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湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
目 錄
第一章 前言………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景………………………………………………………………… 1
1.1.1 數控車床的發(fā)展及應用情況…………………………………… 1
1.1.2 我國數控機床發(fā)展存在的問題………………………………… 2
1.1.3 經濟型數控機床在國民經濟中的地位………………………… 2
1.1.4 經濟型數控機床的特點及要求………………………………… 3
1.2 研究內容和方法………………………………………………………… 4
1.2.1 研究內容…………………………………………………………… 4
1.2.2 研究方法…………………………………………………………… 5
1.3 設計任務與論文構成…………………………………………………… 5
1.3.1 設計任務…………………………………………………………… 5
1.3.2 論文構成…………………………………………………………… 5
第二章 機床設計……………………………………………………………… 7
2.1 機床設計應滿足的基本要求………………………………………… 7
2.2 機床設計步驟…………………………………………………………… 9
2.3 機床總體布局…………………………………………………………… 10
第三章 主傳動系統(tǒng)的設計……………………………………………… 12
3.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求和特點………………………………………… 12
3.1.1 數控機床主傳動系統(tǒng)的設計要求………………………………… 12
3.1.2 數控機床主傳動系統(tǒng)的特點……………………………………… 12
3.2 總體設計………………………………………………………………… 12
3.2.1 擬定傳動方案……………………………………………………… 12
3.2.2 選擇電機…………………………………………………………… 14
3.2.3 計算各軸計算轉速、功率和轉矩………………………………… 17
3.2.4 轉速圖與傳動圖…………………………………………………… 18
3.3 軸系部件的結構設計…………………………………………………… 19
3.3.1 I軸結構設計……………………………………………………… 19
3.3.2 II軸結構設計……………………………………………………… 23
3.3.3 III(主)軸結構設計………………………………………………… 34
3.3.4 編碼器的選擇與安裝設計………………………………………… 37
3.3.5主軸箱展開圖…………………………………………………39
第四章 進給傳動系設計的簡單介紹…………………………………… 40
4.1 進給傳動系的組成………………………………………………………40
4.2 進給傳動系設計應滿足的基本要求………………………………… 40
第五章 結論…………………………………………………………………… 41
參考文獻………………………………………………………………………… 42
致謝……………………………………………………………………………… 43
i
第一章 前 言
1.1 課題背景
1.1.1 數控機床的發(fā)展及應用情況
計算機技術的飛速發(fā)展，使得現代制造的技術不斷推陳出新。在現代制造系統(tǒng)中，數控技術把計算機、微電子、自動檢測、信息處理、自動控制等高新技術集于一體，具有高效率、高精度、柔性自動化等特點，對現代制造業(yè)實現集成化、智能化、自動化有著非常重要的的作用。數控技術是一門把自動化控制技術、測量技術、微電子技術、計算機技術、現代機械制造術、信息處理技術等集于一體的綜合技術，是這些年來發(fā)展很迅速的一門綜合性的高新技術。數控技術是為了適應高速度、高精度、復雜零件的加工而出現的，是實現數字化、柔性化、信息化、自動化、集成化、網絡化的根基，是現代制造技術的核心和靈魂，應用前景十分廣闊。伴隨著電子計算機技術、微電子技術、信息自動處理技術、以及數據處理的發(fā)展，給自動化帶來了新的定義，使得機械制造自動化不斷的向前發(fā)展。最早在20世紀40年代初，就已經有人提出采用數控技術進行機械制造加工的想法。
在1953年，美國空軍技術研發(fā)部跟麻省理工大學進行合作，計劃投身于計算機自動編程的研究與開發(fā)，這就是創(chuàng)建自動編程系統(tǒng)的開始。自動編程系統(tǒng)開始于APT的成功研制。
在1954年，美國本迪克斯公司生產制造出世界上第一臺工用數控機床，在這之后的幾年里，數控機床技術在美國進入了飛速發(fā)展的階段，隨之在市場上也出現了商品化的數控機床。在1958年，美國一家公司率先研制出帶有換刀裝置的數控機床，稱為“數控加工中心”。
在1959年，隨著晶體管元器件的出現，于是在數控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板。與此同時，麻省理工大學和美國航空部門一起合作發(fā)展了APT程序語言。
