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開發(fā)低成本接觸觸發(fā)探測(cè)器的數(shù)控車床
馬塞洛德爾戰(zhàn)爭(zhēng)a
雷吉納爾多·特謝拉·科埃略b
a:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì)，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學(xué)校
b:工程圣卡洛斯 - 歐盟經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì)，USP的冼星海大馬路工人Sancarlense400，CEP13566-590，圣保羅卡洛斯，SP，巴西的學(xué)校
2006年4月18日網(wǎng)上可查詢
摘要
數(shù)控機(jī)床使用觸發(fā)式測(cè)頭已成為世界標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于減少了機(jī)器設(shè)置時(shí)間，以促進(jìn)工件精度在機(jī)測(cè)量的能力。然而，一些障礙仍然需要調(diào)換，如測(cè)量程序編程困難，這些設(shè)備的成本高和技術(shù)文獻(xiàn)的數(shù)量較少有關(guān)此主題。這項(xiàng)工作提出的觸發(fā)式測(cè)頭對(duì)車間的應(yīng)用，討論時(shí)下用來產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的技術(shù)審查。基于簡(jiǎn)單的電接觸的新接觸觸發(fā)探頭模型被提出，與所需要的特性和成本低，要用于CNC車床。探針在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的試驗(yàn)示出0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個(gè)可重復(fù)性。這些特征似乎是非常媲美于工業(yè)車床應(yīng)用中最需要的。
關(guān)鍵詞：
·尺寸質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制;
接觸觸發(fā)探頭;
·在機(jī)測(cè)量系統(tǒng);
·CNC車床
簡(jiǎn)介
如今，在制造系統(tǒng)發(fā)展最困難的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)的全維管理，創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和部分到零件的控制。這種融合可以通過使用通常被稱為連接到數(shù)控機(jī)床觸發(fā)式測(cè)頭設(shè)備來達(dá)到。這些設(shè)備是用于基于項(xiàng)目的規(guī)格，閉環(huán)過程控制，部件的尺寸控制。制造，刀具補(bǔ)償，快速設(shè)置，過程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集和更多的測(cè)量和校準(zhǔn)。
它是在目前的制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)非常重要的是要使用這些功能，使得可能部分對(duì)部分檢驗(yàn)控制，如果必要的，這保證了尺寸誤差立即檢測(cè)，減少?gòu)U料，避免了一整批片都刮掉并降低成本，由于零件返工。
為了幫助維控上車削操作，這項(xiàng)工作開始引入觸發(fā)式探頭的特點(diǎn)，用于產(chǎn)生“觸發(fā)信號(hào)”技術(shù)。在此之后，本文提出了一種簡(jiǎn)單和低成本的無(wú)線觸發(fā)式測(cè)頭的基礎(chǔ)上，直接電接觸的原則。原型是一起提交的重復(fù)性和準(zhǔn)確性的研究。
1. 觸發(fā)式測(cè)頭
第一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭的發(fā)明是為了解決一個(gè)具體的檢查要求，但繼續(xù)改造的設(shè)計(jì)和革命性的制造組件的過程后檢驗(yàn)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的。在20世紀(jì)70年代末，幾乎所有主要的CMM制造商在世界上采用雷尼紹?探頭。
后來，由于數(shù)控進(jìn)展，包括測(cè)量功能和直線光柵尺在其軸，使用這種裝置傳到機(jī)床，在那里他們成為了自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，使得企業(yè)，從汽車到航空航天，提供精密零件的重要組成部分，減少?gòu)U料和最大限度地提高工作效率。
大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的觸發(fā)式測(cè)頭技術(shù)在1972年的問題出現(xiàn)在勞斯萊斯公司，在那里他是引擎設(shè)計(jì)的副總。當(dāng)時(shí)，他正面臨著測(cè)量一些復(fù)雜的管路，只有毫米直徑6，對(duì)協(xié)和使用奧林巴斯引擎的問題。該管道必須適合精確扎實(shí)座架之間，但難度來衡量他們，一旦他們被制造。發(fā)現(xiàn)該溶液是觸發(fā)式探頭（TTP），它使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的原則，以確定探針和部件之間的接觸，以進(jìn)行測(cè)量。 1973年，大衛(wèi)·麥克默特里注冊(cè)了一家名為雷尼紹早期成為計(jì)量和光譜解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，制造商和研究人員在世界各地（雷尼紹[1]）。由于公司使用的專利機(jī)制，由打算加入這個(gè)市場(chǎng)上的其他公司需要開發(fā)其他技術(shù)。
3.觸發(fā)式測(cè)頭主要特點(diǎn)
獨(dú)立使用的技術(shù)，其原理是基于電信號(hào)此刻探頭的尖端接觸要測(cè)量的部分的產(chǎn)生（或中斷）。該信號(hào)，一般稱為觸發(fā)信號(hào)，被發(fā)送到把它轉(zhuǎn)換到由數(shù)控或CMM的被讀出的接口。在該機(jī)器接收到觸發(fā)信號(hào)的那一刻，它會(huì)立即凍結(jié)，并保存為計(jì)算和報(bào)告生成軸值（見圖例如1）。
圖.1.連接到數(shù)控機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)。
紅外線，無(wú)線電頻率或簡(jiǎn)單的電線電纜：從TTP到探頭接口觸發(fā)信號(hào)傳輸可以采用三種基本不同的通信技術(shù)來建立。紅外通信用于標(biāo)準(zhǔn)車床和銑床傳統(tǒng)的應(yīng)用;這種技術(shù)提供了高可靠性，高傳輸速度率，低噪音干擾和低實(shí)施成本。這是接近萬(wàn)無(wú)一失的系統(tǒng)，除非探頭和接收器都出視覺接觸的，作為探針深工件內(nèi)孔或其他凹陷內(nèi)時(shí)。對(duì)于這些情況和應(yīng)用中，射頻系統(tǒng)建議，（工具及制造[2]）。電線電纜通訊用于它們被安裝并固定在機(jī)床工作臺(tái)刀具調(diào)整器的探針。
4.探測(cè)循環(huán)和編程
據(jù)現(xiàn)代機(jī)加工在線[3]，少數(shù)專業(yè)人士會(huì)提出異議探測(cè)超速零件設(shè)置，設(shè)置刀具補(bǔ)償和執(zhí)行過程中的檢驗(yàn)，至少在理論上的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)踐中，然而，探測(cè)器系統(tǒng)經(jīng)常被看作是難于使用和昂貴，購(gòu)買。其結(jié)果是，他們已經(jīng)成為在高生產(chǎn)環(huán)境主要由有經(jīng)驗(yàn)的程序員的工具。
為了使探測(cè)有效，更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的范圍廣泛的用戶，一些主要領(lǐng)導(dǎo)的CNC的制造商，如發(fā)那科，海德漢，大隈，辛辛那提米拉克龍公司和西門子，都包括在其數(shù)控軟件，專門開發(fā)的圖形用戶友好界面用于探測(cè)的Heidenhain TNC控制系列，例如，能夠自動(dòng)地或手動(dòng)地通過三維測(cè)量，使檢查的功能，如檢查孔的尺寸精度，確定飼料進(jìn)行精加工，檢查工件的幾何形狀，并確定從公差偏差，確定工件前加工和掃描三維表面。另外，探測(cè)循環(huán)正在廣泛開發(fā)和可以由單個(gè)線的信息來激活（Zhou等人[4]）。
