ck280数控车床设计说明书.doc

摘 要 CK280 数控车床综合实验台是一个为学校教学应用而设计的，能满足学生对 数控实习所需要的各种动作要求和实习作品的加工。该数控车床使用很多符合 国家标准的元件，结够简单，紧凑体积小，功能齐全，是一个适合教学用的 经济性数控车床。教学中合理使用，就可以达到满意的工作效率。 CK280 数控车床的机械结构部分主要包括：主传动系统，进给系统和数控机 床辅助装置，机械系统设计是数控综合实验台的一个部分，它的任务是完成整 个数控车床的机械执行运动和结构基础，是通过用途，功能和技术要求等合理 定出系统结构，并通过认真的计算得到的参数，然后选择符合规定的元件和进 行系统的结构设计。 该数控车床由主传动装置，XZ 轴进给装置，和辅助装置（自动换刀装置，数 控车床尾座）等组成。 关键词关键词 传动 进给 主轴 丝杠 AbstractAbstract： CK280 CNC lathe is a comprehensive test-bes for school teaching applications designed to meet the training requirements of NC students to the various movements and practical requirements of the processing word. The CNC lathe with the use of national standards for many components,simple,compact,small size, fully functional,is a suitable teaching and the economy of CNC lathes.Rational use of teaching,we can achieve a satisfactory work efficenc CK280 CNC lathe machine,including some of the major structure;main drive 精品文档 。 II欢迎下载II欢迎下载 system,feeding system and numerical control machine tools assist device,Mechanical systems designed to integrated throughout the NC part of a test-bed,its task is to complete the CNC lathe machine and structural basis for the implementation of movement,through the use of functional and technical requeirements set reasonable structure,and through careful calculation by the parameters,and then select the required components and systems for the structural design. Ck280 CNC lathes from the main transmission devices,XZ-axis feed devices,and assistive devices(automatie tool change devices,CNC lathes Tailstock). Keywords: Transmission ,Feed ,Spindle , Leadscr 前言 .1 1 数控机床机械部分的组成 .4 1.1 主传动系统.4 1.2 进给系统.4 1.3 数控车床的辅助装置.5 2 主传动系的选择设计 .5 2.1 电动机的选择.5 2.2 主轴结构设计.7 2.3 主轴的 V 带传动设计.12 3 进给传动系统设计 .14 3.1 X 轴丝杠传动系统的设计.15 3.1.1 X 轴丝杠的设计.15 3.1.2 电动机的选择.17 3.1.3 V 带设计.19 3.1.4 X 丝杠轴的结构设计和部件.21 3.2 Z 轴丝杠传动系统的设计.22 3.2.1 Z 轴丝杠的设计.22 3.2.2 电动机的选择.24 3.2.3Z 丝杠轴的结构设计和部件的选择.26 4. 各轴向导轨的计算选择 .27 4.1 导轨的选择.27 4.1.1 导轨间隙调整机构的类型选择.27 4.1.2 导轨的的选择.28 4.1.3 导轨的润滑及防护.28 4.2 X、Z 轴向导轨的计算选取.28 5. 