数控车床主传动系统三维建模学士学位毕业论文.docx

沈阳理工大学学士学位论文摘 要数控机床不仅能够车外圆，还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，数控车床在生产中使用最广。主轴箱为数控车床的主要传动系统 ，它包括电动机、传动系统和主轴部件。数控机床与普通车床比较，相对来说简单一些，只有两级或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无极调速的范围，以满足一定恒功率和转速的问题。本文首先介绍了我国数控车床发展的过程与现状，并分析了其存在的问题，对数控车床的发展趋势进行了探讨；其次通过给定的技术参数来拟定转速图、传动系统图、设计带轮直径和齿轮齿数； 继而确定主轴及各传动件的计算转速， 据此初定传动轴直径、齿轮模数，确定传动带型号及根数；之后对机床主要传动件、零件进行压力、变形和寿命的验算，并修改结构设计；最后用三维建模软件将主传动方案“结构化”，完成主轴箱的三维模型。通过本次设计，使数控车床机构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密，有利于改善数控车床的性能，使得产品的加工更加高效。关键词：数控车床；主传动系统；三维建模abstractnc machine tool can not only processing cylindrical, also can be used for boring, surfacing, drilling and reaming. compared with other types of machine tools,the most widely used in the numerical control lathe in a production.spindle box cnc lathe is the main drive system,and it includes motor, transmission system and the main shaft parts.compared with ordinary lathe, numerical control machine is relatively simple, only includes two levels or third gear system, it is mainly used to expand the scope of the infinitely adjustable-speed motor in order to satisfy a certain constant power and speed.this paper introduces the process and current situation of the development of numerical control lathe in our country firstly, and analyzes its existing problems, and probes into the development trend of numerical control lathe; followed by the given parameters to draw up speed diagram, drive system diagram, and to design belt wheel diameter and the gear teeth; then to determine the main shaft and the transmission of the computing speed. according to calculation speed to determine the shaft diameter, module of gear, the belt type and root number; and then check the main driving medium of the machine tool about stress, deformation and life, and modify the structure design finally use the three-dimensional modeling software to make main drive plan structured, then complete the 3d model of the spindle box.through the design, numerical control lathe institutions become more compact, more superior performance, more sophisticated production and processing, which is beneficial to improve the performance of the numerical control lathe, make the product processing more efficient.keywords：numerical control lathe；main drive system；three-dimensional modeling2目 录1 引言11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 床身21.2.2 导轨31.2.3 主传动系统31.2.4 刀架系统41.2.5 进给传动系统41.3 国内外数控车床主传动系统的发展41.3.1 数控车床发展总趋势41.3.2 中国发展数控车床存在的主要问题51.4 课题研究方案61.4.1 课题研究内容61.4.2 研究方法72 传动系统的设计82.1 拟定转速图和功率特性图82.1.1 转速参数计算82.1.2 绘制转速图和功率特性图92.2 确定齿轮齿数102.2.1 确定齿轮齿数应注意的问题102.2.2 确定齿轮齿数112.3 绘制传动系统图122.4 主轴及各传动轴计算转速的确定132.5 估算各传动轴的轴径132.5.1 i轴的轴径的估算142.5.2 ii轴的轴径的估算142.5.3 iii轴的轴径的估算142.6 估算齿轮模数143 皮带轮的设计163.1 主要失效形式163.2 设计计算164 机床零件的验算204.1 i轴的验算204.1.1 传动件的受力分析214.1.2 计算轴的当量直径224.1.3 计算挠度224.1.4 计算偏转角244.2 齿轮的验算264.3 滚动轴承的验算295 主要零件的ug建模325.1 齿轮的ug建模实例335.2 主轴箱的建模355.3 其他部件展示375.4 ug装配及爆炸图405.4.1 各轴的装配图405.4.2 主轴箱装配图及爆炸图42总 结43致 谢44参 考 文 献45附 录 a46附 录 b531 引言数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制，是一种可编程的通用加工设备，能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，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘、套类零件。与通用机床和专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。数控车床的主传动系统包括主轴电机、传动系统与主轴组件，与普通机床相比，变速功能绝大部分由主轴电机的无级调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速机构，结构简单，有些只有两极或三级齿轮变速机构系统用以扩大电机无级调速的范围。1.1 课题背景和意义我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中，役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动和半自动机床不到20，fmc/fms等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。（2）可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（5） 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等自律功能，可实现长时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行fmc（柔性制造单元）、fms（柔性制造系统）以及cims（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。本设计是以数控车床为研究目标，从其主轴箱及主传动系统结构入手，对其系统结构设计、组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析的几个方面进行研究，为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据。通过本次研究，使数控机床结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密。1.2 国内外研究现状我国数控机床从20世纪70年代初后进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控机床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。但是在这些数控机床中，大都处于单机运行状态，并且相当一部分处于效率不高，加工不精密的状态。本项目的研究，有利于改善数控机床的性能，使得产品的加工更加高效，更加精密。1.2.1 床身按照床身导轨面与水平面的相对位置，一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。平床身工艺性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：容易实现机电一体化；机床外形整齐、美观，占地面积小；容易设置封闭式防护装置；容易排屑和安装自动排屑器；从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；宜人性好，便于操作；便于安装机械手，实现单机自动化。