Y318滚齿机主传动结构设计【含CAD图纸、说明书】
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江苏大学本科毕业设计 1J I A N G S U U N I V E R S I T Y本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 Y318 滚齿机主传动结构设计The main drive gear machine structure design Y318学院名称： 江苏大学继续教育学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： X X 指导教师姓名： XXX 指导教师职称： XXX 2013 年 4 月江苏大学本科毕业设计 2摘摘 要要本文的课题是滚齿机的数控化中滚刀主轴部件的设计，首先对齿轮加工行业的工艺及制齿设备和需求进行了分析，针对以汽车工业为龙头带动相关齿轮行业的企业由生产型向制造型企业的转变和提升，而对制齿设备在加工精度和加式效率的更高要求，提出了开发数控滚齿机的设想。本文对国内、外数控滚齿机技术的发展进行了跟踪分析，结合国内现行数控滚齿机的发展水平，较为合理、科学地制定了数控滚齿机滚刀主轴的基本性能参数。在主轴电机的选择，主轴关键技术如静刚度，支承件等进行了分析。并设计计算了滚刀主轴主件的配置方案，以及零件的选择。力求更加合理、经济，在对重要部件的结构设计上突出独创和创新点，以最大限度满足重载、高效的切齿条件。最后，总结了本文的设计工作，得出了一些有益的结论。 关键词：关键词：数控 滚齿机 滚刀主轴 电机 重载江苏大学本科毕业设计 3Abstract This article is the subject of the CNC gear hobbing machine hob spindle components in the design, first gear machining technology and manufacturing industry and demand for dental equipment for the analysis, for in order to bring about the automobile industry as the leading industry gear from production-oriented enterprises to changes in manufacturing enterprises and the upgrading of equipment on the system of tooth type in the processing efficiency and processing accuracy higher demands put forward the idea of the development of CNC hobbing machine. In this paper, domestic and foreign technology CNC hobbing a follow-up analysis, combined with the internal level of development of CNC gear hobbing machine, a more reasonable and scientifically formulated hob spindle CNC hobbing the basic performance parameters. The choice of the spindle motor, spindle key technologies such as static stiffness, the bearing parts and so analyzed. And design and calculation of the hob spindle configuration of the main pieces of the program, as well as the choice of components. Seek a more rational, the economy, an important component in the structural design of original and innovative highlight in order to best meet the heavy-duty, high-performance conditions of the tooth. Finally, this article summarizes the design work, to draw some useful conclusions. Keywords: CNC hob hobbing machine the spindle motor overloaded江苏大学本科毕业设计 4目目 录录摘 要.2ABSTRACT.3目 录.41 绪论.61.1 Y318 数控滚齿机开发的背景和问题的提出.61.1.1 齿轮加工方法.61.1.2 齿轮加工用具.61.2 数控滚齿机开发的意义和必要性.71.3 市场需求性.81.4 滚齿机国内外发展现状分析及发展趋势.91.4.1 滚齿机国内发展现状.91.4.2 滚齿机国外研究现状.101.4.3 滚齿机研制技术的发展趋势.111.5 本章小结.112 总体设计.122.1 总体设计要求.122. 数控滚齿机加工原理方案设计.132.2.1 普通滚齿机加工原理.132.2.2 数控滚齿机加工原理.142.3 主要性能参数的确定.142.3.1 主轴最高转速的确定.152.3.2 模数确定.172.4 主传动总体结构设计.192.4.1 主轴箱外形方案初定.192.4.2 主轴箱传动方案初定.20江苏大学本科毕业设计 52.5 本章小结.203 Y318 数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计.213.1 结构方案设计.213.2 主轴设计相关问题分析.233.2.1 主轴回转精度分析.233.1.2 主轴静刚度.243.1.3 主轴组件支承问题分析.263.3 本章小结.334 Y318 数控滚齿机设计计算.344.1 主电机设计计算.344.1.1 电机选型.344.1.2 主电机功率设计计算.344.1.3 主电机与主轴功率特性的匹配设计.394.2 主运动传动组件设计计算.404.2.1 主运动传动系统简图.404.2.2 各轴转速和转矩及功率确定.404.2.3 齿轮的设计及校核.414.2.4 轴的设计及校核.484.3 本章小结.505 结论.51参考文献.52致 谢.53附录：外文翻译.54江苏大学本科毕业设计 61 绪论绪论1.1 Y318 数控滚齿机开发的背景和问题的提出数控滚齿机开发的背景和问题的提出1.1.1 齿轮加工方法齿轮加工方法(1)滚齿机滚齿：可以加工 8 模数以下的斜齿 （2）铣床铣齿：可以加工直齿条 （4）冷打机打齿：可以无屑加工 （5）刨齿机刨齿：可以加工 16 模数大齿轮 （6）精密铸齿：可以大批量加工廉价小齿轮 （7）磨齿机磨齿：可以加工精密母机上的齿轮 （8）压铸机铸齿：多数加工有色金属齿轮 （9）剃齿机：是一种齿轮精加工用的金属切削1.1.2 齿轮加工用具齿轮加工用具滚齿机：滚齿机：特点：（1）适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定 卧式滚齿机参数范围的花健轴 . （2）调整方便，具有自动停车机构 （3）具有可靠的安全装置以及自动润滑滚齿机 (gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。 用滚刀按展成法加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮以及蜗轮的齿轮加工机床。这种机床使用特制的滚刀时也能加工花键和链轮等各种特殊齿形的工件。普通滚齿机的加工精度为 76 级(JB179-83),高精度滚齿机为 43级。最大加工直径达 15 米。江苏大学本科毕业设计 7应应用用范范围围滚齿机广泛应用汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机航天器等各种机械制造业。 齿轮加工机床加工各种圆柱齿轮、锥齿轮其他带齿零件齿部机床。齿轮加工机床品种规格繁多，有加工几毫米直径齿轮小型机床，加工十几米直径齿轮大型机床，还有大量生产用高效机床加工精密齿轮高精度机床。铣铣床床铣铣齿齿：根据齿轮齿数选择齿轮刀具的刀号，一般是在卧铣上加工。以齿轮孔定位（如果是齿轮轴的话，要以齿轮轴的重要轴面定位），在分度头上加紧。径向进刀量等于齿全高，即齿顶圆半径减齿根圆半径。铣好 1 个齿后，分度，再铣相邻的齿，直到加工完所有的齿。自20世纪80年代后期以来，我国机床行业已朝着数控方面深入地发展，特别是进入九十年代后，机床的数控化标志着机床行业进入了一个新的时代。北京国际机床博览会统计数据表明，80年代末第一届北京机床展览的数控机床仅为5%比例，到2003年国际机床博览会上几乎除专用设备外全都为数控机床。作为齿轮加工机床的数控滚齿机。我国自八十时代开发以来，无论从品种的类型上还是功能复合上都得到了长足的发展。特别是近十多年以来，以汽车工业为龙头的相关支柱型产业更是把齿轮加工机床数控化发展推向了一个新的高度。其中尤其对数控高效滚齿机的需求显得十分突出。重庆机床厂作为我国齿机机床生产的骨干企业，在2000年，瞄准这一市场的需求潜力，为填补国内高效，高速、高刚性数控滚齿机床的空白，组织人力物力，在国内汽车行业，军工行业，进行了深入细致的调查，成功开发出了Y318数控滚齿机。1.2 数控滚齿机开发的意义和必要性数控滚齿机开发的意义和必要性随着载重汽车，工程机械，船开发，电梯及军工行业中对齿轮的加工精度、质量和效率的要求不断提高，特别是在这些行业中经常遇见 48 模数的直齿、斜齿、花键、小锥度、鼓形齿轮等的加工问题，开发一档数控高效全新型滚齿机床，更好地满足该行业对齿轮的精度和效率的需求，为我国制齿行业提供坚实的基础设备显得迫切而必要。其意义和必要性主要有如下几个方面：1、加速数控高效滚齿机床向产业化发展目前在国内齿轮行业中，以轻型，标准类型普通数控滚齿机的产品占绝大多数，真正意义上的数控(稳定切削全面达到国标 7 级精度)高效、强力，高刚江苏大学本科毕业设计 8性，能实现一刀切削中等模数的数控高精度滚齿机尚为空白，这档机床的研制成功，无疑会加速数控滚齿机的系列化，标准化、模块化的进一步发展，从而推动数控机床在制齿行业的产业化发展。2、提高企业的市场竞争能力和经济效益率先将独有的数控高效滚齿机的产品推向市场，不仅可以占有更大的市场份额，提高竞争能力，而且在此制造行业中带来巨大的市场利润，给后续的数控高效的发展带动无尽的动力。3、进一步缩小设备与国外的差距目前国内外齿轮加工机床行业目前已朝着高速、高效、高精度、全数控功能复合，柔性，智能化，绿色环保制造网络化方面发展。