在1960年以后，數控技術進入了迅猛發(fā)展的階段。日本、德國、英國等工業(yè)國家陸續(xù)地開發(fā)、研制、生產及使用數控機床，數控技術慢慢應用到其他機械上。比如，焊接機、饒線機、切割機等。在程序編制方面，已經由手工編程慢慢發(fā)展到計算機自動編程。與此同時，又出現和發(fā)展了許多的自動編程語言。
在1965年，隨著小規(guī)模集成電路的出現，使得數控系統(tǒng)的可靠性有了進一步提高，數控系統(tǒng)發(fā)展到了第三代。裝有上面三代數控系統(tǒng)的機床為普通數控機床。
在1967年，英國率先把幾臺數控機床連接成具有柔韌性的加工系統(tǒng)，開始研制和開發(fā)最初的柔性制造系統(tǒng)FMS，在此之后，美國、歐洲、日本也開始陸續(xù)開發(fā)和應用。在20世紀80年代初，出現了柔性制造單元FMC，這時FMS已日趨成熟。并慢慢地發(fā)展成為第四代數控系統(tǒng)。
在1971年前后，美國一家公司開發(fā)了微處理器。在1974年，美國、日本等國家率先研制和開發(fā)出了以微處理器為中心的計算機數控系統(tǒng)。這是第五代數控系統(tǒng)。
最近20年以來，伴隨著微電子技術的發(fā)展，使得數控技術成為現代制造技術的基礎。
我國數控機床行業(yè)有著巨大的市場空間，未來十年，汽車行業(yè)和高新技術等產業(yè)將會在我國迅猛發(fā)展。有專家指出，以目前我國中高檔數控機床和成套成線設備的開發(fā)、生產能力，在質量、品種和數量上還遠遠不能適應市場的巨大需求，因此必須加快數控機床的研制和開發(fā)。
1.1.2 我國數控機床發(fā)展存在的問題
目前我國的數控機床發(fā)展雖然取得了較大的成就，但還是存在一些問題：
（1） 數控化水平低
這些年來，我國數控機床生產一直保持著高速增長。2000年的產量位居世界第五。但是與很多發(fā)達國家相比，我國數控機床數控化率還有待提升，目前生產值的數控化率還不到29%；消耗值的數控化率還未到45%，而大多數發(fā)達國家維持在75%左右。以金屬切削機床作為例子，我國去年年產量為25萬臺，其中數控機床只有2.5萬臺，僅為產量的十分之一左右。中高檔次的數控機床及配套部件只能依靠進口。
（2） 功能部件有差距
數控功能部件是指主軸單元、數控系統(tǒng)、數控刀架和轉臺、滾珠絲杠副和滾動直線導軌副、高速防護裝置、刀庫和機械手等，他們是數控機床的重要組成部分。功能部分技術水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平將直接影響著數控機床整機的性能和技術水平。相對數控機床主機來說，我國功能部件生產企業(yè)的發(fā)展顯得落后很多。功能部件的水平不僅決定著機床的整機性能，還占到整機成本的65%左右，它的發(fā)展狀況將直接關系到機床整體的競爭水平。
近年來，我國的功能部件生產企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，而且分散在各地，有些甚至還依附于主機廠或者研究所。從整體上來看，我國功能部件的生產發(fā)展比較緩慢，品種較少，產業(yè)化程度很低，精度指標和性能指標都還不達不到要求。滾珠絲杠，數控刀架、數控系統(tǒng)、電主軸等數控機床功能部件雖然已經形成一定的規(guī)模，但是僅僅只能滿足中低檔數控機床的配套需要。高級數控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件和數控動力刀架等還大量依賴進口。因此健全功能部件生產企業(yè)的體制規(guī)范，做大做強做好一批功能部件的生產企業(yè)已經是箭在弦上不得不發(fā)。
1.1.3 經濟型數控機床在國民經濟中的地位
數控機床的分類方式有很多種，按照數控系統(tǒng)的功能水平來分的話，數控機床可以分為經濟型、中檔型和高檔型。隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，機械制造業(yè)也得到了快速的發(fā)展，以此為基礎數控機床的應用越發(fā)廣泛，例如汽車行業(yè)、航天行業(yè)等，因為與機械制造有關的行業(yè)都有數控機床的存在，特別是經濟型數控機床的應用，而且經濟型數控機床的伺服進給驅動一般是由步進電機實現的開環(huán)驅動，功能簡單、價格低廉、精度中等，能滿足加工形狀比較簡單的直線、圓弧以及螺紋的加工。一般控制軸在三軸以下，脈沖當量多為10，快速進給速度在10m/min以下。因此經濟型數控機床的應用非常廣泛。
這些年來，伴隨著我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，讓數控機床的應用也越發(fā)廣泛，其中經濟型數控機床的應用特別明顯。但是伴隨著機械制造業(yè)在國民經濟中地位不斷的提高，數控機床的地位也隨之不斷提高。這就使得數控機床的產量不斷的增加，2000年產量就位居世界第五。以金屬切削機床為例，我國去年產量為25萬臺，其中數控機床只有2.5萬臺，僅為產量的十分之一左右。其中數控機床產量的增加非常明顯，根據資料的統(tǒng)計，國產的數控機床到2000年可提供品種750多種，但是卻只有數控車床種類的50%左右，其中占了產量70%的是經濟型數控機床，上面的敘述表明了經濟型數控機床在國民經濟中占據著非常重要的地位。
1.1.4 經濟型數控機床的結構特點及要求
