机械毕业设计（论文）-C6150普通车床主传动系统改进设计（全套图纸）.doc

学士学位论文第1章 绪论全套图纸加1538937061.1 数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1.2 国内数控机床状况分析1.2.1 国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主4。1.2.2国内数控机床的特点 国内数控机床有以下几个特点： 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。 1.3 数控系统的发展趋势1.3.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。1.3.2 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。1.3.3 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 1.应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 2.引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 3.引入故障诊断专家系统 4.智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.4 机床数控化改造的必要性1.4.1微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 4、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6、由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。1.4.2 宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性5。1.4.2.1 数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1.国内的市场 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2.进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.4.2.2 机床改造的效益分析 提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点： 1.减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。 2.机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 3.熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4.可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。 5.可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 6.可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床8。第2章 原C6150机床简介及方案设计2.1.1 车床简介C6150型机床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通机床。该机床能进行各种车削工作，并可以加工公制、英制、模数和径节螺纹。主传动结构简单采用多片摩擦式电磁离合器实现主轴启动和正反转，利用正反转向机构做变速组。主轴采用三支撑结构，前、中支撑用圆锥滚子轴承，且为主要支撑，后支撑用球轴承为辅助支撑，进给箱中选用三轴滑移公用齿轮机构，溜板箱中有脱落蜗杆机构，开合螺母导向用矩形导轨，还附有快速电机实现纵横向快速进给。2.1.2 床头箱结构C6150车床的主传动系统图如图2-1所示图2-1 C6150主传动系统图 运动从主电机经V带传给床头箱皮带轮，该皮带轮具有卸荷装置。床头箱轴装有两组6.3(公斤米)多片摩擦式电磁离合器M1和M2。M1接通主轴正转，M2接通主轴反转，轴工芯部通油，供给电磁离合器润滑和冷却。轴上安装的单片摩擦式电磁离合器M3用于制动，当M1和M2都断开时，M3立即接通使主轴迅速制动，电气线路保证了机床工作时仅能有一个电磁离合器接通，使主轴只有一个工作状态。