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畢業(yè)設計（論文）
課 題 名 稱：數控滾齒機軸向進給、徑向進給部件及滾刀架回轉運動部件
專 業(yè) 班 級：
學 生 姓 名： 學 生 學 號：
起迄日期：
指導教師：
日期：2014年5月22 日
VI
摘 要
本次設計是對數控滾齒機的設計。在這里主要包括: 軸向進給的設計、徑向進給部件的設計、滾刀架回轉運動部件系統(tǒng)的設計這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。
整機結構主要由電動機產生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機運動，提高勞動生產率和生產自動化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本論文研究內容：
(1) 數控滾齒機總體結構設計。
(2) 數控滾齒機工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 數控滾齒機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設計。
(5)對設計零件進行設計計算分析和校核。
(6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。
關鍵詞：數控滾齒機， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is the design of CNC gear hobbing machine. Here mainly includes: the design of axial feed, radial feed component design, hob head rotating parts of the system design of the graduation design, the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.
The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.
The research of this thesis:
(1) the overall structure design of CNC roll grinding machine.
(2) analysis of the work gear machine CNC roll.
(3) the choice of motor.
(4) transmission system, execution unit and the frame design of CNC gear hobbing machine.
(5) the design of components for the design calculation and check.
(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.
Keywords: CNC gear hobbing machine, coupling, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1數控滾齒機的研究定義及工作原理 1
1.1.1數控滾齒機定義 1
1.1.2工作原理 1
1.2課題的目的及意義 2
1.3國內外概況綜述 3
1.4本課題研究的內容及方法 5
1.4.1主要的研究內容 5
1.4.2設計要求 5
1.4.3關鍵的技術問題 5
第2章 數控滾齒機總體結構設計 6
2.1 畢業(yè)設計（論文）要求及原始數據 6
2.2 數控滾齒機的構成 7
2.2 數控滾齒機的工作原理 8
第3章 軸向進給結構及傳動設計 9
3.1 軸向進給滾珠絲桿副的選擇 10
3.1.1導程確定 10
3.1.2確定絲桿的等效轉速 10
3.1.3估計工作臺質量及負重 10
3.1.4確定絲桿的等效負載 10
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 11
3.1.6精度的選擇 12
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 12
3.2校核 13
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 13
3.2.2臨界轉速驗證 14
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 15
3.3電機的選擇 15
