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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
Φ500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)
及液壓尾座設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
數(shù)控機(jī)床即數(shù)字程序控制機(jī)床，是一種自動(dòng)化機(jī)床，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床研究的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機(jī)床的加工范圍、動(dòng)態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。
本設(shè)計(jì)是對(duì)Φ500MM數(shù)控車床主要進(jìn)行尾座設(shè)計(jì)。液壓尾座設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是尾座體、套筒、頂尖、尾座孔系、尾座導(dǎo)軌，撓度、轉(zhuǎn)角、液壓缸內(nèi)徑及壓板處螺栓直徑、鎖緊力的計(jì)算及校核。其中選擇莫氏4號(hào)錐度的尾座頂尖，是利用莫氏錐度自身的結(jié)構(gòu)特性來(lái)卡緊尾座頂尖的，它解決了頂尖在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。在套筒中設(shè)計(jì)了滑鍵槽和頂尖頂出孔，解決了頂尖在工作時(shí)會(huì)隨套筒轉(zhuǎn)動(dòng)從而影響工件的加工精度；還在套筒中設(shè)計(jì)了頂卸的裝置，便于頂尖的拆卸。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床，數(shù)控，液壓尾座
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Abstract
NC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved.
The design of Φ500MM lathe numerical control transformation. Hydraulic tailstock design are the main contents of the tailstock body, sleeve, top, tailstock hole of tailstock guideways, deflection angle,,, inner diameter of the cylinder and the pressure plate, the diameter of the bolt locking force calculation and verification. The choice of Morse No. 4 taper of tailstock center, is the use of Morse taper their structural properties to clamp the tailstock top, which solves the problem of the top in the job will appear when loosening or rotation phenomenon. In the sleeve design of slide key groove and the top spire hole, resolved the top when working with the sleeve to rotate so as to influence the machining precision of the workpiece; still sleeve design top unloading device for removing, top.
Key words: CNC lathe, CNC, hydraulic tailstock
目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 15
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 15
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 15
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 15
1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨向 16
1.5 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 17
1. 6本章小結(jié) 18
第2章 總體方案的制定與比較 18
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求 18
2.2 總體方案擬定 20
2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 20
2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇 20
2.3.2機(jī)械部分設(shè)計(jì) 21
第3章 確定切削用量及選擇刀具 22
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 22
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 22
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 23
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) 23
3.3 確定切削用量 24
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 24
3.3.2確定進(jìn)給速度 24
3.3.3 確定背吃刀量 25
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) 25
4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 25
4.1.1動(dòng)力參數(shù)的確定 25
4.1.2主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定 26
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 27
4.2變速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28
4.2.1確定傳動(dòng)方案 28
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 29
4.2.3擬定傳動(dòng)變速系統(tǒng)圖 30
第5章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì) 30
5.1傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定 30
5.1.1．V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 31
5.2齒輪的的設(shè)計(jì)與校核 33
5.2.1各傳動(dòng)軸傳遞動(dòng)力計(jì)算 33
5.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設(shè)計(jì)與校核 35
5.2.3齒輪副()齒輪設(shè)計(jì)與校核 41
5.2.4齒輪副()各齒輪設(shè)計(jì)與校核 46
5.3傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與校核 52
5.3.1傳動(dòng)軸I的設(shè)計(jì)與校核 52
5.3.2.軸II的設(shè)計(jì)與校核 55
第4章 液壓尾座部分設(shè)計(jì) 58
4.1 液壓尾座研究背景和意義 58
4.2液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 59
4.3 尾座的整體設(shè)計(jì) 61
第5章 尾座結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì) 62
5.1尾座體的設(shè)計(jì) 62
5.2尾座主軸的設(shè)計(jì) 63
5.3尾座頂尖的設(shè)計(jì) 63