回转刀台的设计 .29 5.1 回转换刀装置的作用.29 5.2 自动换刀装置的的形式及其工作原理.29 5.3 刀架结构设计计算.30 6 总结 .31 致 谢 .33 精品文档 。 1欢迎下载 前言 数字控制 ( 数字控制) 简称 (收据控制) 是近代发展起来的一种自动控制技术, 上数 字化信号对机床及其加工过程进行控制的一种方法. 数字控制机床(Numeral control tool machine)简称数控机床,就是采用了数控技术的 机床，或者是装备了数控系统的机床。 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结 构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型机电一体化产品。它 集高效率、高精度和高柔性于一身，代表了机床发展的主要发展方向。它是机械加工自动 化的核心设备。 随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质 量要求也越来越高，单件、小批生产的机械产品比重越来越大，已占到机械加工总量的 80%以 上，特别是在航天、航空、造船以及国防工业的一些部门，加工批量大、精度要求高、形 状复杂的零件很多，不适于采用如汽车、拖拉机等行业所用的大批大量生产的自动机床、 组合机床和自动线来加工，而一般机床又难于达到加工要求。在此情况下，产生并发展了 数控机床，它有效地适应了产品不断变化、多品种、小批量地自动化生产地需要。1952 年， 美国的帕森斯公司和麻省理工学院率先研制成功世界第一台坐标数控铣床。 数控车床是切削加工的主要技术装备。它能完成的切削加工最多。因此，在机械制造 工业中，数控车床是一种应用得较广泛的金属切削机床。 数控车床与其他类型的车床相比有下列特点：国际信息处理联盟（IFIP）第五次技术 委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑 的处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它自 动阅读输入载体上预先给定的数字值，并对其译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对 运动，加工出所需要的零件。 1、通用性强，生产率高，加工精度高且稳定，操作者劳动强度低。 2、适合于复杂零件的加工。 3、换批调整方便，适合于多种中小批柔性自动化生产。 4、便于实现信息流自动化，在数控车床基础上，可实现 CIMS（计算机集成制造系统） 。 精品文档 。 2欢迎下载 数控机床设计是计算机自动控制机械制造网络通信技术于一体，典型的机电一 体化产品。数控技术的高低已衡量一个国家制造水平的核心标志，实现加工机床及生产过 程的数控化，已经成为当前制造的发展方向。40 年来，它经历了研究试制，工业应用和高 速发展的三个阶段，在品种、数量、加工范围与加工精度等方面有惊人的发展。1948 年美 国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控 机床的初始设想，并与麻省理工学院合作，于 1952 年制作了世界上第一台数控机床样板。 这是一台三坐标数控立式铣床，采用的是脉冲乘法器原理，其数控系统全部采用电子管元 件，我们称之为第一代数控系统。 其后，随着电子与计算机技术的发展，数控机床经历了几代变化： 第一代 1952-1959 年 采用电子管元件 第二代 从 1959 年开始 采用晶体管元件 第三代 从 1965 年开始 采用集成电路 第四代 从 1970 年开始 采用大规模集成电路及小型通用计算机 第五代 从 1974 年开始 采用微处理器或微型计算机 80 年代初，国际上又出现了柔性制造单元 FMC FMC 和 FMS 被认为是实现计算机集成制造系统（CIMS）的必经阶段和基础。 我国从 1958 年开始研究数控机床，一直到 60 年代中期处于研制、开发时期。当时， 一些高等院校、科研单位研制出实验性样机，开始也是从电子管着手的。70 年代针对航空 工业等复杂形状零件的急需。从 1973 年以来组织了数控机床攻关会战，经过 3 年努力，到 1975 年已试制生产了 40 多个品种 300 多台数控机床。据国家统计局的资料，从 1973 年- -1979 年，7 年内全国累计生产数控机床 4108 台。1980 年前后我国采取了暂时从国外引 进数控装置和伺服驱动系统为国家主机配套的方针，几年内大见成效。目前，我国除具有 设计与生产出了柔性制造系统。1984 年北京研究所研制成功了 FMC-1 和 FMC-2 柔性加工单 元，之后又开始了柔性制造系统的开发工作，并与日本 FANUC 公司合作，在北京机床研究 所内建立了第一条柔性制造系统，用于加工直流伺服电机的轴类，法兰盘类，刷架体类和 壳体类的 14 种零件。