CM6132型精密车床主传动系统数控改造设计Word文档下载推荐.docx

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日本1987年机床拥有量为792975台，其中数控机床为70255台。

到1994年，日本机床拥有量的数控化率达20．9﹪，美国、意大利均达10﹪以上。

1995年我国机床拥有量达85．12万台，占22．2﹪。

机床拥有量的数控化率为1.9﹪，金属切削加工数控化率达2.15﹪，成型机床的数控化率为1.02﹪。

据了解，2001年中国机床产值已进入世界前10名的第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25﹪。

但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3﹪。

1.2普通机床数控改造的必要性

面对世界机床市场的强烈冲击，国产数控机床如何从容应对并占有一定的市场份额，有关人士提出，必须把发展国产数控机床放在突出位置，因为数控机床是衡量一个国家经济实力的重要标志；

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了形态复杂、精密、小批及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产率。

因此，国产数控机床市场需求大力培育，不能光靠一个展览会来推动，各级政府应重视数控机床开发研制及市场销售等一系列问题，为国产数控机床发展大开“绿灯”。

提高数控化率有两个途径：

（1）投入巨资购买新的数控机床；

因为我国现有老机床太多，再加上资金问题，我国购买的数控机床还是有限的。

（2）对现有普通机床进行数控改造，对拥有300多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化无疑是一条简单可行的途径“研究如何简便、实用地对普通机床进行数控改造是十分必要的。

”

1.3数控机床的发展趋势

随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。

高性能：

随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。

高精度：

数控机床

本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。

高速度：

数控机床各轴运行的速度将大大加快。

高柔性：

数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。

模块化：

数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。

机床工业被称之为装备工业，装备工业又是技术密集、技术更新速度十分快的行业，面对入世和世界经济一体化的进程，必须在新一轮经济结构调整中找准自己的位置，加快发展、更新的频率，用“限普赠数”来加快集约化进程，促进装备工业的发展，参与世界经济竞争。

我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：

可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。

为了缩小与世界先进水平的差距。

现在国内的主要先进的数控机床都是靠进口的，即使自己做的车床中的精密部件例如精密丝杠都是靠进口的，没法靠自己的技术来制造，这样大大限制了我国机床的水平和与国际竞争的能力

这样经济数控机床就显得尤为重要，不但可以节省资金而且技术水平不比大型数控机床简单，也能体现一个国家的机床水平，从简单向大型化，复杂化，集成化发展奠定一定的技术。

对现有老机床进行数控化改造费用低廉符合我国的国情，可以普遍提高我国的数控人员。

第2章总体方案设计

2.1计算参数和技术要求

（1）床身上最大加工直径320㎜

（2）主传动系统保持主轴箱内背轮机构不变，取消变速箱，用变频调速电机实现无级调速。

（3）拆掉进给箱、溜板箱改用步进电机驱动纵、横进给，脉冲当量≦0.01

总体方案的拟定

数控机床主要用于轴类、盘类件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面

2.2总体方案的拟定

数控机床主要用于轴类、盘类零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在外圆柱面或端面上进行铣、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。

因此，能够极大地提高生产率。

本项研究的对象——CM6132车床，主要用于对小型轴类！

盘类以及螺纹零件的加工。

2.2.1机械部分改造

（1）主轴伺服系统的改造

拆去原床身的变速箱、进给箱、三相异步电动机，主轴箱继续保留使用，变频调速电动机、原进给机构输出端接脉冲发生器。

由于采用了先进的数控系统、变频调速系统电动机驱动主轴进给系统，主轴的变速特性变佳，实现了无级调速。

　　　　　　　图２－１主轴伺服系统的组成

（2）进给电机伺服系统的改造设计

为满足尽可能减少改动量的要求，采用步进电机经常接口箱驱动丝杠，带动刀具纵向和横向移动。

用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，具有摩擦力小，运动灵敏，无爬行现象的特点，也可以进行预紧，以实现无间隙传动，以使传动刚度好，反向时无空程死区。