5.4螺塞缸的設(shè)計(jì) 64
5.5尾座導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 64
5.6尾座孔系設(shè)計(jì) 65
5.6.1主軸孔的設(shè)計(jì) 65
5.6.2孔和鍵的設(shè)計(jì) 65
5.6.3配合 66
5.6.4密封及偏心軸的設(shè)計(jì) 67
5.7撓度、轉(zhuǎn)角、鎖緊力的計(jì)算及校核 67
5.7.1撓度的計(jì)算 68
5.7.2轉(zhuǎn)角的計(jì)算 68
5.7.3壓板處螺栓的選擇及校核 68
第6章 數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì) 69
6.1硬件電路設(shè)計(jì) 70
6.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 70
6.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 70
6.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 71
6.3關(guān)于電路原理圖的一些說(shuō)明 72
總結(jié)與展望 75
參考文獻(xiàn) 76
致 謝 77
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密多品種及中小批零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動(dòng)化、柔性化方向的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。
機(jī)床的數(shù)控化設(shè)計(jì)一般是指對(duì)現(xiàn)有某臺(tái)車床的某些部位做一定的裝，配上經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)，從而使原機(jī)床具有數(shù)控加工能力。這種技術(shù)工作有其獨(dú)特的特點(diǎn)。
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控車床用途廣泛，不僅可以加工各種平面、溝槽、螺旋槽、成型表面和孔。而且還能加工各種平面曲線和空間曲線等復(fù)雜型面。適用于各種模具、凸輪、板類及箱體類零件的加工。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床上，機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上不再依賴于機(jī)床操作者的操作水平，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。
1.3 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段、六代的發(fā)展。
（1）硬件數(shù)控階段
50年代至70年代初期，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的要求，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成機(jī)床專用的計(jì)算機(jī)，作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代：
1) 1952年開(kāi)始的第一代—電子管元件。
2）1959年開(kāi)始的第二代—晶體管元件。
3) 1965年開(kāi)始的第三代—小規(guī)模集成電路。
（2） 軟件數(shù)控階段
軟件數(shù)控階段也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段，是數(shù)控系統(tǒng)的第二階段(1970年～現(xiàn)在)，這個(gè)階段同樣經(jīng)歷了三代：
1)1970年開(kāi)始的第一代—小型計(jì)算機(jī)。
2)1974年開(kāi)始的第二代—微處理器。
3)1990年以后的第三代—PC機(jī)。
從1970年開(kāi)始，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)己出現(xiàn)，并成批生產(chǎn)，它比專用計(jì)算機(jī)成本低，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入CNC階段。1971，產(chǎn)生了微處理器，1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，1990年，PC機(jī)的性能已發(fā)展到很高的階段，可滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量大，價(jià)格便宜，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入基于PC的階段。
數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了幾十年來(lái)的發(fā)展，到了20世紀(jì)70年代后期，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格昂貴、應(yīng)用不便等關(guān)鍵問(wèn)題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床也是在70年代末80年代初才開(kāi)始得到大規(guī)模應(yīng)用和普及的。
1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨向
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理的發(fā)展,數(shù)控技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）開(kāi)放式、低成本、高可靠性
PC機(jī)所具有的人機(jī)界面將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通訊診斷和維修將更加普遍。
（2）高速化、高精度
數(shù)控系統(tǒng)高速處理并計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量，并要求伺服電機(jī)能高速度地做出反應(yīng)，為使在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速度和高速度下實(shí)現(xiàn)高定位精度，必須具備高加減速和高精度的位置檢測(cè)系統(tǒng)和伺服品質(zhì)。
（3）智能化
(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)加工過(guò)程中的一些重要信息并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，使機(jī)床處于最佳工作狀態(tài)。
2)引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工、故障診斷
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)、加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（4）網(wǎng)絡(luò)化
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成一個(gè)整體的系統(tǒng)解決方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)高速傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體化、一元化管理。
（5）直線交流伺服系統(tǒng)
直線交流伺服系統(tǒng)是21世紀(jì)數(shù)控機(jī)床不可缺少的功能部件。目前我國(guó)還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，因此應(yīng)加強(qiáng)研究，開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。
1.5 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。趕上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)前進(jìn)的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢(shì)。以第四代計(jì)算機(jī)的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機(jī)的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開(kāi)放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之既適合加工復(fù)雜零件、分機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來(lái)自動(dòng)化升級(jí)時(shí)功能可擴(kuò)展的要求。
