普通车床溜板箱传动系统的优化设计讲解

1、西安文理学院物理与机械电子工程院本科毕业论文（设计）题 目 普通车床溜板箱传动系统的优化设计 专业班级 机械设计制造及其自动化二班 学 号 08102100238 学生姓名 卜 敏 指导教师 韩兴本 2014年 5月普通车床溜板箱传动系统优化设计摘要：新技术的迅猛发展和客观需求的多样化，决定了车床要保证加工精度，效率和高度自动化，使之能够很方便的适应加工任务的改变。因此，需要对车床进行改进和优化设计，改变普通车床的生产效率，寿命短及质量不稳定等问题。溜板箱是普通车床的重要组成部分，它的主要作用就是实现机床刀架的横向及纵向进给。溜板箱是将丝杆和光杆传来的螺旋运动转动转变为溜板箱的直线运动并带刀架

2、进给，控制刀架运动接触、断开和换向。本课题是通过对车床溜板箱系统中传动系统、操作装置、布局及轴与齿轮的优化设计，达到提升车床溜板箱性能，改善其系统零部件结构，最终能使所设计的产品结构最合理、性能最好。关键词：车床、溜板箱、优化设计Lathe apron Transmission Optimization DesignAbstract：Diversification of the rapid development of new technologies and the objective needs, determine the lathe to ensure accuracy, effici

3、ency and a high degree of automation, so that it can easily adapt to changes in the processing task. Therefore, the need to improve and optimize the design of the lathe, lathe productivity change, life is short and unstable quality and other issues. Apron is an important part lathe, its main role is

4、 to achieve horizontal and vertical turret machine tool feed. Apron is to screw and rod rotating spiral movement came into linear motion apron with a knife and feed control turret sports contacts, disconnect and commutation. This topic is through the lathe apron transmission system, operating system

5、, and optimizing the layout and design of the shaft gear, to enhance the performance of the lathe apron, improve the structure of its system components, and ultimately make the most of the structural design of products reasonable best performance.Key words： lathes、apron、 design optimization 目录目录第1章

6、绪论11.1 普通车床国内外发展现状11.2 本文的研究内容与目的11.3 本文主要讨论问题2第2章 普通车床系统分析32.1车床总体结构分析32.2普通车床传动系统分析4第3章 溜板箱结构分析63.1超越离合器63.2开合螺母机构73.3十字手柄操纵机构83.4过载保护机构93.5互锁机构9第4章 溜板箱优化设计114.1优化设计理论介绍和总体方案设计114.2传动系统优化134.2.1普通车床溜板箱传动分析134.2.2溜板箱传动优化144.2.3进给量的计算154.2.4 溜板箱中各齿轮尺寸设计与计算174.2.5 齿轮的优化设计194.2.6 XXV轴的优化设计224.3 操作装置优化

7、244.4 溜板箱布局优化264.5 其他方面优化274.5.1 安全防护装置优化284.5.2行程控制装置优化29结束语31致谢32参考文献33附录34第1页西安文理学院本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 普通车床国内外发展现状机床工具工业是国际公认的基础装备制造业，是战略性产业，是国民经济的脊柱产业。建国60年来，在党和国家领导人的关怀下，中国机床工具行业历经几代人的拼搏，从无到有、从小到大，发生了天翻地覆的变化，如今发展成为产品布局合理、门类齐全、具有较大经济规模和较强技术实力的产业。中国机床工具行业用60年的时间追赶了世界工业发达国家200余年发展的历程，特别是改革开放后取得的举世

8、瞩目的高速发展。从1949年全国生产皮带简易机床1600台，发展到2008年金属切削机床产量达到61.7万台，其中数控机床12.2万台。2008年中国成为世界第三机床生产大国，机床出口居世界第六位。根据当前计算机业与软件开发业快速高效的发展，数控机床也将步入高速发展的队列1。我国的数控机床起步较晚，已经由成长期渐渐迈入成熟期，数控机床作为当今社会制造业加工业的重要部分，主要应用于汽车制造业、国防制造业、造船工业、航天工业以及机械设计制造行业等。从整体上讲，我国机床工业技术水平低，重大技术装备和关键产品远不能满足国民经济快速增长的需要。与发达国家相比，我国机床工业企业无论在产品质量、技术水平还是

9、在市场竞争能力方面，均存在着阶段性差距，而且还有进一步拉大的趋势。不少企业装备陈旧，生产工艺落后，产品质量不稳定。一些基础元器件和零部件的可靠性差，基础机床的精度、效率较低。由于国产机床的质量不能满足用户的需求，导致近几年机床进口骤增，进出口逆差巨大，尽管国内机床市场需求旺盛，但将近一半的国内市场被外商占领了。目前高精尖产品市场被西方发达国家占领，大型、重型和普通机床市场被俄罗斯占领，普及型数控机床台湾产品大量涌入。机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。普通机床经历了近两百年的历史。车床是机床的一种，使用车床的工人称为“车工”，在机械加工行业中车床被认为是所有设备

