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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文) 作 者 : 夏鈺翔 學(xué) 號(hào)： 0801010135 學(xué)院 (系 ): 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) : 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目 : 基于 Pro/E 的數(shù)控車床床身及主軸設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2012 年 6 月 殷勁松 高級(jí)工程師 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于Pro/E的車床床身及主軸設(shè)計(jì)，首先介紹了數(shù)控技術(shù)的重 要性及發(fā)展趨勢(shì)，然后提出了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整體的方案，同時(shí)也提出了傳動(dòng)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，在該方案里進(jìn)行了調(diào)速結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，齒輪的計(jì)算，還有電動(dòng) 機(jī)選擇，軸承的選擇，潤(rùn)滑方式的選用，最后就是校核部分,看零件是否合格要 求。 本次設(shè)計(jì)要運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模、裝配讓人能直觀的看到自己的作 品。還要有主要零件的CAD圖、裝配圖，可以讓人看到里面的細(xì)節(jié)部分。 關(guān)鍵詞 數(shù)控技術(shù) 主軸 Pro/E 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要 Title Design of CNC lathe tool and spindle based on the Pro/E Abstract This paper is based on the Pro/E to design lathe tool and spindle , first introduced the importance and development trend of the CNC.And then put forward the graduation design of the overall program, simultaneously also proposed transmission system design, it conducts Speed regulating structure design in the programme,it also conducts calculation of gear and the selection of electric motor.Finally, we need to check whether the eligibility requirements of parts. In this paper, using Pro / E software for three-dimensional modeling and assembling that can visually see their works. Even major parts of the CAD graph, assembly drawings, can let a person see details. Keywords CNC Spindle Pro/E 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 Ⅰ 頁(yè) 共 Ⅰ 頁(yè) 目 錄 1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 數(shù)控機(jī)床對(duì)現(xiàn)在制造業(yè)的影響 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.4 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 2 總體方案 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的整體方案 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.2 主軸部件的設(shè)計(jì)方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 2.3 本章小結(jié) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 3 具體設(shè)計(jì)部分 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 3.1 切削力和切削功率的計(jì)算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 3.2 主軸電動(dòng)機(jī)選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 3.3 傳動(dòng)系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.4 齒輪的計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 3.5 皮帶輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 3.6 主軸 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.7 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 4 PRO/E 的三維建模及有限元分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 4.1 PRO/E 的發(fā)展 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 4.2 零件及裝配建模 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 4.3 有限元分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 4.4 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 結(jié)束語(yǔ) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 致謝 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 參 考 文 獻(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 32 頁(yè) 1 引言 數(shù)控技術(shù)是集合制造技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、組成技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感檢測(cè) 技術(shù)、信息處理化技術(shù)、光電技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、液壓技術(shù)于一體 [1]。數(shù)控技術(shù)是 當(dāng)前制造技術(shù)的基礎(chǔ)，由于它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新的輝煌，使的制造 業(yè)的格局也因此有了很大的變化，數(shù)控技術(shù)也得到了進(jìn)一步的提升和發(fā)展 [2]。 數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)給人們的生活工作都帶來(lái)了異想不到的好處，它可以使產(chǎn)品的 質(zhì)量達(dá)到要加工的要求，改善加工質(zhì)量，同時(shí)也可以降低生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，利用 機(jī)器代替人工勞動(dòng)，從而節(jié)省人力資源。它還有更深遠(yuǎn)的意義，由于它的發(fā)展導(dǎo)致 企業(yè)的管理方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、機(jī)械制造的加工方式都發(fā)生了翻天覆地的變化。