教學(xué)用小型數(shù)控鉆銑床設(shè)計(jì)說明書教材

1、第一章緒論1.1 設(shè)計(jì)背景隨著社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的迅速發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求越來越強(qiáng)烈， 產(chǎn)品的形狀也隨之變得更加復(fù)雜，要求產(chǎn)品精度也越來越高，對(duì)于多品種、小批量產(chǎn) 品的需求也明顯增加。傳統(tǒng)的機(jī)床難以繼續(xù)滿足以上要求， 為適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，數(shù)控 機(jī)床如雨后春筍應(yīng)運(yùn)而生，并且發(fā)展良好，已經(jīng)形成了比較齊全的數(shù)控機(jī)床種類。數(shù)控機(jī)床的主要優(yōu)點(diǎn)：1、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性大當(dāng)加工的產(chǎn)品類型發(fā)生變化時(shí)，只需要改變數(shù)控程序就可以滿足轉(zhuǎn)型要求， 無需 對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，如此一來能夠縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。2、加工精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)大都采用滾軸絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 其誤差可有數(shù)控裝置進(jìn)行

2、補(bǔ)償；數(shù)控 機(jī)床在加工時(shí)，人為的干擾因素較少，加工過程由程序控制，從而減少了人為誤差。3、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高數(shù)控機(jī)床能夠根據(jù)具體情況合理的選擇機(jī)械加工余量，縮短了機(jī)械加工時(shí)間。數(shù)控機(jī)床配有各種檢測(cè)元件，可以進(jìn)行精確的定位、測(cè)量，無需人工定位、測(cè)量，進(jìn)一 步提高生產(chǎn)效率，同時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也減小了。4、經(jīng)濟(jì)效益好用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，可以減少工藝裝備的使用、縮短生產(chǎn)周期同時(shí)具有管理 方便、廢品率低等優(yōu)點(diǎn)，這些都能夠提高緊急效益。21世紀(jì)數(shù)控技術(shù)將是各國(guó)機(jī)械制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心。隨著中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，數(shù) 控技術(shù)的廣泛應(yīng)用也是支撐我國(guó)未來制造業(yè)發(fā)展的前提和必要。對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)械相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生掌握一

3、定的數(shù)控技術(shù)也是十分必要的。我們有一個(gè)數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的加工設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用三維軟件建模，然后設(shè)計(jì)加工工藝路線，在三維軟件中自動(dòng)生成程序?qū)氲綌?shù)控機(jī)床加工仿真軟件中去，進(jìn)行加仿真。此次試驗(yàn)有效地提高了我們軟件運(yùn)用、 加工理論的運(yùn)用能力，但是沒能親身體 驗(yàn)一下用真實(shí)的數(shù)控機(jī)床去加工一個(gè)真實(shí)的工件。 現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床大都是為企業(yè)生產(chǎn) 設(shè)計(jì)的，外形尺寸較大，價(jià)格較為昂貴，用于教學(xué)用的小型數(shù)控機(jī)床還是比較少的， 為此我們參照企業(yè)數(shù)控機(jī)床與教學(xué)用數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)了主要用于教學(xué)的小型數(shù)控鉆銑 床。1.2 設(shè)計(jì)理念本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定位行業(yè)主要是：高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室、數(shù)控編程課程設(shè)計(jì)、職業(yè)技術(shù) 院校、數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地、工藝品加工

4、、科研院所等。就涉及行業(yè)的實(shí)際情況給設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足一些設(shè)計(jì)理念：1、 外形尺寸本產(chǎn)品主要用于輕載加工尺寸無需過大。 另外為適應(yīng)教職專用， 必須能夠在實(shí)驗(yàn)室里成群安放，供學(xué)生集體使用，占用面積不宜過大。由于需要安放 在實(shí)驗(yàn)室，所以噪音不宜過大，這就要求所選用的電機(jī)功率不要過大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同 時(shí)這也考慮到安全問題，由于學(xué)生在大學(xué)期間一般是首次接觸數(shù)控機(jī)床， 所以對(duì)數(shù)控 機(jī)床安全操作知識(shí)掌握有限。2、 加工精度本產(chǎn)品主要用于供學(xué)生做實(shí)驗(yàn)用，掌握數(shù)控機(jī)床的使用方法、 編程方法，所加工出的零件沒有實(shí)際應(yīng)用，所以本機(jī)床的加工精度不需要太精確， 以 降低制造成本。3、 控制系統(tǒng)大學(xué)期間學(xué)生對(duì)于數(shù)控編程的要求在

5、于基礎(chǔ)水平，當(dāng)參加工作 時(shí)繼續(xù)深入，所以本設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)力求操作簡(jiǎn)便， 人機(jī)關(guān)系合理，人機(jī)對(duì)話簡(jiǎn)單， 適合簡(jiǎn)單程序的應(yīng)用。4、 經(jīng)濟(jì)性當(dāng)今大學(xué)教育正向大眾教育發(fā)展，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求數(shù)量較 多，這就需要院?；ㄙM(fèi)大量資金購(gòu)買，從而應(yīng)盡量減少制造成本，經(jīng)濟(jì)性好，適應(yīng)大 眾教育。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括一下內(nèi)容：1、 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)床的整體布局形式、底座的設(shè)計(jì)、立柱的設(shè)計(jì)、 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)等。2、 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)包括主軸的軸頸設(shè)計(jì)計(jì)算、同步齒形帶的傳動(dòng)設(shè)計(jì)、 同步齒形帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承的壽命計(jì)算、聯(lián)軸器的選擇、主軸安裝形式等。3、 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括絲杠的有關(guān)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的選擇、

