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摘 要
數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動化控制技術是用數(shù)字化信號對機床運動極其加工過程進行控制的一種方法,隨著科學技術的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)是一個國家機械工業(yè)水平的重要標準。
數(shù)控機床是裝有程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控機床是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，起技術范圍覆蓋很多領域：（1）機械制造技術（2）信息處理、加工、傳輸技術；（3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術；（5）傳感技術；(6軟件技術等。計算機對傳統(tǒng)機械業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展天地。數(shù)控機床就是將加工過程所需的各種步驟以及刀具與工件之間的相對位移量都是用數(shù)字化的代碼來表示。通過控制介質數(shù)字信息送入專用區(qū)域通用的計算機。計算機對輸入的信息進行處理，發(fā)出各種指令來控制機床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。
關鍵詞：機械設計；數(shù)控三坐標銑床；主軸；數(shù)控系統(tǒng)。
目 錄
第一章 數(shù)控機床產(chǎn)生和發(fā)展趨勢··························1
1.1課題的意義············································1
1.2數(shù)控機床的產(chǎn)生背景····································1
1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢····································2
第二章 數(shù)控機床的組成及優(yōu)點····························5
2.1數(shù)控機床的組成········································5
2.2數(shù)控機床的工作原理····································6
2.3數(shù)控機床的優(yōu)點········································7
第三章 數(shù)控銑床的主傳動傳動設計·······················8
3.1概述··················································8
3.1.1主傳動設計要求······································8
3.1.2數(shù)控機床主軸的變速方式······························8
3.2主傳動系統(tǒng)設計········································9
3.2.1主傳動系統(tǒng)參數(shù)······································9
3.2.2 調速電動機的功率和轉矩特性 ························10
3.2.3 驅動電動機和主軸功率特性的匹配設計·················11
3.3主傳動系統(tǒng)傳動副設計·································12
3.4 齒輪傳動設計計算·····································16
3.5主軸組件設計·········································22
參考文獻················································27
致謝····················································28
第一章 數(shù)控機床產(chǎn)生及發(fā)展趨勢
1.1課題的意義
裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產(chǎn)業(yè)、生物技術及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術和裝備就是人類生活的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控又是當今先進制造技術和裝備最核心和技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造業(yè)能力和水平，提高對動態(tài)多變市場和適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的。
1.2 數(shù)控機床產(chǎn)生背景
隨著科學技術的不斷進步和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，而機械加工過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的有效途徑。
從工業(yè)化革命以來，人們實現(xiàn)機械加工自動化的主要手段有：
1.自動機床。
2.組合機床。
3.專用自動生產(chǎn)線。
這些設備的使用大大提高了機械加工自動化的程度，提高了勞動生產(chǎn)率，促進了制造業(yè)的發(fā)展。但它也存在固有的缺點，如：
1.初始投資大。
2.準備周期長。
3.柔性差。
