数控单柱立式车床横梁升降箱设计.docx

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数控单柱立式车床横梁升降箱设计

毕业设计（论文）

题目：

数控单柱立式车床横梁升降箱设计

（英文）：

ThedesignofCNCsingle-columnvertical

lathecrossbeamliftingbox

院别：

机电学院

专业：

机械电子工程

姓名：

学号：

指导教师：

日期：

数控单柱立式车床横梁升降箱设计

摘要

数控机床是实现加工工艺过程自动化的最重要措施之一，它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低成产成本，还能够加大改善工人的劳动条件。

采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。

可以消除加工过程中的操作误差。

数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。

数控技术的发展对我国工业的发展有重要作用。

本篇分为八部分，围绕着车床传动系统的设计选择，主要讲解了数控机床的基本布局原理及机构特点，传动系统的方案确定，齿轮选择校核，轴的设计等。

这里论述了传动系统装置布置，传动比的最佳分配，齿轮的设计及校核。

轴的设计，以及齿轮相关系数的去定，轴的安装及校核。

关键词：

齿轮；轴；传动系统

ThedesignofCNCsingle-columnverticallathecrossbeamliftingbox

Abstract

CNCmachinetoolmachiningprocessautomationisoneofthemostimportantmeasures,itcannotonlyimprovethequalityofproducts,improveproductionefficiency,reducetheproductioncost,butalsocanimprovethelaborconditionofworkers.

TheuseofCNCmachinetoolscanimprovethemachiningprecision,thestabilityofproductquality.Canbeeliminatedintheprocessofoperationerror.CNCequipmentisbasedonCNCtechnologyastherepresentativeofthenewtechnologyontraditionalmanufacturingindustryandburgeoningmanufacturingindustrytopenetratetheformationofintegrationofmechanicalandelectricalproducts,theso-calleddigitalequipment.ThedevelopmentofnumericalcontroltechnologytoChina'sindustrialdevelopmenthasanimportantrolein.

Thisarticleisdividedintoeightparts,aroundalathetransmissionsystemdesign,mainlyontheCNCmachine'sbasiclayoutprincipleandcharacteristicsoftheorganization,transmissionsystemscheme,gearselectioncheck,shaftdesign.Thispaperdiscussesthetransmissionsystemarrangement,optimumdistributionoftransmissionratio,geardesignandverification.Designofshaftsandgears,correlationcoefficienttodecide,shaftinstallationandchecking.

KeyWords：

Gear；Shaft；Transmissionsystem

1绪论

1.1课题研究的意义

一个国家数控技术的水平和拥有量是衡量其工业现代化程度。

衡量国家综合竞争力的重要指标，而数控技术的核心技术正是数控系统。

国内数控专家说，虽然我国在低档经济型数控机床的数控系统基本实现了国产化，但在中高档的数控系统方面完全处于累世地位。

今年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中型企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。

在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。

我国出口增幅较大的数控机床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床啦床、组合机床、液压压力机、木工机床等。

出口的数控机床品种以中低档为主[20]。

中国的制造业一定要实现从打过的强国，从低端到高端，从中国制造中国创造的转变。

制造技术实现这一转变一是要高技术化，二是要技术升级。

数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上代笔了这个国家制造业技术水平和竞争力。

随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产产品，已经为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。

数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。

加快发展机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。

因此，致力于解决提高数控设备工业应用水平，实现高速高效加工水平，具有重大现实意义和深远意义[21]。

1.2毕业设计预期目标

本次毕业设计的目的就是：

通过综合性的车床设计，从而考察学生对专业知识的掌握程度。

同时，考察锻炼学生的独立分析思考以及解决设计过程中所碰到的问题。

欲想满足的完成本次的毕业设计，就要求我们对《机械设计原理》、《机械传动》、《机械制造技术基础》等专业知识有详细的了解认识。

同时，需要我们熟练掌握并运用绘图软件，如AUTOCAD等，在设计过程中，要注意培养自己的整合信息，分析信息，处理信息的能力。

本次毕设，不仅考察了学生的专业知识，更锻炼提高了学生的动手能力，是一次难得的锻炼机会。

2数控机床概述

数控机床又称为CNC（ComputerNumericalControl）车床，即用计算机数字控制的车床。

卧式车床是靠手工操作来完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X，坐标轴的伺服电动机去控Z制车床进而安排运动部件的动作顺序，移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴类或盘类等回转体零件。

