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CW61100E数控改造中的主传动设计CW61100E数控改造中的主传动设计 -- 1 元

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机电工程技术2007年第36卷第01期机电工程技术年第卷第期CW61100E数控改造中的主传动设计王宏,张永生,李采芝,安波兰州理工大学材料学院,甘肃兰州730050收稿日期20060605摘要主要介绍了普车CW61100E的数控化改造主传动方案,详细分析了机械传动设计的方法和原理。此文对中型数控车床的设计有一定的借鉴意义。关键词主轴恒功率主传动中图分类号TG659文献标识码B文章编号10099492200701002802CW61100E是一种加工效率高、宜人性强、操作性好、普及范围广的中型普通车床,但随着现代加工工艺对机床综合性能及精度的需求越来越高,此型车床已越来越不能适应现代加工工艺的要求,为此,应甘肃天水星火机床厂要求,我们对此型车床进行数控化改造设计,由于原主轴箱体利用镗模加工,效率极高,故此次改造设计原主轴位置保持不变。1主运动相关参数的确定1切削速度选用据机床设计手册典型加工条件,当工件直径为800~1000mm时,极限切削速度vmax取200m/s。最小切削速度vmin按典型加工的两种情况取不同的数值①高速钢车刀精车丝杠,vmin1.5m/s②高速钢车刀低速车削盘类零件,vmin8m/s1。2机床相关参数的确定据设计要求,最大加工工件直径Dmax1000mm床身凹处最大回转直径D1060mm据CW61100E,床身部位不作改动滑板上工件最大回转直径630mm据手册最小加工工件直径d0.1D,d100mm。3主轴转速确定由以上典型加工条件,确定本机床主要加工直径范围为100~630mm。主轴转速与切削速度的关系nmax1000vmaxπdmin,nmin1000vminπdmaxv为切削速度式中的dmin或dmax,不是该机床可能加工的最小或最大直径,而应该认为是机床全部工艺范围内可以用最大切削速度来加工时的最小工件直径和用最小切削速度来加工时的最大工件直径,这样才能得出合理的极限转速值1。主轴最高转速为nmax2001000100π637r/min,取nmax640r/min主轴最低转速为情况①时,nmin1.51000100π4.8r/min情况②时,nmin81000630π4.2r/min,取主轴最低转速nmin4r/min。故主轴的转速范围为4~640r/min。4变速范围的确定主轴最大转速与最小转速之比,称为主轴变速范围,用Rn表示1Rnnmaxnminvmaxvmindmaxdmin本机床Rn值为160,符合普通车床Rn为40~200的变速范围,且Rn值较大,表明本机床有良好的加工工艺性能。2切削力的计算由于切削过程的复杂性,并且影响它的因素又多,因此目前尚未导出简便计算进给力Fx、径向力Fy、切削力Fz的理论公式,一般都是通过大量实验,由测力仪得到切削力后进行数据处理,建立经验公式。在建立经验公式时,大多数都是将背吃刀量、进给量及切削速度这三个主要因素作为可变因素,而其它影响因素则用修正系数间接计算,从而得出Fx、Fy、Fz三个分力的计算公式1FzPαafkfvrkvFzkrFzkaFzkvbFzkhFzkuFzkbr1FzFyPαfkfFykvFykrFykaFykvbFykhFykuFykbr1FyFxPαfkfFxkvFxkrFxkaFxkvbFxkhFxkuFxkbr1Fx式中及下列各参数均是以实验条件得出,切削深度、进给量、切削速度以实验条件中最大值计算,而不是本机床实际所加工最大允许量,详见机床设计手册1P单位切削力kgf/mm2,取P210kgf/mm2切削加工与机床28机电工程技术2007年第36卷第01期机电工程技术年第卷第期αp切削深度,1~5mm,取αp5mmf进给量,0.1~0.5mm/r,取f0.5mm/rv切削速度,90~105m/min,取v105m/min。以上取值及各修正系数源于机床设计手册P1187。经计算Fz586.3kgf据手册1,Fx0.35~0.5Fz,取Fx0.43FzFy0.35~0.5Fz,取Fy0.43Fz则Fx252kgfFy252kgf总切削FFxFyFz1090.5kgf10697.8N机床切削总功率PmFv10310697.8105/60100018.7kW按上面所列式求得切削功率后,还需考虑机床的传动效率,机床的电机功率为PE≥Pm/ηm,式中ηm为机床的传动效率,一般取为0.75~0.85,取0.75计算,计算得PE≥18.7/0.7525kW。由于强力切削和加工材料的不均匀性,主电机功率应有一定的储备,所以选择主电机功率为30kW。在选择此机床变频电机时,电机与车床主轴功率特性要匹配,变频电机与原机床CW61100E普通电机机座号要尽量相同,以便于安装。3电动机选型及主要参数电机应采用鼠笼型结构,可与同类变频装置配套,互换性、通用性较强,其功率、底脚安装尺寸和中心高等对应指标与Y系列异步电机尽量完全一致2。变频电机的主要技术指标如下。