普通车床12级主传动系统及X-Y双坐标联动数控机床设计.doc

第一部分 普通车床主传动系统设计一、此次课程设计的目的及主要设计参数1、机械制造装备课程设计是在学生学完机械制造装备设计课及其它先行课程之后进行的实践性教学环节，是学生进行设计工作的基本训练。目的在于：（a）通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法；（b）巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题；（c）通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练；（d）熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。2、主要设计参数普通车床传动系统设计的设计参数：（a）主轴转速级数Z=12；（b）主轴转速范围n=31.51400r/min；（c）公比=1.41；（d）电机功率为4KW；（e）电机转速为1440r/min。二、运动设计1传动方案设计（选择集中传动方案）。2转速调速范围Rn=1400/31.5=44.44。3确定各级转速由=1.41，依据机械制造装备设计中的标准转速表取各级转速如下：31.5 45 63 90 125 180 250 355 500 710 1000 1400 （单位r/min）4、确定机床传动结构式根据主变速传动系统设计的一般原则，取结构式：5、绘制转速图：（1）分配总降速比u=31.5/1440=1/45.7若每一个变速组最小降速比取1/4则三个变速组为1/64，则需增加定比传动副，故选用三角带传动来降低速比可以满足要求。 （2）确定传动轴数变速轴轴数=变速组数+定比变速副数+1=3+1+1=5。（3）绘制转速图6、确定变速组齿轮齿数（1）电动机与I轴间的传动比电动机与I轴之间采用带传动，定比传动取小带轮直径126mm，因为所获转速为710r/min，故大带轮直径为256mm。传动比u=126/256=1/2=1/1.41=710/1440(2)轴I-II间的传动比及齿数依据转速图及=1.41，变速组a有三个传动副，其传动比为ua1=710/710，ua2 =500/710，ua3 =355/710,查机械零件设计手册得ua1=Z2/Z7=36/36=1/1ua2=Z3/Z8=30/42=1/1.41ua3=Z1/Z4=24/48=1/2 Sz=72(3)轴II-III间的传动比及齿轮齿数依据转速图及=1.41，变速组b有两个传动副，其传动比为ub1=710/710, ub2=250/710,查机械零件设计手册得ub1=Z5/Z9=42/42=1/1ub2=Z6/Z10=22/62=1/2.82 Sz=84(4)轴III-IV间的传动比及齿轮齿数依据转速图及=1.41，变速组c有两个传动副，其传动比为uc1=1400/710,uc2=180/710, 查机械零件设计手册得uc1=Z11/Z13=60/30=2/1uc2=Z12/Z1418/72=1/4 Sz=90（5）转速的验算过程根据公式（n实-n标）/n标10（-1）%，列表如下：序号n实n标误差（%）误差允许值（%）结论131.7331.50.732.6合格245.17450.432.6合格363.53631.062.6合格489.5290-2.342.6合格5123125-2.152.6合格6177.97180-2.032.6合格7252.972502.372.6合格8358.273552.042.6合格9505.175002.582.6合格10710.067100.022.6合格111001.5610000.492.6合格121380.21400-0.452.6合格（6）确定计算转速a、各轴的计算中转速主轴的计算转速由公式确定为90r/minI轴的计算转速为710r/min II轴的计算转速为355r/min III轴的计算转速为125r/minb、各齿轮的计算转速Z1、Z2、Z3的计算转速为710r/min；Z4、Z5、Z6、Z7、Z8的计算转速为355r/min；Z9、Z10、Z11、Z12的计算转速为125r/min；Z13、Z14的计算转速为90r/min.7、传动系统图8、带轮设计（1）确定计算功率P=4KW,K为工作情况系数，两班制，取K=1.2 