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摘要
摘要
隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場的不斷擴大，光制造
技術(shù)將在所有制造領(lǐng)域內(nèi)的許多方面取代傳統(tǒng)的機械制造，激光微制造技術(shù)使微精密元件成為可能，并使微系統(tǒng)朝著多樣化和智能化方向發(fā)展，最終在汽車、醫(yī)療和環(huán)保領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展中起著日益重要的作用精密數(shù)控工作臺采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。數(shù)控精密工作臺系列可選擇步進(jìn)電機驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動。
??? 密數(shù)控工作臺可廣泛應(yīng)用于激光焊接機、插線機、打孔機、涂膠機、機械手、搬運、檢測裝置、斷層射線掃描、小型數(shù)控機床及實用教學(xué)領(lǐng)域。
我所設(shè)計的二加二維激光加工機正是基于2者的結(jié)合應(yīng)用。眾所周知，數(shù)控工作臺在機械加工中已經(jīng)有了不可替代的作用，因此，我們正是利用了它的種種優(yōu)點，進(jìn)行了設(shè)計，目的就是為了實現(xiàn)，伴隨著工作臺在四個方向的運動從而實現(xiàn)激光對工件的加工。
關(guān)鍵詞 數(shù)控工作臺 激光加工 機械制造
Title Extend continuously along with the laser technical further development and markets, the light manufacturing technique will replace the traditional machine
Abstract
Extend continuously along with the laser technical further development and markets, the light manufacturing technique will replace the traditional machine manufacturing in all manufacturing realms, the tiny manufacturing technique of laser makes tiny and precise component make possible, and make tiny system toward wear the diversification and intelligences to turn the direction development, end get the more extensive application in the automobile, medical treatment and the environmental protection realm, rise in national economy and industries develop the increasingly important function
Nicety the number controls the work set adoption to roll the bead silk 杠 vice- and roll over to lead the track vice- spread to move the structure, have the accuracy high, the efficiency is high, the life span is long and wears away small, economize on energy low consume, the coefficient of friction is small, the structure tightly packed, in general use strong etc. characteristics. The number controls the near work pedestal series eligibility to choose to tread into the electrical engineering to drive, communicate servo drive.
The number control the work pedestal and can be apply in the laser to weld the machine, patch cord machine, perforating machine, draw the gum machine, machine hand, transport, examine the device and break the layer to shoot the line to scan extensively, the small scaled number controls the tool machine and practical teaching realms
Keywords The number controls the work set Nicety the number controls the work set The laser process
29
第一章 緒論
目錄
摘要 1
第一章 緒 論 2
1.1 數(shù)控工作臺現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.2 工作內(nèi)容和要求 4
1.3 設(shè)計目的和任務(wù) 5
第二章 具體設(shè)計 5
2.1設(shè)計分析 5
2.2設(shè)計結(jié)果 6
2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 7
第三章 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計 8
3.1設(shè)計分析 8
3.2設(shè)計結(jié)果 9
3.3 進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
第四章 設(shè)計計算部分 13
4.1 帶傳動設(shè)計 13
4.2 蝸輪蝸桿設(shè)計 16