10、的工作“母机”。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，以圆柱体为主，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。我国的车床工业，在解放后的50多年时间里，发展是很迅速的。我国的车床产量不断上升。目前，一般通用车床以基本上满足我国社会主义建设的需要，并已有少量出口。我国生产的车床品种也日趋齐全，现在已经具备较高的成套装备现代化工厂的能力。目前我国已能生产从小型仪表车床到重型车床的各种各样车床，也能生产出各种精密的，高自动化的，高效率的车床和自动线，我国车床的性能也在逐步提高，一些车床的性能已经接近或达到了世界先进水平。1.2 本文的研究

11、内容与目的机械制造工业对于现代社会经济发展与科技发展有着无可替代的地位。机床在现代机械制造业中所起的作用越来越大。一方面，我国目前处于工业化中期过渡阶段，机械、电子、运输、工程等一批以轻、重工业为基础支撑的行业在市场上正在快速增长，数控机床的生产将会出现供不应求的现象。据相关统计，2010 年，我国数控机床全年增加 239 万台，同比增长 56%，自 2005年以来，五年间数控机床年均增长率为 30.2%。虽然机床数量在迅速增加，但仍难弥补企业需求的缺口，然而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通企业根本无法负担。另一方面，国内普通机床长期超负荷运作使用，同时又缺乏保养维修，使机床造成磨

12、损损坏，精度与工作效率受到严重影响。更有一大批车床都已经超过其服役年限，甚至有不少企业从国外引进了一大批淘汰的老旧机床1。虽然一部分还能满足企业的生产要求，但大部分因缺少备件配件、相关技术经验等因素，造成了廉价购进却只能闲置不能发挥其应有作用的尴尬局面。 综合上述问题，需要对普通车床进行改进和优化设计，改变普通车床的生产效率，寿命短及质量不稳定等问题。溜板箱是普通车床的重要组成部分，它的主要作用就是实现机床刀架的横向及纵向进给2。溜板箱是将丝杆和光杆传来的螺旋运动转动转变为溜板箱的直线运动并带刀架进给，控制刀架运动接触、断开和换向。本文针对溜板箱进行优化设计，使其结构更合理，成本更低，操作更简

13、单。1.3 本文主要讨论问题普通车床的传动主要分为主传动，进给传动和刀架移动传动。溜板箱与进给传动和刀架移动传动都有关联，是车床能够进行正常工作的重要部件。溜板箱内的结构相当复杂，包含纵向和横向机动进给的传动机构及其反正向机构、开合螺母机构、快速移动机构、单向超越离合器、操纵机构、手动进给机构、读数机构、过载保护机构、碰停机构及连锁机构等2。本文涉及溜板箱的整体优化，根据溜板箱的传动系统实现的功能，主要对溜板箱的传动系统进行了优化设计，同时也对其整体布局，操作装置，安全保护装置及行程控制装置进行了必要的优化。第 34 页第2章 普通车床系统分析车床是目前机械制造业中使用最广泛的一类金属切削机床

14、，约占金属切削机床总台数的2030。它的类型很多，按其用途和结构的不同，可分为以下几类：卧式车床；立式车床；转塔车床；多刀车床；仿形车床；单轴自动车床；多轴自动车床，多轴半白动车床；间轮车床、曲轴车床、凸轮棚车床；其他车床等。在大批量生产的工厂中还有各种各样的专用车床。2.1车床总体结构分析大多数卧式车床相似，主轴水平布置，以便于加工细长的轴形工件。车床的主要组成部分及其相互位置如图21所示。图2.1普通车床外形图(1)床身1 床身固定在空心的前床腿8和后床腿9上。床身上安装和连接着机床的各主要部件，并带有导轨，能够保证各部件之间准确的相对位置和移动部件的运动轨迹。(2)主轴箱2 主轴箱是车床

15、最重要的部件之一，装有主铀及变速机传动机构的箱形部件。它支承并传动主轴，通过卡盘等装夹工件，使主韧带动工件旋转，实现主运动。(3)床鞍3和刀架4 床鞍的底面有导轨，可沿床身上相配的导轨纵向移动，其顶部安装有刀架。刀架用于装夹刀具，是实现进给运动的工作部件。刀架6JL层组成，以实现纵向、横向和斜向运动。(4)进给箱5进给箱固定在床身的左前侧，内部装有道给变换机构，用于改变被加工螺纹的导程或机动进给的进给量，以及加工不同种类螺纹的变换。(5)溜板箱6 溜板箱同定在床鞍的底部，是一个驱动刀架移动的传动箱，它把进给箱传来的运动再传给刀架，实现纵向和横向机动进给、手动进给和快速移动或车螺纹。溜板箱上装有