3.3.1電機軸的轉動慣量 16
3.3.2電機扭矩計算 17
第4章 徑向進給機械結構設計 19
4.1 確定脈沖當量 19
4.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 19
4.2.1 精度的選擇 19
4.2.2絲杠導程的確定 19
4.2.3 最大工作載荷的計算 19
4.2.4 最大動載荷的計算 20
4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 21
4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 21
4.2.7 傳動效率的計算 22
4.2.8 剛度的驗算 22
4.2.9 穩(wěn)定性校核 23
4.2.10 臨界轉速的驗證 24
4.3 步進電動機的選擇 24
4.4 絲杠軸的校核 27
4.5 鍵的校核 28
4.6 軸承的校核 28
4.7 直線滾動導軌副的計算和選擇 30
第5章 滾刀架回轉運動的設計 33
5.1 滾刀架回轉運動設計 33
5.2 步進電機選擇 33
5.3 齒輪設計與計算 38
5.4 軸的設計與計算 46
5.5 軸承的校核 54
5.6 鍵的選擇和校核 58
結論 59
參考文獻 60
致 謝 62
第1章 緒論
1.1數控滾齒機的研究定義及工作原理
1.1.1數控滾齒機定義
數控滾齒機適用于成批、小批及單件生產加工圓柱齒輪和蝸輪，及一定參數的鼓形齒輪也可用花鍵滾刀連續(xù)分度滾切長度小于300的6齒及6齒以上的短花鍵軸。 且用鏈輪滾刀可以滾切鏈輪。加工圓柱齒輪時可采用逆銑和順銑滾切，采用軸向進給（垂直進給）的方法加工出全齒寬。 數控滾齒機滾切普通蝸輪是采用徑向進給的方法進行加工。數控滾齒機加工花鍵軸及鏈輪時機床的調整及加工方法與加工圓柱直齒輪時一樣。
1.1.2工作原理
齒輪被廣泛地應用于機械設備的傳動系統(tǒng)中，滾齒是應用最廣的切齒方法〔1 〕，傳統(tǒng)的機械滾齒機床機械結構非常復雜，一臺主電機不僅要驅動展成分度傳動鏈，還要驅動差動和進給傳動鏈，各傳動鏈中的每一個傳動元件本身的加工誤差都會影響被加工齒輪的加工精度，同時為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調整起來復雜費時[2]，大大降低了勞動生產率。
以德國西門子、日本發(fā)那科公司數控系統(tǒng)為主流的數控滾齒機的出現，大大提高了齒輪加工能力和加工效率。我國目前真正能夠生產數控滾齒機的只有2－3個廠家，且使用的多是德國西門子數控系統(tǒng)，加工中模數齒輪，沒有自主產權的核心技術，缺少國際競爭力。
注意到以上問題，并根據近來數控技術，尤其是開放式運動控制器飛速發(fā)展的現狀，本文針對小模數、少齒數、大螺旋角斜齒輪滾齒加工迫切要求數控化的實際需求，進行了深入的研究，成功地開發(fā)了了一套基于開放式運動控制器的數控滾齒系統(tǒng)并用于實際生產。
1 基于開放式運動控制器的數控體系結構
該體系結構的核心是一塊具有PC104 總線并且自帶高速DSP 芯片的開放式多軸運動控制卡，與嵌入式PC 主機構成多處理器結構，提供4路16 位D/A 模擬電壓（＋/－10V）控制信號，4路4倍頻差動式光電編碼器反饋信號接口，輸入信號頻率最高可達8MHZ，32 路光電隔離輸入輸出接口。可編程數字PID+速度前饋+加速度前饋濾波方式，卡上自帶DSP 芯片以實現實時高速插補、計算功能，可完成空間直線、圓弧插補，大大減輕了主機負擔，還提供了程序緩沖區(qū)，降低了對主機通訊速度的要求[3]。該運動控制卡通過PC104 總線和計算機通訊，一方面將從各控制軸采集到的數據送給主機進行計算，另一方面，將主機根據工藝及數學模型進行運算生成的運動控制指令經過進一步處理送各軸伺服驅動器，完成各軸的運動控制，加工出滿足工藝要求的合格零件。由于使用標準的PC104 型工控機作
為主機，采用標準化接口，可靈活地選用電機、驅動裝置和反饋元件，支持包括乙太網甚至是Internet 網在內的多種網絡協(xié)議及拓撲結構，可方便地實現遠程控制，組網技術十分靈活而且技術成熟[4]。
1.2課題的目的及意義
近年來，隨著汽車、機械、航天等工業(yè)領域的不斷發(fā)展，對齒輪提出了更高的要求：傳動速度大、承載能力強、使用壽命長、運行噪音小、制造成本低，相應地對齒輪的設計、加工、檢測等方面也提高了要求。在這種背景下，現代設計方法、先進制造技術、計算機技術及相關技術的交叉融合，使齒輪相關技術的研究進入了一個嶄新的階段。
齒輪加工機床是一種技術含量高且結構復雜的機床系統(tǒng)，由于齒輪使用的量大面廣，齒輪加工機床已成為汽車、摩托車、工程機械、船舶等行業(yè)的關鍵設備。
