CK6150数控车床主轴箱及传动系统系统的设计（含全套CAD图纸）.pdf

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕业设计（论文）任务书 系 系 部部： ： 专 专 业业： ： 学 学 生 生 姓 姓 名： 名： 学 学 号号： ： 设计设计(论文论文)题目：题目： CK6150 数控车床主轴箱设计 起 起 迄 迄 日 日 期期: 20*年 3 月 9 日 6 月 14 日 设计设计(论文论文)地点地点: 指 指 导 导 教 教 师师: 专业 负责人专业 负责人 : 发任务书日期: : 20* 年 2 月 26 日 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）任 务 书毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过这次毕业设计使学生初步掌握机床设计和机械零件设计的一般方法，学会查阅 技术文献。掌握技术文件编写的格式。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、 工作要求等） ： 1、课题任务的内容：进行 CK6150 数控车床主轴箱设计。 2、课题任务的要求： 该主轴箱设计完成以后能够实现主轴 12 档转速，最低转速 70 rpm、最高转速 1400rpm，半自动换档变速。机床主轴中心高为 250mm。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）任 务 书毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实 物样品等 ： 一、图纸量要求： 总图纸量大于 3 张 0#图 二、说明书要求 说明书条理清楚，说明正确，字数大于 1.2 万字 4主要参考文献： 1 文怀兴. 数控机床设计实践指南M. 北京: 化学工业出版社,2008. 2 陈婵娟. 数控车床设计/现代数控机床结构及设计丛书M. 北京: 化学工业出 版社,2006. 3 徐灏. 新编机械设计师手册M. 北京: 机械工业出版社,1995. 4 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(上册) M. 北京: 机械工业出版 社,2001. 5 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(下册) M. 北京: 机械工业出版 社,2001. 6 徐锦康. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2004. 7 成大先编. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社出版，2002. 8 徐锦康. 机械设计M. 北京：机械工业出版社，2001. 9 王伯平. 互换性与测量技术基础M. 北京：机械工业出版社，2001. 10 袁国定，朱洪海. 机械制造技术基础M. 南京：东南大学出版社，2000. 11 全国数控培训网络天津分中心数控机床M机械工业出版社，2002. 12 林宋. 现代数控机床M. 北京：化学工业出版社出版，2002. 13 张俊生金属切削机床与数控机床M北京：机械工业出版社，2005. 14 彭晓南数控技术M北京：机械工业出版社，2003. 15 余仲裕数控机床维修M机械工业出版社，2005. 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）任 务 书毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2009 年年 3 月 9 日 3 月 15 日 3 月 16 日 3 月 22 日 3 月 23 日 4 月 5 日 4 月 6 日 4 月 19 日 4 月 20 日 4 月 30 日 5 月 1 日 5 月 17 日 5 月 17 日 5 月 30 日 6 月 1 日 6 月 7 日 6 月 8 日 6 月 14 日 熟悉课题，调研，确定设计方案，完成开题报告。 完成外文翻译。 总体设计，方案论证。 完成部件设计初稿。 部件设计定稿。 完成零件设计初稿。 零件设计定稿。 完成说明书初稿 毕业设计定稿，论文答辩 所在专业审查意见： 负责人： 20*年 月 日 系部意见： 系部主任： 20*年 月 日 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕业设计(论文)开题报告 学 学 生 生 姓 姓 名名： ： 学 学 号： 号： 专 专 业业 ： ： 设计设计(论文论文)题目题目： CK6150 数控车床主轴箱设计 指 指 导 导 教 教 师师: 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 文 献 综 述 摘要摘要 本文主要介绍了数控机床的特点、组成、分类、应用范围及其对 ck6150 数控车 床主轴箱进行的研究分析，论述了我国数控机床发展的过去、现状，对数控机床的发展 趋势进行了探讨, 提出了我国数控机床发展的对策。 关键词关键词 数控机床 主轴箱 发展 对策 1 1 数控车床数控车床 数控是数字控制的简称，是利用数字化信息来实现自动控制的方法。数控机床是指 采用数字化信息控制的机床。数控技术不仅用于机床的控制，还可用于控制其他设备。 下面我们先来介绍一下数控机床的特点、组成、分类及其应用范围。 1.1 1.1 特点特点 数控机床是新型的自动化机床，它具有良好的通用性和较高的自动化程度，数控机 床是实现柔性自动化的重要装置之一，是发展柔性生产的基础。数控机床在以下的零件 加工中更能显示出它的优越性。它们是：a、批量小而又多次生产的零件；b、几何形状 复杂的零件；c、在加工过程中具有多坐标联动功能；d、切削余量大的零件；e、公差带 范围小的零件；f、工艺设计变化的零件；g、加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重 零件；h、需全部检测的零件等。