轴和轴之间的反向机构可用作主传动变速，当电机反转，同时反向机构接通，主轴仍为正转。床头箱中间墙板左侧有3级机械变速、右侧有3级机械变速、电机和电磁离合器控制2级变速，共有18级变速，其中重复1档，主传动实有17级变速。主轴采用三支撑的结构形式，如图2-2所示。前支撑和中间支撑分别采用D7520和D7518圆锥滚子轴承，承受径向力和轴向力；后支撑采用E216向心球轴承，承受径向力。为了消除轴承热变形给主轴间隙带来的影响，利用一个蝶形弹簧的变形对轴承预加负荷。预紧力的大小是根据切割情况来决定。为了控制D7518圆锥滚子轴承的端面振摆，在前面加一个精密隔套。该套一端面与其内孔的垂直度在5微米范围内。为了便于加工，使主轴悬伸短，刚性好，主轴端部采用圆柱定位。图2-2 主轴结构2.1.3 主要技术参数 机床外形尺寸(工件最大长度为1000mm) (长宽高) 25709301295 中心高(毫米) 250 中心距(毫米) 1000、1500、2000 工件最大长度(毫米) T150、1000、1500、2000 主轴孔径(毫米) 52 主轴转速范围(17级转/分) 201250 主轴前端孔锥度 莫氏6号 工件最大回转直径(毫米)： 在过桥凹面处 765 在床身导轨面上 500 在床鞍刀架上 280加工螺纹范围： 公制螺纹(毫米) 118 英制螺纹(牙/时) 807/8 模数螺纹(模数) 0.520 径节螺纹(径节) 8031/2进给量范围： 纵向(毫米/转) 0.0286.528 横向(毫米/转) 0.0102.456 快速(米/分) 纵向：5.4 横向：1.95主电机: 功率(千瓦) 5.5 转速(转/分) 1450快速电机： 功率(千瓦) 0.18 转速(转/分) 14502.1.4 转速图 机床主传动系统为17级调速，其转速图如图2-3所示图2-3 C6150主传动系统转速图2.2 主传动系统的改造本机床电机仍采用原来的单速三相交流电机, 功率为5.5kW。改造后增加一个变频器, 通过变频器改变电机频率来改变电机的转速。原来的电机频率为50Hz , 假如变到200Hz , 则转速就提高4 倍。用这种方法调速, 倍率高, 且平稳。由原来的有级变速(17级) 改为无级变速。为了在主轴低速区保持恒功率传动, 主轴计算转速和原来的保持一致, 仍保留两对双联齿轮变速, 齿轮箱中传动轴位置不变, 实际使用的轴为号轴, 号轴, 主轴和 号轴。见图4-14。图4-1 主轴箱展开图2.3 主轴组件的改造 经皮带轮传动后电动机转速被降为一半，改进后主轴转速的最高值由1250r/min提升到2000r/min，因此需要提高主轴轴承的强度。方法有二：其一，将主轴所有轴承的精度提高一级；其二，主轴支撑由原来的滚动轴承改成静压轴承支撑。现对以上两种方法进行比较：方法一：方法简单明了，只需按国家标准对各轴承进行重新选定，所需资金少。安装时，因主轴、箱体跟轴承之间的配合而做的改动少。但抗震性、轴身误差等方面无法得到有效的提高，主轴回转精度的提高也有限。方法二：静压轴承处在纯液体摩擦状态下工作，能承受高速旋转。静压轴承的油膜刚度高，通常要比轴本身的刚度高好几倍，因此轴承的抗振性比滚动轴承好得多。压力油膜具有良好的纠正轴本身误差的作用，可提高主轴的回转精度。静压轴承的主要缺点是需要有一套油液过滤十分清洁的液压系统，成本较高。综上所述，因该课题对各轴及轴承的性能要求按方法一即可满足，虽方法二可获得更高的性能，但成本过高。从性价比方面考虑，选择方法一。2.4 结论主传动系统如此改造后，车床原有功能基本保持，电机的输出转矩会受一定影响，但车床的曲面加工精度和效率大为提高，新增功能明显。工艺范围中的侧重点也应有所改变，这样可收到良好的经济效益。第3章变频器的选择及改进后的C6150车床3.1 变频调速的概况 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服的缺点。主要是机械式换向器带来的弊端。其缺点是：维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量，特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特别是在易燃易爆场合，难于应用。而交流电动机有一些固有的优点：容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要是变频器)性能的完善，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。仅是由于电力变换技术和控制手段的制约，有的被限制在实验室中，有点虽付诸实用也因不稳定、可靠性及维护等方面的某些不足，在当时历史条件下使用范围受到一定的限制。