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目錄
緒論 1
第一章 數(shù)控加工技術(shù)概論 3
1.1 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念 3
1.2 數(shù)控機(jī)床的組成與分類 4
1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 6
第二章 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng) 7
2.1 數(shù)控機(jī)床對主傳動(dòng)的要求 7
2.2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)的配置方式 7
第三章 主軸電動(dòng)機(jī)的選取 10
第四章 同步帶傳動(dòng) 11
4.1 材料選擇 11
4.2 參數(shù)計(jì)算 11
第五章 主軸組件的設(shè)計(jì) 14
5.1 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 14
5.2 主軸材料的選擇及尺寸、參數(shù)的計(jì)算 16
5.3 主軸傳動(dòng)裝置箱體的作用 20
5.4 主軸箱體的截面形狀和壁厚計(jì)算 20
第六章 主軸軸承的選擇 21
6.1 軸承的選擇和軸承的精度 21
6.2 軸承預(yù)緊力的要求 22
6.3 主軸軸承的潤滑與密封 23
6.4 軸承壽命校核 24
第七章 聯(lián)接鍵的選擇和碟形彈簧的選擇與計(jì)算 25
7.1聯(lián)接鍵的選擇 25
7.2碟形彈簧的選擇與計(jì)算 25
7.3碟形彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳 26
7.4碟形彈簧的強(qiáng)壓處理、表面強(qiáng)化處理和防腐處理 26
第八章 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì) 28
第九章 液壓缸與密封件的設(shè)計(jì) 30
9.1液壓缸安裝時(shí)應(yīng)注意的問題 31
9.2液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)及主要尺寸的確定 31
9.3強(qiáng)度校核 31
9.4 密封件的作用及其意義 32
9.5 密封的分類及密封件的材料要求 32
9.6防塵圈設(shè)計(jì)要求 33
結(jié) 論 34
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄 37
緒論
在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬熱切割一般有氣割、等離子切割、數(shù)控銑床等。其中數(shù)控銑床與氣割相比，其切割范圍更廣、效率更高。而精細(xì)等離子切割技術(shù)在材料的切割表面質(zhì)量方面已接近了激光切割的質(zhì)量，但成本卻遠(yuǎn)低于激光切割。因此，數(shù)控銑床自20世紀(jì)50年代中期在美國研制成功以來，得到迅速發(fā)展。
1 國外數(shù)控銑床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
國外數(shù)控銑床的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個(gè)階段，相應(yīng)的型號(hào)種類繁多。能夠代表數(shù)控銑床技術(shù)最高水平的廠家主要集中在德國，目前，國外已有廠家在龍門式切割機(jī)上安裝一個(gè)專用切割機(jī)械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式專用切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運(yùn)行軌跡。
我國工廠的板材下料中應(yīng)用最為普遍的是數(shù)控銑床和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工下料、仿形機(jī)下料、半自動(dòng)切割機(jī)下料及數(shù)控切割機(jī)下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專用配套下料設(shè)備。但手工切割下料的缺點(diǎn)也是顯而易見的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后道加工工序的工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣。用仿形機(jī)下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數(shù)控切割來說由于設(shè)備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。
?隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢的蓬勃發(fā)展以及以焊代鑄趨勢的加速，數(shù)控銑床的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。數(shù)控銑床不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進(jìn)，而且改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，勞動(dòng)效率進(jìn)一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控銑床是以火焰和普通等離子切割機(jī)為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，該類切割機(jī)可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會(huì)越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現(xiàn)為：發(fā)達(dá)國家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機(jī)下料，僅10%為手工下料；而我國數(shù)控切割機(jī)下料僅占下料總量的10%，其中數(shù)控銑床下料所占比例更小。
我國數(shù)控銑床每年市場需求量約在400~500臺(tái)之間。相較而言，仿形切割機(jī)每年銷售幾千臺(tái)，半自動(dòng)切割機(jī)每年銷售達(dá)上萬臺(tái)。由此可見，我國數(shù)控切割市場，尤其是數(shù)控銑床市場的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?