Pj=41.2=4.8KW（2）选择三角带型号由Pj=4.8KW,n额=1440r/min查表选择B型带（3）确定带轮直径D1=126mmDmin=125mmD2=n1/n2D1=1440/710126=255.5，取256mm（4）确定皮带速度（5）初定中心距根据机械设计中的经验公式，取h=11mm0.55(126+256)A02(126+256)221.1A0764取A0=500mm（6）计算带的长度代入数据并经圆整得L=1600mm（7）核算带的弯曲次数U=1000mv/L=100029.49/1600=11.9（8）计算实际中心距=500+(1608.2-1600)/2=504.1mm（9）核算小带轮的包角1 =165.2120（10）确定带的根数Z，查机械设计得，故Z=4.8/(2.560.882)=2.13，取3根。（11）计算带的张紧力F0作用在轴上的压轴力FQ带入相关数据得F0=240N，FQ=952.0N三、动力设计1、计算各传动轴的输出功率P1=P带=4.80.9=4.608KWP2=P1轮=4.6080.98=4.52KWP3=P2轮=4.520.98=4.43KWP主=P3轮=4.430.98=4.34Kw2、计算各传动轴的扭矩T1=9550P1/n1j=95504.608/710=61980.8NmmT2=9550P2/nj2=95504.52/355=121584.4NmmT3=9550P3/nj3=95504.43/125=338452NmmT主=9550P主/nj主=95504034、90=460522Nmm3、轴径设计及键的选取I轴：P1=4.608KW,n1j=710r/min,取，带入公式，得d=26.5mm,圆整取d=27mm选花键：626306II轴：P2=4.52KW,nj2=355r/min, 取，带入公式，得d=31.4mm,圆整取d=32mm选花键:832366III轴：P3=4.34KW,nj3=125r/min, 取，带入公式，得d=40.3mm,圆整取d=41mm选花键:836407主轴：查机械制造装备设计中表3-1选择主轴前端直径， 后端直径D2=(0.7-0.85)D1取，则平均直径。对于普通车床，主轴内孔直径,故本例之中，主轴内孔直径取为支承形式选择两支撑，初取主轴前端的悬伸量，支撑跨距实际取，取L=580mm。选择平键连接，4、计算齿轮模数45#整体淬火，a按接触疲劳计算齿轮模数m，查表计算可得I-II轴，取，nj =710,Pj=4.608KW由公式可得mj=2.37mm,取m=3mmII-III轴，取，nj=355,Pj=4.52KW由公式可得mj=2.82mm,取m=3mmIII-主轴，取10，nj=125，Pj=4.43KW由公式可得mj=3.9mm，取m=4mm选择7级精度齿轮高速传动齿轮v=mzn/60000=4.0110，合格。5、齿宽设计由公式b=mm（m=5-10）得I轴主动轮齿宽bI=83=24mmII轴主动轮齿宽bII=83=24mmIII轴主动轮齿宽bIII=84=32mm一般一对啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大齿轮的载荷，设计上，应使主动轮比从动轮齿宽大（510mm）。所以，b1=b2=b3=24mm,b4=b5=b6=19mm,b7=b8=24mm,b9=b10=19mm b11=b12=32mm,b13=b14=27mm齿轮的具体值见下表：齿轮齿数Z模数m分度圆直径d齿顶圆直径da齿根圆直径df齿顶高ha齿根高hf齿宽b1243727864.533.75242303909682.533.75243363108114100.533.75244483144150136.533.75195423126132118.533.75196363108114100.533.75197223667258.533.75248423126132118.533.75249423126132118.533.751910623186192178.533.7519111847280624532126042402482304532137242882962784527143041201281104527附：从机械原理表10-2查得一下公式：齿顶圆直径da=(Z1+2ha)m齿根圆直径df=(Z-2ha-2c)m分度圆直径d=mZ齿顶高ha=ham齿根高hf=(ha+c)m，其中标准齿轮参数=20，ha=1.0，c=0.256、齿轮校核（1）I轴到II轴的小齿轮齿数为24查机械设计手册得一下数据：Z=24,u=2.0,m=3,B=83=24, nj =710,K1=1.04,K2=1.3,K3=1.3,T=Ts/P=18000/2=9000接触应力： 3.37 Kn=0.83,KN=0.58,Kq=0.64,Ks=KT Kn KN Kq=1.04,N=4.608=789.7Mpa1100Mpa弯曲应力： 2.4Kn=0.83,KN=0.78,Kq=0.77,Ks=KT Kn KN Kq=1.20,Y=0.395=127.7Mpa320Mpa，合适。