三坐标数控插床设计(毕业设计)

1、毕业设计(论文)三坐标数控插床的设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012 年 6 月摘要I摘 要在这次课题中，我们所要解决的问题是怎么样才能加工出外部结构复杂，仅仅用普通机床是无法加工一些表面复杂的零件如罗茨真空泵转子叶片 ，它的形状复杂只能通过对普通插床进行改造。基于这个目的，老师带我们去了工厂看了实际的普通插床，我同老师和同学们讨论了，决定对插床进行数控化改造才能满足要求，才能加工出 罗茨真空泵转子叶片 这类外表复杂的形状。在这次设计中，我采用的是这样的方案：由于X、Y 方向的运动不需要很大的驱动力，所以对于X、Y 方向的进给运

2、动进行数控化，采用步进电机把动力传到滚珠丝杆然后再通过丝杆螺母带动导轨运动来实现的。同样，工作台的旋转运动也不需要很大的驱动力，所以也进行数控化，采用步进电机、蜗轮蜗杆来实现回转运动。而对于主传动由于需要较大的驱动力则不能对其数控化，还是采用原来的动力传输系统。但是在导轨上下的过程中添加了光电传感器以控制其所能到达的最高位置。通过这样的改造，再通过计算机模拟工件的外部结构，再通过改造后的插床加工出我们所需要的结构，同时可以提高加工的精度和效率。关键词： 数控化改造，插床，数控AbstractIIAbstractIn this issue, we have to settle the quest

3、ion of how to w ork out the external and complex structure such as luo watts r otor blades of vacuum pump ,If only use common machine too l that cant achieve work, Only through the numerical control machine tool to complete the processing. In this article I brief ly introduced the advantages and dis

4、advantages of numerical control machine tool now and development characteristics.In this design, I use is such a scheme: Because of the X, Y direction sports dont need a large driving force, so for the X, Y direction to the movement into numerical control transform ation, the step motor power to the

5、 ball screw and then throu gh the screw nut drive guide will realize the movement. Also, the stage of the rotary motion also dont need a large driving force, so are to numerical control, the step motor, worm and worm wheel to realize the rotary motion. But Because of main transmission need a large d

6、riving force,so which is unable to its numerical control, it must use original power transmission structure. But I added the photoelectric sensor to control the highest position in the process of guide rail. Through such transformation can be through the computer simulation of the external structure

7、, again through that the transformation of th e slotting machines process out what we need , and can impro ve the accuracy and efficiency of the processing.Keywords: numerical control transformation, slottingmachines, CNC 目录3目录目录摘 要.IABSTRACT.II第一章 引言.- 1 -1.1 数控机床发展过程.- 1 -1.2 数控机床的优越性.- 1 -1.3 插床数

8、控化改造的内容.- 1 -1.4 本课题研究的意义.- 1 -第二章 设计改造方案.- 3 -2.1 数控插床的原理及基本结构.- 3 -2.2 插床机械总体系统设计.- 4 -第三章 机械系统的设计 .- 6 -3.1 主电机的设计和参数的确定.- 6 -3.1.1 数控插床的切削力 .- 6 -3.1.2 确定主切削力 .- 6 -3.1.3 确定切削功率 .- 6 -3.1.4 主电机的选择 .- 7 -3.2 主传动系统的设计.- 7 -3.2.1 主运动参数的确定 .- 7 -3.2.2 带传动设计计算 .- 8 -3.3 X 方向进给系统的设计与计算 .- 11 -3.3.1 横向

9、进给系统的设计 .- 11 -3.3.2 滚珠丝杠的选择 .- 11 -3.3 步进电机选用原则 .- 15 -3.3.1 步进电机的工作原理 .- 15 -3.3.2 步进电机的参数及选用 .- 15 -3.3.4 丝杠轴承的选择 .- 18 -3.3.5 联轴器的选择 .- 19 -3.4 Y 方向进给系统的设计与计算.- 21 -3.4.1 纵向进给系统的设计 .- 21 -目录43.4.2 滚珠丝杠副的选择 .- 22 -3.4.3 步进电机的选择 .- 23 -3.4.4 丝杠轴承的选择 .- 24 -3.4.5 联轴器的选择 .- 25 -3.5 回转进给系统的设计与计算.- 26

