XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计.doc

毕业设计说明书设计题目：XK6132数控铣床总体及主运动传动系统设计学 生 黄培成 班 级 学 号 020102100799 指导教师 继续教育学院2013 年11月摘 要本论文说明了万能升降台铣床的数控化设计的设计过程，较详尽地介绍了XK6132数控铣床铣床机械设计部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，采用晶闸管脉宽调制驱动（PWM）直流伺服电机，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向、垂直三个方向的进给运动。设计过程如下：（1）机械部分的设计，包括总体设计方案的确定、主传动系统齿轮箱中各轴及齿轮的设计和伺服系统纵向进给方向的设计（横向、垂直2个方向设计略）。主要包括对滚珠丝杠螺母副及直流伺服电机的计算选择。（2）电气控制部分的设计，因此用8031作为系统控制器，采用8155和2764、6264芯片作为I/O和存储器扩展芯片。2764用作程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展8031的RAM存储器，存放调试和运行的加工程序；8155用作键盘和LED显示器接口；键盘主要是输入工作台方向，有+x、-x、+y、-y、+z、-z六个方向；LED显示器显示当前工作台坐标值; 系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路。关键词：数控，单片机，直流伺服电动机，滚珠丝杠，设计36目 录目 录第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点21.2 数控机床的工艺范围及加工精度21.2.1数控机床加工工艺分析21.2.2数控加工工艺的设计21.2.3分析加工工艺路线31.3数控机床的精度影响及分析41.3.1 间隙误差的影响41.3.2 动态误差控制41.4数控机床的经济性分析51.5数控机床的发展趋向5第2章 数控机床总体方案的制订及比较62.1 设计参数62.2 总体设计方案7第3章 确定切削用量及选择刀具73.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae83.2.进给量f 与进给速度Vf的选择83.3.切削速度Vc9第4章 传动系统图的设计计算94.1 参数的确定94.2 传动设计104.3转速图的拟定10第5章 主传动机构零件图设计计算115.1 带轮传动部分的设计115.2 齿轮传动部分的设计125.3电磁离合器的选择175.4 轴的设计计算17第6章 机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明21 6.1移动部件的重量估算.21 6.2负载的分析计算21 6.3导轨副的分析计算，选型，效核22 6.4丝杠螺母副的计算，选型，效核23 6.5直流伺服电动机的计算，选型，效核24 6.6减速器的选用25 第七章 控制系统硬件电路设计25 7.1微机的选用25 7.2存储器的选用与扩展26 7.3译码电路设计28 7.4接口电路设计等28 7.5驱动电路的设计29 7.6选择传感器30第八章 总结与展望 31参考文献32第1章 数控机床发展概述我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代， 中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏实事求是的科学精神，盲目性大，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。1.1数控机床及其特点数控机床与普通机床的区别 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 1.2数控机床的工艺范围及加工精度数控机床综合了精密机械、电子、电力拖动、自动控制、自动检测、故障诊断和计算机等多方面的技术，是典型的高精度、高效率及高柔性的机电一体化产品，近年 来我国的数控机床技术正处在突飞猛进的阶段，在数控机床的使用过程中，加工工艺和精度分析对于机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。1.2.1数控机床加工工艺分析数控加工技术的地位如此重要就必须首先了解数控加工工艺的主要特点和技术原则要求：(1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化，所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程；(2) 数控加工工艺路线设计应合理，以保证数控机床的加工所产生的误差最小化；(3) 数控加工的工序相对集中，以提高加工效率，对于复杂的加工过程，需要进行必要的数控仿真技术支持。1.2.2数控加工工艺的设计数控机床有着高度的自动化特点，其加工工艺要依靠数控模块对设计好的程序进行实施，因此要求加工的工艺线路在规划时必须精准，同时要把握好加工程序的编 制，因为编程函盖了数控机床加工的重要内容，也是其工艺质量得以保证的重要指标。对于数控机床来说，必须先有合理有效的编程工艺路线设计，然后才能保证加 工工艺进程的完整。1.2.3分析加工工艺路线数控机床的加工工艺路线设计要考虑到具体的加工环节，尤其是对数控镗铣床的加工环节更要重视，要根据具体情况做出明确的分辨。在数控车、镗铣床或加工中心 上加工有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外圆、内孔有垂直度要求时，均应在一次装夹中完成。在数控镗铣床或加工中心上加工有孔与端面有垂直度要求或平面 与平面有位置精度要求时，应注意尽可能在一次装夹中完成。1.3 数控机床的精度影响及分析数控机床的加工精度目前已经有了高速的发展，数控机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm) 提升到目前的微米级(0.001mm)。而超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m 左右，形状精度可达0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001m)。可以说，数控机床的精度已经进入亚微米、纳米级超精加工时代。在这样高精密 度要求下，必须要把握数控机床的精度分析，保证不会出现由于操作问题而导致的精度误差。1.3.1 间隙误差的影响进给机构的机械传动机构由减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠副及支承轴承组成。在这些机构的组成之中，如果出现一定的连接不稳定就会导致间隙的产生，产生的间隙就会改变整体的加工环节误差。滚珠丝杠与螺母之间的间隙直接影响工作台的进给精度。对于滚珠丝杠与螺母之间间隙的消除方法，要重视对间隙的偏差测定，通过反复的间隙测量来确定出具体的偏差基数，要求 测出机床各轴的各项原始误差，比较成熟的测量方法是激光干涉仪，测量精度高。测定之后要再将这种基数输入到程序控制之中，这样就可以最大限度地保证数控程序进行时的偏差数据最小 化，做到补偿适当。