数控车床主传动设计.doc

个人收集整理 勿做商业用途摘要数控车床可以进行车削，可以完成孔、面的加工.相比于其他类型的机床,其在生产中是使用很广的。在这个设计中，针对数控机床的发展和当前中国的一些情况，提出了一系列问题。本文章通过描述我们国家的数控技术总体发展趋势,并且分析了其中存在的一些毛病，经过了深入的讨论,进而得以完成了对JIFCNC-B型号的数控车床的主传动系统的设计及其计算的问题。主轴箱组成，是安装在空心主轴上的精密轴承和传动齿轮构成,主轴能够获得任何的速度，用来满足切削的加工要求。目前的发展趋势是通过电气或者是机械设备提供连续可变的速度.变频电机通过皮带传动和齿轮传动将动力传递给主轴。变频电机的调速通常是35之间，这是难以满足变速范围要求的,通过齿轮传动就可以使主轴获得大的变速范围。关键词：主轴箱，无级调速，传动系统 IV AbstractNC lathe can do boring， facing, drilling and Reaming in addition to turning。The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more。 And compared to other types of machine tools， lathes in the production is the most widely used。In this design ，the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed。Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of JIFCNCB NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears。 The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears。 The speed range of Variable Frequency Motor is usually 35 ， which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed； The transmission gears is to expand the scope of a variablespeed to meet the speed range of the spindle In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure， transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque， improved the forcing state of the input shaft。 Key words: headstocks， a continuously variable speed ， transmission Systerm目 录摘 要ABSTRACT（英文摘要）目 录第一章 引言11.1对主传动系统的要求11.2 主轴的变速方式方式11.3国内外数控车床的发展趋势2第二章 主传动系统方案的制定62.1主传动技术指标的制定7 2。1。1 主运动参数的确定。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 7 2。1。2 电机的选择.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 82。2 主传动系统的设计10 2.2.1 确定传动方案。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 10 2。2。2 转速图及齿轮布置的拟定.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。11第三章 传动系统零部件设计153。1带传动的设计与计算153.2齿轮的设计与校核17 3。2.1各个传动轴所传递动力计算.。.。.。.。.。.。.。.。.。.17 3。2。2齿轮副28/70的设计与校核。.。.。.。.。.。.。.。.。 19 3。2.3齿轮副24/76的设计与校核.。.。.。.。.。.。.。.。233。3 传动轴的设计与校核30 3。3.1 轴I的设计与校核。.。.。.。.。.。.。.。.。. 30 3.3。