数控车床车头箱传动系统设计【含CAD图纸、说明书】
摘要I 数控车床车头箱传动系统设计摘 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。本文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情况,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 3-5 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 AbstractII 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 JIFCNC-B 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.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 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm致谢3 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 . 42.1 主 传 动 技 术 指 标 的 制 定 . 42.1.1 主运动参数的确定. 42.1.2 电机的选择. 42.2 主 传 动 系 统 的 设 计 52.2.1 确定传动方案. 52.2.2 转速图及齿轮布置的拟定5第三章 传动系统零部件设计 . 73.1 带 传 动 的 设 计 与 计 算 . 73.2 齿 轮 的 设 计 与 校 核 . 93.2.1 各个传动轴所传递动力计算.93.2.2 齿轮副 28/70 的设计与校核. 103.2.3 齿轮副 24/76 的设计与校核133.3 传 动 轴 的 设 计 与 校 核 163.3.1 轴 I 的设计与校核. 163.3.2 轴 II 的设计与校核. 18第四章 主轴组件的设计与校核 . 214.1 主 轴 的 要 求 . 21致谢4 4.2 轴 承 的 选 择 224.3 主 轴 的 设 计 与 校 核 22第五章 主轴驱动与控制 . 265.1 主 轴 的 调 速 265.2 主 轴 旋 转 与 进 给 的 同 步 控 制 . 26第六章 总结 28参 考 文 献 . 29致 谢 . 30数控车床车头箱传动系统设计 摘要I 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。本文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情况,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 3-5 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 AbstractII 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 JIFCNC-B 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.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 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm目录III 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 . 42.1 主 传 动 技 术 指 标 的 制 定 . 42.1.1 主运动参数的确定. 42.1.2 电机的选择. 42.2 主 传 动 系 统 的 设 计 52.2.1 确定传动方案. 52.2.2 转速图及齿轮布置的拟定5第三章 传动系统零部件设计 . 73.1 带 传 动 的 设 计 与 计 算 . 73.2 齿 轮 的 设 计 与 校 核 . 93.2.1 各个传动轴所传递动力计算.93.2.2 齿轮副 28/70 的设计与校核. 103.2.3 齿轮副 24/76 的设计与校核133.3 传 动 轴 的 设 计 与 校 核 163.3.1 轴 I 的设计与校核. 163.3.2 轴 II 的设计与校核. 18第四章 主轴组件的设计与校核 . 214.1 主 轴 的 要 求 . 21目录IV 4.2 轴 承 的 选 择 224.3 主 轴 的 设 计 与 校 核 22第五章 主轴驱动与控制 . 265.1 主 轴 的 调 速 265.2 主 轴 旋 转 与 进 给 的 同 步 控 制 . 26第六章 总结 28参 考 文 献 . 29致 谢 . 30第一章 引言1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) 带传动的主传动第一章 引言2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。图 1.1 主轴变速方式图 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。但是与国第一章 引言3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 3000-6000 小时,国外的一般都能够达到 10 000 小时以上。第二章 主传动系统方案的制定4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)n10/vd= 、 = ,则机床变速范围 =mininax10vdmaaxindnRmaxi一般取 =KD, =(0.2-0.25) , K=0.5, D=460mminmax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=50mmmaxVminV=0.5 460=230mm, =(0.2-0.25) 230=46-57.5mm,取dmind=50mminmax = = =1591 r/minminax10vd025= =41.52 r/minini1.