10、 -3.5.1 回转进给系统的设计 .- 26 -3.5.2 蜗轮蜗杆传动设计 .- 27 -3.5.3 步进电机选择 .- 28 -3.5.4 蜗杆轴承的选择 .- 29 -结 论 .- 31 -参考文献.- 32 -致谢及声明.- 33 -第一章 引言- 1 -第一章第一章 引言引言1.1 数控机床发展过程1952 研制了世界第一台三坐标立式数控 机床。50-60 年代，发展到 NC（硬件数控）阶段。70 年代， 发展到 CNC（计算机数控）阶段。80 年代，出现高速高精度 CNC 的开发和应用阶段。90 年代，发展到基于 PC 的开放式 CNC 的开发与应用。当代，也主要是基于 PC 的

11、 CNC 开放式系统，软件有所提高。在这个科技发达的时代，随着市场竞争的日趋激烈产品更新换代周期缩短，批量大的产品越来越少，而小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的 80以上。在航空、航天、重型机床以及国防部门尤其如此。因此，非常需要一种精度高、柔性好的加工设备，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础，这是机床NC 技术产生和发展的可能性。NC 技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工

12、自动化技术的发展。1.2数控机床的优越性数控机床的优越性在研究完普通插床后，再看看数控插床的相关机构，具有以下几点优势。 1）对于表面形状奇特难加工 的工件用数控插床更加容易 。 2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可提高37倍。可以使得装配更加方便 ，不再需要 “修配”。 3）可更加容易管理 ，减少成本和提高效率 。 具有自动监控等 各种很有用的作用，因此可实现自动化 。1.3 插床插床数控化改造的内容数控化改造的内容首先要通过了解普通插床的功能和基本原理，再结合实际生产情况和应用情况，对普通插床的一些可以数控化的地方进行改造，具体有：电机、丝杆、控制部分。1.4本课题研究的

13、意义本课题研究的意义跟普通插床相比，数控插床具有很高的生产意义：1） 降低成本 。对插床进行数控化 比从先买一台新的插床会更加便宜，能第一章 引言- 2 -节约很多不需要的开支。2）加工过程稳定 。因为数控化后的插床的进给是同计算机来控制，所以其过程肯定也很稳定。3） 提高效率 。 通过数控化后，机械结构比原来的插床简单了很多，并且是通过电脑控制，能实现自动化，并且维修简单，所以能体改效率。第二章 设计改造方案- 3 -第二章第二章 设计改造方案设计改造方案2.1 数控插床的原理及基本结构数控插床的原理及基本结构插床是一种用于加工键槽、花键槽、异形槽和各种异性表面的金属切削机床。如图（1）所示

14、装有插刀的滑枕沿铅垂方向作往复直线主切削运动。工件装夹在工作台上，工作台可作前后、左右和圆周方向的间歇进给运动。进给运动可手动，也可机动但彼此独立。进给运动必须与主切削运动协调，即插刀插削时严禁进给，插刀返回时进给运动开始进行，并于插刀重新切人工件之前完成复位。插床的主切削运动的行程长度、拄复运动速度以及进给量大小等均应手动可调。图（1）运动示意图2 2 功能分解：功能分解：1）工作台进行前后、左右和圆周方向的间歇进给运动2）装有插刀的滑枕沿铅垂方向 (也可调有一定倾角 )作具有急回特性（以提高加工效率）的往复直线主切削运动，插削工件形成各种槽等需要的形状。第二章 设计改造方案- 4 -2.2

15、.插床机械总体系统设计插床机械总体系统设计1.总体的结构及其参数 考虑到加工要求和加工工件的形状以及适用范围，然后再结合淄博王式真空泵工厂中插床本身的结构和实际情况。考虑到工艺范围 加工精度 成本 生产率 自动化以及生产周期相关问题，对其进行数控化，使其符合我们所要求的相关参数。具体可分为以下几个方面：对数控插床的总体布局进行设计，对其主创动系统参数进行设计，对其主轴组件进行参数设计，对其伺服进给传动系统进行参数设计。在具体点可分为机床长度、机床宽度、滑枕行程长度、最大插削长度、工作台最大纵向移动距离、工作台最大横向移动距离、滑枕垂直调整距离、工作台最大回转角、滑枕垂直调整距离、工作台中心型槽

16、宽度、滑枕倾斜角度。其基本参数如下表：最大插削长度320工作台最大纵向移动距离750滑枕行程长度50340工作台最大横向移动距离750滑枕垂直调整距离315工作台中心型槽宽度18滑枕倾斜角度08机床长度2035滑枕每分钟往复次数20机床宽度1500工作台最大回转角360机床高度2172原普通插床的具体结构如下 图 3-1：第二章 设计改造方案- 5 -图 3-1 需要数控改造的普通插床2.主传动系统的设计要求根据插床的基本原理和实际生产情况 ，再结合成本， 决定还是采用原普通插床的主创动系统即采用异步电动机通过带轮将动力传到变数箱，再经过变数齿轮等相关参数和曲柄滑块机构来实现主运动。综合插床的