因此，数控车床是目前使用最为广泛的数控车床[1]~[2]。

2.1数控车床布局及分类

（A）数控车床的布局

数控车床的主轴，尾坐等部件相对床身的布局形式与卧式车床丛本一致，而刀架和导轨的布局形式发生了根本的变化，这是因为刀架和导轨的布局形式直接影响数控车床的实用性能及车床的结构和外观所致，另外，数控车床上都设有封闭的防护装装置[1]。

（B）数控车床的分类

随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多，规格不一的局面，对数控车床的分类可以采用不同的方法：

按数控系统的功能分：

全功能型数控车床和经济性数控车床。

按主轴的配置形式分类：

（1）卧式数控车床：

主轴轴线处于水平位置的数控车床。

（2）立式数控车床：

主轴轴线处于垂直位置的数控车床。

还有具有两根主轴的车床，成为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。

按数控系统控制的轴数分类：

（1）两轴控制的数控车床：

机床山只有一个回转刀架，可实现两坐标轴控制。

（2）四轴控制的数控车床：

机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。

对于车削中心或柔性制造单元，还要增加其他的附加坐标轴来满足机床的功能。

目前，我国使用较多的是中小规格的两坐标连续控制的数控车床[1]。

2.2数控机床的工作原理

控制介质：

对数控机床进行控制，必须在人与机床之间建立某种关系，这种联系物质称为控制介质。

常见的控制介质有穿孔带，穿孔卡和磁带等，在控制介质上存储着零件加工过程中所需见的安全数据和指令。

数控装置：

数控装置是数控机床的核心，它是根据光电读带机输送来的指令和数据码进行泽码，运算，寄存及控制，并将其结果输送到机床各个坐标的伺服系统，用以驱动机床运动。

数控机床一般由译码器、运算器、存储器、控制器、显示器、输入装置及输出装置等组成。

如图2.1所示：

图2.1数控装置逻辑框图[4]

伺服系统：

伺服系统使数控机床的重要组成部分。

它用来接受数控装置输出的指令信息并经功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工符合图样要求的零件。

由于伺服系统是数控机床的关键部件，它的伺服精度和动态响应将直接影响数控机床的加工精度，表面粗糙度及生产效率，伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。

机床：

数控机床为满足数控技术的特点和充分发挥数控机床的他点，在机床整体布局，传动系统，刀具系统，操作系统以及结构等方面，与普通机床有很大变化。

因此，需要进行对比和分析，以便使数控机床发挥它最佳的经济效益[3]。

3方案选择

本次设计对象选CK53100数控单柱立式车的横梁升降箱，使用寿命10年（19200h）。

表3.1CK53100数控单柱立式车床主要技术参数表[3]

