数控机床主传动系统设计毕业设计全文

毕业论文(设计)-1-第一章前言1.1数控机床的发展概况数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。1.2数控机床的未来发展趋势1)高速化。随着汽车、航空航天工业的发展，铝合金及其他新材料的应用日益广泛，对高速加工的需求越来越强劲。2)高精度。机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够在不同运行条件下“保证”零件的加工质量。3)工序集约化。在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。4)机床的智能化。加工设备不仅提供“体力”，也有“头脑”，能够在线监测工况、独立自主地管理自己，并与企业的生产管理系统通信。5)机床的微型化。随着各种产品的小型化以及微机电系统的迅速发展，对机床微型化提出了强烈的需求。1.3数控机床的主传动系统主传动系统是实现主运动的传动系统，它的转速高、传递的功率大，是数控机床的关键部件之一。对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格的要求。由于数控机床的主运动要求有较大的调速范围，因此数控机床的主传动电机主要使用交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机。由于主运动采用了无级变速，为了确保低速时的扭矩，数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。数控机床采用带有变速齿轮的主传动。通过少数几对齿轮减速，扩大了毕业论文(设计)-2-输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位采用液压拨叉直接齿轮实现。毕业论文(设计)-3-第二章主传动系统的运动设计2.1主运动系统驱动电机的选择对于任何一种数控机械设备，它的各个运动中速度最高的，功率消耗最大的那个运动称为主运动。而驱动主运动的电机的选择主要考虑电机的功率，调速范围以及功率扭矩特性等。其中功率则应考虑有效功率、空载功率和随负载增加的摩擦损耗功率。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。目前数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床变速时是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。主轴的最高转速nmax=3150r/min，最低转速nmin=16r/min，计算转速nj=78r/min，交流变频主轴电机其额定功率Pn=10kw，额定转速nd=1000r/min，最高转速nmax=2400r/min，最低转速nmin=62r/min主轴要求的恒功率调速范围：Rnp=315040.3678电动机的恒功率调速范围：Rp=24002.41000可见主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比φFz=Rnp=2.4则由于无级变速时Rnp=φFz-1Rp=ZF故变速箱的变速级数Z=lg40.364.22lg2.4为了简化变速箱结构,取Z=4=22则12.52ZFnpR2.2拟定转速图和功率扭转特性图图1为转速图。要从电机的恒转矩调速的最低转速310r/min降至主轴的最低转速30r/min其总降速比为i=30/310=1/10，用两个变速组的最小传动比来完成。图2为主轴上的功率扭转特性图。毕业设计(论文)主传动系统的运动设计-4-2.3拟定齿轮齿数确定传动系统图为了便于设计和制造，同一传动组内各齿轮的模数取相同值。两轴间的中心距一定，所以齿数和Σz相等，为了减小径向尺寸，齿数和应尽量取小些。但最小齿数和Σzmin又受到最小齿数Zmin和最小传动比的限制（一般Zmin≥18～20，Umin≥1/4），为了实现变速二联滑移齿轮中，最大和最小齿轮的齿数差应大于4mm。同时还应考虑到小齿轮齿根圆与其键槽处的尺寸应大于两倍的模数，以防止根裂。另外齿数和Σz的选取不要使两轴中心距过小，否则有可能导致两轴轴承过近或使前后变速组的齿顶圆与轴相撞。综合考虑以上的因素，根据《金属切削机床设计》及变数箱传动比查表得轴间齿数和Σz=124根据转速图确定各轴上齿轮的齿数Ⅰ轴：Z1=60Z2=24Ⅱ轴：Z3=24Z4=60Z5=42Ⅲ轴：Z6=24Z7=42绘制传动系统图如下：毕业设计(论文)主传动系统的动力设计-5-第三章主传动系统的动力设计3.1主轴及其组件的选择数控机床变速时是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。1.带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。2.通过皮带传动的主传动这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。3.由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。近年来,国外出现一种数控机床内装式的电机主轴,即主轴与电机转子合为一体.优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，且利于控制振动和噪声。缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的平衡、温度控制和冷却是内装式电机主轴的关键问题。本设计选用的是带有变速齿轮的主传动，其优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力。但结构复杂，需增加润滑及温度控制系统，制造维修要求较高。3.2轴径的确定：3.2.1主轴轴径的确定：取前端直径D1=100mm,后端直径D2=(0.7~0.85)D1=80mm,C/3/82/后轴承C/3/82/16主轴传递扭矩:7.5955095504476.5616nNMNmn取主轴最大回转直径Ｄ＝240mm，则主轴所受切削力37304.660.12nMPN，毕业设计(论文)主传动系统的动力设计-6-18652.342YPPN.所以22541707.9YYPPPPKN(2)取主轴悬伸a=90mm,悬伸比03la,0270lmm则前轴承所受力41707.54AlaRPNl后轴承所受力10426.98BaRPNl前轴承径向位移:0.89300.8150.062519.58ARdm有5m预紧量时相对位移050.25519.58g查图线,取B=0.9,则弹性位移1017.62m轴承外圈与箱体孔接触变形:50.05100d,查图线K=0.18则外圈弹性变形:ARKmD内圈弹性变形:200.053.59ARmd所以轴承支承的综合刚度:1398/AARKNm(3)后轴承径向位移:0.89300.8150.06256.8ARdm有5m预紧量时相对位移050.7346.8g查图线,取B=0.9,则弹性位移103.94m轴承外圈与箱体孔接触变形:50.062580d,查图线K=0.1６则外圈弹性变形:ARKmD毕业设计(论文)主传动系统的动力设计-7-内圈弹性变形:200.051.22ARmd所以轴承支承的综合刚度:1361/AARKNm(4)求最佳跨距:1.027ABKK假定主轴的当量外径D为例,后轴径平均值D=90cm,取主轴d=56mm,故惯性距4440.05(95.6)278.8Icm73352102780.647139.8910AEIKa查图线02.9la则02.926lamm与假设初值相差不多,故不再检验.3.2.2传动轴轴径的确定(1)I轴:520.83/min,jnr41138.11jNdmmn取I轴为403510的花键轴(2)II轴：206.7/min,jnr41148.01jNdmmn取II轴为504512的花键轴III轴:82.01/min,jnr41160.49jNdmmn取III轴为605412的花键轴(3)选择轴II检验弯曲刚度轴II上有三对齿轮,有四种传动情况:轴IIIIII之间的空间位置如下图1,受力情况的分析也如图1.42244260426042242424606024606024带球齿0.980.990.990.969550()IINMNmnj750.969550133.42520750.969550336.29206毕业设计(论文)主传动系统的动力设计-8-X2()tIIIMPKNmz2133.422.1174422336.292.802460al340.1227510.52查图得K3.210()OtIIIrIIIIIPPKN2.1170.66153.2-2.8021()2rIIIIItIIIIIPPKN1.38980.55591.09451.4008al0.120.50.120.5查图得Ｋ3.213.210/()rIIIIIrIIIIIPPKKN0.43430.55591.09451.40080tIII0rIIIII０Ｘ＝Ｐ＋Ｐ（ＫＮ）-0.2272-0.10557-1.7074-1.4008Y1P()2rIIItIIIPKN-1.0585-1.40080/()rtIIIrIIIPPKKN-0.33075-1.40082()tIIIIIMPKNmZ2.7791.11187.00492.80190/()tIIIIItIIIPPKKN0.86861.11182.1892.801900()tIIIIIOrIIIYPPKN0.537850.781050.78821.40082200XY0.58380.78821.880