立式鉆削中心的機械結(jié)構(gòu)設計畢業(yè)設計

1、立式鉆削中心的機械結(jié)構(gòu)設計第1章緒論數(shù)控機床的概念數(shù)字控制是利用數(shù)字化信息對機械運動以及加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控(Numerical Control, NC).數(shù)控機床是指采用了數(shù)控技術(shù)控制的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，也可稱作NC機床。由于現(xiàn)在數(shù) 控系統(tǒng)是通過計算機進行控制的，因此，數(shù)控機床又稱CNCM床。數(shù)控機床的組成數(shù)控機床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、程序載體、輸入輸出裝置、強電 控制裝置、輔助裝置、和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信 息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。數(shù)控技術(shù)發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢我國的機床制造工業(yè)完全是在解放后建立

2、起來的，現(xiàn)在，我國的機床工 業(yè)已經(jīng)從無到有，從小到大的成長起來了，形成了比較完整的機床體系。目 前我國的機床產(chǎn)量不斷的上升，完全的可以滿足社會的需求，并有大量的機 床出口，但是我國的機床技術(shù)水平和世界現(xiàn)進的水平還有一定的差距，主要 表現(xiàn)在生產(chǎn)率低，壽命短和質(zhì)量不穩(wěn)定，此外在掌握某些重型機床，精度高 的機床及數(shù)控機床方面，還需要進一步的努力，我國想達到發(fā)達的水平就必 須發(fā)奮圖強，努力的工作，還需做進一步的努力，深入廣泛的開展科學的研 究技術(shù)的革命，要善于吸取國外的先進技術(shù)，并和自己的創(chuàng)新結(jié)合起來，以 加快我們的發(fā)展速度，把我國的機床事業(yè)推向輝煌。隨著電子技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應用越來

3、越廣泛。大地 推動了數(shù)控機床的發(fā)展，但是結(jié)合我國的國情普遍機床仍占有很突出的地位,word文檔可自由復制編輯 普通車床的萬能性大，它適用加工各種軸類，套筒類和盤類零件上的回轉(zhuǎn)面， 如外圓柱面，圓錐面，環(huán)槽類及成型回轉(zhuǎn)表面；車削端面及加工各類常用的 公制，英制，模數(shù)制和節(jié)制螺紋；在普通車床上還能作鉆孔，擴孔，較孔， 滾花等工作。用處很廣，考慮到我國的勞動力眾多，和一些企業(yè)的資金和技 術(shù)能力普通機床還是很有市場的，普通機床按照它們的萬能程度分為(1)專門化機床，這類機床重要用于加工不同尺寸的一類或幾類零件的 特定工序。(2)通用機床，這種機床的加工范圍廣， 在這種機床上可以加工各種零 件的不同工序

4、，例如普通車床，臥式車床，萬能升降臺銃床等，都屬于通用 機床，通用機床由于萬能性較大，它的結(jié)構(gòu)往往比較復雜，通用機床主要適 用于單量小批生產(chǎn)。(3)專用機床，這類機床是加工某一種零件的特定工序，例如：加工汽車后橋蓋的組合鎮(zhèn)床，機床主軸箱專用鏈床等等，都是專用機床，專用機床 是根據(jù)工藝要求專門設計的，它的生產(chǎn)率比較高，機床的自動化的程度往往 也比較高，所以專用機床主要用于成批及大量生產(chǎn)1-3。數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著它的發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些 重要行業(yè)(IT、汽車、輕工等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行 業(yè)所需

5、裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當前世界上數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展呈 現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：(1) 高速度高精度化速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)地兩個重要技術(shù)指標，它直接關(guān)系到加工效率和 產(chǎn)品質(zhì)量。對于數(shù)控系統(tǒng)，高速度化，首先是要求計算機數(shù)控系統(tǒng)在讀入加 工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計算出伺服電機的位移量，并要求伺服電機 高速度的作出反應；其次，要是下生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度化，必須使主軸轉(zhuǎn)速、 進給率、刀具交換、托盤交換等各種關(guān)鍵部件實現(xiàn)高速度化。提高數(shù)控機床的加工精度，一般是通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用補償技術(shù)來達到。在減少數(shù)控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：。 1提高數(shù)控系 統(tǒng)的分辨率，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給；。 2

6、提高位置檢測精度；。3位置伺 服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制。 在采用補償技術(shù)方面，除采用間隙補償、word文檔可自由復制編輯絲杠螺距補償和刀具補償?shù)燃夹g(shù)外，還可以采用熱變形補償技術(shù)4(2)多功能化4一機多能的數(shù)控系統(tǒng)，可以最大限度的提高設備的利用率。數(shù)控加工中 心(Machining Center-MC )便是一種能實現(xiàn)多工序加工的數(shù)控機床。這類數(shù) 控系統(tǒng)控制的機床，一般配有機械手和刀具庫(可存放16100把刀具)。工件一經(jīng)裝夾，數(shù)控系統(tǒng)就能控制機床自動的更換刀具，連續(xù)對工件的各個加 工面完成銃削、較孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工，從而可以避免多次裝夾 所造成的定位誤差。這樣減少了設備臺數(shù)、工

7、件夾具和操作人員，節(jié)省了占 地面積和輔助時間。為了提高效率，新型數(shù)控機床在控制系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)上 也有所改革。例如，采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式(車、鉆、 銃、攻螺紋等)同事加工零件的不同部件等?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)多達15軸，同事聯(lián)動的軸數(shù)已達到 6軸。(3)智能化數(shù)控系統(tǒng)應用高技術(shù)的重要目標是這能化。智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下 幾個方面：(a)引進自適應控制技術(shù)引進自適應控制技術(shù)(Adaptive Control-AC )的目的是要求在隨機的加 工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所測得的工作特征、狀態(tài)，按照給定的 評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，以達到或接近最佳的工作狀態(tài)。通常數(shù) 控

