教學(xué)用小型數(shù)控鉆銑床設(shè)計(jì)說明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 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

2、誤差可有數(shù)控裝置進(jìn)行補(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)床配有各種檢測元件，可以進(jìn)行精確的定位、測量，無需人工定位、測量，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)將是各國機(jī)械制造業(yè)競爭的核心。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用也是支撐我國未來制造業(yè)發(fā)展的前提和必要。對于學(xué)習(xí)機(jī)械相關(guān)專業(yè)的在

3、校大學(xué)生掌握一定的數(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?，F(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)生對于數(shù)控編程的要求在于基礎(chǔ)水平，

5、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)力求操作簡便，人機(jī)關(guān)系合理，人機(jī)對話簡單，適合簡單程序的應(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、絲杠的安裝、聯(lián)軸器的

6、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)控鉆銑床的總體結(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)2.2 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： 圖2-1 常見數(shù)控鉆銑床布局形式 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、Y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)

7、做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成切削任務(wù)。此布局構(gòu)造比較簡單適合本產(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)2.3.1 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

8、，從而保證軸承座的定位精度；5、電機(jī)座凸臺(tái) 用于固定Y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、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)部的石墨含量較高，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)一些潤滑油，本身的脫落也能夠起到潤滑作用；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

9、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。可以提高鑄件的表面硬度，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。 2.3.2 立柱的設(shè)計(jì) 、立柱基本要求。 基本要求：、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

10、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 查使用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊表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)算值和相對值，可以得出：1、空心截面的

11、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來說是比較高的。但是，抗彎剛度要小。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、封閉的截面要比有開口截面的剛度大，對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，常用機(jī)床床身、立柱等高寬比值如表2-3所示：表2-3

12、 床身、立柱寬高比機(jī)架名稱高寬比使用機(jī)床床身普通機(jī)床六角機(jī)床中、大型鏜床、龍門刨床立柱（包括立式床身）立式鏜床、單柱坐標(biāo)鏜床立式鉆床、組合機(jī)床立式車床懸臂梁搖臂鉆床、單柱立式車床橫梁坐標(biāo)鏜床工作臺(tái)矩形工作臺(tái)圓形工作臺(tái)底座搖臂鉆床2.3.3 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)簡單

13、、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

14、（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)副之間的潤滑狀況。5、 結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好 、導(dǎo)軌的截面形狀1、 直線滑動(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

15、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的T型槽： 表2-4 導(dǎo)軌類型 表2-5 導(dǎo)軌組合形式 （a) （b） （c)圖2-5 本設(shè)計(jì)所用的導(dǎo)軌、壓板、工作臺(tái) 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)3.1.1 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

16、，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，便于加工制造，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。3.1.2 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

17、夠滿足要求，不需要復(fù)雜的齒輪變速，結(jié)構(gòu)比較簡單，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)，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-

18、1所示，從而保證傳動(dòng)時(shí)帶與帶輪之間沒有相對的滑動(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，延長了軸承的壽命； 圖3-1 同步齒形帶傳動(dòng) 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)。3.1.3 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的92#直流無刷電機(jī)（詳細(xì)選

19、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。由于主軸距離箱體內(nèi)壁的距離分別為，；以及兩軸之間的距離；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（其中）。初步選定大帶輪分度圓直徑，小帶輪分度圓直徑。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表13-1-59，選擇特殊節(jié)距制帶輪。由公式（3.1）其中：-節(jié)距； -分度圓直徑； -齒數(shù)。求得，取整。最后確定大帶輪的分度圓直徑為，取整為。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可以求得大帶輪外徑，帶寬，擋圈最小高度，擋圈彎曲處直徑，取整擋圈外徑，取整。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3.1.4 本設(shè)計(jì)的主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

20、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-110

21、0-300H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)控銑床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)控鉆銑床123#直流無刷電機(jī)AC220/11015003000、6000小型精密車鉆床123#直流

22、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的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：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)果對軸的直徑進(jìn)行必要的修改，確定最后的結(jié)構(gòu)尺寸。3.2.1 主軸直徑的初步估算由于軸系零件尺寸結(jié)構(gòu)的確定都需要根據(jù)所在軸段的直