16、各种操纵手柄和按钮。(6)尾座7 尾座安装在床身尾部相配导轨的另一组导轨上，用手推动可纵向调整位置，并可固定在床身上。它用于安装顶尖，以支承细长工件，或安浆钻头和铰刀等孔加工刀具。2.2普通车床传动系统分析为了实现机床加工过程中所需的各种运动，机床必须具有动力源、执行件和传动装置3个基本部分3。1.动力源。动力源是提供动力的装置，如各种电动机、液压马达以及伺服驱动系统等是机床运动的主要来源。普通机床常用三相异班交流电动机作为动力源，数控机床常用直流或交流调速电动机或伺服电动机作为动力源。2.执行件。执行件是执行运动的部件，如主轴、刀架以及工作台等成旋转或直线运动，并保持准确的运动轨迹。3.传动

17、装置。传动装置是传递动力和运动的装置，通过它把动力源的动力传递给执行件或把一个执行件的运动传递给另一个执行件。传动装置通常还包括用来改变传动比、改变运动方向和改变运动形式(从旋转运动改变为直线运动)等的机构。动力源传动装置执行件或执行件传动装置执行件构成了传动联系。如图2.2为普通车床传动系统框图。图2.2 普通车床传动系统框图普通车床的运动分为：(1)工件的旋转传动：是机床的主运动，是实现切削最基本的运动。它的特点是速度较高及消耗的动力较多。它的计算单位常用主轴转速n(rmin)表示。它的功用是使刀具与工件间作相对运动。(2)刀具的移动：是机床的进给运动。它的持点是速度较低及消耗的动力较少。

18、它的计算单位常用进给量f(mmr)表示、即主釉每转的刀架移动距离。它的功用是使毛坯上新的金属层被不断地投入切削，以便切削出整个加工表面。(3)切入运动：通常与进给运动方向相垂直，一般内由工人用手移动刀把来完成。它的功用是将毛坯加丁到所需要的尺寸。(4)辅助运动：刀具与工件除工作运动以外，还要具有刀架纵向及横向快速移动等功能，以便实现快速趋近或返回。普通卧式车床的传动系统如图2.3所示。一般分为主传动运动链，进给运动传动链，刀架快速移动传动链4。图2.3 普通车床传动系统图1.主运动传动链的两末端件是主电机和主轴，它的功能是把动力源（电动机）的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并

19、满足卧式车床主轴变速和换向的要求。2.进给传动链是实现刀具纵向或横向移动的传动链。卧式车床在切削螺纹时，进给传动链是内联系传动链，主轴转一周，刀架的移动量应等于螺纹导程。在切削圆柱面和端面时，进给传动链是外联传动链，进给量也是以工件每转刀架的移动量来计算的。3.刀架快速移动传动链是为了减轻工人的劳动强度及缩短辅助运动时间。如图2.3是普通卧式车床的传动系统图电动机输出的动力，经变速箱通过带传 动传给主轴，更换变速箱和主轴箱外的手柄位置，得到不同的齿轮组啮合，从而得到不同的主轴转速。主轴通过卡盘带动工件作旋转运动。同时，主轴的旋转运动通 过换向机构、交换齿轮、进给箱、光杠（或丝杠）传给溜板箱，使

20、溜板箱带动刀架沿床身作直线进给运动。第3章 溜板箱结构分析溜板箱内的主要结构有纵向和横向机动进给的传动机构及其反正向机构、开合螺母机构、快速移动机构、单向超越离合器、操纵机构、手动进给机构、读数机构、过载保护机构、碰停机构及连锁机构等。溜板箱上的操纵手柄有：开合螺母手柄用于开合螺母操作，合上螺母可加工螺纹，支开螺母可普通进给；十字操纵手柄用于操纵刀架的机动进给方向；大手轮用于控制床鞍的手动纵向移动。为操纵方便，溜板箱的右下方也装有主轴换向操纵手柄。溜板箱结构如图3.1所示。（a）(b)图3.1 溜板箱结构图3.1超越离合器机动进给时，光杠运动经齿轮传动使蜗杆轴慢速转动，刀架快移时，快移电动机的

21、运动经一对齿轮直接传给蜗杆轴X别，使之快速转动，假若没有适当的措施，使这两种不同转速的运动同时传到一根轴上，由于运动干涉就会损坏传动机构，为此采用了单向超越离合器。单向超越离合器由5种零件组成，如图3.2所示，它们分别为：外面的齿轮套27、中间的星轮(或星形体)26、3个滚柱29、顶销32和弹簧33。平时在弹簧、顶销的作用下，滚柱停在楔缝中。机动进给时，由于齿轮套逆时针转动使滚柱在楔缝中越挤越紧，即摩擦力作用使之自锁，从而带动星轮并使蜗杆轴一起慢速转动。如同时又接通快移电动机，星轮就随蜗杆轴立接进行逆时针快速转动，因为它比齿轮套的转速高，迫使滚柱从楔缝中滚出，则齿轮套的慢速转动便不能传给星轮，

