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1、電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計方案論證 ＸＸ學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計方案 題目電磁離合器變速式數(shù)控車床 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院機械工程學(xué)院 專業(yè)機械工程及自動化 班級ＸＸＸｘ 學(xué)生ＸＸＸ 學(xué)號ＸＸＸＸＸ 指導(dǎo)教師ＸＸ 二〇一五年四月六日 學(xué)院機械工程學(xué)院專業(yè)機械工程及自動化 學(xué)生ＸＸＸ學(xué)號ＸＸＸＸＸＸ 設(shè)計題目電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 一、選題背景與意義 1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術(shù)引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提

2、高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢：一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓，國內(nèi)機床產(chǎn)品充斥市場，嚴(yán)重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外，一個最主要的原因就是新產(chǎn)品（包括基型、變型和專用機床）的開發(fā)周期長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。 主軸傳動系統(tǒng) 機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級

3、變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速。 與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)有以下三種方式。 1)電動機直接驅(qū)動主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機驅(qū)動。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的

4、功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定主軸電機的性能，因而這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。 2)采用定比傳動主軸電動機經(jīng)定比傳動給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉(zhuǎn)矩的要求，但其變速范圍仍和電動機的調(diào)速范圍相同。目前，交流、直流主軸電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達100以上；許多大、中型機床的主軸要求有更寬的恒功率轉(zhuǎn)速范圍。很明顯，這種情況下主軸電動機的 - 1 - ＸＸ大學(xué) 功率特性和機床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數(shù)控機床。 3)采用分檔變速方式采用這種

5、變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現(xiàn)，電動機的無級變速配合變速機構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。 4)用兩個電機分別驅(qū)動主軸上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅(qū)動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅(qū)動主軸。 從1951年將計算機技術(shù)運用到機床上起，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控和計算機數(shù)控兩個發(fā)展階段。目前，數(shù)控系統(tǒng)這個處于基于PC的第六代更新階段。這是因為PC可靠性高、成本低、軟硬件資源比較豐富等，正是因為PC的這些優(yōu)點，故受到大部分數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的青睞。 目前，國

6、際數(shù)控系統(tǒng)正向智能化方向飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)可以檢測出一些重要信息，而且能自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，進而達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。另外，主傳動系統(tǒng)引入了故障診斷系統(tǒng)，能通過自動識別負載，調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)。 2.選題目的及意義 當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低工

7、人勞動強度，已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 在這一背景下，對于即將畢業(yè)走向社會的我們來講，通過選擇對數(shù)控車床的畢業(yè)設(shè)計則有如下目的及意義： 1)通過設(shè)計電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)，了解變速式數(shù)控車床的工作原理、掌握變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程和方法，提高對變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力。 2)通過運用所學(xué)知識及查閱相關(guān)資料，提高獨立思考和解決問題的能力。 3)通過對變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，優(yōu)化主傳動系統(tǒng)、改造數(shù)控系統(tǒng)，對數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣數(shù)控機床的改造有著深遠意義。 4)通過本次設(shè)計培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知

8、識，解決工程實際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻閱讀、編碼器選擇、使用手冊等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的感性認識。 - 2 - ＸＸ大學(xué) 二、設(shè)計內(nèi)容 1.設(shè)計內(nèi)容研究 當(dāng)前中低檔數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)多采用手動變速方式，而用電磁離合器來實現(xiàn)車床主傳動系統(tǒng)變速的方式將數(shù)控車床的換擋由手動式改為自動式，即可由數(shù)控指令操控。這使得數(shù)控車床更趨向于自動化，智能化。通過電動機的無級變速，配合齒輪變速機構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。 采用

9、電磁離合器變速式主傳動系統(tǒng)，可增大數(shù)控車床的恒功率范圍，既滿足低速加工所需較大恒轉(zhuǎn)矩的要求，也能夠滿足高速精加工時所需的較小的轉(zhuǎn)矩和恒功率輸出，擴大了數(shù)控車床的調(diào)速范圍，使電機的機械特性和主軸的機械特性得到良好的匹配。 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削過程中能自動變換速度，機床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。 相關(guān)設(shè)計要求： 1)數(shù)控車床主軸最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最低轉(zhuǎn)速為30r/min，計算轉(zhuǎn)速為150r/min，最大切削功率為5.5Kw。采用交流變頻主軸電動機，額定轉(zhuǎn)速為1500r/m

10、in，最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最低轉(zhuǎn)速為310r/min.； 2)設(shè)計分級變速傳動系統(tǒng)，用電磁離合器完成數(shù)控車床的調(diào)速。 3)數(shù)控車床作為高度自動化的機電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足如下基本要求: ①使用性能要求首先應(yīng)滿足機床的運動性能，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。 ②傳遞動力要求主電動機和傳遞結(jié)構(gòu)能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。 ③工作性能要求主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩(wěn)定。此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護性能好；