我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下3個(gè)特征:
(1)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，快速進(jìn)給速度在1.67m/s以上，具有較強(qiáng)的通信、管理功能。
(2)普及型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。如北京機(jī)床研究所的BS91系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動(dòng)，2～4軸聯(lián)動(dòng)。
(3)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場(chǎng)前景。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國(guó)應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型的有南京大方的JWK系列。
我國(guó)是機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)，又是使用大國(guó)。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，但是大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。
因此，把機(jī)床設(shè)計(jì)為數(shù)控機(jī)床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機(jī)床設(shè)計(jì)花費(fèi)少，設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，設(shè)計(jì)后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。
1. 6本章小結(jié)
本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術(shù)的背景發(fā)展歷程，進(jìn)而分析了數(shù)控技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，最后介紹了研究的主要內(nèi)容和意義。
第2章 總體方案的制定與比較
2.1總體方案設(shè)計(jì)要求
總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。
數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同的機(jī)床有相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡(jiǎn)單將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對(duì)局部加以進(jìn)而成。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足，抗震性差，熱變形大，滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對(duì)加工精度，表面質(zhì)量，生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代機(jī)床的部件結(jié)構(gòu)，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床獨(dú)特的機(jī)械部件。因此，我們?cè)趯?duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能的 與數(shù)控機(jī)床相接近。
將一臺(tái)Φ500MM車床設(shè)計(jì)數(shù)控車床要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易于推廣普及。因此采用步進(jìn)電機(jī)為飼服元件，用來(lái)驅(qū)動(dòng)縱橫向工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床上縱橫向絲杠螺母元件，步進(jìn)電機(jī)和減速齒輪驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠螺母副。并選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，使其擴(kuò)大加工范圍，適用于現(xiàn)階段我國(guó)的中小型機(jī)械加工企業(yè)。
機(jī)械部分?jǐn)?shù)控化設(shè)計(jì)需涉及電機(jī)的選擇、工作臺(tái)進(jìn)給結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)比分配與計(jì)算等方面的內(nèi)容。
1伺服驅(qū)動(dòng)元件 進(jìn)給電機(jī)選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其不僅步距角小運(yùn)行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，壽命長(zhǎng)。橫縱向進(jìn)給電機(jī)均選用同一型號(hào)以便于設(shè)計(jì)和日后維修。脈沖當(dāng)量t=0.01mm/脈沖，選用步距角θ=0.6° 。對(duì)原機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短裝時(shí)間。
2機(jī)床導(dǎo)軌的選擇
由于原機(jī)床采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，在低速時(shí)容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。較經(jīng)濟(jì)的處理方法是采用貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌。
3進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床要求進(jìn)給部分移動(dòng)元件靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、低速時(shí)無(wú)爬行。因此本設(shè)計(jì)中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置，使得滾珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后能通過(guò)這個(gè)裝置自動(dòng)的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副安裝時(shí)需要預(yù)緊，通過(guò)預(yù)緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動(dòng)剛度。本設(shè)計(jì)中的預(yù)緊方法是采用雙螺母墊片預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。即通過(guò)變兩個(gè)螺母的軸向相對(duì)位置，使每個(gè)螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。其特點(diǎn)是預(yù)緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向剛度好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖2-1。為消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復(fù)定位精度，傳動(dòng)元件連接采用無(wú)鍵錐環(huán)連接。
圖2-1 滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)
2.2 總體方案擬定