2 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展
計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數(shù)控銑床的高精、高速、高效功能。代表世界先進(jìn)水平的歐洲、美國、日本的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商利用工控機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數(shù)控系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開發(fā)。
開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
近幾年來，由于對切割質(zhì)量、勞動(dòng)環(huán)境等的要求越來越高，其相應(yīng)產(chǎn)品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的數(shù)控銑床設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏切割理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐相轉(zhuǎn)換的機(jī)制，因此新技術(shù)運(yùn)用不廣、新產(chǎn)品開發(fā)速度不快，制約了數(shù)控銑床技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和運(yùn)用。
第一章 數(shù)控加工技術(shù)概論
1.1 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念
一 數(shù)控技術(shù)
數(shù)控技術(shù)是本世紀(jì)中期發(fā)展起來的機(jī)床控制技術(shù)，是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透行程的機(jī)電一體化鏟平，即所謂的數(shù)字化裝備。
(1)數(shù)控與數(shù)控機(jī)床
數(shù)字控制 （Numerical Control，簡稱NC）,國家標(biāo)準(zhǔn)定義為：“是用數(shù)字化信號(hào)對機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法”。定義中的“機(jī)床”，不僅指金屬切削機(jī)床，還包括其他各類機(jī)床，如線切割機(jī)床等。
數(shù)控機(jī)床 （Numerical Control Machine Tools）是技術(shù)密集度及自動(dòng)化程度很高的機(jī)電一體化加工裝備。簡單地說就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處理聯(lián)盟 （Internaional Federation of Information Proceccing，簡稱 IFIP）第五技術(shù)委員會(huì)對數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼和其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。
（2） 數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng) （NC System）就是上訴定義中所指的那種程序控制系統(tǒng)，它是邏輯地處理駛?cè)氲较到y(tǒng)中具有特定代碼的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床運(yùn)行并加工零件。
數(shù)控系統(tǒng)在本質(zhì)上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。在硬件方面，它經(jīng)歷了電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路、微處理機(jī)到當(dāng)前PC結(jié)構(gòu)的五代發(fā)展；在體系結(jié)構(gòu)上，經(jīng)歷了硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、到目前的PC數(shù)控（PC-NC）三個(gè)階段。[9]
二 數(shù)控加工
數(shù)控加工技術(shù)是20世紀(jì)40年代后期為適應(yīng)加工復(fù)雜外形零件而發(fā)展起來的一種自動(dòng)化加工技術(shù)。數(shù)控加工就是用數(shù)控機(jī)床加工零件的方法。數(shù)控加工是伴隨數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生、發(fā)展而逐步完善起來的一種應(yīng)用技術(shù)，它是人們長期從事數(shù)控加工實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
1.2 數(shù)控機(jī)床的組成與分類
一 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的種類很多，但是任何一種數(shù)控機(jī)床都主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。
1 數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，是數(shù)控機(jī)床的“指揮系統(tǒng)”。 數(shù)控系統(tǒng)通常是一臺(tái)帶有專門系統(tǒng)軟件的專用微型計(jì)算機(jī)。
2 伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)（或稱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是由驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行兩大部分組成。用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和株洲伺服控制。它接受數(shù)控裝置的指令信息，并按指令信息的要求控制執(zhí)行部件的進(jìn)給熟讀、方向和位移。
3 機(jī)械系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)，除機(jī)床基礎(chǔ)件意外，有下列各部分組成:
(1)主軸部件：包括主軸電動(dòng)機(jī)和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)。
(2)進(jìn)給系統(tǒng)：包括進(jìn)給執(zhí)行電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。
(3)實(shí)現(xiàn)共建回轉(zhuǎn)、定位的裝置和附件。
(4)實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置。
(5)刀庫和自動(dòng)換刀裝置(Autormatic Tools Changer, 簡稱 ATC)
(6)自動(dòng)托盤交換裝置（Autormatic Pallet Changer，簡稱 APC）
機(jī)床基礎(chǔ)件或稱機(jī)床大件，通常是指床身(或底座)、立柱、滑座和工作臺(tái)等，它是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。[9]
二 數(shù)控機(jī)床的分類