特別是，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對齒輪的需求量日益增加，對齒輪加工的效率、質量及加工成本的要求愈來愈高使齒輪加工機床在汽車摩托車等行業(yè)中占有越來越重要的作用。滾齒機是齒輪加工機床中的一種，占齒輪加工機床擁有量的40%它主要用來加工圓柱齒輪和蝸輪等。
傳統(tǒng)滾齒機完全依靠機械內聯(lián)傳動實現滾刀與工件的同步運動和差動運動往需要經過多級齒輪傳動，并且引入蝸桿蝸輪機構使得機械結構非常復雜調整維護非常困難也降低了加工精度。數控滾齒機高加工精度、高生產率的特點，在制造業(yè)中的應用比例越來越大，有效地保證了產品質量和產量。隨著風電、船舶、建材產業(yè)的迅速發(fā)展,國內對大型高檔機床的需求旺盛,且要求效率高、精度高。國內機床技術與國外有很大差距。國內還沒幾家單位有能力加工直徑為兩米的大型數控滾齒機,全世界也只有兩家,分別在德國和美國。在這種情況下,有好幾年,中國的大型數控滾齒機都需進口這兩家的產品。從國外進口,價格貴,交貨期長,售后服務麻煩。所以研制加工直徑兩米以上的大型數控滾齒機和有必要。
對數控滾齒機的設計主要是培養(yǎng)學生綜合應用所學專業(yè)的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的能力，培養(yǎng)學生建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序、規(guī)范和方法。而工科類學生更應側重于從生產的第一線獲得生產實際知識和技能，獲得工程技術經用性崗位的基本訓練，通過畢業(yè)設計，可樹立正確的生產觀點、經濟觀點和全局觀點，實現由學生向工程技術人員的過渡。使學生進一步鞏固和加深對所學的知識，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生獨立工作、獨立思考和綜合運用所學知識的能力，提高解決本專業(yè)范圍內的一般工程技術問題的能力，從而擴大、深化所學的專業(yè)知識和技能。
培養(yǎng)學生的設計計算、工程繪圖、實驗研究、數據處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應用、文字表達等基本工作實踐能力，使學生初步掌握科學研究的基本方法和思路。使學生學會初步掌握解決工程技術問題的正確指導思想、方法手段，樹立做事嚴謹、嚴肅認真、一絲不茍、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識和團結協(xié)作的工作作風。
通過畢業(yè)設計資料的搜集、整理、數據的查詢，方案的確定，撰寫、電路的設計以及畢業(yè)答辯等活動，初步了解數控機床回參考點的方式的種類何工作原理，接受初步的數控機床的訓練和熏陶，深化和綜合基礎課、專業(yè)課的分析問題和解決問題的能力以及培養(yǎng)協(xié)作精神，樹立高度的工作責任感的能力，同時系統(tǒng)的對我們三年所學知識進行總結，全面的復習整理，查缺補漏，以達到熟練掌握專業(yè)知識的目的，并綜合運用和深化所學專業(yè)理論識培養(yǎng)獨立分析和解決一般工作實際問題的能力，樹立高度的責任感，以便在日后工作中能得心應手。能更好的適應社會的需要，充分發(fā)揮自己的才華，貢獻自己的一份力量。
隨著教育改革的逐步深入，為落實增強學生的創(chuàng)新精神，能力培養(yǎng)和素質教育三大新的教育目標打破以理論教學為主，實驗教學和實踐為輔的傳統(tǒng)教育方法，提高學生的創(chuàng)新能力及靈活運用知識的能力，以便能最快的適應工作的需求。
1.3國內外概況綜述
我國生產滾齒機的歷史始于1953年，經過30年的努力，到80年代初已進入世滾齒機主要生產國家行列。目前，國產滾齒機以傳統(tǒng)的機械傳動式為主，品種、系列齊全。傳統(tǒng)滾齒機完全依靠機械內聯(lián)傳動實現滾刀與工件的同步運動和差動運動，往往需要經過多級齒輪傳動，并且引入蝸桿蝸輪機構使得機械結構非常復雜調整維護非常困難也降低了加工精度。近幾年，我國在滾齒機設計技術方面研究的主要經歷了從統(tǒng)機械式滾齒機通過數控改造發(fā)展為2至3軸（直線運動軸）實用型數控高效滾齒機，到全新六軸四聯(lián)動數控高速滾齒機的開發(fā),最大主軸轉速一般為1200 轉/分，與發(fā)達國家同類產品相比我國仍然存在著不小的差距，究其原因主要還是因為基礎研究差，整體設計能力不足，由此導致新技術應用慢和仿制比重較大，如零傳動技術干切技術在齒輪加工機床中的應用一直處于落后狀態(tài)。
