2021電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

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1、電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 ＸＸ學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì)方案 題目電磁離合器變速式數(shù)控車床 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化 班級(jí)ＸＸＸｘ 學(xué)生ＸＸＸ 學(xué)號(hào)ＸＸＸＸＸ 指導(dǎo)教師ＸＸ 二〇一五年四月六日 學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化 學(xué)生ＸＸＸ學(xué)號(hào)ＸＸＸＸＸＸ 設(shè)計(jì)題目電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、選題背景與意義 1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場(chǎng)，至今通過(guò)各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過(guò)采取與國(guó)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(guó)的機(jī)床制造水平有了很大的提

2、高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國(guó)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(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力在國(guó)際市場(chǎng)中仍處于較低水平，即使在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)：一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量需求，而另一方面卻有不少國(guó)產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國(guó)內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品充斥市場(chǎng)，嚴(yán)重影響我國(guó)數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢(shì)頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營(yíng)上、產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外，一個(gè)最主要的原因就是新產(chǎn)品（包括基型、變型和專用機(jī)床）的開發(fā)周期長(zhǎng)，不能及時(shí)針對(duì)用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。 主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。分級(jí)

3、變速傳動(dòng)是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)速，主要用于普通機(jī)床。無(wú)級(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速。數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用無(wú)級(jí)變速。 與普通車床相比，數(shù)控車床的主傳動(dòng)采用交、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無(wú)級(jí)調(diào)速，使主軸結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。為了適應(yīng)不同的加工需求數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種方式。 1)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)與主軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用直接驅(qū)動(dòng)可大大簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)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(jī)的性能，因而這種變速傳動(dòng)的應(yīng)用受到一定限制。 2)采用定比傳動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng)給主軸。定比傳動(dòng)可采用帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)，這種傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍相同。目前，交流、直流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍一般只有2-4，而恒轉(zhuǎn)矩范圍則達(dá)100以上；許多大、中型機(jī)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(dòng)機(jī)的 - 1 - ＸＸ大學(xué) 功率特性和機(jī)床主軸的要求不匹配:調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍遠(yuǎn)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(jī)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(dòng)機(jī)的功率特性和機(jī)床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，滿足各種切削運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。 4)用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸上述兩種方式的混合傳動(dòng)，高速時(shí)帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸，低速時(shí)另一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)主軸。 從1951年將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到機(jī)床上起，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控和計(jì)算機(jī)數(shù)控兩個(gè)發(fā)展階段。目前，數(shù)控系統(tǒng)這個(gè)處于基于PC的第六代更新階段。這是因?yàn)镻C可靠性高、成本低、軟硬件資源比較豐富等，正是因?yàn)镻C的這些優(yōu)點(diǎn)，故受到大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的青睞。 目前，國(guó)

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(cè)出一些重要信息，而且能自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。另外，主傳動(dòng)系統(tǒng)引入了故障診斷系統(tǒng)，能通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。 2.選題目的及意義 當(dāng)今世界各國(guó)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(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)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(duì)我國(guó)實(shí)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(jìn)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(dòng)強(qiáng)度，已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。 在這一背景下，對(duì)于即將畢業(yè)走向社會(huì)的我們來(lái)講，通過(guò)選擇對(duì)數(shù)控車床的畢業(yè)設(shè)計(jì)則有如下目的及意義： 1)通過(guò)設(shè)計(jì)電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，提高對(duì)變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力。 2)通過(guò)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及查閱相關(guān)資料，提高獨(dú)立思考和解決問題的能力。 3)通過(guò)對(duì)變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化主傳動(dòng)系統(tǒng)、改造數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣數(shù)控機(jī)床的改造有著深遠(yuǎn)意義。 4)通過(guò)本次設(shè)計(jì)培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知

8、識(shí)，解決工程實(shí)際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、編碼器選擇、使用手冊(cè)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(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),增強(qiáng)對(duì)如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識(shí)。 - 2 - ＸＸ大學(xué) 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.設(shè)計(jì)內(nèi)容研究 當(dāng)前中低檔數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)多采用手動(dòng)變速方式，而用電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)車床主傳動(dòng)系統(tǒng)變速的方式將數(shù)控車床的換擋由手動(dòng)式改為自動(dòng)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(dòng)化，智能化。通過(guò)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速，配合齒輪變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求，特別是保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。 采用

9、電磁離合器變速式主傳動(dòng)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(shí)所需的較小的轉(zhuǎn)矩和恒功率輸出，擴(kuò)大了數(shù)控車床的調(diào)速范圍，使電機(jī)的機(jī)械特性和主軸的機(jī)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(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無(wú)極調(diào)速范圍；在切削過(guò)程中能自動(dòng)變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，噪聲要小，動(dòng)態(tài)性能要好，可靠性要高。 相關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)機(jī)，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(jì)分級(jí)變速傳動(dòng)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(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求: ①使用性能要求首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。 ②傳遞動(dòng)力要求主電動(dòng)機(jī)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(dòng)效率。 ③工作性能要求主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；

11、使用壽命長(zhǎng)。 對(duì)于電磁離合器變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要在于主軸箱及其內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主軸箱的設(shè)計(jì)可大體分為如下幾個(gè)部分： 主軸傳動(dòng)變速部分的主要作用是完成主軸的分級(jí)變速。主軸傳動(dòng)是采用齒輪嚙合傳動(dòng)的方式，通過(guò)電磁離合器實(shí)現(xiàn)齒輪與軸之間的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)過(guò)程中必須保證其轉(zhuǎn)速、強(qiáng)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(jì)是本次設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。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(jì)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(shí)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(zhǎng)的影響，這也對(duì)軸承的潤(rùn)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(jì)的主傳動(dòng)系統(tǒng)滿足主軸最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最低轉(zhuǎn)速為30r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速為150r/min，最大切削功率為5.5Kw的設(shè)計(jì)要求。并且符合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)效率。主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

13、相對(duì)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長(zhǎng)。 三、設(shè)計(jì)方案 1.主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定 數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化,主軸必須通過(guò)自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無(wú)法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于

14、直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無(wú)級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用三級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如下圖所示。 2.主傳動(dòng)系統(tǒng)有級(jí)變速自動(dòng)變換方式的確定 有級(jí)變速的自動(dòng)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(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過(guò)若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)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(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須將數(shù)控裝置送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)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(lái)了更多的不可靠因素。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本方案選擇電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)系統(tǒng)有變速的自動(dòng)變換方式。 3.變速式數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸箱設(shè)計(jì)

16、 如圖3-1所示，根據(jù)要求，本次設(shè)計(jì)為三級(jí)電磁離合器變速，實(shí)現(xiàn)齒輪與軸之間的空轉(zhuǎn)來(lái)完成數(shù)控車床主軸的調(diào)速。主電動(dòng)機(jī)將通過(guò)皮帶連接皮帶輪，將動(dòng)力傳送至Ⅰ軸，Ⅰ軸上三個(gè)齒輪與Ⅱ軸三個(gè)齒輪對(duì)應(yīng)嚙合，Ⅱ軸再通過(guò)嚙合齒輪把動(dòng)力傳到主軸。電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)皮帶輪、Ⅰ軸、Ⅱ軸，將動(dòng)力傳送至主軸，為減?、褫S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(dòng)示意圖 - 5 - ＸＸ大學(xué) 四、參考文獻(xiàn) [1]師鴻飛,鄒翠波,張彩虹.我國(guó)數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》,2004, 17(06). [2]劉鎖. 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 民營(yíng)科技,20

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