目前 全球制造業(yè)能做到自動(dòng)化、集成化、柔性化全都是依靠的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在人 們熟悉的 CAD、FMS 和 CIMS，這些技術(shù)也全部都是建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)之上，利用 它發(fā)展起來(lái)的 [3]。當(dāng)前數(shù)控技術(shù)在很多國(guó)家已近相當(dāng)?shù)闹匾暳耍缭诘聡?guó)、日本 等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被看作具有高利潤(rùn)回報(bào)的出口商品，占國(guó)家貿(mào)易出 口的比重很大。其中高精度機(jī)床已經(jīng)被看作國(guó)家機(jī)密并受到特別保護(hù)。 因此，從它的重要性來(lái)看，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到國(guó)家未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略方 針，隨著數(shù)控機(jī)床的普及，數(shù)控機(jī)床的水平高低也可以直接體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的 水平。正如由普通機(jī)床加工的一些形狀復(fù)雜的精密的零件，它的精度是很難達(dá)到要 求的，必須要特殊的機(jī)床加工才能達(dá)到要求。從目前制造業(yè)發(fā)展方向來(lái)看，實(shí)現(xiàn)機(jī) 床和生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 1.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 1.1.1 性能的發(fā)展 (1)高精度、高速、高效化。這三個(gè)要求已經(jīng)成為了判斷現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床好壞的 重要指標(biāo)。由于現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床采用了高處理CPU芯片、RISC芯片，甚至還有的機(jī)床 會(huì)采用多個(gè)CPU同時(shí)控制系統(tǒng)，還有改善機(jī)床的靜態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)性能也被人們運(yùn) 用了。所以上面提高的三個(gè)指標(biāo)都可以現(xiàn)實(shí)，雖然機(jī)床的高精度、高速、高效化已 經(jīng)得到很大的提高，但是為了使數(shù)控機(jī)床得到更高的性能，更能為人類服務(wù)，人們 仍然需要不斷努力 [4]。 (2)柔性化。當(dāng)前數(shù)控技術(shù)正朝著柔性化方向快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)采用的模塊 化設(shè)計(jì)，其中包含了很多功能，所以它的可裁剪性就非常的強(qiáng)大了，可以滿足不同 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 32 頁(yè) 用戶的需要。 (3)工藝復(fù)合性及多軸化。復(fù)合加工的目的是通過(guò)利用減少加工的步驟方法來(lái) 減少加工的時(shí)間。為了能達(dá)到這一目的數(shù)控機(jī)床正朝著多軸化方向發(fā)展。多軸化的 目的是將要加工的工件一次性裝好不需要第二次裝夾，即一次裝夾就可以完成整套 工序，這樣就可以減少加工時(shí)間，提高工作效率 [4]。 1.1.2 功能的發(fā)展 （1）用戶界面圖形化。用戶是通過(guò)界面的操作來(lái)控制數(shù)控系統(tǒng)的，所以界面的 方便與否直接關(guān)系到用戶的操作感受。由于用戶的需要和習(xí)慣不同，對(duì)界面的要求 也就會(huì)不同，所以這也給開發(fā)者開發(fā)界面帶來(lái)了較大的麻煩。 (2)科學(xué)計(jì)算可視化。我們平時(shí)的信息交流一般停留在文字和語(yǔ)言上，而科學(xué) 計(jì)算的可視化信息交流直接使用圖像，動(dòng)畫從而不必停留在文字上。如果能將可視 化技術(shù)和虛擬技術(shù)結(jié)合到一起則有很大的意義，比如它可以降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè) 計(jì)周期。所以在數(shù)控領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算的可視化意義重大 [2]。 (3)內(nèi)部裝有高性能的PLC模塊。如果高性能PLC控制模塊裝在數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部， 在編程的時(shí)候，可以用PLC的梯形圖進(jìn)行編寫也可以用其他高級(jí)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫， 具有很方便的在線調(diào)試功能和幫助功能，極大方便了用戶的使用。如果有用戶要是 想建立屬于自己的應(yīng)用程序，可以直接就在標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，從 而變成自己的程序，非常的方便實(shí)用，所以發(fā)展它的意義重大。 1.2 數(shù)控機(jī)床對(duì)現(xiàn)在制造業(yè)的影響 （1）1952年世界上第一臺(tái)具有數(shù)控技術(shù)的機(jī)床在美國(guó)的麻省理工大學(xué)誕生了。 經(jīng)過(guò)幾十年人們不斷的努力,伴隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,以及人們對(duì)高科技的需要， 直接導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù)朝著高速化發(fā)展。由于數(shù)控技術(shù)的方便性，其它領(lǐng) 域也慢慢的將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到大范圍的生產(chǎn)中去。 （2）一些高精度的零件用普通的機(jī)床我們很難加工出合格的產(chǎn)品，只有在數(shù)控 機(jī)床可以快速準(zhǔn)確的加工出來(lái)。 （3）在現(xiàn)代化的工業(yè)中,看一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平的高低通過(guò)看它的機(jī)床水平 就可以判斷了，同時(shí)衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平通過(guò)看數(shù)控機(jī)床的水平大概也可以體現(xiàn) 了。 （4）推動(dòng)機(jī)床行業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的升級(jí)。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展使得原來(lái)的的機(jī)床行業(yè)發(fā) 生了變革，主要朝著數(shù)控化方向邁進(jìn)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 32 頁(yè) 1.3 研究?jī)?nèi)容及任務(wù) 本文研究的是基于 Pro/e 的數(shù)控車床床身及主軸設(shè)計(jì)。要求完成車床主軸箱、 床身以及位置的機(jī)械裝配圖和主要零件圖設(shè)計(jì)，及 Pro/e 三維數(shù)字化建模。 本課題的目的是：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，其中包含查閱文獻(xiàn)資料、總體方 案設(shè)計(jì)、主要數(shù)據(jù)計(jì)算和詳細(xì)的設(shè)計(jì)、三維模型創(chuàng)建、工程裝配圖和零部件圖的繪 制、撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書等。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立做好工作能力、對(duì)于問(wèn)題分析和解決問(wèn)題能 力，提高機(jī)械工程素養(yǎng)。 本課題的內(nèi)容及任務(wù)： （1）查閱有關(guān)資料，掌握數(shù)控機(jī)床和傳動(dòng)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用。 （2）討論和設(shè)計(jì)主軸箱的整體方案。 （3）設(shè)計(jì)和論證床身的總體方案。 （4）運(yùn)用 PRO/E 軟件完成車床的三維主軸箱裝配圖和零件圖設(shè)計(jì)。 1.4 本章小結(jié) 本章先介紹數(shù)控技術(shù)，進(jìn)一步談到了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而引出數(shù)控車床， 講到了數(shù)控機(jī)床的在機(jī)械加工中的地位，逐步涉及到本次課題，接著提出本次課題 研究的內(nèi)容，以及需要完成的任務(wù)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) 2 總體方案 2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的整體方案 現(xiàn)在在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般是用交流變頻電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)這兩種無(wú)級(jí) 調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際中為了讓調(diào)速的范圍變大，為了能夠在低的速度的時(shí)候同時(shí)有較大 轉(zhuǎn)矩，我們經(jīng)常會(huì)通過(guò)用齒輪調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式 [1]。這樣做 就可以達(dá)到上面的要求，通常數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)有四種不同的配置方式，各有各 的特點(diǎn)，下面一一介紹，如圖2.1所示。 （1）變速齒輪。如圖2.1（a）所示，常見的一般的機(jī)床會(huì)用到這種傳動(dòng)方式， 它的降速是通過(guò)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主軸的速度降下來(lái)的同時(shí)也可以滿足了主軸在低速 轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候?qū)敵鲛D(zhuǎn)矩的要求，所以這種簡(jiǎn)單的傳動(dòng)系統(tǒng)是很實(shí)用的，它的工作原 理是數(shù)控機(jī)床在調(diào)頻電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)上再加上齒輪的調(diào)速，讓它成為了具有 分級(jí)的無(wú)級(jí)調(diào)速?；讫X輪的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)撥到拔叉的來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （2）通過(guò)帶輪傳動(dòng)的。如圖2.1（b）所示，一般情況下，它會(huì)被用到機(jī)床的轉(zhuǎn) 速比較高、變速范圍不是比較大，因?yàn)橛捎陔姍C(jī)本身的轉(zhuǎn)速就可以滿足主軸的要求， 只要通過(guò)帶輪傳動(dòng)就可以達(dá)到要求了。而且用帶輪傳動(dòng)還不會(huì)受震動(dòng)和噪聲的影響。 （3）用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸。如圖2.1（c）所示，這是上面剛剛談到的兩種方 式的結(jié)合體，同時(shí)擁有上述兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的性能 [5]。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候電動(dòng)機(jī)可以通 過(guò)帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)；在低速的時(shí)候另外一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪的間接傳動(dòng)來(lái)驅(qū) 動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪在里面起到降低了主軸轉(zhuǎn)速和增加了調(diào)速的范圍的用處。通過(guò)這 樣的傳動(dòng)可以讓主軸的恒定功率變大，加大了調(diào)速的范圍，解決了在低速的時(shí)候轉(zhuǎn) 矩不夠，電動(dòng)機(jī)的功率不能夠充分發(fā)揮的缺點(diǎn)，可以做到一舉兩得的作用。 （4）內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)。如圖 2.1（d）所示，從圖上我們是可以很明顯看 到這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，使得主軸箱和主軸的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，從實(shí)踐中我們可以 了解到簡(jiǎn)化了主軸就可以提高主軸部件的剛度，符合剛度要求，當(dāng)然了有優(yōu)點(diǎn)肯定 同時(shí)對(duì)應(yīng)著缺點(diǎn)，明顯的缺點(diǎn)就是使的主軸的輸出轉(zhuǎn)矩變小了，而起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱 對(duì)主軸影響很大，所以在考慮用哪種傳動(dòng)方式的時(shí)候要考慮各個(gè)方面的因素。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 2.1 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的四種配置 通過(guò)比較我選擇第一種傳動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)槲疫x擇的是交流變頻電動(dòng)機(jī)，它的速度 是可以改變的，但是它的調(diào)速范圍不在本次設(shè)計(jì)要求內(nèi)，所以從設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化來(lái)考慮串 聯(lián)一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)就夠了，選擇一般常見的齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以選擇第一種。 2.2 主軸部件的設(shè)計(jì)方案 主軸部件由主軸、軸承、固定件（如螺母） 、傳動(dòng)件（如齒輪、帶輪）等零件 組成，它們都是機(jī)床的不可缺少的組成部分，直接影響著主軸的好壞。機(jī)床工作的 時(shí)候由主軸夾持工件（車床）或刀具（鉆床、鏜床、銑床、磨床等）直接參與到成 形運(yùn)動(dòng)中，所以我們要注重它的剛度的要求，這樣生產(chǎn)處理的產(chǎn)品的性能才能合格 [4]。 主軸部件中最重要就是軸承，因?yàn)闄C(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速很大，回轉(zhuǎn)精度要求也很高， 一般我們?cè)跈C(jī)床上會(huì)選擇滾動(dòng)軸承，采用油脂潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方式 [5]；根據(jù)主軸工作情 況，根據(jù)給定的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的最佳跨度大于主軸本身設(shè)計(jì)的跨度，所以選擇的下 面這種支承方案就可以達(dá)到要求了，而且主軸支承采用前后兩個(gè)支承，這種方式結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配方便，容易保證精度，如圖 2.2 所示。 （a）變速齒輪 （c）兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng) （b）帶傳 動(dòng) （d）內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)機(jī) 構(gòu) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 2.2 總體結(jié)構(gòu)圖 2.3 本章小結(jié) 現(xiàn)代切削加工技術(shù)正朝著高速度、高效率和高精度的趨勢(shì)發(fā)展，所以就要求車 床的主傳動(dòng)系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和較大的無(wú)極調(diào)速范圍；并且在切削加工中能自動(dòng) 調(diào)速，而且要求機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定、噪聲要小，可靠性要高。 