数控滚齿机轴向进给、径向进给部件及滚刀架回转运动部件设计（全套含CAD图纸）
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I 毕业设计（论文） 课 题 名 称： 数控滚齿机轴向进给、径向进给部件及滚刀架回转运动部件 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 起迄日期： 指导教师： 日期： 2014 年 5 月 22 日 要 本次设计是对 数控滚齿机 的 设计 。 在这里 主要包括 : 轴向进给 的 设计 、 径向进给部件 的 设计 、 滚刀架回转运动部件 系统的 设计 这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一 般机械的设计创造了一定条件 。 整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 本论文研究内容： (1) 数控滚齿机 总体结构设计。 (2) 数控滚齿机 工作性能分析。 (3)电动机的选择。 (4) 数控滚齿机 的传动系统、执行部件及机架设计。 (5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词： 数控滚齿机 ， 联轴器 ， 滚珠丝杠 is NC of of of of to a is by to to of of (1) NC (2) of NC (3) of (4) NC (5) of (6) to V 目 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 1 控滚齿机的研究定义及工作原理 . 1 控滚齿机定义 . 1 作原理 . 1 题的目的及意义 . 2 内外概况综述 . 3 课题研究的内容及方法 . 5 要的研究内容 . 5 计要求 . 5 键的技术问题 . 5 第 2 章 数控滚齿机总体结构设计 . 6 业设计（论文）要求及原始数据 . 6 控滚齿机的构成 . 7 控滚齿机的工作原理 . 8 第 3 章 轴向进给结构及传动设计 . 9 向进给滚珠丝杆副的选择 . 10 程确定 . 10 定丝杆的等效转速 . 10 计工作台质量及负重 . 10 定丝杆的等效负载 . 10 定丝杆所 受的最大动载荷 . 精度的选择 . 12 择滚珠丝杆型号 . 12 核 . 13 V 界压缩负荷验证 . 13 界转速验证 . 14 杆拉压振动与扭转振动的固有频率 . 15 机的选择 . 15 机轴的转动惯量 . 16 机扭矩计算 . 17 第 4 章 径向进给机械结构设计 . 19 定脉冲当量 . 19 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 19 度的选择 . 19 杠导程的确定 . 19 大工作载荷的计算 . 19 大动载荷的计算 . 20 珠丝杠螺母副的选型 . 21 珠丝杠副的支承方式 . 21 动效率的计算 . 22 度的验算 . 22 定性校核 . 23 界转速的验证 . 24 进电动机的选择 . 24 杠轴的校核 . 27 的校核 . 28 承的校核 . 28 直线滚动导轨副的计算和选择 . 30 第 5 章 滚刀架回转运动的设计 . 33 刀架回转运动设计 . 33 进电机选择 . 33 轮设计与计算 . 38 的设计与计算 . 46 承的校核 . 54 的选择和校核 . 58 结论 . 59 参考文献 . 60 致 谢 . 62 1 第 1 章 绪论 控滚齿机 的研究 定义 及 工作原理 控滚齿机 定义 数控滚齿机适用于成批、小批及单件生产加工圆柱齿轮和蜗轮，及一定参数的鼓形齿轮也可用花键滚刀 连续分度滚切长度小于 300 的 6齿及 6齿以上的短花键轴。 且用链轮滚刀可以滚切链轮。加工圆柱齿轮时可采用逆铣和顺铣滚切，采用轴向进给（垂直进给）的方法加工出全齿宽。 数控滚齿机滚切普通蜗轮是采用径向进给的方法进行加工。数控滚齿机加工花键轴及链轮时机床的调整及加工方法与加工圆柱直齿轮时一样。 作原理 齿 轮被广泛地应用于 机械设备 的 传动系统 中，滚齿是应用最广的切齿方法 1 ，传统的机械 滚齿机 床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的 加工精 度 ，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时 2，大大降低了 劳动生产率 。 以德国西门子、日本发那科公司 数控系统 为主流的 数控滚齿机 的出现，大大提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前真正能够生产 数控滚齿机 的只有 2 3 个厂家，且使用的多是德国 西门子数控系统 ，加工中 模数 齿轮，没有自主产权的 核心技术 ，缺少国际竞争力。 注意到以上问题，并根据近来 数控技术 ，尤其是开放式运动控制器飞速发展的现状，本文针对小 模数 、少齿数、大螺旋角 斜齿轮 滚齿加工迫切要求数控化的实际需求，进行了深入的研究，成功地开发了了一套基于开放式运动控制器的数 控滚齿系统并用于实际生产。 