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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
CJK6032-4型數(shù)控車床設(shè)計(jì)
系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-3班
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一二年六月
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題研究的背景目的和意義 3
1.2數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.2.1數(shù)控車床發(fā)展總趨勢 3
1.2.2我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4
1.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 5
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 6
2.2總體方案的確定 6
2.3 傳動(dòng)原理 7
2.4 基本參數(shù)的確定 7
2.5 本章小結(jié) 9
第3章 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 10
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 10
3.2 減速齒輪設(shè)計(jì)及校核 10
3.3 帶輪及帶的計(jì)算 14
3.4 軸的初步確定 16
3.5 軸的校核 16
3.6 本章小結(jié) 19
第4章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
4.1 縱向進(jìn)給絲杠設(shè)計(jì) 20
4.1.1 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)工作原理 20
4.1.2 絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.2 橫向進(jìn)給絲杠設(shè)計(jì) 22
4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 23
4.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 23
4.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選取 25
4.4 本章小結(jié) 27
第5章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 28
結(jié)論 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是CJK6032簡易數(shù)控車床。該數(shù)控車床結(jié)夠簡單，緊湊、體積小，功能齊全，是一個(gè)很適用的經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床，能夠達(dá)到非常滿意的工作效率。
CJK6032主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。對其傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行總體方案的確定，畫出簡易的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。再根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)來確定傳動(dòng)和進(jìn)給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給。通過用途，功能和技術(shù)要求等合理定出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過認(rèn)真的計(jì)算得到的參數(shù)，然后選擇符合規(guī)定的元件和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。CJK6032是無級(jí)調(diào)速的，由電動(dòng)機(jī)加變頻器來實(shí)現(xiàn)。最后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)生產(chǎn)該產(chǎn)品是經(jīng)濟(jì)合理的。
關(guān)鍵詞：車床；滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)；無級(jí)調(diào)速；傳動(dòng)系統(tǒng)
ABSTRACT
The subject of design is the simple NC CJK6032-lathe. The numerical control lathe simple,compact,small size, fully functional,is a suitable economy of CNC lathes. we can achieve a satisfactory work efficient.
The simple NC CJK6032-lathe is composed of drive system, feed system and controlsystem. When designing drive system, the diagram of simple drive system are specified.Then the drive and feed system are designed according to the given design parameter. Thefeed system is working with the assistance of ball screw. The steped motor drove by deivecontrol system is drove by ball screw. through the use of functional and technical requeirements set reasonable structure,and through careful calculation by the parameters,and then select the required components and systems for the structural design.The simple NC CJK6032-lathe has variable speed which is accomplished by motor and frequency converter. In the end, the analysis on economic prove its reasonable to produce to CJK6032-lathe.
