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附件1：外文資料翻譯譯文
CNC和PLC他們對(duì)于機(jī)床是同一概念嗎？
摘要
設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器（CNC）,傳統(tǒng)做法是將裝置分為三個(gè)實(shí)體:一個(gè)可編程控制器（PLC）,一個(gè)可以稱之為CNC控制器（CNCD）的黑盒子，一個(gè)包含CNC軸向控制器和可以簡(jiǎn)單描述為軸向?qū)嶓w的合成體。我們將指出這一機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，展示一種新機(jī)構(gòu)并介紹他的優(yōu)勢(shì)所在。最后，在對(duì)比傳統(tǒng)PLC和新機(jī)構(gòu)之后，我們認(rèn)為CNC就是一種改進(jìn)的PLC。
PLC裝置
傳統(tǒng)的可編程控制器（PLC）是基于兩個(gè)主要模塊：控制臺(tái)和執(zhí)行器?？刂婆_(tái)向操作者提供了一個(gè)交互式設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，由于這個(gè)原因，他不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)約束。執(zhí)行器控制基本任務(wù)的時(shí)序以使PLC工作和確保相關(guān)的時(shí)間約束。執(zhí)行器啟動(dòng)并管理不同的循環(huán)周期?？刂婆_(tái)的目標(biāo)是人機(jī)界面而執(zhí)行器的目標(biāo)是時(shí)序安排?？梢赃@樣說，在大多數(shù)情況下，PLC的主要目標(biāo)是在沒有控制臺(tái)的情況下單機(jī)運(yùn)行。
CNC使用的分類
CNC對(duì)所有機(jī)床的應(yīng)用本質(zhì)上分為三個(gè)不同的種類：本地使用，直接數(shù)字化控制(DNC)和遠(yuǎn)程使用。
在本地使用中，操作者在機(jī)床附近。他直接輸入命令，通過按下按鈕來控制機(jī)床和加工過程。他也可以創(chuàng)建和修改刀具描述符和零件加工程序，這些是以CNC的標(biāo)準(zhǔn)代碼或類似代碼寫入的。
在這一背景下，對(duì)零件的設(shè)計(jì)和輔助制造也是可能的，盡管此類活動(dòng)顯得與機(jī)床周圍糟糕的環(huán)境質(zhì)量（比如噪音，高溫，灰塵）格格不入。
DNC（直接數(shù)字化控制）使用 添加了從主機(jī)下載（向主機(jī)上傳）零件加工程序的功能，主機(jī)匯集了零件加工程序，可以被看作是一個(gè)文件服務(wù)器。這些操作仍然完全在位于機(jī)床附近的人工操作員的控制下。在某些情況下，在遠(yuǎn)距離的操作者之間可能會(huì)使用郵件服務(wù)器。這一類CNC使用方式，除了能向服務(wù)器傳輸零件加工程序和刀具描述符之外，與前一種使用并沒有本質(zhì)上的不同。
第三種使用方式與柔性化加工有關(guān)而且可以自我說明。它向CNC提供完全的遠(yuǎn)程控制。CNC必須可以控制和調(diào)節(jié)刀具和零件，可以發(fā)送收集到的足夠的內(nèi)部信息來報(bào)告CNC運(yùn)作狀態(tài)，CNC也要可以接受控制指令并最終實(shí)現(xiàn)與外部程序的同步。所有這些新功能帶來了一些重要的需要定義的問題，比如 “任務(wù)概念”[備注88],但由于這些并非本論文的主要目的，此處不再贅述。從第三類使用中，得到的一個(gè)重要事實(shí)是：在柔性化制造中，由于人工操作者只在有維護(hù)任務(wù)時(shí)才直接面對(duì)CNC，所以對(duì)CNC來說人機(jī)交互界面變得無用了。事實(shí)上，在一個(gè)柔性化的制造環(huán)境中，操作CNC的必需部分只是執(zhí)行器。
現(xiàn)在我們可以說我們的主要目標(biāo)就是找到一種可以滿足以上三種使用方式的體系。
CNC設(shè)計(jì)修改：雙體結(jié)構(gòu)
之前的設(shè)計(jì)思路將整個(gè)CNC劃分成兩個(gè)主要的部分：控制臺(tái)和執(zhí)行器。控制臺(tái)的目的是作為一個(gè)精細(xì)的人機(jī)交互界面或改進(jìn)的終端。執(zhí)行器的目的是控制加工過程。嚴(yán)格意義上說，在柔性制造環(huán)境中，控制臺(tái)不是必須的，事實(shí)上所有CNC控制和決策的的智能是集中在控制器上的，因此創(chuàng)建了一種只帶有開/閉開關(guān)和急停按鈕的黑盒子。控制臺(tái)和執(zhí)行器應(yīng)具備哪些具體功能，怎樣選擇必須有一些表述清楚的標(biāo)準(zhǔn)。
控制臺(tái)的基本要求包括下列的功能：
l 顯示加工參數(shù)
l 以CNC標(biāo)準(zhǔn)代碼生成、顯示和編輯零件加工程序
l 生成、顯示和編輯刀具描述符
l 對(duì)零件編程提供圖形幫助工具
l 以永久形式存儲(chǔ)（硬盤）零件加工程序和刀具描述符
l 在CNC設(shè)置階段能輔助自動(dòng)調(diào)節(jié)并顯示狀態(tài)
l 調(diào)整軸向控制器的參數(shù)
l 設(shè)置執(zhí)行器的設(shè)置參數(shù)
l 向執(zhí)行器載入工作指令
l 為日后分析顯示和存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)信息
l 運(yùn)行預(yù)設(shè)的測(cè)試程序以便執(zhí)行器為今后追逐已報(bào)告過的問題提供診斷計(jì)劃
l 可以打印出所有顯示或存儲(chǔ)的信息
建造一個(gè)控制臺(tái)的最常用方式是選擇一個(gè)微電腦，微電腦的操作系統(tǒng)和繪圖工具箱搭載適當(dāng)軟件后能夠滿足先前提到的要求。作為一個(gè)獨(dú)立的單元，控制臺(tái)可以很容易的獨(dú)立于執(zhí)行器進(jìn)行升級(jí)，以跟上加工方式的新發(fā)現(xiàn)（比如新的人機(jī)界面理念）和新的技術(shù)革新（比如新的具有更好性能的硬件）。此外，讓控制臺(tái)獨(dú)立是通用化控制臺(tái)設(shè)計(jì)的第一步。
這種狀況下的分析和對(duì)錯(cuò)誤的診斷沒有進(jìn)行錯(cuò)誤分析的基礎(chǔ)上，我們可以對(duì)CNC和PLC來說，控制臺(tái)扮演著相同的角色。
在柔性化制造環(huán)境中，沒有操作員，機(jī)床獨(dú)立工作，執(zhí)行器包含所有適用于柔性化制造環(huán)境所需要的功能。更準(zhǔn)確地說，執(zhí)行器的功能有以下三個(gè)基本要求：
執(zhí)行要求:
l 將以CNC標(biāo)準(zhǔn)代碼寫成的零件加工程序翻譯為機(jī)床可以理解和處理的中介代碼
l 根據(jù)加工程序所選的機(jī)床修正加工軌跡
l 管理不同加工步驟地序列
l 控制輔助部件（如潤(rùn)滑液，換刀裝置）
l 生成加工軌跡
l 控制軸向進(jìn)給
l 與現(xiàn)場(chǎng)總線（如果存在）通信
管理要求:
l 在加工過程中，以合適的方式存儲(chǔ)當(dāng)前和下一步任務(wù)，以更新機(jī)床描述符（比如更新加工時(shí)間信息數(shù)據(jù)）
l 以半永久方式存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)
l 更新和管理包含標(biāo)記為報(bào)告事件信息的日志
l 在適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)診斷
獨(dú)立工作所需的附加要求
l 與管理計(jì)算機(jī)通信
l 探測(cè)刀具損壞
l 測(cè)量刀具磨損
l 確認(rèn)刀具
l 管理和識(shí)別托盤
l 確認(rèn)和測(cè)量加工零件
這些要求顯示執(zhí)行器幾乎受制于硬件的實(shí)時(shí)約束（與控制臺(tái)相反）。由于執(zhí)行器內(nèi)在的復(fù)雜性，CNC設(shè)計(jì)的訣竅就在于執(zhí)行器。處理這一部分必須小心，尤其在設(shè)計(jì)它的結(jié)構(gòu)時(shí)。
分析到這一步，有人會(huì)說網(wǎng)絡(luò)作為第三方，顯然就是DNC或遠(yuǎn)程控制使用。事實(shí)上，考慮到類似加工自動(dòng)化協(xié)議（MAP）這樣的網(wǎng)絡(luò)，潛在的復(fù)雜性和稱作加工信息規(guī)范（MMS）的應(yīng)用層所提供的服務(wù)似乎會(huì)帶領(lǐng)我們闡述這個(gè)命題。但即便如此，這個(gè)想法不在本論文范圍之列。
執(zhí)行器設(shè)計(jì) ：（傳統(tǒng)）方式
設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器（CNC）的傳統(tǒng)方式是裝置分為三個(gè)實(shí)體：一個(gè)可編程控制器（PLC），一個(gè)可以稱之為CNC控制器（CNCD），一個(gè)包含CNC軸向控制器。PLC的主要功能是管理不同的機(jī)床附件（軸，潤(rùn)滑液……）CNCD的主要任務(wù)是翻譯CNC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)代碼，向軸向控制器輸出移動(dòng)量，以及處理操作者的動(dòng)作并執(zhí)行。PLC和CNCD每個(gè)都包含CNC的一部分，單獨(dú)任何一個(gè)都不能進(jìn)行CNC的控制。他們共同控制整個(gè)CNC。為了獲得一個(gè)控制命令，觸發(fā)器（可以是PLC或者CNCD）必須知道整個(gè)CNC系統(tǒng)的狀態(tài)。因此，PLC和CNCD共享狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)處于一個(gè)公共的雙通道存儲(chǔ)器中，或者，在處于最差的情況下，這些數(shù)據(jù)一直不斷在PLC和CNCD間交換。因而，這信息交換所需要的高速數(shù)據(jù)傳輸率會(huì)造成嚴(yán)重阻塞。因?yàn)閭鬏數(shù)奈锢斫橘|(zhì)（通常是專用總線）必須有十分先進(jìn)的性能，通常只有十分尖端的技術(shù)才能達(dá)到。1984年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開始研發(fā)CNC系統(tǒng)原型時(shí)，這一現(xiàn)象不十分明顯。在1987年7月，他們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)基于“傳統(tǒng)”CNC體系的原型。在那時(shí)，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)系統(tǒng)原型有著嚴(yán)重的信息傳輸問題。因此，他們決定重新設(shè)計(jì)這個(gè)體系，并且研制第二個(gè)原型，驗(yàn)證些新出現(xiàn)的想法。在深入研究信息傳輸問題之后，他們著手開始工作。
