小型石柱石球数控加工机机床部分的设计

西南科技大学本科生毕业论文1目录.1 绪论 .31.1 平板石材的加工.31.1.1 框架锯.31.1.2 金刚石圆盘锯.41.1.3 金刚石串珠绳锯.51.2 异形石材的加工.71.3 课题的提出及其设计意义.102.加工原理及主机整体设计112.1 石球石柱的加工原理112.2 机床整体设计. .133 机头的设计. 153.1.1 选主电机参数.153.1.2 确定锯片直径及轴转速.163.1.3 带传动的计算.183.2 V 带轮的设计.203.2.1 主动轮的设计.203.2.2 从动轮的设计.213.3 锯片主轴的设计.223.3.1 初步确定轴的最小直径.223.3.2 拟定轴上零件的装配方案.223.3.3 各轴段直径和长度的确定,.233.3.4 轴上零件轴向定位233.3.5 轴上载荷计算.243.3.6 按弯矩扭矩合成力校核轴的强度.253.4 主传动系统上轴承的确定及校核.263.5 机头的结构设计.29西南科技大学本科生毕业论文24 纵向横向进给系统部分的设计.304.1 横向进给系统的设计.304.2 纵向进给系统的设计.304.3 丝杠及步进电机的选择.315 载球工作台的设计.355.1 载球平台电动机的选择355.2 载球小车传动部分的设计计算.355.3 分配和计算各级传动比365.4 轴的计算.375.4.1 估算直径最大时的石球荒料质量375.5V 带传动的设计395.6V 带轮的设.425.6.1 主动轮的设计.425.6.2 从动轮的设计,435.7 蜗杆传动的设计计算.445.7.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数的选择.445.7.2 圆柱蜗杆传动的基本尺寸和参数.455.7.3 蜗杆传动承载能力的的计算.465.7.4 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算.476 结论.487 参 考 文 献.48西南科技大学本科生毕业论文31.绪论近年来，我国的石材工业得到了迅猛发展。虽然我国现代石材工业比发达国家起步较晚，但通过引进吸收国外的先进设备和技术及全体石材界的共同努力，使得我国石材工业得到了全面的提高。从国产石材的品种增多，石材品质的提高到石材制成品的多种多样以及石材产量，质量的提高，使得我国的石材业在国际市场的竞争力逐步增强。与发达国家的水平差距逐步缩小，尤其是一些新开发的优质石材品种，越来越引起国外石材同行的青睐。我国已加入世贸组织，国内外经济形式的发长对我国石材工业提出了新的要求，大量的石材先进技术涌入国内市场，更多的，更优质的国外石材产品加大了进入国内市场的力度，我国石材将面临严峻的挑战，可喜的是，从近几年我国石材进出口的情况看，进口荒料比例在增多，成品在减少，出口成品比重在增加。荒料比重在下降。这说明我国石材业已从粗放的原始生产向技术含量大，产品增值率高的精细加工方面转化，已向“从大到强”的目标迈出可喜的一步。然而，我们必须清醒地认识到我国石材产业薄弱的方面，尤其在资源开发方面存在着严重不足，相对整个行业来说，从找矿到开采，从技术到生产，整个原来的生产阶段投入资金的比例与整个行业的发展极不协调。应当说，我国石材采矿业目前的状况还不适应石材工业乃至国民经济发展的需要。重视资源开发，提高开采水平，扩大石材品种，增加荒料产量是发展我国石材工业的一项基本任务，也是一项非常重要而艰巨的任务。现在石材主要分为平板石材和异型石材两种，在板材加工方面，主要有框架锯、圆锯片锯、单道金刚石串珠绳锯、多道金刚石串珠绳锯；在异型石材加工方面，主要用一些异形板材加工设备，回转体加工设备。1.1 平板石材的加工1.1.1 框架锯框架锯简称框锯或排锯，由于使用钢砂所以亦称钢砂锯，是生产花岗石和大理石板材的常用机械设备。当今框架锯的明显发展趋势是自动化和大型化。锯切工艺参数可在一定范围内自动调节，连杆行程实现不停机自动补偿。框架锯的锯切过程是非连续性的，因而锯切速度不可能快，一般不超过 2m/s1，所以提高生产率的途径之一就是向大型化发展，增加每批次的锯切数量。框架锯锯切大理石等较软的石材大板，一个值得注意的发展动向就是摒弃钢砂而采用镶焊金刚石绕结块为刀头的锯条。原因是钢砂的锯切速度慢，而且需要消耗大量钢砂和石灰，大量废钢砂浆不好处理，对环境污染严重。1997 年意大利推出两种使用金刚石刀头锯条的大型框架锯 2。一种可锯切的大理石荒料宽度为 2m，长度为 3.5m，一次可锯西南科技大学本科生毕业论文4切 2cm 厚的板材 90 块。另一种可锯切的大理石荒料宽度可达 2.5m，一次可锯切 2cm 厚的板材 100 块，生产率比普通框架锯提高 20%。目前世界上最大的框架锯一次可生产 120块板材。锯条行程为 80cm，采用双连杆驱动，因而可确保锯路的直线性 3。金刚石刀头的锯条目前还不能用于锯切花岗石等较硬的石材。