微型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)

1、SHANDONG畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)微型數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名： 摘要的頁(yè)眉自己再添上 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2011年 06 月摘 要微型數(shù)控車(chē)床又稱數(shù)字控制（Numerical control，簡(jiǎn)稱NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。該數(shù)控車(chē)床主要由教學(xué)型車(chē)床機(jī)械裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、電源驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，此次設(shè)計(jì)包括機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中還包括齒輪模數(shù)計(jì)算及校核，主軸的設(shè)計(jì)及其剛度的校核，主軸組件的設(shè)計(jì)與

2、選型，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及其剛度校核和傳動(dòng)軸組件的設(shè)計(jì)與選型等，縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，床身與導(dǎo)軌設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇以及刀架型號(hào)的選擇等。該車(chē)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小，適于教學(xué)，該系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作方便。本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：微型，數(shù)控車(chē)床，主傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)，設(shè)計(jì) AbstractThe miniature numerically controlled lathe calls digital control (Numerical control , shorter form NC) a machi

3、ne tool. That it has been digital control-based , has adopt the numerical control technology, is that a dress has controlling the systematic machine tool by program. It is from the lead plane , CNC , driving device, numerical control machine tool auxiliary device , what programming machine and their

4、 his some subsidiary equipment is composed of. Design designing that the mechanical drive including a machine tool betokens motion system this time, including the module of the gear, the principal axis calculate and rigidity revise, the principal axis subassembly design and choose, the transmission

5、shaft calculate and rigidity revise, the transmission shaft subassembly design and choose. longitudinal mechanical drive feeds systematic motion design. latitudinal mechanical drive feeds systematic motion design. The type of frequency conversion timing electromotor choose and the type of walking el

6、ectromotor choose, and the type of knife rest choose. This paper is more compehensive introduction and summing-up for the whole design work.Key words: miniature,numerically controlled lathe mechanical,drive system betokens systematic, feed drive system, design.目 錄第一章 引 言- 1 -1.1 課題的背景- 1 -1.2 課題的目的和

7、意義- 1 -第二章 微型數(shù)控車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 3 -2.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)- 3 -2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的大分類(lèi)- 3 -2.3 確定合適的切削參數(shù)- 4 -2.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算- 5 -2.5齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算- 6 -2.6主軸組件設(shè)計(jì)- 12 -第三章 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 24 -3.1概述- 24 -3.2電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接- 24 -3.3滾珠絲杠螺母副- 25 -3.4滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)與選型- 29 -3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型- 31 -第四章 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 34 -4.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)與選型- 34 -4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型-

8、36 -4.3滾珠絲杠的保護(hù)- 37 -4.4刀架的選型- 38 -第五章 床身與導(dǎo)軌- 39 -5.1 床身設(shè)計(jì)- 39 -5.2導(dǎo)軌設(shè)計(jì)- 40 -第六章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 42 -6.1 確定硬件電路的總體方案- 42 -6.2 主控制器CPU的選擇- 42 -6.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)- 42 -6.4 主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路- 43 -6.5 越界報(bào)警- 43 -結(jié) 論- 44 -參考文獻(xiàn)- 45 -致 謝- 46 - 第一章 引 言1.1 課題的背景當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，

9、應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。數(shù)控設(shè)備廠采用超大規(guī)模集成電路并采用表面安裝工藝（SMT），實(shí)現(xiàn)了三維立體裝配，將整個(gè)CNC裝置做得很小，以適應(yīng)機(jī)械制造業(yè)機(jī)電一體化的要求。日本三菱電機(jī)株式會(huì)社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及實(shí)用型CNC MELDAS 520A系列，這兩個(gè)系列都采用了32位RISC微處理器，實(shí)現(xiàn)超小型化的CNC裝置，較原來(lái)的M310及L3、L3A，體積大為減?。℉168mm×W76mm×D135mm），安裝面積減

10、小了一半，功能還有所進(jìn)步。采用了超薄型顯示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。這個(gè)系統(tǒng)的微小線段加工能力提升至64m/min，最大快速進(jìn)給速度為240m/min，其同步攻螺紋精度較M310進(jìn)步了3倍，主軸定位時(shí)間縮短了30%。德國(guó)SIEMENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控組件選用386DX或486DX，具有14個(gè)通道，可實(shí)現(xiàn)直線及圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、5軸螺旋線插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)等，共可控制32個(gè)軸，并有多種校正及補(bǔ)償功能，體積僅為50mm×316mm×207mm。東西方制造業(yè)的差距更多的在于職教基礎(chǔ)的差距，實(shí)踐動(dòng)手能力的差距，我國(guó)數(shù)控