2 轴II的设计与校核。.。.。.。.。.。.。.。.。. 33第四章 主轴组件的设计与校核354。1主轴的要求354.2 轴承的选择364。3 主轴的设计与校核36第五章 主轴驱动与控制395。1 主轴的调速395.2 主轴旋转与进给的同步控制 40第六章总结41参考文献43致谢45第一章 引言数控技术，是利用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法.可用数控技术实现加工过程的自动化控制，可以加工精密、复杂、小批量的多种类型的工件、具有很高的柔性和自动化程度，是机电一体化的产品.数控技术如今也是机械行业的基础技术，体现了一个国家的综合实力，是机械行业的一次技术革命，把机械行业推进到了一个新的阶段.数控技术柔和了多种技术成为一体,有计算机技术、自动控制技术、伺服技术、检测等新技术.改变了以往的生产模式和管理方法,解决了机械行业中的许多加工难题，生产出了许多新的高质量的产品，服务与社会建设，对国家的发展有着重要的意义，发挥着巨大的经济效益。数控机床的主运动是通过车头箱的传动系统得到的，车头箱拥有一定的转速和变速范围，能够通过不同的刀具来加工各种各样的材料，得到想要的尺寸和以往不能加工出形状的工件。车头箱包括电动机、各级传动系统和主轴。1.1对主传动系统的要求1） 调速范围应该更大一些，最好能实现无级变速，这样就可以保证加工不同工件时能够得到不同的合理的切削用量和更高的加工效率2) 好的刚度和精度也是必不可少的，这样的话就可以达到平稳低噪的效果了，与此同时，工件的精度也就大大的提高了，这就要求传动系统的制造精度要满足一定的要求，主轴支撑也要达到一定刚度要求。3） 抗震性及其热稳定性也是限制机床加工精度的两个方面，必需要引起重视，否则对于车床加工工件精度及其效率的影响就是相当大的了。因此主轴组件应有一定的频率，能实现动平衡，并保证有合适的配合及润滑。1。2主轴的变速方式 1) 变速齿轮变速通过几对齿轮减速,增大输出转矩。分段无级变速是最佳选择,即在交流或直流变速电机的基础上加上齿轮变速.通过液压拨叉和电磁离合器来控制齿轮变速。2） 带传动的主传动通常选用同步齿形带或是多楔带，这样齿轮传动所引起的振动及噪声等干扰就可以避免。主要用于转速较高,变速范围不大的场合，电机本身的调整就能满足要求。3） 电主轴驱动方式不仅使主轴箱体和主轴的结构可以获得很大范围的简化，而且能够使整体的刚度得到较大的提高，床身紧凑，重量轻，惯性小。但是这也是存在缺点的，那就是电机的发热会直接影响到主轴的精度。1。3国内外数控车床的发展趋势近年来电子产业迅猛发展的同时也带动着数控技术进行着日新月异的变化。当前国内外数控车床的研究主要是朝着以下几个方向发展的:1、数控车床朝着高速高精高效方向发展。由于近几年采用了高性能的CPU芯片等先进技术，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,已经大大提高了数控机床的精度范围。2、数控车床朝着更加柔性化的方向发展，包括数控系统本身的柔性和群控系统的柔性.3、数控车床朝着设备故障率低、系统集成化灵活性程度高及其智能化程度高等方向发展.4、数控车床朝着工艺复合及多轴化等方向发展。我国的数控技术开始于1958年，虽然历经了50年的技术攻关并发展壮大，一些开发生产极地相继落成，一批批相关人才及产业已经初具规模。但是与国外设备相比我们还没有能够与之进行全面竞争的实力，因为我们技术的科技含量还不是很高,只能在低端市场上面获得一些市场，不能进军高端市场，目前主要存在的问题是：1、技术创新成分不高、消化吸收能力较弱.目前我国数控技术的研究主要还是依照外国开发的一些模式，对外依存度还较高，真正的创新成分并不是1很多。2、产品的可靠性、稳定性上面也有很大的不足。国产数控系统平均无故障时间为30006000小时，国外的一般都能够达到10 000小时以上.0第二章 主传动系统方案的制定2。1主传动技术指标的确定论文依据的是JIFCNC-B型这一中等规格,二轴联动的数控车床。查资料得知该机床的床身最大回转直径为460mm，所加工的最大工件长度为1000mm;主轴末端通孔直径为56mm,主轴锥度选莫氏锥度六号。确定数控车床的主要技术指标,如动力参数和运动参数，就要考虑所要求的加工工艺、加工对象、加工精度等多个方面.2.1.1主运动参数的确定主轴转速与切削速度的关系：= (r/min) =、=，则机床变速范围=一般取=KD， =(0.20.25）， K=0。5， D=460mm经统计分析可知：在硬质合金刀具精车钢材料工件外圆工艺中会出现最高转速,高速工具钢低速精车丝杠的工艺过程中会出现最低转速.