鉴于往后的金属切削机床进一步发展所需,取 =10r/min, =1600 minVmaxVr/min则 = =160,计算转速: ,取nRmaxin/ 0.30.3in16458incRr=90r/minc第二章 主传动系统方案的制定52.1.2 电机的选择 该车床的车削功率在 8kw-16kw 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ZFPc=2500 200/60000=8.333kwP= =10.68kw/Pc依据 J1FCNCI-B 型号机床的实际情况选择 YVP160-4 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,n计2). 电动机恒功率变速范围 Rdp= max/ =4000/1500=2.67额3). 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 4-15 之间的数,则分级变速箱的级数为: np=/6.dR,取 Z=4 1lg.l(0952.7)3.0Z5). 公比 3186). 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min提高精度,减小振动, 2,各级传动比取 1/3.16,1/2.51 ,1/2.11maxi2.2.2 转速图及齿轮布置的拟定1)画转速图第二章 主传动系统方案的制定6图 2.1 转速图2) 齿轮的空间布置图 2.2 齿轮空间布置图第三章 传动系统零部件设计7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2.1AK kWPKAd 2.132.(2) 带型的选择:根据 和 ,由手册查得选 B 型带kWPd.3min501rn(3)小带轮直径:查手册取 1D(4)大带轮直径: 12501%31.57n m取标准值 23Dm(5) 计算带速: 1501.78606nvsms由于 在 之间,所以满足经济性要求。.78sv2(6) 带轮中心距 的确定:0a12012.DD即: 753530.9ma初取 02a(7) 带基准长度 的确定:dL2101024d Da第三章 传动系统零部件设计8= 2315025014m 783.m由手册选取 08dL(8) 确定实际轴间距 的确定:a,1532.5mD3150=82.V2a()/4mLLD( ) /4221803.103.5)./4( )52.安装时的最小轴间距: min0.1528.30158501.3daLm张紧或补偿伸长的最大轴间距: ax 2.d(9) 小带轮包角: 211 31508060861.302.D所以小带轮包角合适。(10) 求带根数查手册得 , , ,03.64PkW=0.95K0.95L0=.46wPKV0 132346cLz 根取 根4(11) 求张紧力 :0F20.51cPqvvzK230.17.7849N第三章 传动系统零部件设计9250.N(12) 轴上载荷: 10 16.3sin250.4sin9752rFz N3.2 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,0Pd0n输出转矩 =9550 =T0/7mN轴 I = =11 0.96=10.56kw 为带传动效率100= = =711r/minn1i5/in2.r=9550 =1T1P4.8mN轴 II = =10.56 0.99 0.97=10.14kw, 分别为轴承、21212齿轮传动效率。高速 = =711 1.33=535 r/min2n1i=9550 =9550 =T2P10.4538mN低速 = =711 2.51=283 r/min212ni=9550 =9550 =T210.4832.轴 III = =10.14 0.99 0.97=9.7kw, 分别为、轴 III 上3P23 23轴承、齿轮传动效率高速 = =535 1.21=599 r/min3n21i=9550 =9550 =T3P9.7514.6mN低速 = =283 3.16=90 r/min32i第三章 传动系统零部件设计10=9550 =9550 =3T3nP9.7012.3mN3.2.2 齿轮副( )的设计与校核 2870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 =2T2Pn10.4832.mN齿宽系数 查手册 =0.5b接触疲劳强度极限 查手册 =1250MPa, =1200MPa,lim1Hlim2H初步计算许用接触应力 =0.9 =1125 MPa, li=0.9 =1080MPa2Hlim2值 查表 =85dAdA初步计算小齿轮直径 = 1d321dHTu324180.5185.79.57,取 =80mm1初步齿宽 b= =0.5 80,取 b=40mmd2).校核计算圆周速度 v v= =7.94m/s.18019660n精度等级 查手册选 7 级齿数 Z 和模数 m =28,m= =2.86,取 m=3 , = =84mm1Z9321dmz=70, =70 3=210mm,b= =0.5 84=42mm22dd1使用系数 查手册得 =1.0AKAK第三章 传动系统零部件设计11动载系数 查手册得 =1.16vKvK齿间载荷分配系数 = =8147NH2t1dTF3480= =194N/mm100N/mmtAb7.