因此，上述方法僅適用于批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機床以及國防工業(yè)部門尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設備來滿足上述需求，這是機床數(shù)控技術產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動力。另一方面，電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展則為NC 機床的發(fā)展提供了堅實的技術基礎。NC技術正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復雜的零件生產(chǎn)提供了自動化加工手段。
任何事物都有其特點與發(fā)展條件，人們掌握後才能加速其發(fā)展。數(shù)控機床的發(fā)展條件：
它是機、電、液、氣、光多學科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現(xiàn)代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數(shù)控機床難以順利發(fā)展；
數(shù)控機床是由主機、各種元部件(功能部件)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進的自動化刀具配合，才能實現(xiàn)加工，各個環(huán)節(jié)在技術上、質量上必須切實過關，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保數(shù)控機床工作的精度、效率和自動化，否則，難以在生產(chǎn)實際中使用;
它是社會需求、科技水平和人員素質三者的結合，缺一不成。如果人員素質差、科技水平達不到，則難以滿足社會需求。人是一切活動的主體，需要各種精通業(yè)務的專家、人才和熟練技術工人，互相配合，共同完成。否則，數(shù)控機床難以順利發(fā)展。
1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
1〕高速加工技術發(fā)展迅速
高速加工技術發(fā)展迅速，在高檔數(shù)控機床中得到廣泛應用。應用新的機床運動學理論和先進的驅動技術，優(yōu)化機床結構，采用高性能功能部件，移動部件輕量化，減少運動慣性。在刀具材料和結構的支持下，從單一的刀具切削高速加工，發(fā)展到機床加工全面高速化，如數(shù)控機床主軸的轉速從每分鐘幾千轉發(fā)展到幾萬轉、幾十萬轉；快速移動速度從每分鐘十幾米發(fā)展到幾十米和超過百米；換刀時間從十幾秒下降到10秒、3秒、1秒以下，換刀速度加快了幾倍到十幾倍。應用高速加工技術達到縮短切削時間和輔助時間，從而實現(xiàn)加工制造的高質量和高效率。
2〕精密加工技術有所突破
通過機床結構優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術的應用等，從而提高機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，從1950年至2000年50年內(nèi)提升100倍。目前，精密數(shù)控機床的重復定位精度可以達到1μm，進入亞微米超精加工時代。
3〕技術集成和技術復合趨勢明顯
技術集成和技術復合是數(shù)控機床技術最活躍的發(fā)展趨勢之一，如工序復合型——車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術復合，跨加工類別技術復合——金切與激光、沖壓與激光、金屬燒結與鏡面切削復合等，目前已由機加工復合發(fā)展到非機加工復合，進而發(fā)展到零件制造和管理信息及應用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理。技術集成和復合形成了新一類機床——復合加工機床，并呈現(xiàn)出復合機床多樣性的創(chuàng)新結構。
4〕數(shù)字化控制技術進入了智能化的新階段
數(shù)字化控制技術發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:數(shù)字化控制技術對機床單機控制；集合生產(chǎn)管理信息形成生產(chǎn)過程自動控制；生產(chǎn)過程遠程控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡化和無人化工廠的智能化新階段。智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡等智能化技術有機結合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。加工過程智能監(jiān)控可以實現(xiàn)工件裝卡定位自動找正，刀具直徑和長度誤差測量，加工過程刀具磨損和破損診斷、零件裝卸物流監(jiān)控，自動進行補償、調整、自動更換刀具等，智能監(jiān)控系統(tǒng)對機床的機械、電氣、液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障自動診斷、報警、故障顯示等，直至停機處理。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，遠程故障診斷專家智能系統(tǒng)開始應用。數(shù)控系統(tǒng)具有在線技術后援和在線服務后援。人工智能自動編程系統(tǒng)能按機床加工要求對零件進行自動加工。在線服務可以根據(jù)用戶要求隨時接通INTERNET接受遠程服務。采用智能技術來實現(xiàn)與管理信息融合下的重構優(yōu)化的智能決策、過程適應控制、誤差補償智能控制、故障自診斷和智能維護等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技術在制造系統(tǒng)上的應用，發(fā)展成柔性制造單元和智能網(wǎng)絡工廠，并進一步向制造系統(tǒng)可重組的方向發(fā)展。
5〕極端制造擴張新的技術領域