今天的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床提供精度和可重復(fù)性接近以前的水平僅在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。此外，技術(shù)的進(jìn)步使這些機(jī)器容易維護(hù)。測(cè)試和校準(zhǔn)技術(shù)，現(xiàn)已啟用的商店，以確保其機(jī)床的精度和健康。伸縮式球桿儀是由幾乎所有的商店很容易負(fù)擔(dān)得起的。一個(gè)藏書豐富的工具箱中也應(yīng)包含電子水平還是不錯(cuò)的一套精密機(jī)床的水平。植物和大商店越來越多維護(hù)自己的激光干涉儀和電子水平，而租賃設(shè)備和診斷服務(wù)可購(gòu)到各種來源的小商店（現(xiàn)代機(jī)加工在線[5]）。
另外，根據(jù)現(xiàn)代機(jī)加工在線[6]，CNC機(jī)器，在一般情況下，非常準(zhǔn)確，非常重復(fù)。他們媲美同等規(guī)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度和可重復(fù)性。隨著在CNC檢查過程中的一些照顧，導(dǎo)致測(cè)量誤差和錯(cuò)誤切割之間相互依存的因素可以被最小化。
5.技術(shù)用于生成所述觸發(fā)信號(hào)
根據(jù)沉和月亮[7]，有當(dāng)探針尖端接觸所述工件不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。探針將繼續(xù)走向和探頭尖端和工件之間的力會(huì)增加，??從而引起的物理量（例如，電阻），以達(dá)到一個(gè)閾值設(shè)置。當(dāng)物理的數(shù)量超過在感測(cè)系統(tǒng)中的閾限的觸發(fā)信號(hào)生成的。觸摸瞬間和觸發(fā)時(shí)刻之間的移動(dòng)距離被稱為探針的預(yù)行程。主要是由彎曲筆軸的偏轉(zhuǎn)，它占大多數(shù)探針錯(cuò)誤。
基本上有用于生成所述觸發(fā)信號(hào)四種不同的原則：電觸點(diǎn)（運(yùn)動(dòng)接觸），發(fā)光（激光干涉），變形（應(yīng)變計(jì)），并利用壓電效應(yīng)。
5.1運(yùn)動(dòng)接觸
目前，這是最常用的觸發(fā)式測(cè)頭廣泛。由大衛(wèi)·麥克默特里開發(fā)的，這個(gè)原理徹底改變了使用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。
根據(jù)圖。 2，它是基于三個(gè)小的圓柱形件即保持就座于其他六個(gè)氣缸/球而引起的彈簧作用的壓力，限制其自由度直到觸針被帶到與該工件接觸的運(yùn)動(dòng)重新座位機(jī)構(gòu)。電流通常流經(jīng)三個(gè)席位串聯(lián)。當(dāng)探頭端部移動(dòng)離開其穩(wěn)定位置，一個(gè)或多個(gè)座椅接觸場(chǎng)所及阻力的增加立即電子檢測(cè)（Mayer等人[8]和里德[9]）。測(cè)量完成后，當(dāng)探頭尖端移動(dòng)從片背面，探頭彈簧迫使機(jī)構(gòu)回到初始穩(wěn)定位置，重新建立的標(biāo)準(zhǔn)電阻。
圖2.運(yùn)動(dòng)觸發(fā)式測(cè)頭的工作原理（模具和生產(chǎn)[2]）。
5.1.1系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
從由該系統(tǒng)提供的主要優(yōu)點(diǎn)，這是杰出的：該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性，電氣 - 機(jī)械組件的堅(jiān)固性，廣泛和研究原理。
5.1.2系統(tǒng)的缺點(diǎn)
由于電氣 - 機(jī)械裝配，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器易受其電接點(diǎn)的消耗和腐蝕。
此外，這種探頭的主要典型特征是相關(guān)的預(yù)行程變化。因?yàn)橛|針之前彎曲觸發(fā)是探針預(yù)行程的主要成分，該特性根據(jù)在觸摸方向的變化而變化（里德[10]）。這種行為發(fā)生由于這樣的事實(shí)，在三個(gè)“V型塊”由120°角隔開，內(nèi)部機(jī)構(gòu)的座位使所需要的力，以產(chǎn)生“觸發(fā)信號(hào)”，根據(jù)該接近的方向（以改變Kim和Chung [11 ]）。
Miguel等。 [12]也說，必要的動(dòng)力，打開電接觸一個(gè)取決于即將到來的速度。
據(jù)沉和月亮[7]，同樣的觸發(fā)式測(cè)頭型號(hào)可能會(huì)表現(xiàn)出不同的預(yù)行程變化的行為，由于制造和組裝過程中的微小變化。
累積誤差使用觸筆更長(zhǎng)大于30mm，由于這樣的事實(shí)，所必需的接觸力，生成“觸發(fā)信號(hào)”時(shí)發(fā)生彎曲的觸針和該偏轉(zhuǎn)正比于它的長(zhǎng)度。
如果相對(duì)于其他系統(tǒng)，提供類似的好處，這些設(shè)備的購(gòu)置成本是比較高的。該設(shè)備是眾所周知的，而他們生產(chǎn)的品牌有非常高的質(zhì)量有關(guān)。
5.2應(yīng)變計(jì)
應(yīng)變計(jì)用類比信息從產(chǎn)生在觸筆觸碰部的電阻變化導(dǎo)出探針交易，以進(jìn)行測(cè)量。
使用這種技術(shù)作為數(shù)字交換機(jī)，它是必要的電的信號(hào)調(diào)節(jié)和處理，建立從其中的“觸發(fā)信號(hào)”時(shí)所產(chǎn)生的限制。
5.2.1優(yōu)勢(shì)
一個(gè)這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，預(yù)行程變化比運(yùn)動(dòng)學(xué)探針因?yàn)橛|針的變形本身負(fù)責(zé)trigging事件要低得多。由于這個(gè)原因，這種探針是非常準(zhǔn)確和使得有可能使用觸筆只要200毫米（圖3）
圖.3.預(yù)行程變化：比較運(yùn)動(dòng)探針（TP20）與應(yīng)變計(jì)探針（TP800）的性能（Renishaw的[1]）。探頭采用固體電子學(xué)，提供了長(zhǎng)壽命和低磨損。根據(jù)模擬信號(hào)的校準(zhǔn)，這些系統(tǒng)能夠檢測(cè)0.2 N.接觸力
5.2.2缺點(diǎn)
與這些探頭有關(guān)的缺點(diǎn)依靠高收購(gòu)成本，極其先進(jìn)的電子設(shè)備，使得它非常微妙的設(shè)備和事實(shí)，也有極少數(shù)的文獻(xiàn)和信息專接近這些系統(tǒng)。
5.3激光
這些探頭操作使用光電開關(guān)的傳感器。透鏡系統(tǒng)匯聚LED發(fā)出的光束并聚焦在差動(dòng)光電池上。當(dāng)觸針偏轉(zhuǎn)，差分光電管產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，（約翰的Heidenhain博士[13]）。
5.3.1優(yōu)勢(shì)
如果與其他設(shè)備提供類似的性能之一的這些設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是與它的成本，相對(duì)低的。
5.3.2缺點(diǎn)
有對(duì)差分光電點(diǎn)所在的平行光發(fā)生，并產(chǎn)生了“觸發(fā)信號(hào)”，首先改變，針尖和被測(cè)定，將需要的部分之間的力偏轉(zhuǎn)的內(nèi)部機(jī)構(gòu)，類似于什么情況與有關(guān)到它的電觸點(diǎn)的開“運(yùn)動(dòng)探測(cè)”。由于這個(gè)原因，這兩個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)類似預(yù)行程變化特性，表現(xiàn)出對(duì)方向的方法的準(zhǔn)確性依賴于部分進(jìn)行測(cè)量和兩個(gè)系統(tǒng)都沒有指示要使用觸筆長(zhǎng)于30毫米。
5.4壓電式傳感器
壓電探針基于用于該壓電晶體的兩個(gè)面之間產(chǎn)生，當(dāng)它被按下時(shí)的電勢(shì)差的原理。使用此物理原理，有可能設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生從在探頭觸針到達(dá)部分的瞬間所產(chǎn)生的電位“觸發(fā)信號(hào)”探針。
5.4.1優(yōu)勢(shì)
他們是非常準(zhǔn)確和重復(fù)的系統(tǒng)。像應(yīng)變計(jì)探頭，預(yù)行程變化比運(yùn)動(dòng)學(xué)探針低得多，這是可能的校準(zhǔn)系統(tǒng)是敏感的力在0.2 N的順序
5.4.2缺點(diǎn)
