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南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計說明書 論文 作 者 夏鈺翔 學 號 0801010135 學院 系 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 題 目 基于 Pro E的數控車床床身及主軸設計 指導者 評閱者 2012 年 6 月 殷勁松 高級工程師 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 中 文 摘 要 本畢業(yè)設計是基于Pro E的車床床身及主軸設計 首先介紹了數控技術的重 要性及發(fā)展趨勢 然后提出了本次畢業(yè)設計的整體的方案 同時也提出了傳動系 統(tǒng)設計的總體方案 在該方案里進行了調速結構的設計 齒輪的計算 還有電動 機選擇 軸承的選擇 潤滑方式的選用 最后就是校核部分 看零件是否合格要 求 本次設計要運用Pro E軟件進行三維建模 裝配讓人能直觀的看到自己的作 品 還要有主要零件的CAD圖 裝配圖 可以讓人看到里面的細節(jié)部分 關鍵詞 數控技術 主軸 Pro E 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 外 文 摘 要 Title Design of CNC lathe tool and spindle based on the Pro E Abstract This paper is based on the Pro E to design lathe tool and spindle first introduced the importance and development trend of the CNC And then put forward the graduation design of the overall program simultaneously also proposed transmission system design it conducts Speed regulating structure design in the programme it also conducts calculation of gear and the selection of electric motor Finally we need to check whether the eligibility requirements of parts In this paper using Pro E software for three dimensional modeling and assembling that can visually see their works Even major parts of the CAD graph assembly drawings can let a person see details Keywords CNC Spindle Pro E 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 頁 共 頁 目 錄 1 引言 1 1 1 數控技術的發(fā)展 1 1 2 數控機床對現在制造業(yè)的影響 2 1 4 本章小結 3 2 總體方案 4 2 1 主傳動系統(tǒng)的整體方案 4 2 2 主軸部件的設計方案 5 2 3 本章小結 6 3 具體設計部分 7 3 1 切削力和切削功率的計算 7 3 2 主軸電動機選擇 8 3 3 傳動系統(tǒng) 9 3 4 齒輪的計算 13 3 5 皮帶輪的設計與計算 17 3 6 主軸 19 3 7 本章小結 24 4 PRO E 的三維建模及有限元分析 25 4 1 PRO E 的發(fā)展 25 4 2 零件及裝配建模 25 4 3 有限元分析 27 4 4 本章小結 29 結束語 30 致謝 31 參 考 文 獻 32 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 1 頁 共 32 頁 1 引言 數控技術是集合制造技術 現代控制技術 組成技術和計算機技術 傳感檢測 技術 信息處理化技術 光電技術 互聯網技術 液壓技術于一體 1 數控技術是 當前制造技術的基礎 由于它的發(fā)展和運用 開創(chuàng)了制造業(yè)的新的輝煌 使的制造 業(yè)的格局也因此有了很大的變化 數控技術也得到了進一步的提升和發(fā)展 2 數控技術的出現給人們的生活工作都帶來了異想不到的好處 它可以使產品的 質量達到要加工的要求 改善加工質量 同時也可以降低生產者的勞動強度 利用 機器代替人工勞動 從而節(jié)省人力資源 它還有更深遠的意義 由于它的發(fā)展導致 企業(yè)的管理方式 產業(yè)結構 機械制造的加工方式都發(fā)生了翻天覆地的變化 目前 全球制造業(yè)能做到自動化 集成化 柔性化全都是依靠的數控技術的發(fā)展 現在人 們熟悉的 CAD FMS 和 CIMS 這些技術也全部都是建立在數控技術基礎之上 利用 它發(fā)展起來的 3 當前數控技術在很多國家已近相當的重視了 例如在德國 日本 等一些發(fā)達國家 數控機床已經被看作具有高利潤回報的出口商品 占國家貿易出 口的比重很大 其中高精度機床已經被看作國家機密并受到特別保護 因此 從它的重要性來看 數控技術的發(fā)展直接關系到國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略方 針 隨著數控機床的普及 數控機床的水平高低也可以直接體現一個國家制造業(yè)的 水平 正如由普通機床加工的一些形狀復雜的精密的零件 它的精度是很難達到要 求的 必須要特殊的機床加工才能達到要求 