17、几点要求和设计准则，由于X 和 Y 方向不像主传动一样需要很大的驱动力，它只需要很小的驱动力就足够而且也不要求转速很高，所以在结合成本和效率的条件下，在X 和 Y 方向对普通插床进行数控化，将它改造成数控插床，具体为将原来需要手动操作的手轮去掉，用步进电机代替，直接将步进电机的动力通过滚珠丝杆传到导轨上以实现导轨的左右前后移动。工作台的回转运动也不需要很大的驱动力和很高的转速，所以也是步进电机通过滚珠丝杆把动力传到工作台以实现工作台的回转运动。（3） 滚珠丝杠副 滚珠丝杆螺母副可以实现 回转运动 和直线运动相互转换的传动装置。它的特点是 传动效率 较高、运动较平稳、灵敏度 较高、低速 运行时无

18、爬行现象、寿命较长、维护 较简单。由于滚珠丝杠副具有这样的特点，所以在X和 Y 方向我选用滚珠丝杠副，这样能很好地解决生产中出现的难题。第三章 机械系统的设计- 6 -第三章第三章 机械系统的设计机械系统的设计由于上一章已经确定了插床数控化改造的总体设计方案，这一章所要做的是先设计和确定电机、带轮、丝杆、轴承等的参数和尺寸，再对其进行校核。3.1 主电机的设计和参数的确定主电机的设计和参数的确定对于电机的选择，应当考虑几个方面：电机的转子惯量、电机的额定转矩、最大切削负载转矩等。3.1.13.1.1 数控插床的切削力数控插床的切削力由于主运动是垂直向下的插销运动，所以只需根据主运动的切削力来计

19、算插销功率。3.1.23.1.2 确定主切削力确定主切削力由金属切削原理 知插床的主切削力计算公式为：=ZFZFCZFpxZFyfZFK公式中主切削力系数，取决于被加工金属和切削条件；f 进ZFC给量；背吃刀量，背吃刀量系数、进给量系数、主切削力pZFxZFyZFK修正系数。查 机床设计手册 得 ： =1550, =1, =1, ZFCZFxZFy=1.0,f=1.1mm/dst, =4.5mm。则切削力最大值为：ZFKp = 15501.14.51.0 = 7500NmaxZF3.1.33.1.3 确定切削功率确定切削功率1. 计算切削功率：查 机床设计 知插床的切削功率为：=CP60000

20、ZF V公式中 V 为插床最大插削速度，查 机床设计手册 知 V = 25m/s，则切削功率：第三章 机械系统的设计- 7 -=3.125KWCP7500 25600003.1.43.1.4 主电机的选择主电机的选择第一 根据已知的各个参数估计主电机的功率，查机床设计手册 知，则主电机的功率为=EPCP公式中 为机床的总传动效率系数，=0.6-0.8，由于插床的主传动系统结构简单，因此取较大值 0.8，则主电机功率为：=3.9 KWEP3.1250.8综合以上数据，并查 机械零件设计手册 ，选择主电机型号为 Y 系列三相异步电机 Y132M1-6 ，其基本参数为额定功率 4kw , 额定转速9

21、60r/min ,额定转矩 2.2，转动惯量 0.0375Kgm2。3.2 主传动系统的设计主传动系统的设计由于本课题是对普通插床的数控化改造，只对X 和 Y 方向以及工作台进行数控化，所以其主传动未改变，仍与普通插床的主传动相同。 3.2.13.2.1 主运动参数的确定主运动参数的确定因为其仍采用原普通插床的主传动系统，其滑枕最小往复次数为 = 20 次/分钟，最大往复次数为 = 80 次/分钟，公比 = minrnmaxrn1.58，查机床设计手册 知其共四级往复速度，分别为： 20 32 50 80 （次/分钟）其主传动系统示意图如下图：第三章 机械系统的设计- 8 -主传动系统示意图由

