数控车床主传动系统及数控系统设计.docx
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数控车床主传动系统及数控系统设计
1绪论
课题背景及目的
我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有万台，即我国机床数控化率不到3％。
近10年来，我国数控机床年产量约为～万台，年产值约为18亿元。
机床的数控化率仅为6％。
这些机床中,役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。
可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。
用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。
所以必须大力提高机床的数控化率。
而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：
1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高3～7倍。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。
4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。
因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。
此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
由于以上优越性，数控机床所占的比例逐渐增大。
从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。
可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑,数控机床的消费会逐渐扩大。
[2]
在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床——CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。
通过本次设计培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能及能力得到训练和提高。
此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。
国内外研究现状及发展趋势
1.2.1数控系统的发展趋势
自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。
目前，数控系统正处于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未来数控系统将呈以下发展趋势：
1、继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。
2、向高速化和高精度化发展
3、向智能化方向发展
（1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展
数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
（2）引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。
（3）引入故障诊断专家系统
（4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行[3]。
1.2.2我国数控车床的研究现状及发展趋势
1、研究现状
我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。
目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。
（1）床身
按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的5种布局形式。
一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。
平床身工艺性好，易于加工制造。
由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。
平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。
斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：
☆容易实现机电一体化；
☆机床外形整齐、美观，占地面积小；
☆容易设置封闭式防护装置；
☆容易排屑和安装自动排屑器；
☆从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；
☆宜人性好，便于操作；
☆便于安装机械手，实现单机自动化。
（2）导轨
车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。
滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。
但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。
目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。
它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。
滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。
根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。
后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。
a）后斜床身-斜滑板b）直立床身-直立滑板
c）平床身-平滑板d）前斜床身-平滑板e）平床身-斜滑板
图床身布局型式
（3）主轴变速系统
经济型数控车床大多数是不能自动变速的，全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。
目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。
由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。
（4）刀架系统
按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。
排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。
回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架。
根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，回转刀架分为立式刀架和卧式刀架两种。
排刀式刀架和回转刀架对刀具的数目有一定的限制，当需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。
（5）进给传动系统
数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统，按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。
前者定位精度低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它对机床的要求比较高，且造价较昂贵。
闭环系统中采用的位置检测装置有：
脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。
数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。
伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。
前者由于具有可靠性高、造价低等特点而被广泛采用[4]。
2、发展趋势
（1）高速、高精密化
当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。
另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。
（2）高可靠性
（3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化
采用CAD技术以替代人工完成繁琐的绘图工作，进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，以及对整机各工作部件进行动态模拟仿真。
这样大大提高了工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。
（4）功能复合化
扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工。
（5）智能化、网络化、柔性化和集成化[5]。
课题研究内容及方法
1.3.1课题研究内容
本课题设计的数控车床的主要参数如下：
工件最大回转直径:
«SkipRecordIf...»;最大加工直径:
«SkipRecordIf...»
横向最大行程（X轴）:
«SkipRecordIf...»,纵向最大行程（Z轴）:
«SkipRecordIf...»
最大车削长度:
«SkipRecordIf...»;X,Z轴的最小设定单位为:
«SkipRecordIf...»
主轴最大/最小转速:
«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»
快速进给速度:
纵向:
«SkipRecordIf...»,横向:
«SkipRecordIf...»
课题研究的主要内容包括主轴传动系统的设计、编码盘的安装、液压卡盘的设计安装及数控系统的设计。
1.3.2研究方法
第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：
普通数控车床最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。
第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。
第三步，初步确定总体设计方案：
1、软件方面综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功能是否与CK20的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。
选择了SINUMERIK802D机床微机控制系统。
2、硬件方面
（1）根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局；
（2）选择主电机。
根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型号；
（3）设计主传动系统及箱体。
由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动方式。
论文构成
本论文构成如下：
第一章阐述课题的研究背景及内容。
第二章详细论述主轴系统包括各传动轴的结构设计。
第三章详细介绍液压卡盘的设计选用。
第四章阐述数控系统的选择及其设计。
第五章提供了在本机床加工一典型零件的程序。
第六章总结本课题设计的特点及其有待改进之处。
论文最后是本次毕业设计的心得和参考文献。
2主传动系统的设计
主传动系统的设计要求
数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：
1、具有更大的调速范围，并实现无级调速;
2、具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低;
3、良好的抗振性和热稳定性.
总体设计
2.2.1拟定传动方案
数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。
这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。
无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。
由于数控机床的主运动的调速范围较大（«SkipRecordIf...»），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。
因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。
为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图：
有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。
液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。
液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。
但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。
图主轴传动图
电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。
电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。
通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。
电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式[6]。
2.2.2选择电机
1、选择电机应综合考虑的问题
（1）根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。
（2）根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。
所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取～。
（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。
（4）根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。
（5）根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。
此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素[11]。
2、电动机类型和结构型式的选择
由于不同的机床要求不同的主轴输出性能（旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等），因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。
总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷[9]。
表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。
下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。
表理想主轴驱动系统性能
项目
内容
高性能
低速区要有足够的转矩
宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩
高旋转精度
高动态响应
高加减速,起制动能力
具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化
高效率,低噪声
低价格
低购买价格,低维护价格,低服务价格
通用要求
耐用性,可维护性,安全可靠性
感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。
经过对比分析本设计中决定采用FANU«SkipRecordIf...»系列交流主轴电机。
«SkipRecordIf...»系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。
3、电动机容量的选择
选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。
决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。
电动机发热与其工作情况有关。
但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算[9]，本设计中电机容量按以下步骤确定：
（1）确定主轴切削力（如无特殊说明，该小节计算方法均出自资料7）
确定主轴材料为45号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为44HRC，单位切削力为«SkipRecordIf...»（«SkipRecordIf...»）.
