2021电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计方案论证

电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计方案论证学校毕业设计方案题目电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级学生学号指导教师二一五年四月六日学院机械工程学院专业机械工程及自动化学生学号设计题目电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计一、选题背景与意义1.国内外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。但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国内机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。主轴传动系统机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级变速传动是在一定范围能均匀的、离散地分布着有限级数的转速，主要用于普通机床。无级变速形式可以在一定范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳转速，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用无级变速。与普通车床相比，数控车床的主传动采用交、直流调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴结构大为简化。为了适应不同的加工需求数控车床主传动系统有以下三种方式。1)电动机直接驱动主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机驱动。采用直接驱动可大大简化主轴箱结构，能有效地提高主轴刚度。这种传动的特点是主轴转速的变化、输出转矩与主轴的特性完全一致。但因主轴的功率和转矩特性直接决定主轴电机的性能，因而这种变速传动的应用受到一定限制。2)采用定比传动主轴电动机经定比传动给主轴。定比传动可采用带传动或齿轮传动，这种传动方式在一定程度上能满足主轴功率和转矩的要求，但其变速范围仍和电动机的调速范围相同。目前，交流、直流主轴电动机的恒功率转速范围一般只有2-4，而恒转矩范围则达100以上；许多大、中型机床的主轴要求有更宽的恒功率转速范围。很明显，这种情况下主轴电动机的- 1 -大学功率特性和机床主轴的要求不匹配:调速电动机的恒功率范围远小于主轴要求的恒功率变速范围。所以这种变速方式多用于小型或高速数控机床。3)采用分档变速方式采用这种变速方式主要是为了解决主轴电动机的功率特性和机床主轴功率特性不匹配。变速多采用齿轮副来实现，电动机的无级变速配合变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，满足各种切削运动的转矩输出，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。4)用两个电机分别驱动主轴上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴。从1951年将计算机技术运用到机床上起，数控系统经历了数控和计算机数控两个发展阶段。目前，数控系统这个处于基于PC的第六代更新阶段。这是因为PC可靠性高、成本低、软硬件资源比较丰富等，正是因为PC的这些优点，故受到大部分数控系统生产厂家的青睐。目前，国际数控系统正向智能化方向飞速发展，数控系统可以检测出一些重要信息，而且能自动调节系统的相关参数，进而达到改进系统运行状态的目的。另外，主传动系统引入了故障诊断系统，能通过自动识别负载，调整参数，使驱动系统处于最佳运行状态。2.选题目的及意义当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度，已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。在这一背景下，对于即将毕业走向社会的我们来讲，通过选择对数控车床的毕业设计则有如下目的及意义：1)通过设计电磁离合器变速式数控车床主传动系统，了解变速式数控车床的工作原理、掌握变速式数控车床主传动系统的设计过程和方法，提高对变速式数控车床主传动系统结构的设计能力。2)通过运用所学知识及查阅相关资料，提高独立思考和解决问题的能力。3)通过对变速式数控车床主传动系统的设计，优化主传动系统、改造数控系统，对数控技术的广泛应用和推广数控机床的改造有着深远意义。4)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、编码器选择、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。- 2 -大学二、设计内容1.设计内容研究当前中低档数控车床主传动系统多采用手动变速方式，而用电磁离合器来实现车床主传动系统变速的方式将数控车床的换挡由手动式改为自动式，即可由数控指令操控。这使得数控车床更趋向于自动化，智能化。通过电动机的无级变速，配合齿轮变速机构可确保主轴的功率、转矩要求，特别是保证低速时的转矩和扩大恒功率的调速范围。采用电磁离合器变速式主传动系统，可增大数控车床的恒功率范围，既满足低速加工所需较大恒转矩的要求，也能够满足高速精加工时所需的较小的转矩和恒功率输出，扩大了数控车床的调速范围，使电机的机械特性和主轴的机械特性得到良好的匹配。