毕业设计（论文）-CM6132车床数控化改造设计及横向进给设计

1、毕业设计说明书设计题目： CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计学 生 班 级 学 号 指导教师 摘 要全面阐述了车床数控化改造的结构原理，设计特点，论述了车床数控化改造横向进给系统的设计计算过程，具体阐述如下： 1、数控机床发展概述：数控机床及其特点，数控机床的工艺范围及加工精度，数控机床的经济分析，数控机床的发展趋向。 2、数控机床总体方案的制订及比较 3、确定切削用量及选择刀具4、本文主要进行的是CM6132的卧式车床数控化改造设计及横向进给设计，其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式

2、选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等，丝杠是横向进给的重点设计介绍，此外还进行了伺服电机选择、轴承等的选择等设计。关键词：车床，数控，伺服电机，横向进给、滚珠丝杠全套图 纸加扣 3346389411或3012250582目 录摘 要VI目 录VII第1章 概述11.1问题提出11.2 数控机床的产生11.3 数控机床的发展21.4 我国数控机床的发展概况21.5 数控机床的发展趋势31.6 数控机床改造的意义31.7 数控技术发展趋势41.8 普通机床数控化改造经济性评价51.8.1 微观看改造的必要性51.8.2宏观看改造的必要性6第2章 C6143普通车床数控改造总体方案的设计要求72.

3、1总体方案72.2设计要求82.3 其他要求92.4主轴脉冲发生器9第3章 确定切削用量及选择刀具113.1刀具选择113.2切削用量确定113.3切削三要素113.4加工精度和表面粗糙度123.5刀具材料15第4章 CM6132mm的总体方案图设计计算154.1.主动参数参数的拟定154.2 变速结构的设计174.2.1 主变速方案拟定174.2.2 变速结构式、结构网的选择174.3带轮的设计214.4 传动轴的直径估算234.4.1 确定各轴转速244.4.2传动轴直径的估算：确定各轴最小直径244.4.3 键的选择264.5传动轴的校核264.5.1 传动轴的校核264.5.2 键的校

4、核274.6 各变速组齿轮模数的确定和校核274.6.1 齿轮模数的确定274.6.2 齿宽的确定324.6.3 齿轮结构的设计324.7 带轮结构设计334.9 齿轮校验344.9.1 校核a变速组齿轮344.9.2 校核b变速组齿轮354.9.3 校核c变速组齿轮374.10 轴承的选用与校核384.10.1 各轴轴承的选用384.10.2 各轴轴承的校核38第5章 X轴(横向)进给系统的设计和计算405.1 横向进给系统的设计405.2 横向进给系统的设计和计算405.3 伺服电机的选择465.3.1 伺服电机的选择的基本原则465.3.2 伺服电机的选择485.4 轴承的选择485.5

5、 导轨的选择495.6 导轨的设计50第6章 数控硬件电路系统设计536.1硬件电路设计536.1.1 数控系统的硬件结构536.1.2 数控系统硬件电路的功能536.2关于各线路元件之间线路连接546.3 关于电路原理图的一些说明55致 谢59参考文献6060第1章 概述1.1问题提出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

6、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。1.2 数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美

7、国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机

8、、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.3 数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的

9、普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1

10、.4 我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技

11、术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.5 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数

12、控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。1.6 数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年

13、代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担

14、的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控

15、装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。1.7 数控技术发展趋势(1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2) 柔性化 包含两方面：数控系统

16、本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。(4) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人

17、工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大

18、大提高，从而达到最佳控制的目的。1.8 普通机床数控化改造经济性评价根据对市场的调研，目前新的经济车床数控化改造，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。1.8.1 微观看改造的

19、必要性从微观上看，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。 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。 (3) 加工

20、零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 (4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的优点：(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。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技

21、术和基础技术。1.8.2宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我

22、国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。第2章 C6143普通车床数控改造总体方案的设计要求2.1总体方案总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环

