毕业设计（论文）-CJ6132车床主传动设计.docx

摘要在本次设计中，采用常规分离式主传动设计，机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于主轴箱带轮处，使床头箱内结构大为简化，便于维修。进给方面，采用开环数控系统，即步进电机数控进给方式。采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。主传动由于采用了分离传动发案，可较好的隔离电机及变速箱的震动，解决了热变形对主轴的影响，提高机床的加工精度。再者，数控系统采用单片机技术，可靠性高，成本低，经济性好。在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列，达到较好的性价比。该机床可以加工各种轴类、盘类零件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。作为通用型机床，特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业，对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。机床采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于维修和保养，外形符合人机工程学的原理，宜人性好，便于操作。关键词：数控车床；CJ6132；分离传动；步进电机AbstractIn this design, the use of conventional separation of the main transmission design, machine tool main drive using hydraulic control mechanism, can achieve eighteen speed. The transmission gears in the main shaft of the machine tool are processed by hardening and grinding teeth. The machine adopts the single chip electromagnetic brake clutch, which solves the problem of the brake and clutch of the main shaft, and the clutch is arranged on the pulley of the main shaft box, so that the structure of the headstock is simplified, and the maintenance is convenient. Feed, the use of open CNC system, that is, stepper motor CNC feed. The open-loop control system of stepping motor has been able to meet the requirement of feed precision. The main transmission due to the separation of transmission case, can isolate the motor and gearbox good vibrations, solves the influence of thermal deformation on the spindle, improve the machining accuracy of machine tool. Moreover, the numerical control system uses the monolithic integrated circuit technology, the reliability is high, the cost is low, the economy is good. The overall performance can be achieved in the economic precision CNC machine tools, to achieve a better price. The machine tool can process all kinds of shaft, disc parts, can be turned into a variety of thread, arc, cone and rotary body of the internal and external surface. As a general-purpose machine tool, especially for the automotive industry, motorcycle industry, electronic industry, aerospace, military and other industries, the rotary body parts for efficient, high-volume, high-precision processing. The machine adopts the integrated structure of machine, electricity and liquid, the overall layout is compact and reasonable, it is convenient for maintenance and repair, and the appearance is consistent with the principle of ergonomics.Key Words: numerical control lathe; CJ6132; separate drive; stepping motor目录摘要1Abstract2第1章 总体方案设计41.1主传动的组成部分41.2机床主要部件及其运动方式的选定51.3机床的主要技术参数61.4各组成部件的特性与所应达到的要求6第2章 机床主传动设计92.1主要技术参数的确定92.1.1尺寸参数92.1.2运动参数102.1.3主轴转速的确定122.1.4转速范围及公比的确定122.1.5结构式与结构网的确定132.1.6转速图的拟定142.1.7传动比参数的确定152.2传动系统图的拟定162.3电动机的选择182.4齿轮传动的设计计算182.5轴的设计计算22第3章 进给系统的设计计算373.1纵向进给系统的设计计算373.1.1滚珠丝杠设计计算383.1.2步进电机的选择413.2横向进给系统的设计计算433.2.1滚珠丝杠螺母副的选择计算433.2.2步进电机的选择48第4章 数控系统设计514.1系统控制设计的基本要求514.2数字控制系统框图524.3数控系统的硬件特点524.4控制系统图及芯片的选择524.5存储器及系统扩展设计534.6键盘及键盘接口设计544.7显示器接口设计554.8步进电机控制电路56结论57致谢58参考文献59第1章 总体方案设计机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。1.1主传动的组成部分主传动由动力源、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台等）部分组成。主传动系统属于外联系传动链。主传动包括动力源（电动机）、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等十部分组成。