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太原理工大學機械工程學院 開題報告
機械工程學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目： 螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
專業(yè)班級： 機電1103班
姓 名：
學 號： 2011100818
指導(dǎo)教師： 成建平
2015年 月 日
1.課題名稱：
螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2. 課題研究背景：
小型零部件上的螺紋孔一般在加工螺紋的專用機床上進行，如鏜床、銑床、鉆床等。但對于加工大型零部件上的螺紋孔，上述專用機床就不能滿足現(xiàn)場加工，有兩個方面的原因：第一，這些機床大都體型巨大而笨重難于到現(xiàn)場加工；第二，這些專用機床都有加工范圍，對于大型零部件的螺紋孔，這些機床都不適用。該數(shù)控設(shè)備通過主軸箱內(nèi)傳動部件的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔和內(nèi)螺紋的加工，滿足了對于大型零部件上孔和螺紋的加工。研究該數(shù)控加工設(shè)備可以在線對零部件的鉆孔和螺紋加工，而且可以連續(xù)加工出不同螺距的螺紋，滿足實際生產(chǎn)的要求，相對于機械式數(shù)控加工設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢：操作方便，加工精度較高，生產(chǎn)效率較高，自動化程度較高。所以該數(shù)控加工設(shè)備具有較廣的應(yīng)用前景。
3. 課題研究意義：
（ （1）主要解決大型零部件上鉆孔和螺紋的加工
（2）解決專用機床對于實時在線加工的問題
（3）降低生產(chǎn)成本，節(jié)省用于加工的時間，提高勞動生產(chǎn)率
（4）提高對生產(chǎn)自動化的認識
4. 文獻查閱概況
《金屬機械加工工藝人員手冊》趙如福
《機床夾具設(shè)計手冊》
《數(shù)控技術(shù)指導(dǎo)書》
5. 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容
（1） 數(shù)控設(shè)備的總體設(shè)計
本課題主要設(shè)計一套數(shù)控加工大型零部件上孔內(nèi)螺紋加工的主軸箱，進給箱內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖所示，通過對主軸箱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)主運動和進給運動，從而實現(xiàn)對于螺紋的加工。這是一條內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系兩個執(zhí)行件，以形成復(fù)合成形運動的傳動鏈，稱為內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。它的作用是保證兩個末端件之間的相對速度或相對位移保持嚴格的比例關(guān)系，以保證被加工表面的性質(zhì)。如在臥式車床上車螺紋時，連接主軸和刀具之間的傳動鏈，就屬于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。此時，必須保證主軸（工件）每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動工件螺紋一個導(dǎo)程，才能得到要求的螺紋導(dǎo)程。對于主運動的設(shè)計是采用交流伺服電機通過減速機構(gòu)把動力傳到主軸上，主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)在孔內(nèi)加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機和減速機構(gòu)將運動傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉(zhuǎn)帶動螺母移動，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結(jié)，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動而移動，實現(xiàn)了進給運動。另外在主運動的減速機構(gòu)上安裝編碼器用于實時監(jiān)測主軸的轉(zhuǎn)速，以便及時調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，保證螺紋的加工質(zhì)量。對于鉆孔加工和螺紋加工類似，但卻是一條外聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系交流伺服電動機和主軸，使主軸得到給定的速度運動，并傳遞一定的動力，外聯(lián)系傳動鏈傳動比的變化，只影響生產(chǎn)率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動鏈不要求兩末端件之間有嚴格的傳動關(guān)系。通過主軸的主運動和進給運動帶動刀具同時回轉(zhuǎn)運動和直線進給運動加工出所要求的孔。
伺服電動機是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類電動機，它在機電一體化設(shè)備進給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動機分為四大類：直流伺服電動機；交流伺服電動機；步進電動機；直接驅(qū)動電動機。直接驅(qū)動電動機、交流伺服電動機和直流驅(qū)動電動機均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進電動機主要用于開環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動機，交流伺服電動機交流伺服電機特點?：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。
減速機構(gòu)采用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪傳動的優(yōu)點：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動比穩(wěn)定；4、壽命長；5、工作可靠性高；6、可實現(xiàn)平行軸的之間傳動。
在機電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測運動部件的位移和速度。檢測角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測線位移和線速度常用的則是直線光柵。這兩種位移檢測裝置本身就是旋轉(zhuǎn)器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡單方便。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光學式位置檢測元件，主要用以測量轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，輸出信號為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器最初的結(jié)構(gòu)是一種光電盤，如圖4-36所示。在一個圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構(gòu)成主柵），圓盤與工作軸1一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個固定不動的圓形薄片（分度柵8）與圓盤（主柵7）平行放置，分度柵開有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯開1/4柵距（主柵上相鄰兩線的間距為一個柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉(zhuǎn)動時，感光元件接收到的光通量會時大時小地連續(xù)變化（近似于正弦信號），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時工作軸為正轉(zhuǎn)，則相超前于相時工作軸就為反轉(zhuǎn)。相是零位脈沖（每轉(zhuǎn)一個），通常用作測量基準。在實際應(yīng)用中，從編碼器輸出的、相信號經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測量脈沖被引入位置控制回路進行位置調(diào)節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號送給速度控制單元進行速度調(diào)節(jié)。
（1） 鉆孔的基本尺寸和切削用量
根據(jù)加工螺紋的公稱直徑確定孔徑的大小，查《金屬機械加工工藝人員手冊》(以下簡稱《手冊》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱直徑在之間，中徑公差等級為8級。查《手冊》可知，直徑大于的孔采用兩個鉆頭分兩次來鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊》查得=，當?shù)毒咧睆?，；當?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時軸向力，扭矩及功率的計算公式查《手冊》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計算，
根據(jù)（3）式，計算，
對于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線電流28.6,轉(zhuǎn)動慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
電機性能曲線如上圖所示，當電動機軸轉(zhuǎn)速在之間時，轉(zhuǎn)矩在之間。
減速機構(gòu)設(shè)計
根據(jù)選擇的電動機的相關(guān)參數(shù)和切削加工時功率和轉(zhuǎn)矩的要求，初選進給運動傳動機構(gòu)傳動比，二級傳動。
(2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量
螺紋的公稱直徑查《手冊》知，如下表所示
選擇加工三角形內(nèi)螺紋的公稱直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質(zhì)合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼。
切削速度計算公式：
（6）
其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)，
根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77.