23、控制系统。根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副

24、，且应有消间隙机构。选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝

25、杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足总体方案设计图如2.1图所示2.2设计要求设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。设计参数如下： 最大加工直径： 车床身上： 320mm 车床鞍上： 185mm 最大加工长度： 750(或1000)mm脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.0152.3 其他要求（1） 原

26、机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。2.4主轴脉冲发生器为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给数控装置（CNC），脉冲发生器及光栅编码器安装位置如图光栅编码器安装位置主轴脉冲发生器的结构及原理:脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、

27、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和1024个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024条纹的一组通过光栏上两个相位差/4间距的狭缝，产生两组每转1024个脉冲组相差为/4的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从1024个脉冲中均匀地取出F个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实

28、现F进给控制的目的。脉冲发生器的结构原理图第3章 确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择（一）刀具选择：选择硬质合金端车刀或镗刀，尽是采用二次走刀。（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄，保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率。1、主轴转速n：根据线速度v确定：V= 2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切宽L：与刀具直径成正比，与切深成反比。L0.60.9d粗加工：大切深、大进给、低切速。精加工：小切深、小进

29、给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削，快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT834IT

30、94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外，如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15IT18912铸、锻、焊、气割（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了六项形状公差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂

31、直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度。跳动：圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB103183、GB131-83） 轮廓算术平均偏差： Ra 或近似于Ra 微观不平十点高度： Rz(+) 在常用数值范围内（Ra0.256.3m，Rz0.125m），在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉163250

32、50200可见刀纹4016023212525100微见刀纹2080316.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨48326.325微见加工痕迹52054163.212.5不见加工痕迹2.5106281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.256.3精铰刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光100.1250. 630.10.50亮光泽面0.0800.40110.0630.320.050.25镜状光泽面

33、0.0400.20120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬质合金：HRA89-93（HRC7

34、4-82），850-1000，V100-300m/min。另外，还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章 CM6132mm的总体方案图设计计算4.1.主动参数参数的拟定因为已知 ， Z=+1=1.4129根据标准公比。这里我们取标准公比系列=1.41.因为=1.41=1.06，根据标准数列。首先找到最小极限转速20，再每跳过5个数（1.261.06）取一个转速，即可得到公比为1.41的数列：20，35.5，50，71，100，140，200，280，400，560，800合理的确定电机功率P，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。现

35、在以常见的中碳钢为工件材料，取45号钢，正火处理，车削外圆，表面粗糙度=3.2mm。采用车刀具，可转位外圆车刀，刀杆尺寸：16mm25mm。刀具几何参数：=15，=6，=75，=15，=0，=-10，b=0.3mm，r=1mm。现以确定粗车是的切削用量为设计： 确定背吃刀量和进给量f，根据【2】表8-50，取4mm，f取0.6。 确定切削速度，参【2】表8-57，取V=1.7。 机床功率的计算，主切削力的计算 根据【2】-表8-59和表8-60，主切削力的计算公式及有关参数：F=9.81 =9.8127040.920.95 =3242（N）切削功率的计算 =32421.7=5.5（kW）依照一

36、般情况，取机床变速效率=0.8.=6.86(kW)根据【3】表12-1 Y系列（IP44）电动机的技术数据,Y系列（IP44）电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机，具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点，B级绝缘，工业环境温度不超过+40，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m，额定电压380V，频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上，如机床，泵，风机，搅拌机，运输机，农业机械等。根据以上要求，我们选取Y132M-4型可调速电动机，额定功率7.5kW,满载转速1440，额定转矩2.2，质量81kg。4.2 变速结构的设计4.2.1 主变速方案拟定拟定变速方案，包括变速型

37、式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定变速方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。变速方案有多种，变速型式更是众多，比如：变速型式上有集中变速，分离变速；扩大变速范围可用增加变速组数，也可采用背轮结构、分支变速等型式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中变速型式的主轴变速箱。4.2.2 变速结构式、结构网的选择结构式、

