小型臥式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用含NX三維及14張CAD圖帶開題,小型,臥式,數(shù)控,銑床,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)用,利用,運(yùn)用,nx,三維,14,cad,開題 小型臥式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對(duì)小型臥式數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)部位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。 整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上，絲桿帶動(dòng)絲桿螺母，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究?jī)?nèi)容： (1) 小型臥式數(shù)控銑床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (2) 小型臥式數(shù)控銑床工作性能分析。 (3)電動(dòng)機(jī)的選擇。 (4) 小型臥式數(shù)控銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件設(shè)計(jì)。 (5)對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。 (6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：小型臥式數(shù)控銑床， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠 The structure design and application of small horizontal CNC milling machine Abstract This design is the design of small horizontal CNC milling machine. Here mainly include: Design of transmission system, rotary working parts of platform system design of spindle system, the design of the graduation design on the design of the basic skills training, improve the analysis and solve engineering problems, and for general mechanical design created certain conditions. The structure of the whole machine is mainly driven by the electric motor through the coupling and the power is transferred to the screw rod, the screw rod drives the screw nut to drive the whole machine to improve the labor productivity and the level of production automation. To show its superiority, has broad prospects for development. The content of this paper: (1) the overall structure design of small CNC milling machine. (2) performance analysis of small CNC milling machine work. (3) the choice of motor. (4) the design of transmission system and executive components of small horizontal CNC milling machine. (5) the design of parts design calculation and check. (6) drawing machine assembly and important parts assembly drawings and parts drawings design. Key words: small CNC milling machine, ball screw coupling. 目 錄 1 緒論 1 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 2 1.3.1 主要的研究?jī)?nèi)容 2 1.3.2 設(shè)計(jì)要求 3 2 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 3 水平進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 5 3.1 水平進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇 5 3.1.1 導(dǎo)程確定 5 3.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 5 3.1.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 5 3.1.4 確定絲桿的等效負(fù)載 5 3.1.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 6 3.1.6 精度的選擇 7 3.1.7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 7 3.2 校核 7 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 8 3.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 8 3.2.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 9 3.3 電機(jī)的選擇 10 3.3.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 10 3.3.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 11 4 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 13 4.1 設(shè)計(jì)條件 13 4.2.1 滾珠絲杠的精度 13 4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 13 4.3 伺服電機(jī)的選擇 17 4.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 17 4.3.2 負(fù)載慣量的計(jì)算 17 4.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 18 4.4 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 19 4.5 聯(lián)軸器的選擇 20 5 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)構(gòu) 21 5.1 電機(jī)的選擇 21 5.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 22 5.2.1 同步帶計(jì)算選型 22 5.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 24 5.2.3 同步帶的設(shè)計(jì) 26 5.2.4 同步帶輪的設(shè)計(jì) 27 6 主軸工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 6.1 電機(jī)的選型 28 6.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 29 6.2.1 同步帶計(jì)算選型 29 6.2.2 同步帶的設(shè)計(jì) 32 6.3 主軸主軸的設(shè)計(jì) 33 6.3.1 確定主軸主軸最小直徑 33 6.3.2 求軸上的載荷 34 6.3.3 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 34 6.3.4 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 35 5.4 主軸組件設(shè)計(jì)計(jì)算 37 5.4.1 主軸的材料與熱處理 37 5.4.2 主軸直徑的選擇 38 5.4.3 主軸前后軸承的選擇 39 5.4.4 軸承的選型及校核 40 5.4.5 主軸前端懸伸量 42 5.4.6 主軸支承跨距 43 5.4.7 主軸結(jié)構(gòu)圖 43 5.4.8 主軸的校核 43 5.4.9 軸承壽命校核 47 5.4.10 主軸組件中相關(guān)部件 47 結(jié)論 50 致 謝 50 參考文獻(xiàn) 51 小型臥式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用 1 緒論 1.1 目的、意義 目的：隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多企業(yè)已經(jīng)越來越注重精細(xì)化生產(chǎn)和發(fā)展，從而來滿足人們對(duì)復(fù)雜多變的產(chǎn)品的需要。因而，在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，小批量多品種零件的加工生產(chǎn)占產(chǎn)品總數(shù)量的比例會(huì)越來越高，而零件的復(fù)雜性和精度等級(jí)要求也會(huì)迅速地提高，所以很多產(chǎn)品都需要進(jìn)行銑削加工?？