4.3 滾珠絲杠的設(shè)計 19
總結(jié) 23
致謝 24
參考文獻(xiàn) 24
第一章 緒 論
1.1 數(shù)控工作臺現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
數(shù)控工作臺自從70年代初期問世以來，至今已取得很大進(jìn)展，并已成為機械加工自動化方面一個新的重要發(fā)展方向。它是隨著電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動控制、精密測量、機床結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝的發(fā)展，綜合應(yīng)用這些新的技術(shù)成就而出現(xiàn)的高度自動化的數(shù)控工作臺。數(shù)控工作臺主要應(yīng)用于數(shù)控機床以及大，中，小型加工中心，可以節(jié)省大量模板及其他工藝裝備，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，改善勞動條件，提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。不過由于數(shù)控工作臺在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上比較復(fù)雜，造價較高，所以，在實際應(yīng)用時必須充分考慮其經(jīng)濟(jì)效果。與一般的機床工作臺比較，數(shù)控機床工作臺具有如下特點：
1、 可以加工具有復(fù)雜型面的工件
2、 加工精度高，尺寸一致性好
3、 生產(chǎn)效率高
4、 可以減輕工人勞動強度，實現(xiàn)一人多機操作
5、 經(jīng)濟(jì)效益明顯
6、 可以精確計算成本和安排生產(chǎn)進(jìn)度
7、 數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)
目前數(shù)控工作臺主要應(yīng)用于數(shù)控車床，銑床，鏜床，鉆床以及各種加工中心，它集中了各種機床工作臺的自動以及半自動化的優(yōu)點，是目前生產(chǎn)數(shù)控機床的必不可少的部分之一。我國數(shù)控工作臺從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床工作臺制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例下面淺談一下我國數(shù)控工作臺在結(jié)構(gòu)方面的現(xiàn)狀及今后數(shù)控工作臺的整體發(fā)展趨勢。
1.1.1 數(shù)控工作臺的現(xiàn)狀
1.常用的幾種數(shù)控工作臺
（1）雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺
?雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。數(shù)控精密工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域。
雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺產(chǎn)品特點
●WINDOWS平臺，中文操作系統(tǒng)，使用簡單方便；
●最高速可達(dá)4MHz, 最大步長為268000000；
●獨立軸驅(qū)動、脈沖輸出、恒速控制、速度控制、非對稱直線加減速驅(qū)動、S曲線加減速驅(qū)動、連續(xù)插補驅(qū)動、固定線速度控制、位置控制、比較寄存器和軟件限制功能、線性插補驅(qū)動、圓弧插補驅(qū)動、位模式插補驅(qū)動、輸入信號濾波器、外部信號驅(qū)動、搜尋原位輸入；
●自動回原點功能,具有硬件限位功能；
●可讀回運動中實際位置（編碼器輸入）；
●為驅(qū)動電機提供脈沖、方向控制輸出信號；可選擇步進(jìn)電機驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動；
●除XY軸限位，零位以外，I/O口提供8路光隔離輸入及16路輸出；
● 雙坐標(biāo)工作臺主要技術(shù)指標(biāo)：單位mm
（2）單坐標(biāo)XY數(shù)控工作臺
單坐標(biāo)數(shù)控工作臺采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。數(shù)控精密工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域。
單坐標(biāo)數(shù)控工作臺產(chǎn)品特點
?●WINDOWS平臺，中文操作系統(tǒng)，使用簡單方便；
?●最高速可達(dá)4MHz, 最大步長為268000000 ；
?●可實現(xiàn)單軸運行，加減速可設(shè)定，可實現(xiàn)恒速控制、速度控制、非對稱直線加減速驅(qū)動、S曲線加減速驅(qū)動、固定線速度控制、位置控制；
?●自動回原點功能，具有硬件限位功能 ；
?●可讀回運動中實際位置（編碼器輸入）；
?●為驅(qū)動電機提供脈沖、方向控制輸出信號；可選擇步進(jìn)電機驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動；
?●除XY軸限位，零位以外，I/O口提供8路光隔離輸入及16路輸出
?●單坐標(biāo)精密工作臺主要技術(shù)指標(biāo)：單位mm
（3）三坐標(biāo)數(shù)控工作臺
三坐標(biāo)精密數(shù)控工作臺采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。數(shù)控精密工作臺系列可選擇步進(jìn)電機驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動。
1.1.2 數(shù)控工作臺發(fā)展趨勢
當(dāng)前數(shù)控工作臺呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：
1.高速、高精密化
高速、精密是機械制造發(fā)展永恒的目標(biāo)。為滿足這個復(fù)雜多變市場的需求，當(dāng)前機械制造正向高速，高精密的方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機床功能部件的面市，也為機械加工向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。伴隨著機械加工的告訴和高精密化，數(shù)控工作臺的發(fā)展趨勢也與此相同。