从手册查得可知： =250r/min， =1.5 r/min, 加工丝杠最大直径为d=50mm=0。5460=230mm， =（0。20.25)230=46-57.5mm，取=50mmmax =1591 r/min=41。52 r/min鉴于往后的金属切削机床进一步发展所需,取=10r/min，=1600 r/min则=160，计算转速： ，取=90r/min2。1。2电机的选择 该车床的车削功率在8kw16kw之间,可以根据切削功率Pc与主传动链总效率估算主传动功率P： P=Pc/ ，这里的一般在0。70。85之间，数控车床的效率较大，取=0。78，数控车床在硬质合金刀具切削合金结构钢时主切削分力约为2500N，车削速度为90250rmin,则Pc=2500200/60000=8.333kwP=10。68kw依据J1FCNCI-B型号机床的实际情况选择YVP1604型电机，额定功率为11kw额定扭矩为70Nm，最高转速为4000r/min，额定转速为1500r/min。2.2主传动系统的设计2.2。1确定传动方案1）. 主轴要求的恒定功率变速范围：Rnp=max/=1600/90=35,2）. 电动机恒功率变速范围Rdp=max/=4000/1500=2。673）. 电机不能达到主轴所要求的变速范围，需要齿轮变速组来扩大变速范围。4）。 , R为415之间的数,则分级变速箱的级数为： ，取Z=4 5)。 公比6）. 为了防止因传动比过小引起的齿轮尺寸过大,一般1/4；为进一步提高精度，减小振动,2,各级传动比取1/3。16，1/2。51,1/2。112.2.2转速图及齿轮布置的拟定1）画转速图 2） 齿轮的空间布置2第三章 传动系统零部件设计3。1带传动的设计与计算 主传动系统采用V带传动，这样传动平稳，噪声小，适合于大轴距传动。(1) 确定计算功率：查得工况系数，计算功率（2） 带型的选择:根据和，由手册查得选B型带(3)小带轮直径：查手册取(4）大带轮直径：取标准值(5) 计算带速：由于在之间，所以满足经济性要求。(6） 带轮中心距的确定： 即： 初取 (7) 带基准长度的确定：= 由手册选取（8) 确定实际轴间距的确定:， 安装时的最小轴间距：张紧或补偿伸长的最大轴间距：(9) 小带轮包角：所以小带轮包角合适。（10） 求带根数查手册得，取 根(11) 求张紧力： (12) 轴上载荷:3。2齿轮的设计与校核3.2.1各个传动轴所传递动力计算电动机输出功率=11kw，额定转速=1500r/min，输出转矩=9550=轴I =110。96=10。56kw 为带传动效率 =711r/min =9550=轴II =10.560。990。97=10.14kw， 分别为轴承、齿轮传动效率。 高速 =7111.33=535 r/min =9550=9550= 低速 =7112。51=283 r/min =9550=9550=轴III =10.140。990。97=9.7kw，分别为、轴III上轴承、齿轮传动效率 高速 =5351。21=599 r/min =9550=9550=低速 =2833.16=90 r/min =9550=9550=3。2。2齿轮副（)的设计与校核 齿轮材料为20Cr，渗碳淬火，低温回火，小齿轮硬度60HRC，大齿轮硬度56HRC。1. 齿面接触疲劳强度计算1）。初步计算转矩 =9550=9550= 齿宽系数 查手册=0.5接触疲劳强度极限 查手册=1250MPa, =1200MPa，初步计算许用接触应力 =0.9=1125 MPa, =0。9=1080MPa值 查表=85初步计算小齿轮直径 = 79.57，取=80mm初步齿宽 b=0.580，取b=40mm2)。校核计算圆周速度v v= =7.94m/s.精度等级 查手册选7级齿数Z和模数m =28，m=2。86,取m=3 ， =84mm =70，=703=210mm,b=0.584=42mm使用系数 查手册得=1。0动载系数 查手册得=1。16齿间载荷分配系数 =8147N =194N/mm100N/mm 查表得=1。2 =1.72 =0。87齿向载荷分配系数 查表得=1.04载荷系数K K=1.01。161。21.04=1。45弹性系数 查表得=189。8节点区域系数 由图得=2.5接触最小安全系数 由表得=1。05 总工作时间 =1030080。2=4800h 应力循环次数 =6017114800=2。05=接触寿命系数 由图 =0.95,=1.0许用接触应力 = =1131MPa =1143MPa验算 = = 189。82。50。87 =893。