数控机床传动系统设计介绍

1、1.开发XXX型号数控车床的目的和理由国内数控车床经过十几年的发展，已形成较为完整的系列产品，但用户要求越来越高, 对价格性能比更为看重，尤其对某些小型零件的加工，其所需负荷较小，调速范围不宽，加 工工序少，效率高，但目前国内数控车床功能多，价格高，造成很大浪费，而我厂现有的数 控车床，虽然在这方面做得较好，其加工范围的覆盖面也较宽，但针对上述零件加工的机床 还是空白，对用户无法做到“量体裁衣”。随着市场经济的发展和产品升级换代，上述零件N-089 型加工越来越多，市场对其具有较高效率，价格较低的排刀式数控车床的要求量越来越大，综 上所述，为适应市场要求，扩大我厂数控车床在国内机床市场上的占有

2、量，特进行 数控车床的开发。2机床概况、用途和使用范围 2.1概述:XXX型号是结合我厂数控机床和普通机床的生产经验，为满足高速、高效和高精度生产而设计成铸造底座、平床身、滚动导轨，可根据加工零件的要求自由排刀的全封闭式小规格数 控车床。本机床采用SIEMENS 802S系统，主电机为YD132S-2/4双速电机。主传动采用富士 FRN5.5G9Sr型变频器进行变频调速，进给采用德国SIEMENS公司生产的110BYG-550A和110BYG-550B步进电机驱动的半闭环系统，两轴联动。2.2用途:XXX型号型数控车床可以完成直线、圆锥、锥面、螺纹及其它各种回转体曲面的车削加工,适合小轴类、小

3、盘类零件的单件和批量生产，特别适合于工序少，调速范围窄，生产节拍快 的小轴类零件的批量生产。2.3使用范围:本机床是一种小规格，排刀式数控车床,广泛用于汽车、摩托车、纺织、仪器、仪表、c.纵拖板的最大行程250mm航空航天、油泵油嘴等各种机械行业。3 XXX型号型数控车床的主要技术参数: 3.1切削区域:a.拖板上最大回转直径75mm180mmb.最大切削长度3.23.33.43.53.63.7d.横拖板的最大行程主轴:a.b.c.d.主轴头部主轴前轴承内径主轴通孔直径最大通过棒料直径主传动:a.主电机功率b.主轴转速c.主轴最大扭矩进给运动:a.b.c.300mmGB5900186A2470

4、mm42mm25mm4.5/5.5kw3200(4000)r/min32N m快进速度：X向3m/min6m/min最小进给单位：X向0.0025mm0.005mm进给力（额定）：X轴13000N10000N排刀:a.根据特定零件安排相应刀具b.刀具安装尺寸：外圆刀具机床重量:内孔刀具机床外形尺寸（长X宽X高）：4传动系统的确定和分析4.1主传动方案的拟定:1616016约 1800kmm)本机床采用YD型双速电机+变频调速，为提高扭矩，降速比为1:1.2。4.1.1主轴最高和最低转速的确定:该机床主要用于加工小轴类零件和有色金属件，这样就有较高的速度要求。根据市场调

5、研和分析:转速 nmax=33003400r/minnmin=190r/mi n4.1.2主电机功率的确定主电机主要满足负荷切削的要求，现假设如下切削条件:试件：材料：45钢；热处理：正火；工件直径：065mm切削速度：V=150m/min切削用量：ap=1.5mm； f=0.3mm/n； P=200kgf/mmHa.主切削力Fz=P f ap=200x0.3咒 1.5=90kg f=900Nb.切削扭矩M B=Fz R=29.25N mc.切削功率=2.25kwM B=Fz V=该主传动效率为n=0.8则 N 主 /N 切=2.8125kwd.根据材料考虑本机床现有一定的转速要求，又有较高的

6、扭矩要求，而该机床定位较低，故选用普通 YDS132S-2/4双速电机额定输出功率 4.5/5.5kw，额定转速1440/2900r/min采用1:1.2降速提高扭矩，并用交流变频器进行875HZ的低速档变频和866HZ的高速档变频，变速比为1:1.2时,主轴转速和输出扭矩:低速档:=1200r/min=192r/min=1800r/min额定扭矩M=32.23N m高速档:=241.6r/min=386r/min=3190r/min额定扭矩M=19.56N m其主轴输出功率、扭矩见图1。对于那些对主轴转速要求较高的用户，我们在设计中考虑采用调整其变速比的方法来满 足，即将原降速比1:1.2改

