CK型數(shù)控機床畢業(yè)設(shè)計說明書

1、第1章 總體方案1.1 CK6163的現(xiàn)狀和發(fā)展   數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍復(fù)蓋很多領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)：(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)：(6)軟件技術(shù)等。計算機對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術(shù)的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢： 1、智能化 ；  2、網(wǎng)絡(luò)化 ；3、集成化 ； 4、微機電控制系統(tǒng) ；5、數(shù)字化

2、 。我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考： 1、注重系統(tǒng)配套 ； 2、注重產(chǎn)品的可靠性 ；3、提倡創(chuàng)新，加強服務(wù)。1.2 CK6163臥式車床及控制系統(tǒng)的總體方案 由于該設(shè)計給出的已知條件是16級變速，對于主軸箱的設(shè)計采用雙聯(lián)齒輪、撥叉、電磁離合器實現(xiàn)主軸的變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。進給部分用數(shù)控系統(tǒng)控制縱橫兩方向的步進電機，實現(xiàn)X、Y兩方向的進給運動；刀架采用四方刀架；參考的普通機床拆除其中的絲杠、光杠進給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；在主軸后端加一主軸編碼器，以便加工螺紋。第2章 機械部分設(shè)計計算說明2.1 主運動部分計算 參數(shù)的確定1) 了解車床的基本情況和特點-車床的規(guī)格系列和類型1. 通用機床的規(guī)格和類

3、型有系列型譜作為設(shè)計時應(yīng)該遵照的基礎(chǔ)。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設(shè)計中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結(jié)構(gòu)都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細(xì)的解釋和說明了。 2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79）最大的工件回轉(zhuǎn)直徑D是630mm；刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑D1大于或等于315mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1500mm；主軸轉(zhuǎn)速范圍是：321000r/min；級數(shù)范圍是：16；縱向進給量0.0120.47mm；主電機功率是13kw。2) 參數(shù)確定的步驟和方法

4、1. 極限切削速度umaxumin根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)書。然而，根據(jù)本次設(shè)計的需要選取的值如下：取umax=300m/min； umin=8m/min。加工條件硬質(zhì)合金刀具粗加工鑄鐵件3050硬質(zhì)合金刀具半精或精加工碳鋼工件150300螺紋（絲杠等）加工鉸孔382. 主軸的極限轉(zhuǎn)速計算車床主軸的極限轉(zhuǎn)速時的加工直徑，按經(jīng)驗分別?。?.10.2）D和（0.450.5）D。由于D=630mm，則主軸極限轉(zhuǎn)速應(yīng)為： nmax=r/min （2.1） =7581517r/min ，取=100

5、0r/m； nmin=r/min （2.2）在中考慮車螺紋和絞孔時，其加工最大直徑應(yīng)根據(jù)實際加工情況選取0.1D和50左右。 所以 nmin=32r/min由于轉(zhuǎn)速范圍 R= = =31.25 ；因為級數(shù)Z已知： Z=16級 ?，F(xiàn)以=1.26和=1.41代入R=得R=32和173 ，因此取=1.26更為合適。 各級轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表中查出。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表給出了以=1.06的從110000的數(shù)值，因=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個數(shù)值取一個數(shù)，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，

6、40，32。3. 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)z和公比 已知 =Rn Rn=且： z=因機床的電動機轉(zhuǎn)速往往比主軸的大多數(shù)轉(zhuǎn)速高，變速系統(tǒng)以降速傳動居多，因此，傳動系統(tǒng)中若按傳動順序在前面的各軸轉(zhuǎn)速較高，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（單位N.m） T=，當(dāng)傳遞功率一定時，轉(zhuǎn)速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時，傳動件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動副數(shù)較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。因此選擇結(jié)構(gòu)式如下： 16=。4. 主電機功率動力參數(shù)的確定 合理地確定電機功率N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機經(jīng)常輕載而降低功率因素。 目

7、前，確定機床電機功率的常用方法很多，而本次設(shè)計中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量： 根據(jù)設(shè)計書表中推薦的數(shù)值： 取 P=13kw 傳動設(shè)計1) 傳動結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)的選擇結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復(fù)雜的傳動并想由此導(dǎo)出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設(shè)計的需要可以參考一下這個方案。確定傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有Z1、Z2、Z3個傳動副。即 Z=Z1Z2Z3傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以2和