他們可能是一些低頻噪聲的碰撞一樣敏感，啟動(dòng)電機(jī)，主軸高加速/減速，機(jī)械振動(dòng)等?；诤?jiǎn)單的電接觸6.關(guān)于模型的這項(xiàng)工作的目的是利用基本的和眾所周知的技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造成本低，堅(jiān)固耐用和準(zhǔn)確的觸發(fā)式測(cè)頭能夠測(cè)量數(shù)控車床外徑。為此，精確的機(jī)械加工的零件和裝配的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)一種能夠在大觸發(fā)式探針的應(yīng)用中使用的系統(tǒng)。
6.1。該系統(tǒng)
所提出的設(shè)備的工作原理是由上閉觸筆（接地）和內(nèi)部目標(biāo)（正極）之間的電接觸。在這個(gè)特殊的時(shí)刻，“觸發(fā)信號(hào)”，并且由無(wú)線電（無(wú)線）發(fā)送到探頭的接口，就可以負(fù)責(zé)發(fā)送一個(gè)24伏的直流到CNC的適當(dāng)?shù)妮斎搿Ｓ捎谶@樣的事實(shí)，該滑架將繼續(xù)由慣性后的“觸發(fā)信號(hào)”發(fā)生移動(dòng)時(shí)，目標(biāo)應(yīng)該有一個(gè)缺點(diǎn)機(jī)制能夠吸附該移動(dòng)，確保其表面完整性（圖4）。
圖.4在測(cè)量過程中的缺陷機(jī)制動(dòng)態(tài)行為。
因此，開發(fā)了觸發(fā)式探頭的可重復(fù)性是直接與缺點(diǎn)系統(tǒng)觸發(fā)事件發(fā)生之后，精確座椅返回到其原始位置的能力有關(guān)。如果其缺點(diǎn)系統(tǒng)不能正常工作，會(huì)出現(xiàn)在測(cè)量和測(cè)定的下一個(gè)部分的直徑后探頭的長(zhǎng)度的預(yù)置的變化將表現(xiàn)為比實(shí)際的不同。出于這個(gè)原因，其缺點(diǎn)系統(tǒng)的開發(fā)都非常小心，保證了系統(tǒng)良好的性能。探針被設(shè)計(jì)為在VDI刀柄使用的，根據(jù)DIN 69880和VDI 3425標(biāo)準(zhǔn)。
6.2。系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性（R＆R）
用于測(cè)試的觸發(fā)式測(cè)頭數(shù)控車床是一種INDEX-TRAUB，模型GU600，22千瓦的功率。數(shù)控系統(tǒng)是西門子810D，能夠提供實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量功能。確定總系統(tǒng)的R＆R（探針+機(jī)床），實(shí)驗(yàn)完成采取其一部分的直徑是預(yù)先加工和規(guī)范化。
在此之后，車削操作是使用硬質(zhì)合金刀具VBMT160404UC6010制成，切割0.010毫米從部件的直徑，采取一切必要的照顧與切削參數(shù)，以減少在過程中的工具磨損。
該器件然后檢查使用觸發(fā)式測(cè)頭的發(fā)展，連續(xù)探測(cè)60次在同一地點(diǎn)。還提供了手動(dòng)測(cè)量是在使用普通的千分點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)被保存在CNC和下載到PC。的轉(zhuǎn)動(dòng)操作和連續(xù)測(cè)量步驟重復(fù)五次，從而獲得相對(duì)于直徑的每一個(gè)（圖5）的五個(gè)數(shù)據(jù)樣本。
圖.5例證的實(shí)驗(yàn)過程的用于確定所述探針的R＆R和探針檢查部的照片。
7.結(jié)論
數(shù)控機(jī)床的使用觸發(fā)式測(cè)頭已成為一個(gè)世界性的必要性。然而，一些障礙仍然需要被轉(zhuǎn)置，像在測(cè)量例程編程困難，準(zhǔn)備技術(shù)員低數(shù)量和有關(guān)此主題的技術(shù)文獻(xiàn)和這些設(shè)備的高的購(gòu)置成本。這個(gè)場(chǎng)景使用的中小型企業(yè)幾乎不可能，準(zhǔn)確地對(duì)他們來說，這對(duì)付小批量配套，其中過程控制容易超出范圍的工具。
這項(xiàng)工作是表示基于內(nèi)部交換機(jī)上的一個(gè)無(wú)線觸發(fā)式探頭模型，與所需要的特性和成本低，在數(shù)控車床中使用的開發(fā)的可行性。盡管探針簡(jiǎn)單起見，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果顯示了0.003毫米（±3秒或99.73％置信區(qū)間）一個(gè)可重復(fù)性。這些特點(diǎn)是高兼容大部分用于工業(yè)車床應(yīng)用的需求。該探測(cè)器將繼續(xù)發(fā)展使得其在測(cè)量和改進(jìn)其無(wú)線功能三個(gè)方向提供將采取。
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 尹 暉
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化五班
學(xué) 號(hào)： 1103010524
指導(dǎo)教師： 鄧朝暉
2015 年 5 月 27 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題目 CK20數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)
及刀架設(shè)計(jì)
姓名 尹暉
學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào) 1103010524
指導(dǎo)老師 鄧朝暉 教授
二〇一五 年 三 月 十七 日
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
CK20數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)及刀架設(shè)計(jì)
作者姓名
尹暉
學(xué)號(hào)
1103010524
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1.研究的意義，同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題
研究意義：我國(guó)的經(jīng)濟(jì)還不發(fā)達(dá)，廣泛推廣數(shù)控機(jī)床的最大障礙是設(shè)備的初始投資大。同購(gòu)置新機(jī)床相比，數(shù)控技術(shù)改造一般可以節(jié)省60％～80％的費(fèi)用，特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。由于數(shù)控機(jī)床本身的復(fù)雜性在一定程度上影響機(jī)床的利用率，增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)和刀架設(shè)計(jì)的研究，為數(shù)控機(jī)床的機(jī)電維修提供有力支持，對(duì)數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣數(shù)控機(jī)床的改造有著深遠(yuǎn)意義。
主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題：主軸組件是機(jī)床主要部件之一．它的性能，對(duì)整機(jī)性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速范圍很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能提出很高要求。有些數(shù)控機(jī)床未進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主軸的結(jié)構(gòu)及主軸軸承的選用不當(dāng)，造成工作一段時(shí)間后，主軸回轉(zhuǎn)誤差超差，不僅影響工件的加工質(zhì)量，還會(huì)破壞齒輪、軸承的正常工作條件，使其加快磨損，降低精度。以往對(duì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多是在給定了設(shè)計(jì)方案的前提下對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而未進(jìn)行傳動(dòng)方案的優(yōu)化決策，傳動(dòng)方案的優(yōu)化是進(jìn)一步設(shè)計(jì)的前提，直接影響著設(shè)計(jì)結(jié)果。