7、为1:1。实际调整就是将主传动中皮带轮的尺寸由 0120mm调整为 0150mm,仍用交流变速器进行8HZ75HZ的低速档变频和8HZ70HZ高速档变频，额定输出功率为 4.5/5.5kw，额定转速 1440/2900r/min。这样在1:1传动时主轴低速档及额定输出扭矩:n 额=1440r/min=230r/min =1440%1.5=2160r/min=26.86N m主轴高速档及额定输出扭矩:n 额=2900r/min=464r/min =4060r/min=16.3N m4.1.3角皮带轮的校核其主轴输出功率、扭矩见图2。则大轮直径d2=根据设计结构要求，选d1=125mm，考虑皮带的

8、滑动率芯,岂皮带滑动率a.I传动比取：=1%； 1=1.2计算得：d2=148.5.取 d2=150mm中心距确定:Dm=137.5mm=12.5mm假定：a=660mm带长：L=兀”Dm+2a+=3.1425m/sA型带,m：小轮最高转速n=4060r/min由计算所提，机床最高转速时，带速略超许用带速，考虑综合因素，仍选用d1=125mmd.单根V型带的基本额定功率根据d1=125mm、n1=1440r/min，由机械设计手册第 3册中的表22.1-13d查得（A型带）：N1=1.93kw考虑到传动比的影响iH1,额定功率的增量AN1由表22.1-13d查得:e.带的根数:Z=Nc计算功率

9、：Nc=Ka N=1.1x5.5=6.05N机床传递功率Ka 工作情况系数，考虑到本机床直接传动运转平稳，无冲击，故取Ka=1.1AN1功率增量Kot包角系数，由表22.1-10 查得 Ka=0.99486Kl 带长系数，由表22.1-11 查得 Kl=0.99Z=2.9取三根A型带Z=3f.张紧力:F=q： V型带每米长质量查表q=0.1kg/mF=188.42Ng.径向载荷:Q=2 ZF0 Sin=1130.53Si n=1112.8(N)4.1.4主轴直径的选择:a.由于本机床采用的A24主轴，根据经验取前支承直径0 70mm,因为考虑到最大棒料（通过）为025,取后轴径065mm。b.

10、求支承的径向刚度:主轴的输出扭矩：由扭矩转速图1可查得:在 nmin=192r/minMmax=35.8N m若取 Dmax=70mm则Fz=1022.85NFy=0.5Fz=511.4N贝U F=1143.58N支承情况如图4,设计中根据需要a=68.5,取-=3，则 l=3a=3x68.5=205.5a由前面计算的切削力，根据力和力矩的平衡,F(l +a)Fa=打 =1524.8NFP=F 亘=1143.58 x-685=381.2Nl205.5在实际设计中，根据经验，前后轴承分别选取哈轴的46114、36114二个自成组轴承和36113二个自成组轴承，这样前轴既有较高的承载力和能满足较高

11、的转速要求。因此，向心推力球轴承间隙为零时的径向弹性位移量:6o=Qr滚动体上的径向载荷Qr=Fr轴承径向载荷，此处为支反力i滚动体列数Z每列滚动体数Qra=217.2NQrP=51.6Na：向心推力轴承推力角；36接触角15； 46接触角25dQ：滚动体直径oP=2.79Pm则：oa=7.44mKa=357.4N/cm设：46114轴承的预紧量为18Am （由工艺推荐）也可以通过相关样本查的=2.4363113轴承的预紧量为22Am相对位移量:=7.89从图 3-5 查得：P a=0.24, P =0.2由式 3-2: 61=P5o 得6a1=0.256oa=0.247.4=1.74m 6p

12、1=0.26oP=0.2x2.79=0.558m支承的弹性位移即包括轴承的位移，同时也包括了轴承外径与箱体孔的接触变形和轴承 内径和轴的接触变形。查哈轴样本：C46114、D36113轴承与箱体孔的装配过盈量:ia1=0Pm， p1=0Am由公式 从图3-6查得：Ka1=0.2, Kp1=0.2代入式：左F外载荷（N）K系数，由过盈量查图3-6得b轴承宽度（mm）d轴承外径5(X2=1.387m右P2=0.415Pm轴承C46114、D36113与轴的装配过盈量:Aa2=4.5 衍，也 P2=0Pm由公式 从图3-6查得： 2=0.17，KP1=0.26(X3=1.1794m6 p3=0.41