6、絲杠的安裝、 聯(lián)軸器的選擇等。4、 零件三維建模及裝配包括運(yùn)用UG進(jìn)行各個(gè)零件的三維建模、裝配，二維 圖紙的生成，裝配動(dòng)畫與運(yùn)動(dòng)仿真的生成。第二章 小型數(shù)控鉆銃床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1小型數(shù)控鉆銑床的技術(shù)參數(shù)根據(jù)所選定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域以及參考實(shí)際情況，對(duì)照相應(yīng)領(lǐng)域的有關(guān)參數(shù)，確定本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如表2-1 :表2-1產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)X軸行程220iiui王軸錐度MT3工作臺(tái)380X200MF輸亍程190mn主軸電機(jī)功率1.1KMT型槽尺寸2軸行程220mji主軸轉(zhuǎn)速200-3500r/niin控制方式開環(huán)最大鉆孔直徑13mjn最大錢削直徑丁型槽個(gè)數(shù)3X軸電機(jī)扭矩4NMY軸電機(jī)扭矩Z軸電機(jī)扭6NM主軸電

7、機(jī)扭拒G 5NM外形尺寸980X380X1 700imi快速移動(dòng)速 度2500mjii/inin2.2機(jī)床的總體布局常用的數(shù)控鉆銑床的整體布局形式如圖2-1 :(a)(b)(c)圖2-1常見數(shù)控鉆銃床布局形式根據(jù)上圖結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)際情況我們選擇圖（a）所示的結(jié)構(gòu)：X、丫軸分別在步進(jìn)電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，Z軸在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做垂直于工作臺(tái)的上下往復(fù) 運(yùn)動(dòng)；主軸在電機(jī)的帶動(dòng)下經(jīng)傳同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成切削任務(wù)。此布局構(gòu)造比較簡(jiǎn)單適合本產(chǎn)品使用的領(lǐng)域。最終確定本產(chǎn)品的總體布局結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示：1、電配箱2、底座3、立柱4、Z軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)5、主軸直流無刷電機(jī)6、數(shù)控裝置7、主

8、軸箱8、導(dǎo)軌9、工作臺(tái)10、Y軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)圖2-2本產(chǎn)品總體布局2.3主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底座的設(shè)計(jì)圖2-3底座、底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖2-3所示為底座的結(jié)構(gòu)圖：1、 沉頭空用于連接底座與電配箱；2、 螺紋孔用于連接立柱與底座；3 、底座導(dǎo)軌 用于攜帶承載移動(dòng)導(dǎo)軌與工作臺(tái)按加工路線運(yùn)動(dòng)；4、軸承座凸臺(tái)用于固定Y軸進(jìn)給系統(tǒng)的末端軸承座，同時(shí)設(shè)有凸臺(tái)可以減小加 工面積，從而保證軸承座的定位精度；5、電機(jī)座凸臺(tái) 用于固定丫軸進(jìn)給系統(tǒng)的電機(jī)座，同時(shí)具有與 相同的作用；此外，底座與箱體安裝接觸的表面中部向內(nèi)凹陷， 這樣可以減小加工面積，提高 加工時(shí)的效率，同時(shí)可以減小機(jī)體重量。、底座材料的選擇：選擇鑄鐵件1

9、、抗震性好和耐磨性。機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可避免的會(huì)發(fā)生震動(dòng)，而鑄鐵材料內(nèi)部 的石墨含量較咼，可以起到減震的作用，減小噪音。同時(shí)，鑄鐵內(nèi)部存在許多微孔可 以存儲(chǔ)一些潤(rùn)滑油，本身的脫落也能夠起到潤(rùn)滑作用；2、加工工藝性好，造價(jià)低。鑄鐵含碳量比較高，熔點(diǎn)低，在生成鑄件時(shí)流動(dòng)性好，收縮率小，比較適合生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或薄壁零件。 此外，鑄鐵在切削工時(shí)容易斷屑， 有效避免積屑瘤的產(chǎn)生，提高了加工時(shí)的表面加工精度。3、強(qiáng)度和剛度較高，不易發(fā)生變形。、底座的熱處理：底座鑄件作為機(jī)床中比較基礎(chǔ)的部件， 需要承載較大的載荷，必須要經(jīng)過熱處理 才能改善內(nèi)部組織，提高其實(shí)用性能。本底座的熱處理主要有： 、去應(yīng)力退火。在 底座鑄

10、造完畢時(shí)，由于內(nèi)外冷卻速度不同，壁的厚薄也存在差異，所以冷卻后內(nèi)部含 有很大應(yīng)力。在加工前要進(jìn)行去應(yīng)力退火。、表面淬火?？梢蕴岣哞T件的表面硬度， 但不改變鑄件內(nèi)部韌性。從而獲得足夠的表面硬度和較好的內(nèi)部剛度，提高工件性能。立柱的設(shè)計(jì)、立柱基本要求?；疽螅?、使用要求：能夠順利完成其功能，吊運(yùn)、安裝方便以及外形美觀 大方。、工藝要求：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)力求減小內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，壁厚均勻；鑄造完成 以及粗加工完成后要進(jìn)行時(shí)效處理。 、性能要求：要有較高的剛度、抗震性能好、 在溫度變化較大的情況下的變形小。、立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：原則：立柱的合理設(shè)計(jì)要本著以最小的自身重量去承受最大的靜剛度。靜剛度與截面慣性矩成