3MPa 3)。齿轮传动主要尺寸 中心距a =147mm齿宽b 大齿轮，小齿轮2. 齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数 应力修正系数 由图得 重合度系数 =0。25+=0.25+=0。69齿间载荷分配系数 由表查得 =1.2齿向载荷分配系数 b/h=42/ (2.253）=6.2 由图知=1.03载荷系数K K=1.01.161。21。03=1。43弯曲疲劳极限 由图查得=620MPa,=620 MPa,弯曲最小安全系数 由表得 =1.25应力循环次数 =6017114800=2.05 =弯曲寿命系数 查弯曲寿命系数图 =0.8， =0.9尺寸系数 査尺寸系数图 =1.0 许用弯曲应力 =验算 = =265MPa 3。2。3齿轮副（）设计与校核 齿轮材料为20Cr，渗碳淬火，低温回火，小齿轮硬度60HRC，大齿轮硬度56HRC。1。 齿面接触疲劳强度计算1）.初步计算 转矩 =9550 =9550 =。 齿宽系数 由表 =0。5接触疲劳强度极限 =1600MPa, =1600MPa，初步计算许用接触疲劳强度极限 =0。9=1440 MPa, =0。9=1440 MPa 值 查表=85初步计算小齿轮直径 = 92.9，取=96mm初步齿宽 b=0.596，取b=48mm2）。校核计算圆周速度v v= =7。16m/s。精度等级 选7级精度齿数Z和模数m =24，m=4,所以取m=4 ， =96mm =76，=764=mm使用系数 查手册得=1动载系数 查手册得=1。15齿间载荷分配系数 =21444N =447Nmm100Nmm 由表得=1.7 =0.88齿向载荷分布系数 由表得=1.02载荷系数K K=111521.11.02=1.29弹性系数 由表=189。8 节点区域系数 由图=2.5 接触最小安全系数 由表=1。05 总工作时间 =1030080.2=4800h应力循环次数 =6012834800=8。15=接触寿命系数 由图得 =0.95， =1。13许用接触应力 = = =1448MPa = = =1722MPa验算 = = 189.82.50.88 =1174MPa 中心距a =200mm齿宽b 大齿轮，小齿轮2. 齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数 应力重合修正系数 查表得 重合度系数 =0。25+=0。25+=0.69齿间载荷分配系数 由表得 =1.1齿向载荷分布系数 b/h=48/ （2.254）=5.3，查相关图知=1.03载荷系数K K=11.151。11.03=1。3弯曲疲劳极限 查试验齿轮的弯曲极限表=620MPa，=620 MPa，弯曲最小安全系数 查表得 =1.25应力循环次数 =6012834800=8。15=弯曲寿命系数 查弯曲寿命系数图 =0。9， =0.95尺寸系数 査尺寸系数图 =1.0 许用弯曲应力 =验算 = 417MPa 3。3传动轴的设计与校核3。3.1传动轴I的设计与校核1）。估算轴颈d材料为45钢调质，由公式，查得C=118，=29mm，2） 轴结构设计 a）。计算齿轮受力=9550=141。8 圆周力=3377N。 径向力= 画轴I受力图 见图（b) b）。计算支撑反力 水平面支撑反力=1320N， 垂直面支撑反力， 水平面受力图 见图（c） 垂直面受力图 见图（e）c)。 画水平面弯矩图 见图（d） 画垂直面弯矩图 见图（f) 画合成弯矩图 见图（g） d）。 画轴转矩图 见图（h)e) 许用应力 用查入法查表得=102。5MPa,=60MPa 应力校正系数=0。59f)。 画出当量弯矩图 见图（i) 当量弯矩0.59141839N.mm=83865 N.mmg）. 校核轴颈=29mm40mm=33.6mm40mm,结构合理3.3。2.轴II的设计与校核1）。估算轴颈d材料为40钢调质，由公式，查表C=118，=38。9mm2) 轴结构设计 a)。计算齿轮受力=9550=342。18 圆周力=7129N. 径向力=N, 画轴II受力图 见图(b）b)计算支撑反力垂直面内支撑反力， 水平面支撑反力=1810N,水平面受力图 见图（c） 垂直面受力图 见图（e）c). 水平面弯矩图 见图（d) 垂直面弯矩图 见图（f) 合成弯矩图 见图（g）d）. 画轴转矩图 见图（h）e）. 许用应力 用查入法查表=125MPa， =71MPa 应力校正系数=0.57f). 当量弯矩图 见图(i） 当量弯矩0。57342180N。mm=195043 N。mmg)。 