1.2.2 导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。1.2.3 主传动系统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范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床得主传动系统通常采用无级变速。与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。（1）动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点 是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。（2）用定比传动 主轴电动机经定比传动给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有2-4，而恒转矩范围则达100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。（3）用分档变速方式 采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。1.2.4 刀架系统按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。1.2.5 进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用。1.3 国内外数控车床主传动系统的发展1.3.1 数控车床发展总趋势近年来，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。（1）高速主轴单元 为了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，就是将高速的主轴电动机置于主轴内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作转速和转矩，实现电动机、主轴的一体化功能；取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题；可精确实现主轴的定位和轴的传动功能。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上，它融合了尖端的高速精密轴承、润滑技术、冷却技术、高速变频驱动技术，是技术含量很高的机电一体化产品。（2）功能复合化、柔性化 随着数控车床对加工对象的适应性的不断提高，数控车床（特别适合主传动系统）的设计发生了很大变化，并向着功能复合化和系统柔性化的方向发展。功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大车床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的cx25y数控车铣复合中心，该机床同时具有x、z轴以及c轴和y轴。通过c轴和y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。数控车床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(fmc、fms、ftl、fml)向面(工段车间独立制造岛、fa)、体(cims、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。cnc单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与cad、cam、capp及mts等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。由此可见，现代数控车床主传动系统设计不仅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送，以缩短产品的加工时间、周转时间、制造时间，以最大限度的提高生产率。1.3.2 中国发展数控车床存在的主要问题中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控车床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。中国今后要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。建议切实做好以下几点：中国厂多人众，极需正确的方针、政策对数控车床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验，政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上，深入用户，精通工艺，低中高档并举，学习日本，首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。在步骤措施上，必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础，建立信誉，扩大国产数控车床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场；必须狠抓根本，坚持“以人为本”，加速提高人员素质、培养各种专家人才，从根本上改变目前低效、落后的状态。人是一切事业成败的根本，层层都要重视“培才、选才、用才”，建立学习型企业，树立企业文化，加速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专家、顾问等，尽力提高数控。随着世界科技进步和机床工业的发展，数控车床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。1.4 课题研究方案1.4.1 课题研究内容本设计的数控车床的主要参数如下：机床的转速范围：35r/min2870r/min；电动机的最高转速：6000r/min；电动机的额定转速：1500r/min； 电动机的额定功率：p=11kw。1.4.2 研究方法本设计首先须对数控机床整体结构及性能进行了解。然后通过数据分析，设计出数控机床主轴箱、传动系统及变速系统等个单元部件的布置结构,并进行校核计算，方案如下：（1） 设定数控机床主轴箱的整体尺寸。（2） 通过给定的技术参数来初步设定主分轴、齿轮等的结构尺寸。（3） 对传动系统进行理论力学分析，精确计算选定尺寸及材料。（4） 有电机转速传动至进给系统的参数反馈，校核所选定主轴和转动轴尺寸的合理性。（5） 完成整体结构设计，完成主轴箱的三维模型，并输出装配图及完成零件图的绘制。2 传动系统的设计2.1 拟定转速图和功率特性图机床的转速范围在35r/min2870r/min，电动机的最高转速为6000r/min，电动机的额定转速为1500r/min，电动机的额定功率p=11kw。2.1.1 转速参数计算主轴的最高转速与最低转速之比值，称为变速范围，用rn表示，即 rn=nmaxnmin (2.1) 式中 nmax、nmin主轴的最高转速与最低转速（r/min）对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴的计算转速可由下式求出： nc=nminrn0.3 (2.2)对于主传动采用无级变速系统的机床，主轴的恒功率调速范围可由下式求出： rnp=nmaxnc (2.3)对于主传动采用无级变速系统的机床，电动机恒功率调速范围可由下式求出： rdp=nmaxnd (2.4)式中 nd电动机的额定转速（r/min）。在设计分级变速箱时，考虑机床结构复杂程度，运转平稳性的要求，变速箱公比的选取有以下情况：取变速箱的公比 f等于电动机的恒功率调速范围rdp。即f=rdp，变速箱的变速级数z可由下式算出： z= lgrnp-lgrdplgf+1 (2.5)式中 z机械分级变速箱的变速级数； f机械分级变速箱的公比。若级数z取小些，则用下式计算出公比： f=z-1rnprdp (2.6)（1）确定主轴的变速范围rn，由（2.1）得：rn=nmaxnmin= 82（2）确定主轴的计算转速rc，由（2.2）得： nc=nminrn0.3=35820.3= 127.28r/min由于数控车床主轴的变速范围大，计算转速应比计算值略高，所以元整取计算转速nc=130 r/min。（3）确定主轴的恒功率变速范围rnp，由（2.3）得 rnp=nmaxnc= 19.13（4）确定电动机能够提供恒功率变速范围rdp，由（2.4）得 rdp=nmaxnd = = 4由于rnprdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个分级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定变速级数z取f= 1.78，由(2.5)得： z=lgrnp-lgrdplgf+1=lg19.13-lg4lg1.78= 2.71对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削要求，应使转速有一些重复，故取z=4。（6）确定公比f由(2.6)得： f=z-1rnprdp= 319.134= 1.6815取标准值f= 1.782.1.2 绘制转速图和功率特性图 由于变速级数z=4，取其结构式为4 = 2122，再根据公比f=1.78绘制转速图和功率特性图如图2.1所示，其中，阴影部分为转速重复部分。图2.1 转速图和主轴功率特性图a）主运动转速图 b）主轴功率特性图2.2 确定齿轮齿数2.2.1 确定齿轮齿数应注意的问题齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的机构庞大；同时，增加齿数和，还会提高齿轮的线速度而加大噪音。一般推荐齿数和 100120。齿轮的齿数和不应过小，应考虑： a最小齿轮不产生根切现象，对于标准值齿圆柱齿轮，一般取最小齿数1820。b受结构限制的个齿轮（尤其是最小齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮齿槽到孔壁或键槽的厚度a2m (m为模数)，以保证有足够的强度，避免出现变形或断裂现象。c两轴间最小中心距应取得适宜。若齿数和太小，则中心距过小，将导致两轴上的轴承及其他结构之间的距离过近或相碰。确定齿轮齿数时，应符合转速图上传动比