù)控機床的高自動化并向FMC，F(xiàn)MS集成方向發(fā)展的總趨勢仍然是機械制造業(yè)發(fā)展的主流。數(shù)控機床的自動化除進一步提高其自動編程、上下料、加工等自動化程度外，還在自動檢索、監(jiān)控、診斷、自動對刀、自動傳輸?shù)确较蜻M一步發(fā)展。
1.3.5 復合化
復合化包含了工序復合化和功能復合化。在一臺數(shù)控設備上能完成多工序切削加工（如車、銑、鏜、鉆等）的加工中心，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的規(guī)程。一臺具有自動換刀裝置、自動交換工作臺和自動轉(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、攻絲和檢驗等工序，而且還可以完成箱體件五個面粗、精加工的全部工序。此外，還出現(xiàn)了與車削或磨削復合的加工中心。
1.3.6 智能化
數(shù)控技術的一個重要發(fā)展趨勢是加工過程的智能化。帶有自適應控制功能的控制系統(tǒng)，可以在加工過程中根據(jù)切削力和切削溫度等加工參數(shù)，自動優(yōu)化加工過程，從而達到提高生產(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)。以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐的、具有人工智能的專家系統(tǒng)被用于指導加工。
1.3.7 網(wǎng)絡化
為適應制造業(yè)的網(wǎng)絡化和全球化發(fā)展趨勢，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能也日趨重要。在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡功能的數(shù)控系統(tǒng)可以充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源和信息共享，適應未來車間的面向任務的定單的生產(chǎn)發(fā)展模式，使得底蹭生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更加簡便有效。在生產(chǎn)企業(yè)之間，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能可以更好地適應敏捷制造（AM）等先進制造模式。同時，系統(tǒng)制造商也可以通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能進行遠程診斷服務。
1.3.8 高可靠性
數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關鍵性指標，數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關鍵取決于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指標是平均無故障工作時間（MTBF），數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由20世紀80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而數(shù)控整機的MTBF也從20世紀80年代的100~200h，提高到現(xiàn)在的500~800h。
除上述發(fā)展趨勢外，近年來還出現(xiàn)了全新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，最早在美國IMTSˊ94機床博覽會上，出現(xiàn)了被稱為“六條腿”的機床。這種新型結(jié)構(gòu)機床的六條腿能自由伸縮，沒有導軌和拖板，也稱為虛軸機床（Virtual Axis Machine）。其精度相當于測量機，比傳統(tǒng)機械加工中心高2~10倍；剛度為傳統(tǒng)機械加工的5倍；對零件輪廓的加工效率是傳統(tǒng)加工中心的5~10倍。這種機床結(jié)構(gòu)設想是德國STEWART1962年提出的，稱之為數(shù)學造型機床，今天借助計算機技術的進步得以實現(xiàn)。
1.4. 我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展
20世紀80年代以來，國家對數(shù)控機床的發(fā)展十分重視，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進技術，“八五”期間科技攻關開發(fā)自主版權數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎，并取得了長足的進步?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有了較大幅度的提高，形成了十幾個普及型數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化基地和開發(fā)中心，數(shù)控機床的年銷量從“八五”末期底000多臺發(fā)展到2000年的14萬多臺，機床的產(chǎn)值數(shù)控化率從“八五”的12%增長到2000年的近30%，一些重點企業(yè)已達到70%以上，使高檔數(shù)控機床的進口幅度減少，突破了西方在關鍵設備方面對我國的進口限制，國產(chǎn)數(shù)控機床“八五”期間的市場占有率只有23%，到2000年已達到50%。