2. 高可靠性
??? 數(shù)控工作臺的可靠性是數(shù)控工作臺產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控工作臺能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。
3. 數(shù)控工作臺設(shè)計CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化
??? 隨著計算機應(yīng)用的普及及軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進(jìn)行設(shè)計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，可以對整機各工作部件進(jìn)行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上在設(shè)計階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設(shè)計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計成本，提高市場競爭能力
4. 功能復(fù)合化
功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高工作臺的工作效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴大工作臺的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一臺多用、一臺多能，即一臺數(shù)控工作臺通過換刀，既可以實現(xiàn)車削加工，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現(xiàn)磨削加工
5. 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化
??? 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化；為提高驅(qū)動性能及使用連接方面的智能化；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來機床發(fā)展的一個熱點。
數(shù)控工作臺向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。
1.2 工作內(nèi)容和要求
本設(shè)計是要求設(shè)計一激光加工機，要求工作臺實現(xiàn)兩個二維聯(lián)動，設(shè)計要求如下：
1、工作臺運動范圍：400mm*400mm
2、移動速度0~600mm/min;位移分辨率路<1um；
3、承載能力：2kN，壓向；
4、加載行程〉100mm；
5、工作過程按程序自動完成。
1.3 設(shè)計目的和任務(wù)
數(shù)控工作臺的發(fā)展正漸趨完善，本設(shè)計參考了一些國內(nèi)外專利，在對現(xiàn)有一些數(shù)控機床的工作臺具體結(jié)構(gòu)了解的基礎(chǔ)上，給出了自己的設(shè)計方案。對于二維連動而言，二維連動主要是實現(xiàn)數(shù)控工作臺在四個方向的運動。因為是二加二維，因此，在實現(xiàn)X，Y 軸運動的同時，必須要保證Z，軸和旋轉(zhuǎn)方向的靜止，這樣才可以稱為二加二，而我這個工作臺的主要工作系統(tǒng)包括：主傳動系統(tǒng)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)，橫向進(jìn)給 回轉(zhuǎn)工作臺，其中主傳動系統(tǒng)又處于核心地位，所以本設(shè)計也以主傳動系統(tǒng)的設(shè)計為核心展開。同時又選取了系統(tǒng)的橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行完整設(shè)計。由于主傳動系統(tǒng)所受的載荷較大因此是主要設(shè)計對象，但是具體的都是又滾珠絲杠，蝸輪蝸桿，以及皮帶等傳動零件組成的。
由于實踐經(jīng)驗的欠缺和知識的局限性，所設(shè)計機構(gòu)的實際工作情況及可用性還有待與實踐的檢驗。
第二章 具體設(shè)計
第二章 具體設(shè)計
2.1設(shè)計分析
數(shù)控工作臺的傳動系統(tǒng)一般與普通機床和加工中心的工作臺沒什么區(qū)別，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采應(yīng)用于不同種類的加工，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地進(jìn)行開、停、變速、換向和制動等。
2.1.1 對X，Y，Z，三個方向驅(qū)動的要求
從經(jīng)典數(shù)控機床上，我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，工作臺實現(xiàn)橫向、縱向進(jìn)給的傳動機構(gòu)主要是通過滾珠絲杠來完成的，主要是由于滾珠絲杠擁有很多良好的性能，數(shù)控工作臺的傳遞功率和動力特性，決定了數(shù)控工作臺的的加工效率和加工工藝能力。進(jìn)給的精度精度、剛度、抗振性和熱變形，直接影響加工零件的尺寸、位置精度和表面質(zhì)量，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控工作臺進(jìn)給驅(qū)動提出了更高的要求。
下邊的的幾點是激光加工機的數(shù)控工作臺與傳統(tǒng)工作臺在驅(qū)動方面的一些區(qū)別與相同：
（一）首先一點就是激光加工基本沒有切削力，也就是說相比較與傳動的機械加工，激光加工的切削力幾乎為零，因此在考慮它的傳動裝置時，應(yīng)首先考慮精度，而不同于以往的變速性能。
（二）傳統(tǒng)的機械加工工作臺電機的選擇是個叫人頭疼的問題，由于切削力的存在就要求有較大的驅(qū)動功率或輸出轉(zhuǎn)矩在整個速度范圍內(nèi)均能提供切削所需的功率或轉(zhuǎn)矩，特別是在強力切削時。并且有一定的過載能力和較硬的調(diào)速機械特性，即在負(fù)載變化的情況下，電機轉(zhuǎn)速波動小。而激光加工在考慮電動機時就不需要考慮如此之多。
