铣床主轴设计开题报告

20112011 届本科生毕业设计 论文 届本科生毕业设计 论文 开题报告开题报告 课题名称 数控加工中心主运动传动系统设计 专 业 机械制造及其自动化 中美数控 专业方向 数控技术及其应用 班 级 07102151 学 号 0710215122 学生姓名 胡琪澄 指导教师 赵莉萍 教研 室 制造技术 上海应用技术学院上海应用技术学院 机械工程学院机械工程学院 20112011 年年3 3 月月 4 4 日日 数控加工中心 主运动传动系统设计1 1 概述 数控技术是一门集计算机技术 自动化控制技术 测量技术 现代机械制造技 术 微电子技术 信息处理技术等多学科交叉的综合技术 是近年来应用领域中发展十 分迅速的一项综合性的高新技术 它是为适应高精度 高速度 复杂零件的加工而出现 的 是实现自动化 数字化 柔性化 信息化 集成化 网络化的基础 是现代机床装 备的灵魂和核心 有着广泛的应用领域和广阔的应用前景 1 1 国内数控镗铣床的发展概况 数控卧式镗铣床是一种加工范围极广 自由度很大的机床 主要用来加工形状复杂 要求精度较高的箱体类零件 在一次装夹后能完成较多的工序 我国数控卧式镗铣床和卧式加工中心的发展开始于 1973 年 但由于电气元件和数控 系统质量不过关 1976 年后 数控卧式镗床和卧式加工中心的发展处于低潮 但其中 机械机构问题不是很大 因此 1981 年以来 由于引进国外数控系统 国内数控卧式 镗床和卧式加工中心有了新的发展 出现了第二次机床行业的发展高潮 近几年来 国内外数控卧式镗铣床的技术发展非常快 其特点是产品结构不断更新 新技术应用层出不穷 工艺性能复合化 速度 效率不断提高 突出精细化制造 随着为高速运行作技术支撑的传动元件电主轴 直线电机 线性导轨等得到广泛应 用 机床的运行速度被推向了新的高度 主轴系统设计也由传统的镗杆伸缩式结构逐步 向现代高 速电主轴结构转变 尽管传统的镗杆伸缩式结构 具有镗深孔及大功率切削 的特点 但现代高速电主轴结构以其高转速 高运行速度 高效和高精度的优点和简化 的主轴箱内部结构而倍受关注 而主轴可更换式卧式镗铣加工中心的创新设计解决了电 主轴与镗杆移动伸缩式结构各存利弊的不足 具有复合加工与一机两用的功效 也是卧 式镗铣床的一大技术创新 目前世界上约有 20 个国家制造卧式镗床 其中以美 德 日 意 苏 法等国的卧 式镗床在国际市场上占据重要地位 这些国家的卧式镗床结构先进 工艺水平高 重视 新技术的应用 产品精度 刚度和寿命较高 造型美观 操作方便 具有较高的水平 广泛地应用模块化设计原则发展品种 做到普通卧式镗铣床 数控卧式镗铣床和卧式镗 铣加工中心一个机型 三种产品 即普通卧式镗床装上数控系统就是数控卧式镗床 再 加上刀库和机械手就是加工中心 数控加工中心 主运动传动系统设计2 2 课题关键问题及难点 2 1 主传动系统组成 在加工中心上 为了实现刀具在主轴上的自动装卸 并保证刀具在主轴中正确定位 主轴必须设计有刀具自动夹紧 切屑清除和主轴准停装置 在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中 刀杆常采用 7 24 的大锥度锥柄 既利于 定心 也为松刀带来方便 用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部 使刀具锥柄和 主轴锥孔紧密配合 夹紧力达 10000N 以上 松刀时 通过液压缸活塞推动拉杆来压缩 碟形弹簧 使夹头涨开 夹头与刀柄上的拉钉脱离 刀具即可拔出进行新旧刀具的交换 新刀装入后 液压缸活塞后移 新刀具又被碟形弹簧拉紧 在活塞推动拉杆松开刀柄的 过程中 压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出 将锥孔清理干净 防止 主轴锥孔中掉入切屑和灰尘 把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤 保证刀具的正确位置 自动清除主轴孔中的切屑和灰土是换刀操作中的一个不容忽视的问题 如果在主轴 锥孔中掉进了切屑或其他污物 在拉紧刀杆时 就会划伤锥孔和锥柄表面 甚至会使刀 杆发生偏斜 破坏刀具正确定位 