11、學(xué)員儲(chǔ)備60萬(wàn)人，而全國(guó)數(shù)控人才每年缺口15萬(wàn)人，高級(jí)數(shù)控技工年薪高達(dá)10萬(wàn)，那種20人/臺(tái)的教學(xué)實(shí)效性與成材率不匹配的矛盾日益突出。1.2 課題的目的和意義生產(chǎn)型數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控教學(xué)實(shí)習(xí)設(shè)備是十分必要的，但在前期教學(xué)中使用則耗電大、材料消耗大、安全系數(shù)相對(duì)較低成為困擾許多院校的大問(wèn)題。西方發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控教學(xué)前期階段都是采用小型臺(tái)式高仿真數(shù)控教學(xué)機(jī)床作為數(shù)控編程和操作的實(shí)習(xí)設(shè)備。目前數(shù)控技術(shù)課程實(shí)訓(xùn)過(guò)程中普遍存在以下現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：系統(tǒng)開(kāi)放性差、操作界面不太理想、教學(xué)設(shè)備成本高、實(shí)驗(yàn)耗材費(fèi)用高、操作危險(xiǎn)性大、學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手機(jī)會(huì)少、教學(xué)效率低、教學(xué)質(zhì)量差等。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)軟硬件結(jié)構(gòu)開(kāi)放、功能完善、人機(jī)界

12、面友好、操作方便的系統(tǒng)，來(lái)解決了授課過(guò)程中存在的課堂教學(xué)難、實(shí)驗(yàn)教學(xué)難、實(shí)訓(xùn)教學(xué)難的問(wèn)題。第二章 微型數(shù)控車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)：兩個(gè)坐標(biāo)方向的工作行程：X:30mm Z:100mm。加工精度：0.01mm。加工材料：石蠟、肥皂類(lèi)或鋁質(zhì)類(lèi)等。2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的大分類(lèi)：目前，主傳動(dòng)系統(tǒng)大致可分為以下大類(lèi)。帶有變速齒輪的主傳動(dòng)如圖2-1a）所示，通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪降速，以滿足主軸低速時(shí)對(duì)扭矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無(wú)級(jí)變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸和撥叉或直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)如圖2-1b）所

13、示，這種傳動(dòng)主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，由交流電機(jī)通過(guò)V帶直接帶動(dòng)主軸。這種傳動(dòng)方式可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲，但只能適用于低扭矩特性要求的主軸。調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)如圖2-1c）所示，這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。圖2-1 主傳動(dòng)型式本數(shù)控車(chē)床選用無(wú)級(jí)變速。2.3 確定合適的切削參數(shù)：本機(jī)床加工的工件為代木、石臘，鋁等材料，查金屬切削原理（陳日曜主編）表11-5，選擇機(jī)床背吃刀量=1mm；進(jìn)給量f=0.18mm/r；切削速度v=250m/min。2.3.1 計(jì)算切削力： 由公式查金屬切削原理（陳日

14、曜主編）表4-1，得 =11N，進(jìn)給抗力和切深力可按下列比例分別計(jì)算：，計(jì)算的=2.75N，=4.4N。2.3.2 確定機(jī)床的切削功率： 切削功率是力和所消耗的功率之和，因方向沒(méi)有位移，所以不消耗動(dòng)力。于是：切削功率式中 縱向切削力（N）； V切削速度（m/min）； 進(jìn)給力（N）； 工件轉(zhuǎn)速（r/s）； f進(jìn)給量（mm/r）。粗略計(jì)算切削功率=45.8w，機(jī)床效率取，計(jì)算機(jī)床電機(jī)功率。由此選用額定功率100w中大交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，參數(shù)如表2-1：電機(jī)型號(hào)出力電壓頻率極數(shù)額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速額定電流額定力矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶齒軸電機(jī)WVHzPr/minr/minAN·mN·mKgf&

