大队长竞选稿-加油站站长工作总结

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摘 要
自动换刀机构的最重要组件--刀库， 其布局、容量以及具体设计结构都对加工中
心的设计有着重要的影响，盘式刀库在加工中心中应用最多， 最典型的就是16刀的
盘式刀库。本论文开头部分主要是阐述加工中心在机械行业中的作用、地位以及发 展
历程，紧接着对16刀圆盘式刀库的具体设计方案进行了介绍，包括设计的具体流程
和具体内 容，其中详细介绍了各个组件的工作原理，然后对刀库的结构进行了总体设
计，对多种刀库的设计进行了 对比，论文后半部分章节对具体零件进行了计算和设计。
16刀盘式刀库的功能和结构设计是这篇文章 的重点。减速机构采用了蜗轮蜗杆，文
中对蜗轮蜗杆及所涉及的每一根轴都进行了详尽的计算。

关键词：加工中心，刀库，蜗轮，蜗杆

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ABSTRACT
Tool storage is the most important components of the automatically-trading-knife installment . Knife
storehouse layout and design capacity and structures its specific design of machining center has an
important influence. In the processing center is the most widely used disc knife, disc Knife storehouse is
the most typical 16-tool Knife storehouse. In the article at the beginning of the machining center's
role in the machinery industry, position and course of development are describes the
specific design knife storehouse, detailing the working principle of each component.
Finally, sub-chapters on specific parts of the calculation and design.
Knife storehouse design is the function and structure of the focus of this article.
Reduction gear with a worm and worm wheel.
Thus the text of the worm gear and the
implications of each axis is carried out a detailed calculation.


Key words：machining centre, tool storage, worm, worm gear

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目录
摘 要 ............................ .................................................. .................................................. I
ABSTRACT ................................... .................................................. .................................... II
1 前言 . .................................................. .................................................. .............................. 1
1.1课题背景 ..... .................................................. .................................................. ......... 1
1.2加工中心 .......................... .................................................. ...................................... 1
1.2.1加工中心发展历史 ................................ .................................................. ............. 1
1.12加工中心类型 ................... .................................................. ................................... 2
1.2.3加工中心的结构 ................................. .................................................. ................ 3
1.2.4使用数控加工中心的优点 .......... .................................................. ....................... 4
1.3 刀库 ............. .................................................. .................................................. ........ 5
1.3.1 刀库的分类 ....................... .................................................. ................................. 5
1.3.2 本毕业设计中的刀库 ........................................ .................................................. 7
2 驱动电动机的选择 ................................. .................................................. ........................ 9
2.1根据负载转矩选择电机 ..... .................................................. ................................... 9
2.2根据加速运动时的最大转矩选择电机 .......................... ...................................... 10
2.3数据校验 ...................................... .................................................. ........................ 10
2.4传动比的分配 ........ .................................................. .............................................. 11
3传动机构的设计 ..................................... .................................................. ....................... 12
3.1刀套线速度的确定 ....... .................................................. ....................................... 12
3.2刀库蜗轮蜗杆传动的计算 ............................... .................................................. ... 12
4传动轴的设计 ............................... .................................................. ................................. 19
4.1传动轴材料的选择 .................................. .................................................. ............ 19
4.2对于蜗杆轴的估算 .................. .................................................. ............................ 19
4.2.1蜗杆轴最小直径的估算 .............................. .................................................. ..... 19
4.2.2联轴器的选择 ......................... .................................................. .......................... 19
4.2.3轴承类型的确定 ... .................................................. ............................................ 20
4.2.4蜗杆轴中各段尺寸的估算 ............................. .................................................. .. 21
4.3估计蜗轮轴的尺寸 ............................ .................................................. .................. 21
4.3.1蜗轮轴最小直径的估计 ........ .................................................. ........................... 21
4.3.2估计蜗轮轴轴伸处的最小直径 ........................... .............................................. 22
4.3.3蜗轮轴轴承类型的确定 .............................. .................................................. ..... 22
4.3.4蜗轮轴各段具体尺寸的估算 ................... .................................................. ........ 22
4.4轴径的核算 ......................... .................................................. ................................. 23
4.4.1蜗杆轴的校核 .................................. .................................................. ................. 23
4.4.2蜗轮轴的校核 ............. .................................................. ...................................... 26
5 轴承校核 ............................................. .................................................. .......................... 29

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5.1蜗杆轴轴承的校核 .............................. .................................................. ................ 29
5.2涡轮轴轴承的校核 .............. .................................................. ................................ 29
结 论 ... .................................................. .................................................. ...................... 31
参 考 文 献 ............ .................................................. .................................................. ....... 32
致 谢 ............................ .................................................. ............................................... 33

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1 前言
1.1课题背景 < br>自从世界上出现了第一台数控机床，已经说去了将近60年（1952年第一台数控
机床诞生）， 使生产品种多样，批量中小型化成为了可能，在自动化、柔性制造方面
引起了巨大的变革，尤其是在提高 生产效率和减少工人劳动时间方面;在1985年世界
上第一台数控加工中心诞生，这标志着机械加工在 自动化程度方面又有了巨大的提
升；数控加工中心能将多道工序(如车、洗、刨、磨、钻、镗、铰等)集 合在一台机器
上，从而适应大批量、多品种的零件和设备加工需求；同时它还能实现自动换刀、刀
具工件位置自动检测、工件的自动更换等多种功能，使无人值守式加工成为可能，现
在数控加工中心已 经成为了计算机集成制造系统(CIMS-Computer Integrated Making
System)、柔性制造系统（
Flexible Manufacturing System,FMS
）中的必备要素。
[1]

