XKA5750型数控铣床主传动系统设计【说明书+CAD】
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说明书+CAD
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XKA5750型数控铣床主传动系统设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,XKA5750,数控,铣床,传动系统,设计,说明书,CAD
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黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 8 页 数控铣床主传动系统研究摘要: 简要介绍了数控铣床及加工中心的主传动系统的类型和特点，重点对两段变速主传动变速系统的设计参数和特性参数进行推导和计算，通过分析这些参数的相互关系及其对结构和性能的影响，得出一些有参考价值的结论。同时对数控铣床主传动系统的优化设计相关的理论也有简单的论述。关键词： 传动系统，功率缺口，扭矩，减速比前言主传动系统是铣床传动系统的核心环节。传统的铣床主传动系统采用有级传动方式， 其计算和设计方法早已有详细论述。随着机床技术的发展， 数控铣床和加工中心的主传动系统已普遍采用无级传动方式。尽管一些大型的机床设计手册对无级传动方式的分析计算和设计方法已有论述， 也已形成一些设计原则， 但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样， 随着机床技术的发展， 随着机床产品设计越来越理性化， 在进行主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高、低档减速比、主轴额定转速、功率损失等进行计算， 对这些参数的相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析。文中对主传动系统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分析， 得出了一些较为适用的结论， 现介绍如下。同时也简单的设计了数控机床主传动系统的动态设计的相关论。1 主轴无级传动系统的特点主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机械传动机构组成。1.1 无级调速电机及驱动主要机械特性无级调速电机具有转速拐点， 即额定转速。其特点为: 小于额定转速的为恒扭矩范围， 大于额定转速的为恒功率范围， 其特性曲线如图1 所示。额定转速一般有500r/min、750r/min、1000r/min、1500 r/min、2000r/min等几种， 按照成本原则， 通常使用较多的为1500r/min。如果直接使用额定转速为1500r/min 以上的电机而不经过机械减速， 则输出的恒功率范围和低速扭矩较小， 不能满足很多场合下的正常使用要求。图1.无级调速电机特性曲线1.2 主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点( 1) 直接1:1 传动 可采用电机与主轴组件直联方式或通过同步带传动方式，结构简单， 易获得高转速， 但低速扭矩小， 一般只适用于高速和轻切削场合。( 2) 直接减速或升速传动常采用同步带传动方式， 也可采用齿轮传动方式， 结构简单。对于减速传动， 可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩， 但扩大和提高程度有限， 或最高转速受到限制。对于升速传动， 可获得高转速， 但缩小了恒功率范围， 降低了低速扭矩。( 3) 高低档两段变速传动一般采用齿轮两档变速机构， 可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机， 既可获得较高转速， 又可较大地拓宽恒功率范围， 提高低速扭矩， 适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。( 4) 高、中、低档三段变速传动采用齿轮三档变速机构， 配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机， 既可获得较高转速， 又可大大拓宽恒功率范围，大大提高低速扭矩， 适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合， 其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但结构复杂， 且由于采用齿轮多级传动方式， 最高转速受限更大，目前这种传动方式很少采用。