CK6140数控车床主传动系统设计

郑州雨辰学院本科生毕业设计（论文）题目： CK6140 数控车床主传动系统设计 指导教师： 赵 职称： 讲师 学生姓名： 陈 学号：1334095854 专业： 机械设计制造及其自动化 院（系）： 机电工程学院 答辩日期： 20 年 6 月 18 日 20 年 6 月 12 日郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计I摘 要本文通过对 CK6140 数控车床切削过程的观察和研究，对主轴部件、轴系零件、带轮传动、变速齿轮和主传动系统总装图进行设计。此数控车床设计主要由四个部分组成：机床总体、主传动系统，动力装置计算和进给系统。本设计拟定了数控车床的主传动系统设计。确定了车床主轴、小带轮、箱体、变速齿轮等各部件的选择和选取方法。确定了由数控系统控制数控车床主传动系统和进给系统进行切削运动，实现对金属工件的精准加工。利用微机控制原理将机械传动的进给和手工控制的刀架转位改造成自动转位以及自动进给加工刀架，并通过电气与机械装置来进行无级变速，变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。由现场切削运行情况表明，该机床的结构比较简单，便于安装和维修；切削运行过程可靠，加工精度较高；机床运行灵便，而且能保证机床在进行高速切削时的稳定性；性价比高，不失为中小型企业进行生产和教学实践的理想选择。关键词：数控车床 主传动系统 带轮传动 变速齿轮郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计IIAbstractIn this paper, through observation and Research on the CK6140 CNC lathe cutting process, design of the main parts, shaft parts, belt drive, gear assembly diagram and main drive system. The design of CNC lathe is mainly composed of four parts: the main drive of machine tool overall, system, power plant calculation and feed system. The design of the main drive system design of CNC lathe. The spindle of the lathe, a small pulley, gear box, the choice of components and the selection method. By the numerical control system of CNC lathe main drive system and the feed system for cutting motion determined, precision machining of metal parts. The mechanical driving feed and turret indexing transformation of manual control into automatic indexing and automatic feeding machine tool control by using the principle of microcomputer, and the electrical and mechanical device for stepless variable speed, variable frequency motor through the belt drive and gear to provide power for the spindle. As indicated by the cutting condition of the spot, the structure of the machine is simple, easy to install and repair; reliable cutting process, the machining precision is high; the operation of the machine tool operation, but also can ensure stability in high-speed cutting machine tool; high performance price ratio, ideal for production and teaching practice is small and medium enterprises.Keywords: CNC lathe Main Drive System Pulley drive Transmission gear郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计III目 录摘要 .IAbstract.II目录 .II1 绪论 .II1.1 数控机床的发展背景 .21.2 我国数控机床国内外发展现状 .21.2.1 国内发展情况 .21.2.2 国外发展情况 .21.2.3 我国数控机床发展中存在的问题 .21.3 数控机床的结构特点及要求 .22 