數(shù)控車床主傳動部件設(shè)計(jì).doc

目錄第一章概述.11.1數(shù)控車床的組成.11.2數(shù)控車床的特點(diǎn).21.3數(shù)控車床的發(fā)展.41.4設(shè)計(jì)參數(shù)要求.5第二章設(shè)計(jì)總體方案.6第三章主軸部件設(shè)計(jì).73.1數(shù)控車床主軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì).73.2數(shù)控車床主軸部件基本要求.113.3主傳動圓弧同步帶及帶輪設(shè)計(jì).153.4主軸軸承.17第四章主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和分析.244.1主軸的主要參數(shù)確定.244.2主軸組件的剛度計(jì)算.244.3主軸的強(qiáng)度計(jì)算.26第五章結(jié)論.29小結(jié).錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝語.30參考文獻(xiàn).31英文摘要.32附錄一：角接觸球軸承圖附錄二：深溝球軸承圖附錄三：主軸圖附錄四：數(shù)控車床主軸機(jī)構(gòu)裝配圖數(shù)控車床主傳動部件設(shè)計(jì)摘要數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（Numericalcontrol,簡稱NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。本文主要論述了數(shù)控車床主傳動部件的設(shè)計(jì)過程，數(shù)控車床主傳動部件的設(shè)計(jì)主要包括了電動機(jī)的選擇、帶傳動的設(shè)計(jì)、主軸及其組件的設(shè)計(jì)。通過給出的參數(shù)本設(shè)計(jì)完成了各主要部件的設(shè)計(jì)和選擇，從而完成了數(shù)控車床主傳動部件的設(shè)計(jì)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制出了裝配圖和主要零件圖。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床電動機(jī)帶傳動主軸2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）第1頁共32頁第一章概述1.1數(shù)控車床的組成1.1.1數(shù)控加工過程數(shù)控車床加工零件的工作過程主要包括以下內(nèi)容：根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式，即編寫加工程序。將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。數(shù)控裝置對輸入的程序（代碼）進(jìn)行譯碼、運(yùn)算處理，并向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動裝置和輔助功能控制裝置發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以控制車床各部件的運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要隨時(shí)檢測車床的坐標(biāo)軸位置、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。操作者隨時(shí)對車床的加工情況、工作狀態(tài)進(jìn)行觀察和檢查，必要時(shí)還需要對車床動作和加工程序進(jìn)行調(diào)整，以保證車床安全、可靠地運(yùn)行。1.1.2數(shù)控車床的組成數(shù)控車床由程序編制及程序載體、輸入裝置、數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動及位置檢測裝置、輔助控制裝置、車床主體等幾部分組成。程序編制及程序載體數(shù)控程序是數(shù)控車床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定零件坐標(biāo)系在車床坐標(biāo)系上的相對位置，及零件在車床上的安裝位置，刀具與零件相對運(yùn)動的尺寸參數(shù)，零件加工的工藝路線、切削加工的工藝參數(shù)以及輔助裝置的動作等。得到零件的所有動作、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用由數(shù)字、數(shù)字和符號組成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序單。編制程序的工作可由人工進(jìn)行；對于形狀復(fù)雜的零件，則要在專用的編程機(jī)或通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自動編程（APT）或利用CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生程序。編好的數(shù)控程序，存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤、閃存卡等。閃存卡由于存儲容量大、數(shù)據(jù)交流迅速和記錄可靠，在開放式數(shù)控系統(tǒng)的新型數(shù)控車床上開始使用。輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)存儲介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤驅(qū)動器等。數(shù)控車床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控裝置；數(shù)控加工程序還可由編程計(jì)算機(jī)用RS232C或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀人邊加工（數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存較小時(shí)）；另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲器，加工時(shí)再從內(nèi)部存儲器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控車床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，李熠：數(shù)控車床主傳動部件設(shè)計(jì)第2頁共32頁輸出各種控制信息和指令，控制車床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動和動作。零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀的尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動，即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求，因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動的各執(zhí)行元件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。驅(qū)動裝置及位置檢測裝置驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動車床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控車床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。驅(qū)動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。位置檢測裝置將數(shù)控車床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到車床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動。輔助控制裝置輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、邏輯判別和運(yùn)算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器，帶動車床的機(jī)械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。這些控制包括主軸運(yùn)動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工作和機(jī)床部件的松開、夾緊等輔助動作。由于可編程邏輯控制器（PLC）具有響應(yīng)快、性能可靠、使用方便、編程和調(diào)試程序容易等特點(diǎn)，并可直接驅(qū)動部分機(jī)床電器，因此，被廣泛用作數(shù)控車床的輔助控制裝置。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都帶有內(nèi)部PLC，用于處理數(shù)控機(jī)床的輔助指令，從而簡化了機(jī)床的輔助控制裝置。車床主體車床主體與傳統(tǒng)車床相似，由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、車身、工作臺以及輔助運(yùn)動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控車床特別是車削中心在整體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了較大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控車床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控車床的特點(diǎn)。