对于脉冲当量补偿就是指每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量它的大小视机床精度而定，一般为 0.010.0005mm。脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。当然，数控机床的误差调正有两种方法，一种是靠数控系统补偿，一种是调整机械部分，如果对于数控系统来说进行数控补偿程序会十分复杂困难，那么就可以通过调整丝杠间隙进行消除。1.3.2动态误差控制机床的动态精度，即机床各轴的定位精度P、重复定位精度Ps 和反向误差U 等指标。它们是以VDI/DGQ3441 的方法进行检测。考核数控机床的定位精度P 是用以下公式进行计算“P=6+L/300”式中L 代表数控机床坐标轴的长度。针对数控机床的定位精度来说，应该是与机床的动态精度有着密切的利害关系。由于 丝杠螺母副之间的间隙存在，当工作台反向时，必产生反向间隙误差而影响到工作台送料定位精度。丝杠螺母副之间的间隙具有两个特点：(1) 具有相对的稳定性，即在一定范围内间隙是一个常数；(2) 随着机械传动的磨损而相应增加。1.4 普通机床数控化改造经济性评价数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 相比传统机床床，数控机床表现出了很好的经济性：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床）；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可对市场需求作出快速反应等等。 根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5万/台，普通新车床C6142，售价3.8万/台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床C6142，估价0.5万/台，通过改造还可使用4-6年。普通车床C6142每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等），改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。1.5数控机床的发展趋向高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。个性化和开放性是体系结构的发展趋势：1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。5.新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。第2章 数控铣床总体方案的制订及比较2.1 设计参数1、主轴转速： 30-1500转/min2、工作台尺寸（长*宽）： 1250mm*320mm3、工作台最大行程： 纵向800mm，横向300mm，垂直400mm4、快速移动速度： 10m/min5、工作台定位精度： x、y、z 0.03mm6、工作台重复定位精度： x、y、z 0.02mm7、纵向、横向及垂直进给均为微机控制，采用步进电机或伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，脉冲当量0.01mm/脉冲。8、实现功能：铣削平面、斜面、沟槽、齿轮等。9、操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止。2.2总体方案设计（1）主轴传动系统采用8轴齿轮变速系统，从而获得较宽的调速范围，满足不同加工件的质量要求。（2）三维进给伺服系统为了使铣床的性能满足基本要求，选x、y、z轴坐标快进为10m/min，选用步进电机则满足不了要求，且会降低快速性要求。但交流电机的控制结构较复杂，技术难度高，而且价格高，故选择直流伺服电机。选择半闭环系统比闭环系统简单，成本低，且能满足机床精度和加工精度基本的要求。综上所述采用直流伺服电机半闭环环控制系统驱动XYZ工作台。（3）计算机控制系统由于MCS-51单片机具有较高性价比，因此用8031作为系统控制器，采用8155和2764、6264芯片作为I/O和存储器扩展芯片。2764用作程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展8031的RAM存储器，存放调试和运行的加工程序；8155用作键盘和LED显示器接口；键盘主要是输入工作台方向，有+x、-x、+y、-y、+z、-z六个方向；LED显示器显示当前工作台坐标值; 系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路；采用晶闸管脉宽调制驱动（PWM）直流伺服电机。第3章 确定切削用量及选择刀具在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。影响切削用量的因素有：机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床刀具工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床刀具工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表1是常用刀具材料的性能比较。表1 常用刀具材料的性能比较较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。3.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量ap 为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ap 为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae 为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae 为切削层深度。背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.525m 时，如果圆周铣削加工余量小于5，端面铣削加工余量小于6。当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.212.5m 时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.51.0余量，在半精铣时切除。当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.83.2m 时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.52；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.30.5 ，面铣刀背吃刀量取0.51 。3.2.进给量f 与进给速度Vf的选择进给量f与进给速度Vf是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f =Zfz（Z 为铣刀齿数）计算。