《数控机床设计》word版.doc

31沈阳理工大学课程设计专用纸目录一主传动的运动设计21.1转速图的拟定21.2齿轮齿数的确定31.3绘制传动系统图41.4主轴及各传动轴计算转速的确定：41.5估算各传动轴轴径：51.6齿轮模数的估算5二、皮带轮的设计7三、机床零件的验算103.1传动轴的验算103.2齿轮的验算143.3滚动轴承的验算17四.电动机的控制21 4.1交流电机工作原理 .21. 4.2变频器工作原理.24 4.3硬件接线图.26 4.4速度曲线图.26 4.5软件流程图.27 4.6程序代码图.28五.结束语.30一主传动的运动设计1.1转速图的拟定（1）确定主轴的变速范围 （2）确定主轴的计算转速 由于数控机床主轴的变速范围大，计算转速应比计算值高些，所以圆整取计算转速nc=。（3）确定主轴的恒功率变速范围 （4）确定电动机所能够提供的恒功率变速范围 由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定公比， 根据，得出 =1.75降速比的分配（6）拟定转速图和功率特性图如图1.1所示图 1.1转速图1.2齿轮齿数的确定 根据转速图确定的传动比可初步确定各轴的齿轮如下：（1）轴与轴的中间齿轮的齿数取 根据上式求得 且，所以满足要求。取 根据上式求得 且，所以满足要求。（2）II轴III轴之间齿轮的齿数取 根据上式求得 且，所以满足要求。 取 根据式求得 且，所以满足要求。1.3绘制传动系统图根据上述求出的齿轮齿数绘制传动系统图如图1.2所示： 图1.2 传动系统图1.4主轴及各传动轴计算转速的确定： (1) 主轴计算转速的确定：根据转速图得中型车床主轴的计算转速。(2) 各轴的计算转速的确定主轴计算转速确定后，就可以从转速图上得出各传动轴的计算转速，对于上述转速图可得各传动轴的计算转速如下：轴的计算转速：轴的计算转速：轴的计算转速：1.5估算各传动轴轴径：由于各传动轴属于一般传动轴，所以取，所对应的，电动机的额定功率。（1）轴轴径的估算由于轴上一平键，所以取且 圆整后取（2）轴轴径的估算由于轴上一花键，所以取且 圆整后取（3）III轴为主轴，其前轴径D1的尺寸根据电动机的额定功率P=11kw，D1应为90120之间，取D1=100mm，则后轴径D2=（0.70.85）D1=（0.70.85）100=7085mm。所以取D2=80mm。1.6齿轮模数的估算 根据表2.3选择钢（整体淬火），其接触应力，取，由公式来确定各对齿轮的模数：（1）第一对齿轮： ； 取标准值 ； ； 取标准值（2） 第二对齿轮： ；取标准值 ； ； 取标准值所以第一对齿轮取m=3，第二对齿轮取m=4.5。二、皮带轮的设计 (1)设计功率的确定：查得工况系数(2) 选定带型：根据和确定为B型。(3)传动比：根据转速图知,传动比为(4)确定小带轮基准直径：参考表取(5)确定大带轮直径：取标准值(6) 验算带速：因为在之间，所以经济耐用。(7)初定带轮轴中心距：即： 初取 (8)确定带基准长度： 选取基准长度(9)计算实际轴间距：取标准值。安装时所需最小轴间距：张紧或补偿伸长所需最大轴间距：(10)验算小带轮包角：所以小带轮包角合适。(11)单根V带的基本额定功率：根据和查得B型V带的基本额定功率。(12)单根V带的额定功率增量：考虑到传动比的影响，额定功率的增量由表查得：(13)计算带的根数：取 根。(14)单根V带的预紧力： (15)作用在轴上的力：(16)带轮的结构和尺寸：由表可查得， ， ，三、机床零件的验算3.1传动轴的验算根据理论力学，I轴受力分析如图3-1所示：图3-1 I轴受力分析图简化I轴为简支梁如图3-2所示：图3-2简支梁2.计算轴的当量直径（mm） 3计算挠度Nmm 由公式 得 N N由公式得 N N由于IV轴IV轴V轴不处于同一平面，所以先建一个直角坐标系，将以上各力投影到坐标轴上，再进行受力分析，如图5-3所示。 NNN N N（1） 简支梁图如图3-3所示：由图可知， a1=110.5mm b1=100.5mm l=211mm图3-3简支梁计算图（2）简支梁图如图3-4所示图3-4简支梁计算图由图可知 a2=157.5mm ，b2=53.5mm，l=211mm 轴的许用挠度 而 ，所以轴的挠度合格。4计算偏转角 因为装向心球轴承处的偏转角许用值而所以偏转角合格。 因为装向心球轴承处的偏转角许用值又所以偏转角合格。3.2齿轮的验算验算变速箱中的齿轮强度，应选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮，进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力，对低速传动的齿轮验算齿根弯曲应力。