8、3的因子積為合適，即變速級數(shù)Z應(yīng)為2和3的因子:Z=可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經(jīng)選定了的和本次設(shè)計所須的正確的方案列出，具體的內(nèi)容如下：傳動齒輪數(shù)目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個軸向尺寸 19b傳動軸數(shù)目 8根操縱機構(gòu) 簡單，兩個雙聯(lián)滑移齒輪根據(jù)以上分析及計算，擬定主軸箱、變速箱傳動結(jié)構(gòu)圖如下：圖二中，第軸至第軸，其結(jié)構(gòu)式為： 4=圖一中，第軸至第軸，機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動，其主要特點是：（1） 在滿足傳動副極限傳動比的條件下，可以得到較大的變速范圍。（2） 高速由短支傳動，有助于減少高速時機床的空運轉(zhuǎn)功率損失。而且高速分支的尺寸可相對小

9、些。（3） 變速級數(shù)不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉(zhuǎn)速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級數(shù)，大大增加了可供選擇方案的數(shù)目。2) 主傳動順序的安排16級轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速箱的具體結(jié)構(gòu)、裝置和性能。在軸上如果安裝摩擦離合器時，應(yīng)減小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以2為宜，本次設(shè)計中就是采用的2，一對是傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。 主軸對加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2，或者用一個定比傳動副。3) 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排對于16級的傳

10、動只有一種方案，準(zhǔn)確的說應(yīng)該不只有這一個方案，可為了使結(jié)構(gòu)和其他方面不復(fù)雜，同時為了滿足設(shè)計的需要，選擇的設(shè)計方案是： 16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21x28傳動方案的擴大順序與傳動順序可以一致也可以不一致，在此設(shè)計中，擴大順序和傳動順序就是一致的。這種擴大順序和傳動順序一致，稱為順序擴大傳動。4) 傳動組的變速范圍的極限植在主傳動系統(tǒng)的降速傳動中，主動齒輪的最少齒數(shù)受到限制，為了避免被動齒輪的直徑過大，齒輪傳動副最小傳動比umin，最大傳動比umax2，決定了一個傳動組的最大變速范圍rmax=umax/nmin8因此，要按照參考書中所給出的表，淘汰傳動組變速范圍超過極限值的

11、所有傳動方案。極限傳動比及指數(shù)x，值為：極限傳動比指數(shù) 1.26 x：umin= 6 值；umax=2 3 （x+）值：umin=8 95) 最后擴大傳動組的選擇正常連續(xù)的順序擴大的傳動（串聯(lián)式）的傳動結(jié)構(gòu)式為： Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2即是： Z=16=222122282.1.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定 運動參數(shù)確定以后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已知，切削耗能確定了電機功率。在此基礎(chǔ)上，選擇電機型號，確定各中間傳動軸的轉(zhuǎn)速，這樣就擬定主運動的轉(zhuǎn)圖，使主運動逐步具體化。1) 主電機的選定 中型機床上，一般都采用三相交流異步電機為動力源，可以在系列中選用。在選擇電機型號時，應(yīng)按以下步驟進行：1) 電機功率N：

12、根據(jù)機床切削能力的要求確定電機功率。但電機產(chǎn)品的功率已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，按要求應(yīng)選取相近的標(biāo)準(zhǔn)值。 N=13kw2.電機轉(zhuǎn)速nd 異步電機的轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min 類比同類機床CM6163，在此處選擇的是： nd=1450r/min 這個選擇是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速與主軸最高轉(zhuǎn)速nmax和軸的轉(zhuǎn)速相近或相宜，以免采用過大的升速或過小的降速傳動。3.雙速和多速電機的應(yīng)用 根據(jù)本次設(shè)計機床的需要，所選用的是：雙速電機4.電機的安裝和外形 根據(jù)電機不同的安裝和使用的需要，有四種不同的外形結(jié)構(gòu)，用的最多的有底座式和發(fā)蘭式兩種。本次設(shè)計的機床所需選用的是外行安裝尺寸之一。具體的安裝