執(zhí)行者：PLC核心
一個(gè)主要基于[Gregotre87]和[Gregotre89]理論的研究表明，執(zhí)行中心可以設(shè)計(jì)成一個(gè)大型的有限狀態(tài)機(jī)，時(shí)序安排呼叫服務(wù)（圖1）。相比于傳統(tǒng)的體系相比，單實(shí)體控制執(zhí)行，執(zhí)行狀態(tài)整體集中于這個(gè)單實(shí)體中。這個(gè)方法解決了先前所提到的共有數(shù)據(jù)問題。
圖1
FSM的作用在于，保證了不同服務(wù)器之間的同步問題。FSM控制執(zhí)行并且建立了強(qiáng)勁的結(jié)構(gòu)；它可以在任何時(shí)候做出準(zhǔn)確的決定，使適當(dāng)?shù)姆?wù)器工作。從執(zhí)行的角度看整個(gè)FSM可以被認(rèn)為是一種PLC的核心。
服務(wù)器是一種相當(dāng)獨(dú)立的程序?qū)嶓w，有著自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以與其他服務(wù)器共享，并且擁有代表服務(wù)器狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息。從原理上講，每臺(tái)服務(wù)器，應(yīng)該由自己的處理器執(zhí)行指令。然而，一些實(shí)際理念上，遵循的是編組原則，即將一些服務(wù)器編為一組，然后分配給每一組一個(gè)單獨(dú)的處理器。實(shí)際上，服務(wù)器概念所包含的內(nèi)容比它本身更廣泛，它包括所有CNC執(zhí)行所能找到的所有任務(wù)。例如：
將部分用ISO編碼寫的程序翻譯成中間碼；
出于工具尺寸和磨損問題的考慮，更正軌跡；
進(jìn)給和控制軸板塊；
設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)置管理（恢復(fù)與存儲(chǔ)）。
其中一些服務(wù)器運(yùn)行十分繁重的計(jì)算程序，給執(zhí)行這些程序的執(zhí)行器造成很大的負(fù)載系數(shù)。這主要是由于這些服務(wù)器用數(shù)字運(yùn)算（如刀具修正器）或者分列運(yùn)算法（如ISO編譯器）。由于性能原因，一個(gè)特定程序執(zhí)行可以將任務(wù)分配到高速的特殊控制板和復(fù)雜的硬件。假定這些控制板存在于PLC擴(kuò)展板范圍中，只需要一個(gè)軟件去調(diào)試。所以，現(xiàn)在的PLC硬件經(jīng)過少許的調(diào)整，就可以重新使用。
“服務(wù)器”的準(zhǔn)確定義是研究中新的焦點(diǎn)領(lǐng)域。可以假設(shè)，為了更精確，每一個(gè)服務(wù)器的規(guī)范必須是正式的。由于服務(wù)器可以視為CNC 可再使用部件的種類，有一些要求必須注意，而FSM，集合了這些。這也可能引導(dǎo)正式的技術(shù)描述。
實(shí)踐執(zhí)行
為了證實(shí)我們的理論，我們計(jì)劃在第二個(gè)CNC原型中執(zhí)行新提出體系。所選用的程序語言為ADA，因?yàn)樗绦蚍€(wěn)定，并且簡(jiǎn)便。全面的項(xiàng)目設(shè)計(jì)按照OO論執(zhí)行，在所有的設(shè)計(jì)方法中，這是最適合ADA所有的功能。
軟件的功能實(shí)體分部在遵循以下表中要求的硬件中
控制臺(tái)
IBM的PC VME板，可能在將來被UNIX工作站代替，它可以執(zhí)行所有控制臺(tái)的功能。
執(zhí)行
MOTOROLA MVME 133 XT cpu板，（MC68020, 25MHz）用于控制臺(tái)的通訊和耗時(shí)服務(wù)（ISO編譯器，修正工具和MSD管理）
MOTOROLA MVME 133 XT cpu板（MC68020, 25MHz）用于FSM執(zhí)行，輔助設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊）
一些MOTOROLA MVME 133 XT cpu板，（MC68020, 25MHz）用于軸的分類機(jī)。每一個(gè)板塊執(zhí)行一個(gè)以上分類機(jī)（確切的數(shù)量視結(jié)構(gòu)而定）。這些板塊支持軸的服務(wù)器。
一些TMS320C25板塊，用于軸控制器。這些板塊，在日后升級(jí)之后被取消，由特殊的數(shù)字伺服控制器代替。
一個(gè)管理所有加工刀具傳感器和制動(dòng)器的現(xiàn)場(chǎng)總線板塊，與軸有關(guān)的除外。這些最新的約束（暫時(shí)的）是由于現(xiàn)場(chǎng)總線存在與軸控制要求時(shí)間的延遲。（詳情可參考《baguette et al 91》）
所有的硬件集中在VME架上。所有的板塊通過同一個(gè)總線連接。因此所有執(zhí)行板塊的信息交流通過共享內(nèi)存。服務(wù)器的響應(yīng)，使用一種特定的遠(yuǎn)程程序響應(yīng)，這是專門為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制研發(fā)的。這個(gè)運(yùn)行在主執(zhí)行板塊（FSM）的軟件和一種PLC中心軟件十分相似。所以，這個(gè)板塊可以方便的用PLC來替換。
上述關(guān)于軸的分布式差補(bǔ)的要求不會(huì)產(chǎn)生與我們第一個(gè)原型一樣的問題，因?yàn)?，我們已?jīng)采用了分散分類機(jī)，它執(zhí)行著如《Debourse87》所描述的概念。只需要升級(jí)和調(diào)整，如《Decotignie91》所描述的。
在寫這篇論文的時(shí)候，第二臺(tái)原型機(jī)已經(jīng)處于測(cè)試階段，但已經(jīng)達(dá)到完全的功能。
結(jié)論
新介紹的CNC體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的PLC體系結(jié)構(gòu)相比，有很多的相似之處。這證明了CNC也是一種PLC，或者，更確切點(diǎn)說，是一種進(jìn)化了的PLC，因?yàn)樗兄S多更高級(jí)的功能。實(shí)際上，這個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)可以和一個(gè)PLC中心一起執(zhí)行命令，一個(gè)帶有可視為協(xié)處理器的CPU板，隸屬于PLC中心，執(zhí)行服務(wù)軟件,和PLC標(biāo)準(zhǔn)軸板塊執(zhí)行分散分類機(jī)軟件。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
臥式升降臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
V
摘 要
本設(shè)計(jì)著重研究臥式銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)已確定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以變速箱展開圖的總中心距最小為目標(biāo)，擬定變速系統(tǒng)的變速方案，以獲得最優(yōu)方案以及較高的設(shè)計(jì)效率。在機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，為減少齒輪數(shù)目，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，縮短軸向尺寸，用齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)方法是試算，湊算法，計(jì)算麻煩且不易找出合理的設(shè)計(jì)方案。本文通過對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)中三聯(lián)滑移齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的分析與研究，繪制零件工作圖與主軸箱展開圖及剖視圖。
關(guān)鍵詞:傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),傳動(dòng)副，結(jié)構(gòu)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)式
Abstract
The design focuses on the design steps and design method for horizontal milling machine main drive system, according to the movement determined parameters to the gearbox developed view of the total center distance as the objective, to develop the program shift transmission system to obtain the optimal solution as well as more high design efficiency. In the machine tool main drive in order to reduce the number of gear structure is simplified, shorter axial dimension, with the gear design approach is a spreadsheet, hash algorithm to calculate cumbersome and difficult to find a reasonable design. Based on the main drive system features triple sliding gear analysis and research, working drawings and drawing parts headstock developed view and a sectional view.