Key words：Lathe；Ball Screw；Stepping motor；Variable Speed；Transmission system
32
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1課題研究的背景目的和意義
數(shù)控車床利用數(shù)字化的信息對車床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制，是一種可編程的通用加工設(shè)備，能自動(dòng)完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類和盤套類零件。與通用機(jī)床和專用機(jī)床相比，數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生 產(chǎn)自動(dòng)化的要求，是一種柔性的、高性能的自動(dòng)化車床，代表了現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸組件，與普通機(jī)床相比，變速功能絕大部分由主軸電機(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)，結(jié)構(gòu)簡單，有些只有兩極或三級(jí)齒輪變速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)用以擴(kuò)大電機(jī)無級(jí)調(diào)速的范圍。
自從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控車床得到了長足的發(fā)展。隨著制造業(yè)對數(shù)控車床的大量需求，汽車、國防、航空、航天等行業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，數(shù)控車床的發(fā)展總體呈現(xiàn)出高速化、高精度化、多軸化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等趨勢。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機(jī)械制造的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。由于數(shù)控車床綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果，具有高柔性、高精度與高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，因此它提高了機(jī)械制造的制造水平，解決了機(jī)械制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的復(fù)雜型面零件加工，為社會(huì)提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機(jī)械產(chǎn)品已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
數(shù)控技術(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)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制造技術(shù)；（2）信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動(dòng)控制技術(shù)；（4）伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。
數(shù)控車床的發(fā)展不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控車床及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
1. 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
??效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。
在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。
??在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
2. 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展
??采用5軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。
??當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。
3. 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
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(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動(dòng)態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接關(guān)系到一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高綜合國力和國際地位的重要途徑。
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化課題，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)可使所學(xué)機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)知識(shí)得到綜合應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力都能受到訓(xùn)練，可有力的提高學(xué)生的分析問題、解決問題能力及機(jī)電一體化水平。
1.2數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 數(shù)控車床發(fā)展總趨勢
近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢，如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化、柔性化。
（1）高速主軸單元
