CA6140普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)）
CA6140普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)）,ca6140,普通,車(chē)床,進(jìn)行,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙,說(shuō)明書(shū),仿單
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院2007屆畢業(yè)（論文）
目 錄
一、緒論
1．1 引言.............................. ............1
1．2機(jī)床數(shù)控改造的目的.......................... ... 2
1．3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展....................... .....2
1．3．1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.........................2
1．3．2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)............................2
1．4CA6140的數(shù)控改造............... ................4
1．4．1數(shù)控系統(tǒng)的選擇................................4
1．4．2CPU和存儲(chǔ)器...................................5
1．4．3I/O接口線路...................................6
1．4．4其他部件的選擇...............................6
二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算
2．1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算............. ............7
2．1．1選擇脈沖當(dāng)量..................................7
2．1．2計(jì)算切削力....................................7
2．1．3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型...................8
2．1．4齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算.....................10
2．2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.........................12
2．2．1 切削力計(jì)算..................................12
2．2．2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算............................12
2．2．3齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算....................14
2．3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)................................15
2．3．1刀架的回轉(zhuǎn)和選位................... ..........16
2．3．2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......17
2．3．3蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算..................... ......20
2．3．4螺旋升降裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算.......................23
三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1概述............................ . . . .........27
3．2單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).............................28
3．2．1主要技術(shù)特性及硬件配制......................28
3．2．2存儲(chǔ)空間的分配..............................28
3．2．3 I/O地址分配................................28
3．2．4單片機(jī)部分電路設(shè)計(jì)圖如圖紙所示...............29
3．2．5光電隔離電路................................29
3．2．6功率放大電路................................29
3．2．7其他輔助電路........................... ......30
四、軟件設(shè)計(jì)部分
4．1概述................................. . . . ....30
4．2總體方案設(shè)計(jì)...................................31
4．3插補(bǔ)方法的確定.................................31
4．4進(jìn)給控制字FCW的設(shè)置...........................33
致謝 ............................... ..........34
參考文獻(xiàn)..........................................35
一、緒論
1.1引言
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加速，因此對(duì)機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)能迅速地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速的發(fā)展起來(lái)。
從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床（1952年 美國(guó)）問(wèn)世至今，機(jī)床的數(shù)控化率在不斷的提高。世界各工業(yè)國(guó)家已普遍生產(chǎn)和應(yīng)用，日本生產(chǎn)機(jī)床的數(shù)控化率在1988年就已達(dá)到70%。
我國(guó)從開(kāi)放搞活以來(lái)，加快了數(shù)控機(jī)床技術(shù)的引進(jìn)，促使我國(guó)的機(jī)床數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展。當(dāng)前普遍應(yīng)用的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，它綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和機(jī)械制造等方面的最新成果，是一種靈活高效的自動(dòng)化機(jī)床，是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品之一。各大企業(yè)不斷設(shè)置數(shù)控機(jī)床擴(kuò)大再生產(chǎn)和替換陳舊設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的普及率不斷提高，這種情況下，普通機(jī)床的數(shù)控改造是否必要可從以下幾點(diǎn)說(shuō)明。
數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批多變零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是應(yīng)用數(shù)控機(jī)床還是受到其他條件的限制。
⑴數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，對(duì)中小企業(yè)常是力不從心。
⑵目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代的機(jī)床閑置起來(lái)又造成浪費(fèi)。
⑶國(guó)內(nèi)訂購(gòu)新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)需要。
⑷通過(guò)數(shù)控機(jī)床對(duì)具體生產(chǎn)有多余功能。