近年来，依靠我国科技人员的努力，已先后研制成功并在北京，长春 等地安装使用了 3FMS。现在我国已建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。一些较高 档次的数控系统，如 5 轴联动的数控系统、分辨率为 0.02mm 的高精度车床用数控系统、数 字仿型的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出样机。 这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期。预计在不远的将来，我 精品文档 。 3欢迎下载 国将会赶上和超过世界先进国家的水平。 当前，数控机床技术呈现如下发展趋势 1.高精度化 2.运动高速化 3.高柔性化 4.高自动化 5.复合化 6.高可靠性 7.宜人化 8.设计 CAD 化 我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床产品的竞争力在国际市场中仍处于较 低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各种机床产品特别是数 控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场， 严重影响我国数控机床值得自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上产品质量 上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因是新产品的开发周期长，不能即使针对用 户的需求提供满意的产品。为了促使我国数控机床设计技术的发展，提升国内机床设计人 员的整体水平，学校也开展了该方面的设计课程，更多的培养该方面的人才。 本设计是 CK280 数控车床机械机构设计，较详细的设计计算了数控机床各组成部分的 结构和工作原理。特别是对主传动系统和进给系统的设计。设计的目的：了解数控车床 的机械结构和工作原理； 熟悉数控车床的进给原理和换刀原理；熟悉应用二维软件 CAD 画图软件绘制装配图；把大学四年所学的知识串联起来，学会很好的学以致用。设 计的意义：我国是一个工业大国，近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广 泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、 高自动化的数控机械所代替。在设计中很好的理解数控车床的机械机构，加工原理，利用 理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力，培养学生独立思考问题和解 决问题的能力, 能对我今后的学习工作取得更多的帮助和经验。对自我提高是很宝贵的一 次机会。本次设计中拟解决的工程实际问题是采用开放式结构，通过该实验台，可以使我 能全面掌握数控车床的机械结构、全数字伺服数控系统的电器设计方法、硬件连接、功能 参数设置利用该装置不仅可以进行数控系统电气维修实习培训，也可以进行车床编程操作 实习，还可以进行电气、机械综合培训实习。可根据各自情况对课程设置的要求，自行设 精品文档 。 4欢迎下载 计、组合安装、调试。更好地培养学生的动手能力和分析能力，该装置也可以帮助科研技 术人员进一步了解数控车床结构，同时也为技术人员进行数控车床系统的二次开发提供了 必要条件。 1 数控机床机械部分的组成 1.1 主传动系统 现代切削正朝着高度，高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转 速和更大的无级调速范围；在切削加工中自动化变换速度，机电结构简单。噪声要小，动 态性能要好，可靠性要高。数控机床作为高度自动化的机电遗体化设备，其主传动系统的 设计一般应满足如下要求。 使用性能要求 首先应满足机床运动特性，如机床的主传动有足够的转速范围和转速 级数。传动系统设计合理，操作方便灵活迅速安全可靠。 传递动力要求 主电机和传动机构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的 传动性稳定。 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度精度和抗震性，热变形特性稳 定。 此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修。工艺性好，便于加工和装配 防护性好；使用寿命长。 