1 按工藝用途分
按照工藝的不同，數(shù)控機(jī)床可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控沖床、數(shù)控剪床、數(shù)控液壓機(jī)等各種工藝用途的數(shù)控機(jī)床。
2 按運(yùn)動(dòng)方式劃分
按運(yùn)動(dòng)方式即刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)方式，數(shù)控機(jī)床可分為：點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制。
3 按伺服系統(tǒng)類型劃分
按伺服系統(tǒng)類型的不同，數(shù)控機(jī)床可分為：開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)時(shí)空機(jī)床。
（1） 開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床
開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床是一種不叫原始的數(shù)控機(jī)床。這類機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)據(jù)指令給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，沒有來自位置傳感器的反饋信號(hào)。最典型的系統(tǒng)就是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出去以后，實(shí)際移動(dòng)值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制。這類機(jī)床較為經(jīng)濟(jì)，但加工速度和加工精度較低。
（2） 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床
閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床帶有檢測裝置，直接對工作臺(tái)的位移量進(jìn)行檢測。這類控制系統(tǒng)，因?yàn)榘褭C(jī)床工作臺(tái)納入位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺(tái)傳動(dòng)鏈在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)誤差，因而定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。但由于該系統(tǒng)受進(jìn)給絲杠的拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，給調(diào)試工作造成較大的困難。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)復(fù)雜和成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床，如精密鏜銑床、超精密數(shù)控機(jī)床等。
（3） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床
大多數(shù)數(shù)控機(jī)床是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，這類系統(tǒng)介于開環(huán)和閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。
4 按數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功能水平劃分
按數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功能水平可分為：低檔、中檔和高檔。按控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)可分為幾軸聯(lián)動(dòng)等多種數(shù)控機(jī)床；按數(shù)控機(jī)床功能多少可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和全功能型數(shù)控機(jī)床等。[9]
1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向
1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下特點(diǎn)。
（1） 自動(dòng)化程度高。
（2） 進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單。
（3） 工藝復(fù)合化和功能集成化。
（4） 具有加工復(fù)雜形狀兩件的能力。
（5） 具有高度柔性，適用性強(qiáng)。
（6） 加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定。
（7） 生產(chǎn)效率高。
2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向
當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。
（1） 高速度、高精度。
（2） 多功能化。
（3） 智能化。
（4） 目前CAD/CAM圖形交互式自動(dòng)變成已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。
（5） 可靠性最大化數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。
（6） 控制系統(tǒng)小型化和時(shí)空系統(tǒng)小型化便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。[20]
第二章 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸組件。與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)。省去了繁雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，還有一些數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中還存在二級(jí)或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)用以擴(kuò)大主軸電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速的范圍。
2.1 數(shù)控機(jī)床對主傳動(dòng)的要求
1. 范圍： 各種不同的機(jī)床對調(diào)速范圍的要求不同，多用途，通用性比較大的機(jī)床，要求主軸的調(diào)速范圍大，不但有低速大轉(zhuǎn)距的功能，而且還要有比較高的速度。
2. 熱變形：電動(dòng)機(jī)、主軸及傳動(dòng)件都有熱源。降低溫升，減少熱變形是對主傳動(dòng)系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。
3. 旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)精度
（1）主軸的旋轉(zhuǎn)精度:是指裝配后，在無載荷，低速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，測量主軸前端和300mm處的徑向和軸向跳動(dòng)值。