（1）动力源 电动机或液压马达，它给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。（2）定比传动机构 具有固定传动比的传动机构，用来实现降速、升速或运动联接，本设计中采用齿轮和带传动。（3）变速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用两个滑移齿轮变速组和一个背轮机构使主轴获得18级转速。（4）主轴组件 机床的执行件之一，它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成，（5）开停装置 用来实现机床的启动和停止的机构，本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的启动和停止。（6）制动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，以减少辅助时间。本设计中采用电磁式制动器。（7）换向装置 用来变换机床主轴的旋转方向的装置。本设计中采用电动机直接换向。（8）操纵机构 控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动采用电控制；变速采用液压控制。（9）润滑与密封 为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命，必须有良好的润滑装置和可靠的密封装置。本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。（10）箱体 上述个机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中采用灰铁铸造箱体。（11）刀架 数控机床中为了实现对刀架的自动控制，采用制动转位刀架。1.2机床主要部件及其运动方式的选定（1）主运动的实现根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采用液压操作。（2）进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方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙采用偏心环调整。（3）数字控制的实现采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，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）机床其它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。1.3机床的主要技术参数CJK经济型数控车床的主要技术参数及加工范围技术参数列于下：项目 单位 规格床身上最大回转直径 mm 320最大工件长度 mm 750最大切削直径 mm 320最大切削长度 mm 750床鞍（滑板）上最大切削直径 mm 250主轴前端锥孔 莫氏6号锥度主轴孔径 mm 350主轴转速范围 r/min 401800主轴转速级数 18级主轴电机输出功率 （普通） kW 5中心高 距床身 mm 250距地面 mm 1130尾座套筒直径 mm 65尾座套筒行程 mm 150尾座套筒锥孔锥度 莫氏5号1.4各组成部件的特性与所应达到的要求（1）床身机床床身采用优质铸铁，内部筋采用U形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达 HRC52以上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。（2）床头箱结构机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。（3）进给系统机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置了润滑点。（4）刀架机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 （5）尾座采用手动尾座（6）冷却系统冷却箱放在后床腿中。（7）卡盘机床标准配置为_250手动卡盘， （8）电气系统电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。（9）安全保护当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在“启动”状态者，将进入“停止”状态；如已在“停止”状态的则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是“固化”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。第2章 机床主传动设计2.1主要技术参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求：a、 直接反映出机床的加工能力和特性；b、 决定其他基本参数值的大小；c、 作为机床设计的出发点；d、 作为用户选用机床的主要依据。对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：a、 与工件尺寸有关的参数；b、 与工、夹、量具标准化有关的参数；c、 与机床结构有关的参数；d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。2.1.1尺寸参数尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及其刚性。机床主要尺寸参数内容见下表2-1。表2-1 机床主要尺寸参数内容与工件主要尺寸有关的参数最大加工尺寸最大加工直径或最大工件直径，最大加工模数、螺旋角主轴通孔直径最大加工长度或最大工件长度最大工件安装尺寸。如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等最小工件加工尺寸。如主轴中心线至工作台面距离、最小车削直径、最小磨削外径或孔径等部件运动尺寸范围 刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程 刀架、工作台、砂轮（导轮）箱或摇臂的最大回转角度与工、夹、量具标准化有关的参数 主轴或尾架套筒的锥孔大小 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 刀杆断面尺寸、刀夹最大尺寸、安装的刀具直径 工作台T型槽的尺寸和数目与机床结构有关的参数 床身或摇臂的导轨宽度 花盘或圆工作台的直径 主轴中心线或工作台面至地面的高度机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根据工件尺寸决定，CK6140数控车床的尺寸参数如下表2-2所示表2-2 CK6140数控车床的尺寸参数参数项目单位数值床身上最大工件回转直径mm320刀架上最大工件回转直径mm160主轴通孔直径mm35主轴锥孔莫氏Nq6尾架顶尖套锥孔莫氏Nq5最大工件长度Lmm750刀杆截面尺寸mm20202.1.2运动参数运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。