Keywords: transmission system design, transmission deputy, network architecture, structure
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
第2章 銑床參數(shù)的擬定 2
2.1銑床主參數(shù)和基本參數(shù) 2
2.2確定級(jí)數(shù)主要其他參數(shù) 2
2.2.1 擬定主軸的各級(jí)轉(zhuǎn)速 2
2.2.2 主電機(jī)功率——?jiǎng)恿?shù)的確定 2
2.2.3確定結(jié)構(gòu)式 2
2.2.4確定結(jié)構(gòu)網(wǎng) 4
2.2.5繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖 4
2.3 確定各變速組此論傳動(dòng)副齒數(shù) 6
第3章 傳動(dòng)件的計(jì)算 9
3.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 9
3.1.1計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd 9
3.1.2選擇帶型 10
3.1.3驗(yàn)證帶速并確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 10
3.1.4確定中心距離、帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度并驗(yàn)算小輪包角 11
3.1.5確定帶的根數(shù)z 12
3.1.6確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 12
3.1.7確定帶的張緊裝置 12
3.1.8計(jì)算壓軸力 13
3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 14
3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 15
3.4 傳動(dòng)軸最小軸徑的初定 18
第4章 主要零部件的選擇 20
4.1 軸承的選擇 20
4.2 鍵的規(guī)格 20
4.3 主軸彎曲剛度校核 20
4.4 軸承校核 21
4.5 潤(rùn)滑與密封 21
第5章 摩擦離合器(多片式)的計(jì)算 22
5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
5.1.1 展開圖設(shè)計(jì) 23
5.1.2 截面圖及軸的空間布置 24
5.2 零件驗(yàn)算 24
5.2.1 主軸剛度 24
5.2.2 傳動(dòng)軸剛度 29
5.2.3 齒輪疲勞強(qiáng)度 32
第6章 主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說明 35
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案 35
6.2 展開圖及其布置 35
結(jié)束語 36
參考文獻(xiàn) 37
第1章 緒論
機(jī)床技術(shù)參數(shù)有主參數(shù)和基本參數(shù)，他們是運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，影響到機(jī)床是否滿足所需要的基本功能要求，參數(shù)擬定就是機(jī)床性能設(shè)計(jì)。主參數(shù)是直接反映機(jī)床的加工能力、決定和影響其他基本參數(shù)的依據(jù)，如車床的最大加工直徑，一般在設(shè)計(jì)題目中給定，基本參數(shù)是一些加工件尺寸、機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性有關(guān)的參數(shù)，可歸納為尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。
通用車床工藝范圍廣，所加工的工件形狀、尺寸和材料各不相同，有粗加工又有精加工；用硬質(zhì)合金刀具又用高速鋼刀具。因此，必須對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)床工藝范圍和使用情況做全面的調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，依據(jù)某些典型工藝和加工對(duì)象，兼顧其他的可能工藝加工的要求，擬定機(jī)床技術(shù)參數(shù)，擬定參數(shù)時(shí)，要考慮機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)和同國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的對(duì)比，使擬定的參數(shù)最大限度地適應(yīng)各種不同的工藝要求和達(dá)到機(jī)床加工能力下經(jīng)濟(jì)合理。
機(jī)床主傳動(dòng)系因機(jī)床的類型、性能、規(guī)格和尺寸等因素的不同，應(yīng)滿足的要求也不一樣。設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動(dòng)系時(shí)最基本的原則就是以最經(jīng)濟(jì)、合理的方式滿足既定的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體機(jī)床進(jìn)行具體分析，一般應(yīng)滿足的基本要求有：滿足機(jī)床使用性能要求。首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，如機(jī)床主軸油足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)；滿足機(jī)床傳遞動(dòng)力的要求。主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能提供足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率；滿足機(jī)床工作性能要求。主傳動(dòng)中所有零部件有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩(wěn)定；滿足產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求。傳動(dòng)鏈盡可能簡(jiǎn)短，零件數(shù)目要少，以便節(jié)約材料，降低成本。
題目：臥式升降臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)如下：
1、 X6132萬能升降臺(tái)銑床主軸箱設(shè)計(jì)，電機(jī)額定功率p=4kw,nmin=33.5r/min,?nmax=1320r/min轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)z=17,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速no=1440r/min,公比Φ=1.26。
37
第2章 銑床參數(shù)的擬定
2.1銑床主參數(shù)和基本參數(shù)
銑床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)如下：
2、 X6132萬能升降臺(tái)銑床主軸箱設(shè)計(jì)，電機(jī)額定功率p=4kw,nmin=33.5r/min,?nmax=1320r/min轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)z=17,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速no=1440r/min,公比Φ=1.26。
2.2確定級(jí)數(shù)主要其他參數(shù)
2.2.1 擬定主軸的各級(jí)轉(zhuǎn)速
依據(jù)題目要求選級(jí)數(shù)Z=17， =1.26=1.064考慮到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度要適中，故采用常規(guī)的擴(kuò)大傳動(dòng)。各級(jí)轉(zhuǎn)速數(shù)列可直接從標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)列表中查出，按標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速數(shù)列為：
33.5,42.5,53,67,85,106,132.5,170,212,267，335，425，535，670，850，1060，1320
2.2.2 主電機(jī)功率——?jiǎng)恿?shù)的確定
合理地確定電機(jī)功率N，使機(jī)床既能充分發(fā)揮其性能，滿足生產(chǎn)需要，又不致使電機(jī)經(jīng)常輕載而降低功率因素。
根據(jù)題設(shè)條件電機(jī)功率為4KW可選取電機(jī)為：Y112M-4額定功率為4KW，滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min.