（2）主軸在以工作速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量上述兩項(xiàng)精度稱為運(yùn)動(dòng)精度。
4. 主軸的靜剛度和抗振性
由于數(shù)控機(jī)床的加工精度比較高，主軸的轉(zhuǎn)速又很高。因此，主軸組件的質(zhì)量分布是否均勻以及主軸組件的阻尼等，對主軸組件的靜剛度和抗振性都會(huì)產(chǎn)生影響。
5. 主軸組件的耐磨性
主軸組件必須有足夠的耐磨性，使之能夠長期保持要求的準(zhǔn)確精度。凡是有機(jī)械摩擦的部位，軸承，錐孔等都要有足夠的硬度，軸承還應(yīng)具有良好的潤滑。[6]
2.2 數(shù)控銑床主傳動(dòng)的配置方式
數(shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證進(jìn)行加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。大多數(shù)的數(shù)控銑床是用無級(jí)變速系統(tǒng)控制的。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下三種配置方式：
1. 帶有變速齒輪的主傳動(dòng)
這種配置方式在大中型數(shù)控機(jī)床中采用比較普遍。它通過少數(shù)幾對齒輪進(jìn)行降速，使之能夠分段變速，確保低速時(shí)擁有足夠的扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性。但也有一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用這種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。
2. 通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)
主要應(yīng)用在中小數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲，但它只能適用于低扭矩特性要求的主軸。同步帶有多楔帶，齒形帶，圓弧帶等，是一種綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。帶的工作面及帶輪外圓上均制成齒形，通過帶輪與輪齒相嵌合，做無滑動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。帶內(nèi)采用了承載后無彈性伸長的材料作強(qiáng)力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主動(dòng)和從動(dòng)帶輪可做無相對滑動(dòng)的同步傳動(dòng)。與一般帶傳動(dòng)相比，同步帶傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）無滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確。
（2）傳動(dòng)效率高，可達(dá)98%以上。
（3） 傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，噪聲小。
（4） 使用范圍廣，速度要達(dá)到50m/s，速比可達(dá)10左右，傳動(dòng)功率由幾瓦到數(shù)千瓦。
（5） 修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。
但是同步帶也有不足之處，其安裝時(shí)中心距要求嚴(yán)格，帶與帶輪制造工藝較復(fù)雜，成本高。
3. 由調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)
這種主傳動(dòng)方式大大簡化了主軸箱與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度。但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的熱量對主軸的精度影響比較大。在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)為恒功率輸出。使用這種電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)電氣定向。我們把機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與一般工業(yè)的驅(qū)動(dòng)相比較，便可知機(jī)床要求其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較高的速度精度和動(dòng)態(tài)剛度，而且要求具有能連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)距能力和非常寬的恒功率運(yùn)動(dòng)范圍。隨著功率電子，計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制理論，新材料和電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，矢量控制交流主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過了直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正在逐步取代直流系統(tǒng)。[4]
第三章 主軸電動(dòng)機(jī)的選取
正確選擇電動(dòng)機(jī)的類型、型號(hào)及容量是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要問題之一，它直接影響著機(jī)床的結(jié)構(gòu)和壽命，選擇時(shí)要根據(jù)機(jī)床的功能要求，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，工作狀況等全面考慮，然后選擇適宜的結(jié)構(gòu)型式及容量。
圖3-1主軸電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)功率的選擇，工作機(jī)所需的有效功率為：Pw=Fv/1000=17.5kw[1],為了計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需的功率，先要確定從電動(dòng)機(jī)到工作部件的總效率η，設(shè)η1、η2、分別為同步帶輪和同步帶的傳動(dòng)效率，查表所得η1和η2都等于0.97。則傳動(dòng)的總效率為η=η1×η2=0.94[1]， 所以電動(dòng)機(jī)所需的功率為Pd=Pw/η=18.5KW[1]
電動(dòng)機(jī)傳速的選擇:此次設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)必須有額定轉(zhuǎn)速1500r/min,最高轉(zhuǎn)速必須達(dá)到4000r/min.
電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選取：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)中選取蘭州電機(jī)廠生產(chǎn)的1PH5167-4CF4型號(hào)交流主軸電動(dòng)機(jī)。
其主要參數(shù)如下表：
額定轉(zhuǎn)速（r/min）
最高轉(zhuǎn)速(r/min)
額定轉(zhuǎn)矩
慣性矩(N.M)
電機(jī)功率(KW)
恒功率范圍
1500
6000
117.7
0.046
18.5
1:90