極端制造技術是指極大型、極微型、極精密型等極端條件下的制造技術。極端制造技術是數(shù)控機床技術發(fā)展的重要方向。重點研究微納機電系統(tǒng)的制造技術，超精密制造、巨型系統(tǒng)制造等相關的數(shù)控制造技術、檢測技術及相關的數(shù)控機床研制，如微型、高精度、遠程控制手術機器人的制造技術和應用；應用于制造大型電站設備、大型艦船和航空航天設備的重型、超重型數(shù)控機床的研制；IT產(chǎn)業(yè)等高新技術的發(fā)展需要超精細加工和微納米級加工技術，研制適應微小尺寸的微納米級加工新一代微型數(shù)控機床和特種加工機床；極端制造領域的復合機床的研制等。
6〕數(shù)控機床用于飛機零件的高速高效加工
新型高速加工技術和高速機床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進一步的提高，同時應用最新控制和優(yōu)化技術，機床精度提高，動態(tài)性能優(yōu)異，使得飛機零件的加工質量和加工效率大大提高。高難度、高質量飛機零件的加工需求一直是數(shù)控技術和新型數(shù)控機床發(fā)展的主要原動力，而新型數(shù)控加工技術及機床設備往往首先在飛機零件加工中得到實際應用，飛機零件的加工制造與新型數(shù)控機床的發(fā)展相得益彰，互相促進。隨著技術的發(fā)展和進步，飛機零件的加工制造越來越多地依賴新型高速高效數(shù)控機床。新一代飛機，尤其是軍用飛機，需要具備更優(yōu)異的飛行和作戰(zhàn)性能，新技術不斷應用，新材料、新結構不斷涌現(xiàn)，復雜結構、復雜型面、薄壁、整體結構、大尺寸零件等難加工零件被更多地設計應用；同時，新機研制周期明顯縮短，型號數(shù)量增多，每種型號的批量減少，這就對承擔大部分飛機零件數(shù)控加工任務的現(xiàn)代航空用數(shù)控機床提出了更高的要求。如何在要求的生產(chǎn)周期內(nèi)，提高加工生產(chǎn)效率，提高零件加工質量，成為衡量飛機零件數(shù)控加工機床水平高低的重要因素，同時也成為各飛機工廠努力追求的目標之一。其中，提高加工生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期在目前顯得尤為緊迫和重要。飛機零件的主要特點是尺寸大（如長桁、大梁、壁板等），結構形狀復雜（如具有各種形式的槽腔結構、下陷、加強筋及凸緣，帶有變斜角、空間復雜曲面等），難加工材料多（如鈦合金等），材料去除率高（部分零件可達90%以上），尺寸及位置精度要求高，零件表面質量要求高，零件品種規(guī)格多但批量較小等。如按常規(guī)加工方法進行加工，尤其是大型復雜整體結構件（如機身整體框等）、薄壁件（要求變形?。┑入y加工零件，則工藝路線復雜，加工時間長，很難滿足周期要求。應運而生的高速加工技術和高速高效加工機床顯著地提高了飛機零件的加工精度和加工效率，改善了零件表面質量，本文重點論述提高飛機零件加工效率的高速加工技術和新型高速高效加工機床。高速加工技術，飛機零件多由鋁合金材料制成，為得到好的零件表面質量，即使在常規(guī)機床上加工時，切削速度也要比加工其他金屬材料零件時高得多。新型高速加工技術和高速機床的出現(xiàn)，使切削速度得到更進一步的提高，同時應用最新控制和優(yōu)化技術，機床精度提高，動態(tài)性能優(yōu)異，飛機零件的加工質量和加工效率大大提高。
高速加工應該以刀具所能達到的切削速度進行定義，對應不同的加工材料有著不同的指標值。為簡單起見，在飛機零件加工中，通常將主軸轉速達到或高于10000r/min、進給速度達到或高于10m/min的大型機床稱為高速加工機床。目前，常見的高速機床主軸轉速可達20000～40000r/min（最高可達100000r/min以上），進給速度可達20～40m/min（最高可達80m/min）。
高速切削時，機床主軸高速旋轉，刀具的每齒進給量很小，相當于刀具變得異常鋒利，切削所產(chǎn)生的工件材料擠壓變形非常小，切削力得到有效減小；因刀具與工件摩擦、工件材料變形等產(chǎn)生的切削熱也大大減少，而且熱量的大部分會被切屑帶走，剛加工完的切削區(qū)域也不會有熱聚積，用手摸時會感覺到零件表面是涼的，因此，零件的加工變形小，表面質量高；同時，機床的快速進給保證了單位時間內(nèi)的金屬切除率很高，所以，高速加工非常適合具有薄壁、整體等特征的飛機零件的高效加工；另外，隨著加工精度和零件表面光潔度的提高，由人工進行零件修整的后續(xù)工作量可有效減少甚至取消，減少了后續(xù)工序；而且，高速加工使得在一臺機床上完成飛機零件的粗加工、半精加工和精加工整個全過程變成可能，大大簡化了工藝路線，減少零件加工的輔助時間，縮短零件制造周期，因此，高速加工使得飛機零件加工過程發(fā)生了根本性的變化，是迄今為止所用到的提高飛機零件加工效率最有效的手段，實現(xiàn)這一變化的關鍵就是新型高速高效加工機床。
第二章 數(shù)控機床的組成及優(yōu)點
2.1數(shù)控機床的組成
數(shù)控機床是采用數(shù)控技術對工作臺運動和切削加工過程進行控制的機床，是典型的機電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控技術的最典型應用。
典型數(shù)控機床的組成如圖所示。由圖可知，數(shù)控機床主要由零件加工程序、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置、機床本體等七部分組成，其中數(shù)控裝置、伺服驅動裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。
實際上，零件加工程序并非數(shù)控機床的物理組成部分，但從邏輯上講，數(shù)控機床加工過程必須按數(shù)控加工程序的規(guī)定進行，數(shù)控加工程序是數(shù)控機床加工的一個重要環(huán)節(jié)，因此常將數(shù)控加工程序作為數(shù)控機床的一個組成部分。
1.輸入裝置
數(shù)控機床的零件加工程序是通過程序輸入裝置輸入數(shù)控機床的。輸入裝置與輸入方法有關。
（1）控制介質輸入，所謂控制介質就是零件加工程序存貯介質即程序載體。通常程序載體有穿孔紙帶、磁帶、磁盤、光盤等，與之相應的輸入裝置為光電紙帶閱讀機、錄音機、磁盤驅動器、光驅等。早期的數(shù)控機床常用穿孔紙帶存貯加工程序，即在特制的紙帶上穿孔，孔的不同位置的組合構成不同的數(shù)字或數(shù)控代碼。通過光電紙帶閱讀機將紙帶上的零件加工程序轉換為相應的二進制代碼輸入數(shù)控裝置中的存貯器。雖然現(xiàn)在很多數(shù)控機床上仍附帶有紙帶閱讀機長磁帶錄機音機，但由于微型計算機的普遍使用期，穿孔紙帶和磁帶控制介質的應用已越來越少。
