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毕业论文﹙设计﹚开题报告题目Y3150E型滚齿机数控改造及结构设计学生姓名学号所在院(系)专业班级指导教师2013年3月15 日题目Y3150E型滚齿机数控改造及结构设计一、选题的目的及研究意义1.选题的目的Y3150E型滚齿机采用纯机械的传动链，传动精度低，调整复杂，无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求，针对这一问题，对其进行数控化改造。
控制部分用可编程控制器为核心的数控系统，通过三轴联动实现主运动、展成运动、径向进给运动及附加运动的精确数字控制。
从而有效的扩大加工范围，提高加工精度，提高机床的自动化程度以及生产效率，缩短生产和生产准备周期，并减轻工人劳动强度，改善劳动条件。
2.选题的研究意义近年来,随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要,对高档数控机床提出了急迫的大量需求。
机床制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段,是不可或缺的战略性产业。
即使是发达工业化国家,也无不高度重视。
机床是一个国家制造业水平的象征，尤其是数控机床系统反映了一个国家的工业发展水平状况。
齿轮作为一种重要的传动零件，其作用主要有两个，一个是传递运动，另一个是传递动力，它广泛用于各类机器、仪表中。
中国齿轮专业协会副会长王声堂这样来评价齿轮的重要性：“中国国徽上有一个齿轮和一根麦穗，分别象征工业与农业。
齿轮是工业的象征，这就充分说明了齿轮在工业中的核心地位。
”另外，齿轮加工在国民经济发展中也占有重要位置，据统计：“十一五”期间，中国齿轮行业总产值由250亿元增长到500亿元，平均增长速度接近20%，五年间上升了一倍，排名世界第四，销售规模上亿元企业超50家，行业集中度明显提高。
2006年中国齿轮行业的年产值是590亿。
但是，传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时，大大降低了劳动生产率。
摘要本文讲述了Y3150E滚齿机液压系统的基本原理和设计过程。
本论文首先概述了滚齿机的发展趋势，了解了滚齿机的基本规格参数，然后明确技术要求对Y3150E滚齿机液压系统进行了分析和设计，其中包括液压系统各个回路的分析和元器件的选择。
同时，对滚齿机的润滑系统和冷却系统进行了分析和设计。
关键词：Y3150E滚齿机；液压系统；传动；冷却；润滑。
ABSTRACTThis paper introduced the Y3150E gear hobbing hydraulic system the basic principle and design process.This paper first outlines the development trend of gear hobbing. Understand the basic specifications the gear hobbing, and clarify the technical requirement of Y3150E gear hobbing hydraulic system is analyzed and design, including hydraulic system of each circuit analysis and components choice. Meanwhile, the lubrication system of gear hobbing and cooling system analysis and design.Keyword: Y3150E gear hobbing machine; Hydraulic system; Transmission system;Cooling system; Lubrication system.第一章概述1.1 滚齿机国内外研究现状分析及发展趋势1.1.1滚齿机国内研究现状齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。
y3150型滚齿机课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解y3150型滚齿机的基本结构组成及其工作原理，掌握相关术语和概念。
2. 学生能够描述滚齿机操作流程中的关键步骤和安全注意事项。