11、正比。即使所用材料、截面面積相等，如果橫截面形狀不同，則其截面慣性矩也不同。因此，合理的選擇立柱的截面形狀，獲得較大的截面慣 性矩可以有效地提高立柱的剛度和強(qiáng)度。常用的機(jī)床立柱截面形狀表2-2所示： 表2-2立柱截面形狀空心拒形截面三面封閉式截面三壁結(jié)構(gòu)三面封閉式結(jié)枸圓形截直截面形狀特點(diǎn)兩面截面封SL切屑和冷卻港的対瞻方1更但是剛度較低*三面封閉，無法進(jìn)行切屑的排除。適合機(jī)床中小型車床龍門刨床、升降臺(tái)鐵床、龍門銃床能夠承受重載荷。內(nèi)部可嘆用于存儲(chǔ)潤(rùn)滑油以及冷卻港，同時(shí)便于安裝迸給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。有較好的抗扭轉(zhuǎn)剛度， 但是抗彎剛度較小，用 于裁荷不大的機(jī)床Q大型重型機(jī)床揺臂、臺(tái)式鉆床、組合機(jī)床對(duì)稱方形

12、截面具有較好的抗蠻、抗扭剛度，用于承受比價(jià)復(fù)雜的空間載荷。律床、銭床、組合機(jī)床心對(duì)稱矩形截面具有較好的抗蠻剛度 但是抗扭剛度較低，夢(mèng) 用于需要承受較大彎 曲載荷的機(jī)床立柱。中大型單軸或多軸立式鉆床、組合機(jī)床查使用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表10-7 （截面形狀與慣性矩和及慣性矩的關(guān)系），比較 截面面積相同，截面形狀不同的慣性矩計(jì)算值和相對(duì)值，可以得出：1、空心截面的剛度比實(shí)心截面的大，在相同的截面面積的情況下，如果擴(kuò)大輪 廓尺寸，減小壁厚，可以有效的提高截面慣性矩。故立柱的截面應(yīng)做成中空，外輪廓 適當(dāng)做大，使壁厚減小。2、與矩形或方形截面相比，圓形或是環(huán)形截面的抗扭剛度相對(duì)來說是比較高的。 但是，抗彎剛度要

13、小。由于立柱主要承受的是彎曲力矩，所承受的扭轉(zhuǎn)力矩較小，所 以本設(shè)計(jì)選擇矩形或是方形，由于矩形截面與方形相比其高度方向的抗彎剛度較大， 所以選擇矩形截面。3、圭寸閉的截面要比有開口截面的剛度大，對(duì)于抗彎剛度的影響更為明顯。因此立柱的截面應(yīng)該選擇封閉的。4、要合理選擇機(jī)床立柱的寬度和高度的比值。查使用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，常用機(jī)床床身、立柱等高寬比值如表2-3所示：表2-3床身、立柱寬高比機(jī)架名稱高寬比%使用機(jī)床床身0普通機(jī)床1.2 1.5八角機(jī)床2.03.0立式鉆床、組合機(jī)床34立式車床懸臂梁23搖臂鉆床、單柱立式車床橫梁1.5 2.2坐標(biāo)鏜床工作臺(tái)0.1 0.18矩形工作臺(tái)0.08 0.12圓形工作

14、臺(tái)底座0.1搖臂鉆床233導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌的功能和分類導(dǎo)軌功能：導(dǎo)軌的主要作用是用來導(dǎo)向和承載，對(duì)靜導(dǎo)軌起到導(dǎo)向作用使之能夠 按照一定的方向運(yùn)動(dòng)，并且能夠承受一定載荷。導(dǎo)軌分類：按照摩擦性質(zhì)分有：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌；按照受力情況分有：開式導(dǎo)軌、閉式導(dǎo)軌。開式導(dǎo)軌如圖2-4（a）所示，在其承載的部件的重力和載荷作用下，動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌的工作面始終保持相互接觸、貼合。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不能承受較大的傾覆力矩。閉式導(dǎo)軌如圖2-4 （b）所示，借助于壓板使動(dòng)導(dǎo)軌與靜導(dǎo)軌相互連接，能夠承受一定的傾覆力矩。、導(dǎo)軌的基本要求1、導(dǎo)向精度高主要影響因素：、導(dǎo)軌的加工精度和安裝精度；、導(dǎo)軌構(gòu)造；、導(dǎo)軌的抗變

15、形能力即剛度和抗熱變形能力； 、導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度。圖2-4按受力情況導(dǎo)軌的分類2、 承載力大，剛性好 主要影響因素：、導(dǎo)軌的截面形狀、尺寸；、導(dǎo)軌、 支承件之間的連接方式；、載荷的性質(zhì)、大小、方向即受力情況。3、 耐磨性好 主要影響因素：、導(dǎo)軌所選用的材料；、導(dǎo)軌與底座的摩擦 性質(zhì)；、潤(rùn)滑和防護(hù)條件。4、低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 在速度比較低或是進(jìn)給量比較小時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)“爬行”現(xiàn) 象（即低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象）。主要影響因素：、靜導(dǎo)軌與動(dòng)導(dǎo)軌之 間的摩擦系數(shù)的差別；、傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度； 、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì) 量以及運(yùn)動(dòng)副之間的潤(rùn)滑狀況。5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、導(dǎo)軌的截面形狀1、直

