【正文】 動轉(zhuǎn)位刀架 (四工位 )從而實現(xiàn)自動換刀；通過 MCS51系列 8051 單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由 I/O接口輸出步進(jìn)脈沖信號控制進(jìn)給速 度和行程；為了保持切削螺紋的功能，要在主軸外端或其它適當(dāng)部位裝上脈沖發(fā)生器；將車床的手動尾座改造成為可控電動尾座。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 9 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 10 第三章主傳動系統(tǒng)設(shè)計 概述 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，并能方便地實現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和和制動。 主傳動系統(tǒng)包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，相比普通車 床的主傳動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較簡單，因為變速功能由主軸電動機(jī)的無級 調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的變速范圍 。 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點 與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有下列特點 ： 1) 轉(zhuǎn)速高、功率大。使數(shù)控機(jī)床能進(jìn)行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。 2) 變速范圍寬。一般 Rn100,以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。 3) 主軸變速迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。 主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持 性。 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 1) 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和和制動。 2) 主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動力要求。 3) 主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。 4) 操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。 5) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 11 主傳動 系統(tǒng) 的 配置方式 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機(jī)的選型 數(shù) 控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中， 目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級調(diào)速和電動機(jī)無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。 我們選用交流主軸電動機(jī)配以齒輪變速箱實現(xiàn)分級無級調(diào)速。 由于交流調(diào)速電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)動慣性小，動態(tài)響應(yīng)快，沒有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動機(jī)高，磨損和故障也少。在中小功率領(lǐng)域已占優(yōu)勢，故 本次設(shè)計選用交流調(diào)速電動機(jī)。 通過調(diào)節(jié)供電頻率的辦法調(diào)速。功率特性見下圖： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 12 主軸電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時輸出全部功率 和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在 額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩速度范圍，在額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率速度范圍。恒功率的速度范圍只有 1： 3 的速度比。當(dāng)電動機(jī)速度超過 某一定值之后，其功率 —— 速度曲線又會向下傾斜，不能保持恒功率。 交流主軸電機(jī)的調(diào)速 交流主軸電動機(jī)屬于交流感應(yīng)電動機(jī) ,當(dāng)定子三相繞組通上交流電時 ,將建立起旋轉(zhuǎn)磁場 ,其主磁通Φ m的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 ,其值為 n0 = 60f1/p (r/min) 式中 f1定 子供電電源頻率（ HZ） p— 旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù) 感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù) n為 n= n0（ 1s） =60f1（ 1s） /p 式中 s— 轉(zhuǎn)差數(shù) ,s= n0n / n0 由上式可知，調(diào)速方法可分為兩類。第一類是改變同步轉(zhuǎn)數(shù) n0的調(diào)速，它分為兩種方法，一是改變電動機(jī)極對數(shù) p。由于 p 是整數(shù)，所以只能得到級差很大的有級調(diào)速，不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求；二是改變電動機(jī)的供電頻率 f1?？傻玫狡交臒o級調(diào)速，是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高。第二類是 不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速。由于有轉(zhuǎn)差功率損耗， 效率低，特性軟，不適合數(shù)控機(jī)床調(diào)速。 在實際調(diào)速時，單純改變電源頻率是不夠的，因為由“電動機(jī)學(xué)”可知，旋轉(zhuǎn)磁場以 n0速度切割定繞組，同在每相繞組感應(yīng)電勢為 E1= m≈ u1 式中 k1w1— 定子每相繞組等效匝數(shù)； Φ m— 每極磁通量； u1— 定子相電壓 所以 Φ m= u1/ 由上式可知，如在變頻調(diào)速中，只保持定子電壓 u1不變，則主磁通大小將會發(fā)生變化。如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則上升，將導(dǎo)致鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電動機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此 ，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這就是所謂的恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)速控制”。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 13 只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為： 178。交 – 直 – 交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。 178。交 – 交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。 