38、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法，但对于分析复杂的变速并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。数为Z的变速系统由若干个顺序的变速组组成，各变速组分别有、个变速副。即 变速副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子： ，可以有三种方案： 12级转速变速系统的变速组，选择变速组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴如果安置换向摩擦离合器时，为减少轴向尺寸，第一变速组的变速副数不能多，以2为宜。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好。最后一个变速组的变速副数常选用2。综上所述，变速式为12=232。对于12=232

39、传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为：， ， ， 由于本次设计的机床I轴装有摩擦离合器，在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选的方案。从电动机到主轴主要为降速变速，若使变速副较多的变速组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足变速副前多后少的原则，因此取12=232方案为好。设计车床主变速传动系时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，在降速变速中，一般限制限制最小变速比 ；为避免扩大传动误差，减少震动噪声，在升速时一般限制最大转速比。斜齿圆柱齿轮传动较平稳，可取。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围。在设计时必须保证中间变速轴的变速

40、范围最小。根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下：主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积，即：检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小，只要最后扩大组的变速范围不超过极限值，其他变速组就不会超过极限值。 其中， ，符合要求。绘制转速图、选择Y132M-4型Y系列笼式三相异步电动机。、分配总降速变速比 总降速变速比 电动机转速不符合转速数列标准，因而增加一定比变速副。、确定变速轴轴数 变速轴轴数 = 变速组数 + 定比变速副数 + 1 = 3 + 1 + 1 = 5。、确定各级转速由、z =

41、 12确定各级转速： 800、560、400、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。、绘制转速图在五根轴中，除去电动机轴，其余四轴按变速顺序依次设为、（主轴）。与、与、与轴之间的变速组分别设为a、b、c。现由（主轴）开始，确定、轴的转速： 先来确定轴的转速变速组c 的变速范围为，结合结构式，轴的转速只有一种可能：100、140、200、280、400、560r/min。 确定轴的转速变速组b的级比指数为2，希望中间轴转速较小，因而为了避免升速，又不致变速比太小，可取 ，轴的转速确定为：400、560r/min。确定轴的转速对于轴，其级比指数为1,可取 ， 确定轴

42、转速为800r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速比。下面画出转速图（电动机转速与主轴最高转速相近）。齿轮齿数的确定，当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从【1】表3-9中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于1820。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。、变速组a:，； 时：57、6

43、0、63、66、69、72、75、78时：58、60、63、65、67、68、70、72、73、77可取84,于是可得轴齿轮齿数分别为：28、35。于是， 可得轴上的三联齿轮齿数分别为：56、49。、变速组b:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数, ，,时：87、89、90、91、92时：87、89、90、91时：86、88、90、91可取 90，于是可得轴上两联齿轮的齿数分别为：18、30、45。于是 ，得轴上两齿轮的齿数分别为：72，60、45。、变速组c:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,时：、85、89、90、94、95、108时： 84、87、89、90、10

44、8可取 108.为降速变速，取轴齿轮齿数为22；为升速变速，取轴齿轮齿数为36。于是得,得轴两联动齿轮的齿数分别为22，72；得轴两齿轮齿数分别为86，36。4.3带轮的设计三角带传动中，轴间距A可以加大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，宜可缓和冲击及隔离振动，使传动平稳。带轮结构简单，但尺寸大，机床中常用作电机输出轴的定比传动。电动机转速n=1440r/min,传递功率P=7.5kW,传动比i=1.8，两班制，一天运转16小时，工作年数10年。(1)、选择三角带的型号由【4】表8-7工作情况系数查的共况系数=1.2。故根据【4】公式（8-21） 式中P-电动机额定功率， -工作情况系数

