数控机床概述.docx

第一章 数控机床概述
1.1 数控机床简介
1.1.1 数控机床的产生及其重要性
随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要求。
数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而生产的。1947年，美国Parsons公司为了精确制造直升机翼、桨叶和直升机框架，开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行实验，加工飞机零件。1949年，为了能在短时间内制造出经常变更设计的零件，美国空军（U。S。AirForce）与Parsons公司签定了制造第一台数控机床的合同。1951年，美国麻省理工学院MIT（Massachusetts Instiute of Technology）承担了这一项目。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。随着不断的改进与完善，1955年，NC（数控）机床开始用于工业加工。
数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在40多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。
从20世纪50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不断努力，数控产业取得了长足的发展：国产数控系统基本上掌握了关键技术，可靠性已有很大提高；新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅速缩小。
数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。
数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与技工技术方面，一直通过巴黎统筹委员会对我国进行封锁限制，应为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。如著名的“东芝事件”，即是由于前苏联利用从日本获得的大型五坐标数控铣床，用其制造出具有复杂曲面的潜艇的噪声大为降低，西方的反潜艇设备顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用语军事用途的零件加工。特别是1999年美国的考克斯报告，其中一项主要内容就是指责我国将从美国购买的二手数控机床用于军事工业，这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。
1.1.2 数控机床应用范围及特点
目前的数控加工主要应用于以下两方面：
一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于：提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件：一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。
另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。
数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。
1.2. 数控机床的工作原理与组成
1.2.1 数控机床的工作原理
数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示：
图1、 计算机数字控制（CNC）系统框图
数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。
1.2.2 数控机床的组成
数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。
1.3. 数控技术的发展现状与趋势
近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率、，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。
1.3.1 精度化
当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。
1.3.2 高速度化
提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切学速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。
1.3.3 高柔性化
柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器（PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC），柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTL）。
1.3.4 高自动化
高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向FMC，FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自动传输等方向进一步发展。
1.3.5 复合化
复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削复合的加工中心。
1.3.6 智能化
数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。
1.3.7 网络化
为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务。
1.3.8 高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF），数控系统的MTBF已由20世纪80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而数控整机的MTBF也从20世纪80年代的100~200h，提高到现在的500~800h。
除上述发展趋势外，近年来还出现了全新结构的数控机床，最早在美国IMTSˊ94机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（Virtual Axis Machine）。其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高2~10倍；刚度为传统机械加工的5倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的5~10倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步得以实现。
1.4. 我国数控产业现状及发展
20世纪80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发中心，数控机床的年销量从“八五”末期底000多台发展到2000年的14万多台，机床的产值数控化率从“八五”的12%增长到2000年的近30%，一些重点企业已达到70%以上，使高档数控机床的进口幅度减少，突破了西方在关键设备方面对我国的进口限制，国产数控机床“八五”期间的市场占有率只有23%，到2000年已达到50%。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000r/min~1800r/min）、快速进给（60m/min）、快速换刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定了基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过度的关键时期，也是由封闭型数控系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平，以开发出具有自主知识产权的基于PC机的开放式智能化数控系统。
数控机床的可靠性指标有大幅度提高。我国数控机床的可靠性指标（MTBF）一直是其市场信誉及市场竞争力的主要问题。“九五”时期，我国加工中心的MTBF已达到400h，数控车床从平均200h提高到平均450h；数控系统从5000h提高到10000h以上，最高达到20000h。
曾长期捆扰我国，并受到西方国家封锁的多坐标联动数控系统和数控技术已渐成熟，并进入生产应用阶段。“九五”期间，我国生产的五轴联动及五面加工机床已有多个品种，并在军工、航天、船舶等领域里应用，有效地打破了国外对我国进口此类设备的限制。
1.5. 本文所做的工作
1.5.1 完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案;
1.5.2 完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计；提交论文及机械系统的装配与关键零部件的相应图纸及数控系统的硬件图，同时提交电子文档;
1.5.3 编写设计计算说明书。