數(shù)控機床新開發(fā)品種300個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際20世紀80年代中期水平，部分達到90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床。在技術上也取得了突破，如高速主軸制造技術（12000r/min~1800r/min）、快速進給（60m/min）、快速換刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技術等為下一步國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展奠定了基礎。當前，我國數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過度的關鍵時期，也是由封閉型數(shù)控系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。從生產(chǎn)規(guī)模上看，已有像航天數(shù)控集團、華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司、北京機床研究所等可實現(xiàn)批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化基地。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術上（包括核心技術），已達到國外先進水平，以開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的基于PC機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)控機床的可靠性指標有大幅度提高。我國數(shù)控機床的可靠性指標（MTBF）一直是其市場信譽及市場競爭力的主要問題。“九五”時期，我國加工中心的MTBF已達到400h，數(shù)控車床從平均200h提高到平均450h；數(shù)控系統(tǒng)從5000h提高到10000h以上，最高達到20000h。
曾長期捆擾我國，并受到西方國家封鎖的多坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控技術已漸成熟，并進入生產(chǎn)應用階段。“九五”期間，我國生產(chǎn)的五軸聯(lián)動及五面加工機床已有多個品種，并在軍工、航天、船舶等領域里應用，有效地打破了國外對我國進口此類設備的限制。
1.5. 本文所做的工作
1.5.1 完成數(shù)控多工位鉆床的資料收集與國、內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查比較，提出較為可行的方案;
1.5.2 完成機床的機械結(jié)構(gòu)設計計算與電氣控制系統(tǒng)設計，初步完成控制系統(tǒng)的軟硬件設計；提交論文及機械系統(tǒng)的裝配與關鍵零部件的相應圖紙及數(shù)控系統(tǒng)的硬件圖，同時提交電子文檔;
1.5.3 編寫設計計算說明書。
第二章 機械結(jié)構(gòu)選擇
經(jīng)過畢業(yè)設計給出的題目要求和數(shù)據(jù):要設計加工工件的最大直徑為Φ10mm，且其工作行程為300×300×70的數(shù)孔多工位鉆床。根據(jù)這一特點表明要設計的機床是一臺中小型的數(shù)控鉆床，而且是用于一般的機加工中。所以設計這樣的機床考慮其經(jīng)濟性、合理性應該是最為重要的和成為設計的主導思想！
查相關數(shù)控機床資料和數(shù)控機床的市場調(diào)查，選擇確定合理的機床結(jié)構(gòu)很重要。傳統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)包括立式、臥式兩大類。立式機床的主軸定位多數(shù)是相同的，它的優(yōu)點在于：機床小巧、占地空間小、經(jīng)濟實惠。適合于工作單一加工工件較小及加工尺寸小的場合。而臥式數(shù)控機床的主軸結(jié)構(gòu)及主軸箱布局可為單面懸掛主軸箱和主軸箱位于立柱對面內(nèi)。后者的優(yōu)點在于：主軸箱的自重不會使立柱產(chǎn)生彎曲變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小。這樣就相當于提高了機床的剛度。故要是采用對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設計成為臥式結(jié)構(gòu)的話就應該選用主軸箱位于立柱內(nèi)的布局形式。然而一般的臥式數(shù)控機床的加工尺寸都很大，對于我們要設計的機床加工零件的尺寸是很小的：僅為最大加工為Φ10mm的孔。從經(jīng)濟的角度上來說：我們設計的機床采用立式的結(jié)構(gòu)更為節(jié)省空間，節(jié)省材料。同時機床看上去更為小巧，然而完全可以達到要求加工范圍的要求。包括此類機床的其它特點都很滿足我們要設計機床的要求。
所以，我們通過對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的了解和認識我們認為：對于我們即將設計的機床，采用立式的結(jié)構(gòu)是完全可行的。方案的確定結(jié)果是：數(shù)控多工位立式鉆床。
第三章 機械傳動部件設計
由于電機工作時，其負載阻力有切削力、摩察阻力、慣性力，只有克服這些阻力，才能正常啟動及運行。因此要對進給系統(tǒng)進行必要的設計及計算。
