0525-JCS-018立式加工中心主轴箱及进给系统设计【CAD图+说明书】
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立式
加工
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进给
系统
设计
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摘要:本次设计通过对现有加工中心的分析研究,提出一种新的设计方案,其自动化程度更高,结构也相对比较简单.这一点在论文会得以体现.本方案中,主轴箱采用交流调速电机实现无级变速,在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杠,而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递,并且采用单片机进行数字控制.
控制系统采用MCS-51系列单片机,通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计.论文中也对软件系统的设计做出了相关说明.
关键词:交流调速电机 滚珠丝杠 步进电机 单片机系统扩展
- 内容简介：
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题 目： 时加工中心主轴箱及 进给系统设计 （一） 题目： 时加工中心主轴箱及进给系统设计 （二） 设计内容： 定新设计的数控立式加工中心的主要技术参数。 （三）任务和 要求： 制新设计数控立式加工中心总体外观图一张（三维计算机图）； 度计算和动力计算，绘制主轴箱部分展开图一张（ 算机图）； 制出进给系统机构部装图一张（ 算机图）； 据情况由指导教师指定）； 制控制系统电路图一张（ 算机图一张根据情况由指导教师指定）。 少于 2000 汉字，原文可自选或由指导老师提供）。 毕业设计说明书一套（不少于二万字，有原文摘要，全部用计算机打出）。 （四）主要参考资料： 1.机械设计手册，机械工业出版社。 2.实用机床设计手册，辽宁科技出版社。 3.机床设计图册，上海科技出版社。 4. 成电路手册 5.存储器手册 6.机床主轴变速箱设计指导书，机械工业出版社。 7.机床数控系统设计指导书，中国科技出版社。 大伟主编，化学工业出版社。 怀星编著，化学工业出版社。 田主编，化学工业出版社。 国人民大学出版社。 开题报告 设计（论文）题目 式加工中心主轴箱及进给系统设计 设计（论文）题目来源 设计（论文）题目类型 起止时间 一、设计（论文）依据及研究意义： 本次设计是 式加工中心主轴箱及进给系统的设计。加工中心是一种有刀库并能更换刀具对工件进行多序加工的数控机床，它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制 理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高科技产品，是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。 二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）： 主要研究的内容： 定新设计的数控立式加工中心的主要技术参数。 预期的目标： 式加工中心主轴箱及进给系统简要了解，了解数控立式加工中心主轴箱及进给系统部分结构的设计全过程，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固和提高所学知识，增强机械创新设计的能力； 制新设计数控立式加工中心总体外观图一张（三维计算机图）；进行运动计算、强度计算和动力计算，绘制主轴箱部分展开图一张（ 算机图）；进行进给运动的运动计算和强度计算，绘制出进给系统机构部装图一张（ 算机图）；绘制数控加工中心主轴零件图一张（根据情况由指导教师指 定）；根据控制系统总体设计方案，绘制控制系统电路图一张（ 算机图）。 三、设计（论文）的研究重点及难点： 式加工中心主轴箱及进给系统机构的设计要求、设计计算（包括主轴极限转速的确定、主电机功率的确定、进给量的范围）； 式加工中心主轴箱及进给系统机械结构的设计； 寸 ，以保证在设计过程中直接应用； 何恰当的处理这些部件的位置关系以及达到预期的目的，在相对缺乏经验和参考资料的情况下，这就成了我们本次设计的难点。 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 研究方法：借鉴，对比，设计。 进度： 集并阅读 立式加工中心主轴箱及进给系统设计方面的书籍，以及相应的标准，了解 式加工中心主轴箱及进给系统的发展史，以及目前的发展方向，完成开题报告； 阅读资料的前提下，初步定出主轴箱及进给系统各部分技术参数，设计计算，方案选择并确定可行的 方案路线； 据初定的外形尺寸绘制图纸； 理书写设计说明书； 新回顾一下毕业设计的内容，对设计进行全面性的修改，并准备答辩； 始答辩。 五、进行设计（论文）所需条件： 完成此次设计不仅要有基本的设计绘图能力及数控技术知识，还应具备查阅与本课题相关的资料和文献并能加以应用，还应有翻阅外文相关期刊并能加以领会的能力。当然不可避免的要懂得机械产品的功能原理设计、实用化设 计、传动方案的设计、商品化设计以及优化设计的基本原理。 同时，我们运用了计算机作为辅助，来帮助我们绘制三维图、绘制装配图、查阅资料和书写任务书。 