微型數(shù)控車床設(shè)計

SHANDONG畢業(yè)設(shè)計說明書微型數(shù)控車床設(shè)計學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名： 摘要的頁眉自己再添上 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011年 06 月摘 要微型數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（Numerical control，簡稱NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。該數(shù)控車床主要由教學(xué)型車床機(jī)械裝置、計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、電源驅(qū)動裝置三部分組成，此次設(shè)計包括機(jī)床的機(jī)械傳動主運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計，其中還包括齒輪模數(shù)計算及校核，主軸的設(shè)計及其剛度的校核，主軸組件的設(shè)計與選型，傳動軸的設(shè)計及其剛度校核和傳動軸組件的設(shè)計與選型等，縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)運(yùn)動設(shè)計，橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)運(yùn)動設(shè)計，床身與導(dǎo)軌設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計，變頻調(diào)速電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)型號的選擇以及刀架型號的選擇等。該車床結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小，適于教學(xué)，該系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作方便。本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：微型，數(shù)控車床，主傳動系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)，設(shè)計 AbstractThe miniature numerically controlled lathe calls digital control (Numerical control , shorter form NC) a machine tool. That it has been digital control-based , has adopt the numerical control technology, is that a dress has controlling the systematic machine tool by program. It is from the lead plane , CNC , driving device, numerical control machine tool auxiliary device , what programming machine and their his some subsidiary equipment is composed of. Design designing that the mechanical drive including a machine tool betokens motion system this time, including the module of the gear, the principal axis calculate and rigidity revise, the principal axis subassembly design and choose, the transmission shaft calculate and rigidity revise, the transmission shaft subassembly design and choose. longitudinal mechanical drive feeds systematic motion design. latitudinal mechanical drive feeds systematic motion design. The type of frequency conversion timing electromotor choose and the type of walking electromotor choose, and the type of knife rest choose. This paper is more compehensive introduction and summing-up for the whole design work.Key words: miniature,numerically controlled lathe mechanical,drive system betokens systematic, feed drive system, design.- 49 -目 錄目 錄第一章 引 言- 1 -1.1 課題的背景- 1 -1.2 課題的目的和意義- 1 -第二章 微型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計- 3 -2.1 主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)- 3 -2.2主傳動系統(tǒng)的大分類- 3 -2.3 確定合適的切削參數(shù)- 4 -2.4 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算- 5 -2.5齒輪的設(shè)計計算- 6 -2.6主軸組件設(shè)計- 12 -第三章 縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計- 24 -3.1概述- 24 -3.2電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接- 24 -3.3滾珠絲杠螺母副- 25 -3.4滾珠絲杠螺母副的設(shè)計與選型- 29 -3.5 步進(jìn)電動機(jī)的計算和選型- 31 -第四章 橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計- 34 -4.