刀架設(shè)計(jì)的同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題：刀架是數(shù)控機(jī)床的主要部件之一，自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控機(jī)床上最普遍的一種輔助裝置。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機(jī)床的使用性能，在機(jī)床的致命性分析中轉(zhuǎn)塔刀架的致命度是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉(zhuǎn)位、刀架轉(zhuǎn)位錯(cuò)誤、刀架錯(cuò)位、刀架報(bào)警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會(huì)導(dǎo)致機(jī)床不能正常工作。本次設(shè)計(jì)針對(duì)這些可能出現(xiàn)的故障及錯(cuò)誤進(jìn)行了仔細(xì)，嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真的分析，使車床回轉(zhuǎn)刀架的可靠性有了很大程度的提高。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。
2.研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題
本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：1.機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制；2.主傳動(dòng)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制；3.編碼盤的安裝設(shè)計(jì)及液壓卡盤設(shè)計(jì)；4.數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計(jì)及工程圖繪制；5.CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件連接圖）；6.外文資料文獻(xiàn)翻譯；7.撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
設(shè)計(jì)（研究）的重點(diǎn)與難點(diǎn)：
1.主傳動(dòng)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制
2.數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計(jì)及工程圖繪制
3.擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
擬采用的途徑（研究手段）：
1.車床采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。目前中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的
居多。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、排屑順暢等優(yōu)點(diǎn)。
2.車床數(shù)控系統(tǒng)選用西門子系統(tǒng)。目前在我國(guó)西門子系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，它具有可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。
3.數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)包括橫向進(jìn)給系統(tǒng)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)，他們由伺服電動(dòng)機(jī)同步齒形帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿螺母副機(jī)架，來實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。
4.尾架套筒的控制亦采用液壓來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐簤嚎刂凭哂胁僮鞣奖?、工作可靠等特點(diǎn)。
5.設(shè)計(jì)中遇到的疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料、組內(nèi)同學(xué)相互討論、實(shí)地參觀數(shù)控車床樣機(jī)和實(shí)踐操作等途徑解決。
4.擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
CAD 、PRO/ E 、數(shù)控機(jī)床模擬系統(tǒng)
5. 參考文獻(xiàn)
[1] 關(guān)慧貞、馮辛安等編著.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010
[2] 張建民等編著. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社, 2010
[3] 文懷心,夏田. 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.6
[4] 易紅. 數(shù)控技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.8
[5] 聞邦春主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010
[6] 卜云峰. 機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.6
[7] 張曙. 數(shù)字化制造—機(jī)床工業(yè)的未來.WMEM,2005(3):33~36
[8] 盛伯浩. 數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀與發(fā)展, 制造技術(shù)與機(jī)床,2004(1):20~23
注：
1、開題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號(hào)]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點(diǎn)，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點(diǎn)）年份、卷號(hào)（期號(hào)）：起止頁(yè)碼。
B：[序號(hào)]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁(yè)碼。
3、表中各項(xiàng)可加附頁(yè)。
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
CK20數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)及刀架設(shè)計(jì)
作者
尹暉
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
1103010524
指導(dǎo)教師
鄧朝暉
二〇一五 年 五 月 三 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程學(xué) 院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 尹暉 學(xué)號(hào): 1103010524 專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： CK20數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)及其刀架設(shè)計(jì)
2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015 年 3 月 9 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
[1] 關(guān)慧貞、馮辛安等編著.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010
[2] 張建民等編著. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社, 2010
[3] 文懷心,夏田. 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.6
[4] 易紅. 數(shù)控技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.8
[5] 潘存云. 機(jī)械原理. 湖南:中南大學(xué)出版社,2011:102-129.