主轴极限转速和变速范围 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为：式中的或不是该机床可能加工的的最小或最大直径，而是认为是在机床全部工艺范围内可以用最大切削速度来加工时的最小工件直径和用最小切削速度来加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。（1）极限切削速度Vmax、Vmin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具和工件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下表所示：加工条件硬质合金刀具粗加工80120硬质合金刀具半精加工或精加工150250高速钢刀具低速光刀10安装磨头附件进行磨削3.57.5精铰孔1.54宽刀加工1.53.5精车丝杠或蜗轮1.251.5（2）选择极限转速的典型条件为：a最大切削速度按硬质合金车刀半精车和精车钢料来取值考虑较小规格车床可普遍采用可转位刀片，切速可适当提高，故对主参数为（最大工件回转直径）250630mm的车床取250m/min,而大规格车床换刀费时取切速小些耐用度可以高些，故8001000mm的车床取200m/min；b最小切速可考虑两种情况，即（a）高速钢车刀精车丝杠和（b）高速钢车刀低速光车盘类零件，故分别取（a）1.5m/min和（b）8m/min；c最小工件直径，即使用时可能遇到的最小工件直径，一般取0.1；d最大工件直径，当为b中情况（a）时，即按车削丝杠可能遇到的最大直径，取0.1，为b中情况（b）时，按刀架滑板上最大工件回转直径1（对多数车床10.5）2.1.3主轴转速的确定（1）主轴最高转速的确定根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，按经验，并参考切削用量资料，取，k=0.5, Rd=0.2, 则：（2）主轴最低转速的确定根据分析，主轴最低转速由以下工序决定：用高速钢车刀，对铸铁材料的盘形零件粗车端面。按经验，并参切削用量资料，取V=15m/min,则最低转速为：2.1.4转速范围及公比的确定根据最高转速与最底转速可初步得出主轴转速范围 =66.33则公比 由设计手册取标准值得 =1.26根据标准公比及初算，查表取=40r/min，则最高转速 =40 =2034r/min则主轴转速范围 且验算公比得=1.259931.26,满足要求。2.1.5结构式与结构网的确定（1）结构式的确立 结构式的方案共有如下几种： 18=332 18=233 18=323在上述方案中，三个方案可根据下述原则比较：从电机到主轴，一般为降速传动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，这样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取18=332的方案为好，本次设计即采用此方案。根据设计要求确定如下结构式： 18= 3（1） 3（3） 2（9）基本组 扩一组 扩二组（2）构网的拟定在降速传动时，为防止被动齿轮的直径过大而使径向尺寸太大，常限制最小传动比1/4。在升速时，为防止产生过大的振动和噪声，常限制最大传动比2。原则是选择中间传动轴变速范围最小的方案。因为如果各方案同号传动轴的最高转速相同，则变速范围小的，最低转速高，转矩小，传动件的尺寸也就小些。根据前面求得的公比=1.26,按照以上原则，选择最佳方案，本次设计采用的结构网如下图所示： 2.1.6转速图的拟定电动机和主轴的转速是已定的，当选定了结构式和结构网后，就可分配各传动组的传动比，并确定中间轴的转速。再加上定比传动，就可画出转速图。中间轴的转速如果能高一些，传动件的尺寸也就可以小一些。但是，中间轴如果转速过高，将会引起过大的振动、发热和噪声。因此，要注意限制中间轴的转速，不使过高。本次设计所选用的结构式共有三个传动组，变速机构共需5根轴，加上电动机轴共6根轴，故转速图上需6条竖线；主轴共18种转速，电动机轴与轴1之间采用定比传动。转速图如下图所示：2.1.7传动比参数的确定（1）电动机与轴1传动副齿轮齿数的确定因为铣床不需要正反转，为了便于速度的分配，该传动副采用定比传动，其传动比有速度可求得：=1142/1440=1/1.26为了方便电动机与变速箱在机座内的布置，电动机与变速箱的联结采用带传动。根据带轮的标准，尺寸值定为112mm和140mm。变速箱与主轴箱之间采用带传动，为了便于完成转速的要求和速度的分配，确定其带轮的尺寸比为：172：200。为了减少变速箱的轴向尺寸，减少齿轮数目，简化结构，采用一对公用齿轮的传动系统。因而，两变速组的传动比互相牵制，可能会增加径向尺寸。为了实现齿轮公用，传动比与齿数的搭配较为繁琐，在此不进行具体的说明，只把最后的结果列入下：（2）轴1与轴2传动副齿轮齿数的确定根据转速图可得，该传动副的传动比=1/1.26、=1、=1.26。查金属切削机床Page136页表8-1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副中=30，齿数和=68，则由传动比可求得该传动副齿数比为： 当=1/1.6时 Z/Z=30：38当=1时 Z/Z=34：34 当=1.6时 Z/Z=38：30（3）轴2与轴3传动副齿轮齿数的确定根据转速图可得，该传动副的传动比=，=及。查金属切削机床Page136页表8-1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副=22，齿数和=77，则由传动比可求得该传动副齿数比为： Z/Z=47/30 , Z/Z=22/55 , Z/Z=34/43轴5与轴7间采用背轮机构，总传动比为，和齿形离合器，传动比为：1。齿数为：第一级：27*2.5：69*2.5 第二级：19*3：61*3 2.2传动系统图的拟定根据以上分析及计算，拟定如下传动系统图：2.3电动机的选择（1）电动机的功率计算按在各种加工情况下较经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，在车床中，切断工件的切削力大于外圆车削，因而按用硬质合金刀具切断钢材时来计算。即： 式中 主切削力的切向分力(N) V切削速度(m/min ) 具体计算见下章 由查机床设计手册得出参数:P=200 B= 6 f=0.3mm/r则 所以得有效功率为： 取=0.8，则由经验公式可得电动机总功率为： （2）电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得PP，根据这个原则，查机械设计手册选取Y112-M-4型电动机. 2.4齿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、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，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6-7级的精度。具体设计步骤如下：（1）模数的估算：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，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率）齿面点蚀的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率）其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。由中心距及齿数求出模数：mm根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。