数控车床主传动系统的设计.

无锡职业技术学院毕业设计说明书 数控车床主转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 第二章 设计方案论证与拟定 2 2 1 总体方案的论证 2 2 2 总体方案的拟定 2 2 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 5 3 1 主运动设计 5 3 1 1 参数的确定 5 3 1 2 传动设计 6 3 1 3 转速图的拟定 8 3 1 4 带轮直径和齿轮齿数的确定 12 3 1 5 传动件的设计 19 3 2 纵向进给运动设计 38 3 2 1 滚珠丝杆副的选择 38 3 2 2 驱动电机的选用 42 结 论 47 小 结 48 致 谢 49 参考文献 50 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 1 页 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 形状也日趋复杂化 这是摆在机 床工业面前的一个突出问题 为了解决复杂 精密 单件小批量以及形状多变的零件加工问 题 一种新型的机床 数字控制 Numerical control 机床的产生也就是必然的了 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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 2 页 第二章 总体方案论证与拟定 2 12 1 总体方案的论证总体方案的论证 数控车床是基于数字控制的 它与普通车床不同 因此数控车床机械结构上应具有以下 特点 1 由于大多数数控车床采用了高性能的主轴 因此 数控机床的机械传动结构得到了 简化 2 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 3 更多地采用高效传动部件 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控 制功能 2 22 2 总体方案的拟定总体方案的拟定 1 根据设计所给出的条件 主运动部分 z 18 级 即传动方案的选择采用有级变速最高 转速是 2000r min 最低转速是 40r min 1 26 2 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 3 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除间隙 齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构 4 采用滚珠丝杆螺母副可以减少导轨间的摩擦阻力 便于工作台实现精确和微量移动 且润滑方法简单 2 32 3 主传动系统总体方案图及传动原理主传动系统总体方案图及传动原理 1 1 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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 3 页 图图 2 12 1 总的传动系统图总的传动系统图 2 2 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 交流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 1 7 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 主轴所采用的支承结构适宜低速大 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 4 页 载荷的需要 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 使其与主 轴同速运转 脉冲编码器用螺钉 5 固定在主轴箱体 9 上 图图 2 22 2 主轴部件主轴部件 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 5 页 第三章 设计计算说明 3 13 1 主运动主运动设计设计 3 1 1 参数的确定 一 了解车床的基本情况和特点 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该遵照的基础 因此 对这些基本 知识和资料作些简要介绍 本次设计中的车床是普通型车床 其品种 用途 性能和结构都 是普通型车床所共有的 在此就不作出详细的解释和说明了 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 mm lEI blbF y 9 16 7 16 2 3 22 2 3 22 1 max 1064 0 104 2 105345 1 104 2 47454247427 19 39 3 102 mm y xma xN 9 2 max 2 1 1062 0 3 103 mm yN 9 99 1081 1 1069 0 1019 1 根据表选用 3 104 mmy mm Ly N 0885 0 0885 0 5 4420002 0 0002 0 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 6 页 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 按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂 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 NNNNNNNNNNNN 字 如需要完整说明书和 CAD 图纸等 请联系 扣扣 二五一一三三四零八 另提供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 23 2 纵向进给运动设计纵向进给运动设计 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 传感器与电机轴相连 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 转传感器发出一定数量的脉冲 每个脉冲代表电机一定的转角 本次设计中纵向 脉冲当量 p 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 p mm 脉冲 确定 并且滚珠丝杆导程 L0 mm 和电机步 距角 b 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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 7 页 3 138 5 2 25 1 6 5 1 75 0 01 0 360 0 0 i mmL mm L i b p p b 代入得 脉冲由 尽可能使 i 1 这时可使步进电机直接与丝杆联结 有利于简化结构 提高精度 所以 i 1 25 取 b 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 在电机选用时必须加以考虑 由于传动系统的各 传动部件并不都与电机轴的同轴线 还成在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题 最后 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与计算了 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 滚珠丝杆螺母副由专门工厂制造 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 循环列数与圈数 预紧方式 钢珠在丝杆与螺母之间的滚动是一个循环闭路 根据回珠方式可分两类 内循环和外循 环 本次设计中根据应用的需要选 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 种类很多 本次设计中采用的是外循环 2 列 3 5 圈 为了消除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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 8 页 荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系 本次设计中的采用的是垫片式预紧 调整方法 调整垫片厚度 使螺母产生轴向位移 这种方法结构简单 装卸方便 刚度高 但调整不便 滚道有磨损时 不能随时消除间隙和 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 承载能力和刚度越大 数控机 床常用进给丝杆的公称直径 dm为 30mm 至 80mm 本次设计中选用的公称直径为 