從目前制造業(yè)發(fā)展方向來看 實現機 床和生產過程數控化是現代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢 1 1 數控技術的發(fā)展 1 1 1 性能的發(fā)展 1 高精度 高速 高效化 這三個要求已經成為了判斷現在數控機床好壞的 重要指標 由于現在數控機床采用了高處理CPU芯片 RISC芯片 甚至還有的機床 會采用多個CPU同時控制系統(tǒng) 還有改善機床的靜態(tài)性能以及動態(tài)性能也被人們運 用了 所以上面提高的三個指標都可以現實 雖然機床的高精度 高速 高效化已 經得到很大的提高 但是為了使數控機床得到更高的性能 更能為人類服務 人們 仍然需要不斷努力 4 2 柔性化 當前數控技術正朝著柔性化方向快速發(fā)展 數控系統(tǒng)采用的模塊 化設計 其中包含了很多功能 所以它的可裁剪性就非常的強大了 可以滿足不同 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 2 頁 共 32 頁 用戶的需要 3 工藝復合性及多軸化 復合加工的目的是通過利用減少加工的步驟方法來 減少加工的時間 為了能達到這一目的數控機床正朝著多軸化方向發(fā)展 多軸化的 目的是將要加工的工件一次性裝好不需要第二次裝夾 即一次裝夾就可以完成整套 工序 這樣就可以減少加工時間 提高工作效率 4 1 1 2 功能的發(fā)展 1 用戶界面圖形化 用戶是通過界面的操作來控制數控系統(tǒng)的 所以界面的 方便與否直接關系到用戶的操作感受 由于用戶的需要和習慣不同 對界面的要求 也就會不同 所以這也給開發(fā)者開發(fā)界面帶來了較大的麻煩 2 科學計算可視化 我們平時的信息交流一般停留在文字和語言上 而科學 計算的可視化信息交流直接使用圖像 動畫從而不必停留在文字上 如果能將可視 化技術和虛擬技術結合到一起則有很大的意義 比如它可以降低設計成本 減少設 計周期 所以在數控領域科學計算的可視化意義重大 2 3 內部裝有高性能的PLC模塊 如果高性能PLC控制模塊裝在數控系統(tǒng)的內部 在編程的時候 可以用PLC的梯形圖進行編寫也可以用其他高級語言來進行編寫 具有很方便的在線調試功能和幫助功能 極大方便了用戶的使用 如果有用戶要是 想建立屬于自己的應用程序 可以直接就在標準PLC用戶程序基礎上進行修改 從 而變成自己的程序 非常的方便實用 所以發(fā)展它的意義重大 1 2 數控機床對現在制造業(yè)的影響 1 1952年世界上第一臺具有數控技術的機床在美國的麻省理工大學誕生了 經過幾十年人們不斷的努力 伴隨著科學技術的高速發(fā)展 以及人們對高科技的需要 直接導致數控機床與數控技術朝著高速化發(fā)展 由于數控技術的方便性 其它領 域也慢慢的將數控技術應用到大范圍的生產中去 2 一些高精度的零件用普通的機床我們很難加工出合格的產品 只有在數控 機床可以快速準確的加工出來 3 在現代化的工業(yè)中 看一個國家的現代化水平的高低通過看它的機床水平 就可以判斷了 同時衡量一個國家經濟水平通過看數控機床的水平大概也可以體現 了 4 推動機床行業(yè)產業(yè)機構的升級 數控技術的發(fā)展使得原來的的機床行業(yè)發(fā) 生了變革 主要朝著數控化方向邁進 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 3 頁 共 32 頁 1 3 研究內容及任務 本文研究的是基于 Pro e 的數控車床床身及主軸設計 要求完成車床主軸箱 床身以及位置的機械裝配圖和主要零件圖設計 及 Pro e 三維數字化建模 本課題的目的是 完成畢業(yè)設計的整個過程 其中包含查閱文獻資料 總體方 案設計 主要數據計算和詳細的設計 三維模型創(chuàng)建 工程裝配圖和零部件圖的繪 制 撰寫設計說明書等 培養(yǎng)學生獨立做好工作能力 對于問題分析和解決問題能 力 提高機械工程素養(yǎng) 本課題的內容及任務 1 查閱有關資料 掌握數控機床和傳動系統(tǒng)的原理及應用 2 討論和設計主軸箱的整體方案 3 設計和論證床身的總體方案 4 運用 PRO E 軟件完成車床的三維主軸箱裝配圖和零件圖設計 1 4 本章小結 本章先介紹數控技術 進一步談到了數控技術的發(fā)展趨勢 進而引出數控車床 講到了數控機床的在機械加工中的地位 逐步涉及到本次課題 接著提出本次課題 研究的內容 以及需要完成的任務 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 4 頁 共 32 頁 2 總體方案 2 1 主傳動系統(tǒng)的整體方案 現在在主傳動系統(tǒng)中 一般是用交流變頻電動機和直流主軸電動機這兩種無級 調速系統(tǒng) 實際中為了讓調速的范圍變大 為了能夠在低的速度的時候同時有較大 轉矩 我們經常會通過用齒輪調速和電動機無級調速相結合的調速方式 1 這樣做 就可以達到上面的要求 通常數控機床主傳動系統(tǒng)有四種不同的配置方式 各有各 的特點 下面一一介紹 如圖2 1所示 1 變速齒輪 如圖2 1 a 所示 常見的一般的機床會用到這種傳動方式 它的降速是通過齒輪來實現的 主軸的速度降下來的同時也可以滿足了主軸在低速 轉動的時候對輸出轉矩的要求 所以這種簡單的傳動系統(tǒng)是很實用的 它的工作原 理是數控機床在調頻電機的無級調速的基礎上再加上齒輪的調速 讓它成為了具有 分級的無級調速 滑移齒輪的運動是通過撥到拔叉的來實現的 2 通過帶輪傳動的 如圖2 1 b 所示 一般情況下 它會被用到機床的轉 速比較高 變速范圍不是比較大 因為由于電機本身的轉速就可以滿足主軸的要求 只要通過帶輪傳動就可以達到要求了 而且用帶輪傳動還不會受震動和噪聲的影響 3 用兩個電動機驅動主軸 如圖2 1 c 所示 這是上面剛剛談到的兩種方 式的結合體 同時擁有上述兩種傳動系統(tǒng)的性能 