1.2 进给系统 进给系统是数控机床的一个更重要的组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工 质量和生产效率。 高精度 数控机床是按预定的程序自动化进行的加工的，不可能像普通机床那样用 于手动操作老调整和补偿各种因素对加工精度的影响。现代数控车床的位移精度一般为 0.010.001mm，甚至可高达 0.1um。而在速度控制中，则要求有高的调速精度强的抗负 载扰动的能力。 快速响应稳定性好 数控机床的进给系统，实际上是一个位置随动系统。同任何 精品文档 。 5欢迎下载 一个位置随动系统一样，当指令位移以某一速度变化时实际位移必须比指令位移滞后，这 就是所谓跟随误差。 调速范围宽 调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。在零速上，即工作 台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度使定位误差不超过系统定位误差 允许的范围。此外，根据机床的特点，大都是在低速时进行重切削，因此要求在低速时进 给系统有大的转矩输出。 1.3 数控车床的辅助装置 数控机床的辅助装置作为数控机床的配套部件，是保证数控车床充分发挥高效，高精 度切削加工功能必需的配套装置。 数控车床的辅助装置如下： 润滑装置 润滑装置是车床必不可少的辅助装置，它对数控车床的正常运行起着 重要作用，通过对相对运动表面的润滑，可有效地降低部件的摩擦，同时润滑油带走运动 产生的大量热量，起到一个散热的作用，从而降低部件温升，减少热变形。 自动换刀装置 自动换刀装置可使数控车床在车削加工时，工件一次安装夹紧 后能进行多工序加工，由此避免多次定位带来的误差和减少因多次安装造成的非故障停机 时间，从而提高了劳动的生产率和设备的利用率。 其他辅助装置 其他辅助装置主要有切削过程的检测和控制装置，高速动力卡盘 等，它们对数控车床提高加工零件的精度，稳定产品的质量提升劳动生产率等有着非常 重要的作用。 2 主传动系的选择设计 本设计的转速要求为 802500r/min，考虑到机床设计为试验台的性质，属于演示性 机器而非生产用机器，其所受切削力转矩非常小，考虑用一级变速器的主传动系统。即采 用 V 带传动装置。其优点是结构简单，安装调试方便，且在一定条件下满足转速与转矩的 输出要求。但其调速范围与电动机的一样，受电动机调速范围的约束。这种传动方式可以 避免齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低转矩特性要求的主轴。 精品文档 。 6欢迎下载 2.1 电动机的选择 数控车床的主传动系统一般采用支流调速电动机,通过带传动和主轴箱内的变速齿轮, 带动主轴旋转,由于这种电动机调速范围广,可无级调速,使得主轴箱结构大为简化.直流电 动机在额定转速时,可输出全部功率和最大转距。随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。 在调压范围内为恒转矩，功率随转速成正比例减少。这种变化规律是符合正常加工要求的， 即低速切削所需转矩大，高速切削消耗功率大。同时可看出电动机的有效转速范围并不一 定满足主轴的工作需要。本设计的电动机初选三相异步电动机，配以变频器实现电动机的 无级调速，从而通过 V 带的传动实现主轴的无级调速。变频器的工作原理是将固有频率的 交流电换成频率和电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。 首先根据车削刀及车削功率的分析与计算确定所需要的电动机的功率，再选择合适的 变频器。 车削力的分析与计算 为了方便在实际中，一般常用以下公式来估算切削力： CFC取决于被加工材料和切削条件相关的切削力系数，取 CFC=1770；(车床刀具选用高速 钢，加工材料选用结构钢及铸件等) ap被吃刀量，取 ap=2mm; f 进给量，取 f=0.1mm/r; XFCyFCnFC为被吃刀量 ap进给量 f切削速度 Vc的指数，取 XFC=1.0；yFC=0.75；nFC=0； Vc切削速度，取 Vc=100m/mm; KFC当实际加工条件与建立经验公式的试验条件不符合时，各种影响因素对各切削分 力的修正系数的乘机。因为是在实验所用取与试验是相同的条件，故取 KFC=1.0； 代入数据得 FC=629.5 背向力 FP=（0.10.7）FC=0.4 629.5=251.8N 进给力 Ff=（0.10.6）FC=0.5 629.5=314.75N； 车削功率的分析计算 PC= FCVc10-3 KW 由于括号中的第二项是消耗的功率，与第一项相比很小。 fwFn f 1000 tF 精品文档 。 7欢迎下载 （一般小于 1%） ，可忽略不计。 