每齿进给量fz 的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz 越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，fz 就越小。每齿进给量的确定可参考表2选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。表2 铣刀每齿进给量参考值3.3.切削速度Vc铣削的切削速度Vc 与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。铣削加工的切削速度Vc 可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。第4章 传动系统图的设计计算4.1 参数的确定1.了解铣床的基本情况和特点-铣床的规格系列和类型 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。在此就不作出详细的解释和说明了。轴转速范围是：301500r/min 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以=1.06的从110000的数值，因=1.26=，从表中找到nmax=1450r/min，由于表格中没有1450这个数据，选取接近的一个数据1500.就可以每隔4个数值取一个数，得： 1500，1180，950，750，600，475，300，235，190，150，118，95，75，60，47.5，37.5,30。常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=4.2 传动设计1、传动结构式、结构网的选择确定传动组及各传动组中传动副的数目:传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17个轴向尺寸 19b传动轴数目 8根操纵机构 简单，两个双联滑移齿轮，2.主传动顺序的安排16级转速传动系统的传动组，可以安排成：2x2x2x2，选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。 主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或者用一个定比传动副。4.3转速图的拟定 运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。1.主电机的选定 中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。 电机功率N： N=7.5kw 根据常用电机所提供的资料，选用：Y132M-4 2.电机转速nd=1440r/min 3.轴的转速: n1=1440r/min4.中间传动轴的转速 对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。 5.齿轮传动比的限制 机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：(1)升速传动中，最大传动比umax2。过大，容易引起震动和噪音。(2)降速传动中，最小传动比umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。第5章 主运动传动系统装配图和零件图的设计计算5.1 带轮传动部分的设计根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径。(一) 带轮直径确定的方法、步骤1. 选择三角型号一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情机床主轴变速箱设计指导4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为35根为宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下： B型带轮 选取3根2. 确定带轮的最小直径Dmin（D小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程查表可取： Dmin=186mm3.计算大带轮直径D大根据要求的传动比u和滑功率确定D大。当带轮为降速时： （2.5）三角胶带的滑动率=2%。 137.2mmD大343mm经查表取： D大=304mm 4.初定中心距A0： 中型铣床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750850mm。5.2 齿轮传动部分的设计选择以机床变速箱中第轴和第轴间，两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2，对其进行齿轮传动部分的设计和验算。根据总体结构方案，主电机功率7.5KW,转速1450r/min，要求输出轴转速1000 r/min，齿轮齿数比U=1.25。具体计算如下：（1)大、小齿轮的材料均为45钢，经调质与表面淬火处理，硬度为4050HRC（2)选小齿轮齿数=28,大齿轮齿数=U3=1.25328=35,齿数比U=1.25（3)按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即d1t 1选取载荷系数 Kt=1.2 2计算大齿轮传递的转矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 7.5/1450 N.mm =4.93310 N.mm 3选取齿宽系数d =1 4查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa 5按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6计算应力循环次数N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，得 = =9 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值d1t =69.429mm10计算圆周速度n (2.13)11计算齿宽bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齿高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413计算载荷系数根据n=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；直齿轮，假设KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b将数据带入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h=10.66，KH=1.444查图机械设计10-13得KF=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 69.4293mm 15计算模数m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齿根弯曲强度设计 (2.14)1查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1=710MPa；2查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82；3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 (2.15)4计算载荷系数KK=KAKvKFKF=131.1431.231.32=1.8065查取齿形系数查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6查取应力校正系数查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大。