（2） 手工輸入，利用鍵盤輸入控制機床運動和刀具運動的指令。具體說有三種情況：
①手動數(shù)據(jù)輸入（Manual Data Input,MDI）,通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應按鍵，把數(shù)控程序指令逐條輸入存儲器中。這種方法一般只適用于一些較為簡短的程序。
②在數(shù)控顯示的程序編輯界面，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應按鍵，輸入程序指令，存于內(nèi)存中。后面有關章節(jié)中的手工編程主要就是采用這種輸入方法。用這種方法還可以調出已存入的數(shù)控程序并對其進行編輯修改。
③在具有對話功能的數(shù)控裝置上，根據(jù)軟件的邏輯格式和顯示屏上的對話提示，選擇不同的菜單，輸入有關的數(shù)字和信息后，可自動生成控制程序存入內(nèi)存。這種方法雖然是手工輸入，但卻是自動編程。
（3）通訊方式輸入存儲器，從自動編程機上、計算機上或網(wǎng)絡上，將編制好的數(shù)控加工程序通過通信接口直接輸入數(shù)控裝置的存儲器。
2. 數(shù)控裝置，數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心部件，由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括通用I/O接口、CPU、存儲器、可編程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）及數(shù)字通信接口等。采用單微處理器的數(shù)控裝置硬件結構如圖1.2所示。軟件包括管理軟件和控制軟件。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出，顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)及報警，診斷數(shù)控裝置是否正常并檢查故障原因。控制軟件則完成譯碼、插補運算、刀具補償、位置控制等。數(shù)控裝置的主要功能為讀入數(shù)值并存儲、對程序進行譯碼及數(shù)據(jù)處理、插補運算、位置控制和I/O處理，產(chǎn)生控制指令控制機床各部件協(xié)調運動，按確定的順序和設定的條件完成零件加工程序。
輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床的機械與液壓部件之間的各種開關執(zhí)行電器的控制裝置。主要實現(xiàn)各種輔助功能控制，如機床的起停、換刀、冷卻液開關等控制，目前多由數(shù)控裝置內(nèi)置的可編程序控制器來實現(xiàn)。
3.伺服驅動裝置，伺服驅動系統(tǒng)由驅動裝置、執(zhí)行機構及位置、速度檢測反饋裝置三個部分組成。伺服電機是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構，驅動裝置則是伺服電機的動力源。來自數(shù)控裝置的控制指令脈沖經(jīng)伺服驅動裝置進行功率放大，驅動伺服電機，進而通過機械傳動裝置帶動機床主軸、工作臺或刀架等機床運動部件運動，其輸入為電信號，輸出為機床的位移、速度和力。
4.機床本體，機床本體是實現(xiàn)切削加工的主體，對加工過程起支撐作用。數(shù)控機床的精度、精度保持性、剛性、抗振性、低速運動平穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性等主要性能均取決于機床本體。數(shù)控機床的機械部件包括：主運動部件、進給運動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件以及床身、立柱等支承部件，此外還有冷卻、潤滑、轉位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫、刀具交換裝置等部件。數(shù)控機床的機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結構要求更為簡單，在精度、剛度、抗振性等方面要求更高，而且其傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動控制。
2.2數(shù)控機床的工作原理
在數(shù)控機床上加工零件時，首先根據(jù)零件圖樣的要求，結合所采用的數(shù)控機床的功能、性能和特點，確定合理的加工工藝，編程相應的數(shù)控加工程序，并采用適當?shù)姆绞綄⒊绦蜉斎氲綌?shù)控裝置。在數(shù)控機床加工過程中，數(shù)控裝置對數(shù)控加工程序進行編譯、運算和處理，輸出坐標控制指令到伺服驅動系統(tǒng)，順序邏輯控制指令到PLC，通過伺服驅動系統(tǒng)和PLC驅動機床刀架或工作臺按照數(shù)控加工程序規(guī)定的軌跡和工藝參數(shù)運動，從而加工出符合圖紙要求的零件。
2.3數(shù)控機床的優(yōu)點
數(shù)控機床比普通機床的優(yōu)勢在于：1.加工效率，節(jié)省加工時間。2.工作強度，工人編完程序后，加工首件合格后就可以去喝茶了。3.減少廢品數(shù)，只要首件合格后，在加工的零件一般都會合格。4.安全性高，工人距離加工設備距離越遠，出現(xiàn)事故的概率就越低。等等。最大的好處就是計算機控制,只需要做一些前期 準備,把程序員編制好的程序運行,就可自動加工成所需要的零件.而普通機床需要大量人工來做.
數(shù)控機床的優(yōu)點
1. 能完成復雜型面的零件加工.
2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質量,由于數(shù)控機床是按照預定的
程序自動加工的,加工過程不需要人工干預,而且加工精度還可以利用軟件來進行校正和修補,因此可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度和重復 精度.