60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统)等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。此后的几十年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步14。3.2变频器的简单原理变频器的定义：将通用电源转换成电压可变，频率可变的适合交流异步电机调速需求的变换装置。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以逐步得到推广。3.2.1 变频调速的基本控制方式异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速。这是因为当转子的转速达到电动机的同步转速时其转子绕组将不再切割定子旋转磁场，因此转子绕组中不再产生感应电流，也不再产生转矩。因此异步电动机的转速总是小于其同步转速，而异步电动机也正是因此而得名。异步电动机的同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定。当用n1表示同步转速时，则有 (3-1)式中n1同步转速(r/min)； f1定子频率(Hz)； np磁极对数。而异步电动机的轴转速为 (3-2)式中s异步电动机的转差率，s=(n1n)/n1。当电动机为空载(不产生转矩)时，转差率s基本上为0；而当电动机为满负载(产生额定转矩)时，则转差率一般在1%10%的范围内。改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行15。3.2.2 变频器的基本构成变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。本课题中使用的是交-直-交变频器，以下简称变频器。变频器的基本构成由主回路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制回路组成，分述如下：(1) 整流器 它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。(2) 逆变器 最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相(单相)交流输出。(3) 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称中间直流环节中间直流储能环节。(4) 控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。3.2.3 变频器的分类这里只就间接式变频器按输出电压调节方式进行分类。变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式：PAM方式和PWM方式。1. PAM方式 脉冲幅值调节方式(Pulse Amplitude Modulation)，简称PAM方式，是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在逆变器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ed去实现。采用相控整流器调压时网侧的功率因数随调节深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，网侧功率因数在不考虑谐波影响时，可以达到cos11。2. PWM方式 脉冲宽度调节方式(Pulse Width Modulation)简称PWM方式。变频器中的整流器采用不可控的二级管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波，输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦PWM调制，简称SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)方式。通用变频器中，采用SPWM方式调压，是一种最常采用的方案。本课题亦采用此种方案。3. 高载波频率的PWM方式 这种方式与上面2.所述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。图3-1 正弦波PWM的波形3.2.4 变频器的优点1.省电：由于可变速运行，可根据实际情况确定转速。2.提高了效率；提高生产工艺及产品为副；控制精度提到了到位准确高速加工。