CK6140数控车床主传动系统及进给伺服系统设计

武汉工程大学本科毕业设计说明书_届毕业（设计）论文题 目 CK6140数控车床主传动系统及进给伺服系统设计 专业班级 学 号 学生姓名 随笔客 指导教师 指导教师职称 学院名称 机电工程学院 完成日期： 2014 年 5 月 25日CK6140数控车床主传动系统及进给伺服系统设计CK6140 CNC lathe main drive system and feed servo system design 学生姓名 指导教师 摘 要本文介绍了CK6140数控车床的组成及工作原理，对数控机床的主要组成部分：机床主轴箱，进给伺服系统及主轴PLC控制进行了总体的设计及其详细设计。数控机床是现代机电一体化的典型产品，对提高零件的加工质量和加工效率具有较好的作用。在本次设计中，主要完成了以下工作：根据给出的要求，首先确定设计要求给出的已知条件确定电机的型号和功率，传动系统的布局，变速方式，开停方式，换向方式，制动方式及齿轮的排列与布置。然后根据转速范围及级数确定它的转速图、各齿轮的齿数和传动系统简图。在根据已确定传动比来确定带传动。通过轴的初步设计，进行齿轮的设计和校核。选取相应的轴承和键，进行轴的具体设计和校核，键和轴承的设计和校核。最后进行装配图和各个零件图的绘制，完成主轴箱的设计。然后完成伺服系统的设计。在对进给伺服系统进行设计时，要确定进给传动系统的传动方式及控制系统的形式。设计中，选择进给伺服系统为开环控制系统。通过给定的参数选择好步进电机的步距角可确定传动齿轮的传动比及滚珠丝杆的导程。设计的进给伺服系统能够满足设计任务的要求。关键词：数控机床 主轴箱 进给伺服系统 AbstractThis thesis introduced the constitution 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, 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, drivetrain 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 belt 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.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 step 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 Tool；Axis Housing；Servomechanism 目 录摘 要Abstract第一章 卧式数控车床简介11.1数控车床简介11.2 CK6140介绍及设计说明21.3设计任务3第二章 CK6140总体设计计算62.1总体设计要求62.2机床的总体布局的确定72.3换向方向的选择72.4开停方式选择82.5 制动方式选择82.6 齿轮布置与排布82.7 变速方式选择92.8进给系统的组成及选用10第三章 主变速箱总体设计123.1电机的选用123.2传动方案的拟定153.3确定各级的转速163.4绘制转速图17第四章 主变速箱详细设计184.1带传动的设计254.2 齿轮的设计274.3轴的设计284.4轴承的选择284.5选择离合器284.6键的选择29第五章 进给伺服系统的设计305.1进给伺服系统简介305.2传动系统的设计及计算35总 结38致 谢39参考文献40第一章 卧式数控车床简介1.1数控车床简介11.1.1数控车床的发展方向随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快。多品种、中小批量的生产比重明显增加。因此传统的加工设备和制造方法以及难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效、高质量加工要求。数控机床因此而诞生。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上的。同时数控技术关系到国家战略地位，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今一个国家制造业的发展方向。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：1.性能方面的发展趋势（1）.高速高精度高效（2）.柔性化（3）.工艺复合和轴化（4）.实时智能化2.功能发展方面（1）.用户界面图形化（2）.科学计算可视化（3）.插补和补偿方式多样化（4）.内置高性能PLC（5）.多媒体技术应用3.体系结构的发展（1）.集成化（2）.模块化（3）.