3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺數(shù)控機床比普通機床可提高效率2-3倍.
4.可以一機多用,有的數(shù)控機床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7
臺普通機床,并節(jié)省了廠房面積.
5.幾乎不需要專用的工裝卡具，減少了在制品,從而加速了流動資金的周轉,
提高了經(jīng)濟效益.
6. 大大減輕了工人的勞動強度.
綜上所述,數(shù)控機床主要適合:
1.單件.中小批量生產(chǎn);
2.形狀比較復雜.精度要求較高的零件加工;
3.產(chǎn)品更新頻繁,生產(chǎn)周期要求短的加工.
4.新產(chǎn)品的試制..回轉鏈式刀庫等.現(xiàn)在國內(nèi)的生產(chǎn)廠家使用的刀庫以
臺灣生產(chǎn)的為主.刀庫的刀具數(shù)量不等,一般有12，16，20，24，30，40，60，100，120等刀具數(shù)量的刀庫.
5.輔助裝置:加工中心的輔助裝置有自動排屑器.恒溫油箱,液壓裝置.潤滑系統(tǒng).刀具測量系統(tǒng),冷卻裝置.冷卻裝置.防護系統(tǒng)等組成.加工中心的輔助裝置是根據(jù)每個生產(chǎn)廠家的不同而又不同的配置情況,一般情況下潤滑系統(tǒng),冷卻裝置和防護系統(tǒng)是標準附件.其他的為選擇附件,
第三章 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設計
3.1概述
主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應具由一定的轉速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便地實現(xiàn)運動的開停，變速，換向和制動等。
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機，傳動系統(tǒng)和主軸部件，與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比，在結構上比較簡單，這是因為變速變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)，用于擴大電動機無級調速的范圍。
3.1.1主傳動設計要求
一、數(shù)控機床主傳動的特點
數(shù)控機床與普通機床比較具有以下特點
1， 轉速高，功率大，它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。
2， 主軸轉速變換可靠，并能自動無級變速，使切削工作始終在最佳狀態(tài)下進行。
3， 為實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸，主軸上還必須設計有刀具自動裝卸，主軸定向停止和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置。
二、對主軸傳動系統(tǒng)的要求
數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床主傳動要求外，還有如下要求。
1.具有更大的調速范圍并實現(xiàn)無級變速
2.具有較高的精度與剛度
3.良好的抗振性，熱穩(wěn)定性
3.1.2數(shù)控機床主軸的變速方式
機床主傳動系統(tǒng)一般分為有分級（有級）變速傳動和無級變速傳動兩種形式。分級（有級）變速傳動主要用于普通銑床或普通銑床數(shù)控化改造。無級變速傳動主要用于數(shù)控車床，故本次數(shù)控銑床床主傳動系統(tǒng)的傳動方式為無級變速傳動。
數(shù)控銑床的主傳動采用交、直流主軸調速電機帶動主軸實現(xiàn)旋轉運動，電動機調速范圍大，并可實現(xiàn)無級變速。故本次數(shù)控銑床主傳動設計有以下A、B、C三個方案，如圖3-1所示。
圖3-1數(shù)控銑床主傳動設計比較圖
從圖中可以看出：A方案中主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，由電動機直接驅動主軸運動。這種方案可簡化主軸箱結構，有效提高主軸的剛度，但主軸的功率及無級變速直接決定于主軸電機的性能，故其調速范圍有一定的局限。B方案主軸電機經(jīng)帶傳動定比傳動給主軸，采用定比傳動擴大了直接驅動的應用范圍，在一定程度上滿足了主軸功率與轉矩的要求。但其變速范圍仍然與電動機的無級變速范圍相同。C方案采用主軸電機帶動齒輪對變速齒輪來驅動主軸。在此方案中，通過電機的無級變速，配合變速齒輪的變速可確保主軸所需要的功率及轉矩要求。目前，電機本身的調速范圍已達1：100—1：1000，所以變速齒輪的對數(shù)不會很多，其結構也就不會很復雜。
通過對以上A、B、C三個方案的分析，結合本次設計的實際情況，本次設計的變速范圍是40—4000r/min，調速范圍比較大。如選A、B兩種方案的話，由上面的分析可知，勢必會造成主軸箱相對簡單，而主軸電機的功率將會選的很大才能滿足各種不同加工的需要。這樣不僅使電機的功率得不到充分利用，同時從結構上來看很不協(xié)調。故本次主傳動系統(tǒng)的設計方案選方案C
3.2主傳動系統(tǒng)設計
3.2.1主傳動系統(tǒng)的參數(shù)
主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運動驅動電機的功率，運動參數(shù)是指主運動的變速范圍。
(1) 主傳動功率P
由設計任務書可知：主切削功率為=4.5KW。查文獻[1] 頁可得主傳動功率P的計算公式為
==5.625
式中P————主傳動的功率
————切削功率
————主傳動鏈的總效率，這里取0.8
（2）計算變速范圍
由設計任務書可知主軸的最低轉速為=40 r/min,最高轉速為=4000r/min。查文獻[1] 頁可得變速范圍的計算公式為
===100 （r/min）
3.2.2 調速電動機的功率和轉矩特性