①电压三相380V/50Hz,额定电流56.8A,额定转矩191Nm②变频调速范围5~100Hz无级调速,5~50Hz恒转矩调速,50~100Hz恒功率调速,级数为4级,额定转速1440r/min③电机应能承受额定转矩的60过载,历时1min,低速时转矩平滑,无爬行现象④能通过变频装置的电压提升,保证电动机频率在5Hz时输出额定转矩而不致使电机因发热而烧毁。4主传动转矩分析主运动系统中的主轴和传动件尺寸设计主要取决于其所传递的扭矩,而扭矩大小则与传递的功率及转速有关。考虑到星火机床厂所生产数控机床在实际使用中,最低转速范围加工常常用于光车、攻丝、铰孔等工序,并不需传递机床的全部功率,若按最低转速设计计算,势必造成各传动部件笨重,造成不必要的浪费。在低速段,允许的最大进刀量都是相同的,负载转矩也相同,属于恒转矩区而在高速段,由于受床身机械强度和振动及刀具强度等的影响,速度越高,允许的最大进刀量越小,负载转矩也越小,但切削功率保持相同,属于恒功率区3。恒转矩区和恒功率区的分界转速,称为计算转速,通常机床主运动只是从高于某一被称之为计算转速nj的速度才传递电机的全部功率,由此可得机床主运动系统的转速功率特性及转速扭矩特性,从图1功率扭矩特性图中可看出,从最高转速nmax到计算转速nj之间,主轴应传递动力源的全部功率,属恒功率范围,从nj到最低转速nmin之间应传递最大扭矩,属恒扭矩范围。通常恒功率范围约占主运动总变速范围的2/3~3/4。计算转速依据如下公式计算Njnminnmaxnmin0.3。5主传动系统计算及功率分析根据同类型机床类比,目前市场上现有数控中型车床变速类型均比较单一,低速强力车削与高速高精度车削不能两者兼顾,数控车床在强调高速高精度时通常低速强力车削性能较差,故在此次CW61100E的系统改造中,采取了四档无级变速设计,最低转速为4r/min,最高为640r/min,完全满足此类型普通车床的转速要求,同时提供了比普通车床更高的转速。同时,主轴转速跨于两级之间又能实现不停车连续变速,在车削台阶面或端面时,完全可以恒速切削,保证了切削质量均匀。主轴恒功率段有重叠,可以实现连续恒功率变速,电动机利用率较高。但此种设计在主轴机械传动时较为复杂,由于此车床是在普通车床上改造而来,相比普车主传动系统,此种变化可以忽略不计。主轴输出分为四档变速,则级数z4,主轴电机拟采用三相交流变频电动机,其它参数如前所述。计算转速Njnminnmaxnmin0.34640/40.3d≈20r/min交流调频电机最高转速为ndmax60fp1s2880r/min,转差率s0.04,最低转速为ndmin144r/min。主轴要求的恒功率变速范围为Rnp640/2032。电机可达到的恒功率变速范围为Rdp2880/14402。取z4,Rnpfz1Rdpfz4,计算出变速齿轮箱公比f2.5,取f2,则变速箱有四种传动比1.41/12/12.81/11.41/11/21.41/21/1.411/21/2.811/1.412/12/1.41。由图2主轴功率特性图中可以看出,当主轴在640~40r/min的转速范围内,功率段abcde恒功率输出,可以实图1功率扭矩特性图下转第75页切削加工与机床29机电工程技术2007年第36卷第01期机电工程技术年第卷第期现恒功率不停车无级调速,故此车床用于加工盘类零件时,可以恒线速度切削,严格保证加工质量,但以上设计没有考虑系统内传动元件造成的功率损失5。分级变速箱的转速图和功率特性图如图2所示。6结束语此车床改造后,主轴在40~640r/min范围内能恒功率无级调速,当车床主轴转速降至40r/min时,主轴开始恒转矩变频调速,功率输出下降,但对于通用车床,在较低转速范围内多用于宽刀、成形刀加工或是切削螺纹,不要求使用全部功率,故此车床在功率扭矩输出特性上完全满足现代工艺加工要求,是一款定位于高端用户的理想数控车床。此传动方案使主轴具有硬机械特性,如构成主轴转速反馈,可在整个切削负荷范围内使主轴的转数波动率极小。同时利用变频调速器的低频转矩提升功能和外接制动电阻,使系统低速转矩提高并能满足电磁制动的要求。经实践证明,改造后此型车床生产效率及加工精度大幅提高,机械结构简单而产品质量稳定,机床售出后得到用户广泛好评,此次虽为改造,但对此类中型车床的设计有一定的借鉴意义。参考文献1机床设计手册M.北京机械工业出版社,1982.2孙长久.经济型数控机床主传动系统的运动设计J.集美大学学报,2000,64447.3禹宏云.数控车床主传动链设计J.机械传动,2001,24143.4文怀兴,夏田.数控机床系统设计M.北京化学工业出版社,2006.5陈婵娟.数控车床设计M.北京化学工业出版社,2006.第一作者简介王宏,男,1948年生,甘肃兰州人,大学本科,教授。研究领域机械及其控制领域、专用机床、生产线的设计制作及机床数控技术的研究与开发。已发表论文10余篇。编辑吴智恒图2主轴功率特性图图3主轴功率特性图间传动齿轮围绕塑料基座定位部形成圆周配合运动。中间传动齿轮内侧面上部螺母部位与镜头组件的丝杠部位配合,镜头组件的U形槽部与塑料基座导杆配合,阻止镜头组件圆周运动,镜头组件只能以U形槽部导向作直线运动,即镜头只能作直线位移。电子传感器的作用是记录镜头的初始点位置,电子传感器的中心点为零点,对焦时,镜头组件在步进电机的驱动下上下移动,使成像组件上CCD、CMOS能够显现最清晰的影像。电子传感器将最清晰位置信息保存在相机大脑CPU中,并将此作为镜头的初始点位置。