故 PC= FCVc=629.50.110-3=1.051KW 1.051/0.8=1.314KWECPP / 机床传动效率，一般取 0.70.85；取=0.8。 机床电动机的功率。EP 根据以上数据可选电动机的功率为 1.5KW。选择电动机的型号为 Y90S-2，Y90S-2 型号电动机基本参数： 输出功率： 1.5KW 电压：220V 满载转速：2840r/min 额定电流：1.40A 级数：2 级 质量：22Kg 初选 FR-S520SE-1.5K-CHT 变频器基本参数： 功率：1.5KW 输入：17.4A 1PH AC200240V 50Hz 输出：7.4A 3PH AC200240V 0.5120Hz 由公式 n=60f/p 推算出电动机的转速范围为 153600r/mm,而主轴转速要求为 802500r/mm 设计。 2.2 主轴结构设计 图 1 主轴箱主轴 选择主轴材料 精品文档 。 8欢迎下载 轴的材料一般选用 45 钢，调质处理。其力学性能由机械设计表 8-1 查得， =640K，baP =355M，=275M，=155M，=60M。根据 8-3，取=110saP1aP1aPb aP0A 主轴结构设计 轴的各段直径和长度（轴如图 1 所示） 主轴后端支承轴颈的直径可以使 0.70.8 倍的前支承轴颈值。主轴的孔径与主轴外径 之比为 0.5 时，空心轴的刚度为实心轴刚度的 90%，一般可取 0.5 左右，电动机通过 V 带 与主轴相联。V 带的传动效率为（85%90%） 。 =P =1.5KW0.9=1.35 （为主轴功率）1P1P =9.55106P/n=9500001.35/80=16031N.mm1T 初步估计轴的直径，d=110=28.21mm 考虑到键槽对周强度的削弱的影响，0A 3 p n 31.35 80 直径增加 5%7%，选 7%，dmin=d+d7%=30.1847mm。 最后选取轴A=40mm，B=50mm，C=60mm，D=120mm。 根据 V 带轮和编码器的同步带轮的结构，该处的配合长度设为 L1=100mm。 L2 段安装轴承，轴承端盖采用毡圈油封，根据轴的直径选取角接触轴承 7210C，其基 本尺寸为 dDB=50 mm90 mm20mm；轴承端盖采用凸缘式轴承端盖，通过综合考虑计 算与之配合的该段 L3 设计为 L2=45mm。 L3 段采用双列角接触轴承，选用的轴承型号为 7212C，dDB=60 mm110 mm22 mm，采用套杯与轴承端盖进行轴向定位，考虑其结构和配合段可选取 L3=220mm。 L4 段是与车床夹具卡盘的连接部分，可定为 L4=15mm，与卡盘连接处采用 M12 的六 角头螺钉连接着。 为了节约材料主轴可以设计成空心轴，可设空心空直径=20mm。 轴上零件的周向定位 V 带轮和同步带轮采用 A 型普通平键连接，根据A=40mm，由机械设计课程设计手册 查得平键截面 bhL=12mm8mm50mm，为 V 带轮同步带轮和轴具有良好的对中性， 故选择它们的配合 H7/r6。 确定轴上圆角和倒角的尺寸 参考机械设计表 8-2，取轴端倒角均为 245。 。 轴的弯扭合成强度条件计算 精品文档 。 9欢迎下载 轴的结构受力图如图 2 所示： 图 2 主轴箱主轴受力图 可以确定 L1=77.5mm L2=148mm L3=97mm 计算轴上外力，支反力 V 带轮的圆周力 =216031/100=320NtF 32T d V 带轮的径向力 =320tan20。/cos12.1。=119NrFtF tan cos n V 带轮的轴向力 =320tan20。=68.6NaFtFtann 水平面内的支反力 （L1+L2）=L2tF1HF =320（77.5+148）/148=487.6N1HF =-=320-487.6=167.6N2HFtF1HF 垂直面内支反力 L2=(L1+L2)+ 1vFrFaF d 2 精品文档 。 10欢迎下载 =204.5N1vF 100 119 (77.5 148)68.6 2 148 =-=119-204.5=85.5N2vFrF1vF 计算轴的弯距和当量弯矩 水平弯矩 =L1=487.677.5=37789N.mmHM1HF 垂直弯矩 =L1=204.577.5=15848.75N.mm1VM1vF =+=15848.75+68.6100/2=19278.75N.mm2VM1VMaM 合成弯矩 = =40977.9N.mm1M 22 1VHMM 22 377899618.6 =42422.6N.mm2M 2 2 2V H M M 22 3778919278.75 当量弯矩 转矩按脉冲循环变化计算，取=0.6 得： T=0.616031=9618.6N.mm =40977.9N.mm1eM1M =43499.4N.mm2eM 2 2 2 T M 22 42422.69618.6 进行校核时，通常校核轴上承受最大弯矩及扭矩的截面的强度。