13、54m由以上计算可以得出本主轴组前支承、后支承的综合径向刚度:KP=N/cmc.求最佳跨距=1.29,当主轴当量外径D当=67.5mm,当量内径d当=48时,惯量矩l=0.05xn=查图3-32, n-曲线可查得:=3.3则：Lo=3.3a=3.3x68.5=22.605本设计取a=67,跨距210mm由以上计算可以看出选a=67,跨距210mm,能够满足主轴的最佳跨距和刚度的要求。以上计算公式均取自大连工学院戴曙主编的金属切削机床计算。4.1.5轴承寿命的计算主轴受力分析如下图5。a. 假设切削零件:=1.3kg试件尺寸：0 25X 100mm 夹头体重量：G=Y V=7.8X3.14xb.

14、 设计使用时间th设机床每天工作15h,每年使用300天，使用年限8年，在全部使用期间内切削时间占70%,贝th=15x300x8x70%=25200 小时c. 计算平均转速ne由于本机床是1904000r/min范围内调速，因此需要计算平均转速，设机床的总运转时ne=1595r/min常用转速r/min40060090012001500180021002500300035004000与机床总运转时间之比0.10.10.10.10.150.150.10.10.050.040.01间为1，则在各种转速下所占机床的总运动时间列表如表1。表1d. 平均切削力计算:常用转速r/mi n40060090

15、012001500180021002500300035004000走刀深度(mm)1.81.510.80.50.50.50.50.50.30.3走刀量(mm)0.30.30.30.30.30.30.30.30.30.20.2主切削力kg f10890604830303030124.84.8材料钢件有色金属件在以上常用转速下加工零件时主轴所受的主切削力见表2。表2F=pap fP单位切削量的切削力钢为200kg f/mm ，有色金属为80kgf/mm平均主切削力Fze=45.76kgf平均切削分力 Fye=0.530000hLhP=后轴承取2个36113自成组轴承 C=28.6KN=20755.

16、6(h)通过计算，后轴承若采用36113轴承，其寿命不能满足要求，因此，后轴承重选，采用2个36213自成组轴承。C=56.1KN则：Lh P=15664.86(h)30000h4.2伺服系统的确定本机床X、Z的进给均采用SIEMENS公司的802S数控系统的交流步进电机，X、Z轴 的丝杆均采用25mm直径，螺距均为5mm，X轴轴承2个46104自成组，Z轴选用3个46204 三个自成组，并分别采用施加预紧力来消除丝杆间隙，以提高其刚度。3示。5.2.1传动比和进给速度计算：型号重量(kg)频距角(最大静扭矩(N m)空载启动频率(kpp s)运行频率(kpps)转动惯量(kgf cms)11

17、0BYG-550A5.60.3663.5600.00146110BYG-550B7.20.3693.5600.001463根据以往数控机床设计经验，选步进电机，电机技术参数如表 表a. X向传动比计算:；W步距角；S丝杆导程；A脉冲当量=2为了保证机床有一定的加工精度，取20.0025mm则i=取 Z1=20，则 Z2=iZ1=40b.进给速度计算：根据该电机的频一距特性曲线(802S步进电机样本)取 H=10kPPs=10000HZV =Vj=1.5m/min这样快进速度太慢，由 H-m特性曲线，取H=20kpps=2010=HZV=6m/min这样 Vj= =3m/min由以上计算，再根据

18、H-m特性曲线，X向采用1:2降速，即提高了其进给精度，又提高进给 扭矩。虽进给速度降低，但对此排刀数控机床不存在刀具的换位，让刀空行程较少，效率高， 因此Vj=3m/min足够了。C. Z向传动比的计算:；9步距角；S导程；i脉冲当量取 A=0.005mm；贝U i=1Z向采用直接传动，从而减少了中间传动环节，提高传动的精度。d. 进给速度的计算：根据其H-m特性曲线(SIEMENS电机样本)Vj=6m/min由图线可知电机在此速度下快进，仍有较高的扭矩。4.2.2惯量匹配计算：工作台折算到电机轴上的惯量：J=Ji+Js+J 其它J丝杆的转动惯量Ji 移动部件转化到丝杆上的惯量惯量匹配的计算