L a 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè) 3 具體設(shè)計(jì)部分 本畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是基于 Pro/e 的數(shù)控車床床身及主軸的設(shè)計(jì)。要求完成數(shù)控車 床的主軸箱、床身的機(jī)械裝配圖和主要零件圖設(shè)計(jì)。 3.1 切削力和切削功率的計(jì)算 合理的確定電機(jī)功率 P，既能使機(jī)床充分發(fā)揮它的性能，滿足了生產(chǎn)的實(shí)際需 要，又不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)因?yàn)榻?jīng)常輕載而降低功率 [12]。 選取常用到中碳鋼為要加工工件的材料，取 45#，車削外圓。采用車刀具，可 轉(zhuǎn)位外圓車刀，刀桿尺寸： 。刀具幾何參數(shù)： , ， m2516?015??06?? ， ， ， ， ， 。075?r?0'r0??0??3.1?rbm?r 主切削力的計(jì)算以及有關(guān)參數(shù)的選取： 參照手冊(cè)選取 , ,3pa/s7.1v/r4.f (3.1)FcZFcZFcNz KvfaCF???6089 )(5.23 95.027.16.032 5051. ?? 上公式中出現(xiàn)的其它參數(shù)如下表 3.1 所示。 公式中的系數(shù)和指數(shù) 切削力加工材料 刀具材料 加工類型 CFc ZFc NFc 外圓 270 0.75 -0.15 切槽 367 0.8 0 結(jié)構(gòu)鋼及 鑄鋼 硬質(zhì)合金 鋼 切螺紋 133 1.7 0.71 表 3.1 系數(shù)和指數(shù) 切削功率的計(jì)算： (3.2))kw(19.407.185236103???????ccvFP 依照一般情況，選取機(jī)床變速效率 =0.8 則計(jì)算電機(jī)的功率為?)k(.804czp 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 32 頁(yè) 3.2 主軸電動(dòng)機(jī)選擇 縱觀過(guò)去我們會(huì)發(fā)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)是相同的，都是從過(guò)去的普通三相異 步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)接著到現(xiàn)在主流的交流主軸伺服系統(tǒng)，當(dāng)然了這些都 是經(jīng)過(guò)了很多年的發(fā)展，靠科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，比如微處理技術(shù)對(duì)演變過(guò)程起到 很大的作用?，F(xiàn)在如果我們用心留意會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在市面上的數(shù)控機(jī)床上很少再使用直 流主軸伺服系統(tǒng)了。一般都會(huì)選擇交流主軸電動(dòng)機(jī)，但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服 系統(tǒng)的產(chǎn)品卻很少，一般會(huì)用進(jìn)口的，所以有待國(guó)人努力將它國(guó)產(chǎn)化不在受制于人。 按照上面的描述可以看出數(shù)控機(jī)床使用的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般分為直流主軸驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)和交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。下面根據(jù)這兩大類主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各自不同特點(diǎn)對(duì)主軸 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選擇。 3.2.1 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得特點(diǎn) 從原理上說(shuō)，直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與平常的直流調(diào)速系統(tǒng)沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但 因?yàn)閿?shù)控機(jī)床有高速、高效、高精度的特點(diǎn)，導(dǎo)致了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要具備以下 一些特點(diǎn)： （1）調(diào)速范圍要寬，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，它的 速度會(huì)分為高、低兩級(jí)，一般會(huì)通過(guò)主軸驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到無(wú)級(jí)變 速的目的，因此，它必須要具備較寬的調(diào)速范圍。 （2）直流主軸電動(dòng)機(jī)一般采用全部封閉的形式，這樣它就可以在比較復(fù)雜一點(diǎn) 的環(huán)境下使用，減小對(duì)電機(jī)的影響。 （3）為了將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量快速的向外面發(fā)散掉，主軸電機(jī)會(huì)采用特殊的措 施，比如一般的電機(jī)會(huì)用到熱管冷卻系統(tǒng)。而且為了使電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量最小，電機(jī) 的定子通常會(huì)采用特殊的附加磁極，這樣做同時(shí)也可以降低消耗，提高效率。 3.2.2 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在最近幾年，我們可以看到的機(jī)床大多都會(huì)采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，下面表述 的是交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)： （1）伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)運(yùn)用到微處理器技術(shù) 和現(xiàn)代控制理論，它的優(yōu)點(diǎn)使是使得系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音小，并且可以獲得 較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)矩，這樣就可以較方便地做到與數(shù)控機(jī)床相配套使 用。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 32 頁(yè) （2）電機(jī)采用無(wú)外殼結(jié)構(gòu)，定子硅鋼片可以直接的進(jìn)入到空氣中去冷卻，可以 在有浮塵、切削液飛濺的場(chǎng)合穩(wěn)定地工作。 （3）和直流電機(jī)相比較，由于交流主軸電機(jī)沒有換向器，所以主軸電動(dòng)機(jī)一般 不會(huì)出現(xiàn)什么故障，一般不會(huì)需要維修，所以很穩(wěn)定。 （4）由于換向器不會(huì)限制主軸轉(zhuǎn)速的快速提高，所以一般交流主軸最高轉(zhuǎn)速要 比直流主軸的最高轉(zhuǎn)速更高。 （5）主軸電機(jī)的冷卻空氣從前端面向后面流動(dòng)，可以有效減少由于電機(jī)發(fā)熱對(duì) 機(jī)床精度的影響。 3.2.3 選擇電機(jī) 由于本次設(shè)計(jì)的是主軸的進(jìn)給系統(tǒng)所以要選擇主軸電動(dòng)機(jī)，對(duì)于上面兩種主要 的進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)比，我們可以很明顯的看出，交流電機(jī)在很多方面都優(yōu)勝于直流電機(jī)， 比如在調(diào)速范圍和冷卻方面。所以本次設(shè)計(jì)過(guò)程中選取交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為主軸 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) [13]。 