数控加工中心是高度集成的 典型的高科技加工设备，机电一体化代表了世界上先
进工业化国家高度重视的机械发展方向，今天的机械 加工设备在世界一体化大潮中，
不断制造这品种多样、质量优异的产品。
1.2加工中心
1.2.1加工中心发展历史
1952年出现在世界上第一台数控机床，多品种，小 批量的柔性自动化加工设备
和工作效率，产生了巨大的变化。它使用简单修改数控程序的控制，从而比大 批量生
产组合机床和生产线，具有更大的灵活性和更高的制造柔性，以适应变化的多样的工
件加 工。它采用了数控机床系统的功能，运动功能和几何辅助功能技术，实现全自动
数字控制，由于自动化和 流程效率化程度较高，极大地改变了中小批量加工生产普通
机床占对于状态。
[3]
数 控机床，实现两个以上的联合协调其效率比手工和机器的复杂
零件的对照样本的精度要高得多的功能。
世界上第一台数控加工中心在1958年美国的Kearney&Trecker公司诞生；现代
数控加工中心要求具备以下功能：首先，它要能够完成在一次装卡中，自动更换刀具，

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在工件上的钻孔、镗孔、铣削、铰孔、公丝等等各种工序，其实最早的数控加工 中心
就是在数控镗床或者数控铣床的基础上安装了自动换刀装置；其次，它要具备自动旋
转角度 的主轴箱或者自动分度回转工作台，就可以在工件的一次装卡中自动完成多角
度多平面多位置的工件切削 ；最后，它上面若具备交换工作台，工件在工作台上加工
工件的同时工件在装卸位置也可以进行装卸并且 不会影响加工过程。
[2]
总上所述，加
工中心的最大特点就是加工的自动化程度和加 工的柔性，相比一般的数控车床、数控
镗床、数控铣床又有了新的巨大变化变化。同时对于加工中心的定 义，在世界范围内
并没有统一的定义，但是人们都承认，在工件的一次装卡过程中能过又自动换刀装置< br>完成车削、铣削、镗孔、铰孔、钻孔、攻丝等各种工序的数控机床就可以被认为是加
工中心；当然 还有一个简洁的说法就是加工中心即自动换刀的数控机床。
[7]

1.12加工中心类型
从加工中心的形式上来分：分为立式、卧式以及五坐标加工中心。
一、 立式加工中心的主轴是按垂直状态进行配置的，形态结构主要是固定的
立柱形式，拥有长 方形的工作台，一般适用于加工盘类、板类零件。如
图1.1

图1.1
二、卧式加工中心是指主轴水平放置的加工中心，一般有能进行分度回转运动的

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正方形的分度工作台，一般具有3到5个运动坐标，一般有X、Y、Z轴三个直线运动坐标和一个回转运动坐标组成，它的优势在于可以在一次装夹过程中完成除安装平
面和底面外的余 下所有平面的加工，故其最适合的加工工具为箱体。如图1.2

图1.2

三、五坐标加工中心，它兼具卧式加工中心和立式加工中心的优点和功能，
在工件一次 装卡中能够完成除安装面以外的所有平面的加工，所以它也被称为五平面
加工中心；五坐标加工中心拥有 两种结构形式，其一是工作台可以进行90度旋转，
其二是主轴可以进行90度旋转。
[4]< br>
1.2.3加工中心的结构
按加工中心的类别、功能等的差异，加工中心的组成也有 所区别，机床也分为基
本部分和选择部分，同时机床的参数也有主参数和其他参数，这也就导致数控有基 本
功能和其他功能；机床的生产厂家可以根据用户提出的具体要求进行个性化生产，然
而对于同 一类型的机床它的基本功能和基本布局是差别不大的，由此可知加工中心基
本由以下五部分组成：
1. 主轴系统
它由主轴、主轴轴承、主轴电机和主轴箱等部件组成，主轴的启动、制
动、变速和换向等各种动作均靠数控系统控制，并通过装在主轴的铣刀、镗
刀、钻头等刀具进行切削工 作，它主要承担加工的动力输出工作，是加工中
心的关键部件，其结构的合理与否直接影响加工中心的性 能。
[5]

2. 基本部件
它是加工中心的主干部分，由立柱、床身、工 作台组成，它要在加工中

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承受加工中心的静态载荷和加 工过程中的切削载荷，所以它是加工中心的基
础结构，作为基础结构它必须具有相当高的刚度和强度；它 的制造材料一般
是铸铁，因此它也是整个加工中心中体积最大，重量最高的部分。
3. 数控系统
主要靠伺服驱动装置和电动机在CNC和可编编程控制器的控制下按照预
先编制的程 序使加工中心完成数控切削任务。
[17]

4. 自动换刀系统
它主要包 含换刀机械手和刀库两部分，刀库即是本设计需要完成的部分
换刀机械手的具体机构要根据主轴和刀库的 相对位置来确定，所以也有很多
不同形式，也有双臂式，单臂式多种机械手不在本为的主要讨论内容[16]
；刀
库有链式、盘式、格子式等多种样式，刀库的主要作用是用来存放整个加工< br>过程所需要的全部刀具，在需要换刀时根据数控指令，有换刀机械手把刀具
有刀库中取出，插入主 轴孔。对于个别加工中心也有采用刀库直接移位或者
主轴箱移位的方式进行换刀。
[6]

5. 机床辅助系统
辅助系统不直接对零件进行加工，但对零件的成型质量、加工的整体 效
率、零件的精度以及零件的可靠性起着至关重要的作用，也是数控加工中心
不可或缺的一个组 成部分。
[8
]

1.2.4使用数控加工中心的优点
首先，使用 数控加工中心可以减少加工的准备时间，因为加工中心包含许多通用
机床的功能，所以加工单个零件所需 的准备时间就显然要比之前所有通用机床的准备
时间之和要少；其次，就是可以提高加工质量，工件的多 次装卡必然导致误差的增加，
由于数控加工中心采用一次装夹多面加工，所以能大大减少装卡所造成的误 差，另外
数控加工中心对工人的技术要求相当较少，也是产品的质量相对稳定；再次，采用使
用 数控加工中心还将减少在制造产品的数量，使工序集中在一台机床来完成，这样就
在很多程度上减少了产 品的加工工序，是工艺流程简洁。
[11]