13、圖可由手冊查到。5.常用電機的資料 根據(jù)常用電機所提供的資料，選用： Y132M-42) 軸的轉(zhuǎn)速 軸從電機得到運動，經(jīng)傳動系統(tǒng)化成主軸各級轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速和主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動件在高速運轉(zhuǎn)下恒功率工作時所受扭矩最小來考慮，軸轉(zhuǎn)速不宜將電機轉(zhuǎn)速下降得太低。 但如果軸上裝有摩擦離合器一類部件時，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，軸轉(zhuǎn)速不宜太高。 軸裝有離合器的一些機床的電機、主軸、軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)：參考這些數(shù)據(jù)，可見，車床軸轉(zhuǎn)速一般取7001000r/min。另外，也要注意到電機與軸間的傳動方式，如用帶傳動時，降速比不宜太大，否則軸上帶輪太大，和主軸尾端可能干涉。因此，本次設(shè)計選

14、用： n1=1000r/min3) 中間傳動軸的轉(zhuǎn)速 對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、震動等性能要求之間的矛盾。 中間傳動軸的轉(zhuǎn)速較高時（如采用先升后降的傳動），中間轉(zhuǎn)動軸和齒輪承受扭矩小，可以使用軸徑和齒輪模數(shù)小寫：d 、 m，從而可以使用結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率N空和噪音Lp（一般機床容許噪音應(yīng)小于85dB）加大： N空=) KW （2.3）式中：C-系數(shù)，兩支承滾動或滑動軸承C=8.5，三支承滾動軸承C=10；da-所有中間軸軸頸的平均直徑（mm）；d主主軸前后軸頸的平均直徑（mm）；n主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。 （2.4）（mz）a所有中間傳動齒輪的

15、分度圓直徑的平均值mm；（mz）主主軸上齒輪的分度圓的平均值mm；q-傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù)；-主軸齒輪螺旋角；C1、K-系數(shù)，根據(jù)機床類型及制造水平選取。我國中型車床、銑床C1=3.5。車床K=54，銑床K=50.5。從上訴經(jīng)驗公式可知：主軸轉(zhuǎn)速n主和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速和n對機床噪音和發(fā)熱的關(guān)系。確定中間傳動軸的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)結(jié)合實際情況作相應(yīng)修正：1.功率較大的重切削機床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些，對減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。2.高速輕載或精密車床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些。3.控制齒輪圓周速度u8m/s（可用7級精度齒輪）。在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。4) 齒輪傳動

16、比的限制 機床主傳動系統(tǒng)中，齒輪副的極限傳動比：1. 升速傳動中，最大傳動比umax2。過大，容易引起震動和噪音。2. 降速傳動中，最小傳動比umin1/4。過小，則使主動齒輪與被動齒輪的直徑相差太大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大。 帶輪傳動部分的設(shè)計根據(jù)擬定的轉(zhuǎn)速圖上的各傳動比，就可以確定帶輪直徑。(一) 帶輪直徑確定的方法、步驟1. 選擇三角型號一般機床上的都采用三角帶。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和功率查圖即可確定型號（詳情見機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo)4-1節(jié)）。但圖中的解并非只有一種，應(yīng)使傳動帶數(shù)為35根為宜。本次設(shè)計中所選的帶輪型號和帶輪的根數(shù)如下： B型帶輪 選取3根2. 確定帶輪的最小直徑Dmin（D?。└鞣N型號

17、膠帶推薦了最小帶輪直徑，直接查表即可確定。根據(jù)皮帶的型號，從教科書機械設(shè)計基礎(chǔ)教程查表可?。?Dmin=186mm3.計算大帶輪直徑D大根據(jù)要求的傳動比u和滑功率確定D大。當(dāng)帶輪為降速時： （2.5）三角膠帶的滑動率=2%。三角傳動中，在保證最小包角大于120度的條件下，傳動比可取1/7u3。對中型通用機床，一般取12.5為宜。因此， 137.2mmD大343mm經(jīng)查表?。?D大=304mm(二) 三角帶傳動的計算三角帶傳動中，軸間距A可以較大。由于是摩擦傳遞，帶與輪槽間會有打滑，亦可因而緩和沖擊及隔離震動，使傳動平穩(wěn)。帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，但尺寸，機床中多用于電機輸出軸的定比傳動。1. 選擇三角帶