5 高速轉動的時候電動機可以通 過帶輪直接驅動主軸運轉 在低速的時候另外一個電動機通過齒輪的間接傳動來驅 動主軸轉動 齒輪在里面起到降低了主軸轉速和增加了調速的范圍的用處 通過這 樣的傳動可以讓主軸的恒定功率變大 加大了調速的范圍 解決了在低速的時候轉 矩不夠 電動機的功率不能夠充分發(fā)揮的缺點 可以做到一舉兩得的作用 4 內裝電動機主軸傳動 如圖 2 1 d 所示 從圖上我們是可以很明顯看 到這種傳動方式的優(yōu)點 使得主軸箱和主軸的結構得到了簡化 從實踐中我們可以 了解到簡化了主軸就可以提高主軸部件的剛度 符合剛度要求 當然了有優(yōu)點肯定 同時對應著缺點 明顯的缺點就是使的主軸的輸出轉矩變小了 而起電動機的發(fā)熱 對主軸影響很大 所以在考慮用哪種傳動方式的時候要考慮各個方面的因素 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 5 頁 共 32 頁 圖 2 1 數控機床主傳動系統(tǒng)的四種配置 通過比較我選擇第一種傳動系統(tǒng) 因為我選擇的是交流變頻電動機 它的速度 是可以改變的 但是它的調速范圍不在本次設計要求內 所以從設計簡化來考慮串 聯一個調速機構就夠了 選擇一般常見的齒輪副來實現 所以選擇第一種 2 2 主軸部件的設計方案 主軸部件由主軸 軸承 固定件 如螺母 傳動件 如齒輪 帶輪 等零件 組成 它們都是機床的不可缺少的組成部分 直接影響著主軸的好壞 機床工作的 時候由主軸夾持工件 車床 或刀具 鉆床 鏜床 銑床 磨床等 直接參與到成 形運動中 所以我們要注重它的剛度的要求 這樣生產處理的產品的性能才能合格 4 主軸部件中最重要就是軸承 因為機床的主軸轉速很大 回轉精度要求也很高 一般我們在機床上會選擇滾動軸承 采用油脂潤滑的潤滑方式 5 根據主軸工作情 況 根據給定的數據計算得到的最佳跨度大于主軸本身設計的跨度 所以選擇的下 面這種支承方案就可以達到要求了 而且主軸支承采用前后兩個支承 這種方式結 構簡單 制造裝配方便 容易保證精度 如圖 2 2 所示 a 變速齒輪 c 兩個電機分別驅動 b 帶傳 動 d 內裝電動機主軸傳動機 構 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 6 頁 共 32 頁 圖 2 2 總體結構圖 2 3 本章小結 現代切削加工技術正朝著高速度 高效率和高精度的趨勢發(fā)展 所以就要求車 床的主傳動系統(tǒng)具有更高的轉速和較大的無極調速范圍 并且在切削加工中能自動 調速 而且要求機床機構簡單 動態(tài)性能穩(wěn)定 噪聲要小 可靠性要高 L a 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 7 頁 共 32 頁 3 具體設計部分 本畢業(yè)設計題目是基于 Pro e 的數控車床床身及主軸的設計 要求完成數控車 床的主軸箱 床身的機械裝配圖和主要零件圖設計 3 1 切削力和切削功率的計算 合理的確定電機功率 P 既能使機床充分發(fā)揮它的性能 滿足了生產的實際需 要 又不會導致電機因為經常輕載而降低功率 12 選取常用到中碳鋼為要加工工件的材料 取 45 車削外圓 采用車刀具 可 轉位外圓車刀 刀桿尺寸 刀具幾何參數 m2516 015 06 075 r 0 r0 0 3 1 rbm r 主切削力的計算以及有關參數的選取 參照手冊選取 3pa s7 1v r4 f 3 1 FcZFcZFcNz KvfaCF 6089 5 23 95 027 16 032 5051 上公式中出現的其它參數如下表 3 1 所示 公式中的系數和指數 切削力加工材料 刀具材料 加工類型 CFc ZFc NFc 外圓 270 0 75 0 15 切槽 367 0 8 0 結構鋼及 鑄鋼 硬質合金 鋼 切螺紋 133 1 7 0 71 表 3 1 系數和指數 切削功率的計算 3 2 kw 19 407 185236103 ccvFP 依照一般情況 選取機床變速效率 0 8 則計算電機的功率為 k 804czp 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 8 頁 共 32 頁 3 2 主軸電動機選擇 縱觀過去我們會發(fā)現主軸傳動和進給傳動是相同的 都是從過去的普通三相異 步電動機傳動到直流主軸傳動接著到現在主流的交流主軸伺服系統(tǒng) 當然了這些都 是經過了很多年的發(fā)展 靠科學技術的不斷創(chuàng)新 比如微處理技術對演變過程起到 很大的作用 現在如果我們用心留意會發(fā)現現在市面上的數控機床上很少再使用直 流主軸伺服系統(tǒng)了 一般都會選擇交流主軸電動機 但是國內生產的交流主軸伺服 系統(tǒng)的產品卻很少 一般會用進口的 所以有待國人努力將它國產化不在受制于人 按照上面的描述可以看出數控機床使用的主軸驅動系統(tǒng) 一般分為直流主軸驅 動系統(tǒng)和交流主軸驅動系統(tǒng) 下面根據這兩大類主軸驅動系統(tǒng)各自不同特點對主軸 驅動系統(tǒng)進行選擇 3 2 1 直流主軸驅動系統(tǒng)得特點 從原理上說 直流主軸驅動系統(tǒng)與平常的直流調速系統(tǒng)沒有本質上的區(qū)別 但 因為數控機床有高速 高效 高精度的特點 導致了直流主軸驅動系統(tǒng)要具備以下 一些特點 1 調速范圍要寬 我們通常會發(fā)現采用直流主軸驅動系統(tǒng)的數控機床 它的 速度會分為高 低兩級 一般會通過主軸驅動器來控制電動機的轉速 達到無級變 速的目的 因此 它必須要具備較寬的調速范圍 2 直流主軸電動機一般采用全部封閉的形式 這樣它就可以在比較復雜一點 的環(huán)境下使用 減小對電機的影響 3 為了將電動機產生的熱量快速的向外面發(fā)散掉 主軸電機會采用特殊的措 施 比如一般的電機會用到熱管冷卻系統(tǒng) 