立式加工中心主传动系统设计1.docx
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立式加工中心主传动系统设计1.docx
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立式加工中心主传动系统设计1
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毕业设计
题目:
立式加工中心主传动系统设计
学院:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
学号:
学生姓名:
导师姓名:
完成日期:
2012年6月6号
诚信声明
本人声明:
1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;
2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;
3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。
作者签名:
日期:
年月日
毕业设计(论文)任务书
题目:
立式加工中心主传动系统设计
姓名学院专业班级学号
指导老师职称教研室主任
一、基本任务及要求:
本课题以立式加工中心的主传动系统设计为目标,通过对其机械部分、电气控制部分的设计,使之能够适应现代制造企业对加工设备的更高要求。
通过设计使学生掌握加工中心数控机床主传动系统结构及控制部分设计的基本方法、步骤、过程和原理,同时提高他们分析、解决问题的能力及综合运用所学知识的能力。
课题基本任务及要求:
1.熟悉数控机床(加工中心)本身的特点、明确设计要求;
2.拟定机床主传动系统的总体方案(机械部分、控制部分);
3.进行加工中心机械部分的结构设计;
4.进行主传动电气控制系统的设计;
二、进度安排及完成时间:
1.明确设计任务、熟悉设计课题、搜集有关资料;2月29日前完成
2.在熟悉课题要求的前提下,进入课题实施阶段,进行有关方面知识的准备、撰写开题报告;3月20日前完成
3.根据要求提出主传动系统设计的思路、拟定其方案;3月31日前完成
4.进行机械结构设计(绘制主轴箱部装图及1-2个零件图);4月20日前完成
5.进行系统的动态特性分析(如果时间紧这一步可省);5月10日前完成
6.进行主传动电机控制系统的设计(绘制控制系统图);5月20日前完成
7.编写毕业设计说明书并打印;5月28日前完成
8.程序文件的整理、存储介质的制作、准备答辩;5月31日前完成
9.毕业设计答辩。
6月10日前完成
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章绪论1
1.1引言1
1.2研发背景及意义1
1.3加工中心的发展状况2
1.4课题拟解决的关键问题2
第2章立式加工中心主传动系统设计4
2.1加工中心主轴箱的组成4
2.2机械系统方案的确定4
2.2.1主轴传动机构4
2.2.2加工中心主轴组件总体设计方案的确定4
2.3运动及动力参数计算5
2.3.1铣削分力5
2.3.2铣削圆周力的计算6
2.3.3选用电机9
第3章传动系统的设计11
3.1主传动系统的设计11
3.1.1带传动的设计11
3.1.2齿轮传动的设计12
3.2Ⅰ轴的设计17
3.2.1Ⅰ轴的初步设计17
3.2.2I轴的校核18
3.3主轴的设计21
3.3.1主轴的设计21
3.3.2主轴受力分析24
3.3.3主轴的强度校核28
3.3.4主轴的刚度校核29
第4章控制系统设计30
4.1控制系统总体设计30
4.2硬件设计31
4.3软件设计32
4.3.1步进电机的控制原理33
4.3.2变频电机的相关控制34
4.3.3译码法寻址34
4.3.4键盘显示器接口34
4.3.5程序存储器(EEPROM)芯片34
4.2.6数据存储器(RAM)芯片34
结论35
致谢36
参考文献37
立式加工中心主传动系统设计
摘要:
数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础,这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力,关系到国家的战略地位。
立式加工中心主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。
包括电动机、传动系统和主轴部件。
本文通过对立式加工中心主传动系统的各方面设计,以达到低制造成本、简化机构、实现优化。
采用变频电机和一级机械调速达到调速和传递功率的要求;用步进电机驱动主轴上下运动达到Z行程的要求;数控装置采用51单片机来实现对电机更加精确的控制和实现机械调速的自动控制。
关键词:
主传动;设计;立式加工中心
Maindrivesystemdesignedforverticalmachiningcenters
Abstract:
Thenumericalcontroltechnologyandthenumericalcontrolequipmentarethefactoryindustrymodernizationfoundations,doesthisfoundationwhetherreliableimmediateinfluencetoacountry'seconomicdevelopmentandthecomprehensivenationalstrength,relatethecountrythestrategicposition.
Machiningcentertoolmasterdrivesystemisusesfortorealizetheenginebedmainmovementtransmissionsystem.Includingelectricmotor,transmissionsystemandspindleunit.
