1、CA6140车床主传动箱传动系统优化设计摘要：CA6140车床是比较典型的卧式车床，其适用工艺范围广，通用性好，适合加工各类轴类和套件类零件。因其结构复杂，自动化程度不高，加工的辅助时间比较长，故建立数学模型，对主轴箱优化设计，提高设备的自动化水平和精密程度。因此，普通车床主轴箱的设计在我国有很广阔的市场。 本文以CA6140车床为研究对象，结合具体机床进行具体分析，本设计要分析相关资料，加深对CA6140主轴箱工作原理的理解。采用MATLAB软件中的fmincon函数，进行编程。选择传动链中传动齿轮的体积和最小为优化目标，进行主轴箱传动系统优化设计。为了使主传动系统体积明显减小，结构比原来紧
2、凑，技术经济性更加合理，利用机械优化设计的有关方法，对此机床的进行改造设计。关键词：CA6140机床，主轴箱，传动系统，优化设计Optimization design of CA6140 lathe main drive transmission systemAbstract：CA6140 horizontal lathe lathe is typical, its wide range application scope,good versatility, is suitable for processing all types of shaft and kit parts.Because
3、of its complex structure, the degree of automation is not high, the auxiliary time processing is relatively long, so the establishment of mathematical model, the optimization design of spindle box, and improve the level of automation equipment and precision. Therefore, ordinary lathe headstock desig
4、n in China has a very broad market. In this paper, the CA6140 lathe as the research object, combined with the specific machine tool was analyzed, the design analysis of relevant information, to deepen the understanding of the working principles of CA6140 spindle box. Using fmincon function in MATLAB
5、 software,programming. Select the drive gear in the volume and minimum as the optimization objectives, optimization design of spindle box drive system. In order to make the main drive system has smaller size, compact structure than the original, more reasonable technology economy, using the method o
6、f mechanical optimization design, the design of machine tool.Keywords: CA6140 machine, headstock, transmission, optimization design目 录1 前 言11.1 研究现状11.2 研究背景、目的及意义11.3 论文主要研究内容22 优化设计理论及基本知识32.1 优化设计简介32.1.1 优化设计概述32.1.2 优化设计的一般过程32.1.3 数学模型三要素42.1.4 优化设计方法的选择52.2 MATLAB简介52.2.1 MATLAB概述52.2.2 MATLA
7、B软件的特点62.2.3 MATLAB的fmincon函数73 CA6140车床的数学模型83.1 CA6140车床简介83.1.1 车床组成83.1.2 CA6140车床的主参数103.1.3 车床的运动113.2 CA6140传动系统113.2.1传动路线分析113.2.2传动结构式133.2.3传动平衡式144 数学模型的建立164.1 CA6140主轴箱的数学模型164.1.1 设计变量的确定174.1.2 目标函数确定184.1.3 约束条件确定194.2 优化设计数学模型求解204.2.1 编写目标函数214.2.2 编写非线性约束的m文件214.2.3 计算结果分析21结 论24
8、参考文献25致 谢27I1 前 言1.1 研究现状在一般机器制造厂中，车床在金属切削机床中所占的比重最大，约占金属切削机床总台数的20%-35%。由此可见，车床的应用是很广泛的，而卧式车床总台数约占车床类机床的60%左右1。CA6140型车床是我国设计制造的典型的卧式车床，在我国机械制造类工厂中使用极为广泛2。它可用于加工多种零件的不用工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂。这种机床主要适用于单间小批生产3。其缺点是自动化程度不高，无法加工复杂型面，工作效率低，故障率高。各进给系统采用的是法兰盘式电动机，调速范围窄，CA6140无法实现无级调速。加工精度已远远达不到要求。 总的来说，我