（三）他們2者的共同之處都是要實現(xiàn)高精度，這就要求部件具有足夠的剛度和抗振性，具有較好的熱穩(wěn)定性，即軸向和徑向尺寸隨溫度變化較小。另外，要求傳動的傳動鏈要短。
恒線速度切削功能
2.1.2 驅(qū)動方式
數(shù)控工作臺的驅(qū)動及其控制方式主要有三種配置方式，如圖1-1所示。
（1）帶有變速齒輪的主傳動
如圖2-1（a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，增大輸出轉(zhuǎn)矩，以滿足主軸低速時對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求?；讫X輪的移動大都采用液壓缸加撥叉，或直接由液壓缸帶動齒輪來實現(xiàn)。
（2）通過帶傳動的主傳動
如圖2-1（b）所示，電機與絲杠通過同步帶傳動，不用齒輪傳動，可以避免齒輪傳動引起的振動和噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的地方。
（3）用兩個電機分別驅(qū)動
如圖2-1（c）所示，高速時通過傳動帶直接驅(qū)動絲崗旋轉(zhuǎn)；低速時，另一個電機通過齒輪傳動驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，齒輪起降速和擴大變速范圍的作用，這樣使恒功率區(qū)增大，克服了低速時轉(zhuǎn)矩不夠且電機功率不能充分利用的缺陷。
2.2設(shè)計結(jié)果
確定驅(qū)動方式：
考慮到滾珠絲杠運動速度較為平穩(wěn)，從計算轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率區(qū)，從計算轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，恒功率變速范圍比恒轉(zhuǎn)矩變速范圍大2~4倍。一般應(yīng)用于滾珠絲杠的驅(qū)動都采用交流伺服電動機。由于伺服電動機的轉(zhuǎn)速變化可以有較大的范圍，可以有效的減少減速裝置的使用與設(shè)計，而且還可以滿足功率要求。因此本設(shè)計采用交流伺服電動機。
2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計
2.3.1 控制對象的描述
數(shù)控激光加工機工作臺運動控制主要是工作臺在X，Y，Z三軸方向的進(jìn)給運動以及圍繞Z軸的回轉(zhuǎn)運動。由于設(shè)計要求是實現(xiàn)二維聯(lián)動而不是同時運動，所以不能用傳統(tǒng)的數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)方式，但是傳統(tǒng)控制系統(tǒng) 經(jīng)過改造，就可以實現(xiàn)要求。為此我們采用的是由南京華興數(shù)控設(shè)備有限公司設(shè)計的21D/21X/31D液晶顯示車床數(shù)控系統(tǒng)。在確定了數(shù)控系統(tǒng)之后，我們選擇伺服電動機的伺服驅(qū)動器，我們選擇的是松下的MinasA4系列AC伺服驅(qū)動器。選擇的原因有很多，具體就不再一一列舉了。
2.3.2總體控制方案的確定
根據(jù)上述對控制對象的描述和具體的控制要求，該控制系統(tǒng)可采用同步式模塊化控制結(jié)構(gòu)，微機作為中央控制器，實現(xiàn)對X，Y軸進(jìn)給運動的同步控制，當(dāng)需要Z軸和回轉(zhuǎn)工作臺運動的時候則停止微機對另外2個方向的控制，這樣則實現(xiàn)了2維聯(lián)動。
該系統(tǒng)的控制框圖如下
第三章 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計
3.1設(shè)計分析
數(shù)控伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)的每一個運動都由單獨的伺服電動機驅(qū)動，傳動鏈大大縮短，傳動件大大減少，這極有利于減少傳動誤差，提高傳動精度。執(zhí)行件之間的傳動比關(guān)系，由數(shù)控系統(tǒng)（計算機）來保證。也即是說數(shù)控伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)是把彼此相關(guān)（復(fù)合）的運動分解為簡單（外聯(lián)系）的運動，再由計算機將各個運動復(fù)合起來，以形成工件的各種表面，特別是空間曲面。數(shù)控伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)的精度要求高，響應(yīng)要求快，故多采用低摩擦、無間隙傳動。
3.1.1 對伺服系統(tǒng)的要求
數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)由各坐標(biāo)的驅(qū)動電機及其控制單元、機械傳動部件、執(zhí)行件和控制反饋環(huán)節(jié)組成。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一般有下列要求。
（1） 高精度
為了保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，解決空間復(fù)雜曲面零件的加工，對進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和輪廓加工精度都有比較高的要求。同時，在速度控制中，要求有高的調(diào)速精度，比較強的抗負(fù)載擾動能力，即靜態(tài)和動態(tài)精度要求都比較高。
（2） 高穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能經(jīng)短暫的調(diào)節(jié)過程之后，迅速達(dá)到新的或恢復(fù)到原來的平穩(wěn)狀態(tài)。
（3） 高速響應(yīng)
響應(yīng)是進(jìn)給伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。
（4） 調(diào)速范圍寬
（5） 低速大轉(zhuǎn)矩
3.1.2 伺服驅(qū)動電動機的選擇