主軸轉(zhuǎn)速公式：
= （8）
同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉(zhuǎn)速公式得轉(zhuǎn)速的范圍在之間。電動機軸轉(zhuǎn)速之間根據(jù)螺紋加工時主軸轉(zhuǎn)速范圍可知，主運動傳動機構(gòu)傳動比符合要求。
主軸做進給運動時，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，其傳動機構(gòu)傳動比，二級傳動。
（3）主軸的設(shè)計以及有關(guān)參數(shù)的計算
主軸是機床中最常見的一種旋轉(zhuǎn)類零件。主要由內(nèi)圓面、外圓面、內(nèi)外圓錐面、螺紋、花鍵和橫向孔等組成。主軸是機床的執(zhí)行件，它的主要功能是支撐傳動件和傳遞轉(zhuǎn)矩、在運作時，由它帶動刀具直接參與表面成形運動；同時還保證刀具對機床其他部件有正確的相對位置。所以，主軸的性能對加工質(zhì)量和機床的生產(chǎn)效率有重要影響。另外，主軸的傳動方式是由皮帶傳動和齒輪傳動兩種方式結(jié)合的。各種車床主軸部件有所不同，但他們的基本用途是相同的，在結(jié)構(gòu)和要求方面也是類似的。在工作性能上都必須與機床使用性能有相匹配的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和耐磨性等。
主軸的基本要求：
1.承受摩擦與磨損?
機床主軸的不同部位承受著不同程度的磨損，尤其是軸頸部分，由于某些軸承與軸頸配合時，摩損較大，所以此部位應(yīng)具有很高的硬度來增強耐磨性。
2. 工作中時承受載荷
在高速運轉(zhuǎn)時，機床主軸要承受不同載荷的作用，如彎曲變形、沖壓，扭轉(zhuǎn)等。因此要求主軸必須有抵抗不同載荷的能力。主軸在載荷大轉(zhuǎn)速高時還要承受著很高的交變應(yīng)力。所以要求主軸具有較高的綜合力學性能和疲勞強度。
前錐孔用來裝頂尖或其他工具錐柄，要求能自鎖，目前采用莫氏錐孔，本主軸錐孔采用莫氏錐度6號。設(shè)計主軸內(nèi)徑的原則是為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時空心主軸的剛度幾乎與實心主軸相等；等于0.5時空心主軸的剛度為實心主軸的90%；大于0.7時，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。?
主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I
（7）
由式子可知取孔徑的直徑極限為：<0.7。
此時若孔徑再大，剛度則急劇下降，根據(jù)推薦值，取0.6。
根據(jù)前面鉆削加工鉆刀的直徑設(shè)計主軸的錐孔孔徑,鉆刀直徑最大為50，則主軸直徑為105，主軸各部分尺寸如圖表所示.
自動松拉刀系統(tǒng)
1. 自動松拉刀系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)形式
鉆削電主軸的自動松拉刀機構(gòu)可以分為兩部分，即刀具夾緊部分和松刀部分。刀具夾緊部分主要由夾頭、拉桿、碟形彈簧等組成，這一部分隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)；松刀部分主要是氣缸部分。自動松拉刀系統(tǒng)的工作原理是：在夾頭夾緊刀具的狀態(tài)下，碟形彈簧壓縮，彈簧向后施加力給拉桿，拉桿拉緊夾頭，夾緊刀具；松刀時，主軸后部配置的松刀氣缸充氣，頂桿頂推拉桿后部，壓縮碟形彈簧，拉桿推動夾頭下移，彈簧夾頭張開，松開刀具。
2. 刀具夾緊結(jié)構(gòu)夾緊結(jié)構(gòu)
圖2 所示的是碟形彈簧后置式夾緊結(jié)構(gòu)形式。碟形彈簧安裝在后螺母內(nèi)，拉桿較長，拉桿對主軸的動平衡有一定的影響。這種結(jié)構(gòu)的碟形彈簧損壞后可以方便地取出，進行更換。一般多使用在采用滾動軸承的鉆削主軸上。
自動松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件：
（1）夾頭
夾頭是主軸夾緊刀具用的關(guān)鍵零件，通常采用的夾頭有EX1010、EX820、1201 等型號。夾頭本身的因素是引起掉刀的原因之一，夾頭的有效長度和疲勞壽命是掉刀的直接因素。圖8 是測量夾頭有效長度的示意圖，圖中h 的值相差太大，當更換夾頭不當時就會引起掉刀或松不開刀的現(xiàn)象發(fā)生。h值直接影響的是拉緊刀具的碟形彈簧的壓縮量，鉆、銑削電主軸的碟形彈簧壓縮量都很小，碟形彈簧的工作壓縮量根據(jù)主軸型號的不同在0.5～1.2mm 之間。經(jīng)檢測即使進口的彈簧夾頭其圖中的h 值相差也會到0.3mm 以上。假設(shè)使用的夾頭與原配的夾頭相差0.2mm，彈簧的拉緊力就要相差25% 左右，對于有些型號的主軸會相差更大。
（2）碟形彈簧
碟形彈簧是自動松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，向主軸生產(chǎn)廠家購買質(zhì)量差的碟形彈簧會出現(xiàn)脆裂、彈性在較短時間內(nèi)喪失等問題。新購來的碟形彈簧片需要進行以下處理：(1)為了能使碟彈簧在工作時伸縮自由，需要對其進行研邊處理，兩端研磨出約0.1mm 寬的平面。(2)需要進行強壓處理，如圖9所示，把碟形彈簧片依次反向裝入預(yù)壓心軸上，將臺鉆的鉆夾頭端部壓在壓套上端，向下加力，直到把碟形彈簧壓平，這樣壓50～100 次。強壓處理后，單片彈簧的高度和原來相比要低0.05mm，或更大一些。經(jīng)過處理的碟形彈簧片，裝機后，拉刀力穩(wěn)定性好，拉緊力下降不明顯。
3.松刀氣缸
浮動缸是指氣缸體在工作過程中有上下移動，圖6 所示是一種浮動缸的結(jié)構(gòu)形式。浮動缸的工作原理是：壓縮空氣從圖6 箭頭所示方向進入氣缸，當氣缸充氣時，浮動缸體上移，拉住轉(zhuǎn)軸的后部，在消除頂桿與拉桿間的間隙后，頂桿繼續(xù)下移，接觸拉桿后端，頂桿頂住拉桿的后部，松刀力只作用在碟形彈簧上，轉(zhuǎn)軸和軸承均不受力。這樣轉(zhuǎn)軸的支撐不承受松刀的拉力，達到給支撐卸載的目的。當轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)時，氣缸和頂桿均與轉(zhuǎn)軸脫開，不影響轉(zhuǎn)軸的運轉(zhuǎn)。這種浮動缸結(jié)構(gòu)在鉆削主軸上用的較為廣泛。
