数控车床主传动系统设计说明书

河南科技大学毕业论文题目：CK6140 数控车床主传动系统设计专业：机械设计制造及其自动化班级：指导老师： 姓名： 学号： 摘要I摘要数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。本论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状 ,并分析了其存在的问题 ;对数控机床的 发展趋势进行了探讨；并对 ck6140 数控车床主轴箱传动系统进行了设计与计算。主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围 35，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围 。本设计的不足之处由于受到传递转矩的限制而无法采用电磁离合器进行变速换挡，而采用了液压拨叉进行变速换挡，增加了机床的复杂性，必须将数控装置的电信号转换为电磁阀的机械动作，从而增加了变速机构的中间环节，相应地带来更多不可靠的因素。关键词：数控车床，无级调速，传动系统 ，变速机构AbstractError! No text of specified style in document.IIAbstractNC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used.In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of ck6140NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting.At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle .Disadvantages of this design because of the transmission torque limit and cannot use electromagnetic clutch to shift gears, and adopts the hydraulic fork are shifting, machine tools increased complexity, we must convert electrical signals into mechanical actions of numerical control device of electromagnetic valve, thereby increasing the intermediate link transmission mechanism, accordingly bring more unreliable factors.Key words: CNC lathes, a continuously variable speed , transmission Systerm, Transmission mechanism目录 目录摘要 .IAbstract .II第一章 绪论 .- 1 -1.1 课题背景及目的 .- 1 -1.2 国内外研究现状及发展趋势 .- 2 -1.2.1 数控系统的发展趋势 .- 2 -1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势 .- 2 -1.3 课题研究内容及方法 .- 6 -1.3.1 课题研究内容 .- 6 -1.3.2 研究方法 .- 6 -1.4 论文构成 .- 6 -第二章 主传动系统的设计 .- 7 -2.1 主传动系统的设计要求 .- 7 -2.2 总体设计 .- 7 -2.2.1 拟定传动方案 .- 7 -2.2.2 选择电机 .- 8 -2.2.3 主运动调速范围的确定、计算各轴计算转速、功率和转矩 .- 11 -2.2.4 转速图 .- 13 -第三章 传动系统零部件设计 .- 14 -3.1 传动皮带的设计和选定 .- 14 -3.1.1 V 带传动设计 .- 14 -3.2 皮带轮结构设计 .- 16 -3.2.1 对三角皮带带轮设计的要求： .- 16 -3.2.2 皮带轮的材料 .- 16 -3.2.3 结构尺寸的设计 .- 17 -3.3 轴系部件的结构设计 .- 18 -3.3.1 轴结构设计与校核 .- 18 -3.3.2 轴齿轮组的设计 .- 21 -3.3.3 轴结构设计 .- 25 -3.3.4 轴齿轮组的设计 .- 26 -第四章 主轴结构设计 .- 31 -4.1 主轴的要求 .- 31 -4.2 主轴轴承选择 .- 32 -4.3 主轴的设计与校核 .- 33 -4.4 主轴驱动与控制 .- 37 -第五章 结论 .- 41 -参考文献 .- 42 -致谢 .- 43 -绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题背景及目的 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的数控化率仅为 6。这些机床中,役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高 37 倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应。 此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从 2005 年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。绪论- 2 -1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 数控系统的发展趋势自从 1951 年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代基于 PC（PCBASED）。未来数控系统将呈以下发展趋势：1、 继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。2、向高速化和高精度化发展 3、向智能化方向发展 （1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统 （4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势1、研究现状我国数控车床从 20 世纪 70 年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国内机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。 绪论- 3 -1）床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图 1 所示的 5 种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点： 容易实现机电一体化； 机床外形整齐、美观，占地面积小； 容易设置封闭式防护装置； 容易排屑和安装自动排屑器； 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 宜人性好，便于操作； 便于安装机械手，实现单机自动化。 2)导轨 车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。结构如下图所示：绪论- 4 -a)后斜床身 -斜滑板 b)直立床身-直立滑板c)平床身 -平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 3）主轴传动系统机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床得主传动系统通常采用无级变速。与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。采用定比传动 主轴电动机经定比传动给主轴。 定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有 2-4，而恒转矩范围则达100 以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。采用分档变速方式 采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机图 1.2-1 导轨布置图绪论- 5 -床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴4）刀架系统 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。5）进给传动系统 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。2、发展趋势1）高速、高精密化 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 2）高可靠性 3）数控车床设计 CAD 化、结构设计模块化 采用 CAD 技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方