表3-1 1PH5167-4CF4型號(hào)交流主軸電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)[11]
第四章 同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)，同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:
（1）無相對滑動(dòng)，帶長不變，傳動(dòng)比穩(wěn)定；
（2）帶薄而輕，強(qiáng)力層強(qiáng)度高，適用于高速傳動(dòng)，速度可達(dá)40 m/s；
（3）帶的柔性好，課用直徑較小的帶輪，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，能獲得較大的傳動(dòng)比；
（4）傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98-0.99，因而應(yīng)用日益廣泛；
（5）初拉力較小，故軸和軸承上所受的載荷小。
主要缺點(diǎn)是制造、安裝精度要求較高、成本高。
同步帶主要用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如計(jì)算機(jī)、錄音機(jī)、磨床和紡織機(jī)等。[13]
4.1 材料選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用聚氨酯同步帶，由帶背、帶齒、抗拉層三部分組成。帶背和帶齒材料為聚氨酯，抗拉層采用鋼絲繩，適用于中小功率的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部分。[13]
4.2 參數(shù)計(jì)算
設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容主要是：齒形帶的模數(shù)、齒數(shù)、和寬度的結(jié)構(gòu)和尺寸，傳動(dòng)中心距，作用在軸上載荷以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1. 模數(shù)的選取
模數(shù)主要根據(jù)齒形帶所傳遞的計(jì)算功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1確定的，通過查《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》表4-33查得Pd=KA*P, 式中P———傳動(dòng)功率
表4-1 工作情況系數(shù)KA
載荷性質(zhì)
一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h
≤10
10～16
16以上
載荷平穩(wěn)
1.0
1.1
1.2
載荷變化小
1.2
1.4
1.6
載荷變化大
1.4
1.7
2.0
選取KA=1.7，所以PC=5.5×1.7=9.35KW
由齒形帶模數(shù)選用圖可選m=4
2. 小帶輪齒數(shù)Z1:由《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊》表8-38 得Zmin=22,所以取Z1=24
3. 同步帶節(jié)距Pb:由 PD=9.35KW n1=1500r/min, 查表選取節(jié)距Pb=12.566mm, 齒形角2β=40。 齒根厚S=5.75mm。齒頂厚St=4mm, 齒高h(yuǎn)g=ht+e=2.4+2.7=5.1mm, 齒根圓半徑Rr=齒頂圓半徑Ra=0.40mm, 帶高h(yuǎn)s=4.4mm, 節(jié)頂距δ=1.000mm, 帶bs=35～40mm。
4. 節(jié)圓直徑d1:d1==96㎜
5. 大帶輪齒數(shù)z2與直徑：z2=iz1=36
6. 大帶輪直徑d2=id1=1.5×96=144㎜
7. 帶的速度V:V==7.536， (式4-1)
由表查得[13]
Vmax=35～40 V
T
因?yàn)檩S承使用壽命遠(yuǎn)大于軸承預(yù)期的壽命所以軸承合格的。
第七章 聯(lián)接鍵的選擇和碟形彈簧的選擇與計(jì)算
7.1聯(lián)接鍵的選擇
鍵的類型可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求和工作條件選擇，鍵截面尺寸通常根據(jù)軸的直徑，從標(biāo)準(zhǔn)中選取，對于某些特殊情況（如階梯軸）在保證傳遞所需的轉(zhuǎn)矩的條件下，允許選用較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小一擋的截面尺寸，有時(shí)候由于工藝和強(qiáng)度原因，也可以選用較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸大一擋的鍵，鍵的長度按輪轂長度而定，即鍵的長度等于略短于輪轂的長度，而導(dǎo)向平鍵就得按輪轂的長度及滑動(dòng)距離而定，鍵的長度應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。
根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸和GB/T1096-1979選普通平鍵聯(lián)接，鍵的公稱尺寸是b×h×L=10×8×(28～36)，材料選取45號(hào)鋼。
7.2碟形彈簧的選擇與計(jì)算
碟形彈簧它是一種用鋼板沖壓的截面錐形壓縮彈簧，其特點(diǎn)是：
圖7-1碟形彈簧
（1）剛度大，用于負(fù)荷大，軸向空間要求小的地方。
（2）具有變剛度特性，適應(yīng)范圍廣，根據(jù)其極限變形量h0和彈簧板厚度t不同，可有各種不同的特性曲線和承載能力。
（3）在工作過程中，碟片之間有摩擦損失，加載和卸載時(shí)的特性曲線不重合，吸振能力強(qiáng)，制造維修方便。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用A系列碟形彈簧。采用對合組合方式安裝。[17]
7.3碟形彈簧材料及熱處理、厚度和脫碳
碟形彈簧材料為60Si2MnA，碟簧成型后，進(jìn)行淬火，回火后的硬度必須在HRC42～45范圍內(nèi)單面脫碳層深度，對于厚度小于1.25mm的第一類碟形彈簧，不得超過其厚度的5%，對于厚度不小于1.25mm的碟形彈簧，不超過其厚度的3%（其最小值允許為0.06㎜）。
7.4碟形彈簧的強(qiáng)壓處理、表面強(qiáng)化處理和防腐處理
碟形彈簧應(yīng)全部進(jìn)行強(qiáng)壓處理，處理方法為：一次壓平，持續(xù)時(shí)間不少于12h，或者進(jìn)行短時(shí)壓平，壓平次數(shù)不小于5次，壓平力不小于二倍的Pf=0.75h0,強(qiáng)化處理后自由高度應(yīng)穩(wěn)定。
對于受變負(fù)荷的碟形彈簧，內(nèi)錐面推薦表面作強(qiáng)化處理，例如噴丸處理等，根據(jù)需要，碟形彈簧表面進(jìn)行防腐處理（如磷化、氧化、鍍鋅等），經(jīng)電鍍后的碟形彈簧，必須進(jìn)行去氫處理，不過對受變負(fù)載的碟形彈簧應(yīng)該避免采用電鍍方法處理。[6]
其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：D=50 d=25.4 t=3 h0=1.1 H0=4.1 P=12000N f=0.83 H0-f=3.27 σM=-1250N/㎜2 σⅡ =1430 N/㎜2 Q=34.30kg/1000件
D/t≈18 h0=0.4 E=206000N/㎜2 μ=0.3 K4=1 C=2
壓平彈簧的負(fù)載：
PC= （式7-1）
K1==0.69， （式7-2）
P/Pc=5000/8410=0.59 因?yàn)閔0/t=0.4 (查表所得) 所以 f=0.57×h0=0.51 所以對合組合的片數(shù)為I= 取12片.