經濟型數控機床和一般的數控機床一樣，在效率、精度和自動化程度等方面要明顯高于普通的機床，同時還具有了柔性，這就對其結構有了以下幾點要求：
（1） 高的剛度
當數控機床要在中高速切削條件下工作時，機床的工作臺、床身、主軸、立柱、刀架等主要部件都需要很高的剛度，使得在工作中變形或振動最小。
（2） 高的靈敏度
數控機床在自動狀態(tài)下工作時要求的精度高于普通的機床，因此相應地運動也具有高的靈敏度。導軌通常采用塑料導軌、靜壓導軌、滾動導軌等，以達到減小摩擦力、低速無爬行的目的，工作臺、刀架等移動部件則需要由直流或交流伺服電動機驅動，經滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動。主軸多數采用滾動軸承來提高靈敏度。
（3） 高的抗振性
數控機床的部分運動部件需要保證在中高速切削的條件下沒有振動，以保證加工件的精度和表面粗糙度的要求。同時還要注意避免切削時的產生的諧振。
（4） 熱變形要小
運動的部件容易產生熱量。為保證部件的運動精度，一般采取立柱框架式結構，使提高剛度的同時防止產生熱變形而發(fā)生傾斜偏移，主軸可采用恒溫冷卻主軸，以保證主軸高速運轉時產生的熱量最少，電動機可以采用安裝散熱裝置以減少電動機運轉時發(fā)熱的影響。
（5） 高精度的保持性
數控機床需要保證長時間內具有穩(wěn)定的工作精度，即高精度的保持性，一般選擇合適的零件材料，防止使用時發(fā)生變形和磨損，同時采取相應的工藝措施，比如淬火和粘貼塑料導軌等，以提高運動部件的耐磨性。
（6） 高的可靠性
數控機床大多數是在自動或者半自動條件下工作的，需要具有高的可靠性。
（7）刀具系統(tǒng)
數控機床刀具要具有高的耐用度，合理的結構，同時對于不同的數控機床，需要用不同的刀具系統(tǒng)和相應的刀片。
與普通機床相比，數控機床具有以下優(yōu)越性：
1、可以加工出普通機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
2、可以實現加工的柔性自動化，從而效率比普通機床提高4～7倍。
3、加工零件的精度較高，尺寸分散度很小，使得裝配容易
4、可實現多工序的集中加工，減少零件在機床間的搬運。
5、擁有自動監(jiān)控、自動補償等多種功能，可實現長時間沒有人看管的加工。
因此，采用數控機床，可以大大降低工人的勞動強度，節(jié)約勞動力，減少了工裝，縮短了新產品試驗周期和生產周期，可以對市場的需求作出快速的反應。 而且數控機床推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已然成為機械制造業(yè)自動化的核心技術。
基于以上優(yōu)越性，數控機床所占的比例迅速增大。從2006年的市場消費的內容可以看出,傳統(tǒng)機床的市場份額在下降,數控機床份額則大幅度的增長，尤其是中高檔數控機床變得供不應求。因此可以預料，未來幾年甚至十年內傳統(tǒng)機床的市場份額將不斷的下滑, 數控機床的消費會逐步的擴大。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設計一臺經濟型數控車床—CK6140，用于對轉體零件的圓柱面、圓錐面、端面以及各種公、英制螺紋等進行高效、批量、高精度的自動加工，以提高生產的效率和產品的質量和降低工人的勞動強度。通過本次畢業(yè)設計培養(yǎng)自己綜合運用基礎知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力[1]。
1.2 研究內容和方法
1.2.1 研究內容
本課題設計的數控車床的主要參數如下：
工件最大回轉直徑：Φ400mm；
中心高：205mm；
刀架最大回轉直徑：Φ210mm；
刀架最大回轉行程；280mm；
主軸最大轉速：4000 r/min；
主軸最低轉速：40r/min；
課題研究的主要內容是主軸傳動系統(tǒng)的設計。
1.2.2 研究方法
第一步，明確設計的要求，找出研究的重點和難點：數控車床最基本的要求就是精度達標，運行穩(wěn)定可靠，操作、保養(yǎng)方便，壽命比較長，此外還要力求外型的美觀。
第二步，進入工廠觀察，大量收集相關的資料，廣泛吸取有關專家設計的經驗。
第三步，初步地確定總體的設計方案：
1、 軟件的方面
充分考慮功能、技術先進、價格、服務方便等因素，以及考慮數控系統(tǒng)所具有的功能是否與CK6140的性能相匹配，盡量減少數控功能的過剩。
2、硬件的方面
（1）根據機床的性能要求，確定機床支承件結構形式為斜床身結構，并進行總體的布局；
（2）選擇主電動機。根據切削力的大小以及機床的變速要求，初步地選定主電動機的型號；
（3）設計主傳動系統(tǒng)及主軸箱。根據主電機的變速范圍，確定變速箱的減速級數以及傳動的方式。
1.3 設計任務與論文構成
1.3.1 設計主要任務
1、 分析確定CK6140車床主軸系統(tǒng)的整體傳動方案；
2、 主軸系統(tǒng)結構的總體方案設計；
3、 零部件的校核與設計相關的計算；
4、 裝配圖的設計、零件工作圖的設計；
5、 本設計的優(yōu)缺點分析；
6、 典型零件加工工藝及圖形交互式（CAD/CAM）或手工數控程序編制；
7、 編寫設計說明書。
1.3.2 論文構成
第1章 前言
第2章 機床的設計。
第三章 詳細論述主軸系統(tǒng)包括各傳動軸的結構設計。