22、即断开了慢速机动进给运动，当快移电动机一停止，如前所述又可恢复蜗杆轴的慢速转动，即进行机动进给。图3.2 超越离合器单向超越离合器的结构较简单紧凑、使用方便、工作可靠。装配和使用时应注意转动方向，如齿轮套转向反了(主轴箱手柄位于左螺纹位置)，则会出现光杠空转而溜板箱不动的现象，这是因为齿轮套具有单向“超越”性能，不能带动星轮。如果星轮转向反了(快移电动机接线错误)，则它不起超越离合器作用，甚至要损坏传动机构或快移电动机5。3.2开合螺母机构开合螺母机构的功用是接通或断开由丝杠传来的运动。车削螺纹时，合上开合螺母，丝杠即通过开合螺母带动溜板箱和刀架纵向移动。普通车削时，必须打开开合螺母。图3.3

23、 开合螺母剖视图如图3.3所示，开合螺母由上、下两个半螺母组成，两个半螺母各带一个销柱，分别插在盘形凸轮的两条曲线槽中。压下或捡起操纵手柄，使凸轮随之转动，其曲线槽可使上、下半螺母合上或打开。两半螺母沿溜板箱箱体的燕尾形导轨上下移动，用以保证螺母与丝杠的正确啮合位置，导轨的间隙靠镶条调整。凸轮曲线槽有自锁性能，即当合上开合螺母后，不再继续加力，开合螺母的销柱也不会白行脱开那段曲线，以保证工作可靠。螺母闭合的位置要适当，与丝杠的啮合间隙不可过大或过小，可用螺钉调整限位销钉的伸出长度来加以控制6。3.3十字手柄操纵机构该操纵机构可操纵刀架纵向、横向机动进给和快速移动的正反向。位于溜板箱右部的操纵手

24、柄可在十字槽中向左右、前后方向扳动(避免同时接通纵向和横向运动)，控制刀架的左移、有移、前移和后移，手柄顶端的点动按钮可启动刀架的快移，是一个形象化的单手柄集中操纵机构，使用方便。如图3.4所示是溜板箱操纵机构的立体图。手柄l在小间位置时，刀架不移动。若手柄1向左或向有扳动时，使操纵轴3向右或向左移动，通过杠杆7和推杆8，使鼓形凸轮9转动，由于凸轮曲线槽的作用，使拨叉10随轴移动，因此可操纵齿形离合器M6向后或向前滑移，接通纵向机动进给传动链，使刀架向左移动或向有移动。当手柄1向前或向后扳动时，可通过轴14使鼓形凸轮13转动(此时操纵轴3不动)，凸轮13上的棉线槽迫使杠杆12摆动，通过拨叉11

25、可操纵齿形离合器M7向前或向后泄移，接通横向机动进给传动链，使刀架向前移动或向后移动。图3.4溜板箱操纵机构立体图当纵向和横向某一运动接通时，按下手柄1上端的快速移动按钮，快压电动机启动，刀架就可以间相应方向快速移动，育到松开快速移动按钮时为止。为了避免同时接通纵向和横向运动，在盖2上开有十字形槽以限制手柄l的位置，他它不能同时接通纵向和横向运动7。3.4过载保护机构在机动进给过程中，当进给力过大或刀架移动受到阻碍时，为了避免传动机构受到损坏，需要设置过载保护装置，以便使刀架在过载时自动停止进给。如图3.5所示，该机构是由两个端面凸轮式结合子组成的，属于一种安全离合器。左边结合子25与超越离合

26、器的星轮固定在一起，并空套在蜗杆轴上；右边结合子24装在蜗杆铀的花键部位上，能在轴上滑移，靠弹簧力使之与左结合子紧贴在一起。安全离合器的工作原理如图3.5所示，在正常机动进给肘，运动由超越离合器和左结合子25，靠端面凸轮带动右结合子24，使蜗杆轴一起转动。当出现过载情况时，蜗杆轴的转矩大增并超过许用值，左结合子25所传递的转矩也随之增大，以致在结合子凸轮端面处产生的轴向推力超过弹簧23的压力，则推开有结合子24。此时，左结合子25继续转动，而右结合子24却不能被带动，在凸轮端四处打滑，因而断开传动，刀架停止移动。当过载现象消除后，安全离合器又恢复到原先的正常状态。图3.5 安全离合器工作原理机

