数控机床传动系统设计介绍.doc

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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-089

2、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，适合小轴类、小盘类

3、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75mm b. 最大切削长度180mm c. 纵拖板的最大行程250mm d. 横拖板的最大行程300mm3.2 主轴： a. 主轴头部GB59001-86-A24 b. 主轴前轴承内径70mm c. 主轴通孔直径42mm d. 最大通过棒料直径25mm3.3 主传动： a. 主电机功率4.5/5.

4、5kw b. 主轴转速3200(4000)r/min c. 主轴最大扭矩32Nm3.4 进给运动： a. 快进速度：X向3m/min Z向6m/min b. 最小进给单位：X向0.0025mm Z向0.005mm c. 进给力（额定）：X轴13000N Z轴10000N3.5 排刀： a. 根据特定零件安排相应刀具 b. 刀具安装尺寸：外圆刀具1616 内孔刀具163.6 机床重量：约1800kg3.7 机床外形尺寸（长宽高）：170011401550(mm)4 传动系统的确定和分析4.1 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1:1.2。4.1.1 主轴最

5、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/min nmin=190r/min4.1.2 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：65mm 切削速度：V=150m/min 切削用量：ap=1.5mm；f=0.3mm/n；P=200kgf/mm a. 主切削力 Fz=Pfap=2000.31.5=90kgf=900N b. 切削扭矩 M切=FzR=29.25Nm c. 切削功率 M切=FzV=2.25kw 该主传动效率为h

6、=0.8 则N主/N切=2.8125kw d. 根据材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： 低速档： n额=1200r/min n低=192r/min n高=1800r/min 额定扭矩M=32.23Nm 高速档： n额=241.6r/min n低=386r/min n高=3190r/min 额定扭矩M=19.56Nm

7、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/min n低=230r/min n高=14401.5=2160r/min M额=26.86Nm 主轴高速档及额定输出扭矩： n额=2900r/min n低=464r/min n高=4

8、060r/min M额=16.3Nm 其主轴输出功率、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=125mm，考虑皮带的滑动率e， 则大轮直径d2= e皮带滑动率 I传动比 取：e=1%；I=1.2 计算得：d2=148.5，取d2=150mm a. 中心距确定： Dm=137.5mm D=12.5mm 假定：a=660mm 带长：L=pDm+2a+=3.14137.5+2660+=1752mm 按标准取：L0=1800mm 则：a= = =683.9mm，取a=684mm b. 小轮包角： a1=180120 c. 带速： n=26.5m/s25m/s n1：小轮最高

9、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=125mm d. 单根V型带的基本额定功率 根据d1=125mm、n1=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i1，额定功率的增量DN1由表22.1-13d查得： DN=0.13kw e. 带的根数： Z= Nc计算功率：Nc=KAN=1.15.5=6.05 N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 DN1功率增量 Ka包角系数，由表22.1-10查得Ka=0

10、.99486 KL带长系数，由表22.1-11查得KL=0.99 Z=2.9 取三根A型带Z=3 f. 张紧力： F= q：V型带每米长质量查表q=0.1kg/m F=188.42N g. 径向载荷： Q=2ZF0Sin=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/min Mmax=35.8Nm 若取Dmax=70mm 则Fz=1022.85N Fy=0.5Fz=5

11、11.4N 则F=1143.58N 受力情况如图3。图 3图 4 支承情况如图4，设计中根据需要a=68.5， 取=3，则l=3a=368.5=205.5 由前面计算的切削力，根据力和力矩的平衡， Fa=1524.8N Fb=381.2N 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： do= Qr滚动体上的径向载荷 Qr= Fr轴承径向载荷，此处为支反力 i滚动体列数 Z每列滚动体数 Qra=217.2N Qrb=51.6N a：向心