原因是框架锯的锯条作往复运动，致使金刚石烧结块刀头上的金刚石粒后部无法形成。 “鱼尾”状支撑，支持力小，容易从胎体上脱落。因此，用框架锯来锯切花岗石大板一直沿用钢砂。1.1.2 金刚石圆盘锯金刚石圆盘锯广泛用于锯切各种石材。它的锯切速度很快，但锯切深度受到锯片直径的限制，一般不超过直径为三分之一 4。目前能锯切的深度为 2m 左右。1997 年德国研制成功直径达 5m 的金刚石圆盘锯芯片 5，据称是世界上最大的。从技术上说，金刚石圆盘锯难于做得很大，因为锯机的驱动轴不能完全有效地支承较大重量的圆锯片沿空间垂直平面进行锯切。再者，金刚石圆盘锯的直径太大，锯面发生挠曲很难整平，锯切时产生摆动致使锯路不平直。增加圆锯片的厚度可以提高刚性，但又会增加重量。虽然圆锯片的锯切线速度高达 30m/s，比框架锯高十多倍，但从锯切深度和一次锯切的板材数量来说，圆锯片锯不如框架锯，所以在石材大板生产中，金刚石圆盘锯在短期内还不能完全替代框架锯。目前生产板材的先进的多片式金刚石圆盘锯使用的圆锯片最大直径为1.626m，主要用于生产 60060015mm 的石材面砖所需的板材。这种金刚石圆盘锯镶有 108 个刀头，选用 40/50 目的 SDA85 +型人造金刚石，金刚石浓度为 23。另一种较大直径的圆锯片为 1.22m，用于生产 40040015mn 石材面砖所需的板材。装机锯片数量一般为 30 片，多者可达 50 片 6。生产上述石材面砖的荒料尺寸限制在 3.21.852.2m。就生产较小规格的板材而言，框架锯的效率不如多片式金刚石圆盘锯。1.1.3 金刚石串珠绳锯金刚石串珠的形状一般为圆柱形，也可制成截面为梅花形，其优点是不加大直径可增加切削面积，因而初始锯切速度较快，并可减少磨合时间。金刚石串珠的直径取决于用途。数控金刚石串珠锯是使用柔性刀具加工异型石材制品的数控加工设备，主要由绳轮、金刚石串珠、导向轮电机、机架、绳轮推进机构等组成。机所要用的切削刀具是串珠绳，它利用串珠(金刚石烧结环)内含有的金刚石颗粒，在石材表面 20m/s 或更高的线速度高速运动，切割石材。适合于加工体积大、厚度大的异型石材制品。绳锯具有较高的切割效率和较大的切割面积、使用灵活，而且无噪音、无振动、并可获得光滑的切割表面。目前开发的串珠锯，已从只能安装一根金刚石串珠绳的单绳式串珠锯，发展到可同时发装 60 根串珠绳的多绳式金刚石串珠锯 7。与早期的占地面积很大的多绳串珠锯相比，今日的串珠锯已经变得更加轻巧实用，使外形尺寸与普通的串珠整形机相差无几。将花岗石荒料锯切成不同厚度的板材供加工各种碑石之用，以及将花岗荒料锯切成西南科技大学本科生毕业论文5一定尺寸的方形块，以便用小型框架锯进行面砖板坯的锯切，一向是采用钢丝绳加碳化硅砂浆来锯切的。由于效率低和环境污染等问题，到了 80 年代末才把这种锯切方法用单道金刚石串珠绳锯来代替。单道金刚石串珠绳锯有多种结构，锯切板材用的是框架式，在两边主柱上安装着直径为 2m 的金刚石串珠绳驱动轮。锯切速度可根据不同的石材在 3040mm/s 之间调节，可锯切特大块的荒料，高度达 2m，宽度 4m8，长度不限。荒料安装在荒料车上，根据顶先编制的程序，每锯完一次即按照板材的厚度要求进料。所用金刚石串珠绳长 18m，金刚石串珠用的是 40/50 目的 SDA100 +型人造金刚石。锯切坚硬的花岗石时，金刚石串珠绳的锯切速度为 0.8m2/h。若锯切含石英少的花岗石，锯切速度可达 2m2/h，比之钢丝绳加磨料的锯切速度可提高 50%9。其它优越性还有：由于使用清水冷却，工作场地比较干净；由于金刚石串珠绳比钢丝绳加磨料锯切法用的钢丝绳短得多，厂房占地面积小，工作噪音也较小，因此这种锯切花岗石大板的方法已在法国、西班牙、葡萄牙和美国推广。单从实际锯切成本来说，用框架锯大批量锯切石材大板是比较经济的。但由于框架锯锯切花岗石等较硬的石材必须使用钢砂与石灰浆，工作条件恶劣，大量废砂浆难处理，对环境污染严重，所以在石材市场竞争日益激烈和有关当局对环境保护要求越来越严格的情况下，众多石材加工企业迫切需要有更好的方法来替代框架锯。鉴于金刚石串珠绳锯的一系列独特优越性，日本于 1988 年开始研制多道金刚石串珠绳锯用于锯切花岗石大板，遂于 1995 年研制成功 10 道金刚石串珠绳锯，采用电脑控制，锯切速度可在2036m/s 之间调节。可锯切的花岗石荒料尺寸为 3.51.81.8m(长宽高)生产效率为 10m2/h10。这种多道金刚石串珠绳锯与同规格的框架锯相比，其优点是：(1)单位时间内锯切量提高 1.5 倍；(2)辅助设备减少；(3)厂房占地面积只相当于框架锯厂房面积的 1/3；(4)冷却水的处理比废砂浆的处理容易得多；(5)锯切精确性提高；(6)初期投资减少。不过，这种多道金刚石串珠绳锯尚存在的问题是：锯切板材厚度的调整必须更换具有不同导向槽间距的驱动圆筒，工序复杂。这一问题在 1996 年意大利研制的 Falcon600型多道金刚石串珠绳锯已经获得解决。