网络化（4）.开放式闭环控制模式1.1.2 数控车床特点 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床，它是20世纪50年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以下特点：（1）.由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。（2）.为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副，直线滚动导轨高，CNC装置这是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。1.2 CK6140介绍及设计说明1.2.1 CK6140数控机床的简介 CK6140型数控车床，可进行机械零件的粗加工及精加工，结构可靠，操作方便，经济使用。控制系统功能齐全，可靠性高。该机床可满足众多行业的需要，如：汽车、拖拉机、军工、机械等行业。本机床特别适合轴类、盘类零件的内外圆柱的表面、锥面、螺纹、钻孔、铰孔及曲面回转体等零件进行高效、大批量的车削加工。 1.采用水平床身，导轨采用山形平面结合导轨形式并中频淬火，淬硬层达3mm，硬度达HRC52。 2.主轴轴承采用国产精密主轴轴承；主轴箱设计时考虑到最小热变形，采取散热措施及相应的减少主轴热变形的措施，经精心装配，主轴具有温升低、热变形小，精度高的特点，使主轴长期工作时能保持主轴轴线的相对稳定。 3.横向进给、纵向进给均采用交流伺服电机与滚珠丝杠用高强度不锈钢同步软连接实现低噪音、无间隙直线运动。 4.立式四工位数控电动刀架，每工位所用时间为22.5秒，重复定位精度高达0.003mm内。同时在设计制造中采用高精度大直径齿盘分度定位，具有刚性好，重切削时变形小等优点。 5.本机床卡盘采用手动卡盘，配置手动尾座。 6.导轨和滚珠丝杠采用手动和自动润滑系统，周期定量供油，方便、可靠，操作方便，用油省。 7.本机床为半封闭防护，排屑方便、流畅。冷却箱与主机分离，冷却泵的流量大，扬程高，工件和刀具都得到充分冷却，保证工件的加工精度，提高刀具的使用寿命。 1.2.2设计的有关说明根据设计要求，机床型号为CK6140.按照金属切削机床型号编制方法，ck6140含义如下：C：类型号，车床类； K：数控6：组别代号，表式卧式车床； 1：系列代号，代表卧式车床系；40：主参数，最大加工直径为400mm。功能设计：CK6140卧式数控车床的功能为加工圆柱面，回转成型面，螺纹及圆柱面1.3设计任务已知参数表1-1 设计参数床身上最大回转直径 （mm）400拖板上最大削直径 （mm）195最大顶尖行程 （mm）750-1000纵向最大行程 （mm）800-1050横向最大行程 （mm）220主轴通孔直径 （mm）52主轴孔锥度莫氏6#主轴转速25-1600r/min卡盘公称直径250主轴电机驱动方式交流变频主电机功率5.5kw进给驱动方式交流伺服X,Z分辨率0.01任务1、 CK6140型数控机床总体设计计算1） 主传动系统总体设计：总体设计要求；主传动形式选择；主轴电机选择及功率计算。2） 进给伺服系统总体设计：进给伺服系统选择；各组成部分选择。2、 机床主轴箱设计（变速系统的传动和结构设计）1） 传动设计：拟定主传动参数、结构网、转速图、确定齿轮齿数和带轮直径，主传动的转向与制动方式，画出主运动的传动系统图。2） 动力计算，其中包括确定齿轮模数，轴的尺寸，轴承的形式和型号，以及其他有关的计算。3） 确定变速系统的零件的径向布置方案并绘制变速系统的结构图和零件图。3、 进给伺服系统设计1）、选取步进电机：按给定的参数，选择适当的传动机构和滚珠轴承，选择步进电机的型号；2）、绘制进给伺服系统的结构图和零件图。4、机床主轴运动可编程控制设计根据机床主轴运动的规律，简要设计机床主轴运动的PLC控制：包括主轴运动控制梯形图的绘制。要求设计计算准确，规范化，图纸按国家标准绘制。图纸工作量：1） 机床主轴箱装配图：0号2） 零件图3） 进给伺服系统装配图：0号第二章CK6140总体设计计算2.1总体设计要求数控必须满足使用部门的要求，也要适应制造厂的生产条件。要做到技术上先进，经济上合理，好用，好造，好修。2.1.1一定的工艺范围 加工的工序种类：数控加工圆柱面，回转成型面，螺纹及内圆柱面。 被加工零件的类型，材料及尺寸：车，选择结构钢及铸钢，最大切削直径：200mm 刀具的种类及材料：车刀，选择硬质合金钢 加工精度及表面光洁度 适应的生产规模：多品种小批量生产的零件2.1.2 保证加工精度和表面光洁度要求床身必须具备一定的几何精度，传动精度及动态精度，减少机床零件的磨损，在材料的选用及热处理、零件表面光洁度以及润滑等方面。