丶夹g(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，他實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也最多，因此人們?cè)谘芯亢烷_發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動(dòng)編程語言的軟件時(shí)，也一直把銑削加工作為重點(diǎn)。 意義：大學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年中的一項(xiàng)非常重要的工作，其通過根據(jù)大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，運(yùn)用機(jī)械原理的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而很好地培養(yǎng)了自己在實(shí)踐中提出問題，分析問題，解決問題的實(shí)踐能力，為畢業(yè)后能成為一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員做了很好的鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的題目是：《xk100立式數(shù)控銑床主軸設(shè)計(jì)》，通過此次的設(shè)計(jì)，我可以對(duì)數(shù)控銑床主軸的內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式，工作原理等方面能有進(jìn)一步的理解；通過xk100立式數(shù)控銑床主軸的設(shè)計(jì)，從而掌握銑床主軸設(shè)計(jì)的基本原理和方法，同時(shí)也能夠?qū)Ｓ勉姶仓鬏S的設(shè)計(jì)作進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和理解應(yīng)用；同時(shí)也能夠很好的提高自身的專業(yè)技能水平，爭(zhēng)取早日成為一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀： 世界數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量已在15萬臺(tái)以上（產(chǎn)值超過200億美元）總擁有量超過100萬臺(tái)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控機(jī)床品種已超過150種。1992年日本的年產(chǎn)量為32037臺(tái)，約占21%德國(guó)年產(chǎn)量為14758臺(tái)，約占10%；美國(guó)年產(chǎn)量為6663臺(tái)，約占4.4%；原蘇聯(lián)(在1985年時(shí))年產(chǎn)量為17600臺(tái)，約占11.7%；我國(guó)年產(chǎn)7450臺(tái)，約占5%；臺(tái)灣年產(chǎn)5385臺(tái)，約占3.5%。僅日、德、美三國(guó)，年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床就占世界數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量的36%。 日本、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利等六國(guó)1989年金屬切削機(jī)床的總產(chǎn)值與1980年比，僅增加54%，但同期數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值比1980年刪增加了256%。1990年，日本數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量已達(dá)61697臺(tái)，年產(chǎn)量的數(shù)控化率為31.8%，年產(chǎn)值的數(shù)控化率為76%。其他五國(guó)的年產(chǎn)量數(shù)控化率均在20%以上，年產(chǎn)值數(shù)控化率均在50%以上。上述六國(guó)擁有量數(shù)控化率在10%以上。1994年日本擁有量的數(shù)控化率為20.8%。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀： 我國(guó)的數(shù)控機(jī)床無論從產(chǎn)品種類、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重大突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)可供市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床有1500種，幾乎覆蓋了整個(gè)金屬切削機(jī)床的品種類別和主要的鍛壓機(jī)械。這標(biāo)志著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。 超精密球的加面車床為陀螺儀工提供了基礎(chǔ)設(shè)備，這類車床也可用于透鏡模具、照相機(jī)塑料鏡片、條型碼閱讀設(shè)備、激光加工機(jī)光路系統(tǒng)用聚焦反射鏡等產(chǎn)品的加工。 高速五軸龍門銑床采用銑頭內(nèi)油霧潤(rùn)滑冷卻、橫梁預(yù)應(yīng)力反變形控制等技術(shù)。這類銑床可用于航空、航天、造船、水泵葉片、高檔模具等的加工。 目前我國(guó)已經(jīng)可以供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國(guó)也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)的行列。目前我國(guó)已經(jīng)研制成功一批主軸轉(zhuǎn)速在8000—10000r/min以上的數(shù)控機(jī)床。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)近年來大力推廣應(yīng)用CAD等技術(shù)，很多企業(yè)已開始和計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用ERP、MRPII和電子商務(wù)。 “十五”期間 我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料，2005年我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)合計(jì)完成工業(yè)總產(chǎn)值l260億元人民幣，是“九五”末期的23倍；產(chǎn)品售收人1213億元，是“九五”末期的239倍。中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)表明，在去年全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值中，金屬加工機(jī)床銷售超過400億元人民幣，自2002年起連續(xù)三年銷售額已居日本、德國(guó)、意大利之后，排名第四位。 目前，我國(guó)進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)基本為德國(guó)西門子（SIMENS）和日本發(fā)那科（FANUC）兩家公司所壟斷，這兩家公司在世界市場(chǎng)的占有率超過80%。在國(guó)內(nèi)尚無自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高端數(shù)控系統(tǒng)替代的前提下，西門子和發(fā)那科擁有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。加上高性能數(shù)控系統(tǒng)具有超越經(jīng)濟(jì)價(jià)值的戰(zhàn)略意義，發(fā)達(dá)國(guó)對(duì)出口中國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)始終有所限制，甚至像五軸聯(lián)動(dòng)以上的高性能數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品絕對(duì)禁止向中國(guó)出口。 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1.3.1 主要的研究?jī)?nèi)容 在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床的推廣應(yīng)用，分析確定使用三自由度關(guān)節(jié)型數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的。 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下: 1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床整體設(shè)計(jì)方案。 2 確定數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。 3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。 1.3.2 設(shè)計(jì)要求 1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出三維數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床的整體設(shè)計(jì)方案； 2 完成三維數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)； 3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型； 4 完成三維數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制三維數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。 