27、床许用的最大进给力由弹簧力的大小来限定。可通过蜗杆轴左端的螺母调整。蜗杆轴两端的圆锥滚子轴承均于承受径向力和轴向力，而左端的推力球轴承是在过载打滑时起作用。过载保护机构较简单，调整方便。但结合了端而的磨损较大，过载保护性能本够灵敏8。3.5互锁机构操纵车床时。合上开合螺母后，不允许内接通进给机动系统；反之，接通机动进给后，就不允许再合上开合螺母。否则，溜板箱同时接通机动进给和升合螺母，就会损坏传动件和造成安全事故。因此，开合螺母手柄和十字操纵手柄之间，必须互相制约而不能同时动作，故采用了互锁机构(又称连锁机构)。互锁机构的结构比较复杂。加工、装配比较困难，但工作比较可靠。互锁机构的原理图如图3

28、.6所示，图3.6(a)所示为中间位置，这时机动进给末接通，开合螺母也处于脱开状态，此时可任意压下开合螺母手柄15或者扳动十字操纵手柄。图3.6 (b)所示为已压下开合螺母手柄的情况，手柄轴4转了一个角度，它上面的凸肩旋入操纵轴14的槽中，卡住轴14，使其不得转动。与此同时，凸肩又将销子5压进操纵轴3的孔中，由于销子5的另一半还留在固定套16里，故能卡住轴3不能轴向移动(此时轴3的柱销6被压缩)。由此可见，合上开合螺母后，十字操纵手柄就被锁住而不能扳动，即可避免再接通机动进给。图3.6 (c)所示为十字操纵手柄1向左(或向右)扳动接通纵向进给后，操纵轴3向由移动，其上的圆孔随之移开，此时开合螺

29、母手柄不能压下，这是因为销子5被轴3顶住，不能下移，它的上面又卡在轴4凸肩的V形槽里，故能锁住轴4，使其不得转动。图3.6 (d)所示为十字操作手柄1向前(或向后)扳动接通横向进给时，因操纵轴14转动，其上的长槽随之转开，此时开合螺母手柄也不能压下，这是因为轴4上的凸肩被轴14顶住而不得转动。可见，十字操纵手柄1动作后，开合螺母手柄也被锁住而不能扳动，即可避免再接通螺纹系统9。图3.6互锁机构的工作原理图第4章 溜板箱优化设计4.1优化设计理论介绍和总体方案设计机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学，从优化内容上分，它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设

30、计等诸多方面。其目的是通过优化方法确定机构、零件、件乃至整个机械系统的最佳参数和结构尺寸，从而使机械产品达到最佳性能。机械优化设计方法有很多，针对不同的情况，可以对优化的方法做如下的分类：1)按目标函数的多少，可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法 。2)按维数可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法。3)按约束情况可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法。4)按寻优途径可分为数值法、图解法、实验法和情况研究法。5)按优化设计问题能否用数学模型表达可分为能用数学模型表达的寻优方法与不能用数学模型表达的寻优方法。优化过程中设计的优化三要素包括:1） 设计变量：设计变量是指在设计过程中进行

31、选择并最终必须确定的各项独立参数，在优化过程中，这些参数就是自变量，一旦设计变量全部确定，设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数，设计变量数目越多，设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂，同时效益也越显著，因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。2） 约束条件：约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，按表达方式可分为等式约束和不等式约束。按性质分为性能约束和边界约束，按作用可分为起作用约束和不起作用约束。针对优化设计设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法分类如下。约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接

32、限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。3） 目标函数：目标函数反映设计变量间的相互关系，可以直接用来评价方案的好坏。根据其个数，优化设计间题可分为单目标优化问题和多目标优化问题。在优化问题中，按照目标函数的数目，可以分为单目标函数优化问题和多目标函数优化问题。在机械优化设计中，最常见的是多目标函数优化，一般而言，目标函数越多，设计的综合效果越好，但问题求解越复杂。在实际的设计问题中，常常会遇到在多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要

33、求设计者正确处理各目标函数之间的关系。对这类多目标函数的优化问题的研究，至今还没有单目标函数那样成熟，但有时可用一个目标函数表示若干个所需追求目标的加权和，从而把多目标函数问题转化为单目标函数问题进行求解。这时必须引入加权因子的概念，以平衡各项指标之间的相对重要性，以及它们在量纲和量级上的差异。对于选定好的若干优化方案，需要给出各个方案的优劣，为确定不同方案之间的优劣，需要从以下几个方面进行考量。1)可靠性：指在合理精度要求下 ,在一定时间内求解各种不同类型问题的成功率 2)精 度：在保证功能的情况下，求取的各参数是收敛到了允许的误差范围。3)效 率：指对同一问题、统一精度要求和同一初始点的情

34、况下，所需的机时数或函数求值次数 ，即相同条件下的计算成本。计算效率是影响计算成功主要因素之一 4)通用性：指是否有对函数性态的限制，占用内存的限制等，方法的使用范围及其对各类优化设计问题的适用性5)稳定性：指方法的求解稳定性6)全局收敛：指方法是否会陷入局部最优。优化设计方法的适应性和收敛性影响计算效率，对整个优化设计有着重要影响。实践证明任何一种优化设计方法都不可能在计算全过程中均保持较好的收敛性7)初始条件敏感性：指初始条件对能否收敛到最优的影响程度。如果即使从一个不好的初始点出发也能够收敛到最优解，则说明其初始条件敏感性低8)多变量敏感性：指设计变量的个数即维数的敏感程度，特别是对于直