另外，采用数控加工中心还可以减少刀具 的使用数量，采用大量的通用机床刀具
分散到各个机床，刀具的利用度下降，一旦使用加工中心刀具集中 管理，刀具的利用

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度提高了，所需刀具的总数量自然下降。
1.3 刀库
刀库是本设计的主要内容， 刀库在加工中心的自动换刀系统中起着至关重要的作
用，它也是加工中心设计的一个重要组成部分。它的 布局，刀具容量和结构设计对加
工中心的整体设计有着非常大的影响。刀库之所以被称作刀库，就是因为 它对刀具的
储存功能，但是刀库不光有储存功能，它还兼具刀具在主轴的安装、刀具的更换等等。
刀库要有定位机构和刀具运动控制机构，来确保换刀运动的可靠。保证每一个刀具都
能停在它应该到达 的准确位置就需要刀库的定位机构来完成。对于刀库的动力一般采
取液压或者电动机，尤其在使用电动机 是应该配备减速器。
[9]

1.3.1 刀库的分类
刀库由于容量和换刀 方式的不同，刀库可以有多种设计方案。如图1.3列出了设计中
常用的几种刀库。对于a-d图虽然都 是盘式刀库，但是刀具的摆放方式显然有很大的
不同，这都是为了适应主轴的安排所设计的，刀库中刀具 的放置方向很大程度上取决
于主轴的布局，所以其轴心的设计要参考主轴的设计。d图的刀具可以作90 度的翻
转，这一结构极大的简化了取刀的动作，但对设计也提出了很大的挑战。对于常用的
单盘 刀库，它结构简单，取刀方便，所以在工程实践中应用最广泛，然而单盘刀库由
于受到圆盘大小的限制（ 圆盘太大会增加取刀的涡轮蜗杆的负担，使蜗杆的直径太大，
增加加工难度），刀库的有效容量相对链式 刀库较少。

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图1.3
a为轴向盘式刀库，b 为径向盘式刀库，c为斜向盘式刀库，d为刀具翻转式盘式
刀库，f为链式刀库，g为多盘式盘式刀库， h为格子刀库
当加工中心要求储存的刀库数量较多时，应采取e-h的刀库类型，他们更加充分
的应用了加工中心的空间，使刀库体积不至于过大。e是弹夹式刀库，它的结构设计
紧密，内部结构空 闲的空间比较少。f为链式刀库，它的刀具容量很大，刀库的结构
也很灵活，而且它的放刀、换刀过程过 程也较为简单；当刀具较多时，可以增加链条
长度，这样就要让链条多折叠几次，从而提高对空间的有效 利用。对于g和h他们是
多盘式盘式刀库和格子刀库，他们的刀具容量也很大，但是换刀相对复杂，在生 产中
应用较少。
[12]

目前在生产实际中应用最多的主要是链式刀库和盘式刀库。
链式刀库的结果较盘式刀库结够更 加紧凑，刀库的容量也更大，它的结构较盘式
刀库也更灵活，能按照加工中心的布局配置成相应的形式， 灵活的形式也更好突出换
刀的位置，方便换刀。对于链式刀库，如果加工的零件要求使用更多的刀具，则 可以
根据需要增加链条长度，这样为生产实际提供了极大的方便，所以在刀具较多的情况
下，链 式刀库是常用的选择。
[13]
如图1.4

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图1.4
盘式刀库的结构较其他刀库要简单很多，所以应用也更加广泛，但是由于 盘式刀
库采用环形的刀具排列，对空间的有效利用较差。
[10]

所以后来 出现了双排和多排排列，来增加空间的利用度，但是这样会导致刀库的
重量过大，转动惯量也变得很大， 使驱动部分负载很大，对蜗轮蜗杆的加工造成难度，
因而盘式刀库一般情况下只适用与容量低的小型刀库 。如图1.5

图1.5
1.3.2 本毕业设计中的刀库
由于本设计中的要求，本设计采取盘式刀库的结构形式，本设计的刀库结构示意图如
图1.6.

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图1.6
其中1为电机，为整个刀库提供动力， 2为联轴器作用是传递把电动机的动力
传递给蜗杆，3 是蜗杆，4是蜗轮，5为液压缸作用是提供动力推动拨叉推动刀套翻
转，6、7是行程开关，限定拨叉的 运动范围，8为拨叉，9是挡标，10是滚子，11
是刀套，作为放置刀具的部件，12是刀盘，所有的 刀具都安装在它的上面。
刀库的装配图如下图1.7，详见图纸

图1.7

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2 驱动电动机的选择
刀库的驱动方式，一 般有两种：一种是液压驱动，另一种是电动机驱动。
[14]
在我
国大部分数控加工中 心都采用伺服电机来驱动。对于这种驱动方式的优点是便于控
制，且控制技术成熟、控制更加方便。
2.1根据负载转矩选择电机
T
L
加载在伺服电机的负载转矩设 为
矩
T
S
要比
，按照选择原则，电动机的额定连续转动转
T
L
大。盘式刀库负载转矩的计算，对于盘式刀库它的负载转矩
T
1
， 主要来
源是刀具的重量的不平衡性，计算方法如下：
首先把三把最重的刀具放在一起，对于数 控加工中心所规定的最大刀具重量
W
max
进行计算。
[15]
它们 的中心假设在离刀库回转轴的半径位置，设刀库半径为300毫米，
刀具的最大重量设为8千克，由是< br>T
1
9.8Nkg300mm8kg300mm23.52Nmm

把上面计算所得的负载转矩，转化到电动机轴上的转矩，根据公式
T
L
< br>在上式中：

为传动效率，
i
为传动比
T
1
i


在此设计中，为了达到降低电机输出速度的效果，传动比定为20。
2



123
传动效率为
总
，经计算得

e0. 699

在上式中：

1
为联轴器的传动效率，

2
为蜗轮的传动效率，

3
为轴承的传动效率
T
L

T
1
23.52
1.68Nmm


i0 .69920
鉴于生产实际，在现实生活中机器所处的环境要比理论更加复杂多变，所以电机
的额定转矩
T
S
应该比负载转矩大，是它的1.2到1.5倍，才能符合生产实际，由
是则有
T
s
(1.2~1.5)T
L

所以
T
S
(2.016~2.52)Nmm

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2.2根据加速运动时的最大转矩选择电机
在作加速运动的最大转矩为
T
。其包含加速转矩
T
a
和负载 转矩
T
L
，由是：
TT
a
T
L

加速时的加速转矩
T
a

T
a
的计算公式如下：
2

nm
(J
L
J
m
)

60t
a
2.79Nm

TT
a
T
L

9

T2.71.