數控系統(tǒng)是數控機床的核心，德國西門子、利勃海爾和日本的馬扎克、法拉克掌握著數控系統(tǒng)的最高水平，利勃海爾數控系統(tǒng)16個軟件包的價格接近母機價格，軟件和母機一起賣，不分開出售，軟件利潤非常高。目前國內機床企業(yè)使用的中高檔機床的數控系統(tǒng)基本都是國外進口。同時國內研制加工效率高、精度高直徑為兩米的大型數控滾齒機的單位的能力比較弱，而從國外進口,價格貴,交貨期長,售后服務麻煩。數控系統(tǒng)和功能部件發(fā)展滯后已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。國產中檔數控系統(tǒng)國內市場占有率只有35%，而高檔數控系統(tǒng)95%以上依靠進口。功能部件國內市場總體占有率約為30%，其中高檔功能部件市場占有率更低。臺灣地區(qū)品牌功能部件約占國內市場的50%，其余20%為歐盟、日本等品牌產品。據國家海關統(tǒng)計數據，2010年我國進口數控系統(tǒng)金額達18.1億美元，滾齒機附件(含功能部件和夾具)類產品達16.2億美元。
以高速、高精、復合、智能等為特征的高檔數控滾齒機關鍵技術雖然已經取得明顯進步，一批共性、基礎技術和新產品研發(fā)也有了新的進展，但與國際先進水平相比，還存在較大差距。有些關鍵技術，如：高速高精運動控制技術、動態(tài)綜合補償技術、多軸聯(lián)動和復合加工技術、智能化技術、高精度直驅技術、可靠性技術等尚需進一步突破，有些重大技術離產業(yè)化還有一段路程。以企業(yè)為主體、以市場為導向、產學研用相結合的研發(fā)體系尚未真正建立，行業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展缺乏高新技術支撐。
我國滾齒機工具行業(yè)產品質量整體水平已經有了很大提高，對提升產業(yè)的整體素質和核心競爭力起到了重要作用，也得到廣大用戶的認可。但在產品質量的穩(wěn)定性和可靠性方面，例如：滾齒機早期故障率較高，精度穩(wěn)定性周期短，工程能力系數(CPK值)、平均無故障工作時間(MTBF)等指標與國際先進水平比較尚有一定差距。加強產品質量工作，解決深層次的質量問題依然不容忽視。
1.4本課題研究的內容及方法
1.4.1主要的研究內容
為了實現上述目標，本文擬進行的研究內容如下:
1 根據現場作業(yè)的環(huán)境要求和本身的結構特點，確定數控滾齒機整體設計方案。
2 確定的性能參數，對初步模型進行靜力學分析，根據實際情況選擇電機。
3 從所要功能的實現出發(fā)，完成數控滾齒機各零部件的結構設計；
4 完成主要零部件強度與剛度校核。
1.4.2設計要求
1 根據所要實現的功能，提出數控滾齒機的整體設計方案；
2 完成數控滾齒機結構的詳細設計；
3 通過相關設計計算，完成電機選型；
4 完成數控滾齒機結構的設計；繪制數控滾齒機結構總裝配圖、主要零件圖。
1.4.3關鍵的技術問題
1 方案選擇
2整體設計
3電機選型設計
4 強度校核
64
第2章 數控滾齒機總體結構設計
2.1 畢業(yè)設計（論文）要求及原始數據
本機床主要用于模數小于1.5mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密、高效加工，可進行硬齒面齒輪的一次成形加工或二次對刀成形加工，也可進行模數小于3mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密加工。通過閉環(huán)的X軸控制可進行高精度鼓形齒輪的加工。
本機床可廣泛用于汽車、摩托車、儀器、儀表、玩具、 電動工具、漁具等行業(yè)的各種不同精度的齒輪的大批量、高效率加工。
最大加工直徑———————————————100mm
最大加工模數———————————————3mm
最大軸向行程———————————————150mm
加工齒數范圍———————————————4～100齒
滾刀架可轉動范圍—————————————±50°
最大滾刀直徑———————————————63mm
滾刀軸轉速————————————————550～4000 rpm
工件軸轉速————————————————5～495 rpm
軸向運動快速———————————————5000 mm /min
徑向運動快速———————————————5000 mm/min
切向運動快速———————————————5000 mm/min
2.2 數控滾齒機的構成
該機在整體結構的主要零部件有底座基礎、縱向導軌、橫向導軌、支柱、切削頭、旋轉工作臺、控制箱、等組成。其中底座基礎上安裝有地腳螺栓，縱向導軌支撐體通過地腳螺栓與基礎體固定在一起。
該機分為主運動系統(tǒng)、軸向進給、徑向進給部件、滾刀架回轉運動部件、
2.2 數控滾齒機的工作原理
機器工作時，主電機運動將動力通過帶輪傳遞給主軸，主軸帶動工作臺上的工件。通過縱向導軌和橫向導軌實現刀具的上下運動和左右運動。整機的運動是在PLC的控制下進行的，進而實現了對工件加工的連續(xù)性和自動化.