[6] 高安邦. 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010,164-170.
[7] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),第五卷. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:22-3 - 22-109.
[8] 盛伯浩. 數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀與發(fā)展, 制造技術(shù)與機(jī)床,2004(1):20~23
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1） 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制
2） 主傳動(dòng)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制
3） 編碼盤的安裝設(shè)計(jì)及液壓卡盤設(shè)計(jì)
4） 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計(jì)及工程圖繪制
5） CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件連接圖）
6） 外文資料文獻(xiàn)翻譯
7）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書）
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文字?jǐn)?shù)不少于1.5萬(wàn)字，
參考文獻(xiàn)至少15篇以上。
6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 1 月 20 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ)
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
評(píng)閱人： （簽名）
年 月 日
評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁(yè)
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè)
3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
答辯委員會(huì)主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績(jī)：
總評(píng)成績(jī)：
摘要
本論文首先介紹了我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的過程與現(xiàn)狀，并分析了其存在的問題；對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討；并對(duì)CK20數(shù)控車床主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)和刀架進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。
主軸箱由安裝在精密軸承中的空心主軸和一系列變速齒輪組成。數(shù)控車床主軸可以獲得在調(diào)速范圍內(nèi)的任意速度，以滿足加工切削要求。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。
本設(shè)計(jì)主要包括根據(jù)一些原始數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際條件和情況對(duì)車床一些參數(shù)進(jìn)行擬定，再根據(jù)擬定的參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)方案的擬定。然后計(jì)算各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比及齒輪齒數(shù)，再估算齒輪的模數(shù)和各軸的軸徑。并對(duì)齒輪和軸的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核。除此之外，還要對(duì)箱體內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如電磁離合器的選擇，從而完成對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。刀架設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。包括驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算，蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算，刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。
關(guān)鍵詞：主軸箱；無(wú)級(jí)調(diào)速；傳動(dòng)系統(tǒng)；刀架；CK20
ABSTRACT
In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented. The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock and the knife?tool of CK20NC lathe has been calculate designed.
Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears.The knife tools are clamping?cutting, therefore its structure directly affects the cutting performance and cutting efficiency of the machine.The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.With the development of CNC lathes,?CNC turret began to rapid change,?electro-hydraulic?combination of drive and servo drive direction.
This design mainly includes according to some of the original data, combined with the actual conditions and some parameters are proposed for lathe, according to the proposed parameter,to formulate transmission scheme, calculating the transmission vice transmission ratio, gear teeth, estimating the modulus of the gear and the diameter of axle shaft,and the strength, stiffness of gear and shaft for checking. In addition, it not only design of main structure of the casing, such as the choice of the electromagnetic clutch, but also complete the overall design of main drive system. The design of knife tools is not the overall structure design, but the design and calculation of main driving part, including the selection of tool carrier of servo motor, worm gear and worm design calculation, structure design and calculation of tool carriage spindle.
Key words: headstocks; a continuously variable speed ; transmission System;knife tools;CK20
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………… 1
1.1 課題背景及目的 ……………………………………………………………… 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………………… 1
1.2.1 我國(guó)數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ……………………………… 1
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………………… 3
1.3 課題研究?jī)?nèi)容及方法 ………………………………………………………… 4
1.3.1 課題研究的主要參數(shù) ………………………………………………… 4
1.3.2 課題研究?jī)?nèi)容 ………………………………………………………… 4
1.3.3 研究方法 ……………………………………………………………… 4
1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成 ………………………………………………………… 5
1.4.1 設(shè)計(jì)主要任務(wù) ………………………………………………………… 5
1.4.2 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn) …………………………………………………… 5
1.4.3 本論文構(gòu)成如下 ……………………………………………………… 5
第2章 機(jī)床總體方案的設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 6
2.1 機(jī)床的總體布局 ……………………………………………………………… 6
第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 7
3.1 總體設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 7
3.1.1 擬定傳動(dòng)方案 ………………………………………………………… 7
3.1.2 選擇電機(jī) ……………………………………………………………… 8
3.1.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩…………………………………… 11
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動(dòng)圖……………………………………………………… 12
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 13
3.2.1 I 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………… 13
3.2.2 II 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 17
3.2.3 III(主)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………… 28
3.2.4 編碼器的選擇與安裝設(shè)計(jì) ………………………………………… 30
3.2.5 主傳動(dòng)系統(tǒng)總裝圖 ………………………………………………… 32
第4章 液壓卡盤的設(shè)計(jì)（夾具）……………………………………………… 34
4.1 卡盤夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………… 34
4.2 液壓卡盤系統(tǒng)總裝圖………………………………………………………… 34
第5章 數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………… 35
5.1 數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇………………………………………… 35
5.1.1 刀架的整體方案設(shè)計(jì)………………………………………………… 35
5.1.2 車床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)……………………………………… 35
5.1.3 刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)……………………………………………… 36
5.2 刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………… 36
5.2.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算…………………………………… 36
5.2.2 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………… 39
5.2.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………… 42
5.3 刀架總裝圖…………………………………………………………………… 44
第六章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 46
7.1 線路連接……………………………………………………………………… 46
7.2 安裝調(diào)試……………………………………………………………………… 47
第七章 結(jié)論 ………………………………………………………………………… 48
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 49
心得體會(huì)及致謝 ……………………………………………………………………… 50
-i-
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