6.設(shè)計（論文）提交形式
1. 設(shè)計計算說明書1份。（按太原理工大學學生畢業(yè)設(shè)計撰寫規(guī)范寫）。
2. 主軸箱裝配圖1張（A0）。
3. 主軸零件圖1張（A1）。
4. 機床尺寸聯(lián)系圖1張（A1）。
5. 箱體零件圖1張（A0）。
6．1萬印刷符號的英文資料翻譯文件。
7. 進度安排
第四周 查找有關(guān)外文資料并翻譯成中文
第五周 查閱資料并撰寫開題報告
第六周 基本參數(shù)計算
第七周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
第八周 畢業(yè)實習，完成實習報告
第九周 零部件和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
第十周 主運動部分設(shè)計計算
第十一周 進給運動部分設(shè)計計算
第十二周 傳動部分設(shè)計計算
第十三周 計算機繪圖，編寫設(shè)計說明書
第十四周 計算機繪圖，編寫設(shè)計說明書
第十五周 計算機繪圖，編寫設(shè)計說明書
第十六周 審查和修改圖紙及整理畢業(yè)設(shè)計說明書
第十七周 準備畢業(yè)答辯答辯
第十八周 畢業(yè)答辯
8. 指導(dǎo)教師意見
簽名：
年 月 日
太原理工大學
畢業(yè)設(shè)計（論文）
課 題 名 稱：螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
日期：2015年6月10 日
V
摘 要
本次設(shè)計是對螺紋在線加工部件的設(shè)計。在這里主要包括: 主軸箱傳動機構(gòu)的設(shè)計、進給部件的設(shè)計、刀具卡緊部件系統(tǒng)的設(shè)計這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。
整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)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，從而帶動整機進給運動，而主軸箱通過二級齒輪減速帶動主軸旋轉(zhuǎn)運動,
改設(shè)計提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)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(nèi)容：
(1) 螺紋在線加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(2) 螺紋在線加工部件工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 螺紋在線加工部件的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設(shè)計。
(5)對設(shè)計零件進行設(shè)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(shè)計零件的零件圖。
關(guān)鍵詞：螺紋在線加工部件，滾珠絲杠,進給傳動,主軸箱
Abstract
This design is the design of the thread on-line processing parts.. Here mainly include: the ability to design and tool design of spindle box transmission mechanism, a feeding part of card tight component system the design of the graduation design on the design of the basic skills training, improve the analysis and solve engineering problems, and for general mechanical design created certain conditions.
Whole structure mainly by the motor generate power through the coupling will need the power delivered to the screw rod and screw rod drives the screw rod nut, so as to drive the machine feed movement, and spindle box by secondary gear deceleration drive the spindle rotating motion,
Improving labor productivity and production automation level. It has a broad prospect for its development..
Research content of this thesis:
(1) the overall structure design of the online machining parts of the screw threads.
(2) working performance analysis of the screw online working part.
(3) motor selection.
(4) the transmission system, the execution parts and the frame design of the thread processing parts.
(5) design and calculation of the design parts for calculation and verification.
(6) drawing the assembly drawings and important parts of the assembly drawings and parts drawings of the design parts.