12、推力轴承推力角；36接触角15；46接触角25 dQ：滚动体直径 则：doa=7.4mm dob=2.79mm 设：46114轴承的预紧量为18mm（由工艺推荐）也可以通过相关样本查的 63113轴承的预紧量为22mm 相对位移量：=2.43 =7.89 从图3-5查得：ba=0.24，b=0.2 由式3-2：d1=bdo得 da1=0.25doa=0.247.4=1.7mm db1=0.2dob=0.22.79=0.558mm 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、D36113轴承与箱体孔的装配过盈量： D

13、a1=0mm，Db1=0mm 由公式从图3-6查得：Ka1=0.2，Kb1=0.2 代入式：d= F外载荷（N） K系数，由过盈量查图3-6得 b轴承宽度（mm） d轴承外径 da2=1.387mm db2=0.415mm 轴承C46114、D36113与轴的装配过盈量： Da2=4.5mm，Db2=0mm 由公式从图3-6查得：Ka2=0.17，Kb1=0.2 da3=1.179mm db3=0.415mm 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： Ka=357.4N/cm Kb=N/cm c. 求最佳跨距 =1.29，1 当主轴当量外径D当=67.5mm，当量内径d当=48

14、时， 惯量矩I=0.05 h=1.2 查图3-32，h-曲线可查得：=3.3 则：Lo=3.3a=3.368.5=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。图 5 a. 假设切削零件： 试件尺寸：25100mm 夹头体重量：G=gV=7.83.14=1.3kg b. 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=15300870%

15、=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0.10.10.10.10.150.150.10.10.050.040.01 ne=1595r/min d. 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/min40060090012001500180021002500300035004000走刀深

16、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kgf10890604830303030124.84.8材 料钢 件有 色 金 属 件 F=Papf P单位切削量的切削力 钢为200kgf/mm，有色金属为80kgf/mm 平均主切削力Fze=45.76kgf 平均切削分力Fye=0.5Fze=22.88kgf e. 根据力矩平衡原理，求a、b支承处的支反力图 6 G在a、b支承的分力：受力分析如图6。 FaG=1.9kg=19N FbG=1.9-1.3=0.6kg=6N Q在a、b

17、支承上的分力（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。图 7 FaQ=699.5N FbQ=1812.3N 主切削力在a、b支承上的支反力（Fze），受力分析如图8。图 8 Faze=2Fze=245.76kg=915N Fbze=915-457.6=457.4N 切削分力在a、b支承上的支反力： Fay=2Fy=222.88=45.76kg=457.6N Fby=Fay-Fy=228.2N 根据以上计算a、b两支承所受的总支反力如图9所示。图 9 Fa=FaQ+Faze-FaG=1595.5N Fb=FbQ+

18、Fbze-FbG=1812.3+457.4-6=2263.7N Fa=1659.8N Fb=12275.2N f. 轴承寿命计算： Lh= ne平均计算转速 P轴承支反力（此处Fa、Fb） 前轴承（a支承） a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。 Lha=79904.8h30000h 后轴承取2个36113自成组轴承C=28.6KN Lhb=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 则：Lhb=15664.86(h)30000h4.2 伺服系

19、统的确定 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()最大静扭矩(Nm)空载启动频率(kpps)运行频率(kpps)转动惯量(kgfcms)110BYG-550A5.60.3663.5600.00146110BYG-550B7.20.3693.5600.00146 a. X

20、向传动比计算： i=；j步距角；S丝杆导程；D脉冲当量 为了保证机床有一定的加工精度，取D=0.0025mm 则i=2 取Z1=20，则Z2=iZ1=40 b. 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=10000HZ V= Vj=1.5m/min 这样快进速度太慢，由H-m特性曲线，取H=20kpps=2010HZ V=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/min足够了

21、。 c. Z向传动比的计算： i=；j步距角；S导程；D脉冲当量 取D=0.005mm；则i=1 Z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。4.2.2 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 Js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合理