為了適應(yīng)數(shù)控加工高速化的發(fā)展，目前越來越多的高速數(shù)控車床采用了電主 軸。電主軸又稱內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)主軸單元，就是將高速的主軸電動(dòng)機(jī)置于主軸內(nèi)部， 通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸 的一體化功能；取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 提高了主軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)皮帶和帶輪等 傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲問題；可精確實(shí)現(xiàn)主軸的定位和軸傳動(dòng)功能。采用電主軸結(jié)構(gòu) 可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 10000r/min 以上，它融合了尖端的高速精密軸承、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、高速變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是技術(shù)含量很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
（2）功能復(fù)合化、柔性化
隨著數(shù)控車床對加工對象的適應(yīng)性的不斷提高，數(shù)控車床的設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化，并向著功能復(fù)合化和系統(tǒng)柔性化的方向發(fā)展。功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時(shí)間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大車床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動(dòng)力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。數(shù)控車床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)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(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)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)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓和完善。CNC 單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、CAM、CAPP 及 MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展 由此可見，現(xiàn)代數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅限于只滿足原有的基本要求，還要綜合考慮現(xiàn)代制造對機(jī)床的整體要求，如制造控制、 過程控制以及物料傳送，以縮短產(chǎn)品的加工時(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間、制造時(shí)間，以最大限度的提高生產(chǎn)率。
1.2.2我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，于1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％。
在20余年間，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的人才；通過合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)的差距；通過利用國外先進(jìn)元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計(jì)及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動(dòng)化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控車床的水平差距很大。
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國家之急需。在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
CJK6032主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。本次設(shè)計(jì)也重點(diǎn)設(shè)計(jì)這三個(gè)部分。首先，對其傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行總體方案的確定，畫出簡易的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。然后，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)來確定傳動(dòng)和進(jìn)給系統(tǒng)。滾珠絲杠由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給。步進(jìn)電機(jī)由控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)是由鍵盤，顯示，變頻器，脈沖發(fā)生器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分組成。CJK6032是無級(jí)調(diào)速的，本次設(shè)計(jì)通過三相異步電動(dòng)機(jī)加變頻器來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。最后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，可以看出設(shè)計(jì)生產(chǎn)該產(chǎn)品是經(jīng)濟(jì)合理的。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
數(shù)控車床CJK6032，最大加工直徑160mm，變頻調(diào)速（手動(dòng)三檔），開環(huán)系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量0.005mm。
2.2總體方案的確定
初步對CJK6032-4型數(shù)控車床的主軸箱設(shè)計(jì)有兩種設(shè)計(jì)方案。
1、用皮帶輪降速到軸上，再用一個(gè)二聯(lián)滑塊實(shí)現(xiàn)兩檔變速，最后用一個(gè)一比一的定比傳到主軸上，電機(jī)用變頻電機(jī)。轉(zhuǎn)速圖如圖2.1
圖2.1 CJK6032轉(zhuǎn)速圖1