3.1. 切削力的計算
3.1.1、 要求加工的最大孔為d0=10mm,刀具為高速鋼麻花鉆（以磨損）。工件材料為45井鋼（бb=0.638GPa）；灰鑄鐵190HBS。加工精度為：IT8∽IT10級以下孔初加工。
3.1.2、 確定切削力和扭矩：
3.1.2.1、 計算：
（1）、當工件材料為 45井鋼時，根據(jù)以知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-38高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭初加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可選取進給量的兩極限值f=0.08mm/r∽0.30mm/r,對應的它們的切削速度為V=0.99m/s∽0.43m/s,則由得
鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速
由《金屬切削刀具》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知：
（1）
（2）
（3）
其中對于鋼бb=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7
CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm= =0.98938
則最小進給量f=0.08mm/r
F1=9.81×61.2×10×0.080.7×0.98938×1=1013.79N
T1=9.81×0.0311×102×0.080.8×0.98938×1=4.0Nm
PM1=2×3.14×4.0×31.53×10-3=0.79Kw
最大進給量f=0.30mm/r
F2=9.81×61.2×10×0.300.7×0.98938×1=2557.22N
T2=9.81×0.0311×102×0.300.8×0.98938×1
=11.52Nm
PM2=2×3.14×11.52×13.69×10-3=0.99Kw
（2） 當工件材料為 灰鑄鐵HB190時，根據(jù)以知條件查《機械加工工藝手冊》表2.4-41高速鋼鉆頭鉆孔時的進給量知：10mm鉆頭初加工的進給量為0.22∽0.28。由表2.4-41高速鋼鉆頭切削時切削速度、扭矩及軸向力可迭取進給量的兩極限值f=0.12mm/r∽0.70mm/r，對應的它們的切削速度為V=0.79m/s∽0.33m/s,則由得 鉆頭或工件的轉(zhuǎn)速
由《金屬切削刀具》計算鉆頭軸向力F和扭矩T的經(jīng)驗公式及表3-1麻花鉆軸向力和扭矩表達式中的系數(shù)、指數(shù)及修正系數(shù)可知：
（1）
（2）
（3）
其中對于灰鑄鐵 CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
對于已磨損鉆頭KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1
則最小進給量f=0.12mm/r
F3=9.81×42.7×10×0.120.8×1×1=768.14N
T3=9.81×0.021×102×0.120.8×1×1=3.78Nm
PM3=2×3.14×3.78×25.16×10-3=0.597Kw
最大進給量f=0.70mm/r
F4=9.81×42.7×10×0.700.8×1×1=3149.02N
T4=9.81×0.021×102×0.700.8×1×1=15.49Nm
PM4=2×3.14×10.51×15.49×10-3=1.02Kw
由此可得鉆頭的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=15.49Nm
最大轉(zhuǎn)矩Fmax=3149.02N
最大切削功率PMmax=1.02Kw
則鉆頭主軸所需要的功率為：P1= PMmax/η總
其中η總=η花鍵軸η軸承
深溝球軸承η=0.99 （取3個）
角接觸推力軸承η=0.98 （取2個）
花鍵軸η=0.97∽0.98
由《金屬切削機床》查得：
η總=η花鍵軸η軸承=0.97×0.993×0.982=0.904
則P1=1.02/0.904=1.03Kw
對于主軸電機的選擇，查《機械產(chǎn)品目錄》，對于中小功率的電機，一般額定轉(zhuǎn)矩只有2.1-4，而主軸所需要的最大扭矩為15.49Nm，故必須采用齒輪組進行減速以提供大的轉(zhuǎn)矩達到符合相應電機的額定轉(zhuǎn)矩。
在數(shù)控機床多工位鉆床的設計過程中，要求數(shù)控機床能夠進行多級變速。在這種情況下，我們正好可以采用一個變速器來解決。無級變速器就是能使主軸達到相應轉(zhuǎn)矩和使主軸傳遞的轉(zhuǎn)矩符合要求。
同時，根據(jù)主軸特點設計鉆床主軸的特點是主軸在軸向方向上有移動，就是說上端的花鍵軸外面必須套有內(nèi)花鍵的齒輪或其它才能將電動機的運動傳遞給主軸，使主軸轉(zhuǎn)動。在本次設計中我們就選用花鍵的齒輪作為傳動件，把電機的轉(zhuǎn)動傳給主軸，則從主軸來的傳動方式為：
主軸（花鍵軸）——內(nèi)花鍵齒輪——嚙合齒輪（一組或多組）——聯(lián)軸器——無級變速器——主軸電動機
3.2. 主軸齒輪傳動方案確定：
3.2．1、 設定齒輪傳動方案
3.2．1．1、 如圖2所示：
軸Ⅰ為機床主軸，設計為齒輪花鍵軸。由前面知齒輪花鍵軸的功率為P1
圖2、 主軸傳動示意圖
即軸Ⅰ PⅠ= P1=1.13Kw
軸Ⅱ PⅡ= PⅠ/η齒輪=1.13/0.97=1.16Kw
（取η齒輪=0.97，精度等級為8級）