第四章 簡單介紹進給傳動系的設計。
第五章 總結本次畢業(yè)設計。
論文最后是本次畢業(yè)設計的心得、參考文獻和致謝。
第二章 機床設計
2.1 機床設計應滿足的基本要求
1、 工藝范圍
機床工藝范圍是指機床適應不同生產要求的能力，也可稱為機床的加工功能。機床應滿足一定的加工作業(yè)要求，包括加工作業(yè)功能和加工作業(yè)空間。機床的加工作業(yè)功能要求將決定其運動功能，加工作業(yè)空間要求將決定其運動行程范圍。機床的工藝范圍一般包括可加工工件的類型、加工方法、加工表面形狀、材料、工件和加工尺寸范圍、毛坯類型等。
機床的工藝范圍主要取決于其用于哪種生產模式。如使用單機生產模式，工序集中，要求機床具有較寬的加工范圍，對加工效率和自動化程度的要求相對低一些。如使用于多品種小批量的自動化生產系統(tǒng)模式，要求機床能適應多品種工件的加工，具有一定的工藝范圍、較高的加工效率和自動化程度。如使用于大批量生產模式，工序分散，一臺機床僅需要對一種工件完成一道或幾道工序的加工，工藝范圍窄，但要求加工效率高，自動化程度高。
機床的工藝范圍直接影響到機床結構的復雜程度、設計制造成本、加工效率和自動化程度。對于生產率，就機床本身而言，工藝范圍增加，可能會使加工效率下降。但就工件的制造全過程而言，機床工藝范圍增加，將會減少工件的裝卸次數，減少安裝、搬運等輔助時間，有可能使總的生產率提高。
2、 柔性
機床的柔性是指其適應加工對象變化的能力。隨著市場經濟的發(fā)展，對機床及其組成的生產線的柔性要求越來越高。傳統(tǒng)的剛性自動生產線盡管生產效率高，但無法適應產品更新換代速度越來越快的要求。
機床的柔性包括空間上的柔性和時間上的柔性。所謂空間柔性，也就是功能柔性，包括機床的通用性和在同一時期內進行快速功能重構的能力，即機床能夠適應多品種小批量的加工，機床的運動功能和刀具數目多，工藝范圍廣，一臺機床具備多臺機床的功能，因此在空間上布置一臺高柔性機床，其作用等于布置了幾臺機床。所謂時間上的柔性，也就是結構柔性，指的是在不同時期，機床的各部件的重新組合，構成新的機床，即通過機床重構，改變其功能，以適應產品更新變化快的要求。
3、 與物流系統(tǒng)的可接近性
可接近性是指機床與物流系統(tǒng)之間進行物料流動的方便程度。對于普通機床，是由人工進行物料流動的，要求機床的使用、操作、清理和維護方便和安全。對于自動化制造系統(tǒng)，是采用工件傳送帶、自動換刀系統(tǒng)和自動排屑系統(tǒng)等裝置自動進行物料流動的，要求機床的結構便于物料的流動，可靠性好。
4、剛度
機床的剛度是指加工加工過程中，在切削力的作用下，抵抗刀具相對于工件在影響機床加工精度方向變形的能力。剛度包括靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度、熱態(tài)剛度。機床的剛度直接影響機床的加工精度和生產率，因此機床應有足夠的剛度。機床是工作母機，其剛度要求比一般機械裝備要高得多。
5、精度
要保證能加工出一定精度的工件，作為工作母機的機床必須具有更高的精度要求。機床精度主要指機床的幾何精度和機床工作精度。機床的幾何精度指空載條件下機床本身的精度，描述機床獨立部件相對理想的線或面的形狀特征、位置、旋轉、位移的偏差程度。他們對于機床的工作精度及工具、重要零部件和附件的安裝都是非常重要的。機床的工作精度指精加工條件下機床的加工精度。
6、噪聲
噪聲損壞人的聽覺器官和生理功能，是一種環(huán)境污染。設計和制造過程中要設法降低噪聲。
7、生產率
機床的生產率通常是指單位時間內機床所能加工的工件數量。機床的切削效率越高，輔助時間越短，則它的生產率越高。對用戶而言，使用高效率的機床，可以降低工件的加工成本。
8、自動化
機床的自動化程度越高，則加工效率越高，加工精度的穩(wěn)定性越好，還可以有效降低工人的勞動強度，便于一個工人看管多臺機床，大大提高勞動生產率。
9、成本
成本概念貫穿在產品的整個生命周期內，包括設計、制造、包裝、運輸、使用維護、再利用和報廢處理等的費用，是衡量產品競爭力的重要指標，應在盡可能保證機床性能要求的前提下，提高其性能價格比。
10、生產周期
為了快速響應市場需求變化，生產周期是衡量產品市場競爭力的重要指標，應盡可能縮短機床的生產周期。這就要求應盡可能采用現代設計方法，縮短新產品的開發(fā)周期；盡可能采用現代制造和管理技術，縮短制造周期。
11、可靠性
應保證機床在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內，完成規(guī)定的加工功能時，無故障運行的概率要高。
12、造型與色彩
機床的外觀造型與色彩，要求簡潔明快、美觀大方、宜人性好。應根據機床功能、結構、工藝及操作控制等特點，按照人機工程學要求進行設計。
13、機床設計方法
隨著科學技術的進步和社會需求的變化，機床的設計理論和技術也在不斷的發(fā)展。計算機技術和分析技術的飛速進步，為機床設計方法的發(fā)展提供了有力的技術支撐。計算機輔助設計（CAD )和計算機輔助工程（CAE）已在機床設計的各個階段得到了應用，改變了傳統(tǒng)的經驗設計方法，使機床設計由傳統(tǒng)的人工設計向計算機輔助設計、由定性設計向定量設計、由靜態(tài)和線性分析向動態(tài)和非線性分析、由可行性設計向最佳設計過渡。