2.2.3確定結(jié)構(gòu)式
對(duì)于Z=17可按照將主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)分解因子，可能的方案有：
第一行
第二行
在上面的兩行方案中，第一行方案是由11對(duì)傳動(dòng)副組成的兩個(gè)變速組，這兩個(gè)變速組串聯(lián)構(gòu)成了主軸的17級(jí)轉(zhuǎn)速。這樣的方案能夠省掉一根軸，但有一個(gè)傳動(dòng)組內(nèi)將出現(xiàn)9個(gè)傳動(dòng)副。假如用一個(gè)九聯(lián)滑移齒輪，那么軸向尺寸會(huì)增大。假如采用若干個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪與若干個(gè)三聯(lián)滑移齒輪組合使用，那么，為了防止各滑移齒輪同時(shí)嚙合，操縱機(jī)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)互鎖。綜上所述，第一行中的方案一般不采用。
對(duì)于第二行中的三個(gè)方案，將出現(xiàn)三個(gè)變速組，每個(gè)變數(shù)組中有2個(gè)或者3個(gè)傳動(dòng)副。我們能夠采用雙聯(lián)或者三聯(lián)滑移齒輪來變速。該行方案中總的傳動(dòng)副數(shù)最少，軸向尺寸較小，操縱機(jī)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，在主軸轉(zhuǎn)速為18級(jí)的分級(jí)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用第二行中的方案。
根據(jù)公式可得，傳動(dòng)件所傳遞的功率P與它的計(jì)算轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了傳遞轉(zhuǎn)矩T。一般情況下，從電動(dòng)機(jī)到主軸為降速傳動(dòng)。即所謂的“近電機(jī)高轉(zhuǎn)速”，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速也較高，那么需要傳遞的轉(zhuǎn)矩就較小，尺寸也較小。根據(jù)傳動(dòng)副的“前多后少”原則，即將傳動(dòng)副較多的變速組安排在靠近電動(dòng)機(jī)處，這樣可以多些小尺寸的零件，少些大尺寸的零件，不僅可以節(jié)省材料，還可以使變速箱結(jié)構(gòu)緊湊。因此，對(duì)于第二行中的三種方案，我們通常采用的方案，它表示該傳動(dòng)系統(tǒng)是由3個(gè)變速組共8對(duì)傳動(dòng)副組成（不包含可能的定比傳動(dòng)副）。
在方案中，由于基本組與擴(kuò)大組之間的排列順序不同，又將衍生出6種不同的方案。6種方案的結(jié)構(gòu)式如下：
在這6個(gè)方案中，首先應(yīng)對(duì)各個(gè)方案變速組的變速范圍進(jìn)行驗(yàn)算。在一般情況下，變速范圍最大的是最后一個(gè)擴(kuò)大組，所以只需要對(duì)最后一個(gè)擴(kuò)大組的變速范圍進(jìn)行校驗(yàn)。
設(shè)計(jì)機(jī)床的變速系統(tǒng)中，在降速傳動(dòng)時(shí)，為了避免從動(dòng)齒輪的直徑過大而使徑向尺寸隨之增大，通常使傳動(dòng)副的最小傳動(dòng)比。在升速傳動(dòng)中，防止產(chǎn)生過大的噪聲與震動(dòng)，通常使傳動(dòng)副的最大傳動(dòng)比。對(duì)于斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)比較平穩(wěn)，所以取。故，在一般情況下變速組的變速范圍應(yīng)滿足以下條件：
在、、、這四種方案中，最后一個(gè)擴(kuò)大組都是，其變速范圍：
所以不滿足傳動(dòng)組的極限變速范圍要求。
在、這兩種方案中，最后一個(gè)擴(kuò)大組都是，其變速范圍：
滿足傳動(dòng)組的極限變速范圍要求。根據(jù)中間軸變速范圍最小的原則，即“前密后疏”，方案為最佳方案，結(jié)構(gòu)式為：。
2.2.4確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)
畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)如下：(變速系統(tǒng)共需4根軸，其中Ⅳ軸為主軸)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
圖3-1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)
2.2.5繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖
（1）選擇電動(dòng)機(jī)：采用Y系列封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。
（2）繪制轉(zhuǎn)速圖：
（3）畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù)，畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2-3：
1-2軸最小中心距：A1_2min>1/2(Zmaxm+2m+D)
軸最小齒數(shù)和:Szmin>(Zmax+2+D/m)
圖2-3 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
2.3 確定各變速組此論傳動(dòng)副齒數(shù)
(1)Sz100-120,中型機(jī)床Sz=70-100
(2)直齒圓柱齒輪Zmin18-20
（7）齒輪齒數(shù)的確定。變速組內(nèi)取模數(shù)相等，據(jù)設(shè)計(jì)要求Zmin≥18~20,齒數(shù)和Sz≤100～120，由表4.1，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如表2-2。
（1） 確定各變速組內(nèi)齒輪齒數(shù)
由以上確定的各個(gè)傳動(dòng)比，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表5-2，有：
a變速組
， ，
時(shí)，=…，58，60，62，64，66，68，70，72，74，76，…
時(shí)，=…，56，59，61，63，65，66，68，70，72，74，…
時(shí)，=…57，59，60，62，65，67，70，72，73，75，…
可知，=70和72是共同適用的，可取=72。再由參考文獻(xiàn)[1]表5-2查出各對(duì)齒輪副中小齒輪的齒數(shù)為：36、32和28。則：
；；
b變速組
， ，
時(shí)，=…，70，72，74，75，77，79，81，82，83，84，…
時(shí)，=…，70，72，73，75，77，78，80，82，83，85，…
時(shí)，=…，66，67，70，71，75，79，80，83，84，87，…
可取=83，查出齒輪齒數(shù)為：37、32、和20。
；；
c變速組
，
時(shí)，=…，80，84，85，95，96，99，100，104，105，…
時(shí)，=…，92，93，95，96，98，99，101，102，104，…
可取=99，查出齒輪齒數(shù)為：24和33。則：
；
第3章 傳動(dòng)件的計(jì)算
3.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
輸出功率P=4kW,轉(zhuǎn)速n1=1440r/min,n2=670r/min
3.1.1計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd
表3-3 工作情況系數(shù)
工作機(jī)
原動(dòng)機(jī)
ⅰ類
ⅱ類
一天工作時(shí)間/h
10~16
10~16
載荷
平穩(wěn)
液體攪拌機(jī)；離心式水泵；通風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)（）；離心式壓縮機(jī)；輕型運(yùn)輸機(jī)
1.0
1.1
1.2
1.1
1.2
1.3
載荷
變動(dòng)小
帶式運(yùn)輸機(jī)（運(yùn)送砂石、谷物），通風(fēng)機(jī)（）；發(fā)電機(jī)；旋轉(zhuǎn)式水泵；金屬切削機(jī)床；剪床；壓力機(jī)；印刷機(jī)；振動(dòng)篩
1.1
1.2
1.3
1.2
1.3
1.4
載荷
變動(dòng)較大
螺旋式運(yùn)輸機(jī)；斗式上料機(jī)；往復(fù)式水泵和壓縮機(jī)；鍛錘；磨粉機(jī)；鋸木機(jī)和木工機(jī)械；紡織機(jī)械
1.2
1.3
1.4
1.4
1.5
1.6
載荷
變動(dòng)很大
破碎機(jī)（旋轉(zhuǎn)式、顎式等）；球磨機(jī)；棒磨機(jī)；起重機(jī)；挖掘機(jī)；橡膠輥壓機(jī)
1.3
1.4
1.5
1.5
1.6
1.8
根據(jù)V帶的載荷平穩(wěn)，兩班工作制（16小時(shí)），查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P296表4，
取KA＝1.1。即
3.1.2選擇帶型
普通V帶的帶型根據(jù)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd和小帶輪的轉(zhuǎn)速n1按《機(jī)械設(shè)計(jì)》P297圖13－11選取。