3. 学生掌握滚齿加工的基本工艺参数，并能解释各参数对加工精度的影响。
技能目标：1. 学生能够独立进行y3150型滚齿机的操作，包括开机、调试和关机等基本操作。
2. 学生能够正确设置滚齿加工的相关工艺参数，完成指定零件的滚齿加工。
3. 学生能够使用相关工具进行滚齿机常见故障的诊断与排除。
情感态度价值观目标：1. 学生通过实践活动，培养对机械加工专业的兴趣和认识，增强职业责任感。
2. 学生能够在小组合作中发展团队协作精神，尊重他人意见，提升沟通能力。
3. 学生通过严格遵循操作规程，培养安全生产意识，加强自我保护能力。
分析：本课程针对高年级机械加工及相关专业学生设计，结合课程性质和学生学习特点，以实践操作为主线，强化理论知识与实际应用相结合。
教学要求注重培养学生的动手能力与解决实际问题的能力，通过具体的操作实践，使学生达到理论与实践相结合，知识与技能共提升的教学效果。
课程目标分解为具体可衡量的学习成果，为教学设计和评估提供了明确的方向。
二、教学内容1. y3150型滚齿机结构组成：通过教材第二章内容，介绍滚齿机的各部件名称、作用及其相互关系。
- 主要部件的认识与了解- 机器结构示意图的识别与分析2. 滚齿机工作原理：结合教材第三章，讲解滚齿机加工齿轮的基本原理。
- 滚齿加工过程的描述- 常用滚齿方法与工艺比较3. 滚齿机操作流程与安全规程：依据教材第四章，详细讲解操作步骤及安全注意事项。
- 开机、调试与关机操作要领- 安全防护装置的正确使用4. 滚齿加工工艺参数设置：参照教材第五章，介绍工艺参数对加工精度的影响。
- 各类工艺参数的含义与调整方法- 加工精度分析及优化5. 故障诊断与排除：结合教材第六章，教授滚齿机常见故障的诊断与处理方法。
Y3150K 滚齿机调整实验（2学时）一、实验目的：1、了解机床总布局、主要组成部分、各操纵机构的功用。
2、分析Y3150K 型滚齿机的传动系统，掌握各传动链的相互依赖和制约关系。
3、了解滚刀结构，掌握滚齿时切削用量的选择方法与调整步骤。
4、了解齿坯的定位、装卡方法，掌握挂轮的计算、安装方法、介轮的使用。
5、了解有关的齿轮检验项目、精度要求及使用的工具。
二、实验设备：1、Y3150K 滚齿轮机一台。
2、滚刀一把。
3、石蜡齿坯一个。
4、千分表、磁性表等各一只。
5、齿厚测量卡尺一把（或公法线长度测量千分尺一把）6、300mm 卡尺一把三、实验原理及内容1、主轴转速的选择及调整： 切削速度可根据下面公式计算：1000n D V 刀切＝⋅π转／分其中：Ｄ为滚刀直径（毫米），n 刀为主轴转速（转/分）。
选择切削速度时应注意以下几点：（1）粗切一般低切削速度大走刀量；精切一般用高切削速度，小走刀量。
（2）被加工齿轮齿数较少时应选择V 切低一些。
V 切确定后即可根据下面公式计算主轴转速： DV 1000N ⋅π⋅切刀＝转/分表3-1 高速钢滚刀的切削速度（滚刀主轴转数：40、50、63、100、125、200、250rpm ）2、分齿挂轮的计算和调整，分齿挂轮按下面公式计算：Z K48d b c a 48;24.f e K Z143ZK24d b c a ;36f ,36e ;142KZ21ZK12d b c a 24;f 48,e 20KZ5=⋅⋅==≤=⋅⋅==≤≤=⋅⋅==≤≤；当：当：；当：上式中K 为滚刀头数；Z 为工件齿数。
加工直齿圆柱齿轮时，应在轴IX 上装短齿离合器M 1； 加工斜齿圆柱齿轮时，应在轴IX 上装上长齿离合器M 2;由于使用差动机构,所以轴IX 的旋转方向改变了，这时分齿挂轮应按图3-1搭配。
3、轴向进给量的调整：轴向进给量一般在0.5—3mm/转范围选取。
根据刀具与工件材料按金属切削手册选定轴向进给量。
2 总体设计2.1 总体设计要求为了使YK3150数控高效滚齿机适合汽车尤其是重型汽车，工程机械，船舶工业等齿轮行业的需要,以满足4—8 模数，一刀全齿深切削，稳定达到GB10095—2001 的7级精度要求，YK3150E 数控机床主轴的各项性能指标必须达到下列设计要求：1、滚刀主轴速度范围能适应采用单、双头或多头滚刀进行高速、高效滚齿加工。
2、为了达到高速、高效的滚齿要求，滚刀刀杆采用自动夹紧，自动放松，以及快卸螺母锁紧滚刀的刀架结构。
3、刀架主轴的轴承结构需采用高刚性，高精度方式，其主轴轴承采用高精度滚动轴承，主运动采用二级齿轮传动，未端应采用消除齿轮副间隙结构的传动，以保证切削刚性。
2.２数控滚齿机加工原理方案设计2.2.1 普通滚齿机加工原理滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图普通滚齿机加工原理可用上图表示。