从以上介绍可知， 各种传动方式各有优缺点， 关键是根据不同的使用要求选择不同的传动方式1-3。1.3 关于高低档两段变速传动方式从以上分析可以看出， 采用高低档两段变速传动方式， 既可获得较高转速， 又可较大的拓宽恒功率范围， 较大的提高低速扭矩， 且结构要比三段变速简单， 因此是较为理想的传动方式。特别是， 出于对电控系统价格的考虑， 我们经常采用额定转速为1500 r/min 主轴电机。当选用额定转速大于或等于1000r/min 的主轴电机， 且又要求具有较大的输出恒功率范围、较大的主轴低速扭矩和较高的主轴转速， 则必须采用高低档两段变速传动方式。同时可以看出， 高低档两段变速传动方式的计算和设计要比直接传动方式复杂得多。不同的参数选择可导致机械性能的不同， 并适应于不同的使用要求。因此， 导出各设计参数的计算公式， 分析各参数选择对机械性能的影响， 分析参数选择与结构设计的关系， 这对于主轴无级调速系统的设计， 对于如何通过计算和设计达到数控机床的预定的技术要求， 实现较好的制造工艺性和性能价格比， 将具有重要的意义。2 高低档两段变速传动系统的计算和分析高低档两段变速传动机构具有多种形式， 但其分析计算是一样的。在进行机床产品设计时， 一般情况下， 是根据产品定位、用途、技术要求等因素， 确定主电机功率及其额定转速、主轴最高转速、主轴最大扭矩等主要参数， 再根据这些主要参数和结构要求特点， 计算和确定主传动高档和低档减速比， 及确定其它参数和结构参数， 进行结构设计。由于采用两档传动方式， 可能会产生在一定速度范围内功率损失的现象， 这就是所谓的功率缺口。尽可能降低功率缺口也是确定主传动高档和低档减速比的主要依据之一。2.1 高低档减速比计算a) 低档减速比计算：i1= Mm（Md0） （1）其中：i1 低档减速比Mm主轴最大扭矩Md0主电机额定扭矩 传动机构机械效率b) 高档减速比计算：i2= n smn m （2）其中： i 2 高档减速比n sm电机使用最高转速n m主轴最高转速2.2 主轴额定转速计算主轴额定转速n om：n om = n odi 1 （3）其中： n om 主轴额定转速 n od 电机额定转速2.3 功率损失或功率缺口计算高低档的分界点转速ng：ng= n smi 1 （4）在高档转速范围内， 主轴最大扭矩Mm2：Mm2=i2Mdo故对应于分界点转速，主轴输出功率处于最低状态， 最低功率P j： （5）经高低档变速后，主轴机械特性如图2 所示。图2主轴机械特性曲线功率损失P:P = P0- P j （6）其中： P0 为主电机功率功率损失比率:= PP0= (P0- P j)/P0=1- P j/P0=1- 1/其中:= P0P j ( 7)我们称 为功率缺口， 显然1， P j 越小， 则 越大，即功率缺口越大。2.4 功率缺口转速范围计算参见图2: n02= n0d/i 2 ( 8)功率缺口转速范围n:n=n02- ng （9）将式(4)式(8)代入式( 9) ， 得:n = n 0d/i2-nsm/i1 (10)2.5 参数选择综合分析和确定以上算式反映了各主要技术参数的关系， 对设计参数选择、技术特性分析、结构设计和分析具有重要作用。( 1) 低档减速比对机械特性的影响和减速比选择根据式( 1) ， 低档减速比由主轴最大扭矩和电机最大扭矩决定。主轴最大扭矩越大， 则低档减速比越大； 反过来， 低档减速比越大， 则主轴最大扭矩越大。同时， 根据式( 3) ， 低档减速比越大， 则主轴额定转速越小， 即恒功率范围就越扩大。但根据式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 低档减速比越大， 则功率损失或功率缺口越大。所以必须综合考虑和分析， 选择较大的低档减速比， 以保证得到较大的主轴最大扭矩和恒功率范围， 但低档减速比又不能太大， 否则功率损失太大， 影响机床机械特性的程度大， 达不到正常使用要求。一般选择低档减速比为3.55 较为合适， 具体选择要综合根据具体技术要求和使用要求而定。( 2) 高档减速比对机械特性的影响和减速比选择以往的技术文献对高档减速比的分析极少，只简单指出高档减速比一般为1。根据式( 5) 、( 6) 、( 7) ， 高档减速比越大， 则功率损失越小； 同时根据式( 3) 和式( 10) ， 高档减速比越大， 则功率缺口转速范围越小。所以， 高档减速比大对机械特性是好的。但也是根据式( 2) ， 在主轴最高转速一定的情况下， 高档减速比越大， 则电机使用最高转速也越大。