11、使用壽命長。 對于電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵主要在于主軸箱及其內(nèi)部傳動系統(tǒng)的設(shè)計，主軸箱的設(shè)計可大體分為如下幾個部分： 主軸傳動變速部分的主要作用是完成主軸的分級變速。主軸傳動是采用齒輪嚙合傳動的方式，通過電磁離合器實現(xiàn)齒輪與軸之間的運動。傳動過程中必須保證其轉(zhuǎn)速、強度和剛度，從而保證主軸的加工精度。 主軸單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計是本次設(shè)計的一大重點。主軸單元主要包括主軸、電磁離合器、軸承、 - 3 - ＸＸ大學(xué) 軸套、預(yù)緊螺母、密封圈等。設(shè)計要求主軸最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最大切削功率為5.5Kw。這就要求主軸軸承在保證精度的要求下，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高速旋轉(zhuǎn)，也能夠在

12、高速旋轉(zhuǎn)的條件下實現(xiàn)較大功率切削，還要考慮主軸因高速旋轉(zhuǎn)而受熱伸長的影響，這也對軸承的潤滑有了更高的要求。還要求主軸和箱體的材料和熱處理得當(dāng)以能夠承受較大載荷從而保證加工精度。 2.預(yù)期研究結(jié)果 所設(shè)計的主傳動系統(tǒng)滿足主軸最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最低轉(zhuǎn)速為30r/min，計算轉(zhuǎn)速為150r/min，最大切削功率為5.5Kw的設(shè)計要求。并且符合機床的運動性能，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。傳遞結(jié)構(gòu)能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩(wěn)定。此外，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

13、相對簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護性能好；使用壽命長。 三、設(shè)計方案 1.主傳動系統(tǒng)傳動方案的確定 數(shù)控機床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機床一般采用由直流或交流調(diào)速電動機作為驅(qū)動源的電氣無級變速。由于數(shù)控機床的主運動的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機的功率扭矩特性也難于

14、直接與機床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機床主傳動變速系統(tǒng)常常在無級變速電機之后串聯(lián)機械有級變速傳動，以滿足機床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用三級機械變速機構(gòu)，運動方案如下圖所示。 2.主傳動系統(tǒng)有級變速自動變換方式的確定 有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主傳動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的

15、變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式。 - 4 - ＸＸ大學(xué) 液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動撥叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個液壓缸（差動油缸）實現(xiàn)三位移動。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實現(xiàn)自動化。但變速時必須主軸停車后才能進行，另外，它增加了數(shù)控機床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的機械動作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。 根據(jù)設(shè)計要求，本方案選擇電磁離合器來實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)有變速的自動變換方式。 3.變速式數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)主軸箱設(shè)計

16、 如圖3-1所示，根據(jù)要求，本次設(shè)計為三級電磁離合器變速，實現(xiàn)齒輪與軸之間的空轉(zhuǎn)來完成數(shù)控車床主軸的調(diào)速。主電動機將通過皮帶連接皮帶輪，將動力傳送至Ⅰ軸，Ⅰ軸上三個齒輪與Ⅱ軸三個齒輪對應(yīng)嚙合，Ⅱ軸再通過嚙合齒輪把動力傳到主軸。電動機分別通過皮帶輪、Ⅰ軸、Ⅱ軸，將動力傳送至主軸，為減小Ⅰ軸軸端所受皮帶的拉力，皮帶輪采用卸荷式。 圖3.1主軸變速箱變速傳動示意圖 - 5 - ＸＸ大學(xué) 四、參考文獻 [1]師鴻飛,鄒翠波,張彩虹.我國數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》,2004, 17(06). [2]劉鎖. 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設(shè)計[J]. 民營科技,20

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19、). [15]Yiqiang Wang, Yazhou Jia, Junyi Yu, Yuhua Zheng, Shangfeng Yi,“Failure probabilistic model of CNC lathes”,Reliability Engineering & System Safety,V olume 65, Issue 3, September 1999, Pages 307–314 [16]M. Mori (2), H. Mizuguchi, M. Fujishima, Y. Ido, N. Mingkai, K. Konishi,” Design optimization and development of CNC lathe headstock to minimize thermal deformation”, CIRP Annals - Manufacturing Technology,V olume 58, Issue 1, 2009, Pages 331–334. - 6 - ＸＸ大學(xué) 五、指導(dǎo)教師評語 六、審核意見 - 7 - ＸＸ大學(xué)