机电一体化一班连丰禄1Word文件下载.docx
《机电一体化一班连丰禄1Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化一班连丰禄1Word文件下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
考资料
及文献
[1]刘长青.机械制造课程设计指导.武汉：
华中科技大学出版社，2007
[2]刘长青.机械制造技术.武汉：
华中科技大学出版社，2005
[3]赵瑾.互换性与测量技术基础.武汉：
华中科技大学出版社，2006
[4]姜全新.机械制图.武汉：
[5]蔡南武.机械设计基础.武汉：
[6]李益民.机械制造工艺设计简明手册.北京：
机械工业出版社，2004
[7]薛源顺.机床夹具设计.北京：
[8]吴宗泽，罗圣国.机械设计手册.北京：
高等教育出版社，1999
摘要
数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术是用数字化信号对机床运动极其加工过程进行控制的一种方法,随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。
数控机床是装有程序控制系统的机床。
该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。
数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业的渗透形成的机电一体化产品，起技术范围覆盖很多领域：
（1）机械制造技术
（2）信息处理、加工、传输技术；
（3）自动控制技术；
（4）伺服驱动技术；
（5）传感技术；
（6）软件技术等。
计算机对传统机械业的渗透，完全改变了制造业。
制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业，具有广阔的发展天地。
数控机床就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。
通过控制介质数字信息送入专用区域通用的计算机。
计算机对输入的信息进行处理，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。
关键词：
机械设计；
主轴；
数控系统。
Abstract
Havealreadymeasuredanationalmachinetheimportantoflevelmanufactureindustrythemakingalongwiththebadoffastandfiercedevelopment,fewmachineofsciencetechnique.
Thenumericalcontrolenginebedisthenumericalcontrolsystemasrepresentative’snewtechnologythetraditionmachinemanufactureindustrysomecompaniesalsohaveownmailing,It’stechnicalscopeduplicateGedomain
（1）machinemanufacturetechnology;
（2）informationprocessing,processing,transmissiontechnology;
（3）automaticcontroltechnology;
（4）theserveactuatesthecomputertothetraditionmachinemanufactureindustry.（5）Themanufacturingindustry.（6）Themanufacturingindustry.Themanufacturingindustryisnotonlybecometheindustrializationthesymbol,moreoverasaresultoftheinformationtechnologyseepage.
Causethemanufacturingindustryjustlikethesunriseindustrytothehavethebroaddevelopmentworld.Atthesametime,inordertosatisfythemodernindustrythemultiversitythesmallbatchauto-mobileproduction,theurgentneednimble,isgeneral,canadapttotheproduct,changenumericalcontrolenginenumericalcontrolenginebedisbetweeneachkindofoperationandthestopaswellasthecuttingtoolandtheworkpiecerelative,displacementquantity,whichneedstheprocessingofallusesdigitizedthecodetoindicatethatsendsinthroughthecontrolmediumthenumericalinformationspecial-purposeorthegeneralcomputer.
Thecomputercarriedontotheinputinformationprocessingandtheenginebedthesystemofotherfunctionalelements,causework-piece,whichtheenginebedautomaticallyprocessesneeds.