35、接法求解的优化方法，设计变量过多将会导致计算工作量加大，计算精度降低。9)约束敏感性：指对约束条件多少的敏感程度。约束条件过多导致设计空间减小，多变量敏感性加大，使计算过程的稳定性降低本文在上述基本理论的要求下，对溜板箱的传动系统、操作装置、布局、安全防护，行程控制等方面开展优化。溜板箱优化 传动优化 操作装置设计 布局设计 轴与齿轮优化 其他设计 图4.1 溜板箱优化结构图4.2传动系统优化4.2.1普通车床溜板箱传动分析溜板箱的主要作用是将进给运动或快速电机传给拖板和刀架，从而实现纵向和横向及正，反向机动进给或快速移动。下图为机床溜板箱传动系统的示意图，在图4.2中，由于蜗杆6被传动系统的

36、其它零件遮盖了，因此将它连同轴XXII，XXI，XX一起向左移出，以表示清楚。蜗杆7在移出图上仍假想画上，以便看清楚它与蜗杆的啮合关系。图4.2 溜板箱传动系统图根据图4.2，下面对溜板箱的机动纵，横向进给运动，手动纵，横向机动进给运动及刀架的快速移动的传动路线进行介绍：（1）机动纵向进给运动由光杆XX把进给箱的运动传入后经齿轮副36/32和32/56，单向超越和离合器M8传动到轴XXII，由蜗杆和蜗轮副4/29传到轴XXIII。拨动牙嵌式离合器M6向前合上时，运动由齿轮副40/30和30/48经过轴XXVII传到轴XXIV，再经过齿轮副28/80传给轴XXV。该轴后面的小齿轮8与固定在床身的

37、齿条9啮合，小齿轮转动时，就使溜板箱带动刀架获得向左的纵向进给运动，当M6向后合上，运动由轴XXIII经齿轮副40/48传到轴XXIV，然后与上诉同样路线，最后带动刀架获得向右的纵向进给运动。（2）机动横向进给运动运动由光杠XX传到轴XXIII以后，当离合器M7向后合上时，运动由齿轮副40/48传到轴XXVIII，再经过齿轮副48/48和59/18传动横向进给丝杠XXX，从而使横向拖板作向前的横向进给运动。当M7向上合上时，运动由轴XXIII经齿轮副40/30和30/48经过轴XXVII传到轴XXVIII，然后与上述同样路线使拖板作向后的横向进给运动。（3）手动纵，横向进给运动转动手轮1，经过

38、齿轮副17/80传动轴XXV获得纵向手动进给运动。转动横向进给手轮，带动横向进给丝杠XXX转动，而获得横向手动进给运动。（4）刀架的快速移动 刀架的快速移动是使刀具快速接近或离开工件，以减轻工人的劳动强度和缩短辅助时间。当需要快速移动时，接通快速电机（370瓦，2600转/分），经齿轮副13/29传到轴XXII，由蜗杆副4/29可分别传到刀架而获得快速纵向移动或横向移动。（5）纵向移动刻度盘 纵向移动刻度盘是用于记载刀架及溜板箱的纵向移动量，它套装在纵向移动手轮轴XXVI的外面。当刀架纵向移动时，轴XXV也随着转动，于是经齿轮副33/39及39/105传动带动内齿轮的刻度盘体5，靠螺钉2和弹子

39、带动刻度盘3转动。松开螺钉2，则刻度盘的锁紧装置松开，即可调整刻度盘的周向位置，调整好后，再用螺钉2紧固。刻度盘每转一转，车床按纵向移动300mm，刻度盘圆周上共有300格，每格移动量为1mm。4.2.2溜板箱传动优化根据4.1.1分析的普通车床溜板箱传动系统分析，可以看到传动路线复杂，且操作也不易，在保证功能的前提下，对普通车床溜板箱传动系统作出优化改造，如图4.3所示，以下传动路线简单，同时保证功能，降低了成本，同时使车工在使用操作更简化。根据图4.3，下面对优化后的溜板箱传动系统的纵，横向进给运动的传动路线进行介绍：（1）机动纵向进给运动由光杆把进给箱的运动传入后经齿轮副33/89传至蜗