數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：主傳動(dòng)系統(tǒng)中保留主軸箱內(nèi)滑移齒輪變速機(jī)構(gòu)，取消原操作手柄，實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制主電機(jī)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出M03指令后，主電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)?？v、橫進(jìn)給系統(tǒng)均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)代替的滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu),具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無(wú)爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無(wú)空程死區(qū)等特點(diǎn)?？商岣邆鲃?dòng)精度。導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。將原刀架和小托板拆除，將車床刀架換為四工位電動(dòng)刀架，將刀架調(diào)整好高度安裝在中拖板上，由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，減少輔助時(shí)間，提高效率。為保證加工螺紋時(shí)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要在主軸尾部安裝主軸脈沖發(fā)生器。主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，使數(shù)控系統(tǒng)控制刀架的縱向移動(dòng)量。
2.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.3.1伺服控制系統(tǒng)的選擇
因要求設(shè)計(jì)后的車床為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。所以在保證具有一定加工精度的前提下，從設(shè)計(jì)成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本?？刹梢圆竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但是考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度，目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用半閉環(huán)系統(tǒng)，而隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，伺服電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)中就把電機(jī)和檢測(cè)元件直接安裝在一起，形成成套的產(chǎn)品，極大的方便了用戶，省去了安裝調(diào)整誤差。（半閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖1所示）
檢測(cè)器
執(zhí)行件
伺服放大器
伺服電機(jī)
減速箱
脈沖指令
比較線路
圖1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖
2.3.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)
1.床頭箱部分
保留主軸箱內(nèi)的滑移齒輪，取消操作手柄。將原床身的掛輪、進(jìn)給箱及內(nèi)部傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)去除，其余部分保持不變。在該處安裝縱向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱總成。絲杠、光杠和操作桿（“三桿”）拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座原來(lái)裝軸承座的部分。 并在主軸箱后端安裝光電編碼器。編碼器的安裝方式有兩種，一種是安裝，另一種是異軸安裝。因?yàn)樵瓩C(jī)床主動(dòng)掛輪與主軸傳動(dòng)比為1:1，所以可將編碼器安裝于原機(jī)床主動(dòng)掛輪處。這種安裝方式較簡(jiǎn)單，易安裝。
2.進(jìn)給系統(tǒng)（橫向）的設(shè)計(jì)
將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過(guò)膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點(diǎn)是易平衡，不需潤(rùn)滑。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的補(bǔ)償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。
橫向滾珠絲杠選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副。型號(hào)為FFZL2505-3【1】,其公稱直徑d0 =25mm、基本導(dǎo)程L0=5mm 。滾珠絲杠的支撐方式選用兩端固定式，其傳動(dòng)精度高，并有較好的剛度。適合于距離不長(zhǎng)的場(chǎng)合。滾珠絲杠需要預(yù)緊，其大小約為軸向力的三分之一。
減速箱齒輪傳動(dòng)初定傳動(dòng)比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，為了提高傳動(dòng)精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隔,就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào),從而影響其傳動(dòng)精度,因此24/48這一對(duì)齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙,以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒法來(lái)實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 齒輪間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu)圖
圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來(lái)調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。
在選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：a、慣量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1， 其中Jd為折算到到電動(dòng)機(jī)的負(fù)載慣量，Jm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。b、轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實(shí)際需要，但是不需要留有過(guò)多的余量，因?yàn)橐话闱闆r下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3 倍。c、短時(shí)間特性(加減速轉(zhuǎn)矩)，工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上原則，取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為1FT5066-0A01△【2】
3.導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
因原機(jī)床的導(dǎo)軌精度不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。但設(shè)計(jì)的原則是盡量保持原機(jī)床的部件。故只能將導(dǎo)軌加以利用。導(dǎo)軌表面貼塑的方法可使得導(dǎo)軌精度提高。因此可在導(dǎo)軌上加四氟乙烯軟帶。其特點(diǎn)是，摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。在本次設(shè)計(jì)中采用美國(guó)霞板公司研制的德?tīng)栙愃芰蠈?dǎo)軌軟帶。
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定.
