毕业设计方案 题 目 CXH500数控车铣复合机床主传动系统设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程

二〇一七 年 月 日 毕业设计方案

济南大学 - 1 - 设计题目 CXF500数控车铣复合机床主传动系统设计 一、选题背景与意义 1. 选题背景及国内外研究现状 车铣复合机床在数控车床的基础上增加了主轴分度和动力刀架功能，可以实现曲面、端面车削以及工件圆柱面的铣削、钻孔、攻丝等功能。1982年，奥地利林茨机床公司（WFL）开发出了全世界第一台车铣数控专用机床——WVC500S车铣加工中心。经过近20年的不断努力，车铣复合机床已经能实现车削、铣削、镗削、插齿及滚齿等多种加工。进入21世纪以来，数控车铣复合机床发展非常迅速，不仅规格齐全，硬件功能完善，且软件功能也十分强大，如WFL的M系列和MAZAK的E-H系列等[1]。目前，先进的五轴车铣复合机床除了可以进行车、铣、钻、镗、攻丝等加工外，还可以进行镗型腔、钻深孔、滚齿、铣叶片以及进行磨削加工和工件的在线测量，实现各种误差补偿、刀具在线监控和适应控制等。国外的主流车铣复合机床呈现出了配有仿真系统、多轴控制扩大机床加工能力及高速度、高精度、智能化的特点，其应用也由单机向系统化、集成化和网络化的高层次发展。 我国数控车铣复合机床的研制工作起步比较晚，在2001年由沈阳数控机床厂制造出我国第一台SSCKZ63-5五轴车铣复合机床，该机床引进了德国玛斯廖拉公司（MAXMULLER）的技术，达到了国际90年代末的水平。现在通过国家相关的政策的支持，我们在车铣复合加工机床成功取得多方面突破，例如：攻克了动力驱动单元，大直径大通孔的高速强力主轴，刀架，机床热平衡，精度补偿等多项关键技术，主传动兼顾了大扭矩输出和高速输出。开发出五轴车铣复合加工中心并完成了系列化，规格化产品的设计和生产。 由于我们的整体技术基础不太坚实，和国外技术相比缺少数十年的经验积累，加之加工手段和工艺性比较薄弱，整体车铣复合加工技术和欧洲和日本相比还有不小的差距。目前国际上最先进的车铣技术仍掌握在MAZAK,OKUMAMORISEIKE,DMG和WFL等一流的机床生产商手中[2]。 2. 选题的目的及意义 车铣复合加工技术的先进理念就是提高产品质量和缩短产品制造周期，是一种集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术的先进机械加工技术。该技术提供了一种完善的加工解决方法：一次装夹可实现零件多个表面或复杂形面的加工，大大简化了工件装夹和刀具系统的复杂性，减少了夹具和非生产时间。此次设计的目的是根据给定的技术参数对加工中心的主传动系统的结构进行设计，得出最优的主传动系统设计方案，使之达到高自动化、高柔性、高精度、高效率的性能。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。 毕业设计方案 济南大学 - 2 - 二、设计内容 1. 设计内容研究 数控车铣复合机床主传动系统主要由伺服电机、齿轮传动、主轴组件、 C轴及其传动组成, 可实现主运动传动和主轴夹持工件的分度。本毕业设计的主要内容为数控车铣复合机床主传动系统设计, 包括主传功系统方案设计、装配图及零件图设计，以及进行相关的计算和重要零件的校核。详细设计内容如表1所示。 表1 详细设计内容

设计内容 具体设计分析

车铣复合主传动运动设计 (1) 分配各级传动比，拟定结构式或结构网 (2) 拟定转速图，并画出转速图 (3) 确定各传动构件的形式及结构尺寸 (4) 设计各级传动轴 (5) 根据运动参数，确定各级轴的支撑构件等 (6) 设计主轴，拟定主轴组件，确定主轴组件 的润滑与密封方式 (7) 根据标准，对各级传动轴及主轴等进行校核

C轴控制传动设计 (1) 传动装置 (2) 结合、分离装置

主传动系统结构设计 (1) 传动构件的布置与排列 (2) 主传动的开停、制动装置 (3) 车铣复合机床主轴箱的构造 主要参数：最大回转直径（mm）：Φ500 主轴转速(rpm)：45-4500 主电机功率(KM)：11/15 C轴分度：0.001°，360连续 课题的主要要求有： （1）相关外文翻译资料一份（译文字数不少于2000汉字）； （2）毕业实习报告一份（约5000字）； （3）毕业设计方案1份，且符合毕业设计规范； （4）总设计图量不少于3.0张A0，其中手工绘图不少于折合成图幅为A0号的图纸1张，计算机辅助绘图不少于折合成图幅为A0号的图纸1张，装配图有充分的零件图支撑； （5）设计说明书1份（不少于1.2万字），查阅文献15篇以上，外文文献2篇以上。 毕业设计方案 济南大学 - 3 - 2. 预期研究结果 通过本次课题设计任务书上的要求，运用所学相关理论及专业知识，经过设计计算、结构设计、关键零部件校核等手段设计出满足使用要求、符合国家标准的数控车铣复合机床主传动系统，使其能满足给定主要参数的要求, 并实现定位精度高，运行过程平稳等优点。