數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于伺服驅(qū)動電動機及其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。數(shù)控機床發(fā)展的初期多采用步進(jìn)電動機，加液壓轉(zhuǎn)矩放大器；70年代初期流行使用由步進(jìn)電動機、伺服閥、液壓馬達(dá)組成的電液脈沖馬達(dá)；70年代中后期，開始了永磁式寬調(diào)速直流伺服電動機時代；80年代交流伺服電動機逐漸取代了直流伺服電動機。
第三章 進(jìn)給傳動設(shè)計
3.2設(shè)計結(jié)果
3.2.1 電動機的選擇
1、工作臺質(zhì)量的估算
鑄鐵密度7.9工作臺尺寸
而實際體積大約為總體體積的200%
因此質(zhì)量
2、各軸功率的估算
將旋轉(zhuǎn)工作臺近似看成圓盤，從而可以計算其轉(zhuǎn)動慣量
根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量便可以求出工作臺轉(zhuǎn)動的功率
根據(jù)機械設(shè)計手冊可以知道：
蝸輪蝸桿傳動的效率為
皮帶傳動的效率為
一對滾動軸承的效率為
則可以估算各軸功率和轉(zhuǎn)矩為
3 、根據(jù)估算的功率選擇電機
SZJI系列交流伺服電動機是我國自行設(shè)計研法的產(chǎn)品。它同S系列相比具有體積小，質(zhì)量小，伺服性好，力能指標(biāo)高等特點。在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，也可以做驅(qū)動元件。產(chǎn)品按激磁方式分為他激（并激），復(fù)激兩種。
在這里根據(jù)旋轉(zhuǎn)工作臺所需的功率選擇110SZ04型號電機。其技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
電壓（V）
電流（A）
功率（W）
轉(zhuǎn)速
（r/min）
轉(zhuǎn)矩（N．cm）
允許順逆轉(zhuǎn)差
（r/min）
電樞
激磁
電樞
激磁
220
1.4
0.13
600
3000
120
200
3.3 進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)，包括引導(dǎo)和支承執(zhí)行部件的導(dǎo)軌、絲杠螺母副、齒輪齒條副、蝸輪蝸桿副、齒輪或齒鏈副及其支承部件等。數(shù)控機床的進(jìn)給運動是數(shù)字控制的直接對象，被加工工件的最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都與其傳動結(jié)構(gòu)的幾何精度、傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性密切相關(guān)。為此，設(shè)計和選用機械傳動結(jié)構(gòu)時，須考慮以下問題。
（1） 減少摩擦阻力。
（2） 提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的傳動精度和剛度，主要取決于絲杠螺母副、及其支承機構(gòu)的剛度。在傳動鏈中設(shè)置減速齒輪，可以減小脈沖當(dāng)量，從系統(tǒng)設(shè)計的角度來分析，可以提高傳動精度。而加大絲杠直徑，以及對絲杠螺母副、支承部件、絲杠本身施加預(yù)緊力，是提高傳動剛度的有效措施。傳動間隙主要來自傳動齒輪副、絲杠螺母副及其支承部件之間，應(yīng)施加預(yù)緊力或采取消除間隙的結(jié)構(gòu)措施。
（3） 減小運動慣量。
3.2.1傳動齒輪副設(shè)計
為了使絲杠、工作臺的慣量在系統(tǒng)中占有較小的比重；同時也為使高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服驅(qū)動裝置的輸出變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，因而在所設(shè)計的進(jìn)給系統(tǒng)中應(yīng)用了齒輪減速裝置。
A. 設(shè)計傳動齒輪副時考慮的問題
除了考慮應(yīng)滿足強度要求之外，還考慮了其速度分配及傳動級數(shù)對傳動件的轉(zhuǎn)動慣量和執(zhí)行件的失動的影響。綜合考慮之后，具體設(shè)計出齒輪減速裝置為一級減速，傳動比為1：2，齒輪模數(shù)，齒數(shù)分別為。
B. 消除傳動齒輪間隙的措施
由于數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動齒輪副存在間隙，在開環(huán)系統(tǒng)中會造成進(jìn)給運動的
位移值滯后于指令值；反向時，會出現(xiàn)方向死區(qū)，影響加工精度。在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于有反饋作用，滯后量雖可得到補償，但反向時會使伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩而不穩(wěn)定。所以，在設(shè)計中加入了消除間隙的措施。通常，消除間隙的方法有下列幾種。
1)剛性調(diào)整法。
剛性調(diào)整法調(diào)整后齒側(cè)間隙不能自動補償，常用方法有偏心軸調(diào)整法和軸向墊片調(diào)整法
2)柔性調(diào)整法
柔性調(diào)整法在調(diào)整之后齒側(cè)間隙仍可自動補償，這種方法一般都采用調(diào)整壓力彈簧的壓力來消除齒側(cè)間隙，并在齒輪的齒厚和周節(jié)有變化的情況下，也能保持無間隙嚙合，但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。主要方法有軸向壓簧調(diào)整法和周向彈簧調(diào)整法兩種。這里選用了周向彈簧調(diào)整法。詳見床鞍裝配圖。
3.2.2絲杠螺母副設(shè)計
在數(shù)控機床的進(jìn)給運動鏈中，需要將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，可選用的方法很多，比如齒輪赤條副、絲杠螺母副等。這里選用了滾珠絲杠螺母副。它具有如下特點。
a)摩擦損失小，傳動效率高，可達(dá)0.90~0.96。
b)絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度。
c)摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。磨損小、壽命長、精度保持性好。
d)不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，又能將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。