立式滾齒機工作時，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動機驅動作旋轉運動，刀架可沿立柱導軋垂直移動，還可繞水平軸線調整一個角度。工件裝在工作臺上，由分度蝸輪副帶動旋轉，與滾刀的運動一起構成展成運動。滾切斜齒時,差動機構使工件作相應的附加轉動。工作臺(或立柱)可沿床身導軌移動,以適應不同工件直徑和作徑向進給。
滾齒機的齒形加工原理為展成法。展成法是將齒輪嚙合副中的一個齒輪轉化為刀具，另一個齒輪轉化為工件，齒輪刀具做切削主運動的同時，以內聯(lián)系傳動鏈強制刀具和工件做嚴格的嚙合運動，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齒形表面來。這種方法的加工精度和生產效率都很高。
滾齒機的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的導軌做軸向進給運動。安裝滾刀的刀桿固定在刀架體的刀具主軸上，刀架體能繞自身軸線傾斜一個角度，這個角度成為滾刀安裝角，其大小與滾刀螺旋升角大小及旋向有關。安裝工件用的心軸固定在工作臺上，工作臺與后立柱裝在床鞍上，可沿床身導軌做徑向進給運動或調整徑向進給位置支架用于支撐工件心軸上端，以提高心軸的剛度。
第3章 軸向進給結構及傳動設計
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
一端固定一端自由
結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動
需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
3.1 軸向進給滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。
設軸向進給最大行程為150mm,最快進給速度為5000 mm /min,工作臺大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg，工作臺最大行程為300mm。
3.1.1導程確定
電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉速
最小進給速度是絲桿的轉速
絲桿的等效轉速 式中取故
3.1.3估計工作臺質量及負重
主軸箱重量
工作臺重量
移動部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負載
工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷
fw-------負載性質系數，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數（查表：取fh =1）
fa-------精度系數（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N
表3-1-1各類機械預期工作時間Lh
表3-1-2精度系數fa
表3-1-3可靠性系數fk
表3-1-4負載性質系數fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），徑向進給為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，徑向進給為4級。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證
絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長度（m）
K1-------安全系數，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm
代入上式計算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。
3.2.2臨界轉速驗證
滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9
經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經計算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機的選擇
步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機軸的轉動慣量
a、回轉運動件的轉動慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經計算得
b、軸向進給直線運動件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質量 軸向進給直線運動件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經計算得
c、聯(lián)軸器的轉動慣量
查表得
因此
3.3.2電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經計算得
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導軌摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系數為0.02，F0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經計算得
c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9
經計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。
第4章 徑向進給機械結構設計
4.1 確定脈沖當量
一個進給脈沖，使數控滾齒機運動部件產生位移量，也稱為數控滾齒機的最小設定單位。脈沖當量是衡量數控數控滾齒機加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控機床常采用的脈沖當量是0.01～0.005mm/脈沖。
根據數控滾齒機精度要求確定脈沖當量0.01mm/脈沖。
4.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產生滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與螺紋滾道構成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。
4.2.1 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響數控數控滾齒機的定位精度，在滾珠絲杠精度參數中，其導程誤差對數控滾齒機定位精度最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），徑向進給為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求和改造的經濟性，選擇X軸精度等級為3級，徑向進給為4級。
4.2.2絲杠導程的確定
選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度），本設計中初選向絲杠導程為8。
4.2.3 最大工作載荷的計算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表3-1所示。
表3-1 實驗計算公式及參考系數
導軌類型
實驗公式
矩形導軌
1.1
0.15
燕尾導軌
1.4
0.2
綜合或三角導軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數；為滑動導軌摩擦系數；為移動部件總重量。假設重量G=1000 N
查表3-1選擇綜合導軌，取1.15,取0.18,為1000；
算得=1.15×1197+0.18×（3420+1000）
=2171.55
4.2.4 最大動載荷的計算
載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。
對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數，單位為r，（T為使用壽命，普通數控滾齒機T取5000-10000h，數控數控滾齒機T取15000h；n為絲杠每分鐘轉速）；
—載荷系數，一般取1.2～1.5，本設計取1.2；
—硬度系數（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導程，則絲杠轉速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。