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計與選型- 34 -4.2步進(jìn)電動機(jī)的計算和選型- 36 -4.3滾珠絲杠的保護(hù)- 37 -4.4刀架的選型- 38 -第五章 床身與導(dǎo)軌- 39 -5.1 床身設(shè)計- 39 -5.2導(dǎo)軌設(shè)計- 40 -第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計- 42 -6.1 確定硬件電路的總體方案- 42 -6.2 主控制器CPU的選擇- 42 -6.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計- 42 -6.4 主軸電機(jī)驅(qū)動電路- 43 -6.5 越界報警- 43 -結(jié) 論- 44 -參考文獻(xiàn)- 45 -致 謝- 46 - 第一章 引言第一章 引 言1.1 課題的背景當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高，體積越來越小。數(shù)控設(shè)備廠采用超大規(guī)模集成電路并采用表面安裝工藝（SMT），實現(xiàn)了三維立體裝配，將整個CNC裝置做得很小，以適應(yīng)機(jī)械制造業(yè)機(jī)電一體化的要求。日本三菱電機(jī)株式會社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及實用型CNC MELDAS 520A系列，這兩個系列都采用了32位RISC微處理器，實現(xiàn)超小型化的CNC裝置，較原來的M310及L3、L3A，體積大為減?。℉168mmW76mmD135mm），安裝面積減小了一半，功能還有所進(jìn)步。采用了超薄型顯示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。這個系統(tǒng)的微小線段加工能力提升至64m/min，最大快速進(jìn)給速度為240m/min，其同步攻螺紋精度較M310進(jìn)步了3倍，主軸定位時間縮短了30%。德國SIEMENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控組件選用386DX或486DX，具有14個通道，可實現(xiàn)直線及圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、5軸螺旋線插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)等，共可控制32個軸，并有多種校正及補(bǔ)償功能，體積僅為50mm316mm207mm。東西方制造業(yè)的差距更多的在于職教基礎(chǔ)的差距，實踐動手能力的差距，我國數(shù)控學(xué)員儲備60萬人，而全國數(shù)控人才每年缺口15萬人，高級數(shù)控技工年薪高達(dá)10萬，那種20人/臺的教學(xué)實效性與成材率不匹配的矛盾日益突出。1.2 課題的目的和意義生產(chǎn)型數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控教學(xué)實習(xí)設(shè)備是十分必要的，但在前期教學(xué)中使用則耗電大、材料消耗大、安全系數(shù)相對較低成為困擾許多院校的大問題。西方發(fā)達(dá)國家數(shù)控教學(xué)前期階段都是采用小型臺式高仿真數(shù)控教學(xué)機(jī)床作為數(shù)控編程和操作的實習(xí)設(shè)備。目前數(shù)控技術(shù)課程實訓(xùn)過程中普遍存在以下現(xiàn)實問題：系統(tǒng)開放性差、操作界面不太理想、教學(xué)設(shè)備成本高、實驗耗材費(fèi)用高、操作危險性大、學(xué)生獨立動手機(jī)會少、教學(xué)效率低、教學(xué)質(zhì)量差等。因此需要設(shè)計一個軟硬件結(jié)構(gòu)開放、功能完善、人機(jī)界面友好、操作方便的系統(tǒng)，來解決了授課過程中存在的課堂教學(xué)難、實驗教學(xué)難、實訓(xùn)教學(xué)難的問題。第二章 微型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計第二章 微型數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計2.1 主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)：兩個坐標(biāo)方向的工作行程：X:30mm Z:100mm。加工精度：0.01mm。加工材料：石蠟、肥皂類或鋁質(zhì)類等。2.2主傳動系統(tǒng)的大分類：目前，主傳動系統(tǒng)大致可分為以下大類。2.2.1帶有變速齒輪的主傳動如圖2-1a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，以滿足主軸低速時對扭矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。2.2.2通過帶傳動的主傳動如圖2-1b）所示，這種傳動主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，由交流電機(jī)通過V帶直接帶動主軸。這種傳動方式可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，但只能適用于低扭矩特性要求的主軸。2.2.3調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動如圖2-1c）所示，這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對主軸影響較大。圖2-1 主傳動型式本數(shù)控車床選用無級變速。2.3 確定合適的切削參數(shù)：本機(jī)床加工的工件為代木、石臘，鋁等材料，查金屬切削原理（陳日曜主編）表11-5，選擇機(jī)床背吃刀量=1mm；進(jìn)給量f=0.18mm/r；切削速度v=250m/min。2.3.1 計算切削力： 由公式查金屬切削原理（陳日曜主編）表4-1，得 =11N，進(jìn)給抗力和切深力可按下列比例分別計算：，計算的=2.75N，=4.4N。2.3.2 確定機(jī)床的切削功率： 切削功率是力和所消耗的功率之和，因方向沒有位移，所以不消耗動力。