Key words: online processing parts, ball screw, feed drive, spindle box
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1 螺紋在線加工部件的要求 1
1.2 課題的目的及意義 1
1.3 國內(nèi)外概況綜述 3
1.4 本課題研究的內(nèi)容及方法 4
1.4.1 主要的研究內(nèi)容 4
1.4.2 設(shè)計要求 4
1.4.3 關(guān)鍵的技術(shù)問題 4
2 螺紋在線加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
2.1 螺紋在線加工部件的構(gòu)成 5
2.2 螺紋在線加工部件的工作原理 5
2.3 鉆孔的基本尺寸和切削用量 7
2.4 減速機構(gòu)設(shè)計 10
3 進給結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 12
3.1 進給部位齒輪的傳動計算 12
3.2 高速級齒輪的設(shè)計計算 12
3.3 低速級齒輪的設(shè)計計算 15
3.4進給絲杠傳動設(shè)計 18
3.5 軸向進給滾珠絲桿副的選擇 19
3.5.1 導(dǎo)程確定 19
3.5.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 19
3.5.3 估計工作臺質(zhì)量及負重 19
3.5.4 確定絲桿的等效負載 20
3.5.5 確定絲桿所受的最大動載荷 20
3.5.6 精度的選擇 21
3.5.7 選擇滾珠絲桿型號 21
3.6 校核 22
3.6.1 臨界壓縮負荷驗證 22
3.6.2 臨界轉(zhuǎn)速驗證 23
3.6.3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 23
3.7 電機的選擇 24
3.7.1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 24
3.7.2 電機扭矩計算 25
4 主軸箱的設(shè)計計算 27
4.1進給結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 27
4.2低速級齒輪的設(shè)計計算 31
4.3 軸的計算 34
4.3.1 高速軸的計算 34
4.3.2 中間軸的計算 38
4.3.3 低速軸的計算 42
5 鍵連接的選擇和計算 46
5.1 高速軸（I軸）上鍵的選擇及校核 46
5.2 中間軸（II軸）上鍵的選擇及校核 46
5.3 高速軸（III軸）上鍵的選擇及校核 47
6 滾動軸承的選擇和計算 48
7 主軸的設(shè)計計算 51
7.1 自動松拉刀系統(tǒng) 52
7.2 自動松拉刀系統(tǒng)的關(guān)鍵零件 53
結(jié) 論 55
參考文獻 56
致 謝 58
1 緒論
1.1 螺紋在線加工部件的要求
對于大型工業(yè)設(shè)備，在日常維護或技術(shù)改造過程中，難免需要在大型固定基礎(chǔ)件上加工螺紋，大型固定基礎(chǔ)件不易拆卸移動，為了不影響生產(chǎn)，采用通用機床上常規(guī)的加工方法以不適合。當螺紋直徑較大（>φ40mm）時，需采用專用加工設(shè)備。本課題擬設(shè)計滿足上述要求的專用加工設(shè)備。
1 以φ80mm螺紋為例，采用鏜削方法，多次加工底孔和多次加工螺紋表面，分析計算切削用量，確定所需要的運動關(guān)系和初始參數(shù)（軸向切削力和徑向切削力）；
2、要求采用數(shù)控方式實現(xiàn)各運動的控制和關(guān)聯(lián)，滿足不同螺紋規(guī)格的加工需要，通過切換能實現(xiàn)螺紋退刀槽的加工；
3專用鏜削頭經(jīng)齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動主軸實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，機床主軸精度按普通精度機床要求；
4主軸組件采用可伸縮式套筒結(jié)構(gòu)，主軸端結(jié)構(gòu)可安裝鉆頭，鏜桿，切槽刀具。
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(lǐng)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(yīng)地對齒輪的設(shè)計、加工、檢測等方面也提高了要求。在這種背景下，現(xiàn)代設(shè)計方法、先進制造技術(shù)、計算機技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的交叉融合，使齒輪相關(guān)技術(shù)的研究進入了一個嶄新的階段。
齒輪加工機床是一種技術(shù)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)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(guān)鍵設(shè)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(zhì)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。機床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)機床完全依靠機械內(nèi)聯(lián)傳動實現(xiàn)滾刀與工件的同步運動和差動運動往需要經(jīng)過多級齒輪傳動，并且引入蝸桿蝸輪機構(gòu)使得機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜調(diào)整維護非常困難也降低了加工精度。螺紋在線加工部件高加工精度、高生產(chǎn)率的特點，在制造業(yè)中的應(yīng)用比例越來越大，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。隨著風電、船舶、建材產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,國內(nèi)對大型高檔機床的需求旺盛,且要求效率高、精度高。國內(nèi)機床技術(shù)與國外有很大差距。國內(nèi)還沒幾家單位有能力加工直徑為兩米的大型螺紋在線加工部件,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,中國的大型螺紋在線加工部件都需進口這兩家的產(chǎn)品。從國外進口,價格貴,交貨期長,售后服務(wù)麻煩。所以研制加工直徑兩米以上的大型螺紋在線加工部件和有必要。
對螺紋在線加工部件的設(shè)計主要是培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用所學專業(yè)的基礎(chǔ)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(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序、規(guī)范和方法。而工科類學生更應(yīng)側(cè)重于從生產(chǎn)的第一線獲得生產(chǎn)實際知識和技能，獲得工程技術(shù)經(jīng)用性崗位的基本訓練，通過畢業(yè)設(shè)計，可樹立正確的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點和全局觀點，實現(xiàn)由學生向工程技術(shù)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(nèi)的一般工程技術(shù)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(shè)計計算、工程繪圖、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應(yīng)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(shù)問題的正確指導(dǎo)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(jié)協(xié)作的工作作風。