我们知道， 在进行设计选择时， 不一定选择到电机真正的最高转速， 至于选择多大， 要进行综合分析。从以上分析可知， 电机使用最高转速越大则对机械特性越好，但电机使用最高转速越大， 对机械结构稳定性和机械加工精度要求也越高， 成本增加，经济性降低在一定程度上成为矛盾。所以一般选择高档减速比为11.5而不必限制为1。( 3) 功率缺口的分析根据式( 5) ， 在电机特性和主轴最高转速确定后， 最低功率与高、低档减速比有关。选择大的高档减速比和小的低档减速比， 则最低功率就越大， 即功率损失就越小。但从以上的分析也已知道， 高档减速比大则对机械结构稳定性和机械加工精度要求就高； 低档减速比小， 则会导致主轴最大扭矩小和恒功率范围小， 影响机械特性。这是一个矛盾。我们可以加大主电机额定功率来弥补功率损失的影响， 这样又会加大成本。所以， 在一般情况下， 是允许功率缺口存在的， 允许功率缺口的大小视具体使用要求和技术要求而定， 一般为不大于1.21.5， 特殊情况下可以大些 4-7 。3 数控机床主传动系统优化设计的发展数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成. 传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件， 而且要保证传递过程中具有良好的动态特性. 传动系统在工作过程中， 经常受到激振力和激振力矩的作用， 使传动系统的轴组件产生弯曲振动和扭转振动， 影响了机床的工作性能. 随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展， 传动系统的结构组成越来越简单， 但对其机械结构性能的要求却越来越高，因此， 传统的静强度设计方法远远达不到要求. 为了保证金属切削机床高效地加工出高精度的产品零件， 机床的传动系统就必须具有较高的刚度和抗振性能， 以提高传动的准确性和加工的稳定性.因此， 本文使用动态优化的方法， 将提高机械结构的刚度作为设计校核的目标， 对机床的传动系统进行设计.目前， 动态设计的优化正处于发展与完善阶段， 其设计方法可分为3 类: 基于模态柔度和能量平衡的动态优化设计、基于变分原理的的动态优化设计和基于最小值原理的动态优化. 本文基于传递矩阵法的思想建立数控铣床的主传动系统的集中质量模型， 并应用模态柔度和能量平衡原理优化了主传动系统8-9。4 结束语在进行数控铣床或加工中心的两段变速主传动系统设计时， 必须对主要设计参数、机械特性和使用要求进行综合考虑和分析， 既要实现好的机械特性和满足使用要求， 又要满足制造工艺性和适应经济性要求。据经验一般取高档减速比为11.5； 低高档减速比为3.55； 功率缺口一般为不大于1.21.5。传动系统在工作中主要是扭转振动， 用传递矩阵法建立传动系统的集中质量模型， 是通过将轴上的零件， 转化为惯性元件， 而将轴转化为弹性元件和惯性元件的组合， 并将各轴转化的惯性元件， 平均分配到各个轴的两端， 最后， 将惯性元件和弹性元件一同转化到输出轴上， 建立传动系统扭转传递矩阵模型， 来分析其扭转振动. 与有限元模型相比较， 在满足工程需要的同时， 能够养活对计算机容量的需求。运有模态柔度和能量平稀奇原理， 通过对传动系统模态柔度和能量分布率的计算结果的分析， 表明了动态优化设计的目标和变量， 找出需要修改的结构部位和参数。 通过高速主轴的跨距、悬伸量、内外直径和主轴长度， 改变惯性元件和弹性元件的参数， 达到对整个传动系统进行动态设计的目标 10-12。参考文献1 现代实用机床设计手册编委会. 现代实用机床设计手册M. 北京机械工业出版社，2006.2汪木兰.数控系统与原理M.北京：机械工业出版设，2004.3秦曾煌.电工学M.北京：高等教育出版社，20044文怀兴，夏田.数控机床系统设计M. 北京: 化学工业出版社，2005.55夏田.数控加工中心设计M.北京:化学工业出版社，2006.46陈立德.机械制造装备设计M.北京：高等教育出版社，2006.47王爱玲.现代数控机床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.98Napitolela N G. A Mass or Stiffness Addition Technique for Structural Parameter Updating J. The International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis， 1992， 7
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