以德国的利波海尔公司，美国的格里森集团以及日三菱重工本等为代表世界著名的成套齿轮加工机床的制造商，均能生产高档数控滚齿机床，且对直径 150320 规格的数控高效滚齿机床已形成批量化生产，我厂此产品设计开发的成功不仅能缩小与国外滚齿设备技术水平的差距，而且也能打破国内制齿设备无数控高效机床的局面，在一定程度上对外出口创汇，形成国产数控高效制齿机床自主的核心技术。4、体现了我国机床数控化发展的方向现代先进制造技术的朝流是，数控化、信息化、高效和智能化，技术创新的方法是机械技术与高新技术的融合创新。对齿轮别制造技术装备来说，表现为工艺与装置一体化，加工与检测一体化，机械与控制一体化，软件与硬件一体化。需用信息化带动工业化，实现跨越式发展。数控高效机床的发展，不仅关系到我国装备工业经济技术实力的增强，更好满足制齿行业实际的需求，打破国外技术封锁的状态，同时也关系到国家战略的安全，担负着我国机床数控化发展的方向的问题。因而对滚齿行业来说，发展和开发数控高数滚齿设备是当前行业装备的重要而迫切的任务之一。1.3 市场需求性市场需求性国内机械行业对中等模数以上(M4M8)直径小于400m的圆柱齿轮需求量很大，而目前各行业的主要齿轮加设备只相当于国外 20 世纪 6070 年代的水平，江苏大学本科毕业设计 9虽然少数企业也购买了进口机床，但价格昂贵，数量极其有限，且使用的成本较高，难以满足这些行业对产品变化的需求。目前迫切需要性价比高的数控高效滚齿机床，以解决这些行业日益发展的瓶颈问题。据调查，齿轮行业现在有些企业正在实施或计划进行技术改造，资金投入少则3000万元5000万元，多则1亿5亿元，主要用于购置各类齿轮加工专用设备和通用设备。据预测，2010年前，齿轮行业需要添置滚齿机 30003500 台，磨齿机 400500 台，热处理设备 500 台，齿轮测量中心 200 台。此外在 9 万台的齿轮机床中，约有 5 万台服役超过 20 年，已经或将要报废；余下的4万台普通齿轮机床其中一部分也将进行数控化改造。本产品开发成功主要适宜的对象有：1、机车及重型汽车变速箱齿轮加工行业用户2、工程及矿山机械行业中的齿轮加工用户3、船泊工业中的齿轮加工及维修用户4、高级电梯行业中的齿轮和蜗轮加工用户5、国防、军工企业的齿轮加工用户1.4 滚齿机国内外发展现状分析及发展趋势滚齿机国内外发展现状分析及发展趋势1.4.1 滚齿机国内发展现状滚齿机国内发展现状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。我国生产滚齿机的历史始于1953年，经过30年的努力，到80年代初已进入世界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，使得机械江苏大学本科毕业设计 10结构非常复杂，调整维护非常困难，也降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传统机械式滚齿机通过数控改造发展。目前国内齿轮加工机床的最高水平如下：在工作台直线移动方面，采用数控驱动系统代替普通滚齿机的各种交换挂轮，采用交流伺服电机通过多对降速齿轮副和一对滚珠丝杠副来驱动机床的运动部件，在滚刀回转运动方面采用交流伺服电机通过2、3对降速齿轮副来实现。在工作台回转运动方面，绝大多数齿轮加工机床仍然需要采用多对高精度齿轮副和一对高精度蜗轮蜗杆副实现。但由于存在着大量的机械传动元件，对机床的加工精度产生极大的影响，也使得机械结构变得更为复杂，调整维修也极不方便。1.4.2 滚齿机国外研究现状滚齿机国外研究现状国际上生产滚齿机的强国主要是美国、德国和日本，美国的Gleason Pfauter公司德国的Liebherr公司日本的三菱重工公司坚藤清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商。这些公司目前生产的滚齿机均是全数控式滚齿机，中小规格滚齿机都在朝着高速方向发展，所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决了环保问题。国外滚齿机研制的热点是干式切削滚齿机Liebherr Gleason Pfauter。三菱重工、SU、坚藤以及清和均开发了适用于高速干式切削的滚齿机产品。国外制造商由于基础研究厚实积累了大量的经验。它们对滚齿机的研究已经达到比较高的水准，将滚刀轴驱动，工件轴驱动各直线运动轴的驱动控制以及控制软件的开发等因素作为一体来考虑，将多个因素结合在一起进行优化。目前国外滚齿机研制水平如下：为了适应干式切削的需要，床身设计了大角度的斜坡，利于迅速将高温切屑排出机床，同时在床身内部采用循环水冷却以保证热稳定性。尾架采用电机驱动的方式来代替传统的液压方式，不用安装限位装置。刀架和活动支承的轴承采用水冷，可以达到更高的速度和最大的热稳定性。标准的热补偿系统能够根据机床温度的变化自动调整零件的加工尺寸。刀架采用机械方式锁紧，液压方式松开。江苏大学本科毕业设计 11滚刀轴旋转由电主轴直接驱动，工件轴旋转由力矩电机直接驱动，极大提升了加工速度。1.4.3 滚齿机研制技术的发展趋势滚齿机研制技术的发展趋势目前国内外数控高效滚齿机的发展趋势是：高速(滚刀主轴8000r/min以上，工作台转速 800 转/r)，高精度(可滚齿 56 级齿轮)，全数控(六轴五联动以上)，模块系列化(直径 200 规格机型向 120350 双向覆盖)，绿色制造(干式滚切和冷风滚切)，网络化(多台滚齿机联网)。因此，齿轮加工机床制造商正不断地为满齿轮加工行业的新需求，提供高效率、高精度、环保，低成本和高可靠性和稳定性的精良齿轮加工装备方向推进。1.5 本章小结本章小结本章论述了国内外数控机床的发展现状，以及数控滚齿机国内的发展水平，指出开发设计数控滚齿机不仅是齿轮加工行业发展的的一种需求，而且也是数控技术和机电一体化技术相结合的必然产物，是制齿机床行业发展的一个方向，具有广阔的技术发展前景和市场拓展空间。江苏大学本科毕业设计 122 总体设计总体设计2.1 总体设计要求总体设计要求为了使 Y318数控高效滚齿机适合汽车尤其是重型汽车，工程机械，船舶工业等齿轮行业的需要,以满足 48 模数，一刀全齿深切削，稳定达到 GB100952001 的7级精度要求，Y318 数控机床主轴的各项性能指标必须达到下列设计要求：1、滚刀主轴速度范围能适应采用单、双头或多头滚刀进行高速、高效滚齿加工。2、为了达到高速、高效的滚齿要求，滚刀刀杆采用自动夹紧，自动放松，以及快卸螺母锁紧滚刀的刀架结构。3、刀架主轴的轴承结构需采用高刚性，高精度方式，其主轴轴承采用高精度滚动轴承，主运动采用二级齿轮传动，未端应采用消除齿轮副间隙结构的传动，以保证切削刚性。江苏大学本科毕业设计 132. 数控滚齿机加工原理方案设计数控滚齿机加工原理方案设计2.2.1 普通滚齿机加工原理普通滚齿机加工原理滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图普通滚齿机加工原理可用上图表示。根据展成法加工原理，滚刀转一转，工件必须严格地转 K/Z 转。其中 Z 为被加工齿轮的齿数，k 为滚刀的头数。从图 3.1中可以看出，必须保证 B1和 B2之间的严格传动比关系，这条传动链简称滚齿的内链。在图中该内链的传动路线为：B145ix67B2(工件)。而形成直线导线的运动则是滚刀架沿工件轴线方向的垂直进给运动，即：工件78is910刀架升降丝杆刀架。此外滚刀的旋转及调速由主传动链电机12iv34B1提供。因而要进行加工圆柱齿轮所需传动链至少有三个链，即一个展成运动内链，两个执行简单运动的外链。江苏大学本科毕业设计 142.2.2 数控滚齿机加工原理数控滚齿机加工原理数控滚齿机的加工原理图数控滚齿机的加工原理图数控滚齿机的加工原理方案如图所示，其内链 B1 与 B2 传动比关系仍然遵循展成法加工原理，但数控滚齿机严格传动比关系不是通过调整机械传动比来实现，而是通过数控技术的“电子齿轮箱”来严格保证，实现展成运动。“A”、“B1”、“B2”运动分别用单独的伺服电机进行控制，它们之间没有任何机械的联系，而由数控系统进行计算控制来实现滚齿展成加工。2.3 主要性能参数的确定主要性能参数的确定要设计和开发具有高效性能数控滚齿机,必须对数控滚机的主要性能参数进行适当选取和科学的制定，这些参数包括：主轴最高转速、工作台最高转速、加工最大模数、快速进给速度等。合理选择和确定主要性能参数是决定数控高效滚齿机先进的技术水平重要指标，为此，必须对目前滚齿行业齿轮加工工艺进行必要的调研和科学的分析，并加以合理的确定。根据调查，目前国内，以一汽大众，二汽东风神龙，大同齿轮厂，哈尔滨变速箱厂，杭州前进齿轮箱厂为代表的汽车制造厂家，因种种原因在齿轮加工工艺上仍较为落后，通常切齿速度大都在 60m/min 以下，个别企业的仅能达到 7080m/min内，且轴向进给量最大均在 2mm/工作台转左右。难以满足因产品种数多，产品增加的需求，而且滚齿加工的单向精度和综合精度也仅能达到江苏大学本科毕业设计 1578 级(GB1009588精度标准)，随着这些龙头企业产品不断升级，以及载重汽车和客车的需求量不断增加，以直径在 200350mm、模数为 48 的齿轮需求量越来越多，齿轮加工的精度要求稳定在 67 级需求越来越多。且工程能力指数大于 1.33 的要求成为机床验收的重要指标，为此对机床的可靠性也提出更高的要求，国内现有的滚齿机难以达到这一切齿要求。因而设计开发数控高效滚齿机的参数，必须满足这一国内机床新的要求。介于本设计只对主轴部分进行设计,所以只对主轴最高转速进行确定。2.3.1 主轴最高转速的确定主轴最高转速的确定根据滚齿原理，滚刀主轴转速可按下式计算： Dvn1000式中， n滚刀的转速 （r/min） v切削速度 （m/min） D滚刀的外径 (mm)故主轴最高转速为maxnminmaxmax1000Dvn根据前述分析，且结合目前齿轮滚刀湿式加工的最高切削速度范围80120m/min，取。min/120maxmV关于的选取，根据国标 608385 标准齿轮滚刀的基本型式和尺寸minD，以及德国 DIN3968 标准齿轮滚刀的尺寸中（见表），综合实际的加工考虑。我们取。mmD70min将，带入公式得：mmD70minmin/120maxmVmin/6 .5471000minmaxmaxrDvn取滚刀主轴最高转速为安全值。min/500maxrn国标国标 GB.608385 标准齿轮滚刀尺寸参数标准齿轮滚刀尺寸参数江苏大学本科毕业设计 16德国德国 DIN 标准滚刀尺寸参数标准滚刀尺寸参数江苏大学本科毕业设计 172.3.2 模数确定模数确定数控高效滚齿机必须确定它的极限，以便能确定机床的加工能力，此参数的确定和适应的加工范围，为了一刀切齿直径在200500，模数在48mm，稳定达到全面7级精度要求，该机床的最大加工模数可根据数控滚齿机技术条件，以及相应数控滚齿机的精度标准中规定，由对机床的最终工作精度进行重切和精切的切削规范所决定。即精切试坯参数：ddp321mmp321式中：d最大加工直径m最大加工模数试件的分度圆直径1pd试件的加工模数1pm重切试坯的加工模数一般取最大加工模数的 4/5：mmp542由上述分析综合确定，1012模数为此数控机床的最大加工模数，考虑到 m=10以上的模数在重型汽车和重型机械及相关行业的传动箱中已较少见，最大模数取最高线值，还会增加主电机功率以及加大安装最大模数的装齿刀尺寸，因而实际最大加工模数取为10mm。