通過畢業(yè)設(shè)計資料的搜集、整理、數(shù)據(jù)的查詢，方案的確定，撰寫、電路的設(shè)計以及畢業(yè)答辯等活動，初步了解數(shù)控機床回參考點的方式的種類何工作原理，接受初步的數(shù)控機床的訓練和熏陶，深化和綜合基礎(chǔ)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?nèi)晁鶎W知識進行總結(jié)，全面的復(fù)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(yīng)手。能更好的適應(yīng)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(zhì)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(yīng)工作的需求。
1.3 國內(nèi)外概況綜述
我國生產(chǎn)機床的歷史始于1953年，經(jīng)過30年的努力，到80年代初已進入世機床主要生產(chǎn)國家行列。目前，國產(chǎn)機床以傳統(tǒng)的機械傳動式為主，品種、系列齊全。傳統(tǒng)機床完全依靠機械內(nèi)聯(lián)傳動實現(xiàn)滾刀與工件的同步運動和差動運動，往往需要經(jīng)過多級齒輪傳動，并且引入蝸桿蝸輪機構(gòu)使得機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜調(diào)整維護非常困難也降低了加工精度。近幾年，我國在機床設(shè)計技術(shù)方面研究的主要經(jīng)歷了從統(tǒng)機械式機床通過數(shù)控改造發(fā)展為2至3軸（直線運動軸）實用型數(shù)控高效機床，到全新六軸四聯(lián)動數(shù)控高速機床的開發(fā),最大主軸轉(zhuǎn)速一般為1200 轉(zhuǎn)/分，與發(fā)達國家同類產(chǎn)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(chǔ)研究差，整體設(shè)計能力不足，由此導(dǎo)致新技術(shù)應(yīng)用慢和仿制比重較大，如零傳動技術(shù)干切技術(shù)在齒輪加工機床中的應(yīng)用一直處于落后狀態(tài)。
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)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(shù)控系統(tǒng)的最高水平，利勃海爾數(shù)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(nèi)機床企業(yè)使用的中高檔機床的數(shù)控系統(tǒng)基本都是國外進口。同時國內(nèi)研制加工效率高、精度高直徑為兩米的大型螺紋在線加工部件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(wù)麻煩。數(shù)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(chǎn)中檔數(shù)控系統(tǒng)國內(nèi)市場占有率只有35%，而高檔數(shù)控系統(tǒng)95%以上依靠進口。功能部件國內(nèi)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(nèi)市場的50%，其余20%為歐盟、日本等品牌產(chǎn)品。據(jù)國家海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年我國進口數(shù)控系統(tǒng)金額達18.1億美元，機床附件(含功能部件和夾具)類產(chǎn)品達16.2億美元。
以高速、高精、復(fù)合、智能等為特征的高檔螺紋在線加工部件關(guān)鍵技術(shù)雖然已經(jīng)取得明顯進步，一批共性、基礎(chǔ)技術(shù)和新產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)，如：高速高精運動控制技術(shù)、動態(tài)綜合補償技術(shù)、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工技術(shù)、智能化技術(shù)、高精度直驅(qū)技術(shù)、可靠性技術(shù)等尚需進一步突破，有些重大技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化還有一段路程。以企業(yè)為主體、以市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學研用相結(jié)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(shù)支撐。
我國機床工具行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量整體水平已經(jīng)有了很大提高，對提升產(chǎn)業(yè)的整體素質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性方面，例如：機床早期故障率較高，精度穩(wěn)定性周期短，工程能力系數(shù)(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(chǎn)品質(zhì)量工作，解決深層次的質(zhì)量問題依然不容忽視。
1.4 本課題研究的內(nèi)容及方法
1.4.1 主要的研究內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目標，本文擬進行的研究內(nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和本身的結(jié)構(gòu)特點，確定螺紋在線加工部件整體設(shè)計方案。
2 確定的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學分析，根據(jù)實際情況選擇電機。
3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成螺紋在線加工部件各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
4 完成主要零部件強度與剛度校核。
1.4.2 設(shè)計要求
1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出螺紋在線加工部件的整體設(shè)計方案；
2 完成螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計；
3 通過相關(guān)設(shè)計計算，完成電機選型；
4 完成螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計；繪制螺紋在線加工部件結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
1.4.3 關(guān)鍵的技術(shù)問題
1 方案選擇
2 整體設(shè)計
3 電機選型設(shè)計
4 強度校核
60
2 螺紋在線加工部件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 螺紋在線加工部件的構(gòu)成