銑床主軸轉速不僅決定于切削速度而且還決定于工件的直徑，較低轉速多用于加工大直徑工件，這時要求的輸出扭矩增大了。因此車床主運動鏈的變速機構，輸出扭矩與轉速成反比，基本上是恒功率的。車床主軸最低的幾級轉速常用于光整車削，車削大直徑螺紋、絞大孔、精鏜等，并不需要傳遞全部功率。機床所傳遞的功率或扭矩與轉速之間的關系，稱為機床主軸的功率或扭矩特性。如圖3-2所示。主軸從最高轉速到某一轉速之間，主軸應能傳遞運動源的全部功率。在這個區(qū)域內(nèi)主軸的最大輸出扭矩應隨轉速的降低而加大。從以下直到最低轉速，這個區(qū)域內(nèi)的各級轉速并不需要傳遞全部功率。主軸的輸出扭矩不再隨轉速的降低而增大，而是保持時的扭矩不變。所能傳遞的功率，則隨轉速的降低而降低。主軸能傳遞全功率的最低轉速稱為主軸的計算轉速。機床主軸在整個變速范圍內(nèi)，以計算轉速為界，分為兩個區(qū)域：計算轉速及以上直到為恒功率區(qū)域I；計算轉速以下直到為恒扭矩區(qū)域II。
通過上面的分析，銑床主軸，從計算轉速至最高轉速為恒功率區(qū)，從計算轉速至最低轉速為恒扭矩區(qū)。恒功率變速范圍比恒扭矩范圍大2-4倍。直流并磁電機從額定轉速向上至最高轉速，是采用調節(jié)磁場電流（簡稱調磁）的辦法來調速的，屬恒功率調速；從額定轉速向下至最低轉速，是利用調節(jié)電樞電壓（簡稱調壓）的辦法來調速的，屬恒轉矩調速。
3.2.3 驅動電動機和主軸功率特性的匹配設計
在設計數(shù)控機床主傳動時，必須要考慮電動機與機床主軸功率特性匹配問題。
在設計分級變速箱時，考慮機床機構復雜程度、運轉平穩(wěn)性要求等因素，變速箱公比的選取有下列三種情況。
1、 取變速箱的公比等于電動機的恒功率調速范圍，即=。功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。
2、 取變速箱的公比小于電動機的恒功率調速范圍，即<。這時在主傳動系統(tǒng)功率特性圖上有小段重合，變速箱的變速級數(shù)將增多，使結構變得復雜。
3、 取變速箱的公比大于電動機的恒功率調速范圍，即>。這時變速機構簡化了，但存在恒功率變速段不連續(xù)，中間有恒轉矩過渡，這樣電機的利用率得不到充分的利用。
故本設計取第一種情況=計算。
1）中型銑床主軸的計算轉速為
159.24 r/min
式中————主軸的計算轉速
————主軸的最小轉速
————主軸的變速范圍
2）確定主軸要求的恒功率調速范圍
==25.119325.12
式中————主軸要求的恒功率調速范圍
————主軸的最大轉速
————主軸的計算轉速
3)確定電動機的恒功率調速范圍
本設計初定采用交流調頻主軸電動機，額定轉速為1500r/min，最高轉速4500r/min計算。
==3
式中————電動機的恒功率調速范圍
————電動機的最大轉速
————電動機的額定轉速
由于主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機的恒功率變速范圍，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴大其恒功率調速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率要求。
4）確定主軸變速箱的變速級數(shù)Z
如取變速箱的公比
則由于無級變速時
故變速箱的變速級數(shù)
2.93為變速箱的變速級數(shù)，應取整數(shù)，故選變速箱的變速級數(shù)為Z=3。這時由上面知，主運動的功率為5.63，電機的功率應取7.5，才能滿足要求。所以可選北京數(shù)控設備廠的BESK-8型交流主軸電動機，額定轉速為1500r/min，最高轉速4500r/min，連續(xù)額定輸出為7.5。
3.3主傳動系統(tǒng)傳動副設計
一、轉速圖的確定
本次主傳動設計的總體方案如下圖3-3所示
圖3-3 數(shù)控銑床主傳動設計的總體方案
傳動副的極限傳動比和傳動組的極限變速范圍。從圖3-3可以看出，從電機軸到I軸為齒輪副降速傳動，取傳動比 ，則當電機在最高速時，I軸的轉速為
（3-1）
式中————電機運行高速時，I軸的轉速。
電機在額定轉速時，I軸的轉速為
（3-2）
式中————電機運行額定轉速時，I軸的轉速。
當電機在高速4500 r/min運轉時，主軸應獲得最大轉速4000r/min,由（3-1）式可知，在電機高速運轉時，I軸經(jīng)齒輪降速后速度為2025r/min，要使主軸達到4000r/min，I軸到主軸II之間必為升速傳動，如圖3-3左邊的一對齒輪嚙合；因機床高速運轉時易產(chǎn)生振動和噪聲，為防止振動和噪聲，取I軸到主軸II的傳動比。則此時主軸II的轉速為
（3-3）
式中————電機運行高速時，I軸的轉速
————電機運行高速時，II軸的轉速
————電機運行高速時，I軸-II軸的傳動比
當電機在額定轉速1500 r/min運轉時，經(jīng)電機-I軸-主軸，主軸的轉速為
（3-4）
式中————電機運行高速時，I軸的轉速
————電機運行高速時，II軸的轉速
————電機運行高速時，I軸-II軸的傳動比
當電機在額定轉速1500 r/min運轉時，主軸應獲得計算轉速=159.24r/min,由（3-2）式可知，在電機高速運轉時，I軸經(jīng)第一對齒輪降速后速度為675r/min，要使主軸達到=159.24r/min,I軸到主軸II之間必為降速傳動，如圖3-3右邊的一對齒輪嚙合；因機床高速運轉時易產(chǎn)生振動和噪聲，為了防止被動齒輪的直徑過大而使徑向尺寸太大，取I軸到主軸II的傳動比。則此時主軸II的轉速為
（3-5）
式中————電機運行額定轉速時，I軸的轉速
————電機運行額定轉速時，II軸的轉速
————電機運行額定轉速時，I軸-II軸的傳動比
同用這對齒輪嚙合，當電機的轉速為高速4500 r/min運轉時，主軸II的轉速為
（3-6）
式中————電機運行高速時，I軸的轉速
————電機運行高速時，II軸經(jīng)的轉速
————電機運行高速時，I軸-II軸的傳動比
現(xiàn)在已經(jīng)確定了電機到I軸的傳動比，I軸到主軸II軸的兩組傳動比為、。經(jīng)電機高速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得4000 r/min；經(jīng)電機額定速-I軸-主軸II軸（），主軸可獲得145r/min的轉速。滿足了主軸所需要的計算轉速和最高轉速。I軸-主軸II的傳動副為Z=3，現(xiàn)從已知的經(jīng)電機高速-I軸-主軸II軸（、）得到的恒功率范圍4000r/min-445r/min轉速中，選一個主軸中間轉速1350r/min來確定I軸-主軸II的另外一對齒輪副。
