數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)1.開發(fā)XXX型號(hào)數(shù)控車床的目的和理由國(guó)內(nèi)數(shù)控車床經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已形成較為完整的系列產(chǎn)品，但用戶要求越來(lái)越高，對(duì)價(jià)格性能比更為看重，尤其對(duì)某些小型零件的加工，其所需負(fù)荷較小，調(diào)速范圍不寬，加工工序少，效率高，但目前國(guó)內(nèi)數(shù)控車床功能多，價(jià)格高，造成很大浪費(fèi)，而我廠現(xiàn)有的數(shù)控車床，雖然在這方面做得較好，其加工范圍的覆蓋面也較寬，但針對(duì)上述零件加工的機(jī)床還是空白，對(duì)用戶無(wú)法做到“量體裁衣”。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)品升級(jí)換代，上述零件加工越來(lái)越多，市場(chǎng)對(duì)其具有較高效率，價(jià)格較低的排刀式數(shù)控車床的要求量越來(lái)越大，綜上所述，為適應(yīng)市場(chǎng)要求，擴(kuò)大我廠數(shù)控車床在國(guó)內(nèi)機(jī)床市場(chǎng)上的占有量，特進(jìn)行N089型數(shù)控車床的開發(fā)。2機(jī)床概況、用途和使用范圍2.1概述：XXX型號(hào)是結(jié)合我廠數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為滿足高速、高效和高精度生產(chǎn)而設(shè)計(jì)成鑄造底座、平床身、滾動(dòng)導(dǎo)軌，可根據(jù)加工零件的要求自由排刀的全封閉式小規(guī)格數(shù)控車床。本機(jī)床采用SIEMENS802S系統(tǒng)，主電機(jī)為YD132S2/4雙速電機(jī)。主傳動(dòng)采用富士FRN5.5G9S4型變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，進(jìn)給采用德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的110BYG550A和110BYG550B步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)系統(tǒng)，兩軸聯(lián)動(dòng)。2.2用途：XXX型號(hào)型數(shù)控車床可以完成直線、圓錐、錐面、螺紋及其它各種回轉(zhuǎn)體曲面的車削加工，適合小軸類、小盤類零件的單件和批量生產(chǎn)，特別適合于工序少，調(diào)速范圍窄，生產(chǎn)節(jié)拍快的小軸類零件的批量生產(chǎn)。2.3使用范圍：本機(jī)床是一種小規(guī)格，排刀式數(shù)控車床，廣泛用于汽車、摩托車、紡織、儀器、儀表、航空航天、油泵油嘴等各種機(jī)械行業(yè)。3XXX型號(hào)型數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)：3.1切削區(qū)域：a.拖板上最大回轉(zhuǎn)直徑 75mmb.最大切削長(zhǎng)度 180mmc.縱拖板的最大行程 250mmd.橫拖板的最大行程 300mm3.2主軸：a.主軸頭部 GB5900186A24b.主軸前軸承內(nèi)徑 70mmc.主軸通孔直徑 42mmd.最大通過(guò)棒料直徑 25mm3.3主傳動(dòng)：a.主電機(jī)功率 4.5/5.5kwb.主軸轉(zhuǎn)速 3200(4000)r/minc.主軸最大扭矩 32Nm3.4進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：a.快進(jìn)速度：X向 3m/minZ向 6m/minb.最小進(jìn)給單位：X向 0.0025mmZ向 0.005mmc.進(jìn)給力（額定）：X軸 13000NZ軸 10000N3.5排刀：a.根據(jù)特定零件安排相應(yīng)刀具 b.刀具安裝尺寸：外圓刀具 1616 內(nèi)孔刀具 163.6機(jī)床重量： 約1800kg3.7機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）： 170011401550(mm)4傳動(dòng)系統(tǒng)的確定和分析4.1主傳動(dòng)方案的擬定：本機(jī)床采用YD型雙速電機(jī)＋變頻調(diào)速，為提高扭矩，降速比為1:1.2。