要較好地解決上述問(wèn)題，應(yīng)走普通車(chē)床數(shù)控改造之路，從一些工業(yè)化國(guó)的經(jīng)驗(yàn)者，機(jī)床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如：日本的大企業(yè)中有近30%的機(jī)床經(jīng)過(guò)數(shù)控改造，中小企業(yè)則是70%以上。在美國(guó)有許多數(shù)控專(zhuān)業(yè)化公司為世界各地提供機(jī)床數(shù)控改造服務(wù)。我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)-為了提高機(jī)床的數(shù)控化率對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造不失為一種良策。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、 日本等就非常重視對(duì)舊機(jī)床的改造， 而且已形成了一個(gè)完善的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的改造體系。 由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造已成為一個(gè)永恒的課題。 我國(guó)應(yīng)在這方面加大宣傳力度， 走出一條適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)床的數(shù)控改造之路。機(jī)床數(shù)控改造節(jié)省資金，同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60％~80％的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的 1/3 即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)， 也只需花費(fèi)購(gòu)買(mǎi)新機(jī)床60％的費(fèi)用， 并可以利用現(xiàn)有地基。性能穩(wěn)定可靠， 因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后， 即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3-7倍。對(duì)復(fù)雜零件而言， 難度越高， 功效提高得越多。 且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用，而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。因此，普通機(jī)床的數(shù)控不但存在的必要，而且大有可為，尤其對(duì)一些中小企業(yè)更是如此。
1. 2機(jī)床數(shù)控改造的目的
設(shè)備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。設(shè)備的技術(shù)性能
和技術(shù)狀態(tài)不但直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，還關(guān)系工時(shí)、材料和能源的有效利用，同時(shí)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。設(shè)備的技術(shù)改造和更新直接影響企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)開(kāi)拓。因此，從企業(yè)產(chǎn)品更新替代、發(fā)展品種、提高質(zhì)量、降低能耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)際出發(fā)，進(jìn)行充分的技術(shù)分析，有針對(duì)性的用新技術(shù)改造和更新現(xiàn)有設(shè)備，是提高企業(yè)素質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一種有效方法。
據(jù)全國(guó)工業(yè)普查的統(tǒng)計(jì)資料介紹，截止到2000年底，數(shù)量較多涉及面較寬的金屬加工機(jī)床的擁有量約為384萬(wàn)臺(tái)，其中役齡在6~ 15年約為153. 2萬(wàn)臺(tái)，約占39. 9%，役齡在16a以上約為133. 7萬(wàn)臺(tái)，約占34. 8%。這表明我國(guó)工業(yè)制造業(yè)的裝備，乃至各行各業(yè)的設(shè)備仍有相當(dāng)大數(shù)量比較落后，有待改造或更新。鑒于此，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情。
1. 3數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展
1. 3. 1數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展
第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)為革新飛機(jī)制造業(yè)中用于仿形機(jī)床的靠模和樣件的加工設(shè)備，開(kāi)始研制新型機(jī)床。1952年，美國(guó)帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng)。用于三坐標(biāo)立式銑床。其插補(bǔ)裝置采用脈沖乘法器，整個(gè)控制裝置由真空管組成。1959年，晶體管元件問(wèn)世，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路，從此數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第二代。 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于其體積較小，功耗低，抗干擾能力較強(qiáng)，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱(chēng)為普通數(shù)控系統(tǒng)o隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)替代專(zhuān)用硬接線裝置，以控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第四代。1970年前后，美國(guó)英特爾公司首先開(kāi)發(fā)和使用了四位微處理器，1974年美、日等國(guó)首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由于中、大規(guī)模集成電路的集成度和可靠性高、價(jià)格低廉，所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。這就是微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了第五代?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進(jìn)一步擴(kuò)展功能，增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力和可靠性，常采用多微處理器結(jié)構(gòu)，由多個(gè)微處理器構(gòu)成功能模塊，各功能模塊之間的互連與通信，或采用共享總線結(jié)構(gòu)，或采用共享存貯器結(jié)構(gòu)。
1.3.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
1、向高速度、高精度發(fā)展
現(xiàn)代機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)多采用32位CPU和多CPU并行技術(shù)，使運(yùn)算速度得了很大的提高。與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)的位置、速度和電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)多達(dá)9個(gè)，使機(jī)床可以加工較復(fù)雜的空間線型或型面。
2、可靠性的提高
由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于組織批量生產(chǎn)，故可保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路，采用專(zhuān)用芯片及混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，提高了可靠性。
3、采用自動(dòng)程序編制技術(shù)
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強(qiáng)的存貯及運(yùn)算能力，把很多自動(dòng)編程功能植入數(shù)控系統(tǒng)。在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過(guò)程中，根據(jù)機(jī)床性能，工件材料及零件加工要求，自動(dòng)選擇最佳刀具及切削用量。