3.机械方面：设备损耗小，省掉了控制阀及挡板等装置，省掉了变速机械装置，减少了管网振动及损坏，减少了电机对数；减少了电网容量。4.环保产品：空调通风更舒适，静噪音变换。3.3 变频器的选择 变频器的主要技术指标如下： 变频器的输入电源的电压和频率。对我国来说，就是380V 50Hz。所以一般在我国销售的外国变频器产品都毫无例外的将其产品对输入电源的要求改为与我国的三相电源规范一致。 变频器的连续额定输出电流。这是决定变频器容量大小的主要依据，为需要调速的电动机选用变频器时，一定要使电动机的额定电流小于变频器的连续额定电流并留有一定裕量。 变频器过负荷能力。一般变频器的过负荷能力均为150% 1分钟或200% 30秒，好一些产品过负荷能力可过到200% 1 分钟。变频器的过负荷能力不仅反应在设计变频器时所采用控制方式的优劣，也反应主要开关元件正常使用时所保留的裕量。 变频器的输出频率范围。通用变频器的频率调节范围一般为0-120Hz 或0-400Hz。 变频器的载频频率范围。又称调制频率或开关频率。现在市场上销售的变频器属第三代产品，其采用的开关元件为IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或IPM（智能功率模块），其开关频率最高可达15kHz。大功率晶体管（GTR）的开关频率只能达到2k左右，绝缘栅双极性晶体管（IGBT）的开关频率可达15k左右。 加减速时间范围。目前市场上出售的变频器的加减速时间范围大致都在0-3600秒。有的变频器还设有第二加减速时间，甚至第三加减速时间。 再生制动力矩。电动机在制动过程（再生发电运行过程）中，电动机要将其机械能转换成电能回馈给电网。在用变频器驱动电动机时，一般交直交变频器本身不能将再生制动的能量回馈给电网，只能靠变频器本身的中间环节大电容或大电感吸收，但这是有限的。所以仅依靠变频器的中间环节提供制动力矩有限，一般仅能提供15%-20%的制动力矩。有的变频器产品，如三菱FR-A200系列和富士FVR-E9S系列，容量在7.5Kw 以下时，内部自带制动单元，制动力矩可达100200%。不自带制动单元的变频器，其制动力矩只能在1520%。 变频器的控制方式。为了能适应各种不同运行工况，现在的变频器通常都具有几种控制方式以供选择。一般变频器都具有V/F控制方式和矢量控制方式。ABB公司的ACS600系列变频器还具有直接转矩控制方式，这在目前我国市场上销售的产品中，还是独一无二的。国内生产的变频器，具有矢量控制方式的还不多。为了提高变频器的运行特性和运行可靠性，变频器还具有很多其他功能，如直流制动、失速保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护及瞬时停电保护、定速运行、点动运行及避开谐振点等等7。本课题对变频器性能要求不高，从性能价格比、操作系统、售后维护等角度考虑，选择国产变频器即可。由于资料有限，仅能对以下几家公司的变频器进行简单的介绍。华为变频器 TD2000系列电机容量范围： 2.2220kW输出频率范围： 0400Hz过载能力： 150% 1分种调制方式： 优化空间电压矢量SPWM调制控制方式： V/F控制监控显示： 四位数码显示，中文操作提示内置调节器（PID）： 有 南昱变频器 J100系列 J300系列电机容量范围： 0.4115kW输出频率范围： 0.5360Hz起动转矩： 150% 3Hz时调制方式： SPWM调制控制方式： V/F控制及无速度传感器矢量控制监控显示： 数码显示内置调节器（PID）： 有 佳灵变频器 JP6CT9/J9 系列（依照97初得到的说明书）电机容量范围： T9系列 0.75220kW J9系列7.5280kW输出频率范围： T9系列 0.5400 Hz J9系列0.5120 Hz起动转矩： T9系列 150% 以上 J9系列 50% 以上（均在矢量控制时）调制方式： SPWM调制，控制方式： V/F控制，转差补偿控制及无转矩矢量控制（后期产品）监控显示： 数码显示内置调节器（PID）： 无说明对以上三种变频器进行综合评比，最后选定华为TD2000系列变频器做为此课题所使用变频器。3.4 轴上齿轮齿数的确定设电机额定频率为fN，则fN=50Hz。加变频器后电机的最高频率为： (5-1)调速范围： (5-2)加变频器后电动机的最低频率为：则电动机加变频器后的最高转速为： (5-3) 经过初步计算及查表拟定齿轮Z1、Z1,Z2、Z2,Z3、Z3,Z4、Z4的模数都取m=2.75。图5-1 C6150改进后主传动系统图Z1、Z1,Z2、Z2,Z3、Z3,Z4、Z4的位置如图5-1所示。在升速过程中，取第一级速度比，设第二级速度比为。 (5-4)取则由得 取在降速过程中，第一级速度比为1：3.14，设第二级速度比为x。 (5-5)对于轴和轴的中心距有： (5-6)由以上两式可得：对于轴和轴的中心距有： (5-7)由以上两式可得：在高速挡上，主轴最低速度为 (5-8)所以，在高速挡上速度范围是：1672000在低速挡上，主轴最高速度为 (5-9)所以，在低速挡上速度范围是：20240高速挡和低速挡的著走转速重合部分为167240，临界速度就在这个范围内。当主轴速度大于时，车床为恒功率工作；当主轴速度小于时，车床为恒转矩工作。3.5 改进后C6150转速图经变频器后，电动机转速：轴：轴：轴：转速图如图5-2所示。图5-2 C6150改进后主传动系统转速图第4章 元件的计算选择及校核4.1 传动轴直径初定各部件的传动效率如下：带传动：1=0.95轴承：2=0.99齿轮：3=0.97各轴传递的功率为：传动轴直径按扭转刚度用下式进行概算 (6-1)式中d传动轴直径(mm)； N该轴传递的功率(KW)； Nj该轴的计算转速(r/min)； 该轴每米长度允许扭转角(deg/m)，一般传动轴取=0.51。取=0.8。轴：轴： 取轴为花键轴，故直径增大7% 取4.2 主轴轴颈直径的确定根据车床P-D1的关系曲线，由功率P=5.5KW，定主轴前轴颈直径D1=35mm。后轴颈的直径D2=(0.70.85)D1=24.529.75mm，取D2=28mm。4.3 齿轮模数的计算一般同一变速组中的齿轮取同一模数，选择负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式进行计算： (6-2)式中接触疲劳强度计算的齿轮模数(mm)； 驱动电动机功率(KW)； 计算齿轮的计算转速(r/min)； 大齿轮与小齿轮的齿数之比，外啮合取“+”号，内啮合取“-”号； 小齿轮的齿数； 齿宽系数，(B为齿宽，m为模数)，； 许用接触应力(MPa)。齿轮材料取45钢，调质处理。=550MPa，。对第一组传动齿轮Z1，Z1：查标准模数列表，取第二系列。同理可求得其它几组齿轮的模数，再根据标准模数列表取4.4 带传动的计算及选定4.4.1 定V带型号和带轮直径工作情况系数 由表11.51 取计算功率 选带型号 由 查图11.151 选带型号为A型小带轮直径 由表11.61 取D1=125mm大带轮直径 （设） 取D2=250mm大带轮转速 4.4.2 计算带长求Dm 求 初取中心距 带长 基准长度 由图11.41 取4.4.3 求中心距和包角中心距 小轮包角 4.4.4 求带根数带速 传动比 带根数 由表11.8 ； 由表11.7 ； 由表11.12 ； 由表11.101 取4.4.5 求轴上载荷张紧力 (由表11.41 )轴上载荷 4.5 传动轴齿轮尺寸计算4.5.1 轴传动齿轮的轮廓尺寸已知： 1.分度圆直径 (6-3) 2.根圆直径 (6-4) 3.考虑齿轮的齿根键顶高的限制，轴的轴毂联接采用花键的尺寸为。 4.齿宽由公式进行计算，取 (6-5) 取4.5.2 轴传动齿轮的轮廓尺寸已知 1.分度圆直径 2.根圆直径 3.轴采用的花键尺寸为。 4.齿宽由公式进行计算，取 取4.6 各轴支承方式的选择轴上有卸荷带轮，轴上的轴承只承担径向力，故采用深沟球轴承。皮带轮中的轴承采用6009支承。轴左端轴承采用6307，右端轴承采用6208。轴经受力分析可知，只受径向力，故采用深沟球轴承，轴左端轴承采用6307，中间轴承采用6208，右端轴承采用6307。轴采用三支承结构，前、中支承采用圆锥滚子轴承且为主要支承，后支承采用深沟球轴承为辅助支承。考虑到改进后主轴的最高转速由1250r/min提高到了2000r/min，所以主轴上的所有轴承的精度提高一个精度等级1。4.7 轴上滑移齿轮的拨动系统波动手柄后，长杆转动，齿轮与长杆以花平键联接长动回转到东齿轮转动，再把齿轮的回转运动转为与齿轮啮合的齿条的直线运动，齿条固定在花键轴上的拨叉上，从而齿条带动拨叉做直线运动，拨叉运动时拨动轴上的滑移齿轮。4.8 轴小齿轮强度校核利用以下两公式对轴进行强度校核： (7-1) (7-2)式中齿数比“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合。此处为外啮 合，取“+”号 此公式中： 疲劳曲线指数，此齿轮经渗碳淬火处理后，取；当接触 疲劳载荷时，取。 已知： 查表可得1： 因此： (7-3)将以上各数值带入公式(7-1)和(7-2)：所以，该齿轮满足强度要求。4.9 用安全系数法校核轴当轴上的小齿轮与啮合时，轴危险截面就在小齿轮处，此时与啮合。齿轮圆周力： (7-4)其中：。式中 齿轮的径向力： (7-5)式中对于一般工作情况，齿间摩擦系数，近似取，所以对的直齿圆柱齿轮可取。