Falcon600 型多道金刚石串珠绳锯，装有 10 根长为 65m 的金刚石串珠绳，每米长配有 40 个直径为 8mm 的孕镶金刚石串珠，采用 40/50 目的 SDA100 +型人造金刚石。可锯切长宽高为 3.552.102.50m 的花岗石荒料 11。锯切的板材厚度可从西南科技大学本科生毕业论文610mm50mm，调整简便。锯切参数由电脑控制，一人可同时监管三台锯机。据称这种多道金刚石串珠绳锯的成功核心在于解决了各余金刚石串珠绳分别自动调整张紧度的问题。它与框架锯相比，具有以下优点 12：(1)锯切机的结构与安装基础比较简单；(2)锯切效率高，锯切 40mm 厚花岗石板材，一天可锯切 250m，相当于两台各装有120 根锯条的大型框架锯的效率；(3)锯路宽度为 8.5mm，框架锯的锯路宽度为 8mm；但前者锯切的板材厚度误差为0.5mm，而后者为1mm；(4)板材的锯切面平整得多，而且杜绝了钢砂残粒嵌人板材锯切面的可能性，因此使磨平与磨光的时间降低 20%；(5)消耗材料大为减少，框架锯每锯切 1m 的花岗石板材需消耗 3kg 钢砂、1.5kg 锯条、2kg 石灰，而多道金刚石串珠绳锯只消耗 0.0lkg 金刚石串珠绳 12。粗略估计，使用框架锯每年需弃置 32.5 万公斤废钢砂石灰浆，对环境污染的严重性可想而知，所以说多道金刚石串珠绳锯是锯切石材大板最有发展前途的机械设备。应指出的是，石材加工机械还应包括金刚石带锯、金刚石链锯、桥切机等等。1.2 异形石材的加工在异形石材加工方面，主要用一些异形板材加工设备，回转体加工设备等，还有一些有计算机控制的自动化程序相当高的机械加工方式的普通机械。异型石材加工常用的有金刚石结块圆盘刀片、金刚石串珠绳、圆柱球头铣刀、圆柱锥头铣刀、金刚石结块圆筒钻头和专用于加工花线与台面板边角的各种成形刀具等 3。大理石和花岗石等石材的异型加工包括四大类：(1)建筑物用的异型构件，如各种圆弧板、圆柱、花线条等；(2) 碑石，如纪念碑、墓碑、界碑等；(3)家具，如各种现代和仿古石材家具；(4) 字母及几何图形等。石材的异型加工若用人工或单工序机械加工，则劳动量大、生产效率低、抛光成本高，难于满足质量要求，而且运用金刚石工具损耗快。由一于异型石材制品附加值高，无论是现代建筑还是碑石和石材家具制造，对异型石材制品的需求都与日俱增，所以一些工业发达国家采用了装有金刚石铣刀的仿形铣床加工量高，很适宜加工复杂的轮廓；缺点是只能单件生产，而且对金刚石铣刀的技术要求很高。目前，不少发展中国家如南非和印度等则采用了金刚石串珠绳每来加工异型石材制品。实践证明，它具有以下优点：(1)与其它方法相比，可降低原材料消耗；(2) 加工表面更便于快速磨光；(3)简化了工序；(4)可实现多件生产。异型石材制品加工机所用的金刚石串珠绳性能的选择至关重要。金刚石串珠绳的性西南科技大学本科生毕业论文7能主要取决于金刚石串珠的组成。其组成包括金刚石的品级、粒度和浓度、金属胎体成份。金刚石可选用天然的或人造的，前者用于锯切坚硬石材，效率很高，但价格昂贵，一般可选用 SDA85+或 SDA100+型的人造金刚石，粒度为 40/50 目或 30/40 目，浓度取 30至 38 左右 13，根据石材质地而定。金属胎体则多用镍基金属。金刚石串珠锯用于加工异型石材制品，若质地较软可选用较细的绳芯，此时配套的金刚石串珠直径可小至 8mm。至于金刚石串珠绳单位长度上配套的金刚石串珠的数量与所锯切的材料有关。锯切较硬的石材如花岗石等，每米长度上应配套至少 40 个金刚石串珠；锯切较软的石材如大理石等，每米长度上配套的金刚石串珠可少些，一般取 3032个 13，或者更少。针对异型石材制品的加工形状不同，对机械的要求也是不同的。对于用来加工等截面的石材异型制品，或者截面形状相似、但面积不等的异型回转体制品以金刚石串珠绳锯和高压水射流技术为主，而对于用来加工截面形状不等的空间立体制品则主要是仿形、数控机械为主。高压水射流技术是以高压水射流或磨料射流为切割手段的石材加工技术，它以异型石材制品的加工为突破口进人石材加工领域并在石材加工中应用发展得很快。这是一种刀具简单、无粉尘污染、低噪音、切口狭窄的切割技术。在石材行业，它主要用子石材拼花板材的加工，各种平板类石材标志的加工，而且产品批量大，精度高数控高压水射流切割机由高压水泵、工作主机和数控系统兰部分组成。这一技术装备远比现在生产使用的加工设备造价低，产品加工成本低、功耗低。而且磨损料和水可回收利用，设备应用范围广，是我国石材工业发展中值得重视的一项很有前景的新技术。由于有关技术和关键的间题还未得到完全彻底解决，故在国内石材加工中还没得到广泛应用。虽然绳锯机和高压水射流切割机在异型石材的加工中得到了广泛的运用，但是从严格意义来说，这两种机械并不能完成真正的三维石材制品的加工。随着计算机技术的发展，针对截面形状不等的空间立体制品，出现了各种多功能、高效率的数控加工设备。这些加工中心可以通过编程来完成多种复杂形状的石材异型制品加工如，如回转主体雕刻制品加工，平面雕刻加工。