6

T4.4

7
所以可知作加速运动时的最大转矩
T
应该小于电动机的最大转矩
T
m ax
，也就是
TT
max

2.3数据校验
J
m
0.032Nms
2

J
L
0.016Nms
2

J
L
J
m

所以此结论满足条件
根据上述计算结果，选择一下型号的电机：
型 号 额定转矩 最大转矩输入功率
P(kw)

最高转速 转子惯量
T
S
（
NS
）
T
max
(Nm)

FB25 34.3 309
n
max
(rmin)

J
m
(Nms
2
)

1000 0.032 2.5

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2.4传动比的分配
根据根据2.1中对传动比的选择，传动比定为20
各个轴的转速
rm
m
1000
对于Ⅰ轴
n

n

i

n
Ⅱ

对于Ⅱ轴
n
1000
Ⅰ
50rmin
i20
Ⅰ

在各轴上的输入功率
9
Ⅰ
P
d

1
 2.50.9
对于Ⅰ轴
P2.k4w

75
< br>2

3
2.4750.720.991.764kw

Ⅱ
P
Ⅰ
对于Ⅱ轴
P

在电机上的输入转矩
T
d
为:
T
d
9.55 10
6
P
d
2.5
9.5510
6
238 75Nmm
n
m
1000

0.99
Ⅰ
T< br>d

1
23875
因此 在Ⅰ轴上
T236N36.m2

m5

2

3
i 23636.250.720.9920336958.38Nmm

Ⅱ
T
Ⅰ
在Ⅱ轴上
T
传动比的分配如下表：
所在轴
功率
P(kw)

2.5
2.475

1.764

输入扭矩效率
T（Nmm）

23875

23636

336958

转速
n(rmin)

传动比
1
20
20
i

电机轴
轴
Ⅰ

轴Ⅱ

0.99
0.99
0.72
1000
1000
50

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3传动机构的设计
3.1刀套线速度的确定
刀套的线速度直接影响到选刀的效率，线速度太慢会降低选刀的速度，线速
度太快又会影响到刀 库运行的可靠性。所以一般刀套的线速度定为20-30mmin，
在本设计中刀套的速度暂定为25m min。
3.2刀库蜗轮蜗杆传动的计算

在通常情况下伺服电动机一般不使 它工作在低速段，这样以保证它能在最佳状态
下工作。在这种情况下我们选择涡轮蜗杆减速。
首先我们选择蜗轮蜗杆的材料，对于蜗杆我们使用45#钢，表面硬度处理大于
45HRC，蜗轮材料使 用ZCuSn10P1，采用用砂型铸造，计算过程：
一、 对
d
1
a
数值的选择
（1） 当量摩擦系数
令
v
s
4ms~7ms
，查阅机械设计课本取值

v
0.03


v
2


（2）
选定
d
1
a
的数值机械查阅机械设计课本，查的< br>[da]0.355,

13(z2)

11
传动啮合效率为

1
0.88

二、 计算中心距
1. 蜗轮的转矩
T
2
Ti
1

1
23636.25200.88

所以带入得
T
2
415998Nmm

2. 使用系数查表
查阅机械设计课本
K
A
1.1

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3弹性系数的计算
查阅机械设计课本
Z
E
147MPa

4．寿命系数
Z
h

6
25000
L
h

5..转速系数
Z
n
(
n
2
2000
1)
18
(1)
18
Z0.72

88
所以
n
6.接触系数 查阅机械设计课本
Z

2.85

7.接触疲劳极限 查阅机械设计课本

Hlim
265MPa

8．接触疲劳的最小安全系数 查阅机械设计手册
S
Hlim
1.3

9.中心距的计算

a
3
k
A
T
2
(
ZE
Z

S
Hlim
2
)

Z
n
Z
h

Hlim
1472.851.3

3< br>1.1415998(
2
)

0.721.13265
=142.9

三、传动件的基本尺寸的确定
1.蜗杆的头数
由机械设计课本查得
z
1
2,

13
亦可以用公式
[3]
计算得
z< br>1
(72.4a)u

(72.4160)20

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1.86

所以
z
1
取2
3. 蜗轮的计算
z
2

2amq

m
代入数值

21606.310
40.79

6.3
所以取
z
2
为41
4.蜗杆分度圆的直径
d
1
[d
1
a]a

0.35516056.8

又由机械设计课本分度圆直径取标准值取63mm
5蜗杆导程角的计算

tan

z
1
md
1


26.363


0.2

6蜗杆的圆周速度
v
s


d
1
n< br>1
(601000)

7.蜗轮分度圆的直径的计算
d
2
2a
'
d
1
2xm

2160632(0.65)6.3

8.蜗轮宽度的计算
b
2
2m(0.5
d
1
1)
m
63
1)

6.3
26.3(0.5
48.089
9.相对滑动速度的计算

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v
s
v
1
cos

3.3cos11.31

10.当量摩擦系数的计算
查阅机械设计课本得

v
0.25


v
1.7
四、校核齿面接触疲劳强度
1．许用接触应力的计算
[

H
]Z
n
Zh

Hlim
S
Hmin
0.721.13
26 5

1.3
[

H
]
为165.8MPa
2．最大接触应力的计算

H
Z
E
Z

k
A
T
2
1.1415998
1472.85140< br>
33
a160
则

H
=140小于165.8MPa
所以校核通过。
五、弯曲疲劳强度的校核
1.齿根弯曲疲劳极限
由机械设计课本查得

Flim
115MPa

2弯曲疲劳的最小安全系数
查阅机械设计手册
S
Fmin
为1.4

3许用弯曲疲劳应力的计算
[

F
]

