数控机床传动系统设计资料概览

1、1.开发XXX型号数控车床的目的和理由国内数控车床经过十几年的发展，已形成较为完整的系列产品，但用户要求越来越高， 对价格性能比更为看重，尤其对某些小型零件的加工，其所需负荷较小，调速范围不宽，加 工工序少，效率高，但目前国内数控车床功能多，价格高，造成很大浪费，而我厂现有的数 控车床，虽然在这方面做得较好，其加工范围的覆盖面也较宽，但针对上述零件加工的机床 还是空白，对用户无法做到“量体裁衣”。随着市场经济的发展和产品升级换代，上述零件 加工越来越多，市场对其具有较高效率，价格较低的排刀式数控车床的要求量越来越大，综 上所述，为适应市场要求，扩大我厂数控车床在国内机床市场上的占有量，特进行N

2、-089型数控车床的开发。2机床概况、用途和使用范围2.1概述：XXX型号是结合我厂数控机床和普通机床的生产经验，为满足高速、高效和高精度生产而 设计成铸造底座、平床身、滚动导轨，可根据加工零件的要求自由排刀的全封闭式小规格数 控车床。本机床采用SIEMENS 802S系统，主电机为YD132S-2/4双速电机。主传动采用富 士 FRN5.5G9S-4型变频器进行变频调速，进给采用德国SIEMENS公司生产的110BYG-550A 和110BYG-550B步进电机驱动的半闭环系统，两轴联动。2.2用途：XXX型号型数控车床可以完成直线、圆锥、锥面、螺纹及其它各种回转体曲面的车削加工， 适合小轴

3、类、小盘类零件的单件和批量生产，特别适合于工序少，调速范围窄，生产节拍快 的小轴类零件的批量生产。2.3使用范围：本机床是一种小规格，排刀式数控车床，广泛用于汽车、摩托车、纺织、仪器、仪表、 航空航天、油泵油嘴等各种机械行业。3 XXX型号型数控车床的主要技术参数：3.1切削区域：a. 拖板上最大回转直径75mm250mmb. 最大切削长度180mmc. 纵拖板的最大行程3.2主轴:a.主轴头部GB59001-86-A24b.主轴前轴承内径70mmc.主轴通孔直径42mmd.最大通过棒料直径25mm3.3主传动：a.主电机功率4.5/5.5kwb.主轴转速3200(4000)r/mi nc.主

4、轴最大扭矩32N m3.4进给运动：a.快进速度：X向3m/minZ向6m/minb.最小进给单位：X向0.0025mmZ向0.005mmc.进给力（额定）：X轴13000NZ轴10000N3.5排刀：a. 根据特疋零件安排相应刀具b. 刀具安装尺寸：外圆刀具16 16内孔刀具一 163.6机床重量：约 1800kg3.7机床外形尺寸（长X宽X高）：1700 1140 1550(mm)4传动系统的确定和分析d.横拖板的最大行程300mm4.1主传动方案的拟定：本机床采用YD型双速电机+变频调速，为提高扭矩，降速比为1:1.24.1.1主轴最高和最低转速的确定:该机床主要用于加工小轴类零件和有色

5、金属件，这样就有较高的速度要求 根据市场调研和分析：转速 nmax=33003400r/minnmin=190r/mi n4.1.2 主电机功率的确定主电机主要满足负荷切削的要求，现假设如下切削条件：试件：材料：45钢；热处理：正火；工件直径：一 65mm切削速度：V=150m/min切削用量：ap=1.5mm； f=0.3mm/n ； P=200kgf/mma. 主切削力Fz=Pfap=200 0.3 1.5=90kgf=900Nb. 切削扭矩M 切=Fz R=29.25N mc. 切削功率M 切=Fz V=2.25kw该主传动效率为=0.8贝U N 主 N 切=2.8125kwd. 根据材

6、料考虑本机床现有一定的转速要求，又有较高的扭矩要求，而该机床定位较低，故选用普通 YDS132S-2/4双速电机额定输出功率 4.5/5.5kw，额定转速1440/2900r/min 采用1:1.2降速提高扭矩，并用交流变频器进行875HZ的低速档变频和866HZ的高速档变 频，变速比为1:1.2时，主轴转速和输出扭矩：=32.23N m低速档：n额=1200r/minn低=192r/mi nn高=1800r/mi n额定扭矩M=19.56N m高速档:n额=241.6r/mi nn低=386r/mi nn高=3190r/min额定扭矩M=其主轴输出功率、扭矩见图1。对于那些对主轴转速要求较高