这种加工中心的最大优点是一次装夹可以完成多工序作业，加工质量和加工精度都很高，很适宜加工复杂的轮廓；缺点是只能单件生产，而且对刀具的技术要求很高。异型石材加工还有很多非规则的加工方式 14：1.平面异型制品加工设备用于平面异型制品加工的设备通常配备一个工作平台，供安放和固定工件用，刀具可沿 X，Y，Z 三个方向运动，刀具轴线也可以摆动一定的角度。常用的有机械液压仿形设备和数控设备。（1）仿形加工设备平面异型制品的仿形加工是以制品模型为依据进行的一种机械加工方式，具有输人、西南科技大学本科生毕业论文8输出点坐标关系同步的特性。目前用于石材加工的仿形设备是利用机械液压等方式经一定的运动关系组合后形成的仿形机构，机械仿形多采用由平行四边形机构组合而成的形式。模型与工件的比例一般为 1：1。（2）数控铣磨设备数控铣床是专门加工非回转体制品的数控加工中心，其功能可以通过选配不同的部件或装置而增加。如 OMAG95TOP 型数控铣床 15，其基本配置是在活动横梁上安装一个圆柱铣刀动力头，通过控制横梁、刀架的移动和铣刀的旋转完成平面异型制品的加工；山东大学石材工程技术研究中心研制的 SST 系列数控异型台面加工设备适于各种异型台面板材内外边沿花线的铣、磨、抛光加工，通过更换粗细或不同形式的铣磨轮即可完成台面板边缘花线的铣磨工作，得到所需的各种平面板材制品。2.曲面异型制品加工设备加工曲面异型制品的数控设备工作台固定或者是前后平移，刀具相对于工件做X，Y，Z 方向进给运动。曲面异型石材制品成型加工形式很多，其中采用普通的圆锯片或铣磨轮加工的方法是最经济方便的。例如 SSQ 系列数控石材曲面加工设备 16，采用了可靠的三坐标数控系统，刀具轴水平布置，锯片或磨轮垂直切割。该设备可加工任意曲率、形状的内、外曲面，包括 S，U 形及圆弧板材等异型制品，尤其适于巨型石材内外曲面的加工。工作时，通过更换不同型式的刀具，即可完成曲面板材的铣、磨、抛光加工。3.实体回转面加工设备加工母线是直线或曲线的回转体类制品的设备至少需要控制四个方向的运动，即工件的水平回转，动力头部件的 X，Y，Z 方向平移等。这类设备用于加工罗马柱、扭纹柱、花瓶、栏杆等具有对称中线的柱或球类等产品。对于数控型设备，锯片和圆柱铣刀这两个动力头可以共用一个运动支承座，也可分开安装、独立运动，控制维数为 36 个 17。（1）数控车床数控车床，其刀具只需具备在与回转体旋转轴线同一个平面内有两个呈正交的运动关系即可。数控车床上一般不需配备激光扫描仿形器，因为一般的回转体制品，使用设备上安装的图形设计软件即可满足编程需要。（2）仿形加工设备回转类工件仿形加工常采用液压仿形机构，液压仿形是将几个液压油缸和液压阀组合形成液压仿形油路系统的一种加工方式。液压仿形设备加工过程可分为两个阶段，即粗加工成型锯片完成；精细加工成型圆柱型铣刀完成。如意大利 OMAG 公司生产的 ID86 系列卧式液压仿形车床 17，这是用于回转体和圆柱成型、抛光的液压伺服车床，可以加工圆柱、栏杆柱，花瓶等母线是任意曲线的回转体制品。通过选配不同的动力头或配套机构，该机还可以加工多棱柱、罗马柱和球类石西南科技大学本科生毕业论文9材制品。该设备加工的工艺过程是：先按照被加工工件的轮廓形状，在液压仿形系统的控制下，通过锯片将坯料切割成需要的轮廓形状，然后使用圆柱抛光动力头对工件表面进行精加工，最终可获得所需产品。4.立体异型制品、雕刻加工设备一般来说，立体异型制品、雕刻制品空间造型都比较复杂，对所需加工设备的要求也很高，多功能数控加工中心是加工这类制品的理想设备。这类设备可用于楼梯扶手、工艺品、平面雕刻、壁炉、立体人像、动植物等雕刻品。多功能数控加工中心，通常是指将多个普通数控加工中心的功能集中于一台设备上，联合为组成式数控加工设备，一般都具有数控铣床、数控车床等设备的加工功能，用来生产形状比较复杂的立体石材异型制品。它常采用图形编程和激光模型扫描两种方法，建立制品造型等程序，如意大利某公司生产的数控加工中心，该设备可通过增加不同的部件或对基本机构附加不同的功能，达到不同的加工效果。该设备总的控制维数可达到12 个 18，几乎可以加工目前所有类型的石材异型制品。1.3 课题的提出及其设计意义我国石材加工设备与工艺的控制水平比较低，石材矿山开采技术落后，开采和加工技术装备仍需进口，名优品种与高档产品少，尤其表现在石球锯切机上。烟台星泉机械有限公司研制出了一种石球加工机械，叫数控球面铣切机，具有，两坐标数控加工功能，可以加工球，柱座，柱帽，圆柱等。该设备的突出特点，是一机多用，不但可以加工回转体，还可以加工二维坐标范围内的任意直线曲面。但同时，还注意到该公司生产的这种球铣机采用双立柱的结构，这样使得其体积很大，占的面积大。在国内一些这方面的企业，也都采用双立柱结构。因此，计划设计此类石球加工机械，但是采用单立柱的结构形式，同样采用计算机数控系统，这样一来使得结构更加的紧凑，占的面积等也相应的小，所加工石球石柱的最大加工直径为 1500mm；石球的最小加工直径石柱的最小加工直径 200mm；石柱的最大高度 1500mm。