Fli m
S
Fmin

115

1.4
[

F
]
为82MPa
4. 最大弯曲应力的计算

F

2k
A
T
2
21.1415998

mb
2
d
2
6.3502 65.19

10.96MPa

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
F
为10.96MPa小于82MPa
所以通过校核
六、蜗杆的校核
1、轴的惯性矩的计算
I

d
14
64

63
4
64

I0.77310
6
mm
4

2、允许蜗杆扰度的计算
[

]0.004m0.0046.3

[

]0.0252mm

3、蜗杆轴扰度的校核
2



v
)(48EI)


F
t2
l
3
tan
2

1
 tan(


2415998
265.19
3
265.19
tan20tan(11.311.7)
48206 10
3
0.77310
6
22



为0.001mm
计算中取
lD
2
来
所以校核通过
七、温度校核
1、传动的啮合效率的计算

1
tan

tan(



v
)
=tan11.31tan(11.31+1.7)


1
0.865

2、搅油效率
由蜗杆的良好润滑条件查阅机械设计手册可知

2
0.99

3、轴承效率
由蜗杆传动要求查阅机械设计手册可以知道

3
0.99

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4、总效率的计算
综上所述


12

3
0.8650.990.99


0.848

5、对散热面积估计计算
A910
5
a
1.88
=910160
A1.253m
2

51.88

6、箱体工作温度的校核
t
1

1000p
1
(1

)
t
0
a
w
A10002.5(10.848)
20
151.253



t
1

为40.22度小于80度素以通过校核
因为选定的中等通风环境，所以
a
w
15W(m
2
C)

八、润滑方法和润滑油粘度的选择
1、润滑油粘度
由
v
s
3.37m
查阅机械设计课本得
V
40C
320mm
2
s

2、润滑方法
查阅机械设计可以知道应采用浸油润滑

综上所述，所有的计算结论做下表，蜗轮蜗杆的所有尺寸如下

名称
蜗杆的头数
蜗杆模数
蜗杆的分度圆的直径
中心距
蜗轮的齿数
蜗轮的分度圆的直径
蜗轮的宽度
符号
z
2

计算结果
z
2
2

m

d
1

a

z
2

d
2

b
2

m6.3mm

d
1
63mm

a160mm

z
2
41

d
2
265.19mm
·
b
2
50mm

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蜗杆的轴向齿距
蜗杆的导程
蜗杆的齿顶圆直径
蜗杆的齿根圆直径
节圆的直径
中圆的导程角
蜗轮的喉圆直径
蜗轮的齿根圆直径
蜗轮的外径
p
x


m

p
z


mz
1

p
x
19.79mm

p
z
39.6mm

d
a1
d
1
2h
a
m

d
a1
75.6mm

d
f1
d
1
2(h
a
c)

d
1
'
d
1
2xm

d
f1
47.88mm

d
1
'
60.905mm


mz
1
d
1

d
a2
d
2
2(h
a
xm)

d
f2
d
2
2(h
a
xmc)

d
e2
d
a2
m


16.7

d
a2
269.6mm

d
f2
241.88mm

d
e2
271.49mm

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4传动轴的设计
传动轴作为机器中的重要组 成部分，在本设计中，蜗轮蜗杆是一种作为减速
装置存在，在这种情况下轴既要受到扭矩也要受到弯矩。
对于传动轴的设计，总体包括下列内容，其中有轴的材料的选择、轴的具体
结构的设计、轴径初 步的估计、按照疲劳强度进行传动轴的校核、按照弯矩的合
成进行传动轴强度的校核、传动轴的公差配合 的选择。最后要画出轴的工作图。
4.1传动轴材料的选择
传动轴的材料选用合金钢和碳钢 。而对于作为减速装置蜗杆轴一般采用45#钢
采取调质处理，表面硬度处理218HB-256HB，

B
=650MPa，

s
=360MPa，
< br>1
=300MPa，

1
=155MPa。
4.2对于蜗杆轴的估算
4.2.1蜗杆轴最小直径的估算
要计算蜗杆轴的直径， 需要知道蜗杆轴所要传递的功率P以及蜗杆轴的转速n，
并且按照下列公式进行估算
dC3
P

n
代入数据得
115
3
2.5
15.6mm
< br>1000
最后考虑到该段轴上面还有一个键槽，所以应该把计算数值加大3%，所以
d< br>min
的数值定为
16.07。
其中上述公式中的C为与蜗杆轴的材料有关的 系数，查阅机械设计课本，根据已选择的蜗杆
轴的材料C选为115。
4.2.2联轴器的选择
首先，要根据联轴器工作的场合，确定联轴器的种类，在这里我们选 择凸缘联轴
器,YL,YLD型的凸缘联轴器。然后我们根据计算转矩选定轴孔直径的尺寸。

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T
L
kT=1.523875Nmm=35.812Nmm

其中在上面公式中，T是联轴器的名义转矩，k是联轴器的工作情况系数，这里
选择k=1.5
这样计算得
T
L
=35.812Nm,查阅机械设计课程设计手册可知，在这 个系列的联轴
器中，YL4,YLD4型的联轴器就能完成传递扭矩的工作，它的公称扭矩为
T
n
40Nm
，
大于
T
L
。其中轴孔直径范围定为 D=18-28mm。
然后我们把蜗杆轴
d
min
25mm
，< br>J,J
1
型的轴孔长度定为
L44mm,D
1
80mm, D100mm

螺栓的数量确定为4个，直径为M8，
J,J
1
的
L
0
=92mm。

4.2.3轴承类型的确定
因为使用 蜗轮蜗杆减速并传递动力，所以既要承受轴向力，也要承受轴向力，所以采
用角接触球轴承这一类型的轴 承，使用标准为GB292-92。

基本尺寸mm 安装尺寸
70000C 70000AC
极限转速
(a15)