最大车切直径

10m

工件最大重量

规定工作台转速下

80t

任何工作台转速下

25t

最大车切工件高度

3m

工作台直径

5m

刀架滑枕最大行程

1.5m

刀架水平移动最大行程

3.6m

刀架滑枕断面尺寸

240X280（mm*mm）

刀架最大切削力

60KN

工作台转速范围

0.199~37.99（r/min）

工作台最大转矩

160KN*m

刀架进给范围

垂直

0.16~400mm/min

水平

0.01~50mm/min

X、Z轴进给最小给定值

0.0012mm

X、Z快速移动速度

3m/min

横梁升降行程

3250mm

横梁升降速度

300mm/min

3.1传动系统

当原动机的输出转速，转矩，运动形式和输出轴的几何位置完全适合工作机的输入要求时，可以采用联轴器将它们直接连接，否则必须采用传动系统装筒。

机械传动系统装置的设计是一项比较复杂的工作。

在传动装制设计之前必须首先确定好机械系统的传动方案。

为了能设计出好的传动方案，不仅需要对各种传动形式的性能，运动，工作特点和适用场合等有较深入全面的了解，而且需要准备具备比较丰富的实际工作知识和设计经验[9]。

3.1.1机械传动基本形式的特点及其选用

（1）摩擦轮传动：

摩擦轮传动的特点时运转平稳，噪声小，可在运转中平稳地调整传动比，有过载保护作用，结构简单。

摩擦轮传动可用于摩擦压力机，摩擦绞年，机械无极变速器以及各种仪器等。

（2）带传动：

带传动的特点是主动从动轮的轴间距离大，工作平稳，噪声小，能缓和冲击吸收震动。

摩擦性带动有过载保护作用，结构简单，成本低，安装方便，但外形轮廓较大。

（3）链传动：

链传动的特点是主、从动轮间距范围大，平均转动比恒定，对恶劣环境的一定的适应能力，工作可靠，轴压力，但转动的速度不均匀，高速时不如带转动平稳（齿形链较好）。

链条工作时，特别是因磨损导致伸长后，容易引起共振和掉链，需增设张紧和减撼技置。

（4）齿轮传动：

齿轮传动承载能力高，速度范围大，瞬时转动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高，是所有机械传动形式中最为常见的一种传动形式，利于非圆齿轮还可实现变传动比传动，齿轮传动对制造和安装的精度低时，运转有噪声，易外齿轮传动亦无过载保护作用。

（5）蜗杆传动：

蜗杆传动的主要特点是结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，单头蜗杆可制成自锁机构。

（6）螺旋传动：

螺旋传动是一种将旋转运动变成直线运动的机械传动形式，能以较小的扭矩得到很大的轴向力，结构简单，传动平稳，无噪声，滑动螺旋可制成自锁机构。

螺旋传动广泛应用于螺旋压力机、千斤顶、金属切削机床的传导螺旋和传力螺旋，汽车，拖拉机的转向机构等，以实现微调和微调位移。

通常对于给定的条件，可以设计出各种类型的传动，因此必须就传动效率，重量，外形尺寸，制造以及费用等方面将各种可能的动方案进行比较，从其中选出一个最有利的方案[4]。

3.1.2传动系统基本比较组合

为满足同一工作机机械性能要求，往往可采用不同的传动机构，当工作机与原动机之间的速比不大时，采用单级传动机械装置即可满足要求；但当原动机的输出速度与工作机的输入转速相差较大时，在它们之间就应采用多级传动机构来变速，这就要求合理的布置多极传动机构，恰当的采用各种不同的基本传动形式，正确地安排它们在传动链中的顺序排列，以便充分的发挥它们各自的优势。

实现多级传动的方案多种多样，但其基本组合依据机械传动基水类型的特点不外乎有几种，如图3.1所示，进行传动系统组合时，应注意以下几点原则：

图3.1传动系统

（1）带传动具有传动平稳，吸震等特点，且能起过载保护作用，但由于它是靠摩擦力来工作的，因此在传的功率不变的前提下，带速较低时，故为了减小带动转动装置的尺寸和重量，应将其布置在高速级。

（2）齿轮传动具有承载能力大，传动效率高，允许速度高，结构紧凑，寿命长等特点，在机械传动方案设计时一般应首先考虑选用齿轮转动，由于斜齿圆柱齿轮传动的承载能力和平稳性比直齿圆柱齿轮传动好，故高速级或要求传动平稳的场合，宜采用斜齿圆柱齿轮传动，而对于锥齿轮传动，当其结构尺寸太大时，加工困难，承载不均匀现象严重，因此应将其布置在高速级，并限制其传动比，达到控制其结构尺寸的目的。

（3）开式齿轮传动，由于润滑条件和工作环境恶劣，磨损快，寿命短，故应将其布置在低速级。

从上诉的传动系统基本组合，可以看出减速器时传动装置中应用最广的部件。

不同形式的齿轮依据不同的布置方式即可获得不同的传动方案[11]。

3.1.3传动方案的确定

方案一：

如图3.2。

优点：

展开式圆柱齿轮减速器是减速器中最简单的，也是应用最广泛的结构；缺点：

齿轮相对于轴承位置不对称。

当轴产生弯扭变形时，载荷在齿宽上分布不均匀，因此需要轴应设计得具有较大刚度，并使高速轴齿轮远离输入端。

图3.2圆柱齿轮传动

方案二：

如图3.3。

是圆锥-圆柱齿轮减速器，适用于输入轴与输出轴轴线垂直线相交的场合。

同时，锥齿轮传速可以允许有高速传动，变化范围大，传动精确。

图3.3圆锥-圆柱齿轮传动

综上考虑，选用传动方案二[5]。

3.2电动机的选择

3.2.1选择电动机应综合考虑的问题

（1）根据机械的负载性质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，速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的升温限制，过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。