纵向进给机构的改造：

拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及其和丝杠的链接部分在主轴箱之下并不占据丝杠空间。

由于采用滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给的整体刚度；

横向进给机构的改造：

由于原横向进给的丝杠空间有限，所以拆除横向丝杠换上滚珠丝杠。

由于现在的步进电机的驱动能力很强，步距角也比原来小了很多，所以步进电机和丝杠之间用联轴器连接，1：

1传动。

方案如图2-2。

图2-2整机方案图

（3）联轴器

图2-3是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节。

这种联轴节的工作原理是：

联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧螺钉2时，件3和件5相互靠近，挤压内锥环17、外锥环4，使外锥环内径缩小，内锥环外径胀大，使件5与电机轴1形成无键联接。

右半部也同样形成无键联接。

左半部通过刚性钢片组成15的两个对角孔与螺栓6、球面垫圈7、8相联。

图中表明球面垫圈8和右半部件9没有任何联接关系。

同样，弹性钢片组15的另外两个对角孔通过球面垫圈14、16、螺栓13与右半部联接，垫圈16与件5没有任何联接关系。

这样依靠弹性钢片组对角联接（即挠性）传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键联接，便是挠性联轴节的工作原理。

1—电机轴；

2、12—螺钉；

3—法兰；

4—外锥环；

5—左本体；

6、13—螺栓；

7、8、14、16—垫片；

9—右本体；

10—法兰；

11—丝杠。

图2-2挠性联轴器

2.3基本参数的确定

通过主轴孔最大棒料直径d：

床身宽度B：

B=2.14D0.82=273mm

经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定：

dmax=（0.5~0.7）D=0.6D=0.6×

320=192mm

dmin=（0.08~0.12）D=0.10D=0.10×

320=32mm

2.3.1运动参数

可通过类比实验和计算等方法综合确定：

nmax=1000×

220=2189

π×

32

vmin、vmax、dmin、dmax为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。

nmax、nmax是机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳刚v=200—220m/min取vmax=220m/minvmin取高速钢刀具精车丝杠v=15m/min。

取n=24□2200r/min

计算速度：

nj

2.3.2动力参数

据下列公式及数据估算电机功率P：

Fz=f•t•s（公斤力）

f—单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢f=220（公斤力/mm2）

t—切削深度

s—进给量

切削深度及进给量取半精车中碳钢，故t取1mm；

s取0.2mm；

v=190m/s

取P=2.5kw

第3章主传动系统设计

3.1带轮及带的计算

选用宰V带传动，电动机的额定功率P=2.5KW,转速n1=1500r/min传动比i=2一天的运转时间≥10h

主传动系统的传动方式

机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。

分级调速传动是在一定的变速范围内均匀地、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过20~30级。

这种传动方法主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速传动方式。

无级调速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。

数控车床的主传动系统通常采用无级变速传动。

与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。

为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式。

（1）由电动机直接驱动

（2）采用定比传动

（3）采用分档变速传动

无级变速是指在一定的范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获得最有利的切削速度。

机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：

变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。

（1）变速电动机机床上常有的变速电动机有直流电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定转数以上为恒功率变速，通常变速范围仅为2―3；

额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。

上述功率和转距特性一般不能满足机床的使用要求。

为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱。

变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。

（2）机械无级变速装置机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮性、分离锥轮钢环形和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转距，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。

由于它的变速范围小，多数是恒转距传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围，机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。