18、的型號根據(jù)計算功率Nj（kw）和小帶輪n1（r/min）查圖選擇帶的型號。計算功率Nj=KWNd kW 式中 Nd電機的額定功率， KW工作情況系數(shù)。車床的起動載荷輕，工作載荷穩(wěn)定，二班制工作時，取： KW=1.1帶的型號是： B型號2. 確定帶輪的計算直徑D1、D2 1）.小帶輪計算直徑D1 皮帶輪的直徑越小，帶的彎曲應(yīng)力就越大。為提高帶的使用壽命，小帶輪直徑D1不宜過小，要求大于許用最小帶輪直徑Dmin，即D1Dmin。各型號帶對應(yīng)的最小帶輪直徑Dmin可查表。 D1=186r/min2）.大帶輪計算直徑D2 （2.6） =304r/min式中: n1-小帶輪轉(zhuǎn)速r/min; n2-大帶輪

19、轉(zhuǎn)速r/min; -帶的滑動系數(shù),一般取0.02.算后應(yīng)將數(shù)字圓整為整數(shù)。3）.確定三角帶速度u 具體的計算過程如下： （2.7） = =10.6m/s對于O、A、B、C型膠帶，5m/su25m/s。而u=510m/s時最為經(jīng)濟耐用。此速度完全符合B型皮帶的轉(zhuǎn)速。 4）.初定中心距A0： 帶輪的中心距，通常根據(jù)機床總體布局初步選定，一般可以在下列范圍內(nèi)選?。?A0=（0.62）（D1+D2） mm =490（0.62）mm =294mm980mm 取 A0=760 mm中心距過小，將降低帶的壽命；中心距過大時，會引起帶振動。中型車床電機軸至變速箱帶輪的中心距一般為750850mm。5）.確定三

20、角帶的計算長度L0及內(nèi)周長LN。 三角帶的計算長度是通過三角帶截面重心的長度。 （2.8） = =2131.7mm圓整到標(biāo)準(zhǔn)的計算長度 L=2132 mm 經(jīng)查表 LN=2000 mm 修正值 Y=336）.驗算三角帶的擾曲次數(shù)u 40 次/s （則合格） 式中：m-帶輪個數(shù)。如u超限?？杉哟驦（加大A）或降低u（減少D2、D1）來解決。 代入數(shù)據(jù)得 =10.5 次/s 40 次/s是合格的，不需作出任何修改。7）.確定實際中心距A （2.9） = 710.65 mm8）.驗算小帶輪包角1 1180°-（D2-D1）/A*60°120° （2.10） 如果1過小，

21、應(yīng)加大中心距或加張緊裝置。 代入數(shù)值如下： （2.11） =176.98°120°經(jīng)校核合格。9）.確定三角帶根數(shù)z （2.12） 式中：N0-單根三角帶在 1=180°、特定長度、平穩(wěn)工作情況下傳遞的功率值。 C1-包角系數(shù)。參數(shù)的選擇可以根據(jù)書中的表差取： N0=2.71C1=0.99Kw=1.1 帶入數(shù)值得：所以，傳動帶根數(shù)選3根。次此公式中所有的參數(shù)沒有作特別說明的都是從機床主軸變速箱設(shè)計指導(dǎo) 齒輪傳動部分的設(shè)計選擇以機床變速箱中第軸和第軸間，兩嚙合直齒圓柱齒輪Z1和Z2，對其進行齒輪傳動部分的設(shè)計和驗算。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)方案，主電機功率13KW,轉(zhuǎn)速1450

22、r/min，要求輸出軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，齒輪齒數(shù)比U=1.25。具體計算如下：（1)大、小齒輪的材料均為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)與表面淬火處理，硬度為4050HRC（2)選小齒輪齒數(shù)=28,大齒輪齒數(shù)=U3=1.25328=35,齒數(shù)比U=1.25（3)按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即d1t 1>選取載荷系數(shù) Kt=1.2 2>計算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3>選取齒寬系數(shù)d =1 4>查得材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8MPa 5>按齒面硬度查得大、