1.4 CA6140的數(shù)控改造
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)CA6140普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，橫向?yàn)?.005mm/脈沖。驅(qū)動(dòng)元件采用直流步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠。
1.4.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心，在選擇時(shí)，要對(duì)其性能、 經(jīng)濟(jì)性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮，盡量選用名牌產(chǎn)品。 根據(jù)被改機(jī)床的結(jié)構(gòu)、 性能及被加工零件的精度來(lái)選擇數(shù)控系統(tǒng)。 既要功能相匹配，又要盡量減少過(guò)剩的數(shù)控功能。 這樣一方面可避免資金浪費(fèi)，另一方面也可避免因數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜而增加的故障率。
目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類(lèi)型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； 交 / 直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)， 其伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、 功率步進(jìn)電機(jī)、 電液脈沖馬達(dá)等。該系統(tǒng)位移精度較低， 但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 調(diào)試維修方便、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低、抗干擾性能強(qiáng)、 對(duì)環(huán)境室溫要求不高，易改裝成功。 適用于精度要求一般的中小型機(jī)床的改造，也是目前數(shù)控改造中應(yīng)用最為廣泛的一種。 異步電機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度高，但在結(jié)構(gòu)上比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜， 工作量大，成本也高， 調(diào)試?yán)щy， 一般不采用。 交 / 直流伺服電機(jī)拖動(dòng)編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 其精度介于前二者之間，結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適用于控制精度要求較高的大、 中型機(jī)床的改造。
總體方案確定為用MCS——51系列單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。示意圖如圖1所示。
圖1
由于設(shè)計(jì)的是經(jīng)濟(jì)型車(chē)床的改造，所以在考慮具體的方案時(shí)，其本原則是在滿足需要的前提下，對(duì)于機(jī)床盡可能減少改動(dòng)量，以降低成本。
8031單片機(jī)在數(shù)控改造應(yīng)用較普通，各種應(yīng)用軟件較多，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)較容易，且其價(jià)格低廉，抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，速度快，指令系統(tǒng)的效率高，體積小，最適宜用來(lái)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易和小型專(zhuān)用的數(shù)控裝置。
1.4.2 CPU和存儲(chǔ)器
由于8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器,同時(shí),8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,也不能滿足控制系統(tǒng)的要求,故擴(kuò)展了兩片2764的程序存儲(chǔ)器和一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯片的P0和P2用來(lái)傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù),P2口傳送高八位地址,P0口需傳送低八位地址和數(shù)據(jù),所以要采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為選通信號(hào)。8031芯片的P2和74LS373送出的P0口低八位地址共同組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線,A0~A7低八位接74LS373的輸出,A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4,系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764芯片片選信號(hào)CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1,系統(tǒng)復(fù)位后程序從0000H開(kāi)始執(zhí)行。6264的片選信號(hào)CE也接74LS138譯碼器的Y2(單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址)、8031芯片控制信號(hào)PSEN接2764的OE引腳,讀寫(xiě)控制信號(hào)WR和RD分別接6264芯片的WE和OE,以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)。由于8031芯片內(nèi)沒(méi)有ROM故EA須接地。
1.4.3 I/O接口電路
由于8031只有P1和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用,不能滿足輸入輸出口的需求,因而系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片8155可編程輸入輸出接口電路。8155的片選信號(hào)CE分別接74LS138的Y3和Y4,74LS138譯碼器的三個(gè)輸入端A、B、C分別接到8031的P2.5、P2.6、P2.7。I/O接口與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的:8155(1)芯片的PA0~PA5為面板上的選擇開(kāi)關(guān);PB0~PB7是各種運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)控制;PC0~PC3發(fā)出刀位信號(hào),控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn),到達(dá)指定的刀位,刀架夾緊之后,發(fā)出換刀回答信號(hào),經(jīng)8155(1)的PB5輸入計(jì)算機(jī),控制刀架開(kāi)始進(jìn)給。8155(2)芯片的PA0~PA7為Z、X向電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖,PB0~PB3是鍵盤(pán)掃描輸入,PB4~PB7的輸出是X!Y向的限位控制,PC0~PC5是顯示器的位選信號(hào),顯示器的段選信號(hào)由8031的P110~P117控制。
1.4.4 其它部件的選擇
直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參照《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》選取。滾珠絲杠選取FD系列，北京機(jī)床廠產(chǎn)品。為內(nèi)循環(huán)雙螺母墊片預(yù)進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便、剛度高。
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，在原機(jī)床進(jìn)給箱處安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，采用原固定方式。
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造。拆除原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)零件操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)。