16、線滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀主要有：燕尾形、三角形、矩形、圓柱形。具體的 形狀及其特點(diǎn)見表2-4所示：2、 導(dǎo)軌的組合形式主要有：雙三角形導(dǎo)軌、雙矩形導(dǎo)軌、三角形-矩形導(dǎo)軌、 矩形-燕尾形導(dǎo)軌等。具體特點(diǎn)及應(yīng)用機(jī)床如表 2-5所示：、導(dǎo)軌的材料選擇根據(jù)導(dǎo)軌的作用可以知道，對(duì)導(dǎo)軌材料的主要要求是耐磨性，其次要求工藝性好， 便于加工，成本低。鑄鐵、塑料、鋼等是常用的材料。導(dǎo)軌的靜導(dǎo)軌與動(dòng)導(dǎo)軌在工作時(shí)相互接觸摩擦， 為減小摩擦，兩者的材料應(yīng)盡量 選擇不同的材料，或者采用不同的熱處理方法，防止摩擦力過大發(fā)生膠合現(xiàn)象。綜合上述導(dǎo)軌的各種優(yōu)缺點(diǎn)，參照實(shí)際類似機(jī)床的導(dǎo)軌形狀，采用雙矩形導(dǎo)軌， 動(dòng)、靜導(dǎo)軌之間采用壓板

17、連接，確定具體導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形狀如圖2-5所示（a）圖為導(dǎo)軌，下面直接扣壓在底座上，上面承載工作臺(tái)；（b）圖為壓板，開有儲(chǔ)油槽，減小摩擦；（c）圖為工作臺(tái)，采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的12mm勺T型槽：表2-4導(dǎo)軌類型導(dǎo)軌類型截面形狀特點(diǎn)應(yīng)用矩形導(dǎo)軌13J：壓板支承面 N；導(dǎo)向面。剛度大 承載能力大：易于 制造，檢驗(yàn)和維修 方便，導(dǎo)向性差， 導(dǎo)軌面N破損后不 能自動(dòng)補(bǔ)償間隙。用于載荷較大、導(dǎo) 向性能要求不高的 機(jī)床，如粗加工機(jī) 床導(dǎo)軌。三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向精度較高，當(dāng)支承面磨損后能夠在重力的作用下自動(dòng)補(bǔ)償間隙J頂角口増大.承載能力増大，導(dǎo)向精度下降,。誠(chéng)小時(shí)，承載能力下降,導(dǎo)向精度提HoF小頂角導(dǎo)軌多用于 輕載精密機(jī)

18、床！大 頂角導(dǎo)軌多用于重 載口精度要求不高 的機(jī)床。燕尾形導(dǎo)軌可以承受較大的傾 覆力矩；高度小， 結(jié)構(gòu)緊凄，間隙調(diào) 整方便；膽識(shí)滑動(dòng) 阻力大，剛度較低,不易加工7受力較小、導(dǎo)向精 度不咼、移動(dòng)速度 較低、高度尺寸要 求小的部件。圓柱形導(dǎo)軌工藝性好、制造方便；接觸面磨損后能夠自動(dòng)補(bǔ)償間隙。用于承受軸向載荷的場(chǎng)合，如揺臂鉆床立柱。表2-5導(dǎo)軌組合形式組合形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖特點(diǎn)應(yīng)用孜三角形| I導(dǎo)向精度、保持性好、 有自動(dòng)補(bǔ)償功能；工藝 性差，加工制造、維修不便。用于楮度要求好的機(jī)床中，如齒輪磨床、坐標(biāo)磨床、絲杠車床*導(dǎo)軌車床等。歡拒形I普通椿度機(jī)床、重型機(jī)床0剛性好，承載能力犬;工藝性好，易于力口工制遂

19、維修英導(dǎo)向性差，磨損后不能夠自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需要人工調(diào)整。三角形-拒形b)導(dǎo)向性好、剛度高、工莒性好。龍門刨床、龍門銃床、磨床的床身導(dǎo)軌。(a)圖2-5本設(shè)計(jì)所用的導(dǎo)軌、壓板、工作臺(tái)(c)第三章主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1、主軸要有一定的轉(zhuǎn)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的開啟、停止、正反轉(zhuǎn)等；2、主軸電機(jī)要有足夠的功率，能夠滿足機(jī)床切削所用功率，傳動(dòng)件要有足夠的 強(qiáng)度和剛度，到達(dá)機(jī)床所需的動(dòng)力要求；3、主軸組件要有較好的制造精度、平衡性、抗震性、抗變形能力，以減小變形、 震動(dòng)、噪音，滿足機(jī)床工作性能的要求；4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于安裝、維修，滿足使用要求；5、良好的工藝性，便于