根據(jù)上面的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)照電動(dòng)機(jī)的表格選取電動(dòng)機(jī)如下表3.2所示： 電機(jī)型號(hào) 連續(xù)輸出功率 30 分鐘額定輸出 功率 基本速度 變速范圍 FANUC 6s 5.5kw 7.5kw 1500r/min 45r/min～6000r/ min 表 3.2 電機(jī)參數(shù) 3.3 傳動(dòng)系統(tǒng) 3.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 (1)使用性能方面的要求 首先應(yīng)該要滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，比如要滿足一般 的數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，并且傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要合理，操作要方便靈活、 要安全可靠，這樣才是好的傳動(dòng)系統(tǒng)； (2) 傳遞動(dòng)力要求 對(duì)于傳動(dòng)力的要求，必須要求主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠提 供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率，這樣才能滿足要求。 (3)工作性能要求 由于數(shù)控車床的主軸是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以主傳動(dòng)中所有零 件要有足夠的剛度、精度和抗振性，穩(wěn)定的熱變形特性 [1]，保證在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì) 出現(xiàn)問(wèn)題。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 32 頁(yè) 其余的出于方便調(diào)整和維修考慮，還要求主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要盡量的簡(jiǎn)單；工藝 性好，便于加工和裝配；防護(hù)性好；使用壽命長(zhǎng)。 3.3.2 傳動(dòng)級(jí)數(shù)和公比的確定 本設(shè)計(jì)中要用到的主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速可以根據(jù)不同機(jī)床類型來(lái)確定的，有些大型機(jī) 床由于它的調(diào)速范圍比較大，所以計(jì)算轉(zhuǎn)速可以取高點(diǎn)。但是對(duì)于那些調(diào)速范圍不 大，比如精密的一些機(jī)床，它們的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)取低些，滿足要求就可以了 [1]。 查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)我們可以看到各類主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速公式，按照本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的 類型，我們要設(shè)計(jì)的是數(shù)控車床，參照手冊(cè)選取適合數(shù)控機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速公式，對(duì) 本次設(shè)計(jì)機(jī)床定位中小型數(shù)控車床，故選用相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下。 3.0mincR? 其中 為主軸的最低轉(zhuǎn)速 min r/in2in 為主軸的變速范圍 nR10/?nR 代入公式中 3.012??c r/mi)(8 對(duì)于上面計(jì)算出的數(shù)據(jù)，由于我們做的是數(shù)控車床，它是要切削金屬的，所以我們 會(huì)把它的值選取的大些，取 。r/in150j 主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)有兩種，分別是動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指驅(qū) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率變速范圍，運(yùn)動(dòng)參數(shù)指主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍。 運(yùn)動(dòng)參數(shù)： r/min20ax?nr/in20i? 主軸的調(diào)速范圍 ： R (3.3)102minax 主軸恒功率變速范圍 ：nP (3.4)1450//max ??jR 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 由于實(shí)際加工中一般是要求數(shù)控車床主軸恒功率變速范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)速電動(dòng) 機(jī)的恒功率變速范圍，但是如果不作處理的話一般是做不到上面所要求的，為了解 決掉電動(dòng)機(jī)和主軸的功率特性相匹配問(wèn)題，從多方面考慮選擇比較簡(jiǎn)單的，一般我 們會(huì)在電動(dòng)機(jī)與主軸之間串聯(lián)一個(gè)分擋調(diào)速器，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這樣既可以擴(kuò)大 恒功率調(diào)速的范圍。同時(shí)這樣也可以解決了主軸在低速大功率工作的時(shí)候?qū)﹄妱?dòng)機(jī) 的輸出功率的要求。而現(xiàn)在越來(lái)越多的主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式一般會(huì)采用分檔無(wú)極 調(diào)速和定比傳動(dòng)相配合的傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式一般是這樣工作的，先通過(guò)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)帶傳遞給傳動(dòng)軸，然后傳動(dòng)軸在通過(guò)變速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)速傳遞給主 軸。一般這里面的變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以這里面主軸對(duì)功率和轉(zhuǎn)矩 的要求，通過(guò)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速再結(jié)合變速箱就可以滿足要求了。 在設(shè)計(jì)分檔變速箱的時(shí)候，一般情況下我們要考慮機(jī)床的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn) 等一些需要注意的地方。下面列出了一般主傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱選取的三種方法： （1）選取變速箱的公比 等于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 ，即 ，功?dPRdP?? 率特性圖表示連續(xù)的、無(wú)缺口和無(wú)重合,電動(dòng)機(jī)全部調(diào)速范圍內(nèi)的功率都得到了應(yīng) 用，是較理想的狀態(tài)，一般在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候很難做到相等。如果變速箱的設(shè)計(jì)的 變速級(jí)數(shù)為Z。則主軸的恒功率速范圍 為npRZdPZnP????1 變速箱的級(jí)數(shù) Z 可由上面的公式求得 lg/lnPRz （2）如果要想使變速箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，變速級(jí)數(shù)則就應(yīng)該取的少些，公比可 以取大于電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 ，得到 。但存在著恒功率變速段不連dpdp?? 續(xù)，中間一般出現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩過(guò)渡，恒轉(zhuǎn)矩過(guò)渡區(qū)變速范圍也就是我們通常說(shuō)的缺口， 為了確保缺口處的輸出功率，主軸電機(jī)的功率應(yīng)該變大，結(jié)果就是會(huì)出現(xiàn)“大馬拉 小車”的現(xiàn)像，不能充分利用電機(jī) [1]。 （3）如果車機(jī)床為了得到恒定的線速度切削，而且還需要是在轉(zhuǎn)速中變速時(shí) 候達(dá)到，所以這個(gè)時(shí)候要選取公比 小于主軸電機(jī)的恒功率變速范圍，也就是? ，這個(gè)時(shí)候只能通過(guò)選取比較大些的 的數(shù)值來(lái)達(dá)到上面的效果，設(shè)dpR??z ，則對(duì)應(yīng)的主軸的轉(zhuǎn)速圖、功率圖分別如圖 3.1 所示 ，從圖上可以看42??z 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 32 頁(yè) 到有一小段區(qū)域是重合的。在主傳動(dòng)系統(tǒng)功率圖上，則對(duì)應(yīng)的變速級(jí)數(shù)將要變多， 使得變速結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜化。適合于恒定線速度切削時(shí)要在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中變速，機(jī)床在 切削臺(tái)階和端面時(shí)侯，為了保證切削質(zhì)量，需要進(jìn)行恒線速度切削，要求主軸在運(yùn) 轉(zhuǎn)過(guò)程中不停車時(shí)候就能通過(guò)變換齒輪來(lái)連續(xù)變速。通過(guò)上面的描述 時(shí)候，dpR?? 主軸轉(zhuǎn)速既夸于兩級(jí)之間又可以實(shí)現(xiàn)不用停車連續(xù)變速，因此這是數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng) 系統(tǒng)常用的設(shè)計(jì)方案。 圖 3.1 轉(zhuǎn)速圖和功率圖 根據(jù)機(jī)床的給定的要求以及對(duì)上面的三種不同情況的介紹，故選用第三種方式， 取變速箱的公比小于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即 ，由上面得車床主軸的恒功dpR?? 率變速范圍 10?npR 變速機(jī)構(gòu)的調(diào)速范圍是 5.341?Rdpn 變速箱的級(jí)數(shù)和 的關(guān)系公式z1?Zn? 取級(jí)數(shù) 則4?5.1? 3.3.3 分檔變速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算 通過(guò)主傳動(dòng)級(jí)數(shù)的確定，以及分級(jí)變速箱的公比 的確定可得轉(zhuǎn)速圖5.1?? （圖 3.2）電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng) 1：1.5，使變速箱的軸得到 Ⅱ4000r/min～1000r/min（恒功率）然后在進(jìn)過(guò)公比 1.：2 和 1:1 傳遞到軸 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) Ⅲ4000r/min～2000r/min 和 1000r/min～500r/min 接著按照公比 1:2 和 1:3 得到主 軸的要求的調(diào)速范圍 20r/min～2000r/min。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)從最高轉(zhuǎn)速 6000r/min 降至額定轉(zhuǎn)速 1500r/min 時(shí)候參照轉(zhuǎn)速圖可以 發(fā)現(xiàn)主軸可以在 2000r/min～1000r/min 或者 1333r/min～500r/min 連續(xù)變速 1333r/min～10000r/min，666r/min～500r/min 等有恒功率重合段?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù) 恒功率變速，電動(dòng)機(jī)的功率利用率較高 [13]。 圖 3.2 轉(zhuǎn)速圖 3.4 齒輪的計(jì)算 3.4.1 確定與齒輪相關(guān)的參數(shù) 根據(jù)我設(shè)計(jì)的要求,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 （1）根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求,選齒輪精度為 8 級(jí)。 （2）參考設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇小齒輪的材料為 40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為 280HBS，大齒 輪的材料為 45 鋼(調(diào)質(zhì))硬度為 240HBS[12]。 （3）選取小齒輪齒數(shù) ，大齒輪齒數(shù)401?Z8042Z12??u 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 32 頁(yè) 3.4.2 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 312()[]FaSdYKTmz??? (3.5) （1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （a）由機(jī)械手冊(cè)查得大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ；小齒輪的2380MPaE? 彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ；150MPaFE?? （b）由機(jī)械設(shè)計(jì)課本查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， ；1.FNK2.5FN （c）由表查的圓柱齒輪的齒寬系數(shù)取 =0.2；d? （d）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力； 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由公式計(jì)算得 (3.6) 10.825[] 9.86MPa4FNEKS???? （e）計(jì)算載荷系數(shù) K .17.1.94AVF?? （f）在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)里查取齒形系數(shù) 查得 ； 。12.40FaY?2.Fa （g）在機(jī)械手冊(cè)里面查取應(yīng)力的校正系數(shù) 查得 ； 。1.67Sa21.7Sa （h）計(jì)算大小齒輪的 并加以對(duì)比[]FY? (3.7) 12.4560.138[]9FaS?? (3.8) 2.7.[]FaSY? 相比之下大齒輪的數(shù)值大些。 （2）設(shè)計(jì)計(jì)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 32 頁(yè) (3.9) 3 421.895.0.172.6(m)m???? 參照模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值選取 .? （3）計(jì)算分度圓直徑 (3.10))(105.241??zd (3.12)m82?m （4）計(jì)算中心距 (3.13) )(1502)(1?da （5）計(jì)算齒輪寬度 (3.14)1.()dbm???? 取 。210,25B （6）齒輪的校核： (3.15) 41.102(N)tTFd??? ，合適。.25063.75/m/AtKb? 根據(jù)上邊計(jì)算方法及下面的公式表，依次求得其他齒輪參數(shù)如下表 3.3 所示： a 組 Za1 Za1， Za2 Za2, m 40 80 60 60 2.5 B 組 Zb1 Zb1， Zb2 Zb2， m 30 90 40 80 3.5 表 3.3 齒輪參數(shù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 32 頁(yè) 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 d mz? 齒頂圓直徑 da )2(2???zmhaa 齒根圓直徑 df 5.?ff 齒頂高 ha mha? 齒根高 hf f25.1 全齒高 h f.? 中心距 a 2)(1mz? 齒距 p ? 表 3.3 齒輪公式 由上表 3.3 求 a、b 兩組齒輪其他參數(shù) a 組： 模數(shù) m=2.5 壓力角 α=20° 齒距 85.7?mp? 