縱橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速，調(diào)隙齒輪用于消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。
在原溜板箱處安裝縱、橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇到意外情況時(shí)的緊急處理需要。
CA6140車(chē)床數(shù)控改造總布置圖如圖6所示。
二、數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計(jì)算
2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)得設(shè)計(jì)計(jì)算
工作臺(tái)重量：80kg
時(shí)間常數(shù)：T=25ms
滾珠絲杠導(dǎo)程：S=6mm
行程：L=1200 mm
脈沖當(dāng)量：σ=0.018mm/step
步距角：φ=0.75°/step
快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min
加工最大直徑：φ=400 mm
加工最大長(zhǎng)度：1000 mm
溜板及力架重力：800N
刀架快段速度：2.4 m/min
最大進(jìn)給速度：0.6 m/min
主電機(jī)功率：7.5KW
起動(dòng)加速時(shí)間：30 ms
機(jī)床定位精度±0.015 mm
2.1.1 選擇脈沖當(dāng)量：
根據(jù)機(jī)床精度要求確定，縱向0.01mm/步。
2.1.2 計(jì)算切削力：
①縱車(chē)外圓;
由文獻(xiàn)可知切削功率Nc=Nηk式中：
N——電動(dòng)機(jī)功率7.5KW
η——主動(dòng)系統(tǒng)總功率一般為0.6~0.7 取η=0.65
K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)：取0.96
Nc=NηK=7.5×0.65×0.96=4.68KW
又因Nc=FzV/6120 有Fz=6120Nc/V
式中V——切削速度取100m/min
主切削力Fz=6120×4.68/100=286.416kgf=2806.88N
由參考文獻(xiàn)二可知，主切削力
Fz=CFz·apXFz·fYFz·kTfz
查表:Cfz=188kgf mm
XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1
則可計(jì)算如下表:
ap (mm)
2
2
2
3
3
3
F(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz(kgf)
112.5
152.4
189.1
168.7
228.7
283.7
當(dāng)Fz=283.7 kgf時(shí)，切削深度ap=3mm，走刀量f=0.4 mm，此參數(shù)作為下邊計(jì)算用，由參考文獻(xiàn)一得一般外圓車(chē)削時(shí)Fx=(0.1～0.6) Fz Fy=(0.15～0.7)Fz
Fx=0.5 Fz=0.5×286.416=143.208 kgf=1403.44 N
Fy=0.6 Fz=0.6×286.416=171.8496 kgf=1684.1 N
②橫切端面：
主切削力Fz′（kgf）可取縱切的1/2
Fz=′ Fz×1/2=143.208 kgf=1403.44 N
取Fx′=0.6 Fz′=0.6×143.208=85.9248 kgf=842.06 N
Fy′=0.5 Fz=0.5×143.208=71.604 kgf=701.72 N
2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型：
縱向進(jìn)給絲杠
① 計(jì)算進(jìn)給率引力Fm（N）
縱向進(jìn)給為綜合導(dǎo)軌Fm=KFx+f′（Fz+G）
式中K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)綜合導(dǎo)軌取K=1.15
f′——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.15~0.18，取0.16
G——溜板及力架重力：800 N
Fm=KFx+f′(Fz+ G)=1.15×1403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N
② 計(jì)算最大的負(fù)載C
C= Fm ·fw·L1/3 其中L=60nT/10 n=1000Vs/L0
其中 L0——滾珠絲杠導(dǎo)軌。 初選L0=6 mm
Vs——最大切削力F的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的（1/2~1/3），此外Vs=0.6m/min。
T——使用壽命 按15000h
f w——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)。按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取f w=1.2~1.5。
L——壽命以106轉(zhuǎn)為1單位。
N=1000Vs/ L0=1000×0.6×0.5/6=50r/min
L=60nT/10=60×50×15000/10=45
C= Fm ·fw·L1/3=451/3×1.2×2191.06=9352.04 N
③ 滾珠絲杠螺母副的選型。
據(jù)北京機(jī)床研究所滾珠絲杠產(chǎn)品的樣本選取絲杠直徑φ40，選用型號(hào)為FD40×6—1×2—3其額定動(dòng)載荷為163000 N，精度等級(jí)E級(jí)，強(qiáng)度夠用。
④ 傳動(dòng)效率計(jì)算
η=tgδ/tg(γ+φ) γ—螺旋升角2 °44′
η=tgγ/ tg(γ+φ)= tg2 °44′/ tg(2 °44′+10′)=0.94
⑤ 剛度計(jì)算：
滾珠絲杠受工作負(fù)載Fx引起的導(dǎo)程L0的變化量ΔL1= Fm Fm/E F
其中：ΔL1——在工作負(fù)載Fx作用下引起每一導(dǎo)程的變化量mm）
Fm——工作負(fù)載即進(jìn)給率引力N
L0——滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）
E——材料彈性模數(shù)對(duì)鋼E為20.6×104（N/ mm2）
S——滾珠絲杠截面積（內(nèi)徑）（mm2）
S=π（d′/2）2 d′=d0+2e-2Rs=36.3789
S=π（d′!/2）2=(36.379/2) 2 ×3.14=10.38mm
其中 Rs=（0.51~0.56）Pw=1.836
e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025
故ΔL = Fm L0/E F=2191.06×0.6/20.6×106×10.38=6.1428×10-6cm
滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)引起的導(dǎo)程變化量ΔL2 ΔL2= L0φ/2π+φ很小，忽略不計(jì)。 所以 ΔL=ΔL1+ΔL2=ΔL1
Δ=100ΔL / L0=100/0.6×6.1428×10-6=10.238μm
查表知E紋精度絲杠允許誤差15μm
10.238μm＜15μm剛度夠
⑥穩(wěn)定性校核：
滾珠絲杠兩端用推力球軸承，支承基本不變，穩(wěn)定性不存在問(wèn)題。
2.1.4 齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算：
設(shè)計(jì)計(jì)算公式均來(lái)自參考文獻(xiàn)一
① 縱向傳動(dòng)有關(guān)齒輪計(jì)算，傳動(dòng)比i
i=φL0/360σp=0.75×6/360×0.01=1.25
L0——滾珠絲杠導(dǎo)程 φ——步距角 σp——脈沖當(dāng)量
故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 α=20° d1=mZ1=64mm
d2= mZ2=80mm dα1=d1+2ha*=68mm dα2=84mm
df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm
② 縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
傳動(dòng)慣量的計(jì)算
（Ⅰ）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=(180δp/πφ) 2·W=（180×0.001/3.14×0.75）2×80
=0.468kgf·cm2
（Ⅱ）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J2=7.8×10－4×4.04×150.0=29.95kg·cm2
(Ⅲ)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J3=7.8×10－4×6.44×1.8=2.355kg·cm2
J4=7.8×10－4×8.04×1.8=5.75kg·cm2
(Ⅳ)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J
J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468