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日 i 摘要 :本次设计通过对现有加工中心的分析研究 ,提出一种新的设计方案 ,其自动化程度更高 ,结构也相对比较简单 本方案中 ,主轴箱采用交流调速电机实现无级变速 ,在 X、 Y、 Z 三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杠 ,而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递 ,并且采用单片机进行数字控制 . 控制系统采用 列单片机 ,通过扩展程序存储器、数据存储器和 I/论文中也对软件系统的设计做出了相关说明 . 关键词 :交流调速电机 滚珠丝杠 步进电机 单片机系统扩展 a of be in In AC is of in in we 、 Y、 Z he of is by by we of by ,AC by CM 录 前言 1 1、机床总体方案设计 1 床总体尺寸参数的选定 1 床主要部件及运动方式的选定 2 床总体布局的确定 3 2、主传动的设计计算 8 机的选择 8 轮传动的设计计算 9 的设计计算 13 合器的选用 21 3、进给系统的设计计算 22 述 22 计计算 22 作台部件的装配图设计 29 珠丝杠螺母副的承载能力的校验 30 算机械传动系统的刚度 31 动电动机的选型与计算 33 械传动系统的动态分析 36 机械传动系统的误差计算与分析 37 定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 38 珠丝杆副的预紧方式 38 齿轮传动消隙 39 4、控制系统的设计 39 制系统总体方案的拟订 39 控制系统硬件电路设计 39 参考文献 56 谢 辞 57 科技译文 58 第 1页 共 67页 前 言 加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的 是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家 制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。 随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能 媒体技术应用等方面发展。 加工中心的优点有： 1）提高加工质量； 2）缩短加工准备时间； 3）减少在制品； 4）减少刀具费； 5）最少的直接劳务费； 6）最少的间接劳务费； 7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完 善的机能。 本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。 第 2页 共 67页 1、 机床总体方案设计 床总体尺寸参数的选定 根据设计要求并参 考实际情况，初步选定机床主要参数如下： 工作台宽度长度 400 1600作台最大纵向行程 650作台最大横向行程 450作台最大垂直行程 500、 000i 000i 主轴最大输出扭矩 70 公斤力米 主轴转速范围 45 2000r/电动机的功率 4轴电动机转速 1500r/床外行尺寸（长宽高） 2488 1200 2710床净重 500床主要部件及其运动方式的选定 1、主运动的实现 因所设计的卧式加工中心要求能进行车、铣和 镗，横向方向的行程比较大，因而采用工作台不动，而主轴箱各轴向摆放为卧式的机构布局；采用交流无级调速电动机实现无级调速，并且串联有级变速箱来扩大变速范围。为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳、工作更可靠，主轴箱主要采用离合器交换齿轮的有级变速。 2、给运动的实现 本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在 X、 Y、 给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。 3、数字控制的实现 第 3页 共 67页 采用单片机控制，各个控制按钮均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的 位置，这一点须根据实际情况而定。 4、机床其他零部件的选择 考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。 床总体布局的确定 （一）确定主轴箱传动系统方案： 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相 比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。 机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定的转速上为恒功率变速，通常变速范围仅为 2定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可大 30 甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个有级变速箱。 本机床采用交流调速电机变速，为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，为了进一步扩大变速范围，在后面串联机械有级变速装置。 （二）确定主轴 箱有级变速级数： 取变速箱的公比为f等于电动机的恒功率变速范围 ，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱级数为 Z，则主轴的恒功率变速范围1 d 变速箱的变速级数可得出： 第 4页 共 67页 主轴要求的恒功率变速范围 2 0 0 0 / 4 5 4 4 . 4电动机的恒功率变速范围 2 0 0 0 / 1 5 0 0 1 . 3 4取变速箱的公比 1 故变速箱的变速级数 lg l g 4 4 . 5 1 1 . 1 5l g 1 . 4 1 故通过圆整取 Z=12。 （三）确 定各齿轮的齿数： 在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大躁声，所以在设计时要把齿数和控制在 1 0 0 1 2 0 ；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数 1 8 2 0m ，因而齿轮的齿数和不应过小。 受结构限制的个齿轮（尤其是最少齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽 2（ m 为模数），以保证有足够强的强度，避免出现变形或断裂现象。应保证： m 2 标准直齿圆柱齿轮，其最少齿根直径m i n m i n( 2 . 5 )，代入上式可得： 26 式中： 齿轮的最少齿数； m 齿轮模数； T 齿轮键槽顶面至轴心线的距离。 由于此传动在同一变数组为同模数传动，各对齿轮的齿数的齿数之比，必须满足传动比；当各对齿轮的模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必然相等，可列出： 第 5页 共 67页 1212式中：1 2.j 分别为 齿轮副的齿数和。 由上述公式可得： 12111jj u因此，选定了齿数和可以计算出各齿轮的齿数，或者由上式确定出齿轮副的任一齿轮后，用上式算出另一齿轮的齿数 。 查表选择齿轮的齿数： 312121211232123 4 2 7 21. 5 5 6 03 7 3 6 08024 4 0b bb z zz 其中 （四）拟定主运动转速图 由上述计算得， 12级转速各传动组中传动数的确定方案有： 12=4 3 ， 12=3 4 ， 12=3 2 2， 12=2 3 2， 12=2 2 3 按照“前多后少”的原则，确定各传动组的传动副数为 12=3 2 2。根据“前密后疏”的原则，确定基本组在前，后面依次扩大，因此得结构式为 第 6页 共 67页 36131 2 2 2 ， 第二扩大组的两个传动比连线之间，相距格数应为 3 2 6 ，变速范围是 6 6 81 ，在允许的范围内，所选定的结构式共有三个传动组。 因此变速机构需要四轴，再加上电动机轴共五轴，故转速图有五条竖线。由于齿轮传动比受到 1 24 U的限制，现在传动组 C 的变速范围为 6 8 。可知这个传动 组中两个传动副的传动比必然是极限值，即 122411 ,24 该传动组的升降速度传动比都达到了极限值，就确定了轴的六级转速只有一种可能，即为 180 1000r/ 轴 -之间，两条传动比连线间应相距 3 格，取 12211 , 1 . 4 12 ，因此，确定轴的转速为 355 710 r/于轴，取 1 2 3321 1 1 1 1 1,2 . 8 2 4 1 . 4 1a a au u u 于是决定了轴的转速为 1000 r/动机轴与轴之 间为齿轮传动，传动比为 1000： 1440。 综合上述，主轴的调速范围： 45， 63， 90， 125， 180， 250， 355， 500， 710，1000， 1400， 2000。转速图如下： 第 7页 共 67页 2 0 0 01 4 0 01 0 0 07 1 05 0 03 5 52 5 01 8 01 2 59 06 34 5100：14430：4224：4819：5342：3024：4860：3018：72电 1 4 4 0图 工中心转速图 第 8页 共 67页 2、 主运动的设计计算 动机的选择 动机的功率的计算 查机床主轴 /变速箱设计指导： 端铣：硬质合金端铣刀，铣刀材料是 45号钢； 1） 主切削力 0 . 7 50 . 8 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3118c d a 公 式中 背吃刀量 3 4 , 4 ,a m m取 a 0 . 4 0 . 8 0 . 8 1 6 0e d d m 侧 吃 刀 量 取， 每齿进给量 0 . 1 0 . 2 / , 0 . 2 /m z m m 取， 刀具直径 200d ， 铣刀齿数 z=4,选 100 /c ， 铣刀转速 所以主切削力 0 . 7 50 . 8 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 30 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 5 0 . 1 31181 1 8 4 4 1 7 0 6 . 31 6 0 0 . 2 2 0 0 1 6 0c d a 2）切削功率 铣削过程中消耗的功率1 7 0 6 . 3 1 0 0 2 . 8 41 0 0 0 6 0 6 0c cc k w k 进给运动也消耗一些功率般情况下 0 所以总的切削力第 9页 共 67页 功率 1 . 1 5m f c cp p p p， 由 此 可 估 算 铣 床 主 电 动 机 的 功 率 ； mE 式 中 铣 床 传 动 效 率，取 = 01 . 1 5 1 . 1 5 2 . 8 4 3 . 8 40 . 