概括起来，数控机床具有以下几个方面的特点：(1)提 高加工精度，产品质量稳定；(2)提高生产效率；(3)提高了加工零件的适应性、灵活性； (4)减轻工人劳动强度；(5)提高生产管理水平 1 。 1.2 1.2 组成及分类组成及分类 数控机床一般由4个部分组成：控制介质、控制装置、伺服系统和机床主体组成。各 组成部分各有其作用和特点。 目前，数控机床品种齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多种规格。为了研究数 控机床，可以按照多种原则来进行分类。归纳起来，通常按下面5种原则来分类： （1）按工艺用途分类：a、普通数控机床；b、数控加工中心机床；c、多坐标数控机床。 （2）按控制系统对运动轨迹的控制方式分类：a、点位控制数控机床；b、点位直线控制 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 数控机床；c、轮廓控制数控机床。 （3）按伺服系统的控制方式分类：a、开环控制数控机床；b、闭环控制数控机床；c、 半闭环控制数控机床；d、开环补偿型数控机床。 （4）按数控装置分类:a、硬线数控；b、软线数控。 （5） 按功能水平分类： a、 经济型数控机床； b、 中档型数控机床； c、 高档型数控机床 2 。 1.3 1.3 应用范围:应用范围: 主要用于加工高精度回转体类型零件,如轴类、盘类、套类,以及高精度的各种规格 的内外螺纹,可一次装夹完成外形及内孔的加工 3 。 2 2 主轴箱的研究分析主轴箱的研究分析 机床是机械制造行业中最基本的设备, 随着制造业高效率、高精度、高柔性发展的 需要, 人们对机床提出了越来越高的要求, 主轴箱又是机床很重要的一个部件, 因此, 很有必要对它的动态特性进行研究。主轴箱结构的动态特性主要包括振动固有频率、阻 尼比和振型 4 。 随着机床向高速化、高精度发展, 人们对主轴箱提出了越来越高的要求, 通过对主 轴箱动态特性进行分析研究, 准确得到其动态参数, 是满足机床现代发展需求的有效途 径。对于主轴箱的固有动态特性, 已有学者做过分析研究, 但这些分析都存在不全面的 问题 5 。如对主轴箱进行了振动测试分析,缺少理论分析结果;对整机进行了动态分析, 从整机角度去分析主轴箱的动态特性, 没针对性的对主轴箱本身固有动态特性进行分析 研究 6 。 因此, 为了全面分析主轴箱动态特性, 掌握准确的动态参数, 本文建立主轴箱 有限元模型, 采用Lanczos法有限元模态分析对CK6150型数控车床主轴箱进行动态特性 研究, 并用模态实验验证了有限元模态分析的正确性, 说明有限元模态分析得到的动态 参数是准确的, 为进一步结构改进提供了理论依据 7 。 3 3 我国数控机床发展的过去、现状及未来 我国数控机床发展的过去、现状及未来 3.1 3.1 数控机床发展的过去、数控机床发展的过去、现状现状 我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数控技术发展水平与国家扶持政 策的制定等三大因素的影响 8 , 自年1958年以来, 中国数控机床的发展划分为三个阶 段：(1)初始阶段。中国的数控机床发展起步于1958年, 经历了20余年的初始阶段。(2) 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 稳步发展阶段一引进、消化吸收、国产化与自行开发阶段。自从1980年以来, 中国执行 了“六五” 、“七五” 、“八五” , 三个五年计划。在这个期间, 在改革开发的政策 指导下, 国家大力支持机床行业, 通过引进技术发展数控机床产业。(3)曲折发展阶段。 1994年至1998年由于东南亚金融危机,我国经济软着陆及国内消费市场疲软等综合因素 的影响, 事实上, 国内机床市场容量呈下降趋势, 而且国产机床的市场占有早有所下 降, 机床工具行业连续五年负增长 9 。1999年3月份, 全行业开始恢复性增长, 1999年 至6月份开始出现两位数增长, 其中数控产品增长占主导地位到2000年一年全行业总产 值将已经到320亿元。 3.2 3.2 数控机床发展的未来数控机床发展的未来 由于计算机技术的飞速发展, 推动数控机床技术更快的更新换代“世界上许多数控 系统生产厂家利用机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统”开放式 体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性, 并向智能化、网络化方 向大大发 10 。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统, 如美国科学制造中心（NCMS）与 空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构”ONGC 11 。欧共体的自动化系统中 开放式体系结构OOSACA, 日本的OSEC计划等 12 。开发研究成果已得到应用。如 Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、 数控铣床、数控车床等产 品中采用了开放式体系结构的A2100系统。 新一代数控系统技术水平大大提高, 促进了数 控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展 13 。 4 4 对我国数控机床提出的一些对策对我国数控机床提出的一些对策 (1)继续强化企业体制和机制的创新,培育一批市场竞争力强的新型企业 14 。(2)加 大产业结构调整的力度,大力发展功能部件产业。我国历来只重视主机,而忽视“中场” 产业,造成我国数控机床的功能部件,要么质差、性能不及国外名牌。 为此,我国应大力发 展功能部件产业,凡是属于精密机械部件性质的功能部件要在短期内争取在质量和性能 上赶上和超过国外名牌。我国在这方面还是很有潜力的，关键是要转变观念 15 。此外, 还要把技术发展上远比机床落后的数控刀具产业搞上去,(3)推行“官、产、学、研、用 ” 相结合的国家下一代数控机床专项攻关计划, 攻克下一代数控机床的一系列技术难题。