22、此可得转速图，如下图。主传动系统转速图3.2.23.2.2 带传动设计计算带传动设计计算根据以上参数可知：电动机的满载转速=960（小带轮的转速）1nmin/r，大带轮的转速=300，电动机的额定功率 P=4KW（V 带传动传递2nmin/r的功率），假定每日工作 16 小时。1、首先确定计算功率查机械设计 得求计算功率 的公式：CPPKPAC第三章 机械系统的设计- 9 -公式中， 为工作情况系数，取 = 1.2；AKAKP 为带传动的名义率， P = 4KW。所以计算功率为：=1.24=4.8 KW。PKPAC2、选择带型和确定带轮直径根据计算功率和小带轮的转速 = 960，查机械设计 ，

23、CP1nmin/r可选 V 带的型号为 A 型,然后再根据已选的带的型号确定小带轮的直径=125mm。1D查机床设计手册 ，知大带轮的直径为：2D1212960(1)(1 0.01)125396300nDDmmn查机械设计 ，取为标准值 400mm2D2、确定中心距 a(1)初定中心距0a由公式： 0.7（+）2（+）1D2D0a1D2D可得： 0.7（125+400）2（125+400）0a即： 367.5mm n =4kkPP49 101583.6k故丝杠稳定性满足要求。通过以上的设计计算可知，型号为CDM3206-5，直径为 32mm，导程为 6mm的滚珠丝杠副满足条件。3.33.3 步

24、进电机选用原则步进电机选用原则3.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机是一种可将电脉冲转换为机械角位移的控制电机，并通过丝杠将动力传到工作台。步进电机伺服系统的设计相对于其他的来说不算太难，并且对于转矩和转速需求不是很高的加工过程来说，步进电机很实用，能满足其要求，因此在这次 X 方向上的动力源我选用步进电机。步进电机的理论依据是电磁作用原理，步进电机的种类很多，但其工作原理都是通过被励磁的定子电磁力吸引转子偏转输出转矩。3.3.2 步进电机的参数及选用步进电机的参数及选用对于步进电机的选择是相当关键的，在步进电机选择时其主要参数有以下几个：步距角、静态步距误差、矩角特性、最大

25、静态转矩、启动转矩、最大工作频率、电流等等。通常希望电动机的输出转矩大、启动频率和运行频率高，步距误差小，性价比高。但增大转矩与快速运行有一定的矛盾，因此在实际选用时，必须全面考虑。首先，必须保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩。所以应该先计算等效负载转矩，并使所选用的电动机的输出转矩有一点的余量，以保证整个机械系统的正常运行。通常负载转矩 /步进电动机最大静态转矩第三章 机械系统的设计- 16 -=0.20.5。其次，应使步进电动机的步距角与机械系统匹配，以得到击穿所需的脉冲当量。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。而且，负载转矩也会引起步进电机的定位误差。所以在

26、设计时都必须考虑步进电机的步距角误差、由负载引起的定位误差和传动机构的误差，使总的误差小于该插床所能允许的误差。再次，应使所选用的电动机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率想匹配，并有一定的余量；还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。最后，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低，故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。脉冲当量小可提高加工精度，但使系统复杂。一般加工精度在 0.10.002mm 的数控铣，刨，钻，镗，插床 可选为0.01

27、mm/step (1)步进电机优缺点步进电机可以通过数字脉冲信号来控制，它的输出角位移与输入脉冲数成正比，并且它还具有以下特点：步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，步进电机的转向可以通过改变通电顺序来改变。步进电机具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电机就可以保持在该固定的位置。步进电机工作状态不易受各种干扰因素影响，只要干扰未引起步进电机产生“丢步”，就不会影响其正常工作。步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转以后，其累计误差为 “零”，不会长期积累。易于直接与微机的 I/O 接口，构成开环伺服系统。(2)步进电机各参数的选用原则步距角的

28、选择步进电机的步距角主要取决于负载精度的大小，将负载的最小分辨率（当量）换算到步进电机轴上就会有一个当量角度，如果给电机施加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，这时电机的步距角应等于或小于前面的当量角度。静力矩的选择可以结合电机工作 时的负载来计算静力矩，而负载又分为 摩擦负载 和惯性负载二种。在加工过程中上面两种负载一般都存在 。但是这与 启动方式有所以只有先确定启动方式才能确定负载的存在形式，然后电机机座及其相关参数才能确定 。第三章 机械系统的设计- 17 -电流的确定对于静力矩一样的电机，其运行特性好坏与电流参数有很大的关系，所以应依照矩频特性曲线图，判断电机的电流的大小。 (3)步进