8、機床是按照預先編好的程序進行控制，但隨機因素，如毛坯余量和硬度的 不均勻、刀具的磨損等難以預測。為了確保質(zhì)量，勢必在編程時采用較保守 的切削用量，從而降低了加工效率。AC系統(tǒng)可對機床主軸轉(zhuǎn)矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進行自動測量，并由CPU進行比較運算后發(fā)出修改主軸轉(zhuǎn)速和進給量大小的信號，確保AC處于最佳切削用量狀態(tài)，從而在保證質(zhì)量條件下使加工成本最低或生產(chǎn)率最高冏。(b)附加人機械化自動編程功能建立切削用量專家系統(tǒng)和示數(shù)系統(tǒng)，從而達到提高編程效率和降低對編 程人員技術(shù)水平的要求。(c)具有設備故障診斷功能數(shù)控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的word文檔可自

9、由復制編輯 措施，以適應長時間無人操作環(huán)境的要求。(4)小型化蓬勃發(fā)展的機電一體化設備，對CNC系統(tǒng)提出了小型化的要求，體積小型化便于將機、電裝置糅合為一體。日本新開發(fā)的FS16和FS18都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高精度的安裝，縮小了新型 TFT彩色液晶 薄型顯示器，使 CNC系統(tǒng)進一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機械 設備上7。設計的目的與意義在機床加工中鉆床的加工工作量在總制造工作量中占有很大的比量。鉆 床為孔加工機床，按其機構(gòu)形式不同可以分為搖臂鉆床、立式鉆床、臥式鉆 床、深孔鉆床、多軸鉆床等。主要用來進行鉆孔、擴孔、較孔、攻絲等。長 期以來我國的機械制造工業(yè)中孔類加工多

10、數(shù)由傳統(tǒng)鉆床來完成，但是傳統(tǒng)的 鉆床在大批生產(chǎn)時存在許多的不足之處：(1)自動化程度不高，難以進行大批量生產(chǎn)；(2)工作效率低，且工人的工作環(huán)境惡劣；(3)占用人力較多，操作固定不交易出錯；(4)精度不高，工件裝夾費時；(5)加工產(chǎn)品質(zhì)量不高。再生產(chǎn)過程中，手動的操作、繁瑣的裝夾、大量生產(chǎn)力的投入和單一的 生產(chǎn)流程導致了鉆床加工的自動化程度低、生產(chǎn)效率低、共作環(huán)境惡劣和產(chǎn) 品質(zhì)量不高，因此，我們需要解決的問題在于如何實現(xiàn)鉆削加工的自動化、 減少生產(chǎn)力的投入生產(chǎn)和與其他工藝流程相結(jié)合同時也要考慮經(jīng)濟問題針對以上傳統(tǒng)鉆床的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，我們有必要在傳統(tǒng) 鉆床的基礎上研究出新型數(shù)控鉆床

11、一一立式鉆銷中心。通過對傳統(tǒng)鉆床手動 的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，假如新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品 質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。鉆銷中心具有自動換刀功能，可減少工件在機床上的兩次安裝，提高加 工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動強度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成 本。鉆銷中心適用于機械制造各行業(yè)中的中小型零件的孔、平面加工，并可word文檔可自由復制編輯加工平面凸輪第2章 總體設計方案的確定2.1設計方案本設計從角度入手，主要對主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設計，通過分析，確定出 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下三部分，并對其提出設計方案，方案如下：.傳動系統(tǒng)主軸的調(diào)速取消了齒輪變速機構(gòu)，而是由

12、交流電動機來實現(xiàn)，且主軸與 電機軸之間采用帶傳動。主軸上的傳動件，主要有齒輪和帶。齒輪能夠傳遞 較大的轉(zhuǎn)矩，是一般機床常用的傳動副。但其線速度不能太高，傳動也不夠 平穩(wěn)。對于較高速主軸，用帶傳動可以使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。本次設計采用多楔帶傳 動。多楔帶兼有V平帶和V帶的優(yōu)點：柔性好，摩擦力大，能傳遞的功率大， 并解決了多根V帶長短不一使各帶受力不均的問題。多楔帶主要用于傳遞功 率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場合， 傳動比可達10,帶速可達40m/s.本次設計最 高轉(zhuǎn)速為3000r/min,為較高速的傳動，故選擇多楔帶傳動合適 9。主軸上的傳動件，主要由齒輪和帶。齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一股機 床常用的傳動副。缺

13、點是線速度不能太高，傳動也不夠平穩(wěn)。通常，線速度 V30m/s時，可用橡膠或皮革平帶；v35m/s時，可用絲(天然絲、滌綸絲)織呆由于本設計為較高速主軸，線速度 v0 30m/s,故選用多楔角運動10o.主軸進給系統(tǒng)傳統(tǒng)的鉆床主軸進給系統(tǒng)主要由主軸、主軸套筒、主軸套筒箱套、齒輪 齒條和軸承等組成。主軸在加工時即要做旋轉(zhuǎn)運動， 也要做軸向的進給運動。 機床的主軸被安裝在主軸的套筒內(nèi)，套筒安置在主軸箱體孔的箱套內(nèi)，主軸 上側(cè)由花鍵連接。機床加工時，旋轉(zhuǎn)運動由花鍵傳入，而進給運動則有齒輪 通過齒條帶動套筒在箱套內(nèi)運動。本設計中采用了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán) 系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度略低，但是其結(jié)構(gòu)簡