齿轮作用在轴上的合力： (7-6)齿轮的径向力方向总是向着轴心的。被动齿轮所受圆周力的方向与齿轮的旋转方向相同，主动齿轮所受圆周力方向与其旋转方向相反。为安全起见，该轴上的齿轮传递的功率都取电机的额定功率5.5KW，而忽略传递中系统的功率损失。轴上，此时啮合的齿轮。现计算齿轮的作用力：对于齿轮： (7-7) 对于齿轮：受力图如图7-1所示：图7-1 轴受力分析在xz平面内的受力分析如图7-2所示：图7-2 轴xz平面内受力分析 (7-8)即： 在xz平面内的弯矩：对于A点，列弯矩方程： (7-9)即： 对于B点，列弯矩方程： (7-10)即： 对于C点，列弯矩方程： (7-11)即： 由式(7-8)、(7-9)、(7-10)、(7-11)联立，可解得：在xy平面内受力分析如图7-3所示：图7-3 轴xy平面内受力分析 (7-12)即： 在xy平面内的弯矩： 对于A点，列弯矩方程： (7-13)即： 对于B点，列弯矩方程： (7-14)即： 对于C点，列弯矩方程： (7-15)即： 由式(7-12)、(7-13)、(7-14)、(7-15)联立，可解得：1 对称循环疲劳极限轴材料选用45钢调质，。由此可得，疲劳极限： (7-16)2 脉动循环疲劳极限 (7-17)等效系数： (7-18)3 危险截面处的应力在xz平面内弯矩在xy平面内弯矩合成弯矩弯曲应力副：弯曲平均应力：扭转切应力：扭转切应力幅和平均切应力：4 应力集中系数有效应力集中系数：表面状态系数：尺寸系数：5 安全系数设为无限寿命，则弯曲安全系数： (7-19)扭转安全系数： (7-20)复合安全系数： (7-21)结论经过这几个月紧张的毕业设计，让我对大学四年中所学的基础知识和专业知识进行了一次全面的温习和总结。由衷的感觉到自己所掌握的知识量少、浅显，需要大量的阅读来充实自己。C6150普通车床的改进，是在机床原有电机上联接一个变频器，由变频器改变电流的频率，进而改变电机的输出转速。由于电机的输出转速是可变的，故原主传动系统中的一些用于转速放大或缩小的齿轮和轴就会因为多余而被删除。因为受到电机性能的限制，通过改变有限的频率范围而获得的主轴转速也毕竟有限，所以必须通过齿轮的轮传动对电机输出速度进行放大或缩小，故保留两对双联齿轮变速, 齿轮箱中传动轴位置不变。由于改进后的主轴转速有所提高，因此支承主轴的轴承精度也需相对提高一级。通过这次毕业设计，培养了我的自我学习能力，同时，在一定程度上掌握了机床主传动系统设计的方法及步骤，提高了独立分析问题和解决问题的能力。在整个过程中，我查阅大量的资料，利用网络获取最新的消息与资讯，使我意思到各种现代科技手段对科学研究的重要性，更重要的是培养了自己严谨的工作作风和严肃认真的科学态度。致谢本次设计工作是在李永海导师的指导下完成的。在设计过程中，我遇到了不会的问题，李老师总是耐心的给我讲解，而且给我找来了许多相关的资料以供查阅，在实验总体设计和论文审阅等方面进行了大量的指导，使我的论文得以顺利完成，同时，李老师在机械结构方面也给予了我大量的帮助。在此对导师表示由衷的感谢。由于本人水平有限，设计中的错误和遗漏之处在所难免，希望各位老师给予指正和修改，在此表示诚挚的谢意。 设计者：和宇新 2012年6月于哈理工参考文献1 邱宣怀主编.机械设计.高等教育出版社，2005：1763202 华东纺织工学院、哈工大、天津大学主编.机床设计手册.上海科学技术 出版社，1984：42493 上海第二机床厂.C6150普通车床的主传动结构.144 谢红等编.C6150车床数控改造主传动系统设计.2001：1101205 赵中敏编.机床数控改造探讨.中国设备工程2005.10：13146 刘品、李哲主编.机械精度设计与检测基础.哈尔滨工业大学出版社， 2006：31757 华为电气公司.华为变频器技术交流提纲.1248 王峰.主传动系统优化设计及数控技术改造.2005，1589 顾熙常主编.金属切削机床.上海科学技术出版社，1995：9415310 吴圣庄主编.金属切削机床概论.机械工业出版社，1993：418911 P N Rao,Manufacturing TechnologyMetal Cutting & Machine Tools， 2003.9：37642512 哈尔滨理工大学机床教研室编.机床设计指导书.1995,125613 机械设计手册编写组主编.机械设计手册.机械工业出版社，11748514 原魁、刘伟强主编.变频器基础及应用.北京：冶金工业出版社，1997.6： 4618315 姚锡禄主编.变频器控制技术与应用.福建：福建科学技术出版社，2005： 166716 F.J.Lin、P.H.Shieh and P.H.S