数控机床设计的一般途径 .22.1 数控机床设计的一般途径 .22.1.1 总体设计 .22.1.2 机床的结构刚度 .22.1.3 提高机床的抗振性 .22.1.4 提高速度进给运动的平稳性和运动精度 .22.1.5 合理的选择构件的结构形式 .22.1.6 减小机床的热变形 .22.2 主传动系统设计 .22.2.1 数控机床主传动系统的特点 .22.2.2 数控机床主轴的调速方法 .22.2.3 数控机床的主轴部件 .22.2.4 主传动系统的设计要求 .22.2.5 主传动系统的传动方式 .23 传动装置的动力计算 .23.1 设计要求与转速计算 .23.1.1 设计要求 .23.1.2 转速计算 .23.1.3 转速图 .23.1.4 切削力及功率的计算 .23.1.5 带传动计算 .23.2 齿轮副计算、校核和验算 .2郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计IV3.2.1 基本组计算 .23.2.2 第一扩大组计算 .23.2.3 第二扩大组计算 .24 进给系统 .24.1 进给系统的基本要求 .24.2 主要部件原理 .25 结论与展望 .2致谢 .2参考文献 .2郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计11 绪 论1.1 数控机床的发展背景自动信息处理、电子计算机、微电子技术以及数据处理的发展，给自动化带来了一场新的革命 1，进而有效推动了机械制造自动化的发展。将数字控制技术应用到机械加工方面的思想在 20 世纪 40 年代初已经被提出。在当时，美国的帕森斯公司，处于美国北部地区的一个小型飞机工业承包商，在制造直升飞机叶片轮廓及飞机框架用样板时，在对轮廓路径进行数据处理时采用了全数字电子计算机技术。而且考虑到刀具直径对路径的影响，这大大提高了机械制造的精度 2。帕森斯公司在 1949 年正式接受了美国空军的委托。在伺服机构实验室以及麻省理工学院的协助下，着手从事数控机床方面的研制工作并且经过三年时间的努力研究，终于成功试制出世界上第一台数控机床实验样机，是一台直线插补三坐标连续控制铣床，它采用了脉冲乘法器原理 3，这就是数控机床的第一代。1959 年，晶体管元器件在计算机行业研制成功，并将其和印制电路板广泛应用于数控装置中，数控机床的第二个时代由此开启。与此同时，美国麻省理工学院和美国航空工业协会一同发展了 APT 程序语言。20 世纪 70 年代后，数控技术进入了快速发展时期。日本、英国、中国、德国一些工业国家陆续地研制、开发、生产及使用数控机床，其他机械上也逐步应用数控技术如焊接机、包装机、坐标测量机和绕线机等。手工编程到计算机自动编程的过渡也在程序编制方面同时实现，并且在 APT 数控语言的基础上发展了多种自动编程语言 5。1965 年，小规模集成电路出现。其功耗低、体积小的特点大大提高了数控机床的可靠性，数控系统由此进入第三代。上述数控系统发展所经历的三代都应用了专用控制计算机硬件逻辑数控系统，并将装有此类数控系统的机床称为普通数控机床 6。20 世纪 80 年代末至今，微电子技术以及相关技术的发展，使得数控技术在现代机械制造业的应用越来越广泛，并且成为现代机械制造业的基础。我国发展机床行业的市场空间得天独厚，信息、高新技术和汽车等产业在我国发展强劲，相关机电装备工业对机床工业提出了更高的要求。相关专家指出，我国目前成套成线设备和高档数控机床的开发、生产能力，无论是在品种质量还是在数量上已满足市场需求，因而，加快数控机床的发展成为目前的当务之急 10。数控机床有很多种分类方式，按其数控系统的功能水平数控机床可分为经济型数控机床、中档型数控需要请咨询学号数字企鹅机床和高档型数控机床 12。郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计2我国目前机械制造业随着我国工业的发展而快速发展。并且数控机床的应用也越来越广泛，其被广泛应用到航空航天、汽车制造和一般通用零件的制造等。数控机床俨然已成为现代制造业的主流，起到了核心支柱的作用。尤其是经济型数控机床的应用，对机床行业的发展更是一种有力的推动。经济型数控机床的功能比较简单，精度比较高且价格比较低廉，能加工出形状较为简单的直线、螺纹以及圆弧等。其伺服进给系统是由步进电机实现的开环驱动。经济型数控机床的控制轴的数量一般在三轴 13以下，其伺服系统的脉冲量一般采用 10，快进速度大多采用 10m/min，故经济型数控机床在现代机械制造业的应用越来越广泛。1.2 我国数控机床国内外发展现状1.2.1 国内发展情况自从数控机床进入我国市场起，我国数控机床行业就呈现出平蓬勃的发展趋势。近年来，通过各大机床厂的努力及采取与国外著名机床厂家的积极合作，引进先进技术，消化吸收样机等措施，我国机床制造水平有了很大提高，数控机床在切削机床中的比例越来越高。目前，我国数控机床的品种、规格越来越全，质量也越来越稳定，进入全面使用的发展阶段。目前，我国数控机床正朝着高速切削方向发展，对加工精度的要求也不断提高。而且将 CAM 技术运用到数控机床上，代替了以前繁琐的绘图工作，大大提高了生产效率，进而使试制周期缩短，降低了系统设计成本，提高了市场竞争力。另外，我国数控机床也逐渐走向功能化，并且在这些方面取得了一定的进展与突破。1.2.2 国外发展情况从 1951 年将计算机技术运用到机床上起，数控系统经历了数控和计算机数控两个发展阶段。目前，数控系统这个处于基于 PC 的第六代更新阶段。