7、的用户，我们在设计中考虑采用调整其变速比的方法来满足，即将原降速比1:1.2改为1:1。实际调整就是将主传动中皮带轮的尺寸由.120mm调整为 -150mm,仍用交流变速器进行8HZ75HZ的低速档变频和8HZ70HZ高速档变频，额定输 出功率为 4.5/5.5kw，额定转速 1440/2900r/min。这样在1:1传动时主轴低速档及额定输出扭矩：n 额=1440r/minn 低=230r/minn 高=1440 1.5=2160r/min=26.86N m主轴高速档及额定输出扭矩：n 额=2900r/minn 低=464r/minn 高=4060r/minM 额=16.3N m其主轴输出功

8、率、扭矩见图2。4.1.3 三角皮带轮的校核根据设计结构要求，选d1=125m m，考虑皮带的滑动率；， 则大轮直径d2=；皮带滑动率I传动比 取：=1%; 1=1.2计算得：d2=148.5，取 d2=150mm带长：L=Dm+2a+=3.14 137.5+2 660+=1752mma.中心距确定：Dm=137.5mmL =12.5mm假定：a=660mm按标准取：Lo=18OOmm贝U:a=18003. 14137. 5122=(1800 - 3. 14137. 5)2 - 812. 5244=683.9mm,取 a=684mmb. 小轮包角：2 .：1 = 180 - : =180 &g

9、t;120ac. 带速：二=26.5m/s>25m/sn 1：小轮最高转速n=4060r/min由计算所提，机床最高转速时，带速略超许用带速，考虑综合因素，仍选用A型带，d1=125mmd. 单根V型带的基本额定功率根据d1=125mm、n仁1440r/min,由机械设计手册第 3册中的表22.1-13d查得（A 型带）：N1=1.93kw考虑到传动比的影响i=1,额定功率的增量 N1由表22.1-13d查得：N=0.13kwe. 带的根数：Z=Nc计算功率：Nc=KaN=1.1 5.5=6.05N机床传递功率Ka工作情况系数，考虑到本机床直接传动运转平稳，无冲击，故取Ka=1.1.Ni

10、功率增量Ka包角系数，由表 22.1-10查得Kct=0.99486Kl 带长系数，由表 22.仁11查得Kl=0.99Z=2.9取三根A型带Z=3f. 张紧力：F=q： V型带每米长质量查表q=0.1kg/mF=188.42Ng. 径向载荷：Q=2 ZF0 Sin=1130.53Sin=1112.8(N)4.1.4主轴直径的选择：a. 由于本机床采用的A24主轴，根据经验取前支承直径-70mm，因为考虑到最大棒料(通过)为25,取后轴径一 65mm。b. 求支承的径向刚度：主轴的输出扭矩：由扭矩转速图1可查得：在 nmin=192r/minMmax=35.8N m若取 Dmax=70mm则

11、Fz= =1022.85NFy=0.5Fz=511.4N贝U F=1143.58N受力情况如图3支承情况如图4,设计中根据需要a=68.5,取-=3，则 l=3a=3 68.5=205.5a由前面计算的切削力，根据力和力矩的平衡，F(l +a)F:=1524.8NlF = F a =1143.58685=381.2Nl205.5在实际设计中，根据经验，前后轴承分别选取哈轴的46114、36114二个自成组轴承和36113二个自成组轴承，这样前轴既有较高的承载力和能满足较高的转速要求。因此，向心 推力球轴承间隙为零时的径向弹性位移量：、0=Qr滚动体上的径向载荷Qr=Fr轴承径向载荷，此处为支反

12、力i滚动体列数Z每列滚动体数Qr：=217.2NQr =51.6N二向心推力轴承推力角；36接触角15 ； 46接触角25dQ：滚动体直径=7.4m=2.795设：46114轴承的预紧量为18m （由工艺推荐）也可以通过相关样本查的63113轴承的预紧量为22m相对位移量：=2.43=7.89从图 3-5 查得：一：=0.24, 一： =0.2由式 3-2:、1=一： o 得、：1=0.25、o ： =0.24 7.4=1.7m1=02 o =0.2 2.79=0.558m支承的弹性位移即包括轴承的位移，同时也包括了轴承外径与箱体孔的接触变形和轴承 内径和轴的接触变形。查哈轴样本：C46114

13、、D36113轴承与箱体孔的装配过盈量： 1=0.Lm， 'i1=0.m由公式从图 3-6 查得：K: 1=0.2，K -1=0.2代入式：F外载荷（N）K 系数，由过盈量杳图3-6得b轴承宽度（mm）d轴承外径：2=1.387m2=0.415m轴承C46114、D36113与轴的装配过盈量：2=4.5丄m，匚2=0m由公式 从图3-6查得：K： 2=0.17，K '1=0.2、：3=1.1795、3=0.415"m由以上计算可以得出本主轴组前支承、后支承的综合径向刚度:K ：=357.4N/cmK '-=N/cmc. 求最佳跨距=1.29,1当主轴当量外径