2、用普通電機(jī)帶皮帶輪降速到軸上，再用一個(gè)二聯(lián)滑塊實(shí)現(xiàn)兩檔變速，最后用一個(gè)傳動(dòng)比為1:2的定比傳動(dòng)齒輪來傳到主軸上，加變頻器經(jīng)過傳動(dòng)比為1：1齒輪傳到主軸上。轉(zhuǎn)速圖如圖2.2：
圖2.2 CJK6032轉(zhuǎn)速圖2
對于第一種方案雖然要簡單，它不需要變頻器要比第二種方案少一根軸，但是由于它的變頻范圍使它皮帶輪上的傳動(dòng)比很大，對于帶傳動(dòng)來說要不合適，且所選電機(jī)為變頻電機(jī)，耗資較大，我們不采用這種結(jié)構(gòu)。第二種方案雖然要多一根軸來連接變頻器，但是它由于有定比為1：2的傳動(dòng)使的皮帶輪的傳動(dòng)比降低，這個(gè)方案比較合理，在帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中這樣的傳動(dòng)比很常見，而且不是很大可以采用。而且?guī)л啿皇呛艽蟛粫?huì)和主軸存在干涉現(xiàn)象。
縱向和橫向進(jìn)給是靠絲杠來實(shí)現(xiàn)的，絲杠用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)。因?yàn)槊}沖當(dāng)量小于0.005。所以在步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間，我采用傳動(dòng)比為1：2的齒輪來降低脈沖當(dāng)量。
大帶輪與帶輪軸連接采用卸荷方式，可以使大帶輪的重量不壓在軸上，減輕了軸的負(fù)荷，使傳動(dòng)更平穩(wěn)。主軸箱內(nèi)有一對滑移齒輪，把它們放在第一根軸上，將第
一根軸做成花鍵軸，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，更合理。主軸與脈沖發(fā)生器連接采用齒輪一比一傳動(dòng)，這樣方便計(jì)算主軸轉(zhuǎn)一圈，絲杠進(jìn)給多少。
縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)選擇的步進(jìn)電機(jī)步距角都為0.36°，縱向進(jìn)給的最小進(jìn)給量為0.002mm，橫向進(jìn)給的最小進(jìn)給量為0.01mm，所以必須通過減小步距角來實(shí)現(xiàn)這個(gè)最小進(jìn)給量。減小步距角一可以通過齒形帶傳動(dòng)來減小，二是通過齒輪傳動(dòng)來減小，由于齒形帶傳動(dòng)精度沒有齒輪傳動(dòng)精度高，而機(jī)床的進(jìn)給精度要求較高，所以選擇齒輪傳動(dòng)來減小步距角，采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除傳動(dòng)齒輪間隙。
2.3 傳動(dòng)原理
1、傳動(dòng)原理主要滿足設(shè)計(jì)任務(wù)所給出的精度要求。
2、應(yīng)當(dāng)在保證精度的情況下盡量使結(jié)構(gòu)簡單。
3、主軸的轉(zhuǎn)速范圍為50—2000r/min，若采用變頻配合普通電機(jī)，則需要采用換擋控制主軸轉(zhuǎn)速。
4、脈沖當(dāng)量為0.001—0.003m/min，若采用較高級(jí)數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，通過齒輪減速來帶動(dòng)絲杠就可以達(dá)到，并且結(jié)構(gòu)簡單，在該處還沒有傳動(dòng)誤差，可以使電控部分的結(jié)構(gòu)及程序編制更為簡單。
因此，得到如下傳動(dòng)原理，如圖2.3。
2.4 基本參數(shù)的確定
1、通過主軸孔最大棒料直徑
mm （2.1）
2、床身寬度 mm （2.2）
3、經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經(jīng)驗(yàn)公式估定
圖2.3 傳動(dòng)方案總圖
mm
mm （2.3）
4、運(yùn)動(dòng)參數(shù)
可通過類比實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等方法綜合確定
（2.4）
、、、為經(jīng)濟(jì)加工切削速度和經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑。、是機(jī)床的最低、最高轉(zhuǎn)速，其中常用經(jīng)濟(jì)加工切削速度硬質(zhì)合金刀具精車中碳鋼=200220m/min，取=220m/min，取高速鋼刀具精車絲杠速度=1.5m/min。
r/min
r/min
取50~1800r/min
主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min
5、動(dòng)力參數(shù)
據(jù)下列公式及數(shù)據(jù)估算電機(jī)功率P。
總切削力 （kgN）
—單位切削面積上的切削力，取硬質(zhì)合金刀加工中碳鋼=200（kgN/mm2）；
—切削深度；
—進(jìn)給量。
切削深度及進(jìn)給量取半精車中碳鋼，故取1mm；取0.2mm；=190m/s
kw （2.5）
2.5 本章小結(jié)
本章對整個(gè)數(shù)控車床的原理做了詳細(xì)的介紹，并重點(diǎn)分析和計(jì)算了兩種設(shè)計(jì)方案，通過比較，確定了第二種方案作為本次設(shè)計(jì)的方案，第二種方案雖然要多一根軸來連接變頻器，但是它由于有定比為1:2的傳動(dòng)使的皮帶輪的傳動(dòng)比降低達(dá)到2.8，這個(gè)方案比較合理，在帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中這樣的傳動(dòng)比很常見，而且不是很大可以采用。而且?guī)л啿皇呛艽蟛粫?huì)和主軸存在干涉現(xiàn)象。另外，還確定了機(jī)床的一些基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要有床身寬度，最大加工棒料直徑，運(yùn)動(dòng)參數(shù)，動(dòng)力參數(shù)等。
第3章 傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
為了方便計(jì)算，現(xiàn)將主要技術(shù)參數(shù)列表如下：
表3.1 CJK6032 主要技術(shù)參數(shù)
項(xiàng) 目
單 位
參 數(shù)
床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑
mm
Ф320
拖板上最大工件回轉(zhuǎn)直徑
mm
Ф160
最大工件長度
mm
750
主軸轉(zhuǎn)速范圍
rpm
35～1910
主軸通孔直徑
mm
Ф38
主軸錐孔
---
主軸錐孔
主軸電機(jī)功率
kW
3
刀架刀位數(shù)
---
4
車刀刀桿最大尺寸（寬×高）
mm
20×20
進(jìn)給電機(jī)扭矩（功率）橫向（X）
Nm
7
縱向（Z）
Nm
7
尾架套筒錐孔
---
莫氏3號(hào)
機(jī)床外形尺寸（長×寬×高）
mm
1680×740×1160
機(jī)床重量（毛重/凈重）