这是因为 PC 可靠性高、成本低、软硬件资源比较丰富等，正是因为 PC 的这些优点，故受到大部分数控系需要请咨询学号数字企鹅统生产厂家的青睐。美国空军在1953 年与麻省理工学院协作，着手研究计算机自动编程技术，这便是创制自动编程系统的开端。并且在 1955 年成功研制出 APT(Automatically Programmed Tools)自动编程系统由此开始。第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司在 1954 年生产制造成功。美国空军于第二年高价订购了约 100 台数控机床，随后两年，数控机床在美国进入了快速发展时期，商品化的数控机床在市场上出现。20 世纪 60 年代末，美国克耐杜利克公司率先成功研制出世界上第一台带有换刀装置的数控机床，并将它称之为加工中心 4。英国于 1967 年率先把几台数控机床连成具有柔郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计3韧性等特点的加工系统，并成功研制出最初的柔性制造系统 FMSP7，随后，美国、日本、欧洲等国家也陆续开发和应用。20 世纪 80 年代初，国际上开始出现柔性制造单元 FMC8，柔性制造系统逐渐完善，数控系统由此进入第四代。美国英特尔公司于 20 世纪 80 年代开发和使用了微处理器。1974 年，日本，美国等国家率先成功研制出以微处理器为核心的计算机数控制造系统 9，并逐渐进入第五代数控系统。目前，国际数控系统正向智能化方向飞速发展，数控系统可以检测出一些重要信息，而且能自动调节系统的相关参数，进而达到改进系统运行状态的目的。另外，主传动系统引入了故障诊断系统，能通过自动识别负载，调整参数，使驱动系统处于最佳运行状态。1.2.3 我国数控机床发展中存在的问题我国的数控机床行业进入了快速发展时期，但仍然存在一些问题需要我们去克服：(1)机床数控化水平偏低近些年来，我国数控机床行业与发达国家相比还有很大差距，我国数控机床数控化率和生产产值的数控化率都处于较低水平，消耗的值的数控化率还不及发达国家的 50%，高档次的数控机床以及配套部件大多还只能依靠进口。因此，我国机床数控化空间仍需要很大提升。(2)数控机床功能部件有差距数控功能部件是指主轴单元、数控到家和转台、数控系统、滚珠丝杠副以及滚动直线导轨副、刀库、机械手、高速防护装置等，数控功能部件是数控机床的重要组成部分。性能的好坏，功能部件水平的高低以及社会的整体配套水平直接决定和影响着数控机床的技术水平和性能高低，同时制约着主机发展速度 11。与发达国家数控机床主机相比，我国功能部件的生产企业的发展比较缓慢。功能部件占到整机成本的 60%左右，直接决定机床整体性能和机床的竞争水平。我国目前的功能部件的生产企业布局分散，普遍较小。从整体水平来说，我国功能部件发展速度较低，在品种种类、性能指标和精度方面都还需要很大进步。数控刀架、电主轴、需要请咨询学号数字企鹅数控系统、滚珠丝杠等数控机床功能部件虽已初具规模，但这仅仅能适应中低档次的数控机床的需要。高速精密电主轴和高速滚动部件等高级部件仍然依赖进口。功能部件在生产企业的体制仍须完善，把功能部件做大做强已成为我国数控机床行业发展的重中之重。1.3 数控机床的结构特点及要求郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计4经济型数控机床和一般的数控机床一样，在精度、效率和自动化程度方面要高于普通机床，同时还要具有柔性，这样对其结构提出如下特点要求：(1)高可靠性可靠性是系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。可靠性对数控系统和数控装置非常重要。一个系统，一台设备，无论其如何先进，功能如何全面，精度如何高级，可靠程度差，不能在规定的时间内，可靠地工作，那么它的使用价值就不高，经济效果就不佳。大多数数控机床在自动或者半自动的状态下工作，对其可靠性的要求较高。(2)热变形较小数控机床的运动部件容易产生热量，为使其运动部件达到一定的精度，可将其立柱采用框架式结构，这样不仅能提高部件的刚度，使其事项结构更加匀称，而且可以防止运动部件由于热变形而产生的微量倾斜和相对移动 15。其主轴大多采用恒温冷却，以确保主轴在高速运转时产生最少的热量，数控机床的电动机宜采用安装热管消热装置或者散热装置进而可以减少反转时发热对性能的影响 16。(3)刀具要先进刀具的先进性是指数控机床在进行加工切削时，对刀具的切削速度和加工精度都有较高的要求。数控机床的刀具大都要有合理的结构，而且应具有较高的耐用度，与此同时，不同的数控车床应有不同的刀具库以及相应的刀片。(4)较高的刚度机床的刚度是造成弹性单位变形量时所需要的作用力。大多数数控机床需要在高速切削或者中速切削的条件下工作，其刀架、主轴、立柱床身等主要运动部件对刚度都有很高的要求。而且在工作过程中变形或者震动都不宜过大。(5)较高的灵敏度自动状态下的数控机床工作精度要求高于一般普通机床，其运动要求具有较高的灵敏度，数控机床的导轨大多采用静压导轨、滚动导轨等，进而达到低速度无爬行的目的 17。数控机床的刀架需要在交流或者直流伺服电动机来驱动，然后由静压丝杠或者滚珠丝杠传动动力，其主轴大多宜采用静压或者滚动轴承 18。郑州雨辰学院毕业设计（论文） CK6140 数控车床主传动系统设计52 数控机床设计的一般途径2.1 数控机床设计的一般途径2.1.1 总体设计数控机床的总体设计包括：逻辑设计，机床主机的设计，系统的总体结构的设计 19。数控机床在功能与设计方面和普通车床有很大不