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 mm mm mm所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm同理，对各对齿轮的模数计算从略，最后计算得出最高的模数为2.5 综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，所以，本次设计中取各个齿轮模数均为=2.5mm。 （2）齿轮传动各轴的轴中心矩计算 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： 1轴与2轴：d=mz/2=2.5*(30+38)/2=85 2轴与3轴： （3）齿轮宽度B的确定齿宽影响齿的强度，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，反儿容易引起振动和噪声。一般取b=（610）m。本次设计中，取单片齿轮宽度B=8m=83=24mm，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致；而取多联齿轮的宽度B=6m=63=18mm，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致。 （4）齿轮其他参数的计算 根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式几相关参数的规定，齿轮的其它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。2.5轴的设计计算（1）各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。对于空心轴，则 式中，轴传递的功率，kW； 轴的计算转速，r/min； 其经验值见表15-3； 取的值为0.5。（2）计算各传动轴传递的功率P根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率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，本次设计中没有采用联轴器，而直接由电动机轴将动力传到轴上，即各个轴之间均为齿轮传动，所以可得各轴传递的功率为：=0.96， =0.93， =0.904 =0.877 所以，各传动轴传递的功率分别为： （3）估算各轴的最小直径本次设计中，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40Cr，其它各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速由转速图得出，n1j=1000r/min, n2j=400r/min, n3j=125r/min, n4j=125r/min, 所以各轴的最小直径为：在以上各轴中都开有花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： =25, =25, =35。 （4）轴的刚度与强度校核根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进行刚度校核。在此选择第一根轴进行强度校核。由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过齿轮传递过来，而后通过一个三联齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算是，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梁，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xz平面内： 在yz平面内： 根据上述简图，分别按xz平面及yz平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。在xz平面内，根据力的平衡原理可得：R1xz+R2xz+F2xz=F1xz将各个力对R1取矩可得：F1xza=F2xz（l-b）+R2xzl 由以上两式可解出：R1xz=F1xz（l-a）/l-F2xzb/lR2xz=F1xza/l-F2xz+F2xzb/l由于有多个力的存在，弯矩无法用一个方程来表示，用x来表示所选截面距R1的距离，则每段的弯矩方程为： 在AB段： M=-R1xzx （ax0） 在BC段： M=F1xz-R1xz（a+x）-F1xza （l-bxa） 在CD段： M=-R2xz（l-x） （lxl-b）则该轴在xz平面内的弯矩图为：同理可得在yz平面内的弯矩图为： 由受力分析及受力简图可知，该轴只在yz平面内存在扭矩。其扭矩大小为： T1=Fyzr1 T2=Fyzr2则扭矩图为：由以上求得的在xz、yz平面的弯矩图，根据M=可得总的弯矩图为： 根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式Mca=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， 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60MP，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在F1的作用点上，由于该作用点上安装滑移齿轮，开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩为：W= d4+（D-d）（D+d）2zb/32D其中z为花键的数目，在本次设计中，z=6，D=30mm，d=26mm， b=4mm所以其截面的惯性矩为W=575.963mm3 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：Ft=2T1/d1 Fr=Fttg其中T1为小齿轮传递的扭矩，Nmm；为啮合角，对标准齿轮，取=20；而Ft与Fr分别对应与xz平面及yz平面的力。各段轴的长度可从2号A0图中得出，则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：Mca=25014.22Nm，则该轴危险截面所受的弯曲应力为：ca=25014.22/575.96343.43MP60MP，所以该轴的强度满足要求。（5）主轴的刚度校核 1）、主轴材料的选择 考虑到主轴的刚度几强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理； 2）、主轴结构的确定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零件图上表达清楚，其图号为6，在此不在绘出。