所以： =6.7968MPa=60MPa 所以轴的强度足够。ca 22 TM w 3 43499.6 0.1 40 1 轴强度的校核 V 带轮截面处疲劳强度安全系数校核 抗弯截面系数 W =0.1=0.1=6400 3 d 3 40 3 mm =0.2=0.2=12800TW 3 d 3 40 3 mm 合成弯矩 M=42422.6=35838.16N.mm2M 12/2 12 LLB LL 77.5 14870/2 77.5 148 T=16031N.mm 弯曲应力幅 =6.0MPaa M W 35838.16 6400 弯曲平均应力 精品文档 。 11欢迎下载 =0MPam 扭转切应力幅 =0.63MPaa 2T T W 16031 2 12800 扭转平均切应力 =0.63MPama 轴肩圆角引起的有效应力集中系数及，由 r/d=1.6/40=0.04,D/d=50/40=1.25, kk =640MPa 由机械设计 （下面都是）附图 1c 和附图 2c 查得b =2.12 =1.57kk 由=640MPa，d=40mm 按附图 5 查得尺寸系数=0.79，=0.77；b 由轴精车加工，=640 MPa 按附图 8 查表得表面质量系数=0.93b 综合影响系数值 =2.89K k 2.12 0.79 0.93 =2.19K k 1.57 0.77 0.93 截面 V 带轮左侧附近由于键槽引起的有效应力集中系数是及按附图 3，4 查得kk =1.81 =1.60kk 故得综合影响系数值为 =2.46K k 1.81 0.79 0.93 =2.23K k 1.6 0.77 0.93 截面 V 带轮左侧由于带轮与轴的过盈配合 H7/r6 产生的有效应力集中系数与尺寸系数 之比。由附图 6b，7b 查得 =3.2， =2.3 k k 故得综合影响系数值为 =3.44K k 3.2 0.93 精品文档 。 12欢迎下载 =2.47K k 2.3 0.93 取上面综合影响系数，中的较大值，故=3.44，=2.47。轴的材料是 45KKKK 钢，查表 8-1 取弯曲等效系数=0.2，扭转等效系数=0.1.只考虑弯矩作用的安全系数， 得 =13.32S 1 amK 275 3.44 60.2 0 =95.73S 1 amK 155 2.47 0.630.1 0.63 计算安全系数： =13.19caS 22 S S SS 22 13.32 95.73 13.3295.73 取=1.51.8S =1.5，所以截面 V 带轮安全。caSS 2.3 主轴的 V 带传动设计 图 3 主轴 V 带轮 精品文档 。 13欢迎下载 确定设计功率 Pd Pd=P=1.11.5=1.65KW (P 电动机的功率)AK 根据和 n ，由现代实用机床设计手册 （以下简称此书为书 1）表 3-2-2 取dP 用 A 型 V 带。 选择带轮 由书 1 表 3-2-12，查得 A 型 V 带 Dmin =75 应使 D Dmin 。考虑小带轮结构尺寸无 特别限制，故 D 取 100mm。 验证带速 v V= =14.86 1pD n 60 1000 带速在 525 m/s 之间，也不过底。 D 选择合适。 D2=iD1=1100=100mm 确定中心距 a 和带长dL 设计条件中没有限定中心距 a，故可初选中心距 ，由式0a 0.7（D1+D2）2（D1+D2）0a 得 140 mm4000a 初选=380mm0a 带长 2+（D1+D2）+=1074mm； dL0a 2 2 21 0 (D -D ) 4a 查表 3-2-3 选取=1400mmdL 中心距 a= +=380+=5430a ddL -L 2 1400 1074 2 验算小带轮包角1 由式 =，合适1180。 21DD a 57.3。180。120。 确定 V 带的根数 Z 按式，Z= =1.65/0.85=1.94 d 00L p (p +p )K K 传动比为时不考虑修正系数。 取 Z=2 V 带轮的设计 精品文档 。 14欢迎下载 带轮的材料常用铸铁、锯、轻全金或工程材料。对带速 V30m/s 的带轮，一般 HT150 或 HT200 制造；V 带的结构设计主要指根据带轮的基准直径选择结构形式，根据带的 饿型号确定轮槽尺寸。 可计算带轮的尺寸 带轮的宽 L=（1.52）225=50mm A 型槽的各参数如下： 基准宽度（节宽）；mm11 p b 基准线上槽深 mm75 . 2 amn h 基准线下槽深 mm7 . 8 min h 槽间距 15 0.3 第一槽对称面至端面的距离 f= mm 2 1 10 最小轮缘厚=6mm 轮槽圆角= 38。 