根据展成法加工原理，滚刀转一转，工件必须严格地转K/Z 转。
其中Z 为被加工齿轮的齿数，k 为滚刀的头数。
从图3.1中可以看出，必须保证B1和B2之间的严格传动比关系，这条传动链简称滚齿的内链。
在图中该内链的传动路线为：B1—4—5—i x—6—7—B2(工件)。
而形成直线导线的运动则是滚刀架沿工件轴线方向的垂直进给运动，即：工件—7—8—i s—9—10—刀架升降丝杆—刀架。
此外滚刀的旋转及调速由主传动链电机—1—2—i v—3—4—B1提供。
因而要进行加工圆柱齿轮所需传动链至少有三个链，即一个展成运动内链，两个执行简单运动的外链。
2.2.2 数控滚齿机加工原理数控滚齿机的加工原理图数控滚齿机的加工原理方案如图所示，其内链B1 与B2 传动比关系仍然遵循展成法加工原理，但数控滚齿机严格传动比关系不是通过调整机械传动比来实现，而是通过数控技术的“电子齿轮箱”来严格保证，实现展成运动。
“A”、“B1”、“B2”运动分别用单独的伺服电机进行控制，它们之间没有任何机械的联系，而由数控系统进行计算控制来实现滚齿展成加工。
机电液控制系统设计题目：Y3150E型滚齿机课程设计专业：xxxx班级：xxxx学号：xxxx姓名：xxx指导教师：xxxx2019,01,09一:本次课程设计要求：1了解设计对象的基本功能与主要结构。
2了解设计对象的运动形式与控制要求。
3电气控制线路设计：绘制主电路，控制电路，辅助电路图。
电气元件选择并给出元件明细表。
4用PLC对控制线路改造：选择PLC型号。
PLC输入输出分配表（即I/O地址分配表）。
PLC控制输入输出接线图。
设计控制系统梯形图并写出语句表。
梯形图调试。
二:PLC系统总体设计方案概述完成一个改造设计的前提是对需改造对象性能的全面掌握，了解改造前设备存在的问题从而确定改造中需要解决的问题，确定改造目标后再进行系统的设计。
传统滚齿机的类型较多，控制电路各不相同，但都存在相同的问题，即利用齿轮挂箱实现各运动部件的转速控制和联动。
过长的传动链是导致产品加工精度低的主要原因。
这里先对先对Y3150E型滚齿机做简单电路分析，以明确滚齿机的基本工作原理。
Y3150E型滚齿机的电气控制线路图如下图2.1所示:2.1主电路:主电路共有四台电动机，其中M2是主轴电动机，利用KM2与KM3实现正反转控制。
KM2吸合电机MI正传时实施进给加工，KM3吸合M1反转时进行退刀。
轴向快速运动电;机由接触器KM5、KM6实现正、反转控制。
液压泵电机由接触器KM1控制。
主轴的运转利用齿轮挂箱可带得刀具高速旋转和刀具的横向进给，加工不同工件时应按要求选择不同的齿轮挂箱，利用齿轮传动实现各主轴转速调节和转速联动;M3是冷却泵电动机，只要求单向旋转;冷却泵电机M3由KM4控制，即KM4吸合则M3工作。
但要注意的是M2必须在M1电动机工作后才能启动，为顺序控制。
M1/M2要进行长时间工作，所以都装有过载保护。
整个线路由一组总熔断器做短路保护。
2.2控制电路:(1)液压泵控制总开关SA1闭合，为控制电路接通做好准备，同时接通接触器KM1线圈电路，KM1得电:液压泵电动机M1主电路闭合工作，为液压系统提供压力油，为传动元件提供润滑油，保证旋转元件在工作之前得到充分的润滑。
YK3150E数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计数控高效滚齿机的设计不仅要求在参数的选择、计算上应科学合理的，更主 要的还应合理地设计出各主要部件的结构功能， 以最优的机械结构实现各部件的 功能。
因而作为最重要的主轴主件的设计，必须在结构上有创新的特点，以满足 数控高效滚齿机的切齿要求。
下面将对YK3150E数控高效滚齿机的主轴部件设计 进行分析说明。
3.1 结构方案设计对于滚齿机来讲，刀架部件为滚齿机的关键的部件之一，从滚齿机的出厂检 验标准来说(普通或数控滚齿机)共有12~16个检验项目，而刀架部件就占了1/3的 内容，从滚齿机的工作精度来讲，刀架这个部件对机床的精度的影响很大，直接 对加工齿轮的精度第1公差组和第2公差组及齿面粗糙度产生作用。
例如：刀架主 轴的轴向串动，影响被加齿轮的相邻齿距误差；刀架主轴的径向跳动，影响着被 加工齿轮的齿圈径向跳动误差；刀架的主轴高速切齿的振动(刀架整体刚性的强 弱)影响着被加工齿轮的表面粗糙度。
因而在进行刀架结构设计时，必须充分考 虑数控高效滚齿机的切齿特点， 以便从结构上最大限度地保证切齿的综合性能要 求。
