CK516立式数控车床Z向进给传动系统设计

1网络教育学院继续教育学院毕业设计（论文）题目函授站（学习中心）北京学习中心专业06级（春、秋）层次学生姓名指导教师年月日2目录第一章概述1.1数控机床的概念···································1.2数控机床的组成分类及特点························1.3数控机床的发展趋势及现状························1.4CK516立式数控车床的总体方案设计················1.5本设计的主要内容和方法·························第二章纵向进给传动系统总体方案的确定2.1进给传动系统的组成及其原理····················2.2进给传动控制伺服系统的选择····················2.3进给驱动电动机类型的确定······················2.4确定脉冲当量··················2.5进给系统的传动要求及传动类型的选择·······2.6电机与丝杠联接方式的选择·······················2.7进给系统的一些其它要求························第三章伺服电动机的具体计算选择3.1电动机的选型要求······························3.2电动机工作方式的确定·························3.3电动机型号的确定·····························3.4运动部件惯量及扭矩计算·······················3第四章滚珠丝杠螺母副的计算和选型4.1滚珠丝杠螺母副的种类·············4.2滚珠丝杠支承方式的确定············4.3计算进给牵引力Fm(N)·············4.4计算最大动负载C···············4.5滚珠丝杠螺母副的选型·············4.6传动效率计算·································4.7稳定性校核··················第五章联轴器的具体确定5.1联轴器的种类和特性··············5.2联轴器选择的标准···············5.3联轴器型号的确定···············第六章进给系统其他部件的确定及机床噪声控制6.1导轨的确定··································6.2刀架的选择6.3机床噪声的控制······························结论·······································4第一章概述1.1数控机床的概念数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.2数控机床的组成分类及特点1.2.1数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。1.控制介质：以指令的形式记载各种加工信息；2.数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；3.伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。4.机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。1.2.2数控机床的分类数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类：按坐标轴数分类：一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床；按特点分类：点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床；按有无测量装置分类：开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统；按功能水平分类：经济型，普及型，高级型。1.2.3数控机床的特点5数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：1.提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；2.提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生率5-10倍；3.可加工形状复杂的零件；4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件；5.有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。1.3数控机床的发展趋势及现状1.3.1数控机床在我国的发展趋势及现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说，这个问题反映在下列五个方面：1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月，其中设计时间约为5～8个月，占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6～9个月，其中设计约1.5～2个月，只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等)，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。3.用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用6户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。4.现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程(ConcurrentEngineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。1.3.2数控机床在国外的发展趋势及现状无人化，规模化生产对加工设备提出了高速度，高精度，高效率的要求，交流伺服系统具有高响应，免维护（无碳刷，换向器等磨损元部件），高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本法努克公司，三菱电机公司，安川电机公司，德国西门子公司，aeg公司，力士乐indramat公司，美国抗体公司，通用电气公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。进入20世纪90年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路(如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等)与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100?s以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，7即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem串行实时通信系统)接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入SERCOS工作组的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等几家公司。与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为2/4/8/16Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。CAN(controllerAreaNetwork)用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发，迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。目前已能满足在2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。SERCOS为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。1.4CK516立式数控车床的总体方案设计CK516立式数控车床具有高转速、大扭矩、高刚性等特点，主要用于加工轮毂、刹车毂等各类短轴类、盘类零件，车削螺纹、圆弧、圆锥、回转体的内外曲面、端面沟槽、钻、扩、铰等，适用于形状复杂的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。CK516立式数控车床的机械传动部分设计，可以分为主轴组件设计、主传动设计、变速箱中传动轴和齿轮设计、X、Z向进给伺服系统设计等小题目，由6名同学共同完成。我们6位同学经过调查研究，分析讨论，反复论证，最终确定了机床的总体方案。1.机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：床身上最大回转直径mm800最大车削直径mm600最大车削高度mm600主轴转速范围（四段无级）r/min45-1000主轴孔前端锥度mm120主电机功率kw158X/Z轴伺服电机N.m222.机床主要部件及其运动方式的选定(1)主运动的实现采用主轴箱与变速箱分离的传动布局。主传动由变频电机经四级变速箱、三角带窄V带传至主轴。(2)进给运动的实现机床进给运动均采用半闭环伺服控制，因此在X、Z两个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由伺服电机通过联轴器传递。(3)数字控制的实现控制系统采用FANUC-0i系统。(5)机床其它零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。1.5本设计的主要内容和方法本设计为纵向进给运动的设计，设计内容主要包括：确定系统的负载