而且為了使電動機的發(fā)熱量最小 電機 的定子通常會采用特殊的附加磁極 這樣做同時也可以降低消耗 提高效率 3 2 2 交流主軸驅動系統(tǒng) 在最近幾年 我們可以看到的機床大多都會采用交流主軸驅動系統(tǒng) 下面表述 的是交流主軸驅動系統(tǒng)與交流主軸驅動系統(tǒng)的一些特點 1 伴隨著科學技術的快速發(fā)展 現在的驅動系統(tǒng)通常會運用到微處理器技術 和現代控制理論 它的優(yōu)點使是使得系統(tǒng)運行平穩(wěn) 振動和噪音小 并且可以獲得 較大的調速范圍和較高的低速轉矩 這樣就可以較方便地做到與數控機床相配套使 用 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 9 頁 共 32 頁 2 電機采用無外殼結構 定子硅鋼片可以直接的進入到空氣中去冷卻 可以 在有浮塵 切削液飛濺的場合穩(wěn)定地工作 3 和直流電機相比較 由于交流主軸電機沒有換向器 所以主軸電動機一般 不會出現什么故障 一般不會需要維修 所以很穩(wěn)定 4 由于換向器不會限制主軸轉速的快速提高 所以一般交流主軸最高轉速要 比直流主軸的最高轉速更高 5 主軸電機的冷卻空氣從前端面向后面流動 可以有效減少由于電機發(fā)熱對 機床精度的影響 3 2 3 選擇電機 由于本次設計的是主軸的進給系統(tǒng)所以要選擇主軸電動機 對于上面兩種主要 的進給系統(tǒng)對比 我們可以很明顯的看出 交流電機在很多方面都優(yōu)勝于直流電機 比如在調速范圍和冷卻方面 所以本次設計過程中選取交流主軸驅動系統(tǒng)作為主軸 驅動系統(tǒng) 13 根據上面的計算數據對照電動機的表格選取電動機如下表3 2所示 電機型號 連續(xù)輸出功率 30 分鐘額定輸出 功率 基本速度 變速范圍 FANUC 6s 5 5kw 7 5kw 1500r min 45r min 6000r min 表 3 2 電機參數 3 3 傳動系統(tǒng) 3 3 1 主傳動系統(tǒng)的設計要求 1 使用性能方面的要求 首先應該要滿足機床的運動特性 比如要滿足一般 的數控機床的轉速范圍和轉速級數 并且傳動系統(tǒng)設計要合理 操作要方便靈活 要安全可靠 這樣才是好的傳動系統(tǒng) 2 傳遞動力要求 對于傳動力的要求 必須要求主電動機和傳動機構能夠提 供和傳遞足夠的功率和轉矩 具有較高的傳動效率 這樣才能滿足要求 3 工作性能要求 由于數控車床的主軸是高速轉動的 所以主傳動中所有零 件要有足夠的剛度 精度和抗振性 穩(wěn)定的熱變形特性 1 保證在運轉過程中不會 出現問題 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 10 頁 共 32 頁 其余的出于方便調整和維修考慮 還要求主傳動系統(tǒng)結構要盡量的簡單 工藝 性好 便于加工和裝配 防護性好 使用壽命長 3 3 2 傳動級數和公比的確定 本設計中要用到的主軸計算轉速可以根據不同機床類型來確定的 有些大型機 床由于它的調速范圍比較大 所以計算轉速可以取高點 但是對于那些調速范圍不 大 比如精密的一些機床 它們的計算轉速可以適當取低些 滿足要求就可以了 1 查找機械設計手冊我們可以看到各類主軸計算轉速公式 按照本次畢業(yè)設計的 類型 我們要設計的是數控車床 參照手冊選取適合數控機床的計算轉速公式 對 本次設計機床定位中小型數控車床 故選用相對應的轉速計算公式如下 3 0mincR 其中 為主軸的最低轉速 min r in2in 為主軸的變速范圍 nR10 nR 代入公式中 3 012 c r mi 8 對于上面計算出的數據 由于我們做的是數控車床 它是要切削金屬的 所以我們 會把它的值選取的大些 取 r in150j 主傳動系統(tǒng)的主要參數有兩種 分別是動力參數和運動參數 動力參數是指驅 動電動機的功率變速范圍 運動參數指主運動的調速范圍 運動參數 r min20ax nr in20i 主軸的調速范圍 R 3 3 102minax 主軸恒功率變速范圍 nP 3 4 1450 max jR 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 11 頁 共 32 頁 由于實際加工中一般是要求數控車床主軸恒功率變速范圍要遠遠大于調速電動 機的恒功率變速范圍 但是如果不作處理的話一般是做不到上面所要求的 為了解 決掉電動機和主軸的功率特性相匹配問題 從多方面考慮選擇比較簡單的 一般我 們會在電動機與主軸之間串聯一個分擋調速器 來解決這個問題 這樣既可以擴大 恒功率調速的范圍 同時這樣也可以解決了主軸在低速大功率工作的時候對電動機 的輸出功率的要求 而現在越來越多的主傳動系統(tǒng)的傳動方式一般會采用分檔無極 調速和定比傳動相配合的傳動方式 這種傳動方式一般是這樣工作的 先通過電動 機的轉動 然后經過帶傳遞給傳動軸 然后傳動軸在通過變速機構將轉速傳遞給主 軸 一般這里面的變速機構是通過齒輪副來實現的 所以這里面主軸對功率和轉矩 的要求 通過電機的無極調速再結合變速箱就可以滿足要求了 在設計分檔變速箱的時候 一般情況下我們要考慮機床的結構 運動是否平穩(wěn) 等一些需要注意的地方 下面列出了一般主傳動系統(tǒng)變速箱選取的三種方法 1 選取變速箱的公比 等于電動機的恒功率調速范圍 即 功 dPRdP 率特性圖表示連續(xù)的 無缺口和無重合 電動機全部調速范圍內的功率都得到了應 用 是較理想的狀態(tài) 一般在實際設計的時候很難做到相等 如果變速箱的設計的 變速級數為Z 則主軸的恒功率速范圍 為npRZdPZnP 1 變速箱的級數 Z 可由上面的公式求得 lg lnPRz 2 如果要想使變速箱的結構簡單化 變速級數則就應該取的少些 公比可 以取大于電動機的恒功率調速范圍 得到 但存在著恒功率變速段不連dpdp 續(xù) 中間一般出現恒轉矩過渡 恒轉矩過渡區(qū)變速范圍也就是我們通常說的缺口 