（2）从II轴到III轴的小齿轮齿数为22查机械设计手册可得一些数据：Z=22,u=2.82,m=3,B=103=30, nj =355rr/min,K1=1.04,K2=1.3,K3=1.3,T=Ts/P=18000/2=9000接触应力： 2.68 Kn=0.85,KN=0.58,Kq=0.60, Ks=KT Kn KN Kq=0.80,N=4.52=899.5Mpa1100Mpa弯曲应力： 2.14 Kn=0.85,KN=0.78,Kq=0.75, Ks=KT Kn KN Kq=1.06 =76.3Mpa320Mpa，合适。（3）III轴到主轴的小齿数为18查机械设计手册可得一些数据：Z=18,u=4,m=4,B=104=40,nj=125r/minK1=1.04,K2=1.3,K3=1.3,T=Ts/P=18000/2=9000接触应力： 1.89Kn=0.95，KN=0.58，Kq=0.60，Ks=KT Kn KN Kq=0.62，N=4.43=1007.5Mpa1100Mpa弯曲应力： 1.80 Kn=0.95，KN=0.78，Kq0.75，Ks=KT Kn KN Kq=1.0 =103.3Mpanmax，所以丝杠工作时不会发生共振。（2）压杆稳定性验算丝杠不会发生失稳的最大载荷-临界载荷FkFk=EI/(l)式中Fk-临界载荷E-材料弹性模量 对于钢E=2.061011PaI-丝杠危险界面惯性矩（m4）Fk=2.06101148.44/64(0.6783)2=3.81012NS= Fk/Fm=3.81012/2800=1.4109查表2-10取=2.53.3SS，则丝杠是安全的，不会失稳。（3）滚珠丝杠副还要受D0.n的值的限制，通常要求 D0.n7104mmr/min D0.n=2510075=1.8105mmr/min7104mm.r/min 所以，丝杠副工作稳定。五、导轨选取1、计算形成长度寿命TsTs=2Lsn60Th/100(km)式中：Ls-工作单行程长度（m）n-径复系数（次/min）Th-工作时间系数n=60v/2Ls=6036.46/(283)=13.2次Th=8小时/天300天/年=2400小时工作时间寿命Ts=20.111602400/100=3168km2、计算动载荷Cj=Ffw(Ts/k)1/3/mfTfCfH=28002(3168/50)1/3/(410.811)=13780.9公斤其中：F-作用在滑座个数 m=4 k-寿命个数 一般取K=50km fT-温度系数 查表5 fT=1 工作温度100 fC-接触温度 查表6 fC=0.81 每根导轨上2个滑块 fH-硬度系数 查表7 fH=1 导轨表面硬度HRC=60 fw-负载系数 见表8 fw=2 较小冲击 震动60m/min 查表2-13选HJG-D16型导轨 C=60000 能满足五年使用要求。六、选取电机初选型号为110BF电机查表可得：步距角为0.75最大静转矩：7.84Nm分配方式：3相6拍空载启动功率：1500stcp/s空载运动频率：700stcp/s外形尺寸：2375七、步进电机转矩校核1、空载起动时点击轴的负载转矩Tq=Tj+Tu+To Tj:惯性转矩 Tj=J（J点击轴总惯量，起动时角加速度） Jm:电机轴转动惯量 取1.810-3 选传动齿轮齿数分别为Z1=26,Z2=52 模数m=2 齿宽：b1=15mm b2=15mm 则 d1= Z1m=52mm d2= Z2m=104mm JZ1=7.81030.124/320.035=3.4710-4kgm2 JZ2=7.81030.124/320.016=2.5410-3kgm2Js=7.81030.045764/320.162=5.4310-4kgm2Td= JZ1+(JZ1+Js)/C2+(P/2i)2Td=3.1410-4+1/4(2.5710-3+5.4310-4)+(0.006/22)2=1.0210-30.2