齒厚 923/s 齒槽寬 .e 齒頂高 ha=2.5 齒根高 12.35.?mhf 全齒高 6.5?fa b 組： 模數(shù) m=3.5 壓力角 α=20° 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 32 頁(yè) 齒距 9.10?mp? 齒厚 452/s 齒槽寬 .e 齒頂高 ha=2.5 齒根高 37.425.1?mhf 全齒高 8.?fa 中心距 )(10/)(21z (7)齒輪精度等級(jí) 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的齒輪作為調(diào)速箱里的傳動(dòng)齒輪由設(shè)計(jì)手冊(cè)大概可以得到，齒輪 的精度在 6～9 級(jí)之間再根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速來(lái)確定它的精度等級(jí)。 13.425017.85(m/s)066dnv???? 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果對(duì)照手冊(cè)選取齒輪的精度為 8 級(jí) (8)中心距極限偏差 f? 由上面的計(jì)算得到中心距 ,m150?a 查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到 .4f (9)計(jì)算公法線平均長(zhǎng)度 測(cè)量直齒輪公法線長(zhǎng)度時(shí)的跨齒數(shù)計(jì)算式為： 跨齒數(shù) ，取5.409??zkk 齒形角為 200的非變位直齒輪公法線長(zhǎng)度為： ]014.)5(921.[zkmWk ??? 則 =34.612.5.? 3.5 皮帶輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 假設(shè)按照法律規(guī)定的一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 8 小時(shí)～10 小時(shí)計(jì)算（按小帶輪計(jì)算） 。 (1)確定計(jì)算功率 caP 由機(jī)械手冊(cè)查得工作情況系數(shù) 故2.1?AK 計(jì)算功率 )kw(65.??Aca 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 32 頁(yè) (2)根據(jù) 和 選膠帶型別為： A 型caPn (3)確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速 v 參照手冊(cè)選取小帶輪直徑 m125?d 則大帶輪直徑 )(.87.2? 帶速為 /s1.9061nv? （4）確定 V 型帶的中心距 和它的基準(zhǔn)長(zhǎng)度a （a）根據(jù)公公式初定定中心距 取 )(2)(7. 21021dad????m350?a （b）由公式計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 (3.16) )(4.934)()(2 201210 ????adalp? 參照手冊(cè)選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 m5dL （c）計(jì)算實(shí)際中心距 0a (3.17) )m(29.378)241.910(35)2(0 ???? ???pdLa （5）驗(yàn)算小帶輪包角 (3.18)00120 98.7618???ad? （6）計(jì)算帶的根數(shù) z （a）單根 V 帶傳遞的功率 pr m5.187m1252??dd r/in150?n 查手冊(cè)得到 kw03.rP 單根膠帶傳遞功率的增量： 0.18k?? （b）計(jì)算 V 帶的根數(shù) z 查找機(jī)械手冊(cè)取 95.aK96.0?LK (3.19))kw(1.2)(Pr0???? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 32 頁(yè) V 帶根數(shù)： 28.301.6?rcaPz 取 根 4?z 3.6 主軸 主軸是主軸部件的重要組成部分。主軸各個(gè)方面的因素對(duì)主軸部件在工作時(shí)候 性能有至關(guān)重要的作用。在本次設(shè)計(jì)的時(shí)候主要圍繞著保證精度、剛度和抗振性， 減少溫升和熱變形等因素考慮 [4]。 3.6.1 主軸的主要參數(shù)確定 (1)主軸前、后軸頸直徑 、 。1D2 一般按照機(jī)床類型、主軸傳遞的功率或最大加工直徑來(lái)選取前頸直徑 。車床1D 和銑床后頸直徑 。這里按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)主軸參照相關(guān)數(shù)據(jù)選取12)85.07(?? ,初取 根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要最后確定 。10mD?Dm802? (2)主軸的內(nèi)孔直徑 d 車床主軸內(nèi)孔用來(lái)通過(guò)棒料或安裝送夾料機(jī)構(gòu)；為了不過(guò)多的削弱主軸剛度， 臥式車床主軸孔徑 通常不小于主軸平均直徑的 55%—60%。由于設(shè)計(jì)要求機(jī)床的主 參數(shù)，按照給定的數(shù)據(jù)選主軸內(nèi)孔直徑 。m58?d (3)主軸的跨距 L 支承跨距是指主軸相鄰的兩個(gè)支承的支反力作用點(diǎn)之間的距離如圖 2.2 所示， 對(duì)于主軸而言，如果它的的直徑、懸伸量和主軸支承的配置方式已經(jīng)確定的話，主 軸前后支承剛度基本上也可以初步估算出來(lái)了 [3]。經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)于軸支承結(jié)構(gòu)， 中間支承和后支承之間軸段的剛度對(duì)整個(gè)部件的剛度影響不大。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候， 中間支承與后支承間的跨度以及軸徑可以多顧及結(jié)構(gòu)、工藝和抗扭轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。支 承跨度應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)的靠近最佳跨度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中 。m27?L 由此在結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需要確定主軸的主要參數(shù)為 , ，10D802? ， ， ，其余參數(shù)按照實(shí)際設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。m58?d36am27?L 主軸部件中最重要的組件之一是軸承。由于各類機(jī)床的工作條件相差很大，對(duì) 主軸部件的性能要求又是各不相同的，所以要選擇對(duì)軸承。軸承的類型、精度、結(jié) 構(gòu)、配置方式、潤(rùn)滑和冷卻等狀況，都直接影響著機(jī)床的轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)精度、剛性、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 32 頁(yè) 抗顫振動(dòng)切削性能、噪聲、溫升及熱變形等，進(jìn)一步也就自然而然會(huì)影響到加工零 件的質(zhì)量。 現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床主軸軸承一般會(huì)選用有滾動(dòng)軸承或者滑動(dòng)軸承。但是從調(diào)查數(shù) 據(jù)來(lái)看，滾動(dòng)軸承被用在數(shù)控機(jī)床主軸部件的比例大些，雖然從旋轉(zhuǎn)精度來(lái)看，兩 類軸承都能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。但是通過(guò)其他指標(biāo)相比，滾動(dòng)軸承還是會(huì)有許多 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承能夠在轉(zhuǎn)速和載荷變化幅度很大的條件下工作 [6]；滾 動(dòng)軸承還可以在無(wú)間隙甚至在有一定的過(guò)盈量下工作；而且它的摩擦系數(shù)非常的小， 有利于減小發(fā)熱；還有它的潤(rùn)滑也比滑動(dòng)軸承容易，可以用潤(rùn)滑脂、潤(rùn)滑油潤(rùn)滑， 所以參照上面的描述主軸兩端選取了的滾動(dòng)軸承，它的型號(hào)分別是 7520E 圓錐滾子 軸承和 6316 深溝球軸承。 3.6.3 主軸最佳跨度 的確定0L （1）根據(jù)上面求得的切削力： N85.236?F 圖 3.3 主軸受力分析圖 如圖 3.3 所示前后支撐力分別設(shè)為 ,AFB (3.20))N(97.2687385.26??????laFA (3.21)1B （2）軸承剛度的計(jì)算 查機(jī)械手冊(cè)有： ??9.1.08.10cos)(39.izlFdKarrr? 