ｘｘ學校
畢業設計方案
題目電磁離合器變速式數控車床
主傳動系統設計
學院機械工程學院
專業機械工程及自動化
班級學生
學號指導教師
二〇一五年四月六日
學院機械工程學院專業機械工程及自動化
學生學號
設計題目電磁離合器變速式數控車床主傳動系統設計
一、 選題背景與意義
1. 國內外研究現狀
我國數控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大工具機廠家的不懈努力，通過採取與國外著名工具機廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的工具機製造水平有了很大的提高，其產量在金屬切削工具機中占有較大的比例。目前，國產數控車床的品種、規格較為齊全，質量基本穩定可靠，已進入實用和全面發展階段。但數控工具機的產品競爭力在國際市場中仍處於較低水平，即使在國內市場也面臨著嚴峻的形勢：
一方面國內市場對各類工具機產品特別是數控工具機有大量需求，而另一方面卻有不少國產工具機滯銷積壓，國內工具機產品充斥市場，嚴重影響我國數控工具機自主發展的勢頭。這種現象的出現，除了有經營上、產品質量上和**手段上等的原因外，乙個最主要的原因就是新產品（包括基型、變型和專用工具機）的開發周期長，不能及時針對使用者的需求提供滿意的產品。
主軸傳動系統
工具機主傳動系統可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定範圍能均勻的、離散地分布著有限級數的轉速，主要用於普通工具機。無級變速形式可以在一定範圍內連續改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳轉速，能在運轉中變速，便於自動變速。
數控車床的主傳動系統通常採用無級變速。
與普通車床相比，數控車床的主傳動採用交、直流調速電動機，電動機調速範圍大，並可無級調速，使主軸結構大為簡化。為了適應不同的加工需求數控車床主傳動系統有以下三種方式。
1) 電動機直接驅動主軸電動機與主軸通過聯軸器直接連線，或採用內裝式主軸電動機驅動。採用直接驅動可大大簡化主軸箱結構，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉速的變化、輸出轉矩與主軸的特性完全一致。
但因主軸的功率和轉矩特性直接決定主軸電機的效能，因而這種變速傳動的應用受到一定限制。
2) 採用定比傳動主軸電動機經定比傳動給主軸。定比傳動可採用帶傳動或齒輪傳動，這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉矩的要求，但其變速範圍仍和電動機的調速範圍相同。目前，交流、直流主軸電動機的恆功率轉速範圍一般只有2-4，而恆轉矩範圍則達100以上；許多大、中型工具機的主軸要求有更寬的恆功率轉速範圍。
很明顯，這種情況下主軸電動機的功率特性和工具機主軸的要求不匹配:調速電動機的恆功率範圍遠小於主軸要求的恆功率變速範圍。所以這種變速方式多用於小型或高速數控工具機。
3) 採用分檔變速方式採用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和工具機主軸功率特性不匹配。變速多採用齒輪副來實現，電動機的無級變速配合變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求，滿足各種切削運動的轉矩輸出，特別是保證低速時的轉矩和擴大恆功率的調速範圍。
4) 用兩個電機分別驅動主軸上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅動主軸，低速時另乙個電機通過齒輪減速後驅動主軸。
從2023年將計算機技術運用到工具機上起，數控系統經歷了數控和計算機數控兩個發展階段。目前，數控系統這個處於基於pc的第六代更新階段。這是因為pc可靠性高、成本低、軟硬體資源比較豐富等，正是因為pc的這些優點，故受到大部分數控系統生產廠家的青睞。
目前，國際數控系統正向智慧型化方向飛速發展，數控系統可以檢測出一些重要資訊，而且能自動調節系統的相關引數，進而達到改進系統執行狀態的目的。另外，主傳動系統引入了故障診斷系統，能通過自動識別負載，調整引數，使驅動系統處於最佳執行狀態。
2. 選題目的及意義
當今世界各國製造業廣泛採用數控技術，以提高製造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。此外，世界上各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，不僅採取重大措施來發展自己的數控技術及其產業，而且在「高精尖」數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發展以數控技術為核心的先進製造技術，提高生產效率和產品質量和降低工人勞動強度，已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
在這一背景下，對於即將畢業走向社會的我們來講，通過選擇對數控車床的畢業設計則有如下目的及意義：
1) 通過設計電磁離合器變速式數控車床主傳動系統，了解變速式數控車床的工作原理、掌握變速式數控車床主傳動系統的設計過程和方法，提高對變速式數控車床主傳動系統結構的設計能力。
2) 通過運用所學知識及查閱相關資料，提高獨立思考和解決問題的能力。
3) 通過對變速式數控車床主傳動系統的設計，優化主傳動系統、改造數控系統，對數控技術的廣泛應用和推廣數控工具機的改造有著深遠意義。
4) 通過本次設計培養綜合運用基礎知識和專業知識，解決工程實際問題的能力，使工程繪圖、資料處理、外文文獻閱讀、編碼器選擇、使用手冊等基本技能及能力得到訓練和提高。此外，力求完成課題之餘，熟悉國內外數控技術及數控工具機的現狀及發展趨勢,增強對如何發展民族數控工具機產業的感性認識。
二、設計內容
1. 設計內容研究
當前中低檔數控車床主傳動系統多採用手動變速方式，而用電磁離合器來實現車床主傳動系統變速的方式將數控車床的換擋由手動式改為自動式，即可由數控指令操控。這使得數控車床更趨向於自動化，智慧型化。通過電動機的無級變速，配合齒輪變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求，特別是保證低速時的轉矩和擴大恆功率的調速範圍。
採用電磁離合器變速式主傳動系統，可增大數控車床的恆功率範圍，既滿足低速加工所需較大恆轉矩的要求，也能夠滿足高速精加工時所需的較小的轉矩和恆功率輸出，擴大了數控車床的調速範圍，使電機的機械特性和主軸的機械特性得到良好的匹配。
現代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發展，要求工具機主傳動系統具有更高的轉速和更大的無極調速範圍；在切削過程中能自動變換速度，工具機結構要簡單，雜訊要小，動態效能要好，可靠性要高。
相關設計要求：
1) 數控車床主軸最高轉速為4500r/min，最低轉速為30r/min，計算轉速為150r/min，最大切削功率為5.5kw。採用交流變頻主軸電動機，額定轉速為1500r/min，最高轉速為4500r/min，最低轉速為310r/min.