該機在整體結(jié)構(gòu)的主要零部件有底座基礎(chǔ)、縱向?qū)к?、橫向?qū)к墶⒅е?、切削頭、工作臺、控制箱、等組成。其中底座基礎(chǔ)上安裝有地腳螺栓，縱向?qū)к壷误w通過地腳螺栓與基礎(chǔ)體固定在一起。
2.2 螺紋在線加工部件的工作原理
本課題主要設(shè)計一套數(shù)控加工大型零部件上孔內(nèi)螺紋加工的主軸箱，進給箱內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖所示，通過對主軸箱的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)主運動和進給運動，從而實現(xiàn)對于螺紋的加工。這是一條內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系兩個執(zhí)行件，以形成復(fù)合成形運動的傳動鏈，稱為內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。它的作用是保證兩個末端件之間的相對速度或相對位移保持嚴格的比例關(guān)系，以保證被加工表面的性質(zhì)。如在臥式車床上車螺紋時，連接主軸和刀具之間的傳動鏈，就屬于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。此時，必須保證主軸（工件）每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀移動工件螺紋一個導(dǎo)程，才能得到要求的螺紋導(dǎo)程。對于主運動的設(shè)計是采用交流伺服電機通過減速機構(gòu)把動力傳到主軸上，主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)在孔內(nèi)加工出螺紋，而另一方面也采用交流伺服電機和減速機構(gòu)將運動傳到絲杠螺母副，絲杠的回轉(zhuǎn)帶動螺母移動，利用螺母座與主軸的套筒聯(lián)結(jié)，由于主軸和套筒的剛性連接，從而使得主軸隨著螺母的移動而移動，實現(xiàn)了進給運動。另外在主運動的減速機構(gòu)上安裝編碼器用于實時監(jiān)測主軸的轉(zhuǎn)速，以便及時調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，保證螺紋的加工質(zhì)量。對于鉆孔加工和螺紋加工類似，但卻是一條外聯(lián)系傳動鏈，聯(lián)系交流伺服電動機和主軸，使主軸得到給定的速度運動，并傳遞一定的動力，外聯(lián)系傳動鏈傳動比的變化，只影響生產(chǎn)率或表面粗糙度，不影響加工表面的形狀。因此，外聯(lián)系傳動鏈不要求兩末端件之間有嚴格的傳動關(guān)系。通過主軸的主運動和進給運動帶動刀具同時回轉(zhuǎn)運動和直線進給運動加工出所要求的孔。
伺服電動機是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類電動機，它在機電一體化設(shè)備進給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動機分為四大類：直流伺服電動機；交流伺服電動機；步進電動機；直接驅(qū)動電動機。直接驅(qū)動電動機、交流伺服電動機和直流驅(qū)動電動機均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進電動機主要用于開環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。相比于其他電動機，交流伺服電動機交流伺服電機特點?：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。
減速機構(gòu)采用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪傳動的優(yōu)點：1、使用的圓周速度和功率范圍廣；2、效率較高；3、傳動比穩(wěn)定；4、壽命長；5、工作可靠性高；6、可實現(xiàn)平行軸的之間傳動。
在機電一體化系統(tǒng)中，常常需要檢測運動部件的位移和速度。檢測角位移和速度常用的傳感器是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測線位移和線速度常用的則是直線光柵。這兩種位移檢測裝置本身就是旋轉(zhuǎn)器，它們與控制系統(tǒng)的接口簡單方便。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光學式位置檢測元件，主要用以測量轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，輸出信號為電脈沖，其外形如圖4-35所示。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器最初的結(jié)構(gòu)是一種光電盤，如圖4-36所示。在一個圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分（構(gòu)成主柵），圓盤與工作軸1一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個固定不動的圓形薄片（分度柵8）與圓盤（主柵7）平行放置，分度柵開有、、三組狹縫。其中、狹縫用于辨向，彼此錯開1/4柵距（主柵上相鄰兩線的間距為一個柵距）；狹縫用作零位。工作軸轉(zhuǎn)動時，感光元件接收到的光通量會時大時小地連續(xù)變化（近似于正弦信號），經(jīng)放大，整形電路變換后輸出方波信號，如圖4-37所示，其中、兩路方波的相位差為。若定義相超前于相時工作軸為正轉(zhuǎn)，則相超前于相時工作軸就為反轉(zhuǎn)。相是零位脈沖（每轉(zhuǎn)一個），通常用作測量基準。在實際應(yīng)用中，從編碼器輸出的、相信號經(jīng)辨向和倍頻后，變成代表位移的測量脈沖被引入位置控制回路進行位置調(diào)節(jié)；或經(jīng)頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號送給速度控制單元進行速度調(diào)節(jié)。
2.3 鉆孔的基本尺寸和切削用量
根據(jù)加工螺紋的公稱直徑確定孔徑的大小，查《金屬機械加工工藝人員手冊》(以下簡稱《手冊》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱直徑在之間，中徑公差等級為8級。查《手冊》可知，直徑大于的孔采用兩個鉆頭分兩次來鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊》查得=，當?shù)毒咧睆?，；當?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時軸向力，扭矩及功率的計算公式查《手冊》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計算，
根據(jù)（3）式，計算，
對于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線電流28.6,轉(zhuǎn)動慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
電機性能曲線如上圖所示，當電動機軸轉(zhuǎn)速在之間時，轉(zhuǎn)矩在之間。
2.4 減速機構(gòu)設(shè)計
根據(jù)選擇的電動機的相關(guān)參數(shù)和切削加工時功率和轉(zhuǎn)矩的要求，初選進給運動傳動機構(gòu)傳動比，二級傳動。
(2)加工螺紋的基本尺寸和切削用量
螺紋的公稱直徑查《手冊》知，如下表所示
選擇加工三角形內(nèi)螺紋的公稱直徑為之間，螺距在之間。加工刀具的材料為硬質(zhì)合金YT15，加工形式是鏜削螺紋，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼。
切削速度計算公式：
（6）
其中，為刀具耐用度90，為行程次數(shù)，
根據(jù)查到的數(shù)據(jù)可知為2；切削速度=18.51，=22.77.