15、#183;cm5RK100GU-AF1001ph100504100030002.100.900.787.80表2-1額定功率100w中大交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)參數(shù)2.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算：主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速： 。主軸要求的恒功率變速范圍： 電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍： 。該系統(tǒng)至少需要的變速級(jí)數(shù)、變速組數(shù)： ，。 取 。變速箱實(shí)際公比： 。傳動(dòng)的最小傳動(dòng)比：。其他傳動(dòng)副的傳動(dòng)比：。電動(dòng)機(jī)的最高和最低工作轉(zhuǎn)速分別為：。轉(zhuǎn)速圖如圖2-2所示：圖2-2 主傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖電動(dòng)機(jī)最高、最低工作轉(zhuǎn)速時(shí)所傳遞的功率分別為： 2.5齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算： 齒輪的設(shè)計(jì)該傳動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)變速組，兩個(gè)傳動(dòng)副。同一變速組，模數(shù)相同，

16、不采用變位齒輪，為第一傳動(dòng)副的主、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)，為第二傳動(dòng)副的主、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)。m相同，則：，取S=110，得。確定各個(gè)齒輪的尺寸：選用直齒圓柱輪，取m=2.5，則分度圓直徑： ，各個(gè)齒輪的齒頂高： ，各個(gè)齒輪的齒根高： 取齒寬系數(shù)，則各個(gè)齒輪的齒寬為： 齒輪的校核：齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算：（參考機(jī)械設(shè)計(jì)高等教育出版社）一級(jí)減速齒輪的校核：圓周速度 精度等級(jí) 由表12.6 選8級(jí)精度使用系數(shù) 由表12.9 動(dòng)載系數(shù) 由圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，先求 由此得 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由表12.12 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 由圖12.16 接觸最

17、小安全系數(shù) 由表12.14 總工作時(shí)間 取應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計(jì)<<,則指數(shù)取8.78 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18 許用接觸應(yīng)力 = =驗(yàn)算 22.82 < 計(jì)算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：重合度系數(shù) =0.68齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10， 齒向載荷分配系數(shù) 由圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由圖12.11 彎曲疲勞極限 由圖12.23C 彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計(jì)<,則指數(shù)取49.91 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 彎曲壽命系數(shù) 由圖12.

18、24 尺寸系數(shù) 由圖12.25 許用彎曲應(yīng)力 = =驗(yàn)算 < < 傳動(dòng)無(wú)過(guò)載，不須作靜強(qiáng)度校核。一級(jí)減速齒輪的校核：圓周速度 精度等級(jí) 由表12.6 選8級(jí)精度使用系數(shù) 由表12.9 動(dòng)載系數(shù) 由圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，先求 由此得 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由表12.12 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 由圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由表12.14 總工作時(shí)間 取應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計(jì)<<,則指數(shù)取8.78 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18 許用接觸應(yīng)力 = =驗(yàn)算 58.82 < 計(jì)算結(jié)果表

19、明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：重合度系數(shù) =0.68齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10， 齒向載荷分配系數(shù) 由圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由圖12.11 彎曲疲勞極限 由圖12.23C 彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表12.15，估計(jì)<,則指數(shù)取49.91 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 彎曲壽命系數(shù) 由圖12.24 尺寸系數(shù) 由圖12.25 許用彎曲應(yīng)力 = = < < 傳動(dòng)無(wú)過(guò)載，不須作靜強(qiáng)度校核。2.6主軸組件設(shè)計(jì)主軸組件基本要求主軸組件是機(jī)床主要部件之一。它的性能對(duì)整機(jī)的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范

20、圍又很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求： 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部件的定心表面（如該次設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床主軸軸端的定心短錐采用7：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體、孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。 剛度 主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動(dòng)件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此對(duì)其主軸組件的剛

21、度應(yīng)提出更高的要求。 溫升 將引起熱變形使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，對(duì)高精度機(jī)床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。 可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。精度保持性 對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。 主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算：1初選主軸直徑：主軸直徑直接影響主軸部件的剛度，直徑越粗，剛度越高，但同時(shí)與之相配的軸承等零件的尺寸也越大。故設(shè)計(jì)之初，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料選擇主軸直徑。查閱資料初選主軸前軸頸直徑=45mm，后軸直徑=30mm。主軸內(nèi)孔用來(lái)通過(guò)棒料，

22、用于通過(guò)刀具夾緊裝置固定刀具以及傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等。主軸孔徑越大，可通過(guò)的棒料直徑就越大，機(jī)床的使用范圍就越寬，同時(shí)主軸部件也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度的制約。當(dāng)主軸的孔徑與主軸直徑之比小于0.3時(shí)，空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸的剛度相當(dāng)；為0.5時(shí)，空心主軸的剛度為實(shí)心主軸剛度的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度急劇下降。主軸內(nèi)孔直徑選20mm，計(jì)算。計(jì)算的=0.7，對(duì)剛度影響不大。2 主軸懸伸量的確定：主軸懸伸量是指主軸前支撐徑向支反力的作用點(diǎn)到主軸前端面之間的距離，它對(duì)主軸組件剛度影響較大，根據(jù)分析和試驗(yàn)，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下