數控技術的發(fā)展與應用，使得機床的傳動與結構發(fā)生了重大的變化。伺服驅動系統(tǒng)可以方便地實現機床的單軸運動及多軸聯動，從而可以省去復雜笨重的機械傳動系統(tǒng)，使其結構和布局產生了很大的變化[2]。
2.2 機床設計步驟
一般機床設計的內容及大致步驟如下：
（1） 總體設計
1、 機床主要技術指標設計
機床主要技術指標設計是后續(xù)設計的前提和依據。對于不同的設計任務，如工廠的規(guī)劃產品，或根據機床系列型譜進行設計的產品、用戶的訂貨等，盡管具體的設計要求不同，但主要的技術指標大致相同，包括：
（1） 工藝范圍 包括加工件的材料類型、形狀、質量和尺寸范圍等。
（2） 運行模式 機床是單機運行模式，還是用于生產系統(tǒng)。
（3） 生產率 包括加工件的類型、批量及所要求的生產率。
（4） 性能指標 加工件所要求的精度或機床的精度、剛度、熱變形、噪聲等性能指標。
（5） 主要參數 即確定機床的加工空間和主參數。
（6） 驅動方式 機床的驅動方式有電動機驅動和液壓驅動。電動機驅動方式中又有普通電動機驅動、步進電動機驅動與伺服電動機驅動。驅動方式的確定不僅與機床的成本有關，還將直接影響傳動方式的確定。
（7） 成本及生產周期 無論是訂貨還是工廠規(guī)劃產品，都應確定成本及生產周期方面的指標。
2、總體方案設計
總體方案設計包括：
（1） 運動功能設計 包括確定機床所需運動的個數、形式、功能及排列順序，最后畫出機床的運動原理圖，并進行運動功能分配。
（2） 基本參數設計 包括尺寸參數、運動參數和動力參數設計。
（3） 傳動系統(tǒng)設計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設計。
（4） 總體結構布局設計 包括總體布局結構形式及總體結構方案圖設計。
（5） 控制系統(tǒng)設計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設計。
3、 總體方案綜合評價與選擇
在總體方案設計階段，對其各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案。
4、 總體方案的設計修改或優(yōu)化
對所選擇的方案進行進一步修改或優(yōu)化，確定最終方案。上述設計內容，在設計過程中要交叉進行。
（2） 詳細設計
詳細設計包括：技術設計、施工設計。
1、 技術設計
設計機床的傳動系統(tǒng)，確定各主要結構的原理方案，設計部件裝配圖，對主要零件進行分析計算和優(yōu)化，設計液壓原理圖和相應的液壓部件裝配圖，設計電氣控制系統(tǒng)原理圖和相應的電氣安裝接線圖，設計和完善機床總裝配圖和總聯系尺寸圖。
2、 施工設計
設計機床的全部自制零件圖，編制標準件、通用件和自制件明細表，編寫設計說明書、使用說明書，制定機床的檢驗方法和標準等技術文檔。
（3） 機床整機綜合評價
對所設計的機床進行整機性能分析和綜合評價?？蓪λO計的機床進行計算機建模，得到所謂的數字化樣機，又稱虛擬樣機。采用虛擬樣機技術對所設計的機床進行運動學仿真和性能仿真，在實際樣機沒有試造出來之前對其進行綜合評價，可以大大減少新產品研制的風險，縮短研制的周期，提高研制的質量。
上述步驟可反復進行，直至達到設計結果滿意為止。在設計過程中，設計與評價反復進行，可以提高一次設計成功率。
（4） 定型設計
在上述步驟（三）完成后，可以進行實物樣機的制造、實驗及評價。根據實物樣機的評價結果進行修改設計，最終完成產品的定型設計。
2.3 機床總體布局
按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有5種布局形式，主要包括：
1、 后斜床身-斜滑板
2、 直立床身-直立滑板
3、 平床身-平滑板
4、 前斜床身-平滑板
5、 平床身-斜滑板
一般來說，中、小規(guī)格的數控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數控車床或小型精密數控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下的特點：
(1) 更容易實現機電一體化；
(2) 機床外形美觀，占地面積小；
(3) 更容易設置封閉式防護裝置；
(4) 容易進行排屑以及安裝自動排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機械手，實現單機的自動化[1]。
基于以上的優(yōu)點，在本課題中采用傾斜滑板平床身。
第三章 主傳動系統(tǒng)的設計
3.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求和特點
3.1.1 數控機床主傳動系統(tǒng)的設計要求：
1、主軸要具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數、能夠實現運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床不同的運動要求；
2、主電動機要具有足夠的功率，全部的機構和元件要具有足夠的剛度和強度，來滿足機床動力方面的要求；
3、主軸部件要有足夠的精度，抗振性、熱變形以及噪音都要小，傳動效率必須要高，以滿足機床工作性能方面的要求；
4、調整維修方便，操作靈活可靠，密封潤滑良好，用以滿足機床的使用要求；
5、結構要簡單緊湊，工藝性能要好，成本要低，以滿足經濟方面的要求[2]。