滚齿机各大厂家参数对照表滚齿机各大厂家参数对照表江苏大学本科毕业设计 18续上表续上表江苏大学本科毕业设计 192.4 主传动总体结构设计主传动总体结构设计2.4.1 主轴箱外形方案初定主轴箱外形方案初定与传统普通滚齿机主轴传动不同，数控滚齿机主轴采用主电机独立驱动，在主电机与主轴通过齿轮传动联接，全部装置安装在刀架体上。图为刀架体外形三维图：江苏大学本科毕业设计 202.4.2 主轴箱传动方案初定主轴箱传动方案初定主运动传动由初电机经过两级齿轮传动至主轴，其在刀架体上的安装模式及传动方案可用下图表示： 2.5 本章小结本章小结本章提出了设计数控 Y318 型滚齿机滚刀主轴部件的总体要求，以及进行了普通滚齿机与数控滚齿机加工原理的比较分析，确定了主轴最高转速及工件加工最大直径和模数等重要参数，并对主运动传动方案进行了初步确定。江苏大学本科毕业设计 213 Y318 数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计数控高效滚齿机的设计不仅要求在参数的选择、计算上应科学合理的，更主要的还应合理地设计出各主要部件的结构功能，以最优的机械结构实现各部件的功能。因而作为最重要的主轴主件的设计，必须在结构上有创新的特点，以满足数控高效滚齿机的切齿要求。下面将对Y318数控高效滚齿机的主轴部件设计进行分析说明。3.1 结构方案设计结构方案设计对于滚齿机来讲，刀架部件为滚齿机的关键的部件之一，从滚齿机的出厂检验标准来说(普通或数控滚齿机)共有1216个检验项目，而刀架部件就占了1/3的内容，从滚齿机的工作精度来讲，刀架这个部件对机床的精度的影响很大，直接对加工齿轮的精度第1公差组和第2公差组及齿面粗糙度产生作用。例如：刀架主轴的轴向串动，影响被加齿轮的相邻齿距误差；刀架主轴的径向跳动，影响着被加工齿轮的齿圈径向跳动误差；刀架的主轴高速切齿的振动(刀架整体刚性的强弱)影响着被加工齿轮的表面粗糙度。因而在进行刀架结构设计时，必须充分考虑数控高效滚齿机的切齿特点，以便从结构上最大限度地保证切齿的综合性能要求。江苏大学本科毕业设计 22 1成组轴承成组轴承 2拉杆拉杆 3主轴主轴 4传动轴传动轴 5高精度斜齿轮高精度斜齿轮 6专用旋转油缸专用旋转油缸 7油缸活塞油缸活塞 数控滚齿机利用锥孔为 724的 BT50 标准铣削刀杆接口模式，有利于滚刀杆自动夹紧与放松，缩短了滚齿机辅助调整时间，通常普通滚齿机采用莫氏5号锥度的孔径定心，且为手动的夹紧与放松方式，该锥度的标准的孔位(大端)为 47.75mm，不能为滚刀提供更大的刀杆尺寸。在YKX3140 数控高效滚齿机的刀杆设计中，为了确保刀架整体刚性，最小刀杆直径为40mm，同时为了满足高效强力切齿，对自动夹紧系统的设计夹紧力最低不少于20000N，以充分保证刀杆切齿的刚性要求，而一般自动夹紧刀杆系统通常在15000N左右(普通数控滚齿机或小规格数控滚齿机)。刀杆的自动夹紧与放松过程为：油缸往右前推拉杆压缩碟形弹簧时，由拉杆推动夹爪向前移动并张开，此时为松开刀杆；当油缸往后移动时，拉杆在缩碟形弹簧恢复力作用下带动夹爪向后移动，由夹爪夹住并拉紧刀杆。显然，刀杆的拉紧力为碟形弹簧提供的纯机械拉力，油缸的推力仅起着放松刀杆的作用。刀杆的拉紧力不受油压及电压波动的影响。此种刀江苏大学本科毕业设计 23杆拉紧方式，能更好地适应高效滚齿机的切齿特点。传动系统中充分利用传动链误差分析理论提出的未端元件高精度原理，以提高传动链精度。即在刀架的末端传动元件的大小斜齿轮，其齿轮的精度达到 3 级精度，不但减少传动链的总误差，而且可有效降低高速切制的噪音。在刀架箱体内采用大流量循环润滑的冷却系统，有效地保证了高速、重载的切齿时刀架体的热平衡，从而保证了机床刀架主轴冷态和热态精度的一致性；而普通滚齿机在刀架箱体中，多采用油池润滑方式，切齿时刀架箱体高速旋转传动件产生的热量无法带走，机床的主轴冷态和热态精度变化较大。3.2 主轴设计相关问题分析主轴设计相关问题分析主轴系统是滚齿机的核心，它在很大程度上影响着齿轮的加工精度。主轴部件的精度主要体现在主轴的回转精度和刚度的提高，而回转精度与刚度又决定于主轴的形式及装配形式。数控滚齿机最高加工速度相对于普通数控滚齿机有成倍的提高，达到500转/分，要达到这样高的转速，轴承的合理选择，精度、调整、润滑和轴系的平衡、阻尼特性等都对此有影响。滚刀轴轴系如何在这样的高速下保证精度，在设计的过程中必须对下面几个方面的内容进行研究：3.2.1 主轴回转精度分析主轴回转精度分析1.1.回转精度的定义轴件作回转运动时，线速度为零的点的连线称为轴件的回转中心线，轴件回转中心线相对于某一固定参考系统的空间位置，在理想情况下是不应随时间变化的。但实际上由于轴承的误差，轴件的挠曲和振动等原因，轴件的回转中心线的空间位置在每一瞬时都是变化的，这时瞬时回转中心线空间位置的平均中心线称为理想回转中心线，瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置偏离就是回转轴件的瞬时误差，这些瞬时误差的范围就是轴件回转精度。轴件误差分为三种基本形式：轴向漂移、径向漂移、角向漂移。2.2.影响滚刀轴回转精度的主要因素江苏大学本科毕业设计 241)轴颈的圆度误差，主要引发主轴周期性的径向误差。2)轴承误差，如滚道的圆度，滚动体直径及圆度的不一致性引发径向误差。3)轴承端面对轴颈的垂直度及推力轴承的滚道与滚动体误差引发轴向误差。4)前后轴承的同轴度及其径向跳动大小和方向的不一致会引发摆动误差。5)滚刀轴的不平衡及其支撑刚度的变化会引发径向误差和摆角误差。6)滚刀轴的振动会引发径向误差。3.3.提高零传动滚齿机滚刀轴部件回转精度的措施1)装配时采用定向选配，定向选配的目的是使误差相互抵消，注意拆卸时必须在轴承内圈和主轴轴颈间，轴承外圈与箱体孔间画线为记，重新装配时按记号、装配，才能保证精度。2)装配后精加工，将主轴部件装配好后，以主轴的安装基面和定位基面互为基准进行精磨。3)提高精度要求 选用高精度的轴承，提高轴承配合面比如轴颈和箱体孔的精度要求。4)对轴承适当预紧，减小间隙，保持适当过盈，提高刚度。5)提高抗振性，一般说来，提高抗振性的措施除了提高刚度外，还可以采用增加阻尼，采用弹性传动件，采取隔振措施等方法。对于数控滚齿机滚刀轴来说，为了保证精度，主要采取提高主轴和支撑部件刚性以及装配好后进行动平衡的措施。6)保证正确润滑，为轴承选择正确的润滑方式和润滑材料。3.1.2 主轴静刚度主轴静刚度主轴的静刚度又称主轴刚度，是机床主轴系统的重要性能指标，它反映主轴单元抵抗静态外力的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。主轴单元最重要的静刚度指标是弯曲刚度和轴向刚度。弯曲刚度Kr 的定义是：为使主轴前端产生单位径向位移时所需施加的力Fr，即江苏大学本科毕业设计 25rrFK 主轴单元的轴向刚度Ka，定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需施加的力。一般情况下，弯曲刚度比轴向刚度要重要的多，是衡量主轴单元刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度，它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、金属的物理性能及轴承刚度有关。1.1.静刚度近似估算对滚齿机滚刀主轴轴系进行简化将变截面的主轴，简化为单一等效截面的等效主轴，设其截面抗弯惯性距为I，将前后轴承组简化为前后两个刚度系数为K1、K2的弹簧支承，确定支反力的合理位置。如图所示：主轴本身的弯曲变形引起的轴端位移 ys为（mm）133aLEIFays式中 F静载荷（N）a县伸量（mm）E弹性模量，钢的弹性模量为2.1*(N/)5105mmL支承跨距（mm） 前后支承的支反力为：江苏大学本科毕业设计 26 LaFRA1 LaFRB前后支承的变形为： 1KRAA 2KRBB由于轴承变形引起的主轴轴端位移为：By 121122211LaLaKKKFLaLayBAB主轴轴端总位移 y 为：12113222113LaLaKKKFaLEIFayyyBss2.2.悬伸量和跨距对主轴刚度的影响由式可知，前悬伸越长，伸出端挠度越大，对主轴组件的综合刚度影响越大，应该尽量缩短。在实际设计中，考虑到轴承的安装位置及密封等因素，前悬伸量基本上是没有优化余地的，能够优化的是前后轴承组之间的跨距。由式可求得主轴柔度为1211131222113LaLaKKKaLEIaFyK由式可以看出跨距对主轴刚度的影响不是单向的，将式对跨距L求导并令 dy/dL=0得：01662110130KKKEILaKEIL对式求解就可得到最佳跨距值，实际上，由于实际设计中结构的限制，此最佳跨距值是一个近似的参考值，若实际跨距在此附近，则有可能使主轴刚度达到最大值。若结构设计中实际跨距不能等于L时，则宁大勿小，以较大的实际跨距为宜。因为当实际跨距小于最佳跨距时，综合刚度的降低比跨距大于最江苏大学本科毕业设计 27佳值时要敏感得多。3.1.3 主轴组件支承问题分析主轴组件支承问题分析1.1.主轴轴承的选择数控滚齿机滚刀轴部件加工速度高，其轴承的选用首先必须满足高速运转的要求,并且具有高的回转精度和较低的温升，其次，因为滚齿机承受的是断续冲击的切削力，所以其轴承必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。另外，还必须具有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。滚动轴承的选用，主要看转速、载荷、结构尺寸要求等工作条件。一般来说，线接触轴承、滚柱、滚锥、滚针承载能力大，同时摩擦大，则相应极限转速较低，点接触球轴承则反之，但推力球轴承由于对中性较差，极限转速较低，单个轴承同时承受径向载荷和单双向轴向载荷，其结构简单，尺寸小，但滚动体受力不在最优方向，使极限转速降低。轴系的径向和轴向载荷分别由不同轴承承受，受力状态较好，但结构复杂尺寸大。一般轴系要同时承受径向载荷与双向轴向载荷，需按下列条件选用滚动轴承。1)中高速重载，双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承，若配推力轴承，会使极限转速降低，成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低，空心圆锥滚子轴承的极限转速提高，但成本较高。2)高速轻载，采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用250或者150接触角。3)轴向载荷为主，精度不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度较高时，选用向心推力轴承。综上所述，对于数控滚齿机主轴部件，显然应该以中高速重载的条件来选择滚动轴承，故选用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承。2.2.主轴轴承的配置主轴轴承的配置形式应该根据转速、刚度、承载能力、抗振性和噪声等要求来选择。常见的有以下几种典型的配置形式：速度型、刚度型和刚度速度型。江苏大学本科毕业设计 281)速度型主轴前后轴承都采用具有良好高速性能的角接触球轴承，双联或者三联。当轴向切削分力较大时，选用接触角为250的球轴承；当轴向切削分力较小时，选用接触角为 150的球轴承载。在相同条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。