CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及進給伺服系統(tǒng)設計

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1、武漢工程大學本科畢業(yè)設計說明書 __屆畢業(yè)（設計）論文 題 目 CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及進給伺服系統(tǒng)設計 專業(yè)班級 學 號 學生姓名 隨筆客 指導教師 指導教師職稱

2、 學院名稱 機電工程學院 完成日期： 2014 年 5 月 25日 CK6140數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)及進給伺服系統(tǒng)設計 CK6140 CNC lathe main drive system and feed servo system design 學生姓名 指導教師

3、 摘 要 本文介紹了CK6140數(shù)控車床的組成及工作原理，對數(shù)控機床的主要組成部分：機床主軸箱，進給伺服系統(tǒng)及主軸PLC控制進行了總體的設計及其詳細設計。 數(shù)控機床是現(xiàn)代機電一體化的典型產品，對提高零件的加工質量和加工效率具有較好的作用。在本次設計中，主要完成了以下工作： 根據給出的要求，首先確定設計要求給出的已知條件確定電機的型號和功率，傳動系統(tǒng)的布局，變速方式，開停方式，換向方式，制動方式及齒輪的排列與布置。然后根據轉速范圍及級數(shù)確定它的轉速圖、各齒輪的齒數(shù)和傳動系統(tǒng)簡圖。在根據已確定傳動比來確定帶傳動。通過軸的初步設

4、計，進行齒輪的設計和校核。選取相應的軸承和鍵，進行軸的具體設計和校核，鍵和軸承的設計和校核。最后進行裝配圖和各個零件圖的繪制，完成主軸箱的設計。 然后完成伺服系統(tǒng)的設計。在對進給伺服系統(tǒng)進行設計時，要確定進給傳動系統(tǒng)的傳動方式及控制系統(tǒng)的形式。設計中，選擇進給伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。通過給定的參數(shù)選擇好步進電機的步距角可確定傳動齒輪的傳動比及滾珠絲桿的導程。設計的進給伺服系統(tǒng)能夠滿足設計任務的要求。 關鍵詞：數(shù)控機床 主軸箱 進給伺服系統(tǒng) Abstract This thesis introduced the constit

5、ution and working principle of CK6140 machine tool，the primarily parts of NC machine tool designed：including proceeds the total design and detailed design. NC machine tool is a modern machine to give or get an electric shock the integral whole the typical model of technique the processing of product

6、, right exaltation spare parts the quantity with process the efficiency to have the good function. In this design, primarily completed following work. According to the timetable to design. First identified design requirements given the known conditions determine the type and electrical power, drive

7、train system layout, speed change, stop the way for the way braking and gear configuration and the way layout. Based on rotational speed and scope of the class to determine its rotational speed maps, the various gear and drivetrain system Chishu sketch. In accordance with established transmission be

8、lt transmission than to determine. Through axle of the preliminary design, gear design and verification. The bearings and get used to a specific axle design and verification, design and verification keys and bearings. Final assembly of the various parts and mapping. Completed the design of headstock

9、. Then completing the design of the servomechanism system. In designing of servo system, we can determine driving mode of driving system and controlling mode of controlling system,choosing the servo system for opening wreath control the system.Passing the parameter to settle the choice the good ste

10、p the step for the electrical engineering the distance cape can make sure to spread to move the spreading of wheel gear to move the radio the roll the bead silk the think sticks lead. Design of into give the servo system can satisfy to design the request of the mission. Keywords：NC Machine

11、 Tool；Axis Housing；Servomechanism 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第一章 臥式數(shù)控車床簡介 1 1.1數(shù)控車床簡介 1 1.2 CK6140介紹及設計說明 2 1.3設計任務 3 第二章 CK6140總體設計計算 6 2.1總體設計要求 6 2.2機床的總體布局的確定 7 2.3換向方向的選擇 7 2.4開停方式選擇 8 2.5 制動方式選擇 8 2.6 齒輪布置與排布 8 2.7 變速方式選擇 9 2.8進給系統(tǒng)的組成及選用 10 第三章 主變速箱總體設計 12 3.1電機的選用 12

12、 3.2傳動方案的擬定 15 3.3確定各級的轉速 16 3.4繪制轉速圖 17 第四章 主變速箱詳細設計 18 4.1帶傳動的設計 25 4.2 齒輪的設計 27 4.3軸的設計 28 4.4軸承的選擇 28 4.5選擇離合器 28 4.6鍵的選擇 29 第五章 進給伺服系統(tǒng)的設計 30 5.1進給伺服系統(tǒng)簡介 30 5.2傳動系統(tǒng)的設計及計算 35 總 結 38 致 謝 39 參考文獻 40 第一章 臥式數(shù)控車床簡介 1.1數(shù)控車床簡介[1] 1.1.1數(shù)控車床的發(fā)展方向 隨著科學技術的飛速發(fā)展和經濟競爭的日趨激烈，產品的

13、更新速度越來越快。多品種、中小批量的生產比重明顯增加。因此傳統(tǒng)的加工設備和制造方法以及難以適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效、高質量加工要求。數(shù)控機床因此而誕生。數(shù)控技術是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產的基礎，現(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在數(shù)控技術之上的。同時數(shù)控技術關系到國家戰(zhàn)略地位，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產過程數(shù)控化，已經成為當今一個國家制造業(yè)的發(fā)展方向。 下面從數(shù)控系統(tǒng)的性能、功能和體系結構三方面討論機床。 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢： 1.性能方面的發(fā)展趨勢 （1）.高速高精度高效（2）.柔性化（3）.工