圖3-2
根據(jù)算出的Pd＝4.4kW及小帶輪轉(zhuǎn)速n1＝1440r/min ，查圖得：d d=80～100可知應(yīng)選取A型V帶。
3.1.3驗(yàn)證帶速并確定帶輪的基準(zhǔn)直徑
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P298表13－7查得，小帶輪基準(zhǔn)直徑為80～100mm
則取dd1= 100mm> ddmin.=75 mm（dd1根據(jù)P295表13-4查得）
表3-4 V帶帶輪最小基準(zhǔn)直徑
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
20
50
75
125
200
355
500
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查“V帶輪的基準(zhǔn)直徑”，得=200mm
① 誤差驗(yàn)算傳動(dòng)比： （為彈性滑動(dòng)率）
誤差 符合要求
② 帶速
滿足5m/s
300mm，所以宜選用E型輪輻式帶輪。
總之，小帶輪選H型孔板式結(jié)構(gòu)，大帶輪選擇E型輪輻式結(jié)構(gòu)。
帶輪的材料：選用灰鑄鐵，HT200。
3.1.7確定帶的張緊裝置
選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便的定期調(diào)整中心距的張緊裝置。
3.1.8計(jì)算壓軸力
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P303表13－12查得，A型帶的初拉力F0＝123.31N，上面已得到=165.17o，z=3，則
對(duì)帶輪的主要要求是質(zhì)量小且分布均勻、工藝性好、與帶接觸的工作表面加工精度要高，以減少帶的磨損。轉(zhuǎn)速高時(shí)要進(jìn)行動(dòng)平衡，對(duì)于鑄造和焊接帶輪的內(nèi)應(yīng)力要小, 帶輪由輪緣、腹板（輪輻）和輪轂三部分組成。帶輪的外圈環(huán)形部分稱為輪緣，輪緣是帶輪的工作部分，用以安裝傳動(dòng)帶，制有梯形輪槽。由于普通V帶兩側(cè)面間的夾角是40°，為了適應(yīng)V帶在帶輪上彎曲時(shí)截面變形而使楔角減小，故規(guī)定普通V帶輪槽角 為32°、34°、36°、38°（按帶的型號(hào)及帶輪直徑確定），輪槽尺寸見表7-3。裝在軸上的筒形部分稱為輪轂，是帶輪與軸的聯(lián)接部分。中間部分稱為輪幅（腹板），用來聯(lián)接輪緣與輪轂成一整體。
項(xiàng)目
?
符號(hào)
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
基準(zhǔn)寬度
b p
5.3
8.5
11.0
14.0
19.0
27.0
32.0
基準(zhǔn)線上槽深
h amin
1.6
2.0
2.75
3.5
4.8
8.1
9.6
基準(zhǔn)線下槽深
h fmin
4.7
7.0
8.7
10.8
14.3
19.9
23.4
槽間距
e
8 ± 0.3
12 ± 0.3
15 ± 0.3
19 ± 0.4
25.5 ± 0.5
37 ± 0.6
44.5 ± 0.7
第一槽對(duì)稱面至端面的距離
f min
6
7
9
11.5
16
23
28
最小輪緣厚
5
5.5
6
7.5
10
12
15
帶輪寬
B
B =( z -1) e + 2 f ? z —輪槽數(shù)
外徑
d a
輪 槽 角
32°
對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)直徑 d d
≤ 60
-
-
-
-
-
-
34°
-
≤ 80
≤ 118
≤ 190
≤ 315
-
-
36°
60
-
-
-
-
≤ 475
≤ 600
38°
-
＞ 80
＞ 118
＞ 190
＞ 315
＞ 475
＞ 600
極限偏差
± 1
± 0.5
表3-7 普通V帶輪的輪槽尺寸（摘自GB/T13575.1-92）
V帶輪按腹板（輪輻）結(jié)構(gòu)的不同分為以下幾種型式：
（1） 實(shí)心帶輪：用于尺寸較小的帶輪(dd≤(2.5～3)d時(shí))，如圖3-2a。
（2） 腹板帶輪：用于中小尺寸的帶輪(dd≤ 300mm 時(shí))，如圖3-2b。
（3） 孔板帶輪：用于尺寸較大的帶輪((dd－d)＞ 100 mm 時(shí))，如圖3-3c 。
（4） 橢圓輪輻帶輪：用于尺寸大的帶輪(dd＞ 500mm 時(shí))，如圖3-3d。
（a） （b） （c） （d）
圖3-3 帶輪結(jié)構(gòu)類型
根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以得出結(jié)論：小帶輪選擇實(shí)心帶輪，
如圖（a）,大帶輪選擇腹板帶輪如圖（b）
3.2 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算
（1）主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj，由公式n=n得，主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj=127.031r/min，
取100r/min。
(2). 傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸3=400 r/min， 軸2=630 r/min，軸1=800r/min。
（2）確定各傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。
表3-1 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸 號(hào)
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min
800
630
400
（3） 確定齒輪副的計(jì)算轉(zhuǎn)速。3-2。
表3-2 齒輪副計(jì)算轉(zhuǎn)速
序號(hào)
Z
Z
Z
Z
Z
n
800
800
630
630
400
3.3 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算
（1）模數(shù)計(jì)算。一般同一變速組內(nèi)的齒輪取同一模數(shù)，選取負(fù)荷最重的小齒輪，按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，即mj=16338可得各組的模數(shù)，如表3-3所示。
表3-3 模數(shù)
組號(hào)
基本組
第一擴(kuò)大組
第二擴(kuò)大組
模數(shù) mm
3
3
3.5
（2）基本組齒輪計(jì)算。
基本組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z1
Z1`
Z2
Z2`
Z3
Z3`
齒數(shù)
32
40
28
56
24
48
分度圓直徑
96
120
84
168
72
144
齒頂圓直徑
102
126
90
174
78
150
齒根圓直徑
88.5
112.5
76.5
160.5
64.5
136.5
齒寬
24
24
24
24
24
24
按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。計(jì)算如下：
① 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：
接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為
彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為：
式中 N----傳遞的額定功率（kW），這里取N為電動(dòng)機(jī)功率;
-----計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）. ;
m-----初算的齒輪模數(shù)（mm）, m=3（mm）;
B----齒寬（mm）
z----小齒輪齒數(shù)
u----小齒輪齒數(shù)與大齒輪齒數(shù)之比
-----壽命系數(shù)；
=
----工作期限系數(shù)；
T------齒輪工作期限，這里取T=15000h.;
-----齒輪的最低轉(zhuǎn)速（r/min）
----基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，接觸載荷取=，彎曲載荷取=
m----疲勞曲線指數(shù)，接觸載荷取m=3；彎曲載荷取m=6;
----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，查【5】2上，取=0.60
----功率利用系數(shù)，查【5】2上，取=0.78
-----材料強(qiáng)化系數(shù)，查【5】2上， =0.60
-----工作狀況系數(shù)，取=1.1
-----動(dòng)載荷系數(shù)，查【5】2上，取=1
------齒向載荷分布系數(shù)，查【5】2上，=1
Y------齒形系數(shù)，查【5】2上，Y=0.386；
----許用接觸應(yīng)力（MPa）,查【4】，表4-7，取=650 Mpa；
---許用彎曲應(yīng)力（MPa），查【4】，表4-7，取=275 Mpa；
根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得：
=635 Mpa
=78 Mpa