基本额定
(a25)

基本额定

rmin

轴承
代号
B D d
r
s

r
1s

d
a

D
a

r
as

min
a

mm

静载
荷
C
0r

C

r
min
1 0.3
max
56 1
KN
14.2 19.5
动
载
荷
a

mm

静载
荷
C
0r

C

r
KN
13.5 18.5 8500 12000
动
载
荷
脂
润
滑
油
润
滑
7007C 14 62 35 41 13.5 18.3

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4.2.4蜗杆轴中各段尺寸的估算
由于轴本身的的定位要求，以及轴的受力情况，确定轴的段数，确定蜗杆轴为5
段。如图4.1

图4.1
各段具体尺寸的估算;

对于第二段轴，由于蜗杆的齿 根圆的直径为
47.88mm
，则确定这段的长度定为
250mm，直径定为
42mm
。
对于第三段轴长度定为50mm，直径定为
30mm
。
对于第四段轴，轴上有一个键槽，键
87(bh)
，
l50mm
，长度为100mm，直
径为
25mm
。
由于一、二段轴上安装有角接 触球轴承，轴承的直径
d35mm
，所以可以确定这
两段轴的长度为25mm，直径 为
35mm
。
4.3估计蜗轮轴的尺寸
4.3.1蜗轮轴最小直径的估计
估算蜗轮轴的直径同蜗杆轴的直径，都是要知道轴本身的转 速n以及所传递的功
率P。也要按照公式
dC
3
P1.764
进行 估算，代入数值
115
3
37.72mm
。
n50
在这 段轴上有一个键槽，所以要在上述估算数值上加3%，因此
d
min
为38.85毫< /p>

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米。
其中上式C是只与蜗轮轴本身的材料有关 的系数，查阅机械设计课本可知，由
轴的材料可以知道C取115。
4.3.2估计蜗轮轴轴伸处的最小直径
由刀盘的设计可知，可以确定蜗轮轴轴伸处得直径定为
d
min
=40mm。
4.3.3蜗轮轴轴承类型的确定
因为使用蜗轮蜗杆减速并传递动力，所以既要承受轴向力， 也要承受轴向力，所
以采用角接触球轴承这一类型的轴承，使用标准为GB292-92。

基本尺寸mm 安装尺寸
70000C 70000AC
极限转速
(a15)

基本额定
(a25)

基本额定

rmin

轴承
代号
B D d
r
s

r
1s

d
a

D
a

r
as

min
a

mm

静载
荷
C
0r

C

r
max
74 1 16.7
KN
22.0 26.5 23.2
动
载
荷
a

mm

静载
荷
C
0r

C

r
动
载
荷
脂
润
滑
油
润
滑
7010C 16 80 50
min
1 0.3 56
KN
21.0 28.0 6700 9000
4.3.4蜗轮轴各段具体尺寸的估算
由蜗轮轴上零件的定位要求以及轴的受力情况，确定蜗轮轴为6段，如图

图4.2

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则蜗轮轴的各段具体尺寸如下：
第二、六段 因为安装的是角接触球轴承，轴承直径为d=50mm，由是能确定蜗轮轴的
长度60mm，这段轴的直 径为

50mm。
第一段蜗轮轴的长度是100mm，键槽的尺寸定为
14 9，l80mm
，直径定为

40mm。
第三段蜗轮轴的长度是50mm，直径定为

60mm。
第四段蜗轮轴的长度是10mm，直径定为

80mm。
第五段蜗轮轴的长 度是60mm，键槽的尺寸定为
1811，l40mm
直径定为

60m m
4.4轴径的核算
4.4.1蜗杆轴的校核
（一）蜗杆受力的计算
d
1

z
1
m
tan



tan


z
1
m
26.3

d
1
63



11.31
（二）蜗杆的各向受力分析
径向力
F
r1
F
r2
F
t2
tan

254 1.26tan20924.94N

轴向力
F
a1
Ft2

2T
2
2336958.38
2541.26N< br>
d
2
265.19
圆周力
F
t1
Fa2
F
t2
tan

2541.26tan11.31 508.26N

（三）许用应力的计算
1、许用应力的数值

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查阅机械设计课本，应用插入法得
[

0b
]102.5MPa
，
[

1b
]6 0MPa

2、应力的校正系数


3、弯矩
[

1b
]
60

=0.59
[

0b
]102.5

T0.59T
=1408 6.25Nmm
4、当量弯矩的计算
'
M
2
(
< br>T)
2
106472.9Nmm

蜗杆中间截面处的弯矩：
M
Ⅳ
'
M
2
(

T)
2
10 6475.02Nmm

左端轴颈中间截面处：
M
ⅠⅡ

（四）轴径的校核
1、齿根圆的直径
*
d
f1
d
1
2(ha
c)m

632(10.2)6.3
47.25

2、轴径
'
M
Ⅳ
106472.9
d
Ⅳ

3

3
26.0847.25mm

0.1[

-1b
] 0.160
'
M
Ⅰ
106475.02
Ⅱ
d
Ⅰ Ⅱ

3

3
26.0835mm

0.1[

-1b
]0.160
（五）采用安全系数法对州的强度进行校核
首先判断危险截面，又上面分析得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ这四个截面都有较大应力集中
和应力，此后对截面Ⅰ 进行安全系数的校核计算。
1、 对对称循环疲劳极限的校核
因为蜗杆轴的材料为45号钢 ，调质处理，

s
360MPa
，

B
650 MPa
，
查阅机械设
计课本，有公式求得轴的疲劳极限

1b< br>0.44

B
0.44650286MPa
，
1
0.3

B
0.3650195MPa
。
2、 对脉冲循环疲劳极限的校核

0b
1.7

1 b
1.7286486MPa
，

0
1.6
1
1.6195312MPa
。
3、 等效系数的计算

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


2

1b


0b

0b

2



22864862195312
0.18
，



10
0.25

486

0
312
其次对截面Ⅰ上的应力进行计算
1、 截面Ⅰ上的弯矩
M
Ⅰ
100169.4216942Nmm

2、 弯矩的应力副

a



M
Ⅰ< br>16942
6.27MPa

W0.130
3
3、 弯曲平均应力的计算

m
0

4、 轴的扭转切应力


T23875
4.42MPa

3
W
T
0.230
5、 平均切应力以及轴的扭转应力副的计算

a


m


2

4 .42
2.21MPa

2
然后我们要对轴的应力集中系数进行计算
1、 有效应力集中系数
在这个截面位置，因为有轴径变化，又因过渡圆角的半径
r 2mm
，由
rd2300.067
，

B
650M Pa
以及
Dd35301.17
，查阅机械设计课本得
k
1.73
，
k

1.28
。
2、 轴的表面状态系数的计算
查阅机械设计课本可知

0.92(R
a
3.2

m,

B
650MPa)