查表得 =1.2 HK= =1.7212=.8-3()cosz1.8-32()70=0.874.7Z齿向载荷分配系数 查表得 =1.04HKHK载荷系数 K K= =1.0 1.16 1.2 1.04=1.45Av弹性系数 查表得 =189.8EZEZaMP节点区域系数 由图得 =2.5HH接触最小安全系数 由表得 =1.05minSminS总工作时间 =10 300 8 0.2=4800hht ht应力循环次数 = =60 1 711 4800=2.05LN1LN60ht810=27/.0i接触寿命系数 由图 =0.95, =1.0NZ1NZ2N许用接触应力 = = =1131MPaH1Hlim1S5.90= =1143MPa2li2mNHZ.5验算 = HEZ21(u+)bdKT第三章 传动系统零部件设计12= 189.8 2.5 0.87 21.45380(.51+)=893.3MPa 100NmmtAbK48由表得 .H= =1.712.8-3()cosz1.8-32()476=0.884.73Z齿向载荷分布系数 由表得 =1.02HKHK载荷系数 K K= =1 1152 1.1 1.02=1.29Av弹性系数 由表 =189.8EZEZaMP节点区域系数 由图 =2.5HH接触最小安全系数 由表 =1.05minSminS总工作时间 =10 300 8 0.2=4800hhtht应力循环次数 = =60 1 283 4800=8.15LN1LN60ht710=27/.50i接触寿命系数 由图得 =0.95, =1.13NZ1NZ2N许用接触应力 = = =1448MPaH1HlimS6.950第三章 传动系统零部件设计15= = =1722MPa2Hlim2NZS160.35验算 = HEZ231(+)bdKTu= 189.8 2.5 0.88 aMP2.9103(.6+1)48=1174MPa 400mm,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 =1:19.180DdL4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 =1029.31T2PnmN圆周力 = =6772N.1tdF0934径向力 = N, r 0tan672tan59画轴 II 受力图 见图(b)b)计算支撑反力第四章 主轴组件的设计与校核24垂直面内支撑反力 ,267359670RFN12596780RFN水平面支撑反力 =2172N, 45 =43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)2xyzMd). 画轴转矩图 见图(h)e). 许用应力用查入法查表 =102.5MPa, =60MPa0b1b应力校正系数 = =0.591602.5f). 当量弯矩图 见图(i)当 量弯矩T0.59 1029344N.mm=607313N.mmg). 校核轴颈= =51.3mm100mmd31b0.M/3806.第四章 主轴组件的设计与校核25图 4.2 主轴受力图摘要I 数控车床车头箱传动系统设计摘 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。本文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情况,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 3-5 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 AbstractII 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 JIFCNC-B 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.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 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm致谢3 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 . 42.1 主 传 动 技 术 指 标 的 制 定 . 42.1.1 主运动参数的确定. 42.1.2 电机的选择. 42.2 主 传 动 系 统 的 设 计 52.2.1 确定传动方案. 52.2.2 转速图及齿轮布置的拟定5第三章 传动系统零部件设计 . 73.1 带 传 动 的 设 计 与 计 算 . 73.2 齿 轮 的 设 计 与 校 核 . 93.2.1 各个传动轴所传递动力计算.93.2.2 齿轮副 28/70 的设计与校核. 103.2.3 齿轮副 24/76 的设计与校核133.3 传 动 轴 的 设 计 与 校 核 163.3.1 轴 I 的设计与校核. 163.3.2 轴 II 的设计与校核. 18第四章 主轴组件的设计与校核 . 214.1 主 轴 的 要 求 . 21致谢4 4.2 轴 承 的 选 择 224.3 主 轴 的 设 计 与 校 核 22第五章 主轴驱动与控制 . 265.1 主 轴 的 调 速 265.2 主 轴 旋 转 与 进 给 的 同 步 控 制 . 26第六章 总结 28参 考 文 献 . 29致 谢 . 30数控车床车头箱传动系统设计 摘要I 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。本文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情况,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 3-5 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 AbstractII 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 JIFCNC-B 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.