影响加工零件的精度 甚至使零件报废 对自动换刀数控镗铣床 切削扭矩是通过刀杆的端面键来传递的 为了保证自动换 刀时使刀杆的键槽对准主轴上的端面键 主轴需停在一个固定不变的方位上 这由主轴 准停装置来实现 制动装置 由于滚珠丝杠副的传动效率高 无自锁作用 故必须装有制动装置 特 别是滚珠丝杠处于垂直传动时 图 2 1a 所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动 装置示意图 当机床工作时 电磁铁线圈通电吸住压弹簧 打开摩擦离合器 此时步时 电动机受控制系统的指令脉冲后 通过液压转矩放大器及减速齿轮 带动滚珠丝杠转动 主轴铁线圈亦同时断电 在弹簧作用下摩擦离合器压紧 使得滚珠丝杠不能自由转动 主轴箱就不会因自重而下沉了 超越离合器也可用作滚珠丝杠的制动装置 主轴箱 摩擦离合器 图 2 1a 自锁装置 数控加工中心 主运动传动系统设计3 2 2 主轴部件的要求 2 2 1 回转精度高 当主轴作回转运动时 线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线 回转中心线 的空间位置 在理想的情况下应是固定不变的 称为理想回转中心线 实际上 由于主 轴部件中各种因素的影响 回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的 这些瞬时回转 中心线的平均空间位置称为瞬时回转中心线 瞬时回转中心线相对于理想回转中心线的 距离 就是主轴的回转误差 而回转误差的范围 就是主轴的回转精度 径向误差 角 度误差和轴向误差很少单独存在 当径向误差和角度误差同时存在时 构成径向跳动 而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动 2 2 2 刚度大 主轴部件的刚度是指受外力作用时 主轴部件抵抗变形的能力 主轴部件的刚度越 大 主轴受力后的变形越小 若主轴部件的刚度不足 在切削力及其他力的作用下 主 轴将产生较大的弹性变形 不仅影响工件的加工质量 还会破坏齿轮 轴承的正常工作 条件 加快其磨损 降低精度 主轴部件的刚度与主轴的结构尺寸 支承跨距 所选用 的轴承类型及其配置形式 轴承间隙的调整 主轴上传动元件的位置等有关 2 2 3 抗振性强 主轴部件的抗振性是指切削加工时 主轴保持平稳运转而不发生振动的能力 若主 轴部件抗振性差 工作时容易产生振动 不仅会降低加工质量 而且限制了机床生产率 的提高 使刀具的耐用度下降 提高主轴的抗振性必须提高主轴部件的静刚度 常采用 较大阻尼比的前轴承 必要时要安装阻尼 消振 器 使主轴部件的固有频率远远大于激 振力的频率 2 2 4 温升低 主轴部件运转中的温升过高会引起两方面的不良结果 一是主轴部件和箱体因热膨 胀而变形 主轴的回转中心线和机床其他元件的相对位置发生变化 直接影响加工精度 二是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙 破坏正常润滑条件 影响轴承的正 常工作 严重时甚至会发生 抱轴 数控机床为解决温升问题 一般采用恒温主轴箱 2 2 5 耐磨性好 主轴部件必须有足够的耐磨性 以便能长期保持精度 主轴上易磨损的地方是刀具 或工件的安装部位 以及移动式主轴的工作表面 为了提高耐磨性 主轴的上述部位应 该淬硬 或经氮化处理 以提高硬度 增加耐磨性 主轴轴承也需要有良好的润滑 以 提高其耐磨性 数控加工中心 主运动传动系统设计4 3 方案论证 3 1 传动方案 3 1 1 方案一 带有变速齿轮的主传动 如图 3 1a 所示 一般大 中型数控机床多采用这种方式 它通过少数几对齿轮变速 扩大了变速范围或输出扭矩 能确保低速时的主轴输出扭矩特性的要求 有一小部分小 型数控机床也采用这种传动方式 以获得强力切削时所需要的扭矩 由于电机在额定转 速以上的恒功率调速范围调速比为 2 5 当需要扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办法 来扩大调速范围 机械变速机构常采用滑移齿轮变速机构 它的位移大多数采用液压拨叉和电磁离合 器两种变速操纵方法 或直接由液压缸来带动齿轮移动来实现 