2.加工原理及主机整体设计2.1 石球石柱的加工原理各种石料石材属于脆性材料，因此不能用加工金属材料的加工方法对其轮廓进行直接加工，要加工石柱及石球等异形材料，粗加工时用金刚石圆锯片对荒料进行切割，切割时，用锯片旋转，同时石料也旋转，这样可以加工旋转体，将石料一层一层锯成片，西南科技大学本科生毕业论文10然后人工方法对剩余的废料从荒料上打下来，这样完成了粗加工；半精加工不同于粗加工，其加工余量小，可以允许对其进行轮廓加工，则用磨料对已经成型的石材进行进一步的加工；精加工时是对工件进行打磨或抛光，得到理想的形状及表面光洁度。以往加工大型石球时，用锯片由顶部到腰部进行加工，而本次设计加工大型石球时不一次走刀，分两步对荒料的两个侧面加工，加工完一个侧面，然后调转石球再加工另一侧。具体粗加工过程如图 21 所示，先确定石料的在工作台上的安放位置及切削走刀的轨迹（图 21a ） ，经过走刀切割以后，形成图 21b 所示的形状，然后把切割后的薄片打掉，初步完成以后，翻转 90以后（图 21c） ，用同样的方式加工另外一侧没有加工的表面（图 21d） ，这样，就完成了石料的粗加工，完成粗加工以后，进行半精加工，这个时候要把粗加工时留下的切削余量全部去除掉，因为余量较小，所以这个过程可以让石球转动及刀具进给速度快一些，并且保证刀具在进给一个刀具厚度的时间内，石球应该至少转动一周，这样才能保证石球被完全切削到，经过一次走刀后，就完成了石球的半精加工，进行精加工主要是对石球表面进行打磨或者抛光，这样加工以后就能得到理想的形状了。西南科技大学本科生毕业论文11石柱的加工原理也是先对起表面进行切割，形成一层层薄片，然后人工打掉，再进行半精加工，原理和加工石球基本一致。2.2机床整体设计在以往通常使用双立柱石材加工机械，这种机床占地面积大、结构庞大、浪费材料，且限制了加工大直径石球石柱等缺点，如图 2-2。图 2-1 石球加工原理图a) 石料毛坯及切割刀痕 b) 加工后打掉薄片c) 转 90 d) 切另一侧西南科技大学本科生毕业论文12654321图 2-2 双立柱石球加工机示意图1-立柱 2-工作台 3-石料 4-锯片 5-电机 6-横梁而单立柱石球石柱加工机械，不需要设备基础，任意的车间和场地都可以安装使用。由于是单立柱，因此占地面积小，设备整体紧凑、调整灵活，加工品种多，还能实现自动加工，因此本人提出单立柱结构形式，采用如图 2-3 结构设计。荒料 2 放在工作台小车 1 上，工作台小车由电动机通过传动装置带动作旋转运动，同时，锯片 3 安放在机头 4 上，通过带传动驱动，切割荒料。这样可以减少由于石材荒料对锯片的力直接传动到电动机上，而对电动机不利。机头 4 安放在横梁 5 上由步进电机 9 通过丝杠 6 传动进行 Y 轴左右运动，横梁 5 由横梁支架 7 通过连接到立柱 8 上，立柱 8 上安步进电机，并由一个丝杠带动横梁支架进行 Z 轴上下移动。ZY65432187 9西南科技大学本科生毕业论文133 机头的设计所设计石球机采用单立柱结构，横梁采用悬臂梁结构，机头安装在横梁上。机头部分的电动机通过传动装置带动锯片旋转。3 机头的设计机头的作用是驱动锯片做主运动，要求运动平稳，实现锯片的线速度应到达 30m/s。机头传动部分选用电动机 5 通过带传动 4 带动锯片轴 3 转动，其锯片轴通过轴承 2直接安放在机架箱体，传动结构设计如图 3-1。图 2-3 机构运动示意图1-工作台 2-石料 3-锯片 4-电机 5-横梁 6-丝杠 7-横梁支架 8-立柱 9-步进电机西南科技大学本科生毕业论文145123463.1.1 选主电机参数根据一般石材加工机械主电机参数，选择设计石球、石柱加工机主电机功率为5.0kW 左右，这里选择型号为：Y132S4 型，功率为 5.5kW，满载转速为 1440r/min，4极。3.1.2 确定锯片直径及轴转速由于所设计加工石球最大直径为 1.5m，为了更好的提高该加工机锯切石材的效率 ，把放在该加工机小车上的石材荒料，先用圆锯将正方体的 12 条棱相继切去多余的石材，这样减少了锯片加工的加工余量，即放在石球机小车上的石荒料如图 3-2。OHFEBDGCA图 3-2 石料加工图Fig.3-2 Stone material processing chart图 3-1 主传动系统1-锯片 2-轴承 3-主轴 4-从动轮 5-主动轮 6-电动机西南科技大学本科生毕业论文15锯片直径的确定由于：AD=OD=780mm，OA=780 =1103.1mm 2AB=AOOB=1103.1780=323.1mm AG=AB =456.9mm 2OH=DG=ADAG=780 456.9=323.1mm， OF=750mm，HF=676.8mm则：BC=AB/ =249.68mm. 