3.1.2 數控機床主傳動系統(tǒng)的特點
與普通機床比較，數控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點：
1、轉速更高、功率更大；
2、更大的變速范圍，并實現了無級調速；
3、主軸變速要快速并且可靠，要有比較高的剛度以及精度、傳動平穩(wěn)，噪聲要低；
4、主軸部件的耐磨性要高，要有比較好的熱穩(wěn)定性和抗振性[2]。
3.2 總體設計
3.2.1 擬定傳動方案
數控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控機床一般采用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。由于數控機床的主運動的調速范圍較大，單靠調速電機無法滿足這么大的調速范圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性也難于直接與機床的功率和轉矩要求相匹配。因此，數控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調速范圍和轉矩特性[2]。
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機的恒功率變速范圍，故必須配以分級變速箱。為簡化主軸箱結構，分級變速級數應該少些，分級變速箱的公比可取大于電動機的恒功率變速范圍，即>。主軸的設計轉速范圍為40r/min~4000r/min;根據以下計算：（以下計算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計算轉速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/159=25.2
電動機恒功率變速范圍為：
為了簡化變速箱結構，取變速箱的變速級數Z=2,
由 （3.2）
可算出變速箱的公比=5.1，大于值許多，在主軸的功率特性圖中將出現較大的“缺口”，在缺口處的功率僅為：
主傳動系圖如下圖所示：
圖3.1 主軸傳動圖
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現變速，雙聯滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數控機床的復雜性，而且必須將數控裝置送來的電信號轉換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由于它便于實現自動操作，并有現成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數控機床的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[3]。
3.2.2 選擇電機
1、選擇電機應綜合考慮的問題
(1)根據機械的負載特性和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。
(2)根據負載轉矩、轉速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量，負荷率一般取0.8～0.9。
(3)根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結構型式。
(4)根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。
(5)根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。
此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素[4]。
2、電動機類型和結構型式的選擇
由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。感應電機交流主軸驅動系統(tǒng)是當前商用主軸驅動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應用于各種數控機床上。
經過對比分析本設計中決定采用FANU系列交流主軸電機。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實現機床的高速、高精控制，并使機床更緊湊[4]。
3、電動機容量的選擇
選擇電動機容量就是合理確定電動機的額定功率。決定電動機功率時要考慮電動機的發(fā)熱、過載能力和起動能力三方面因素，但一般情況下電動機容量主要由運行發(fā)熱條件而定。電動機發(fā)熱與其工作情況有關。但對于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運轉的電動機（如本課題中的電動機），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時就不會過熱，可不進行發(fā)熱計算，本設計中電機容量按以下步驟確定：
表3.1 理想主軸驅動系統(tǒng)性能
項目
內容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內保持一定轉矩
高旋轉精度
高動態(tài)響應
高加減速，起制動能力
具有強魯棒性，能適應環(huán)境條件和參數變化