14、藝復合和軸化（4）.實時智能化 2.功能發(fā)展方面 （1）.用戶界面圖形化（2）.科學計算可視化（3）.插補和補償方式多樣化（4）.內置高性能PLC（5）.多媒體技術應用 3.體系結構的發(fā)展 （1）.集成化（2）.模塊化（3）.網絡化（4）.開放式閉環(huán)控制模式 1.1.2 數(shù)控車床特點 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（Numbercal control，簡稱NC）機床，它是20世紀50年代初發(fā)展起來的一種自動控制機床，而數(shù)控車床四其中的一類使用性很強的機床形式。數(shù)控車床是基于數(shù)字控制的，它與普通車床不同的是，數(shù)控車床的主機結構上具有以下特點： （1）.由于大多數(shù)數(shù)控車床采用了高性能的主

15、軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此，數(shù)控機床的機械傳動結構得到了簡化。 （2）.為了適應數(shù)控車床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控車床機械結構，具有較高的動態(tài)剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形較小。 （3）更多地采用高效傳動部件，如滾動絲桿副，直線滾動導軌高，CNC裝置這是數(shù)控車床的核心，用于實現(xiàn)輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲，數(shù)據的變換，插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。 1.2 CK6140介紹及設計說明 1.2.1 CK6140數(shù)控機床的簡介 CK6140型數(shù)控車床，可進行機械零件的粗加工及精加工，結構可靠，操作方便，經濟使用。控制系統(tǒng)功能齊全，可靠性高。該機床可滿足眾多行業(yè)的需要，如：汽車、拖

16、拉機、軍工、機械等行業(yè)。本機床特別適合軸類、盤類零件的內外圓柱的表面、錐面、螺紋、鉆孔、鉸孔及曲面回轉體等零件進行高效、大批量的車削加工。 1.采用水平床身，導軌采用山形－平面結合導軌形式并中頻淬火，淬硬層達3mm，硬度達HRC52。 2.主軸軸承采用國產精密主軸軸承；主軸箱設計時考慮到最小熱變形，采取散熱措施及相應的減少主軸熱變形的措施，經精心裝配，主軸具有溫升低、熱變形小，精度高的特點，使主軸長期工作時能保持主軸軸線的相對穩(wěn)定。 3.橫向進給、縱向進給均采用交流伺服電機與滾珠絲杠用高強度不銹鋼同步軟連接實現(xiàn)低噪音、無間隙直線運動。 4.立式四工位數(shù)控電動刀架，每工位所用時間

17、為2～2.5秒，重復定位精度高達0.003mm內。同時在設計制造中采用高精度大直徑齒盤分度定位，具有剛性好，重切削時變形小等優(yōu)點。 5.本機床卡盤采用手動卡盤，配置手動尾座。 6.導軌和滾珠絲杠采用手動和自動潤滑系統(tǒng)，周期定量供油，方便、可靠，操作方便，用油省。 7.本機床為半封閉防護，排屑方便、流暢。冷卻箱與主機分離，冷卻泵的流量大，揚程高，工件和刀具都得到充分冷卻，保證工件的加工精度，提高刀具的使用壽命。 1.2.2設計的有關說明 ①根據設計要求，機床型號為CK6140. 按照金屬切削機床型號編制方法，ck6140含義如下： C：類型號，車

18、床類； K：數(shù)控 6：組別代號，表式臥式車床； 1：系列代號，代表臥式車床系； 40：主參數(shù)，最大加工直徑為400mm。 ②功能設計：CK6140臥式數(shù)控車床的功能為加工圓柱面，回轉成型面，螺紋及圓柱面 1.3設計任務 ①已知參數(shù) 表1-1 設計參數(shù) 床身上最大回轉直徑 （mm） 400 拖板上最大削直徑 （mm） 195 最大頂尖行程 （mm） 750-1000 縱向最大行程 （mm） 800-1050 橫向最大行程 （mm） 220 主軸通孔直徑 （mm） 52 主軸孔錐度莫氏 6# 主軸轉速 25-1600r/min 卡盤公稱直徑

19、 250 主軸電機驅動方式 交流變頻 主電機功率 5.5kw 進給驅動方式 交流伺服 X,Z分辨率 0.01 ②任務 1、 CK6140型數(shù)控機床總體設計計算 1） 主傳動系統(tǒng)總體設計：總體設計要求；主傳動形式選擇；主軸電機選擇及功率計算。 2） 進給伺服系統(tǒng)總體設計：進給伺服系統(tǒng)選擇；各組成部分選擇。 2、 機床主軸箱設計（變速系統(tǒng)的傳動和結構設計） 1） 傳動設計：擬定主傳動參數(shù)、結構網、轉速圖、確定齒輪齒數(shù)和帶輪直徑，主傳動的轉向與制動方式，畫出主運動的傳動系統(tǒng)圖。 2） 動力計算，其中包括確定齒輪模數(shù)，軸的尺寸，軸承的形式和型號，以及其他有關的計算。

20、 3） 確定變速系統(tǒng)的零件的徑向布置方案并繪制變速系統(tǒng)的結構圖和零件圖。 3、 進給伺服系統(tǒng)設計 1）、選取步進電機：按給定的參數(shù)，選擇適當?shù)膫鲃訖C構和滾珠軸承，選擇步進電機的型號； 2）、繪制進給伺服系統(tǒng)的結構圖和零件圖。 4、機床主軸運動可編程控制設計 根據機床主軸運動的規(guī)律，簡要設計機床主軸運動的PLC控制：包括主軸運動控制梯形圖的繪制。 要求設計計算準確，規(guī)范化，圖紙按國家標準繪制。 圖紙工作量： 1） 機床主軸箱裝配圖：0號 2） 零件圖 3） 進給伺服系統(tǒng)裝配圖：0號