KeyWard：
mechanicaldesign;
CNCmilling;
spindle;
CNCsystem。
目录
摘要5
Abstract5
引言1
1数控铣床的介绍2
1.1数控铣床的组成2
1.2数控铣床的工作原理3
1.3数控铣床加工的特点3
2数控铣床主传动系统的配置方式4
3主要设计零件的计算和验算5
3.1轴承的选择和轴承的精度5
3.2主轴箱体的计算5
3.2.1主轴材料的选择及尺寸、参数的计算5
3.2.2主轴箱体的截面形状和壁厚计算8
3.2.3轴承寿命校核8
3.3碟形弹簧的计算9
3.3.1碟形弹簧的特点9
3.3.2碟形弹簧的强压处理10
3.3.3表面强化处理和防腐处理10
4数控铣床主轴箱设计11
4.1数控铣床的主轴箱11
4.2主轴箱传动系统12
4.3获取原始数据12
5控车床主轴变速电路的改进设计12
5.1数控铣床电气控制12
5.1.1动力电路13
5.1.2电源控制线路14
5.2主轴电动机控制16
5.3冷却电动机控制17
6液压缸及密封件设计17
6.1封件的作用及其意义17
6.2压缸各部分的结构及主要尺寸的确定17
6.3强度校核17
6.4密封的分类及密封件的材料要求18
结论19
致谢20
参考文献21
引言
数控技术，简称数控（NumericalControl）。
它是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。
用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床（NC）。
数控技术包括：
数控装置，可编程控制器，主轴驱动及进给装置等部分。
数控机床是机、电、液、气、光，高度一体的产品。
要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。
例如，进给速度，主轴转速，主轴正反转，换刀，冷却液的开／关等。
这些信息按一定的格式形成加工文件存放在信息载体上，然后由机床上数控系统读入，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。
在机械加工工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动化生产线。
对于小批量产品的生产过程中产品品种的变换频繁批量小，加工方法的区别大，宜采用数控机床。
随零件复杂程序和零件批量的变化，通用机床，普通机床和数控机床的动用情况。
当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；
当生产批量大时宜采用专用机床；
而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。
这是由数控机床的特点决定的。
加工零件的适应性，灵活性好。
数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件，这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序。
因此，数控机床在航空航天等领域获得广泛的应用。
控机床可以获得较高的加工精度，加工质量稳定。
数控机床的传动件，特别是滚珠丝杠精度很高。
机床导轨采用滚动导轨或粘接有摩擦系数很小的合成塑料，因而减少了摩擦阻力，消除了低速爬行。
闭环、半闭环伺复系统，装有精度很高的位置检测元件，并随时把位置误差反馈给控制系统，使之能够及时进行误差校正。
数控机床的一切操作都是由程序装配的，没有人为干扰，因而加工质量稳定。
数控技术的发展，对我国国民经济的发展起着巨大的作用，特别是对我国要机械制造工业的现代化起到至关重要的作用。
为此，我们要加大数控机床的研究和探讨，把三坐标铣床主轴设计作为我的毕业设计，也是对我大学期间学习成果的一次全方位的检验。
1数控铣床的介绍
1.1数控铣床的组成
数控铣床的基本组成见图1.1，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。
床身用于支撑和连接机床各部件。
主轴箱用于安装主轴。
主轴下端的锥孔用于安装铣刀。
当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。
主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降。
工作台用于安装工件或夹具。
工作台可沿滑鞍上的导轨在X向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y向移动，从而实现工件在X和Y向的移动。
无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现的。
伺服装置用于驱动伺服电机。
控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。
控制电源用于向伺服装置和控制器供电,如图1-1所示。
图1.1数控铣床的基本组成图
1.2数控铣床的工作原理
根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。
通过手工编程或利用CAM软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。
控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。
伺服装置向伺服电机发出控制信号。
主轴电机使刀具旋转，X、Y和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。
1.3数控铣床加工的特点
（1）用数控铣床加工零件，精度很稳定。
如果忽略刀具的磨损，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。
（2）数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件，如各种模具等。
（3）数控铣床自动化程度很高，生产率高，适合加工批量较大的零件。
2数控铣床主传动系统的配置方式
数控铣床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证进行加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。
数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此机构必须适应自动操作的要求。
大多数的数控铣床是用无级变速系统控制的。
主要应用在中小数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。
同步带有多楔带，齿形带，圆弧带等，是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动。
带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，做无滑动的啮合传动。
带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主动和从动带轮可做无相对滑动的同步传动。
与一般带传动相比，同步带传动具有以下优点：
1.无滑动，传动比准确。
2.传动效率高，可达98%以上。
3.传动平稳可靠，噪声小。
4.使用范围广，速度要达到50m/s，速比可达10左右，传动功率由几瓦到数千瓦。
5.修保养方便，不需要润滑。
这种主传动方式大大简化了主轴箱与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。
但主轴输出扭矩小，电动机转动时发出的热量对主轴的精度影响比较大。
在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。