40、杆和蜗轮副1/45，此时滑移齿轮副46/29断开且拨动牙嵌式离合器闭合，由蜗杆和蜗轮副1/45经拨动牙嵌式离合器传至齿轮副21/76，由齿轮76轴带动16x2齿轮在齿条上运动，带动溜板箱大拖板在车床纵向导轨的移动，实现机动纵向进给运动。（2）手动纵向进给运动转动大手轮，带动齿轮副21/76转动，此时滑移齿轮副76/21断开，由齿轮76轴带动16x2齿轮在齿条上运动，带动溜板箱大拖板在车床纵向导轨的移动，实现手动纵向进给运动。（3）机动横向进给运动由光杆把进给箱的运动传入后经齿轮副33/89传至蜗杆和蜗轮副1/45，此时滑移齿轮副46/29啮合且拨动牙嵌式离合器分离，由蜗杆和蜗轮副1/45经齿轮

41、副46/29和齿轮副29/16带动横向进丝杠转动，带动中拖板沿溜板箱上的导轨移动，实现机动横向进给运动。（4）手动横向进给运动转动小手轮，带动横向进丝杠转动，带动溜板箱大拖板在车床横向导轨的移动，实现手动横向进给运动。图4.3 溜板箱传动系统优化示意图4.2.3进给量的计算标准米制螺纹导程的国家标准见表4-1：表4-1 标准米制螺纹导程的国家标准11.251.51.7522.252.533.544.555.56789101112可以看出，表中每一行都是按等差数列排列的，行与行之间成倍数关系。以车削米制螺纹为例，通过扩大螺纹倍数，可以使标准螺纹导程最大值增大到192mm，扩大倍数，基本组传动比，

42、增倍组传动比，扩大螺纹导程关系如下表4-2：表4-2 扩大螺纹导程关系扩大倍数4 84 88增倍组传动比1/2 1/41 1/21基本组传动比导程6.5/77/71428568/71632649/71836729.5/710/720408011/722448812/7244896增倍组齿轮副为： i=18/4515/48=1/8 i=28/3515/48=1/4 i=18/4535/28=1/2 i=28/3535/28=1进给运动的传动链为：主轴- （变向机构） （交换齿轮）-光杠- （增倍机构）-1.纵向进给量当运动由主轴经正常导程的米制螺纹传动时，可获得正常的仅给量。这时运动平衡式子为：

43、根据上式改变就可以得到从纵向进给量S=0.011-3.6的所有正常进给量。运动由主轴经正常导程的英制螺纹传动路线时，就可以得到较大的纵向进给量。运动经由扩大螺纹导程机构及英制螺纹传动路线，且主轴处于低转速级时就可以获得所有加大进给量。运动经由扩大螺纹导程机构及米制螺纹传动路线，且主轴处于高转速级时，调整就可以获得各种细进给量。2.横向进给量横向进给量的计算，除在溜板箱中的传动不同外，其余传动路线与纵向进给量计算方法下同，横向进给运动平衡式为：根据上式可以算出纵向进给量确定后对应的横向进给量，其中纵向传动丝杠导程为6mm，而横向传动丝杠导程为4mm。4.2.4 溜板箱中各齿轮尺寸设计与计算根据传

44、入动力的顺序依次计算各齿轮的尺寸同时定出模数。动力由光杠经齿轮副33/89传入到蜗杆。由于本课题的优化工作只是将已有的传动系统简化，溜板箱中各齿轮还是按机床设计图册10中的相关齿轮取相关参数。齿轮的厚度或齿宽b(612)m，取b10m11。 Ha*=1 C*=0.25 Z33取模数为1.5： d=mz=50 （式4.1） Da=(z+2ha*)m=52.5 （式4.2） Df=(z-2ha*-2c*)m=40.75 （式4.3）Z89取模数为1.5： d=mz=134 Da=(z+2ha*)m=136.5 Df=(z-2ha*-2c*)m=129.75下面对蜗杆进行设计：Z=1 m=2 f=1

45、 Co=0.2 则 q=12所以 d1=mq=24 （式4.4） da1=d1+2ha1=d1+2m=28 （式4.5） df1= d1-2hf1=d1-2.4m=19.2 （式4.6）齿宽：当z1=1时,b1(11+0.06z2)m下面对蜗轮进行设计：Z=45 m=2 f=1 Co=0.2 2r=60 所以 d2=mz=90 （式4.7） da2=d2+2ha2= m(z2+2)=184 （式4.8）df2=d2-2hf2= m(z2-2.4)=175.2 （式4.9）齿宽：当z13时,b20.75da1传动经蜗轮蜗杆传至齿轮副46/29和29/16，下面对这两对齿轮进行设计：齿轮Z=46

46、m=1.75 取=6 所以 d=mz=80.5 da=(z+2)m=84 df=d-2.5m=76 b=m=10.5齿轮Z=29 m=1.75 取=6 所以 d=mz=50.75 da=(z+2)m=54.25 df=d-2.5m=46.37 b=m=10.5齿轮Z=16 m=1.75 取=6 所以 d=mz=28 da=(z+2)m=31.5 df=d-2.5m=23.6 b=m=10.5下来经离合器，传动由齿轮副20/76传至齿轮齿条，同时齿轮Z76与手轮带动的齿轮Z21啮合，下面进行这三个齿轮的设计：齿轮Z=20 m=1.75 取=6 所以 d=mz=35 da=(z+2)m=38.5