當電機高速4500r/min運轉時，I軸轉速=2025r/min，主軸轉速為=1345 r/min，則此時I軸-主軸II的傳動比為
==
式中————電機運行高速時，II軸的轉速
————電機運行高速時，II軸經(jīng)的轉速
————電機運行高速時，I軸-II軸的傳動比
根據(jù)以上的分析及計算，取公比=1.41，現(xiàn)將各軸間傳動副的傳動比按如下方式寫出：
電機軸與I軸之間
I軸與 II軸之間傳動組
圖3-4為圖3-3傳動系統(tǒng)的轉速圖。圖中用距離相等的一組豎線代表各軸，軸號寫在上面。從左至右依次標注電動機軸、I軸、II軸，與傳動系統(tǒng)圖（3-3）上各軸對應。各軸之間傳動比的大小用轉速連線的傾斜方向和傾斜程度表示。電機軸與軸I之間是降速傳動，連線向下傾斜2格，軸I與軸II之間有3對傳動副，連線分別為升2格、降1.2格和降4.7格。連線中的平行線代表同一傳動比。
二、各軸計算轉速的確定
主軸II軸的計算轉速由前面的計算已經(jīng)確定為159.24 r/min，軸I的計算轉速可從主軸1599.24r/min按的傳動副找上去，應為724r/min。各軸的計算轉速如下：
表3－1 軸的計算轉速表
軸序號
I軸
II軸
計算轉速（r/min）
724
159.24
3.4 齒輪傳動設計計算
一、確定齒輪的齒數(shù)
如上圖3-3，計算Z1和Z2這對齒輪。
1、電機軸上最小齒輪的設計計算
（1）選擇材料、精度及參數(shù)
a、選擇小齒輪的材料為40Cr表面淬火平均表面硬度為HRC50，選擇大齒輪的材料為45鋼表面淬火平均表面硬度為HRC45。
b、初選小齒輪的齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)
c、齒數(shù)比
d、小齒輪轉矩T
式中T———小齒輪轉矩單位
P————電機傳遞的功率單位
———小齒輪的轉速單位r/mm
e、選擇齒寬系數(shù)和傳動精度等級 參照文獻[2]頁表18-12，取齒寬系數(shù)，初估小齒輪直徑，則齒寬
齒輪圓周速度
參照文獻[2]頁表18-3，選擇精度等級為8級。
（2）確定許用彎曲應力
a、總工作時間 設機床工作預期壽命為10年（每年按250天計算單班工作），則總工作時間為
b、壽命系數(shù) 由文獻[4]頁式
式中N———應力循環(huán)次數(shù)
————齒輪每轉一周同一齒面的嚙合次數(shù)
———齒輪轉速，單位r/mm
————總工作時間，單位
由文獻[2]頁圖18-25，取彎曲壽命系數(shù)
c、彎曲疲勞極限由文獻[2]頁圖18-8 a取極限應力
=350 MPa =350Mpa
d、尺寸系數(shù) 估計模數(shù),由文獻[2]頁圖18-26取尺系數(shù)
e、安全因數(shù) 由文獻[2]頁表18-11，取安全系數(shù)
f、計算許用彎曲應力 由文獻[2]頁式18-21得
（3）確定許用接觸應力
a、壽命系數(shù) 由文獻[2]頁圖18-21得
b、接觸疲勞極限 由文獻[2]頁圖18-4 a得
c、安全因數(shù) 由文獻[2]頁表18-11得
d、許用接觸應力 由文獻[2]頁式18-16及得
（4）確定重合度系數(shù)、由文獻[2]頁式18-14計算重合度
由文獻[2]頁式18-13及頁式18-20可得
（5）確定載荷系數(shù)
a、使用系數(shù) 由文獻[2]頁表18-7取
b、動載荷系數(shù) 由文獻[2]頁圖18-14取
c、齒向載荷分布系數(shù) 由文獻[2]頁圖18-16取
根據(jù)條件
查文獻[2]頁表18-8取
由文獻[2]頁式18-8、18-9
（6）齒根抗彎疲勞強度計算
a、齒形系數(shù)、 由文獻[2]頁圖18-23取
b、應力修正系數(shù)、 由文獻[2]頁圖18-23取
c、由齒根抗彎疲勞強度條件求模數(shù)，由于
由文獻[2]頁式18-19，為滿足齒根抗彎曲疲勞強度條件，則需使模數(shù)
取標準模數(shù)
（7）確定齒輪的主要參數(shù)
a、計算中心距
由文獻[2]頁表18-1取中心距a=125
b、齒輪分度圓直徑
c、齒輪寬度
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
（8）齒面接觸疲勞強度驗算
a、彈性系數(shù) 由文獻[2]頁表18-9，取
b、節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由文獻[2]頁圖18-20，取
c、校核齒面接觸疲勞強度 由文獻[2]頁式18-11得，
（9）齒面靜強度驗算
a、確定許用接觸應力 由文獻[2]頁表18-11，取靜強度安全因數(shù)；由文獻[2] 頁表18-21，取壽命系數(shù)；根據(jù)文獻[2] 頁式18-22得許用接觸應力
b、校核齒面靜強度 假設過載條件為，由文獻[2] 頁式18-22得齒面最大接觸應力
由以上計算可知，齒面靜強度足夠
二.電機軸之間傳動組主要參數(shù)如下表所示
表3－2 傳動組主要參數(shù)表
傳動組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
.2
35
77
2
70
154
28
24
三．確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)及其他參數(shù)
根據(jù)上面對齒輪的計算，我們由相同的方法，確定確定主軸上三聯(lián)滑移齒輪各齒輪齒數(shù)：I軸到II軸之間傳動組主要參數(shù)如下表所示
表3－3 I軸到II軸之間傳動組主要參數(shù)表
傳動組名稱
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
模數(shù)
小齒輪節(jié)徑
大齒輪節(jié)徑
小齒輪齒寬
大齒輪齒寬
42
82
3
126
246
38
30
49
75
3
147
225
30
25
22
102
3
66
306
60
50
齒輪在軸上的齒輪齒數(shù)關系圖如下：
圖3-5 齒輪齒數(shù)關系圖
四，確定齒輪在軸上的軸向尺寸