kg
450
3.2 減速齒輪設(shè)計(jì)及校核
設(shè)計(jì)齒輪的輸入功率是2.07kw，小齒輪的轉(zhuǎn)速=330r/min，齒數(shù)比 =75/22，工作壽命15年（設(shè)每年工作300天），兩班制。
1、選齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
（1）按傳動(dòng)方案選用直齒圓柱柱齒輪傳動(dòng)。
（2）速度不是很高，選用7級(jí)精度（GB10095―88）。
（3）材料的選擇。由參考文獻(xiàn)[1]表10―1常用齒輪材料及力學(xué)特性選小齒輪的材料是40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼 (調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，二者材料硬度差40HBS。
（4）選小齒輪的齒數(shù)=22,大齒輪的齒數(shù)=75。
2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10―9a）進(jìn)行試算，即
2.32 （3.1）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)=1.3。
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩
=9550000×p/ =9550000×2.07/330=59904.5N·mm
由參考文獻(xiàn)[1]表10—7圓柱齒輪的齒寬系數(shù)根據(jù)齒輪相對支撐非對稱布置選取齒寬系數(shù)=1。
（3）由參考文獻(xiàn)[1]表10—6彈性影響系數(shù)查的材料的彈性影響系數(shù)=189.8。
（4）由參考文獻(xiàn)[1]表10—21d齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度查按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600Mpa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550Mpa。
（5）由參考文獻(xiàn)[1]式10—13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)
=60×330×(2×8×300×15)×1=1.426× （3.2）
=1.426×/3.3=4.32×
（6）由參考文獻(xiàn)[1]圖10—19查得接觸疲勞壽命系數(shù)=0.92；
=0.96
（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)=1，由參考文獻(xiàn)[1]式10—12得
=0.92×600=552MPa （3.3）
=0.96×550=528 MPa （3.4）
3、齒輪主要尺寸計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑,代入中較小的值
2.32 =2.32×=54.7mm
（2）計(jì)算圓周速度
m/s （3.6）
計(jì)算齒寬b mm （3.7）
（3）計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) =54.7/22=2.486mm （3.8）
齒高 mm （3.9）
=54.7/5.59=9.785 （3.10）
（4）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)=1.18m/s，7級(jí)精度，由圖參考文獻(xiàn)[1]10—8查得動(dòng)載荷系數(shù)=1.03；直齒輪，假設(shè)/㎜。由參考文獻(xiàn)[1]表10—3查得==1.2;由參考文獻(xiàn)[1]表10—2查得使用系數(shù)=1.25，由參考文獻(xiàn)[1]表10—4查得7級(jí)精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時(shí)，
（3.11）
將數(shù)據(jù)代入后得
=1.44381 （3.12）
由=5.59, =1.44381查參考文獻(xiàn)[1]圖10—13得=1.35
故載荷系數(shù)
=1×1.03×1.2×1.44381=1.649 （3.13）
（5）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由參考文獻(xiàn)[1]式（10—10a）得
（6）計(jì)算模數(shù)
=59.2/22=2.69mm （3.14）
4、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由參考文獻(xiàn)[1]式（10—5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（3.15）
（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
由參考文獻(xiàn)[1]圖10—20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa；
（2）由參考文獻(xiàn)[1]圖10—18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.83 ,=0.84:
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)=1.4 由參考文獻(xiàn)[1]公式（10—12）得
MPa （3.16）
MPa （3.17）
（4）計(jì)算載荷系數(shù)
1×1.03×1.2×1.35=1.6686 （3.18）
（5）查取齒形系數(shù)
由參考文獻(xiàn)[1]表10—5查得 2.72，2.22
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由參考文獻(xiàn)[1]表10—5查得 1.57，1.77
（7）計(jì)算大、小齒輪的并加以比較
（3.19）
大齒輪的數(shù)值大。
（8）設(shè)計(jì)計(jì)算
mm
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所所決定的承載能力，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(qiáng)度算得的模數(shù)1.93并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值=2㎜，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑=59.2mm算出小齒輪齒數(shù)
取30 （3.20）
大齒輪的齒數(shù)=3.3×30=99
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
5、幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直經(jīng)