4.1.1主軸最高和最低轉(zhuǎn)速的確定：該機(jī)床主要用于加工小軸類零件和有色金屬件，這樣就有較高的速度要求。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和分析：轉(zhuǎn)速nmax=3300~3400r/minnmin=190r/min4.1.2主電機(jī)功率的確定主電機(jī)主要滿足負(fù)荷切削的要求，現(xiàn)假設(shè)如下切削條件：試件：材料：45鋼；熱處理：正火；工件直徑：65mm切削速度：V=150m/min切削用量：ap=1.5mm；f=0.3mm/n；P=200kgf/mma.主切削力Fz=Pfap=2000.31.5=90kgf=900Nb.切削扭矩M切=FzR==29.25Nmc.切削功率M切=FzV==2.25kw該主傳動(dòng)效率為=0.8則N主N切==2.8125kwd.根據(jù)材料考慮本機(jī)床現(xiàn)有一定的轉(zhuǎn)速要求，又有較高的扭矩要求，而該機(jī)床定位較低，故選用普通YDS132S2/4雙速電機(jī)額定輸出功率4.5/5.5kw，額定轉(zhuǎn)速1440/2900r/min采用1:1.2降速提高扭矩，并用交流變頻器進(jìn)行8~75HZ的低速檔變頻和8~66HZ的高速檔變頻，變速比為1:1.2時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和輸出扭矩：低速檔：n額==1200r/minn低==192r/minn高==1800r/min額定扭矩M==32.23Nm

高速檔：n額==241.6r/minn低==386r/minn高==3190r/min額定扭矩M==19.56Nm其主軸輸出功率、扭矩見圖1。對(duì)于那些對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求較高的用戶，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中考慮采用調(diào)整其變速比的方法來(lái)滿足，即將原降速比1:1.2改為1:1。實(shí)際調(diào)整就是將主傳動(dòng)中皮帶輪的尺寸由120mm調(diào)整為150mm，仍用交流變速器進(jìn)行8HZ~75HZ的低速檔變頻和8HZ~70HZ高速檔變頻，額定輸出功率為4.5/5.5kw，額定轉(zhuǎn)速1440/2900r/min。這樣在1:1傳動(dòng)時(shí)主軸低速檔及額定輸出扭矩：n額=1440r/minn低==230r/minn高==14401.5=2160r/minM額==26.86Nm主軸高速檔及額定輸出扭矩：n額=2900r/minn低==464r/minn高==4060r/minM額==16.3Nm其主軸輸出功率、扭矩見圖2。4.1.3三角皮帶輪的校核根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，選d1=125mm，考慮皮帶的滑動(dòng)率，則大輪直徑d2=——皮帶滑動(dòng)率

I——傳動(dòng)比取：=1%；I=1.2計(jì)算得：d2=148.5，取d2=150mma.中心距確定：Dm==137.5mm==12.5mm假定：a=660mm帶長(zhǎng)：L=Dm+2a+=3.14137.5+2660+=1752mm按標(biāo)準(zhǔn)?。篖0=1800mm則：a= = =683.9mm，取a=684mmb.小輪包角：1=180>120c.帶速：==26.5m/s>25m/sn1：小輪最高轉(zhuǎn)速n=4060r/min由計(jì)算所提，機(jī)床最高轉(zhuǎn)速時(shí)，帶速略超許用帶速，考慮綜合因素，仍選用A型帶，d1=125mmd.單根V型帶的基本額定功率根據(jù)d1=125mm、n1=1440r/min，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3冊(cè)中的表22.113d查得（A型帶）：N1=1.93kw考慮到傳動(dòng)比的影響i1，額定功率的增量N1由表22.113d查得：N=0.13kwe.帶的根數(shù)：Z=

Nc——計(jì)算功率：Nc=KAN=1.15.5=6.05N——機(jī)床傳遞功率KA——工作情況系數(shù)，考慮到本機(jī)床直接傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，故取KA=1.1N1——功率增量K——包角系數(shù)，由表22.110查得K=0.99486KL——帶長(zhǎng)系數(shù)，由表22.111查得KL=0.99Z==2.9取三根A型帶Z=3f.張緊力：F=q：V型帶每米長(zhǎng)質(zhì)量查表q=0.1kg/mF==188.42Ng.徑向載荷：Q=2ZF0Sin=1130.53Sin=1112.8(N)4.1.4主軸直徑的選擇：a.由于本機(jī)床采用的A24主軸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取前支承直徑70mm，因?yàn)榭紤]到最大棒料（通過(guò)）為25，取后軸徑65mm。b.求支承的徑向剛度：主軸的輸出扭矩：由扭矩轉(zhuǎn)速圖1可查得：在nmin=192r/minMmax=35.8Nm若取Dmax=70mm則Fz==1022.85N Fy=0.5Fz=511.4N則F==1143.58N受力情況如圖3。