ThisarticlethroughdesignstoMachiningcentermasterdrivesystem'svariousaspects,achievesthelowproductioncost,thesimplifiedorganization,torealizetheoptimization.Usesthefrequencyconversionelectricalmachineryandthefirst-levelmachineryvelocitymodulationachievesthevelocitymodulationandthetransmissionpowerrequest;Withstep-by-stepsthemotor-drivenmainaxleverticalmotiontoachievetheZtravelingscheduletherequest;Thenumericalcontrolinstallmentuses51monolithicintegratedcircuitstorealizetoanelectricalmachinerymoreprecisecontrolandrealizesthemachineryvelocitymodulationautomaticcontrol.
Keywords:
Maindrivesystem;Design;Machiningcenter
第1章绪论
1.1引言
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业(如:
信息技术及其产业,生物技术及其产业,航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。
制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料,而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
当今世界各国制造业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资,不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业,而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
数控机床技术的发展自1953年美国研制出第一台三坐标方式升降台数控铣床算起,至今已有53年历史了。
20世纪90年开始,计算机技术及相关的微电子基础工业的高速发展,给数控机床的发展提供了一个良好的平台,使数控机床产业得到了高速的发展。
我国数控技术研究从1958年起步,国产的第一台数控机床是北京第一机床厂生产的三坐标数控铣床。
虽然从时间上看只比国外晚了几年,但由于种种原因,数控机床技术在我国的发展却一直落后于国际水平,到1980年我国的数控机床产量还不到700台。
到90年代,我国的数控机床技术发展才得到了一个较大的提速。
目前,与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。
总之,大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
1.2研发背景及意义
本课题是以加工中心为研究目标,从其主传动系统结构及其电气系统控制系统入手,对其系统结构设计、结构组成分析、分级变速分析、传动件的计算分析和主传动电气控制系统的设计的几个方面进行设计研究。
为优化传动系统结构和改善传动系统的精度及稳定特性提供必要的理论依据通过本课题的研究,使加工中心结构更加紧凑,性能更加优越,生产加工更加精密。
与普通数控机床的工艺装备相比较,加工中心工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强,一般采用电动、气动、液压以及计算机控制,其自动化程度更高。
合理使用加工中心的工艺装备,能提高零件的加工精度。
各种类型加工中心所配置的数控系统虽然各有不同,但各种数控系统的功能,除一些特殊功能不尽相同外,其主要功能基本相同。
1.3加工中心的发展状况
对于高速加工中心,国外机床在进给驱动上,滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在以上,最高已达到。
采用直线电机驱动的加工中心已实用化,进给速度可提高到,其应用范围不断扩大。
国外高速加工中心主轴转速一般都在,由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承,预计转速上限可提高到。
国外先进的加工中心的刀具交换时间,目前普遍已在左右,高的已达,甚至更快。
在结构上,国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。
在加工精度上,国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统,加工精度比较稳定。
国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收,行程以下,定位精度可控制在之内。
此外,为适应未来加工精度提高的要求,国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。
相对而言,国内生产的高速加工中心快速进给大多在左右,个别达到。
而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品,还未进入产量化,应用范围不广。
国内高速加工中心主轴转速一般在,定位精度控制在之内,重复定位精度控制在之内。
在换刀速度方面,国内机床多在,无法与国际水平相比。
虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步,但与国外同类产品相比,仍存在着不少差距,造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。
国产数控机床与国外产品相比,差距主要在机床的高速、高效和精密上。
除此之外,在机床可靠性上也存在着明显差距,国外机床的平均无故障时间(MTBF)都在小时以上,而国产机床大大低于这个数字,国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一。
1.4课题拟解决的关键问题
各类机床对其主轴组件和进给组件的要求,主要是精度问题,就是要保证机床在一定的载荷与转速下,组件能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转,并长期地保持这一性能。
主轴组件和进给组件的设计和制造,都是围绕着解决这个基本问题出发的。
为了达到相应的精度要求,通常,主轴组件和进给组件应符合以下几点设计要求:
旋转精度:
旋转精度是指机床在空载低速旋转时,安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求,目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。
刚度:
指主轴组件和进给组件在外力的作用下,仍能保持一定工作精度的能力。
刚度不足时,不仅影响加工精度和表面质量,还容易引起振动,恶化传动件和轴承的工作条件。
设计时应在其它条件允许的条件下,尽量提高刚度值。
抗振性:
指主轴组件和进给组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。
抗振性直接影响加工表面质量和生产率,应尽量提高。