8设计计算 mm=1.53 mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数，取=32 (2.16)大齿轮齿数 =U3=1.25332=40，取=40。（5）几何尺寸计算 1计算分度圆直径d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3计算齿轮宽度b=d3d1=1396 mm=96 mm因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第轴上；大齿轮2安装在第轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。4验算 (2.17)100 N/mm,合适。5结构设计及绘制齿轮零件图如下：机床主轴箱中，第轴和轴间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为4855HRC，许用接触强度疲劳应力，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下：1齿轮齿数Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602中心距，将中心距圆整为210mm (2.18)3按圆整后的中心距修正螺旋角：4大、小齿轮的分度圆直径 (2.19)5齿轮宽度圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6斜齿轮结构如图所示5.3电磁离合器的选择 摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。 根据初步的计算可从离合器的选择与运用一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。5.4 轴的设计计算（1） 轴的设计计算 1轴的材料选用45钢，并经调质处理。2轴的结构设计 轴的结构如图所示：3 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径，故轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。（2） 轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。2估算周的最小直径 查表得常数， (2.22)3 轴的结构设计（见图如下所示）4 轴的刚度验算 轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和）应小于弯曲刚度的许用值Y和，即 yY，。表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Y（mm）变形部位（rad）一般传动轴（0.00030.0005）L装向心轴承处0.0025刚度要求较高（0.0002）L装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.03）m装单列圆锥滚子轴承0.0006安装蜗轮轴（0.020.05）m装滑动轴承处0.001装单列圆柱滚子轴承处0.001L：轴的跨度 ； m：模数 轴的变形计算公式： 计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。圆轴： 平均直径 (2.23) 惯性矩 (2.24)矩形花键轴：平均直径 (2.25) 当量直径 (2.26) 惯性矩 (2.27) 轴的校核计算轴的受力简图：轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。a ) 先校核由齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度1)作轴的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图1计算轴上的功率： 轴上的转矩：齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2求在水平面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 3求在垂直面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 4画轴水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下2）作弯矩和转矩图3）轴的强度、刚度校核，在此略去。度和刚度校核过程省略。4） 主轴的设计计算 轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。第六章 纵向进给传动系统设计计算6.1移动部件的重量估算总的重量估算如下：工作台重量估算：G1=M1g=1.25*0.32*0.1（m3 ）*7800kg/m3 =320kg；考虑最大加工件重量700 kg。X纵向移动的总重量：M=1020kGG=Mg=10200N=10.2kN。6.2负载的分析计算（机床设计手册P498）直流伺服电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选直流伺服电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。这里我们以X轴计算为主，Y、Z轴的相关计算略。（1）切削负载：根据切削原理近似公式计算，有，。（2）摩擦阻力：本数控铣床工作台三维运动伺服进给系统采用滚动导轨副，滚动导轨副的摩擦系数一般=0.0030.005之间，这里我们取其中间值=0.004，摩擦阻力如下：=240.8N注：这里取g=10m/s2，其他的摩擦阻力这里没有计算。（3）等效转动惯量计算：式子中采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度=10m/min；（电动机）=1500r/min；=1020kg（全部直线运动部件的总质量）。旋转的部件暂时没有计算考虑（因为此时不知道减速器中齿轮的相关尺寸）。经计算：J=0.0012kg.m2（4）滚珠丝杠摩擦阻力矩（Tsm）的计算：由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小得多，故一般不予考虑。（5）直流伺服电机输出轴上总负载转矩：经计算： = 61.0177N.m6.3导轨副的分析计算，选型，效核（机床设计手册P1109 、P1118）执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，这里我们选择直线滚动导轨。