21、 第二章CK6140總體設計計算 2.1總體設計要求 數(shù)控必須滿足使用部門的要求，也要適應制造廠的生產條件。要做到技術上先進，經濟上合理，好用，好造，好修。 2.1.1一定的工藝范圍 加工的工序種類：數(shù)控加工圓柱面，回轉成型面，螺紋及內圓柱面。 被加工零件的類型，材料及尺寸：車，選擇結構鋼及鑄鋼，最大切削直徑：200mm 刀具的種類及材料：車刀，選擇硬質合金鋼 加工精度及表面光潔度 適應的生產規(guī)模：多品種小批量生產的零件 2.1.2 保證加工精度和表面光潔度 要求床身必須

22、具備一定的幾何精度，傳動精度及動態(tài)精度，減少機床零件的磨損，在材料的選用及熱處理、零件表面光潔度以及潤滑等方面。 2.1.3提高生產率及自動化程度 1）縮短機工時間（單位時間內金屬的切除量要大） 2）縮短輔助時間（提高自動化程度） 生產率 Ｑ＝1/（T總）=1/（T切+T輔+T準/n）（件/小時） 2.1.4操作維修方面和使用安全 標牌及操縱板的指標符號，應采用文獻[11]中規(guī)定的象形符號，應考慮裝卸，檢修，調整及運輸，確保安全與健康。 2.1.5成本低 1）注意品種系列化，部件通用化與零件標準化 2）保證性能的條件下，機床重量與功率之比要下

23、，結構簡單，零部件數(shù)目少及占地面積少。 2.2機床的總體布局的確定 方案一、集中傳動式布局 集中傳動式布局將主軸組件和主傳動的全部變速機構集中裝于同一個箱體內。目前，多數(shù)機床采取這種布局方式。其優(yōu)點是：結構緊湊，便于實現(xiàn)集中操縱；箱體數(shù)少，在機床上安裝、調整方便。其缺點是：傳動件的振動和發(fā)熱會直接影響主軸的工作精度，降低加工質量。因此，集中傳動式布局一般適用于普通精度的中型和大型機床。 方案二、分離傳動布局 分離傳動布局將主軸組件和主傳動的大部分變速機構分離裝于兩個箱體內。某些高速或精密機床采用這種傳動布局方式。其優(yōu)點是：變速箱中產生的振動和熱量不易傳給主軸，從而減少了主軸的振動和熱

24、變形；當主軸箱采用振回（背輪）傳動時，主軸通過帶傳動直接得到高轉速，故運作平穩(wěn)，加工表面質量高。其缺點是：箱體數(shù)多，加工、裝配工作量較大，成本較高；位于傳動鏈后面的帶傳動，在低轉速時傳遞轉矩較大，容易打滑；更換傳動帶不方便等。因此，分離傳動布局適用于中小型高速或精密機床。 由于CK6140機床屬于普通精密的中型機床，故選用集中傳動式布局。 2.3換向方向的選擇 方案一、電動機換向 電動機換向的特點與電動機開停類似。但因交流異步電動機的正反轉速相同，主軸不會得到較高的反向轉速。在滿足機床使用性能的前提下，應優(yōu)先考慮此種換向方式。 方案二、機械換向 在電動機轉向不變的情況下需要主軸換向

25、時，可采用此種方式。 經過比較，選用電動機換向方式，換向裝置放在傳動鏈的前面。 2.4開停方式選擇 方案一、電動機開停 電動機開停方式的優(yōu)點是操縱方便省力，可簡化機床的機械結構。其缺點是直接起動電動機，沖擊較大；頻繁起動會造成電動機發(fā)熱甚至燒損；若電動機功率大且經常起動時，因起動電流較大會影響車間電網的正常供電。它適用于功率較小或起動不頻繁的機床。 方案二、機械開停 在電動機不停止運轉的情況下，可采用機械開停方式使主軸起動或停止。 綜合方案一、二，在滿足機床使用性能的前提下，采用電動機開停方式。 2.5 制動方式選擇 方案一、電動機制動 制動時，讓電動機的轉矩方向與其實際轉

26、向相反，使之減速而迅即停轉，多采用反接制動、能耗制動等。電動機制動操縱方便省力，可簡化機械結構。 方案二、機械制動 在電動機不停轉的情況下需要制動時，可采用此方式。 經過比較，在滿足車床使用性能的前提下，采用電動機制動方式。 2.6 齒輪布置與排布 方案一、滑移齒輪的布置 通常，滑移齒輪可選用較小齒輪，如結構需要也可選用較大齒輪。在一個變速組內，滑移齒輪必須具有“空檔”位置，即只有當一對齒輪完全脫開嚙合之后，才允許另一對齒輪開始進入嚙合。 方案二、一個變速組內的齒輪軸向排列 1）列與寬排列。一般采用滑移齒輪相互靠近的窄排列。 2）小齒數(shù)差排列。三聯(lián)滑移齒輪窄排列時相鄰兩齒輪的

27、齒數(shù)差不得小于4。當齒數(shù)差小于4時，除采用增加齒數(shù)和或變位齒輪等措施外，還可采用增加小齒數(shù)差排列，使最大與最小齒輪的齒數(shù)差不小于4即可，但軸向尺寸增大。 3）分組排列。將三聯(lián)或四聯(lián)滑移齒輪拆開兩組排列，可縮短軸向尺寸，且對齒數(shù)差無要求，但兩組需有聯(lián)鎖裝置。 4）順序變換排列。若要求轉速按大小順序變換時，可采用此種排列方式，但占有軸向尺寸較大。 方案三、兩個變速組的齒輪軸向排列。 1）并行排列。 2）錯排列。 3）公用齒輪排列。 齒輪的布置與排列直接影響到變速箱的尺寸大小，結構實現(xiàn)的可能性以及變速操縱的方便性等。故經過比較以上三種方案，選擇用兩個滑移齒輪，布置在主傳動軸上。 2.