23、，盡量縮短懸伸量a。初選懸伸量a=41mm。3 主軸跨距及總長(zhǎng)的確定：合理布置各個(gè)零件的配合，確定主軸的跨距為266.5mm，主軸總長(zhǎng)314.5m。4 主軸材料選用主軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)2228HRC，局部高頻淬硬5055HRC。5 主軸強(qiáng)度的校核：計(jì)算齒輪受力齒輪轉(zhuǎn)速 所受轉(zhuǎn)矩 4200所受圓周力 所受徑向力 所受法向力 畫(huà)出主軸受力圖如圖2-3： 圖2-3 主軸受力圖計(jì)算支撐反力： 水平面反力 垂直面反力 水平面受力圖如圖2-4：圖2-4 主軸水平面受力圖垂直面受力圖如圖2-5：圖2-5 主軸垂直面受力圖畫(huà)軸的彎矩圖： 水平面彎矩圖如圖2-6： 圖2-6 主軸水平面彎矩圖垂直面彎矩圖如圖2-

24、7： 圖2-7 主軸垂直面彎矩圖合成彎矩圖如圖2-8： 圖2-8 主軸合成彎矩圖畫(huà)軸的轉(zhuǎn)矩圖受轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩圖如圖2-9： 圖2-9 主軸轉(zhuǎn)矩圖如圖許用應(yīng)力許用應(yīng)力值 用插入法由表16.3查的 校核軸徑軸徑 <35mm主軸的強(qiáng)度符合要求。主軸組件的組成和軸承選型1主軸組件 包括主軸、軸承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件。主軸組件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸端部是標(biāo)準(zhǔn)的；傳動(dòng)件如齒輪、帶輪等與一般機(jī)械零件相同。因此，研究主軸組件，主要是研究主軸的支撐部分。2主軸的傳動(dòng)件 可以位于前后支撐之間，也可位于后支撐之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來(lái)越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)。

25、主軸組件（稱為主軸單元）和 變速箱還可以作成獨(dú)立的功能部件，又有專門(mén)的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸可用齒輪副或帶傳動(dòng)聯(lián)結(jié)。主軸支撐分徑向和軸向。角接觸球軸承兼起徑向和推力支撐的作用。推力支撐應(yīng)位于前支撐內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)支推力支撐之間的距離。3 主軸組件的動(dòng)態(tài)特性 平移，主軸作為一個(gè)剛體（實(shí)際上略有彎曲），在彈性支撐上作平移振動(dòng)，主軸各點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。2搖擺，主軸在彈性支座上搖擺，左右振動(dòng)方向相反。3彎曲，主軸本身作彎曲振動(dòng)，主軸中間與兩端的振動(dòng)方向相反，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于支撐點(diǎn)附近。每個(gè)振

26、型都有其固有頻率。每個(gè)振型固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個(gè)振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個(gè)振型分別為第一、二、三振型，振型和固有頻率合成為模態(tài)?？梢钥闯?，第一、二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時(shí)，第一、二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多。主軸是一個(gè)連續(xù)體，又無(wú)窮個(gè)模態(tài)。例如還有主軸的扭矩振動(dòng)、縱向振動(dòng)等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作是不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算。通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)

27、量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施。（1）使主軸組件的固有頻率避開(kāi)激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動(dòng)的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。（2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗震性影響很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過(guò)大的預(yù)緊反而使阻尼減小，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置4主軸軸

28、承 選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)面都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對(duì)背與面對(duì)面相比，支撐點(diǎn)（接觸線的交點(diǎn)）間距離前者比后者大，因而能產(chǎn)生一個(gè)較大的抗彎力矩，即支撐剛度較大。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過(guò)盈加大。軸向膨脹對(duì)背靠背組配將使過(guò)盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過(guò)盈進(jìn)一步加大，本車(chē)床是微型數(shù)控車(chē)床載荷不是很大

29、，因此采用一個(gè)角接觸球軸承即可?；谏鲜龇治觯拒?chē)床主軸前端軸頸部軸承選用1個(gè)角接觸球軸承型號(hào)為7009C，后軸頸軸承采用1個(gè)角接觸球軸承型號(hào)為7006C。5角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承還應(yīng)在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支撐主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)

