【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 究?jī)?nèi)容及方法 課題研究?jī)?nèi)容 本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床的主要參數(shù)如下： 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑： 400? ；溜板箱上直徑： 最大車削長度： ；主軸錐度：莫氏 6 主軸轉(zhuǎn)速： 25~2500rpm（有級(jí)或無極變頻調(diào)速）；主軸功率： 課題研究的主要內(nèi)容包括主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 換擋變速機(jī)構(gòu)的選用 。 研究方法 第一步，明確設(shè)計(jì)要求，找出研究的重難點(diǎn)：普通數(shù)控車床最基本的要求是精度達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定可靠，操作、維修、保養(yǎng)方便，壽命較長，此外力求外型美觀。 第二步，進(jìn)工廠觀摩，大量收集國內(nèi)外相關(guān)資料，吸取專家的設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)。 第三步，初步確定總體設(shè)計(jì)方案： 軟件方面 綜合考慮功能、價(jià)格、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便等因素，以及數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能是否與 CK6140 的性能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。選擇了 SINUMERIK 802D 機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)。 硬件方面 （ 1）根據(jù)機(jī)床性能要求，確定機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)形式為斜床身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行總體布局。（ 2）選擇主電機(jī)。根據(jù)切削力大小及機(jī)床的變速要求，初步確定主電機(jī)型。（ 3）設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)及箱體。由主電機(jī)的變速范圍，確定變速箱的減速級(jí)數(shù)以及傳動(dòng)方式。 論文構(gòu)成 本論文構(gòu)成如下： 第一 章闡述課題的研究背景及內(nèi)容。 第二章詳細(xì)論述主軸系統(tǒng) 方案的制定 。 第三章傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的設(shè)計(jì) 。 第四章 主軸結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)。 第 五 章總結(jié)本課題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其有待改進(jìn)之處。 論文最后是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得和參考文獻(xiàn)。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 第二章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削過程中能自動(dòng)變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，噪聲要小，動(dòng)態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求。 ① 使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。 ② 傳遞動(dòng)力要求 主電動(dòng)機(jī)和傳遞結(jié)構(gòu)能夠提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率。 ③ 工作性能要求 主傳動(dòng)中所有零部件要有足夠的剛度、精度和 抗振性，熱變形性穩(wěn)定。 此外，還要求主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。 總體設(shè)計(jì) 擬定傳動(dòng)方 案 數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時(shí)，需要切削直徑的變化 ,主軸必須通過自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。無級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因 此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 為簡(jiǎn)化主軸箱結(jié)構(gòu)，本方案僅采用二級(jí)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方案如圖 ： 有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓和電磁離合器兩種。 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動(dòng)撥叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪則必須使用兩個(gè)液壓缸（差動(dòng)油缸）實(shí)現(xiàn)三位移動(dòng)。液壓撥叉變速是一種有效的方法，工作平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但變速時(shí)必須主軸停車后才能進(jìn)行，另外，它增加了數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性，而且必須 將數(shù)控裝置送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的機(jī)械動(dòng)作，然后再將壓力油分配到相應(yīng)的液壓缸，因而增加了變速的中間環(huán)節(jié)，帶來了更多的不可靠因素。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 機(jī)械變速方案示意圖 電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)時(shí)，能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便。通過若干個(gè)安裝在各傳動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改 變齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。電磁離合器一般分為摩擦片式和牙嵌式。 選擇電機(jī) 選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題 (1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型。 (2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 ～ 。 (3)根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 型式。 (4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。 (5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。 此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素。 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能 (旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等 )，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷。表 簡(jiǎn)要給出了用戶 所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 表 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 理想 性能 項(xiàng)目 內(nèi)容 高性能 低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩 寬恒功率范圍 ,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩 高旋轉(zhuǎn)精度 高動(dòng)態(tài)響應(yīng) 高加減速 ,起制動(dòng)能力 具有強(qiáng)魯棒性 ,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化 高效率 ,低噪聲 低價(jià)格 低購買價(jià)格 ,低維護(hù)價(jià)格 ,低服務(wù)價(jià)格 通用要求 耐用性 ,可維護(hù)性 ,安全可靠性 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)kW 到上百 kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。 