29、电机各参数的计算步距角的计算根据相关参数及经验，初选步进电机的步距角为0.3/0.6，当三相六拍运行时，步距角，每转脉冲数：0.3 S=1200p/r3603600.3根据所要求的脉冲当量 0.005，即每输入一个指令脉冲，步进电机带动工作台往相应方向移动的距离为=0.005mm/p，由此可得中间齿轮传动比i为：=1L6iS0.005 1200所以步进电机可直接通过联轴器与滚珠丝杠连接。等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩：=0.018NmLFsLT2iG0.03 500 0.0062 3.14 0.8 1在插削加工时中，负载转矩为：=2.2NmxzLsF + (G+F )LT2i11250.0

30、3 (5007500) 0.0062 3.14 0.8 1公式中=0.8一丝杠顶紧时的传动效率。S等效转动惯量的计算滚珠丝杠的转动惯量： =4430sd l3.14 0.0321.175 7.85 10J323220.00101Nm移动部件的转动惯量换算到电机轴上的相对转动惯量： =2w2GL1J()g 2i22500 0.0061()98021-724 10 Nm所以转换到电动机轴上的总转动惯量为：第三章 机械系统的设计- 18 - =10.1LwJJ +Js-4210 Nm初选步进电动机的型号根据=2.2Nm，=10.1，选步进电机型号为 130BYG3100B，其最大LTLJ-4210

31、Nm静转矩为 25Nm，转子惯量为 5.2，由此可得：maxTmJ-4102Nm=0.0880.5，=1.944 满足要求。LmaxTT2.225LmJJ-4-410.1 105.2 10步进电机的最高工作频率的计算取快速进给速度为=1m/min，则最高工作频率为：maxVHzmaxmax100060Vf1000 13333.360 0.005综上所述，可以选择 130BYG3100B 型号的步进电机，其采用的通电方式是三相六拍，步距角为 0.3，最大静转矩为 25Nm，且有一定的余量。3.3.4 丝杠轴承的选择丝杠轴承的选择由于 X 方向的轴承承受的载荷主要是轴向载荷、径向载荷，其中轴向载荷

32、是主要的，所以选用圆锥滚子轴承，它既可以承受轴向载荷也可以承受径向载荷，能满足要求。结合实际的工作状况和经验，选用圆锥滚子轴承型号为30205，其具体参数为：外径 D=52mm，内径 d=25mm，宽度 B=15mm，基本额定动负荷=90.8KN，基本额定静载荷=115KN，极限转速为 4800。润滑方rC0rCminr式为油润滑。校核轴承的疲劳寿命：查 机械设计 可知，轴承的基本额定寿命为：L=10h610()60Cn P16670()CnP公式中： P-当量动载荷； L-基本额定寿命；10h 寿命指数，球轴承 =3；滚动轴承 =10/3n轴承工作转速，取 n=1250；minrC基本额定动

33、载荷， C=2250N。第三章 机械系统的设计- 19 -其中： P=f (X F +YF )dra公式中： f 冲击载荷系数，取 1.1；d F 径向载荷；r F 轴向载荷；aX、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数，取为X=0.44，Y=1；代入公式得： P=1.1(0.44305+1653.9)=1967NL=186000h19200h10h63102250()60 12501967所以轴承满足要求。即选定轴承为圆锥滚子轴承，型号为30205，其具体参数为：外径 D=52mm，内径 d=25mm，宽度 B=15mm，基本额定动负荷=90.8KN，基本额定静载荷=115KN，极限转速为 480

34、0。润滑方rC0rCminr式为油润滑。3.3.5 联轴器的选择联轴器的选择联轴器是在机械中连接两轴使之一同回转并传递转矩的一种部件。其分类如下图：第三章 机械系统的设计- 20 -联轴器的选择一般要考虑以下几个因数：传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，再根据 机械零件设计手册 和机械设计 了解各种联轴器的工作特性及优缺点，再结合成本、效率等等，从中选择一种本课题的联轴器。在选择过程中应考虑以下几点：（1）所需传递转距的大小及性质和对缓冲减振功能的要求；（2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小；（3）两轴相对位移的方向和大小； （4）联轴器的工作环境及可靠性；（5）联轴

35、器的制造、安装、维护的成本。在满足使用性能的前提下，还应满足装拆方便、维护简单、成本低。例如凸缘联轴器队中精度可靠，传递转矩较大，制造较方便、价格较低。大部分的联轴器都已标准化，在选用时，首先应根据工作条件等因数选择恰当的类型，然后再结合转矩、轴径以及转速选择联轴器的型号尺寸，必要时还应该对个别薄弱零件进行强度的校核。鉴于数控插床的实际工作环境，又由于套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，多用于两轴对中严格、低速轻载的场合，所以决定采用套筒联轴器。套筒联轴器由套筒和联接套筒和轴的连接零件所组成，这种联轴器的径向尺寸较小，在机床中应用很广。其结构如图3-5 所示第三章 机械系统的设计- 21 -图 3