对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮，一定要验算齿根弯曲应力。接触应力的验算公式为弯曲应力的验算公式为： （MPa）式中 P齿轮传递的功率（kW）；Pd, Pd电动机的额定功率（kW）； 从电动机到所计算齿轮的机械效率； nj齿轮的计算转速； m初算的齿轮模数； b齿宽(mm); Z小齿轮齿数; U大齿轮与小齿轮齿数之比，u1，“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合； KS 寿命系数；KS=KTKnKPKa KT 工作期限系数： T 齿轮在机床工作期限（TS）内的总工作时间（ h ），对于中型机床的齿轮取TS =1500020000h，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似地认为 T=TS/p ，p为变速组的传动副数； n1 齿轮的最低转速(r/min)； C0基准循环次数，查表4-5； m疲劳曲线指数，查表4-5； Kn速度转化系数，查表4-6； Kp功率利用系数，查表4-7； Ka材料强化系数，查表4-8； KS 的极限值KSmax，KSmin见表4-9，当KS KSmax时，则取KS= KSmax；当 KS KSmin 时，取KS = KSmin ； KA 工作情况系数，中等冲击的主运动，取KA=1.21.6； KV动载荷系数，查表4-10； 齿向载荷分布系数，查表4-11； Y标准齿轮齿形系数，查表4-12； H 许用接触应力（MPa），查表4-13； F 许用弯曲应力（MPa），查表 4-13。 如果验算结果和不合格时，可以改变初算时选定的材料或热处理方法，如仍不满足时，就得采取调整齿宽或重新选择齿数及模数等措施。例： 验算轴上Z=30，m=2.5mm的齿轮（1）齿轮接触应力的计算由公式 校核齿轮的接触应力。其中：，由公式 来确定由表查得 ，而 由转速图知 由表得 ，由表得，由表得 由表确定，由表得 ，由表得 ，由表得 ，最后取 则： 所以，齿轮的接触应力满足要求。（2）齿轮弯曲应力的验算由公式 进和计算其中：，由表可求得由表可知，由表可知，由表可知取 则： 所以，弯曲应力满足要求。3.3滚动轴承的验算 机床传动轴用滚动轴承，主要是因疲劳强度而破坏，故应进行疲劳寿命计算。其额定寿命的计算公式为：（h） 或按计算负荷的计算公式进行计算：（N） 式中 Lh 额定寿命（ h ）； Cj计算动载荷（N）； T 工作期限（ h ），对一般机床取T=1000015000小时，重型或精密机床可取T=2000030000小时； C 滚动轴承的额定负载（N），根据轴承手册或机床设计手册查取，单位为(kgf)时应换算成（N）； fn 速度系数， ，ni为滚动轴承的计算转速（r/mm）； fh 寿命系数， ，Lh等于轴承的工作期限； 寿命指数，对球轴承 =3，对滚子轴承 =10/3 ； fF工作情况系数，对轻度冲击和振动的机床（车床、铣床、钻床、磨床等多数机床）， fF =1.11.3； Kp功率利用系数，查表5-6 Kn速度转化系数，查表5-5 Kl齿轮转换工作系数，查机床设计手册2上表4.913； P当量动载荷，按机床设计手册2上计算。因为轴载荷最大，所以校核轴两端的轴承6209 GB/T276-94，6110 GB/T276-94由机械设计手册查得6209 GB/T276-94轴承的，；6110 GB/T276-94轴承的，轴承的受力分析情况如图3-5所示 图3-5 轴承受力分析图其中 N N N N 合成支反力为： N N ，且因与有关，现轴承的受轴向力未知，因此试用逼近法来确定、以及的值。初选 N N轴承之间的轴向力 N N 对于轴承 查表取 对于轴承 查表取 从计算结果看与的结果与初选值接近，故可使用。轴承 所以取，由于轴承所受力矩较小，所以取，由于轴承所受的载荷是无冲击，所以取。 轴承所以取，由于轴承所受力矩较小，所以取，由于轴承所受的载荷是无冲击，所以取。 由表查得 ，由表查得 ，且取，由于是球轴承， 由于，所以计算时取 所以轴承满足要求。四.电动机的控制4.1交流电动机的工作原理三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，结构如图1所示 图4.1 异步电动机结构1.定子部分包括机座，定子铁心和定子绕组。机座通常用铸铁或铸钢制成，铁心用硅钢片叠成圆筒形，铁心的内圆上有若干分布均匀的平行槽，槽内安装定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，三相电动机的定子绕组由三相对称的绕组组成。