2)刚度型前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和600角接触双列推力球轴承承受轴向载荷，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，这种轴承配置的主轴部件适用于中等转速和切削负载较大要求刚度高的机床。3)速度刚度型前轴承采用三联角接触球轴承，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，前轴承组的配置特点是：外测的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的轴向力，第三个角接触球轴承则通过轴套与外测的两个轴承背靠背配置，使三联角接触球轴承有一个较大的支承跨距以提高承受颠覆力矩的刚度。数控滚齿机加工速度虽然相对于普通数控滚齿机有了很大提高，但绝对速度与加工中心的主轴相比却不能算高速，由于其加工特点，它显然属于刚度型的结构。由于Y318数控滚齿机加工过程中，主轴前端微小的变形都会反映到工件的精度上，因此主轴前端必须具有极高的径向和轴向刚度，因此，前端的双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承都必须施加预紧力以提高刚度。前端必须固定，后端轴承远离加工区域，承受的径向力比较小，主轴在加工过程中，轴承热和转子热都会有一部分传递到主轴上，造成主轴温升变形，因此后端轴承必须浮动，否则主轴中段会产生弯曲变形。综上所述，滚刀主轴采用一端固定一端浮动的结构，靠近加工区域一端固定，远离加工区域一端浮动。这样的结构使的主轴具有高的刚性，同时避免温升变形。3.3.主轴轴承的润滑滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及磨损，防止烧结，延长疲劳寿命，防止异物进入，防锈防腐。江苏大学本科毕业设计 29评定轴承速度性能的是速度参数dn值(单位:mm.r/min)，其中d为轴承的中径，等于轴承内外径的平均值(单位:mm)，n为转速(单位:r/min)，dn值反映了轴承滚动体的公转速度，这也是轴承转速的主要限制因素，代表轴承速度性能的dn值同时表征着相应主轴的转速及线速度特性。我国主轴单元系列型谱将机床主轴单元划分为两大类：高刚度型和高速度型，其对应的dn值及润滑方式见下表：Y318滚齿机滚刀主轴前轴承的dn值为：610*452. 04000*2126100nd按照上表的规定，属于高刚度型，采用脂润滑，脂润滑时要注意不同型号的脂类不能混用，且补充的周期要短于润滑期限，一般情况下为（0.5 0.7）倍润滑期限。4.4.主轴轴承的预紧滚动轴承的预紧又称为预加负荷，是指在安装轴承时采用一定的方法，以消除轴承的游隙，并在滚动体和内外圈接触处产生预变形使工作表面的接触面积增加。对轴承进行预紧的目的有以下几点：1)在正确决定轴的径向方向及轴向方向位置的同时抑制轴的跳动。2)提高轴的刚性。3)防止轴向方向的振动及由于共振而造成的异音。4)抑制滚动体的旋转滑动，公转滑动及自转滑动，以减小离心力和陀螺力矩并且可以抑制磨损。轴承的预紧有两种方法，一种是定位预紧，另一种是定压预紧。定位预紧是对置轴承在轴方向的相对位置，在使用中也不会改变的预紧方法。定压预紧江苏大学本科毕业设计 30是利用螺旋弹簧、碟形弹簧给予轴承适当的预紧力的方法，在使用中轴承的相对位置即使有变化，预紧力也可以大体保持一致。定位预紧与定压预紧相比较，在预紧力相等的情况下，定位预紧有效于增加轴承的刚性。但是，在运转过程中，由于轴与外壳的温度差而造成的轴向延伸率差，内外圈温度差而造成的径向热膨胀差及负荷而造成的变形等影响会使预紧力发生变化。在定压预紧的情况下，由于轴伸缩造成弹簧变形很小，所以几乎可以不考虑预紧力的变化。由此可知，一般定位预紧适合于提高刚性的目的，定压预紧适用于高速旋转需要防止轴向振动的情况。定位预紧与定压预紧方式对刚度的影响定位预紧与定压预紧方式对刚度的影响滚动轴承的预紧量应该根据对刚度和运转条件的要求来决定。较大的预紧量可以提高轴承的刚度，但是过大的预紧量会增大轴承的工作表面面积，增大摩擦系数导致温升增高，润滑条件变坏，轴承的寿命和极限转速降低。因此在预紧量的选择上一定要慎重，选择预紧量的原则是当轴承承受最大工作负荷时，轴承始终保持一定的过盈量而不致于产生间隙。数控滚齿机滚刀主轴前轴承预紧方式方案为：江苏大学本科毕业设计 31主轴前支承预紧方式主轴前支承预紧方式双列圆柱滚子轴承的预紧方法是：首先，取掉外圈，用一个端面平面度和垂直度很高的隔套推其内圈，使其沿主轴1：12锥度段轴向移动，靠内圈的弹性变形将滚子撑开，然后测量各滚子顶点形成的包络圆，在测量的过程中修磨调整片6，直到包络圆的圆度非常高，并且直径要和测量到的外圈滚道直径一致，一般情况下，调整好的圆柱滚子轴承会有23个微米的过盈量。双向推力角接触球轴承的预紧方法是：首先通过密封盖5，双列圆柱滚子轴承的外圈将其外圈轴向固定，然后用螺母推动隔套顶其内圈，使内外圈在轴上的相对位置对置，通过修磨调整片4调整预紧力。4.4.主轴骗码器的选择（一）、滚刀轴控制精度分析滚齿机通过滚刀轴与工件轴的展成运动切出工件齿形在啮合节线上产生的齿距误差为： ZKMECBn21式中 -工件的齿距误差E -滚刀或工件模数nM -滚刀轴旋转误差B -工件轴轴旋转误差C江苏大学本科毕业设计 32 K滚刀头数 Z工件齿数由上式可知工件对工件轴误差是非常敏感的，假设滚刀头数为1，加工的工件齿数为100，则工件轴误差对工件误差的影响程度是滚刀轴误差对工件误差影响程度的100倍，因此，在误差分配的时候，应该尽可能地提高滚刀轴精度以降低对工件轴精度的要求。（二）、滚刀轴编码器选择原则数控滚齿机由主轴电机经两级齿轮传动驱动滚刀轴旋转，选用编码器为角度编码器，角度编码器由测量轮和感应头组成，测量轮上有刻线或者做成齿轮的形状由主轴带动旋转，感应头通过光电感应，将测出的位置信号传入控制系统，系统再把测得的信号按照设定的倍频数细分以获得需要的分辨率。系统所能达到的分辨率跟编码器刻线数或者齿数感应头自带倍频数以及数控系统的细分倍频数有关，其计算公式为： 度DMRNSSC360式中 SC为数控系统的分辨率，S为编码器刻线数或者齿数，N为感应头自带倍频数，DMR为数控系统设定的细分倍频数，目前数控系统最多可以对编码器的检测信号进行2048倍细分。数控系统的分辨率是由主轴的控制精度决定的，根据前面的分析，数控系统对零传动滚齿机滚刀轴的分辨率应该达到0.005o，即脉冲当量应该达到0.005度/脉冲。编码器的刻线数S的选择不是任意的，它跟滚刀轴的转速有很大的关系。当滚刀轴转速比较高时，选择刻线数或者齿数较多的编码器会使感应头来不及响应，造成系统振荡。当滚刀轴转速比较低时，选择刻线数或者齿数较低的编码器会使系统在单位时间内采到的脉冲数过少，造成控制误差较大。另外由于N值是不可调的，一般为4，若S值过小则会造成DMR值过大，造成信号质量下降。因此，必须根据主轴转速，选择合适的编码器。设定合适的系统倍频值，使控制系统的性能达到最优。根据以上分析，最终选择德国海德汉公司的RON886型角度编码器。其装配方案如下图：江苏大学本科毕业设计 33江苏大学本科毕业设计 343.3 本章小结本章小结本章主要对 Y318 数控滚齿机进行结构设计的分析确定。在已做出的装配草图的基础上分析了传动系统中各组件的设计，主要进行了主轴组件的机械性能分析。通过分析解决了数控滚齿机的结构设计相关问题。江苏大学本科毕业设计 354 Y318 数控滚齿机设计计算数控滚齿机设计计算4.1 主电机设计计算主电机设计计算4.1.1 电机选型电机选型笼型异步交流电机和永磁同步交流电机是目前机床电主轴的主力军，异步电机结构简单，转动惯量小，动态响应快，转速高，在变频调速下系统有较硬的机械特性和良好的调速性能。而永磁同步电机结构比较复杂，矢量控制复杂，但是与异步电机相比有下面几个优点：1、由于不是靠切割磁力线感生磁场，因此转子能量损失更少，这就意味着转子发热量少， 使得轴承和主轴的温升较小，热变形较小，有较高的主轴系统刚度。2、在相同的转矩下，需要的冷却能量较少，节省了冷却系统的成本。3、具有更高的功率密度。4、在相同的惯性矩下具有更好的加速性能。滚齿机加工过程中滚刀轴与工件轴之间是精密的同步展成运动，因此对滚刀轴来说不仅要求速度匹配，还要求位置同步，这就需要非常高的响应速度和精度。滚齿机刀架要求结构非常紧凑，主轴电机体积过大容易引起干涉问题。由于同步电机较异步电机具有更高的功能密度，因而在相同功率下体积较小。基于上面的理由，永磁同步内置电机是最好的选择。4.1.2 主电机功率设计计算主电机功率设计计算数控滚齿机最主要功率参数之一就是主电机的功率，如果主电机的功率选择过大，将使机床的结构设计更为困难且机床过于笨重，如果主电机功率选择过小，难以满足高速、高效强力切齿，影响机床的整体性能。4.1.2.1 滚齿机主运动电动机的功率滚齿机主运动电动机的功率江苏大学本科毕业设计 36根据机床设计理论，有 (4.1a)辅空切主PPPP式中： 消耗于切削的功率，又称有效功率（KW）主P 空载功率 （KW）空P 载荷附加功率，指随载荷而增加的机械摩擦损耗功率(KW)辅P4.1.2.2 的计算的计算空P机床主运动空转时，由于传动件的摩擦，搅油，空气阻力等原因，电动机要消耗一部分功率，其值随着传动件转速增大而增加，与传动预紧程度及装配质量有关，中型机床主传动空载功率可按下列实验公式计算。 (4.1b)(95500主平均空CnnKdPi平均主ddCC1 式中：d平均主运动系统中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径(cm) ni除主轴外各轴的转速和(r/min)n主 主轴转速(r/min)k润滑修正系数，k=3050，润滑情况好时取小值d主 主轴前后轴颈的平均值(cm)C1主轴轴承系数4.1.2.3 的计算的计算辅P机床切削时，由于传动件的正压力加大，则摩擦损失将增加，因而 P辅随 P切的变化而变化。 (4.1c)切机切辅PPP式中，.，. 为主传动系统中各传动副的机械效率。 21机12江苏大学本科毕业设计 37将公式(4.1c)代入(4.1a)中得： (4.1d)空机切主PPP式中 机床总机械效率，= 0.750.85(主运动为回转运动)或机机 =0.40.7(主运动为直线运动)。机显然从公式(4.1b)中可以看出，在滚齿机结构尚未确定时，P空的计算有较大的难度和不确定性，因而实际中按照重庆机床厂所总结的经验公式来计算P空。即当主轴转速 n250(r/min)时， (4.1e)5 . 0175. 066. 0)250(056. 0nvnPi空当主轴转速 n250(r/min)时， (4.1f)175. 066. 0056. 0ivnP空 式中， (m/min)znDvii Di分度蜗轮节圆直径 (mm)Z分度蜗轮齿数4.1.2.4 切削功率切削功率的计算的计算切P（KW） (4.1g) 60000vFPz切式中， Fz最大切削力V切削速度由于滚齿机的切削力计算是较为复杂，主切削 Fm与切削的模数，切削速度，垂直进给量，齿轮材料螺旋角，吃刀深度，滚刀头数和齿形修正系数等因素都有关。主切削力计算公式都是经过长期的试验研究总结归纳而得，其中德国普发特公司提出的主切削力经验公式较具有代表性和完整性。 (4.1h)(200035. 0065. 06 . 