于是：切削功率式中 縱向切削力（N）； V切削速度（m/min）； 進(jìn)給力（N）； 工件轉(zhuǎn)速（r/s）； f進(jìn)給量（mm/r）。粗略計算切削功率=45.8w，機(jī)床效率取，計算機(jī)床電機(jī)功率。由此選用額定功率100w中大交流變頻調(diào)速電動機(jī)，參數(shù)如表2-1：電機(jī)型號出力電壓頻率極數(shù)額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速額定電流額定力矩啟動轉(zhuǎn)矩帶齒軸電機(jī)WVHzPr/minr/minANmNmKgfcm5RK100GU-AF1001ph100504100030002.100.900.787.80表2-1額定功率100w中大交流變頻調(diào)速電動機(jī)參數(shù)2.4 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算：主軸的計算轉(zhuǎn)速： 。主軸要求的恒功率變速范圍： 電動機(jī)的恒功率變速范圍： 。該系統(tǒng)至少需要的變速級數(shù)、變速組數(shù)： ，。 取 。變速箱實際公比： 。傳動的最小傳動比：。其他傳動副的傳動比：。電動機(jī)的最高和最低工作轉(zhuǎn)速分別為：。轉(zhuǎn)速圖如圖2-2所示：圖2-2 主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖電動機(jī)最高、最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率分別為： 2.5齒輪的設(shè)計計算： 2.5.1齒輪的設(shè)計該傳動系統(tǒng)有一個變速組，兩個傳動副。同一變速組，模數(shù)相同，不采用變位齒輪，為第一傳動副的主、被動齒輪的齒數(shù)，為第二傳動副的主、被動齒輪的齒數(shù)。m相同，則：，取S=110，得。確定各個齒輪的尺寸：選用直齒圓柱輪，取m=2.5，則分度圓直徑： ，各個齒輪的齒頂高： ，各個齒輪的齒根高： 取齒寬系數(shù)，則各個齒輪的齒寬為： 2.5.2齒輪的校核：齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核計算：（參考機(jī)械設(shè)計高等教育出版社）一級減速齒輪的校核：圓周速度 精度等級 由表12.6 選8級精度使用系數(shù) 由表12.9 動載系數(shù) 由圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，先求 由此得 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由表12.12 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由表12.14 總工作時間 取應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計,則指數(shù)取8.78 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18 許用接觸應(yīng)力 = =驗算 22.82 計算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算：重合度系數(shù) =0.68齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10， 齒向載荷分配系數(shù) 由圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由圖12.11 彎曲疲勞極限 由圖12.23C 彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計,則指數(shù)取49.91 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 彎曲壽命系數(shù) 由圖12.24 尺寸系數(shù) 由圖12.25 許用彎曲應(yīng)力 = =驗算 傳動無過載，不須作靜強(qiáng)度校核。一級減速齒輪的校核：圓周速度 精度等級 由表12.6 選8級精度使用系數(shù) 由表12.9 動載系數(shù) 由圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，先求 由此得 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由表12.12 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由表12.14 總工作時間 取應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計,則指數(shù)取8.78 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18 許用接觸應(yīng)力 = =驗算 58.82 計算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算：重合度系數(shù) =0.68齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10， 齒向載荷分配系數(shù) 由圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由圖12.11 彎曲疲勞極限 由圖12.23C 彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計,則指數(shù)取49.91 原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 彎曲壽命系數(shù) 由圖12.24 尺寸系數(shù) 由圖12.25 許用彎曲應(yīng)力 = = 傳動無過載，不須作靜強(qiáng)度校核。2.6主軸組件設(shè)計2.6.1主軸組件基本要求主軸組件是機(jī)床主要部件之一。它的性能對整機(jī)的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求： 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部件的定心表面（如該次設(shè)計的數(shù)控車床主軸軸端的定心短錐采用7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體、孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 剛度 主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。 