22、匹配。一般负载惯量与电机惯量Jm之比应满足J1，计算见表4。表 4 轴 向 惯 量Z 向X 向 移动部件的惯量转化到丝杆的惯量(JI)kgm JI= =0.000142 JI= =0.0002349滚珠丝杆的转动惯量(Js)kgm Js= = =0.0001928 Js= = =0.0001853其它零件的转动惯量(Jj)kgm Jj=0.0007 Jj=0.0005 折算到电机轴上的负 载惯量(JL)kgm JL=JI+Js+Jj=0.001035 JL=Jj+(Js+JI)=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J1的条件，故选择为合

23、理。4.2.3 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+Mo Mamax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 Mf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=kgfmJr：kgm Mf=kgfm Mo=kgfm T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） h传动链效率，一般h=0.80.85 Po滚轴丝杆的预加载荷 ho滚珠丝杆预紧时的效率，ho=0.9 Jr=JL+JM T为，KS为系统开环增益，KS值越大机床灵敏度越高

24、，但KS值大到一定程度时，由于系统的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， 则：=1.23Nm =3.1Nmamax 十字拖板能达到的最大加速度： az=2.87m/samax 因axamax、azamax因此本机床能够达到加速性能要求。4.2.5 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6Nm，经1:2降速，机械效率0.9， 则Fx=6782.42=13564.8N Fx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

25、：YT5车刀，Kr=90 切削用量：t=2m，f=0.3，Cpy=141 工件材料：结构钢，sb=65kg/mm Fgx=1050N FxFgx，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h为0.9， 则Fz=10173.6N Fz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：15mm 走刀量：S=0.15mm 主轴转速：n=300r/min 刀具材料：工具钢 工件材料：结构钢，sb=65kg/mm Fgz=4615N FyFgz，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

26、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： DL=aLDt=0.019332mm a丝杆的热膨胀系数，a=/ Dt丝杆与床身之间的温升，Dt=3 L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： DL=aLDt=0.0222mm 取预拉伸量为0.04mm，螺纹占丝杆全长的60.1%、0.0460.1%， 则方向目

27、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、生产周期。5.3 配套件的选用由于本机床目标售价较低，除系统X、Y向电机外，其它的全部选用国内配套件。5.4 设计出图贯彻NJB/Z27-1产品设计、生产、检测用标准目录中的下列项目，见表6。表 6序号名 称标 准 号1机械制图GB4457.44460-84；NJB10-32焊接标准GB324-883表面粗糙度NJB10-14形状和位置公差GB/T1182-1996；GB/T1184-19965公差与配合GB/T18001803-79；GB/T1804-926普通螺丝NJB13-1；MB13

28、-2；GB196197-817滚珠丝杆副验收技术条件JB3162.2-918滚动轴承与轴和外壳的配合GB/T275-939法定计量单位NJB11-1A10工厂标准“材料”NJB51-1ANJB51-6A；NJB52-1A11工厂标准“标准件”B93-0112工厂标准“结构要素”B11-2B57-1；NJB12-16 机床精度 本机床精度贯彻简式数控卧式车床精度JB/T8324.1-96。 本机床技术条件贯彻简式数控卧式车床技术条件JB/T8324.2-96。7 成本7.1 成本分析见表7。表 7序号名 称成本（元）1 主机（厂内自制件、标准件）200002 气动夹紧装置8003 手动润滑泵50

29、04 冷却泵（管子、接头）5005 X、Z向导轨防护12006 X轴丝杆13007 Z向丝杆13008 X向导轨滑块35009 叉向导轨滑块276010 主轴轴承11 X轴、Y轴丝杆轴承250012 皮带（主传动三角带、X向丝杆、编码器同步带）50013 数控系统步进电机、变频器、柜内外电气、电线电缆、主电机、电柜4000014 装配、油漆、包装5000合计798607.2 成本计算： 厂内自制件加50%管理费，外购、外配加15%管理费，税金17%，利润率按10%计算。 则理论售价=(2.51.5+5.4861.15)1.1+(2.51.51.1+5.4861.151.1-5.486)0.17 =11.065+0.9512（万元） 本机床目标售价为12万元。8 工作进度