=22.586kg·cm2
所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
<1>快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩M起
M起=Mamax+Mf+M0
<2>最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
<3>快速進(jìn)給時(shí)所需力矩M= Mf+M0
式中 Mamax——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
Mf——折算到電機(jī)軸上的摩擦力力矩
M0——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力力矩
Mat——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
Mt——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
Ma=J·n/9.6T×10-4N·m
當(dāng)n=nt時(shí)，Ma=Mamax
nmax =Vmax·i/s=2000×1.25/6=416.7r/min
Mmax=22.586×416.7/9.6×0.025×10-4=40.0138kgf·cm
當(dāng)n=nt時(shí)，Ma= Mat s---導(dǎo)程6mm
nt=ni·f·i/s=1000×100×0.4×1.25/3.14×80×6=33.17r/min
Mat=22.58×33.17/9.6×0.025×10-4=0.3112N·m=3.175kgf·cm
Mf=F0·S/2πηi=f′WS/2πηi
當(dāng)η=0.8，f′=0.16時(shí)
Mf=0.16×80×0.6/2×3.14×0.8×25=1.223kgf·cm
M0=P0·S/2πηi(1-η02)
η0=0.9，預(yù)加載荷P0=1/3FX,則
M0=FX·S/6πηi(1-η02)=143.208×0.6×(1-0.92)/6×3.14×0.8×1.25=0.866kgf·cm
Mt=FX·S/2πηi=143.208×0.6/2×3.14×0.8
×1.25=13.68kgf·cm
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgf·cm
切削時(shí)所需力矩
M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgf·cm
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：
M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgf·cm
從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。
<4>步進(jìn)電機(jī)最高工作效率
fmax=Vmax/60δp=2000/60×0.01=3333.3Hz
<5>步進(jìn)電機(jī)的選擇
對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgf·cm
查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩是 800N·cm=48.6kgf·cm
該電機(jī)在3333.3Hz下啟動(dòng)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)矩42.1kgf·cm，所以采用高低壓功放電路，并在程序設(shè)計(jì)中有速度控制子程序以免啟停時(shí)發(fā)生失步現(xiàn)象。其矩頻特性滿足實(shí)際需要的轉(zhuǎn)矩。
2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算：
由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類(lèi)似。所用的公式不在詳細(xì)說(shuō)明
工作臺(tái)重量：30kg
時(shí)間常數(shù) ：T=25ms
滾珠絲杠導(dǎo)程：S=6mm
行程：L=226mm
脈沖當(dāng)量：δp=0.005mm/step
步距角：φ=0.75°/step
快速進(jìn)給速度：Vmax=1m/min
加工最大直徑：φ210mm
刀架快移速度：1.2m/min
最大進(jìn)給速度：0.3m/min
主電機(jī)功率：7.5kw
2.2.1 切削力計(jì)算：
橫向進(jìn)給量為縱向的1/3~1/2，取1/2。則切削力約為縱向的1/2
Fz=1/2×286.416kgf=143.208kgf
在切斷工件時(shí)Fy=0.6Fz=0.6×143.208=85.925kgf
Fx=0.5Fz=0.5×143.208=71.604kgf
2.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算：
① 強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌P=kFx+f′(Fz+W+2Fy)
取k=1.4 f′=0.2 則
Fm=1.4×71.604+0.2×(143.2+30+2×85.925)=169.26kgf
n=1000Vcs/L0=30r/min
X壽命值：L=60ntT/10?6 則
L=60×n×T/106=60×30×15000/106=27
Q=271/3×1.2×169.26=609.33=5971.4N
根據(jù)北京機(jī)床廠滾珠絲杠產(chǎn)品，選取滾珠絲杠公稱(chēng)直徑為φ25，型號(hào)FD25×5——1×2——3LH 其額定動(dòng)載荷為23100N，所以強(qiáng)度足夠。
② 效率計(jì)算
螺旋開(kāi)角r=3°39′ 摩擦角 φ=10′
η=tgr/tg(r+φ)=tg3°39′/tg(3°39′+10′)=0.956
③ 剛度驗(yàn)算
橫向絲杠支撐方式如下圖4，最大牽引力為169.25kgf,支撐間距L=450mm
滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程L0的變化量為：
d=d0+2e-2Rs=25+2×0.02×0.6×5×0.707-2×0.52×0.6×5
=21.96mm
ΔL1=PL0/E·F
其中 L0=5mm E=20.6×106N/cm2
F=π（d/2）2=3.79cm2
ΔL1=169.25×9.8×0.5/20.6×106×3.79
=10.62×10-6滾珠絲杠受扭距引起的導(dǎo)稱(chēng)變化量很小，可以忽略，故
Δ=ΔL1×1/ L0=21.3μm/m
三級(jí)精度絲杠允許誤差為15μm，所以剛度不夠，滾珠絲杠直徑亦不加大，采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小牽引力，則
Q=1.4×71.6+0.04×（143.208+30+2×85.925）
=114.5kgf
ΔL=114.05×9.8×0.5/20.6×106×3.79=7.16×10-6
Δ=7.16×10-6/0.5=14.32μm/m
此時(shí)剛度夠用
④ 穩(wěn)定性計(jì)算
由于選用的絲杠直徑和以前機(jī)床的絲杠的直徑相同，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題。
2.2.3 齒輪及步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)計(jì)算：
傳動(dòng)比：i=φ·s/360×0.005=0.75×5/360×0.005=2.08
取 Z1=24 Z2=50 m=2mm b=20mm α=20° d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm
②轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J2=（180×0.005/3.14×0.75）2×30=0.0438kgf·cm2
絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JS=7.8×-4×2.54×45=1.37kg·cm2
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Jz1=7.8×-4×4.84×2=0.828 kg·cm2
Jz2=7.8×-4×104×2=15.6 kg·cm2
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=1/22×（JS+JZ2）+ JZ1+ JS
=1/2.082×（1.371+15.6）+0.8281+0.0438
=4.79kg·cm2
③ 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
nmax=Vi/5=1000×2.08/5=416r/min
Mmax=J×nmax×10-4/9.6T=4.79×416×10-4/9.6×0.025=0.83N·m=8.47kgf·cm
nt=n+i/s=1000Vfi/πDs=1000×100×0.15×2.08/3.14×80×5=24.84 r/min