4.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷, 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使額定靜載荷。
根據計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤數控滾齒機附件有限公司生產的FL4008-3型內循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預緊，精度等級為4級，其參數如表3-2所示。
表3-2 FL4008-3型滾珠絲杠相關參數
公稱直徑/
導程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
40
8
4.763
38.6
35.24
66
31
4.2.6 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。考慮到縱向絲杠長度較大，本設計絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
4.2.7 傳動效率的計算
滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據,可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
4.2.8 剛度的驗算
滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉矩的作用，引起導程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產生的導程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據前面的設計，為3234.36，取1665，為45.24，算得：
==±0.01597=±15.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內的目標行程公差和行程變動量
有效行程
精度等級
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
4.2.9 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產生失穩(wěn)現象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設計取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為2000；
（其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設
中將代入算出=205513.36。
由以上數據可以算出：==
臨界載荷遠大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
4.2.10 臨界轉速的驗證
滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速：
式中：—絲杠支承系數，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示；
—臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為2300；
—絲杠內徑，單位；
—安全系數，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。
4.3 步進電動機的選擇
（1）工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量
絲杠的轉動慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長度。
則
齒輪的轉動慣量
電機的轉動慣量很小可忽略。
因此，總轉動慣量
（2）所需轉動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
最大切削負載時所需力矩
快速進給時所需力矩
式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；
——折算到電機軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；
——切削時折算到電機軸上的加速度力矩；
——折算到電機軸上的切削負載力矩。
當時
當時
當時， 時
當時預加載荷，則
所以，快速空載啟動所需力矩
切削時所需力矩
快速進給時所需力矩
由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時：
（3）縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定
為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知
所以，步進電機最大靜轉距為
步進電機最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求[7-12]。
4.4 絲杠軸的校核
需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗算傾角時，若支撐類型相同則只需驗算支反力最大支撐處傾角；當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時，則齒輪處傾角不必驗算。驗算撓度時，要求驗算受力最大的齒輪處，但通?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）.
當軸的各段直徑相差不大，計算精度要求不高時，可看做等直徑，采用平均直徑進行計算，彎曲剛度驗算；的剛度時可采用平均直徑或當量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進行代數疊加，不在同一平面上進行向量疊加。
：通過受力分析，
最大撓度：
查【1】表3-12許用撓度；
。
4.5 鍵的校核
鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得
可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為：
4.6 軸承的校核
⑴、軸軸承的校核
Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負荷為19.5KN, 由于該軸的轉速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對軸承的要求越高。根據設計要求，應該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進行校核。
②軸傳遞的轉矩
∴
受力
根據受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為:
在水平面：
在水平面：
∴
④因軸承在運轉中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數，取，則有：
⑤軸承的壽命計算:所以按軸承的受力大小計算壽命
故該軸承6206能滿足要求。
⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。
4.7 直線滾動導軌副的計算和選擇
根據給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌：
（1）選BR直線滾動導軌導軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為:
Lh=5×250×8=10000 h,每分鐘往復次數nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為4000N
計算需要的動載荷Cα
P=110/4=27.5N
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N
由《機械電子工程專業(yè)課程設計指導書》表3-20中選用LY15AL直線滾動導軌副,其Cα=606N, C0α=745N.
基本參數如下:
導軌的額定動載荷N
依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導軌的額定工作時間壽命:
導軌的工作壽命足夠.