3、 蜗杆轴的尺寸系数
查阅机械设计课本可知


0.88,

0.81
。
最后我们对蜗杆轴的安全系数进行计算
1、 蜗杆轴弯曲安全系数的计算
令蜗杆轴无限寿命，
k
N
1
，查阅机械设计课本可知：

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S


k

k
N

1b




a




m
1286
20.28

1.73
6.6
0.920.88
2、蜗杆轴扭转安全系数的计算
S


k
n

1
k


1195
1.28
2.210.252.21
0.920.81
44.84




a




m
3、蜗杆轴复合安全系数的计算
S
S

S

S

S

22

20 .2844.84
18.48
22
20.2844.84

[]1.S5
综上可知经校核，截面Ⅰ足够承受生产实际中的载荷。
4.4.2蜗轮轴的校核
（一）蜗轮受力的计算
轴向力：
F
a2
F
t2
tan

2541.26tan11.31508 .26N

径向力：
F
r2
F
t2
tan

2541.26tan20924.94N

圆周力：
F
t2

2T
2
2336958.38
2541.26N
d
2
265.19
(二)
许用应力的计算
1、许用应力的数值
查阅机械设计课本，应用插入法得
[

0b< br>]102.5MPa
,
[

1b
]60MPa

2、应力的校正系数


[

1b
]
60
0.59

[

0b
]102.5
3、弯矩

T0.59336924198785Nmm

4、当量弯矩的计算
在蜗轮中间截面处的弯距
'
M
Ⅳ
M
2
(

T)
2
175738.9
2
198785
2
265329.3Nmm

左端轴颈中间截面处：

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'
M
Ⅰ
M
2
(

T)
2
158852.67
2
198785
2
25445Nmm< br>
Ⅱ

（三）轴径的校核
'
M
Ⅰ
254 459
Ⅱ
d
ⅠⅡ

3

3
34.8 7mm60mm

0.1[

-1b
]0.160
'< br>M
Ⅳ
265329.3
d
Ⅳ

3

3
35.36mm60mm

0.1[

-1b
]0. 160
（四）采用安全系数法对州的强度进行校核
首先判断危险截面，又上面分析得Ⅰ、Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ这四个截面都有较大应力集中
和应力，此后对截面Ⅰ进行安全系数的校核计算。
1、对对称循环疲劳极限的校核
因为蜗轮轴的材料为45号钢，调质处理，

s
360MPa
，

B
650MPa
，
查阅 机械设
计课本，有公式求得轴的疲劳极限

1b
0.44
< br>B
0.44650286MPa
，

1
0.3
B
0.3650195MPa
。
2、对脉冲循环疲劳极限的校核

0b
1.7

1b
1.7286486MPa
，

0
1.6

1
1.6195312MPa
。
3、等效系数的计算



2

1b


0b

0 b

2



228648621953120.18
，



10
0.25

486

0
312
其次对截面Ⅰ上的应力进行计算
1、截面Ⅰ上的弯矩
M
Ⅰ
675.06（60+10）=47254.2Nmm

2、弯矩的应力副

a



M
Ⅰ47254.2
3.78MPa

3
W0.150
3、弯曲平均应力的计算

m
0

4、轴的扭转切应力


T336924
13.48MPa

W
T
0.250
3
5、平均切应力以及轴的扭转应力副的计算

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
a


m


2

13.48
6.74MPa

2
然后我们要对轴的应力集中系数进行计算
1、有效应力集中系数
在这个 截面位置，因为有轴径变化，又因过渡圆角的半径
r2mm
，由
rd2500. 04
，

B
650MPa
以及
Dd60501.2< br>，查阅机械设计课本得
k

1.95
，
k

1.55
。
2、轴的表面状态系数的计算
查阅机械设计课本可知
< br>0.92(R
a
3.2

m,

B
6 50MPa)

3、蜗杆轴的尺寸系数
查阅机械设计课本可知


0.81
，


0.76
。
最后我们对蜗杆轴的安全系数进行计算
1、蜗轮轴弯曲安全系数的计算
令蜗轮轴无限寿命，
k
N
1
，查阅机械设计课本可知：

S


k


1b
k


1286
28.32

1.95
3.86
0.9 20.81



a




m
2、蜗杆轴扭转安全系数的计算
S


k


1
k


1195
1.55
 6.740.256.74
0.920.76
11.73



a




m
3、蜗杆轴复合安 全系数的计算
S
S

S

S
< br>S

22

28.3211.73
10.84
22
28.3211.73

[]1.S5
综上可知经校核，截面Ⅰ足够承受生产实际中的载荷。

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5 轴承校核
5.1蜗杆轴轴承的校核 < br>查阅机械设计手册7007C轴承的主要技术性能：
F
a
C
0r
2674.3195000.137
，
由查表可得
e0.48
，
C
0r
14.2kN
,
C
r
19.5kN< br>，
F
a
F
r
2674.3973.42.75e
。
查阅机械设计课程设计手册可得
X0.44,Y1.17
,
PXF
r
YF
a
0.44973.41.172674.3