目前對于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交 – 直 – 交變頻器。 分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設(shè)計 在設(shè)計數(shù)控機(jī)床主傳動時，必須考慮電動機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp 遠(yuǎn)大于電動機(jī)的恒功率范圍 Rdp，所以在主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴(kuò)大其恒功率變速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機(jī)的輸出功率的要求。 我們先設(shè)定主軸的最高轉(zhuǎn)速為 4000r/min,最低轉(zhuǎn)速為了 30r/min,計算轉(zhuǎn)速為 150r/min，最大切削功率為 ，交流主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,最高轉(zhuǎn)速為 4500r/min. 主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp=4000/150= 電動機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3 主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率變速范圍，故必須配以分級變速箱。 取變速箱的公比 Φ f等于電動機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp, 即Φ f=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口無重合的。如變速箱的變速級數(shù)為 Z，則主軸的恒功率變速范圍 Rnp 等于 Rnp=Φ fZ1 Rdp=Φ fZ 故變速箱的變速級數(shù) Z=lgRnp/lgΦ f= 取 Z=3 變速齒輪箱采用一級變速三對齒輪副數(shù) ,齒數(shù)分別為 :高速級Z1:Z2=112:58；中速級 Z1:Z2=68： 102；低速大轉(zhuǎn)矩級 Z1:Z2=30： 140 利用原車床主軸箱內(nèi)的第三軸和主軸，查車床圖冊，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機(jī)與原電機(jī)功率相同，故軸不必另行校核。 三副齒輪只校核低速重載齒輪副即可。校核如下： 1已知電動機(jī)輸出功率為 ,額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min,則經(jīng)同步帶傳 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 14 動，第三根軸的轉(zhuǎn)速為 750r/min。經(jīng) Z1:Z2=30/140 傳動后，主軸轉(zhuǎn)速為160r/min. 2大、小齒輪均采用 45 鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 ,選小齒輪硬度 HBS260～290,大 齒輪 硬度 HBS220～ 250, 精度 選 6 級。 m=2mm,a=20176。 , 齒寬b=20mm,ha*=1,c*=,齒輪傳動效率η = 3齒輪幾何尺寸計算 : d1=z1m=60mm, d2=z2m=280mm, da1=(z1+2)m=64mm, da2=(z2+2)m=284mm, df1=()m=55mm, df2=()m=275mm, a=(z1+z2)m/2=170mm 3齒輪校核 : 1) 小齒輪轉(zhuǎn)矩 9 5 5 0 * * *1 9 1 . 2750PT N m???? 式中 P—— 電動機(jī)的輸出功率 η —— 齒輪傳動 效率 取 2) 動載荷系數(shù) AVK K K K K??? ? ? ? 式中 KA—— 使用系數(shù)取 1 Kv—— 動載荷系數(shù)取 KB—— 齒向載荷系數(shù)取 Ka—— 齒向載荷分配系數(shù) 由1211[ 1 . 8 8 3 . 2 ( ) ] c o s 1 . 7 5 8ZZ??? ? ?? ? ? ? ? 查表并插值得 Kα = 則 K=1***= 3) 許用彎曲應(yīng)力 F F lim[ ]= /N X FY Y S?? 式中： Flim? —— 彎曲疲勞極限； Flim1? =460N/mm2 Flim2? =390N/mm2 NY —— 彎曲壽命系數(shù) 1NY? 2 1NY ? YX—— 尺寸系數(shù)取 1 SF—— 安 全系數(shù)取 則 2F 1 F l im 1[ ] = / 35 3. 85 /N X FY Y S N m m?? ? 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 15 2F 2 F l im 2[ ] = / 30 0 /N X FY Y S N m m?? ? 4) 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算 由式 F 1 F a Sa 1 F= 2 K T Y Y Y /bd m [ ]???? 式中 FaY —— 齒形系數(shù) Fa1Y = Fa2Y = SaY —— 應(yīng) 力修正系數(shù) Sa1Y = Sa2Y = Y? —— 重合度系數(shù) Y 5 5 / 77???? ? ? 則F 1 1 F a S a 1 F2 * 1 . 5 6 * 9 1 6 0 0= 2 K T Y Y Y /b d m = * 2 . 4 * 1 . 6 5 3 * 0 . 6 7 7 = 3 1 9 . 8 2 [ ]2 0 * 6 0 * 2??? ? F 2 1 F a S a 2 F2 * 1 . 5 6 * 9 1 6 0 0= 2 K T Y Y Y /b d m = * 2 . 2 5 * 1 . 7 5 * 0 . 6 7 7 = 6 8 . 9 3 [ ]2 0 * 2 8 0 * 2? ? 故齒根彎曲強(qiáng)度足夠，滿足要求。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 16 傳動系統(tǒng)圖見下圖 轉(zhuǎn)速圖見下 圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 17 主軸轉(zhuǎn)速從 4000r/min 至 145r/min 由 AB、 BC、 CD 在段連接而成，屬電動機(jī)的恒功率區(qū)，從 145r/min 降至 30r/min 上圖中的 CD 段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。如取總效率 η =，則電動機(jī)功率 P=?？蛇x用北京數(shù)控設(shè)備廠的 BESK8型交流主軸電動機(jī)，連續(xù)額定輸出功率為 。 主傳動系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式 在檢查原有主軸軸承完好、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的前提下，保留原有主軸支撐方式。 保留原機(jī)床的 主軸手動變速。改造后使其主 /運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，主電機(jī)的作用僅為帶動主軸旋轉(zhuǎn)。增加一只電磁離合器，用以接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動信號以控制原制動裝置制動停車。 加工螺紋時，為保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確移動一個導(dǎo)程，須配置主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元件。脈沖發(fā)生器采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，意在實現(xiàn)角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動平 .穩(wěn)，傳遞信號準(zhǔn)確。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計