23、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。對于實(shí)心軸，直徑估算公式為： （3.2）對于空心軸，則有： （3.3）式中：計(jì)算截面處軸的最小直徑，mm； 該軸傳遞的功率，KW； 軸的轉(zhuǎn)速，r/min; 內(nèi)外徑之比，通常取0.5-0.6； 與材料有關(guān)，具體查表3-2，摘自機(jī)械設(shè)計(jì)。表3-2 軸常見幾種材料的及值、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；第二根軸通過同步帶與第一根軸連接，設(shè)傳

24、遞效率為。查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)可得：=0.99-0.995,取0.99；=0.98.則有：=1.10.99=1.089KW =1.0890.98=1.067KW、估算兩軸的最小直徑對于轉(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=3500RPM,=1750RPM。兩軸的最小直徑為：由查機(jī)械設(shè)計(jì)可知，當(dāng)在軸上開鍵槽時(shí)，為了考慮鍵槽對軸強(qiáng)度的削弱，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大軸的直徑。對于直徑的軸段，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%。對于直徑的軸段，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

25、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，考慮到電機(jī)的軸徑,便于用聯(lián)軸器連接，而且留有一定的余量，同時(shí)考慮軸承標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑，最后取整為：。對于第二根軸，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。3.2.2 各軸段長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

26、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，如斜倒角、圓倒角。4、 軸段的長度，應(yīng)該使結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，滿足齒輪、軸承的定位要求。3.2.3 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。通過軸個(gè)軸段的長度及其直徑的確定后，軸的大體結(jié)構(gòu)如圖3-5所示（軸的前端通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，用套筒進(jìn)行定位，然后用一對型號(hào)為6003的深溝球軸承支撐，軸的末端用一個(gè)型號(hào)為6004的深溝球軸承支撐，軸的中間是小同步齒形帶輪，通過鍵來傳遞扭矩，兩端分別用軸肩與套筒進(jìn)行定位），根據(jù)本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)及其相關(guān)計(jì)算，

27、軸所受的彎矩和扭矩可以求出，因而可以按照第三強(qiáng)度理論對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。圖3-5 主軸I安裝結(jié)構(gòu) 、根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖3-5做出軸的受力簡圖3-6： A C B 77 33 33圖3-6 受力簡圖 計(jì)算轉(zhuǎn)矩公式為： （3.5）式中：-該軸所承受的轉(zhuǎn)矩，； -該軸所傳遞的功率，； -該軸的轉(zhuǎn)速，。由式2.4可得，當(dāng)轉(zhuǎn)速最小時(shí)有：力的計(jì)算公式為： （3.6）由式2.5可得，當(dāng)速度V有最小值時(shí)有：但是，現(xiàn)在需要求出壓軸力。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：1194+50=1244N求軸向力的大?。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

28、為：、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： A C B X （a)由這些應(yīng)力圖可以判定截面C為危險(xiǎn)截面按照第三強(qiáng)度理論，則有軸的彎扭組合強(qiáng)度條件為：彎矩圖： AC B X (b) 扭矩圖： A C B X （c）圖3-7 剪力圖、彎矩圖、扭矩圖 （3.7）式中：-軸的計(jì)算應(yīng)力，； -軸的抗彎截面系數(shù)，計(jì)算公式見表3-3:； -軸所售的彎矩，； -軸所受的彎矩，； -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)力為對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，。由上面計(jì)算可得：；。則有：；其中查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-4得：，。查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-1可得，直徑為20m

29、m，材料為調(diào)質(zhì)處理的45鋼的需用應(yīng)力，由于，所以此軸強(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 、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。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。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： （3.8）式中：-當(dāng)量直徑，； -階梯軸的計(jì)算長度，

30、當(dāng)載荷作用于兩支撐中間時(shí)，； -階梯軸的各段長度，； -階梯軸的各段直徑，； -階梯軸的軸段數(shù)。 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： （3.9） （3.10）其中：-軸的支撐跨距。假設(shè)材料的彈性模量，則有：軸的剛度校核條件為：撓度： （3.11）轉(zhuǎn)角： （3.12）式中：-軸的需用撓度，其值查表3-4； -軸的需用轉(zhuǎn)角，其值查表3-4. 本設(shè)計(jì)對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：； 。由于：，所以此軸滿足要求。 表3-4 軸的需用撓度及需用轉(zhuǎn)角 名稱需用撓度/名稱需用轉(zhuǎn)角/一般用途的軸滑動(dòng)軸承0.0012剛度要求嚴(yán)格的軸向心球