28、7 變速方式選擇 方案一、無級變速 無級變速在一定速度（或轉速）范圍內能連續(xù)、任意地變速。它可選用最合理的切削速度，沒有速度損失，生產率得到提高；可在運轉中變速，減少輔助時間；操縱方便；傳動平穩(wěn)等。機床主傳動采用的無級變速裝置主要有兩種： 1）無級變速器：它是靠摩擦來傳遞轉矩的，多用鋼球式、寬帶式結構。 但它一般機構較復雜，維修較困難，效率低；因為摩擦所需要的正壓力較大，使變速器工作可靠性及壽命受到影響；變速范圍較窄（不超過10），往往需要與有級變速箱串聯(lián)使用。它多用于中小型機床。 2）液壓、電氣無級變速裝置：機床主傳動所采用的液壓馬達、直流電動機調速，往往因恒功率變速范圍小，恒轉矩

29、變速范圍較大，而不能滿足主傳動的傳動要求，啊、在主軸低轉速時出現(xiàn)功率不足的現(xiàn)象，一般也需要與有級變速箱串聯(lián)使用。它多用于精密、大型機床或數(shù)控機床。 方案二、有級變速 有級（或分級）變速在若干固定速度（或轉速）級內不連續(xù)地變速。通常它是由齒輪等變速元件構成的變速箱來實現(xiàn)變速的，傳遞功率大，變速范圍大，傳動比準確，工作可靠。但速度不能連續(xù)變化，且有速度損失，傳動不夠平穩(wěn)。 1）滑移齒輪變速機構：其優(yōu)點是變速范圍大，得到的轉速級數(shù)多；變速較方便，可傳遞較大功率；非工作齒輪不嚙合，空載功率損失較少。其缺點是變速箱結構復雜；劃移齒輪多采用直齒圓柱齒輪，承載能力不如斜齒圓柱齒輪；傳動不夠平穩(wěn)；不能在

30、運轉中變速。 2）交換齒輪變速機構：其優(yōu)點是結構簡單，不需要操縱機構；軸向尺寸小，變速箱結構緊湊；主動齒輪與從動齒輪可以對調使用，齒輪數(shù)量少。其缺點是更換齒輪時費力；裝于懸臂軸端，剛性差；備換齒輪容易散失等。因此，它適用于不需要經常變速或變速時間長對生產率影響不大，但要求結構簡單緊湊的機床。 3）多速電動機：其優(yōu)點是可簡化變速箱的機械結構；在運轉中變速，使用方便其缺點是多速電動機在高、低速時的輸出功率不同，設計中一般是按低速的小功率選定電動機，而使用高速時的大功率就不能完全發(fā)揮其能力；多速電動機的轉速級數(shù)越多，轉速越低，則體積越大，價格也越高；電氣控制也較復雜。 4）離合器變速機構：齒輪

31、式離合器和牙嵌式離合器結構簡單，外形尺寸小；傳動比準確，工作中不打滑；能傳遞較大的轉矩；但不能在運轉中變速。片式摩擦離合器可實現(xiàn)運轉中變速，接合平穩(wěn)，沖擊??；但結構較復雜，摩擦片間存在相對滑動，發(fā)熱較大，并能引起噪聲。 對比以上兩種方案，故選擇直流電動機無級變速串聯(lián)齒輪有級變速方式。 2.8進給系統(tǒng)的組成及選用 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，他們由步進電機，齒輪副，絲桿螺母副組成，它的傳動比應滿足機床要求。為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小傳動效率改的滾珠絲桿螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動的剛度和消除間隙。齒輪副也應有消除齒冊間隙的機構采用滾動導軌可減少到貴賤的摩

32、擦阻力，便于工作臺實現(xiàn)精確和微量的移動，切潤滑方便。 圖2.1伺服系統(tǒng)總體方案框圖 第三章 主變速箱總體設計 3.1電機的選用[2] 3.1.1車刀的選擇 1） 加工材料[3] 表3-1 加工材料及參數(shù) 加工材料 刀具材料 加工形式 主切削刀（,) 結構鋼及鑄鋼 高速鋼 外圓縱車橫車及鏜孔 1433 1.0 0.75 0 刀具材料的選擇：選擇W6Mo5Cr4V2，硬度（HRC）65 抗彎強度3800Pa 沖擊韌性 高溫硬度（HRC）47.5 選用理由：雖然此刀具磨削性能稍差，但熱塑性好，適用于制造

33、成形刀具及承受抗沖擊刀具，且在高溫時還有較高硬度。 2） 確定刀具的重要參數(shù) (查資料[1]) 表3-2 車削碳剛的切削速度 加工材料 硬度 高速鋼V（米/分） 硬質合金剛V（米/分） 碳剛 175-275 22 75 切深t=3mm，走刀量s=0.3mm/r ， 當取So=0.55時，k1=0.70 取to=5時，k2=0.91 =0.700.9175=47.8m/min 3） 主切削力 FZ=cFZ .apxfz . f yfz .vnfz .kFZ 查文獻[1] kFZ

34、=11.1510.750.931=0.8 前角為13o，主偏角45o ，刃傾角為0 o ，刀尖圓弧半徑2 FZ=143330.450.751=1948.8N 其中FZ所消耗的功率占總切削功率的95%左右，所以只需要計算FZ主切削力產生的功率即可。 4）切削功率Pm 3.1.2選擇電機 1.考慮到機床的傳動比效率

35、 式中：，一般取0.75~0.85，大值適用于新機床，小值適用于舊機床。 本次設計選用 參考文獻[2]，這里選用VFG 1600M-750-5.5的交流變頻電動機，額定功率5.5KW，額定電壓380W，恒扭矩輸出范圍為30-750r/min,恒功率輸出范圍為750-2250r/min，基準轉速為750r/min。 2. 主軸要求的恒功率調速范圍 電動機的恒功率調速范圍 故可知主軸要求的恒功率調速范圍遠大于電動機所能提供的恒