（3）液压无级变速装置液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。

它的特点是变速范围较广、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。

液压无级变速装置常用在主运动的机床中，如刨床、拉床等。

1.确定计算功率Pca

由《机械设计》[3]表8—6工作情况系数查得工作情况系数KA=1.3,故：

Pca=KAP=1.3×

2.5=3.25KW

2.选取窄V带带型

根据Pca、n1由《机械设计》[3]图8—9窄V带选型图确定选用SPB型。

3.确定带轮基准直径

由《机械设计》[3]表8—3V带轮的最小基准直径和8—7V带轮的基准直径系列取主动轮基准直径dd1=125mm

根据《机械设计》[3]式（8—15），从动轮基准直径dd2。

dd2=idd1=2×

125=250mm

根据《机械设计》[3]表8—7V带轮的基准直径系列，取dd2=250mm

按《机械设计》[3]式（8—13）验算带的速度

所以带的速度合适。

4.确定窄V带的基准长度和传动中心距

αmin=0.7（dd1+dd2）=0.7×

（125+250）=262.5mm

αmax=2（dd1+dd2）=2×

（125+250）=750mm

初步确定中心距α0=520mm

根据《机械设计》[3]式（8—20）计算带所需的基准长度

由《机械设计》[3]表8—2V带的基准长度系列及长度系数KL选带的基准长度

Ld=1600mm

按《机械设计》[3]式（8—21）计算实际中心距α

2

5.验算主动轮上的包角α1

由《机械设计》[3]式（8—6）得

所以主动轮上的包角合适。

6.计算窄V带的根数

由《机械设计》[3]式（8—22）知

由n1=1480、dd1=125mm、i=2查《机械设计》[3]表8—5c单根窄V带的基本额定功率P0和表8—5d单根窄V带额定功率的增量△P0得:

P0=2.61KW△P0=0.56KW

查《机械设计》表8—8包角系数Ka得：

Ka=0.98，查表8—2V带的基准长度系列及长度系数KL得：

KL=1.00则

取z=2根。

7.计算预紧力F0

查《机械设计》[3]表8—4V带单位长度的质量得：

q=0.07kg/m，故

8.计算作用在轴上的压轴力FP

由《机械设计》[3]式（8—24）得：

3.2齿轮校核

主轴箱内的齿轮校核，小齿轮材料为40Cr，调质处理，硬度241HB~286HB，平均取为260HB，大齿轮选用双片齿轮，用45钢，调质处理，硬度为229HB~286HB，平均取240HB。

Z1=27，Z2=63，m=2.5

由《机械零件设计手册》[1]图12—12及图齿面接触疲劳强度极限12—23按MQ级质量要求取值，查得：

σHlim1=700N/mm2σHlim2=510N/mm2

σFE1=580N/mm2σFE2=460N/mm2

小齿轮传递的转距T1

3.2.1校核齿面接触疲劳强度

按《机械零件设计手册》[1]表12—20圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算公式

式中分度园上的圆周力Ft：

使用系数KA：

查《机械零件设计手册》[1]表12—22使用系数得

齿面圆周速度V：

根据齿轮的圆周速度V，参考《机械零件设计手册》[1]表12—34选择齿轮的精度等级为：

8—8—01GB10095—88。

查《机械零件设计手册》[1]图12—8a直齿圆柱齿轮的动载荷系数得KV=1.01.。

齿向载荷分布系数KHβ：

按

查《机械零件设计手册》[1]图12—9a齿向载荷分布系数，得KHβ=1。

齿间载荷分布系数KHa：

查《机械零件设计手册》[1]表12—23齿间载荷分布系数，得KHa=1.2节点区域系数ZH：

按β=0。

查《机械零件设计手册》[1]表12—24材料弹性系数得

重合度ε：

ε=εⅠ+εⅡ

查《机械零件设计手册》[1]图12—4标准外口齿合圆柱齿轮的端面重合度得

εⅠ=0.82εⅡ=0.91

所以ε=εⅠ+εⅡ=0.82+0.91=1.73

直齿圆柱齿轮可知Zεβ=1

以上各数值带入齿面接触应力计算方式得：

计算安全系数SH：

按《机械零件设计手册》[1]表12—20圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲强度校核计算公式

