数控车床主传动系统毕业论文.doc

XXXX大学学士学位论文 摘要 本文论述了数控车床主传动系统和伺服进给传动系统设计。主传动系统的设计包括 运动 设计、动力计算、主轴箱结构设计。伺服进给系统的设计包括传动设计、X、Z轴伺 服进给系 统结构设计。 本设计参照中型数控车床的一些主要的技术参数，详细论述了主传动系统中主轴最 高和 最低转速的设计，变速范围的确定，电动机功率的估算，电动机的选择，主轴箱转 速图和功 率图的设计，传动轴轴径和齿轮模数的估算，传动轴轴径、齿轮模数和轴承的 验算；伺服进 给系统中传动比的确定，伺服电动机的选择，滚珠丝杠螺母副的选择及伺 服系统的参数设计 和计算。 关键词：数控车床；主传动系统；结构设计 I XXXX大学学士学位论文 Abstract The subject of my research paper is “the Design of Main Transmission and Servo Feed Transmission for CNC Lathe”.The design for main transmission include the design of movement, the caculation of drive, and the design of headstock .Besides, the design for servo feed transmission include the design of transmission and the design of X-axis, Y-axis servo feed system. In my design, I take some main technical parameters of medium CNC lathe for reference. Furthermore, I design the maximum and minimum speed for spindle in the main transmission，the determination of the transmission range, the estimate of motor power, the select of motor, the chart of Speed and power for headstock, the estimate of the size for shaft the estimate for gear modulus, the checking for the shaft，the gear modulus, the determination of the transmission ratio in servo feed transmission, the select of servo motor，the select of ball screw pair, the design of the parameter for servo feed transmission as well as its caculation. Key words: CNC lathe ;Main Drive System ;Structural Design. n XXXX大学学士学位论文 目录 1. it it . 1 l.l课题背景及_ . 1 1.2国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1数控系统的发展趋势 . 2 1.2.2我国数控车床的研究现状及发展趋势 .3 1.3课题研究内容及方法 .5 1.3.1 课题研究内容 .5 1.3.2研究方法 .5 2. 传縣统白勺设计 . 7 2.1主传动系统计要求 . 7 2.2 ,总体设计 .7 2.2.1拟定传动方案 .7 2.3运动设计 . 8 2.3.1主运动参数 . 8 2.3.2主电动机的功率确定及选择 .9 2.3.3转速图的拟定 .9 2.4动力计算 . 11 2.4.1初步确定各齿轮齿数 .11 2.4.2确定各轴计算转速 .11 2.4.3估算各传动轴轴径 .12 2.4.4齿轮模数的估算 .14 2.4.5 V带轮设计计算 .15 2.5机床零件白勺验算 . 18 2.5.1传动轴的验算 .18 2.5.2齿轮的验算 .23 2.5.3滚动轴承的验算 .29 3. 进给系统设 . 计 34 3.1 X轴滚珠丝杠畐ij设计计算.34 3.2 Z轴滚珠丝杠畐ij设计计算 .46 论 .57 M .58 参考文献 . 59 附 录A .61 .65 m XXXX大学学士学位论文 1.绪 论 1.1课题背景及目的 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/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 1 力，直接影响一个企业的的生存和发展。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、自动补偿等多种自律功能，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， 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 1 XXXX大学学士学位论文 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 2 渐扩大。在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床CK20的主传动系统及伺 服进 给系统设计，以提高生产效率和产品质量以及降低工人劳动强度。通过本次设计培 养综合运 用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、 外文文献阅读、 程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。此外，力求完 成课题之余，熟悉国 内外数控技术的发展现状及趋势，增强对如何加快发展我国数控机 床产业的感性认识。 1.2国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 数控系统的发展趋势 自从1951年 计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（和计算机数控 (CNC)两 NC)个阶段的发展。目前，数控系统正处于第六代一基于PC (PCBASED)未来数控系统将呈以下 发展趋势： 1、继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数 控系 统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、 编程、联网 通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 2、向高速化和高精度化发展 3、向智能化方向发展 应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展 数控系统能检测生产过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进 系统 运行状态的目的。 引入专豕系统指导加工 将熟练工人和专家的经验以及加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数 数据 库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 引入故障诊断专家系统 引入动装置智能化数字伺服驱动系统 2 XXXX大学学士学位论文 3 可以通过自动识别负载，从而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行 。