2.1.3提高生产率及自动化程度 1）缩短机工时间（单位时间内金属的切除量要大） 2）缩短辅助时间（提高自动化程度） 生产率 1/（T总）=1/（T切+T辅+T准/n）（件/小时）2.1.4操作维修方面和使用安全标牌及操纵板的指标符号，应采用文献11中规定的象形符号，应考虑装卸，检修，调整及运输，确保安全与健康。2.1.5成本低 1）注意品种系列化，部件通用化与零件标准化 2）保证性能的条件下，机床重量与功率之比要下，结构简单，零部件数目少及占地面积少。2.2机床的总体布局的确定方案一、集中传动式布局集中传动式布局将主轴组件和主传动的全部变速机构集中装于同一个箱体内。目前，多数机床采取这种布局方式。其优点是：结构紧凑，便于实现集中操纵；箱体数少，在机床上安装、调整方便。其缺点是：传动件的振动和发热会直接影响主轴的工作精度，降低加工质量。因此，集中传动式布局一般适用于普通精度的中型和大型机床。方案二、分离传动布局分离传动布局将主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装于两个箱体内。某些高速或精密机床采用这种传动布局方式。其优点是：变速箱中产生的振动和热量不易传给主轴，从而减少了主轴的振动和热变形；当主轴箱采用振回（背轮）传动时，主轴通过带传动直接得到高转速，故运作平稳，加工表面质量高。其缺点是：箱体数多，加工、装配工作量较大，成本较高；位于传动链后面的带传动，在低转速时传递转矩较大，容易打滑；更换传动带不方便等。因此，分离传动布局适用于中小型高速或精密机床。由于CK6140机床属于普通精密的中型机床，故选用集中传动式布局。2.3换向方向的选择方案一、电动机换向电动机换向的特点与电动机开停类似。但因交流异步电动机的正反转速相同，主轴不会得到较高的反向转速。在满足机床使用性能的前提下，应优先考虑此种换向方式。方案二、机械换向在电动机转向不变的情况下需要主轴换向时，可采用此种方式。经过比较，选用电动机换向方式，换向装置放在传动链的前面。2.4开停方式选择方案一、电动机开停电动机开停方式的优点是操纵方便省力，可简化机床的机械结构。其缺点是直接起动电动机，冲击较大；频繁起动会造成电动机发热甚至烧损；若电动机功率大且经常起动时，因起动电流较大会影响车间电网的正常供电。它适用于功率较小或起动不频繁的机床。方案二、机械开停在电动机不停止运转的情况下，可采用机械开停方式使主轴起动或停止。综合方案一、二，在满足机床使用性能的前提下，采用电动机开停方式。2.5 制动方式选择方案一、电动机制动制动时，让电动机的转矩方向与其实际转向相反，使之减速而迅即停转，多采用反接制动、能耗制动等。电动机制动操纵方便省力，可简化机械结构。方案二、机械制动在电动机不停转的情况下需要制动时，可采用此方式。经过比较，在满足车床使用性能的前提下，采用电动机制动方式。2.6 齿轮布置与排布方案一、滑移齿轮的布置通常，滑移齿轮可选用较小齿轮，如结构需要也可选用较大齿轮。在一个变速组内，滑移齿轮必须具有“空档”位置，即只有当一对齿轮完全脱开啮合之后，才允许另一对齿轮开始进入啮合。方案二、一个变速组内的齿轮轴向排列1）列与宽排列。一般采用滑移齿轮相互靠近的窄排列。2）小齿数差排列。三联滑移齿轮窄排列时相邻两齿轮的齿数差不得小于4。当齿数差小于4时，除采用增加齿数和或变位齿轮等措施外，还可采用增加小齿数差排列，使最大与最小齿轮的齿数差不小于4即可，但轴向尺寸增大。3）分组排列。将三联或四联滑移齿轮拆开两组排列，可缩短轴向尺寸，且对齿数差无要求，但两组需有联锁装置。4）顺序变换排列。若要求转速按大小顺序变换时，可采用此种排列方式，但占有轴向尺寸较大。方案三、两个变速组的齿轮轴向排列。1）并行排列。2）错排列。3）公用齿轮排列。齿轮的布置与排列直接影响到变速箱的尺寸大小，结构实现的可能性以及变速操纵的方便性等。故经过比较以上三种方案，选择用两个滑移齿轮，布置在主传动轴上。2.7 变速方式选择方案一、无级变速无级变速在一定速度（或转速）范围内能连续、任意地变速。它可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率得到提高；可在运转中变速，减少辅助时间；操纵方便；传动平稳等。机床主传动采用的无级变速装置主要有两种：1）无级变速器：它是靠摩擦来传递转矩的，多用钢球式、宽带式结构。但它一般机构较复杂，维修较困难，效率低；因为摩擦所需要的正压力较大，使变速器工作可靠性及寿命受到影响；变速范围较窄（不超过10），往往需要与有级变速箱串联使用。它多用于中小型机床。2）液压、电气无级变速装置：机床主传动所采用的液压马达、直流电动机调速，往往因恒功率变速范围小，恒转矩变速范围较大，而不能满足主传动的传动要求，啊、在主轴低转速时出现功率不足的现象，一般也需要与有级变速箱串联使用。