温升和热变形:
温升会引起机床部件热变形,使主轴旋转和进给的相对位置发生变化,影响加工精度。
并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件,加速磨损。
耐磨性:
指长期保持其原始精度的能力。
主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。
第2章立式加工中心主传动系统设计
2.1加工中心主轴箱的组成
主轴箱是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和减速齿轮等组成的。
主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制,并通过装在主轴上的刀具参与切削运动,是切削加工的功率输出部件。
主轴是加工中心的关键部件,其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响,它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。
主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。
2.2机械系统方案的确定
2.2.1主轴传动机构
对于现在的机床主轴传动机构来说,主要分为齿轮传动和同步带传动。
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一,应用普遍,类型较多,适应性广。
其传递的功率可达近十万千瓦,圆周速度可达,效率可达。
齿轮传动大多数为传动比固定的传动,少数为有级变速传动。
但是齿轮传动的制造及安装精度要求高,价格较贵,且不宜用于传动距离过大的场合。
同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。
在啮合传动中,它的结构最简单,制造最容易,最经济,弹性缓冲的能力最强,重量轻,两轴可以任意布置,噪声低。
它的带由专业厂商生产,带轮自行设计制造,它在远距离、多轴传动时比较经济。
同步带传动时的线速度可达(有时允许达),传动功率可达,传动比可达(有时允许达),传动效率可达。
本课题的主轴传动方式中选择齿轮传动。
2.2.2加工中心主轴组件总体设计方案的确定
综合2.2中的方案,本课题的总体设计方案现确定如下:
由于采用齿轮传动,能保证固定的传动比,且传动效率高,传递功率大,允许的线速度较高,需安置在很良好的工作环境中,所以在主轴传动方式中选择齿轮传动。
在主轴的进给运动中,采用滚珠丝杠。
其耐磨性好、磨损小,低速运行时无爬行、无振动,能够很好地确保Z轴的进给精度。
由于加工中心具备自动换刀功能,所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动夹紧机构以及切屑清除机构。
在本课题中,主轴准停机构采用磁力传感器检测定向,其不仅能够使主轴停止在调整好的位置上,而且能够检测到主轴的转速,并在加工中心的操控面板上显示出来,方便机床操作者调整转速。
在换刀过程中,刀具自动夹紧机构也是不可获缺的一部分。
它控制着刀杆的松紧,使刀具在加工时能紧紧地固定在主轴上,在换刀时能轻松地卸载。
本课题采用了液压缸运行的方式,通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。
同时,为了减少液压推力对主轴支承的磨损,在主轴的内部设置了一段碟形弹簧,使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。
同时,在换刀过程中,活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。
其间将通入一定的压缩空气来清除切屑。
使刀杆和主轴始终具有很好的配合精度。
在伺服系统中,本课题在进给系统中选用直流伺服电动机,而在主运动系统中则选用交流伺服电动机。
由于交流伺服电动机具有电刷和换向器,需要常常维修,故不适合于主运动系统中。
2.3运动及动力参数计算
由主轴转速100—2500r/min,由此初步确定轴转速及电机选用。
1主轴转速由变速箱加上PCL控速速,选取总传动比1:
1.2,则电机转速范围为120r/min—3000r/min.
2确定主轴转矩以及功率
电机转矩由主轴正常工作时需要的转矩来确定,因此需要计算切削用量。
由《专用机床设计与制造》Pg680页铣削力及铣削功率的计算如下:
2.3.1铣削分力
车铣削时的切削分力(见切削了力图图2-5和表2-1)有:
圆周力Pz,即主切削力;走刀力Ph,即水平分力;颈向力Py,即铣刀所受的颈向切学力;轴向力Po;压轴力(垂直分力)Pv。
图2-5切削力图
表2-1铣削各分力与圆周力的比值
铣削条件
比值
对称铣削
不对称铣削
逆铣
顺铣
端铣
PH/PZ
0.3-0.4
0.9-0.6
0.3-0.15
B/D=0.4-0.8
=0.1-0.2mm
PV/PZ
PO/PZ
0.85-0.95
0.5-0.55
0.45-0.7
0.5-0.55
1-0.9
0.5-0.55
平面铣、立铣、圆盘铣、成形铣
t/D=0.5
PH/PZ
1-1.2
0.8-0.9
=0.1-0.2mm
PV/PZ
0.2-0.3
0.75-0.8
PO/PZ
0.35-0.4
0.35-0.4
2.3.2铣削圆周力的计算
公式如下:
1、刀具:
高速钢(粗加工,低速)
加工材料:
бb=75公斤力/mm,中、高碳钢
1)端铣:
B=0.4~0.8D=26~52mm(取B=40mm)t=3.5mm
Z=3v=9~12m/minn=100r/min
V=Dn=653.14*100/1000=20.42m/min
2)立铣:
由经验值得D=30mm,B=30mm,t=5mm,mm,z=2,n=1000r/min,
V=Dn=303.14*1000/1000=9.42m/min
2、刀具:
硬质合金钢(精加工、高速)
加工材料:
=75公斤力/mm,中、高碳钢
1)端铣:
精加工:
铣削深度t=0.5~1mm取t=1mm铣削速度v=90~150m/min
V=Dn=453.14*1000/1000=141.4m/min
B=0.4~0.8D=18~36mm(取B=35mm)z=2
2)立铣=12.5=0.85=0.75=1.0=0.73=-0.13
经验植:
D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm,z=4,n=1000r/min,
V=Dn=323.14*1000/1000=100.53m/min
铣削功率:
N=
2.3.3选用电机
选用变频调速电机,频率范围2~100HZ,4极,转速范围60~3000r/min。
当f<50Hz时为恒转矩调速;当f>50Hz时为恒功率调速。
故有,当f=50Hz时电机有最大转矩,若电机额定功率为4KW,则。
现选用带传动比为1:
1.2,齿轮传动比为1:
1或1:
3的二联齿轮传动副。
则主轴转速范围为57.2r/min~2860r/min,满足要求100r/min~2500r/min。
由图2-5电机特性曲线图及表2-2、表2-3、表2-4和图2-6确定电机:
变频调速电机4级频率范围2~100Hz,转速范围60~3000RPM,拐点转速(50Hz)1430r/min,额定功率4KW,最大转矩40
▲转矩与频率的关系曲线
▲功率与频率的关系曲线
图2-5电机特性曲线图
表2-2电机参数表
型号
额定功率
(KW)
机座号
额定转速
(r/min)
额定电流
(A)
额定转矩
(N.m)
堵转转矩
/
额定转矩
最大转矩
/
额定转矩
转动惯量
(kg.)