最大切深 GF=HGHF=780 676.8=103.2mm，2尽管最大切深为 103.2mm，但是为了使锯片轴能不受阻挡的切入，锯片半径应该大于 BC 的长度，即 297mm，同时为了方便锯片在实际工作中能够顺利地工作，选取锯片时，考虑到应该大一些，同时考虑锯片直径应该大于切深的三倍，因此选锯片直径为560mm。根据石材加工机械锯片速度参数，选定此锯片外缘瞬时线速度为 30m/s，则锯片轴转速： 。srrvn/1024.5630选用电动机轴到锯片轴传动为带传动，其传动比为：i= =1.41024r/s确定切削力。由图 33 可知：西南科技大学本科生毕业论文16oABFrC石 料锯 片图 3-3 锯切力示意图取切深点C 为研究对象，由P=F V 得：Ft= =183.3N，即切削力为 183.3N305P已知锯片轴转速为1024r/min，电动机传到锯片轴上的功率为：为 带 =0.9619P=Pw=5.50.96=5.28kW（包括了轴承的效率） 。3.1.3 带传动的计算 20确定计算功率 Pca计算功率是根据传递的功率 P，并考虑到载荷性质和每天运转时间的长短等因素的影响而确定。即：Pca=KaP选 Ka=1.2，每天工作 8 小时，P=5.28kW则 Pca=1.25.28=6.3kW选带型：根据计算功率 Pca 及小带轮转速 n，小带轮转速为 1440r/min，选窄 V 带 SPZ 型确定带轮的基准直径 Dd1 和 Dd2西南科技大学本科生毕业论文17初定带轮的基准直径 Dd1Dd1 选 90mm，D a1 =94mm验算带速 VV1= = =6.78m/s ；60n4.31d06149.3因为 5V125 所以，可以。计算从动轮直径 Dd2Dd2=iDd1=1.490=126mm选：D d2=126mm Da2=130mm确定中心矩 a 和带的基准长度 Ld如果中心距未给出，可根据传动的结构需要初定中心距 ao0.7（D d1 + Dd2）a 02（D d1 + Dd2）0.7（90+126） a02（90+126）151.2ao432中心矩取 ao=200，则所需带的基准长度 Ld，Ld=2ao+ o2d1212a4)D()D(14.3=2200+ （130+90）+. 09)(32=749.21mm选定 Ld=800。则中心距：a= ao+ =200+ =225.395mm22749.180则中心距的变动范围：amin=a 0.015Ld=225.3950.015810=213.245mmamax=a+0.03Ld=225.395+0.03810=249.695mm验算主动轮上的包角 11=180 57.5aDd12=180 57.5=1711205.4906西南科技大学本科生毕业论文18主动轮上包角合适确定带的根数 ZZ= LaocK)P(其中：P o单根带的基本额定功率取值：1.98kWPo计入传动比的影响时，单根带额定功率的增量取值：0.15kWKa考虑包角不同时的影响系数取值：0.94KL考虑带的长度不同时的影响系数取值：0.82则：Z= =3.684.0915).098.(63所以选定 Z=4 根。确定预紧力 Fo根据公式，并考虑离心力的不利影响时，单根带所需的预紧力为：Fo=500 +qV2)1K5.2(ZPac=500 （ ）+0.07 6.7826.784394.0=183.58+3.22=186.8N计算带传动作用在轴上的力，压轴力 Fp为了设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带传动作用在轴上的力 Fp。如果不考虑带的两边的拉力差，则压轴力可以近似的按代的两边的预紧力 Fo 的合力来计算。即Fp=2ZF0sin 21=24186.8sin =1489.8N73.2 V 带轮的设计设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好；无过大的铸造内应力；质量分布均匀，转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。3.2.1 主动轮的设计西南科技大学本科生毕业论文19图 3-4 主动轮由于主动轮直径较小，所以，采用实心式结构，材料选用 HT150。由已选电动机型号尺寸，其输出轴直径为 38mm，如图 2-4 则：D 1=38mm；bd1=8.5mm； ha1=2mm；h f1=7mm；e 1=12mm；f 1=7mm20B1=（Z 1） e1+2f1=（41）12+2 7=50mm Da1=Dd1+2ha1=9022=94mm轮槽角 取值：38。3.2.2 从动轮的设计从动轮同样采用实心式结构，材料选用 HT150，如图 3-5：西南科技大学本科生毕业论文20图 3-5 从动轮其结构尺寸选择为：D2=38mm；b d2=8.5mm；ha 2=2mm；h f2=7mm；e 2=12mm；f 2= 7mm B2=(Z1)e 2+2f2=（41）12+27=50mm Da2=Dd22h a=126+22=130mm轮槽角 取 38。