1—成组轴承 2—拉杆 3—主轴 4—传动轴 5—高精度斜齿轮6—专用旋转油缸 7—油缸活塞数控滚齿机利用锥孔为 7﹕24的 BT—50 标准铣削刀杆接口模式，有利于 滚刀杆自动夹紧与放松，缩短了滚齿机辅助调整时间，通常普通滚齿机采用莫氏 5号锥度的孔径定心，且为手动的夹紧与放松方式，该锥度的标准的孔位(大端) 为Φ 47.75mm，不能为滚刀提供更大的刀杆尺寸。
在YKX3140 数控高效滚齿机 的刀杆设计中，为了确保刀架整体刚性，最小刀杆直径为Φ40mm，同时为了满 足高效强力切齿，对自动夹紧系统的设计夹紧力最低不少于20000N，以充分保 证刀杆切齿的刚性要求，而一般自动夹紧刀杆系统通常在15000N左右(普通数控 滚齿机或小规格数控滚齿机)。
刀杆的自动夹紧与放松过程为：油缸往右前推拉 杆压缩碟形弹簧时，由拉杆推动夹爪向前移动并张开，此时为松开刀杆；当油缸 往后移动时，拉杆在缩碟形弹簧恢复力作用下带动夹爪向后移动，由夹爪夹住并 拉紧刀杆。
显然，刀杆的拉紧力为碟形弹簧提供的纯机械拉力，油缸的推力仅起 着放松刀杆的作用。
刀杆的拉紧力不受油压及电压波动的影响。
此种刀杆拉紧方 式，能更好地适应高效滚齿机的切齿特点。
传动系统中充分利用传动链误差分析理论提出的未端元件高精度原理， 以提 高传动链精度。
即在刀架的末端传动元件的大小斜齿轮， 其齿轮的精度达到 3 级 精度，不但减少传动链的总误差，而且可有效降低高速切制的噪音。
在刀架箱体内采用大流量循环润滑的冷却系统，有效地保证了高速、重载的 切齿时刀架体的热平衡，从而保证了机床刀架主轴冷态和热态精度的一致性；而 普通滚齿机在刀架箱体中，多采用油池润滑方式，切齿时刀架箱体高速旋转传动 件产生的热量无法带走，机床的主轴冷态和热态精度变化较大。
3.2 主轴设计相关问题分析主轴系统是滚齿机的核心，它在很大程度上影响着齿轮的加工精度。
主轴部 件的精度主要体现在主轴的回转精度和刚度的提高， 而回转精度与刚度又决定于 主轴的形式及装配形式。
数控滚齿机最高加工速度相对于普通数控滚齿机有成倍的提高，达到500转/分，要达到这样高的转速，轴承的合理选择，精度、调整、润滑和轴系的平衡、 阻尼特性等都对此有影响。
滚刀轴轴系如何在这样的高速下保证精度，在设计的 过程中必须对下面几个方面的内容进行研究：3.2.1 主轴回转精度分析1.回转精度的定义轴件作回转运动时，线速度为零的点的连线称为轴件的回转中心线，轴件回 转中心线相对于某一固定参考系统的空间位置， 在理想情况下是不应随时间变化 的。
但实际上由于轴承的误差，轴件的挠曲和振动等原因，轴件的回转中心线的 空间位置在每一瞬时都是变化的， 这时瞬时回转中心线空间位置的平均中心线称 为理想回转中心线， 瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置偏离就 是回转轴件的瞬时误差，这些瞬时误差的范围就是轴件回转精度。
轴件误差分为三种基本形式：轴向漂移、径向漂移、角向漂移。
2.影响滚刀轴回转精度的主要因素1)轴颈的圆度误差，主要引发主轴周期性的径向误差。
2)轴承误差，如滚道的圆度，滚动体直径及圆度的不一致性引发径向误差。
3)轴承端面对轴颈的垂直度及推力轴承的滚道与滚动体误差引发轴向误差。
4)前后轴承的同轴度及其径向跳动大小和方向的不一致会引发摆动误差。
5)滚刀轴的不平衡及其支撑刚度的变化会引发径向误差和摆角误差。
6)滚刀轴的振动会引发径向误差。
3.提高零传动滚齿机滚刀轴部件回转精度的措施1)装配时采用定向选配，定向选配的目的是使误差相互抵消，注意拆卸时必 须在轴承内圈和主轴轴颈间， 轴承外圈与箱体孔间画线为记， 重新装配时按记号、 装配，才能保证精度。
2)装配后精加工，将主轴部件装配好后，以主轴的安装基面和定位基面互为 基准进行精磨。
3)提高精度要求 选用高精度的轴承，提高轴承配合面比如轴颈和箱体孔的 精度要求。
4)对轴承适当预紧，减小间隙，保持适当过盈，提高刚度。
5)提高抗振性，一般说来，提高抗振性的措施除了提高刚度外，还可以采用增加阻尼，采用弹性传动件，采取隔振措施等方法 。
对于数控滚齿机滚刀轴来 说，为了保证精度，主要采取提高主轴和支撑部件刚性以及装配好后进行动平衡 的措施。
6)保证正确润滑，为轴承选择正确的润滑方式和润滑材料。
3.1.2 主轴静刚度主轴的静刚度又称主轴刚度，是机床主轴系统的重要性能指标，它反映主轴 单元抵抗静态外力的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。
主轴单元最重要的静 刚度指标是弯曲刚度和轴向刚度。
