数控车床主传动系统的设计

/数控车床主转动系统的设计目录第一章引言 1其次章设计方案论证和拟定 22.1总体方案的论证 22.2总体方案的拟定 22.3主传动系统总体方案图及传动原理 2第三章设计计算说明 53.1主运动设计 53.1.1参数的确定 53.1.2传动设计 63.1.3转速图的拟定 83.1.4带轮直径和齿轮齿数的确定 123.1.5传动件的设计 193.2纵向进给运动设计 383.2.1滚珠丝杆副的选择 383.2.2驱动电机的选用 42结论 47小结 48致谢 49参考文献 50第一章引言当前的世界已进入信息时代，科技进步日新月异。生产领域和高科技领域中的竞争日益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形态也日趋困难化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。为了解决困难、精密、单件小批量以及形态多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字限制(Numericalcontrol)机床的产生也就是必定的了。此次设计是数控机床主传动系统的设计，其中包括机床的主运动设计，纵向进给运动设计，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。其次章总体方案论证和拟定2.1总体方案的论证数控车床是基于数字限制的，它和一般车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点：由于大多数数控车床接受了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。更多地接受高效传动部件，如滚动丝杆副等。CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种限制功能。2.2总体方案的拟定依据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择接受有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，。纵向进给是一套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。为了保证进给传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消退间隙。齿轮副也应有消退齿侧间隙的机构。接受滚珠丝杆螺母副可以削减导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简洁。2.3主传动系统总体方案图及传动原理数控车床主传动系统图数控车床的主传动系统见图2.1。整个主传动系统主要由主运动传动链和纵向进给传动链组成。图2.1总的传动系统图传动原理主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，结构如图2.2所示，其工作原理如下：沟通主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7。主轴有前后2个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支承轴的间隙用螺母8来支撑。螺钉12用来防止螺母8回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和6来调整。螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所接受的支承结构适宜低速大载荷的须要。主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其和主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。图2.2主轴部件第三章设计计算说明3.1主运动设计3.1.1参数的确定一.了解车床的基本状况和特点车床的规格系列和类型1.通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应当遵照的基础。因此，对这些基本学问和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是一般型车床，其品种，用途，性能和结构都是一般型车床所共有的，在此就不作出详细的说明和说明白。2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）：最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：32～1600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。二.参数确定的步骤和方法………………3.101………………3.102…………3.103依据表选用…………3.104由此可得在主轴上的刚度是完全合格的。三.齿轮模数的估算和计算按接触乏累和弯曲强度计算齿轮模数比较困难，而且有些系数只有在齿轮个参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。此处省略