现代切削加工正朝着高速、高效和高精度的方向发展，要求机床主传动系统具有更高的转速和更大的无极调速范围；在切削过程中能自动变换速度，机床结构要简单，噪声要小，动态性能要好，可靠性要高。相关设计要求：1)数控车床主轴最高转速为4500r/min，最低转速为30r/min，计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5Kw。采用交流变频主轴电动机，额定转速为1500r/min，最高转速为4500r/min，最低转速为310r/min.；2)设计分级变速传动系统，用电磁离合器完成数控车床的调速。3)数控车床作为高度自动化的机电一体化设备，其主传动系统的设计应满足如下基本要求:使用性能要求首先应满足机床的运动性能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。传递动力要求主电动机和传递结构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。工作性能要求主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形性稳定。此外，还要求主传动系统结构简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长。对于电磁离合器变速式数控车床主传动系统设计的关键主要在于主轴箱及其内部传动系统的设计，主轴箱的设计可大体分为如下几个部分：主轴传动变速部分的主要作用是完成主轴的分级变速。主轴传动是采用齿轮啮合传动的方式，通过电磁离合器实现齿轮与轴之间的运动。传动过程中必须保证其转速、强度和刚度，从而保证主轴的加工精度。主轴单元结构的设计是本次设计的一大重点。主轴单元主要包括主轴、电磁离合器、轴承、- 3 -大学轴套、预紧螺母、密封圈等。设计要求主轴最高转速为4500r/min，最大切削功率为5.5Kw。这就要求主轴轴承在保证精度的要求下，不仅能够实现较高速旋转，也能够在高速旋转的条件下实现较大功率切削，还要考虑主轴因高速旋转而受热伸长的影响，这也对轴承的润滑有了更高的要求。还要求主轴和箱体的材料和热处理得当以能够承受较大载荷从而保证加工精度。2.预期研究结果所设计的主传动系统满足主轴最高转速为4500r/min，最低转速为30r/min，计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5Kw的设计要求。并且符合机床的运动性能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系统设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠。传递结构能够提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度和抗振性，热变形性稳定。此外，主传动系统结构相对简单，便于调整和维修；工艺性好，便于加工和装配；防护性能好；使用寿命长。三、设计方案1.主传动系统传动方案的确定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，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，本方案仅采用三级机械变速机构，运动方案如下图所示。2.主传动系统有级变速自动变换方式的确定有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。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。- 4 -大学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。根据设计要求，本方案选择电磁离合器来实现主传动系统有变速的自动变换方式。3.变速式数控车床主传动系统主轴箱设计如图3-1所示，根据要求，本次设计为三级电磁离合器变速，实现齿轮与轴之间的空转来完成数控车床主轴的调速。主电动机将通过皮带连接皮带轮，将动力传送至轴，轴上三个齿轮与轴三个齿轮对应啮合，轴再通过啮合齿轮把动力传到主轴。电动机分别通过皮带轮、轴、轴，将动力传送至主轴，为减小轴轴端所受皮带的拉力，皮带轮采用卸荷式。图3.1主轴变速箱变速传动示意图- 5 -大学四、参考文献1师鸿飞,邹翠波,张彩虹.我国数控车床的现状和发展趋势J.CAD/CAM与制造业信息化,2004, 17(06).2刘锁. 数控机床主传动系统设计J. 民营科技,2013,20(08).3于国明.数控车床主传动系统方案的确定J.机械设计与制造,1992,27(10).4刘淑华,韩松,高文治.浅谈数控车床主传动系统设计J.组合机床与自动化加工技术,1999,30（9）.5韩凤益,郑堤,李香匀.数控车床传动系统优化设计J.吉林工业大学学报，1990,01（10）.6巴实.电磁离合器在简易数控及仿形机床中的应用J. 机床,1976,31(03).7王昕,吕长松.数控车床故障分析与提高可靠性的措施J.机床与液压,2008,15（09）.8周孝友.简单精确的自动执行元件_干式电磁离合器J.装备机械,1981,30（06）.9易守华.CK6140数控车床的数控系统改造D.湖南:湖南大学，2012（9）.10关慧贞,朱武君.现代数控机床主传动系统分析与设计J. 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