07 . 028. 0012. 015. 08 . 095. 0maxkgfCzeAivCetSMFwgan江苏大学本科毕业设计 38式中，Mn法向模数 （mm）Sa轴向进给量 (mm/转)T吃刀深度=切削深度100%/2.25法向模数i滚切深度T=t/2.25 M V切削速度 (m/min)I滚刀沟槽数Cw工件材料系数A滚刀系数=滚刀半径/法向模数齿形修正系数Z工件齿数Z0滚刀齿数螺旋角 (度)Cg滚刀头系数滚刀头数系数表滚刀头数系数表另外重庆机床厂总结的滚刀最大力矩公式如下： (4.1i) NMKKKZVTSmM螺硬材37. 026. 081. 065. 075. 1max1 . 9最大切削力 ，取最大静载力DMFmaxmax232maxmaxFF静式中：m法向模数(mm)D滚刀半径S轴向进给量(mm/r)T吃刀深度(mm)江苏大学本科毕业设计 39Z工件齿数K材 工件材料系数，见下表K螺 螺旋角修正系数K硬 工件硬度系数，见下表比较公式(4.1h)与公式(4.1i)可知，公式(4.1h)较完整包括了影响切削滚切力的所有因素，而公式(4.1i)未考虑滚刀头数、刀齿槽数、齿形修正对最大滚切力的影响，仅适用于单刀滚刀的切削力计算。而对于Y318数控高效滚齿机而言，要满足于48个模数的高效强力切削，必须考虑多头滚刀的切削要求，也应该考虑大模数滚齿时刀齿数对包络齿形断续切齿切削力冲击变化大的因素，所以最大滚刀切削力的经验公式选择式(4.1h)更符合此机床的设计计算科学性和合理性。在式 (4.1h) 中，各切削参数可根据数控高效滚齿机重切削规范来确定。按JB/T8340.2 1994数控滚齿机技术条件第8条机床负荷试验的规定，确定此数控高效滚齿机的静载切削规范的条件是：a.重切齿轮参数： 模数 M=10 齿数 Z=20 螺旋角 = 00度 轴向进给量 S=4mm/rp 滚齿转速 N=150r/min 切削速度V=70m/min强切深度 t=20mmb.刀具参数：滚齿外径 D=150mm 滚齿刀头数 z0=1滚刀齿数 I=10 滚齿刀内径 d=50mm将以上参数代入公式(4.1h)及式(4.1f)进行计算得： Fmax=2114 kgf P空 =2.35 kw江苏大学本科毕业设计 40由式(4.1g)算得主切削功率60000vFPz切取 F 切 =0.45 Fmax，得：=10.99 kw60000vFPz切=15.28 kw空机切主PPP 故选择主电机在15kw左右为宜。4.1.3 主电机与主轴功率特性的匹配设计主电机与主轴功率特性的匹配设计本数控高效滚齿机的主电机选用交流变频调速方式，实现主轴的无级变速的切削要求。对于交流变频调速电动机调速范围可达 1：10，其恒定率调速范围可达1：3，甚至可达更高的范围，此数控滚齿机应满足的 1：5 的总调速比要求和恒定率调速范围比1：3要求。在数控高效滚齿机的电动机功率设计选取中，我们还必须考虑电动机的功率与机床主轴加工的要求功率匹配的问题，一般地讲，由于机床主轴要求的恒功率范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围，但如果要在此数控高效滚齿机主轴无级变速范围实现恒功率全变速，这样选择电机的额定转速较低，变频电机势必造成体积较大、功率浪费过大，也会给结构设计带来不便和造成切削的功率富余，因而对于本机床主轴电机额定转速选取，应通过增加传动比使电机的最低转速接近电机的额定转速。1、主轴计算转速(nj)的确定和电机额定转速的选取，主轴计算转速是指传递全功率的最低转速，对滚齿机nj按下式计算： 25. 0minmaxmin)(nnnnj将主轴最高转速 nmax=500r/min 及主轴最低转速 nmin=80r/min代入上式得：nj=126.5 r/min又设 i总电机至主轴的总传动比，恒功率江苏大学本科毕业设计 41调速范围 RnN为： 4maxjnNnnR总电nin 10总i计算得：n电 =1265r/min故电机应适用功率为 15kw，额定功率转速为 1500r/min。综上所述，选兰州电机厂 1PH5 系列电机 137 型号。电机额定功率 15kw，基本速度1500r/min，转速范围为 66300，额定转矩 95Nm。4.2 主运动传动组件设计计算主运动传动组件设计计算4.2.1 主运动传动系统简图主运动传动系统简图由前可知:主轴恒功率功率调速范围 RnN=4，电动机恒功率调速范围为。取=2，由下列公式计算得：2 . 4maxjdNnnRdNR，取 Z=19 . 01fgdNgnNglRlRlZ 计算得，8 . 21i6 . 32i4.2.2 各轴转速和转矩及功率确定各轴转速和转矩及功率确定1、各轴转速计算第轴计算转速: n1 =1500r/min 第轴计算转速: n2 =536r/min 江苏大学本科毕业设计 42第轴计算转速: n3 =149r/min2、各轴功率计算第轴功率: p1 =15*0.97=14.55kw 第轴功率: p2 =14.55*0.93=13.5kw第轴功率: p3 =13.5*0.91=12.2kw3、各轴转矩计算第轴最大扭矩: T1 =9550*14.55/1500=92.6Nm第轴最大扭矩: T2 =9550*13.5/536=240.5Nm第轴最大扭矩: T3 =9550*12.1/149=781.9Nm4.2.3 齿轮的设计及校核齿轮的设计及校核确定齿轮数时，需先初定变速组内齿轮副模数和传动轴直径，以便根据结构尺寸判断其齿轮齿数或齿数和是否合适。主传动齿轮要传递足够动力，齿轮模数一般取，在强度允许的条件下尽可能取较小模数，可方便加工降低噪2m 声，为了便于设计和制造，主传动所用齿轮模数的种类应尽可能少，在同一个变速组内，通常选用相同的模数，这是因为各齿轮副的速度和受力情况相差不大的缘故。齿轮齿数确定的原则和要求齿轮齿数确定的原则是齿轮结构尺寸紧凑，主轴转速误差小。其具体要求是：齿数和不应过大，推荐齿数和100200s :齿数和不应过小，但需以下述限制中选择教大值：其一：受传动性能限制的最小齿数，为了保证最小齿轮不产生根切以及主轴传动具有良好的运动平稳性，对于标准直齿或斜齿圆柱齿轮。一般取最小齿轮数，主轴上齿轮，高速齿轮取。2018minZmin20zmin25z其二：受齿轮结构限制的最小齿数，齿轮（尤其是最小齿轮）应能可靠地安装到轴上或进行套装，特别要注意齿轮的齿槽到孔壁或键槽处的壁厚不能过小，以防齿轮热处理时产生过大的变形或传动中造成断裂现象。其三：受两轴组件结构限制的最小中心距，若齿数和太小，则过小的中心江苏大学本科毕业设计 43距将导致两轴上的轴承或其它元件之间的距离过近或相碰。4.2.3.1一级齿轮设计一级齿轮设计(一一)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1) 选用直齿圆柱齿轮传动 2) 传动系统为机床主轴传动，要求精度等级高，故选用 5 级精度3) 由机械设计10-1 小齿轮材料为 40Cr ，大齿轮材料为 45 钢 4) 选小齿轮齿数为 20，大齿轮齿数 Z=20*2.8=56(1)计算一级齿轮：3122(1)16338 dmjuNmz un其中：公比：2 Z齿数：z=20电动机功率：14.55kwdNdN齿宽系数：取8mm齿轮传动许用应力 -齿轮计算转速，1500rpmjnjn，取600Mpa，安全系数 S=1 limNKSlim由应力循环次数选取0.9NK=0.9*600/S=540Mpa 将以上数据代入式中，得：m1=3.9根据模数标准值，于是一级齿轮的齿轮模数为 4mm，则d1=4*20=80mm d2=4*56=224mmb=8*4=32mm a=(80+224)/2=152mm(2)齿轮结构设计 由于大齿轮直径大于 160mm，小于 500mm，故选用腹板式结构，见图纸。江苏大学本科毕业设计 44(二二)一级齿轮的校核 计算公式bmYYKTSFF12校核一级小齿轮，确定各项参数14.25kw n=1500r/minT=92.6Nm确定动载系数： 6.28m/s600001500*80*1000*60dnv齿轮精度为 5 级，由机械设计查得使用系数 Kv=0.8其中 b=8*4=32mm取齿宽系数1d查表得25. 1AK查机械设计表 10-4 得316. 1HKb/h=3.5，查机械设计得2 . 1FK确定齿间载荷分配系数：Ft=2T/d=2*92.6/80=2315N由直齿轮可得1HFKK确定动载系数： 1.2FFAVKKKKK查机械设计得 80. 2FaY55. 1SY计算弯曲疲劳许用应力由图 10-21 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限540FEMpa由图 10-18 查得，S=1.381. 0FNK46.3363 . 1540*81. 0F2 .7755. 1*80. 246.336SFFYY 故齿轮合适。2 .777 .214*322 . 1*2315bmKFt校核一级大齿轮，确定各项参数江苏大学本科毕业设计 4513.5kw n=536r/minT=240.5Nm确定动载系数： 6.28m/s60000536*224*1000*60dnv齿轮精度为 5 级，由机械设计查得使用系数 Kv=0.8其中 b=8*4=32mm取齿宽系数1d查表得25. 1AK查机械设计表 10-4 得521. 1HKb/h=3.5，查机械设计得41. 1FK确定齿间载荷分配系数：Ft=2T/d=2*240.5/224=2147N由直齿轮可得1HFKK确定动载系数： 1.41FFAVKKKKK查机械设计得 30. 2FaY72. 1SY计算弯曲疲劳许用应力由图 10-21 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限540FEMpa由图 10-18 查得，S=1.383. 0FNK77.3443 . 1540*83. 0F15.8772. 1*30. 277.344SFFYY 故齿轮合适。15.8765.234*322 . 1*2315bmKFt4.2.3.2二级齿轮设计二级齿轮设计(一一)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (1) 选用斜齿圆柱齿轮传动(2) 传动系统为机床主轴传动，要求精度等级高，故选用 3 级精度江苏大学本科毕业设计 46(3) 由机械设计10-1 小齿轮材料为 40Cr ，大齿轮材料为 45 钢(4) 选小齿轮齿数为 20，大齿轮齿数 Z=20*3.6=72(5) 初选螺旋角14(二二)按齿面接触强度计算 3211*HHEdtZZuuKTd(1) 确定公式内的各计算数值1) 试选 Kt=1.5 2) 选，433. 2HZ218 .189aEMPZ aHMP6001limaHMP5502lim 3) 查,则73. 0185. 0258. 121 4) 应力循环次数:91110*17. 4)15*300*8*2(*1*960*6060hjLnN99210*16. 16 . 310*17. 4N5)取接触疲劳寿命系数，90. 01HNK96. 02HNK6)取失效概率为 1%，安全系数 S=1，得接触疲劳许用应力 aHNHMPK54021lim11 aHNHMPK52822lim22则许用接触应力 aHHHMP534221(2) 计算1）试算小齿轮分度圆直径：江苏大学本科毕业设计 47mmZZuuKTdHHEdt8 .1141*3212）计算圆周速度： smndvt/9 . 