Mat=4.79×24.84×10-4/9.6×0.025=0.0495 N·m=0.506 kgf·cm
Mf=F0 S/2πηi=F’WS/2πηi=0.2×30×0.5/2×3.14×0.8×2.08
=0.287 kgf·cm
M0=Fr S(1-η02)/ 2πηi=85.925×0.5（1-0.92）/2×3.14×0.8×2.08
=0.781 kgf·cm
Mt= Fr S/2πηi=85.925×0.5/2×3.14×0.8×2.08=4.111 kgf·cm
快速空載起動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩
M啟= Mamax+ Mf+ M0
=8.47+0.287+0.781=9.538 kgf·cm
切削時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
M切= Mat+M+ M0+ Mt
=0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgf·cm
快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
M快=Mf+M0=0.287+0.781=1.068kgf·cm
所需最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)
Mamax=9.538kgf·cm
④ 步進(jìn)電機(jī)最高工作效率
fmax=Vmax/60δp=1000/60×0.005=3333.3Hz
⑤ 步進(jìn)電機(jī)的選擇
fe=1000Vs/60δp=1000×0.5/60×0.005=1666.7Hz
對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Jmax=Mmax×1/0.866=9.538/0.866=11.014kgf·cm
仍選用110FB003型步進(jìn)電機(jī),便于設(shè)計(jì)和采購(gòu),同樣也用高低壓功放電路和速度控制子程序,防止失步。
2.3 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床一般都配有四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架,它是據(jù)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)備的需要,同時(shí)兼顧刀架機(jī)床上能夠獨(dú)立控制的需要而設(shè)計(jì)的。現(xiàn)有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀,其結(jié)構(gòu)主要有插銷(xiāo)式和端齒盤(pán)式。由于刀架生產(chǎn)廠家無(wú)一標(biāo)準(zhǔn),因此,結(jié)構(gòu)、尺寸各異。由于目前使用較多的是端齒盤(pán)式四工位自動(dòng)刀架,所以就選用端齒盤(pán)式四工位自動(dòng)刀架。
從自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類(lèi)刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動(dòng)完成抬起，回轉(zhuǎn)，選位，下降定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作。下面依次討論刀架要完成上述過(guò)程的設(shè)計(jì)原理。
刀架的抬起,利用螺紋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到抬起刀架的目的，在這種情況下完成這一功能的絲杠要豎直安放。在刀架的抬起過(guò)程中要防止刀架轉(zhuǎn)動(dòng)這可通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)帶有斜面的粗定位銷(xiāo)和定位銷(xiāo)槽的配合來(lái)完成，并使斜面間摩擦力產(chǎn)生的阻力矩，大于上述轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩。
2.3.1 刀架的回轉(zhuǎn)和選位
刀架由一個(gè)微電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸線是豎直的而轉(zhuǎn)速比起微電機(jī)來(lái)要慢的多，由于電機(jī)空間條件限制必須臥式安裝，因此兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相垂直或異面垂直，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較適合于這場(chǎng)合刀架從抬起變成轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作原理是：當(dāng)?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r(shí)由一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)，因此刀架的抬起運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)由同一傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)先后完成。
刀架轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后要選位看一看轉(zhuǎn)到這個(gè)位置的刀具是否符合加工要求，這一切是由于微機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的說(shuō)當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)動(dòng)此位置時(shí)程序自動(dòng)地將改位置的編碼與所需刀具編碼加以比較，若相同，該刀具就選定此位，否則再移動(dòng)，重復(fù)上述過(guò)程。
每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度大小，由刀架的面體數(shù)量來(lái)確定由于設(shè)計(jì)的四工位刀架每次轉(zhuǎn)360/4=90度刀架編碼分別位00，01，10，11。刀架編碼信號(hào)的發(fā)出是由于裝在隨刀架一起轉(zhuǎn)動(dòng)的微機(jī)電源開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的微機(jī)開(kāi)關(guān)的觸頭朝外它的開(kāi)頭狀態(tài)由一個(gè)內(nèi)表面凸輪來(lái)控制凸輪實(shí)際上是只有一定半徑差的兩個(gè)內(nèi)圈弧表面微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭與小半徑差的兩個(gè)內(nèi)圓弧表面接觸開(kāi)關(guān)便接通與大半徑內(nèi)圓弧表面接觸開(kāi)關(guān)便中斷與此對(duì)應(yīng)的信號(hào)分別是0和1所需要的微動(dòng)開(kāi)關(guān)數(shù)目等于編碼的位數(shù)即四方刀架有兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，另外刀架編碼信號(hào)并非刀架轉(zhuǎn)到此位置時(shí)才發(fā)出的而是提前發(fā)出的當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到某個(gè)刀位時(shí)粗定位開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，停轉(zhuǎn)微機(jī)進(jìn)行編碼比較，根據(jù)比較結(jié)果，或刀架選定此位，或繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，粗定位開(kāi)關(guān)的通斷控制也是由一個(gè)類(lèi)似于表面凸輪的定位槽來(lái)完成了刀架的下降定位和壓緊。
刀架選定位置后斜面插入斜面槽中使之粗定位然后微機(jī)控制使微電機(jī)反轉(zhuǎn)由于斜面銷(xiāo)的棘輪作用，刀架不跟隨轉(zhuǎn)只是下降再由精定位元件來(lái)精定位。
精定位元件選用端面齒盤(pán)來(lái)精定位齒盤(pán)齒廓部分的形狀精度可以從工藝上嚴(yán)加控制再經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)研，即可得到很高的精度，由于端面齒盤(pán)定位位多齒接觸，接觸面積大因此它還有接觸剛度好，定位尺寸穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，此外這種元件允許刀架下降時(shí)有一定角度誤差。
定位完畢需要壓緊刀架才能安全可靠地工作，壓緊力是由刀架下降到底后微電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，壓緊力大小應(yīng)是切削力大小兩倍以上而且應(yīng)能調(diào)整，當(dāng)壓緊力達(dá)到調(diào)整數(shù)值時(shí)使微電機(jī)停轉(zhuǎn)且始終能保持這一壓力直到下一動(dòng)作循環(huán)的開(kāi)始。