3 进给传动系统设计 不同类型的机床实现进给运动的传动类型不同。根据加工对象，形成运动，进给精度， 运动平稳性及生产效率等因素的要求，主要有机械进给传动，液压进给传动，电气伺服传 动等。综合各个方面的因素，我们选择电气伺服传动作为我们本次设计的进给传动系统。 电气伺服进给传动系统是数控装置和机床之间的联系环节，是以机械位置或角度作为 控制对象的自动控制系统，其作用是接受来自数控装置发出的进给移动信号，经变换和放 大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。电气伺服进给传动系统由伺服驱动部件和机械 传动部件组成。伺服驱动部件如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等，机械传动部 件如齿轮、同步带、滚珠丝杠螺母等。其功能是控制机床各坐标轴的进给运动。 精品文档 。 15欢迎下载 3.1 X 轴丝杠传动系统的设计 3.1.13.1.1 X X 轴丝杠的设计轴丝杠的设计 滚珠丝杠副的选择包括精度选择和尺寸规格选择两个方面。滚珠丝杠的精度直接影响 数控机床的定位精度。规格选择方面，一般按使用寿命初步确定滚珠丝杠副的尺寸大小， 同时进行必要的校核，如稳定性校核、临界转速校核、刚度校核等。 （1）X 轴丝杠承受的负载为拖板，刀架的重量。 X 轴向行程为 135mm.。估计拖板 和刀架的重量为 1500N。X 轴导轨摩擦力为=uG=0.051500=75N。mF （2）预期额定动载荷的确定 当滚珠丝杠副在较高转速下工作时，应按其使用寿命 选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动载荷。 预期额定动载荷可按滚珠丝杠副的预期工作时间 计算，既amC = 式中amC 1 3 w 6 60f 10 hee z k L nF f f 滚珠丝杠副在可靠性为 90%时的额定寿命，数控机床用滚珠丝杠的工作寿命可取 20000 小时； 丝杠轴向当量负载，等于轴向摩擦力 75N ;EF 丝杠当量转速， 可估计转速为 1600r/mm cn 负载性质系数，见机械设计手册 （下同）表 11-1-37，可取 1.2；wf 精度系数，见表 11-1-35；可取 1.0；af 可靠性系数，见表 11-1-36，可取 0.53。kf 将数值代入上式可得=2110.75NamC （3）根据 选择滚珠丝杠副 选择内循环式滚珠丝杠副 4012-3 ，=24.9KNaC 其基本参数为： 公称直径=40mm0d 导程 p=12mm （4）临界转速验算 采用滚珠丝杠副的进给系统，进给速度是由其导程和转速决定的。丝杠副在工作时， 精品文档 。 16欢迎下载 由于受到摩擦力矩的影响，丝杠的导程受到限制，一般小于直径的两倍。如果要提高进给 速度，必须提高丝杠副的转速。然而，滚珠丝杠副转速超过某一临界值时，将引起共振。 为保证滚珠丝杠副工作的安全、可靠、应该转速低于临界转速用下式验算：crn = r/m 式中crn 1 2 2 2 2 n 30 l EIf A maxn 丝杠材料密度，Kg/ ，钢的=7.8； 3 m 3 10 临界转速计算长度，m；nl I丝杠轴最小截面惯性矩，I=（/64）, 4, 为丝杠螺纹底径 2； 1dm1dm 丝杠只乘方式系数，双推-简支安装方式， ；=3.9272f2f I=（/64）=(3.14/64)=5.6 4 1d 4 32.7 4 10 最高工作方式转速，一般取滚珠丝杠副的最大工作转速的 80%。此外，滚珠丝杠副还 受到 值的限制，通常要求70nd 4 10 =40 1600=64000 7mm 0nd 4 10 故不会发生共振。 （5）临界压缩负载验算 对于一端固定受压缩的丝杠，应进行压杆稳定性验算，不发生失稳的最大压缩负载称 为临界压缩负载，以表示， 按下式验算：nFnF = 式中nF1k 2 1 0 EIf l maxF E为丝杠材料的弹性模量，对于钢；E=206GaP 最大受压长度，m 取工作行程长度；201mm=0.201m0l 安全系数，可取：=1/3 1k1k 将数值代入得 =3.8nF 8 10maxF （6）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F 和转矩 T 共同作用下引起每个导程的变形量为 0L =0L 2 424 11 416pFp T EdGd 其中 精品文档 。 17欢迎下载 T=tanmF 0 2 D 本设计所用导轨为燕尾槽导轨，摩擦系数为 0.05，即 tan=0.05 ，则= 。 2 51 为摩擦角其正切函数为摩擦系数， 为平均工作负载。