8 5E P k w k 动机参数的选择 在选择电动机时，必须使得 定 总， 根据这个原则，查机械设计手册选取 电动机，功率为 4基本参数如下 (单位为 满载转速为 m 440m a x 轮传动的设计计算 由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮也能满足传动设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但 考虑到制造成本，本次设计都选用 7精度。具体设计步骤如下： 数的估算 按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画后校核用。在绘草图之前，先估算，再 标准齿轮模数。 齿轮弯曲疲劳的估算公式： 33 2 ( n 式 中 即 为 齿 轮 所 传 递 的 功 率 ）齿面点蚀的估算公式： 33 2 ( m 式 中 即 为 齿 轮 所 传 递 的 功 率 ） 其中A 为齿轮中心距。 第 10页 共 67页 由中心距 A 及齿数1Z、2 122jA Z根据估算所得取相近的标准模数。 前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下： 第一对齿轮副 3333121 4 4 0 / m i 3 2 1 . 3 93 4 1 4 4 043 2 3 2 4 . 4 914402 2 4 . 4 90 . 1 13 4 4 7m m m m m m m m m m m m m 所以，第一对 齿轮副传动的齿轮模数应为 1 w 第二对齿轮 3333121 0 0 0 / m i 3 2 1 . 6 92 7 1 0 0 043 2 3 2 5 . 0 210002 2 5 . 0 20 . 1 32 7 5 3m m m m m m m m m m m m m 所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为 1 w 第三对齿轮副 3333123 5 5 / m i 43 2 3 2 1 . 8 23 7 3 5 52 . 43 2 3 2 6 . 0 53552 2 6 . 0 50 . 1 3 43 7 5 3m m m m m m m m m m m m m 所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为 1 w 第 11页 共 67页 第四对齿轮副 3333121 2 5 / m i 43 2 3 2 2 . 4 54 0 1 2 52 . 43 2 3 2 8 . 5 61252 2 8 . 5 60 . 1 44 0 8 0m m m m m m m m m m m m m 所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为 2 w 综合上述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为 矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加 V 轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在对齿轮模数均为1 ，在 对齿轮上就取2 3。 轮分度圆直径的计算 根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公 式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为：单位（ 1 1 9 2 . 5 4 7 . 5a 1 5 3 2 . 5 1 3 2 . 5a 2 2 4 2 . 5 6 0a 2 4 8 2 . 5 1 2 0a 3 3 0 2 . 5 7 5a 3 6 0 2 . 5 1 5 0a 1 2 4 3 7 2b 1 4 8 3 7 4b 2 4 2 3 1 2 6b 2 9 0 3 9 0b 1 1 8 3 5 4c 1 7 2 3 2 1 6c 2 6 0 3 1 8 0c 2 3 0 3 9 0c 轮宽度 B 的确定 齿轮影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取 B=（ 6 10） m。本次设计中，取主动轮宽度 B=9m=18后一对齿轮也取 B=79m=18 第 12页 共 67页 轮其他参数的计算 根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其他参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。 轮结构的设计 不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，七级精 度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的 7 级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于 7 级，或者淬火后再珩齿。 6 级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须达到 6 级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。 轮的校核（接触疲劳强度） 计算齿轮强度用的载荷系数 K ，包括使用系数 动载荷系 数间载荷分配系数，即： 211 . 2 5 1 . 0 7 1 . 1 1 . 1 2 1 . 6 50 . 8 8 2 . 