A.滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式
常用的循環(huán)方式有兩種。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的為內(nèi)循環(huán)。本設(shè)計選用了外循環(huán)結(jié)構(gòu)。
B.滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法
預(yù)緊方法有三種，基本原理都是使兩個螺母產(chǎn)生軸向位移，以消除它們之間的間隙和施加預(yù)緊力。
1）調(diào)整墊片預(yù)緊法。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整較費時間，且不能在工作中隨意調(diào)整。
2）調(diào)整螺母預(yù)緊法。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便。只是預(yù)緊力不能準(zhǔn)確控制。
3）齒差式調(diào)整機構(gòu)。調(diào)整準(zhǔn)確可靠，精度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難。本設(shè)計選用了調(diào)整螺母預(yù)緊法。
3.2.3導(dǎo)軌設(shè)計
1..對導(dǎo)軌的基本要求
機床上的運動部件都是沿著其導(dǎo)軌而運動的，導(dǎo)軌的功用概括為起導(dǎo)向和支承作用。因此，導(dǎo)軌的制造精度及其精度保持性對機床加工精度有著重要的影響。導(dǎo)軌設(shè)計時須考慮以下問題。
1）有一定的導(dǎo)向精度。
2）有良好的精度保持性。精度保持性是指導(dǎo)軌能否長期保持原始精度，數(shù)控機床的精度保持性要求比較高。
3）有足夠的剛度。導(dǎo)軌的剛度主要決定于導(dǎo)軌類型、結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小、導(dǎo)軌與床身的連接方式，導(dǎo)軌材料和表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機床常采用加大導(dǎo)軌截面積的尺寸，或在主導(dǎo)軌外添加輔助導(dǎo)軌來提高剛度。
4）有良好的摩擦特性。
導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造和裝配，便于檢驗、調(diào)整和維修，而且須有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑措施。
B.導(dǎo)軌間隙調(diào)整裝置
2.常采用鑲條和壓板，設(shè)計時一般要求如下：
1）調(diào)整方便，保證剛度，接觸良好。
2）鑲條應(yīng)放在受力較小的一側(cè)。
3）選擇燕尾導(dǎo)軌的鑲條時，應(yīng)考慮部件的裝配方式，要便于裝配。
C. 導(dǎo)軌材料的要求和匹配
導(dǎo)軌副應(yīng)盡量由不同材料組成，如果選用相同材料也應(yīng)采用不同的熱處理或不同的硬度。通常，動導(dǎo)軌（短導(dǎo)軌）用較軟耐磨性低的材料，固定導(dǎo)軌（長導(dǎo)軌）用較硬和耐磨材料制造。
由于本產(chǎn)品的加工范圍較小，工作臺的工作范圍為400*400mm，因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度來考慮不易采用直線導(dǎo)軌，因此我選擇了直線軸承。直線軸承的選取由于目前資料中的直線軸承與現(xiàn)有產(chǎn)品差距很大，在此不做介紹，選取是根據(jù)其他部件在網(wǎng)站選取。
第四章 設(shè)計計算部分
第四章 設(shè)計計算部分
4.1 帶傳動設(shè)計
已知，電動機額定功率=600，計算轉(zhuǎn)速,傳動比，二班制工作。
1）確定設(shè)計功率
查得
2）選擇帶型號
選用普通帶，根據(jù)和，選取型帶。
3）選擇帶輪直徑、
型帶應(yīng)使。考慮小帶輪轉(zhuǎn)速不是很高，結(jié)構(gòu)尺寸又無特別限制，故選。
驗算帶速：
帶速在5~25之間，也不過低。
當(dāng)取至1250時，，也符合要求。
當(dāng)轉(zhuǎn)速再降低時，系統(tǒng)進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩傳動階段，拉力并不會增大，因而，選擇合適。
由于對轉(zhuǎn)速誤差要求嚴(yán)格，取
4）確定中心距和帶長
設(shè)計條件對中心距沒有限定，故可初選中心距，
初選
帶長=2597
取
中心距
的調(diào)整范圍：
5）驗算小帶輪包角
得，合適。
6）確定帶根數(shù)
查得
查得
查得
代入求根數(shù)公式，得
取，符合推薦輪槽數(shù)。
7）確定初拉力
查表得
8）計算作用在軸上的壓力
9）帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
A. 帶輪設(shè)計的要求
設(shè)計帶輪時應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡；輪槽工作面要精細(xì)加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。
B. 帶輪的材料
主要采用鑄鐵，這里選用。
C. 結(jié)構(gòu)尺寸
帶輪的典型結(jié)構(gòu)有四種：實心式，腹板式，孔板式，橢圓剖面的輪輻
本設(shè)計中，由于，故小帶輪選用孔板式結(jié)構(gòu)，而，所以大帶輪采用了輪輻式結(jié)構(gòu)。
4.2 蝸輪蝸桿設(shè)計
（一）夾緊機構(gòu)設(shè)計
已知：蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩=2.32N·m，轉(zhuǎn)速=250r/min，蝸輪轉(zhuǎn)速
= 3.05r/min。
（1）選擇傳動的類型，精度等級和材料
考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動，精度8c GB-10089-1988。
蝸桿用35CrMo，表面淬火，硬度為45～50HRC；表面粗糙度Ra≤1.6μm。
（2）選擇蝸桿、蝸輪的齒數(shù)
=/2
===78.62