近幾年，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床無(wú)論從產(chǎn)品品種，還是技術(shù)水平，或者品質(zhì)和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，并在一些關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。特別是在通用微機(jī)數(shù)控領(lǐng)域，以PC平臺(tái)為基礎(chǔ)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在世界前列，讓國(guó)人驕傲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)可供市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床就有1500種，幾乎籠罩了整個(gè)金屬切削機(jī)床行業(yè)的品種類別和主要的鍛壓機(jī)械。這表明了國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。
而相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床則表現(xiàn)出有以下的優(yōu)越性：
1、數(shù)控加工工藝的“內(nèi)容十分具體、工藝設(shè)計(jì)工作相當(dāng)嚴(yán)密”。
2、能夠?qū)崿F(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化。
3、粗精加工與加工精度的結(jié)合，裝配就比較容易，不需要“修配”。
4、數(shù)控加工的工藝“復(fù)合性”，可完成多道工序的集中。
5、精密設(shè)備與一般設(shè)備的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人看管加工。
因此，采用數(shù)控機(jī)床，既可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），還能減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速反應(yīng)。對(duì)此，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例正在一步步地增大。從2005年的市場(chǎng)生產(chǎn)消費(fèi)內(nèi)容就可以明顯看出,普通機(jī)床的市場(chǎng)份額在下降,數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)份額則大幅度增長(zhǎng)，特別是中高檔數(shù)控機(jī)床需求供不應(yīng)求。
在這樣一種背景下，我的課題選擇為設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床—CK20，用于對(duì)回轉(zhuǎn)體零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工。應(yīng)用于飛機(jī)﹑汽車﹑航空航天、軍工、電力等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率[1]。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 我國(guó)數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1、研究現(xiàn)狀
我國(guó)數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初開始進(jìn)入市場(chǎng)，通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國(guó)外著名機(jī)床廠家的一系列措施，使得我國(guó)的機(jī)床制造水平程度有了很大提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床的種類、規(guī)格也比較齊全，質(zhì)量基本趨于穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。
（1）床身
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。在機(jī)床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機(jī)床的平面占地位置，床身寬度也不會(huì)太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機(jī)床精度，有利于機(jī)床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。
a)后斜床身-斜滑板
b)直立床身-直立滑板
c)平床身-平滑板
d)前斜床身-平滑板
e)平床身-斜滑板
圖1.1 床身布局型式
（2）導(dǎo)軌
導(dǎo)軌的功用是承受載荷和導(dǎo)向。它承受安裝在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)部件及工件的重力和切削里，運(yùn)動(dòng)部件能夠沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。車床的導(dǎo)軌按照導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。
滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，因此摩擦力小，輕動(dòng)方便，運(yùn)動(dòng)靈敏，不易爬行。
（3）主軸變速系統(tǒng)
一般說來，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。
（4）刀架系統(tǒng)
小規(guī)格數(shù)控車床一般采用排式刀架，以加工棒料或盤類零件為主。數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架是回轉(zhuǎn)刀架，它通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架都使得刀具的數(shù)目受到一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。
（5）進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)
進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用的系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但它對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)較昂貴；而開環(huán)系統(tǒng)定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)中在數(shù)控系統(tǒng)常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。進(jìn)給伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。
2、發(fā)展趨勢(shì)
2 高速、高精密化
2 高可靠性
2 CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化
2 功能復(fù)合化
2 數(shù)控車床設(shè)計(jì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化。
2 提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的自主開發(fā)、制造能力。
2 以功能部件為基礎(chǔ)，以關(guān)鍵共性技術(shù)為支撐；加快技術(shù)引進(jìn)與國(guó)際合作[1]。
1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
1、繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動(dòng)裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]
1.3 課題研究?jī)?nèi)容及方法
1.3.1 課題研究的主要參數(shù)
本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下：
工件最大回轉(zhuǎn)直徑：；最大切削直徑：
橫向最大行程(X軸)：180mm；縱向最大行程(Z軸)：650mm
最大車削長(zhǎng)度：500mm；X,Z軸的最小設(shè)定單位為：0.001mm
主軸最大/最小轉(zhuǎn)速：4000/45 r/min
快速進(jìn)給速度:縱向：15m/min；橫向；8m/min
1.3.2 課題研究的主要內(nèi)容
1、 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2、 編碼盤的安裝
3、 液壓卡盤的設(shè)計(jì)安裝
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5、 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.3.3 研究方法
第一步，明白并確定設(shè)計(jì)要求，找出研究的重難點(diǎn)。
第二步，進(jìn)工廠觀摩，吸取專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
第三步，初步確定總體設(shè)計(jì)方案：
1、軟件方面 選擇了SINUMERIK 802D機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。
2、硬件方面
（1）根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為臥式斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局；因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、排屑順暢等優(yōu)點(diǎn)。
（2）選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型號(hào)；
（3）設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級(jí)數(shù)以及傳動(dòng)方式，箱體構(gòu)架。
（4）選擇刀架伺服電機(jī)。根據(jù)刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動(dòng)時(shí)的加速扭矩來確定伺服電機(jī)型號(hào)。
（5）設(shè)計(jì)刀架系統(tǒng)。由刀架的蝸輪蝸桿和主軸來確定刀架傳動(dòng)方式。
第四步，設(shè)計(jì)中遇到的疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題應(yīng)通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料、組內(nèi)同學(xué)相互討論、實(shí)地參觀數(shù)控車床樣機(jī)和實(shí)踐操作等各種途徑解決。
1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成
1.4.1 設(shè)計(jì)主要任務(wù)
1、 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)及總體布局圖繪制
2、 主傳動(dòng)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)配圖繪制
3、 編碼盤的安裝設(shè)計(jì)及液壓卡盤設(shè)計(jì)
4、 數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計(jì)及工程圖繪制
5、 CK20數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件連接圖）
6、 外文資料文獻(xiàn)翻譯
7、 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書）
1.4.2 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)
1、主傳動(dòng)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖繪制
2、數(shù)控刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及刀架的總裝圖，典型構(gòu)件設(shè)計(jì)及工程圖繪制
1.4.3 本論文構(gòu)成如下
第1章 緒論
第2章 機(jī)床總體方案的設(shè)計(jì)。
第三章 詳細(xì)論述主軸系統(tǒng)包括各傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第四章 詳細(xì)介紹液壓卡盤的設(shè)計(jì)選用。
第五章 詳細(xì)論述數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第六章 闡述數(shù)控車床液壓回路設(shè)計(jì)
第七章 闡述數(shù)控系統(tǒng)的選擇及其設(shè)計(jì)。
第八章 總結(jié)本課題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其有待改進(jìn)之處。
論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得、致謝和參考文獻(xiàn)。
第二章 機(jī)床總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)床的總體布局
按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置來分，床身有圖1.1所示的5種布局形式。一般來說，斜床身和平床身斜滑板在中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用較多，平床身只有在大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才被采用，立床身一般不被采用。當(dāng)然平床身工藝性好，易于加工制造。刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處，不過排屑困難；刀架橫滑板較長(zhǎng)，反而加大了機(jī)床的寬度尺寸，影響外觀。在機(jī)床中一般采用平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了能有效利用空間，大大減小了機(jī)床的平面占地位置，床身寬度也不會(huì)太大，又有利于克服重力有更好的穩(wěn)定性來提高機(jī)床精度，有利于機(jī)床的清掃清潔工作，使得切屑不容易堆積。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中之所以被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)檫@種布局形式具有以下特點(diǎn)：