5 1 8 9 . 8211100p K K 查 表 得 ：将 数 据 代 入 得 ；， Z ， Z 齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其他齿轮也符合要求，故其余齿轮不需验算，在此略去。 第 13页 共 67页 的设计计 算 传动轴轴径的估算 滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。 30 Pd m 于空心轴，则 0 43 1 Pd m 式中， P 轴传递的功率， n 轴的计算转速， r/0A 其经验值见表 取 的值为 (1)计算各传动轴传递的功率 P 根据电动机的计算选择可知，本次设计所用的电动机额定功率 4d ，各传动轴传递的功率可按下式计算： 电 机 到 传 动 轴 之 间 传 动 效 率 ； 由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，及轴 承。则各轴传递的功率为： 1 2 3 40 . 9 4 , 0 . 9 4 , 0 . 9 3 , 0 . 9 1 所以，各传动轴传递的功率分别为： 1 4 0 . 9 4 3 . 7 61 21 3 . 7 6 0 . 9 4 3 . 5 32 第 14页 共 67页 32 3 . 5 3 0 . 9 4 3 . 2 93 43 3 . 2 9 0 . 9 1 2 . 9 64 (2) 估算各轴的最小直径 31 115 本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为 40他各轴的材料均选择 45钢，取 15，各轴的计算转速可推算出为： 1 2 3 41 4 4 0 / m i n , 1 0 0 0 / m i n , 3 5 5 / m i n , 1 2 5 / m i nr r r rn n n n 所以各轴的最小直径为： 31 41 1 5 6 . 0 61440 32 3 . 7 61 1 5 1 7 . 8 91000 33 3 . 5 31 1 5 2 4 . 7 3355 34 2 . 9 61 1 5 3 3 . 0 2125 在以上各轴中，因有些轴上开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大到 5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： 2 m i n 3 m i n 4 m i , 2 5 , 3 0m m m m m md d d 对于主轴应该应用公式； 30 41 PA 故主轴为 3 441 1 5 3 7 . 41 2 5 1 0 . 5 考虑到轴上有花键，所以应将轴的最少直径增大 5%，将增大的直径在圆整后取 4 60第 15页 共 67页 轴段长度值的确定 各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则；应满足轴承及齿轮的定位要求。 的刚度与强度校核 1）、轴的受力分析及受力简图 由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过弹性联轴器传递过来，而后通过齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿 轮采用的是直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以，只要校核其在 所受载荷是从轴上零件传来的，计算时常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的粮，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下： 在 图 在 第 16页 共 67页 图 2）作出轴的弯矩图 根据上述简图，分别按 按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。 则该轴在 图 第 17页 共 67页 同理可得在 图 3）作出轴的扭矩图 由受力分析及受力简图可知， 则扭矩图为： 图 扭矩图 4）、作出总的弯矩图 由以上求得的在 据 22X Z Y M可得总的弯矩图为： 第 18页 共 67页 图 合成弯矩图 5）、作出计算弯矩图 根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式 22求出计算弯矩，其中 是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯矩产生的弯曲应力是对称循环的边应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。既当扭转切应力为静应力时，取 a=转切应力为脉动循环变应力时，取 a=扭矩切应力也为对称循环变应力时，则取 a=1。应本次设计 中 扭 转 切 应 力 为 静 应 力 ， 所 以 取 a= 则 计 算 弯 矩 图 为 ：图 计算弯矩图 第 19页 共 67页 6） 校核轴的强度 选择轴的材料为 45 钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用 弯曲应力为 60计算弯矩图可知，该轴的危险截面在 B 的作用点上，由于该作用点上开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩： 24 / 3 2W d D d D d z d D 其中 Z 为花键的数目，在本次设计中， 6,23,28,6 所以其截面的惯性矩为 W= 根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力： 112t TF d 其中： 1T 为小齿轮传递的扭转， ； 为啮合角，对标准齿轮，取 020 ； 而Z 平面及平面 力。