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扣扣：二五一一三三四零八另供应全套机械毕业设计下载！Km-结合次数修正系数（有表可选）。代入数值得：取Z=9。3.2纵向进给运动设计3.2.1滚珠丝杆副的选择一.脉冲当量和传动比的确定机械系统的主要技术参数通常由设计任务书或由产品样本给出，一般包含功能参数和精度参数两部分。主要精度参数有：定位精度（mm）、重复定位精度（mm）等。1.脉冲当量的选定传感器和电机轴相连，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置。常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。伺服电机每转1转传感器发出确定数量的脉冲，每个脉冲代表电机确定的转角。本次设计中纵向脉冲当量δp=0.01mm/脉冲，这是设计本身所给出的条件。2.传动比的选定对步进电机，当脉冲当量δp（mm/脉冲）确定，并且滚珠丝杆导程L0（mm）和电机步距角θb（℃/脉冲）都也已初步选定后，则可用下式来计算，该轴伺服传动系统的传动比：………3.138尽可能使i=1，这时可使步进电机干脆和丝杆联结，有利于简化结构，提高精度，所以i=1.25，取θb=0.75。二.传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载，在电机选用时必需加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都和电机轴的同轴线，还成在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最终，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。这些比如：转动惯量计算的基本公式、齿轮转动惯量折算、滚珠丝杆转动惯量Js折算、工作台质量折算和传动系统等效转动惯量计算可见相关的参考书，在这里就不作详细的说明和计算了。三.滚珠丝杆螺母的选型和校核1.滚珠丝杆螺母副类型选择1）主要种类滚珠丝杆螺母副由特地工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。滚珠丝杆副的类别主要从三个方面考虑：循环方式、循环列数和圈数、预紧方式。钢珠在丝杆和螺母之间的滚动是一个循环闭路。依据回珠方式可分两类：内循环和外循环。本次设计中依据应用的须要选：外循环。钢珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。外循环滚珠丝杆副的每个螺母有1列2.5圈，1列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等，种类许多。本次设计中接受的是外循环2列3.5圈。为了消退间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，称为预紧。常用的滚珠丝杆副预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往和丝杆副的额定动载荷有确定的比例关系。本次设计中的接受的是垫片式预紧，调整方法—调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。这种方法结构简洁，装卸便利，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消退间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。2）参数及代号A.滚珠丝杆副的主要参数a.公称直径dm，公称直径即滚珠丝杆的名义直径，dm越大，承载实力和刚度越大。数控机床常用进给丝杆的公称直径dm为Φ30mm至Φ80mm。本次设计中选用的公称直径为Φ40mm。b.基本导程（螺距）L0。丝杆相对于螺母旋转2Лrad时，螺母的轴向位移。基本导程也称为螺距。它按承载实力选取，并和进给系统的脉冲当量的要求有关。本次设计中的导程L0=6mm。c.精度等级。滚珠丝杆副按其运用范围及要求分为7个精度等级，即1，2，3，4，5，7，及10七个精度等级，1级精度最高，其余依次逐级降低，一般选取4级～7级，数控车床及精密机械可选用2级～3级。滚珠丝杆副的精度干脆影响定位精度、承载实力和接触刚度，因此它是滚珠丝杆副的重要质量指标，选用时要予以留意。本次所设计的机床是数控机床，所以选用的精度等级还是很高的，是3级。B.滚珠丝杆副代号的标注本次设计中所选用的滚珠丝杆副的特征代号见下表：序号特征代号1钢球循环方式外循环插管式C2预紧方式双螺母垫片式D3结构特征导珠杆埋入式M4螺纹方向右旋5负荷钢球圈数3.53.56类型传动滚珠丝杆副（和旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杆副）T7精度等级332.滚珠丝杆螺母副的型号选择及校核步骤1）最大工作载荷计算2）最大动负载C的计算及主要尺寸初选3）传动效率计算滚珠丝杆螺母副的传动效率η为…………3.139式中：λ为丝杆螺旋升角，可据初选型号查出；ψ为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004，其摩擦角约等于10ˊ。滚珠丝杆副的传动效率较高，一般在0.8～0.9之间。4）刚度验算5）压杆稳定性验算以上全部没有作出详细验算和校核过程的，在初稿上已经经校核都是符合所选的滚珠丝杆副的要求。6）滚珠丝杆螺母副安装连接尺寸滚珠丝杆副型号名义直径螺距滚珠直径滚道半径偏心距丝杆外径螺母凸缘外径螺钉中心圆直径螺母凸缘厚度垫片厚度有衬套无衬套有衬套无衬套/in/mmD0td0RedD3D3，D4D4，TΔWD40064063.9692.0640.05639102928676125螺旋升角螺钉尺寸螺钉个数螺母协作外径衬套协作外径螺母装配总长度L额定动载荷C/N额定动载荷C0/N滚珠丝杆副型号λMaDD，3.5圈每1列3.5圈每1列3.5圈每1列WD40062。44，8×282×460709921600914003.2.2驱动电机的选用一.步进电机简介：步进电机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，广泛用于数控设备中。步进电机有如下优点：1.