弯曲刚度Kr 的定义是：为使主轴前端产生单位径向位移δ时所需施加的力Fr ， 即drr F K = 主轴单元的轴向刚度Ka ，定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需 施加的力。
一般情况下，弯曲刚度比轴向刚度要重要的多，是衡量主轴单元刚度 的重要指标，通常用来代指主轴的刚度，它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺 寸、金属的物理性能及轴承刚度有关。
1.静刚度近似估算对滚齿机滚刀主轴轴系进行简化将变截面的主轴，简化为单一等效截面的等效主 轴，设其截面抗弯惯性距为I ，将前后轴承组简化为前后两个刚度系数为K 1、K 2的弹簧 支承，确定支反力的合理位置。
如图所示：主轴本身的弯曲变形引起的轴端位移 y s 为÷ øö ç è æ + = 1 3 3 a L EI Fa y s （mm ） 式中 F—静载荷（N ）a—县伸量（mm ）E—弹性模量，钢的弹性模量为2.1* 5 10 (N/ 5 mm )L—支承跨距（mm ）前后支承的支反力为：÷ øö ç è æ + = L a F R A 1 LaF R B = 前后支承的变形为：1 K R A A =d 2K R BB = d 由于轴承变形引起的主轴轴端位移 B y 为：ú ûù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + = + ÷ ø ö ç è æ + = 1 2 1 1 2 2 2 1 1 L a L a K K K F L a L a y B A B d d 主轴轴端总位移y 为：ú ûù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + ÷ ø ö ç è æ + = + = 1 2 1 1 3 2 2 2 1 1 3 L a L a K K K F a L EI Fa y y y B s s 2.悬伸量和跨距对主轴刚度的影响由式可知， 前悬伸越长， 伸出端挠度越大， 对主轴组件的综合刚度影响越大， 应该尽量缩短。
在实际设计中，考虑到轴承的安装位置及密封等因素，前悬伸量 基本上是没有优化余地的，能够优化的是前后轴承组之间的跨距。
由式可求得主轴柔度为ú ûù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + ú û ù ê ë é + = = 1 2 1 1 1 3 1 2 2 2 1 1 3 L a L a K K K a L EI a F y K 由式可以看出跨距对主轴刚度的影响不是单向的，将式对跨距L 求导并令 dy/dL=0得：0 1 6 6 2 1 1 0 1 3 0 = ÷ ÷ ø ö ç ç èæ + - - K K K EI L a K EI L 对式求解就可得到最佳跨距值，实际上，由于实际设计中结构的限制，此最 佳跨距值是一个近似的参考值，若实际跨距在此附近，则有可能使主轴刚度达到 最大值。
若结构设计中实际跨距不能等于L 时，则宁大勿小，以较大的实际跨距 为宜。
因为当实际跨距小于最佳跨距时，综合刚度的降低比跨距大于最佳值时要 敏感得多。
3.1.3 主轴组件支承问题分析1.主轴轴承的选择数控滚齿机滚刀轴部件加工速度高， 其轴承的选用首先必须满足高速运转的 要求,并且具有高的回转精度和较低的温升，其次，因为滚齿机承受的是断续冲 击的切削力，所以其轴承必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。
另外，还必须具 有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。
滚动轴承的选用，主要看转速、载荷、结构尺寸要求等工作条件。
一般来说， 线接触轴承、滚柱、滚锥、滚针承载能力大，同时摩擦大，则相应极限转速较低，点接触球轴承则反之，但推力球轴承由于对中性较差，极限转速较低，单个轴承 同时承受径向载荷和单双向轴向载荷，其结构简单，尺寸小，但滚动体受力不在 最优方向，使极限转速降低。
轴系的径向和轴向载荷分别由不同轴承承受，受力 状态较好，但结构复杂尺寸大。
一般轴系要同时承受径向载荷与双向轴向载荷，需按下列条件选用滚动轴 承。
1)中高速重载， 双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承， 若配推力轴承， 会使极限转速降低，成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低，空心圆锥滚 子轴承的极限转速提高，但成本较高。