溫升 將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機(jī)床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。 可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。精度保持性 對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。2.6.2 主軸的設(shè)計計算：1初選主軸直徑：主軸直徑直接影響主軸部件的剛度，直徑越粗，剛度越高，但同時與之相配的軸承等零件的尺寸也越大。故設(shè)計之初，只能根據(jù)統(tǒng)計資料選擇主軸直徑。查閱資料初選主軸前軸頸直徑=45mm，后軸直徑=30mm。主軸內(nèi)孔用來通過棒料，用于通過刀具夾緊裝置固定刀具以及傳動氣動或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，可通過的棒料直徑就越大，機(jī)床的使用范圍就越寬，同時主軸部件也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度的制約。當(dāng)主軸的孔徑與主軸直徑之比小于0.3時，空心主軸的剛度幾乎與實心主軸的剛度相當(dāng)；為0.5時，空心主軸的剛度為實心主軸剛度的90%；大于0.7時，空心主軸的剛度急劇下降。主軸內(nèi)孔直徑選20mm，計算。計算的=0.7，對剛度影響不大。2 主軸懸伸量的確定：主軸懸伸量是指主軸前支撐徑向支反力的作用點到主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大，根據(jù)分析和試驗，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下，盡量縮短懸伸量a。初選懸伸量a=41mm。3 主軸跨距及總長的確定：合理布置各個零件的配合，確定主軸的跨距為266.5mm，主軸總長314.5m。4 主軸材料選用主軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)2228HRC，局部高頻淬硬5055HRC。5 主軸強(qiáng)度的校核：計算齒輪受力齒輪轉(zhuǎn)速 所受轉(zhuǎn)矩 4200所受圓周力 所受徑向力 所受法向力 畫出主軸受力圖如圖2-3： 圖2-3 主軸受力圖計算支撐反力： 水平面反力 垂直面反力 水平面受力圖如圖2-4：圖2-4 主軸水平面受力圖垂直面受力圖如圖2-5：圖2-5 主軸垂直面受力圖畫軸的彎矩圖： 水平面彎矩圖如圖2-6： 圖2-6 主軸水平面彎矩圖垂直面彎矩圖如圖2-7： 圖2-7 主軸垂直面彎矩圖合成彎矩圖如圖2-8： 圖2-8 主軸合成彎矩圖畫軸的轉(zhuǎn)矩圖受轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩圖如圖2-9： 圖2-9 主軸轉(zhuǎn)矩圖如圖許用應(yīng)力許用應(yīng)力值 用插入法由表16.3查的 校核軸徑軸徑 35mm主軸的強(qiáng)度符合要求。2.6.3主軸組件的組成和軸承選型1主軸組件 包括主軸、軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸組件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸端部是標(biāo)準(zhǔn)的；傳動件如齒輪、帶輪等與一般機(jī)械零件相同。因此，研究主軸組件，主要是研究主軸的支撐部分。2主軸的傳動件 可以位于前后支撐之間，也可位于后支撐之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計。主軸組件（稱為主軸單元）和 變速箱還可以作成獨立的功能部件，又有專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸可用齒輪副或帶傳動聯(lián)結(jié)。主軸支撐分徑向和軸向。角接觸球軸承兼起徑向和推力支撐的作用。推力支撐應(yīng)位于前支撐內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點，設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點支推力支撐之間的距離。3 主軸組件的動態(tài)特性 平移，主軸作為一個剛體（實際上略有彎曲），在彈性支撐上作平移振動，主軸各點的振動方向一致。2搖擺，主軸在彈性支座上搖擺，左右振動方向相反。3彎曲，主軸本身作彎曲振動，主軸中間與兩端的振動方向相反，有兩個節(jié)點。這兩個節(jié)點位于支撐點附近。每個振型都有其固有頻率。每個振型固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個振型分別為第一、二、三振型，振型和固有頻率合成為模態(tài)?？梢钥闯觯谝?、二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時，第一、二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多。主軸是一個連續(xù)體，又無窮個模態(tài)。例如還有主軸的扭矩振動、縱向振動等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作是不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計算機(jī)計算。通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機(jī)高速主軸，電動機(jī)轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施。（1）使主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。