1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 复合车床三轴动力头设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 数控车铣复合机床动力头是数控车铣复合机床在回转体工件的端面和外圆表面进行平面 、 沟槽和孔等加工的装置，是数控车铣复合机床的重要部件 。本文介绍的是动力头的设计。 首先根据 要求，明确设计内容，分析设计题目，了解原始数据和工作条件。其次分析和拟定动力头传动方案。再根据加工的工艺要求和传动装置运动和动力参数的计算来确定传动轴，设计和选择传动件（如齿轮传动）、传动轴、轴承、键联接、箱体及其相关组合部件等。最后对齿轮和轴等进行强
2、度校核和力学分析，并绘制动力头装配图和对非标准件绘制零件图。 关键词： 复合机床，动力头，齿轮，轴 II The design of composite lathe axis power head Abstract NC milling machine CNC milling power head is a complex machine in the revolving cylindrical end face and the flat surface to processing grooves and holes, and other processing devices, it is a
3、 key component of CNC milling complex machine. This paper describes the design of power head. Firstly we must according to the requirements to clear the contents, design and analysis the topic, understand the original data and working conditions. Secondly we can analysis and develop transmission sch
4、eme of power head. Thirdly we are according to the process requirements and processing transmission device sports and the dynamic parameters of the calculation to determine the drive shaft, Designing and choosing transmission parts (such as gear transmission), drive shaft, bearings, key joint, cabin
5、et and related components, etc. Finally we do check intensity and mechanics analysis on gear and shafts then draw the power head assembly and non-standard parts drawing. Keywords: Complex Machine Tools, unit head, gear, shaft III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1复合机床概述 . 1 1.2课题的意义 . 2 1.3数控机床复合
6、加工技术国内外发展现状 . 3 1.3.1 国内外数控机床复合加工技术的研究现状 . 3 1.3.2 国内外数控机床复合加工技术的主要差距 . 6 1.4课题研究的主要内容及要求 . 6 2动力头设备方案的总体设计 . 8 2.1动力头设备的方案设计 . 8 2.2动力头设备的总体设计 . 8 2.3动力头功率的确定和电动机选择 . 8 2.4本章小结 .12 3 设计计算和校核 . 13 3.1 动力头传动系统的计算与校核 . 13 3.1.1 齿轮的计算与校核 . 13 3.2传动轴的设计与校核 . 18 3.2.1 轴的设计与校核 . 18 3.3轴承的选择 . 22 3.4键连接的设计
7、与校核 . 22 3.5箱体的设计 . 23 3.6本章小结 . 23 结论 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 26 复合车床三轴动力头设计 1 1 绪论 1.1 复合机床概述 数控车铣复合机床动力头是数控车铣复合机床在回转体工件的端面和外圆表面进行平面 、 沟槽和孔等加工的装置，是数控车铣复合机床的重要部件 1。 多功能复合机床能在一次装夹中实现完全加工的新概念，在多功能机床加工中，一个零件只需一次装夹，完成零件的整个加工。其优点在于合理 地利用企业资源：取消了重复而多次的工装程序，减少了大量的辅助时间，提高生产效率；加之，由于减少了多次装夹的误差积累，因而提高零件加工精度。 何谓复合
8、机床， 复合机床， Complex Machine Tools，又称为复合加工机床，或多功能复合加工机床，是能够在一台主机上完成或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工的 机床 。 复合机床大体可分为三类：第一类是以车削为主体的复合加工机床，如 车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单元等；第二类是以铣削为主体的复合加工机床，如五轴棒料加工中心；第三类为车磨复合加工机和倒置式车磨复合中心。 先进的复合加工机床用双主轴、双刀架、九轴控制，可实现四至五轴联动，机床可以在一次安装下完成所有车、铣、钻工序加工。 （ 1）车削为主型 。 以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心 (车铣中心 )。