1.2.2 我国数控车床的研究现状及发展趋势 1、研究现状 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，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， 国产数控车床 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。 (1)床身 按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有多种布局形式。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。 (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。 3 XXXX大学学士学位论文 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。 (3) 主轴变速系统 经济型数控车床大多数是不能自动变速的，全功能数控车床的主传动系统大多采用 无级 变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直 流或交流 主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带 动主轴旋转。 由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。 (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。 (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 4由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用2、发展趋势 (1)高速、高精密化 。 当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。 另一 方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚 4 XXXX大学学士学位论文 珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面 市，也 5 为机床向高速、精密发展创造了条件。(2) (3) 高可靠性 数控车床设计CAD化、结构设计模块化 采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的 静、动 态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。 这样大大 提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本， 提高市场竞 争能力。 (4) 功能复合化 扩大机床的使用范围、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。 6 (5) 智能化、网络化、柔性化和集成化。 1.3课题研究内容及方法 1.3.1课题研究内容 本课题设计的数控车床的主要参数如下： 工件最大回转直径：0500mm ,最大加工直径：400mm 横向最大行程(X轴）:180mm,纵向最大行程(Z轴）:650mm 最大 车削长度：500mm ;X, Z轴的最小设定单位为：0.00lm.m. 主轴最大/最小转速：Z) = 100D 4000/45r/min 快速进给速度:纵向：15m/ min，横向：8m / min 1.3.2研究方法 第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：普通数控车床最基本的要求是精度达 标， 稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。 第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。 第三步，初步确定总体设计方案： 1、软件方面 综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功 5 XXXX大学学士学位论文 能是否与CK20的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。选择了 SINUMERIK 802D机床微 机控制系统。 2、硬件方面 (1) (2) (3) 根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布 局； 选择主电机。根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型号； 设计主传动系统及箱体。由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及 传 动方式。 6 XXXX大学学士学位论文 2.主 传 动 系 统 的 设 计 2.1主传动系统的设计要求 数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求： 1、具有更大的调速范围，并实现无级调速； 2、具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低； 3、具有良好的抗振性和热稳定性。 2.2总体设计 2.2.1拟定传动方案 数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端 面时， 需要切削直径的变化，主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些 自动变速又 是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于 提高加工精度， 又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数 控机床一般采用由直 流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的 主运动的调速范围较大， 单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机 的功率扭矩特性也难于直接与 机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变 速系统常常在无级变速电机之后串 联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和 转矩特性。 有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。 液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联 滑移 齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位 移动。液 压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴 停车后才能进 行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信 号转换成电磁阀的 机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的 中间环节，带来了更多 的不可靠因素。 