20、加工制造，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式1 、配有變速齒輪的主傳動(dòng)通過具有一定傳動(dòng)比的幾對(duì)齒輪嚙合來做到變速，降速時(shí)能夠滿足低速大轉(zhuǎn)矩的 要求，升速時(shí)能夠滿足高速小轉(zhuǎn)矩的要求。多用于大中型數(shù)控機(jī)床。2、通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)通過電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速范圍就能夠滿足要求， 不需要復(fù)雜的齒輪變速，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn) 單，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，但是傳動(dòng)功率有限。多用于功率要求不大的中小型機(jī)床，常 用V帶或是同步帶來完成。3、通過電主軸的主傳動(dòng)主軸直接沒裝于電機(jī)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，可獲得較高的主軸轉(zhuǎn)速，主軸剛度大, 但是輸出轉(zhuǎn)矩有限，散熱性能差。多用于中小型機(jī)床。4、兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的主傳動(dòng)需要轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采用高速電機(jī)帶動(dòng)

21、，低速時(shí)用另一個(gè)低速電機(jī)帶動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)所傳遞的功率較小，主軸電機(jī)選用的功率是1.1KW加工所需要的轉(zhuǎn)速變化范圍不是很大，根據(jù)上述，主軸的傳動(dòng)選擇帶傳動(dòng) -同步齒形帶傳動(dòng)。同步齒帶傳動(dòng)就是在帶的內(nèi)側(cè)分布著等間距的齒槽， 帶的齒槽與與帶輪齒廓彼此 嚙合，如圖3-1所示，從而保證傳動(dòng)時(shí)帶與帶輪之間沒有相對(duì)的滑動(dòng)， 與普通帶傳動(dòng) 相比滑差率為零，傳動(dòng)比比較準(zhǔn)確。同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)如下：1、傳動(dòng)時(shí)沒有相對(duì)的滑動(dòng)，傳動(dòng)比比較準(zhǔn)確；2、同步齒形帶無需太大的軸向力，所以作用在軸上的力小，延長(zhǎng)了軸承的壽命；3 、傳動(dòng)效率較普通三角帶要高，同步帶一般為0.98，而普通帶一般為0.95 ;4 、適應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍大，一般

22、為10m/s,高速時(shí)允許50m/s；5 、與鏈傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)相比有較好的吸振性，噪音較小，傳動(dòng)較平穩(wěn)。帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有關(guān)參數(shù)計(jì)算由于本設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 3500RPM最低轉(zhuǎn)速為400RPM勺92#直流無 刷電機(jī)(詳細(xì)選擇原則見下文)，所以考慮到轉(zhuǎn)矩的要求應(yīng)該降低轉(zhuǎn)速來滿足低速時(shí) 大轉(zhuǎn)矩的要求，初步選定傳動(dòng)比為i =2。由于主軸距離箱體內(nèi)壁的距離分別為l1 =50mm，12 = 56mm ;以及兩軸之間的距離I = 102mm ；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 表11-1可知：大帶輪與內(nèi)箱壁距離也a1.26 (其中6 8mm )0初步選定大帶輪分度 圓直徑d2 =88mm，小帶輪分度圓直徑d44

23、mm。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表13-1-59，選擇特殊節(jié)距制帶輪。由公式 z=d (3.1 )/ Pb其中：Pb-節(jié)距；d-分度圓直徑; z-齒數(shù)。求得z =27.6，取整z =28。最后確定大帶輪的分度圓直徑為d2 =89.17mm，取整為d2 =89mm。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以求得大帶輪外徑 d0 87mm,帶寬Q = 25mm，擋圈最 小高度 K =2.2mm，擋圈彎曲處直徑 d d0 (0.38 一0.25) = 87.7mm，取整 d 88mm 擋圈外徑df -dw 2K =87.38 93.38mm，取整d93mm。最終的結(jié)構(gòu)圖如 3-2 所示：圖3-2本設(shè)計(jì)所用的同步齒形帶輪本設(shè)計(jì)的主軸箱

24、內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明通過綜合各部分的傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，參考同類機(jī)床的傳動(dòng)形式，最終確定本設(shè)計(jì)1、主軸箱2、大帶輪3、同步齒形帶4、拉桿5、直流無刷電機(jī)7、小帶輪 8、絲杠螺母9、主軸I 10、主軸II圖3-3主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：工作原理說明：主軸I在無刷直流電機(jī)的帶動(dòng)下，通過同步齒形帶傳動(dòng)給主軸II , 主軸II上安裝刀具，主軸端部的錐孔的錐度為 7:24，作為刀具的定位，并用通過旋 轉(zhuǎn)主軸末端的拉桿來夾緊刀具，用主軸端部的端面鍵來傳遞扭矩。整個(gè)主軸箱通過導(dǎo) 軌與壓板的組合掛在立柱上，并通過絲杠螺母來傳遞進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主軸電機(jī)的有關(guān)說明：根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)本設(shè)計(jì)選定的是BLMC-1100

25、-300H直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，此系統(tǒng)單元功能完善、節(jié)能環(huán)保、抗干擾力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、不易 出現(xiàn)故障、維修方便，低速時(shí)可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。直流無刷電機(jī)的選擇參考如表3-1所示：表3-1直流無刷電機(jī)系列表機(jī)床電機(jī)主軸等級(jí)額定電壓（V）額定功率（W額定轉(zhuǎn)速（RPM應(yīng)用范圍92#直流無刷電機(jī)AC220/1105003500、 6000小型精密數(shù)控銃 床92#直流無刷電機(jī)AC220/1107506000、 12000小型精密數(shù)控車床92#直流無刷電機(jī)AC220/11011003500、 6000小型數(shù)控鉆銃床123#直流無刷電機(jī)AC220/11015003000、 6000小型精密車鉆床123#