查機(jī)械手冊(cè)得軸承根子有效長(zhǎng)度、球數(shù)和列數(shù)： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 32 頁(yè) (3.22)6032,526????BAzizi m18.1aall （3）剛度計(jì)算公式： (3.23) 0.1.80.91.0.9267(23)cos876.43(N/u)AK???? (3.24)??m5926..3... ?B 15.9.2487?BAK (3)主軸的當(dāng)量直徑 dDe?m)(0281? (4)主軸慣性矩 )(05.4dIe?? ；??)(17.8946?? (5)計(jì)算最佳跨距 設(shè)： (3.25))cm(9.387)15.(1043.8762)1(6 3??????BAKEI 查機(jī)械手冊(cè)得： ；4.(0?tmL 式中 )1(,3BAKat?? ∴ ;2)15.(6.3)();6.59.873 ????BAtcBm ∴ m(84526.1.4.1.6.1(0 ?????tL 式中： 彈性模量，鋼的彈性模量 ；?EMPa,0.27E 主軸的截面慣性距， ；I )(5;m44dDI?? 主軸的外徑和孔徑， ；id, 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 32 頁(yè) 前軸承的剛度， ；?AKNum 后軸承的剛度， ；B 前懸伸量， 。a 3.6.4 主軸組件的剛度校核 對(duì)于一般機(jī)床，主要考慮剛度問(wèn)題就可以了。因?yàn)橥ǔ?，如果機(jī)床能夠滿足剛 度要求，一般情況下也就能滿足強(qiáng)度要求 [8]。所以我們只需要對(duì)主軸進(jìn)行剛度校核， 校核剛度如下。 (1)主軸組件計(jì)算時(shí)的支承簡(jiǎn)化如圖 3.4 所示： 圖 3.4 主軸計(jì)算圖 （a）跨距 ：l 27ml? (b)當(dāng)量外徑 ：ed 1290eDd? (2)主軸剛度： (3.26)???? 44223103.431(N/μm).6076esAKal?????? (3)對(duì)于本設(shè)計(jì)的剛度要求： 由于設(shè)計(jì)的是數(shù)控機(jī)床主軸，所以主軸的剛度可根據(jù)自激振動(dòng)穩(wěn)定性決定 [9]。 取阻尼比 ；當(dāng) ， 時(shí)， ， 機(jī)床要0.25??0m/inv?0.1/rs?2.46cbK?08.? 求切削穩(wěn)定性良好，取 liax.225.(m)bD? (3.27)????lim.46coscos68.(N/μ)2101.cBK?? ???? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 32 頁(yè) =8.68 (N/μm) 根據(jù)穩(wěn)定性指標(biāo)，工件長(zhǎng)度 ，加上卡盤，共長(zhǎng)ax0.3.41023(m)LD??? 165.5mm 。 (3.28) 2210.6.417.(N/u)BBAAAlaKa??????????????? (3.29)1.6.179(N/μm)SA? 由上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，主軸的剛度符合機(jī)床設(shè)計(jì)要求。 3.6.5 主軸支撐轉(zhuǎn)角驗(yàn)算 機(jī)床粗加工時(shí)，主軸的變形最大，主軸前支撐處的轉(zhuǎn)角有可能超過(guò)允許值，故 應(yīng) 驗(yàn)算此處的轉(zhuǎn)角。因主軸中(后)支撐的變形一般較小，故可不必計(jì)算 [10]。 主軸在某一平面內(nèi)的受力情況如圖 3.5 所示。 圖 3.5 主軸受力分析圖 在近似計(jì)算中可不計(jì)軸承變形的影響，則該平面內(nèi)主軸前支撐處的轉(zhuǎn)角用下式 計(jì)算； (3.30)?????? ???? )1()(5.0)1(3 . ???MLcQbFaLEI A 切削力 的作用點(diǎn)到主軸前支承支承的距離 ，對(duì)于普通車床，' WaS?? ， （ 是車床中心高，設(shè) )。H4.0Wm20H? 則： 10.4S?? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 32 頁(yè) 當(dāng)量切削力的計(jì)算： (3.31))N(1.865.293680' ????FaW 主軸慣性矩 )(5.04dIe? ；??)(m07.0. 464?I 式中： 主軸傳遞全部功率時(shí)，作用于主軸端部的當(dāng)量切削力 ；?F )N( 主軸傳遞全部功率時(shí)，作用于主軸上的傳動(dòng)力 ；Q 軸向切削力引起的力偶矩 ，若軸向切削力較?。ㄈ畿嚧?、磨床） ，Mcm)(N? 可以忽略不計(jì)； 主軸前支撐反力矩；?A 支撐反力系數(shù)；? 主軸懸伸量 ；a）（ cm 主軸有關(guān)的尺寸 ；?bL、、 )c( 主軸當(dāng)量外徑 ；D)( 主軸支撐段的慣性矩 ；)(64;c44dDI??? 主軸孔徑；?d (3.32)????????? )1()(5.0)1(3 ???MLQbcFaLEIrad105. )5.2781(.4538.0276.387.22??? ?????? ????? 由于 ???? 所以主軸支撐轉(zhuǎn)角滿足要求。 3.7 本章小結(jié) 通過(guò)本章對(duì)主軸的設(shè)計(jì)，包括對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的選擇然后對(duì)主軸部件的選擇和確 定，有軸承的選擇，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，最后對(duì)有關(guān)零件進(jìn)行校核。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 32 頁(yè) 4 PRO/E的三維建模及有限元分析 4.1 PRO/E的發(fā)展 Pro/E自從1988年被開發(fā)出來(lái)到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了20多年了，經(jīng)過(guò)很多人的不斷 開發(fā)，它已經(jīng)成為了最常見的三維建模軟件，被廣泛的應(yīng)用在工作和生活中 [15]。一 般在機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車造型、模具造型、玩具等行業(yè)里面會(huì)用的它來(lái)建模，節(jié)省材料， 節(jié)約時(shí)間。而且可以直接畫出自己設(shè)計(jì)的模型，對(duì)一些復(fù)雜的實(shí)體可以通過(guò)它畫出 來(lái)，讓學(xué)習(xí)的人能夠清楚認(rèn)識(shí)它的結(jié)構(gòu)。所以用Pro/E畫出車床的三維模型對(duì)人們 清楚認(rèn)識(shí)機(jī)床有很好的作用。 4.2 零件及裝配建模 原來(lái)一般都用CAD二維建模，現(xiàn)在由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二維已經(jīng)不能滿足人 們的需要，所以發(fā)展了三維建模，我們本次課題就是三維建模。三維建模能讓更直 觀的看出產(chǎn)品的好壞。 4.2.1 零件的建模 由于我的課題是車床床身及主軸的設(shè)計(jì)，所以把主軸的三維模型體現(xiàn)出來(lái)，如 圖4.1所示為主軸的三維建模。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 4.1 主軸 由于我在課題時(shí)候用到了三根軸，除了上一根的主軸還有兩根軸，它們都很重 要的，我的三維建模如圖4.2，圖4.3所示： 圖 4.2 傳動(dòng)軸 下面的三維圖為軸承端蓋，是本次設(shè)計(jì)的用到比較多的零件圖，把它也體現(xiàn)出來(lái)， 如圖 4.4 所示。 圖 4.4 軸承端蓋 4.2.2 裝配建模 裝配圖是 Pro/E 里面一個(gè)重要的模塊，利用它可以讓人們很清晰的看到各個(gè)部 件之間的聯(lián)系 [11]。在用裝配圖的時(shí)候我們應(yīng)先把每個(gè)零件圖畫好，必須畫對(duì)尺度， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁(yè) 共 32 頁(yè) 不然最后裝配會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的，而本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)用到的裝配模塊有主軸箱，有尾座， 還有總的裝配畫，如圖 4.5 所示為總體的裝配圖。我們通過(guò)看三維模型可以很直觀 的看到