它多用于精密、大型机床或数控机床。方案二、有级变速有级（或分级）变速在若干固定速度（或转速）级内不连续地变速。通常它是由齿轮等变速元件构成的变速箱来实现变速的，传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠。但速度不能连续变化，且有速度损失，传动不够平稳。1）滑移齿轮变速机构：其优点是变速范围大，得到的转速级数多；变速较方便，可传递较大功率；非工作齿轮不啮合，空载功率损失较少。其缺点是变速箱结构复杂；划移齿轮多采用直齿圆柱齿轮，承载能力不如斜齿圆柱齿轮；传动不够平稳；不能在运转中变速。2）交换齿轮变速机构：其优点是结构简单，不需要操纵机构；轴向尺寸小，变速箱结构紧凑；主动齿轮与从动齿轮可以对调使用，齿轮数量少。其缺点是更换齿轮时费力；装于悬臂轴端，刚性差；备换齿轮容易散失等。因此，它适用于不需要经常变速或变速时间长对生产率影响不大，但要求结构简单紧凑的机床。3）多速电动机：其优点是可简化变速箱的机械结构；在运转中变速，使用方便其缺点是多速电动机在高、低速时的输出功率不同，设计中一般是按低速的小功率选定电动机，而使用高速时的大功率就不能完全发挥其能力；多速电动机的转速级数越多，转速越低，则体积越大，价格也越高；电气控制也较复杂。4）离合器变速机构：齿轮式离合器和牙嵌式离合器结构简单，外形尺寸小；传动比准确，工作中不打滑；能传递较大的转矩；但不能在运转中变速。片式摩擦离合器可实现运转中变速，接合平稳，冲击小；但结构较复杂，摩擦片间存在相对滑动，发热较大，并能引起噪声。对比以上两种方案，故选择直流电动机无级变速串联齿轮有级变速方式。2.8进给系统的组成及选用纵向和横向进给是两套独立的传动链，他们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床要求。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小传动效率改的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动的刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿册间隙的机构采用滚动导轨可减少到贵贱的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量的移动，切润滑方便。图2.1伺服系统总体方案框图第三章 主变速箱总体设计3.1电机的选用23.1.1车刀的选择1） 加工材料3表3-1 加工材料及参数加工材料刀具材料加工形式主切削刀（,)结构钢及铸钢高速钢外圆纵车横车及镗孔14331.00.750刀具材料的选择：选择W6Mo5Cr4V2，硬度（HRC）65 抗弯强度3800Pa 冲击韧性 高温硬度（HRC）47.5 选用理由：虽然此刀具磨削性能稍差，但热塑性好，适用于制造成形刀具及承受抗冲击刀具，且在高温时还有较高硬度。2） 确定刀具的重要参数 (查资料1)表3-2 车削碳刚的切削速度加工材料硬度高速钢V（米/分）硬质合金刚V（米/分）碳刚175-2752275切深t=3mm，走刀量s=0.3mm/r ，当取So=0.55时，k1=0.70取to=5时，k2=0.91=0.700.9175=47.8m/min 3） 主切削力FZ=cFZ .apxfz . f yfz .vnfz .kFZ 查文献1 kFZ=11.1510.750.931=0.8 前角为13o，主偏角45o ，刃倾角为0 o ，刀尖圆弧半径2FZ=143330.450.751=1948.8N 其中FZ所消耗的功率占总切削功率的95%左右，所以只需要计算FZ主切削力产生的功率即可。4）切削功率Pm 3.1.2选择电机1.考虑到机床的传动比效率 式中：，一般取0.750.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。本次设计选用 参考文献2，这里选用VFG 1600M-750-5.5的交流变频电动机，额定功率5.5KW，额定电压380W，恒扭矩输出范围为30-750r/min,恒功率输出范围为750-2250r/min，基准转速为750r/min。2. 主轴要求的恒功率调速范围 电动机的恒功率调速范围故可知主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。同时若要简化变速箱结构，变速级数应该少些，变速箱公比可取大于电动机的恒功率调速范围，即。故取Z=2，此时，变速箱的公比为：由于，变速箱的每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统的功率特性图出现“缺口”，称为功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。