14、單而且調(diào)整方便。.夾緊系統(tǒng)傳統(tǒng)鉆床的夾緊主要是手工操作，由夾具夾緊工件。為了便于實現(xiàn)自動 化控制，主軸內(nèi)部刀具的自動加緊，則采用了碟形彈簧與氣壓傳動技術(shù)。2.2 方案的可行性分析鉆銷中心的設計特點采用本文提出的設計方案，所設計出的鉆銷中心具有如下特點：(1)自動化程度較高鉆銷中心不僅具有一般數(shù)控鉆床的自動加工功能，而且裝有轉(zhuǎn)塔式刀庫，可以自動更換刀具，進行多工序加工。由于采用word文檔可自由復制編輯 了半閉環(huán)、連續(xù)輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)，可進行輪廓控制的銃削工序。當配有 工業(yè)機器人時，尚可自動裝卸工件，實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。(2)加工效率高為了適應各種材料、各種尺寸的零件加工，采用了寬調(diào)速電機，使主軸

15、調(diào)速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可達3000r/min。適合進行高速切削， 以減少加工時的切削時間。 機床快速定位速度也較高， 工作臺X向和Y向快 速進給速度可達15r/min .主軸箱垂直上下(Z向)快速進給速度可達10r/min. 自動換刀時間一般為5s,可縮短加工的輔助時間，提高生產(chǎn)率。(3)維修方便 在主機上沒有齒輪傳動、沒有液壓傳動，應用了高壽命 的直線滾動導軌及滾珠絲杠螺母副，是日常維修大大簡單化，維修方便。使用此中機電一體化設備，可減少工件在機床建的兩次安裝，提高加工 精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者勞動強度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本 11c本設計的創(chuàng)新之處軸承配置為適應高崗度要求，前、后支撐

16、都采用了圓錐滾子軸承，背靠背安裝， 前面兩個軸承大口朝向主軸前端，后一個軸承大口朝向主軸尾端。自動夾緊機構(gòu)由機械傳動改為氣壓傳動氣壓傳動與機械傳動相比具有動作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護簡單，不存在 介質(zhì)變質(zhì)以及補充等問題。氣壓傳動以空氣為工作介質(zhì)，綠色環(huán)保。氣動元 件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命長，易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化12word文檔可自由復制編輯第3章鉆削中心主軸部件結(jié)構(gòu)設計主軸的結(jié)構(gòu)設計主軸的基本尺寸參數(shù)的確定.主軸平均直徑主軸前支承軸徑D1 ,根據(jù)機床主電動機功率來確定。已知鉆削中心主電 動機功率為 5.5kW 0查實用機床設計手冊圖 3-30,選取前支承軸徑 D =80mm,后支承軸徑

17、D2 = 70mm。主軸當前平均直徑 D = D1 皿 =75mm。.主軸內(nèi)孔直徑2主軸的內(nèi)孔直徑用于通過刀具夾緊裝置固定刀具、傳動氣動或液壓卡盤等。主軸內(nèi)孔直徑越大，主軸部件相對重量也越輕。主軸孔徑大小主要受主軸剛度制約。主軸孔徑與主軸直徑之比，小于0.5是空心主軸的剛度幾乎與實心主軸剛度相當。考慮碟形彈簧的設計取d=25.4mm校核壁厚d/D = 25. 4/75 0.斫以，d 取 25.4mm合適。.主軸前端懸伸量的選擇主軸懸伸量是指主軸前支承徑向反力作用點到主軸前端受力作用點之 間的距離，見圖 2-1。無論從理論分析還是從實際測試的結(jié)果來看，主軸懸 伸量a值愈小愈能提高主軸部件的剛度。

18、因此，確定主軸懸伸量a的原則是在 滿足機構(gòu)要求的前提下，盡可能取小值。查實用機床設計手冊表3-8。a/D1 =1.5a =1.5 80 = 120mm實際取a =96mm。.主軸合理跨距的選擇主軸前支承點至主軸后支承點之間的距離稱為跨距l(xiāng) ,見圖3-1。圖3-1主軸支承跨距及懸伸量word文檔可自由復制編輯主軸組件的支承跨距對主軸本身剛度和對支承剛度有很大的影響。根據(jù)數(shù)控加工中心設計所介紹如下經(jīng)驗公式(3-1)D4 -d4(3-1)K =5303l3式中 K剛度值，其下限值250N/叩，精密機床K值為500N/叩；D主軸平均外徑，單位 mm；d一主軸平均內(nèi)徑，即中空主軸平均內(nèi)徑，單位 mm；l

19、一l一主軸軸承支承跨距，單位mm。_ 44則有:l 3530 D -d則有:計算得：l = 320.98mm ,考慮到實際結(jié)構(gòu)，取l = 350mm 。主軸端部結(jié)構(gòu)加工中心主軸的軸端用于安裝夾具和刀具。要求夾具和刀具在軸端定位 精度高、定位剛度高、裝卸方便，同時使主軸的懸伸長度短。短錐法蘭結(jié)構(gòu) 有很高的定位精度，主軸的懸伸長度短，大大提高了主軸的剛度。查機床 設計手冊卷3表6.1-36,查得主軸端部結(jié)構(gòu)以及主要尺寸如表 3-1:表3-1主軸端部結(jié)構(gòu)尺寸Did2d1LD21i69.85mm39.6mm27mm147mm128.57mm25mm主軸端部有四個螺紋孔是用來裝端銃刀的，另外有兩個端面鍵