1 基于开放式运动控制器的数控 体系结构 该 体系结构 的核心是一块具有 线并且自带高速 片的开放式多轴 运动控制卡 ，与嵌入式 机构成多处理器结构，提供 4 路 16 位 D/A 模拟电压（ / 10V）控制信号 ， 4 路 4 倍频差动式光电 编码器 反馈信号接口，输入信号频率最高可 2 达 832 路 光电隔离 输入输出接口。可编程数字 度前馈 +加速度前馈滤波方式，卡上自带 片以实现实时高速 插补 、计算功能，可完成空间直线、 圆弧 插补 ，大大减轻了主机负担，还提供了程序 缓冲区 ，降低了对主机通讯速度的要求 3。该 运动控制卡 通过 线和计算机通讯，一方面将从各控制轴采集到的数据送给主机进行计算，另一方面，将主机 根据工艺及 数学模型 进行运算生成的运动控制指令经过进一步处理送各轴 伺服驱动器 ，完成各轴的运动控制，加工出满足工艺要求的合格零件。由于使用标准的 工控机 作 为主机，采用标准化接口，可灵活地选用电机、驱动装置和反馈元件，支持包括 乙太 网甚至是 在内的多种 网络协议 及 拓扑结构 ，可方便地实现远程控制， 组网 技术 十分灵活而且技术成熟 4。 题的目的及意义 近年来，随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展，对齿轮提出了更高的要求：传动速度大、承载能力强、使用寿命长、运行噪音小、制造成本低，相应地对齿轮的设计、加工、检测等方面也提高了要求。在这种背景下，现代设计方法、先进制造技术、计算机技术及相关技术的交叉融合，使齿轮相关技术的研究进入了一个崭新的阶段 。 齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。 特别是 ，随着汽车工业的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高使齿轮加工机床在汽车摩托车等行业中占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种，占齿轮加工机床拥有量的 40%它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。 传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常困难也降低了加工精度。 数控滚齿机高加工精度、高生产率的特点，在制造业中的应用比例越来越大，有效地保证了产品质量和产量 。 随着风电、 船舶、建材产业的迅速发展 ,国内对大型高档机床的需求旺盛 ,且要求效率高、精度高。国内机床技术与国外有很大差距。国内还没 几家单位 有能力加工直径为两米的大型数控滚齿机 ,全世界也只有两家 ,分别在德国和美国 。 在这种情况下 ,有好几年 ,中国的大型数控滚齿机都需进口这两家的产品。从国外进口 ,价格贵 ,交货期长 ,售后服务麻烦。 所以研制加工直径两米以上的大型 3 数控滚齿机和有必要。 对数控滚齿机的设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。而 工科类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的能力，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。 培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学 研究的基本方法和思路。使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。 通过毕业设计资料的搜集、整理、数据的查询，方案的确定，撰写、电路的设计以及毕业答辩等活动，初步了解数控机床回参考点的方式的种类何工作原理，接受初步的数控机床的训练和熏陶，深化和综合基础课、专业课的分析问题和解决问题的能力以及培养协作精神，树立高度的工作责任感的能力，同时系统的对我们三年所学知识进行总结，全面的复习整理，查缺补漏， 以达到熟练掌握专业知识的目的，并综合运用和深化所学专业理论识培养独立分析和解决一般工作实际问题的能力，树立高度的责任感，以便在日后工作中能得心应手。能更好的适应社会的需要，充分发挥自己的才华，贡献自己的一份力量。 随着教育改革的逐步深入，为落实增强学生的创新精神，能力培养和素质教育三大新的教育目标打破以理论教学为主，实验教学和实践为辅的传统教育方法，提高学生的创新能力及灵活运用知识的能力，以便能最快的适应工作的需求。 内外概况综述 我国生产滚齿机的历史始于 1953年，经过 30 年的努力，到 80年代 初已进入世滚齿机主要生产国家行列。目前，国产滚齿机以传统的机械传动式为主，品种、系列齐全。传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动，往往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常困难也降 4 低了加工精度。近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要经历了从统机械式滚齿机通过数控改造发展为 2至 3轴（直线运动轴）实用型数控高效滚齿机，到全新六轴四联动数控高速滚齿机的开发 ,最大主轴转速一般为 1200 转 /分，与发达国家同类产品相比我国仍然存在着不小的差距，究其原因 主要还是因为基础研究差，整体设计能力不足，由此导致新技术应用慢和仿制比重较大，如零传动技术干切技术在齿轮加工机床中的应用一直处于落后状态。 