1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页目 录1 引言12 数控机床概况22.1 数控机床的产生与发展22.2 数控机床的发展趋势23 数控车床的简介33.1 数控车床的组成及工作原理33.2 数控车床的特点43.3 数控车床的适用范围44 数控车床的设计64.1 数控车床的设计方法和特点64.2 数控机床的设计步骤65 CK6150数控车床主轴箱设计85.1 数控车床主传动系统的发展85.2 主传动系统的设计要求85.3 主传动系统设计105.4 动力设计115.5 带传动设计146 主轴组件的性能要求187 主轴结构及热处理要求19结束语20致谢21参考文献22 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 22 页1 引言机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和
2、制造水平，也将促进设计方法的现代机床设计是学生在学完基础课，技术基础课及有关专业课的基础上，结合机床传动部件（主轴变速箱）设计进行的综合训练。我们毕业设计题目是CK6150数控车床的主轴箱设计。在本设计中首先进行参数拟定，运动设计，动力计算和结构草图设计，轴和轴承的验算，主轴箱装配设计，设计计算说明书等内容。设计主轴变速箱的结构包括传动件（传动轴，轴承，带轮，离合器和制动器等），主轴组件，操纵机构，润滑密封系统和箱体及其联接件的结构设计与布置，用一张展开图和若干张横截面图表示。课程设计限于时间，一般只画展开图及一或两个截面图。主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。2 数控机床概况2.1 数
3、控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。2.2 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度（定位精度：微米级、纳米级）、高速度（主轴转速10000r/min，快速进给24m/min，换刀时间23s）、高柔性（多主轴、多工位、多刀库）、多功能（立卧并用、复合加工）和高自动化（自动上下料、自动监控、自动测量和通信功能）是数控机床的重要发展趋势1。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS
4、和美国的AB公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1um，高速进给可达100m/min，控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺2。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。3 数控车床的简介3.1 数控车床的组成及工作原理数控车床由:程序编制及程序载体、输入装置 、 数控装置、伺服驱动、位置检测装置、辅助控制装置、车床本体等几部分组成。如图3.1所示：图3.1 伺服系统总体方案框图在传统的金属切削机床上，加工零件时操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹，运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。数控车床的加工其实质是应用了“微分”原理。其工作原理与过程可简述如下：(1) 数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按车床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量）进行微分，并计算出各
5、轴需要移动的脉冲数。(2) 通过数控装置的插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用最小移动单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。(3) 数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使车床坐标轴按分配的脉冲运动。 由上可见：(a) 只要数控车床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就完全可以等效代替理论曲线；(b) 只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的；(c) 只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控车床控制刀具移动轨迹的根本目的。3.2 数控车床的特点(1) 加工对象改型的适应性强 由于在数控车床上改变加工零件时，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的车床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整车床。(2）加工精度高 数控车床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量（即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量）一般达到了0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补
6、偿，因此，数控车床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。3(3）生产效率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控车床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般车床高得多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通车床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。(4）自动化程度高 数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均大为减小，劳动条件也得到相应的改善。(5）良好的经济效益 使用数控车床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。(6）有利于生产管理的现代化 用数控车床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些都有利于使生产管理现代化。3.3 数控
7、车床的适用范围数控车床与卧式车床一样，也是用来加工轴类或盘类的回转体零件。但是由于数控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。数控车床确实存在一般车床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控车床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控车床通常最适合加工具有以下特点的零件。多品种小批量生产的零件 通常采用数控车床加工的合理生产批量在10200件 之间。目前有向中批量发展的趋势。结构比较复杂的零件 通常数控车床适宜于加工结构比较复杂，在非数控车床上加工时需要有昂贵的工艺装备的零件。需要频繁改型的零件 它节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。价格昂贵、不允许报废的关键零件。需要最短生产周期的急需零件。数控车床的初始投资相对较大，由于系统的复杂性，又增加了维修费用。如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控车床加
8、工时，需要进行反复对比和 细的经济分析，使数控车床发挥它的最佳经济效益。4 数控车床的设计4.1 数控车床的设计方法和特点（1）数控车床的设计方法在过去的机床设计中多采用类比法，以古典力学和数学为基础的简单公式或经验数据进行手工计算和手工设计，设计效率低、质量差、周期长。随着科学技术的进步和社会需求的变化，数控车床的设计理论和技术也在不断地发展。特别是近年来计算方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，尤其是计算机技术的广泛应用，为机床设计方法的发展提供了有力的技术支撑。车床的设计方法是根据其设计类型而定。普通车床采用系列化设计方法。系列中基型产品属创新设计类型，其他属变型设计类型。在创新设计类型中，车床总体方案的产生方法可采用分析式设计或创成式设计。前者是用类比分析、推理方法产生方案，是目前创新设计一般采用的方法。后者则用创成解析的方法生成方案，创新能力强，这种方法尚在研究发展之中。（2）设计方法的特点 数控车床设计方法与现代科技发展相适应，具有明显的特点。(a) 设计手段计算机化(b) 设计方法综合化(c) 设计对象系统化(d) 设计目标最优化(e) 设计问题模型化
9、(f) 设计过程程式化与并行化4.2 数控机床的设计步骤数控车床的设计内容及步骤大致可概括为以下几方面。(1) 主要技术指标设计主要技术指标设计是后续设计的前提和依据。设计任务的来源不同，如工厂的规划产品，或根据车床系列型谱进行设计的产品，或用户定货等，虽具体的要求不同，但所要进行的内容大致相同。主要有以下技术指标。(a) 用途 指数控车床的工艺范围，包括加工对象的材料、质量、形状及尺寸等。(b) 生产率 包括加工对象的种类、批量及所要求的生产率。(c) 性能指标 包括加工对象所要求的精度或数控车床的精度、刚度、热变形、噪声等性能指标。(d) 主要参数 即确定数控车床的加工空间和主要参数。(e) 驱动方式 数控车床电动驱动方式分为步进电动机驱动与伺服电动机驱动。驱动方式的确定不仅与机床的成本有关，还将直接影响传动方式的确定。(f) 成本及生产周期 无论是定货还是工厂规划的产品，都应确定成本及生产周期方面的指标。(2) 总体方案设计 总体方案设计包括以下几方面设计。(a) 运动功能设计 包括确定数控车床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出数控车床的运动功能图。(b) 基本参数设计 包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。(c) 传动系统设计 包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。(d) 总体结构布局设计 包括运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构方案图设计。(e) 控制系统
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