36、-5 套筒联轴器转矩的验算：计算转矩ncTKTT公式中 为工作转矩cT 为许用名义转矩nT K 为载荷系数查机械零件设计手册 取 K=1.4，则： =1.49.55=37436NmmcT61.4 9.55 10pn6103.51250根据计算转矩查 机械零件设计手册 ，选择套筒联轴器（ JB108-60）其基参数为：轴孔径 d = 20mm，外径 D = 40mm，两圆锥销公称直径d=6mm，许用名义转矩=172000Nmm=37436 Nmm，满足实际要求。nTcT3.43.4 Y Y 方向进给系统的设计与计算方向进给系统的设计与计算3.4.1 纵向进给系统的设计纵向进给系统的设计与 X 方

37、向的进给系统一样，数控插床的 Y 向移动进给传动系统方向的机械结构基本一样，也是通过步进电机、联轴器、滚珠丝杠来实现动力的传输，再通过滚珠丝杆螺母把动力传到导轨，进而带动导轨直线移动。 第三章 机械系统的设计- 22 -3.4.2 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副的选择1.滚珠丝杠的选择计算(1)作用在丝杠上的最大动载荷： Q= f f P 3Lnhmax查机械设计 ，取载荷系数 f 取为 1.0，硬度系数 f 取为 1.2。nh其工作负载 P 为：P = k+f (+2+G)maxyFzFxF取 k=1.15， f =0.03，移动部件重量 G = 800N，再把以上参数代入公式得：P=1.151

38、125+0.03(7500+21125+800)=1653.9Nmax寿命为：L=60nT/106取 n 取 20 r/min，T=15000h，代入公式中得：L=60nT/10 =万转=18 万转6660 20 1500010 所以最大动载荷 Q 为：Q=1.01.21653.9=5860.2N318再根据上面计算得到的参数查 机械零件设计 ，选取滚珠丝杆的型号为CDM3206-5，其基本参数为直径为 32mm，导程为 6mm，额定动载荷为205000 N5806.2N，强度满足要求。(2)滚珠丝杆的校核计算效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 与 X 方向的丝杆相同，即：=0.9530003.

39、42(3.420.17 )tgtg刚度的验算其刚度验算的基本原理也和X 方向相同，轴向力 P 引起的一个导程 L 的变化量t 仍然按下式计算：1t = 1PLES第三章 机械系统的设计- 23 -其工作负载 P=1653.9，其余数据同上得： t =cm161653.9 0.620.1 106.02368.67 10滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计。丝杠 1m 长度上导程的变形误差 为：= t =m/m=13.9m/m100L11000.668.67 10对于三级精度丝杠，允许误差 =15um/m ，故该丝杠刚度满足要求。稳定性验算临界负载 P 同样为：kP =P = =Nk22

40、()EJulk2723.142.01 102.765(2 85)49 10则稳定性安全系数为：n = =52.6 n =4kkPP49 101653.9k故此丝杠不会失稳，满足设计要求和实际使用要求。通过以上计算，选择滚珠丝杆的型号为CDM3206-5 基本参数如上，并且通过验算其效率、刚度、稳定性满足设计条件。3.4.3 步进电机的选择步进电机的选择步距角的选择同上，取步距角，脉冲当量为 0.005，步进电机直接通过联轴器与0.3滚珠丝杠连接。等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩：=0.0287NmLFsLT2iG0.03 800 0.0062 3.14 0.8 1插床插削加工时，其所承受的负载

41、转矩：=2.6NmxzLsF + (G+F )LT2i11250.03 (8007500) 0.0062 3.14 0.8 1公式中=0.8 为滚珠丝杠预紧时的传动效率。S等效转动惯量计算第三章 机械系统的设计- 24 -滚珠丝杠的转动惯量： =4430sd l3.14 0.0321.175 7.85 10J323220.00101Nm移动部件转动惯量换算到电机轴上的转动惯量： =6.2w2GL1J()g 2i22800 0.0061()98021-724 10 Nm换算到电动机轴上的总转动惯量： =10.1LwJJ +Js-4210 Nm初选步进电动机的型号由=2.6Nm，=10.1，再查相