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 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm目录III 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 . 42.1 主 传 动 技 术 指 标 的 制 定 . 42.1.1 主运动参数的确定. 42.1.2 电机的选择. 42.2 主 传 动 系 统 的 设 计 52.2.1 确定传动方案. 52.2.2 转速图及齿轮布置的拟定5第三章 传动系统零部件设计 . 73.1 带 传 动 的 设 计 与 计 算 . 73.2 齿 轮 的 设 计 与 校 核 . 93.2.1 各个传动轴所传递动力计算.93.2.2 齿轮副 28/70 的设计与校核. 103.2.3 齿轮副 24/76 的设计与校核133.3 传 动 轴 的 设 计 与 校 核 163.3.1 轴 I 的设计与校核. 163.3.2 轴 II 的设计与校核. 18第四章 主轴组件的设计与校核 . 214.1 主 轴 的 要 求 . 21目录IV 4.2 轴 承 的 选 择 224.3 主 轴 的 设 计 与 校 核 22第五章 主轴驱动与控制 . 265.1 主 轴 的 调 速 265.2 主 轴 旋 转 与 进 给 的 同 步 控 制 . 26第六章 总结 28参 考 文 献 . 29致 谢 . 30第一章 引言1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) 带传动的主传动第一章 引言2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。图 1.1 主轴变速方式图 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。但是与国第一章 引言3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 3000-6000 小时,国外的一般都能够达到 10 000 小时以上。第二章 主传动系统方案的制定4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)n10/vd= 、 = ,则机床变速范围 =mininax10vdmaaxindnRmaxi一般取 =KD, =(0.2-0.25) , K=0.5, D=460mminmax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=50mmmaxVminV=0.5 460=230mm, =(0.2-0.25) 230=46-57.5mm,取dmind=50mminmax = = =1591 r/minminax10vd025= =41.52 r/minini1.鉴于往后的金属切削机床进一步发展所需,取 =10r/min, =1600 minVmaxVr/min则 = =160,计算转速: ,取nRmaxin/ 0.30.3in16458incRr=90r/minc第二章 主传动系统方案的制定52.1.2 电机的选择 该车床的车削功率在 8kw-16kw 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ZFPc=2500 200/60000=8.333kwP= =10.68kw/Pc依据 J1FCNCI-B 型号机床的实际情况选择 YVP160-4 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,n计2). 电动机恒功率变速范围 Rdp= max/ =4000/1500=2.67额3). 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 4-15 之间的数,则分级变速箱的级数为: np=/6.dR,取 Z=4 1lg.l(0952.7)3.0Z5). 公比 3186). 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min提高精度,减小振动, 2,各级传动比取 1/3.16,1/2.51 ,1/2.11maxi2.2.2 转速图及齿轮布置的拟定1)画转速图第二章 主传动系统方案的制定6图 2.1 转速图2) 齿轮的空间布置图 2.2 齿轮空间布置图第三章 传动系统零部件设计7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2.1AK kWPKAd 2.132.(2) 带型的选择:根据 和 ,由手册查得选 B 型带kWPd.3min501rn(3)小带轮直径:查手册取 1D(4)大带轮直径: 12501%31.57n m取标准值 23Dm(5) 计算带速: 1501.78606nvsms由于 在 之间,所以满足经济性要求。.78sv2(6) 带轮中心距 的确定:0a12012.DD即: 753530.9ma初取 02a(7) 带基准长度 的确定:dL2101024d Da第三章 传动系统零部件设计8= 2315025014m 783.m由手册选取 08dL(8) 确定实际轴间距 的确定:a,1532.5mD3150=82.V2a()/4mLLD( ) /4221803.103.5)./4( )52.安装时的最小轴间距: min0.1528.30158501.3daLm张紧或补偿伸长的最大轴间距: ax 2.d(9) 小带轮包角: 211 31508060861.302.D所以小带轮包角合适。