歸納起來包括以下幾個(gè)方面的變化。采用高性能主傳動及主軸部件。具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)給傳動采用高效傳動件。具有傳動鏈短、結(jié)構(gòu)簡單、傳動精度高等特點(diǎn)，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副等。具有完善的刀具自動交換和管理系統(tǒng)。車床本身具有很高的動、靜剛度。采用全封閉罩殼。由于數(shù)控車床是自動完成加工，為了操作安全等，一般采用移動門結(jié)構(gòu)的全封閉罩殼，對車床的加工部件進(jìn)行全封閉。1.2數(shù)控車床的特點(diǎn)1.1.3數(shù)控車床的優(yōu)點(diǎn)加工對象改型的適用性強(qiáng)由于在數(shù)控車床上改變加工零件時(shí)，只需要重新編制程序就能實(shí)現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。因此，數(shù)控車床可以快速地從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）第3頁共32頁件、小批以及試制新產(chǎn)品提供了極大地便利。它不僅縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備要求。加工精度高數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（即每輸出一個(gè)脈沖后數(shù)控機(jī)床移動部件相應(yīng)的移動量）一般達(dá)到了0.001mm，而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控車床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。這是由數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了必要的措施，以及機(jī)電結(jié)合的特點(diǎn)決定的。首先是在結(jié)構(gòu)上引入了滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)、各種消除間隙結(jié)構(gòu)等，使機(jī)械傳動的誤差盡可能小；其次是采用了軟件精度補(bǔ)償技術(shù)，使機(jī)械誤差進(jìn)一步減??；第三是用程序控制加工，減少了人為因素對加工精度的影響。這些措施不僅保證了較高的加工精度，同時(shí)還保證了較高的質(zhì)量穩(wěn)定性。生產(chǎn)效率高零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動時(shí)間與輔助時(shí)間兩部分。數(shù)控車床能夠有效地減少這兩部分時(shí)間，因此加工生產(chǎn)率比一般車床高很多。數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進(jìn)行大切削用量的強(qiáng)力切削，有效地節(jié)省了機(jī)動時(shí)間。數(shù)控車床移動部件的快速移動和定位采用了加速與減速措施，因而選用了很高的空行程運(yùn)動速度，消耗在快進(jìn)、快退和定位的時(shí)間要比一般車床少很多。數(shù)控車床的加工精度比較穩(wěn)定，一般只做首件檢驗(yàn)或工序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗(yàn)，因而可以減少停機(jī)檢驗(yàn)的時(shí)間。在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控車削中心機(jī)床時(shí)，在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時(shí)間，生產(chǎn)效率的提高就更為明顯了。自動化程度高數(shù)控車床對零件的加工時(shí)按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，其他的機(jī)床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)度與緊張程度均大為減少，勞動條件也得到了相應(yīng)的改善。良好的經(jīng)濟(jì)效益使用數(shù)控車床加工零件時(shí)，分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時(shí)、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化用數(shù)控車床加工零件，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。數(shù)控車床在應(yīng)用中也有不利的一面，如提高了起始階段的投資，對設(shè)備維護(hù)的要求較高，對操作人員的技術(shù)水平要求較高等。1.1.4數(shù)控車床的適用范圍數(shù)控車床與臥式車床一樣，也是用來加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件。但是由于數(shù)控車床是自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以數(shù)控車床特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類或盤類零件。數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強(qiáng)、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化的特點(diǎn)，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動化的要求，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。數(shù)控車床確實(shí)存在一般車床所不具有的許多優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)都是以一定條件為前提的。數(shù)控車床的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但它并不能完全代替其他類型的機(jī)床，也不能以最經(jīng)濟(jì)的方李熠：數(shù)控車床主傳動部件設(shè)計(jì)第4頁共32頁式解決機(jī)械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件。多品種小批量生產(chǎn)的零件圖1-1表示了三類車床的零件加工批量數(shù)與綜合費(fèi)用的關(guān)系。從圖中看出零件加工批量的增大對于選用數(shù)控車床是不利的。原因在于數(shù)控車床設(shè)備費(fèi)用昂貴，以及與大批量生產(chǎn)采用的專用機(jī)床相比其效率還不夠高。通常，采用數(shù)控車床加工的合理生產(chǎn)批量在10200件之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件圖1-2表示了三類車床的被加工零件復(fù)雜程度與零件批量大小的關(guān)系。通常數(shù)控車床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在非數(shù)控車床上加工時(shí)需要有昂貴的工藝裝備的零件。需要頻繁改型的零件它節(jié)省了大量的工藝裝備費(fèi)用，使綜合費(fèi)用下降。價(jià)格昂貴、不允許報(bào)銷的關(guān)鍵零件。需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。數(shù)控車床的初始投資相對較大，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了維修費(fèi)用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時(shí)排除設(shè)備故障，將會在一定程度上影響機(jī)床的利用率，在這些因素都會增加綜合生產(chǎn)費(fèi)用。考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控車床加工時(shí)，需要進(jìn)行反復(fù)對比和仔細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，使數(shù)控車床發(fā)揮它的最佳經(jīng)濟(jì)效益。1.3數(shù)控車床的發(fā)展數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊圖1-2零件復(fù)雜程度與批量數(shù)的關(guān)系圖1-1零件加工批量數(shù)與綜合費(fèi)用的關(guān)系圖1-1零件加工批量數(shù)與綜合費(fèi)用的關(guān)系2010屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）第5頁共32頁全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。盡管近幾年我國機(jī)床工具行業(yè)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但在當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)床市場競爭極其激烈的形勢下，我國的機(jī)床工具行業(yè)則顯得競爭力不強(qiáng)，主要表現(xiàn)在我國是機(jī)床消費(fèi)大國還不是機(jī)床強(qiáng)國、機(jī)床擁有量大但水平低、產(chǎn)品構(gòu)成依然落后、產(chǎn)品創(chuàng)新能力差、機(jī)床可靠性還有待提高等方面。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用。