圖3 圖4支承情況如圖4，設(shè)計(jì)中根據(jù)需要a=68.5，取=3，則l=3a=368.5=205.5由前面計(jì)算的切削力，根據(jù)力和力矩的平衡，F(xiàn)==1524.8NF==381.2N在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，前后軸承分別選取哈軸的46114、36114二個(gè)自成組軸承和36113二個(gè)自成組軸承，這樣前軸既有較高的承載力和能滿足較高的轉(zhuǎn)速要求。因此，向心推力球軸承間隙為零時(shí)的徑向彈性位移量：o=Qr——滾動(dòng)體上的徑向載荷Qr=Fr——軸承徑向載荷，此處為支反力i——滾動(dòng)體列數(shù)Z——每列滾動(dòng)體數(shù)Qr==217.2NQr==51.6N：向心推力軸承推力角；36接觸角15；46接觸角25dQ：滾動(dòng)體直徑則：o==7.4mo==2.79m

設(shè)：46114軸承的預(yù)緊量為18m（由工藝推薦）也可以通過(guò)相關(guān)樣本查的 63113軸承的預(yù)緊量為22m相對(duì)位移量：=2.43=7.89從圖35查得：=0.24，=0.2由式32：1=o得1=0.25o=0.247.4=1.7m1=0.2o=0.22.79=0.558m支承的彈性位移即包括軸承的位移，同時(shí)也包括了軸承外徑與箱體孔的接觸變形和軸承內(nèi)徑和軸的接觸變形。查哈軸樣本：C46114、D36113軸承與箱體孔的裝配過(guò)盈量：1=0m，1=0m由公式從圖36查得：K1=0.2，K1=0.2代入式：=F——外載荷（N）K——系數(shù)，由過(guò)盈量查圖3-6得b——軸承寬度（mm）d——軸承外徑2==1.387m2==0.415m軸承C46114、D36113與軸的裝配過(guò)盈量：2=4.5m，2=0m由公式從圖36查得：K2=0.17，K1=0.23==1.179m3==0.415m由以上計(jì)算可以得出本主軸組前支承、后支承的綜合徑向剛度：

K==357.4N/cmK=N/cmc.求最佳跨距=1.29，1當(dāng)主軸當(dāng)量外徑D當(dāng)==67.5mm，當(dāng)量?jī)?nèi)徑d當(dāng)=48時(shí)，慣量矩I=0.05=1.2查圖332，曲線可查得：=3.3則：Lo=3.3a=3.368.5=22.605本設(shè)計(jì)取a=67，跨距210mm由以上計(jì)算可以看出選a=67，跨距210mm，能夠滿足主軸的最佳跨距和剛度的要求。以上計(jì)算公式均取自大連工學(xué)院戴曙主編的《金屬切削機(jī)床計(jì)算》。4.1.5軸承壽命的計(jì)算主軸受力分析如下圖5。圖5a.假設(shè)切削零件：試件尺寸：25100mm夾頭體重量：G=V=7.83.14=1.3kg

b.設(shè)計(jì)使用時(shí)間th設(shè)機(jī)床每天工作15h，每年使用300天，使用年限8年，在全部使用期間內(nèi)切削時(shí)間占70%，則：th=15300870%=25200小時(shí)c.計(jì)算平均轉(zhuǎn)速ne由于本機(jī)床是190~4000r/min范圍內(nèi)調(diào)速，因此需要計(jì)算平均轉(zhuǎn)速，設(shè)機(jī)床的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為1，則在各種轉(zhuǎn)速下所占機(jī)床的總運(yùn)動(dòng)時(shí)間列表如表1。表1常用轉(zhuǎn)速r//min40060090012001500180021002500300035004000與機(jī)床總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間之比0.10.10.10.10.150.150.10.10.050.040.01ne==1595r/mind.平均切削力計(jì)算：在以上常用轉(zhuǎn)速下加工零件時(shí)主軸所受的主切削力見表2。表2常用轉(zhuǎn)速r/min40060090012001500180021002500300035004000走刀深度(mm)1.81.510.80.50.50.50.50.50.30.3走刀量(mm)0.30.30.30.30.30.30.30.30.30.20.2主切削力kgf10890604830303030124.84.8材料鋼件有色金屬件F=PapfP——單位切削量的切削力鋼為200kgf/mm，有色金屬為80kgf/mm平均主切削力Fze==45.76kgf平均切削分力Fye=0.5Fze=22.88kgfe.根據(jù)力矩平衡原理，求、支承處的支反力

圖6G在、支承的分力：受力分析如圖6。FG==1.9kg=19NFG=1.91.3=0.6kg=6NQ在、支承上的分力（Q為皮帶張緊時(shí)，作用在主軸上的張緊力）。根據(jù)前面皮帶校核，皮帶張緊時(shí)的作用主軸上的張緊力Q=112.8N，受力分析如圖7。圖7FQ==699.5NFQ=1812.3N主切削力在、支承上的支反力（Fze），受力分析如圖8。圖8