20、是用來固word文檔可自由復制編輯定刀的周向的轉(zhuǎn)動，具體結(jié)構(gòu)如圖3-215圖3-2主軸端部結(jié)構(gòu)主軸刀具自動夾緊機構(gòu)主軸內(nèi)部刀具自動夾緊機構(gòu)是加工中心必不可少的機構(gòu)。加工中心自動 換刀，所以，主軸系統(tǒng)應具備自動松開和夾緊刀具的功能。刀具自動夾緊機 構(gòu)安裝在主軸內(nèi)部，本設計采用如圖 3-3所示的刀桿拉緊機構(gòu)。1.刀柄 2.鋼球 3.拉桿圖3-3刀桿拉緊機構(gòu)word文檔可自由復制編輯1.鋼球2.拉桿3.碟形彈簧 4.滑塊5.螺母6.汽缸7.活塞桿8.行程開關(guān)圖3-4刀具自動夾緊機構(gòu)示意圖刀具自動夾緊機構(gòu)安裝在主軸的內(nèi)部，如圖3-4所示，刀柄由兩個鋼球夾持，碟形彈簧3通過滑塊4、螺母5,在拉桿2上的鋼

21、球1作用下，將刀柄 拉緊。當換刀時，要求松開刀柄，此時將主軸上端汽缸的上腔通壓縮空氣， 活塞桿7及拉桿向下移動，同時壓縮碟形彈簧，當拉桿下移到使刀具松開的 位置，刀具即可由機械手更換。待新刀裝入后，汽缸上腔停止供氣，活塞桿 在圓柱螺旋彈簧力的作用下上移，在碟形彈簧作用下拉桿帶動鋼球上移，重 新將刀柄拉緊。活塞桿移動的兩個極限位置分別設有行程開關(guān)8,作為刀具夾緊和松開的信號。word文檔可自由復制編輯3.1.4主軸的驗算.主軸剛度驗算(1)計算當量直徑小 卷1.3%*二6 W 不J丸 出oh 丸圖3-5主軸尺寸示意圖主軸尺寸示意圖，如圖 3-5所示；其中 11 =25mm,l2 =192mm,l

22、3 = 172mm|4 = 166mmd1 =128.5mm,d2 =80mm,d3 =76mm,d4 = 70mm當量直徑 d =d111d212 d313 d414 11 =11 I2 I3 14 = 555mm由此計算可得：,128.5 25 80 192 76 172 70 166d 二二77.954mm ： 78mm555(2)剛度計算主軸前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計。后懸伸部分不影響剛度，也可不計。如主軸前端作用一外載荷F ,則主軸前端撓度y為:(3-2)Fa 1 y 二(3-2)3EI式中 F-外載荷，單位N；word文檔可自由復制編輯a-前懸伸，等于外載荷作用點

23、至支承點間的距離，單位 mm；l-跨距，等于前后支撐點間的距離，單位 mm；E一彈性模量，鋼為E =2乂105，單位MPa;I 一 截面慣性矩，I =0.05(d4 -di4 單位：mmd,d. 主軸的外徑和孔徑，單位 mm。 LLU6 1門 I 1 I1I |/ F衣7產(chǎn)少w圖3-6主軸受力示意圖將E及I之值代入上式可得Fa2ly 一 30d4 -d：如果di 0.5d ,則孔的影響可以忽略，即Fa2ly =-7 叩30d彎曲剛度KyKy =F Ky =F y30（d4 -d）a2l所以，當di E0.5d時，則kyky30d4a2l本設計：d = 77.954mm,d. = 25.4mm,

24、 a = 96mm,l = 350mm ；word文檔可自由復制編輯di 0.5d ,所以2.30d4K2.30d4Ky -2,a l主軸扭轉(zhuǎn)剛度驗算30 77.9544962 350=343.45 N/ m m對鉆床等以扭轉(zhuǎn)變形為主的主軸，還要驗算其扭轉(zhuǎn)剛度。通常要求其扭 轉(zhuǎn)角邛在（2025） D的長度內(nèi)不超過1,即：(3-3)TL18L 1(3-3)GIr 二式中T一主軸傳遞最大扭矩，單位 N cm ;P5.5T =9549 (N m) =954900 867.4N cmn6000L一計算長度，取 25D ,單位cm。D定7.8cm ；L =25x7.8 = 195cm ；G剪切彈性模量，

25、鋼料為 8.1 M106N/cm4;Ir一截面極慣性矩，對于圓截面 Ir=0.1D4,單位為cm4;D 一主軸當量直徑, 代入上式得：D 一主軸當量直徑, 代入上式得：D 電7.8cm o甲=867.37父195父180=3 2-10- 18.1 106 370.15 3.14故滿足扭轉(zhuǎn)剛度的要求。3.主軸臨界轉(zhuǎn)速驗算查機械設計手冊單行本軸及其連接表 5-1-47: 一階臨界轉(zhuǎn)速ni 的計算公式如3-4式，計算示意圖如圖 3-7。ncr1 二(3-4)9.52 104 H2ncr1 二(3-4)l31k G2 Io - Cj 13word文檔可自由復制編輯式中Gj一外伸端第j個圓盤重力，N；本

26、設計中，外伸端圓盤為帶輪，其重力估算如下：_3229G =7.85 10 二 100 -7030 9.81 10-37NW一 軸的重力，N ；對實心鋼軸， W0 =60.5M10d2l ;對空心鋼軸應乘以(1 -a2 )0本軸為空心軸，由前面計算知： d = 77.954mm, l = 555mm 貝有：W0 =60.5 父10%77.9542M555M(1-1 )=182.57N ;25 4a 一 空心軸內(nèi)徑d0與外徑d之比，a= =0.326;77.954l - 軸的全長，l=555mm；I0 支撐跨距，l= 350mm；Cj一 外伸端第j個圓盤至支承間的距離，mm; G= 70mm;%