42、关资料，选取步进电机型号为LTLJ-4210 Nm130BYG3100B，最大静转矩为 25Nm，转子惯量为 5.2，可maxTmJ-4102Nm得：=0.1040.5，=1.944LmaxTT2.625LmJJ-4-410.1 105.2 10步进电机的最高工作频率取快速进给速度为=1m/min，则其最高工作频率为：maxVHzmaxmax100060Vf1000 13333.360 0.005因此同 X 方向进给系统一样，选用 130BYG3100B 型号的步进电机可以满足要求。3.4.4 丝杠轴承的选择丝杠轴承的选择纵向进给系统轴承承受的载荷是轴向载荷、径向载荷及丝杠和工作台的重量，经过

43、分析和实际情况可知，其中轴向载荷是主要的，所以选用圆锥滚子轴承，同时可以承受轴向和径向载荷。根据实际要求，选用 30205 型号，基本参数为：内径 d=25mm，外径D=52mm，宽度 B=15mm，基本额定动负荷=90.8KN，基本额定静载荷rC=115KN，极限转速为 4800。润滑方式为油润滑0rCminr下面对轴承的疲劳寿命进行校核：由 机械设计 可知，轴承的基本额定寿命为：L=10h610()60Cn P16670()CnP第三章 机械系统的设计- 25 -公式中： P-当量动载荷； L-基本额定寿命；10h 寿命指数，球轴承 =3；滚动轴承 =10/3n轴承工作转速， n=1250

44、；minrC基本额定动载荷， C=2250N。其中： P=f (X F +YF )dra公式中： f 冲击载荷系数，取 1.1；d F 径向载荷；r F 轴向载荷；aX、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数， X=0.44，Y=1；把以上数据代入得： P=1.1(0.44305+1653.9)=1967NL=186000h19200h10h63102250()60 12501967故所选轴承合格。3.4.5 联轴器的选择联轴器的选择其基本原理见上。鉴于数控插床的实际工作环境，又由于套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，多用于两轴对中严格、低速轻载的场合，所以决定采用套筒联轴器。套筒联轴器由套筒和联接套筒

45、和轴的连接零件所组成，这种联轴器的径向尺寸较小，在机床中应用很广。其结构如图3-5 所示第三章 机械系统的设计- 26 -图 3-5 套筒联轴器转矩验算：联轴器的计算转矩ncTKTT式中 -工作转矩；cT -许用名义转矩；nT K：载荷系数；查机械零件设计手册 取 K=1.4，则： =1.49.55=37436NmmcT61.4 9.55 10pn6103.51250根据计算转矩由 机械零件设计手册 ，选择套筒联轴器的型号为JB108-60，其基本参数：轴孔径 d=20mm，外径 D=40mm，两圆锥销公称直径 d=6mm，许用名义转矩=172000Nmm=37436 Nmm，满足设计要求。n

46、TcT3.53.5 回转进给系统的设计与计算回转进给系统的设计与计算3.5.1 回转进给系统的设计回转进给系统的设计由于在插床中，工作台要实现的运动是回转运动，并且对其数控化，所以我采用的是：动力源采用步进电机，然后把步进电机通过联轴器和蜗杆相连，再通过蜗轮蜗杆把动力传到工作台。第三章 机械系统的设计- 27 -3.5.2 蜗轮蜗杆传动设计蜗轮蜗杆传动设计根据设计要求和一些经验，选择蜗轮蜗杆的基本参数如下：模数 m=2.5，蜗杆头数 Z1=1，蜗轮齿数 Z2 =120，传动比 i=120，蜗杆直径系数 q=18,蜗杆分度圆直径=90，蜗轮分度园直径=300。1d2d蜗轮蜗杆的计算校核：基本原则

47、和应满足的条件：在室温下，输入的最大转矩为4.9N.m，使用寿命为 4 年，每年工作 300 天，每天工作 16 小时。定蜗杆传动的类型及材料等蜗杆材料为 40Cr，表面淬火，硬度为 (45-50HRC)，表面粗糙度 Ra = 1.6um，蜗杆齿冠选用铸锡青铜。面接触疲劳强度验算查机械设计 得齿面的接触疲劳极限为 = 265MPa，取接触疲劳最limH小安全系数为=1.3。limHS则其预期寿命为=430016=19200h,所以寿命系数为hL=1.021.6hZ625000hL62500019200查机械设计 取其各参数为：转速系数为=0.75，弹性系数=147 nZEZ，接触系数=2.85