因此为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大。计算可知在缺口处的功率仅为：故重新选择电动机，选择型号为VFG1600M-750-7.5的交流变频电动机，其额定功率为7.5kw，恒扭矩输出范围为30-750r/min，恒功率输出范围为750-2250r/min，基准转速为750r/min。电动机的相关参数型号额定功率基准转速恒扭矩输出恒功率输出VFG1600M-750-7.57.5kwr/min75030-750750-2250图3.1 电动机图3.2传动方案的拟定传动方案：电动机的输出，然后经带轮的降速，再经过二级齿轮变速进行调速，最后传给主轴。查文献4可知V带传动比范围为24，单级圆柱齿轮传动比范围i=36。4.1传动比的计算取带轮传动比为，并确定小带轮与大带轮标准直径分别为80mm和160mm、带型为A型。经带轮降速后，最高转速，最低转速取20以满足需要，电动机转速可取160r/min=,则经带轮后转速为80r/min。额定转速。中间取360r/min以满足机床要求。则降速后转速为180r/min。则可知要达到机床的要求，可用传动比为，查2确定标准公比为1.50。同时80/20=查文献2确定标准公比为3.98。3.3确定各级的转速3.4绘制转速图故计算可知：当电动机转速为2250 r/min时，输出轴的转速为当电动机转速为750 r/min当电动机转速为360 r/min当电动机转速为160 r/min故可知主轴的转速范围为20.11687.5 r/min，满足传动要求。3.4绘制转速图最后，在图上补足各连线，就可以得到如下的转速图。图3.2 主变速系统转速图传动图如下：图3.3 主变速系统传动图图3.4电动机功率图第四章 主变速箱详细设计4.1带传动的设计4电动机的转速n= 2250 r/min，传递功率5.5kw，电动机轴与I轴之间的降速比为 i=2250/1125，即带传动的传动比为 2 ，两班制工作，一天运转16小时，工作年数10年。4.1.1确定计算功率由参考文献4表8-7查得工作情况系数取=1.3，故：4.1.2选取V带型根据小带轮的转速和计算功率，由文献4图8-10，选A带。4.1.3验算带速和确定带轮直径1）初选小带轮的基准直径参考文献4表8-6和表8-8，取小带轮直径2）验算带速其中 小带轮的转速r/min 小带轮直径 mm因为 ，故带速适合。3）计算大带轮的直径根据参考文献4式8-15a，计算大带轮200 mm4.1.4确定带传动的中心距和带的基准长度设中心距为，则：于是，初取中心距带长：查参考文献48-2取相近的基准长度。带传动的实际中心距：4.1.5验算小带轮的包角一般小带轮的包角不应小于满足包角4.1.6确定带的根数1）计算单根V带的额定功率Pr由查参考文献4表8-4a得。根据4表8-4b得查参考文献4表8-4得查表8-2得。于是：其中 时的传递功率的增量 按小带轮包角，查得包角系数 长度系数2）计算V带根数Z为了避免V型带工作时各跟带受力严重不均匀，限制根数不大于10，取。4.1.7计算单根V带初拉力的最小值由参考文献4表8-3得B型带的单位长度质量q= 0.1 kg/m，所以：其中 Pca带传动的功率，KW V带速，m/s q _每米带的质量，kg/m V= 1600 r/min= 11.78 m/s4.1.8计算压轴力4.1.9带轮的结构小带轮采用腹板式结构，具体结构见略。大带轮采用孔板式，具体结构略。4.2齿轮设计在传动副a中24/48这一对齿轮受到的转矩最大，就先设计校核这一对齿轮。1） 选取金属切削机床的的精度等级为7级精度。2） 材料选择：由5表10-1选择小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮为45#钢（调质），硬度为240HBS，二者的材料差为40HBS。3） 试选取小齿轮的齿数为Z1=20,Z2=80.一年按300天计算，设计工作10年，每天两班倒。（1） 按齿轮接触强度计算确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数。2） 计算小齿轮传递的转矩 3） 由5表10-7选取齿宽系数。4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数。5） 由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮按接触疲劳极限。6） 由公式10-13计算应力循环次数 _ 7） 由图10-19取接触疲劳的寿命系数，。