2.3.2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
本減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成告訴級(jí)齒輪傳動(dòng)的一級(jí)直齒圓柱齒輪減速器。由《經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（張新義主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.7 第六章P335表6－32和表6－33已知電機(jī)功率為120w電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min 工作可靠>30000次取為40000次換刀時(shí)間（270）為3.9s） 設(shè)傳動(dòng)比為i=μ=4.6
1. 選擇材料
刀架為一般工作器，選常用材料及熱處理， 40cr表面淬火齒面硬度48－55HRC取中間值52HRC
計(jì)算許用應(yīng)力
選用齒面精度等級(jí)為5級(jí)精度（GB10095－58） 初選小齒輪齒數(shù)Z1＝19 大齒輪齒數(shù)Z2＝i*Z1=4.6*19=87.4 取Z2＝88 實(shí)際齒數(shù)比μ＝Z2/Z1＝88/19=4.632 齒數(shù)比誤差為|M理-M實(shí)|/M理=|4.632-4.6|/4.6＝0.007％ 在允許范圍內(nèi)
2．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算公式按式（6－6）
d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)2}? }}))0
(1)確定計(jì)算參數(shù)
T1＝9.55×10⒍P1/n1=9.55×10⒍×0.16/1400N.mm=1.09×10⒉N.mm
按齒數(shù)z1＝19，z2＝88查表6－15得εα1＝0.741 εα2＝0.845
則εα＝εα1＋εα2＝0.741＋0.845＝1.586 因是直齒輪εβ＝0
故εγ＝εα＝1.586
查表6－7假設(shè)KaFt/b<100N.mm 取Kα＝1.3
據(jù)表6－6因?yàn)檩d荷穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)Ka＝1.0
據(jù)表6－9懸臂布置，取齒寬系數(shù)ψd＝0.5
據(jù)圖6－11查得Kβ′＝1.26 試選Kvt＝1.05（下標(biāo)t表示試選）
由式（6－2）K＝KA×KV×Kα×Kβ＝1×1.05×1.26×1.3=1.72
由表（6－8）查得Ze＝189.8Mpa
由表（6－10）查得齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限（大小齒輪硬度相同）
δhlim=1500Mpa
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1＝1400/60×4000×4.4=4.1×10⒍
N2=4.1×10⒍/4.632=8.9×10⒌
由圖6－32查得Zn1＝1.6 Zn2＝1.6(不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕)
由6－11取安全系數(shù)Sh＝1.50
由圖6－24工作硬化系數(shù)Zw＝1.0
許用接觸應(yīng)力
[δ]H1=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=1600mpa
[δ]H2=δHlim×Zn1×Zw/Sh=1500×1.6×1/1.5=1600mpa
因?yàn)?－16 [δ]H1＝[δ]H2＝1600Mpa,所以[δ]H＝1600Mpa
由圖6－16查得Zε＝0.89
(2)計(jì)算
d1t≥{(2kT1/ψd)*((u+1)/u)*(Ze*Zh*Zε/[σ]H)2}?
＝13.61
重新校核，動(dòng)載荷系數(shù)，齒輪速度
V＝πd1n1/(60×1000)=π×13.41×1400/(60×1000)=0.98m/s
VZ1/100=0.98×19/100=0.1562m/s
查圖6－8得Kr＝1.01與假設(shè)相差較大
修正：d1＝(Kv/Kvt)?×d1t=(1.01/1.05) ?×13.41=13.24mm
模數(shù)m＝d1/Z=13.24/19=0.7mm
按表6－3取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m＝1mm
因此求得d1＝mz1＝1×19＝19mm
d2＝mz2＝1×88＝88mm
b＝ψd×d1＝0.5×19=9.5
圓整取大齒輪寬度 b2＝13mm 小齒輪寬度 b1＝10mm
校核原設(shè)計(jì)KA×Ft/b<100N.mm
查表6－7
Ft＝2T1/d=2×10.9×102/19=1.15×102N
KA×Ft/b=1.0×115/13=38.3N.m<100N.mm
符合原設(shè)計(jì)
3.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
計(jì)算公式
δF＝2KT1/bd1m×YF2×YS2×Yε≤[δ]F
查表6－20⒆得齒形系數(shù) YFα1=2.85, YFα2=2.22
查圖6－21⒇得應(yīng)力修正系數(shù) YSα1=1.54, YSα2=1.78
查圖6－10（21） 得彎曲疲勞強(qiáng)度極限（大小齒輪硬度相同）
δFlim＝1000mpa
取SF=2 (表6－11)（22）
Yx＝1（由圖6－26（23）因M <5）
查圖6－25（24）YN1＝Y(jié)N2=2.5
[δ]F1=[δ]Flim×YN1×YX/SF=1000×2.5×1/2=1250MPa
[δ]F2=1250Mpa
比較
YFα1×YFα1/[δ]F1=2.55×1.548/1250=0.004
YFα2×YFα2/[δ]F2=2.22×1.78/1250=0.003
小齒輪較軟應(yīng)該按小齒輪校核彎曲疲勞強(qiáng)度查圖6－22（26）得重合度系數(shù)
Yε＝0.71
δF2=2KT1/bd1m×Yfa2×YSA2×Yε=2×1.7199×10.914×10?/10×19×1×2.22×1.78×0.71=55.43Mpa<[δ]F1=1250Mpa
所以彎曲疲勞強(qiáng)度足夠
4.幾何尺寸計(jì)算（按《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》）
(1) 分度圓直徑
d1＝mz1＝1×19＝19mm
d2＝mz2＝1×88＝88mm
(2) 齒頂高
ha＝ha*×M×＝1×1＝1mm
(3) 齒根高
hf＝（ha*＋c*）M＝1.25×1=1.25mm
(4) 齒高
h＝ha＋hf＝1＋1.25=2.25mm
(5) 齒頂圓半徑
da1＝d1＋2ha＝19＋2＝21mm
da2＝d2＋2ha=88+2×1=90mm
(6) 齒根圓半徑
df1=d1-2hf=19-2×1.25=16.5mm
df2=d2-2hf=88-2×1.25=85.5mm
(7) 中心距
a=1/2(d1+d2)=1/2(16.5+85.5)=51mm
(8) 齒寬
b2=13 b1=15
2.3.3 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知電動(dòng)功率為120w，所設(shè)計(jì)的減速器齒輪的齒面精度為5級(jí),傳動(dòng)效率為 98.5％以上取η＝99％蝸桿的應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為N1＝60
1. 選擇材料
蝸桿用40Cr表面淬火，硬度45－55HRC蝸輪用鑄錫青銅ZCUSN10P1砂模鑄造。
2. 確定蝸桿頭數(shù)z1及蝸桿齒數(shù)i
i＝30 取z1＝1則z2＝z1*i＝1×30＝30
3. 按蝸桿齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2 按第三節(jié)推薦值 取η＝0.7
T2=9.55×106×P2/η2
=9.55×106×0.16×0.7×0.99/30×4.6
=69074N.mm
（2）確定載荷系數(shù)K
在定載荷下工作未定載荷下工作有沖擊，取Kβ＝1
設(shè)蝸輪圓周速度為V2≤3m/s 取Kv＝1.05
K=kβ×Kv=1×1.05=1.05
(3) 確定許用應(yīng)力[δ]H, 查表7－5，
基本許用應(yīng)力[δ]VH＝200Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N＝60n2tN，
設(shè)此蝸輪蝸桿每日工作8小時(shí)工作壽命10年，每年工作260天。
則N＝60×1400/138×8×260×10=1.26×107
壽命系數(shù)Zn＝（107/N）??=(107/1.26×107) ??=0.93
許用接觸應(yīng)力 [δ]H＝ZH[δ]OH＝0.97×200=194Mpa
(4)計(jì)算模數(shù)m以及蝸桿分度圓直徑d1
鑄錫青銅與蝸桿配對(duì)時(shí)ZE=160(MPA)?