01000*60113）计算齿宽 b 及模数：tm1 mmdbtd8 .1141 mmzdmtt5 . 5cos111 mmmht375.1225. 214）计算纵向重合度： 36. 2tan318. 01zd5）计算载荷系数 K：查表得：，。25. 1AK25. 0VK15. 1HK03. 1FK9 . 0FHKK故载荷系数： 33. 0HHVAKKKKK6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径： mmKKddttt8 .67311取=80mm。1d7）计算模数： mmzdmt28. 3cos111(三三)按齿根弯曲强度计算江苏大学本科毕业设计 4832121cos2FdSaFanzYYYKTm（1） 确定计算参数1） 计算载荷系数：3 . 0FFVAKKKKK2） 根据纵向重合度，查表得螺旋角影响系数。36. 285. 0Y3） 确定当量齿数： 89.21cos311zzv 81.78cos322zzv4） 查取齿形系数，；，57. 11SaY72. 21FaY77. 12SaY22. 22FaY5） 查得，；aFEMP5001aFEMP3802取弯曲疲劳系数，85. 01FNK88. 02FNK6） 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，则弯曲疲劳许用应力为： aFEFNFMPSK57.303111 aFEFNFMPSK86.2382227） 计算并比较的大小：FSaFaYY 01067. 0111FSaFaYY 01645. 0222FSaFaYY大齿轮数值大。（2） 计算江苏大学本科毕业设计 49 mmzYYYKTmFdSaFan139. 2cos232121对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲强nm度计算的法面模数，取=3，已可满足弯曲强度。但同时为了满足接触疲劳强nm度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径=80mm 来计算就有的齿数。于是由1d8 .25cos11nmdz取=26，则=26*3.6=93.6，取=94。1z2z2z(四四) 几何尺寸计算（1） 计算中心矩 mm5 .185cos2)(21nmzza将中心矩圆整为 186mm。（2）按圆整后的中心矩修正螺旋角 98.132)(arccos21amzzn 因值改变不多，故各参数不必修正。（3） 计算大小齿轮的分度圆直径 mmmzdn38.80cos11mmmzdn6 .290cos22（4） 计算齿轮宽度 mmdbd38.801 圆整后取，。mmb701mmb702（5） 结构设计 由于齿轮直径大于 160mm，小于 500mm，故采用腹板式结构为宜，见图江苏大学本科毕业设计 50纸。4.2.4 轴的设计及校核轴的设计及校核4.2.4.1确定各轴最小直径确定各轴最小直径 第轴最小直径: mmnPAd89.23150055.14112331101第轴最小直径: mmnPAd83.325365 .13112332202主轴最小直径: mmnPAd1 .521492 .12120333303由上述各轴的最小直径以及参考轴承的标准尺寸，可先选用 I 轴的最小直径为 35;II 轴的最小直径为 45；主轴的最小直径为 53。4.2.4.2轴的设计计算轴的设计计算1 1、传动轴设计计算、传动轴设计计算 传动轴一结构传动轴一结构根据装配方案，确定轴从左至右各段直径和长度分别为：12： d=35mm L=78mm23： d=40mm L=23mm34： d=50mm L=90mm45： d=45mm L=87mm56： d=40mm L=50mm 通过上一章的分析，查机械设计手册3选7308B型间列角接触球轴承及7208AC/DB型背对背安装角接触球轴承。传动轴二设计略，见零件图。江苏大学本科毕业设计 512 2、主轴设计计算、主轴设计计算主轴结构图见零件图，此处仅对主轴轴承进行选型设计。通过上一章分析，查金属切削机简明设计选233420B（国外标准）型双向推力角接触球轴承及3182120型双列圆柱滚子轴承作为主轴前支承，3182114型双列圆柱滚子轴承作为后支承。3 3、轴校核、轴校核传动轴校核从略，此处仅校核主轴。主轴的材料为 45 号钢，许用应力为2160/bN mm由前面计算可知，主轴受力 Fmax=2114 kgf ，T=781Nm。取折合系数，则齿宽中点处的当量弯矩：0.6703NM22)( TMMcabcacammNdM/7 .131 . 0123故主轴满足条件。4.3 本章小结本章小结本章主要对滚齿机主轴主件进行了设计计算，通过对电机参数选择，齿轮设计校核，轴设计校核，轴承选用等进行计算，使主运动各组件更明确。江苏大学本科毕业设计 525 结论结论本文针对我国制齿行业的不断发展和需求,从我国现行的滚齿行业数控机床的现状分析入手,提出设计和开发数控滚齿机的必要性和迫切性。本文首先就数控滚齿机所针对的加工范围和现行滚齿行业发展的要求进笔了阐述，提出数控滚齿机床的设计要求和所达到加工精度，并根据现行制齿行业存在难点的加工问题，合理地进行了滚刀主轴部件主要参数的设计计算及选择，以突出该机床加工齿轮的特点。在此基础上完成了滚刀主轴部件的总体方案设计和传动原理及传动系统设计，并对数控滚齿机的加工原理做了详细阐述。主要的动力参数和主要执行元件进行了计算分析，确保滚刀主轴的总体性优良，进一步从基础分析计算中体现了数控滚齿机滚刀主轴的高刚性和高速性。本文还对数控滚齿机滚刀主轴的机械结构设计作了较全面阐述，提出设计数控滚齿机其滚刀主轴部件必须在关键结构和技术具有创新和独到之处，以解决重载高效切削的种种难点问题。从而在设计源头上最大限度地减少薄弱环节。最后本文以对数控滚齿机滚刀主轴部件的密封与润滑进了阐述，采用最优化的密封和润滑方式，使滚刀主轴部件设计更为完善。全新数控高刚性、高效滚齿机的设计和开发在我国正处于起步阶段，数控滚齿机产品的出现，也是随着市场的需求和数控技术发展的必然产物。随着数控滚齿机床的应用进入实质性阶段，更多新的实用设计方法的出现，将全面推进数控滚齿机的发展。江苏大学本科毕业设计 53参考文献参考文献1、戴曙 金属切削机床设计 机械工业出版社 1987 年版2、冯辛安 机械制造装备设计 机械工业出版社 2007 年版3、张俊生 金属切削机床与数控机床 机械工业出版社 1994 年版4、张磊 陈榕林 机床改装技术 机械工业出版社 1992 年版5、周德俭 数控技术 重庆大学出版社 2001 年版6、机床辅具生产图册 机械工业出版社 1990 年7、机床设计图册 上海科学技术出版社 1979 年8、廖念钊等 互换性与技术测量 中国计量出版社 2006 年版9、王先逵 机械制造工艺学 机械工业出版社 2008 年版10、床设计与改造相关文献 重庆理工大学图书馆数字期刊11、范云涨 陈兆年 金属切削机床设计简明手册 机械工业出版社 1993 年12、机械设计手册 机械工业出版社 2004 年版 江苏大学本科毕业设计 54致致 谢谢在四年的大学本科学习过程中，我得到了学校和学院的大力支持和关怀，尤其是汽车学院机械系的全体老师们，让我的四年成长有了质的飞跃。在此论文完成之际，特向汽车学院的各级领导和机械系的各位老师表示衷心的感谢！本论文是在导师教授的悉心指导下才得以完成，导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了更多的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致辞以最衷心的感谢和深深的敬意。此外，与我同组的同学和其它所有曾给予我帮助的同学们，在此感谢你们对我的关心和支持。论文从开始到完成这个过程，其间遇到过许多的问题和疑惑，每次在我愁眉不展之时，老师都会给我最宝贵的指导意见，以及分析和解决问题的方法。在多次与老师的交流后，我学会了用很多系统科学的方法，去分析问题，这对我在今后的学习和工作上是大有帮助的。所以在此再次感谢老师的竭力指导！江苏大学本科毕业设计 55附录：外文翻译附录：外文翻译数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势摘要：摘要：简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入 WTO 和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。1 1 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14。1 11 1 高速、高精加工技术及装备的新趋势高速、高精加工技术及装备的新趋势江苏大学本科毕业设计 56效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从 EMO2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和 1g。在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m，精密级加工中心则从 35m，提高到 11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值已达 6000h 以上，伺服系统的 MTBF 值达到30000h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.21.2 轴联动加工和复合加工机床快速发展轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。江苏大学本科毕业设计 57当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。在 EMO2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次装夹下 5面加工和 5 轴联动加工，可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。1.31.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC、欧共体的 OSACA、日本的 OSEC，中国的 ONC 等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 EMO2001 展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称 CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称 IT 广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的 OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称 OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.41.4 重视新技术标准、规范的建立重视新技术标准、规范的建立江苏大学本科毕业设计 581.4.1 关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。