經(jīng)過對(duì)比分析本設(shè)計(jì)中決定采用 VFNC 系列變頻主軸電機(jī)。 VFNC 系列是高速、高精、高效的伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速、高精控制，并使機(jī)床更緊湊。 電動(dòng)機(jī)容量的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)容量就是合理確定電動(dòng)機(jī)的額定功率。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過載能力和起動(dòng)能力三方面因素，但一般情況下電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行發(fā)熱條件而定。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與其工作情況有關(guān)。但對(duì)于載荷不變或變化不大，且在常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)（如本課題中的電動(dòng) 機(jī)），只要其所需輸出功率不超過其額定功率，工作時(shí)就不會(huì)過熱，可不進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，本設(shè)計(jì)中電機(jī)容量按以下步驟確定： （ 1）確定電機(jī)輸出動(dòng)率 Pd（ ） () 傳動(dòng)裝置的 總效率 1 2 1 3? ????? 其中， 1? ― V 帶輪傳動(dòng)效率，由資料 [10]，表 2－ 4 查得 1? ＝ ； () 2? ―滾動(dòng)軸承效率，由資料 [10]，表 2－ 4 查得 2? ＝ ； 3? ―圓柱齒輪傳動(dòng)效率，由資料 [10]，表 2－ 4 查得 3? ＝ ； 由此， 33621 ???? ? = 故， d ?? 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 （ 3）選擇電動(dòng)機(jī)額定功率edP 如前所述，電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取 ～ ，所以電動(dòng)機(jī)額定功率選取為 。 （ 4）電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 由資料 [7],表 22－ 1－ 9，小功率電動(dòng)機(jī)一般選為 380V 電壓。所以本電機(jī)的電壓可選為380V。 同一類型、功率相同的電動(dòng)機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速 。一般而言，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小，價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)則情況相反。要綜合考慮電機(jī)性能、價(jià)格、車床性能要求等因素來選擇。 本課題中數(shù)控機(jī)床的主軸的轉(zhuǎn)速范圍要求為 25r/min~2500r/min。由于只有一根中間 傳動(dòng)軸，傳動(dòng)鏈較短，因此變速級(jí)數(shù)較少，故對(duì)電動(dòng)機(jī)恒功率變速范圍以及整個(gè)變速范圍要求較高。 V 帶輪傳動(dòng)比確定為 1 ?,ⅠⅡ 軸上齒輪傳動(dòng)比確定為 2 ?ⅡⅢ 軸上兩對(duì)直齒輪的傳動(dòng)比分別為 3 ?， 11i4 ?所以兩條傳動(dòng)鏈中， 底 速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比 321低 ??????? ， 高 速傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比 421高 ??????? ，由此可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍： 5 7 5 00n m ax ??? r/min, min/ rn ??? （ 5）確定電機(jī)的型號(hào) 由前面信息，可選取 VFNC 系列變頻主軸電機(jī)型號(hào) VFNC 。 VFNC系列變頻主軸電機(jī)的特點(diǎn)： 1. 雙功率設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)短時(shí)重載切削。 2. 恒功率范圍寬，可實(shí)現(xiàn)1:6 倍恒功率設(shè)計(jì) 3. 導(dǎo)入基頻 設(shè)計(jì)（是我司 “基頻制設(shè)計(jì)原理 ”在機(jī)床主軸電機(jī)上的成功應(yīng)用），達(dá)成低速力矩大，確保低速強(qiáng)力切削，超寬恒功率調(diào)速范圍，保障高速切削光潔度。 降低變頻器功 率，節(jié)省成本和電源容量。 VFNC 系列變 頻主軸電機(jī)特別適合數(shù)控車床類機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)，配合高性能矢量變頻器或主軸驅(qū)動(dòng)器，更能發(fā)揮其優(yōu)良的主軸特性，成為性能與經(jīng)濟(jì)性具佳的數(shù)控車床類機(jī)床的變頻主軸驅(qū)動(dòng)方案。 電機(jī)參數(shù)如下表所示： 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 表 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) S1100%連續(xù)額定 S650% ED 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2GD （ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ） 恒轉(zhuǎn)矩范圍 恒功率范圍 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm 額定功率Kw 額定電流A 額定轉(zhuǎn)矩Nm ， 30~1000r/min S1100%,1000~6000 r/min S650%,1000~4500 r/min VFNC 7.5 1 7 11 25 105 機(jī)座長為 470mm，電機(jī)軸徑為 48mm ，軸伸為 60mm，中心高 115mm，其余安裝尺寸及其外形由資料 [2]得。 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定、計(jì)算各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩 主運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍的確定 （本小節(jié)公式除非特別說明，均出自資料 [10]） ∵數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速范圍 25～ 2500r/min 則數(shù)控車床總變速范圍 100nnRminmaxn ?? () 估算主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，由于采用的是無級(jí)調(diào)速，所以采用以下的公式： min/)252500（25)(nn minmaxmin計(jì) ???? nn () 因?yàn)閿?shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大于計(jì)算轉(zhuǎn)速的實(shí)際值同時(shí)為了便于計(jì)算 故取： min/r104n ?計(jì) 主軸的恒功率變速范圍 24104250 0m a x ???計(jì)nnR np () 電機(jī)的恒功率變速范圍 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 610006000R d ??p 由于 RnpRdp，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。 取 6f ?? dpR? ，則 lg RglZ fnp ???對(duì)于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取 Z=2 故前面?zhèn)鲃?dòng)比分配可取。 各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 m i n/ 2 7nnm i n/r1 7 8nn/ m i 2 7　nnm i n/ 6 9nnm i n/r1 0 0 0nnⅡⅢⅡⅢⅠⅡ0Ⅰj0??????????12 . 421 () 各軸輸入功率 2ⅡⅢ2ⅠⅡ0Ⅰed0????????????? () 各軸輸入轉(zhuǎn)矩