9、车削复合中心是以车床为基础的加工机，除车削用工具外，在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持 工件的主轴做成两个，既可同时对两个工件进行相同的加工，也可通过在两个主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。 （ 2）铣削为主型 。 铣削为主型主要指加工中心的复合化和加工中心的多轴化。以铣削为基型的加工中心的复合化机床 (铣车中心 )除铣削加工外，还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。五轴控制的加工机床，除 X、 Y、 Z 三轴控制外，为适应使刀具姿势的变化，可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位。六轴控制的复合加工机床可以模拟复杂形
10、状工件进行加工。 （ 3）磨削为主型 。 磨床的多轴化，原来只在无心磨 床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的，现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。例如在欧洲，开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机。 复合车床三轴动力头设计 2 （ 4）不同工种加工的复合化 。 使用复合机床加工，可以大大缩短工件的生产周期及提高工件加工精度。为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势，复合加工技术的发展将会给今后的生产带来革命性的巨变，工厂的生产模式、生产组织、生产管理将发生变化，预示着一个完全加工时代即将到来，即在一台机床上从毛坯直接加工成工件成品
11、，送入组装、 总装进行装配，实现没有在制品、没有半成品、没有成品库的真正精益生产。 动力头 能实现主运动和进给运动，并且有自动工件循环的动力部件。 动力头种类繁多，包括 钻削动力头 攻丝动力头 铣削动力头 镗削头 铰孔头 ，主要在制造专机方面使用。 特点如下 : 1.由于刀具进给与旋转是同步进行，因此很薄或很软的材料也能被有效地加工 。 2.适应性强，可以很方便地调整加工螺纹的直径，螺距及行程 。 3.行程长，附件种类多，可以方便地将单轴攻丝头换成多轴攻丝头，能同时满足用户小批量和大批量生产需要 。 4.不断响应用户对钻孔加工的 高速化 ，钻削动力头，风电式底座型 。 5.主轴旋转由电力，进给
12、及控制由压缩空气压力进行的性能价格比最卓越的钻削装置，根据加工条件可以从丰富的机种中选择最适合的型号 。 6.底座型结构的高精度，高刚性钻削装置，主轴电动机采用了高性能，高功率的电动机，具有从低转速到高转速广泛的类型。 钻孔攻牙主轴头属动力部件，可钻孔、攻牙作业，也可配装多轴器，提升效率。是精度要求较高之产品加工，量产型产品可配作自动化作业，例如：摩托车零部件、汽车零部件等要求高及量产化的部件。 1.2 课题的意义 数控技术是制造自动化的基础 , 是现代制造装备的灵魂与核心 , 是国家工业和国防工业现代化的重要手段 , 关系到国家战略地位 , 体现国家综合国力水平 , 其水平的高低和数控装备拥
13、有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。 复合加工技术发展促进了加工效率的不断提高。己经出现了各种机械加工方法组合的复合机床，能在一次装夹情况下，完成工件的大部甚至全部工序，减少安装定位误差，提高加工精度 (质量 )；减少工序装卸辅助时间和物流时间，提高生产效率 (成本、周期 )；减少了夹具及物流装备，降低成本及准备时间 (成本、周期 )14。满足当今社会对于机床高速度、 高精度、高效率、高柔性的要求。 数控技术是制造自动化的基础 , 是现代制造装备的灵魂与核心 , 是国家工复合车床三轴动力头设计 3 业和国防工业现代化的重要手段 , 关系到国家战略地位 , 体现国家综合国力水平 , 其
14、水平的高低和数控装备拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发 达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加：到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变 15。 通过复合车床多功能部件的开发，在综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能的基础上，培养创新精神和分析、解决实
15、际问题的能力，培养独立工作能力和创造力，以及培养具有严谨的科学态度，虚心好学、协同工作的优良作风，达到综合训练的目的；并且通过本次毕业设计综合检验所学知识和技能，实现从学习岗位到工作岗位的初步过渡。 本课题主要在普通数控车床的基础上开发多功能部 件，以扩大它的功能，实现多种类型的加工，对于企业升级换代，提高竞争力具有重要的现实意义。 1.3 数控机床复合加工技术国内外发展现状 1.3.1 国内外数控机床复合加工技术的研究现状 复合加工是数控机床的一个重要技术发展趋向，在面向大批大量生产的组合机床上，多工序复合加工概念已得到一定的体现，当今的复合加工，是指在柔性自动化的数控加工条件下，当工件在机
16、床上一次装夹后，能自动进行同一类工艺方法的多工序加工 (比如车、铣、钻、镗等加工 )或者不同类工艺方法的多工序加工 (比如切削加工和激光加工 )，从而能在一台机床上顺序 地完成工件的全部或大部分加工工序 2。 工业设计是我国机电装备设计中的薄弱环节，其产品在国际市场上缺乏竞争力，究其原因，产品设计过程中仅注意了高技术的应用和多功能的要求，而忽视了人和机器的协调关系。复合加工是数控机床的一个重要技术发展趋向，在面向大批大量生产的组合机床上，多工序复合加工概念已得到一定的体现，当今的复合加工，是指在柔性自动化的数控加工条件下，当工件在机床上一次装夹后，能自动进行同一类工艺方法的多工序加工 (比如车
17、、铣、钻、镗等加工 )或者不同类工艺方法的多工序加工 (比如切削加工和激光加工 )，从而 能在一台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序 2。 我国数控技术的发展得益于改革开放。 2O世纪 8O年代开始，先后从美国、日本、德国等发达国家引进了一些数控系统和伺服技术。陆续发展了一批具有 7O复合车床三轴动力头设计 4 年代末、 8O年代初期水平的数控系统，这些系统较完善的性能和稳定性，很快得到了用户的认可，结束了我国数控机床发展长期徘徊不前的局面，推动了我国数控机床的发展。 9O年代，我国的数控机床技术得到了较大提升。在这期间，国家先后安排了“数控机床引进技术消化吸收”、“柔性制造系统技术