27、臨界系數(shù)七下2 一外伸端長度與軸長之比，,96,109為=0.17, 2 =0.20 ;555555當收=0.17,匕=0.20時，查機械設計手冊單行本軸及其聯(lián)接表5-1-49, l 1 = 21.89。word文檔可自由復制編輯圖3-7臨界轉(zhuǎn)速計算示意圖將以上數(shù)據(jù)代入（3-1）式可得：ncr1 =3695224r/min, , n=3000r/min ,對 于剛性軸n ：0.75ncr1 = 2771643r / minn=3000r/min 0.75%.1,滿足臨界轉(zhuǎn)速條件。3.1.5主軸材料和熱處理的選擇評價和考慮主軸主要尺寸參數(shù)的依據(jù)是主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸 組件的工藝適用范圍。

28、主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點、耐磨性、 熱處理變形大小等因素確定。主軸的剛度與材料彈性模量 E有關(guān)，鋼的E值 較大（2.1M107N/cm2左右）,所以主軸材料首先考慮鋼料。值得注意的是鋼的彈性模量E的數(shù)值與鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼（如 45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密機床主軸需要減小 熱處理后的變形時，或者軸向移動的主軸需要保證其耐磨性時，才考慮選用 合金鋼。當主軸軸承采用滾動軸承時，軸頸可以不淬硬，但為了提高接觸剛 度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面， 不少45鋼主軸軸頸仍進行高

29、頻淬火（48 54HRC）網(wǎng)。當采用滑動軸承時，為減少磨損，軸頸表面必須有很高的硬度。因此，通常在軸頸處進行高頻淬火；對大直徑主軸（350400mm）也可word文檔可自由復制編輯用火焰淬火來提高表面硬度；對于受較大沖擊的主軸，可用 15或20號鋼， 并在軸頸表面滲碳、淬火及回火。主軸材料常采用的有45號鋼、GCr15等,需經(jīng)滲氮和感應加熱淬火。由于本次設計主軸承受載荷為中重載荷，所以材料選用45號鋼，進行調(diào)質(zhì)處理。3.2主軸傳動部件的設計傳動方式的選擇主軸上的傳動件，主要有齒輪和帶。齒輪能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，是一股機 床常用的傳動副。缺點是線速度不能太高，傳動也不夠平穩(wěn)。通常，線速度 V 12-

30、15m/so為使主軸運行平穩(wěn)，可采用斜齒輪。螺旋傾角一般不宜超過 15-20,以免引起有太大的軸向分力。主軸上盡量不要有滑移齒輪或其它 活裝零件（如離合器），以免因軸頸與活裝零件孔間有間隙而引起振動。齒輪與主軸最好用圓錐配合。較高速的主軸，用帶傳動可使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在帶傳動中，常用的有平帶傳 動、V帶傳動、多楔帶傳動和同步帶傳動等。平帶傳動結(jié)構(gòu)最簡單，帶輪也 容易制造，在傳動中心距較大的情況下應用較多。常用的平帶有帆布芯平帶、編織平帶（棉織、毛織和縫合棉布帶）、錦綸片復合平帶等數(shù)種。其中以帆布 芯平帶應用最廣，它的規(guī)格可查閱國家標準或手冊。在一般機械傳動中，應 用最廣泛的是V帶傳動。V帶的橫截面呈

31、等腰梯形，帶輪上也做出相應的輪 槽。傳動時，V帶只和輪槽的兩個側(cè)面接觸，即以兩側(cè)面為工作面。根據(jù)槽 面摩擦的原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力，這是V帶傳動性能上的最主要優(yōu)點。 再加上V帶傳動允許的傳動比較大， 結(jié)構(gòu)較緊湊，以及V帶多已標準化并能大量生產(chǎn)等優(yōu)點，因而V帶傳動的應用比平帶傳動廣泛得多。多楔帶兼有 V平帶和V帶的優(yōu)點：柔性好，摩擦力 大，能傳遞的功率大，并解決了多根V帶長短不一而使各帶受力不均的問題。 多楔帶主要用于傳遞功率較大而結(jié)構(gòu)要求緊湊的場合，傳動比可達10,帶速可達40m/so傳動帶易拉長和磨損，設計時必須注意能調(diào)節(jié)中心距；磨損后易于更換；word

32、文檔可自由復制編輯有可靠的防護裝置以防止與油接觸受侵蝕。當線速度 vE30m/s時，可用V形 帶、多楔帶或同步齒形帶；v30m/s時，可用橡膠或皮革平帶；v35m/s時, 可用絲（天然絲、錦綸絲或滌綸絲）織帶。由于本設計為較高速主軸，線速 度v 30m/s ,故選用多楔帶傳動。多楔帶帶輪的設計計算基本設計參數(shù)：由設計要求 n =3000r/min, p =5.5kW;本次設計選用傳 動比為1。1.設計功率pd = p k =5.5 1.2 =6.6kW查現(xiàn)代機械傳動手冊135.1-17, K=1.2。K.帶型的選擇根據(jù)所算的設計功率，查現(xiàn)代機械傳動手冊 多楔帶。.小帶輪直徑的確定根據(jù)帶型與設計