48、，使用系数=1.1，中心距为=2.5mm。MPaZAKa代入上述数据得许用接触应力为：=0.751.02=165 MPaHnZhZlimlimHHS2651.3最大接触应力：=1472.85=98 MPa165 MPaHEZZ23AK Ta31.1 4900172.5轮齿弯曲疲劳强度验算查机械设计 得齿根弯曲疲劳极限为=115 Mpa，取弯曲疲劳最小安limF全系数=1.4，则许用弯曲疲劳应力：limFS=82 Mpa FlimlimFFS1151.4蜗轮宽度=40mm，则轮齿最大弯曲应力为：2b=11 Mpa82 MpaF2222AK Tmb d2 1.1 49002.5 40 300第三章

49、 机械系统的设计- 28 -度的计算及校核查机械设计 得传动啮合效率=0.901，取搅油效率为=0.99，轴承12效率为=0.99，则总效率为：3=0.9010.990.99=0.883123散热面积估算：A=9=9=1.6065101.88a5101.88172.52m由于箱体在工作过程中处于中等通风环境中，所以取箱体表面传热系数为 15，即箱体工作温度为：wa=46.8801101000(1)wPtta A1000 7.5 (1 0.883)2015 1.606温度计算合格。3.5.3 步进电机选择步进电机选择步距角的选择根据所要求得脉冲当量 1/400，蜗杆传动的传动比 i 为 120，

50、估算步距角为：=i=1/400120=0.3所以选步距角=0.3等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩：=0.0144NmLFsLT2iG0.03 400 0.0062 3.14 0.8 1插床插削加工过程中，负载转矩：=1.8NmxzLsF + (G+F )LT2i11250.03 (4007500) 0.0062 3.14 0.8 1公式中=0.8 为丝杠顶紧时的传动效率。S等效转动惯量计算蜗杆的转动惯量： =回转工作4430sd l3.14 0.031.175 7.85 10J323220.00092Nm台转动部件所产生的转动惯量换算到电机轴上的相对转动惯量为：第三章 机械系统的设计- 29

51、- =3.2w2GL1J()g 2i22400 0.0061()98021-722 10 Nm则换算到电动机轴上的总转动惯量：=9.2LwJJ +Js-4210 Nm选步进电动机的型号由=1.8Nm，=9.2，再查相关资料，选取步进电机的型号为LTLJ-4210 Nm130BYG3100A，最大静转矩为 15Nm，转子惯量为 4.9，则maxTmJ-4102Nm可得：=0.120.5，=1.874LmaxTT1.815LmJJ-4-49.2 104.9 10步进电机的最高工作频率的计算取快速进给速度为=450/min，则最高工作频率为：maxHzmaxmax60if450 120300060

52、0.3因此选用 130BYG3100A 型步进电机，其通电方式为三相六拍，步距角为0.3，最大静转矩为 15Nm，且有一定的裕量，满足要求3.5.4 蜗杆轴承的选择蜗杆轴承的选择蜗杆轴承主要承受的载荷是轴向载荷、径向载荷及丝杠和工作台的重量，其中轴向载荷是主要的，所以选用圆锥滚子轴承，同时可以承受轴向和径向载荷。根据实际要求，选用 30205 型号，基本尺寸为：内径 d=25mm，外径D=52mm，宽度 B=15mm，基本额定动负荷=90.8KN，基本额定静载荷rC=115KN，极限转速（油润滑）为 4800。0rCminr下面对轴承的疲劳寿命进行校核：由 机械设计 可知，轴承的基本额定寿命为

53、：L=10h610()60Cn P16670()CnP式中： P-当量动载荷； L-基本额定寿命；10h第三章 机械系统的设计- 30 - 寿命指数，球轴承 =3；滚动轴承 =10/3n轴承工作转速， n=1250；minrC基本额定动载荷， C=2250N。其中： P=f (X F +YF )dra式中： f 冲击载荷系数，取 1.1；d F 径向载荷；r F 轴向载荷；aX、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数， X=0.44，Y=1；代入数据得： P=1.1(0.44305+1653.9)=1967NL=186000h19200h10h63102250()60 12501967故所选轴承合格。结论- 31 -结结 论论这次的设计内容是对普通插床进行数控化。这本学期的设计过程中，主要做的工作有收集有关插床的资料、插床的总体设计、机械系统设计，绘制图纸、论文说明书的撰写等。在这次的毕业设计中遇到了挺多的问题。但是，在这个过程中，我都积极的找同学讨论和向老师请教，并且他们都很热情，都愿意教我，使得许多问题