（2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗震性影響很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減小，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置4主軸軸承 選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對背與面對面相比，支撐點（接觸線的交點）間距離前者比后者大，因而能產(chǎn)生一個較大的抗彎力矩，即支撐剛度較大。運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進(jìn)一步加大，本車床是微型數(shù)控車床載荷不是很大，因此采用一個角接觸球軸承即可。基于上述分析，本車床主軸前端軸頸部軸承選用1個角接觸球軸承型號為7009C，后軸頸軸承采用1個角接觸球軸承型號為7006C。5角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支撐主軸，有利于提高運(yùn)動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支撐，可以提高抗震性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。 角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力F，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級預(yù)緊。定貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨取。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊。 6承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕。除了這些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為P5級，這個軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。7主軸軸承的潤滑和密封 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸：潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一個厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次沖填可用到大修，不許補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。主軸的密封有接觸式和非接觸式兩種。圖2-10非接觸式密封幾種非接觸密封的形式如圖2-10所示。圖2-10a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封，在軸承蓋的孔內(nèi)開槽是為了提高密封效果；這種密封用于工作環(huán)境比較清潔的油脂潤滑處。圖2-10b)是在螺母的外圓上開鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時，靠主軸轉(zhuǎn)動的離心力把油沿斜面甩到端蓋的空腔內(nèi)，油液再流回箱內(nèi)。圖2-10c)是迷宮式密封的結(jié)構(gòu)，在切屑多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果；這種結(jié)構(gòu)適用于油脂或油液潤滑的密封。接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封兩種。2.6.4傳動軸的設(shè)計計算1初選傳動軸直徑：傳動軸直徑越粗，剛度越高，但同時與之相配的軸承等零件的尺寸也越大。根據(jù)齒輪內(nèi)徑及相配合軸承的內(nèi)徑大小，初選傳動軸前軸頸=10mm，后軸直徑=15mm。2傳動軸懸伸量的確定：傳動軸軸懸伸量是指傳動軸前支撐徑向支反力的作用點到傳動軸前端面之間的距離，它對傳動軸組件剛度影響較大，根據(jù)分析和試驗，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下，盡量縮短懸伸量a。初選傳動軸懸伸量a=28.5mm。3傳動軸跨距及總長的確定：合理布置各個零件的配合，確定傳動軸的跨距為242mm，主軸總長276.5m。4傳動軸材料選用傳動軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)2228HRC，局部高頻淬硬5055HRC。5傳動軸強(qiáng)度的校核：傳動軸轉(zhuǎn)速 所受轉(zhuǎn)矩 955電機(jī)給傳動軸的力 計算齒輪受力所受圓周力 所受徑向力 所受法向力 畫出傳動軸受力圖2-11： 圖2-11 傳動軸受力圖計算支撐反力： 水平面反力 垂直面反力 水平面受力圖如圖2-12： 圖2-12 傳動軸水平面受力圖垂直面受力圖如圖2-13： 圖2-13 傳動軸垂直面受力圖畫軸的彎矩圖： 水平面彎矩圖如圖2-14： 圖2-14 傳動軸水平面彎矩圖垂直面彎矩圖如圖2-15： 圖2-15 傳動軸垂直面彎矩圖合成彎矩圖如圖2-16： 圖2-16 傳動軸合成彎矩圖畫軸的轉(zhuǎn)矩圖受轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩圖如圖2-17： 圖2-17 傳動軸轉(zhuǎn)矩圖許用應(yīng)力許用應(yīng)力值 用插入法由表16.3查的 校核軸徑軸徑 10mm傳動軸的強(qiáng)度符合要求。2.6.7傳動軸的組件設(shè)計：傳動軸組件，包括傳動軸、軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。傳動件如齒輪、帶輪及離合器等。1離合器的選用 結(jié)合本數(shù)控車床輕小、靈便等特點，選用摩擦片式電磁離合器，根據(jù)傳動軸的直徑選用DLM5型濕式多摩擦式電磁離合器，內(nèi)孔直徑2傳動軸的傳動件 由于采用兩個電磁離合器調(diào)節(jié)齒輪之間的傳動，因此齒輪內(nèi)徑與傳動軸并不直接接觸，傳動軸將動力傳給電磁離合器，電磁離合器再將轉(zhuǎn)動傳遞給齒輪。通過調(diào)節(jié)電磁離合器的通電狀態(tài)，即可變換傳動副之間的嚙合狀態(tài)，齒輪內(nèi)徑通過軸承間接與傳動軸相連，由于齒輪齒寬較寬，因此一級減速齒輪的內(nèi)徑采用兩個角接觸球軸承與傳動軸相連，內(nèi)圈軸承采用彈性軸套進(jìn)行定位。3傳動軸軸承 選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，本車床傳動軸前端軸頸部軸承選用1個角接觸球軸承型號為7200C，后軸頸軸承采用1個角接觸球軸承型號為7002C。