数控系统是数控机床的核心，德国西门子、利勃海尔和日本的马扎克、法拉克掌握着数控系统的最高水平，利勃海尔数控系统 16 个软件包的价格接近母机价格，软件和母机一起卖，不分开出售，软件利润非常高。目前国内机床企业使用的中高档机床的数控系统基本都是国外进口 。同时国内研制 加工效率高、精度高直径为两米的大型数控滚齿机 的单位的能力比较弱，而 从国外进口 ,价格贵 ,交货期长 ,售后服务麻烦。数 控系统和功能部件发展滞后已成为制约行业发展的瓶颈。国产中档数控系统国内市场占有率只有 35%，而高档数控系统 95%以上依靠进口。功能部件国内市场总体占有率约为 30%，其中高档功能部件市场占有率更低。台湾地区品牌功能部件约占国内市场的 50%，其余20%为欧盟、日本等品牌产品。据国家海关统计数据， 齿机附件 (含功能部件和夹具 )类产品达 以高速、高精、复合、智能等为特征的高档数控滚齿机关键技术虽然已经取得明显进步，一批共性、基础技术和新产品研发也有了新 的进展，但与国际先进水平相比，还存在较大差距。有些关键技术，如：高速高精运动控制技术、动态综合补偿技术、多轴联动和复合加工技术、智能化技术、高精度直驱技术、可靠性技术等尚需进一步突破，有些重大技术离产业化还有一段路程。以企业为主体、以市场为导向、产学研用相结合的研发体系尚未真正建立，行业的自主创新发展缺乏高新技术支撑。 我国 滚齿机 工具行业产品质量整体水平已经有了很大提高，对提升产业的整体素质和核心竞争力起到了重要作用，也得到广大 用户的认可。但在产品质量的稳定性和可靠性方面，例如：滚齿机早期故障率较高，精度稳定性周期短，工程能力系数 (、平均无故障工作时间 (指标与国际先进水平比较尚有一定差距。加强产品质量工作，解决深层次的质量问题依然不容忽视。 5 课题研究的内容及方法 要的研究内容 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下 : 1 根据现场作业的环境要求和本身的结构特点，确定 数控滚齿机 整体设计方案。 2 确定的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。 3 从所要功能的实现 出发，完成 数控滚齿机 各零部件的结构设计； 4 完成主要零部件强度与刚度校核。 计要求 1 根据所要实现的功能，提出 数控滚齿机 的整体设计方案 ； 2 完成 数控滚齿机 结构的详细设计 ； 3 通过相关设计计算，完成电机选型； 4 完成 数控滚齿机 结构的设计； 绘 制 数控滚齿机 结构总装配图、主要零件图 。 键的技术问题 1 方案选择 2整体 设计 3电机选型 设计 4 强度校核 6 第 2 章 数控滚齿机 总体结构设计 业设计（论文）要求及原始数据 本机床主要用于模数小于 直齿圆 柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的精密、高效加工，可进行硬齿面齿轮的一次成形加工或二次对刀成形加工，也可进行模数小于 3齿圆柱齿轮的精密加工。通过闭环的 X 轴控制可进行高精度鼓形齿轮的加工。 本机床可广泛用于汽车、摩托车、仪器、仪表、玩具、 电动工具、渔具等行业的各种不同精度的齿轮的大批量、高效率加工。 最大加工直径 100大加工模数 3大轴向行程 150工齿数范围 4 100齿 滚刀架可转动范围 50 最大滚刀直径 63刀轴转速 550 4000 工件轴转速 5 495 向运动快速 5000 向运动快速 5000 mm/向运动快速 5000 mm/7 控滚齿机 的构成 该机在整体结构的主要零部件有底座基础、纵向导轨、横向导轨、支柱、切削头、旋转工作台、控制箱、等组成。其中底座基础上安装有地脚螺栓，纵向导轨支撑体通过地脚螺栓与基础体固定在一起。 该机分为主运动系统 、 轴向进给 、 径向进给部件 、 滚刀架回转运动部件 、 8 控滚齿机 的 工作原理 机器工作时，主电机运动将动力通过带轮传递给主轴，主轴带动工作 台上的工件。通过纵向导轨和横向导轨实 现刀具的上下运动和左右运动 。整机的运动是在 而实现了对工件加工的连续性和自动化 . 立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作旋转运动，刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚切斜齿时 ,差动机构使工件作相应的附加转动。工作台 (或立柱 )可沿床身导轨移动 ,以适应不同工件直径和作径向进给。 滚齿机的齿形加工原理为展成法。展成法是将齿轮啮合副中的一个齿轮转化为刀具，另一个齿轮转化为工件，齿轮刀具做切 削主运动的同时，以内联系传动链强制刀具和工件做严格的啮合运动，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齿形表面来。这种方法的加工精度和生产效率都很高。 滚齿机的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的导轨做轴向进给运动。安装滚刀的刀杆固定在刀架体的刀具主轴上，刀架体能绕自身轴线倾斜一个角度，这个角度成为滚刀安装角，其大小与滚刀螺旋升角大小及旋向有关。