為了確保缺口處的輸出功率 主軸電機的功率應該變大 結果就是會出現 大馬拉 小車 的現像 不能充分利用電機 1 3 如果車機床為了得到恒定的線速度切削 而且還需要是在轉速中變速時 候達到 所以這個時候要選取公比 小于主軸電機的恒功率變速范圍 也就是 這個時候只能通過選取比較大些的 的數值來達到上面的效果 設dpR z 則對應的主軸的轉速圖 功率圖分別如圖 3 1 所示 從圖上可以看42 z 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 12 頁 共 32 頁 到有一小段區(qū)域是重合的 在主傳動系統(tǒng)功率圖上 則對應的變速級數將要變多 使得變速結構變的復雜化 適合于恒定線速度切削時要在運轉過程中變速 機床在 切削臺階和端面時侯 為了保證切削質量 需要進行恒線速度切削 要求主軸在運 轉過程中不停車時候就能通過變換齒輪來連續(xù)變速 通過上面的描述 時候 dpR 主軸轉速既夸于兩級之間又可以實現不用停車連續(xù)變速 因此這是數控機床主傳動 系統(tǒng)常用的設計方案 圖 3 1 轉速圖和功率圖 根據機床的給定的要求以及對上面的三種不同情況的介紹 故選用第三種方式 取變速箱的公比小于電機的恒功率調速范圍 即 由上面得車床主軸的恒功dpR 率變速范圍 10 npR 變速機構的調速范圍是 5 341 Rdpn 變速箱的級數和 的關系公式z1 Zn 取級數 則4 5 1 3 3 3 分檔變速箱的設計計算 通過主傳動級數的確定 以及分級變速箱的公比 的確定可得轉速圖5 1 圖 3 2 電動機經定比傳動 1 1 5 使變速箱的軸得到 4000r min 1000r min 恒功率 然后在進過公比 1 2 和 1 1 傳遞到軸 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 13 頁 共 32 頁 4000r min 2000r min 和 1000r min 500r min 接著按照公比 1 2 和 1 3 得到主 軸的要求的調速范圍 20r min 2000r min 當電動機從最高轉速 6000r min 降至額定轉速 1500r min 時候參照轉速圖可以 發(fā)現主軸可以在 2000r min 1000r min 或者 1333r min 500r min 連續(xù)變速 1333r min 10000r min 666r min 500r min 等有恒功率重合段 可以實現連續(xù) 恒功率變速 電動機的功率利用率較高 13 圖 3 2 轉速圖 3 4 齒輪的計算 3 4 1 確定與齒輪相關的參數 根據我設計的要求 選用直齒圓柱齒輪傳動 1 根據本次設計的要求 選齒輪精度為 8 級 2 參考設計手冊 選擇小齒輪的材料為 40Cr 調質 硬度為 280HBS 大齒 輪的材料為 45 鋼 調質 硬度為 240HBS 12 3 選取小齒輪齒數 大齒輪齒數401 Z8042Z12 u 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 14 頁 共 32 頁 3 4 2 按齒根彎曲強度設計 由機械設計手冊查得彎曲強度的設計公式為 312 FaSdYKTmz 3 5 1 確定公式內的各計算數值 a 由機械手冊查得大齒輪的彎曲疲勞強度極限 小齒輪的2380MPaE 彎曲疲勞強度極限 150MPaFE b 由機械設計課本查得彎曲疲勞壽命系數 1 FNK2 5FN c 由表查的圓柱齒輪的齒寬系數取 0 2 d d 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數 S 1 4 由公式計算得 3 6 10 825 9 86MPa4FNEKS e 計算載荷系數 K 17 1 94AVF f 在機械設計手冊里查取齒形系數 查得 12 40FaY 2 Fa g 在機械手冊里面查取應力的校正系數 查得 1 67Sa21 7Sa h 計算大小齒輪的 并加以對比 FY 3 7 12 4560 138 9FaS 3 8 2 7 FaSY 相比之下大齒輪的數值大些 2 設計計算 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 15 頁 共 32 頁 3 9 3 421 895 0 172 6 m m 參照模數的標準值選取 3 計算分度圓直徑 3 10 105 241 zd 3 12 m82 m 4 計算中心距 3 13 1502 1 da 5 計算齒輪寬度 3 14 1 dbm 取 210 25B 6 齒輪的校核 3 15 41 102 N tTFd 合適 25063 75 m AtKb 根據上邊計算方法及下面的公式表 依次求得其他齒輪參數如下表 3 3 所示 a 組 Za1 Za1 Za2 Za2 m 40 80 60 60 2 5 B 組 Zb1 Zb1 Zb2 Zb2 m 30 90 40 80 3 5 表 3 3 齒輪參數 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 16 頁 共 32 頁 名稱 符號 公式 分度圓直徑 d mz 齒頂圓直徑 da 2 2 zmhaa 齒根圓直徑 df 5 ff 齒頂高 ha mha 齒根高 hf f25 1 全齒高 h f 中心距 a 2 1mz 齒距 p 表 3 3 齒輪公式 由上表 3 3 求 a b 兩組齒輪其他參數 a 組 模數 m 2 5 壓力角 20 齒距 85 7 mp 齒厚 923 s 齒槽寬 e 齒頂高 ha 2 5 齒根高 12 35 mhf 全齒高 6 5 fa b 組 模數 m 3 5 壓力角 20 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 17 頁 共 32 頁 齒距 9 10 mp 齒厚 452 s 齒槽寬 e 齒頂高 ha 2 5 齒根高 37 