高效率，低噪聲
低價格
低購買價格，低維護價格,低服務價格
通用要求
耐用性，可維護性，安全可靠性
（1）確定主軸切削力(如無特殊說明，該小節(jié)計算方法均出自資料[5])
確定主軸材料為45號鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為250公斤/m2。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進給量?。?
根據主切削力的指數公式：
（3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機輸出動率
（3.5）
傳動裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動效率，由資料[6]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動軸承效率，由資料[6]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[6]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動機額定功率
如前所述，電動機功率應留有余量，，所以電動機額定功率選取為11。
（4）電動機電壓和轉速的選擇
小功率電動機一般選為380V電壓。所以本電機的電壓可選為380V[4]。
同一類型、功率相同的電動機具有多種轉速。一般而言，轉速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結構尺寸和重量增加。選用轉速低的電動機則情況相反。要綜合考慮電機性能、價格、車床性能要求等因素來選擇。
本課題中數控機床的主軸的轉速范圍要求為40r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動軸，傳動鏈較短，因此變速級數較少，故對電動機恒功率變速范圍以及整個變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動比確定為，II軸上兩對直齒輪的傳動比分別為， 。
（5）確定電機的型號
由前面信息，可選取FANUC交流電機，型號為。這種電機轉動非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實現電機的高速、高加速控制，作為α系列的后續(xù)產品，具有更先進的節(jié)能效果。電機參數如下表所示：
表3.2 電機參數
型號
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉速
最高轉速
重量
振動
冷卻
機座長為，電機軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[4]得[4]。
3.2.3 計算各軸計算轉速、功率和轉矩
1、 各軸計算轉速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計算轉速，由于采用的是無級調速，所以采用以下的公式：
==159 r/min； （3.6）
然后通過傳動比計算傳動軸和電機軸的計算轉速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉矩： (N/m) （3.7）
將以上計算結果整理后列于表3.3，供以后計算選擇，供以后計算使用：
表3.3 各軸的傳動參數
軸
參數
I軸（電機軸）
II軸（中間傳動軸）
III軸（主軸）
計算轉速（）
700
350
159
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉矩（）
150.16
286.66
600.63
傳動比
，
3.2.4 轉速圖與傳動圖
由電機的轉速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉矩變速范圍)和各軸傳動比,作數控車床的主運動轉速圖和功率特性圖,見圖3.2。
圖3.2 轉速圖和功率特性圖
由轉速圖3.2可知，電動機經1:2定比傳動降速后，如果經16：9傳動比傳動主軸，則當電動機轉速從4500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉速從4000r/min降至1333r/min。主軸轉速再需下降時變速箱變速，經5:11傳動比傳動主軸，電動機又恢復從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至341r/min。故主軸從4000r/min降至341r/min為恒功率調速。主軸從341r/min降至40r/min，電動機從1500r/min降至176r/min為電動機的恒轉矩區(qū)。（額定轉速向上至最高轉速為恒功率；額定轉速向下至最低轉速為恒轉矩；本方案電動機的額定轉速為1500r/min。）
初定數控車床的傳動系統(tǒng)圖,如圖3.3。
圖3.3 傳動系統(tǒng)圖
3.3 軸系部件的結構設計
3.3.1 I軸結構設計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[7]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數.