30、，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支撐，可以提高抗震性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。 角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡(jiǎn)稱預(yù)緊力F，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級(jí)預(yù)緊。定貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨取。裝配時(shí)擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊。 6承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。除了這些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒(méi)有問(wèn)題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通

31、常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí)，這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。7主軸軸承的潤(rùn)滑和密封 滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸：潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一個(gè)厚度的油膜，把兩者隔開(kāi)，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、

32、切削液等進(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次沖填可用到大修，不許補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。主軸的密封有接觸式和非接觸式兩種。圖2-10非接觸式密封幾種非接觸密封的形式如圖2-10所示。圖2-10a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封，在軸承蓋的孔內(nèi)開(kāi)槽是為了提高密封效果；這種密封用于工作環(huán)境比較清潔的油脂潤(rùn)滑處。圖2-10b)是在螺母的外圓上開(kāi)鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力把油沿斜面甩到端蓋的空腔內(nèi)，油液再流回箱內(nèi)。圖2-10c)是迷宮式密封的結(jié)構(gòu)，在切屑多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果；這種結(jié)構(gòu)適用于油脂或油液潤(rùn)滑的密封。接觸式密封主要

33、有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封兩種。2.6.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算1初選傳動(dòng)軸直徑：傳動(dòng)軸直徑越粗，剛度越高，但同時(shí)與之相配的軸承等零件的尺寸也越大。根據(jù)齒輪內(nèi)徑及相配合軸承的內(nèi)徑大小，初選傳動(dòng)軸前軸頸=10mm，后軸直徑=15mm。2傳動(dòng)軸懸伸量的確定：傳動(dòng)軸軸懸伸量是指?jìng)鲃?dòng)軸前支撐徑向支反力的作用點(diǎn)到傳動(dòng)軸前端面之間的距離，它對(duì)傳動(dòng)軸組件剛度影響較大，根據(jù)分析和試驗(yàn)，縮短懸伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的條件下，盡量縮短懸伸量a。初選傳動(dòng)軸懸伸量a=28.5mm。3傳動(dòng)軸跨距及總長(zhǎng)的確定：合理布置各個(gè)零件的配合，確定傳動(dòng)軸的跨距為242mm，主軸總長(zhǎng)276.5m。4傳

34、動(dòng)軸材料選用傳動(dòng)軸選用45鋼，調(diào)質(zhì)2228HRC，局部高頻淬硬5055HRC。5傳動(dòng)軸強(qiáng)度的校核：傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 所受轉(zhuǎn)矩 955電機(jī)給傳動(dòng)軸的力 計(jì)算齒輪受力所受圓周力 所受徑向力 所受法向力 畫(huà)出傳動(dòng)軸受力圖2-11： 圖2-11 傳動(dòng)軸受力圖計(jì)算支撐反力： 水平面反力 垂直面反力 水平面受力圖如圖2-12： 圖2-12 傳動(dòng)軸水平面受力圖垂直面受力圖如圖2-13： 圖2-13 傳動(dòng)軸垂直面受力圖畫(huà)軸的彎矩圖： 水平面彎矩圖如圖2-14： 圖2-14 傳動(dòng)軸水平面彎矩圖垂直面彎矩圖如圖2-15： 圖2-15 傳動(dòng)軸垂直面彎矩圖合成彎矩圖如圖2-16： 圖2-16 傳動(dòng)軸合成彎矩圖畫(huà)軸的轉(zhuǎn)矩圖受

35、轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩圖如圖2-17： 圖2-17 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩圖許用應(yīng)力許用應(yīng)力值 用插入法由表16.3查的 校核軸徑軸徑 <10mm傳動(dòng)軸的強(qiáng)度符合要求。傳動(dòng)軸的組件設(shè)計(jì)：傳動(dòng)軸組件，包括傳動(dòng)軸、軸承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件。傳動(dòng)件如齒輪、帶輪及離合器等。1離合器的選用 結(jié)合本數(shù)控車(chē)床輕小、靈便等特點(diǎn)，選用摩擦片式電磁離合器，根據(jù)傳動(dòng)軸的直徑選用DLM5型濕式多摩擦式電磁離合器，內(nèi)孔直徑2傳動(dòng)軸的傳動(dòng)件 由于采用兩個(gè)電磁離合器調(diào)節(jié)齒輪之間的傳動(dòng)，因此齒輪內(nèi)徑與傳動(dòng)軸并不直接接觸，傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳給電磁離合器，電磁離合器再將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給齒輪。通過(guò)調(diào)節(jié)電磁離合器的通電狀態(tài)，即可變換傳動(dòng)副之間的嚙合狀態(tài)，齒輪