23、小齒輪的接觸疲勞強度極限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6>計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7>查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.86；KHN2=0.88 8>計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得 = =9> 試算小齒輪分度圓直徑d1t,帶入中較小的值d1t =69.429mm10>計算圓周速度n (2.13)11>計算齒寬bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12>計

24、算齒寬與齒高之比b/h模數(shù) mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齒高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413>計算載荷系數(shù)根據(jù)n=3.64m/s,7級精度，查得動載荷系數(shù)Kv=1.14；直齒輪，假設(shè)KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系數(shù)KA=1；查得7級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b將數(shù)據(jù)帶入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h

25、=10.66，KH=1.444查圖機械設(shè)計10-13得KF=1.32；故載荷系數(shù) K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514>按實際的載荷系數(shù)效正所得的分度圓直徑，由式 69.4293mm 15>計算模數(shù)m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齒根彎曲強度設(shè)計 (2.14)1>查得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限均為FE1=710MPa；2>查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.805,KFN2=0.82；3>計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式 (2.15)4>計算載荷系數(shù)KK=KAKvKF

26、KF=131.1431.231.32=1.8065>查取齒形系數(shù)查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6>查取應(yīng)力校正系數(shù)查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7>計算大、小齒輪的并加以比較小齒輪的數(shù)值大。8>設(shè)計計算 mm=1.53 mm對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強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)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.53并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3 mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d1=79.81 mm

27、,算出小齒輪的齒數(shù)，取=32 mm (2.16)大齒輪齒數(shù) =U3=1.25332=40，取=40。（5）幾何尺寸計算 1>計算分度圓直徑d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2>計算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3>計算齒輪寬度b=d3d1=1396 mm=96 mm因為變速箱中，小齒輪1固定安裝在第軸上；大齒輪2安裝在第軸上，且為雙聯(lián)滑移齒輪，兩齒輪副傳動比取值為1.25，變速箱做減速傳動?？紤]整個變速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其安裝，取B2=108 mm，B1=42 mm。4>驗算 (2.17)100

28、 N/mm,合適。5>結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制齒輪零件圖如下：機床主軸箱中，第軸和軸間為一對斜齒輪，兩齒輪的材料選用40Cr，經(jīng)過調(diào)質(zhì)與表面淬火處理，硬度為4855HRC，許用接觸強度疲勞應(yīng)力，精度等級取7級。經(jīng)校核，齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲疲勞強度均滿足要求。此處，計算和驗算過程略。兩斜齒輪參數(shù)選擇具體如下：1>齒輪齒數(shù)Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602>中心距，將中心距圓整為210mm (2.18)3>按圓整后的中心距修正螺旋角：4>大、小齒輪的分度圓直徑 (2.19)5>齒輪寬度圓整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6>斜齒輪結(jié)構(gòu)

29、如圖所示電磁離合器的選擇 摩擦電磁離合器目前在數(shù)控機床中應(yīng)用十分廣泛，因為它可以在運轉(zhuǎn)中自動的接通或脫開，且具有結(jié)合平穩(wěn)，沒有沖擊、構(gòu)造緊湊的特點，部分零件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，多用于機床主傳動。選用時應(yīng)作必要的計算。 根據(jù)初步的計算可從離合器的選擇與運用一書中選取，所有的作圖和計算尺寸都見書中的表。1.按扭距選擇一般應(yīng)使用和設(shè)計的離合器的額定靜扭距Mj和額定扭距Md滿足工作要求，由于普通車床是在空載下啟動和反向的，故只需按離合器結(jié)合后的靜負(fù)載扭距來選。即： (2.20)對于需要在負(fù)載下啟動和變速，或啟動時間有特殊要求時，應(yīng)按動扭距設(shè)計離合器。2.步驟：1）.決定外摩擦片的內(nèi)徑d。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，如為軸裝