33、功率，查現(xiàn)代機械傳動手冊-工況系數(shù)。13表 5.1-20,選用 PJ 型13表5.1-78,小帶輪節(jié)圓直徑 dp1 = 100mm。13.大帶輪基準直徑的確定13根據(jù)帶型與設計功率，查現(xiàn)代機械傳動手冊dd2 =idd1 (1 -)-98mm查現(xiàn)代機械傳動手冊13,可知通常& = 0.02dd2按現(xiàn)代機械傳動手冊13表5.1-18圓整得：dd2 = 100mm。.帶速的計算二 ddQ.(3-5)v 一一 v max(3-5)60 1000v = 31.4m/s,vmax =3540m/s,查現(xiàn)代機械傳動手冊13表5.1-67 ,word文檔可自由復制編輯進行動平衡 e = 3 3.5Nm,e 0

34、.01mm。6. 初定中心距a00.7(ddi +dd2)W a。241 +dd2)(3-6)140 a0 400取 a0 = 350mm。7.所需基準長度Ld02Ld0=2a2(dd1dd2)=1014mm(3-7)查現(xiàn)代機械傳動手冊13表5.1-70選取近似值Ld0 = 1016mm.實際中心距aLd Ld0a ：. a0 2a = 373mm.小帶輪包角: 1 二180. 楔數(shù)ZZKaP_P1P1 KaKA式中 Ka- 工作情況系數(shù)，查表 5.1-17 , kA =1.2;P一傳遞的功率p=5.5kW;P- 每楔的基本額定功率，查表 5.1-775.1 81:(3-8)(3-9)word

35、文檔可自由復制編輯pi =0.917kW;P一當 i=1 時，*=0 ；Kb一 彎曲影響系數(shù)，查表 5.1 75, kb = 0.0694父10，;Ki- 傳動比系數(shù)，查表 5.1 76, Ki =1.0654;ni 小帶輪轉(zhuǎn)速， r =3000r/min ；Ka一小輪包角系數(shù)，見圖 5.1 6, Ka=1.0;Kl - 帶長系數(shù)，見表 5.1 74, Kl=1.08。計算得：Z之5.32 ,取Z =6。多楔帶的選擇及帶輪尺寸參數(shù)的確定.多楔帶帶輪的參數(shù)多楔帶的帶輪常采用 HT200制造，當帶速超過 30m/s時，常采用35或 45號鋼制造。查現(xiàn)代機械傳動手冊13表5.1-82,具體參數(shù)見表3

36、-2,表3-2 帶輪參數(shù)表帶型槽間距p實際槽深h輪槽角小最小邊距sPJ2.34+0.03mm-0.3821.50 mm40 + 0.51.8mm帶型最小槽頂圓角最大槽根圓角節(jié)線差a帶輪寬度B半徑rl半徑rbPJ0.2mm0.4mm1.2mm15.3mm帶輪寬度 B =(Z -1)P 2s =5 2.34 2 1.8= 15.3mm帶輪示意圖如圖3-8所示。word文檔可自由復制編輯.多楔帶的選擇查現(xiàn)代機械傳動手冊表 5.1-69,可得多楔帶參數(shù)，具體見表 3-3表3-3 多楔帶參數(shù)表帶型節(jié)距Pb帶 iWj H計算齒高ho楔角6楔根R楔頂R2PJ2.34mm4.0mm3.21mm400.4mm0

37、.2mm寬度 b=ZR =6x2.34=14.04mm。傳動帶在主軸上的位置查機床設計手冊卷3表6.1-5,主軸采用帶傳動時，為了便于更換帶 和防止皮帶沾油，帶輪通常裝在主軸后支承外側(cè)。如圖 3-9所示。word文檔可自由復制編輯根據(jù)設計要求，主電動機功率為5.5kW, n =1803000r/min。查數(shù)控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導14表4-17,選取交流變頻調(diào)速電機，具基本參數(shù)如表3-4。表3-4電機參數(shù)表型號極數(shù)額定功率額定電流同步轉(zhuǎn)速YTPS132S-445.5kW18A180-3000r/min查表4- 18,其外形安裝尺寸如下表3-5。表3-5 電機安裝尺寸參數(shù)表機座號DEGGDL

38、AB90L32mm50mm20mm7mm340mm180mm具體外形如圖3-10所示圖3-10 電機外形尺寸圖3.3 主軸軸承主軸軸承的選用主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、 word文檔可自由復制編輯安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。常用的主軸軸 承有滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承的摩擦力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速和載 荷變動范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。滾動軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便。但與 滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震 性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大限制。加工中心主軸組件在可能條件下，盡量使用 滾動軸承，

39、特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠做軸向移動的主軸。本次設計選用圓錐滾子軸承。查實用機床設計手冊表3.8-52選用型號為32016的圓錐滾子軸承，其基本參數(shù)表 3-6。表3-6 軸承基本參數(shù)表dDBCrCor極限轉(zhuǎn)速(油潤滑)80mm125mm27mm140kN220kN3800前支承軸承壽命校核一 一人106匕卡軸承壽命Lh = - I(3-10)60n 2X 106時的所以此碟形彈簧能持久工作。3.5氣缸的設計氣缸的結(jié)構(gòu)設計.氣缸的選擇查機械設計手冊單行本氣壓傳動20表22-1-16 ,選擇單作用活塞式彈簧復位氣缸，工作原理圖如圖3-16所示。彈黃 活塞 缸體活攫桿圖3-16氣缸工作