=30×2=60mm （3.21）
=99×2=198mm （3.22）
（2）計(jì)算中心距
=（60+198）/2=129mm （3.23）
（3）計(jì)算齒輪寬度
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般齒寬取模數(shù)的610倍取 =8×2=16mm
3.3 帶輪及帶的計(jì)算
選用窄V帶傳動(dòng)，設(shè)已知電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y100L1-2，額定功率P=2.2kw，轉(zhuǎn)速n1=2800r/min 傳動(dòng)比i=2.8 一天的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10h。
1、確定計(jì)算功率Pca
由參考文獻(xiàn)[1]表8—6查得工作情況系數(shù)=1.3，故
kw （3.24）
2、選取窄V帶帶型
根據(jù)、Pca ，n1由參考文獻(xiàn)[1]圖8—9確定選用A型。
3、確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由表參考文獻(xiàn)[1]表8—7，選取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd1=100mm
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]式（8—15），從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑dd2
dd2=i．dd1=2.8×100=280mm （3.25）
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表8—7，取dd2=280mm
按參考文獻(xiàn)[1]式（8—13）驗(yàn)算帶的速度
11.97435 （3.26）
帶的速度合適。
4、確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和傳動(dòng)中心距
根據(jù)初步確定中心距=800mm
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]式（8—20）計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度
2430mm （3.27）
由參考文獻(xiàn)[1]表8—2選帶的基準(zhǔn)長度2500mm
按參考文獻(xiàn)[1]式（8—21）計(jì)算實(shí)際中心距
=800+1/2（2500-2430）=835mm （3.28）
5、驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
由參考文獻(xiàn)[1]式（8—6）得
（3.30）
主動(dòng)輪上的包角合適。
6、計(jì)算窄V帶的根數(shù)
由參考文獻(xiàn)[1]式（8—22）知 （3.31）
由、mm、查參考文獻(xiàn)[1]表8－5c和表8－5d得
2.61kw 0.56kw
查參考文獻(xiàn)[1]表8—8得0.98，查表8－2得1.00則
取2。
3.4 軸的初步確定
1、第一根軸
設(shè)其傳動(dòng)效率為則其功率為kw，r/min，按參考文獻(xiàn)[1]式（15—2）初步估算軸的最小直徑，選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)15—3取于是得：
mm （3.31）
軸徑取30㎜。
2、第二根軸
齒輪和軸的傳動(dòng)效率是則其功率為2.112×0.97=2.0486，330，按參考文獻(xiàn)[1]式（15—2）初步估算軸的最小直徑，選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表15—3取于是得：
mm
軸徑取30mm。
3.5 軸的校核
校核床頭箱內(nèi)第一根軸軸上的功率= 2.07kw ， 轉(zhuǎn)速n = 330r/min
轉(zhuǎn)矩 N·mm作用在齒輪上的力Ft , Fr
齒輪分度圓直徑 d = 60mm
N （3.32）
N （3.33）
軸上受力情況見圖5.1
求軸上的載荷
水平面H 故有 FNH1 + FNH2 = Ft
聯(lián)立解得： FNH1 = 1736.7N
FNH2 = 300.585N
在垂直面V： FNV1 + FNV2 = Fr
聯(lián)立解得： FNV1 = 632N
FNV2 = 109N
彎矩 = FNV2×260 = 109×260= 28340N·mm
= FNV1×45= 632×45= 28440N·mm
MH = FNH1 ×45 =1736.7×45 = 78152.175 N·mm
總彎矩：
N·mm
N·mm
扭矩： T = 59904.5N·mm
作出軸的彎矩圖扭矩圖如圖（3.1）。
進(jìn)行校核時(shí)通常只校核軸上承受最大彎矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]式（15—5）及上表中的數(shù)值并取，由參考文獻(xiàn)[1]表15—4抗彎矩截面系數(shù)計(jì)算公式由軸的形式查得：
（3.34）
軸的計(jì)算應(yīng)力：
MPa （3.35）
前已選定軸的材料 為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由參考文獻(xiàn)[1]表15-1查得，因此，故安全。
圖3.1 軸的載荷分析圖
3.6 本章小結(jié)
本章主要設(shè)計(jì)計(jì)算了數(shù)控機(jī)床的各個(gè)主要部分的尺寸，包括齒輪減速器，主要設(shè)計(jì)計(jì)算了軸1:2配合的二聯(lián)齒輪和三聯(lián)齒輪的大小齒輪的幾何尺寸，并進(jìn)行了校核；帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要有大小帶輪的幾何尺寸及V帶的選取。另外，還初步設(shè)計(jì)了軸，并校核了主要的受力軸。
第4章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1縱向進(jìn)給絲杠設(shè)計(jì)
4.1.1 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)工作原理
螺桿和螺母的螺紋軌道間放置有滾動(dòng)體，當(dāng)螺桿或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體在螺紋滾道里滾動(dòng)，使螺桿和螺母作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦，提高了傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。
多數(shù)滾動(dòng)螺旋的螺母或螺桿上有滾動(dòng)體內(nèi)循環(huán)通道，與螺紋軌道形成循環(huán)回路，使得滾動(dòng)體在螺紋滾道內(nèi)循環(huán)。