(10) 求带根数查手册得 , , ,03.64PkW=0.95K0.95L0=.46wPKV0 132346cLz 根取 根4(11) 求张紧力 :0F20.51cPqvvzK230.17.7849N第三章 传动系统零部件设计9250.N(12) 轴上载荷: 10 16.3sin250.4sin9752rFz N3.2 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,0Pd0n输出转矩 =9550 =T0/7mN轴 I = =11 0.96=10.56kw 为带传动效率100= = =711r/minn1i5/in2.r=9550 =1T1P4.8mN轴 II = =10.56 0.99 0.97=10.14kw, 分别为轴承、21212齿轮传动效率。高速 = =711 1.33=535 r/min2n1i=9550 =9550 =T2P10.4538mN低速 = =711 2.51=283 r/min212ni=9550 =9550 =T210.4832.轴 III = =10.14 0.99 0.97=9.7kw, 分别为、轴 III 上3P23 23轴承、齿轮传动效率高速 = =535 1.21=599 r/min3n21i=9550 =9550 =T3P9.7514.6mN低速 = =283 3.16=90 r/min32i第三章 传动系统零部件设计10=9550 =9550 =3T3nP9.7012.3mN3.2.2 齿轮副( )的设计与校核 2870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 =2T2Pn10.4832.mN齿宽系数 查手册 =0.5b接触疲劳强度极限 查手册 =1250MPa, =1200MPa,lim1Hlim2H初步计算许用接触应力 =0.9 =1125 MPa, li=0.9 =1080MPa2Hlim2值 查表 =85dAdA初步计算小齿轮直径 = 1d321dHTu324180.5185.79.57,取 =80mm1初步齿宽 b= =0.5 80,取 b=40mmd2).校核计算圆周速度 v v= =7.94m/s.18019660n精度等级 查手册选 7 级齿数 Z 和模数 m =28,m= =2.86,取 m=3 , = =84mm1Z9321dmz=70, =70 3=210mm,b= =0.5 84=42mm22dd1使用系数 查手册得 =1.0AKAK第三章 传动系统零部件设计11动载系数 查手册得 =1.16vKvK齿间载荷分配系数 = =8147NH2t1dTF3480= =194N/mm100N/mmtAb7.查表得 =1.2 HK= =1.7212=.8-3()cosz1.8-32()70=0.874.7Z齿向载荷分配系数 查表得 =1.04HKHK载荷系数 K K= =1.0 1.16 1.2 1.04=1.45Av弹性系数 查表得 =189.8EZEZaMP节点区域系数 由图得 =2.5HH接触最小安全系数 由表得 =1.05minSminS总工作时间 =10 300 8 0.2=4800hht ht应力循环次数 = =60 1 711 4800=2.05LN1LN60ht810=27/.0i接触寿命系数 由图 =0.95, =1.0NZ1NZ2N许用接触应力 = = =1131MPaH1Hlim1S5.90= =1143MPa2li2mNHZ.5验算 = HEZ21(u+)bdKT第三章 传动系统零部件设计12= 189.8 2.5 0.87 21.45380(.51+)=893.3MPa 100NmmtAbK48由表得 .H= =1.712.8-3()cosz1.8-32()476=0.884.73Z齿向载荷分布系数 由表得 =1.02HKHK载荷系数 K K= =1 1152 1.1 1.02=1.29Av弹性系数 由表 =189.8EZEZaMP节点区域系数 由图 =2.5HH接触最小安全系数 由表 =1.05minSminS总工作时间 =10 300 8 0.2=4800hhtht应力循环次数 = =60 1 283 4800=8.15LN1LN60ht710=27/.50i接触寿命系数 由图得 =0.95, =1.13NZ1NZ2N许用接触应力 = = =1448MPaH1HlimS6.950第三章 传动系统零部件设计15= = =1722MPa2Hlim2NZS160.35验算 = HEZ231(+)bdKTu= 189.8 2.5 0.88 aMP2.9103(.6+1)48=1174MPa 400mm,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 =1:19.180DdL4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 =1029.31T2PnmN圆周力 = =6772N.1tdF0934径向力 = N, r 0tan672tan59画轴 II 受力图 见图(b)b)计算支撑反力第四章 主轴组件的设计与校核24垂直面内支撑反力 ,267359670RFN12596780RFN水平面支撑反力 =2172N, 45 =43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)2xyzMd). 画轴转矩图 见图(h)e). 许用应力用查入法查表 =102.5MPa, =60MPa0b1b应力校正系数 = =0.591602.5f). 当量弯矩图 见图(i)当 量弯矩T0.59 1029344N.mm=607313N.mmg). 校核轴颈= =51.3mm100mmd31b0.M/3806.第四章 主轴组件的设计与校核25图 4.2 主轴受力图
收藏