選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來(lái)選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí) 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí) 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開(kāi)支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來(lái)確定。與普通機(jī)床加工方法相比，數(shù)控加工對(duì)刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時(shí)要求安裝調(diào)整 方便，這樣來(lái)滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具
目前，數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對(duì)可轉(zhuǎn) 位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號(hào)對(duì)于加工中心及有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為DSG-JZ,此外，對(duì)所選擇的刀具，在使用前都需對(duì)刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過(guò)程，從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開(kāi)始移動(dòng)到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開(kāi)始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對(duì)于工 件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過(guò)對(duì)刀來(lái)確定，所以，該點(diǎn)又稱對(duì)刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對(duì)刀點(diǎn)的位置。對(duì)刀點(diǎn)設(shè)置原則 是:便于數(shù)值處理和簡(jiǎn)化程序編制。易于找正并在加工過(guò)程中便于檢查;引起的加工誤差小。對(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上，為了提 高零件的加工精度，對(duì)刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰(shuí)上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過(guò)手工對(duì)刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對(duì)刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對(duì) 刀點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，車刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn);球頭銑刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動(dòng)對(duì)刀操作，對(duì)刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對(duì)刀鏡、對(duì)刀儀、自動(dòng)對(duì)刀裝置等，以減少對(duì)刀時(shí)間，提高對(duì)刀精度。加工過(guò)程中 需要換刀時(shí)，應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動(dòng)換刀時(shí)的位置，換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫(xiě)人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來(lái)選擇。其計(jì)算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/m動(dòng)，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉(zhuǎn)速，單 位為r/min,D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的 性能限制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時(shí)，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí)，可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來(lái)決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保 證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。同時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對(duì)加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)
4.1主傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定
Φ500mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠500mm，最大工件長(zhǎng)度1500mm；，主軸錐度莫氏六號(hào)，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率；運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對(duì)象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國(guó)內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。
4.1.1動(dòng)力參數(shù)的確定
主傳動(dòng)中個(gè)傳動(dòng)件的尺寸要根據(jù)傳動(dòng)功率來(lái)確定。傳動(dòng)功率過(guò)大，使傳動(dòng)件尺寸粗大，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過(guò)小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動(dòng)功率。但由于實(shí)際加工過(guò)程切削用量變化范圍大、傳動(dòng)件之間的摩擦等不確定因素，用理論計(jì)算方法來(lái)確定主傳動(dòng)功率尚有困難，可通過(guò)類比、統(tǒng)計(jì)方法相互比較來(lái)確定。
查機(jī)電一體化手冊(cè)車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動(dòng)鏈的總效率η估算,即P=。主傳動(dòng)鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)和較短的機(jī)械傳動(dòng)鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計(jì)P在10.26kw~20.51kw.之間。
數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力
PC=KW
---主切削力的切向分力，N；
---切削速度N??；
查金屬切削手冊(cè)知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r\min，則知道
PC=2500200\60000=8.333kw
P==10.68kw
考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動(dòng)件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動(dòng)件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動(dòng)載荷的摩擦損耗等。
Φ500MM機(jī)床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的電動(dòng)機(jī)功率，此機(jī)床可以選取11kw的電動(dòng)機(jī)，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動(dòng)機(jī)YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)矩
4.1.2主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定
主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來(lái)確定
=（r/min）
計(jì)算該數(shù)控車床
=、=，
則數(shù)控車床變速范圍=
代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊(cè)可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r\min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r\min（隨被吃刀量與進(jìn)給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則
=0.5D=0.5500mm=250mm
=（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。
max ===1591 r/min
==41.52 r/min
由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲(chǔ)備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r/min，=1250 r/min。
則數(shù)控車床總變速范圍==62.5
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
由切削原理知主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)；主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，主運(yùn)動(dòng)為恒功率運(yùn)動(dòng)。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。
數(shù)控車床變速范圍比較廣，計(jì)算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，并結(jié)合該機(jī)床加工工藝要求，使=154 r\min.