18、(FMS)开发研究”、“计算机集成制造系 统 (CIMS工程 )的研究”等重点科技攻关项目。数控机床的核心技术数控系统和伺服驱动系统，也由完全依赖进口，发展到引进消化、自主开发阶段。目前我国有数十家研究所或企业，能够从事各种类型数控系统的生产与研制。比较有代表性的，如北京的 KND系统、 DKM系统、南京的华兴系统、新方达系统、华中理工大学的华中系统、成都的广泰系统等。 国外数控机床的发展日新月异，已经和各学科充分融合，并正在以无法估量的速度高速发展，突破传统加工的极限和瓶颈。 当今数控机床呈现从以下几个发展趋势： （ 1） 高速高精高效化。 速度、精度和效率 是机械制造技术的关键性能指标。由
19、于采用了高速 CPU芯片、 RISC芯片、多 CPU控制系统和带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高 3。 （ 2）柔性化。 产品更新换代和人们对产品多样化个性化的需求使得市场对具有良好柔性和多样加工能力的制造系统的需求超过了对大型单一制造系统的需求，这就使得数控机床朝着模块化可重构、可扩充的柔性化方向发展，也要求在多品种，变批量的环境下保持高效生产。特别是汽车制造业和电子通信设备制造业的发展对生产 效率提出了更高的要求。随着制造过程自动化程度的提高要求机床不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料
20、、自动换刀，自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能 4。 （ 3） 工艺复合性和多轴化。 以减少工序、辅助时间为主要目的的一种复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴西门子 880系统控制轴数可达 24轴 5。 （ 4） 控制智能化。 随着人工智能技术的发展 ，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 1.加工过程自适应控制技术 2.加工参数的智能优化与选择 3.智能故障自诊断与自修复技术
21、4.智能故障回放和故障仿真技术 5.智能化交流伺服驱动装置 6.智能复合车床三轴动力头设计 5 4M数控系统 6。 （ 5）体系开放化。 要做到数控机床的体系开放，我们必须向未来技术开放，这意味着系统的开发成本降大大降低而其性能和可靠性将不断的被改善。同时也增加了系统的使用寿命。其实是向用户特殊要求开放，不断的创新，更新系统的功能，来应变各种问题的发现 和解决。最后是数控标准的建立，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649(STEP-NC)，以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
22、化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗 7。 （ 6）驱动并联化。 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷。 （ 7）极端化（大型化和微型化 ） 8。 极端化是指数控机床有朝着极小化和极大化方向发展的趋势。在国防、航空，航天等行业中大型化装备的制造方面，需要大型数控机床，选就导致数控机床朝着大型化方向发展。微纳米技术是 2l 世纪的战略技术，微纳米技术发展需要有能适应微小型尺寸的新型制造工艺和装备。这样数控机床会朝着极小化 (即微型机床 )方向发展 4。 （
23、8）信息交互网络化。 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。例如，日本 Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个 称为信息塔（ e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元 9。 （ 9）新型功能部件 10。 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。如高频电主轴，直线电动机，电滚珠丝杆。 （ 10）加工过程绿色化。 在 21世纪，绿色制造的大趋势将使
24、各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 （ 11）多媒体技术的应用 11。 多媒体技术集计算机、声像和通信 技术于一体，使计算机具有综合处理声复合车床三轴动力头设计 6 音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大
25、的应用价值 6。 总上所述，多功能复合加工机床由于其能 在一台设备上完成多种加工要求的优点，满足当今社会对于机床高速度、高精度、高效率、高柔性的要求，吸引了众多机床制造商研究开发 12-13。 1.3.2 国内外数控机床复合加工技术的主要差距 尽管国内企业在各个数控领域都填补了空白，但我国的数控系统在中、高档领域还基本上是靠进口。比如说，虽然国产五轴联动数控系统技术取得一定突破，但功能还不完善，实际应用中验证还不充分，用户对产品的可靠性缺乏信任。现阶段我国的机床行业在高精尖数控技术方面还处于模仿阶段，基础研究远跟不上世界先进水平的发展。 在高速化和高精化方面， 我国数控机床已经大大缩短了同世界
26、工业强国的差距。然而，我国的机床可靠性依然同国外有相当大的差距， MTBF值仅是国外高档数控机床的一半。可靠性差，再高速再高精度都是空谈。因此，建立可信性工程，将可靠性设计融入产品设计全周期才能治标治本。同时，开发可靠性现场试验技术加速缩短同国外机床的差距。 在整个加工系统柔性优化，数控机床的高度自动化智能化同世界强国的差距依然很大。因此，我认为在继续加紧数控机床基础研究的前提下，可以对现有的数控生产线进行改造，即加载国产数控系统，提升数控系统复合性，短时间便可以增强网络化程度 和柔性化联接能力。 1.4 课题研究的主要内容 课题研究内容包括： （ 1）传动方案的分析和拟定； （ 2）根据加工的工艺的要求和传动装置运动和动力参数的计算来确定传动轴； （ 3）传动件（如齿轮传动）的设计； （ 4）传动轴的设计和选择； （ 5）轴承及其组合部件的设计；