4.1.2 絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
1、最小載荷
Fmin為機(jī)床空載時(shí)作用在滾珠絲杠上的軸向載荷。此時(shí) Fx = Fy = Fz = 0 ,CJK6032型數(shù)控機(jī)床的拖板加電動(dòng)四方刀架的重量約為 25+20=45㎏, 查參考文獻(xiàn)[2]三角形組合導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.15，F(xiàn)min = 45×0.15×9.8=66N .
2、最大載荷
Fmax為機(jī)床承受最大切削力時(shí)作用于滾珠絲杠的軸向載荷，F(xiàn)max等于最大進(jìn)給力加摩擦力。已知最大進(jìn)為560N，則Fmax=560+66=626N
平均載荷 Fm =N （4.1）
因?yàn)?CK6163×3000絲杠 nmax = 600r/min
CK6180×5000 絲杠 nmax = 500r/min
拖板的最低速度為 1mm/min 故絲杠最低轉(zhuǎn)速可為0
CK6163×3000絲杠的平均轉(zhuǎn)速為300r/min
CK6180×5000 絲杠的平均轉(zhuǎn)速為250r/min
類比法 CJK6032絲杠的平均轉(zhuǎn)速nm = 200r/min
3、計(jì)算絲杠
（1）額定載荷Fc = KF·KH·K1·Fm = 1.2×1×1×439 = 495.6N （4.2）
（2）求必需的額定動(dòng)載荷
Lh′= 15000h
Ca′= N （4.3）
（3）選擇滾珠絲杠的型號(hào)和主要尺寸
根據(jù)查參考文獻(xiàn)[11]選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副，Ca′選取?GL40×08-3-E2型號(hào)滾珠絲杠，Ca =9800N ，dm = 40mm，P = 8mm，Dw = 4.763mm 材料為CrWMn ，d = 39mm，RC = 9800N/μm
表4.1 絲杠主要參數(shù)表
主要尺寸
符號(hào)
計(jì)算公式
結(jié)果
螺 紋 滾 道
公稱直徑
dm
40 mm
螺距
P
8 mm
接觸角
β
45°
鋼球直徑
Dw
Dw≈0.6p
4.8 mm
螺紋滾道曲率半徑
rs,rm
rs(rm)≈（0.51～0.56）Dw
2.5 mm
偏心距
e
e=(rs- Dw /2)sinβ或 e=0.707(rs- Dw /2)
0.0707 mm
螺紋升腳
λ
λ=arctan(p/πdm)
3°39’
螺 桿
螺桿大徑
d
d= dm -(0.2～0.25) Dw
39 mm
螺桿小徑
d1
d1= dm +2e-2rs
35 mm
螺桿接觸點(diǎn)直徑
dK
dK = dm - Dw cosβ
37.5 mm
螺桿牙頂圓角半徑
ra
ra=(0.1～0.15) Dw
0.5 mm
螺母
螺母螺紋大徑
D
D= dm -2e+2rM
45 mm
螺母螺紋小徑
D1
D1= dm +0.5(dm -d)
40.5 mm
（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算D1
因螺桿較長，應(yīng)驗(yàn)算螺桿的穩(wěn)定性，臨界載荷為
（4.4）
E — 螺桿材料的彈性模量 E = 2.06×105N/mm2
Ia — 螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩
mm （4.5）
μ — 長度系數(shù) 按一端固定一端鉸支 μ = 0.7
l1 — 絲杠螺紋全長 l1 = lu+2le = 750+2×24 =798 mm
N （4.6）
故＞2.5～4 合格。
（5）剛度驗(yàn)算
按最不利情況考慮，即在螺距（應(yīng)為導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為：
（4.7）
式中： （4.8）
=
= 442N·mm
式中磨擦系數(shù)f按0.0025計(jì)，當(dāng)量摩擦角ρv = 8′40″
剪切彈性模量 G = 8.33×104 N/mm2
則
=0.06122μm
每米螺桿長度上的螺距的彈性變形
μm/m
（6）計(jì)算效率 （4.9）
=
= 0.95
式中 （5.0）
4.2 橫向進(jìn)給絲杠設(shè)計(jì)
同縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)相類似，根據(jù)查參考文獻(xiàn)[11]選取內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副，Ca′選取GL40×08-3-E2型號(hào)滾珠絲杠Ca =9800N ，dm = 40mm，P = 8mm，Dw = 4.763mm，材料為CrWMn ，d = 39mm，RC = 9800N/μm
4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇
4.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理
1、基本原理
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。
2、分類
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG、110BYG（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
圖4.1 型號(hào)說明
3、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成
使用控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：
圖4.2 驅(qū)動(dòng)控制框圖
（1）脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。
（2）信號(hào)分配
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。
（3）功率放大
功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。
SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下：
圖4.3 接線圖
現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都已模塊話，這里僅大致介紹。
4.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選取
進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度?（三相電機(jī)）等。
2、靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）
綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：
圖4.4 步進(jìn)電機(jī)選擇步驟框圖