（3）滾動導軌間隙調整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量。
（4）潤滑與防護
潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵。
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命。
防護方式用蓋板式。
第5章 滾刀架回轉運動的設計
5.1 滾刀架回轉運動設計
（1） 支撐架的設計
支撐架主要承載所有零件的重量，右端設計驅動電機支撐架?？紤]滾刀架回轉運動回轉時的偏心力，合理設計支撐架與回轉軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時設計一個支撐圓盤加以固定，使其轉動更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。
（2） 機座的設計
機座在中間軸對應的位置處加工一個軸承固定座，其他無特殊要求。
滾刀架回轉運動系統(tǒng)的內部設計主要是對傳動系統(tǒng)的各部件進行設計計算與校核，其設計計算主要參照《機械設計》[14]。
5.2 步進電機選擇
5.2.1 計算輸出軸的轉矩
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
——慣性力矩
——摩擦力矩
——輸出軸轉動角速度
——轉動慣量
——滾刀架回轉運動自身轉動慣量
——啟動時間
=0.5s
=0.8m/s
=0.5m
1.6 rad/s
=1.6kgm
代入式（3.5）得：
=6.67kgm
m
計算相關滾刀架回轉運動設計數值得出：kg
代入式（3.6）得：
=5.75kgm
代入（3.2）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到
=49.85Nm
= =6.86Nm
選擇二級圓柱齒輪減速器i=9
（3.7）
=0.99 ——聯(lián)軸器傳動效率
=0.96 ——齒輪傳動效率
=0.98 ——軸承傳動效率
代入式（3.7）得到：
0.807
5.2.2 確定各軸傳動比
總傳動比=9 ，根據推薦的傳動副傳動比合理范圍，?。?
高速級傳動比=3 ，低速級傳動比=3
5.2.3 傳動裝置的運動和動力參數
由圖3.2，各軸由高速至低速依次設計為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。
圖3.2 傳動示意簡圖
各軸轉速
（3.8）
（3.9）
=1.6rad/s
=15.3r/min
代入式（3.8）、式（3.9）得：
45.9r/min，137.7r/min
轉矩計算
（3.10）
49.85Nm
代入式（3.7）得：
17.7Nm
同理得到：
=17.7Nm
=6.27Nm
=6.66Nm
北京和利時電機電器有限公司的一些步進電機技術參如表3.1。
表3.1 步進電機產品系列及技術參數
型號
相數
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
靜轉矩
(N.m)
空載運行頻率
(KHZ)
轉動慣量
(Kg.cm2)
備注
86BYG250AN
2
0.9°/1.8°
110
3.6
2.4
≥15
0.56
86BYG250BN
2
0.9°/1.8°
110
4
5.0
≥15
1.2
86BYG250CN
2
0.9°/1.8°
110
5
7.0
≥15
4.28
北京和利時電機電器有限公司86BYG250CN型步進電機的運行矩頻特性曲線如圖3.3。
圖3.3 運行矩頻特性
由計算得到所需：
=6.86Nm，137.7r/min
該電機可以滿足要求。
北京和利時電機電器有限公司86BYG250CN型步進電機的外型簡圖如圖3.4。
圖3.4 步進電機外形簡圖
根據前面計算，選擇北京和利時電機電器廠的86BYG250CN型步進電機。
由電機輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動端均選用型軸孔[16]。
5.3 齒輪設計與計算
5.3.1高速級齒輪設計與計算
（1） 選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數
按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。
由資料[14]（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調質)，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調質），表面硬度為240HBS。
選擇7級精度，，
（2） 按齒面接觸疲勞強度計算
根據設計計算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即：
（3.11）
——載荷系數
——輸入軸承受扭矩
——齒寬系數
——重合度系數
——彈性影響系數
——接觸疲勞許用應力
確定上式中各參數：
試選載荷系數=1.3，
小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27Nm
查表10-7，選齒寬系數=1；
查表10-6，得彈性影響系數=189.8，
查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。
計算應力循環(huán):
（3.12）
——輸入軸轉速
——工作時間
137.7r/min
=10000h
雙向轉動，取=2
代入式（3.12）得：
=1.65×108次
=4.96×108次
查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數
1.15，1.26；
計算接觸疲勞許