主軸轉(zhuǎn)速公式：
= （8）
同理主軸切削速度在之間，代入主軸轉(zhuǎn)速公式得轉(zhuǎn)速的范圍在之間。電動機軸轉(zhuǎn)速之間根據(jù)螺紋加工時主軸轉(zhuǎn)速范圍可知，主運動傳動機構(gòu)傳動比符合要求。
主軸做進給運動時，根據(jù)鉆削扭矩值選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，其傳動機構(gòu)傳動比，二級傳動。
3 進給結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計
3.1 進給部位齒輪的傳動計算
根據(jù)前面章節(jié)介紹，該部分總傳動比為i=3
其中高速級取i1=1.5，低速級取I2=2.
3.2 高速級齒輪的設(shè)計計算
按設(shè)計計算公式1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）運輸機為一般工作機器，速度不高，選用7級精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS，二者硬度差為40 HBS。
4）初選小齒輪的齒數(shù)，，選
2 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計公式（注:腳標t表示試選或試 算值,下同.）
（1）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（非對稱布置）
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(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；大齒輪的接觸疲勞強度
6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（j為齒輪轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；為工作壽命）
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入較小值
由計算式得，
mm
2）計算圓周速度
3）計算齒輪b
4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)
由表10-2查得
由表10-4用插值法，7級精度,小齒輪相對軸承為非對稱布置
查得
由 查圖10-13得
故載荷系數(shù)
=1.562
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
7）計算模數(shù)
3 按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）
（1）確定計算參數(shù)
1)圖10-20C查得小齒輪彎曲疲勞強度極限，大齒輪彎曲疲勞
強度極限為
1） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)由公式(10-12)得
4)算載荷系數(shù) =
5)取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得
6)比較大小齒輪的大小
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面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)，終合考慮，滿足兩方面，對模數(shù)就近取整，則
m=2
4 幾何尺寸計算
計算得齒輪的參數(shù)為：
齒輪參數(shù)表
名 稱
計 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
24
Z2
36
壓力角
n
分度圓直徑
d1
72
d2
108
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
90
齒 寬
3.3 低速級齒輪的設(shè)計計算
1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）運輸機為一般工作機器，速度不高，選用7級精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（表面淬火），硬度為
48-55HRC,大齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS
4）初選小齒輪齒數(shù)，。取
2 按齒面接觸強度設(shè)計
按設(shè)計計算公式（10-9a）
（1）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
1）試選
2）計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(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；大齒輪的接觸疲勞強度
6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算式
得，mm
2）計算圓周速度
3）計算齒輪b
4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計算載荷系數(shù)K
由10-2查得使用系數(shù)，；
根據(jù)，7級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)
因為是直齒輪 所以 ；
由表10-4用插值法查的7級精度,小齒輪相對軸承為非對稱軸承時
.
由查圖10-13得
.
故載荷系數(shù)
=1.469
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
=70.39mm
7） 計算模數(shù)
對比計算結(jié)果，由齒面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)，終合考慮，滿足兩方面，對模數(shù)就近取整，則
m=3
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計及齒輪零件草圖見附件
齒輪參數(shù)表
名 稱
計 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
30
Z2
60
壓力角
n
分度圓直徑
d1
90
d2
180
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
135
齒 寬
3.4進給絲杠傳動設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)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?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)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。
3.5 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(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
3.5.1 導(dǎo)程確定
則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm (3.1)
3.5.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (3.2)
最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (3.3)
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
(3.4)
3.5.3 估計工作臺質(zhì)量及負重
主軸箱重量 (3.5)
工作臺重量 (3.6)
移動部件重量 (3.7)
3.5.4 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(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
(3.8)
(3.9)
其等效載荷按下式計算（式中取，）
(3.10)
3.5.5 確定絲桿所受的最大動載荷
(3.11)
fw-------負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉(zhuǎn)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3-2-1各類機械預(yù)期工作時間Lh
表3-2-2精度系數(shù)fa
表3-2-3可靠性系數(shù)fk
表3-2-4負載性質(zhì)系數(shù)fw
3.5.6 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(shù)中，導(dǎo)程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標設(shè)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(shè)計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，徑向進給為4級。
3.5.7 選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN (3.12)
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN (3.13)
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預(yù)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(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.6 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(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)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(nèi)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。
3.6.1 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：
(3.14)
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(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
(3.15)
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 (3.16)
支撐距離LO應(yīng)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。
3.6.2 臨界轉(zhuǎn)速驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
(3.17)
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm (3.18)
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9
經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.6.3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)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， (3.19)
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當導(dǎo)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(jīng)計算得：
(3.20)
(3.21)
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(nèi)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(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
3.7 電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.7.1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
(3.22)
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計算得 (3.23)
b、軸向進給直線運動件向絲桿折算的慣量
(3.24)
上式中：M—質(zhì)量 軸向進給直線運動件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得 (3.25)
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得 (3.26)
因此 (3.27)
3.7.2 電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
(3.28)
上式中： (3.29)
J=0.0028kg/m2 (3.30)
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計算得 (3.31)
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
(3.32)
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=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(jīng)計算得
c、折算至電機軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
(3.33)
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計算的T0=0.05N·M
4 主軸箱的設(shè)計計算
4.1進給結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計
根據(jù)加工螺紋的公稱直徑確定孔徑的大小，查《金屬機械加工工藝人員手冊》(以下簡稱《手冊》)可知，普通螺紋的基本尺寸如圖所示（注：本課題主要研究螺距之間的螺紋）。本課題研究螺紋的公稱直徑在之間，中徑公差等級為8級。查《手冊》可知，直徑大于的孔采用兩個鉆頭分兩次來鉆出，先用直徑為的鉆頭鉆，然后再擴至所要求的孔徑，選用的刀具是錐柄麻花鉆（）,刀具材料是,選用第一系列的刀具直徑，工件材料選用為結(jié)構(gòu)鋼=。
查《手冊》得，鉆削加工的切削速度公式
（1）
式中：---進給量[]
---刀具耐用度[]
---孔徑[]
由《手冊》查得=，當?shù)毒咧睆剑?；當?shù)毒咧睆?，將相關(guān)參數(shù)代入公式得，
鉆削時軸向力，扭矩及功率的計算公式查《手冊》可知，
[] (2)
[] (3)
[] (4)
根據(jù)（2）式，計算，
根據(jù)（3）式，計算，
對于轉(zhuǎn)速，有：
[] (5)
得，
將相關(guān)參數(shù)代入式（4）中得，
根據(jù)所計算的相關(guān)參數(shù)查相關(guān)資料，選擇180SM3020型號大慣量交流伺服電動機，額定功率5.6,額定力矩30，額定轉(zhuǎn)速2000，額定線電流28.6,轉(zhuǎn)動慣量90，其安裝尺寸如圖所示，
進給部位齒輪的傳動計算
根據(jù)前面章節(jié)介紹，該部分總傳動比為i=4
其中高速級取i1=2，低速級取I2=2.