傳動比（參考《機械設(shè)計手冊》第三卷的表16.5-5）=82，=1，
==82×1=82
（3）確定許用應(yīng)力
=，查表16.5-14可得=250，=80，
按照圖16.5-2得=1.0；。
輪齒應(yīng)力循環(huán)次數(shù)=60=60×5×1×300×10×8=7.2×
查圖16.5-4得 =1.07，=1.0
==250×1.0×1.07=267.5
==80×1.0=80
（4）按照接觸強度設(shè)計
取載荷系數(shù)K=1.1，由上面計算過程可知=68.4N·m
將上面的數(shù)據(jù)代入上式
=×1.1×68.4=35.185
查表16.5-4，接近于=35.185的是35，相應(yīng)m=1.25mm，
=22.4mm
查表16.5-5，按=82，m=1.25mm，d1=22.4mm，其a=63mm，=82，=1，
=+0.44；蝸輪分度圓直徑==1.25×82=102.5mm
導(dǎo)程角
（5）求蝸輪的圓周速度，并校核效率
實際傳動比
3.05r/min
蝸輪的圓周速度
===0.016m/s
滑動速度
===0.29m/s
傳動效率
==0.755
=1 =0.99
所以=0.755×1.0×0.99=0.75
與上面估計的效率相近，所以合適。
（6）校核蝸輪齒面的接觸強度
按表16.5-10，齒面接觸強度驗算公式為
= ≤
式中 查表16.5-11得， =156
查表16.5-12取=0.9；取=1.1； =0.29m/s﹤3m/s。取=1.0
蝸輪傳遞的實際扭矩=/2=2.32×82×0.75/2=71.3N·m
將上面的值帶入驗算公式
= =156×
=265.95<=267.5
(7)蝸輪齒根彎曲強度校核
按表16.5-10，齒根彎曲強度驗算公式
=
式中 按===82.13及 =+0.044查圖16.5-18得=2.07
=1-=1-=0.973
=80
將上述諸值代入公式
==
=32.99 <40
所以齒根彎曲強度足夠
（8）幾何尺寸計算（按表16.5-7）
已知：=82，m=1.25， =22.4mm，a=63mm，=82，=1，
=+0.44，=102.5mm
=+2m=（22.4+2×1.25）mm=24.9mm
=-2m（1+0.2）=（22.4-2×1.25×1.2）mm=19.4mm
b1≥（11+0.1Z2）m=（11+0.1×82）×1.25=24mm取b1=30mm
=+2m（）=102.5+2×1.25×（1+0.44）=106.1mm
≤+2m=（106.1+2×1.25）mm=108.1mm，取=108mm
4.3 滾珠絲杠的設(shè)計
1.選擇浮動式內(nèi)循環(huán)，雙螺母墊片預(yù)緊，滾道截面形狀選擇雙圓弧形
2.初選
≥ ==8mm
按表12-1-14，選擇=10mm。===3000r/min。則實際工作速度
=3000r/min×10mm=30m/min=0.5m/s，比設(shè)計要求的工作速度大，使工作臺的工作效率更高
3.計算當(dāng)量載荷
===558.41N
4.計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速
=3000r/min
5.額定動載荷計算
預(yù)計工作臺工作壽命10年，每天8小時，則 =3000×10×8=24000h則=60. =4.32×109Y
=··10-2（Ln）1/3≤，其中為絲杠的額定動載荷
—載荷系數(shù)，由表12-1-21查取，取輕微沖擊，=1.0—1.2，取=1.1
=1.1×558.41×（4.32×109）1/3≤， 即≥10004N=10.004KN
由表12-1-17，可見有=6mm，型號為3210的絲杠滿足并接近動載荷的要求，因此初步選擇此類的絲杠。
6.額定靜載荷計算
=·≤ 式中fd是絲杠的靜載荷系數(shù)，由表12-1-22查取，按一般運動，取=2，則=·=2×686N=1372N≤
所以選擇3210—3，其額定靜載荷為49.5KN，額定動載荷為25.6KN。
7.壓桿穩(wěn)定性的校核
本絲杠的安裝方式為一端固定一端自由如圖3.2
F=686N
F=686N
圖3.2
絲桿的長度為1.33m，直徑為18mm，即是絲杠的螺紋小徑，由穩(wěn)定校核公式可知λ=μ其中，μ是與安裝方式有關(guān)系的一個常數(shù)，由于此桿用一端固定一端自由，所以取μ=2，l是桿件的支承間的距離，i=，為絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，A是桿橫截面的面積，i是桿件的慣性半徑，所以對于圓截面的桿來說，i===，d1是桿件的直徑為25，所以i===6.25mm，
則λ=μ=2×=425.6，當(dāng)λ﹥90時可用下列公式計算臨界載荷。
===11617.3N，
==16.9 所以穩(wěn)定性很可靠
8.熱變形計算絲杠的全長變形量
Δ=α··Δt=×1330×5=0.00798mm
基本導(dǎo)程修正量=Δ·/ =6×10-5mm
9.預(yù)拉力計算
==890N
10.預(yù)緊轉(zhuǎn)矩計算
=其中是預(yù)緊力
==×558.41=186.14N
所以===24.21N
按ZBJ3162—91選滾珠絲杠副的精度為4級
總 結(jié)
總結(jié)
經(jīng)過一個學(xué)期的努力，終于完成了大學(xué)4年中最艱巨也是最重要的一項任務(wù)——畢業(yè)設(shè)計。
在設(shè)計過程中，我體會到了工業(yè)設(shè)計的整個過程，對所學(xué)的各門專業(yè)課，有了更深入的了解與把握。我發(fā)現(xiàn)實際的設(shè)計要比自己想的要復(fù)雜的多，要綜合考慮多種因素，才能得到比較合理的設(shè)計。比如，我在設(shè)計的過程中，必須考慮到工藝性，經(jīng)濟(jì)性，有效性，適時控制性，安全性，外觀等各種因素，才能得到現(xiàn)在的設(shè)計方案，這個方案也許有許多不合理的地方，但它畢竟是我真正走向工業(yè)設(shè)計的第一步。
畢業(yè)設(shè)計是對過去4年所學(xué)知識的一次全面的總結(jié)和檢驗，是對書本知識和工作實踐的一次重要結(jié)合，更是對我的一次嚴(yán)峻考驗。在完成工作的欣喜和興奮中，我得到了些須體會，希望能和老師同學(xué)們分享。
畢業(yè)設(shè)計鞏固了我的所學(xué)知識，鍛煉了我的實踐動手能力，培養(yǎng)了解決問題的能力，看闊了眼界。
設(shè)計過程我培養(yǎng)了我的計算機繪圖能力，使用計算機輔助設(shè)計是機械設(shè)計發(fā)展不可阻擋的趨勢，由于計算機輔助設(shè)計具有效率高工作量小，設(shè)計周期短，圖紙清潔線條清晰等優(yōu)點，所以掌握并靈活運用計算機輔助設(shè)計，是成為工程設(shè)計人員必須具備的能力。