40、原理圖其工作原理為壓縮空氣驅(qū)動活塞向一個方向運動，復位靠彈簧力彈簧起背壓作用，輸出力隨行程而變化，適用于短行程。查機械設計手冊單行本氣壓傳動表 22-1-56 :Fdu 之 0.65D2P-Fs(3-16)pus式中Fpu一氣缸輸出推力；Fpu= P46=3023M6 = 18138NP一碟形彈簧剛度,P=3023N mm-1;D 一氣缸內(nèi)徑，mm P- 氣缸工作壓力， P選取0.63MPa ；word文檔可自由復制編輯Fs 一彈簧力，N。查機械設計手冊單行本氣壓傳動表 22-1-64 ,選取D = 200mm , d= 200mm, s=25mm;壁厚6, 一般氣缸缸筒壁厚與外徑之比、,.1

41、 工D -10所以仃=20mm。將以上數(shù)據(jù)代 (3-2)式得：Fs=1654.1N。.圓柱螺旋彈簧的計算(1)最小載荷P1,進行估算P=G=7.85 103 二 2002 100 9.81 10”=967.2N(2)最大工作載荷PnPn = Pi R =967.2 1654.1 = 2621.3N(3)工作行程h 查機械設計手冊單行本氣壓傳動表 22-1-69,選取h = 251。(4)彈簧類別本設計中彈簧在一天中受載次數(shù)N, N W103次，故彈簧端部并緊、磨平，支承圈為一圈。(5)彈簧材料查機械設計手冊單行本彈簧起重運輸件五金件表2-3-5 ,選擇材料為65Mn。(6)初算彈簧剛度PPn

42、- Pi 2621.3P = = = 66.164 N/mm(3-17)h 25(7)工作極限載荷耳的確定因是in類載荷，Pj之Pn,故Pj之Pn=2621.3N。word文檔可自由復制編輯(8)彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關(guān)參數(shù)的確定根據(jù)Pj條件從機械設計手冊單行本彈簧起重運輸件五金件表7-2-19得，見表3-9。表3-9 彈簧參數(shù)表dDPjPPd12mm85mm4189N12.56mm333N/mm(9)有效圈數(shù)n的計算 rn = d- = 333 =5.03 ,按表 7-2-10 取標準值 n = 5P 66.164(10)總?cè)?shù)R的確定n1 = n 2=7(11)彈簧剛度P的計算一P

43、dtP =66.6 N/mmn(12)工作極限載荷下變形量Fj的計算Fj = nfj =5 12.56 = 62.8 mm(13)節(jié)距t的計算Fj62.8t =+d =+12 =24.56 mmn5(14)自由高度H。的確定H0 =nt+1.5d =122.8+1.5M12=140.8mm ;按機械設計手冊單行word文檔可自由復制編輯本彈簧起重運輸件五金件表 7-2-12取標準值，H0 =140mm。(15)彈簧外徑D2的確定D2 = D d = 85 12 =97mm(16)彈簧內(nèi)徑d確定D1 -D - d -85-12-73mm(17)最小載荷時的高度H1確定H1 = H0 -旦=140

44、 -967.2 = 125.48mmP66.6(18)最大載荷時的高度Hn確定Pn2621.3Hn=H0- - =140 =100.64mmP66.6(19)實際工作行程h的確定h =H1-Hn =125.48 -100.64= 24.84mm 25 - 1(20)高徑比b的計算He 140b =也=四=1.647 2.6,不必進行穩(wěn)定性驗算,此彈簧能夠滿足設 D 85計要求。氣動回路選擇.壓力控制回路概述壓力控制回路是對系統(tǒng)壓力進行調(diào)節(jié)和控制的回路。在氣動控制系統(tǒng) 中，進行壓力控制主要有兩種。第一是控制一次壓力，提高氣動系統(tǒng)工作的 安全性。第二是控制二次壓力，給氣動裝置提供穩(wěn)定的工作壓力，這

45、樣才能 充分發(fā)揮元件的功能和性能。. 一次壓力控制回路圖3-17所示為一次壓力控制回路。此回路主要用于把空氣壓縮機的輸出壓 力控制在一定的壓力范圍內(nèi)。因為系統(tǒng)中壓力過高，除了會增加壓縮空氣輸word文檔可自由復制編輯送過程中的壓力損失和泄漏以外，還會使管道或元件破裂而發(fā)生危險。 因此,壓力應始終控制在系統(tǒng)的額定值以下。1溢流閥2 空氣壓縮機 3 單向閥4 氣罐5 電觸點式壓力計6 氣源調(diào)節(jié)裝置圖3-17 一次壓力控制回路該回路中常用外控性溢流閥 1保持供氣壓力基本恒定和用電觸點式壓力 計5來控制空氣壓縮機2的轉(zhuǎn)、停，使氣罐4內(nèi)的壓力保持在規(guī)定的范圍內(nèi) 一般情況下，空氣壓縮機的出口壓力為 0.8

46、Mpa左右。.二次壓力控制回路圖3-18所示為二次壓力控制回路。 此回路的主要作用是對氣動裝置的氣 源入口處壓力進行調(diào)節(jié)，提供穩(wěn)定地工作壓力。該回路一般由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成，通常稱為氣動調(diào)節(jié)裝 置（氣動三聯(lián)件）。其中，過濾器除去壓縮空氣中的灰塵、水分等雜質(zhì)；減壓 閥調(diào)節(jié)壓力并使其穩(wěn)定；油霧器使清潔的潤滑油霧化后注入空氣流中，對需 要潤滑的部件進行潤滑。a）詳圖b）簡圖1空氣過濾器 2 減壓閥3壓力計4 油霧器word文檔可自由復制編輯圖3-18二次壓力控制回路.控制回路的選擇通過對以上兩種回路的分析結(jié)合本設計的實際需要，應選用二次壓力控 制回路。二次壓力控制回路能夠提供穩(wěn)定的工作壓

