1、沈阳理工大学学士学位论文摘要数控车床的主传动系统设计及其三维建模，用于数控车床的优化，在机床工业中起到显著作用。实现机床主轴与交流变频电机的恒功率匹配，以满足机床加工的需要，通过实际情况对车床部分参数拟定，根据机床类型，规格及其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合世界条件和情况，与同类机床对比分析确定：极限转速，公比，级数，主传动电机功率。从而完成车床主传动系统的设计，设计皮带轮和各传动轴、轴承，并且进行轴的刚度强速校核，根据拟定的参数通过结构网和转速图的分析，确定转动结构方案和转动系统图，计算各转动副的传动比及齿轮的齿数，并验算主轴的转速误差。用 UG NX8.0 软件给传动系统三维建模。关
2、键词：数控车床 主传动系统设计 传动方式 建模 沈阳理工大学学士学位论文AbstractDesign of main drive system for numerical control lathe and its 3D modeling The optimization of numerical control lathe plays a significant role in machine tool industry.Realization of machine tool spindle and the AC frequency conversion motor constant pow
3、er matching, to meet the needs of machining, through the actual situation of lathe part parameters worked out, According to the type of machine, specifications and other characteristics, understand the typical process of cutting, according to the terms and conditions, compared with the similar machi
4、ne analysis: the speed limit, the ratio and the series, the main drive motor power is determined， thus completing the design of the lathe main transmission system, design the belt pulley and the transmission shaft, bearing and shaft rigidity of speed check, According to the proposed parameters throu
5、gh the analysis of the structure of network and the speed chart, determine the rotational structure scheme and rotation system diagram calculated rotation of the side transmission gear ratio and the number of teeth, and check the spindle speed error using UG nx8 software to drive 3D modeling of the
6、system.Key words: CNC lathe master drive system design transmission mode modeling沈阳理工大学学士学位论文数控车床传动机构设计姓 名： 张梓东 学 号： 1301015139 专 业： 机械制造及自动化 班 级： 11 级机械制造及自动化 指导教师： 徐丽 沈阳理工大学学士学位论文目 录摘 要 . 目 录 . 第一章 绪论 . 11.1 数控车床主传动系统的要求 . 11.2 数控车床主传动系统方式 . 11.3 国内外数控车床主传动系统的发展 . 21.3.1 设数控车床发展总趋势. 21.3.2 确中国数控车床
7、发展的主要问题 . . 4第二章 变速主传动系统法案的制定 . 62.1 主 传 动 技 术 指 标 的 制 定 . 72.1.1 动力参数的确定计的数. 72.1.2 主运动调速范围的确定. 82.1.3 主轴计算转速的确定. 92.2 变 速 主 传 动 系 统 的 设 计 . 102.2.1 确定传动方案. 102.2.2 转速图的拟定. 112.2.3 拟定传动变速系统图. 12第三章 传动系统零部件设计 . 153.1 传 动 皮 带 的 设 计 与 选 定 . 153.1.1 V 带传动设计. 153.1.2 带结构的设计. 163.2 齿 轮 的 设 计 与 校 核 . 173.
8、2.1 各传动轴传递动力计算.173.2.2 齿轮副 32/76 齿轮的设计与校核. 193.2.3 齿轮副 30/54 齿轮的设计与校核.23沈阳理工大学学士学位论文3.2.4 齿轮副 54/54 齿轮的设计与校核.263.3 传 动 轴 的 设 计 与 校 核 . 303.3.1 传动轴 I 的设计与校核. 303.3.2 轴 II 的设计与校核. 33第四章 主轴组件的设计与校核 . 354.1 主 轴 的 要 求 . 354.2 主 轴 轴 承 选 择 . 364.3 主 轴 的 设 计 与 校 核 . 36第五章 主轴驱动与控制 . 395.1 主 轴 转 速 的 自 动 变 换 .
9、 395.2 齿 轮 有 级 变 速 变 挡 装 置 . 405.3 主 轴 旋 转 与 轴 向 进 给 的 同 步 控 制 . 405.3 主 轴 旋 转 与 径 向 进 给 的 同 步 控 制 . 40第六章总结与展望 . 41沈阳理工大学学士学位论文1 绪论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
10、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 数控车床主传动系统的要求数控机床作为高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以下基本要求。使用性能要求高 首先应满足机床的运动特性。如机床主轴有足够的转速范围和转速级数，不仅有低速大转矩功能而且还要有较高的转速。传动系统设计合理，操作方便灵
11、活、迅速、安全可靠。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速，具有较高的传递效率。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，才能保证加工零件有较高的质量。电动机、主轴及传动部件都是热源，低温升、小变形是对主轴传动系统的重要指标；主轴要较高的旋转精度与运动精度；主轴轴颈尺寸、轴承类型及装配方式，轴承预紧量大小、主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响；主轴组件必须有足够的耐磨性，使之保持良好的精度；轴承处还要有良好的润滑。此外，还要求主创动系统结构简单，便于调整与维修；工艺性好，便于加工与装配；防护
12、性好；使用寿命长。沈阳理工大学学士学位论文1.2 数控车床主传动系统的方式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。电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱
13、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。采用定比传动 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
14、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。采用分档变速方式 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。用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴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沈阳理工大学学士学位论文一些新的发展趋势，如主轴
15、转速的高速化、功能结构的复合化、柔性化。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，轴传动功能。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
16、的机电一体化产品。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，
17、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
18、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，沈阳理工大学学士学位论文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。中国数控机床现状及发展中的主要问题 1.3.2 中国发展数控车床存在的主要问题 中国 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
19、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
20、世界先进技术的差距；通过利用国外先进部件、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
21、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，必沈阳理工大学学士学位论文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
22、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
23、的现实要求。1.4 选题的意义机床设计是在技术基础课及专业基础课的基础上，结合机床主传动部件（主轴变速箱）设计计算进行集合训练对机床主轴箱的设计符合我国国情，适合我国经济水平，教育水平，生产水平，是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔市场，该设计既有机床结构方面内容，又有利于将大学所学知识综合运用，并通过该设计知识得到拓展，增强实践能力对数控机床有更进一步的了解。1.5 设计方案1 拟定参数根据机床类型，规格及其他特点，了解典型工艺的切削用量，结合世界条件和情况，与同类机床对比分析确定：极限转速，公比，级数，主传动电机功率。2 传动设计根据拟定的参数通过结构网和转速图的分析，确定转动结构方案和转动系统图，计算各转动副的传动比及齿轮的齿数，并验算主轴的转速误差。3 动力计算和结构草图设计估算齿轮模数，直径，选择和计算反向离合器，制动器。将各传动件及其他零件在图中显示进行初步安排，布置，设计。4 轴和轴承的验算在草图基础上对传动轴的刚度和轴系轴承的寿命进行验算。5 主轴变速箱的装备设计主轴变速箱装备图上各零件表达清楚。6 设计计算说明书包括参数，运动设计的分析和拟定，轴和轴承的验算等，此外还应对重要的选择和分析做必要的说明。