今后实际拍照时,对应物距变化镜头组件移动使像距改变,并将成像组件上CCD、CMOS的影像与初始影像对照,当影像清晰效果与初始对焦位置一致时,自动对焦锁定,此时可拍出最佳影像。5结论该新型结构步进电机与镜头之间采用蜗轮、蜗杆及丝杠、螺母传动方式,取代传统的多齿轮组传动,使产品结构更加小巧紧凑,成本低廉同时该新型结构可有效避免因镜头倾斜,造成镜头成像解析单边模糊。目前我们公司部分数码相机新产品已采用此新型传动结构导入生产。作者简介任战士,男,1971年生,河南开封人,大学本科,工程师。研究领域照相机设计与制造。编辑向飞图2新型模块传动方式上接第29页研究与开发75abstractsABSTRACTS1010070120AnAppliedDesignofBuiltinPLCinCNCSystemLIAOCaifei,OURuixiang,TANGZhaohong,SHIHuajing,ZHOUYan,LINYisongGSKCNCEquipmentCo.,Ltd,Guangzhou510165,ChinaAbstractThestructureofBuiltinPLCinCNCSystemisanalyzedinthispaper,andthenanapplieddesignisintroduced.ThePLCCommand,I/Oaddress,internalrelayresource,thestructureofthesoftware,editsmodules,memoryframeandexecutioncyclearedescribedindetail.Theapplicationshowsthatthedesignprojectworkswellandcanbeachievedeasily.KeywordsPLCTBuiltinPLCUCNCUCNCsystemUCNCtechnology0070122ResearchonOpenFiveaxisCNCMachineToolBasedonPMACⅡRENBaogang,LIUJie,SONGNanSchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,ChinaAbstractThispaperintroduceshardware,structure,multipleaxiscontrollerandtheoryofcontrolsystembasedonPMACⅡopenfiveaxisCNCmachinetool.ApostprocessionarithmeticwhichaccordswiththisCNCmachinetoolstructureisgiven.KeywordsopenUCNCsystemUpostprocession0070125TheApplicationofFiniteElementAnalysisMethodinModelAnalysisofaLatheBedYANGMingya1,YANGTao1,YINHong1,YANGYingjie21.InnerMongoliaUniversityofTechnology,Huhehaote010051,ChinaU2.SuzhouDeshengMotorCo.,Ltd,Suzhou215122,ChinaAbstractVibrationisoneofimportantproblemsinCNCmachinedesign,whichcausesthemanufacturingerrors,andinfluencesthemachiningaccuracyofthepart,andmodelanalysiscancalculatevibrationtypeofapart.Thepaperestablishesthe3DfiniteelementmodelofalathebedandcalculatestheresultofvibrationmodelanalysisofitinANSYS.Thefirstfivenaturalfrequencyandvibrationmodelsofthelathebedareobtainedandweanalyzetheresult,itisveryessentialtoustoresearchintodynamiccharacteristicsofthelathebedanddesignofthelathebedsystem.KeywordsmodelanalysisUnaturalfrequencyUvibrationtypeUANSYS0070128TheMainGearingDesignofNCImprovementonCW61100ELatheWANGHong,ZHANGYongsheng,LICaizhi,ANBoSchoolofMaterialScienceandEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,ChinaAbstractThedesignofNCimprovementonCW61100Elatheisintroduced.Adetailedanalysisabouttheimprovementmethodandprincipleofmechanismdrivepartsisprovided.ThispaperhasimportantmeansfordesignofthemiddleCNClathe.KeywordsprincipleaxisUconstantpowerUmaingearing0070130TheResearchonGraphPickupModuleofCNCSpinningMachineCAD/CAMSystemLIShangdong,ZHOUHongfuSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,ChinaAbstractThegraphpickupmoduleofCNCSpinningMachineCAD/CAMSystemisdiscussed.Borderlinerectanglehittestmethodandconcretealgorithmaredescribed.Andfinallythesummarizationofthemethodisgiven.KeywordsCNCspinningUCAD/CAMUborderlinerectangleUgraphpickupUhittest0070132ANovelCAPPSystemBasedonTabularLayoutsofArticleCharacteristicsZHAOHaibin,WANGJunyingDepartmentofPrecisionInstrumentsMechanology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstractInordertoimprovetheprocessapplicability,practicalityandenhancetheabilityforprocessvariantdesign,adesignmethodologyforcomputeraidedprocessplanningCAPPbasedontabularlayoutsofarticlecharacteristicsSMLwasproposed.Basedonprinciplesoftabularlayoutsofarticlecharacteristicsandthetechniqueofmasterdocuments,anideologyandtechnologiesofprocessreusefordevelopingCAPPsystemwereintroduced.TheinformationhierarchymodelofCAPPsystemwasconstructedbasedonontologyandknowledgemanagement.AndarchitectureforCAPPsystemfacedtheprocessreusewasdevelopedbasedonthetheoryabove.TheprocessdiversificationandindividuationcouldbeadaptedbythisCAPPsystem.KeywordsCAPPUtabularlayoutsofarticlecharacteristicsSMLUprocessreuseUontologyUvariantdesign0070135TheHeuristicAlgorithmBasedJITfortheShorttermSchedulinginOilRefineryWANGXinying1,GENGYa2,3,WUNaiqi31.JiangsuInstituteofTechnology,Changzhou213016,ChinaU2.ChangzhouEngineeringProfessionalInstituteofTechnology,Changzhou213164,China3.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,ChinaAbstractIncludingthediscreteandcontinuouscases,thecrudeoilprocessingisamixedsysteminrefinery.Theenhancedbenefitoftheenterpriseisblockedduetothebottleneckcreatedbythenormalpushproductionmode.Forthecharacteristicandbottleneckoftheshorttermschedule,thejustintimescheduleisimported.Theapplicationmethodandtherealizationoftheheuristicalgorithmareproposed.Itistestedinarealoilrefineryplantanditworkswell.KeywordsJITUshorttermschedulingUoilrefining
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