47、df=d-2.5m=30.6 b=m=10.5齿轮Z=76 m=1.75 取=6 所以 d=mz=133 da=(z+2)m=136.5 df=d-2.5m=128.6 b=m=10.5齿轮Z=21 m=1.75 取=6 所以 d=mz=36.75 da=(z+2)m=40.25 df=d-2.5m=32.37 b=m=10.5下面对齿轮齿条的齿轮进行设计：齿轮Z=16 m=1.75 取b10m 所以 d=mz=28 da=(z+2)m=31.5 df=d-2.5m=23.6根据以上的分析及设计计算绘制优化后的溜板箱传动系统展开装配图如4.4所示：图4.4溜板箱传动系统展开装配图1-半圆键 2

48、-半圆键 3-紧定螺钉 4-向心球轴承 5-箱体 6-丝杠螺母 7-圆柱销8-开槽沉头螺钉 9-圆柱销 10-钢球 11-普通平键 12-手轮 13-半圆键4.2.5 齿轮的优化设计齿轮优化设计的数学模型的建立一般包括三部分：(1)设计变量：一般选用齿轮传动的基本几何参数或性能参数面包括：齿轮齿数、模数、齿宽系数、螺旋角、变位系数、和中心距分离系数等。(2)目标函数：常见的目标函数有体积(或者质量)最小、承载能力最大、工作寿命最长、振动最小等。(3)约束条件：一般的满足条件是满足接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、齿数不少于发生根切的最小齿数、传递动力的齿轮的模数不小于2mm，齿宽不引起过分的载荷分布

49、不均现象、传动比误差不大于给定的误差设计要求等对XXV轴上齿数位21的齿轮做优化设计,与其啮合的齿轮齿数为75。（1）设计变量齿轮Z=21 m=1.75 取=6 d=mz=36.75 da=(z+2)m=40.25 df=d-2.5m=32.37 b=m=10.5（2）目标函数根据一般的优化方法可选择的目标来确定，在齿轮传动时，一般要求传动装置结构紧凑、重量轻、节省材料、成本低。本文中选择的优化目标是齿轮体积最小，可以用函数表示为： (式4.10) 则目标函数确定为： 其中：传动比。（3）确定约束条件约束条件是用来判定目标函数中设计变量取值的规定，齿轮传动中，约束条件包括边界约束条件和性能约束

50、条件。根据不发生根切的最小齿数来决定，斜齿轮按照当量齿数来计算： （式4.11） 按照小齿轮齿数的一般取值范围来确定边界条件，斜齿轮按照当量齿数来计算： 即： 根据齿轮齿宽系数的设计要求来确定小齿轮齿宽系数： 即： 根据螺旋角的设计要求确定螺旋角的边界范围，斜齿轮传动一般选择的；螺旋角的范围是： 根据齿根弯曲疲劳强度进行约束： 齿面接触疲劳强度 齿轮优化的数学模型可建立如下：()（4）MATLAB工具箱求解利用MATLAB工具箱中的fmincon函数求解，首先需编写M文件。代码如下：functionc,ceq=mynas(x)c(1)=17-x(2)/cos(x(3)3;c(2)=x(2)/c

51、os(x(3)3-40;c(3)=8112420*cos(x(3)3/ x(1)3*x(2)2* x(4)-490;c(4)=707879.071*cos(x(3)1.5 /x(1)*x(2)*sqrt(x(1)*x(2)*x(4)/cos(x(3)-1227;ceq=;随后，在MATLAB主窗口中输入：fun= 15*pi*x(4)*x(1)3*x(2)3/cos(x(3) 3;x0=4,13,20,1;A=0,0,0,-1;0,0,0,1;0,0,-1,0;0,0,1,0;b=-0.4,1.2,-8,20;Aeq=;beq=;lb=;ub=;x,fval=fmincon(fun,x0,A,

52、b,Aeq,beq,lb,ub,mynas)图4.5 MATLAB的优化结果优化后的齿轮参数Z=19，m=1.5，对比原始设计，齿数与模数均减小，齿轮的重量也随之减小16%，成本降低20%。4.2.6 XXV轴的优化设计已知XXV为21/76齿轮副所在轴d=30mm,轴长l=420mm。轴传递的功率P=5KW，转速n=500r/min。轴材料的密度=7800kg/,剪切弹性模量G=81Gpa,需用剪切力，单位长度许用扭转角。现对该轴进行优化。（1） 设计变量根据轴结构尺寸，直径为d=32mm, L=420mm。由此，确定以下尺寸作为设计变量（2）目标函数在设计或改造传动轴时，根据实际情况，可以选