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作元件。电磁离合器用 7 XXXX大学学士学位论文 于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的 离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。 2.3运动设计 2.3.1 主运动参数 预设计中型数控车床能加工的最大直径D=400mm。 1. 最低和最高转速的确定 1000 vmax 1000 vmin n = - n .=- max I min (2.1) 7 7ia 7ia m in m ax 式中n mm一主轴的最高转速，主轴的最低转速； vmax, Vmin最高切削速度，最低切削速度； d milx , d mm 最大经济加工直径，最小经济加工直径； d = KD d = R jd max min d max 式中D 机床能加工的最大直径； K系数； Rd计算直径范围 根据对现有同类机床使用情况的调查确定，卧式车床足= 0.5，通常& =0.20.25， =0.2MR d 。 经济加工直径 2. dmax = KD = 0.5 x 400 = 200mm ； dmin = H = 0.2x200 = 40mm ； (2.2) 根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，参考切 削用量资料，可取vmax = 200m/min，用高速钢刀具，精车合金钢材料的梯形螺纹时主 轴转速较低，取vmin =1.5w/min。 1000vmax 1000x200 ,. = - = - = 1591.6r/min d mm 疋 x40 在0400mm卧式车床上加工丝杆最大直径在040050mm左右，则 XXXX大学学士学位论文 因考虑技术发展的储备，最后确定max = 1800 r/min , min = lOr/min。 2.3.2 主电动机的功率确定及选择 在不考虑空载功率和辅助功率的情况下， & w 60000 P P 尸主=j 床 计算切削力 yFc v Fc k Fc Fc = C P aJj 主切削力 J CP 如F =C f /；背向力 P yFf nFf F f =C Ff a；f v k Pf 进给力 (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) 当用硬质合金刀具在结构钢及铸钢上进行外圆纵车，横车及镗孔应用最多，所以公 式中 的系数及指数为 = 1433 X CF X = 572 P X = 561 F C = F p F f 1.0 ：= 0.9 = 1.0 yp c = 0.75 = 0.6 = 0.5 yF f H F C = ：-0.15 = -0.3 n F p = -0.4 n F f 如用YT15硬质合金车刀外圆纵车 =0.637GPa的结构钢，车刀几何参数为： K r = 45, y 0 = 10 , A s =0 ,切削用量=6騰2, / = 0.5mm/r , v = lmls。将系 数和指数代入，得： Fc = C F aJ f Fc v Fc k Fc = (l433x610 x 0.5。75 x 1.7015 xl)v = 4721.37V F p =C Fp a xpFp f Fp v nFp k Fp =(572x6。9 x0_5。5 xl_7-。3 xl)iV = 1614.37V F f = C Ff a pFf f F/ v Ff k F/ 10 则切削功率尺为 05 XN = 25.0N （2.7) 由于数控车床的主运动为回转运动，所以7床=0.70.85，取;7床=0.8。 则主电动机的功率为尸 =4 = H = 0.8 床 即：选择尸= 的电动机。 2.3.3 转速图的拟定 10左1 经计算机床的转速范围在10r/min 1800r/min。选择的主电动机的最高转速为 6000r/min ,额定转速为1500 r/min，电动机的额定功率尸=1 。则确定主轴箱结构。 1.确定主轴的变速范围圪 9 XXXX大学学士学位论文 282. 确定主轴的计算转速 n c = n min R3 = 10 x 180 0 3 = 47.5r/niiii 由于主轴的最大和最小转速相差很大，所以圆整取100 r/min 3. 确定主轴的恒功率变速范围 u 18 100 p 4.确定电动机所能够提供的恒功率变速范围i? dp (2.9) (2.10) (2.11) 由于电动机直接驱动主轴不能满足变速要求，因此要串联一个有级变速箱， 以达到主轴的调速范围。 5.确定转速级数Z 取=3仏，则 212) 为了恒线速切削需在运动中变速，取Z = 4。 6.拟定转速图和功率特性图如图2.1所示 6000 r/min 1800 1500 15 0 94 24 图2. 1转速图和功率图 10 1200 2 0 0 0 0 5 0 0 4 6 3 4 150 100 45 30 15 10 XXXX大学学士学位论文 2.4动力计算 2.4.1初步确定各齿轮齿数 根据转速图确定的传动比可初步确定各轴的齿轮如下: 1. 取 I轴对II轴的齿轮齿数1 v Ml =0_4 z=15 根据式求得且Zl 求。 + z； = 105 120，所以满足要 2. II轴对III轴的齿轮齿数 取 Zmin = Z2 =35 . u 2 = 0.5 根据式求得4=70 且2 2 +4=105 120，所以满足要求。 3. III轴对IV轴的齿轮齿数 取 Zmin = Z3 =42 u 3 = 0.67 根据式求得4 = 6 3 且2 3 +4 =105 120，所以满足要求。 4. IV轴对V轴的齿轮齿数 取 Zmm=Z:=53 . u 4 = 0.8 根据式求得4 = 6 7 且2 4 + =120 120，所以满足要求。 取 Zmin=55 =1.2 根据式求得4 = 6 5 J.z 5 +z； =120 120 ,所以满足要求。 II轴对IV轴的齿轮齿数 取 Zmm=Z=35 u = 根据式求得z = 35 且z + z = 70 kA4 n, 圆整后取= 46 mm 4. IV 轴： 由于IV轴为花键轴，所以取足= 0.93 1A = n A = 125 r/min 圆整后取d 4 = 50 mm 5. V轴： = 40.67mm V 187.5 4 = 0.87 x 0.99 x0.99 =0.81 V轴为主轴， 取/) 1 =95。则后轴径Z) 2为： 根据电动机的额定功率尸=1认fF，A应在9CT120 之间， 13 XXXX大学学士学位论文 D 2 = (0.7 0.85)0 = (0.7 0_85)x 95 = 66.5 80_75顯 圆 整后取= 76mm 2.4.4齿轮模数的估算 初步计算齿轮模数时，按简化的接触疲劳强度公式进行。一般同一变速组中的齿轮 取同 一模数，选择负荷最重的小齿轮进行计算。从等强度的观点出发，可减小其它齿轮 的宽度， 使齿轮基本上处于在相近的接触应力或弯曲应力状态下工作。这样一来，还可 以缩短该传动 组的轴向尺寸。模数的估算公式如下： m =163003 T 七士 7 pmZ2uPifnJ 式中nij按接触疲劳强度估算的齿轮模数(mm)，应圆整为标准值； P电动机额定功率k W)； rij - 被估算齿轮的计算转速(r/ min )； (2.14) u - 大齿轮与小齿轮齿数之比，u 1，外哨合为“ + ”号 ， 内 哨 合 为 号 ； Z- 小齿轮齿数； (j) m - 齿宽系数，么=5/w = 610，B为齿宽，m为模数； CT j许用接触应力MP a)。查表3 表2.3许用接触应力CTj 齿轮材料 机械性能 接触应力 材料 热处理 强度限 屈服限 硬度 j a b MP a ) y s M