圖4.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線
4.2變速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.2.1確定傳動(dòng)方案
機(jī)床傳動(dòng)形式分為有極和無(wú)極變速兩種，無(wú)級(jí)變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速，這對(duì)與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時(shí)采用無(wú)級(jí)變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，縮短傳動(dòng)鏈；因此無(wú)級(jí)變速應(yīng)用日益廣泛。
該數(shù)控機(jī)床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無(wú)級(jí)變速裝置有難以實(shí)現(xiàn)。而且，無(wú)級(jí)變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動(dòng)鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速來(lái)擴(kuò)大變速范圍并選擇合適的無(wú)級(jí)變速器以滿足機(jī)床的功率扭矩特性要求。
該數(shù)控機(jī)床是以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，設(shè)計(jì)主軸由交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶論、齒輪傳動(dòng)至主軸。
從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4500\1500=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為1250\250=5，顯然電動(dòng)機(jī)不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計(jì)師不能依據(jù)總變速范圍來(lái)設(shè)計(jì)主創(chuàng)動(dòng)系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)與主軸的功率匹配。
主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=1250\250=5,
電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4500\1500=3
為了使主軸和電動(dòng)機(jī)的恒功率匹配，現(xiàn)通過(guò)增加變速齒輪來(lái)滿足要求，該變速齒輪組擴(kuò)大了電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速。
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定
1．轉(zhuǎn)速圖的擬定
分析和設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。
轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動(dòng)軸的數(shù)目，主軸及各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動(dòng)路線，變速組的個(gè)數(shù)、傳動(dòng)順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動(dòng)副數(shù)及其傳動(dòng)比數(shù)值，變速規(guī)律等。
首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。
已知機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~1250r/min，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電動(dòng)機(jī)的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)．
（1）確定主軸的變速范圍
（2）確定主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
由于數(shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大，計(jì)算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計(jì)算值高些，所以圓整取計(jì)算轉(zhuǎn)速nc=。
（3）確定主軸的恒功率變速范圍
（4）確定電動(dòng)機(jī)所能夠提供的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
（5）確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
取，則
對(duì)于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2
（6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖
4.2.3擬定傳動(dòng)變速系統(tǒng)圖
擬定傳動(dòng)系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和使用要求的前提下，運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈要盡可能的短而簡(jiǎn)單；傳動(dòng)效率高以及操作簡(jiǎn)單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會(huì)碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。
該機(jī)床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過(guò)滑移齒輪的移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開(kāi)嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開(kāi)始進(jìn)入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個(gè)因素，擬訂傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