36、功率調速范圍，故必須配以分級變速箱。同時若要簡化變速箱結構，變速級數(shù)應該少些，變速箱公比可取大于電動機的恒功率調速范圍，即>。 故取Z=2，此時，變速箱的公比為： 由于>，變速箱的每檔內有部分低轉速只能恒轉矩變速，主傳動系統(tǒng)的功率特性圖出現(xiàn)“缺口”，稱為功率降低區(qū)。使用“缺口”范圍內的轉速時，為限制轉矩過大，得不到電動機輸出的全部功率。因此為保證缺口處的輸出功率，電動機的功率應相應增大。 計算可知在缺口處的功率僅為： 故重新選擇電動機，選擇型號為VFG1600M-750-7.5的交流變頻電動機，其額定功率為7.5kw，恒扭矩輸出范圍為30-750r/min，恒功率輸出范圍為75

37、0-2250r/min，基準轉速為750r/min。 電動機的相關參數(shù) 型號 額定功率 基準轉速 恒扭矩輸出 恒功率輸出 VFG1600M-750-7.5 7.5kw r/min 750 30-750 750-2250 圖3.1 電動機圖 3.2傳動方案的擬定 傳動方案：電動機的輸出，然后經帶輪的降速，再經過二級齒輪變速進行調速，最后傳給主軸。查文獻[4]可知V帶傳動比范圍為2~4，單級圓柱齒輪傳動比范圍i=3~6。 4.1傳動比的計算 取帶輪傳動比為，并確定小帶輪與大帶輪標準直徑分別為80mm和160mm、帶型為A型。 經帶輪降速后，最高轉速，最低

38、轉速取20以滿足需要，電動機轉速可取160r/min=,則經帶輪后轉速為80r/min。 額定轉速。中間取360r/min以滿足機床要求。則降速后轉速為180r/min。 則可知要達到機床的要求，可用傳動比為，查[2]確定標準公比為1.50。 同時80/20=查文獻[2]確定標準公比為3.98。 3.3確定各級的轉速 3.4繪制轉速圖 故計算可知： 當電動機轉速為2250 r/min時，輸出軸的轉速為 當電動機轉速為750 r/min 當電動機轉速為360 r/min 當電動機轉速為160 r/min 故可知主軸的轉速范圍為20.1~1687.5 r/mi

39、n，滿足傳動要求。 3.4繪制轉速圖 最后，在圖上補足各連線，就可以得到如下的轉速圖。 圖3.2 主變速系統(tǒng)轉速圖 傳動圖如下： 圖3.3 主變速系統(tǒng)傳動圖 圖3.4電動機功率圖 第四章 主變速箱詳細設計 4.1帶傳動的設計[4] 電動機的轉速n= 2250 r/min，傳遞功率5.5kw，電動機軸與I軸之間的降速比為 i=2250/1125，即帶傳動的傳動比為 2 ，兩班制工作，一天運轉16小時，工作年數(shù)10年。 4.1.1確定計算功率 由參考文獻[4]表8-7查得工作情況系數(shù)取=1.3，故： 4.1.2選取V帶型

40、根據小帶輪的轉速和計算功率，由文獻[4]圖8-10，選A帶。 4.1.3驗算帶速和確定帶輪直徑 1）初選小帶輪的基準直徑 參考文獻[4]表8-6和表8-8，取小帶輪直徑 2）驗算帶速 其中 ———小帶輪的轉速r/min ———小帶輪直徑 mm 因為 ，故帶速適合。 3）計算大帶輪的直徑 根據參考文獻[4]式8-15a，計算大帶輪 200 mm 4.1.4確定帶傳動的中心距和帶的基準長度 設中心距為，則： 于是，初取中心距 帶長： 查參考文獻[4]8-2取相近的基準長度。 帶傳動的實際中心距：

41、 4.1.5驗算小帶輪的包角 一般小帶輪的包角不應小于 滿足包角 4.1.6確定帶的根數(shù) 1）計算單根V帶的額定功率Pr 由查參考文獻[4]表8-4a得。 根據[4]表8-4b得查參考文獻[4]表8-4得查表8-2得。于是： 其中 ————時的傳遞功率的增量 —————按小帶輪包角，查得包角系數(shù) —————長度系數(shù) 2）計算V帶根數(shù)Z 為了避免V型帶工作時各跟帶受力嚴重不均勻，限制根數(shù)不大于10，取。 4.1.7計算單根V帶初拉力的最小值 由參考文獻[4]表8-3得B型帶的單位長度質量q= 0.1 kg/m，所以： 其

42、中 Pca————帶傳動的功率，KW V—————帶速，m/s q __________每米帶的質量，kg/m V= 1600 r/min= 11.78 m/s 4.1.8計算壓軸力 4.1.9帶輪的結構 小帶輪采用腹板式結構，具體結構見略。大帶輪采用孔板式，具體結構略。 4.2齒輪設計 在傳動副a中24/48這一對齒輪受到的轉矩最大，就先設計校核這一對齒輪。 1） 選取金屬切削機床的的精度等級為7級精度。 2） 材料選擇：由[5]表10-1選擇小齒輪的材料為40Cr（調質

43、），硬度為280HBS，大齒輪為45#鋼（調質），硬度為240HBS，二者的材料差為40HBS。 3） 試選取小齒輪的齒數(shù)為Z1=20,Z2=80.一年按300天計算，設計工作10年，每天兩班倒。 （1） 按齒輪接觸強度計算 確定公式內的各計算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)。 2） 計算小齒輪傳遞的轉矩 3） 由[5]表10-7選取齒寬系數(shù)。 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度極限 ；大齒輪按接觸疲勞極限。 6） 由公式10-13計算應力循環(huán)次數(shù) _ 7） 由圖10-19取接