（3）擴(kuò)大組齒輪計(jì)算。
第一擴(kuò)大組
齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z4
Z4`
Z5
Z5`
Z6
Z6`
齒數(shù)
46
37
32
51
20
63
分度圓直徑
138
111
96
153
60
189
齒頂圓直徑
144
117
102
159
66
195
齒根圓直徑
130.5
103.5
88.5
145.5
52.5
181.5
齒寬
24
24
24
24
24
24
第二擴(kuò)大組齒輪幾何尺寸見下表
齒輪
Z5
Z5`
Z6
Z6`
齒數(shù)
66
33
24
75
分度圓直徑
231
115.5
84
262.5
齒頂圓直徑
238
122.5
91
269.5
齒根圓直徑
222.25
106.75
75.25
253.75
齒寬
24
24
24
24
按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。
同理根據(jù)基本組的計(jì)算，
查文獻(xiàn)【6】，可得 =0.62， =0.77，=0.60，=1.1，
=1，=1，m=3.5，=355；
可求得：
=619 Mpa
=135Mpa
3.4 傳動(dòng)軸最小軸徑的初定
由【5】式6，傳動(dòng)軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下式計(jì)算：
d=1.64（mm）
或 d=91（mm）
式中 d---傳動(dòng)軸直徑（mm）
Tn---該軸傳遞的額定扭矩（N*mm） T=9550000；
N----該軸傳遞的功率（KW）
----該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
---該軸每米長(zhǎng)度的允許扭轉(zhuǎn)角，==。
各軸最小軸徑如表3-3。
表3-3 最小軸徑
軸 號(hào)
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
最小軸徑mm
35
40
第4章 主要零部件的選擇
4.1 軸承的選擇
I軸：與帶輪靠近段安裝雙列角接觸球軸承代號(hào)7007C 另一安裝深溝球軸承6012
II軸：對(duì)稱布置深溝球軸承6009
III軸：后端安裝雙列角接觸球軸承代號(hào)7015C
另一安裝端角接觸球軸承代號(hào)7010C
中間布置角接觸球軸承代號(hào)7012C
4.2 鍵的規(guī)格
I軸安裝帶輪處選擇普通平鍵規(guī)格：
BXL=10X56
II軸選擇花鍵規(guī)格：
N d =8X36X40X7
III軸選擇鍵規(guī)格：
BXL=14X90
4.3 主軸彎曲剛度校核
（1）主軸剛度符合要求的條件如下：
a主軸的前端部撓度
b主軸在前軸承處的傾角
c在安裝齒輪處的傾角
(2)計(jì)算如下：
前支撐為雙列圓柱滾子軸承，后支撐為角接觸軸承架立放圓柱滾子軸承跨距L=450mm.
當(dāng)量外徑 de==
主軸剛度：
因?yàn)閐i/de=25/285=0.088<0.7,所以孔對(duì)剛度的影響可忽略；
ks==2kN/mm
剛度要求：主軸的剛度可根據(jù)機(jī)床的穩(wěn)定性和精度要求來評(píng)定
4.4 軸承校核
4.5 潤(rùn)滑與密封
主軸轉(zhuǎn)速高，必須保證充分潤(rùn)滑，一般常用單獨(dú)的油管將油引到軸承處。
主軸是兩端外伸的軸，防止漏油更為重要而困難。防漏的措施有兩種：
1）密封圈——加密封裝置防止油外流。。
2）疏導(dǎo)——在適當(dāng)?shù)牡胤阶龀龌赜吐?，使油能順利地流回到油箱?
第5章 摩擦離合器(多片式)的計(jì)算
設(shè)計(jì)多片式摩擦離合器時(shí)，首先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)確定離合器的尺寸，如為軸裝式時(shí)，外摩擦片的內(nèi)徑d應(yīng)比花鍵軸大2～6mm，內(nèi)摩擦片的外徑D的確定，直接影響離合器的徑向和軸向尺寸，甚至影響主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，故應(yīng)合理選擇。
摩擦片對(duì)數(shù)可按下式計(jì)算
Z≥2MnK/fb[p]
式中 Mn——摩擦離合器所傳遞的扭矩（N·mm）；
Mn＝955×η/＝955××3×0.98/800＝1.28×（N·mm）;
Nd——電動(dòng)機(jī)的額定功率（kW）；
——安裝離合器的傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）；
η——從電動(dòng)機(jī)到離合器軸的傳動(dòng)效率；
K——安全系數(shù)，一般取1.3～1.5；
f——摩擦片間的摩擦系數(shù)，由于磨擦片為淬火鋼，查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-15，取f=0.08；
——摩擦片的平均直徑（mm）;
=（D+d）/2＝67mm;
b——內(nèi)外摩擦片的接觸寬度（mm）；
b=（D-d）/2=23mm；
——摩擦片的許用壓強(qiáng)（N/）；
＝＝1.1×1.00×1.00×0.76＝0.836
——基本許用壓強(qiáng)（MPa），查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-15，取1.1；
——速度修正系數(shù)
＝n/6×=2.5（m/s）
根據(jù)平均圓周速度查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-16，取1.00；
——接合次數(shù)修正系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-17，取1.00；
——摩擦結(jié)合面數(shù)修正系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-18，取0.76。
所以 Z≥2MnK/fb[p]＝2×1.28××1.4/（3.14×0.08××23×0.836＝11 臥式銑床反向離合器所傳遞的扭矩可按空載功率損耗確定，一般取
＝0.4＝0.4×11＝4.4
最后確定摩擦離合器的軸向壓緊力Q，可按下式計(jì)算：
Q=b(N)＝1.1×3.14××23×1.00＝3.57×
式中各符號(hào)意義同前述。
摩擦片的厚度一般取1、1.5、1.75、2（mm），內(nèi)外層分離時(shí)的最大間隙為0.2～0.4（mm）,摩擦片的材料應(yīng)具有較高的耐磨性、摩擦系數(shù)大、耐高溫、抗膠合性好等特點(diǎn)，常用10或15鋼，表面滲碳0.3～0.5（mm）,淬火硬度達(dá)HRC52～62。
圖3-5 多片摩擦離合器
5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1.1 展開圖設(shè)計(jì)
5.1.1.1 齒輪布置
主傳動(dòng)系統(tǒng)采用集中傳動(dòng)方式，將全部傳動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)集中在同一個(gè)主軸箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于實(shí)現(xiàn)集中操縱，安裝調(diào)整方便。電機(jī)軸與電動(dòng)機(jī)采用彈性柱銷聯(lián)軸器連接，可一定程度降低定心精度要求，隔離點(diǎn)擊震動(dòng)。
5.1.1.2 主軸組件設(shè)計(jì)
圓錐滾子軸承能同時(shí)承受徑向和軸向載荷，成對(duì)使用具有軸承數(shù)量少、支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸承間隙調(diào)整方便的特點(diǎn)。主軸采用單列圓錐滾子軸承的前中支承為主端深溝球軸承的尾端支承為輔的三支撐結(jié)構(gòu)。用中支撐左側(cè)的螺母同時(shí)調(diào)整前中兩個(gè)軸承的間隙。
5.1.2 截面圖及軸的空間布置
由于滑移齒輪軸心離箱體壁距離較大，且滑移行程較長(zhǎng)，故采用撥叉沿導(dǎo)向桿滑動(dòng)來操縱滑移齒輪。擺動(dòng)撥叉通過滑塊與滑動(dòng)撥叉尾端的槽接觸，滑塊做圓弧運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為撥叉的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑移。使用鋼球彈簧作為定位的手柄座可以使操作桿撥動(dòng)到指定位置即停下并鎖緊，方便工人操作。
5.2 零件驗(yàn)算
5.2.1 主軸剛度
5.2.1.1 主軸支撐跨距的確定
前端懸伸量：主軸前端的懸伸長(zhǎng)度，即從主軸外側(cè)前支撐中點(diǎn)（滾錐軸承及向心推力軸承則是接觸角法線與軸線的交點(diǎn)處）到主軸前端的距離。這里選定。
一般最佳跨距，考慮到結(jié)構(gòu)以及支承剛度會(huì)因磨損而不斷降低，應(yīng)取跨距比最佳支承跨距 大一些，一般是的倍，再綜合考慮結(jié)構(gòu)的需要，本設(shè)計(jì)取。
5.2.1.2 最大切削合力P的確定
最大圓周切削力須按主軸輸出全功率和最大扭矩確定
（4-8）
其中：
——電動(dòng)機(jī)額定功率()，；
——主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，，為各傳動(dòng)副、軸承的效率，總效率。由前文計(jì)算結(jié)果， 。?。?