步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压凹凸，电流大小及其波形的影响。2.可以开环限制也可以闭环限制。3.输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消逝。4.启动、停止、反转及其其他运行方式的变更，都可以在少量的脉冲周期内完成，并且具有定位转距。二.步进电机的选用（详细的选用步骤如下）：1.依据脉冲当量和最大静转距初选电机型号1）步距角初选电机型号时应合理选择θb及ｉ，并满足：…………3.140依据表中所供应的BF反应式步进电动机技术参数表，可以选取本次设计中所须要的型号：选取θb=0.75/1.5较为合理，相应参数见下表。130BF反应式步进电动机技术参数电机型号相数步距角/（°）电机/V相电流/A最大静转距/N·m（㎏f·cm）最高空载启动频率/Hz运行频率/Hz130BF00150.75/1.580/12109.31（95）300016000转子转动惯量10-5㎏·㎡（gf·cm·s2）线圈电阻/Ω+-5％支配方式质量/㎏外形尺寸外径φ长度轴径46.06（4.7）0.163五相十拍13017014详细的作图见纵向进给系统的全图。2）距频特性依据已选定步进电机，来确定，详细的数值可见上表。2.启动距频特性校核步进电机有三种工况：启动、快速进给运行、工进运行。详细的校核结果见下图：1）突然启动图3.52）升速启动最终电机运行频率达到最高运行频率。最高运行频率fmax可按下式计算：……………3.141式中：umax为运动部件最大快进速度（m/min）。3.运行距频特性校核要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。详细的校核结果见下图：1）快速进给的行距频特性校核图3.62）工进运行距频特性校核工进时步进的运行频率为fGJ……3.142式中：uG为最大工作进给速度（m/min）工进时步进电机运行所需力矩MGJ可按下式计算：MGJ=M0+Mf+Mt（N·cm）……………3.143三.步进电机的安装尺寸步进电机的安装比较简洁，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。本次设计中用的就是小尺寸，故安装时用的是有螺孔供安装的。详细的安装图见纵向进给全图。步进电机安装尺寸/㎜步进电机型号轴径d1止扣直径d2d2螺孔，通孔L1L2外径D130BF001141001554—φ12325130长度LB×B170134×134结论近年来，数控机床以其加工精度高、生产率高、柔性高、自动化程度高、适应中小批量生产而日益受到重视。80年头是数控机床起先大发展的年头，数控机床和加工中心已成为当今机床发展的趋势。我设计的是数控车床主传动系统，其中包括：数控车床的主运动传动链，纵向进给运动传动链，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。和通用车床相比：数控车床的进给传动链接受间隙消退措施，并可对反向间隙和丝杠螺距误差进行自动补偿，所以可获得较高的加工精度；同时，数控车床的功率和机床刚度比通用车床高，允许进行大切削用量的强力切削；主轴和进给都接受无极变速，可达到最佳切削用量，有效降低了切削加工时间。但我的设计中仍存在许多不足：在数控车床的高速发展中，主轴的转速高达60000r/min。传统的进给机构传动装置包括的旋转运动电动机和将旋转运动变为直线运动的机械传动装置（滚珠丝杠螺母副等）已不符合高工艺性概念的要求。因而出现了适应高速进给的直线电动机传动装置，它将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合，具有很高的动、静刚度，其显著技术特性是：最大位移不限，最大速度达150-210m/min,加速度可达50m/s2。目前，数控车床的价格还较昂贵，在中国目前的条件下，主要适用于加工精度要求较高、形态较困难、要求频繁改型的小批量生产的工件。但随着机床成本的不断降低和数控技术的日益普及，数控车床的运用范围会越来越大，将在机械加工中被普遍接受。小结这次毕业设计使我对以前所学的理论学问起到了很好的回顾作用，以前在校学习时不够清楚如何应用所学学问，现在都有了较深的相识。虽然我们每学期都会有一些相关科目的课程设计，但那些设计是由大家共同设计完成的。这次的设计迥然不同，须要你独立完成，幸运的是大家都有老师指导，但详细还得自己亲自去做。由于基础薄弱，设计起来很困难，刚拿到课题时找资料是第一大难关，那时脑子里一片紊乱，无从下手，记得当时在图书馆呆了几个下午，挑了好多的书，但总是无法把那些片段串联成一个方案，后来通过曾老师和同学的帮忙，慢慢有了头绪，确定了方案，正式着手设计。设计时只有拿着书本慢慢学，参考书本编程，经过漫长的摸索和学习，把原本不清楚的东西都学会了，在这期间走过弯路，迷茫过，不知所措，经过俞老师细心的讲解加上自己的努力，最终完成了这次设计。通过这次毕业设计，使我对以前的学问得到了巩固和复习，同样也提高了我的计算机应用实力及AUTOCAD制图水平，更增加了我进一步的求知欲望。总之经过这次毕业设计，使我受益匪浅。进一步的总结和提高须要有更多的社会实践来供应，我信任在日后的工作中，类似这样的设计绝不在少数，只要我们努力学习，勇于实践，勤学好问，我们就会懂得以前不明白或不特殊明白的道理，就会很快地成长和成熟起来，我也信任，靠着我们自强不息，勇于拼搏的精神，定能很快适应类似设计的须要，适应这个多变的社会，充分发挥特长，朝我的方向不断前进，前进，再前进！致谢数控车床毕业设计是机电一体化专业的我，必需阅历的一个重要环节，也是对我三年高校生活的一个总结，在本次设计中，从选题到设计过程直到最终完成设计，都是在俞教授的悉心指导下完成的。俞教授在繁忙的教学中，每天都挤出时间来询问设计进程，并为我讲解许多设计的专业学问，热忱激励，并供应了大量的设计资料。在遇到困难的时候，带我们去参观实习基地的实习