(1) 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；
(2) 機(jī)床外形整齊、美觀，占地面積??；
(3) 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；
(4) 容易排屑和安裝自動(dòng)排屑器；
(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
(6) 宜人性好，便于操作；
(7) 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化[2]。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，在此課題中擬采用45o傾斜滑板平床身，其總體布局如圖2.1所示。
圖2.1 機(jī)床總體布局圖
第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 總體設(shè)計(jì)
3.1.1 擬定傳動(dòng)方案
數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；主軸則必須通過自動(dòng)變速，在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，以維持引起切削直徑各種變化的切削速度基本恒定。自動(dòng)變速一般采用無(wú)級(jí)變速，有利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，還可以有利于提高切削效率。無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣一般被無(wú)級(jí)變速數(shù)控機(jī)床采用。但是數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)根本無(wú)法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性與直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求太難相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)通常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后，還要串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以期滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性[3]。
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率變速范圍，則必須配以分級(jí)變速箱。為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，分級(jí)變速級(jí)數(shù)應(yīng)該少些，分級(jí)變速箱的公比可取等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，而恒功率的調(diào)速范圍一般比較小，僅能達(dá)到2~3。我方案選定的調(diào)速范圍為=3，故有，主軸的轉(zhuǎn)速范圍為：45r/min~4000r/min;根據(jù)以下計(jì)算（以下計(jì)算公式均來自于資料[2]）
估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速：== （3.1）
主軸要求的恒功率變速范圍為：=4000/173=23.1
無(wú)級(jí)變速時(shí)：==23.1 （3.2）
故變速箱的變速級(jí)數(shù)： 取級(jí)數(shù)Z=2
故本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，故變速箱為三級(jí)變速箱，運(yùn)動(dòng)方案如圖3.1。
圖3.1 主軸傳動(dòng)圖
有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)，變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素[4]。
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因此它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式[4]。
3.1.2 選擇電機(jī)
1、電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇
由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(如旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等)，因而，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷。表3.1簡(jiǎn)要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。經(jīng)過對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用FANU系列交流主軸電機(jī)。系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊[5]。
表3.1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能
項(xiàng)目
內(nèi)容
高性能
低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩
寬恒功率范圍，并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩
高旋轉(zhuǎn)精度
高動(dòng)態(tài)響應(yīng)
高加減速，起制動(dòng)能力
具有強(qiáng)魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化
高效率，低噪聲
低價(jià)格
低購(gòu)買價(jià)格，低維護(hù)價(jià)格,低服務(wù)價(jià)格
通用要求
耐用性，可維護(hù)性，安全可靠性
2、電動(dòng)機(jī)容量的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過載能力和起動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)（如本課題中的電動(dòng)機(jī)），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定：
（1）確定主軸切削力(如無(wú)特殊說明，該小節(jié)計(jì)算方法均出自資料[6])
確定主軸材料為45號(hào)鋼，淬硬處理（淬火及低溫回火），硬度為44HRC，單位切削力為。
切削用量范圍：
背吃刀量取，進(jìn)給量取；
根據(jù)主切削力的指數(shù)公式： （3.3）
可得： =3664.7（N）
故切削功率：
（3.4）
（2）確定電機(jī)輸出動(dòng)率
（3.5）
傳動(dòng)裝置的總效率
其中，―圓柱直齒輪傳動(dòng)效率，由資料[7]，附表1-1查得＝0.97；
―Ⅱ軸滾動(dòng)軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
―Ⅲ軸（主軸）軸承效率，由資料[7]，附表1-1查得=0.99；
由此，。
故：
（3）選擇電動(dòng)機(jī)額定功率
如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為11。
（4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇
小功率電動(dòng)機(jī)一般選為380V電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為380V[5]。
本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為45r/min~4000r/min。由于只有一根中間傳動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。I軸上齒輪傳動(dòng)比確定為，II軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為， 。所以兩條傳動(dòng)鏈中，高速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比，低速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比。由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍:
，。
（5）確定電機(jī)的型號(hào)
由前面信息，可選取FANUC交流電機(jī)，型號(hào)為。作為α系列的后續(xù)產(chǎn)品，這種電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非常平穩(wěn)，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置編碼器，通過線圈切換可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速、高加速控制，具有更先進(jìn)的節(jié)能效果。電機(jī)參數(shù)如下表所示
型號(hào)
額定功率
連續(xù)30min功率
額定轉(zhuǎn)速
最高轉(zhuǎn)速
重量
振動(dòng)
冷卻
表3.2 電機(jī)參數(shù)
機(jī)座長(zhǎng)為，電機(jī)軸徑為35mm，軸伸為，中心高，其余安裝尺寸及其外形由資料[5]得[5]。
3.1.3 計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
1、 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速（本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料[2]）
首先估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無(wú)級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式：
==； （3.6）
然后通過傳動(dòng)比計(jì)算傳動(dòng)軸和電機(jī)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，
上式中、 、的意義如前所述。
2、各軸輸入功率
=＝11Kw
＝
＝=
上式中，、、的意義如前所述。
3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩： (N/m) （3.7）
將以上計(jì)算結(jié)果整理后列于表3.3，供以后計(jì)算選擇，供以后計(jì)算使用：
表3.3 各軸的傳動(dòng)參數(shù)
參數(shù)
軸
I軸（電機(jī)軸）
II軸（中間傳動(dòng)軸）
III軸（主軸）
計(jì)算轉(zhuǎn)速（）
347
231
173
輸入功率（Kw）
11
10.5
10.0
轉(zhuǎn)矩（）
303.2
434.66
552.02
傳動(dòng)比
3.1.4 轉(zhuǎn)速圖與傳動(dòng)圖
由電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍(包括恒功率變速范圍和恒轉(zhuǎn)矩變速范圍)和各軸傳動(dòng)比,作數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速圖,見圖3.2。
圖3.2 轉(zhuǎn)速圖
由轉(zhuǎn)速圖3.2可知，電動(dòng)機(jī)經(jīng)2:3定比傳動(dòng)降速后，如果經(jīng)3:4傳動(dòng)比傳動(dòng)主軸，則當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?500r/min降至1500r/min（恒功率區(qū)），主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min降至1333r/min。主軸轉(zhuǎn)速再需下降時(shí)變速箱變速，經(jīng)3:4傳動(dòng)比傳動(dòng)主軸，電動(dòng)機(jī)又恢復(fù)從4500r/min降至1500r/min，主軸則從1333r/min降至750r/min。故主軸從4000r/min降至750r/min為恒功率調(diào)速。主軸從750r/min降至45r/min，電動(dòng)機(jī)從1500r/min降至90r/min為電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。（額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速為恒功率；額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩；本方案電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。）
初定數(shù)控車床的傳動(dòng)圖,如圖3.3：
圖3.3傳動(dòng)圖
3.2 軸系部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 I軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如無(wú)特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
I軸上的零件主要是齒輪1。一端用套筒定位，另一端采用單螺釘固定的軸端擋圈定位。
1、選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù).