1.4.2 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G，M 代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC 提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC 数控系统还可大大减少加工图纸（约 75）、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50）。目前，欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究，欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的 STEPTools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、FIDIA 以及欧洲 OSACA-NC 数控系统的原型样机上进行了验证。2 2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段：第一阶段从1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开江苏大学本科毕业设计 59发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了 10。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过 4 个 5 年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上，与国外先进水平大约落后 1015 年，在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。江苏大学本科毕业设计 60a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。3 3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.13.1 战略考虑战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.23.2 发展策略发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、江苏大学本科毕业设计 61高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。参考文献：参考文献：1中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001 巡礼J.世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-20.2梁训王宣,周延佑.机床技术发展的新动向J.世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-28.3中国机床工具工业协会数控系统分会.CIMT2001 巡礼J.世界制造技术与装备市场，2001(5)：13-17.4杨学桐，李冬茹，何文立，世纪数控机床技术发展战略研究M.北京：国家机械工业局，2000.江苏大学本科毕业设计 62NC technology development trends1 NC system developments at home and abroad With the rapid development of computer technology, the traditional beginning of a fundamental change manufacturing, the industrial developed countries spent huge sums of money on the modern manufacturing technology research and development, to create a new model. In modern manufacturing systems, CNC technology is the key to technology, which combines microelectronics, computers, information processing, automatic detection, automatic control, such as the integration of advanced, a high-precision, high-efficiency, flexible automation, and other characteristics, the manufacturing industry Flexible automation, integrated, intelligent play the pivotal role. At present, NC technology is undergoing a fundamental change, from a special closed-loop control mode to general-purpose real-time dynamic open all closed-loop control mode. In the integrated on the basis of the CNC systems ultra-thin, ultra-light; on the basis of the intelligent, integrated computers, multimedia, fuzzy control, neural network and other technical disciplines, NC system to achieve high-speed, high-precision, Efficient control, automatic processing can be amended to regulate compensation and the parameters for an online intelligent fault diagnosis and treatment of the network based on the CAD / CAM and CNC systems integration as one machine network, makes the central government centralized control of the group control processing. For a long time, Chinas CNC system for traditional closed architecture, but only as a non-intelligent CNC machine controller. Process variables based on experience in the form of pre-fixed parameters, processing procedures before the actual processing by hand or through CAD / CAM and automatic programming system prepared. CAD / CAM and CNC have no feedback control link, the entire manufacturing process CNC is a closed ring-opening implementing agencies. In a complex and changing environment under the conditions of processing tool in the process of composition, workpiece material, spindle speed, feed rate, tool path, cutting depth, step, allowance and other processing parameters, not at the scene circumstances under external interference and real-time dynamic random factors, not by random amendment feedback control link CAD / CAM settings volume, in turn, affect the work of CNC machining efficiency and product quality. Clearly, the traditional fixed CNC system that controlled mode and closed architecture, limiting the CNC to the development of more intelligent control variables, can no longer meet the increasingly complex manufacturing process, therefore, the CNC technology in the potential for change inevitable. 