為了使機床主軸箱軸向尺寸及軸頸的徑向尺寸不至于太大，這里選擇三聯(lián)滑移齒輪在軸上軸上位置排列方式為窄式排列。其排列方式及軸向尺寸如下圖：
圖 3-6齒輪軸向尺寸圖
3.5主軸組件設計
主軸在結構上要處理好卡盤或刀具的裝卡、主軸的卸荷、主軸軸承的定位和間隙調整、主軸組件的潤滑和密封等一系列問題。
一 對主軸組件的性能要求
（1）旋轉精度：主軸的旋轉精度是指裝配后，在無卸荷、低速轉動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心斷錐、錐孔）的徑向和軸向的跳動，選擇精度取決與各個主要零件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配、和調整精度。工作轉速下的選擇精度還取決于主軸的轉
速、軸承的性能、潤滑劑和主軸組件的平衡。
（2）度：主要反映機床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸形狀，滾動主軸的型號，數(shù)量、和配置形式，前后支撐的跨距和主軸前懸伸，傳動件的布置方式等。
（3）溫升：溫升將引起熱變形，使主軸伸長，軸承間隙變化，降低加工精度；溫升也會降低潤滑劑的黏度，惡化潤滑條件。
（4）可靠性：數(shù)控機床是高度自動化機床，必須保證工作可靠性。
（5）精度保持性：對數(shù)控機床主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。
二 主軸
1,確定主軸的直徑
車床因裝配的需要，主軸直徑常常是自前逐步減小的。前軸頸D1大于后軸頸D2，一般D2=（0.7-0.9）D1。幾種常見的車床鋼質主軸前頸可參照下表選取。
表3－4 主軸前頸直徑表
主電機功率（kw）
5.5
7.5
11
15
臥式車床（mm）
60-90
75-120
90-120
100-160
本設計電機功率為7.5kw，故選取D1=（75-110）mm，在此選D1=100mm，則：
D2=（0.7-0.9）D1
= (0.7-0.9)X100
=（70-90）mm
取D2=70mm。
2,確定主軸的跨距
主軸的跨距是指前后支承間的距離。由前面確定的三聯(lián)齒輪及主軸上齒輪的布置，現(xiàn)在確定主軸的垮距為。
3,主軸的剛度計算
由前面的設計可知道，主軸的最小軸徑為，現(xiàn)在我們驗算它的剛度。由扭轉剛度軸徑計算公式
式中———軸端直徑，單位
————軸所傳遞的扭矩，單位； ;
———軸所傳遞的功率，單位；
———軸的工作速度，單位r/min；
———許用扭轉角, 取=0.25度/米；
———空心軸的內(nèi)徑=56mm與外徑=70mm之比；
;
將數(shù)據(jù)代入扭轉剛度公式得
從上面可以看出，由扭轉剛度計算出來的軸端直徑為，而我們所設計的軸端最小直徑為，其他各段直徑是按此直徑加粗的，所以，軸的剛度合格。由材料力學及機械設計的知識可知，軸的剛度足夠的話，其強度必定足夠。 所以，所設計的主軸剛度強度合格。
4,主軸的材料和結構尺寸
根據(jù)主軸部件的工作條件選定此次主軸的材料為45鋼。根據(jù)設計任務書的要求選擇主軸端部錐孔莫氏錐度為莫氏6號。(莫氏錐度是一個錐度的國際標準，用于靜配合以精確定位。由于錐度很小，利用摩擦力的原理，可以傳遞一定的扭距，又因為是錐度配合，所以可以方便的拆卸。在同一錐度的一定范圍內(nèi),工件可以自由的拆裝,同時在工作時又不會影響到使用效果,比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會影響鉆頭的中心位置.莫氏錐度，有0，1，2，3，4，5，6共七個號，錐度值有一定的變化，每一型號公稱直徑大小分別為9.045，12.065，17.78，23.825，31.267，44.399，63.348。主要用于各種刀具（如鉆頭、銑刀)各種刀桿及機床主軸孔錐度。）主軸調質到224-250HBS，主軸端部錐孔、定心軸頸部分淬硬至50-55HRC。如下圖3-7。
圖3-7 主軸結構尺寸圖
三 主軸軸承
本設計采用剛度速度型，前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承（7020 C），后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承（NN3014k）。主軸的動力從后端傳入，后軸承要承受較大的傳動力，所以采用雙列短圓柱滾子軸承。前軸承的配置特點是：外側的兩個角接觸軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力，第三個角接觸軸承則通過軸套與外側的兩個軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個較大支承跨度，以提高承受顛覆力矩的能力。主要用于臥式銑床主軸，要求徑向剛度好、并有較高的轉速。
四 主軸組件的潤滑與密封
潤滑的作用是阻止設備潤滑劑的泄露和外界污染物的進入。本設計主軸端用氈圈密封（如圖3-8）和迷宮密封（如圖3-9）。本次設計支承采用的是滾子軸承和角接觸球軸承，采用油脂潤滑。這樣操作起來較方便，且不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油現(xiàn)象。
圖3－8 后端主軸氈圈密封
3－8 前端主軸迷宮密封
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［9］ 卜炎主編, 《機械傳動裝置設計手冊》：機械工業(yè)出版社，2006
致 謝
首先，我要感謝老師。在他的精心指導和大力支持下終于完成了數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的畢業(yè)設計，我萬分的感謝他給我的寶貴的意見和鼓勵。
同時，我深深謝謝邢金嶺院長、宋力宏老師、房金卓老師、杜君文老師、鄧廣敏老師等等，在他們的教育和課堂上是我受益匪淺，得到了不少對我論文有幫助的知識和想法，另外，還有對我無言幫助的同學和朋友們，在這里請接受我誠摯的謝意！。
我也非常感謝我的家庭。在學習和生活上，他們一直都很支持我，使我能全身心的投入到學習中。
最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設計的老師。感謝你們抽出寶貴的時間來閱讀這篇畢業(yè)設計。