31、軸承0.005感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軸調(diào)心球軸承0.05安裝齒輪的軸圓柱滾子軸承0.0025安裝蝸輪的軸圓錐滾子軸承0.0016安裝齒輪處軸截面0.001-0.002 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算：軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長轉(zhuǎn)角的變化來表示。由機(jī)械設(shè)計(jì)可得軸的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為：光軸： （3.13）階梯軸： （3.14)式中：-軸傳遞的扭矩，； -材料的剪切彈性模量，； -極慣性矩，； -受扭矩作用的長度； -軸上各段所受的扭矩、長度、極慣性矩； -軸段數(shù)。根據(jù)式（2.13）可以求得： 軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為： （3.15）查相關(guān)資料本設(shè)計(jì)的主軸滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。第二根主軸的強(qiáng)度及其剛度校核與第一根軸的校核方法類似，經(jīng)過驗(yàn)證第二根

32、主軸也是滿足使用要求的，在這里不再詳細(xì)的介紹。3.3 軸承壽命的驗(yàn)算3.3.1 軸承型號(hào)的選擇根據(jù)軸承所在軸段的直徑來確定軸承的型號(hào)，軸的強(qiáng)度和剛度在上述已經(jīng)進(jìn)行校核滿足要求，現(xiàn)在只需選擇滿足安裝同時(shí)滿足要求壽命的軸承型號(hào)。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)初步選擇型號(hào)為6003的深溝球軸承一對，型號(hào)為6004的深溝球軸承一只，詳細(xì)安裝見圖3-2.3.3.2 軸承載荷及壽命的計(jì)算根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以得知：一對軸承6003安裝處的支座反力,成對安裝對于單個(gè)軸承有；一只軸承6004安裝處的支座反力。軸向力。查機(jī)械設(shè)計(jì)可得當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算公式為： （3.16）式中：-徑向動(dòng)載荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5； -軸向動(dòng)載

33、荷系數(shù)，其值見機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5。對于6003軸承查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表6-1有：基本額定靜載荷;基本額定動(dòng)載荷。由，插值法求得。由，所以不能忽略軸向力的影響，由插值法根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5求得：；。根據(jù)式3.15得：。軸的壽命計(jì)算公式為： （3.17）式中：-基本額定動(dòng)載荷，N； -當(dāng)量動(dòng)載荷； -對于球軸承，；對于滾子軸承，； -額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)式3.16帶入數(shù)據(jù)可求得：足夠滿足使用要求。合理。、對于6004軸承查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表6-1有：基本額定靜載荷；基本額定動(dòng)載荷。由，插值法求得。由，所以不能忽略軸向力的影響，由插值法根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表13-5求得：；。根據(jù)式3.15得：。軸的壽命計(jì)算公式

34、3.16可得： 足夠滿足使用要求。合理。第四章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 絲杠傳動(dòng)介紹4.1.1 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)條件、特點(diǎn) 、絲杠螺母機(jī)構(gòu)的構(gòu)成 主要由絲杠、絲杠螺母、滾動(dòng)體三部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示（右圖為滾珠絲杠、左圖為滑動(dòng)絲杠）：圖4-1 滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠絲杠螺母機(jī)構(gòu)作用：能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為：滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)。、絲杠螺母機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)效率高、壽命長、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高、同步性好、可靠性高。但是，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、不容易制造、不能自鎖?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)比較簡單、比較容易加工制造、有自鎖功能。但是

35、，滑動(dòng)摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低。4.1.2 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)介紹 、滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)按循環(huán)方式分類見表4-1： 、滾珠絲杠的間隙調(diào)整預(yù)緊形式（部分） 、螺紋調(diào)整預(yù)緊式如圖4-2：絲杠螺母3外有凸緣，沒有螺紋；絲杠螺母4沒有凸緣，但是加工有螺紋。工作時(shí)，將圓螺母2旋轉(zhuǎn)以調(diào)整兩個(gè)絲杠螺母之間的間隙，達(dá)到要求后用圓螺母1鎖緊從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的功能。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單、容易加工制造、剛度大，但是，預(yù)緊精度低。表4-1 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)按循環(huán)方式分類 圖4-2 螺母調(diào)整預(yù)緊式 、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

36、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。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

37、合。圖4-6 雙推-雙推式 、雙推-簡支式如圖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)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4.2.1 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