30、式時，摩擦片的內(nèi)徑d應(yīng)比安裝軸的軸徑大26mm。2）.選擇摩擦片尺寸： 可以在參考書中選擇，具體的型號見圖紙。3）.計算摩擦面對數(shù)z (2.21)式中：f-摩擦片間的摩擦系數(shù)（有表可選）； -許用壓強MPa（有表可選）； D-摩擦片內(nèi)片外徑mm（有表可選）； d-摩擦片外片內(nèi)徑mm（有表可選）； Ku-速度修正系數(shù)（有表可選）； Kz-結(jié)合面數(shù)修正系數(shù)（有表可選）； Km-結(jié)合次數(shù)修正系數(shù)（有表可選）。代入數(shù)值得：取Z=9。2.1.7 軸的設(shè)計計算（1） 軸的設(shè)計計算 1軸的材料選用45鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)如圖所示：3 由于軸的實質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有變化，而且各部分直徑也大于等于原

31、軸的最小直徑，故軸的強度是可以滿足工作要求的，具體的校核計算就略去了。（2） 軸的設(shè)計計算 1軸的材料選用45號鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。2估算周的最小直徑 查表得常數(shù)， (2.22)3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖如下所示）4 軸的剛度驗算 軸的變形條件和允許值軸上裝齒輪和軸承處的撓度和傾角（y和）應(yīng)小于彎曲剛度的許用值Y和，即 yY，。表4-1 軸的彎曲變形的允許值軸的類型Y（mm）變形部位（rad）一般傳動軸（0.00030.0005）L裝向心軸承處0.0025剛度要求較高（0.0002）L裝齒輪處0.001安裝齒輪軸（0.010.03）m裝單列圓錐滾子軸承0.0006安裝蝸輪軸（0.020.05）m裝

32、滑動軸承處0.001裝單列圓柱滾子軸承處0.001L：軸的跨度 ； m：模數(shù) 軸的變形計算公式： 計算軸本身彎曲的撓度y及傾角時，一般常將一軸簡化為集中載荷下的簡支架，按材料力學(xué)的有關(guān)公式計算，當(dāng)軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看做等直徑，采用平均直徑d1計算，計算軸時選擇用平均直徑（d1）或當(dāng)量直徑（d2）。圓軸： 平均直徑 (2.23) 慣性矩 (2.24)矩形花鍵軸：平均直徑 (2.25) 當(dāng)量直徑 (2.26) 慣性矩 (2.27) 軸的力分解和變形合式 對于復(fù)雜受力的變形，先將受力分解為三個垂直面上的分力，應(yīng)用彎曲變形的公式求出所求截面的兩個垂直平面的y和，然后進行疊加，

33、在同一平面內(nèi)進行代數(shù)疊加，在兩個垂直面內(nèi)則按幾何合成，求出該截面的總載度和總傾角。 危險工作截面的判斷： 驗算剛度時應(yīng)選擇最危險的工作條件進行，一般是軸的計算轉(zhuǎn)速最低，傳動齒輪直徑最小且位于周的中央，這時軸的受力將使總的變形劇烈。如果對兩三種工作工作條件難以判斷哪一種最危險，就分別進行計算，找到最大彎曲變形值y和。 提高軸的剛度的一些措施加大軸的直徑，適當(dāng)減小軸的跨度或者增加第三支撐，重新安排齒輪在軸上的位置；改變軸的布置方位等。 軸的校核計算軸的受力簡圖：軸的傳動路線有兩條，一條是、由齒輪9傳動至軸上，再又齒輪12至齒輪13帶動主軸運轉(zhuǎn)；另一條是由齒輪10和齒輪11傳動至軸上，再又齒輪12至

34、齒輪13帶動主軸運轉(zhuǎn)。a ) 先校核由齒輪10傳入，齒輪12傳出時軸的強度1)作軸的水平面（H）彎矩圖和垂直面（V）彎矩圖1>計算軸上的功率： 軸上的轉(zhuǎn)矩：齒輪11的圓周力齒輪11的徑向力齒輪12的圓周力齒輪12的徑向力齒輪12的軸向力2>求在水平面內(nèi)的支反力，由受力圖,MA=0 ，ME=0 3>求在垂直面內(nèi)的支反力，由受力圖,MA=0 ，ME=0 4>畫軸水平面（H）和垂直面（V）內(nèi)的受力圖、彎矩圖如下2）作彎矩和轉(zhuǎn)矩圖1> 齒輪11的作用力在水平面的彎矩圖如上：齒輪11的作用力在垂直面的彎矩圖如上：齒輪11在B截面作出的最大合成彎矩為2> 齒輪12的作用