3.3 锯片主轴的设计 203.3.1 初步确定轴的最小直径初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为 45 钢，调质处理，取 Ao=112，于是得：Dmin= A0 =112 =19.3mm3nP310245.83.3.2 拟定轴上零件的装配方案输出轴的最小直径是安放锯片处的直径，为使所选轴的直径 D 与锯片孔径相适应。故加工锯片 M38 的螺纹。则对应紧定锯片的圆螺母选用型号为： GB617286 M38 厚为12mm。两轴承放在轴承支座上，内圈与轴颈配合，外圈与轴承支座形成配合，皮带轮与轴通过键联接，端面定位用轴端挡圈。西南科技大学本科生毕业论文213.3.3 各轴段直径和长度的确定由于已选定大带轮内径为 38mm，则该轴段直径为 38mm，而带轮宽 L 为 50mm，则选定轴段长度为 48mm。则设计各个轴段尺寸如下：如图 36 所示， 323842547 454842183.3.4 轴上零件轴向定位带轮与轴段采用平键配合，根据轴毂为 38mm 所以选取平键型号：bh=108， GB/T1095 79，键槽用键铣刀加工，长为 28mm，为保证良好的对中性，则带轮轮毂的公差配合为：H7/n6。取轴端倒角为 245，各轴肩处圆角的半径 R1.5。具体装配如图 3-7 所示。 1097654321?38H7/n6图 3-7 主轴装配图1-键槽 2-键 3-螺钉 4-从动轮 5-轴承端盖 6-角接触球轴承 7-箱体 8-主轴 9-挡板 10-固定螺栓3.3.5 轴上载荷计算图 3-6 主轴Fig.3-6 Axis西南科技大学本科生毕业论文22这里的计算应该分别求出轴在 XY 方向上的受力和 YZ 方向上的受力，并求其弯矩，然后在求合力矩，以校核其是否满足设计要求，求解过程如下：（1）如图 3-8a 所示，求出其在 XY 方向上的受力，在 XY 平面，由M B =0，F=0 得：FNH2198 Fo(198+67)=0 F NH1+FNH2= Fo已知 M 轴 =45Nm则由 FD/2=M 轴Fo=2M 轴 /D=245/0.38=236N，即 Fo=236N解得：F NH1=315.6N，F NH2=79.6N求 XY 方向上的弯距如图 3-8b 所示得：M V=F0CD=23687=20532Nmm（2）如图 3-8c，求出其在 YZ 方向上的受力，在 YZ 平面上，由M B=0，F=0 得：FZ87F NV2198=0FZ+FNV2= FNV1已知 FZ=183.3N解得：F NV1=316.5N，F NV2=80.5N求 YZ 方向上的弯距如图 3-8d 所示得：M H =FZAB=183.387=15947.1Nmm总弯矩如图 e 所示得：M= mN25981.472053MV2H 已知锯片轴转速为1024r/min，电动机传到锯片轴上的功率为：为 带 =0.9619P=Pw=5.50.96=5.28kW（包括了轴承的效率）N轴 =1024r/min所以轴的扭矩为：T 轴 =9549 =44665Nmm=45Nm10245.8西南科技大学本科生毕业论文23c:YZ平 面 受 力 图aX面 受 力 图 T=465Nme合 弯 距 图d平 面 弯 矩 图b面 弯 矩 图 6719887YZABCDF0FNVHNV2HNV1NV2ZZ 01 MH197.8V=53Hv图 3-8 轴的载荷分布3.3.6 按弯矩扭矩合成力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面B）的强度，并取=0.6， 轴的计算应力 ：= = =4.1MPaca WTM22322451.0698前已经选定轴的材料为45钢，调质处理， -1=60MPa ，因此， ca -1所以安全合理。3.4 主传动系统上轴承的确定及校核 20锯片轴采用两轴承及一小箱体。工作需要，使轴竖直放置，由于受到本身的重力作用，故应该选用角接触球轴承，背对背装配。查机械设计手册 ，选择轴承型号为：7009C；GB/T2971994 基本参数为：d=45mm ；D=75mm；B=16mm ；=15。预期计算寿命：36000h基本额定动载荷 Cr：15.2kN；基本额定静载荷 Cor：10.2kN西南科技大学本科生毕业论文24轴 承 2主 轴轴 承 1锯 片 Fd12rae图 3-9 主轴轴承的受力分析图具体计算过程如下，分布图如 3-9 所示；求两轴承受到的径向载荷 Fr1 和 Fr2 Fr1= = =447NNV12H22316.5.Fr2= = =113.2N22 280.79.求两轴承的计算轴向力 Fa1 和 Fa2对于 7009C 型轴承，轴承派生轴向力 Fd=e Fr；其中 e 为的判断系数，其值由 Fa/Co 的大小来确定，但现轴承轴向力 Fa 未知，故先初取 e=0.4，因此可以估算 20： Fd1=0.4Fr1=0.4447=178.8N Fd2= 0.4Fr20.4109.5=45.2N其中：F ae为轴及轴上零部件的重力,经计算，F ae约为400N。