44、觸疲勞的壽命系數(shù)，。 8） 計算接觸疲勞許用力 取失效概率為1%，安全系數(shù)，由式（10-12）得： （2）計算 1）計算小齒輪分度圓直徑d1t，帶入中比較小的值 2） 計算圓周速度V 3） 計算齒寬b 4）計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 齒寬與齒高之比 5） 計算載荷系數(shù) 根據，7級精度由文獻[5]圖10-8查得動載 荷系數(shù)KV=1.14，直齒輪，由表10-2查得使用系數(shù)KA=1，由表10-4用插值法差得7級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時1.423，由，查圖（10-13）

45、得。 故載荷系數(shù)： 6） 按實際的載荷系數(shù)校正所算的的分度圓直徑由式（10-10a）得： 7） 計算模數(shù)m （2） 按齒彎曲疲勞強度計算 由[5]式（10-5）得彎曲得設計公式為 確定公式內的各計算數(shù)值 1） 由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞極限，。 2） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命KFN1=0.84，KFN2=0.87 3） 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得 4) 計算載荷系數(shù)K 5) 查取應力校正系數(shù)，由表10-5查得YFa1=2.80，YFa2=2.22 6) 查取應力校正系數(shù)，由表10

46、-5查得YSa1=1.55，YSa2=1.77 7) 計算大，小齒輪的并加以比較 經過比較，大齒輪的數(shù)值較大 8） 設計計算 對此設計結果，由齒接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪的模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而出面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪的直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取彎曲強度算得的模數(shù)2.728mm，就近圓整為標準值m= 2.5mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d1=79.971mm，算出小齒輪的齒數(shù) 圓整為Z1=35 （3） 幾何尺寸的計算 1）計算分度圓直徑 2） 計算中心距

47、 3） 計算齒輪寬度 取， 同理可得配合齒輪參數(shù) 取，4.3軸的設計 4.3.1軸的初步設計 1） 軸的材料選擇（查文獻[6]表15-1） 表4-2 軸的材料及力學性質 材料 熱處理 抗拉強度極限 彎曲疲勞極限 許用彎曲應力 45鋼 調制 640 275 60 毛坯直徑 硬度 屈服強度極限 剪切疲勞極限 — 217-255 355 155 — 2） 傳動軸所傳遞的功率 參考文獻[7]P7取V帶傳動效率=0.95，離合器的效率為=0.99，軸承的效率，齒輪的傳動效率為，電機傳動效率為。

48、 3） 計算各軸的最小軸徑 公式 查文獻[4]P370 （15-3）查表15-3取 取 取 4） 各軸的傳動轉矩 表4-3 軸的主要參數(shù)列表 軸名 計算轉速r/min 傳動功率KW 傳動轉矩 最小直徑mm I軸 1125 5.53 46.94 40 II軸 375 5.26 133.95 50 4.4軸承的選擇[

49、6] 選擇軸承的類型依據：軸承所受負載的大小，方向及性質，軸向固定形式，調心性能要求，剛度要求，轉速環(huán)境等等。 4.5.1軸I，軸II軸III的軸承選擇 因為軸的徑向載荷大于軸向載荷，故軸向載荷可以忽略不計，且轉速高，查文獻[4]P145、148表6-1。 表4-4 軸I 軸承型號 d D B da Da ras 額功 額靜 6308 40 90 23 48 80 1.5 31.2 22.2 主軸因為受軸向力和徑向力，本次設計選用角接觸球軸承。 表4-5 軸II 軸承型號 d D B da Da ras 額功 額靜 721

50、0AC 50 90 20 57 83 1 32.8 26.8 4.5選擇離合器 1. 離合器的功能 離合器是一種可以通過各種操作方式，實現(xiàn)主從部分在同軸上傳遞運動時具有結合或分離的裝置。離合器可以實現(xiàn)相對啟動或停止，以及改變傳動件的工作狀態(tài)，達到改變傳動比。此外，離合器還可以作為啟動或過載時控制轉矩大小的安裝保護裝置。 2. 離合器的類型 按離合器結合原件傳動的工作原理，可分為嵌合式離合器，按實現(xiàn)離合動作的過程可分為操縱式和自控式；按離合器的操縱方式，則可分為機械式、氣壓式、液壓式、和電磁式。 3. 離合器的選取 本數(shù)控車床系采用矩形牙嵌式離合器；作為結合件。

51、 初選圓片摩擦離合器的尺寸如下：（參考文獻[8]P6-239） 表4-6 摩擦離合器尺寸 d（mm） D（mm） L（mm） a（mm） b（mm) c(mm） h（mm） 40 100 200 70 95 5 30 4.6 軸上鍵的選擇[6] 鍵是用來連接軸及軸上的傳動件，如齒輪，皮帶輪等，起傳遞扭矩的作用。常用的鍵有普通平鍵，半圓鍵和鉤頭楔鍵三種，選用時可根據軸的直徑查鍵的標準，得出它的尺寸。 表4-6 各軸上鍵的選擇 軸 軸的類型 規(guī)格 連接方式 Ⅰ 平鍵 8*7*56 靜連接 花鍵 6*26*30*6 動連接

52、 Ⅱ 平鍵 10*8*25 靜連接 花鍵 8*36*40*7 動連接 第五章 進給伺服系統(tǒng)的設計 5.1進給伺服系統(tǒng)簡介 數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)是以機械位移為直接控制目標的自動控制系統(tǒng)，簡稱伺服系統(tǒng)。它主要由伺服驅動單元、伺服電動機、機械傳動裝置、執(zhí)行元件和位置檢測反饋單元等部分組成，其中開環(huán)控制伺服系統(tǒng)無位置檢測反饋單元。伺服系統(tǒng)的輸入與數(shù)控插補器相聯(lián)，接受指令信號的控制，其輸出與機床的機械運動相聯(lián)，完成預定的直線或轉角位移。 伺服進給系統(tǒng)按照數(shù)控加工對軌跡要求可分為點位控制、點位直線控制和輪廓控制；按照有無檢測元件