4、力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：
P=?Ω·M?Ω=2π·n/60?P=2πnM/60 （4.1）
其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米
P=2πfM/400(半步工作） （4.2）
其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)
5、步進(jìn)電機(jī)選取
對于本次設(shè)計(jì)，縱向與橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)根據(jù)同型號(hào)機(jī)床縱向保持靜轉(zhuǎn)矩為8N·m,橫向保持靜轉(zhuǎn)矩為12N·m,采用類比法選擇：
圖4.5 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
由圖4.5選取110BYG5200B型步進(jìn)電機(jī)。其外形及基本參數(shù)如圖4.6：
圖4.6 步進(jìn)電機(jī)簡圖
4.4 本章小結(jié)
本章通過對進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是對進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)校核，選取?GL40×08-3-E2型號(hào)滾珠絲杠，Ca =9800N，dm = 40mm，P = 8mm，Dw = 4.763mm，材料為CrWMn ，d = 39mm，RC = 9800N/μm。并對步進(jìn)電機(jī)原理進(jìn)行了解和選取，完成了機(jī)床機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和校核。
第5章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控車床正在迅速普及和發(fā)展，并已形成了一個(gè)縱深而廣闊的市場。數(shù)控車床是具有高技術(shù)附加值的高技術(shù)產(chǎn)品，其市場占有能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通車床。因此企業(yè)可以通過產(chǎn)品的規(guī)模化而擴(kuò)大市場占有率，從中獲得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
市場競爭規(guī)律要求產(chǎn)品不僅應(yīng)具有高性能，而且要有低價(jià)格，從而給數(shù)控車床的設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求，此外，種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，也給數(shù)控車床的設(shè)計(jì)提供了眾多的可選方案，使設(shè)計(jì)工作具有很大的靈活性，如何充分利用這些條件，設(shè)計(jì)出滿足市場需求的數(shù)控產(chǎn)品. 提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值可以從以下四個(gè)方面著手：
1、進(jìn)一步改善和簡化設(shè)計(jì)，減少零件數(shù)目，提高標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度；
2、采用廉價(jià)材料；
3、改善毛坯、零件加工、裝配等工藝性，合理選擇精度、公差和配合以及其他技術(shù)條件；
4、改善生產(chǎn)、經(jīng)營管理制度。
技術(shù)和經(jīng)濟(jì)在人類進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)，交換活動(dòng)中始終并存，是不可分割的兩個(gè)方面。兩者相互促進(jìn)又相互制約。技術(shù)具有強(qiáng)烈的應(yīng)用性和明顯的經(jīng)濟(jì)目的性，沒有應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)是沒有生命力的。而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須依賴于一定的技術(shù)手段，世界上不存在沒有技術(shù)基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的這種特性使得它們之間有著密切而不可分割的聯(lián)系，所以有必要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。
對工程技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，其核心內(nèi)容是經(jīng)濟(jì)效果的評價(jià)。為了確保經(jīng)濟(jì)決策的正確性和科學(xué)性，研究經(jīng)濟(jì)效果評價(jià)的指標(biāo)和方法是十分必要的。經(jīng)濟(jì)效果評價(jià)的指標(biāo)和方法是多種多樣的，它們從不同程度反映工程技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性，這些指標(biāo)主要可以分為三大類：第一類是以時(shí)間作為計(jì)量單位的時(shí)間型指標(biāo)，如投資回收期，貸款償還期等；第二類是以貨幣單位計(jì)量的價(jià)值型指標(biāo)，如凈現(xiàn)值，費(fèi)用現(xiàn)值等；第三類是反映資源利用效率型指標(biāo)，如投資利潤率，內(nèi)部收益率等。
本篇設(shè)計(jì)的CJK6032型數(shù)控車床機(jī)身凈重450kg，本機(jī)床的3/4為鑄鐵，1/4為普通鋼材。
成本核算：
表5.1原材料成本
序號(hào)
名稱
單價(jià)
每臺(tái)所用量
每臺(tái)成本
1
40Cr
3500（元/噸）
1（kg）
3.5（元）
2
普通碳素結(jié)構(gòu)鋼
3200（元/噸）
112.5（kg）
360（元）
3
鑄鐵
2500（元/噸）
337.5（kg）
843.75（元）
4
鐵皮
5（元/平方米）
3（平方米）
15（元）
5
不銹鋼
14000（元/噸）
80（kg）
1120（元）
綜述上表原材料總成本大約為P1=2342.25元
表5.2外構(gòu)件成本
序號(hào)
名稱
單價(jià)
每臺(tái)所用量
每臺(tái)成本
1
電機(jī)
1500（元/臺(tái)）
3（臺(tái)）
4500（元）
2
絲杠
1500（元/根）
2（根）
3000（元）
3
V帶
10（元/根）
2（根）
20（元）
4
軸承
15（元/個(gè)）
30（個(gè)）
450（元）
5
液晶顯示
3000（元/臺(tái)）
1（臺(tái)）
3000（元）
6
單片機(jī)
3000（元/臺(tái)）
1（臺(tái)）
3000（元）
7
變頻器
1500（元/臺(tái)）
1（臺(tái)）
1500（元）
8
脈