畢業(yè)設(shè)計使我看到了資料的重要性，作為只學(xué)過專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)生而言，對于專業(yè)知識的理解還不夠深入，真正可用的知識及能力儲備都十分有限，在此種情況下，我們的目標(biāo)更應(yīng)側(cè)重于邊干邊學(xué)，其中學(xué)會查閱和使用相關(guān)資料可為將來真正的自我學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。討論和研究這些字眼以前知識聽人說的。在經(jīng)歷了這次的設(shè)計過程之后，我才明白，討論和研究是知識創(chuàng)造的源泉，是靈感和智慧的碰撞，是成果誕生的必經(jīng)過程。在本次設(shè)計中，和老師間的討論，和同學(xué)間的討論成為了決絕問題的捷徑。
舊的結(jié)束預(yù)示著新的開始，新的考驗，新的挑戰(zhàn)已經(jīng)擺在面前，我將帶著同樣的熱情投入到新的生活和工作中去。
致謝
感謝我的指導(dǎo)老師張學(xué)成老師。本次設(shè)計是在張老師的悉心指導(dǎo)下完成的，他淵博的知識和豐富的經(jīng)驗使我在畢業(yè)設(shè)計中學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識，更重要的是，他平易近人、可親可敬的人格魅力深深的打動著我。同時在我的設(shè)計過程中，賈老師孜孜不倦的對我的設(shè)計提出建議，并指出我設(shè)計中的錯誤，使我的畢業(yè)設(shè)計得以順利完成。在次表示真摯的感謝與敬意。
參考文獻(xiàn)
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〔日〕三浦宏文 主編 科學(xué)出版社、OHM社
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孫桓 陳作模 主編 高等教育出版社
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潭慶昌 趙宏志 曾平 主編 吉林科學(xué)技術(shù)出版社
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陳塑寰 聶毓琴 孟廣偉 編著 吉林科學(xué)技術(shù)出版社
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機電一體化技術(shù)手冊編委會 編 機械工業(yè)出版社
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揚黎明 主編 王智相 副主編 國防工業(yè)出版社
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龔桂義 潘沛霖 陳秀 嚴(yán)國良 編 高等教育出版社
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寇尊權(quán) 主編 吉林科學(xué)技術(shù)出版社
10《機械設(shè)計手冊》（第5卷）
徐灝 主編 邱宣懷、蔡春源、汪愷、余俊 副主編 機械工業(yè)出版社
11《機械零件簡明設(shè)計手冊》
楊黎明 主編 兵器工業(yè)出版社
附錄
附錄 軸承的計算程序（C語言編程）
#include“stdio.h”
#include“math.h”
#include“conio.h”
main()
{ FILE *fp;
char *myfile;
printf(“please input filename:” )
scanf(“%s”,myfile)
if((fp=fopen(myfile,“w”))==NULL)
{printf(“cannot open file\n”);
exit(0);
}
int i;
printf(“歡迎使用此程序校核您的鍵或者深溝球軸承，校核軸承請輸入1，校核鍵請輸入2\n” )；
scanf( “ %f” ,&i );
if(i==1)
jianjiaoahe();
if(i==2)
zhouchengjiaohe();
else
printf(“請輸入1或者2！\n” )；
fclose(fp);
}
jianjiaohe()
{ float T,c1,h,L,b,c;
printf( “請輸入您的軸的扭矩T= \n鍵高h(yuǎn)= \n鍵長L= \n鍵寬b= \n許用應(yīng)力c= \n”)；
scanf ( “%f,%f,%f,%f,%f”,&T,&h,&L,&b,&c);
printf( “您輸入的軸的扭矩T=%f，鍵高h(yuǎn)=%f ，鍵長L=%f ，鍵寬b=%f ,許用應(yīng)力c=%f\n”,T,h,L,b,c)；
l=L-b;
c1=2.0*T*1000/h/l/b;
if( c1>c)
printf(“不合格，建議選用尺寸較大的鍵\n”)；
else
printf(“強度合格，可以選用\n”)；
}
zhouchengjiaohe()
{ float fp,R,A,X,Y,p,Cr,t,n,Lh，ft，h，d，b，Cx;
double m；
printf( “請輸入載荷系數(shù)fp= \n基本額定動載荷Cr= \n徑向載荷系數(shù)X= \n軸向載荷系數(shù)Y= \n溫度系數(shù)ft＝\n”)；
scanf ( “%f,%f,%f,%f,%f,”,&fp,&Cr,&X,&Y，&ft);
printf( “請輸入所在軸的轉(zhuǎn)速n= \n徑向載荷R= \n軸向載荷A= \n”)；
scanf ( “%f,%f,%f”,&n,&R,&A);
printf( “請輸入工作年數(shù)t=\n 每天工作小時數(shù) h=\n每年工作天數(shù)d= \n”)；
scanf ( “%f,%f,%f,”,&t,&h,&d);
printf( “請輸入所在軸的n= \nR= \nA= \nfp=\nx=\ny=\nCr=\
nt=\nft=\nh=\nd=\n”,n,R,A,fp,x,y,Cr,t,ft,h,d)；
p=fp*（X*R+Y*A）；
Lh=t*h*d；
b=60*n*Lh/10/10/10/10/10/10；
m=pow（b，1.0/3）；
Cx=p/ft*m；
if( Cx>Cr)
printf(“不合格，建議您改用其他軸承\(zhòng)n”)；
else
printf(“合格，可以選用\n”)；
}