我们把机床主轴驱动与一般工业的驱动相比较，便可知机床要求其驱动系统有较高的速度精度和动态刚度，而且要求具有能连续输出的高转距能力和非常宽的恒功率运动范围。
随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电动机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流主轴电动机驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流电动机驱动系统，交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。
3主要设计零件的计算和验算
3.1轴承的选择和轴承的精度
轴承的选择原则有以下几点：
满足承载能力和刚度要求；
满足精度要求；
满足转速要求；
适应机构的要求。
本次设计中选用了的轴承是角接触轴承和双向推力向心球轴承。
角接触轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，其轴上载荷能力的大小，随接触角的增大而增大；
轴承的精度，分为2、4、5、6、0五级。
其中2级最高，0级为普通精度级。
主轴轴承以4级为主。
高精度主轴可用P2级。
要求较低的主轴或三支撑主轴的辅助轴承可用P5级。
P6级和P0级一般不用。
3.2主轴箱体的计算
3.2.1主轴材料的选择及尺寸、参数的计算
主轴的主要尺寸参数包括：
主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支撑跨距。
评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据使主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适应范围。
a）主轴直径
主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。
轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。
同时极限转数下降。
主轴后端支撑轴颈的直径可视为0.7～0.8的前支承轴颈值，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。
前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。
b）主轴内孔直径
主轴的内孔用来安放棒料、刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液动卡盘等。
主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的适用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。
主轴孔径的大小主要受主轴刚度的制约。
主轴的孔径与主轴的直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；
等于0.35时，空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90%；
大于0.7时空心主轴的刚度急剧下降。
一般可取其比值为0.5左右。
根据设计要求，此设计选用的主轴材料是45#钢。
其热处理及参数如下
表3-1所示。
表3-145#钢热处理及参数表
材料
热处理
硬度（HBS）
抗拉强度极限
屈服强度极限σs
弯曲疲劳极限σ-1
剪切疲劳极限τ-1
许用弯曲应力[σ-1]
45
调质、渗氮
217～255
640
355
300
155
60
因为选用的主轴电机功率为P=18.5KW，额定转速nc=1500r/min
所以主轴功率
p=pc/η1η2η3=
=9.67kw（式3-1）
因为主轴是空心转轴，所以
d1=21.68×
.
（式3-2）
查表得
=1.23所以d1=21.68×
1.2321.23=56.6㎜
又因为此处轴上有一个键槽，所以d1=d×
（1+5%）=59.45㎜取d1=60㎜;
d2=d1+2a,a为轴肩高度，用于轴上零件的定位和固定，故a值应该稍微大于毂孔的圆角半径或倒角深，通常取a≥（0.07～0.1）d1；
d2应符合密封件的孔径要求。
所以d2=63mm
d3=d2+5～8mm=72mm。
d4=d3+1～5mm=74mm。
d5=d4+1～5mm=78mm。
d6=d5+2a。
a≥（0.07～0.1）d1所以d6=80mm。
根据选用的轴承确定d7=98mm
主轴的疲劳强度安全系数校核，危险截面安全系数s的校核计算：
s=
≥[s]（式3-3）
____________只考虑弯距作用的安全系数；
sτ____________只考虑扭距作用是的安全系数；
[s]____________许用安全系数；
在此查表所得[s]=1.3～1.5；
sσ=
查表得出σ-1=270Mpa
τ-1=155Mpakσ=1.71kτ=1.44β=1.6εσ=0.78ετ=0.74，ψσ=0.3，ψτ=0.21，σα=
，σm=σαM=
Wp=
所以：
=1.08<
[s]=1.3～1.5
所以主轴设计符合要求。
c）主轴的轴端结构
主轴的轴端是用于安装夹具和刀具。
要求夹具和刀具在轴端定位精度高、定位好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。
数控铣床的主轴端部结构，一般采用短圆锥法兰盘式。
d）轴主要精度指标
前支承轴承轴颈得同轴度约为5µ
m左右；
轴承轴颈需要按轴承内孔“实际尺寸”配合，并且需要保证配合过盈1µ
m～5µ
m；
锥孔与轴承轴颈得同轴度为3µ
m-5µ
m，与锥面的接触面积不小于80%，且大端接触较好；
装圆柱滚子轴承与轴承内圈的接触面积应该不小于85%。
e）主轴动态特性的改善
改善主轴动态特性的措施有以下几个方面：
使主轴组件的固有频率避开激振力的频率
通常应该使固有频率高于激振力频率的30%以上。
如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚度振动则应提高轴承的刚度。
如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。
激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以π/30。
也可能来自断续切削，这时激振频率还应该乘以刀齿数z。
f）增大阻尼
如前面所述，低阶模态常是主轴的刚体振动。
这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。
如果要求得到很光的加工表面，主轴又是水平的，可用滑动轴承。
如主轴后端悬深很长，可增加辅助支承，成为三支承主轴。
辅助支承可用深沟球轴承，保留游动间隙。
辅助支承的作用，与其说是提高刚度，不如说是为了提高抗振性。
3.2.2主轴箱体的截面形状和壁厚计算
传动装置箱体的典型纵截面形状为矩形或圆形。
箱体壁厚N的计算:
N=
（式3-4）
3.2.3轴承寿命校核
主轴轴承通常载荷相对较轻,除一些特殊的重载主轴外,轴承的承载能力是没有问题的。
主轴轴成的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是因为磨损而降低精度。
通常，如轴承精度为P4级，经使用导致磨损后跳动精度降至P5级时，这个轴承就不能满足加工精度要求了。
应该更换了。
虽然还远未达到其疲劳寿命，但是这种“精度寿命”目前还难以估算准确。
所选轴承按照每天两班工作制，每班工作8小时，预计使用五年。
则T=16×
365×
5=29200h
根据轴承寿命校核公式：
Lh=
（式3-5）
Lh----轴承寿命。
T----滚动轴承许用寿命。
C----滚动轴承额定动负荷。
fn----速度系数fn=
ε----寿命指数。
对球轴承ε=3；
对滚子轴承ε=10/3。
KA----使用系数。
查表去KA=1.2.