由式（7－9）得 m2d1≥9KT2（ZE/Z2）[δ]H)2
=9×1.05×79074.36×(150/30×194)2
=570mm3
由表7－2 取m＝5，d1＝63，q＝12.6 ，m2d1＝1575 mm3
（5）驗(yàn)算蝸桿圓周速度v2
v2＝πZ2Mn2/60×1000×π×22×5×1400/101/60×1000m/s
＝0.08<3m/s
取Kv＝1.05是合適的。
（6）計(jì)算嚙合效率η
據(jù)式（7－1）得蝸桿導(dǎo)程角
γ＝arctanZ/q＝arctan1/12.6=4.54o
據(jù)式（7－2）得齒面相對(duì)滑動(dòng)速度
v2＝v1/cosr=πd1n1/60×1000cosr
=π40×1400/4.6/60×1000coa5.71
=0.64m/s
查表（7－4）插值得當(dāng)量摩擦角ψv＝3o09′
嚙合效率η1＝tanr/tan(r+ψv)=tan4.54o/tan(4.54o+2o35′)=0.66
(7) 按實(shí)際蝸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)據(jù)T2驗(yàn)算m2d值
按蝸桿傳動(dòng)嚙合效率η，求T2
T2＝9.55×10⒍×P1η1/n1/I
＝9.55×10⒍×0.16×0.67×0.99/1400/128
＝69152.9N.mm
m12d1=9KT2(ZE/（Z2×[δ]H）) 2
=9×1.37×69152.9×（160/(22×185)2）
=566.9mm<640mm 齒面接觸疲勞強(qiáng)度合格。
4．確定傳動(dòng)尺寸（按表7－3中的公式計(jì)算）
（1）中心距
a＝m（q＋z2）/2＝5(12.6+22)/2mm=86.5mm
（2）蝸桿分度圓直徑 d1＝63mm
（3）蝸輪分度圓直徑 d2＝mz2＝5×22＝110mm
5．校核蝸桿齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1） 確定許用彎曲應(yīng)力[δ]F查表7－8基本許用應(yīng)力[δ]0F＝40Mpa
壽命系數(shù)YN＝(10⒍/N)-9=(10⒍/1.26×10⒎)-9=0.75 （2） 計(jì)算彎曲應(yīng)力
當(dāng)量齒數(shù)zv＝z2/cosr=28/cos5.71o=28.14
查表 (7-7)得蝸桿齒形系數(shù)YF＝1.8
由式（7－10）得
бf ＝{1.53KT2cosr/(m2d1z2)}×YF
＝1.53×1.05×69152×COS5.71/16×40×28×1.93
＝11.1Mpa < 30.1Mpa
6.蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度安全。
蝸桿，蝸輪各部分尺寸計(jì)算
(1)蝸桿
齒頂高 ha1＝ha*m=1×5=5
齒根高 hf1＝（1＋0.2）×5＝6
全齒高h(yuǎn)1＝5＋6＝11mm
分度圓直徑 d1＝63mm
齒頂圓直徑 da1＝d1＋2ha1＝63＋2×5＝73mm
齒根高直徑 df＝d1－2hf＝63－2×6＝51mm
蝸桿分度圓導(dǎo)程角 γ＝4.54o＝4o32′
軸向齒距 Pa＝πm＝π×5＝15.72mm
桿導(dǎo)程 Pz＝z1Pa＝1×15.72＝15.72mm
蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度
L≥(12+0.1Z2)m=(12+0.1×22)×5=71mm
(2) 蝸輪
齒頂高 ha2＝5mm
齒根高 hf2＝（ha*＋c*）m=(1+0.2)×5＝6mm
全齒高 h2＝ha2＋hf2＝5＋6＝11mm
分度圓直徑 d2＝mz2＝5×22＝110mm
齒頂圓直徑 da2＝d2＋2ha2＝110＋2×5＝120mm
齒根圓直徑df2=d2-2hf2=110-2×6=98mm
分度圓螺旋角 β2＝γ＝4.54o=4o32′
蝸輪外圓直徑
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