4傳動軸軸承的密封及潤滑 滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次沖填可用到大修，不許補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。密封采用接觸式密封，氈圈密封。第三章 縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計第三章 縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計3.1概述數(shù)控車床進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)，尤其是輪廓控制的進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)，必須對進(jìn)給運(yùn)動的位置和運(yùn)動的速度兩個方面同時實現(xiàn)自動控制，與普通機(jī)床相比，要求其進(jìn)給系統(tǒng)有較高的定位精度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性。一個典型數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，通常由位置比較放大單元、驅(qū)動單元、機(jī)械傳動裝置及檢測反饋元件等幾部分組成。這里所說的機(jī)械傳動裝置是指將驅(qū)動源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)楣ぷ髋_直線運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈，包括減速裝置、轉(zhuǎn)動變移動的絲杠螺母副及導(dǎo)向元件等等。為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度、靈敏度和工作的穩(wěn)定性，對機(jī)械部分設(shè)計總的要求是消除間隙，減少摩擦，減少運(yùn)動慣量，提高傳動精度和剛度。另外，進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載變化較大，響應(yīng)特性要求很高，故對剛度、慣量匹配都有很高的要求。為了滿足上述要求，數(shù)控機(jī)床一般采用低摩擦的傳動副，如減摩滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌及靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠等；保證傳動元件的加工精度，采用合理的預(yù)緊、合理的支承形式以提高傳動系統(tǒng)的剛度；選用最佳降速比，以提高機(jī)床的分辨率，并使系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量減少；盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差，提高位移精度等。3.2電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接數(shù)控車床進(jìn)給驅(qū)動對位置精度、快速響應(yīng)特性、調(diào)速范圍等有較高的要求。實現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動的電機(jī)主要有三種：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。目前，步進(jìn)電機(jī)只適應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，直流伺服電機(jī)在我國正廣泛使用，交流伺服電機(jī)作為比較理想的驅(qū)動元件已成為發(fā)展趨勢。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)當(dāng)采用不同的驅(qū)動元件時，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)可能會有所不同。電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式，如圖3-1所示。3.2.1帶有齒輪傳動的進(jìn)給運(yùn)動 數(shù)控車床在機(jī)械進(jìn)給裝置中一般采用齒輪傳動副來達(dá)到一定的降速比要求，如圖3-1a）所示。由于齒輪在制造中不可能達(dá)到理想齒面要求，總存在著一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向失動量，對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用消除措施來盡量減小齒輪側(cè)隙。但這種聯(lián)接形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖3-1 電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接形式3.2.2經(jīng)同步帶輪傳動的進(jìn)給運(yùn)動 如圖3-1b）所示，這種聯(lián)接形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴(yán)格，且同步帶與帶輪的制造工藝復(fù)雜。3.2.3電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接 如圖3-1c）所示，此結(jié)構(gòu)通常是電機(jī)軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進(jìn)給傳動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。在加工中心和精度較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動中，普遍采用這種聯(lián)接形式。由于本機(jī)床加工的工件為代木、石臘等材料，所需的切削力矩較小，因此絲杠與電機(jī)之間沒有減速裝置。3.3滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動裝置，在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦。3