53、的安裝位置可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制；按照反饋信息和比較方法的不同可分為脈沖比較、相位比較和幅值比較。 5.2傳動系統(tǒng)的設計及計算 5.2.1 進給傳動系統(tǒng)設計時要考慮的方面 1）間隙。間隙是控制系統(tǒng)中的非線性因素，引起一個直接的時間滯后，造成隨機誤差和增加不穩(wěn)定傾向，應盡量減小或消除。 2）剛度質量比。傳動鏈的彈性變形會產生時間滯后和超越，產生誤差，但增加結構造成慣性大也會使系統(tǒng)動態(tài)性能下降，調整困難。故應設計剛度質量比大的結構以滿足要求。 3）摩擦。摩擦會使加速性能下降，尤其應盡量減小靜摩擦力和動摩擦力之差，防止產生自激振動或爬行。 4）阻尼。阻尼會增大誤差，但能減小

54、超調量，有使系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，故應在系統(tǒng)內有適當?shù)淖枘帷? 5.2.2 設計步驟 1）選擇控制形式 精度要求高時，一般采用閉環(huán)控制，但對于大型機床，受傳動鏈剛度和固有頻率限制，應采用半閉環(huán)或開環(huán)控制。要求精度不太高時，通常采用半閉環(huán)控制。 根據以上原則，選用開環(huán)控制系統(tǒng)。 2）選擇驅動元件主要考慮慣量匹配要求，電機慣量過大時，其加速性能得不到充分發(fā)揮，太小時與負載慣量不匹配，影響整個系統(tǒng)的伺服性能。選取。 ① 本設計方案選用步進電動機來驅動。 ② 已知脈沖當量為0.01，最大進給速度， 則電動機的工作頻率 選取電動機型號為90BF004 表5-1 電機主要技術參數(shù) 型號

55、 外型尺寸 質量 外徑 長度 軸徑 90BF004 90 118 9 3 表5-2 電機主要技術數(shù)據 主要技術數(shù)據 步距角 （） 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 運行頻率 相數(shù) 電壓 V 電流 A 0.75/1.5 2.5 4000 16000 5 60 7 3） 機械傳動裝置設計 ① 選擇執(zhí)行機構 因為移動行程小于4，故采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠精密、靈敏、傳動效率高，通過預加載荷，能消除絲杠和螺母間的間隙，提高傳動精度。 ② 選擇導軌類型 要考慮盡可能減少摩擦力，故采用滾動導軌。為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，應適

56、當增加導軌阻尼比，故選取=0.05。 ③ 計算降速比 查[3]P116得降速比公式 步進電動機與軸直接相連，故由可初步求出絲杠導程 則 ④ 慣量計算 由[3]P117得工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 工作臺的質量 則由高速軸向低速軸折算慣量 4） 滾珠絲杠副的設計計算 滾珠絲杠副的滾珠循環(huán)方式為螺旋槽式，此方式的特點是：機構簡單，承載能力較高。但回球槽與通孔聯(lián)接處曲率半徑小，鋼球的流暢性較差，擋球器端部易磨損。 滾珠絲杠副的調隙方式選用墊片式調隙

57、，其特點是：結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊。 支承方式采用兩端固定 ① 滾珠絲杠的選擇 根據螺距，選擇滾動螺旋副的尺寸如下表： 表5-3 滾動螺旋副的尺寸 螺距 鋼球直徑 圈數(shù)列數(shù) 公稱直徑 螺紋升角與承載能力 14500 選擇螺紋滾道型面為雙圓弧形式。 ② 滾珠絲杠的設計計算 a. 平均載荷 因為絲杠控制的是縱向進給，故軸向切削力可忽略不記， b. 平均轉矩 c. 壽命計算 前面已選定，選取工作壽命， 則壽命系數(shù)

58、 載荷系數(shù) 選取硬度影響系數(shù) 選取短行程系數(shù) 符合壽命條件 d. 靜載荷計算 前面已選定 選取硬度影響系數(shù) 符合靜載荷條件 e. 螺桿的強度 當量應力公式 為電機最大輸出轉矩 則 滿足要求 f. 穩(wěn)定性 螺桿端部結構為兩端固定，長度系數(shù) 螺桿的最大工作長度 螺桿危險截面的慣性半徑 故得臨界載荷 則2.5～4，滿足穩(wěn)定性要求。 g. 螺桿系統(tǒng)的剛性 軸向載荷使導程產生的變形 轉矩使導程產生的變形

59、 對于鋼，螺桿材料的彈性模量，切變模量 已知工作行程，則 軸向載荷使鋼球和螺紋滾道產生的軸向變形量 根據式，得比較合理的 取載荷分布不均系數(shù) 每圈螺紋內滾動體的數(shù)量 取整數(shù)32。 工作螺母的鋼球數(shù)量則 螺桿系統(tǒng)各軸向彈性變形量之和 螺桿系統(tǒng)的剛性 符合。 h. 橫向振動 臨界轉速 根據螺桿端部結構為兩端固定，取系數(shù) 已知螺桿兩支承間的最大距離 滿足要求。 i.