則主軸電機輸出功率P2
P2= PⅠ/η聯(lián)軸器=1.16/0.99=1.18Kw
根據(jù)《機械產(chǎn)品目錄》選擇電機可用YCP802-2，1.1Kw額定功率和YCP90S-2，1.5Kw額定功率最為接近功率要求。而前者略小于最大輸出功率，而加一個無級變速器相對于電機來說其傳遞功率也不會消耗太多，粗略估算則選用后者YCP90S-2，額定功率為1.5Kw，額定電壓為380V，額定電流為3.4A，轉(zhuǎn)速為2840r/min，最大額定轉(zhuǎn)矩為2.3Nm。
選擇了電動機就可根據(jù)所選擇電動機確定相應的無級變速器。根據(jù)電動機功率和轉(zhuǎn)矩及主軸所必須達到的最小轉(zhuǎn)矩，可確定變速器，查《機械設計手冊》第四卷可選擇的無級變速器為：HZXD1500L。
根據(jù)無級變速器的相關數(shù)據(jù)和主軸所需要的相關數(shù)據(jù)，無級變速器提供的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)可以達到主軸要求的轉(zhuǎn)矩，同時轉(zhuǎn)速也能達到要求。故在接下來設計的齒輪組中，主要達到的目的為將電動機的轉(zhuǎn)動傳遞給主軸使主軸完成轉(zhuǎn)動，并不影響軸向的進給運動。
對于齒輪組的設計就是要完成傳動。為了設計需要，可以僅設計一組齒輪即可。又因為轉(zhuǎn)矩完全達到要求，轉(zhuǎn)矩要求的差又不是太大，從對主軸箱結(jié)構(gòu)設計入手（對主軸箱的總體布局和結(jié)構(gòu)合理、比例合適），可將這對齒輪設計成一組惰輪，即不改變變速器傳遞出來的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，僅將轉(zhuǎn)動傳給主軸，達到了設計要求和目的。
3.2．2、 設計齒輪
在齒輪設計中，取轉(zhuǎn)矩最大時設計用到最大轉(zhuǎn)矩15.49,切削速度nI=631r/min。
首先小齒輪（主動齒輪）用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB∽286HB，平均取為260HB，大齒輪（從動齒輪）用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB∽286HB，平均取為240HB。計算如下：
關于主軸傳動中的第一組齒輪齒面接觸疲勞強度計算
（1）初步計算：
轉(zhuǎn)矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm
齒寬系數(shù):φd 由表12.13（該節(jié)中所指的表均指《機械設計》一書中的表） 取φd＝1.0
接觸疲勞極限：σHlim 由圖12.17c可取
σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa
初步計算的許用接觸硬力:
[σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa
Ad值由表12.16，取Ad＝85
初步計算的小齒輪直徑：
d1≥=29.14
(其中u=I=1, T=5490Nmm)
取d1＝90mm
初取齒寬：b=φbd1=1×90=90mm
（2）校核計算：
圓周速度:
精度等級：由表12.6選8級精度
齒數(shù)Z和模數(shù)m:取齒數(shù)Z1=60,Z2=iZ1=1×60=60
模數(shù)由表12.3取m=1.5
則 Z2= iZ1=60
使用系數(shù)KA:由表12.9取KA＝1.5
動載系數(shù)K V:由表12.9取KV＝1.1
齒間載荷分配系數(shù)KHα:由表12.10先求：
端面重合度： （式12.6）
重合度系數(shù):Zε==0.74 (式12.10)
由此得：
齒間載荷分布系數(shù)KHβ: 由表12.11（非對稱支撐）
載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82
彈性系數(shù)ZE由表12.12取ZE＝189.8
節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH:由圖12.16可取ZH＝2.5
接觸最小安全系數(shù)SHmin:由表12.14取SHmin＝1.05
總工作時間：th=10×300×8×20%=4800h
應力循環(huán)次數(shù)NL:由表12.15估計：107
Tmax=15.49Nm
則花鍵軸能夠達到所需傳遞的轉(zhuǎn)矩。
對于花鍵軸傳遞轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的摩擦力為F花：取μ=0.1
F花=μf=5338×0.1=533.8N
而
則軸所受軸向力：
F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N
則軸向方向齒條受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1）
3.3.2.3、 軸向進給設計：
在主軸外設計一套筒：設長為80mm的齒條由齒輪帶動。先設計用一級減速接步進電機使主軸進給。如圖4所示：
圖4、主軸進給圖示
由《機電一體化課程設計指導書》：
I=α×t0/3600×δ
其中α—步距角（deg） δ—脈沖當量（鉆床取0.02mm）
t0—齒距（t0=Лm）
根據(jù)《機電一體化課程設計指導書》選步進電機 取α=0.1 m=1.25
取α=0.75時
取I=3.2（α=0.1時）可?。?
Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm α=200
df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83
齒輪設計成直齒圓柱齒輪，齒輪材料為45鋼，則大小齒輪轉(zhuǎn)動慣量分別為：
根據(jù)《機電一體化課程設計指導書》表1，預選步進電機為200BF001，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
等效負載轉(zhuǎn)矩Tm的計算：取V=2m/min
Tm=（F軸+F摩）V主軸進給/2Πnm
3.3.2.4、 起動慣量矩的計算：
以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速度或制動減速度的時間
△t=0.3s，由于步進電機的角速度
則： T慣=
則J∑=Tm+T慣=1.04+5.038=6.08Nm
3.3.2.5、 步進電機的匹配選擇：
如考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為n，安全數(shù)值為K，則此時負載總轉(zhuǎn)矩為：
由預選的步進電機型號200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tymax=14.7Nm，為保證正常的起動和停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣˊ，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951，
則Tg=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm
故選擇合適。
3.4. 縱向進給運動的分析及計算
3.4.1、 縱向進給負載分析及計算
3.4.1.1、 摩擦阻力：
摩擦阻力應等于正壓力乘以摩擦系數(shù)。正壓力應包括軸向力F=1175N及工作臺加縱向軌道之重力，設工作臺重量為400Kg，縱向軌道重量為400Kg.
=[（400+400）×10＋1175]×0.1=917.5N
3.4.1.2、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算:
根據(jù)要求粗選：α=0.75 to=5
δ=0.005
∴
∴可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×25=37.5mm df2=mZ2=1.5×52=78mm
de1＝40.5mm de2=81mm
將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為:
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×3.754×2.5×10-4=3.86×10-5Kgm2
JZ2=7.8×8.104×2.5×10-4=8.40×10-4Kgm2
滾珠絲桿直徑選擇為d 0=25mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為：
JS=7.8×2.54×70×10-4=2.13×10-4Kgm2
由《機電一體化課程設計指示書》表1，預選步進電機為110BF004，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為
Jm=3.43×10-4Kgm2
折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：
3.4.1.3、 絲杠摩擦阻力矩的計算：
由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。
3.4.1.4、 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算：
Tm=(F縱+F摩) V工作/2πnm
由
3.4.1.5、 起動慣性阻力矩的計算：
以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間
Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度
∴角加速度
T慣＝J∑×εm=6.26×10-4×174.44=0.11Nm
3.4.1.6、 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算：
J∑=Tm +T慣=0.35+0.11=0.46Nm
4.2、 縱向進給步進電機加工匹配選擇
考慮機械傳動系統(tǒng)的效率η為,安全系數(shù)為K,則比時的負載總，轉(zhuǎn)矩應考慮為
由預選的步進電機型號為110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=4.9Nm為保證正常的起動與停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866
∴Tg=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故選擇合適。
確定選用110BF004步進電機。
3.4.3、 縱向進給滾珠絲杠的校核
初選絲杠型號為CMD2504-3，因此必須進行以下幾個項目的校核
3.4.3.1、 承載能力的校核：
Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（）
Pmax=F縱+F摩＝0+917.5＝917.5N
fH=1 fW=1.2 T=15000
Ｑ＝
選絲桿CMD2504－3
查表得絲桿額定載荷為ＣO=8.2KN>Q 滿足要求。
3.4.3.2、 壓桿穩(wěn)定性驗算：
取雙推—簡支式支承，由FK=2
E-鋼的彈性模量2.1×10 5（Mpa）
I-絲杠小徑的截面慣性矩（）
查手冊可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =21.9mm
取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=4
絲杠長度L=LS=700mm
故滿足要求。