高速級齒輪的設(shè)計計算
按設(shè)計計算公式1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）運輸機為一般工作機器，速度不高，選用7級精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS，二者硬度差為40 HBS。
4）初選小齒輪的齒數(shù)，，選
2 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計公式（注:腳標t表示試選或試 算值,下同.）
（1）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)（非對稱布置）
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(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；大齒輪的接觸疲勞強度
6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（j為齒輪轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)；為工作壽命）
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入較小值
由計算式得，
mm
2）計算圓周速度
3）計算齒輪b
4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)
由表10-2查得
由表10-4用插值法，7級精度,小齒輪相對軸承為非對稱布置
查得
由 查圖10-13得
故載荷系數(shù)
=1.562
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
7）計算模數(shù)
3 按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）
（1）確定計算參數(shù)
1)圖10-20C查得小齒輪彎曲疲勞強度極限，大齒輪彎曲疲勞
強度極限為
2） 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)由公式(10-12)得
4)算載荷系數(shù) =
5)取齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5查得
6)比較大小齒輪的大小
大齒輪的數(shù)值大
（2）設(shè)計計算
對比計算結(jié)果，由齒面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)，終合考慮，滿足兩方面，對模數(shù)就近取整，則
m=2
4 幾何尺寸計算
計算得齒輪的參數(shù)為：
齒輪參數(shù)表
名 稱
計 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
24
Z2
48
壓力角
n
分度圓直徑
d1
72
d2
144
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
108
齒 寬
4.2低速級齒輪的設(shè)計計算
1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。
1）根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）運輸機為一般工作機器，速度不高，選用7級精度（GB10095-88）
3）材料選擇 由表(10-1)選擇小齒輪材料為40Cr（表面淬火），硬度為
48-55HRC,大齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS
4）初選小齒輪齒數(shù)，。取
2 按齒面接觸強度設(shè)計
按設(shè)計計算公式（10-9a）
（1）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
1）試選
2）計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
3）由表10-7選取齒寬系數(shù)
4）由表10-6查取材料彈性影響系數(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；大齒輪的接觸疲勞強度
6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
7）由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算式
得，mm
2）計算圓周速度
3）計算齒輪b
4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒輪高
齒高比
5）計算載荷系數(shù)K
由10-2查得使用系數(shù)，；
根據(jù)，7級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)
因為是直齒輪 所以 ；
由表10-4用插值法查的7級精度,小齒輪相對軸承為非對稱軸承時
.
由查圖10-13得
.
故載荷系數(shù)
=1.469
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算分度圓直徑，由式（10-10a）得
=70.39mm
8） 計算模數(shù)
對比計算結(jié)果，由齒面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)，終合考慮，滿足兩方面，對模數(shù)就近取整，則
m=3
5.結(jié)構(gòu)設(shè)計及齒輪零件草圖見附件
齒輪參數(shù)表
名 稱
計 算 公 式
結(jié) 果 /mm
模數(shù)
m
3
齒數(shù)
Z1
30
Z2
60
壓力角
n
分度圓直徑
d1
90
d2
180
齒頂圓直徑`
齒根圓直徑
中心距
135
齒 寬
4.3 軸的計算
4.3.1 高速軸的計算
２．求作用在齒輪上的力
３．初定軸的最小直徑
選軸的材料為４５鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表１５－３，取
（以下軸均取此值），于是由式１５－２初步估算軸的最小直徑
４．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
１）擬定軸上零件的裝配方案（見下圖）
２）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（１）為滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，１軸段右端需制處一軸肩，軸肩高度半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度=30mm.，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故的長度應(yīng)該比略短一點，現(xiàn)取
(3)取齒輪左端面與箱體內(nèi)壁間留有足夠間距，取。為減小應(yīng)力集中,并考慮右軸承的拆卸,軸段4的直徑應(yīng)根據(jù)６００５的深溝球軸承的定位軸肩直徑確定
（4）軸段5上安裝齒輪,為便于齒輪的安裝, 應(yīng)略大與,可取.齒輪左端用套筒固定,為使套筒端面頂在齒輪左端面上,即靠緊,軸段5的長度應(yīng)比齒輪轂長略短,若轂長與齒寬相同,已知齒寬,故取。齒輪右