未受負(fù)載的高度是HZ=i.H0=22×3.15=69.3
受負(fù)載時(shí)的高度H1=HZ-if=69.3-22×0.51=58.08
壓平彈簧時(shí)(f=h0)M點(diǎn)的應(yīng)力
σM= （式7-3）
此數(shù)據(jù)與60Si2MnA的屈服極限1400接近
碟形彈簧的剛度 P==9015.53N （式7-4）
第八章 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：
1.螺釘?shù)牟贾靡话銓ΨQ形式，并應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)和力流方向使螺釘受力合理，加工與安裝方便。
2.形心與結(jié)合面的形心應(yīng)該重合。
3.用鉸制孔螺釘（受剪切螺釘）承受橫向載荷時(shí)，沿力流方向的螺釘應(yīng)不多于6個(gè)。
4.一組螺釘?shù)闹睆胶烷L度應(yīng)該盡量相同。
5.一組螺釘中每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力應(yīng)該相同。
6.釘中心線間的最小距離t=（1.5～2.0）s，s為六角螺母的對邊寬度，最大距離與聯(lián)接用途有關(guān)。
7.該滿足擰螺釘時(shí)需要的最小扳手空間。
8.校核計(jì)算時(shí)只計(jì)算受力最大的螺釘。
六角頭頭部帶槽螺釘：
圖8-1六角頭頭部帶槽螺釘
根據(jù)要求計(jì)算：
選用M6和M8兩種螺釘，其中M6型號(hào)螺釘主要尺寸參數(shù)為：b=24, dk=9.78～10, K=3.9, t=2, B=4.15, l=10～60,精度等級(jí)為8.8級(jí)。
M8型號(hào)螺釘主要尺寸參數(shù)為：b=28, dk=12.73～13, K=5, t=2.6, B=5, l=12～80， 精度等級(jí)為8.8級(jí)。
螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算與校核：
承受橫向載荷和軸向載荷的普通螺釘?shù)男：薓6螺釘
校核公式：4×1.3F0/(πd1)2≤[б], 96.32≤[б]=106.2所以合格。
設(shè)計(jì)公式：d1≥[4×1.3F0/π[б]1/2 =5.96 式中 (d1是螺釘?shù)穆菁y小徑，[б]是螺釘?shù)脑S用拉應(yīng)力) [12]
第九章 液壓缸與密封件的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，要在對液壓系統(tǒng)工作情況分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)液壓缸在機(jī)構(gòu)中所要完成的任務(wù)來選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，然后按負(fù)載、運(yùn)動(dòng)要求、運(yùn)動(dòng)要求、最大行程等確定主要尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗(yàn)算，最后進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
此次設(shè)計(jì)選用的是雙桿活塞式液壓缸，這種液壓缸是缸筒固定的雙桿活塞缸，活塞的兩側(cè)的活塞桿直徑相等，它的進(jìn)油口和出油口位于缸筒的兩端，當(dāng)工作壓力和輸入流量向同時(shí)，兩個(gè)方向上的推力和速度是相等的。
圖9-1液壓缸
9.1液壓缸安裝時(shí)應(yīng)注意的問題
（1）液壓缸的基座必須有足夠的剛度，如果按裝基座不夠堅(jiān)固，加壓時(shí)，缸筒將會(huì)呈弓形和向上翹起，致使活塞桿彎曲或折損，還有得就是盡量使活塞桿在受拉力狀態(tài)下能夠承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下活塞桿具有良好的縱向穩(wěn)定性。
（2）液壓缸軸向兩端不要固定死， 因?yàn)橐簤焊谉崤蛎浀纫蛩?，?huì)在軸向伸縮，假若兩端固定死，將會(huì)使液壓缸的整體向上彎曲，而導(dǎo)致個(gè)部分變形，當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻滯現(xiàn)象，活塞和活塞桿的導(dǎo)向套等表面產(chǎn)生不均勻的磨損等不良現(xiàn)象，所以必須避免這種安裝方法。