9、国机床工业发展迅速，成就巨大。但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大的差距。同时，机床临时运转甚至超负荷应用，同时又缺乏仔细的培修与保养，形成机床严重磨损，损失了精度；因为新产品制造的需要，原有机床性能已不能满意应用请求，急需更新晋级改造；有些机床则因为企业人员及产品构造的改变，或因为技巧气力缺乏而被临时闲置，需要应用时却发明早已锈迹斑斑，电控体系不能起动；因为世界盘算机及网络技巧的飞速开展，形成数控体系、驱动体系厂的产品更新放慢，原有产品过早停产，给备件改换与培修带来肯定艰难；况且数控体系的应用寿命个别在5-10年，而我国大多数机床都在超期退役。这些落伍的车床都面临一个问题就是必
10、须大修和进行改造。1.2 研究背景、目的及意义金属切削机床（Metal cutting machine tools）是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造及其的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”（Metal tools），习惯上简称为机床4。机械工业担负着为国民经济部门提供先进技术装备的任务，机床工业是机械制造工业的重要组成部分，是为机械工业提供先进加工装备和加工技术的“工作母机”工业。一个国家机床的拥有量、产量、品种和质量，是衡量其工业水平的标志之一。因此，机床工业在国民经济中占据着重要地位。车床作为机床中使用最广泛的一种类型，无疑是在制造加工领域中的占有十分重要的地位
11、。车床的种类很多，按其结构和用途，主要分为以下几类：卧式车床及落地车床、立式车床、转塔车床、单轴和多轴自动和半自动车床、仿形车床和多刀车床、数控车床和车削加工中心以及各种专门化车床，其中，普通卧式车床是应用最广范的，例如：CA6140车床5。 当前，世界经济正向全球化发展，正在进行着国际间的以知识经济为目标的产业结构大调整，工业发达国家正加速发展高科技产业，而将装备制造业等第二产业逐步向发展中国家转移。这对我国来说是个难得的机遇。但是由于我国大部分机床使用年代已久，自动化程度低，生产效率和加工精度都难以提高，有些机床无法实现无极调速，很多机床都已经面临大修或者改装。因此，本课题重点研究CA61
12、40车床的优化。当前，现代机械制造业向着低消耗、高效率的方向发展， 并且中国与德国、瑞士、日本等机床制造强国相比，差距非常大，即使与韩国、中国台湾相比，也存在着不小的差距；这种差距，一方面是我们落后的表现，另一方面，又说明我们有非常大的提升空间。因此，机床的优化，特别是车床优化是十分必要的。1.3 论文主要研究内容本课题的名称是：CA6140车床主传动箱传动系统优化设计。本课题首先要结合相关资料，认真学习CA6140车床主轴箱的构造及主传动系统的传动原理，并认真学习机械优化设计以及MATLAB软件的应用。其次，在分析完车床的传动原理之后，建立数学模型。最后，用MATLAB软件进行编程，对传动系
13、统的参数进行优化设计，以便达到最佳效果。2 优化设计理论及基本知识2.1 优化设计简介2.1.1 优化设计概述优化用数学语言来说，就是找出给定的函数在某些限制条件下的最小值或最大值。将该最小值（或最大值）称为最优值，相应的解即变量的一组取值（变量值）称为最优点，两者统称为最优解。求解的方法称为优化方法（或最优化方法），求解的过程称为优化过程6。在进行机械产品设计时，根据规定的约束条件，经过分析计算，优化设计参数，使某项或几项设计要求获得最优值，这就是机械优化设计7。优化设计与传统设计相比，具有如下三个特点：（1）设计的思想是追求最优（设计）；（2）设计的方法是优化方法；（3）设计的手段是计算机
14、。2.1.2 优化设计的一般过程机械优化设计的全过程一般可分为如下几个步骤：（1）建立机械优化设计数学模型。解决机械优化设计问题的关键是建立正确的数学模型，为此，要正确的选择设计变量、目标函数和约束条件，同时要求建立的数学模型容易处理和求解。（2）选择适当的优化方法。选择优化方法的主要依据是数学模型的特征。如优化问题维数的多少；目标函数的连续性及其一阶、二阶偏导数是否存在和是否易于求得；有无约束，约束条件是不等式约束还是等式约束，或者两者兼有。如具有等式约束，显然不能直接用复合型法和内点惩罚函数法。（3）编写主程序和函数子程序，上机调试和计算，求得优化最优解。优化设计一般应尽量选用现有的优化程
15、序，设计者只需要按规定格式编写目标函数和约束函数子程序。这对优化技术的应用于推广无疑是十分有利的。（4）优化结果的分析与评判。分析与评判优化结果的目的在于考证优化结果的正确性与实用性7。2.1.3 数学模型三要素在优化设计的过程中，建立优化设计的数学模型是首要且关键的一步，它是取得正确结果的前提。建立数学模型，就是把实际问题按照一定的形式转换成数学表达式。组成数学模型的三要素是设计变量、目标函数和约束条件。（1）设计变量设计变量可以为连续变量、离散变量或混合离散设计变量。机械设计中的所有参数都是可变的。在充分了解设计要求的基础上，应注意设计变量应当相互独立，否则会使目标函数出现“山脊”或“沟谷”，给优化带来困难。另外，还应根据各设计参数对目标函数的影响程度认真分析其主次，尽量减少设计变量的数目，以简化优化设计问题8。（2）目标函数目标函数最基本的要求是能够用来评价设计的优劣，同时必须是设计变量的可计算函数，以f（X）表示。 目标函数有显式和隐式两种表现形式。设计空间给定每一组设计变量,都有一个目标函数与之对应。在解决优化设计问题时,目标函数的选择会关系到结果的优越性及计算过程的效率性。（3）约束条件约束条件除有等式约束和