45、因此根据、由【4】 图8-11普通V带轮型图选用A型。(2)、确定带轮的基准直径，带轮的直径越小带的弯曲应力就越大。为提高带的寿命，小带轮的直径不宜过小，即。查【4】表8-8、图8-11和表8-6取主动小带轮基准直径=125。由【4】公式(8-15a) 式中：-小带轮转速，-大带轮转速，-带的滑动系数，一般取0.02。 ，由【4】表8-8取圆整为224mm。(3)、验算带速度V，按【4】式（8-13）验算带的速度 ，故带速合适。(4)、初定中心距带轮的中心距，通常根据机床的总体布局初步选定，一般可在下列范围内选取： 根据【4】经验公式（8-20）取，取=600mm.(5)、三角带的计算基准长度

46、由【4】公式（8-22）计算带轮的基准长度 由【4】表8-2，圆整到标准的计算长度 (6)、验算三角带的挠曲次数 ，符合要求。 (7)、确定实际中心距按【4】公式（8-23）计算实际中心距(8)、验算小带轮包角根据【4】公式（8-25），故主动轮上包角合适。(9)、确定三角带根数根据【4】式（8-26）得查表【4】表8-4d由 i=1.8和得= 0.15KW,查表【4】表8-5，=0.98；查表【4】表8-2，长度系数=1.01 取 根(10)、计算预紧力查【4】表8-3，q=0.1kg/m由【4】式（8-27）其中： -带的变速功率,KW； v-带速,m/s； q-每米带的质量，kg/m；取

47、q=0.1kg/m。 v = 1440r/min = 9.42m/s。 、计算作用在轴上的压轴力 传动比查表【4】表8-4a由和得= 1.92KW 4.4 传动轴的直径估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度的要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失是主要矛盾，除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。4.4.1 确定各轴转速 、确定主轴计算转速：计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的

48、计算转速和相应的传动关系确定。根据【1】表3-10，主轴的计算转速为、各变速轴的计算转速： 轴的计算转速可从主轴71r/min按72/18的变速副找上去，轴的计算转速为100r/min；轴的计算转速为400r/min；轴的计算转速为800r/min。、各齿轮的计算转速各变速组内一般只计算组内最小齿轮，也是最薄弱的齿轮，故也只需确定最小齿轮的计算转速。 变速组c中，22/86只需计算z = 22 的齿轮，计算转速为280r/min； 变速组b计算z = 18的齿轮，计算转速为400r/min； 变速组a应计算z = 28的齿轮，计算转速为800r/min。、核算主轴转速误差 所以合适。4.4.2

49、传动轴直径的估算：确定各轴最小直径根据【5】公式（7-1），并查【5】表7-13得到取1.轴的直径：取轴的直径：取轴的直径：取 其中：P-电动机额定功率（kW）；-从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积；-该传动轴的计算转速（）； -传动轴允许的扭转角（）。当轴上有键槽时，d值应相应增大45%;当轴为花键轴时，可将估算的d值减小7%为花键轴的小径;空心轴时，d需乘以计算系数b，b值见【5】表7-12。和为由键槽并且轴为空心轴，和为花键轴。根据以上原则各轴的直径取值：，和在后文给定，轴采用光轴，轴和轴因为要安装滑移齿轮所以都采用花键轴。因为矩形花键定心精度高，定心稳定性好，能用磨削的方法消除

50、热处理变形，定心直径尺寸公差和位置公差都能获得较高的精度，故我采用矩形花键连接。按规定，矩形花键的定心方式为小径定心。查【15】表5-3-30的矩形花键的基本尺寸系列，轴花键轴的规格；轴花键轴的规格。各轴间的中心距的确定：；4.4.3 键的选择查【4】表6-1选择轴上的键，根据轴的直径，键的尺寸选择，键的长度L取22。主轴处键的选择同上，键的尺寸为，键的长度L取100。4.5传动轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差%3）.当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，计算花键轴传动轴一般只验算弯曲刚度，花键轴还应进行键侧挤压验算。弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在