3.4.3.3、 剛度驗算：
絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內(nèi)
絲杠最小截面積
設T0=0.5
I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.9×2.08=10.20Nm=1020Ncm
∴“＋”號用于拉伸，“一”號用于壓縮，都取“＋”號，則:
由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為C級，ΔL0=±4μm>0.681μm
所以滿足要求。
3.4.4、 縱向進給軸承的選擇
推力球軸承：51305
向心球軸承：6205
3.5. 橫向進給運動的分析及計算
3.5.1、 橫向進給負載分析及計算
3.5.1.1、 摩擦阻力：
當鉆床的工作臺與導軌間的相對運動為滑動摩擦，取摩擦系數(shù) 摩擦阻力應等于正壓力乘摩擦系數(shù)。正壓力應包括軸向力及工作臺之重力。工作臺的重量為400kg 。故可算出起摩擦阻力為：
F摩＝（400+1175）×0.1＝517.5N
3.5.1.2、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算：
根據(jù)要求粗選：α=0.36 to=5
δ=0.002
∴
∴初取 =20 , =50 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×20=30mm df2=mZ2=1.5×50=75mm
de1＝33mm de2=78mm
將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為：
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×3.34×2.5×10-4=2.31×10-5Kgm2
JZ2=7.8×7.84×2.5×10-4=7.22×10-4Kgm2
滾珠絲桿直徑選擇為d o=20mm, L=700mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為：
JS=7.8×24×70×10-4=0.87×10-3Kgm2
預選步進電機為90BF006,查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
Jm=1.764×10-4Kgm2
折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：
3.5.1.3、 絲杠摩擦阻力矩的計算：
由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。
3.5.1.4、 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算：
Tm=(F橫+F摩) V工作/2πnm
鉆床工作臺行程速度為2 m/min根據(jù)絲桿螺距算出絲桿速度。再根據(jù)齒輪減速比算出步進電機的轉(zhuǎn)速為由
3.5.1.5、 起動慣性阻力矩的計算：
以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度
∴角加速度
T慣＝J∑×εm=4.96×10-4×209.44=0.14Nm
3.5.1.6、 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算：
J∑=Tm +T慣=0.16+0.14=0.30 Nm
3.5.2、 橫向進給步進電機加工匹配選擇
如果考慮機械傳動系統(tǒng)的效率為η=0.7,安全系數(shù)為K=1.5,則此時的負載總轉(zhuǎn)矩應考慮為
由預選的步進電機型號為90BF006，五相十拍，步距角0.36%step ,
其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=2.156Nm。為保證正常的起動與停止，步進電機的
起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.951
∴Tg=2.156×0.951=2.05Nm>0.49Nm。所以選擇合適。
確定選用90BF006步進電機。
3.5.3、 橫向進給滾珠絲杠的校核
初選絲杠型號為CMD2005-3，因此必須進行以下幾個項目的校核
3.5.3.1、 承載能力的校核：
Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（）
Pmax=F橫+F摩＝0+517.5＝517.5N
fH=1 fW=2 T=15000
Ｑ＝
選絲桿CMD2005－3
查表得絲桿額定載荷為ＣO=9KN>Q 滿足要求
3.5.3.2、 壓桿穩(wěn)定性驗算：
取雙推—簡支式支承，由FK=2
E-鋼的彈性模量2.1×10 5（Mpa）
I-絲杠小徑的截面慣性矩（）
查手冊可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =1.69mm
取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=2.5
絲杠長度L=LS=700mm
故滿足要求。
3.5.3.3、 剛度驗算：
絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內(nèi)
絲杠最小截面積
設T0=0.5
I=0.80cm4 M= Tmaxi=0.882×2.5=2.21Nm=221Ncm
∴“＋”號用于拉伸，“一”號用于壓縮，都取“＋”號，則
由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為C級，ΔL0=±4μm>0.602μm
所以滿足要求。
3.5.4、橫向進給軸承的選擇
推力球軸承：51304
向心球軸承：6204
3.6. Z向進給運動的分析及計算
3.6.1、 Z向進給負載分析及計算
3.6.1.1、 摩擦阻力：
摩擦阻力應等于正壓力乘以摩擦系數(shù)。因主軸箱自重被平衡，對軌道無壓力，所以摩擦阻力為零。
3.6.1.2、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算:
根據(jù)要求粗選：α=0.75 to=5
δ=0.02