三相绕组的各相绕组彼此独立，按互差1200电角度嵌放在定子，各绕组起绐端分别为U1、U2、V1、V2、W1、W2，从机座上的接线盒中引出。根据要求将三相定子绕组接成星形（Y形）或三角形（形），具体接线方式如图2所示。图4.2 三相异步电动机定子绕组的接线图电动机如果接成星形，则电机每相绕组承受电压是电源的相电压，如果接成三角形，则电机每相绕组承受电压是电源的线电压。具体是星形连接还是三角形连接应考虑电机的额定电压值。例如：电机额定电压是220V应采用星形连接，如额定电压是380V应采用三角形连接。2.转子部分由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。转子铁心也由硅钢片叠成，并固定在转轴上。转子的外圆周上也有若干分布均匀的平行槽，用于安置转子绕组。转子绕组根据其结构可分为鼠笼式和绕线式两种（1）鼠笼式转子鼠笼式转子是在转子铁心的每一条槽内，插入一根裸导条，在铁心两端分别用两处短路环把导条连接成一个整体，形成一个自身闭合的短路绕组。如去掉铁心，整个绕组就像一个鼠笼，所以称为鼠笼式电动机，中小型电动机的笼型转子一般采用铸铝，大型电动机则采用铜导条，如图3所示。图4.3 笼式转子示意图（2）绕线式转子绕线式转子是在平行槽内嵌入对称的三相绕组，并把它接成星形，其末端接在一起，首端分别接在转轴上的三个彼此绝缘的滑环上，经电刷与外电路连接，这种电动机称为绕线式电动机。如图4所示图4.4 绕组式转子三相异步电动机按转子结构的不同分为笼型和绕线转子 异步电动机两大类。 笼型异步电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、 维护方便，已成为生产上应用得最广泛的一种电动机。 绕线转子异步电动机由于结构较复杂、价格较高，一般 只用在要求调速和起动性能好的场合，如桥式起重机上。 异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转 子(旋转部分)。笼型和绕线转子异步电动机的定子结构基本 相同，所不同的只是转子部分。4.2 3G3M变频器的工作原理通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。变频器可分为电压型和电流行两种变频器。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。是整流器，整流器，逆变器。而变频器的主电路由整流器、平波回路和逆变器三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路。图4.5为交流变频器接口图图4.5变频器接口图4.3硬件接线图图4.6硬件接线图4.4速度曲线根据课程实验要求，按照加速-匀速-减速-匀速-减速的工作方式得出速度曲线图，如图3.3。加速度a=1000r/min。图4.7速度曲线4.5 软件流程图图4.8 软件流程图4.6程序代码 P0.1,P0.0同时输出高电平为加速运动P0.1输出高电平，P0.0输出低电平为匀速运动P0.1输出低电平，P0.0输出高电平为减速运动X1为T3周期参数，放在20H单元。Y1为T4延时参数，Z1为T5延时参数，放在21H单元，X=Y+Z 。T0,T1为延时的时间基数，由定时器确定，参数置 22H，23H单元中。X2为T6周期参数放在25H,Y2为T7参数放在24H中，Z2为T8 参数放在 26H中 ORG 0000H JB P1.0 $LJMP MAIN ORG 000FH LJMP TT0 ORG 001BHLJMP TT1； 跳转到定时器1中断程序 ORG 1000H MAIN:SETB P0.0 SETB P0.1 ； 脉冲的高电平 MOV R0,21H；(21H) 初始值为Y，存入R0中，延时T MOV R1，24H MOV TMOD, #11H MOV TL0,22H；时间基数T0的定时参数 MOV TH0,23H MOV TL1,22h MOV TH1,23hSETB TR0 ； 定时中断设置 SETB ET0 SETB TR1 SETB ET1 SETB EA L1: CJNE R0, #00H, L2 ； CPL P0.0 ; MOV A,20H ； SUBB A,21H； MOV 21H,A ; MOV R0,A; L2: CJNE R1, #00H, L1 ； CPL P0.1 ; MOV A,25H ； SUBB A,24H； MOV 24H,A ; MOV R1,A; TT0: MOV TL0, 22H ；T0 定时中断 MOV TH0, 23H DEC R0 ;