Fze==2Fze=245.76kg=915NFze=915457.6=457.4N切削分力在、支承上的支反力：Fy==2Fy=222.88=45.76kg=457.6NFy=FyFy=228.2N根據(jù)以上計(jì)算、兩支承所受的總支反力如圖9所示。圖9F=FQ+FzeFG=1595.5NF=FQ+FzeFG=1812.3+457.46=2263.7NF==1659.8NF==12275.2Nf.軸承壽命計(jì)算：Lh=ne——平均計(jì)算轉(zhuǎn)速P——軸承支反力（此處F、F）前軸承（支承）支承是一個(gè)46114和一個(gè)36114自成組軸承，額定負(fù)荷取46114軸承的額定負(fù)荷。Lh==79904.8h>30000h后軸承取2個(gè)36113自成組軸承C=28.6KNLh==20755.6(h)通過(guò)計(jì)算，后軸承若采用36113軸承，其壽命不能滿足要求，因此，后軸承重選，采用2個(gè)36213自成組軸承。

C=56.1KN則：Lh==15664.86(h)>30000h4.2伺服系統(tǒng)的確定本機(jī)床X、Z的進(jìn)給均采用SIEMENS公司的802S數(shù)控系統(tǒng)的交流步進(jìn)電機(jī)，X、Z軸的絲桿均采用25mm直徑，螺距均為5mm，X軸軸承2個(gè)46104自成組，Z軸選用3個(gè)46204三個(gè)自成組，并分別采用施加預(yù)緊力來(lái)消除絲桿間隙，以提高其剛度。5.2.1傳動(dòng)比和進(jìn)給速度計(jì)算：根據(jù)以往數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表3示。表3型號(hào)重量(kg)頻距角()最大靜扭矩(Nm)空載啟動(dòng)頻率(kpps)運(yùn)行頻率(kpps)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgfcms)110BYG550A5.60.3663.5600.00146110BYG550B7.20.3693.5600.00146a.X向傳動(dòng)比計(jì)算：i=；——步距角；S——絲桿導(dǎo)程；——脈沖當(dāng)量為了保證機(jī)床有一定的加工精度，取=0.0025mm則i==2取Z1=20，則Z2=iZ1=40b.進(jìn)給速度計(jì)算：根據(jù)該電機(jī)的頻一距特性曲線（802S步進(jìn)電機(jī)樣本）取H=10kpps=10000HZV=Vj==1.5m/min這樣快進(jìn)速度太慢，由Hm特性曲線，取H=20kpps=2010HZV==6m/min這樣Vj==3m/min由以上計(jì)算，再根據(jù)Hm特性曲線，X向采用1:2降速，即提高了其進(jìn)給精度，又提高進(jìn)給扭矩。雖進(jìn)給速度降低，但對(duì)此排刀數(shù)控機(jī)床不存在刀具的換位，讓刀空行程較少，效率高，因此Vj=3m/min足夠了。

c.Z向傳動(dòng)比的計(jì)算：i=；——步距角；S——導(dǎo)程；——脈沖當(dāng)量取=0.005mm；則i==1Z向采用直接傳動(dòng)，從而減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高傳動(dòng)的精度。d.進(jìn)給速度的計(jì)算：根據(jù)其Hm特性曲線（SIEMENS電機(jī)樣本）Vj==6m/min由圖線可知電機(jī)在此速度下快進(jìn)，仍有較高的扭矩。4.2.2慣量匹配計(jì)算：工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的慣量：J=JI+Js+J其它Js——絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JI——移動(dòng)部件轉(zhuǎn)化到絲桿上的慣量慣量匹配的計(jì)算，主要用以檢查負(fù)載慣量對(duì)系統(tǒng)的靈敏度和加速度，如果負(fù)載慣量過(guò)大，則電機(jī)加速時(shí)間較長(zhǎng)。若負(fù)載發(fā)生變化，則加速時(shí)間也將發(fā)生變化，因此要負(fù)載慣量與電機(jī)的慣量要合理匹配。一般負(fù)載慣量與電機(jī)慣量Jm之比應(yīng)滿足<J<1，計(jì)算見表4。表4軸向慣量Z向X向移動(dòng)部件的慣量轉(zhuǎn)化到絲桿的慣量(JI)kgmJI==0.JI==0.滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Js)kgmJs===0.Js===0.其它零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Jj)kgmJj=0.0007Jj=0.0005折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量(JL)kgmJL=JI+Js+Jj=0.JL=Jj+(Js+JI)=0.=0.71=0.414通過(guò)表4計(jì)算，可見本機(jī)床選用的此兩電機(jī)均可滿足<J<1的條件，故選擇為合理。