425 1 mhf 全齒高 8 fa 中心距 10 21z 7 齒輪精度等級 因為本次設計的齒輪作為調速箱里的傳動齒輪由設計手冊大概可以得到 齒輪 的精度在 6 9 級之間再根據齒輪的轉速來確定它的精度等級 13 425017 85 m s 066dnv 根據上面的計算結果對照手冊選取齒輪的精度為 8 級 8 中心距極限偏差 f 由上面的計算得到中心距 m150 a 查找機械設計手冊得到 4f 9 計算公法線平均長度 測量直齒輪公法線長度時的跨齒數計算式為 跨齒數 取5 409 zkk 齒形角為 200的非變位直齒輪公法線長度為 014 5 921 zkmWk 則 34 612 5 3 5 皮帶輪的設計與計算 假設按照法律規(guī)定的一天運轉時間 8 小時 10 小時計算 按小帶輪計算 1 確定計算功率 caP 由機械手冊查得工作情況系數 故2 1 AK 計算功率 kw 65 Aca 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 18 頁 共 32 頁 2 根據 和 選膠帶型別為 A 型caPn 3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速 v 參照手冊選取小帶輪直徑 m125 d 則大帶輪直徑 87 2 帶速為 s1 9061nv 4 確定 V 型帶的中心距 和它的基準長度a a 根據公公式初定定中心距 取 2 7 21021dad m350 a b 由公式計算帶所需的基準長度 3 16 4 934 2 201210 adalp 參照手冊選帶的基準長度 m5dL c 計算實際中心距 0a 3 17 m 29 378 241 910 35 2 0 pdLa 5 驗算小帶輪包角 3 18 00120 98 7618 ad 6 計算帶的根數 z a 單根 V 帶傳遞的功率 pr m5 187m1252 dd r in150 n 查手冊得到 kw03 rP 單根膠帶傳遞功率的增量 0 18k b 計算 V 帶的根數 z 查找機械手冊取 95 aK96 0 LK 3 19 kw 1 2 Pr0 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 19 頁 共 32 頁 V 帶根數 28 301 6 rcaPz 取 根 4 z 3 6 主軸 主軸是主軸部件的重要組成部分 主軸各個方面的因素對主軸部件在工作時候 性能有至關重要的作用 在本次設計的時候主要圍繞著保證精度 剛度和抗振性 減少溫升和熱變形等因素考慮 4 3 6 1 主軸的主要參數確定 1 主軸前 后軸頸直徑 1D2 一般按照機床類型 主軸傳遞的功率或最大加工直徑來選取前頸直徑 車床1D 和銑床后頸直徑 這里按照機械設計手冊主軸參照相關數據選取12 85 07 初取 根據設計的實際需要最后確定 10mD Dm802 2 主軸的內孔直徑 d 車床主軸內孔用來通過棒料或安裝送夾料機構 為了不過多的削弱主軸剛度 臥式車床主軸孔徑 通常不小于主軸平均直徑的 55 60 由于設計要求機床的主 參數 按照給定的數據選主軸內孔直徑 m58 d 3 主軸的跨距 L 支承跨距是指主軸相鄰的兩個支承的支反力作用點之間的距離如圖 2 2 所示 對于主軸而言 如果它的的直徑 懸伸量和主軸支承的配置方式已經確定的話 主 軸前后支承剛度基本上也可以初步估算出來了 3 經過經驗表明對于軸支承結構 中間支承和后支承之間軸段的剛度對整個部件的剛度影響不大 所以在設計的時候 中間支承與后支承間的跨度以及軸徑可以多顧及結構 工藝和抗扭轉動的要求 支 承跨度應該盡量設計的靠近最佳跨度 在實際設計中 m27 L 由此在結合實際設計需要確定主軸的主要參數為 10D802 其余參數按照實際設計要求來確定 m58 d36am27 L 主軸部件中最重要的組件之一是軸承 由于各類機床的工作條件相差很大 對 主軸部件的性能要求又是各不相同的 所以要選擇對軸承 軸承的類型 精度 結 構 配置方式 潤滑和冷卻等狀況 都直接影響著機床的轉速 回轉精度 剛性 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 20 頁 共 32 頁 抗顫振動切削性能 噪聲 溫升及熱變形等 進一步也就自然而然會影響到加工零 件的質量 現在的數控機床主軸軸承一般會選用有滾動軸承或者滑動軸承 但是從調查數 據來看 滾動軸承被用在數控機床主軸部件的比例大些 雖然從旋轉精度來看 兩 類軸承都能滿足數控機床的要求 但是通過其他指標相比 滾動軸承還是會有許多 優(yōu)點優(yōu)于滑動軸承 滾動軸承能夠在轉速和載荷變化幅度很大的條件下工作 6 滾 動軸承還可以在無間隙甚至在有一定的過盈量下工作 而且它的摩擦系數非常的小 有利于減小發(fā)熱 還有它的潤滑也比滑動軸承容易 可以用潤滑脂 潤滑油潤滑 所以參照上面的描述主軸兩端選取了的滾動軸承 它的型號分別是 7520E 圓錐滾子 軸承和 6316 深溝球軸承 3 6 3 主軸最佳跨度 的確定0L 1 根據上面求得的切削力 N85 236 F 圖 3 3 主軸受力分析圖 如圖 3 3 所示前后支撐力分別設為 AFB 3 20 N 97 2687385 26 laFA 3 21 1B 2 軸承剛度的計算 查機械手冊有 9 1 08 10cos 39 izlFdKarrr 查機械手冊得軸承根子有效長度 球數和列數 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 21 頁 共 32 頁 3 22 6032 526 BAzizi m18 1aall 3 剛度計算公式 3 23 0 1 80 91 0 9267 23 cos876 43 N u AK 3 24 m5926 3 B 15 9 2487 BAK 3 主軸的當量直徑 dDe m 0281 4 主軸慣性矩 05 4dIe 17 8946 5 計算最佳跨距 設 3 25 cm 9 387 15 