切削用量范围：
«SkipRecordIf...»
主切削力«SkipRecordIf...»：
«SkipRecordIf...»
取«SkipRecordIf...»
切深«SkipRecordIf...»取«SkipRecordIf...»，进给量取«SkipRecordIf...»。
切削功率：
«SkipRecordIf...»
（2）确定电机输出动率Pd
«SkipRecordIf...»
传动装置的总效率«SkipRecordIf...»
其中，«SkipRecordIf...»―圆柱直齿轮传动效率，由资料[12]，表2－4查得«SkipRecordIf...»＝；；
«SkipRecordIf...»―Ⅱ轴轴承效率，由资料[12]，表2－4查得
«SkipRecordIf...»＝×＝；
«SkipRecordIf...»―Ⅲ轴（主轴）轴承效率，由资料[7]，表2－4查得
«SkipRecordIf...»＝×＝。
由此，«SkipRecordIf...»＝××׫SkipRecordIf...»。
故，«SkipRecordIf...»
（3）选择电动机额定功率«SkipRecordIf...»
如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取～，所以电动机额定功率选取为11«SkipRecordIf...»。
（4）电动机电压和转速的选择
由资料[10],表22－1－9，小功率电动机一般选为380V电压。
所以本电机的电压可选为380V。
同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。
一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。
选用转速低的电动机则情况相反。
要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。
[10]
本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为«SkipRecordIf...»。
由于只有一根中间
传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。
轴上齿轮传动比确定为«SkipRecordIf...»，
轴上两对直齿轮的传动比分别为«SkipRecordIf...»，«SkipRecordIf...»。
所以两条传动链中，高速传动链传动比«SkipRecordIf...»，低速传动链传动比«SkipRecordIf...»。
由此可得电机的转速范围:
«SkipRecordIf...»
（5）确定电机的型号
由前面信息，可选取FANUC交流电机，型号为«SkipRecordIf...»。
这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为α系列的后续产品，具有更先进的节能效果。
电机参数如下表所示：
表电机参数
型号
额定功率
连续30min功率
最低转速
最高转速
重量
振动
冷却
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
机座长为«SkipRecordIf...»，电机轴径为«SkipRecordIf...»，轴伸为«SkipRecordIf...»，中心高«SkipRecordIf...»，其余安装尺寸及其外形由资料[8]得[8]。
2.2.3计算各轴计算转速、功率和转矩
1、各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料[12]）
首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式：
«SkipRecordIf...»；
然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速，
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
上式中«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»的意义如前所述。
2、各轴输入功率
«SkipRecordIf...»=«SkipRecordIf...»＝11Kw
«SkipRecordIf...»＝«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»＝«SkipRecordIf...»
上式中，«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»的意义如前所述。
3、各轴输入转矩
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
将以上计算结果整理后列于表，供以后计算选择，供以后计算使用：
表各轴的传动参数
参数轴
I轴（电机轴）
II轴（中间传动轴）
III轴（主轴）
计算转速（«SkipRecordIf...»）
746
373
145
输入功率（Kw）
11
转矩（«SkipRecordIf...»）
传动比
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»，«SkipRecordIf...»
2.2.4转速图
由电机的转速范围（包括恒功率变速范围）和各轴传动比,作数控车床的转速图,见图2-2.
«SkipRecordIf...»
图转速图
2.2.5传动图
初定数控车床的传动图,如图2-3.
图传动图
轴系部件的结构设计
2.3.1I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料[14]）
I轴上的零件主要是齿轮1。
一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。
1.选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数.
根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.
（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级精度.
（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.
（3）选小齿轮齿数«SkipRecordIf...»大齿轮齿数«SkipRecordIf...»
2.按齿面接触强度设计
由设计计算公式（10-9a）进行试算,即
«SkipRecordIf...»
1）确定公式内的各计算数值
（1）试选载荷系数«SkipRecordIf...»
（2）计算小齿轮传递的转矩
由上文可知为«SkipRecordIf...»
（3）由表10-7选取齿宽系数«SkipRecordIf...»
（4）由表10-6查得材料的弹性影响系数«SkipRecordIf...»
（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限«SkipRecordIf...»大齿轮的接触疲劳强度极限«SkipRecordIf...»;
（6）由式10-13计算应力循环次数
«SkipRecordIf...»
（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数«SkipRecordIf...»
（8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得
«SkipRecordIf...»
2）计算
（1）小齿轮分度圆直径«SkipRecordIf...»，代入[«SkipRecordIf...»]中较小的值
«SkipRecordIf...»
（2）计算圆周速度«SkipRecordIf...»
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