35、力在水平面的彎矩圖如上：齒輪12的作用力在垂直面的彎矩圖如上：齒輪12在D截面作出的最大合成彎矩為3）作B、D兩截面最大合成彎矩圖和扭矩圖4）軸的強度校核，經(jīng)過分析可知，B所在的截面為危險截面，按第三強度理論計算彎矩查機械設(shè)計手冊第二版第四卷，軸的抗彎截面系數(shù) (2.28)故滿足第三強度理論。剛度校核： 在水平面（H）內(nèi)FtB單獨作用時FtD單獨作用時 在和FtBFtD共同作用下在垂直面（V）內(nèi)：單獨作用時 單獨作用時 在與 共同作用下時故在共同作用下，處為危險截面。其最大撓度為而一般y=（0.00030.0005）l =01221750203625mm.故,符合要求。軸的轉(zhuǎn)角校核就不再驗算。

36、b）再校核由齒輪9傳入，齒輪12傳出時軸的強度；步驟方法同上，經(jīng)過校核軸的強度和剛度均滿足要求。設(shè)計過程中，依b)組傳動方案，此處軸的強度和剛度校核過程省略。（3） 主軸的設(shè)計計算 軸的材料選用45號鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖。由于主軸的結(jié)構(gòu)基本上采用原CK6163型數(shù)控車床的主軸，沒有明顯的改動，故具體的校核計算過程就略去不作。2.2縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路組成?？v向進給系統(tǒng)采用步進電機減速齒輪滾珠絲桿螺母溜板的傳動方式，數(shù)控工作臺為數(shù)控回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。 縱

37、向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件：工作臺質(zhì)量： W=100kgf=1000N時間常數(shù)： T=25ms滾珠絲桿： Lo=8mm脈沖當(dāng)量： p=0.01mm/脈沖1、 切削力計算由機床設(shè)計手冊可知， 最大切削功率： (2.29)式中：-主電機功率，=7.5kW-主傳動系統(tǒng)的總效率，一般為0.70.85，取=0.8則： 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力(或轉(zhuǎn)矩)和最大切削速度(轉(zhuǎn)速)來計算，即： (2.30)式中：-主切削力(N);-最大切削速度(m/min)。按用硬質(zhì)合金刀具半精車鋼件時的速度取值=100m/min; (2.31)在一般外圓車削時，；?。?、滾珠絲杠副的計算和選型：滾珠

38、絲杠副的設(shè)計主要是型號的選擇和性能驗算?？v向進給為綜合型導(dǎo)軌，按式計算絲杠軸向進給切削力。其中K=1.5，取=0.16，則：最大切削力下的進給速度可取最高進給速度量的1/21/5(取為1/2)，縱向最大進給速度為0.6m/min,絲杠導(dǎo)程=8mm,則絲杠轉(zhuǎn)速為： (2.32)絲杠使用壽命時間取為T=15000h。則絲杠的計算壽命L為： (2.33)根據(jù)工作負(fù)載、壽命L，計算滾珠絲杠副承受的最大動載荷，取，； (2.34)由參照某廠滾珠絲杠副產(chǎn)品樣本，可采用W6008內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列3.5圈，其額定動負(fù)載為181000N，精度等級選為3級。其幾何參數(shù)如下：公稱直徑=63

39、mm,導(dǎo)程=8mm，螺紋升角, 滾珠直徑=4.763mm,螺桿內(nèi)徑=60mm。按式(5-9)校驗絲桿螺母副的傳動效率，其中磨擦角 (2.35)縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖所示支承間距。絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。絲杠的變形量計算如下：滾珠絲杠截面面積，按絲杠螺紋的底徑確定：工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化量可用下式計算： (2.36)則絲杠拉伸或壓縮變形量： (2.37)由于兩端均采用角接觸，且絲杠又進行了預(yù)緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實際變形量為:：滾珠與螺紋滾道間接變形量按下式進行計算：因絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時，可減少一半