4.2.3電機(jī)轉(zhuǎn)矩匹配的計(jì)算：由于數(shù)控機(jī)床對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求較高，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要用來(lái)產(chǎn)生加速度。M=Mamax+Mf+MoMamax——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩Mf——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mo——由絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩Mamax=kgfm Jr：kgmMf=kgfmMo=kgfmT——系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)nmax——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）Fo——導(dǎo)轉(zhuǎn)摩擦力（kgf）S——絲桿導(dǎo)程（mm）——傳動(dòng)鏈效率，一般=0.8~0.85Po——滾軸絲桿的預(yù)加載荷o——滾珠絲桿預(yù)緊時(shí)的效率，o=0.9Jr=JL+JMT為，KS為系統(tǒng)開環(huán)增益，KS值越大機(jī)床靈敏度越高，但KS值大到一定程度時(shí)，由于系統(tǒng)的靈敏度過(guò)高而使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件慣量過(guò)大，從而影響定位精度。對(duì)一般數(shù)控機(jī)床取KS=8~25。本機(jī)床取KS=10。根據(jù)以上公式計(jì)算X、Z向的加速力矩，忽略Mo、Mf的影響，則：=1.23Nm<=3.1Nm<通過(guò)以上計(jì)算，本機(jī)床電機(jī)匹配合適。

進(jìn)給部份主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表5。表5參數(shù)項(xiàng)目脈沖當(dāng)量（mm）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）最大進(jìn)給速度（mm/min）橫向（X）0.00256003000縱向（Z）0.005120060004.2.4加速能力計(jì)算：系統(tǒng)要求的最大加速度：=1m/s=2m/s上滑板能達(dá)到的最大加速度：ax==4.84m/s>amax十字拖板能達(dá)到的最大加速度：az==2.87m/s>amax因ax>amax、az>amax因此本機(jī)床能夠達(dá)到加速性能要求。4.2.5進(jìn)給力的計(jì)算：a.X向進(jìn)給力的計(jì)算：X向電機(jī)能夠提供的最大靜扭矩為6Nm，經(jīng)1:2降速，機(jī)械效率0.9，則Fx==6782.42=13564.8NFx的最大值主要在機(jī)床進(jìn)行粗切端面時(shí)出現(xiàn)，假設(shè)下列切削條件：刀具材料：YT5車刀，Kr=90切削用量：t=2m，f=0.3，Cpy=141工件材料：結(jié)構(gòu)鋼，b=65kg/mmFgx==1050NFx>Fgx，電機(jī)滿足要求。b.Z向進(jìn)給力的計(jì)算：Z向電機(jī)能夠提供的最大靜扭矩9Nm，機(jī)械效率為0.9，則Fz==10173.6N

Fz的最大進(jìn)給力主要用于孔加工，假定下列切削條件：鉆孔直徑：15mm走刀量：S=0.15mm主軸轉(zhuǎn)速：n=300r/min刀具材料：工具鋼工件材料：結(jié)構(gòu)鋼，b=65kg/mmFgz==4615NFy>Fgz，故Z向電機(jī)滿足要求。4.2.5絲桿的預(yù)拉伸量計(jì)算：本機(jī)床通過(guò)對(duì)機(jī)床絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸來(lái)消除加工過(guò)程中由于絲桿的熱變形對(duì)加工精度的影響，并進(jìn)一步提高絲桿的剛度。a.X軸絲桿方向目標(biāo)值的確定：絲桿的熱膨脹變形：L=Lt==0.mm——絲桿的熱膨脹系數(shù)，=/℃t——絲桿與床身之間的溫升，t=3℃L——絲桿兩鎖緊螺母之間的距離根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，考慮到絲桿除環(huán)境溫度的變化而引起絲桿變形外，還有其它因素的影響，取絲桿的預(yù)拉伸量為0.035mm。因絲桿螺紋整個(gè)絲桿部分全長(zhǎng)為67.9%，則絲桿的方向目標(biāo)值為0.025mm。b.Z軸絲桿方向目標(biāo)值的確定：絲桿的熱膨脹變形：L=Lt==0.0222mm取預(yù)拉伸量為0.04mm，螺紋占絲桿全長(zhǎng)的60.1%、0.0460.1%，則方向目標(biāo)值為0.025。5設(shè)計(jì)原則5.