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 参 考 文 献 1 文怀兴. 数控机床设计实践指南M. 北京: 化学工业出版社,2008. 2 陈婵娟. 数控车床设计/现代数控机床结构及设计丛书M. 北京: 化学工业出 版社,2006. 3 徐灏. 新编机械设计师手册M. 北京: 机械工业出版社,1995. 4 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(上册) M. 北京: 机械工业出版 社,2001. 5 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册(下册) M. 北京: 机械工业出版 社,2001. 6 徐锦康. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2004. 7 成大先编. 机械设计手册M. 北京：化学工业出版社出版，2002. 8 徐锦康. 机械设计M. 北京：机械工业出版社，2001. 9 王伯平. 互换性与测量技术基础M. 北京：机械工业出版社，2001. 10 袁国定，朱洪海. 机械制造技术基础M. 南京：东南大学出版社，2000. 11 全国数控培训网络天津分中心数控机床M机械工业出版社，2002. 12 林宋. 现代数控机床M. 北京：化学工业出版社出版，2002. 13 张俊生金属切削机床与数控机床M北京：机械工业出版社，2005. 14 彭晓南数控技术M北京：机械工业出版社，2003. 15 余仲裕数控机床维修M机械工业出版社，2005. 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 本课题要研究或解决的问题: 某企业需要购置一批具有较好刚性的CK6150系列数控车床以满足生产需求。该 数控车床主轴最低转速为70rpm，最高转速为1400rpm，半自动换档变速，主轴转速 级数为12级。 研究手段: 1.熟悉图纸了解加工要求； 2.了解铝合金箱体的最基本的加工方法； 3.了解箱体类零件机加工工艺路线； 4.根据不同的生产纲领了解不同的加工方法 5.编制出与相应的生产纲领的机加工工序卡及夹具的设计； 6.编写设计计算说明书； 7.通过对机加工工序卡熟悉工艺设计的全过程； 8.通过设计把所学基础理论，专业知识运用到实践中去； 9.通过设计提高自己分析问题和解决问题的能力； 10.能为今后的工作打下一个好的基础。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见指导教师意见： 1对“文献综述”的评语： 阅读了大量关于数控机床方面的书籍，对数控车床的特点、组成及分类、应用 范围、数控车床主轴箱的研究分析、我国数控机床发展的过去、现状及未来、对我 国数控机床提出的一些对策等有了初步的认识，为数控车床的设计做了一些基础工 作。 2 对本课题的深度、 广度及工作量的意见和对设计 （论文） 结果的预测： 通过对本课题的研究使学生的基础理论与专业知识、技术水平以及实际应用能 力和文字、语言表达能力得到锻炼，是学生综合运用所学理论技能知识与生产实践 相结合的重要阶段，是培养和提高学生综合应用能力的重要环节。 通过本课题的研究使学生对数控机床的设计有一个初步的认识，学会如何查找 文献、如何进行方案的设计、校核、定稿等等。综合应用机械设计、工艺、公差、 机械制图 CAD 等知识进行经济型的数控机床部件的设计。完成 3 张 0 号图纸，1.2 万 字的条理清楚的说明书。 指导教师： 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 页 共 页 目 录 1 引言 . 1 2 数控机床概况 . 2 2.1 数控机床的产生与发展 . 2 2.2 数控机床的发展趋势 . 2 3 数控车床的简介 . 3 3.1 数控车床的组成及工作原理 . 3 3.2 数控车床的特点 . 4 3.3 数控车床的适用范围 . 4 4 数控车床的设计 . 6 4.1 数控车床的设计方法和特点 . 6 4.2 数控机床的设计步骤 . 6 5 CK6150 数控车床主轴箱设计 . 8 5.1 数控车床主传动系统的发展 . 8 5.2 主传动系统的设计要求 . 8 5.3 主传动系统设计 . 10 5.4 动力设计 . 11 5.5 带传动设计 . 14 6 主轴组件的性能要求 . 18 7 主轴结构及热处理要求 . 19 结束语 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 22 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 1 页 共 22 页 1 1 引言引言 机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与 工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成 果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床 主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科 学理论的应用， 科学地分析的处理经验， 数据和资料， 既能提高机床设计和制造水平， 也将促进设计方法的现代 机床设计是学生在学完基础课，技术基础课及有关专业课的基础上，结合机床传动部 件（主轴变速箱）设计进行的综合训练。我们毕业设计题目是 CK6150 数控车床的主 轴箱设计。 在本设计中首先进行参数拟定，运动设计，动力计算和结构草图设计，轴和轴承 的验算，主轴箱装配设计，设计计算说明书等内容。 设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，带轮，离合器和制动器等） ， 主轴组件，操纵机构，润滑密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置，用一张展 开图和若干张横截面图表示。 课程设计限于时间， 一般只画展开图及一或两个截面图。 