40mm b 基本导程 螺距 L0 丝杆相对于螺母旋转 2 rad 时 螺母的轴向位移 基本导程也称 为螺距 它按承载能力选取 并与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 滚珠丝杆副按其使用范围及要求分为 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 滚珠丝杆副的精度直接影响定位精度 承载能力和接触刚度 因此它是滚珠丝杆副的重要质量指标 选用时要予以注意 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 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 C 2 预紧 方式 双螺母 垫片式 D 3 结构 特征 导珠杆埋入式 M 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 9 页 4 螺纹 方向 右旋 5 负荷 钢球 圈数 3 5 3 5 6 类型传动滚珠丝杆副 与旋转角度无关 用于传递动力的滚珠丝 杆副 T 7 精度 等级 3 3 2 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 为 3 139 tg tg 式中 为丝杆螺旋升角 可据初选型号查出 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 10 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 以上所有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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 10 页 螺旋 升角 螺钉 尺寸 螺钉个 数 螺 母 配 合 外 径 衬套 配合 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 M a D D 3 5 圈每 1 列 3 5 圈每 1 列 3 5 圈每 1 列 WD4006 螺母凸缘 外径 螺钉中 心圆直 径 滚珠直径 名义 直径 螺 距 in mm 滚道 半径 偏心 距 丝杆 外径 有 衬 套 无 衬 套 有 衬 套 无 衬 套 螺 母 凸 缘 厚 度 垫 片 厚 度滚珠丝 杆副型 号 D0 t d0 R e dD3D3 D4D4 T WD4006 40 6 3 9692 0640 05639102928676125 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 11 页 2 44 8 282 46070 99 21600 91400 3 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 而不受电压高低 电流大小及其波形的影响 2 可以开环控制也可以闭环控制 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失 4 启动 停止 反转及其其他运行方式的改变 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 具体的选用步骤如下 1 根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 b 及 并满足 3 140 9 06 0 9 06 0 6 01 0 3601 360 5 11 360 0 0 即 由于 b p b p b L i i i L 根据表中所提供的 BF 反应式步进电动机技术参数表 可以选取本次设计中所需要的型 号 选取 b 0 75 1 5 较为合理 相应参数见下表 130BF 130BF 反应式步进电动机技术参数反应式步进电动机技术参数 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 12 页 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 Hz 130BF001 5 0 75 1 580 12 10 9 31 95 300016000 外形尺寸 转子转动惯量 10 5 gf cm s2 线圈电阻 5 分配方式 质量 外径 长度轴径 46 06 4 7 0 163 五相十拍 13017014 具体的作图见纵向进给系统的全图 2 距频特性 根据已选定步进电机 来确定 具体的数值可见上表 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 具体的校核结果见下图 1 突然启动 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 13 页 图图 3 53 5 2 升速启动 最后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 Hz u f p 60 1000 max max 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 具体的校核结果见下图 1 快速进给的行距频特性校核 图图 3 63 6 2 工进运行距频特性校核 工进时步进的运行频率为 fGJ 3 142 Hz u f p G GJ 60 1000 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 14 页 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单 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 具体的安装图见纵向进给全图 步进电机安装尺寸步进电机安装尺寸 步进电机型号轴径 d1止扣直径 d2 d2 螺孔 通孔 L1 L2 外径 D 130BF00114 100 1554 12 32 5 130 长度 L B B 170134 134 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 15 页 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 年代是数控机床开始大发展的年代 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 与通用车床相比 数控车床的进 给传动链采用间隙消除措施 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 主轴和进给都采用无极变速 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 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 16 页 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 形状较复杂 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 数控车床的使用范围会越来越大 将在机械加工中被普遍采用 小 结 这次毕业设计使我对以前所学的理论知识起到了很好的回顾作用 以前在校学习时不够 清楚如何应用所学知识 现在都有了较深的认识 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 这次的设计截然不同 需要你独立完成 幸 运的是大家都有老师指导 但具体还得自己亲自去做 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 渐渐有了头绪 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 使我对以前的知识得到了巩固和复习 同样也提高了我的计算机应 需图纸找 QQ251133408 无锡职业技术学院毕业设计说明书 共 50 页 第 17 页 用能力及 AUTO CAD 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需要有更多的社会实践来提供 我相信在日后的工作中 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 不十分明白的道理 就会很快地成长和成熟起来 我也相信 凭着我们自强不息 勇于拼搏 的精神 定能很快适应类似设计的需要 适应这个多变的社会 充分发挥长处 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 必须经历的一个重要环节 也是对我三年大 学生活的一个总结 在本次设计中 从选题到设计过程直到最后完成设计 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 许多设计的专业知识 热忱鼓励 并提供了大量的设计资料 在遇到困难的时候 带我们去 参观实