江苏大学本科毕业设计 632 NC technology development trends 2.1 Performance development direction (1) high-speed high-precision efficient speed, accuracy and efficiency of machinery manufacturing technology is the key performance indicators. As a result of the high-speedCPU chips, RISC chip, as well as multi-CPU control system with high-resolution detector of the absolute exchange digital servo system, taken at the same time improve the machine dynamic and static characteristics of effective measures, the high-speed high-precision machine has been efficient greatly enhanced. (2) Flexible includes two aspects: CNC system itself flexibility, NC system is modular in design, functional coverage, can be cut and strong, and easy to meet the needs of different users; group control system flexibility, with a control system pursuant to the requirements of different production processes, materials flow and information flow automatically dynamically adjusted to maximize their group control system performance. (3) Process of composite and multi-axis to reduce the process time for the main purpose of supporting the composite processing, and are moving towards multi-axis, multi-function control of the direction of series development. NC Machine Tool Technology composite refers to the workpiece in a single machine on a fixture, through an automatic tool change, rotating spindle head or turntable, and other measures to accomplish multiple processes, multi-surface machining compound. Axis CNC technology, Siemens 880-axis control system for up to 24 axes. (4) Real-time Intelligent early for the real-time system is usually relatively simple ideal environment, and its role is to scheduling tasks, to ensure that the task be completed within a specified time limit. And artificial intelligence is used to model the realization of mankinds various intelligent behaviors. To the development of science and technology today, real-time systems and artificial intelligence combined with each other towards artificial intelligence is a real-time response, a more realistic field of development, and also in the real-time system with intelligent behavior, the more complex application development, resulting in the Intelligent real-time control of this new area. NC technology in the field, real-time intelligent control of the research and application of development along several main branches: adaptive control, fuzzy control, neural network control, experts control, learning control, feed-forward control. For example, in CNC programming system with expert systems, fault diagnosis expert system parameters automatically set and tool management and automatic compensation, such as adaptive conditioning systems, in high-speed processing of the integrated motion control ahead of the 江苏大学本科毕业设计 64introduction of budget projections and functional, dynamic Feedforward functions in pressure, temperature, position, velocity, control, fuzzy control, the control of the NC system performance greatly improved, so as to achieve optimal control purposes. 2.2 functional development direction (1) The user interface is graphical user interface with the CNC system of dialogue between the user interface. Since different users interface requirements are different, thus the development of the workload of great user interface, user interface software developed into the most difficult part of. At present INTERNET, virtual reality, visualization in scientific computing and multimedia technologies, such as the user interface has put a higher demand. Graphical user interface greatly facilitates the use of non-professional users, it can be carried out through the window and menu operation, ease of programming and blueprint for rapid programming, three-dimensional dynamic three-dimensional color graphics, graphics, simulation, graphics, dynamic tracking and simulation, and the different directions view and partial display ratio scaling function can be achieved. (2) visualization in scientific computing visualization in scientific computing can be used for efficient data processing and interpretation of data, so that the exchange of information is no longer limited to using the written word and language, and can direct the use of graphics, image, animation, video and other information. Visualization technology and virtual environment technology, to further broaden the application areas, such as a drawing design, virtual prototyping technology, which shorten product design cycles, improving product quality, reduce production cost is of great significance. NC technology in the areas of visualization technology can be used for CAD / CAM, such as automatic programming design parameters automatically set, tool compensation and tool management of dynamic data processing and display, as well as the processing of visual simulation, and other presentations. (3) interpolation, and a variety of methods of compensation interpolation methods such as multiple linear interpolation, circular interpolation, cylindrical interpolation, space elliptical surface interpolation, thread interpolation, polar coordinates interpolation, 2 D +2 helical interpolation , NANO interpolation, interpolation NURBS (non-uniform rational B-spline interpolation), spline interpolation (A, B, C kind), such as polynomial interpolation. A variety of functions such as compensation gap compensation vertical compensation quadrant error compensa
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