8） 计算接触疲劳许用力取失效概率为1%，安全系数，由式（10-12）得：（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径d1t，带入中比较小的值2） 计算圆周速度V3） 计算齿宽b4）计算齿宽与齿高之比模数 齿高 齿宽与齿高之比 5） 计算载荷系数根据，7级精度由文献5图10-8查得动载 荷系数KV=1.14，直齿轮，由表10-2查得使用系数KA=1，由表10-4用插值法差得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时1.423，由，查图（10-13）得。故载荷系数：6） 按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径由式（10-10a）得：7） 计算模数m（2） 按齿弯曲疲劳强度计算由5式（10-5）得弯曲得设计公式为确定公式内的各计算数值1） 由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳极限，。2） 由图10-18取弯曲疲劳寿命KFN1=0.84，KFN2=0.873） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得 4) 计算载荷系数K5) 查取应力校正系数，由表10-5查得YFa1=2.80，YFa2=2.226) 查取应力校正系数，由表10-5查得YSa1=1.55，YSa2=1.777) 计算大，小齿轮的并加以比较经过比较，大齿轮的数值较大8） 设计计算对此设计结果，由齿接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而出面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取弯曲强度算得的模数2.728mm，就近圆整为标准值m= 2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.971mm，算出小齿轮的齿数 圆整为Z1=35 （3） 几何尺寸的计算 1）计算分度圆直径2） 计算中心距3） 计算齿轮宽度取，同理可得配合齿轮参数取，4.3轴的设计4.3.1轴的初步设计1） 轴的材料选择（查文献6表15-1）表4-2 轴的材料及力学性质材料热处理抗拉强度极限弯曲疲劳极限许用弯曲应力45钢调制64027560毛坯直径硬度屈服强度极限剪切疲劳极限217-2553551552） 传动轴所传递的功率 参考文献7P7取V带传动效率=0.95，离合器的效率为=0.99，轴承的效率，齿轮的传动效率为，电机传动效率为。3） 计算各轴的最小轴径公式 查文献4P370 （15-3）查表15-3取 取 取4） 各轴的传动转矩表4-3 轴的主要参数列表轴名计算转速r/min传动功率KW传动转矩最小直径mmI轴11255.5346.9440II轴3755.26133.95504.4轴承的选择6选择轴承的类型依据：轴承所受负载的大小，方向及性质，轴向固定形式，调心性能要求，刚度要求，转速环境等等。4.5.1轴I，轴II轴III的轴承选择因为轴的径向载荷大于轴向载荷，故轴向载荷可以忽略不计，且转速高，查文献4P145、148表6-1。表4-4 轴I轴承型号dDBdaDaras额功额静630840902348801.531.222.2主轴因为受轴向力和径向力，本次设计选用角接触球轴承。表4-5 轴II轴承型号dDBdaDaras额功额静7210AC5090205783132.826.84.5选择离合器1. 离合器的功能离合器是一种可以通过各种操作方式，实现主从部分在同轴上传递运动时具有结合或分离的装置。离合器可以实现相对启动或停止，以及改变传动件的工作状态，达到改变传动比。此外，离合器还可以作为启动或过载时控制转矩大小的安装保护装置。2. 离合器的类型按离合器结合原件传动的工作原理，可分为嵌合式离合器，按实现离合动作的过程可分为操纵式和自控式；按离合器的操纵方式，则可分为机械式、气压式、液压式、和电磁式。3. 离合器的选取本数控车床系采用矩形牙嵌式离合器；作为结合件。初选圆片摩擦离合器的尺寸如下：（参考文献8P6-239）表4-6 摩擦离合器尺寸d（mm）D（mm）L（mm）a（mm）b（mm)c(mm）h（mm）4010020070955304.6 轴上键的选择6键是用来连接轴及轴上的传动件，如齿轮，皮带轮等，起传递扭矩的作用。常用的键有普通平键，半圆键和钩头楔键三种，选用时可根据轴的直径查键的标准，得出它的尺寸。表4-6 各轴上键的选择轴轴的类型规格连接方式平键8*7*56静连接花键6*26*30*6动连接平键10*8*25静连接花键8*36*40*7动连接第五章 进给伺服系统的设计5.1进给伺服系统简介数控机床伺服进给系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。