53 2 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 滿載功率1kw，最高轉(zhuǎn)速500rpm，進(jìn)給傳動(dòng)最低速度0.01mm/r，高速度0.2mm/r，最大載荷1000N，精度±0.05mm。 2.2 方案擬定 數(shù)控小型臥式數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性，為了使工件與點(diǎn)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要求的點(diǎn)，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到槍在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。 X軸和Z軸采用絲杠傳動(dòng)：X軸 電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠 Z軸 電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠 3 水平進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 3.1 水平進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。 滿載功率1kw，最高轉(zhuǎn)速500rpm，進(jìn)給傳動(dòng)最低速度0.01mm/r，高速度0.2mm/r，最大載荷1000N，精度±0.05mm。設(shè)水平進(jìn)給最大行程為200mm, 兩側(cè)各留10mm的安全距離.絲杠等組件大概質(zhì)量為50kg,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg 3.1.1 導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為 取Ph=12mm 3.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 3.1.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 絲杠等組件重量 工作臺(tái)重量 移動(dòng)部件重量 3.1.4 確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，） 3.1.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負(fù)載 nz-------等效轉(zhuǎn)速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計(jì)算得Car=17300N 表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh 表3-1-2精度系數(shù)fa 表3-1-3可靠性系數(shù)fk 表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw 3.1.6 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。選用滾珠絲杠的精度等級(jí)絲軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí) 3.1.7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2 校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm 代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 3.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9 經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 3.2.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經(jīng)計(jì)算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。 3.3 電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長(zhǎng)度=1m P—鋼的密度=7800 經(jīng)計(jì)算得 b、水平進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質(zhì)量 水平進(jìn)給直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經(jīng)計(jì)算得 c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 因此 3.3.2 電機(jī)扭矩計(jì)算 a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計(jì)算得 b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動(dòng)效率，η=0.90 I—傳動(dòng)比，I=1 經(jīng)計(jì)算得 c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9 經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。 4 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 設(shè)計(jì)條件 滿載功率1kw，最高轉(zhuǎn)速500rpm，進(jìn)給傳動(dòng)最低速度0.01mm/r，高速度0.2mm/r，最大載荷1000N，精度±0.05mm。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)工作臺(tái)絲杠傳動(dòng)。在數(shù)控工作臺(tái)上的絲杠傳動(dòng)，可以用普通的絲杠傳動(dòng)，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是普通絲杠傳動(dòng)摩，但總是不太穩(wěn)定。 4.2.1 滾珠絲杠的精度 查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級(jí)精度等級(jí)，有初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠效行程350 mm，行程偏差允許達(dá)到30μm。 4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 （1）最大工作載荷的計(jì)算 絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)最大進(jìn)給力=5000N，導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為500㎏，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力） （N） (4.1) 絲杠最大載荷是： 5000＋196＝5196（N） (4.2) 平均載荷是： =×=≈3529（N） (4.3) （2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù),其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動(dòng)載荷Ca不能大于額定動(dòng)載荷Cam,即Ca≤Cam。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2000 r/min 絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命 ==675（r） (4.4) 當(dāng)量動(dòng)載荷值： (4.5) 式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5； ——精度影響系數(shù)，對(duì)1、2、3級(jí)精度的滾珠絲杠取=1.0，對(duì)4、5級(jí)精度的絲杠取=0.9。 根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得 ≈51.59（KN） (4.6) 根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF4010-5型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為55600N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=51590N，符合設(shè)計(jì)要求。 表4.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑（mm） 40 螺距(mm) P 10 接觸角 鋼球直徑(mm) 7.144 螺紋滾道法面半徑(mm) 偏心距(mm) 0.009 螺紋升角(mm) = 絲杠外徑(mm) 39.5 絲杠底徑(mm) 34.3 螺桿接觸直徑(mm) 32.87 （3）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑=40mm，導(dǎo)程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=93.7%。 （4）剛度的驗(yàn)算 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。