由公式得:Fa1= Fae+Fd2=400+45.2=445.2N；F a2= Fd2=45.2N0.436125C0a04.125C0a用线性插值法求计算西南科技大学本科生毕业论文25e1=0.4+ 48.047.05)12.()12.7.(0e2=0.4+ 9.38.6.9.9.再计算F d1= e1Fr1=0.48447=214.6N Fd2= e2Fr20.409113.2=46.3NFa1= Fae+Fd2=400+46.3=446.3N ；F a2= Fd2=46.3N0438.126C0a0.451263C0a两次计算值相差不大，因此确定e 1=0.48 e2=0.409 求轴承当量动载荷 P1 和 P2因为 e 1 e2476.3Fr1a3.46Fr2a分别进行查表13-5：对于轴承1：X 1=0.44 Y1=1.19 对于轴承2：X 2=1 Y=0 因为轴承在运转中有中等冲击载荷，得 fp为1.2至1.8 取1.5 则P1= fp（X 1Fr1+ Y1Fa1）=1.5（0.44447+1.19446.3）=1091.7NP2=fp（X 2Fr2+ Y2Fa2）=1.5（1113.2+0 44.79）=169.8N 验算轴承寿命：所以P 1 P2， 所以只需按轴承 1的受力大小验算：Lh= （ ） 3= （ ） =43931hn601C02469.7503设计要求为36000小时，符合要求。3.5 机头的结构设计西南科技大学本科生毕业论文26考虑采用图 3-10 结构： 87654321?图 3-10 电机及传动 主轴1-锯片 2-垫片 3-槽钢 4-角接触球轴承 5-键 6-主轴 7-横梁 8-丝杠这里不用对主轴箱中各零部件进行校核。4 纵向横向进给系统部分的设计这个系统的设计要求是能实现锯片的纵向进给和横向进给，要求横向进给长度为1500mm，纵向进给高度为 1200mm，步进电机的设计使得半精加工最小进给步长西南科技大学本科生毕业论文270.5mm。4.1 横向进给系统的设计纵向进给系统的设计主要是横梁的设计，考虑到横向进给长度为 1500mm，设计横梁总长为 2000mm，在横梁的左端有一个沿横梁圆柱表面的突起，这样做的目的是为了固定与步进电动机相连的丝杠的另外一端，并且在横梁上开了一个键槽，以使得横梁的横向进给运动，具体尺寸如图 4-1 所示。图 4-20250-.16-M82518512025154-M818901 横梁4.2 纵向进给系统的设计纵向进给系统的设计主要是立柱的设计，纵向进给高度为 1200mm，设计立柱高度为2900mm，在立柱上有个步进电机使横梁纵向运动，以完成系统的纵向进给，立柱结构示意图如 4-2 所示。西南科技大学本科生毕业论文28290图 4-2 立柱4.3 丝杠及步进电机的选择对于两个滚珠丝杠的选择，根据经验及实际应用，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的型号为：CDM4005-5 型，公称直径为 40mm，螺距为 12mm。两个步进电机选择均型号为：130BYG2502 永磁感应子式步进电机，具体参数如表 4-1。表 4-1 步进电机参数型号 步距角 相数 电压 电流 电感 静转矩 转动惯量 运行频率130BYG25021.8 2 12031V 7A 8.7MH 400Kgcm48Kgcm210kHZ当步进电机一个脉冲转过一个步距角时，丝杠就会转过一圈，由于电机的步距角为1.8，所以它的精度要求为 1.8 与 360的比值，经计算 0.005，也就是说，步距角为1.8的电机转 0.005 圈的同时，丝杠也是转过 0.005 圈，而丝杠螺距为 12mm，所以他所能达到的精度为 0.06mm，由于设计标准是 0.5mm，所以符合设计要求。步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。 西南科技大学本科生毕业论文29步进电机转速 = 频率60 XT360其中：步进电机的转速单位是：r/min 频率单位是：HZ x 指细分倍数 T 指固有步进角步进电机采用整步，即 1 细分，这里频率选择 10kHZ，则转速=10000 60 1=3000r/min,.8360已知电动机转动 0.005 圈的时间里，丝杠移动距离为 0.06mm，已知转速为3000r/min，则丝杠的移动速度为 v=30000.0050.06=250mm/min。4.4 进给系统的组合这个进给系统是由横梁导架，横梁，立柱，丝杠和电机组成，横梁带动主轴箱可以横向移动，并且位移要求精确，因此采用步进电机通过滚珠丝杠传动。同时，横梁及主轴箱由横梁导架通过另一步进电机带动滚珠丝杠实现上下移动。横梁放在横梁导架上，由横梁导架与立柱形成配合，由键联结进行导向，横梁导架及横梁由步进电机带