（3）安裝前，先要檢查加工零件上有無毛刺或銳角；裝入密封件時(shí)，要用高熔點(diǎn)潤滑油；正確安裝，搞清安裝方向；注意密封件的擠出和擰扭； 密封圈要順利的通過螺紋或孔口。[12]
9.2液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)及主要尺寸的確定
盡可能按推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、加工、裝配和維修方便。
正確確定液壓缸的安裝和固定方式。考慮液壓缸的熱變形，它只能一端固定。
缸筒內(nèi)徑D： 根據(jù)負(fù)載大小和選定的工作壓力，或運(yùn)動(dòng)速度和輸入流量計(jì)算，再參考GB2348-80標(biāo)準(zhǔn)選取缸筒內(nèi)徑D=78.5mm
活塞桿直徑d： 按工作時(shí)受力情況，參考GB3458-80標(biāo)準(zhǔn)確定d=27mm
鋼筒長度L: 根據(jù)最大工作行程確定L=126mm
9.3強(qiáng)度校核
對于液壓缸的缸筒壁厚δ活塞桿直徑d缸蓋處固定螺釘?shù)闹睆?，在高壓系統(tǒng)中，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
筒壁厚δ，在中、低壓液壓系統(tǒng)中，缸筒壁厚往往由結(jié)構(gòu)工藝要求決定，一般不要校核。在高壓系統(tǒng)中，須按下列情況進(jìn)行校核。
當(dāng)D/δ>10時(shí)為薄壁，δ可按下式校核，δ = 23mm 式中 D----缸筒的內(nèi)徑
py----試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力pn≤16Mpa時(shí)，取 py=1.5pn；pn>16Mpa時(shí)，取py=1.25
[σ]----缸筒材料的許用應(yīng)力, [σ]=σb/n, σb為材料抗拉強(qiáng)度,n為安全系數(shù),一般取n=5。
活塞桿直徑d的校核
=26.66mm （式9-1）
式中F----活塞桿上的作用力。
[σ]----活塞桿上的許用應(yīng)力，[σ]= σb/1.
9.4 密封件的作用及其意義
在液壓與氣壓系統(tǒng)及其元件中，安置密封裝置和密封的作用，在于防止工作介質(zhì)的泄漏及外界塵埃和異物的侵入。設(shè)置于密封裝置中、起密封作用的元件稱為密封件。
液壓與氣壓傳動(dòng)工作介質(zhì)，在系統(tǒng)及元件的容腔內(nèi)流動(dòng)或暫存時(shí)，由于壓力、間隙、黏度等因素的變化，而導(dǎo)致少量工作介質(zhì)越過容腔邊界，由高壓腔或外界流出，這種“越界流出”現(xiàn)象就叫做泄漏。泄漏分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩類。內(nèi)泄漏指在系統(tǒng)或元件內(nèi)部工作介質(zhì)由高壓腔向低壓腔的泄漏；外泄漏則是由系統(tǒng)或元件內(nèi)部向外界的泄漏。單位時(shí)間內(nèi)泄漏的工作介質(zhì)的體積稱為泄漏量。
對于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，內(nèi)泄漏會(huì)引起系統(tǒng)容積效率的急劇下降，達(dá)不到所需的工作壓力，使設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；外泄漏則造成工作介質(zhì)的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，甚至引發(fā)設(shè)備操作失靈和人身事故。
因此，正確和合理的使用密封件事液壓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。
9.5 密封的分類及密封件的材料要求
密封的作用是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有兩方面：一是密封面上有間隙；二是密封部位兩側(cè)存在較大壓力差。消去或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。因此，密封的方法通常有：封住結(jié)合面的間隙；切斷泄漏通道；增加泄漏通道中的阻力；設(shè)置做功元件，