47、力，應用于氣動夾緊機構(gòu) 非常的合適25。word文檔可自由復制編輯第4章主軸進給系統(tǒng)的設計4.1 概述伺服進給系統(tǒng)的組成如圖4-1所示，伺服進給系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán) 是位置環(huán)。速度環(huán)中可以采用測速發(fā)電機、脈沖編碼器等作為速度反饋的檢 測裝置。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié) 器、功率驅(qū)動放大器等各部分組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等各部分組成。位置控制主要是對 機床運動坐標進行控制。ewe -mH速度控制單元位置拄制模塊速度控制單元位速度反饋壞 度 一 3 逆伺服電機位置檢測工作告速度檢測ewe -mH

48、速度控制單元位置拄制模塊速度控制單元位速度反饋壞 度 一 3 逆伺服電機位置檢測工作告速度檢測測量與反饋圖4-1伺服進給系統(tǒng)組成示意圖伺服進給系統(tǒng)的類型加工中心伺服系統(tǒng)一般為閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖4-2所示是典型的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它由伺服電動機、檢測裝置、比較電路、伺服放大系統(tǒng)等部分組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)根 據(jù)來自檢測裝置的反饋信號與指令信號比較的結(jié)果進行速度和位置的控制。 這種系統(tǒng)通常是直接從安裝在工作臺等移動部件上的檢測裝置中取得反饋信 號，閉環(huán)系統(tǒng)可以消除機械傳動機構(gòu)的全部誤差，控制精度較高，因此適用word文檔可自由復制編輯于高精度或大型加工中心控制。由于采用了位置檢測反饋

49、裝置，所以閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置精度主要取決于檢測裝置的精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定為精度一般可達X.010.005mm。直線位移檢測裝置指令脈沖一位置上眼一 指令脈沖一位置上眼一 伺服放大器 伺服電機反饋脈沖圖4-2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理(2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖4-3所示。檢測元件被安裝在伺服電動機軸或滾珠絲杠等中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件位置。半閉 環(huán)系統(tǒng)只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分元件的誤差，因此，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉 環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都比較簡單。圖4-3 圖4-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)通過直接測量工作臺等移動部件的位移從而實現(xiàn)精度高的反饋 控制。但這種測量裝

50、置的安裝及調(diào)整都比較復雜且不易保養(yǎng)。相比之下，半 閉環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)角測量就比較容易實現(xiàn)， 但由于后繼傳動鏈傳動誤差的影響, 測量補償精度比閉環(huán)系統(tǒng)差。通過對以上兩種系統(tǒng)的分析比較，并結(jié)合本次設計的實際情況，應選用 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單而且調(diào)整方便，精度較高，適合與本 次設計。word文檔可自由復制編輯4.2進給系統(tǒng)設計計算主要參數(shù)的設定Z向工作行程350mm；工作進給速度 11000mm/min ；快速進給速度為 10m/min ；最大鉆孔直徑20mm；切削力的估算查數(shù)控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導表2-2,當最大鉆孔直徑為20mm時，采用高速鋼鉆頭，最大軸向力F軸 max=1236

51、0N鉆削中心具有一定的銃削能力，故鉆削力的分解可以參照銃削力的分解，查銃工工藝學中級本得：縱向切削力Fx =F縱=0.35F切橫向切削力Fy =5橫=0.9F切垂直切削力Fz =5垂=0.525F切故計算可得：Fz =6489N, Fy=211.57N, Fz=8240N;滾珠絲杠副設計計算1.滾珠絲杠導程的確定在本設計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為1,即i=1。查數(shù)控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導表4-16,選擇FB-35電機的最高轉(zhuǎn)速nmax = 1 000r/mi,nR 大轉(zhuǎn)矩 Mmax= 1570kgecm,則絲杠的導程為：word文檔可自由復制編輯PnVmax10000=10mmPnV

52、max10000=10mmN max10002,確定絲杠等效轉(zhuǎn)速最大進給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為nmax =Vmax/Pn =10000/10 =1000r/min;最慢進給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為nmin =Vmin/Pn = 1/10 = 0.1 r/min,則得到絲杠的等效轉(zhuǎn) 速(估算t1 =2t2)為：nmnmaxnmnmaxt1 nmint 2t1t2=1000r/min3,確定絲杠的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù) 值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌，而一般情況下， 滑動塑料導軌的摩擦系數(shù)為0.04,則絲杠所受最大牽引力為Fmax =K(Fz

53、G) f(Fy Fx)式中 G-為主軸箱的重力，估算G =7.85 103 二 1302 1000 9.81 10-9 ： 3000 NK 一為顛覆力矩影響系數(shù)，K =1.1 ;計算得：Fmax =K (Fz +G) +f(Fy +Fx) = 9956N而絲杠最小工作負載荷為：Fmin =fG=0.04 3000 120N故其等效負載可按下式計算(估算t1 =t2；n2 =2r )31Fm =( maxn1t1min n2t2 )3 = 6370Nn1t1 n2t24,確定絲杠所受最大動載荷Carword文檔可自由復制編輯1(4-1)cf60Lhnm 7 Fmfw(4-1)Car -aFmax=9188N可見遠遠大于tax,滿足要求。4.2.4 絲杠的校核1.臨界轉(zhuǎn)速的驗算EIK2 1.臨界轉(zhuǎn)速的驗算EIK2 9910f22 d22nmaxLc(4-3)word文檔可自由復制編輯式中 A絲杠最小橫截面：A= 土 d； =M71.42M106= 4.0m 1m2; 44Lc-臨界轉(zhuǎn)速計算長度，取 Lc=Li = 0.761m;K2 一安全系數(shù)，一般取（=0.8;P 材料密度，