根據(jù)選定的傳動(dòng)方案,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（1）本次設(shè)計(jì)屬于金屬切削機(jī)床類，一般齒輪傳動(dòng)，故選用8級(jí)精度。
（2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)熱處理),硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
2、軸的選材和最小直徑的確定
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2）， （3.8）
式中，由表15－3，可取得110，故
取＝35mm。由于取值較計(jì)算值大一些，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。
3、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算，即
（3.9）
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由上文可知
（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（小齒輪做懸臂布置）
（4）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
（6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（假定工作壽命15年（每年工作300天），兩班制）（j=1）則：
（3.10）
（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
（8）傳動(dòng)比u=3/2；
（9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.11）
2）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計(jì)算圓周速度
（3.12）
（3）計(jì)算齒寬
（3.13）
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪懸臂支承時(shí)，1.310；
由；，查圖10-13得1.254；故載荷系數(shù)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.14）
（7）計(jì)算模數(shù)
145.8/24mm=6.075mm
4、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（3.15）
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，0.87；
（3）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，由式（10-12）得
（3.16）
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K
（3.17）
（5）查取齒形系數(shù)
由表10-5查得；2.53。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得；1.63。
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較
（3.18）
大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
=
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的模數(shù)3.97mm，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=4mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑145.8mm，算出小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
5、幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑 （3.19）
2）計(jì)算中心距 （3.20）
3）計(jì)算齒輪寬度 （3.21）
取，。
6、平鍵尺寸的確定： ；L=56mm
3.2.2 II軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如無(wú)特殊說明，本小節(jié)公式均出自資料[8]）
1、軸的支承形式
該軸不受或只受極小的軸向力，而右端所受徑向力矩明顯高于左端，故左端選用深溝球軸承，而右端選用一對(duì)角接觸球軸承背靠背安裝，如圖3.4所示：
圖3.4 中間軸的支承形式
2、軸上零件的軸向定位
II軸上的主要零件主要有三對(duì)直齒圓柱齒輪及其中兩直齒圓柱齒輪對(duì)應(yīng)的電磁離合器。深溝球軸承的左端靠在端蓋上，右端用軸肩和套筒定位。與電機(jī)軸上齒輪相嚙合的齒輪左端用套筒固定，右端用軸肩定位。另外兩齒輪所對(duì)應(yīng)的電磁離合器位于它們中間，相互緊靠，齒輪用套筒定位，兩齒輪的另兩端用套筒定位。軸右端的軸承左邊利用軸肩定位，右端用一甩油盤（有套筒的作用）和圓螺母進(jìn)行定位。
3、軸的選材和最小直徑得確定
軸的材料選擇為：45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）。
軸的最小尺寸，由式（15－2），
（3.22）
式中，由表15－3，可取得110，故
?。?0mm。由于取值較計(jì)算值大一些，所以不用再按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校合。
軸的零件圖如圖3.5。
圖3.5 中間軸零件圖
4、齒輪的設(shè)計(jì)
齒輪1（小齒輪）和2（大齒輪）的直徑相差較大，對(duì)齒輪1（小齒輪）在模數(shù)和選材及熱處理方面要求較高，所以首先進(jìn)行該對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)。
1）選定齒輪的精度等級(jí)和材料，初選齒數(shù)
(1)本數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度較高，精度等級(jí)選擇8級(jí)精度；
(2)由表10－1，小齒輪材料選擇為40，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為280HBS；大齒輪材料選擇為45鋼，調(diào)制后表面淬火，硬度為240HBS。
(3)小齒輪齒數(shù)初選為=18，＝＝
2）按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
按式（10－9）試算，
（3.23）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：
(1)初選載荷系數(shù)Kt＝1.6；
(2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由前文可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為434.66N·m；
(3)由表10－7及其說明，可選定齒寬系數(shù)＝0.6；
(4)由表10－6，查得材料的彈性影響系數(shù)＝189.8；
(5)由圖10－21d，按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝600MPa；
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度＝550MPa；
(6)兩齒輪的設(shè)計(jì)壽命為72000h，由式10－13，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3.24）
(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；；
(8)傳動(dòng)比u=4/3；
（9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得
（3.25）
3）計(jì)算
（1）小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
=mm
（2）計(jì)算圓周速度
（3.26）
（3）計(jì)算齒寬
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) mm
齒高
(5)計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，由圖10－8，查得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，由表10-3查得1；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪非對(duì)稱布置時(shí)，1.256；
由；，查圖10-13得1.19；故載荷系數(shù)
（3.27）
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
（3.28）
（7）計(jì)算模數(shù) 154.4/18mm=8.58mm
3）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10－5）得彎曲疲勞的設(shè)計(jì)公式為