图 3 1a 齿轮传动 3 1 2 方案二 通过带传动的主传动 如图 3 1b 所示 这种方式主要应用在转速较高 变速范围不大 低转矩的小型数 控机床上 电动机本身的调整就能满足要求 不用齿轮变速 可避免齿轮传动时引起振 动和噪声的缺点 但它只适用于低扭矩特性要求 常用的有同步齿形带 多楔带 V 带 平带 V 形带 图 3 1b 带轮传动 数控加工中心 主运动传动系统设计5 3 1 3 方案三 调速电机直接驱动的主传动 如图 3 1c 所示 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构 有效地提高了 主轴部件的刚度 但主轴输出扭矩小 电机发热对主轴影响较大 图 3 1c 电机直接传动 3 2 自动夹紧 手动夹紧 液压夹紧 气动夹紧 电磁夹紧都是夹紧机构 只是夹紧的方式不同而 已 那么他们有什么不同 只是运用的地方不同吧了 就如果同机械传动 液压传动 气压传动 电力传动一个概念 机械传动特点是结构简单容易实现 坏处是结构笨重不 易用于结构精密的地方 液压传动特点是传动效率高 缺点结构相对复杂 且不太干净 不利于环境 所以应用的多为大型设备 气压传动比较先进 其特点是柔性高 缺点传 动效率低 但却在精密设备上利用得比较多 电磁运用目前相对应用较少 是将来发展 的方向 电磁传动不需要介质可以直接起到传动作用 是较为先进的传动方式 大力提 倡 只是目前应用有限 受电磁传动距离的限制 图 3 2a 气动夹紧系统图 数控加工中心 主运动传动系统设计6 图 3 2b 镗铣加工中心主轴刀具夹紧机构 刀具自动夹紧装置和切屑清除装置由钢球 3 空气喷嘴 4 套筒 5 拉杆 7 碟形弹 簧 8 油缸 及活塞 11 组成 图示为刀具的夹紧状态 在碟形弹簧 8 的作用下 拉杆 7 始终保持约 10000N 的拉力 并通过拉杆 7 左端的钢球 3 将刀杆 1 的尾部轴颈拉紧 刀 杆 1 采用 7 24 的大锥度锥柄 在尾部轴颈拉紧的同时 通过锥面的定心和摩擦作用关 键所在刀杆 1 夹紧于主轴 2 的端部 松开刀具 将压力油通入油缸 11 的右腔 使活塞推 动拉杆 7 向左移动 同时压缩碟形弹簧 8 拉杆 7 的左移使左端的钢球 3 位于套筒 5 的 喇叭口处 从而解除了刀杆 1 上的拉力 当提杆 7 继续左移 空气喷嘴 4 的端部把刀具 顶松 机械手便取出刀杆 1 当机械手将新刀装入后 压力油通入油缸 11 左腔 活塞向 右退回原位 碟弹簧 8 又拉紧刀杆 1 当活塞处于左 右两个极限位置时 相应的限位 开关发出松开和夹紧的信号 3 3 主轴准停装置 在数控钻床 数控铣床以及镗铣为主的加工中心上 由于特殊加工或自动换刀 要 求主轴每次停在一个固定的准确的位置上 所以在主轴上必须没有准停装置 准停装置 分机械式和电气式两种 图 3 3a 所示机械准停装置的工作原理如下 准停前主轴必须是处于停止状态 当 接收到主轴准停指令后 主轴电动机以低速转动 主轴箱内齿轮换挡使主轴以低速旋转 时间继电器开始动作 并延时 4 6s 保证主轴转稳后接通无触点开关 1 的电源 当主轴 转到图示位置即凸轮定位盘 3 上的感应块 2 与无触点开关 1 相接触后发出信号 使主轴 电动机停转 另一延时继电器延时 0 2 0 4s 后 压力油进入定位液压缸下腔 使定向活 塞向左移动 当定向活塞上的定向滚轮 5 顶入凸轮定位盘的凹槽内时 行程开关 LS2 发 出信号 主轴准停完成 若延时继电器延时 1S 后行程开关 IS2 仍不发信号 说明准停没 完成 需使定向活塞 6 后退 重新准停 当活塞杆向右移到位时 行程开关 lSl 发出滚 轮 5 退出凸轮定位盘凹槽的信号 此时主轴可启动工作 数控加工中心 主运动传动系统设计7 图 3 3a 机械式主轴准停装置图 3 3b 电器式主轴准停装置 1 无触点开关 2 感应块 3 凸轮定位盘 4 定位液压缸 5 定 向滚轮 6 定位活塞 1 主轴 2 同步感应器 3 主轴电动机 4 永久磁铁 5 磁传感器 机械准停装置比较准确可靠 但结构较复杂 现代的数控铣床一般都采用电气式主 轴准停装置 只要数控系统发出指令信号主轴就可以准确地定向 如常用磁力传感器检 测定向的工作原理如图 3 3b 所示是在主轴上安装有一个永久磁铁 