安装工件用的心轴固定在工作台上，工作台与后立柱装在床鞍上，可沿床身导轨做径向进给运动或调整径向进给位置支架用于支撑工件心轴上端，以提高心轴的刚度。 9 第 3 章 轴向 进给 结构及传动设计 表 3支承方式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 10 向进给 滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动 滚珠滚动。 设 轴向进给 最大行程为 150快进给速度为 5000 作台大概质量为80动部件大概质量为 30作台最大行程为 300 程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 g i n ,/1 5 0 0m a xm a x 最大转矩，则丝杠的导程为 m a x m a x/ 5 0 0 0 / 1 5 0 0 3 . 3 3 n m m 取 2 确定丝杆的等效转速 基本公式 (/ h 最大进给速度是丝杆的转速 m (1 5 0 012/1 8 0 0 0/m a xm a x h 最小进给速度是丝杆的转速 m (0 8 丝杆的等效转速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m i n )/( 0 0)/()( 212m i a x m 计工作台质量及负重 主轴箱重量 9 6 011 工作台重量 移动部件重量 定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵 11 引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 般取 课题中取 丝杆所受的力为 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 定丝杆所受的最大动载荷 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 表：取 1） 查表：取 1） 丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 7300N 表 3h 12 表 3 3 3 精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300程变动量 300V 应小于目标设定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 1 3 级（ 1 级精度最高）， 径向进给 为 2 5 级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 轴精度等级为 3级， 径向进给 为 4 级。 择滚珠丝杆型号 计算得出 则 23) 13 公称直径 2选择 内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为3。 公称直径 0杆外径 钢球直径 丝杆底径圈数 =3 圈 0 刚度 73N/ m 核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 丝杆本身的拉压刚度 杆副内滚道的接触刚度 承的接触刚度 母座的刚度 不同支撑组合方式计算而定。 界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： cr m a 式中 钢 =N/ m） N） =丝杆最小截面惯性距（ 442 )464 wo 14 式中 丝杆螺纹不封闭长度 作台最大行程 +螺母长度 +两端余量 00+148+2088撑距离 u，选取 20入上式计算得出 见 临界压缩负荷满足要求。 界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速求丝杠的最高转速： 22230 式中： A= 24 . 210*d2d 位 p=03(Kg/m) 界 转 速 计 算 长 度 ， 单 位 为 本 设 计 中 该 值 为48/2+300+(6202=440K 取 2K =0.8 推 过计算，得出 04 r ，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 15 杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； 螺母座刚度 000N/ m。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， L 植分别为 750100 经计算得： m k 式中 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； 螺母座的刚度 (N/ m)； 000 N/ m 丝杠副内滚道的接触刚度 (N/ m)； 丝杠本身的拉压刚度 (N/ m)； 轴承的接触刚度 (N/ m)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/满足要求。 机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高
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