它主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈单元等部分组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。伺服系统的输入与数控插补器相联，接受指令信号的控制，其输出与机床的机械运动相联，完成预定的直线或转角位移。伺服进给系统按照数控加工对轨迹要求可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制；按照有无检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制；按照反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。5.2传动系统的设计及计算5.2.1 进给传动系统设计时要考虑的方面1）间隙。间隙是控制系统中的非线性因素，引起一个直接的时间滞后，造成随机误差和增加不稳定倾向，应尽量减小或消除。2）刚度质量比。传动链的弹性变形会产生时间滞后和超越，产生误差，但增加结构造成惯性大也会使系统动态性能下降，调整困难。故应设计刚度质量比大的结构以满足要求。3）摩擦。摩擦会使加速性能下降，尤其应尽量减小静摩擦力和动摩擦力之差，防止产生自激振动或爬行。4）阻尼。阻尼会增大误差，但能减小超调量，有使系统稳定的作用，故应在系统内有适当的阻尼。5.2.2 设计步骤1）选择控制形式精度要求高时，一般采用闭环控制，但对于大型机床，受传动链刚度和固有频率限制，应采用半闭环或开环控制。要求精度不太高时，通常采用半闭环控制。根据以上原则，选用开环控制系统。2）选择驱动元件主要考虑惯量匹配要求，电机惯量过大时，其加速性能得不到充分发挥，太小时与负载惯量不匹配，影响整个系统的伺服性能。选取。 本设计方案选用步进电动机来驱动。 已知脉冲当量为0.01，最大进给速度，则电动机的工作频率选取电动机型号为90BF004表5-1 电机主要技术参数型号外型尺寸质量外径长度轴径90BF0049011893表5-2 电机主要技术数据主要技术数据步距角（）最大静转矩最高空载启动频率运行频率相数电压V电流A0.75/1.52.540001600056073） 机械传动装置设计 选择执行机构因为移动行程小于4，故采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠精密、灵敏、传动效率高，通过预加载荷，能消除丝杠和螺母间的间隙，提高传动精度。 选择导轨类型 要考虑尽可能减少摩擦力，故采用滚动导轨。为了满足系统稳定性要求，应适当增加导轨阻尼比，故选取=0.05。 计算降速比查3P116得降速比公式步进电动机与轴直接相连，故由可初步求出丝杠导程则 惯量计算由3P117得工作台折算到丝杠上的转动惯量工作台的质量 则由高速轴向低速轴折算惯量4） 滚珠丝杠副的设计计算滚珠丝杠副的滚珠循环方式为螺旋槽式，此方式的特点是：机构简单，承载能力较高。但回球槽与通孔联接处曲率半径小，钢球的流畅性较差，挡球器端部易磨损。滚珠丝杠副的调隙方式选用垫片式调隙，其特点是：结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧。支承方式采用两端固定 滚珠丝杠的选择根据螺距，选择滚动螺旋副的尺寸如下表：表5-3 滚动螺旋副的尺寸螺距钢球直径圈数列数公称直径螺纹升角与承载能力14500 选择螺纹滚道型面为双圆弧形式。 滚珠丝杠的设计计算a. 平均载荷因为丝杠控制的是纵向进给，故轴向切削力可忽略不记， b. 平均转矩c. 寿命计算前面已选定，选取工作寿命，则寿命系数 载荷系数选取硬度影响系数选取短行程系数符合寿命条件d. 静载荷计算前面已选定选取硬度影响系数符合静载荷条件e. 螺杆的强度当量应力公式为电机最大输出转矩则满足要求f. 稳定性螺杆端部结构为两端固定，长度系数螺杆的最大工作长度螺杆危险截面的惯性半径故得临界载荷则2.54，满足稳定性要求。g. 螺杆系统的刚性轴向载荷使导程产生的变形 转矩使导程产生的变形 对于钢，螺杆材料的弹性模量，切变模量已知工作行程，则轴向载荷使钢球和螺纹滚道产生的轴向变形量根据式，得比较合理的取载荷分布不均系数每圈螺纹内滚动体的数量取整数32。工作螺母的钢球数量则 螺杆系统各轴向弹性变形量之和螺杆系统的刚性符合。h. 横向振动临界转速 根据螺杆端部结构为两端固定，取系数已知螺杆两支承间的最大距离 满足要求。i. 效率由旋转运动变为直线运动时 符合。由直线运动变为旋转运动时 符合。经过以上一系列计算和校核，可以确定所选滚珠丝杠合适。此外，在设计中还应注意以下问题：防止逆转：滚动螺旋传动逆效率高，不能自锁。