；2) 設計分級變速傳動系統，用電磁離合器完成數控車床的調速。
3) 數控車床作為高度自動化的機電一體化裝置，其主傳動系統的設計應滿足如下基本要求:
1 使用效能要求首先應滿足工具機的運動效能，如工具機的主軸有足夠的轉速範圍和轉速級數。傳動系統設計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。
2 傳遞動力要求主電動機和傳遞結構能夠提供和傳遞足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率。
3 工作效能要求主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩定。此外，還要求主傳動系統結構簡單，便於調整和維修；工藝性好，便於加工和裝配；防護效能好；使用壽命長。
對於電磁離合器變速式數控車床主傳動系統設計的關鍵主要在於主軸箱及其內部傳動系統的設計，主軸箱的設計可大體分為如下幾個部分：
主軸傳動變速部分的主要作用是完成主軸的分級變速。主軸傳動是採用齒輪嚙合傳動的方式，通過電磁離合器實現齒輪與軸之間的運動。傳動過程中必須保證其轉速、強度和剛度，從而保證主軸的加工精度。
主軸單元結構的設計是本次設計的一大重點。主軸單元主要包括主軸、電磁離合器、軸承、軸套、預緊螺母、密封圈等。設計要求主軸最高轉速為4500r/min，最大切削功率為5.
5kw。這就要求主軸軸承在保證精度的要求下，不僅能夠實現較高速旋轉，也能夠在高速旋轉的條件下實現較大功率切削，還要考慮主軸因高速旋轉而受熱伸長的影響，這也對軸承的潤滑有了更高的要求。還要求主軸和箱體的材料和熱處理得當以能夠承受較大載荷從而保證加工精度。
2. 預期研究結果
所設計的主傳動系統滿足主軸最高轉速為4500r/min，最低轉速為30r/min，計算轉速為150r/min，最大切削功率為5.5kw的設計要求。並且符合工具機的運動效能，如工具機的主軸有足夠的轉速範圍和轉速級數。
傳動系統設計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。傳遞結構能夠提供和傳遞足夠的功率和轉矩，具有較高的傳動效率。主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗振性，熱變形性穩定。
此外，主傳動系統結構相對簡單，便於調整和維修；工藝性好，便於加工和裝配；防護效能好；使用壽命長。
三、 設計方案
1. 主傳動系統傳動方案的確定
數控工具機需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋麵和端麵時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恆定。這些自動變速又是無級變速，以利於在一定的調速範圍內選擇理想的切削速度，這樣有利於提高加工精度，又有利於提高切削效率。無級調速有機械、液壓和電氣等多種形式，數控工具機一般採用由直流或交流調速電動機作為驅動源的電氣無級變速。
由於數控工具機的主運動的調速範圍較大，單靠調速電機無法滿足這麼大的調速範圍，另一方面調速電機的功率扭矩特性也難於直接與工具機的功率和轉矩要求相匹配。因此，數控工具機主傳動變速系統常常在無級變速電機之後串聯機械有級變速傳動，以滿足工具機要求的調速範圍和轉矩特性。
為簡化主軸箱結構，本方案僅採用**機械變速機構，運動方案如下圖所示。
2. 主傳動系統有級變速自動變換方式的確定
有級變速的自動變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。
電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，由於它便於實現自動操作，並有現成的系列產品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用於數控工具機的主傳動時，能簡化變速機構，操作方便。通過若干個安裝在各傳動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現主軸的變速。
電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式。
電磁轉差離合器感想
首先，要了解什麼是電磁轉差離合器。從定義上講電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離。電磁離合器可分為 乾式單片電磁離合器，乾式多片電磁離合器，濕式多片電磁離合器，磁粉離合器，轉差式電磁離合器等。電磁離合器工作方式又可分為 通電結合和斷電結合 轉差式電磁離合器 離合器工作時，主 從部分必須存...
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