3557.227
计算其额定动载荷得
CP
3
n
L
'
h
16670
1000
72000

16670
3557.227
3
5.8KNC
r
所以该轴承满足条件，所选轴承符合要求。
5.2涡轮轴轴承的校核
查阅机械设计课程设计手册可知7010C轴承的主要技术性能参数，
F
a
C
0r
534.86220000.024
，
C
0r
 22.0kN
，
C
r
26.5kN
；
查表可得：
e0.39
，
F
a
F
r
534.86973.40 .55e

查阅机械设计课程设计手册可知
X0.44,Y1.44
，
PXF
r
YF
a
0.44973.41.44534.86

1198.5
计算其额定动载荷得

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CP
3
n
L
'
h
16670
50
72000

16670
7.19KNC
r
1198.5
3
所以该轴承满足条件，所选轴承符合要求。

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结 论 经过这几个月的辛苦努力，毕业前最后一件大事——毕业设计，终于画上了句号。
这一次的设计与以 往的课程设计不同，它融合了大学四年所学的所有专业知识以及获
得新知识的方法与途径，从而我们对所 学到的知识得到了更加好的巩固提高，在毕业
设计的最初一段时间里，我们通过各种各样不同的途径来查 找与课题相关资料，从图
书馆馆藏图书到网上阅览室，再到四年来所学的专业课教材，在查找资料的同时 ，不
但扩展了我们自己的知识面，还提高了自己独自解决问题的能力以及自学新知识的能
力。此 次毕业设计的课题是卧式加工中心刀库设计，在毕业设计的过程中遇到了很多
各种各样的困难，其中最主 要的是刀库的结构和工作原理，由于平时接触有限和所学
知识的限制，在刀库的最初设计中走了很多弯路 ，然而最终在导师帮助下找到了蜗杆
蜗轮传动作为刀库的传动方式和减速方式。在整个毕业设计中除了要 对外形结构进行
设计以外，还还要液压系统，PLC控制系统的设计，但是由于时间紧张和精力的有限，
本篇文章仅对外形结构设计和传动部分的设计作出了详细的介绍，而对于其他系统只
作了非常简 单的概括式介绍。
外形结构设计是本次毕业设计的重点，其中包含，蜗轮蜗杆的设计校核，蜗轮蜗杆轴的设计校核等等；在计算过程中，主要参考了教材《机械设计》，经过反复的计
算和校核，最后 形成现在的结构，蜗轮蜗杆机构是一种减速机构，在整体设计之初，
就需要掌握它的工作原理、结构、设 计方法、工作特点等知识点。在设计过程中，最
困难的莫过于装配图的绘制，画图首先要对CAD软件非 常熟悉并熟练运用，加上对
整个刀库的结构的透彻理解才能绘制出正确的装配图，有很多细节需要更多投 入大量
的时间去理解认知，例如：刀库的传动部分即蜗轮蜗杆部分，这是整个装配图的核心，
如 果传动部分绘制错误，那么整个刀库都无法运转。
在本次毕业设计中我有很大的收获，首先提高了自己 独自解决问题的能力，其次
还锻炼了自己独立获取新知识并加以运用的能力，同时还丰富了自己已有的理 论知
识，让理论知识与生产实际相结合，这就为我们将来的工作打下了坚实的基础。本次
设计是 建立在卧式加工中心基础上的，如果增加刀库的容量，可以将盘式的刀库换成
链式刀库以增加刀具的容量 ，达到加工更加复杂零件的要求。

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参 考 文 献
[1] 杜文君.机械制造技术装备及设计[M].天津：天津大学出版社，2007
[2] 毕承恩.现代数控机床[M].北京：机械工程出版社，1991
[3] 孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2001
[4] 夏田. 数控加工中心设计[M].北京：化学工业出版社，2006
[5] 高德文.数控加工中心[M].北京：化学工业出版社，2003
[6] 成大先.机械设计手册[M].第四版.化学工业出版社，2002
[7] 王爱玲主编.现代数控机床[M].北京：国防工业出版社，2003
[8] 林宋，田建君编.现代数控机床[M].北京：化学工业出版社，2003
[9] 沙杰编.加工中心结构、调试与维护[M].北京：机械工业出版社，2003
[10] 廉元国，张永洪编.加工中心设计与应用[M].北京：机械工业出版社，1995
[11] 向金林.TH7130立式加工中心自动换刀系统的设计[M].装备制造技术，2006
[12] 陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制[M].机械设计与制造，2007
[13] 黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计.机械工程与自动化，2007
[14] of automatic tool changer for CNC . thesis,Mechanical
EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 1995
[15] Beom-Sahng Ryuh, Sang Min Park, Gordon R. automatic tool changer and integrated
software for a robotic die polishing station. Mechanism and Machine Theory,2005
[16] 李佳.数控机床及应用.北京：清华大学出版社，2002
[17] 雷才洪，陈志雄.数控机床[M]．北京：科学出版社，2005．

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致 谢
经过半年的资料查阅和最终设计，毕业前得最后也是最重要的一次设计——毕业
设计已经接近尾声，作为一个还没有走上工作岗位、对生产实际还知之甚少本科生的
毕业设计， 由于经验匮乏，在毕业设计中难免有众多考虑不周的地方，如果没有导师
的指导和平时的督促，以及一起 设计的同学们的互相帮助，想要完成这此毕业设计真
的是难以想象。
在这里首先要感谢我的导 师王晓琴老师，她严谨的治学态度，严肃的科学精神，
对工作精益求精的作风，无不深深地感染和激励着 我。从开始课题的选择一直到最后
毕业设计的最终完成，王老师都始终给予我认真的指导和真诚的支持， 并且在我懈怠
时给予我鼓励和督促。
另外还要感谢在大学四年里所有老师，为我们打 下的良好的专业知识基础；同时
也要感谢我所有的同学，正是因为他们的无私的支持和真诚鼓励，我的这 次毕业设计
才会顺利的如期完成。
在论文即将完成之际，我向给予过我帮助的师长、同学、朋友诚挚的谢意！
最后感谢 四年来对我的大力培养。