固定端采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應(yīng)于較高精度、中等載荷的絲杠。 滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。 a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 根據(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力=1732（N）。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形 (4.7) 式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得； ==0.013(mm) 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。 b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形 絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=720mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=34.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6() 根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得： =0.018(mm) C、總的變形 ==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見絲杠剛度足夠。 （5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算 (4.8) 公式中取支撐系數(shù)=2， 由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得： =181129.6(㎏) 則f=181129.6N大于=51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。 （6）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。 查資料得公式 ： (4.9) 為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)） 代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。 （7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定 由以上驗(yàn)算可以知道，絲杠型號(hào)為FF4010—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號(hào)，安裝尺寸查表可知。 （8）絲杠支承的選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。 4.3 伺服電機(jī)的選擇 4.3.1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)以下公式計(jì)算，即 (4.10) 從前面的計(jì)算可以知道，最大載荷N，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩： （N·m） (4.11) 查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡(jiǎn)支端軸承步預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (N·m) 所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。 4.3.2 負(fù)載慣量的計(jì)算 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。 負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算。立柱與主軸箱的質(zhì)量為500㎏，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按下式計(jì)算， (kg·㎡) (3.14) 絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長(zhǎng)度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 (㎏·㎡) (4.12) 聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊(cè)得到，即(㎏·㎡) 故負(fù)載總的慣量為 (㎏·㎡) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為： (4.13) 則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內(nèi)。 根據(jù)上述計(jì)算可選用表3.2中的交流伺服電機(jī)α22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.012㎏·㎡。 表4.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī) 型號(hào) α1/ 5000i α2/ 5000i α4/ 4000i α8/ 3000i α12/ 3000i α22/3000i 輸出功率/kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 額定轉(zhuǎn)矩(N·m) 1 2 4 8 12 22 最高轉(zhuǎn)速 5000 5000 4000 3000 3000 3000 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·㎡) 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 質(zhì)量㎏ 3 4 8 12 18 29 伺服放大器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 4.3.3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快速）速度時(shí)，所需要的空載加速轉(zhuǎn)矩按下式求， (4.14) 空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量 0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡) 加速度時(shí)間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則 (N·m) 4.4 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌: 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25 基本參數(shù)如下: 表4.3 額定靜載荷初選導(dǎo)軌 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導(dǎo)軌重量 導(dǎo)軌長(zhǎng)度 動(dòng)載荷 靜載荷 L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長(zhǎng)度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M 4 0.6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： 額定行程長(zhǎng)度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 4.5 聯(lián)軸器的選擇 金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬?gòu)椈?，利用金屬?gòu)椈傻娜跣宰冃我赃_(dá)到補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移 和減振、緩沖功能，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬?gòu)椥栽确墙饘購(gòu)椥栽?qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，傳遞載荷能力大，,適用于高溫工況，彈性模最大且穩(wěn)定。 如圖3.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，不用潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高速、高溫、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 。 圖4.7 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器 5 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)構(gòu) 5.1 電機(jī)的選擇 查SEW減速電機(jī)的規(guī)格表，選用如下減速電機(jī)。 表5.1 選用的電機(jī)的詳細(xì)參數(shù) 電機(jī)額定功率Pm/kW 輸出轉(zhuǎn)速 na/[r/min] 輸出扭矩 Ma/N·m 減速機(jī) 速比i 輸出軸許用徑向載荷FRa/N 使用系數(shù) SEW-fB 減速機(jī) 型號(hào) 電機(jī) 型號(hào) 重量/kg 0.37 56 47 22.5 2870 1.55 DT71D4 SF37 14 此型號(hào)的電機(jī)在一定程度上保證了驅(qū)動(dòng)功率有一定的盈余，因數(shù)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，若機(jī)床上有工件，則此時(shí)的起動(dòng)功率會(huì)比平時(shí)工作時(shí)的功率要大，且減速電機(jī)本身還有一定的使用系數(shù)。 