第二章 机械结构选择
经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设计加工工件的最大直径为Φ10mm，且其工作行程为300×300×70的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的数控钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！
查相关数控机床资料和数控机床的市场调查，选择确定合理的机床结构很重要。传统的数控机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对数控机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式数控机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为Φ10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。
所以，我们通过对数控机床结构的了解和认识我们认为：对于我们即将设计的机床，采用立式的结构是完全可行的。方案的确定结果是：数控多工位立式钻床。

第三章 机械传动部件设计
由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，只有克服这些阻力，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及计算。
3.1. 切削力的计算
3.1.1、 要求加工的最大孔为d0=10mm,刀具为高速钢麻花钻（以磨损）。工件材料为45井钢（бb=0.638GPa）；灰铸铁190HBS。加工精度为：IT8∽IT10级以下孔初加工。
3.1.2、 确定切削力和扭矩：
3.1.2.1、 计算：
（1）、当工件材料为 45井钢时，根据以知条件查《机械加工工艺手册》表2.4-38高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.22∽0.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极限值f=0.08mm/r∽0.30mm/r,对应的它们的切削速度为V=0.99m/s∽0.43m/s,则由得
钻头或工件的转速

由《金属切削刀具》计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知：
（1）
（2）
（3）
其中对于钢бb=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7
CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm= =0.98938
则最小进给量f=0.08mm/r
F1=9.81×61.2×10×0.080.7×0.98938×1=1013.79N
T1=9.81×0.0311×102×0.080.8×0.98938×1=4.0Nm
PM1=2×3.14×4.0×31.53×10-3=0.79Kw
最大进给量f=0.30mm/r
F2=9.81×61.2×10×0.300.7×0.98938×1=2557.22N
T2=9.81×0.0311×102×0.300.8×0.98938×1
=11.52Nm
PM2=2×3.14×11.52×13.69×10-3=0.99Kw
（2） 当工件材料为 灰铸铁HB190时，根据以知条件查《机械加工工艺手册》表2.4-41高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.22∽0.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12mm/r∽0.70mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.79m/s∽0.33m/s,则由得 钻头或工件的转速

由《金属切削刀具》计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知：
（1）
（2）
（3）
其中对于灰铸铁 CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw
对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1
工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1
则最小进给量f=0.12mm/r
F3=9.81×42.7×10×0.120.8×1×1=768.14N
T3=9.81×0.021×102×0.120.8×1×1=3.78Nm
PM3=2×3.14×3.78×25.16×10-3=0.597Kw
最大进给量f=0.70mm/r
F4=9.81×42.7×10×0.700.8×1×1=3149.02N
T4=9.81×0.021×102×0.700.8×1×1=15.49Nm
PM4=2×3.14×10.51×15.49×10-3=1.02Kw
由此可得钻头的最大转矩Tmax=15.49Nm
最大转矩Fmax=3149.02N
最大切削功率PMmax=1.02Kw
则钻头主轴所需要的功率为：P1= PMmax/η总
其中η总=η花键轴η轴承
深沟球轴承η=0.99 （取3个）
角接触推力轴承η=0.98 （取2个）
花键轴η=0.97∽0.98
由《金属切削机床》查得：
η总=η花键轴η轴承=0.97×0.993×0.982=0.904
则P1=1.02/0.904=1.03Kw
对于主轴电机的选择，查《机械产品目录》，对于中小功率的电机，一般额定转矩只有2.1-4，而主轴所需要的最大扭矩为15.49Nm，故必须采用齿轮组进行减速以提供大的转矩达到符合相应电机的额定转矩。
在数控机床多工位钻床的设计过程中，要求数控机床能够进行多级变速。在这种情况下，我们正好可以采用一个变速器来解决。无级变速器就是能使主轴达到相应转矩和使主轴传递的转矩符合要求。
同时，根据主轴特点设计钻床主轴的特点是主轴在轴向方向上有移动，就是说上端的花键轴外面必须套有内花键的齿轮或其它才能将电动机的运动传递给主轴，使主轴转动。在本次设计中我们就选用花键的齿轮作为传动件，把电机的转动传给主轴，则从主轴来的传动方式为：
主轴（花键轴）——内花键齿轮——啮合齿轮（一组或多组）——联轴器——无级变速器——主轴电动机
3.2. 主轴齿轮传动方案确定：
3.2．1、 设定齿轮传动方案
3.2．1．1、 如图2所示：
轴Ⅰ为机床主轴，设计为齿轮花键轴。由前面知齿轮花键轴的功率为P1