1043 8762 1 6 3 BAKEI 查機械手冊得 4 0 tmL 式中 1 3BAKat 2 15 6 3 6 59 873 BAtcBm m 84526 1 4 1 6 1 0 tL 式中 彈性模量 鋼的彈性模量 EMPa 0 27E 主軸的截面慣性距 I 5 m44dDI 主軸的外徑和孔徑 id 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 22 頁 共 32 頁 前軸承的剛度 AKNum 后軸承的剛度 B 前懸伸量 a 3 6 4 主軸組件的剛度校核 對于一般機床 主要考慮剛度問題就可以了 因為通常 如果機床能夠滿足剛 度要求 一般情況下也就能滿足強度要求 8 所以我們只需要對主軸進行剛度校核 校核剛度如下 1 主軸組件計算時的支承簡化如圖 3 4 所示 圖 3 4 主軸計算圖 a 跨距 l 27ml b 當量外徑 ed 1290eDd 2 主軸剛度 3 26 44223103 431 N m 6076esAKal 3 對于本設計的剛度要求 由于設計的是數控機床主軸 所以主軸的剛度可根據自激振動穩(wěn)定性決定 9 取阻尼比 當 時 機床要0 25 0m inv 0 1 rs 2 46cbK 08 求切削穩(wěn)定性良好 取 liax 225 m bD 3 27 lim 46coscos68 N 2101 cBK 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 23 頁 共 32 頁 8 68 N m 根據穩(wěn)定性指標 工件長度 加上卡盤 共長ax0 3 41023 m LD 165 5mm 3 28 2210 6 417 N u BBAAAlaKa 3 29 1 6 179 N m SA 由上面的計算結果可以看出 主軸的剛度符合機床設計要求 3 6 5 主軸支撐轉角驗算 機床粗加工時 主軸的變形最大 主軸前支撐處的轉角有可能超過允許值 故 應 驗算此處的轉角 因主軸中 后 支撐的變形一般較小 故可不必計算 10 主軸在某一平面內的受力情況如圖 3 5 所示 圖 3 5 主軸受力分析圖 在近似計算中可不計軸承變形的影響 則該平面內主軸前支撐處的轉角用下式 計算 3 30 1 5 0 1 3 MLcQbFaLEI A 切削力 的作用點到主軸前支承支承的距離 對于普通車床 WaS 是車床中心高 設 H4 0Wm20H 則 10 4S 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 24 頁 共 32 頁 當量切削力的計算 3 31 N 1 865 293680 FaW 主軸慣性矩 5 04dIe m07 0 464 I 式中 主軸傳遞全部功率時 作用于主軸端部的當量切削力 F N 主軸傳遞全部功率時 作用于主軸上的傳動力 Q 軸向切削力引起的力偶矩 若軸向切削力較小 如車床 磨床 Mcm N 可以忽略不計 主軸前支撐反力矩 A 支撐反力系數 主軸懸伸量 a cm 主軸有關的尺寸 bL c 主軸當量外徑 D 主軸支撐段的慣性矩 64 c44dDI 主軸孔徑 d 3 32 1 5 0 1 3 MLQbcFaLEIrad105 5 2781 4538 0276 387 22 由于 所以主軸支撐轉角滿足要求 3 7 本章小結 通過本章對主軸的設計 包括對主軸電動機的選擇然后對主軸部件的選擇和確 定 有軸承的選擇 傳動系統(tǒng)的設計等 最后對有關零件進行校核 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 25 頁 共 32 頁 4 PRO E的三維建模及有限元分析 4 1 PRO E的發(fā)展 Pro E自從1988年被開發(fā)出來到現在已經發(fā)展了20多年了 經過很多人的不斷 開發(fā) 它已經成為了最常見的三維建模軟件 被廣泛的應用在工作和生活中 15 一 般在機械設計 汽車造型 模具造型 玩具等行業(yè)里面會用的它來建模 節(jié)省材料 節(jié)約時間 而且可以直接畫出自己設計的模型 對一些復雜的實體可以通過它畫出 來 讓學習的人能夠清楚認識它的結構 所以用Pro E畫出車床的三維模型對人們 清楚認識機床有很好的作用 4 2 零件及裝配建模 原來一般都用CAD二維建模 現在由于科學技術的發(fā)展 二維已經不能滿足人 們的需要 所以發(fā)展了三維建模 我們本次課題就是三維建模 三維建模能讓更直 觀的看出產品的好壞 4 2 1 零件的建模 由于我的課題是車床床身及主軸的設計 所以把主軸的三維模型體現出來 如 圖4 1所示為主軸的三維建模 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 26 頁 共 32 頁 圖 4 1 主軸 由于我在課題時候用到了三根軸 除了上一根的主軸還有兩根軸 它們都很重 要的 我的三維建模如圖4 2 圖4 3所示 圖 4 2 傳動軸 下面的三維圖為軸承端蓋 是本次設計的用到比較多的零件圖 把它也體現出來 如圖 4 4 所示 圖 4 4 軸承端蓋 4 2 2 裝配建模 裝配圖是 Pro E 里面一個重要的模塊 利用它可以讓人們很清晰的看到各個部 件之間的聯系 11 在用裝配圖的時候我們應先把每個零件圖畫好 必須畫對尺度 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 27 頁 共 32 頁 不然最后裝配會出現問題的 而本次的畢業(yè)設計用到的裝配模塊有主軸箱 有尾座 還有總的裝配畫 如圖 4 5 所示為總體的裝配圖 我們通過看三維模型可以很直觀 的看到我做的作品 圖 4 5 總體裝配圖 本次畢業(yè)設計最重要也是最難得部分就是傳動系統(tǒng)的設計了 這是我截得主軸 箱內部的關系 方便人們清楚直觀的看到內部結構 如圖4 7所示 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 