各段轴的长度可从 2 号 根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为： 则该轴危险截面所受的弯曲应力为： 所以该轴的强度满足要求。其余各轴的校核步骤跟轴一样，在此就不在校其余各轴。 轴的确定 主轴的构造和形状主要决定与主轴上所安装 的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。 第 20页 共 67页 1） 主轴材料的选择 考虑到主轴的刚度及强度，选择主轴的材料为 40经过调质处理。 2） 主轴结构的确定 主轴直径的选择 根据机床主电动机功率来确定 1D P=于中等以上转速，中等以下载荷的机床 可取1D=50 70 主轴内孔直径 44 4 4004/ 6 4 11/ 6 4 其中 0K，0K ， I 当 则主轴的刚度急剧下降，故取 主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴的具体结构已在三维图上表达清楚。 提高主轴的性能措施 a、提高旋转精度 提高主轴组件的旋转精度，首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度，此外还可以采取一些工艺措施。如选配法、装配后精加工。 b、改善动态特性 主轴应有较高的动刚度和较大的阻尼，使得主轴组件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振动的振幅较小。通常，主轴组件的固有频率是而后内高的，远远高于主轴的最高转速，故不必考虑共 振问题，按静态处理。 主轴运转时滚动轴承的滚动体在滚道中磨擦、搅油，滑动轴承乘载油膜受到剪切内磨擦，均会产生热量，使轴承温度上升。故控制主轴组件温升和热变形，提高其热稳定性是十分必要的。主要有两项措施。 (1)减少支承发热量。 第 21页 共 67页 (2)采用散热装置。通常用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法。 主轴的主要尺寸是根据结构上确定的，一般的直径取值都大于初始值的好几倍， 故主轴的刚度一般都能满足要求。在此就免于校核。 合器的选用 离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对 离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。；离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环式多片摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环湿式多片摩擦电磁式离合器，此类型的离合器防爆性能好，径向尺寸较小。选型号 结构尺寸如下： 1 2 3 41 6 2 , 1 3 5 , 6 5 , 9 55 0 , 1 6 , 8 2D D D 第 22页 共 67页 3、进给系统的设计计算 X 轴）设计 述 （ 1）技术要求： 工作台、工件和夹具的总质量 m=918 受的重力 W=9000N），其中，工作台的质量 100 (所受的重力 W=5000N） ;工作台最大行程 00；工作台快速移动速度 m 0000m a x ;工作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩檫系数均为 作台的定位精度为 20 m ，重复定位精度为 8 m ；机床 的工作寿命为 20000h（即工作时间为 10年）。 机床采用主轴伺服电动机，额定功率 ，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径 00 ，主轴转速 60 ，切削状况如下表所示： 加工中心切削状况 切削方式 进给速度 /（ m/ 时间比例 /（ %） 备注 强力切削 0 主电动机满功率条件下切削 一般切削 0 粗加工 精加 工切削 1 50 精加工 快速进给 20 10 空载条件下工作台快速进给 （ 2） 总体方案设计 为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。 （ 1）工作台工作面尺寸（宽度长度）确定为 4001200 （ 2）工作台导轨采用滚动直线导轨。 （ 3）对滚动丝杠螺母副进行预紧。 （ 4）采用伺服电动机驱动。 （ 5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。 