校核轴颈 =48.8mm400mm，采用莫氏锥度6号，锥度前端直径D=63.348mm，长度L=200mm，d=53mm,锥度=1：19。1804支撑跨度及悬伸量缩短悬伸量a的同时选择合适的跨度L可以提高主轴的刚度。一般而言取：La=35，且应使 La尽量大，这对于提高主轴刚度有很大好处.机床L=720mm左右,外伸长度a取160mm即可满足要求。5. 对主轴进行强度校核 a）。计算齿轮受力=9550=1029。3 圆周力=6772N。 径向力=N， 画轴II受力图 见图（b)b)计算支撑反力垂直面内支撑反力,水平面支撑反力=2172N， 水平面受力图 见图(c) 垂直面受力图 见图（e）c)。 水平面弯矩图 见图(d) 垂直面弯矩图 见图(f） 合成弯矩图 见图（g）d). 画轴转矩图 见图(h）e)。 许用应力 用查入法查表=102.5MPa， =60MPa 应力校正系数=0。59f）。 当量弯矩图 见图（i） 当量弯矩0。591029344N.mm=607313N.mmg）. 校核轴颈 =51.3mm100mm 4第五章 主轴驱动与控制数控车床一种典型的机电化产品，是一种自动化设备，集成了机床、计算机、电气、控制、信息检测等学科。主轴产生主运动，消耗的功率是最大的，主轴的控制是指主轴的正反转、开关和变速.为了达到驱动主轴的目的,必需满足:（1）调速范围宽，高速稳定性要好；(2）间歇性负载时要保持小的波动；(3）升速和降速时间要短；(4）承载能力大,工作时间长.由于微电子技术的兴起，伴随着交流调速技术和半导体技术的成熟，使得交流变速越发普遍.交流调速已经有取代直流调速的趋势.本机床采用的是交流变频器控制电机。主传动通过调速电机来实现无级变速,其正反转和起停均由直接驱动电机来完成.5.1主轴的调速对主轴电机进行控制时，根据转换指令，驱动电路完成对驱动电机信号的转换。调速过程：读控制代码，判断是否要换挡，如果不需要，则求得新的转速值，并把新的转速输入到变频器中,进而调节电机转速。如果需要换挡,这时候就发一个降速的指令，使频率降到最低值,经过一定的时间后，换挡继电器通电动作，再检测信号，检测是否完成换挡动作,若动作完成，则在新的位置上进行转速调节。参照变频驱动电机原理图及电气接线图.机床用液压拨叉来完成有级变速，低速切削用低速挡，精密切削用的是高速挡，装卸工件用空挡。以上动作的完成需要通过电磁阀来改变液压缸通油方式，从而推动变挡齿轮实现。参照液压控制原理图。5.2主轴旋转与进给的同步控制螺纹加工的工艺里，需要固定的起刀点和退刀点来保证对于螺距的要求。通常螺距为常数，但是现今变螺距的螺纹使用越来越广.在加工螺纹中，应该保证严格的运动关系，主轴转一圈，刀具进给相应的脉冲量，属于内联系传动链。主轴的脉冲发生器使用光电脉冲编码器，并安装在主轴上，用于检测主轴的转角和相位等信息。该编码器通过一对1:1的齿轮副保持与主轴的同步转速。 编码器在主轴转动的时候就发出一系列的脉冲,之后这些脉冲就会作为坐标轴进给的脉冲源而送到数控装置中,经过一系列的对比计算和分析后，再发给伺服系统，使进给量与主轴转速保持恒定的比率。电机的正反转可以加工出左旋和右旋螺纹。脉冲编码器还能够输出一个零位的信号，用于主轴位置的确定。为了保证端面的光整度，在数控车床切削端面时必需使该表面的粗糙度小于一定值。由学过的知识可知，为了使表面的粗糙度达到要求,就要使工件和刀具的相对速度保持恒定。因为切削时候刀具有磨损,切削直径在变化，要想速度保持不变，就要有主轴的横向进给调节来实现。1第六章 总结数控机床对于国民经济的发展以及整个制造行业来说占有举足轻重的地位，它改变了整个行业的设计方式，生产模式，管理格局，解决了往常难以解决的复杂难题，已经显现出了巨大的经济利益,数控机床是未来制造业发展的重中之重.在对数控机床有了一些了解后，我运用所学过的知识以JIFCNC-8型机床为基础进行了这次设计，虽没有达到先进性，但是这使得我从中学到了很多。这次设计使我把机床原理，数控技术，电气控制,液压控制等学科综合起来，对机床感觉不再陌生，同时也熟练了CAD制图技巧，使我能很快的完成复杂图形的设计和绘制，为胜任以后的设计工作打下了良好的基础。设计过程中参照了通常的数控机床的结构及其传动模式，使用分段无级变速，将变速的任务交给电机来完成，这样结构简单，但是主轴箱尚有改进的地方,体积偏大,现今有电机直接驱动皮带带动主轴转动，这样结构会进一步简化，而且随着电主轴的逐渐成熟，数控车床的未来会进入一个高速的时代.0参考文献1 实用机床设计手册，李洪主编，辽宁科学技术出版社，19912 李庆余、孟广耀主编，机械制造装备技术，机械工业出版