图2、 主轴传动示意图
即轴Ⅰ PⅠ= P1=1.13Kw
轴Ⅱ PⅡ= PⅠ/η齿轮=1.13/0.97=1.16Kw
（取η齿轮=0.97，精度等级为8级）
则主轴电机输出功率P2
P2= PⅠ/η联轴器=1.16/0.99=1.18Kw
根据《机械产品目录》选择电机可用YCP802-2，1.1Kw额定功率和YCP90S-2，1.5Kw额定功率最为接近功率要求。而前者略小于最大输出功率，而加一个无级变速器相对于电机来说其传递功率也不会消耗太多，粗略估算则选用后者YCP90S-2，额定功率为1.5Kw，额定电压为380V，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，最大额定转矩为2.3Nm。
选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查《机械设计手册》第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。
根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。
对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适），可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴，达到了设计要求和目的。
3.2．2、 设计齿轮
在齿轮设计中，取转矩最大时设计用到最大转矩15.49,切削速度nI=631r/min。
首先小齿轮（主动齿轮）用40Cr，调质处理，硬度241HB∽286HB，平均取为260HB，大齿轮（从动齿轮）用45钢，调质处理，硬度229HB∽286HB，平均取为240HB。计算如下：
关于主轴传动中的第一组齿轮齿面接触疲劳强度计算
（1）初步计算：
转矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm
齿宽系数:φd 由表12.13（该节中所指的表均指《机械设计》一书中的表） 取φd＝1.0
接触疲劳极限：σHlim 由图12.17c可取
σHlim1=710MPa σHlim2=580MPa
初步计算的许用接触硬力:
[σH1]=0.9σHlim1=0.9×710=639MPa
Ad值由表12.16，取Ad＝85
初步计算的小齿轮直径：
d1≥=29.14
(其中u=I=1, T=5490Nmm)
取d1＝90mm
初取齿宽：b=φbd1=1×90=90mm
（2）校核计算：
圆周速度:
精度等级：由表12.6选8级精度
齿数Z和模数m:取齿数Z1=60,Z2=iZ1=1×60=60
模数由表12.3取m=1.5
则 Z2= iZ1=60
使用系数KA:由表12.9取KA＝1.5
动载系数K V:由表12.9取KV＝1.1
齿间载荷分配系数KHα:由表12.10先求：

端面重合度： （式12.6）

重合度系数:Zε==0.74 (式12.10)
由此得：
齿间载荷分布系数KHβ: 由表12.11（非对称支撑）

载荷系数：K=KAKVKHαKHβ=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82
弹性系数ZE由表12.12取ZE＝189.8
节点区域系数ZH:由图12.16可取ZH＝2.5
接触最小安全系数SHmin:由表12.14取SHmin＝1.05
总工作时间：th=10×300×8×20%=4800h
应力循环次数NL:由表12.15估计：107<NL<109
则指数：m=8.78
NL1=NV1=60γithi(Ti/Tmax)
=60×1×631×4800×(18.78×0.2+0.58.78×0.5+0.28.78 ×0.3)
=3.65×107
原估计应力循环次数正确。