第5章 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)
5.1傳動(dòng)皮帶的設(shè)計(jì)和選定
帶傳動(dòng)是由帶和帶輪組成傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)。根據(jù)工作原理可分為兩類：摩擦帶傳動(dòng)和嚙合帶傳動(dòng)。摩擦帶傳動(dòng)是機(jī)床主要傳動(dòng)方式之一，常見(jiàn)的有平帶傳動(dòng)和V帶傳動(dòng)；嚙合傳動(dòng)只有同步帶一種。
普通V帶傳動(dòng)是常見(jiàn)的帶傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)為：承載層為繩芯或膠簾布，楔角為40°、相對(duì)高度進(jìn)似為0.7、梯形截面環(huán)行帶。其特點(diǎn)為：當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附著好，允許包角小、傳動(dòng)比大、預(yù)緊力小。繩芯結(jié)構(gòu)帶體較柔軟，曲撓疲勞性好。其應(yīng)用于：帶速V＜25～30m/s;傳動(dòng)功率P＜700kW;傳動(dòng)比i≤10軸間距小的傳動(dòng)。
一．主要失效形式
1．帶在帶輪上打滑，不能傳遞動(dòng)力；
2．帶由于疲勞產(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷；
3．帶的工作面磨損。
保證帶在工作中不打滑的前提下能傳遞最大功率，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是靠摩擦傳動(dòng)的其它帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
5.1.1．V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1)設(shè)計(jì)功率的確定：
查得工況系數(shù)
(2) 選定帶型：
根據(jù)和
確定為B型。
(3)傳動(dòng)比：
根據(jù)轉(zhuǎn)速圖知,傳動(dòng)比為
(4)確定小帶輪基準(zhǔn)直徑：
參考表取
(5)確定大帶輪直徑：
取標(biāo)準(zhǔn)值
(6) 驗(yàn)算帶速：
因?yàn)樵谥g，所以經(jīng)濟(jì)耐用。
(7)初定帶輪軸中心距：
得：
即：
初取
(8)確定帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度
(9)計(jì)算實(shí)際軸間距：
取標(biāo)準(zhǔn)值。
安裝時(shí)所需最小軸間距：
張緊或補(bǔ)償伸長(zhǎng)所需最大軸間距：
(10)驗(yàn)算小帶輪包角：
所以小帶輪包角合適。
(11)單根V帶的基本額定功率：
根據(jù)和查得B型V帶的基本額定功率。
(12)單根V帶的額定功率增量：
考慮到傳動(dòng)比的影響，額定功率的增量由表查得：
(13)計(jì)算帶的根數(shù)：
取 根。
(14)單根V帶的預(yù)緊力：
(15)作用在軸上的力：
(16)帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：
由表可查得
帶輪的具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)零件圖
為了減輕傳動(dòng)軸上載荷，采用卸荷式帶輪結(jié)構(gòu)，使帶輪上的載荷由軸承支撐進(jìn)而傳給箱體，軸只承受轉(zhuǎn)矩，裝配裝置參見(jiàn)裝配圖。
5.2齒輪的的設(shè)計(jì)與校核
一般同一變速組的齒輪模數(shù)相同,所有齒輪中首先選擇負(fù)荷較重的小齒輪按接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行初算。所以從最小齒輪Z=26開(kāi)始設(shè)計(jì)校核。（注意：為便于閱讀在本節(jié)內(nèi)容中，在相嚙合的每對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)與校核時(shí)，主動(dòng)齒以數(shù)字1為下角標(biāo)，被動(dòng)齒輪以數(shù)字2為下角標(biāo)）
5.2.1各傳動(dòng)軸傳遞動(dòng)力計(jì)算
電動(dòng)機(jī) 輸出功率==11kw，額定轉(zhuǎn)速=1500r/min，
輸出轉(zhuǎn)矩=9550=
軸I ==110.96=10.56kw 為帶傳動(dòng)效率
===750r/min
=9550=
中間軸II ==10.560.990.97=10.14kw， 分別為軸承、齒輪傳動(dòng)效率。
==937.51.8=521 r/min
=9550=9550=
高速檔軸III ==10.140.990.97=9.7kw，分別為、軸III上軸承、齒輪傳動(dòng)效率
==5211=521 r\min
=9550=9550=
低速檔軸III ==9.7kw
==5212.4=217 r\min
=9550=9550=
動(dòng)力傳動(dòng)情況表：
軸號(hào)
功率kw
轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速r\min
傳動(dòng)比
傳動(dòng)效率
輸入
輸出
輸入
輸出
電機(jī)
--
11
--
70
1500
---
0.96
軸I
10.56
10.14
70
107
937.5
1：1.6
0.9603
軸II
10.14
9.7
134.46
183
521
1：1.8
0.9603
軸III
高速
9.7
9.3
155
183
521
1:1
0.9603
低速
9.7
9.3
155
484
217
1:2.4
0.9603
5.2.2齒輪副(32/76)齒輪的設(shè)計(jì)與校核
因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用42SiMn合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217HB~255HB,平均取為235HB.載荷變化規(guī)律如圖3.2:
圖3.2載荷變化圖
計(jì)算步驟如下：
1. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1）.初步計(jì)算
轉(zhuǎn)矩 =9550 =9550 =.
齒寬系數(shù) =0.4
接觸疲勞強(qiáng)度極限 =710MPa, =580MPa,
許用接觸疲勞強(qiáng)度極 =0.9=639 MPa,
=0.9=522MPa
取 值β= 查表=82
初步計(jì)算小齒輪直徑= = =85.2mm
取=90mm
初步計(jì)算齒寬 b=36mm,取b=35mm
2).校核計(jì)算
圓周速度v v= =2.69m/s.