——主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由前文計(jì)算結(jié)果，主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速為；
——計(jì)算直徑，對(duì)于臥式銑床，為最大端銑刀計(jì)算直徑，對(duì)于工作臺(tái)面積為的臥式銑床,其端銑刀的計(jì)算直徑及寬度分別為，。
可以得到，
驗(yàn)算主軸組件剛度時(shí)，須求出作用在垂直于主軸軸線的平面內(nèi)的最大切削合力。對(duì)于臥式升降臺(tái)銑床的銑削力，一般按端銑計(jì)算。
不妨假設(shè)本銑床進(jìn)給系統(tǒng)的末端傳動(dòng)副有消隙機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用不對(duì)稱順銑，則各切削分力、、同的比值可大致認(rèn)為
；
；
。
則，，即與水平面成角，在水平面的投影與成角。
5.2.1.3 切削力作用點(diǎn)的確定
設(shè)切削力的作用點(diǎn)到主軸前支撐的距離為
（4-9）
其中：
——主軸前端的懸伸長(zhǎng)度，；
——對(duì)于普通升降臺(tái)銑床。
可以得到，
5.2.1.4 齒輪驅(qū)動(dòng)力Q的確定
齒輪傳動(dòng)軸受輸入扭矩的齒輪驅(qū)動(dòng)力的作用而產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)齒輪為直齒圓柱齒輪時(shí)，其嚙合角，齒面摩
擦角時(shí)，其彎曲載荷
（4-10）
其中：
——齒輪傳遞的全功率()，取；
——該齒輪的模數(shù)、齒數(shù)；
——該傳動(dòng)軸的計(jì)算工況轉(zhuǎn)速。
可以得到，
5.2.1.5 變形量允許值的確定
變形量允許值：對(duì)普通機(jī)床前端撓度的允許值，目前廣泛 使用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
（4-11）
其中：
——主軸兩支撐間的距離，。
可以得到，
5.2.1.6 主軸組件的靜剛度驗(yàn)算
圖 4-4 主軸組件縱向視圖力的分布
圖 4-5 主軸組件橫向視圖力的分布
選定如圖的直角坐標(biāo)系，求各力同時(shí)作用下，前后軸承負(fù)荷的大小及其方向角，并判定象限。建立方程組計(jì)算主軸前后支撐處的支反力。
的方向：
的方向：
在點(diǎn)的水平投影：
在點(diǎn)的垂直投影：
可以得到，
，，
，，
即，方向與軸正方向夾角。
，方向與軸正方向夾角。
前后軸承的負(fù)荷大小與支反力大小相同，方向相反。故前后軸承的負(fù)荷為：
，方向與軸正方向夾角。
，方向與軸正方向夾角。
按軸承的合成負(fù)荷，計(jì)算軸承的彈性位移。
滾動(dòng)軸承的徑向剛度是支承剛度的主要部分，支承剛度還包括軸承環(huán)與軸頸及箱體孔的配合表面間的接觸剛度。預(yù)緊的滾動(dòng)軸承可以提高剛度。
計(jì)算時(shí)可以忽略軸承環(huán)與軸頸以及箱體孔之間的接觸剛度。僅以滾動(dòng)軸承的游隙為零時(shí)，承受徑向載荷來計(jì)算軸承的徑向剛度，圓錐滾子軸承的徑向剛度
（4-12）
其中：
——滾動(dòng)體列數(shù)；
——每列中滾動(dòng)體數(shù)；
——滾子有效長(zhǎng)度；
——軸承的徑向負(fù)荷；
——軸承的接觸角。
可以得到，
前后支承軸承的彈性位移，
分別計(jì)算各作用力對(duì)彈性主軸前端點(diǎn)產(chǎn)生的撓度。
由簡(jiǎn)單載荷下簡(jiǎn)支軸的變形公式，軸自身變形引起的軸點(diǎn)撓度公式
（4-13）
（4-14）
其中：
——載荷力；
——材料的彈性模量，鋼的；
——分別為軸的的抗彎慣性矩
（4-15）
可以得到，
可以得到，
共同作用下，點(diǎn)的撓度分解
將軸承的彈性位移分解為直角坐標(biāo)分量，并計(jì)算它對(duì)主軸前端點(diǎn)產(chǎn)生的相應(yīng)撓度值。
點(diǎn)：
點(diǎn)：
在水平面（方向）點(diǎn)產(chǎn)生的撓度：
在垂直面（方向）點(diǎn)產(chǎn)生的撓度：
可以得到，
將主軸組件前端c 點(diǎn)在直角坐標(biāo)上的各分量進(jìn)行代數(shù)疊加后，再合成綜合撓度值并計(jì)算其方向角。
分量：
合成：
方向角：
由綜合撓度，可見，故主軸通過校核。
5.2.2 傳動(dòng)軸剛度
5.2.2.1 齒輪驅(qū)動(dòng)力Q的確定
齒輪傳動(dòng)軸同時(shí)受輸入扭矩的齒輪驅(qū)動(dòng)力和輸出扭矩的齒輪驅(qū)動(dòng)阻力的作用而產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)齒輪為直齒圓柱齒輪，其嚙合角，齒面摩擦角時(shí)，其彎曲載荷
（4-16）
其中：
——該齒輪傳遞的全功率，?。?