3）、主轴的刚度验算轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值即y 轴的类型（mm）变形部位（rad）一般传动轴4.00030.0005l装向心轴承处0.0025刚度的要求较高-0.0002l装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.00）m装单列圆锥滚子轴承0.006L表跨距，m表模数第3章 进给系统的设计计算数控技术参数最大工作直径（mm）最大工作长度（mm）溜板及刀架重量（N）刀架快移速度（m/min）床身上床鞍上纵向横向纵向横向3201607508006002.41.2最大进给速度（m/min）定位精度（mm）主电动机功率（Kw）起动加速时间（ms）滚珠丝杆导程（mm）纵向横向纵向横向纵向横向0.60.30.010.00530553.1纵向进给系统的设计计算 工作台重量： =800N时间常数： T= 25ms 滚珠丝杠基本导程： =5mm 快速进给速度： =2m/min 由机床设计手册可知，切向铣削力 式中：P主电机功率，6132型车床 =4KW； 主传动系统传动效率，一般为0.750.85，取=0.8； k主轴系统功率系数，取k=0.96 =103=686.55N切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即 式中 主切削力（N）； V切削速度（m/min） T切削转矩（N/min）; N 主轴转速（r/min）。设按最大切削速度来计算，取v= 100m/min 则： 3.1.1滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择（1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷=式中运转状态系数，一般运转取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5；滚珠丝杠工作载荷（N）；精度系数，当丝杠精度为13级时，f a=1，为4、5、7级时，f a=0.9；工作寿命，单位为10r，可按下式计算 =式中 滚珠丝杠的转速（r/min）； 使用寿命时间（h），数控机床取15000h。工作负载的数值可用机床设计手册中的实验公式计算，对于燕尾导轨=+ (+2+)式中 ，切削分力；移动部件的重量；考虑颠覆力矩影响的系数，=1.4；导轨上的摩擦系数，=0.2。则 =1.4823.860.2（686.552377.65009.8）=2421.75N其中为最大切削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的；为丝杠基本导程（），计算时，可初选一数值，等刚度验算后再确定；则 0.6825为额定使用寿命（），可取15000h;则 22.5万转根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负载，取1.2，1=8204.24N 由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为60mm，型号为CDM6308-2.5-P3,其额定动载荷是29950N，强度足够用。（2）效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为219； 摩擦角约等于10。则 0.9328 （3）刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 式中 弹性模数，对钢，； 滚珠丝杠截面积（）（按丝杠螺纹底径确定）26.603 “”用于拉伸时，“”用于压缩时。则 丝杠1m长度上导程变形总误差（4）压杆稳定的校核滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 = 2 EI/L2(N)式中： E为丝杆的弹性模量，对于钢，E=20.6104，I为截面惯性矩，I=d14/64，(d1为丝杆底径),L为丝杆最大工作长度，为丝杆支承方式系数.所以 I=（50-3.175）4/64=90269.48对于两端简支的情况 =1.0因此 =220.610410690269.48/5902=52.721010临界载荷与丝杆工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杆不会失稳。一般取=2.5-4,考虑到丝杆自重对水平滚珠丝杆的影响可取4;所以 =52.721010/2208.48134因此 压杆稳定。3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故刚度足够。（3）确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电机的步距角则 取3.1.2步进电机的选择（1）负载转动惯量估算 折算到步进电机轴上的转动惯量可按下式估算 式中 折算到电机轴上的转动惯量（）； 分别为齿轮的转动惯量（）； 丝杠的转动惯量（）。 对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算： 式中 圆柱零件的直径（）; 零件轴向长度（）。 所以 总惯量 （2）转矩计算及最大静矩选择 根据能量守恒原理，电机等效负载转矩 2208.4813510-3/20.93282.5 =0.50若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩 =/0.3-0.5取安全系数为0.3，则 =0.5/0.3=1.67对于工作方式为五相十拍的步进电机=/0.886=1.88因数控机床对动态性能要求较高，确定电机最大转矩时应满足快速空载起动时所需转矩T的要求 式中-快速空载起动时产生最大加速度所需的转矩()-克服摩擦所需的转矩()由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加转矩()当工作台快速移动时，电机的转速 20004.2/5=1680r/min由动力学知 式中角加速度，=n/30T =8.6873.14168010-4/300.025=6.110 8000.16510-3/20.93190.982.5 =0.027式中 0-丝杆未加预紧时的效率，0 =0.9328F0预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即/3 =494.25510-3/(1-0.93282)/20.93280.982.5=0.0136.110+0.027+0.013=6.15（3）步进电机的最高频率10002/600.005=6666.67Hz根据以上计算，综合考虑，查表选用130BF003型电机。其安装尺寸及相关参数可由手册中直接查出，此处不再一一列出。3.2横向进给系统的设计计算3.2.1滚珠丝杠螺母副的选择计算（1）最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台是滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫作进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力），由于铣削时的轴向力不大，所以在此不考虑铣削时产生的轴向力。根据设计手册可得工作载荷为：=+ (+2+) 式中、分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷，可由切向铣削力求出，单位为N；G为移动部件的重力，单位为N，本次设计中，G主要包括工作台、工件等的重力，取它们的质量m=200Kg；K和f分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩檫系数，不同的导轨，其值不同。对于燕尾形导轨，取K=1.4 f=0.2;对于铣床，切向铣削力是沿着铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电动机的功率（即铣削功率）最多，因此切向铣削力可按铣削功率（KW）或主电动机的功率（KW）计算出：=103/v 其中为机床传动系统的传动效率；为主轴传递全部功率时的最低切削速度，本次设计由前面的设计可取=0.085