为了使螺旋副受力后不逆转，应设置防止逆转装置，在传动系统中设有能够自锁的机构。防止螺母脱出：在滚动螺旋传动中，特别是垂直传动，容易发生螺母脱出造成事故，设计时必须考虑防止螺母脱出的安全装置。防护与密封：尘埃和杂质等污物进入螺纹滚道会妨碍滚动体运转通畅，加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。因此防护与密封是设计滚动螺旋传动必须考虑的一环。润滑：这是提高滚动螺旋副效率、延长寿命的重要因素之一，对减小起动力矩也有一定作用。总 结历时3个多月的毕业设计马上就要结束了，回想3个月的工作让我收获颇多。3月份，在学校的安排下老师把CK6140主传动系统和伺服系统的毕业设计分配给了我，刚拿到题目的时候，一时不知道从何下手。是罗老师指导我去实习，去查阅各种资料，让我对毕业设计的题目有了深入的了解。这个月的工作也为我后面的设计打下了坚实的基础。4月份，我开始了我的主传动系统的总体设计，虽然大二的时候我也做过关于变速箱的课程设计，但是那个时候做的并不详细，许多在在课程设计中是已知数据的内容，在毕业设计中却是未知数据，需要自己去查阅资料，然后根据自己的设计思路去选择。所以在总体设计的过程中，我也遇到了不少的问题，如电机的选择，传动方案的选择等等。但是经过去网上和图书馆查阅资料，与罗老师细心的解答，遇到的问题也就一一的解决了。这个过程的设计，对我后面的设计起到了至关重要的作用。5月份，可以说是工作量最大的一个月，在这个月里，我开始了我的主传动系统的详细设计，伺服系统的设计和装配图，零件图的绘制，及其电子档的整理。主传动系统的详细设计时，我完成了齿轮的详细设计，轴和轴承设计和选用。尤其是在后期的校核中，发现在原来设计方案的参数不是过大就是过小，只有反过头来重新计算。虽然这个阶段的工作很繁琐，但是让我认识到，设计工作就是不断的发现问题，然后去解决问题。在零件图绘制的时候，我也发现并不是将齿轮随便装在箱体内，而要考虑箱体内零件的紧凑性，及尽量考虑减小箱体的总体尺寸。通过这个过程让我知道，做任何事情都要有条理性。马上就要毕业答辩了，再看看自己的毕业设计，可能在有些设计位置还不够详细，或还考虑不够完善，但基本完成了老师交给我的设计要求。通过此次毕业设计，让我对大学所学知识得到了进一步的巩固，让我对设计工作有了进一步的认识。致 谢CK6140数控车床毕业设计是机械设计制造及其自动化专业的我，必须经历的一个重要环节，也是对我四年大学生活的一个总结，在本次设计中，从选题到设计过程直到最后完成设计，都是在罗老师的悉心指导下完成的。罗老师在繁忙的教学中，经常挤出时间来询问设计进程，并为我讲解许多设计的专业知识，细心指导，并提供了大量的设计资料。在毕业设计正式开始时，罗老师带我们去武汉重型机床集团参观实习，对我后来的设计起到了很大的帮助。 罗老师对教学一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神令我敬佩不已。虽历时三个月，却使我终生受益，罗老师的教导让我为四年的大学生活画上了一个圆满的句号。对罗老师的感激之情是无法用几句简单的言语来表达的。 同时，感激我的室友们，从遥远的家乡来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间的纯真友谊，维持着寝室那份家的融洽。还有学习上面给予我种种的帮助。 在设计即将完成之际，我的心情久久无法平静。从开始选择课题到设计的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。 大学生活四年，我非常感谢我的母校，她给我提供了良好的学习和生活环境，让我渡过了绚丽而充实的四年。参 考 文 献1 林宋 主编. 现代数控机床.化学工业出版社，20032 黄健求 主编.机械制造技术基础.机械工业出版社 20123 张宏 主编.机械切削工艺速查手册.化学工业出版社20104 濮良贵，纪名刚 主编.机械设计.高等教育出版社，20065 刘朝儒 吴志军 高政一 主编.机械制图.高等教育出版社，20066 王昆，何小柏，汪信远 主编.机械设计课程设计.高等教育出版社，19967 文怀兴 复田 主编.数控机床系统设计.化学工业出版社，20048 陈作模 主编.机械原理.高等教育出版社，20069 关慧贞 冯辛安 主编.机械制造装备技术.机械工业出版社 201310 范钦珊 主编.材料力学.高等教育出版社，200211 成大先 主编.机械设计手册（第四版）3.化学工业出版社，199312 成大先 主编.机械设计手册（第四版）4.化学工业出版社，199313 王伯平 主编.互换性与测量技术基础.机械工业出版社，200414 成大先 主编.机械设计手册（第四版）2.化学工业出版社，199341