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和 一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求 的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主 传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无 级调速来承担，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以 扩大电动机无级调速的范围。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 2 页 共 22 页 2 2 数控机床概况 数控机床概况 2 2.1 .1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。 特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。 加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不 能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控机床应运而生。这种 新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应 用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成 果，是今后机床控制的发展方向。 2 2.2 .2 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看，高精度（定位精度：微米级、纳米级） 、高速度（主轴转 速 10000r/min，快速进给 24m/min，换刀时间 23s） 、高柔性（多主轴、多工位、多 刀库） 、多功能（立卧并用、复合加工）和高自动化（自动上下料、自动监控、自动 测量和通信功能）是数控机床的重要发展趋势 1 。对单台主机不仅要求提高其柔性和 自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应 能力。 在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 FANCU， 德国的 SIEMENS 和美国的 AB 公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向 发展。它们的数控系统都采用了 16 位和 32 位微处理机、标准总线及软件模块和硬件 模块结构， 内存容量扩大到 1MB 以上， 机床分辨率可达 0.1um， 高速进给可达 100m/min， 控制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺 2 。 在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发 展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所 取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 3 页 共 22 页 3 3 数控车床的简介 数控车床的简介 3.1 3.1 数控车床的组成及工作原理数控车床的组成及工作原理 数控车床由:程序编制及程序载体、输入装置 、 数控装置、伺服驱动、位置检测 装置、辅助控制装置、车床本体等几部分组成。如图 3.1 所示： 图 3.1 伺服系统总体方案框图 在传统的金属切削机床上，加工零件时操作者根据图样的要求，通过不断改变刀 具的运动轨迹， 运动速度等参数， 使刀具对工件进行切削加工， 最终加工出合格零件。 数控车床的加工其实质是应用了“微分”原理。 其工作原理与过程可简述如下： (1) 数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按车床对应的坐标轴，以最 小移动量（脉冲当量）进行微分，并计算出各轴需要移动的脉冲数。 (2) 通过数控装置的插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用最小移动单位的等 效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。 (3) 数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲， 并通过伺服驱动使车床坐标轴按分配的脉冲运动。 由上可见： (a) 只要数控车床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就完全可 以等效代替理论曲线； (b) 只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 4 页 共 22 页 变加工轨迹的目的； (c) 只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实 现了数控车床控制刀具移动轨迹的根本目的。 3.2 3.2 数控车床的特点数控车床的特点 (1) 加工对象改型的适应性强 由于在数控车床上改变加工零件时，只需要重新 编制程序就能实现对零件的加工， 它不同于传统的车床， 不需要制造、 更换许多工具、 夹具和检具，更不需要重新调整车床。 (2）加工精度高 数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控 装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量）一般达到了 0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿， 因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。 