5.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 5.2.1 同步帶計(jì)算選型 設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)短等因素共同確定的，表達(dá)式如下： 式中 ——需要傳遞的名義功率 ——工作情況系數(shù)，按表5.2工作情況系數(shù)選取=1.7； 表5.2 工作情況系數(shù) 1） 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。 其中Pd=0.40kw，n1=56rpm。查表5.3 表5.3 同步帶選型表 選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 1） 選擇小帶輪齒數(shù)z1，z2 可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。 查得小帶輪最小齒數(shù)14。 實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù) 初步取值z(mì)1=34故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 ① 確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2 小帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm ② 驗(yàn)證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 a) 確定帶長(zhǎng)和中心矩 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得 所以有： 現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm 10、同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定 =() = =719.7mm 11、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算 有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。 12、基本額定功率的計(jì)算 查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為 ==0.21KW 表5.4 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 13、計(jì)算作用在軸上力 = =71.6N 5.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 1、同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度 同步帶工作時(shí)，其承載繩中心線長(zhǎng)度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長(zhǎng)作為帶的公稱長(zhǎng)皮，稱為節(jié)線長(zhǎng)度。在同步帶傳動(dòng)中，帶節(jié)線長(zhǎng)度是一個(gè)重要 參數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)的中心距已定時(shí)，帶的節(jié)線長(zhǎng)度過大過小，都會(huì)影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)梯形齒同步帶的各種哨線長(zhǎng)度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長(zhǎng)度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表5.5）。 表5.5 帶節(jié)線長(zhǎng)度表 2、帶的節(jié)距Pb 如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)沿節(jié)線量度所得約長(zhǎng)度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號(hào)。在制造時(shí)，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸見表4.6。 3、帶的齒根寬度 一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳動(dòng)較大的裁荷。 圖5.1 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 表5.6 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸 4、帶的齒根圓角 帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時(shí)齒根應(yīng)力集中程度有關(guān)t齒根圓角半徑大，可減少齒的應(yīng)力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶 齒與輪齒嚙合時(shí)的有效接觸面積城小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。 5、帶齒齒頂圓角半徑八 帶齒齒項(xiàng)圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時(shí)會(huì)否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動(dòng)中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進(jìn)入或退出嚙合時(shí)， 帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會(huì)超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會(huì)減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。 6、齒形角 梯形帶齒齒形角日的大小對(duì)帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動(dòng)時(shí)帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過大，又會(huì)使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。 5.2.3 同步帶的設(shè)計(jì) 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表5.7。帶的圖形如圖5.2。 表5.7 同步帶尺寸 型號(hào) 節(jié)距 齒形角 齒根厚 齒高 齒根圓角半徑 齒頂圓半徑 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 圖5.2 同步帶 5.2.4 同步帶輪的設(shè)計(jì) 同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求 1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出 由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動(dòng)，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。 2、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時(shí)，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時(shí)變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。 3、有良好的加了工藝性 加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。 4、具有合理的齒形角 齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學(xué)和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會(huì)造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。 同步帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)果 同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖5.3。 圖5.3 同步帶輪 6 主軸工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6.1 電機(jī)的選型 參考市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，考慮到本機(jī)器體積小，功率消耗不大。只是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 初步選擇電動(dòng)機(jī)為普通三相異步電動(dòng)機(jī)Y90S-4型。用于一般場(chǎng)合和無特殊要求 90S-4型三相異步電機(jī) 功率：1.1KW 電壓：380V 電流：2.7A 絕緣：B 噪音：67 dB(A) 轉(zhuǎn)速 1440 r/min 廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場(chǎng)合和無特殊要求的機(jī)械設(shè)備上，如金屬切削機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等。 Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛適用于不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的一般場(chǎng)合和無特殊要求的機(jī)械設(shè)備上，如金屬切削機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、 農(nóng)業(yè)機(jī)械和食品機(jī)械等。 Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)是全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)基本系列，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。 Y90S-4型三相異步電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲低、震動(dòng)小、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。 圖6.1 電動(dòng)機(jī) 6.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 6.2.1 同步帶計(jì)算選型 設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)短等因素共同確定的，表達(dá)式如下： 式中 ——需要傳遞的名義功率 ——工作情況系數(shù)，按表6.1工作情況系數(shù)選取=1.7； 表6.1 工作情況系數(shù) 2） 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶鋸轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。 其中Pd=0.63kw，n1=56rpm。查表6.2 表6.2 同步帶的型號(hào)和節(jié)距 選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 2） 選擇小帶鋸齒數(shù)z1，z2 可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。 查得小帶鋸最小齒數(shù)14。 實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù) 初步取值z(mì)1=34故大帶鋸齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 ③ 確定帶鋸的節(jié)圓直徑d1，d2 小帶鋸節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大帶鋸節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm ④ 驗(yàn)證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 b) 確定帶長(zhǎng)和中心矩 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得 所以有： 現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm 10、同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定 =() = =719.7mm 11、帶鋸嚙合齒數(shù)計(jì)算 有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶鋸齒數(shù)的一半，即=17。 12、基本額定功率的計(jì)算 查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為 ==0.21KW 表6.3 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 13、計(jì)算作用在軸上力 = =71.6N 6.2.2 同步帶的設(shè)計(jì) 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表6.4。帶的圖形如圖6.2。 表6.4 同步帶尺寸 型號(hào) 節(jié)距 齒形角 齒根厚 齒高 齒根圓角半徑 齒頂圓半徑 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 圖6.2 同步帶 6.3 主軸主軸的設(shè)計(jì) 6.3.1 確定主軸主軸最小直徑 （1）先按課本式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)課本，取，于是得 ＝112×10.23 根據(jù)切削機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，前面章節(jié)已經(jīng)做了說明，在此不具體說明， 擬定軸的結(jié)構(gòu)如下圖， 軸的受力情況如下圖： 圖6.3 軸的受力圖 6.3.2 求軸上的載荷 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面Ｃ是軸的危險(xiǎn)截面。計(jì)算步驟如下： ＝＝＝4 966.34 N ＝＝＝3 960.59 N ＝＝＝2 676.96 N ＝＝3 356.64-2 676.96＝679.68 N ＝＝4 966.34×57.1＝283 578.014 ＝＝2 676.96×57.1＝152 854.416 ＝＝679.68×71.6＝486 65.09 ＝＝＝322 150.53 ＝＝＝287 723.45 表6.5 軸設(shè)計(jì)受力參數(shù) 載 荷 水平面H 垂直面V 支反力 ＝4 966.34 N，＝3 960.59 N ＝2 676.96 N，＝679.68 N 彎矩M ＝283 578.014 ＝152 854.416 ＝486 65.09 總彎矩 ＝322 150.53 ,＝287 723.45 扭矩T 1 410 990 6.3.3 按彎曲扭轉(zhuǎn)合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。根據(jù)課本式(15-5)及表7.2中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，?。?.6，軸的計(jì)算應(yīng)力 ＝＝ MPa＝12.4 MPa 前已選軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查課本表15-1得[]＝60MP。因此〈 []，故此軸安全。 6.3.4 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 （1）判斷危險(xiǎn)截面 截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應(yīng)力集中均將消弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。 從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，從受載來看，截面C上的應(yīng)力最大。截面Ⅴ的應(yīng)力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但是截面Ⅴ不受扭矩作用，同時(shí)軸徑也較大，故不必做強(qiáng)度校核。截面C上雖然應(yīng)力最大，但是應(yīng)力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大,故截面C也不必校核，截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必要校核。由課本第3章的附錄可知，鍵槽的應(yīng)力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而，該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側(cè)即可。 （2）截面Ⅳ左側(cè) 抗彎截面系數(shù) W＝0.1＝0.1＝61 412.5 抗扭截面系數(shù) ＝0.2＝0.2＝122 825 截面Ⅶ的右側(cè)的彎矩M為 ＝90 834.04 截面Ⅳ上的扭矩為 ＝1 410 990 截面上的彎曲應(yīng)力 ＝1.48 MPa 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ＝11.49 MPa 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由課本表15-1查得 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按課本附表3-2查取。因 ， 經(jīng)插值后查得 ＝1.9，＝1.29 又由課本附圖3-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為 ，＝0.88 故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式(課本附表3-4）為 ＝1.756 由課本附圖3-2的尺寸系數(shù)；由課本附圖3-3的扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。 軸按磨削加工，由課本附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為 軸為經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則按課本式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為 又由課本及3-2得碳鋼的特性系數(shù) ，取 ，取 于是，計(jì)算安全系數(shù)值，按課本式（15-6）(15-8)則得 S＝＝＝65.66 S＝＝＝16.9