26、直流無刷電機(jī)AC220/11020003500、 6000多功能機(jī)床根據(jù)上表選擇適應(yīng)小型數(shù)控鉆銑床的額定轉(zhuǎn)速為3500RPM勺92#直流無刷電機(jī),最低轉(zhuǎn)速為400RPM電機(jī)的外形安裝尺寸如圖3-4 :亂口出崔-i叩（“nH i FEVt C l圖醫(yī)迅蛍圖3-4電機(jī)安裝外形圖3.2主軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來確定主軸的結(jié)構(gòu)后應(yīng)該對(duì)主軸的直徑進(jìn)行計(jì)算，以確定軸的主要尺寸。其設(shè)計(jì)計(jì)算步驟及其內(nèi)容如下：1、很據(jù)主軸所傳度的功率初步估算主軸的最小直徑；2、各軸端長(zhǎng)度的確定；3、主軸的剛度與強(qiáng)度的校核；4、根據(jù)校核結(jié)果對(duì)軸的直徑進(jìn)行必要的修改，確定最后的結(jié)構(gòu)尺寸。主軸直徑的初步估算由于軸系零件尺寸

27、結(jié)構(gòu)的確定都需要根據(jù)所在軸段的直徑來確定，如軸承型號(hào)的選擇、帶輪內(nèi)徑的確定、鍵的強(qiáng)度計(jì)算等。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)可知，軸的直徑的確定 可以按照如下公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于實(shí)心軸，直徑估算公式為:(3.2)對(duì)于空心軸，則有：(3.3)d3 Pn（4）mm式中：d計(jì)算截面處軸的最小直徑，mmP 該軸傳遞的功率，Kvyn軸的轉(zhuǎn)速，r/mi n;d- 內(nèi)外徑之比，2 -，通常取0.5-0.6 ；dA與材料有關(guān)，具體查表3-2，摘自機(jī)械設(shè)計(jì)表3-2軸常見幾種材料的 T及 A值軸的材科Q235-Ak 20Q帕35 (ICrlSNiSTi)454OCr SSSiMn38SiMo, 3Crl3“門處15-2520-3525

28、-3435-554149-126135-112126-103112-97、計(jì)算兩軸所傳遞的功率 各軸所傳遞的計(jì)算公式為：(3.4)由表2-1可知，本設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)的功率 P=1.1kw，由圖3-2可以看出第一根 軸通過一個(gè)聯(lián)軸器與電機(jī)相連，設(shè)傳遞效率為1;第二根軸通過同步帶與第一根軸連接，設(shè)傳遞效率為 2。查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)可得： 1=0.99-0.995,取0.99 ； 2=0.98.則有：p.= p 1 =1.10.99=1.089KWP-=P.2=1.089 0.98=1.067KW、估算兩軸的最小直徑對(duì)于轉(zhuǎn)速n已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3500RPM傳動(dòng)比為i=2，則有n1 =3500RP

29、Mn2=1750RPM兩軸的最小直徑為：4 一126 3 1.13500 ： 8.6mm11mm由查機(jī)械設(shè)計(jì)可知，當(dāng)在軸上開鍵槽時(shí)，為了考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱，應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)增大軸的直徑。對(duì)于直徑d _100mm的軸段，開有一個(gè)鍵槽的軸段，其直徑就 應(yīng)該增大3%開有兩個(gè)鍵槽的軸段應(yīng)該增大 7%對(duì)于直徑dE 100mm的軸段，開有 一個(gè)鍵槽的軸段直徑增大5-7%,開有兩個(gè)鍵槽的軸段，直徑應(yīng)該增大 10-15%。由于本設(shè)計(jì)第一根軸軸的端部需要與電機(jī)通過聯(lián)軸器相連， 所以其最小直徑應(yīng)增 大5%故有直徑d1 =8.6 1.05 = 9.03mm，考慮到電機(jī)的軸徑d =14mm,便于用聯(lián)軸器 連接，而且留有

30、一定的余量，同時(shí)考慮軸承標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑，最后取整為：d =14mm。對(duì)于第二根軸，由于是空心軸，內(nèi)部需要安裝拉桿，拉桿需要承受一定的拉力， 所以此軸的內(nèi)徑必須適當(dāng)增大，最后確定內(nèi)徑為16mm考慮軸承內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列取外徑為25mm各軸段長(zhǎng)度和直徑的確定各軸段直徑與結(jié)構(gòu)的確定要根據(jù)軸上的零件、主軸箱的結(jié)構(gòu)確定，以最小直徑為 基礎(chǔ)逐一確定，但是要滿足一定的要求：1、各軸段如果需要安裝標(biāo)準(zhǔn)零件，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸確定，如需要安裝 軸承的軸段，應(yīng)按照軸承內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列取值；2、為了使有配合的零件能夠便于安裝、拆卸，應(yīng)該使有軸段配合的前一部分的 直徑小一些；3、為使配合零件便于裝配應(yīng)該使軸段壓入端制出錐形，如斜