根據選定的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
（1）本次設計屬于金屬切削機床類，一般齒輪傳動，故選用8級精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調質熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數，大齒輪齒數。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得120，故
?。?5mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
3、按齒面接觸強度設計
由設計計算公式(10-9a)進行試算，即
（3.9）
1）確定公式內的各計算數值
（1）試選載荷系數
（2）計算小齒輪傳遞的轉矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限；
（6）由式10-13計算應力循環(huán)次數（假定工作壽命15年（每年工作300天），兩班制）（j=1）則：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數；；
（8）傳動比u=2；
（9）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
= mm
（2）計算圓周速度
（3.12）
（3）計算齒寬
（3.13）
（4）計算齒寬與齒高之比
模數
齒高
（5）計算載荷系數
根據，8級精度，由圖10-8查得動載系數；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪懸臂支承時，1.305；
由；，查圖10-13得1.255；故載荷系數
（6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
= （3.14）
（7）計算模數
112.0/30mm=3.73mm
4、按齒根彎曲強度設計
由式（10-5）得彎曲強度的設計公式為
（3.15）
1）確定公式內的各計算數值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數，0.87；
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由式（10-12）得
（3.16）
（4）計算載荷系數K
（3.17）
（5）查取齒形系數
由表10-5查得；。
（6）查取應力校正系數
由表10-5查得；1.73。
（7）計算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數值大。
2）設計計算
=
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數2.73mm，并就近圓整為標準值m=2.75mm，按接觸強度算得的分度圓直徑112.0mm，算出小齒輪齒數
齒輪齒數
這樣設計出的齒輪傳動，即滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
5、幾何尺寸計算
1）計算分度圓直徑 （3.19）
2）計算中心距 （3.20）
3）計算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=50mm
3.3.2 II軸結構設計（如無特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對應的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對應的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一摔油盤（有套筒的作用）和圓螺母進行定位。
3、軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號鋼（調質處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得120，故
?。?0mm。由于取值較計算值大一些，所以不用再按彎扭合成強度條件計算和進行疲勞強度校合。
軸的零件圖如圖3.5。
圖3.5 中間軸零件圖
4、齒輪的設計
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對齒輪1（小齒輪）在模數和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進行該對齒輪的設計。
1）選定齒輪的精度等級和材料，初選齒數
(1)本數控機床的運行速度較高，精度等級選擇8級精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40Cr，調質后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調制后表面淬火，硬度為240HBS,硬度差為40HBS。
(3)小齒輪齒數初選為＝20，＝＝
2）按齒面接觸強度進行設計
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內的各計算值：
(1)初選載荷系數Kt＝1.6；
(2)計算小齒輪傳遞的轉矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉矩為286.66N.m；
(3)由表10－7及其說明，可選定齒寬系數＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數＝189.8；
(5)由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度＝600MPa；大齒輪的接觸疲勞強度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設計壽命為72000h，由式10－13，計算應力循環(huán)次數
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數；；
(8)傳動比u=2.2；
（9）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計算圓周速度
（3.26）
（3）計算齒寬
（4）計算齒寬與齒高之比
模數
齒高
(5)計算載荷系數K
由圖10－8，查得動載系數；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪非對稱布置時，1.254；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數
（3.27）