计计算 切削力及其切削分力计算 第 23页 共 67页 （ 1）计算主切削 根据已知条件，采用端 面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径00 ，主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为 0 1 6 0102 0 若机械效率 m，则由公式可以计算主切削力 3 （ 2）计算各切削分力 根据经验可得工作台纵向切削力 向切削力 z 3 3 3 1 3 轨摩檫力的计算 由公式计算在切削状态下的导轨摩檫力 F，此时导轨摩檫系数 ，查表得导轨紧固力 0，则 40900 0( 又由公式计算在不在切削状态下的导轨摩檫力 导轨静摩檫力 09000(0 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 （ 1）由公式计算最大轴向负载力 m a x 第 24页 共 67页 （ 2）由公式计算最小轴向负载 力 a 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 （ 1）确定滚珠丝杠的导程 电动机的最高转速 m 000m in ，可得 020001 20000m a xm a （ 2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，将估算结果填入下表 卧式加工中心滚珠丝 杠的计算 切削方式 轴向载荷 /N 进给速度 /（ m/ 时间比例 /（ %） 备注 强力切削 Fa 一般切削（粗加工） 20 m a xm 精细切削（精加工） 35 m a xm 快移和钻镗定位 90.4 10 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速 m 0m m 0m m 00m 01013033 第 25页 共 67页 m 000m 010203044 由公式计算滚珠丝杠螺母副的平均转速 m i n/280m i n/)2000100101001005080100306010010(100.211其中 由公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷（ 3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 表 载荷性质系数无冲击（很平稳） 轻微冲击 伴有冲击或振动 2 根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷性质 查表 精度系数1、 2、 3 4、 5 7 10 据初步选择滚珠丝杠的精度等级为 2级精度，取精度系数 1 第 26页 共 67页 查表 可靠性系数%） 90 95 96 97 98 99 般情况下可靠性应达到 97%，故取可靠性系数 44.0 因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以还可以按公式估算最大轴向载荷。查表 预加载荷系 数轻预载 中预载 重预载 中预载选取预加载荷系数 ,5.4a x 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 上两种结果的最大值，即NC 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底经 算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形 已知工作台的定位精度为 20 m ，重复定位精度为 8 m ，根据公式计算以及定位精度和重复定位精度的要求得 131(1m a x 第 27页 共 67页 5420)4151(2m a x 取上述计算结果的最小值，即 m 。 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 本工作台（ X 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定，一端游动的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 4 行程取行程支承长度螺母长度余程安全行程行程又 , 可得 4 a 步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据计算所得的0L、步选择 号为： 公称直径0d、基本导程0L、额定动载荷d 如下： 02200 故满足要求。 定滚珠丝杠螺母副的预紧力353131m a x 定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 第 28页 共 67页 （ 1）由公式计算轴承所承受的最大轴向载荷 5m a xm a x （ 2）计算轴承的预紧力 353131m a x （ 3）计算轴承的当量轴向载荷 a m （ 4）由式计算轴承的基本额定动载荷 C 。 已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速 m 80 ；轴 承 的 基 本 额 定 载 荷 寿 命 20000 ， 轴 承 所 承 受 的 轴 向 载 荷 。轴承的径向载荷 轴向载 荷 别为 a m o s 0 a m 因为 ,以查表得，径向系数 X，轴向系数 Y 分别为 故 （ 5）确定轴承的规格型号。 因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定、一端游动的支承方式，所以将在固定端选用 060 角接触球承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠螺母副的底径 所以选择轴承的内径 d 为 以满足滚珠丝杠结构的需要。 选 择 国 产 060 角 接 触 球 承 两 件 一 组 背 对 背 安 装 ， 型 号 为第 29页 共 67页 7602064寸（内径外径宽度）为 66030 ，选用油脂润滑。该轴承的预载荷能力 1450N，大于计算所得的轴承预紧力p 。在油脂润滑状态下的极限转速为 2
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