36、內(nèi)徑通過(guò)軸承間接與傳動(dòng)軸相連，由于齒輪齒寬較寬，因此一級(jí)減速齒輪的內(nèi)徑采用兩個(gè)角接觸球軸承與傳動(dòng)軸相連，內(nèi)圈軸承采用彈性軸套進(jìn)行定位。3傳動(dòng)軸軸承 選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，本車(chē)床傳動(dòng)軸前端軸頸部軸承選用1個(gè)角接觸球軸承型號(hào)為7200C，后軸頸軸承采用1個(gè)角接觸球軸承型號(hào)為7002C。4傳動(dòng)軸軸承的密封及潤(rùn)滑 滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次沖填可用到大修，不許補(bǔ)充，也不要加脂孔

37、。脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。密封采用接觸式密封，氈圈密封。第三章 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1概述數(shù)控車(chē)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，尤其是輪廓控制的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，必須對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)的速度兩個(gè)方面同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，與普通機(jī)床相比，要求其進(jìn)給系統(tǒng)有較高的定位精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。一個(gè)典型數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，通常由位置比較放大單元、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置及檢測(cè)反饋元件等幾部分組成。這里所說(shuō)的機(jī)械傳動(dòng)裝置是指將驅(qū)動(dòng)源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括減速裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)變移動(dòng)的絲杠螺母副及導(dǎo)向元件等等。為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和工作的穩(wěn)定

38、性，對(duì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)總的要求是消除間隙，減少摩擦，減少運(yùn)動(dòng)慣量，提高傳動(dòng)精度和剛度。另外，進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載變化較大，響應(yīng)特性要求很高，故對(duì)剛度、慣量匹配都有很高的要求。為了滿足上述要求，數(shù)控機(jī)床一般采用低摩擦的傳動(dòng)副，如減摩滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌及靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠等；保證傳動(dòng)元件的加工精度，采用合理的預(yù)緊、合理的支承形式以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度；選用最佳降速比，以提高機(jī)床的分辨率，并使系統(tǒng)折算到驅(qū)動(dòng)軸上的慣量減少；盡量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差，提高位移精度等。3.2電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接數(shù)控車(chē)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)對(duì)位置精度、快速響應(yīng)特性、調(diào)速范圍等有較高的要求。實(shí)現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主要有三種：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服

39、電機(jī)和交流伺服電機(jī)。目前，步進(jìn)電機(jī)只適應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，直流伺服電機(jī)在我國(guó)正廣泛使用，交流伺服電機(jī)作為比較理想的驅(qū)動(dòng)元件已成為發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)當(dāng)采用不同的驅(qū)動(dòng)元件時(shí)，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)可能會(huì)有所不同。電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式，如圖3-1所示。3.2.1帶有齒輪傳動(dòng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 數(shù)控車(chē)床在機(jī)械進(jìn)給裝置中一般采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比要求，如圖3-1a）所示。由于齒輪在制造中不可能達(dá)到理想齒面要求，總存在著一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會(huì)造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向失動(dòng)量，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，齒側(cè)間隙會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用消除措施來(lái)盡量減小齒輪側(cè)隙。但這種聯(lián)接形式

40、的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖3-1 電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接形式3.2.2經(jīng)同步帶輪傳動(dòng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 如圖3-1b）所示，這種聯(lián)接形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場(chǎng)所。安裝時(shí)中心距要求嚴(yán)格，且同步帶與帶輪的制造工藝復(fù)雜。3.2.3電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接 如圖3-1c）所示，此結(jié)構(gòu)通常是電機(jī)軸與絲杠之間采用錐環(huán)無(wú)鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，并大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。在加工中心和精度較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，普遍采用這種聯(lián)接形式。由于本機(jī)床加工的工件為代木、石臘等材料，所需的切削力矩較小，因此絲杠與電機(jī)之間沒(méi)有減速裝置。3.3滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動(dòng)裝置，在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，以減少摩擦。3.3.1滾珠絲杠螺母副工作原理 滾珠絲杠螺母副工作原理，如圖3-2所示。圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們對(duì)合起來(lái)就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)