接触寿命系数ZN:由图12.18可取
ZN1=1.13 ZN2=1.18
许用接触应力[бH]：

验算：бH=ZEZHZε
＝
＝503.4MPa
计算结果表明,接触疲劳强度较为适合，齿轮齿寸无需调整。
（3）确定传动主要尺寸：
实际分度圆直径d,因模数取标准值时，齿数并未调整，故分度圆直径不会改变，即：
d1=mZ1=90mm d2=mZ2=90mm
中心距
齿宽b=φbd1=90mm
（4）齿根弯曲疲劳强度验算：
重合度系数Yε：
齿间载荷分配系数KFɑ: 由表12.10

齿向载荷分布系数KFβ:

由表12.14 KFɑ=1.25
载荷系数K:K=KA KVKFαKFβ=1.5×1.1×1.49×1.25=3.07
齿形系数YFɑ: 由图12.21 YF1=2.8 YF2=2.29
应力修正系数YSa: 由图12.22Ysa1=1.54 Ysa2=1.74
弯曲疲劳极限σFlim:由图12.23C
σFlim1=60MPa σFlim2=450Mpa
弯曲最小安全系数SFmin:由表12.14 SFmin＝1.25
应力循环次数NL:由表12.15，估计3×106<NL<1010
则指数m=49.91
NL1= NV=
=60×1×631×4800×(149.91×0.2+0.549.91×0.5+0.249.91 ×0.3)
=3.63×107
原估计应力循环次数正确。

弯曲寿命系数YN: 由图12.24 YN1＝0.93 YN2＝0.95
尺寸系数YX: 由图12.25 YX＝1.0
许用弯曲应力[σF]:

验算：

传动无过载，故不作静强度校核。
3.3. 主轴结构设计及计算
主轴材料45钢，调质到HB220～250左右
3.3．1、 轴的确定：
轴的最小直径
由《机械设计》表16.2查得：45钢[τT]=35Mpa

取轴最小直径20mm。
根据最小轴径确定各阶轴径。
主轴如图3所示：
3.3.2、 轴上轴承和花键的确定：
3.3.2.1、 在所在主轴上使用的轴承选择如下：

图3、主轴结构图
选用深沟球轴承和推力球轴承：
a处有：6206 d=30 D=62 B=16
51206 d=30 D=52 B=16
b处有：6206 d=30 D=62 B=16 (两个)
51206 d=30 D=52 B=16
则a段取长设计为35，b段取长设计为50。
3.3.2.1、 花键轴上花键的选择定型为：由《机床设计手册》表4.2-13，根据轴的最小径可取花键为：
Z—D×d×B=4—22×19×8，
dmin=18.3， C=0.3， r=0.2
由《机械设计》表7.2对花键轴联接传递的转矩计算：
动联接过程T=KZhl′rm[P]
花键选用矩形花键，外径定心，其定心精度高，表面硬度高于40HRc

工作条件中等，齿面经过热处理。
由7.2查得[P]=5～15Mpa 取[P]= 15Mpa
选择齿的接触长度l′即为Z4齿的齿宽l′=b4=30mm
取载荷不均匀系数K=0.8
则
T（动联接）=0.8×4×0.9×10-3×12.75×10-3×0.030×15×106
=16.53Nm>Tmax=15.49Nm
则花键轴能够达到所需传递的转矩。
对于花键轴传递转矩转动中产生的摩擦力为F花：取μ=0.1
F花=µf=5338×0.1=533.8N
而
则轴所受轴向力：
F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N
则轴向方向齿条受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1）
3.3.2.3、 轴向进给设计：
在主轴外设计一套筒：设长为80mm的齿条由齿轮带动。先设计用一级减速接步进电机使主轴进给。如图4所示：

图4、主轴进给图示
由《机电一体化课程设计指导书》：
I=α×t0/3600×δ
其中α—步距角（deg） δ—脉冲当量（钻床取0.02mm）
t0—齿距（t0=Лm）
根据《机电一体化课程设计指导书》选步进电机 取α=0.1 m=1.25