28 頁 共 32 頁 圖4 7 主軸箱內部圖 4 3 有限元分析 Pro E 的有限元分析可以直接通過軟件對自己設計的作品進行虛禮的校核 檢 驗它的質量 對設計產品有重大的意義 對床身部件進行 Pro E 的有限元分析如下 面步驟所示 在軟件里面對床身進行材料的定義 接著對床身進行約束如圖 4 8 所 示 然后利用軟件對床身進行有限元分析結果如圖 4 9 所示 床身的相關設置和約束如下 圖 4 8 床身約束 床身有限元分析的結果 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 29 頁 共 32 頁 圖 4 9 床身有限元分析 從圖上我們可以最危險的范圍在最上面紅色部分 9 987e 從圖上看 這段范圍 很小 中間的部分從 6 00e 到 8 00e 這段處于中間位置 而越往下是越安全的最安 全的是 1 00e 從圖上看床身設計還是符合要求的 按照上面的步驟對主軸進行 Pro E 的有限元結果如圖 4 8 所示 圖 4 10 有限元分析 從圖上我們可以最危險的范圍在最上面紅色部分 1 984e 從圖上看 這段范圍 很小 中間的部分從 1 200e 到 1 800e 這段處于中間位置對主軸有點影響 而越往 下是越安全的最安全的是 1 00e 從圖上看主軸設計還是符合要求的 4 4 本章小結 本章主要介紹了Pro E部分 由于我的課題就是和它密切相關 所以單獨立了 一塊 先講到了Pro E的重要性 然后把自己的作品中一些重要的零件盒裝配圖截 圖出來呈現給大家 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 30 頁 共 32 頁 結束語 隨著科學技術的發(fā)展 人們對自動化的要求越來越高 數控技術發(fā)展越來越快 數控車床在數控機床中占的份額也越來越來高 所以深入對數控車床的研究具有很 重要的意義 通過做本次畢業(yè)設計 我從中學到了很多知識其中包括車床的傳動系統(tǒng) 原來 我一直認為主軸內部結構十分復雜 自己無法勝任 但是經過一步一步的認真學習 和研究 我從中學到很多知識 進一步得認識到自身的不足 在傳動系統(tǒng)中 我了 解到了車床的幾種傳動系統(tǒng) 分清它們之間的區(qū)別 根據老師給的任務書的要求 選擇自己需要選擇的那種 再按步驟選擇需要的電機 根據老師的要求我最終選擇 了調頻主軸電動機 其特點是電機的轉速可以改變 然后就是一些零件的選取如軸 承 鍵等 后面就是主軸部件的設計了 也就不多說了 最后通過Pro E畫本次設 計中出現的所有零件 通過Pro E里面的裝配模塊 對所畫的三維模型進行裝配 經過本次的設計 我很明顯意識到自己有很多知識掌握的不夠牢固 很多知識點的 理解也是迷迷糊糊 所以我需要沉下心來認真學習才能更好的理解掌握所學知識 這次的畢業(yè)設計也提高我的實踐能力 對數控車床有進一步了解 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 31 頁 共 32 頁 致 謝 本次畢業(yè)設計是由殷勁松老師指導的 在這次設計過程中殷老師給我提供了很 大的幫助 可以這么說 如果沒有殷老師的幫助 我的畢業(yè)設計很難完成 殷老師 平易近人 關心學生 他常常和我們學生打成一片 和他在一起我們都很開心 殷 老師對待學術很嚴謹 同樣也嚴格的要求我們認真對待知識 殷老師認真得指導我 們 我們都很享受他給我們帶來的知識 在本次設計過程中遇到一些很難想象的地 方 老師會帶領我們去現場看實際的機床 這樣做起了就更方便了 所以在此衷心 的感謝殷老師 感謝他對我的幫助 本次畢業(yè)設計我們是四個人一起合作的 在此過程中 每個人都有付出 謝謝 大家 當然還要謝謝其他老師的幫助 他們給我們提供了很多資源 讓我們能夠很 快的解決疑難問題 最后謝謝學院里教過我的 幫助過我的所有老師 謝謝你們 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 32 頁 共 32 頁 參 考 文 獻 1 陳嬋娟 數控車床設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2006 2 戴玲 淺析數控技術及其發(fā)展趨勢 智能化數控系統(tǒng) J 科學大眾 科學教 育 2011 12 136 136 3 鄧世凱 數控技術的進展及我國數控技術發(fā)展 J 科技傳播 2012 02 66 66 4 白雪銀 數控車床在機械生產中的作用 J 科技創(chuàng)新導報 2011 13 111 112 5 吳宗澤 羅圣國 機械設計課程設計手冊 M 北京 高等教育出版社 2006 6 劉潔 徐志忠 數控車床主軸與軸承配置方式的分析 J 機械 2000 03 7 孫恒 陳作模 葛文杰 機械原理 M 北京 高等教育出版社 2010 8 濮良貴 紀名剛 機械設計 M 北京 高等教育出版社 2006 9 徐灝主編 機械設計手冊第 5 卷 S 北京 機械工業(yè)出版社 1992 10 余茂祚 現代實用機床設計手冊 S 北京 機械工業(yè)出版社 2006 11 喬建軍 王保平 胡仁喜 Pro E野火5 0 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 12 劉鴻文 材料力學 M 北京 高等教育出版社 2009 13 周斌 機電一體化實用手冊 S 北京 兵器工業(yè)出版社 2001 14 文懷興 基于Pro E的數控機床主軸箱的設計與運動仿真 J 陜西科技大學 學報 自然科學版 2000 01 4 5 15 林清安 Pro ENGINEER野火3 0中文版動態(tài)機構設計與仿真 M 北京 電子 工 業(yè)出版社 2007 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 第 33 頁 共 32 頁