14、D当=67.5mm,当量内径d当=48时，惯量矩1=0.05= 1.2查图3-32,- 曲线可查得： =3.3贝U: Lo=3.3a=3.3 68.5=22.605本设计取a=67,跨距210mm由以上计算可以看出选a=67,跨距210mm,能够满足主轴的最佳跨距和刚度的要求 以上计算公式均取自大连工学院戴曙主编的金属切削机床计算。4.1.5轴承寿命的计算主轴受力分析如下图5。a. 假设切削零件：试件尺寸：一 25 100mm=1.3kg夹头体重量：G= V=7.8 3.14b. 设计使用时间th设机床每天工作15h,每年使用300天，使用年限8年，在全部使用期间内切削时间占70%,则:th=

15、15 300 8 70%=25200 小时c. 计算平均转速ne由于本机床是1904000r/min范围内调速，因此需要计算平均转速，设机床的总运转时 间为1，则在各种转速下所占机床的总运动时间列表如表1。表 1常用转速r/min40060090012001500180021002500300035004000与机床总运转时间之比0.10.10.10.10.150.150.10.10.050.040.01ne=1595r/mind. 平均切削力计算：在以上常用转速下加工零件时主轴所受的主切削力见表2表 2常用转速r/mi n40060090012001500180021002500300035

16、004000走刀深度(mm)1.81.510.80.50.50.50.50.50.30.3走刀量(mm)0.30.30.30.30.30.30.30.30.30.20.2主切削力kg f10890604830303030124.84.8材料钢件有色金属件F=pap fP单位切削量的切削力钢为200kg f/mm，有色金属为 80kg f/mm - 平均主切削力 Fze=45.76kgf平均切削分力 Fye=0.5 Fze=22.88kgf根据力矩平衡原理，求、一：支承处的支反力G在二、：支承的分力：受力分析如图6F ： g=1.9kg=19NF ：G=1.9-1.3=0.6kg=6NQ在八支承

17、上的分力（Q为皮带张紧时，作用在主轴上的张紧力）。根据前面皮带校核，皮带张紧时的作用主轴上的张紧力Q=112.8N,受力分析如图7=699.5NF Q=1812.3N主切削力在、1支承上的支反力（Fze）,受力分析如图8F ： ze=2Fze=2 45.76kg=915NF ：ze=915-457.6=457.4N切削分力在八支承上的支反力:=2Fy=2 22.88=45.76kg=457.6NF ：y=F: y-Fy=228.2N根据以上计算: > -两支承所受的总支反力如图9所示图9F ： =F ： q+F ： ze-F ： g=1595.5NF 匕F ：q+F ：ze-F ：g=1

18、812.3+457.4-6=2263.7NF：=1659.8NF =12275.2Ne. 轴承寿命计算:Lh=ne平均计算转速P轴承支反力（此处 F-、F -）前轴承（：支承）:支承是一个46114和一个36114自成组轴承，额定负荷取46114轴承的额定负荷Lh ： =79904.8h>30000h后轴承取2个36113自成组轴承 C=28.6KNLh '=20755.6(h)通过计算，后轴承若采用36113轴承，其寿命不能满足要求，因此，后轴承重选，采用2个36213自成组轴承。C=56.1KN贝U: Lh '=15664.86(h)>30000h4.2伺服系统

19、的确定本机床X、Z的进给均采用SIEMENS公司的802S数控系统的交流步进电机，X、Z轴 的丝杆均采用25mm直径，螺距均为5mm, X轴轴承2个46104自成组，Z轴选用3个46204 三个自成组，并分别采用施加预紧力来消除丝杆间隙，以提高其刚度。5.2.1传动比和进给速度计算：根据以往数控机床设计经验，选步进电机，电机技术参数如表3示。表 3型号重量(kg)频距角(取大静扭矩(N m)空载启动频率(kpps)运行频率(kpps)转动惯量(kgf cms：)110BYG-550A5.60.3663.5600.00146110BYG-550B7.20.3693.5600.00146a. X向

20、传动比计算:i=; ®步距角；S丝杆导程；A脉冲当量为了保证机床有一定的加工精度，取20.0025mm则 i=2取 Z1=20，则 Z2=iZ1=40b.进给速度计算：根据该电机的频一距特性曲线(802S步进电机样本)取 H =10kpps=10000HZV =V j=1.5m/min这样快进速度太慢，由 H-m特性曲线，取H=20kpps=20 10 HZV=6m/min这样 Vj= =3m/min由以上计算，再根据H-m特性曲线，X向采用1:2降速，即提高了其进给精度，又提高进给 扭矩。虽进给速度降低，但对此排刀数控机床不存在刀具的换位，让刀空行程较少，效率高， 因此Vj=3m/