——該齒輪的模數(shù)和齒數(shù)；
——該傳動(dòng)軸的計(jì)算工況轉(zhuǎn)速；
——該軸輸入扭矩的齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)速；
——該軸輸出扭矩的齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)速。
由于軸Ⅲ上有三種不同的驅(qū)動(dòng)力和三種不同的驅(qū)動(dòng)阻力，故驅(qū)動(dòng)力具體的計(jì)算結(jié)果在下文討論。
5.2.2.2 變形量允許值的確定
齒輪傳動(dòng)軸的抗彎剛度驗(yàn)算，包括軸的最大撓度，滾動(dòng)軸承處及齒輪安裝處的傾角驗(yàn)算。其值均應(yīng)小于允許變形量及，允許變形量可由參考文獻(xiàn)[4]查得。
由參考文獻(xiàn)[3]知，對(duì)于傳動(dòng)軸Ⅱ，僅需要進(jìn)行剛度計(jì)算，無須進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。
5.2.2.3 主軸組件的撓度驗(yàn)算
圖5-4 傳動(dòng)軸II載荷分布
其中是變速組1的驅(qū)動(dòng)力，且3個(gè)驅(qū)動(dòng)力不能同時(shí)作用；是變速組2的驅(qū)動(dòng)阻力，且3個(gè)驅(qū)動(dòng)阻力不能同時(shí)作用。
可以得到
對(duì)于輸出驅(qū)動(dòng)阻力，由于各種情況轉(zhuǎn)速不定，故應(yīng)在選定校核用軸Ⅲ速度以后計(jì)算。
為了計(jì)算上的簡(jiǎn)便，可以近似地以該軸的中點(diǎn)撓度代替最大撓度，其最大誤差不超過3%。
由參考文獻(xiàn)[4]，若兩支承的齒輪傳動(dòng)軸為實(shí)心的圓形鋼軸，忽略其支承變形，在單位彎曲載荷作用下，其中點(diǎn)撓度
（4-17）
其中：
——兩支承間的跨距，；
——該軸的平均直徑，；
（4-18）
——齒輪的工作位置至較近支撐點(diǎn)的距離；
——輸入扭矩的齒輪在軸的中點(diǎn)引起的撓度；
——輸出扭矩的齒輪在軸的中點(diǎn)引起的撓度；
其余各符號(hào)定義與前文一致。
可以得到，
；
；
。
可以得到
故引起的中點(diǎn)撓度最大，在計(jì)算合成撓度時(shí)使用，進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)軸Ⅲ轉(zhuǎn)速為。
可以得到，
可以得到，
故引起的中點(diǎn)撓度最大，在計(jì)算合成撓度時(shí)使用，進(jìn)行計(jì)算。
由參考文獻(xiàn)[4]，中點(diǎn)的合成撓度
（4-19）
其中：
——被驗(yàn)算軸的中點(diǎn)合成撓度；
——在橫截面上，被驗(yàn)算的軸與其前、后傳動(dòng)軸連心線的夾角；
——驅(qū)動(dòng)力和阻力在橫截面上，兩向量合成時(shí)的夾角。
（4-20）
可以得到
可以得到
由綜合撓度，可見，滿足要求。
由參考文獻(xiàn)[4]，傳動(dòng)軸在支承點(diǎn)A、B處的傾角、
（4-21）
可以得到，
可見，滿足要求，故不用計(jì)算傳動(dòng)軸在齒輪處的傾角。
綜上，傳動(dòng)軸Ⅱ通過校核。
5.2.3 齒輪疲勞強(qiáng)度
驗(yàn)算變速箱中齒輪強(qiáng)度時(shí)，選擇相同模數(shù)中承受載荷最大的及齒數(shù)最小的齒輪進(jìn)行接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力計(jì)算。一般對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪驗(yàn)算齒面接觸應(yīng)力，對(duì)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪驗(yàn)算齒根彎曲應(yīng)力。對(duì)硬齒面軟芯的滲淬火齒輪，一定要驗(yàn)算彎曲應(yīng)力。因而此處僅驗(yàn)算與 這對(duì)齒輪。
由參考文獻(xiàn)[4]，齒面接觸應(yīng)力
（4-22）
齒根彎曲應(yīng)力
（4-23）
其中：
——初算得到的齒輪模數(shù)，；
——傳遞的額定功率，；
——齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，
；
——大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，，外嚙合取“＋”號(hào)，內(nèi)嚙合取“－”號(hào)；
——小齒輪的齒數(shù)；
——齒寬；
——許用接觸應(yīng)力，由參考文獻(xiàn)[5]表13-16，齒輪材料選用45鋼，高頻淬火，可得；
——許用彎曲應(yīng)力，；
——壽命系數(shù)；
（4-24）
——工作期限系數(shù)；
（4-25）
——齒輪在機(jī)床工作期限內(nèi)的總工作時(shí)間，對(duì)于中型機(jī)床的齒輪，，取，統(tǒng)一變速組內(nèi)的齒輪總工作時(shí)間可近似地認(rèn)為，為該變速組的傳動(dòng)副數(shù)，取，則；
——齒輪的最低轉(zhuǎn)速，??；
——基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，對(duì)于鋼和鑄鐵件，接觸載荷取，彎曲載荷??；
——疲勞曲線指數(shù)，接觸載荷取，彎曲載荷對(duì)正火、調(diào)質(zhì)及整體淬硬件取，對(duì)表面淬硬（高頻、滲碳、氮化等）件取；
可以得到，
；
——功率利用系數(shù)，??；
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，?。?
——材料強(qiáng)化系數(shù)，??；
可以得到，
，
；
——齒向載荷分布系數(shù)，??；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，取；
——工作狀況系數(shù)，考慮載荷沖擊的影響，主運(yùn)動(dòng)（中等沖擊）??；
——齒形系數(shù)，取。
可以得到，
可見，，。
綜上，齒輪通過校核。
第6章 主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說明
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案
設(shè)計(jì)主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動(dòng)件（傳動(dòng)軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動(dòng)器等）、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結(jié)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設(shè)計(jì)由于時(shí)間的限制，一0般只畫展開圖。
主軸變速箱是機(jī)床的重要部件。設(shè)計(jì)時(shí)除考慮一般機(jī)械傳動(dòng)的有關(guān)要求外，著重考慮以下幾個(gè)方面的問題。
精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動(dòng)效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結(jié)構(gòu)工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則。
主軸變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)中不可避免要經(jīng)過反復(fù)思考和多次修改。在正式畫圖前應(yīng)該先畫草圖。目的是：
1 布置傳動(dòng)件及選擇結(jié)構(gòu)方案。
2 檢驗(yàn)傳動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果中有無干涉、碰撞或其他不合理的情況，以便及時(shí)改正。
3 確定傳動(dòng)軸的支承跨距、齒輪在軸上的位置以及各軸的相對(duì)位置，以確
定各軸的受力點(diǎn)和受力方向，為軸和軸承的驗(yàn)算提供必要的數(shù)據(jù)。
6.2 展開圖及其布置
展開圖就是按照傳動(dòng)軸傳遞運(yùn)動(dòng)的先后順序，假想將各軸沿其軸線剖開并將這些剖切面平整展開在同一個(gè)平面上。
I軸上裝的摩擦離合器和變速齒輪。有兩種布置方案，一是將兩級(jí)變速齒輪和離合器做成一體。齒輪的直徑受到離合器內(nèi)徑的約束，齒根圓的直徑必須大于離合器的外徑，負(fù)責(zé)齒輪無法加工。這樣軸的間距加大。另一種布置方案是離合器的左右部分分別裝在同軸線的軸上，左邊部分接通，得到一級(jí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊接通得到三級(jí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種齒輪尺寸小但軸向尺寸大。我們采用第一種方案，通過空心軸中的拉桿來操縱離合器的結(jié)構(gòu)。
總布置時(shí)需要考慮制動(dòng)器的位置。制動(dòng)器可以布置在背輪軸上也可以放在其他軸上。制動(dòng)器不要放在轉(zhuǎn)速太低軸上，以免制動(dòng)扭矩太大，是制動(dòng)尺寸增大。
齒輪在軸上布置很重要，關(guān)系到變速箱的軸向尺寸，減少軸向尺寸有利于提高剛度和減小體積。
結(jié)束語
1、本次課程設(shè)計(jì)是針對(duì)專業(yè)課程基礎(chǔ)知識(shí)的一次綜合性應(yīng)用設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程應(yīng)用了《機(jī)械制圖》、《機(jī)械原理》、《工程力學(xué)》等。
2、本次課程設(shè)計(jì)充分應(yīng)用了以前所學(xué)習(xí)的知識(shí)，并應(yīng)用這些知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題。
3、本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握了一般設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，同時(shí)對(duì)機(jī)械部件的傳動(dòng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力計(jì)算也提高了應(yīng)用各種資料和實(shí)際動(dòng)手的能力。
4、本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步規(guī)范了制圖要求，掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能。
5、本次課程設(shè)計(jì)由于學(xué)習(xí)知識(shí)面的狹窄和對(duì)一些概念的理解不夠深刻，以及缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使得設(shè)計(jì)黨中出現(xiàn)了許多不妥和錯(cuò)誤之處，誠(chéng)請(qǐng)老師給予指正和教導(dǎo)。
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