3 (3）生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控 车床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般车床高得多。数控车床主 轴转速和进给量的范围比普通车床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用 量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时 间。 (4）自动化程度高 数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操 作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他 的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作， 劳动强度与紧张程度均大为减小，劳动条件也得到相应的改善。 (5）良好的经济效益 使用数控车床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用 是比较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工 时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。 (6）有利于生产管理的现代化 用数控车床加工零件，能准确地计算零件的加工 工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些都有利于使生产管理 现代化。 3.3 3.3 数控车床的适用范围数控车床的适用范围 数控车床与卧式车床一样，也是用来加工轴类或盘类的回转体零件。但是由于数 控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 5 页 共 22 页 以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。 数控车床确实存在一般车床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件 为前提的。 数控车床的应用范围正在不断扩大， 但它并不能完全代替其他类型的机床， 也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控车床通常最适合加工具有 以下特点的零件。 多品种小批量生产的零件 通常采用数控车床加工的合理生产批量在 10200 件 之间。目前有向中批量发展的趋势。 结构比较复杂的零件 通常数控车床适宜于加工结构比较复杂，在非数控车床上 加工时需要有昂贵的工艺装备的零件。 需要频繁改型的零件 它节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。 价格昂贵、不允许报废的关键零件。 需要最短生产周期的急需零件。数控车床的初始投资相对较大，由于系统的复杂 性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将 会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。 考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控车床加工时，需要进行反复对比和 细的经济分析，使数控车床发挥它的最佳经济效益。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 6 页 共 22 页 4 4 数控车床的设计 数控车床的设计 4.1 4.1 数控车床的设计方法和特点数控车床的设计方法和特点 （1）数控车床的设计方法 在过去的机床设计中多采用类比法，以古典力学和数学为基础的简单公式或经验 数据进行手工计算和手工设计，设计效率低、质量差、周期长。随着科学技术的进步 和社会需求的变化，数控车床的设计理论和技术也在不断地发展。特别是近年来计算 方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，尤其是计算机技术 的广泛应用，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。 车床的设计方法是根据其设计类型而定。普通车床采用系列化设计方法。系列中 基型产品属创新设计类型，其他属变型设计类型。 在创新设计类型中，车床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。 前者是用类比分析、推理方法产生方案，是目前创新设计一般采用的方法。后者则用 创成解析的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究发展之中。 （2）设计方法的特点 数控车床设计方法与现代科技发展相适应，具有明显的特点。 (a) 设计手段计算机化 (b) 设计方法综合化 (c) 设计对象系统化 (d) 设计目标最优化 (e) 设计问题模型化 (f) 设计过程程式化与并行化 4.2 4.2 数控机床的设计步骤数控机床的设计步骤 数控车床的设计内容及步骤大致可概括为以下几方面。 (1) 主要技术指标设计 主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。设计任务的来源不同，如工厂的规 划产品，或根据车床系列型谱进行设计的产品，或用户定货等，虽具体的要求不同， 但所要进行的内容大致相同。主要有以下技术指标。 (a) 用途 指数控车床的工艺范围， 包括加工对象的材料、 质量、 形状及尺寸等。 (b) 生产率 包括加工对象的种类、批量及所要求的生产率。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 7 页 共 22 页 (c) 性能指标 包括加工对象所要求的精度或数控车床的精度、刚度、热变形、 噪声等性能指标。 (d) 主要参数 即确定数控车床的加工空间和主要参数。 (e) 驱动方式 数控车床电动驱动方式分为步进电动机驱动与伺服电动机驱动。 驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。 (f) 成本及生产周期 无论是定货还是工厂规划的产品，都应确定成本及生产周 期方面的指标。 (2) 总体方案设计 总体方案设计包括以下几方面设计。 (a) 运动功能设计 包括确定数控车床所需运动的个数、形式（直线运动、回转 运动）功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出数控车床的运动 功能图。 (b) 基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。 (c) 传动系统设计 包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。 (d) 总体结构布局设计 包括运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构方案 图设计。 (e) 控制系统设计 包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。 (3) 总体方案综合评价与选择 在总体方案设计阶段，对其各种方案进行综合评 价，从中选择较好的方案。 (4) 总体方案的设计修改或优化 对所选择的方案进行进一步的修改或优化，确 定最终方案。上述设计内容，在设计过程中要交叉进行。 (5) 详细设计 (6) 技术设计 包括确定结构原理方案、装配图设计、分析计算或优化。 施工设计 包括零件图设计、商品化设计、编制技术文档等。 上述步骤可反复进行，达到设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复 进行，可以提高一次设计成功率。 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 8 页 共 22 页 5 5 CK615CK6150 0 数控车床主轴箱设计 数控车床主轴箱设计 5 5.1 .1 数控车床主传动系统的发展数控车床主传动系统的发展 近年来，随着数控加工技术的不断发展，数控车床的主传动系统也呈现出一些新 的发展趋势，如主轴转速的高速化、功能结构的复合化、柔性化。 高速主轴单元为适应数控加工高速化的发展，目前越来越多的高速数控车床采用 了电主轴。电主轴又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件 内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和转矩，实现电动机、主 轴的一体化功能。与传统主传动系统相比，电主轴的主要特点有： (1) 结构紧凑、机械效率高、噪声低、振动小、精度高； (2) 电主轴可在额定转速范围实现无级调速； (3) 可实现精确的主轴定位及轴传动功能； (4) 电主轴更易实现高速化，其动态精度和动态稳定性更好； (5) 主轴运行更平稳，使主轴轴承的寿命得到延长。 高速电主轴所融合的技术主要包括以下几方面。 (1) 高速精密轴承 (2) 润滑技术 (3) 冷却技术 (4) 高速变频驱动 复合化和柔性化 随着数控车床对加工对象适应性的不断提高，数控车床的 设计发生了很大变化，并向着单元柔性化和系统柔性化方向发展。 数控车床的发展已经模糊了粗、精加工的工序概念，车削中心又把车、铣、镗、 钻等工序集中到同一台机床上来完成，完全打破了传统工艺规程规定，由机床单一化 走向多元化、复合化。 由此可见，现代数控车床主传动系统的设计不限于只满足原有的基本要求，还要 综合考虑现代制造对机床的整体要求，如制造控制、过程控制以及物料传输，以缩短 产品的加工时间、周转时间、制造周期，最大限度地提高生产率 4 。 5.2 5.2 主传动系统的设计要求主传动系统的设计要求 现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有 更高的转速和更大的无级调速范围； 在切削加工中能自动变换速度， 机床结构要简单， 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 9 页 共 22 页 噪声要小， 动态性能要好， 可靠性要高。 数控车床作为高度自动化的机电一体化设备， 其主传动系统的设计一般应满足如下基本要求。如图 5.1 所示： 图 5.1 特征设计树 (1) 使用性能要求 首先应满足机床的运动特性，如机床的主轴有足够的转速范 围和转速级数。传动系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 (2) 传递动力要求 主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有 较高的传动效率。 (3) 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变 形特性稳定。 此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装 配；防护性能好；使用寿命长。 主传动系统的传动方式： 传动方案确定后，要进行方案的结构化，确定个零件的实际尺寸和有关布置。为 此，常对传动件的尺寸先进行估算，如传动轴的直径、齿轮模数、离合器、制动器、 带轮的根数和型号等。在这些尺寸的基础上，画出草图，得出初步结构化的有关布置 与尺寸；然后按结构尺寸进行主要零件的验算，如轴的刚度、齿轮的疲劳强度等，必 要时作结构和方案上的修改，重新验算，直到满足要求，最后才能画正式装备图。 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的 变速范围内均匀地、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过 2030 级。 这种传动方式主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速 传动方式。