21、min足够了。c. Z向传动比的计算:i= ; ®步距角；S导程；心一一脉冲当量取=0.005mm；贝U i=1Z向采用直接传动，从而减少了中间传动环节，提高传动的精度。d. 进给速度的计算：根据其H-m特性曲线(SIEMENS电机样本)Vj=6m/min由图线可知电机在此速度下快进，仍有较高的扭矩。422惯量匹配计算：工作台折算到电机轴上的惯量：J=Ji+Js+J 其它J丝杆的转动惯量Ji 移动部件转化到丝杆上的惯量惯量匹配的计算，主要用以检查负载惯量对系统的灵敏度和加速度，如果负载惯量过大,则电机加速时间较长。若负载发生变化，则加速时间也将发生变化，因此要负载惯量与电机 的惯量要

22、合理匹配。一般负载惯量与电机惯量 Jm之比应满足 <J<1，计算见表4。表 4惯量Z向X向移动部件的惯量转化JI =Ji=到丝杆的惯量(JI)kg m2=0.000142=0.0002349Js=Js=滚珠丝杆的转动惯量(Js)kg m2=0.0001928=0.0001853其它零件的转动惯量(Jj)kg m Jj=0.0007Jj=0.0005折算到电机轴上的负载惯量(JL)kg m1Jl=Ji+Js+J=0.001035Jl=+(Js+JI产=0.00060505=0.71=0.414通过表4计算，可见本机床选用的此两电机均可满足<J<1的条件，故选择为合理。42

23、3电机转矩匹配的计算:由于数控机床对动态响应特性要求较高，所以电机的转矩主要用来产生加速度。M=Mamax+Mf+MoMamax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩M f折算到电机轴上的摩擦力矩Mo由丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩Mamax=kgf mJr： kg m -Mf=kgf mMo=kgf mT系统响应时间常数nmax电机最大转速（r/min）Fo导转摩擦力（kgf）S丝杆导程（mm）传动链效率，一般=0.80.85Po滚轴丝杆的预加载荷o滚珠丝杆预紧时的效率，0=0.9Jr=jL+jMT为 ，KS为系统开环增益，KS值越大机床灵敏度越高，但 KS值大到一定程度时，由于系统的

24、灵敏度过高而使系统的运动部件惯量过大，从而影响定位精度。对一般数控机床取KS=825。本机床取KS=10。根据以上公式计算X、Z向的加速力矩，忽略 Mo、Mf的影 响，贝U:=1.23Nm<=3.1N m<通过以上计算，本机床电机匹配合适。进给部份主要运动参数如表5表 5数项目、脉冲当量（mm）电机最咼转速（r/min）最大进给速度（mm/min）横向（X）0.00256003000纵向（Z）0.00512006000424加速能力计算:系统要求的最大加速度：=1m/s-=2m/s上滑板能达到的最大加速度：ax=4.84m/s>amax十字拖板能达到的最大加速度：az=2.8

25、7m/s >Qmax因ax>amax、az>amax因此本机床能够达到加速性能要求。425进给力的计算：a. X向进给力的计算：X向电机能够提供的最大静扭矩为 6N m,经1:2降速，机械效率0.9,贝U Fx=6782.4 2=13564.8NFx的最大值主要在机床进行粗切端面时出现，假设下列切削条件：刀具材料：YT5车刀，Kr=90切削用量：t=2m, f=0.3, Cpy=141工件材料：结构钢，二b=65kg/mm-Fgx=1050NFx>Fgx，电机满足要求。b. Z向进给力的计算：Z向电机能够提供的最大静扭矩 9Nm,机械效率 为0.9,则 Fz=10173

26、.6NFz的最大进给力主要用于孔加工，假定下列切削条件:钻孔直径：.一 15mm走刀量：S=0.15mm主轴转速：n=300r/mi n刀具材料：工具钢工件材料：结构钢，匚b=65kg/mm-Fgz=4615NFy>Fgz,故Z向电机满足要求。4.2.5丝杆的预拉伸量计算：本机床通过对机床丝杆进行预拉伸来消除加工过程中由于丝杆的热变形对加工精度的影 响，并进一步提高丝杆的刚度。a. X轴丝杆方向目标值的确定：丝杆的热膨胀变形：lL=： L dt=0.019332mmG丝杆的热膨胀系数，三厂Ct丝杆与床身之间的温升，二t=3 CL丝杆两锁紧螺母之间的距离根据以往经验，考虑到丝杆除环境温度的变化而引起丝杆变形外，还有其它因素的影响, 取丝杆的预拉伸量为0.035mm。因丝杆螺纹整个丝杆部分全长为 67.9%,则丝杆的方向目标 值为-0.025mm。b. Z轴丝杆方向目标值的确定：丝杆的热膨胀变形：= L=： L 4=0.0222mm取预拉伸量为0.04mm,螺纹占丝杆全长的60.1%、0.04 60.1%，则方向目标值为-0.025。5设计原则5.1采用成熟的结构和技术5.2尽可能采用通用部件，以减少制造成本、生产