mF 代入公式算得 T=0.083N.m 按最不利的情况取（F=）mF =0L 2 224 11 416pFp T EdGd = 2 3 92294 3 164 100.083 4 4 1075 3.14 206 100.03273.1483.3 100.0327 =1.7 m 9 10 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 L=l 0L p =0.201=8.5 9 -3 1.7 10 4 10 8 10 通常要求丝杠的导程l 应小于其传动精度的 1/2 ，即 =0.50.008=0.004mm=4um0L 1 2 该丝杠的l 满足上式，所以其刚度可满足其要求。 通过上述计算验证，该丝杠满足设计要求，可选用。 3.1.2 电动机的选择 选择感应步进电机，步进电机当绕组接受一个脉冲当量时转子就转过一个相应的步距 角，开环系统由于无反馈作用，不能修复系统误差，系统的实际定位精度取决于电动机的 步距精度。机械系统的传动误差以及摩擦负载的大小与电动机的步距角的特性曲线有关， 开环系统的定位精度一般可以达到0.010.03mm，并且速度受到最高运行频率的限制， 因此开环系统的设计应选择合适的脉冲当量。要求传动系统有足够的刚度和精度，并使得 传动系统惯量间隙和摩擦系数要小。 精品文档 。 18欢迎下载 （1）初选反应式步进电机的距角 为 1.5/3 ；对于数控车床脉冲当量 的值一般 为 0.011mm, 则 传动比 i= （p 为丝杠的导程 12mm） 360p p 带入数值算得 i=5.4 （2）负载转矩的计算 =1T 2 uwp i 其中 U 为导轨的摩擦系数 因为我们所选的为燕尾槽导轨 故 u=0.05 为电机的负载转矩1T W拖板、刀架的估计重量 1500N V 带的传动效率 0.9 代入各数值算得 =0.0295 N.m1T 3 0.05 1500 12 10 2 3.14 0.9 5.4 则依据所求各参数的值初选电机的型号为 SB3C-3B-500 其基本参数如下： 电流=3A; 相数=3; 负载力矩=0.049N.m; 负载起步频率步=800s; 步距角度=1.5/3。 精品文档 。 19欢迎下载 3.1.3 V 带设计 图 4 X 进给 V 带轮 确定设计功率 Pd Pd= P=1.10.3=0.33KW (P 电动机的功率)AK 根据和 n ，由现代实用机床设计手册 （以下简称此书为书 1）表 3-2-2 取dP 用 Z 型 V 带。 选择带轮 由书 1 表 3-2-12，查得 Z 型 V 带 Dmin =50 应使 D Dmin 。考虑小带轮结构尺寸无 特别限制，故 D 取 63 mm。 验证带速 v V= =9.99 1 60 1000 D n 带速在 525 m/s 之间，也不过底。 D1 选择合适。 D2=iD1=163=63 mm 确定中心距 a 和带长dL 设计条件中没有限定中心距 a，故可初选中心距 ，由式0a 精品文档 。 20欢迎下载 0.7（D1+D2）2（D1+D2）0a 得 98.2 mm2520a 初选=110mm0a 带长2+（D1+D2）+=240mm； dL0a 2 2 21 0 (D -D ) 4a 查表 3-2-3 选取=280mm；dL 中心距 a= +=110+=1300a 2 ddLL280240 2 验算小带轮包角1 由式=，合适1180。 21DD a 57.3。180。120。 确定 V 带的根数 Z 按式，Z= =0.33/0.39=0.85 00() d L p pp K K 传动比为时不考虑修正系数。 取 Z=1 V 带轮的设计 带轮的材料常用铸铁、锯、轻全金或工程材料。对带速 V30m/s 的带轮，一般 HT150 或 HT200 制造；V 带的结构设计主要指根据带轮的基准直径选择结构形式，根据带的饿型 号确定轮槽尺寸。带轮如如图 4 所示设计。 可计算带轮的尺寸： 带轮的宽 L=（0.551）116=16mm； Z 型槽的各参数如下： 基准宽度（节宽）；mmbp5 . 8 基准线上槽深；mmhamn0 . 2 基准线下槽深； mmh9 min 槽间距 12 0.3； 第一槽对称面至端面的距离 f= mm；8 1 最小轮缘厚=5.5mm。 精品文档 。 21欢迎下载 轮槽圆角= 38。 3.1.4 X 丝杠轴的结构设计和部件的选择 图 5 X 轴丝杠 确定轴的各段直径和长度 1 选取 L1=20mm， =20mm，L1 段安装着 V 带轮，其中安装配合所需的键查机械设A 计课程设计手册bh=6mm6mm,键长设为 10mm，同时为了保证良好的对中性，丝杠轴与 V 带轮的配合选取 H7/r6 配合精度级别。 选取 L2=36mm， =25mm，L2 段安装轴承盖和轴承，所选的轴承型号查机械设计B 课程设计手册为角接触球轴承 7205C，dDB=255215，轴承的配合选取为 H7/k6。 轴