精度等級(jí) 8級(jí)
齒數(shù)Z和模數(shù)m =32,m==2.9,所以取m=3 , =96mm
=76,m=3, =763=232mm
使用系數(shù)=1.1
動(dòng)載荷系數(shù)=1.16
齒間載荷分配系數(shù) ==3751N
==117.2N\mm>100N\mm
=[1.88-3.2 (+)]cosβ
=[1.88-3.2×]=1.86
由此得
齒間載荷分布系數(shù) 查表=
=
載荷系數(shù)K K==1.21.11.711.16=3.05
彈性系數(shù) =189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.45
重合度系數(shù) 由式得因得故
螺旋角系數(shù)
接觸最小安全系數(shù) =1.05
總工作時(shí)間 =1030080.2=4800h
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計(jì)<<,則查表指數(shù)m=8.78
=
=6016254800(0.2+0.5+0.2)=3.62
=1.45
接觸壽命系數(shù) 查圖=1.2, =1.25
許用接觸應(yīng)力 = = =798MPa
===690MPa
驗(yàn)算 =
= 189.82.450.73
=640MPa <698MPa 滿足要求.
3).確定傳動(dòng)主要尺寸
分度圓直徑 由以上運(yùn)算知道=32, =76,模數(shù)=3;
分度圓直徑
==3.0532=96.1mm
=3.0576=231.8mm
中心距a ==165mm
齒寬b 大齒輪,小齒輪
2. 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒形系數(shù)
查表得
應(yīng)力重合修正系數(shù) 查表得
重合系數(shù)
=
=1.72
=0.25+=0.25+=0.69
螺旋角系數(shù)
>
齒間載荷分配系數(shù) 由上面知=1.71
齒間載荷分布系數(shù) b/h=35/ (2.253.5)=4.44查相關(guān)圖知=1.175
載荷系數(shù)K K==1..251.11.751.175=2.77
彎曲疲勞極限 查試驗(yàn)齒輪的彎曲極限表=600MPa,
=450 MPa,
彎曲最小安全系數(shù) 有相關(guān)表=1.25
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計(jì)<<,則查表指數(shù)m=49.91
==6026254800(0.2+0.5+0.2)=7.24
=6016984800(0.2+0.5+0.2)=4.02
彎曲壽命系數(shù) 查彎曲壽命系數(shù)圖=1.01, =1.03
尺寸系數(shù) 査尺寸系數(shù)圖 =1.0
許用彎曲應(yīng)力 =
=
驗(yàn)算 =
=277MPa<
<
傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)重過(guò)載情況,固不作靜強(qiáng)度校核.
3.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
估計(jì)傳動(dòng)軸II的直徑在35mm左右,小齒輪分度圓直徑=96mm,所以沒(méi)必要做成齒輪軸.考慮到該齒輪與Z=54齒輪作滑移齒輪,所以應(yīng)與Z=54齒輪一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),見(jiàn)零件圖.
5.2.3齒輪副()齒輪設(shè)計(jì)與校核
因生產(chǎn)批量較小，故小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB,與之嚙合的大齒輪用40Cr合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB,平均取為260HB.載荷變化規(guī)律如上圖。
計(jì)算步驟如下：
3. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1）.初步計(jì)算
轉(zhuǎn)矩 =9550 =9550 =.
齒寬系數(shù) =0.8
接觸疲勞強(qiáng)度極限 =710MPa, =580MPa,
許用接觸疲勞強(qiáng)度極 =0.9=639 MPa,
=0.9=522MPa
取 值β= 查表=82
初步計(jì)算小齒輪直徑= = =83mm
取=90mm
初步計(jì)算齒寬 b=70mm,取b=70mm
2).校核計(jì)算
圓周速度v v= =4.417m/s.
精度等級(jí) 8級(jí)
齒數(shù)Z和模數(shù)m =30,m==3,所以取m=3 , =90mm
=54,m=3, =543=165mm
使用系數(shù)=1.25
動(dòng)載荷系數(shù)=1.2
齒間載荷分配系數(shù) ==2360N
==117.2N\mm>100N\mm
=[1.88-3.2 (+)]cosβ
=[1.88-3.2×]=1.57
由此得
齒間載荷分布系數(shù) 查表=
=
載荷系數(shù)K K==1.251.21.61.2=2.95
彈性系數(shù) =189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.45
重合度系數(shù) 由式得因得故