所选电动机功率应有余量，负荷率一般取0.8~0.9过大的备用功率会使电机效率低，对于感应电动机，其功率数将变坏，并使按电动机最大转矩校核强度的生产机械造价提高。

（3）根抓使刚场所的环境条件，如温度，湿度，灰度，雨水，瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，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数的要求，以及机械减迷机构的复杂程度，选择电动机额定转速。

除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性，设备的供货情况，备品备件的通用性，安装检修的难易，以及产品价格，建设赞用，运行和维修费用，生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。

选择电动机的顺序，一般可参考图3.4进行[12]。

图3.4电动机选择顺序

3.2.2电动机类型选择

电动机类型选择见表3.2

（1）对于小功率机械，或启动次数较多而电容量不大易受冲击时，不易采用同步电动机。

（2）对于大中型机械，当电网容量不大时，不宜选用笼型电动机，而选用绕线型电动机。

（3）异步电动机需带调速装置。

表3.2电动机类型[6]

负载类别

选用电动机

恒转矩和通风机负载特性的机械

选用机械特性为便特性的电动机

恒功率负载特性的机械

选用调励磁变速直流电动机或带有机械变速的就留异步电动机

无调速要求的机械

负载平稳,对启动,制动无特殊要求的长期运行的机械

小功率

普通笼型电动机

大功率

同步电动机

带周期性变动负载的机械（如带飞轮）活启动条件沉重时

大中功率

绕线性型电动机

小功率,经过载能力机启动条件校验过

高转差率电动机

某些断续运行的机械虽无调速要求,但采用交流电动机在发热启动,制动特性等方面不能满足要求活技术经济指标过低时

采用直流电动机

需要调速的机械

只要求几种转速的小功率机械

采用变换定子技术的多苏笼型电动机

对调速平化程度要求不高,且调速比不是很大时

绕线型电动机或电磁调速电动机

调速范围在1:

3以上

许连续稳定平滑调速的机械

直流电动机活变频调速电动机

需启动转矩大的机械（如电车,牵应车）

直流串励电动机

某些特殊场所（如要求防爆）又需要平滑调速时

由变频电源供电的笼型电机

某些要求调速范围不大（1:

2左右）的大功率机械以及无频繁启动,制动要求和无冲击性负载的机械

带有串级调速装置的绕线型电动机

要求调速范围不大,具有恒功率负载特性的机械

机械电器联合调速形式

3.2.3电动机功率计算及选择

计算电动机功率时，根据要求查机械的负载功率初选电动机功率首先算出（或通过实测及对比得出）生产机械静阻负载图如图3.5所示。

图3.5电动机转矩负载图Td=f（t）及速度图nD=f（t）[6]

然后根据公式初步计算电动机轴功率，根据计算功率并考虑一定的余量再初选电动机功率，随着调速范围和启动频繁程度的提高，余量系数也随之加大。

因此，选用方案二，圆锥—圆柱齿轮减速传动结构。

为了验算初选电动机是否合适，需要根据负载特性状态生产机械的工艺参数和初选电动机的参数，计算出电动机动态转矩和加减速时间，绘制电动机转矩负载图Td=f（t）或负载功率图P=f（t）．

（1）升降箱所受重力：

G=80×9.8×1000=7.84×l05N（3.1）

所受摩擦力：

f=μG（μ=0.1~0.5，取μ=0.1）（3.2）

轴向力：

F=G+f=862400N

（2）工作机所需输入功率：

Pw=Fv/1000（3.3）

=v

/1000=43.12kw

（3）电动机所需功率：

Pd=Pw/η=51.2kw（3.4）

η—为传动装置的总效率：

η=η12×η2×ηa×ηb3×ηc=0.842

η1—为圆柱齿轮传动效率，考虑本设计需用精度较高,采用7级精度（油润滑），0.98

η2—为锥齿轮传动效率，采用7级精度（油润滑）,0.97

ηa—为联轴器的效率，0.99

ηb—为滚动轴承的效率0.98

ηc—为丝杆效率，取0.99

查[6]表17-1-35初选功率为55KW的三向异步电动机Y315M-10，参数如表3.3所示：

表3.3Y315M-10参数表[6]