取α=0.75时
取I=3.2（α=0.1时）可取：
Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm α=200
df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83
齿轮设计成直齿圆柱齿轮，齿轮材料为45钢，则大小齿轮转动惯量分别为：

根据《机电一体化课程设计指导书》表1，预选步进电机为200BF001，查得电机转子轴的转动惯量为：

折算到电动机轴上的转动惯量：

等效负载转矩Tm的计算：取V=2m/min
Tm=（F轴+F摩）V主轴进给/2Πnm

3.3.2.4、 起动惯量矩的计算：
以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速度或制动减速度的时间
△t=0.3s，由于步进电机的角速度

则： T惯=
则J∑=Tm+T惯=1.04+5.038=6.08Nm
3.3.2.5、 步进电机的匹配选择：
如考虑机械传动系统的效率为n，安全数值为K，则此时负载总转矩为：

由预选的步进电机型号200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大静转矩Tymax=14.7Nm，为保证正常的起动和停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于TΣˊ，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951，
则Tg=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm
故选择合适。
3.4. 纵向进给运动的分析及计算
3.4.1、 纵向进给负载分析及计算
3.4.1.1、 摩擦阻力：
摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。正压力应包括轴向力F=1175N及工作台加纵向轨道之重力，设工作台重量为400Kg，纵向轨道重量为400Kg.
=[（400+400）×10＋1175]×0.1=917.5N
3.4.1.2、 等效转动惯量计算:
根据要求粗选：α=0.75 to=5
δ=0.005
∴
∴可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o
df1=mZ1=1.5×25=37.5mm df2=mZ2=1.5×52=78mm
de1＝40.5mm de2=81mm
将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为:
J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)
JZ1=7.8×3.754×2.5×10-4=3.86×10-5Kgm2
JZ2=7.8×8.104×2.5×10-4=8.40×10-4Kgm2
滚珠丝杆直径选择为d0=25mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：
JS=7.8×2.54×70×10-4=2.13×10-4Kgm2
由《机电一体化课程设计指示书》表1，预选步进电机为110BF004，查得电机转子轴的转动惯量为
Jm=3.43×10-4Kgm2
折算到电机轴上的总转动惯量为：

3.4.1.3、 丝杠摩擦阻力矩的计算：
由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。
3.4.1.4、 等效负载转矩的计算：
Tm=(F纵+F摩) V工作/2πnm

由
3.4.1.5、 起动惯性阻力矩的计算：
以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间
Δt=0.5s(一般在0.1～1s之间)，由于步进电机的角速度

∴角加速度
T惯＝J∑×εm=6.26×10-4×174.44=0.11Nm
3.4.1.6、 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：
J∑=Tm +T惯=0.35+0.11=0.46Nm
4.2、 纵向进给步进电机加工匹配选择
考虑机械传动系统的效率η为,安全系数为K,则比时的负载总，转矩应考虑为
由预选的步进电机型号为110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩Tymax=4.9Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于TΣ',由表查出Tg/TΣ'=0.866
∴Tg=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故选择合适。
确定选用110BF004步进电机。
3.4.3、 纵向进给滚珠丝杠的校核
初选丝杠型号为CMD2504-3，因此必须进行以下几个项目的校核
3.4.3.1、 承载能力的校核：
Ｑ＝fHfWPmaxCO 式中L—滚珠丝杠寿命系数（）
　Pmax=F纵+F摩＝0+917.5＝917.5N
fH=1 fW=1.2 T=15000

Ｑ＝　　
选丝杆CMD2504－3
查表得丝杆额定载荷为ＣO=8.2KN>Q　满足要求。
3.4.3.2、 压杆稳定性验算：

取双推—简支式支承，由FK=2
E-钢的弹性模量2.1×105（Mpa）
I-丝杠小径的截面惯性矩（）
查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =21.9mm
取压杆稳定安全系数K=4　
丝杠长度L=LS=700mm

故满足要求。
3.4.3.3、 刚度验算：
丝杠