Kn----转速变化系数，查表的Kn=0.89。
KL----齿轮轮换工作系数，查表取KL=0.8.
P----当量动载荷。
Lh=500
h>
T
因为轴承使用寿命远大于轴承预期的寿命所以轴
3.3碟形弹簧的计算
碟形弹簧如图所示：
图3-1碟形弹簧
3.3.1碟形弹簧的特点
它是一种用钢板冲压的截面锥形压缩弹簧，其特点是：
1、刚度大，用于负荷大，轴向空间要求小的地方。
2、具有变刚度特性，适应范围广，根据其极限变形量h0和弹簧板厚度t不同，可有各种不同的特性曲线和承载能力。
3、在工作过程中，碟片之间有摩擦损失，加载和卸载时的特性曲线不重合，吸振能力强，制造维修方便。
3.3.2碟形弹簧的强压处理
碟形弹簧应全部进行强压处理，处理方法为：
一次压平，持续时间不少于12h，或者进行短时压平，压平次数不小于5次，压平力不小于二倍的Pf=0.75h0,强化处理后自由高度应稳定。
3.3.3表面强化处理和防腐处理
对于受变负荷的碟形弹簧，内锥面推荐表面作强化处理，例如喷丸处理等，根据需要，碟形弹簧表面进行防腐处理（如磷化、氧化、镀锌等），经电镀后的碟形弹簧，必须进行去氢处理，不过对受变负载的碟形弹簧应该避免采用电镀方法处理。
其主要设计参数如下：
D=50d=25.4t=3h0=1.1H0=4.1P=12000Nf=0.83H0-f=3.27σM=-1250N/㎜2σⅡ=1430N/㎜2Q=34.30kg/1000件
D/t≈18h0=0.4E=206000N/㎜2μ=0.3K4=1C=2
压平弹簧的负载：
PC=
（式3-6）
K1=
=0.69，（式3-7）
P/Pc=5000/8410=0.59因为h0/t=0.4（查表所得）所以
f=0.57×
h0=0.51所以对合组合的片数为I=
取12片.
未受负载的高度是HZ=i.H0=22×
3.15=69.3
受负载时的高度H1=HZ-if=69.3-22×
0.51=58.08
压平弹簧时（f=h0）M点的应力
σM=
（式3-9）
此数据与60Si2MnA的屈服极限1400接近
碟形弹簧的刚度P=
=9015.53N（式3-10）
4数控铣床主轴箱设计
4.1数控铣床的主轴箱
在数控铣床当中，主轴箱是一个非常重要的传动部分，主轴箱中各个传动部件的结构和装配关系，除要求要保证运动参数外，还要有较高的传动效率，传动件要有足够的强度和刚度、噪声要低、振动要小、操作方便，还要有良好的工艺性、便于检修、成本较低、防尘、防漏、外形美观。
同时，机床主轴箱还是一个比较复杂的传动部件，其中有主轴，变速机构，操纵机构和润滑系统等。
图4-1就为主轴箱的展开图。
图4.1主轴箱展开图
4.2主轴箱传动系统
主轴箱都采用齿轮传动。
其传动系统是指通过一定的传动路线把驱动轴的运动,采用多级齿轮传动,确定传动齿轮及其传动轴的位置,最后把运动传到主轴上,使主轴获得规定的转速和方向。
它是主轴箱设计最关键、工作量最大的环节。
4.3获取原始数据
主轴箱传动系统必须根据被加工零件的具体要求进行设计。
其设计的原始数据为:
驱动轴的轴径d，转速
升级会员 