型

号

额

定

功

率（KW）

额

定

电

流（A）

转

速

（r/min）

效率（%）

功

率

因

数（cosu）

最大转矩额电转

电小转速额定转

噪声/dB

震

动

速

度（mm/s）

重

量（B3）

kg

1级

2级

Y315M-10

55

164

590

92.5

0.75

2.0

1.4

82

87

2.8

1120

4传动计算

4.1丝杆选择及相关参数的计算

4.1.1丝杆落幕传动的特点及应用

丝杆螺母传动的特点是：

（1）用较小的扭距转动丝杆（或螺母），可使螺母（或丝杆）获得较大的轴向牵引力。

（2）可达到很大的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。

（3）能达到较大的传动精度。

用于进给机构时，还可兼作测量元件，通过刻度船

读出直线唯一的尺寸，最小读数值可达0.001mm．

（4）传动平稳，无噪声。

（5）在一定条件下能辎锁，即丝杆螺母不能进行逆传动。

适川于做部件升降传动，

可防止部件因自重而自动降落[11]。

4.1.2丝杆螺母传动分类

机床常用丝杆螺母传动的分类、及各自应应用特点见表4.1。

根据丝杆性能分析比较，及本设计中工作要求，选用静压丝杆。

表4.1丝杠螺母转动的分类，优缺点及应用[6]

分类

螺母类型

缺点

优点

应用

滑动丝杠螺母传动

（1）半螺母

（2）开合螺母（3）单个整流体

（4）双螺母

（1）滑动摩擦阻力大，亦磨损

（2）传动效率低

（1）结构简单，加工方便，成本低廉

（2）在一定条件下（螺纹升角＜摩擦角）能自锁

广泛用于一般机床上的进给，调整和定位机构

滚珠丝杠螺母传动

（1）单螺母

（2）双螺母

（1）加工较复杂，成本较高

（2）结构较复杂，安装调整较困难

（3）不能自锁

（1）滚动摩擦系数小，传动效率高

（2）动作灵敏，能进行逆传动

（3）磨损小，精度保持性好

（4）运动平稳

用于精密机床，数控机床等的进给机构

滚动螺母丝杠传动

螺母由三个滚动组成（滚柱的外圆是没有螺纹升角的环形齿圈）

（1）由三个滚柱构的螺母，结构较复杂，体积较大

（2）精度，寿命均不及滚柱丝杠螺母传动高

（1）用滚动摩擦代替部分滑动摩擦，传动效率比滑动丝杠螺母高，但不及滚珠

（2）制造比滚柱丝杠螺母较容易

用于平面磨床魔头的垂直进给机构，亦有用于数控机床（代替滚珠丝柱杆螺母传动）

液体静压丝杠螺母传动

单个整体螺母（在螺母的螺纹面上开有通压力油的油腔）

（1）螺母结构复杂，加工困难，对螺母的螺纹直径，螺距大小均有限制

（2）需要一套过滤良好的供油装置（3）安装调整较困难

（4）不能自锁

（1）丝杠螺母油高刚度的油膜，能使现无间隙正反相传动，定位精度高

（2）油膜有平均丝杠螺母制造误差的作用，大大提高了丝杠的传动精度（3）承载能力大，刚度高，抗震性好，传动平稳（4）液体摩擦系数小，传动效率高，寿命长

用于传动精度高，定位精度准确及传动效率要求较高的机床（高精度螺纹磨床，非圆齿轮插齿机，重型机床等）

4.1.3丝杠螺母转动的导程，效率和驱动扭矩的计算

（1）导程S

d2=

=0.65

=182mm（4.1）

丝杠螺母传动时，当回转件的转速为n（r／min），移动件的线速为v（mm／min），则丝杠的导程S为：

S=300L/n=300L/nw（4.2）

查[6]表3-4-7，由于是低速，且润滑良好，材料是钢，故，[P]=7.5~13MPa，取[P]=l0MPa。

查[6]表5-7-6，丝杠的外径，t=10mm，相关参数如下表4.2。

表4.2丝杠相关参数一览