无级变速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到满足加工 要求的最佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用 无级变速传动。 与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速 范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车 床的主传动系统有以下三种传动方式： (1) 由电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 10 页 共 22 页 主轴电动机直接驱动。 (2) 采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用带传动 或齿轮传动。 (3) 采用分挡变速传动 采用分挡变速传动主要是为了解决主轴电动机的功率 特性与机床主轴功率特性的匹配。变速机构一般仍用齿轮副来实现。 5.3 5.3 主传动系统设计主传动系统设计 5.3.1 运动设计 已知条件： (1) 确定转速范围：主轴最小转速 nmin =70r/min 主轴最高转速 nmax =1400r/min. (2) 齿轮换档转速级数:z=6： 5.3.2 结构分析式 623 从电动机到主轴主要为降速传动，若使传动副较多的传动组放在较接近电动机处 可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足传动副前多后少的原 则 5 。在降速传动中，防止齿轮直径过大而使径向尺寸常限制最小传动比 4 1 min i ； 在升速时为防止产生过大的噪音和震动常限制最大转速比 2 max i 。 在主传动链任一传 动组的最大变速范围 ( ) 10 8 min max max = i i R 。在设计时必须保证中间传动轴的变速 范围最小 6 。 5.3.3 确定转速 (1) 选择电动机 一般车床若无特殊要求，多采用 Y 系列封闭式三相异步电动机，根据原则条件选 择功率为 7.5KW 的双速电机，转速为 1440 r/min 和 960 r/min 笼式三相异步电动机。 (2) 分配总降速传动比 总降速传动比 i=n /n =76/1400=0.054 又电动机转速 min / 1440r n d = 不符合转速数列标准，因而增加一定比传动副 7 。 (3) 确定传动轴轴数 传动轴轴数 = 变速组数 + 定比传动副 =3 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 11 页 共 22 页 (4) 确定各级转速并确定转速 由 n=76r/min &1=1.83 &2=1.80 &3=1.35 &4=1.35 &5=2.05 &6=2.03 确定各级 转速： 主电机转速为 1440r/min 时， 主轴转速依次为:1400、 682、 427、 374、 208、 114r/min 主电机转速为 960r/min 时，主轴转速依次为:933、455、285、249、139、 76r/min 在四根轴中，除去电动机轴，其余三轴按传动顺序依次设为、。与、 与。现由（主轴）开始，确定、轴的转速： 先来确定轴的转速 轴转速可能有： n=1440r/min 时 1375、670、367 n=960r/min 时 917、447、245 确定轴的转速 n=1440r/min 时：1037、690r/min 由此也可确定加在电动机与主轴之间的定传动比 71 / 144 710 / 1440 = = i 。 （电动机 转速与主轴最高转速相近） 8 。 (5) 确定各变速组传动副齿数 轴齿轮齿数分别为：42、双联齿轮 61、28。 轴上的齿轮齿数分别为：双联齿轮 65、46、79、57、23。 轴上的齿轮齿数分别为：57、74。 5.4 5.4 动力设计动力设计 5.4.1 确定各轴转速 (1) 确定主轴计算转速：主轴的计算转速为 N=70r/min (2) 各传动轴的计算转速： 轴可从主轴 70r/min 按 74/23 的传动副找上去，轴的计算转速 245r/min；轴的计算转速为 690r/min。 主轴箱共设置四套变速操纵机构。共设有 4 个电磁离合器，不同的离合器的工作 与断开组合可实现 6 种转速，主电机选双速电机，我们设计的机床一共有 12 种转速。 (a) 离合器合上，离合器合上，离合器断开，离合器断开，滑动齿轮 56 处于左位。 （主电机转速 n1440，n=960 大带轮 D=215,小带轮 d158，效率系数 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（论文论文） 第 12 页 共 22 页 0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=56,Z4=57） 9 主电机转速为 1440r/min 时 n 计算=1440158/2150.9842/6557/56=682r/min n 标 =680r/min n 误差 =（682-680）/680= 35% 符合国家转速误差标准 主电机转速为 960r/min 时 n 计算=960158/2150.9842/6557/56=455r/min n 标=460r/min n 误差 =（460-455）/455= 1%5% 符合国家转速误差标准 (b) 离合器合上，离合器合上，离合器断开，离合器断开，滑动齿轮 56 处于右位。 （主电机转速 n1440，n=960,大带轮 D=215,小带轮 d158，效率系数 0.98，Z1=65,Z2=42,Z3=74,Z4=23） 10 主电机转速为 1440r/min 时 n 计算=1440158/2150.9842/6523/74=210r/min n 标=210r/min n 误差 n =（210-208）/210= 1%5% 主电机转速为 960r/min 时 n 计算=960158/2150.9842/6523/74=139r/min n 标=140r/min n 误差 =（140-139）/140= 75% 符合国家转速误差标准 (c) 离合器断开，离合器合上，离合器合上，离合器断开，滑动齿轮 56 处于左位。 （主电机转速 n