式中寿命系数ZN：

先计算应力循环次数

对于调质钢（可以有一定量的点蚀），从《机械零件设计手册》[1]图12—23接触强度寿命系数可查得N∝=109。

因为N1＞N∝，所以ZN1≈1。

按N2=7.3×

108从《机械零件设计手册》[1]图12—13接触强度寿命系数查得ZN2=1.03。

润滑油膜影响系数ZLVR:

按v=1.413m/s选320号中极压型工业齿轮油，其运动粘度v40=320mm2/S，查接触强度寿命系数图12—14软齿面及调质钢、渗碳淬火钢短时间气体或液体氮化齿轮的ZLVR值，得ZLVR=0.92。

工业硬化系数ZW：

因为小齿轮齿面未硬化处理，齿面未光整，故ZW=1。

接触强度计算的尺寸系数ZX：

查《机械零件设计手册》[1]图12—17接触强度计算的尺寸系数得ZX=1。

将以上数值代入安全系数的计算公式得

按《机械零件设计手册》[1]式（12—7）

SHmin=1

因为SH＞SHmin故齿轮是安全的。

3.2.2校核齿根弯曲疲劳强度

式中弯曲强度计算的载荷分布系数KFβ

KFβ=KHβ=1.06

弯曲迁都计算的载荷分配系数KFa：

KFa=KHa=1.2

复合齿轮系数YFS，按Zv1=27，Zv2=63查《机械零件设计手册》外齿轮的复合齿形系数图12—18得

YFS1=3.1,YFS2=2.8。

弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数Yεβ：

按ε=1.73，β=0°

查《机械零件设计手册》[1]图12—22弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数得

Yεβ=0.68

将以上各数值代入齿根弯曲应力计算公式得

式中寿命系数YN：

对调质钢由《机械零件设计手册》[1]图12-24寿命系数，查得弯曲疲劳应力的循环基数N∝=3×

105。

因为，N1=1.68×

109，N2=7.3×

108均大于N∞，所以YN1=

YN2=1。

相对齿根圆角敏感系数YδrelT：

由《机械零件设计手册》[1]图12-18外齿轮的符合齿形系数知qS1＞1.5、qS2＞1.5。

查《机械零件设计手册》[1]表12-25相对齿根圆角敏感系数表12-25相对齿根圆角敏感系数得YδrelT==1。

相对齿根表面状况系数YRrelT：

由《机械零件设计手册》[1]表12-33常用精度等级齿轮的加工方法及应用范围，齿面粗糟度Ra1=Ra2=1.6μm。

按《机械零件设计手册》[1]式12-22，YRrelT=1。

尺寸系数YX：

查《机械零件设计手册》[1]图12-25尺寸系数得YX=1。

将以上各数值带入安全系数SF的公式得

由《机械零件设计手册》[1]式12-18，SFmin=1.4

SF1和SF2均大于SFmin，故齿轮安全。

3.3轴的校核

轴的材料为45号钢，经调质后，σb=637MPa，E=210MPa。

轴颈d=28mm。

齿轮直径：

大轮d1=mz1=2.5×

63d1=157.5mm

小轮d2=mz2=3×

17d2=51mm

大齿轮受力：

转距

圆周力

径向力

小齿轮受力：

转矩

计算机平面内支反力（图3-1c）

由∑MA=0得

由∑FZ=0,得

RAZ=Fr1+Fr2—RBZ

=309.66+956.31–734.30

=531.67N

垂直面的支反力（图3—1e）

由∑MA=0得

由∑FY=0得

RAY=Ft1+Ft2—RDYA

=850.79+2627.45—2017.47

=1460.77N

轴上的转矩图（图3—1g）T=T1=T2T=6.7×

105N•mm

由于齿轮的作用力在水平平面的弯矩图（图3—1d）

MBZ=RAZ•a

=531.67×

35

=18608.48N•mm

=18.61N•m

MCZ=RDZ•c

=734.30×

110

=80773N•mm

=80.8N•m

齿轮作用在垂直面的弯矩图（图3—1f）

MBY=RAY•a

=100.68×

=3523.8N•mm

=3.5N•m

MCY=RD