它的主要特点是：承载能力大，刚度高。直线滚动导轨副中，滚珠与圆弧沟槽相接触，因为许用载荷和刚度与点接触相比有较大幅度的提高。采用直线滚动导轨副可以简化设计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高，只要求精铣或精刨。本系统中工作台负载G=Mg=10200N=10.2kN，FZ=50kN，有效行程LZ=800mm，每分钟往复次数为N=4，移动速度V10m/min，运动条件为：常温，平稳无冲击和振动。（1）直线运动导轨上负荷的计算：（P1106P1118）计算条件：水平安装，卧式导轨，滑块座移动，工作台质量均匀分布，垂心在中间，外力F的作用点偏离中心，不与中心重合。经计算，我们选取最负荷P4=15.78kN。（2）额定寿命计算：这里我们先试选型号为GGB65AA2L12400D直线滚动导轨副。查表得：这种导轨的额定动、静载荷分别为C=115kN，Ca=163kN，fH =1，fT =1，fC =0.66，fW =1.2。计算得Pc=15.7833kN。代入公式有：其中寿命时间的计算公式为：注：Lh寿命时间，h，L额定寿命，kM，La行程长度，m，Nc每分钟往复次数。根据上述数据计算有：，按照每年工作日为300天，二班工作制，每班8h，开机率为80%，则预计寿命年限为：年故选用型号为GGB65AA2L12350D直线滚动导轨副能满足要求。6.4丝杠螺母副的计算，选型，效核（机床设计手册P730P753）假设工作时候平均载荷Fm=5000N；丝杠的使用寿命Lh =20000h；丝杠的工作长度L=0.8m；丝杠的转速n=600r/min，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，传动精度要求。（1）求出计算载荷：计算公式为：式中：载荷系数，硬度系数，精度系数，工作载荷，这些都是按照相关的标准查取。计算载荷为如下，（2）根据寿命计算出额定动载荷：（3）查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷，使，初选几个规格（或型号）。最后考虑各种因素，选丝杠型号为FFZD6310（注：FFZD型为内循环浮动反相器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。 公称直径：D0=63mm 导程：p=10mm 螺旋角：=arctan(10/(63)=254 钢球滚珠直径：d0=7.144mm 丝杠内径：d1=55mm（4）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为：通常要求在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。最后，经风度、稳定性计算验证，FFZD6310各项性能指标均符合题目要求，可选用。6.5直流伺服电动机的计算，选型，效核（机床设计手册P1323）本系统设计中，由于在前面的总体设计中已经说明了步进电机不能满足其性能要求，故选择直流伺服电机，并且是在半闭环控制系统中使用。宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的负载有两种，即负载转矩和负载转动惯量。当选用电动机的时，必须正确的计算负载，即必须确认电动机能满足下列条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；工作负载与过载时间应在规定的范围内；应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，由于负载转矩起减速作用，如果可能，加减速应选取相同的时间常数。我们在这里首先初选大惯量系列（H系列）型号为60H的直流伺服发电机。其性能参数如下：输出功率15kW，额定转矩98N.m，最大转矩为784 N.m，最高转速为2000r/min，转子转动惯量0.0027kg.m2，机械时间常数12ms，热时间常数120min，重量为160kg。（1）过热验算（省略）（2）过载验算：即应使瞬时最大负载转矩与电动机的额定转矩的比值不大于某一系数，即：式中：电动机过载系数，取。由题知： 故该电动机有较好的过载保护能力。6.6减速器的选用直流伺服电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式，我们这里选择通过减速器传动丝杠。从上述的分析可知电动机的转速，机床丝杠转速知，传动比。根据传动级数选择曲线，将其分为两节传动。又根据传动比分配曲线我们这里选择=1.5，=2.22。这里，我们选取圆柱齿轮传动第一级传动参数如下：、（模数），（齿宽），；第二级齿轮参数：、（模数），（齿宽），。第七章、控制系统硬件电路设计7.1微机的选用由于MCS-51单片机具有较高性价比，因此用8031作为系统控制器，采用8155和2764、6264芯片作为I/O和存储器扩展芯片。2764用作程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展8031的RAM存储器，存放调试和运行的加工程序；8155用作键盘和LED显示器接口；键盘主要是输入工作台方向，有+x、-x、+y、-y、+z、-z六个方向；LED显示器显示当前工作台坐标值; 系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路。1) 限位报警显示电路为限制工作台在规定的范围内运动，在x、y、z向导轨的六个边界处设有限位开关，每一边界有一限位开关。当工作台碰撞到限位开关时，通过电路向单片机发出一个中断请求信号INT0，单片机接收到信号后快速响应，接通报警显示电路，红灯报警，同时控制电机停止运转。2) 键盘显示电路系统显示接口用8155扩展口控制5位8段LED数码显示块实现动态显示，系统键盘用8155扩展口组成了48行列式键盘。能实时显示工作台的当前运动位置，共5位，其中整数部分3位，小数部分2位。8155扩展I/O口组成的行列式键盘7.2存储器的选用与扩展（1）程序存储器的扩展：8031最小应用系统（程序存储器的扩展）8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展存放程序的ROM。程序存储器的作用：存放程序代码或常数表格；扩展时所用芯片：一般用只读型存储器芯片（可以是EPROM、E2PROM、FLASH芯片等）；扩展电路连接：三总线的连接；存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况确定其最低地址和最高地址。 2764芯片扩展电路连接图（2）数据存储器的扩展：数据存储器的作用：存放数据，可改写；扩展时所用芯片：一般用静态读写型存储器芯片SRAM；扩展电路连接：三总线的连接；存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况确定其最低地址和最高地址。扩展电路连接图如下所示存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况确定其最低地址和最高地址。 7.3译码电路设计译码法：当扩展芯片需要的片选信号要比可提供的地址线多时，就无法使用片选法来扩展外围芯片了。这时，常常采用译码法来进行。所谓译码法，是将低位地址线作为扩展芯片的片内