三、设计方案 1. 主轴传动方案的确定 在机床设计中有多种主轴传动方式，一般根据不同加工场合的工艺要求及传动方式自身特点进行选择，为了确定最为优化的车铣复合机床主轴的传动方式，以下列举出了几种常见的传动方式，并且根据本设计的具体要求拟定适合的方案 1.1 主轴传动类型

图1 主轴传动方式 (1) 带有变速齿轮的主传动(图a)，一般大、中型数控机床多采用这种方式。通过少数几对齿轮传动来扩大变速范围。由于电动机在额定转速以上的恒功率调速范围为2~5，当需要扩大这个调速范围时常用变速齿轮的办法来扩大调速范围，滑移齿轮的位移大都采用液压拨叉变速机构来实现。齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长和传动比固定的特点，但是，在实际齿轮制造以及安装要求需要很高的精度导致成本较高，而且传动距离受限制，不宜有太远距离跨度[3]。 (2) 带传动方式(图b) 这种方式主要应用在转速较高、变速范围不大，低转矩的小型数控机床上，电动机本身的调整就能满足要求，不用齿轮变速，可避免齿轮传动时引起震动和噪声的缺点，但它只适用于低扭矩特性要求。常用的有同步齿形带、多楔带、v带、平带。 (3) 两个电动机分别驱动主轴(图c) 这是上述两种方式的混合传动类型，兼有上述两种方式毕业设计方案 济南大学 - 4 - 的性能。高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，因而就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够，且电动机功率不能充分利用的问题，但两个电动机不能同时工作。 (4) 调速电机直接驱动的主传动 一种为：主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接(图d)，优点为结构紧凑，传动效率高，但主轴转速的变化及输出完全与电动机的输出特性一致，因而受一定限制。另一种为：内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体(图e)。优点为结构紧凑，惯性小，可提高启动、停止的相应特性，缺点为电动机发热使主轴产生变形。因此，要注意温度控制。这种方式大大简化了主轴箱体与主轴的结够，有效提高了主轴部件的刚度，但是主轴输出扭矩小，电机发热对主轴影响较大。 1.2 主轴传动方案分析比较及方案确定 结合本次数控车铣复合机床主传动系统设计要求及上述各传动方式优缺点，本次设计采用传动效率高、结构紧凑、机械工作寿命长的带有变速齿轮的主传动方式，采用液压拨叉变速机构实现滑移齿轮变速。 2. C轴控制传动方案设计 2.1 C轴控制传动类型 方案一 精密蜗杆副C轴结构 C轴的分度和伺服控制采用可啮合和脱开的精密蜗杆蜗轮副结构。它有一个C轴的分度和伺服控制采用可啮合和脱开的精密蜗轮副结构,它由一个伺服电动机驱动蜗杆1及主轴上的蜗轮3。当机床处于铣削或钻削状态, 即主轴需要通过 C轴分度或对圆周进给进行伺服控制时, 蜗轮与蜗杆啮合, 该蜗轮蜗杆副由一个可固定的精确调整滑块来调整, 以消除啮合间隙。 C轴的分度精度由一个脉冲编码器7来保证。如下图所示。

图2.1 精密蜗杆副C轴结构 1-蜗杆 2-主轴 3-蜗轮 4-齿形带 5-主轴电动机 6-齿形带 7-脉冲编码器 8-C轴伺服电机 9-传送带 毕业设计方案 济南大学 - 5 - 方案二 滑移齿轮控制的C轴传动 图2.2为经滑移齿轮控制的C轴传动图, 由主轴箱9和C轴控制箱16组成。主轴在一般车削状.态时,换位液圧缸6使滑移齿轮5与主轴齿轮7脱开,制动液圧缸10脱离制动,主轴电动机通过皮带驱动主轴8旋转。当主轴需要C轴控制作分度或回转运动时,主轴电动机处于停止状态,滑移齿轮5与主轴齿轮7啮合，在制动液圧缸10未制动状态下, C轴伺服电机15根据指令脉冲值旋转，通过C轴变速箱变速, 经滑移齿轮5、主轴齿轮7使主轴分度，然后制动液圧缸使主轴制动。当进行铣削时, 除制动液压缸制动主轴外, 其他动作与上述相同, 此时主轴按指令作缓慢的连续旋转进给运动。

图2.2 滑移齿轮控制的C轴传动 1~4-传动齿轮 5-滑移齿轮 6-换位油缸 7-主轴齿轮 8-主轴 9-主轴箱 10-制动油缸 11-带轮 12-主抽制动盘 13-齿形带轮 14-脉冲编码器 15-C轴伺服电动机 16-C轴控制箱

方案三 带C轴功能的主轴电动机直接控制 C轴控制除了以上介绍的用伺服电机通过机械结构实现外, 还可以用带 C轴功能的主轴电动机直接进行分度和定位。