重量
(Kg)
变频器功率
(kw)
A型
B型
CTB-41P5BXB33-4
1.5
100LM
920
3.6
15
1.3
2.3
0.00716
36
1.5
2.2
CTB-42P2BXB33-4
2.2
100L1
920
5.2
22
1.3
2.3
0.00975
38
2.2
3.7
CTB-43P0BXB33-4
3
100L2
920
6.8
31
1.3
2.3
0.0116
40
3.7
3.7
CTB-44P0BXB33-4
4
112M
940
8.7
40
1.3
2.3
0.0207
57
5.5
5.5
CTB-45P5BXB33-4
5.5
132S
950
11.5
55
1.3
2.3
0.0418
75
5.5
7.5
注:
额定电压/频率:
380V/50Hz极数:
4极 同步转速1430转/分
图2-6B5法兰安装图
所以可以选用的电机为:
电机:
CTB44P0BXB33合理
第3章传动系统的设计
3.1主传动系统的设计
3.1.1带传动的设计
1计算功率
带轮传动的传动比:
i=1.2,选取SPA型窄带,且
所以:
2中心距的计算
取则
3计算包角
4计算带速
5计算预紧力
式中计算功率;带速;材料的修正系数;带数
6计算作用到Ⅰ轴上的压轴力
3.1.2齿轮传动的设计
1材料的选择:
小齿轮40Cr调,;大齿轮45钢,。
初选小齿轮的齿数,且其mm,则大齿轮的齿数
2齿面接触强度设计
1)确定公式中个计算数值
试选载荷系数=1.3。
计算小齿轮传递的扭矩
由《机械设计》表10-7圆柱齿轮的齿宽系数选取齿宽系数=0.4。
由《机械设计》表10-6弹性影响系数查得材料的弹性影响系数
。
由《机械设计》图10-21d齿轮的接触疲劳强度极限按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限,大齿轮的接触疲劳强度极限
。
计算疲劳寿命h。
由《机械设计》图10-19接触疲劳寿命系数查得接触疲劳寿命系数,。
计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1﹪,安全系数为S=1,由此得:
2)计算
试算小齿轮分度圆直径,代人中较小的值
计算圆周速度v
计算齿宽b
0.4×63.13mm=25.2mm
计算齿宽和齿高之比b/h:
法向模数
齿高
b/h=19.82/6.75=3.73
计算载荷系数
根据v=3.94m/s,7级精度,由《机械设计》图10-8动载系数图查得动载系数直齿轮,假设<100N/mm。
由《机械设计》表10-3查得。
由《机械设计》表10-2查得使用系数。
由《机械设计》表10-4查得7级精度,小齿轮相对支撑非对称布置时:
由b/h=3.73,,查《机械设计》图10-13得
故载荷数。
按实际载荷系数校正所算得分度圆直径,由式《机械设计》(10-10a)
得:
计算模数。
3按齿根弯曲强度设计
由《机械设计》式(10-5)的弯曲强度设计公式
1)确定公式中的各计算数值
由《机械设计》图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度是大齿轮的弯曲疲劳强度是。
由《机械设计》图10-18查得弯曲疲劳强度寿命系数,。
计算弯曲许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式(10-1)得:
计算载荷系数K
查取齿形系数
由《机械设计》表10-5可查得,。
查取应力校正系数
由《机械设计》表10-5可查得,。
计算大小齿轮的
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