31、倒角、圓倒角。4、軸段的長(zhǎng)度，應(yīng)該使結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，滿足齒輪、軸承的定位要求。323軸的剛度與強(qiáng)度的校核、第一根軸的強(qiáng)度校核 本次設(shè)計(jì)由于兩根軸的作用不同所以必須都需要校核亠一 /川的前端通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接,直徑的確定后，軸的大體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示（軸 筒進(jìn)行定位，然后用一對(duì)型號(hào)為/I I I的深溝球軸承支撐，軸的中 肩與套筒進(jìn)行定位），根據(jù)據(jù)本設(shè) 矩可以求出，因而可以按照產(chǎn)6003的深溝球軸 中間是小同步齒形帶輪, 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)通過軸個(gè)軸段的長(zhǎng)度及其，用套軸的末端用一個(gè)型號(hào)為6004 來傳遞扭矩，兩端分別用軸 及其相關(guān)計(jì)算，軸所受的彎矩和扭 強(qiáng)度校核。丫承支撐，通過鍵、根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖

32、TiACBUFaj7733Ri33一pLari 圖3-6受力簡(jiǎn)圖計(jì)算轉(zhuǎn)矩公式為：PT = 9550 （ 3.5）n式中：T -該軸所承受的轉(zhuǎn)矩，N M ; P -該軸所傳遞的功率，KW ; n-該軸的轉(zhuǎn)速，rmin o由式2.4可得，當(dāng)轉(zhuǎn)速最小時(shí)有：二 9550nmin=9550 1089 =26N400力Ft的計(jì)算公式為：P = F V (3.6)由式2.5可得，當(dāng)速度V有最小值時(shí)有：Ft maxPminPdnmin1.0893.14 400 0.044=1194N但是Ft總二Ft1 - F壓，現(xiàn)在需要求出壓軸力F壓。由于次傳動(dòng)是同步齒形帶，所 以壓軸力很小，現(xiàn)估算為50N則有：Ft 總=1

33、194+50=1244N求軸向力Fa的大?。河捎诖溯S為垂直放置，軸向力的大小主要與聯(lián)軸器、小帶 輪以及套筒的重量有關(guān)。估算軸向力為：Fa二G聯(lián)軸器 G小帶輪G套筒100 5020 = 170N、根據(jù)圖3-6以及以上計(jì)算，依次做出軸的剪力圖、彎矩圖、扭矩圖如圖3-7所示：剪力圖：Fs(N)AACBX -R2(a)由這些應(yīng)力圖可以判定截面 強(qiáng)度條件為：C為危險(xiǎn)截面按照第三強(qiáng)度理論，則有軸的彎扭組合彎矩圖:T(N)(c)圖3-7剪力圖、彎矩圖、扭矩圖-ca二 m2(t)2 J(3.7 )式中：匚ca-軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa ；W-軸的抗彎截面系數(shù)，mm3，計(jì)算公式見表3-3:；T -軸所售的彎矩，N

34、mm ；M -軸所受的彎矩，N mm ；軸的彎曲許用應(yīng)力，其值可以查表 3-3得到；-折算系數(shù)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，-：1 O 由上面計(jì)算可得：M c = Ri I ac =622 33 = 20526N mm;Tc -9550 Pnmin= 9550 1.089 =26000N mm。400則有：M 2 ( T)2Cca205262260002-54MPa ；其中查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-4得:廠2bt(d-t) ，b =5mm,t =3mm, d =19.4mm。32 2d查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-1可得，直徑為20mm材料為調(diào)質(zhì)處理的45鋼的需用應(yīng) 力卜J-60MPa，由于匚ca冬4 J，所以此

35、軸強(qiáng)度滿足要求。表3-3抗彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式（部分）截面WW田33& 0.1d32江d3廠腫fc 0.2d1633叱(104)71d3(1 B4)32列(1 P4 0.2(1 B4)16P =巴d大P =巴d大32叱3 bt(d -1)2322db:鍵寬，t:鍵深32nd3 bt(d t)2162db:鍵寬，t:鍵深、軸的剛度校核 彎曲剛度校核計(jì)算:軸在載荷作用下會(huì)發(fā)生彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形，如果這些變形超出了一定范圍就會(huì) 影響軸系部件的正常工作，致使機(jī)床產(chǎn)生震動(dòng)、噪音。例如，如果軸的彎曲剛度不足 就會(huì)引起軸的撓度或轉(zhuǎn)角過大，造成主軸箱內(nèi)部齒輪不能正確嚙合，沿齒寬方向力的 分布不均性更為嚴(yán)重

36、。軸的剛度校核一般是用撓度和轉(zhuǎn)角的大小來衡量，其值不允許大于允許值。Ldv鳥i4由于本設(shè)計(jì)的軸不是光軸，不能直接應(yīng)用材料力學(xué)的計(jì)算公式， 需要把階梯軸各 個(gè)直徑折算成當(dāng)量直徑dv:3.8)式中：dv-當(dāng)量直徑，mm ;L-階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度,L=l(支撐跨距);li-階梯軸的各段長(zhǎng)度， di-階梯軸的各段直徑, z-階梯軸的軸段數(shù)。mm，當(dāng)載荷作用于兩支撐中間時(shí),mm ；mm ；13mmJ66一 4 6720401012144 174 1944 2284 204由材料力學(xué)表6.1的在此軸形式下得最大撓度和端截面轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式分別為：Fl3Wmax48EI(3.9)(3.10)-Fl2 16EI其