60、 效率 由旋轉運動變?yōu)橹本€運動時 符合。 由直線運動變?yōu)樾D運動時 符合。 經過以上一系列計算和校核，可以確定所選滾珠絲杠合適。 此外，在設計中還應注意以下問題： 防止逆轉：滾動螺旋傳動逆效率高，不能自鎖。為了使螺旋副受力后不逆轉，應設置防止逆轉裝置，在傳動系統(tǒng)中設有能夠自鎖的機構。 防止螺母脫出：在滾動螺旋傳動中，特別是垂直傳動，容易發(fā)生螺母脫出造成事故，設計時必須考慮防止螺母脫出的安全裝置。 防護與密封：塵埃和雜質等污物進入螺紋滾道會妨礙滾動體運轉通暢，加速滾動體與滾道的磨損，使?jié)L動螺旋副喪失精度。因此防護與密封是設計滾動螺旋傳動必須考慮的一環(huán)。

61、潤滑：這是提高滾動螺旋副效率、延長壽命的重要因素之一，對減小起動力矩也有一定作用。 總 結 歷時3個多月的畢業(yè)設計馬上就要結束了，回想3個月的工作讓我收獲頗多。 3月份，在學校的安排下老師把CK6140主傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的畢業(yè)設計分配給了我，剛拿到題目的時候，一時不知道從何下手。是羅老師指導我去實習，去查閱各種資料，讓我對畢業(yè)設計的題目有了深入的了解。這個月的工作也為我后面的設計打下了堅實的基礎。 4月份，我開始了我的主傳動系統(tǒng)的總體設計，雖然大二的時候我也做過關于變速箱的課程設計，但是那個時候做的并不詳細，許多在在課程設計中是已知數(shù)據的內容

62、，在畢業(yè)設計中卻是未知數(shù)據，需要自己去查閱資料，然后根據自己的設計思路去選擇。所以在總體設計的過程中，我也遇到了不少的問題，如電機的選擇，傳動方案的選擇等等。但是經過去網上和圖書館查閱資料，與羅老師細心的解答，遇到的問題也就一一的解決了。這個過程的設計，對我后面的設計起到了至關重要的作用。 5月份，可以說是工作量最大的一個月，在這個月里，我開始了我的主傳動系統(tǒng)的詳細設計，伺服系統(tǒng)的設計和裝配圖，零件圖的繪制，及其電子檔的整理。主傳動系統(tǒng)的詳細設計時，我完成了齒輪的詳細設計，軸和軸承設計和選用。尤其是在后期的校核中，發(fā)現(xiàn)在原來設計方案的參數(shù)不是過大就是過小，只有反過頭來重新計算。雖然這個階段的

63、工作很繁瑣，但是讓我認識到，設計工作就是不斷的發(fā)現(xiàn)問題，然后去解決問題。在零件圖繪制的時候，我也發(fā)現(xiàn)并不是將齒輪隨便裝在箱體內，而要考慮箱體內零件的緊湊性，及盡量考慮減小箱體的總體尺寸。通過這個過程讓我知道，做任何事情都要有條理性。 馬上就要畢業(yè)答辯了，再看看自己的畢業(yè)設計，可能在有些設計位置還不夠詳細，或還考慮不夠完善，但基本完成了老師交給我的設計要求。通過此次畢業(yè)設計，讓我對大學所學知識得到了進一步的鞏固，讓我對設計工作有了進一步的認識。 致 謝 CK6140數(shù)控車床畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)的我，必須經歷的一個重要環(huán)節(jié)，也是對我四年大學生活的一個總結

64、，在本次設計中，從選題到設計過程直到最后完成設計，都是在羅老師的悉心指導下完成的。羅老師在繁忙的教學中，經常擠出時間來詢問設計進程，并為我講解許多設計的專業(yè)知識，細心指導，并提供了大量的設計資料。在畢業(yè)設計正式開始時，羅老師帶我們去武漢重型機床集團參觀實習，對我后來的設計起到了很大的幫助。 羅老師對教學一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神令我敬佩不已。雖歷時三個月，卻使我終生受益，羅老師的教導讓我為四年的大學生活畫上了一個圓滿的句號。對羅老師的感激之情是無法用幾句簡單的言語來表達的。 同時，感激我的室友們，從遙遠的家鄉(xiāng)來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此

65、之間的純真友誼，維持著寢室那份家的融洽。還有學習上面給予我種種的幫助。 在設計即將完成之際，我的心情久久無法平靜。從開始選擇課題到設計的順利完成，有多少可敬的老師、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意。 大學生活四年，我非常感謝我的母校，她給我提供了良好的學習和生活環(huán)境，讓我渡過了絢麗而充實的四年。 參 考 文 獻 [1] 林宋 主編. 現(xiàn)代數(shù)控機床.化學工業(yè)出版社，2003 [2] 黃健求 主編.機械制造技術基礎.機械工業(yè)出版社 2012 [3] 張宏 主編.機械切削工藝速查手冊.化學

66、工業(yè)出版社2010 [4] 濮良貴，紀名剛 主編.機械設計.高等教育出版社，2006 [5] 劉朝儒 吳志軍 高政一 主編.機械制圖.高等教育出版社，2006 [6] 王昆，何小柏，汪信遠 主編.機械設計課程設計.高等教育出版社，1996 [7] 文懷興 復田 主編.數(shù)控機床系統(tǒng)設計.化學工業(yè)出版社，2004 [8] 陳作模 主編.機械原理.高等教育出版社，2006 [9] 關慧貞 馮辛安 主編.機械制造裝備技術.機械工業(yè)出版社 2013 [10] 范欽珊 主編.材料力學.高等教育出版社，2002 [11] 成大先 主編.機械設計手冊（第四版）3.化學工業(yè)出版社，1993 [12] 成大先 主編.機械設計手冊（第四版）4.化學工業(yè)出版社，1993 [13] 王伯平 主編.互換性與測量技術基礎.機械工業(yè)出版社，2004 [14] 成大先 主編.機械設計手冊（第四版）2.化學工業(yè)出版社，1993 41