4 与主轴一起旋转 在距离永久磁铁 4 旋转轨迹外 1 2mm 处固定有一个磁传感器 5 当铣床主轴需要停车 换刀时 数控装置发出主轴停转的指令 主轴电动机 3 立即降速 使主轴以很低的转速 回转 当永久磁铁 4 对准磁传感器 5 时 磁传感器发出准停信号 此信号经放大后 由 定向电路使电动机准确地停止在规定的周向位置上 这种准停装置机械结构简单 发磁 体与磁感传感器间没有接触摩擦 准停的定位精度可达 1 能满足一般换刀要求 而 且定向时间短 可靠性较高 3 4 切屑清除 为了保持主轴锥孔的清洁 常用压缩空气吹屑 活塞和拉杆的中心 都有压缩空气 通道 当活塞向左移动时 压缩空气经活塞和拉杆的通道 由空气喷嘴喷出 将锥孔清 理干净 喷气小孔要有合理的喷射角度 并均匀分布 以提高吹屑效果 4 本设计方案选择 主传动运动是指产生切削力的传动运动 进给运动是指产生轮廓形状的传动运动 铣削与镗削不是同一个加工工艺阶段 相对而言 铣削是粗加工 而镗削是精加工 二 者的加工精度要求显然不同 例如 为了提高加工精度 铣削要高速 过程是断续切削 数控加工中心 主运动传动系统设计8 同时工作的齿数较多 每个刀齿切削的厚度也是变化的 因此铣刀刀刃处于间歇切削状 态 散热条件较好 有利于采用高速铣削 以提高生产率 而镗削要低速 铣削时的进 刀量一般比镗削时的进刀量大 与铣削相比 镗削加工多用于半精和精加工 对加工质 量的要求比生产效率放在更重要的位置 并且镗削的适用切削速度也比铣削低得多 这就要求该机床主传动应具有一定的调速范围 以保证加工时铣削和镗削能选用合 理的切削用量 从而获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 也对主轴低速时的输出 转矩提出了一定要求 因此 本次设计的卧式镗铣数控机床主传动系统采用带有变速齿轮的主传动 以满 足加工对机床变速范围的要求和镗削时对主轴输出转矩的要求 对于夹紧装置我们采用液压夹紧 其好处是传动效率高 5 关键技术解决方法 我们设计的是一台中小型数控卧式镗铣机床 考虑到镗轴可伸缩长度有限 要求机 床立柱能根据工件大小移动 并实现粗定位 为使在一次装夹中加工尽可能多的工作表 面 要求加工时工作台能实现精密分度 机床应能实现四轴三联动 包括工作台回转运 动 其中 我的任务是主运动传动系统设计 主轴滚动轴承的配置 前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承 这种支承方式可以 承受双向轴向载荷和径向载荷 承载能力大 刚性好 结构简单 主轴的变速方式采用无集电环摩擦片式电磁离合器 电磁离合器是应用电磁效应接 通或切断运动的元件 由于它便于实现自动操作 并有现成的系列产品可供选用 因而 它已成为自动装置中常用的操纵元件 电磁离合器用于数控机床主传动时 能简化变速 机构 通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合与分离的不同组合来改变齿轮的传 动路线 实现主轴变速 主要起换档 使主轴回转运动按照工作者的要求工作 获得所需的速度和扭矩的作 用 拨叉是推动滑动齿轮的 滑动齿轮上有一个环槽拨叉就骑在这个环槽里 当驾驶员 推动变速杆时变速杆带动拨叉轴 拨叉轴带动拨叉 拨叉又推动齿轮从而达到变速 拨 叉最容易磨损的地方就是拨叉和齿轮环槽接触的部位 因为齿轮在高速旋转而拨叉不转 拨叉磨损 或强度不够 可能导致齿轮挂不到位 而掉档 或拨叉断掉 数控加工中心 主运动传动系统设计9 6 进度安排 1 布置设计任务 查阅资料以及相关实习 2 周 2 方案确定 理论计算与三维造型设计 5 周 3 装配图 零件图绘制 6 周 4 检查 修改设计与计算 2 周 5 撰写毕业设计论文及准备答辩 2 周 6 答辩 1 周 参考文献 1 冯辛安 机械制造装备设计 北京 机械工业出版社 2006 3 2 杨克冲 数控机床电气控制 武汉 华中科技大学出版社 2005 9 3 吴祖育 数控机床 第三版 上海 上海教育出版社 2005 8 4 刘书华 数控机床与编程 北京 机械工业出版社 2010 1 5 徐锦康 机械设计 北京 高等教育出版社 2004 4 6 机械设计手册