∴
∴可取 =46 , =24 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×46=69mm df2=mZ2=1.5×24=36mm
de1＝72mm de2=39mm
將齒輪看作近似的圓柱體，材料為鋼，則大、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為：
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×7.24×2.5×10-4=5.24×10-5Kgm2
JZ2=7.8×3.94×2.5×10-4=0.45×10-4Kgm2
滾珠絲桿直徑選擇為d 0=32mm, L=400mm,材料鋼，則絲桿的轉(zhuǎn)動慣量可近似的算出為：
JS=7.8×3.24×40×10-4=3.27×10-4Kgm2
由《機電一體化課程設計指示書》表1，預選步進電機為110BF003，查得電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為
Jm=4.61×10-4Kgm2
折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：
3.6.1.3、 絲杠摩擦阻力矩的計算：
由于用的是滾珠絲杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不計。
6.1.4、 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算：
Tm=(F軸+F摩) V工作/2πnm
Tm=(0+1175)×2/2π×208.33=1.80Nm
由
3.6.1.5、 起動慣性阻力矩的計算：
以最不利條件下的快速起動計算，設起動加速式制動減速的時間 Δt=0.5s(一般在0.1～1s之間)，由于步進電機的角速度
∴角加速度
T慣＝J∑×εm=2.59×10-3×43.62=0.11Nm
3.6.1.6、 步進電機輸出軸總的負載轉(zhuǎn)矩的計算：
J∑=Tm +T慣=1.80+0.11=1.91Nm
3.6.2、 Z向進給步進電機加工匹配選擇
考慮機械傳動系統(tǒng)的效率η為,安全系數(shù)為K,則比時的負載總，轉(zhuǎn)矩應考慮為TΣ'= (K/η)TΣ=(1.5/0.7)×1.91=4.09Nm
由預選的步進電機型號為110BF003，三相六拍，步距角0.75%step.其最大轉(zhuǎn)矩Tymax=7.84Nm為保證正常的起動與停止，步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tg必須大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866
∴Tg=7.84×0.866=6.79Nm>4.09Nm 故選擇合適。
確定選用110BF003步進電機。
3.6.3、 Z向進給滾珠絲杠的校核
初選絲杠型號為CMD3205-5，因此必須進行以下幾個項目的校核
3.6.3.1、 承載能力的校核：
Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滾珠絲杠壽命系數(shù)（）
Pmax=F向+F摩＝1175＋0＝1175N
fH=1 fW=2 T=15000
Ｑ＝
選絲桿CMD3205-5
查表得絲桿額定載荷為ＣO=19.2KN>Q 滿足要求。
取雙推—簡支式支承，由FK=2
E-鋼的彈性模量2.1×10 5（Mpa）
I-絲杠小徑的截面慣性矩（）
查手冊可知，所用絲杠的最小徑為：d1 =2.89mm
取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=4
絲杠長度L=LS=700mm
故滿足要求。
3.6.3.2、 剛度驗算：
絲杠的剛度是保證第一導程的變動量要在允許范圍內(nèi)
絲杠最小截面積
設T0=0.5
I=6.85cm4 M= Tmaxi=7.84×0.5208=4.083Nm=408.3Ncm
∴“＋”號用于拉伸，“一”號用于壓縮，都取“＋”號，則
由于選擇要求滾珠絲杠精度等級為C級，ΔL0=±4μm>0.438μm
所以滿足要求。
3.6.4、 Z向進給軸承的選擇
推力球軸承：51307
向心球軸承：6207
3.7. 齒輪強度校核
3.7.1、 齒面接觸疲勞強度計算
3.7.1.1、 初步計算：
轉(zhuǎn)矩:T1=0.35Nm=350Nmm
齒寬系數(shù):φd 由表12.13（該節(jié)中所指的表均指《機械設計》 主編一書中的表） 取
接觸疲勞極限：σHlim 由圖12.17c可取
σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa
初步計算的許用接觸硬力:
[σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa
Ad值由表12.16，取Ad＝85
初步計算的小齒輪直徑：
d1>85=9.94
取d1＝33mm
初取齒寬：b=φdd1=0.75×33=25mm
3.7.1.2、 校核計算：
圓周速度:V=2m/min
精度等級：由表12.6選8級精度
齒數(shù)Z和模數(shù)m:取齒數(shù)Z1=20,Z2=iZ1=50,
模數(shù) 由表12.3取m=1.5
則
使用系數(shù)KA:由表12.9取KA＝1.5
齒間載荷分配系數(shù)KHα:由表12.10先求：
端面重合度：
重合度系數(shù):Zε==0.88
由此得：
齒間載荷分布系數(shù)KHβ:由表12.11（對稱支撐）
載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.29×1.27=2.70
彈性系數(shù)ZE由表12.12取ZE＝189.8
節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH:由圖12.16可取ZH＝2.5
接觸最小安全系數(shù)SHmin:由表12.14取SHmin＝1.05
總工作時間：th=15000
應力循環(huán)次數(shù)NL:由表12.15估計：107
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