37、中：l-軸的支撐跨距。假設(shè)材料的彈性模量E =210GPa，則有：33Fl31244 漢 663wmax0.025mm48EI 48 210 1401Fl16EI1244 66216 210 1401-0.00115rad軸的剛度校核條件為：撓度：w乞W】(3.11 )轉(zhuǎn)角：八：I(3.12)式中：WL軸的需用撓度，mm,其值查表3-4 ;b-軸的需用轉(zhuǎn)角，rad，其值查表3-4.本設(shè)計(jì)對(duì)軸的要求為一般用途，所用的軸承為滾動(dòng)軸承，所以通過上表可以求得:Wl = (0.0003 0.0005) l =0.0004 66 = 0.0264mm；匚 I - 0.0012rad 。由于：w A*結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

38、單、工藝性好、易 于制造。但杲滾道與彎 菅吻合處不易于準(zhǔn)確制造 而影響性能，應(yīng)展支少。 、齒差調(diào)整預(yù)緊式如圖4-3 :圖中2為兩個(gè)內(nèi)齒輪，3為兩個(gè)外圓柱齒輪，2、 3相互嚙合用螺釘安裝于套筒1上，工作時(shí)將兩個(gè)內(nèi)齒輪取下，然后將兩個(gè)螺母向向 相反的方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而達(dá)到調(diào)整預(yù)緊的作用。特點(diǎn)：預(yù)緊調(diào)整精度高。圖4-3齒差調(diào)整預(yù)緊式 、墊片調(diào)整預(yù)緊式如圖4-4 :調(diào)整墊片1的厚度使兩個(gè)螺母產(chǎn)生反向的拉力, 這樣就可以消除間隙。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、加工制造方便、剛度大。但是，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不方便調(diào)整。1b)a)圖4-4墊片調(diào)整預(yù)緊式、滾珠絲杠副的支承方式常用的支承方式如下： 、單推-單推式如圖

39、4-5所示，兩端都安裝止推軸承，承受軸向力圖4-5單推-單推式 、雙推-雙推式如圖4-6所示，兩端都安裝止推軸承和向心力軸承， 承受徑向力和軸向力。特點(diǎn): 軸向剛度高、預(yù)拉緊安裝時(shí)須加載荷小，軸承壽命較高。適用于高速、高剛度、高精 度的場(chǎng)合。圖4-6雙推-雙推式 、雙推-簡(jiǎn)支式如圖4-7所示，固定端安裝深溝球軸承和雙向推力軸承，承受徑向和軸向載荷。簡(jiǎn)支端用深溝球軸承約束。特點(diǎn)：軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)，雙推端可預(yù)緊拉伸 、雙推-自由式如圖4-8所示，固定端可以用深溝球軸承和雙向推力軸承組合或用圓錐滾子軸承。圖4-7雙推-簡(jiǎn)支式圖4-8 雙推-自由式通過綜合考慮以上所介紹的，本次設(shè)計(jì)選擇外循環(huán)

40、墊片調(diào)整預(yù)緊的霜落滾珠絲杠 傳動(dòng)，采用雙推-單推組合式支承方式。據(jù)圖結(jié)構(gòu)圖如 4-9所示。圖4-9本設(shè)計(jì)所用支承方式4.2進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算X軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算由于滾珠絲杠已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，我們只需要計(jì)算出本設(shè)計(jì)所需要的性能參數(shù)， 然后根 據(jù)計(jì)算選擇滿足本設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)絲杠即可。、最大動(dòng)載荷的計(jì)算查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可得作用于絲杠軸向最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式為：式中：Fmax-最大工作載荷；fw-載荷系數(shù)（較小沖擊時(shí)為1.0-1.2 ；中等沖擊時(shí)為1.2-1.5 ； 較大沖擊時(shí)為1.5-2.5）；偉-硬度系數(shù)，其值可查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；L -壽命系數(shù)，單位106rad， L可按照下式進(jìn)行計(jì)算：60n

41、T / 4 2 ）L io6（4.2）C 一 L fH fw Fmax(4.1)其中T為使用壽命時(shí)間(h),本設(shè)計(jì)為數(shù)控機(jī)床T=15000h ； n為滾珠絲桿的轉(zhuǎn) 速(r /min)。由于本設(shè)計(jì)使用的導(dǎo)軌為矩形導(dǎo)軌，由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)可查的最大工作載荷的計(jì)算公式為：F = KFZ f (FX Fy G) (4.3)式中：G -工作臺(tái)的重量；Fx、Fy、Fz -切削力的三個(gè)分力，分別為垂直導(dǎo)軌分力、橫向力、切向力。 K-顛覆力矩影響系數(shù)，對(duì)于三角形和矩形導(dǎo)軌有K =1.11.15 ;f -當(dāng)量摩擦因數(shù)，對(duì)于舉行導(dǎo)軌有f = 0.120.13。查機(jī)械加工手冊(cè)得：Fx =(0.10.6)Fz；Fy =(0.150.7)Fz (4.4 )對(duì)于Fz的大小在前面軸的校核時(shí)求得帶輪的切向力為1194N這里的Fz與其相差不大，現(xiàn)大約取整FZ =1200N由式4.3及4.4可得：Fmax =1.1 1200 0.12 0.7 1200 1421N滾