19、，主要用以检查负载惯量对系统的灵敏度和加速度，如果负载惯量过大,则电机加速时间较长。若负载发生变化，则加速时间也将发生变化，因此要负载惯量与电机 的惯量要合理匹配。一般负载惯量与电机惯量Jm之比应满足 J1，计算见表4。惯量Z向X向移动部件的惯量转化JI =Ji=到丝杆的惯量(Ji)kgm =0.000142=0.0002349Js=Js=滚珠丝杆的转动惯量(Js)kg m H=0.0001928=0.0001853其它零件的转动惯量(Jj)kg m Jj=0.0007Jj=0.0005折算到电机轴上的负载惯量(JL)kg mJl=Ji+Js+J=0.001035Jl=+(Js+JI产=0.0

20、0060505=0.71=0.414表4通过表4计算，可见本机床选用的此两电机均可满足J1的条件，故选择为合理。423电机转矩匹配的计算:由于数控机床对动态响应特性要求较高，所以电机的转矩主要用来产生加速度。M=Mamax+Mf+MoMamax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩M f折算到电机轴上的摩擦力矩Mo 由丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩Mamax=kgf mJr： kg m HMf=Mo=kgf mkgf mT系统响应时间常数nmax电机最大转速（r/min）Fo导转摩擦力（kgf）S丝杆导程（mm） n传动链效率，一般n =0.8-0.85Po滚轴丝杆的预加载荷n 0滚珠丝

21、杆预紧时的效率,0=0.9Jr=jL+jMT为 ，KS为系统开环增益，KS值越大机床灵敏度越高，但 KS值大到一定程度时,由于系统的灵敏度过高而使系统的运动部件惯量过大，从而影响定位精度。对一般数控机床 取KS=825。本机床取KS=10。根据以上公式计算X、Z向的加速力矩，忽略Mo、Mf的影 响,则:=1.23N m=3.1N mamax十字拖板能达到的最大加速度:az=2.87m/samax因axamax、azamax因此本机床能够达到加速性能要求。4.2.5进给力的计算:a. X向进给力的计算:X向电机能够提供的最大静扭矩为 6Nm,经1:2降速，机械效率0.9,则Fx=6782.42=

22、13564.8NFx的最大值主要在机床进行粗切端面时出现，假设下列切削条件:刀具材料:YT5 车刀，Kr=90 切削用量:t=2m，f=0.3，Cpy=141工件材料:结构钢，bb=65kg/mm =Fgx=1050NFxFgx，电机满足要求。b. Z向进给力的计算:Z向电机能够提供的最大静扭矩 9N m,机械效率n为0.9,则Fz=10173.6NFz的最大进给力主要用于孔加工，假定下列切削条件:钻孔直径：015mm走刀量：S=0.15mm主轴转速:n=300r/min刀具材料:工具钢工件材料:结构钢，b b=65kg/mm =Fgz=4615NFyFgz,故Z向电机满足要求。4.2.5丝杆

23、的预拉伸量计算:本机床通过对机床丝杆进行预拉伸来消除加工过程中由于丝杆的热变形对加工精度的影响，并进一步提高丝杆的刚度。a. X轴丝杆方向目标值的确定:丝杆的热膨胀变形:AL=gL 哎=0.019332mma丝杆的热膨胀系数，a=/C加一一丝杆与床身之间的温升， 飢=3 CL丝杆两锁紧螺母之间的距离根据以往经验，考虑到丝杆除环境温度的变化而引起丝杆变形外，还有其它因素的影响,取丝杆的预拉伸量为0.035mm。因丝杆螺纹整个丝杆部分全长为67.9%,则丝杆的方向目标值为-0.025mm。b. Z轴丝杆方向目标值的确定:丝杆的热膨胀变形:=0.0222mm取预拉伸量为0.04mm,螺纹占丝杆全长的60.1%、0.0处60.1%,则方向目标值为-0.025。5.15.25设计原则采用成熟的结构和技术尽可能采用通用部件，以减少制造成本、生产周期。5.3配套件的选用由于本机床目标售价较低，除系统 X、Y向电机外，其它的全部选用国内配套件。5.4设计出图贯彻NJB/Z27-1产品设计、生产、检测用标准目录中的下列项目，见表6。序号名称标准号1机