40、，因此實際變形量為：支承滾珠絲桿的軸承為51209型推力球軸承，幾何參數(shù)為： =40mm,滾動體直徑=10mm，滾動體數(shù)量=18。軸承的軸向接觸變形量可按式(2.37)計算：注意，此公式中單位應(yīng)為kg.f。因施加預(yù)緊力，故實際變形量：根據(jù)以上計算，總變形量為：三級精度絲桿允許的螺距誤差為，故剛度足夠。因為滾珠絲桿兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。1 ) 減速齒輪設(shè)計根據(jù)給定的縱向進給脈沖當(dāng)量0.01mm，滾珠絲杠導(dǎo)程，及初選的步進電動機步距角，可計算出傳動比 (2.38)選取齒輪齒數(shù)為=30、=50，m=2mm。2 ) 步進電動機的選擇1 > 負(fù)載轉(zhuǎn)動

41、慣量計算：參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電動機130BF001，其電動機轉(zhuǎn)動慣量。傳動系統(tǒng)折算到步進電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量按表5-15中介紹方法計算。齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量為： (2.39)絲杠的轉(zhuǎn)動慣量可從表查出：等效慣量：考慮步進電動機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題不完全滿足慣量匹配的要求。1> 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別進行計算快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩可按下式進行計算考慮了電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以后，傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量：折算到電動機軸上的磨擦力矩：附加磨擦力矩：=9.98N·cm則： =633.84N·cm快速移動

42、時所需力矩:最大切削負(fù)載時所需力矩:從上面計算看出、三種工況下，以快速空載起動的需力矩最大，以此項作為初選步進電動機的依據(jù)。對于工作方式為五相十拍的步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩：從相關(guān)資料查出，130BF001型步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但需考核步進電動機起動矩頻特性和運行特性。2> 步進電動機的空載起動頻率：查相關(guān)資料知：130BF001型步進電動機允許的最高空載起動頻率為3000Hz，運行頻率為16000 Hz，滿足設(shè)計要求。根據(jù)計算綜合考慮，機床縱向進給機構(gòu)選用130BF001型步進電機。第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬定機電一體化控制系統(tǒng)

43、由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成.控制系統(tǒng)的控制對象主要包括各種機床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示:通信接口軟件微機 步進電機驅(qū)動電路步進電機機床開關(guān)量控制電路主運動驅(qū)動電路主軸電動機3.2總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計單片機的設(shè)計1、MCS-51系列單片機的設(shè)計MCS-51系列單片機的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒有程序存貯器，必須外接EPROM程序

44、存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。a.電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc（40腳）：接+5V電源。Vss（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時

45、，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復(fù)用功能。RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（5±0.5）V）時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地

46、址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。（29腳）：此輸出為單片機內(nèi)訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。/Vpp（31腳）：當(dāng)端保持高電平時，單片機訪問的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪

47、問外部程序存貯器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時只能訪問外部程序存貯器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。一般作為擴展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。P2口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位

48、復(fù)用，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載，一般作為擴展時地址總線的高8位使用。P3口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。2、MCS-51單片機的時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟,它控制著計算機的工作節(jié)奏.MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器,產(chǎn)生的時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件.單片機的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種,大多單片機應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式.最常用的內(nèi)部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機,其并

49、聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同.如下圖所示:MCS-51單片機允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇,一般取11.0592MHz.電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當(dāng)外接晶體時典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF,取60pF-70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.在設(shè)計印刷電路板時,晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機XTAL1、XTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作.為了提高溫度穩(wěn)定性,應(yīng)采用NPO電容.3、MCS-51單片機的復(fù)位電路計算機在啟動

50、運行時都需要復(fù)位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作.單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的,MCS-51單片機有一個復(fù)位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發(fā)輸入,當(dāng)振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平,使器件復(fù)位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài).此時ALE ,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復(fù)位狀態(tài),CPU從初始狀態(tài)開始工作.復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容.MCS-51單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式.通常因為系統(tǒng)運動等的需要,常常需要人工按鈕復(fù)位,如下圖所示:對于CMOS型單片機因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機在上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平(因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms),就能使單片機有效復(fù)位.當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時,RC的典型值為C=