加工中心主传动系统结构及控制系统设计1Word下载.docx

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1.2加工中心的特点....................................................2

第2章主传动系统设计..........................................3

2.1概述...............................................................3

2.11主传动设计要求....................................................3

2.2驱动源的选择......................................................4

2.3转速图的拟定.....................................................4

2.4传动轴的估算......................................................6

2.5各传动组齿轮魔术的确定和校核......................................7

2.5.1齿轮模数的确定................................................8

2.5.2齿轮魔术的校核................................................8

2.6V型带的选择......................................................9

第3章主轴和轴的结构设计、精度设计和刚度设计…………………………

3.1各零件结构和尺寸的设计............................................11

3.1.1结构实际的内容和技术要求......................................11

3.1.2有关零件结构和尺寸的确定......................................12

3.2有关零件的校核....................................................15

3.2.2齿轮的校核....................................................15

3.2.3主轴的校核....................................................17

第4章电气控制系统的设计.....................................19

4.1绘制控制系统结构框图..............................................19

4.2选择中央处理单元的类型...........................................20

4.3储存器扩展电路设计................................................20

4.4控制系统的发展....................................................21

总结..........................................................23

参考文献......................................................24

致谢..........................................................25

加工中心主传动系统结构和控制系统设计

摘要：

数字控制是近代发展起来的一种自动化控制技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，随着科学技术的迅猛发展,数控机床已经是一个国家机械工业水平的重要标准。

加工中心就是装有程序控制系统的一种数控机床。

该程序控制系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序，本设计的调速系统也就是通过控制系统来实现的。

还有主传动系统也是尤为重要的一个部分，加工中心就是将加工过程所需的各种步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都是用数字化的代码来表示。

关键词：

加工中心，主轴，主传动系统，控制系统

Processingcentermaintransmissionsystem

structureandcontrolsystemdesign

Abstract：

Digitalcontrolismoderndevelopedakindofautomationcontroltechnology,digitalsignalofmachinewithsportsanditsprocessingprocesscontrolonemethod,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ncmachinetoolsisanationalmechanicalindustrylevelofimportantstandard.Machiningcenterisequippedwithprocesscontrolsystemofakindofnumericalcontrolmachine.Theprogramcontrolsystemcanlogicallyprocessinghaveusenumber,orothersymbolstheproceduresprescribedbythecodedinstructions,thedesignofthedrivesystemisrealizedbycontrollingsystem.Andmaintransmissionsystemisalsoparticularlyimportantapart,machiningcenteristosupplyallkindsofprocessingstepsandcutterandtherelativedisplacementbetweenpartsarewiththedigitalcodetosaid.

Keywords:

processingcenter,spindle,maintransmissionsystem,controlsystem

第1章绪论

1.1加工中心的组成

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;

notforcommercialuse

加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体来看大体上由以下几部分组

成：

（1）基础部件

由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。

这些

大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的

切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。

（2）主轴部件

由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。

主轴的启动、停止等动

作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。

主轴部件是切

削加工的功率输出部件，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。

（3）控制系统

单台加工中心的数控中心由CNC装置，可编程序控制器，伺服驱动装置，以

及电机等部分组成．它们是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。

（4）伺服系统

伺服系统的作用是把来自数控装置的信号装换位机床移动部件的运动，其性

能是决定机床的加工精度，表面质量和加工效率的主要因素之一，加工中心普遍

采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。

（5）自动换刀装置

加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多道工序加工的能

力，有一套自动换刀装置。

它由刀库，机械手和驱动机构等部件组成。

（6）辅助系统

包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。

辅助系统虽不

能直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作

用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。

（7）自动托盘更换系统

有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有俩个自动交换工件托盘，一个

安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。

当完成一个托

盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，

提高加工工效。

1.2加工中心的特点

（1）加工精度高

加工中心是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量一般

达到了0.0001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行

补偿，因此，加工中心能达到比较高的加工精度和质量稳定性。

（2）表面质量好

加工中心主轴转速和各轴进给量都是无级调速，有的甚至有自适应控制功能，能

随刀具和工件材质及刀具参数的变化，把切削参数调整到最佳数值，从而提高了各加

工表面的质量。

（3）生产效率高

零件加工所需的时间包括机动时间和辅助时间俩部分，加工中心能够有效的减少

这俩部分时间，因为加工生产率比一般的机床高得多。

（4）自动化程度高

加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的。

操作者除了操作面板、

装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行外，其他的机床动作直至加工完

毕，都是自动连续完成。

不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均

可大为减少，劳动条件也得到相应的改善。

（5）有利于生产管理的现代化

用加工中心加工零件，能准确计算零件加工工时，并有效的简化检验和工夹具、

半成品的管理工作。

这些特点都有利于使生产管理现代化。

第2章主传动系统的设计

2.1概述

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具由一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同的尺寸，不同的要求的工作，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。

数控机床主传动系统主要包括电动机，传动系统和主轴部件，与普通机床的主传动系统相比，在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统，用于扩大电动机无级调速的范围。

1、数控机床主传动的特点

数控机床与普通机床比较具有以下特点：

1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工

2）主轴转速变换可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行

3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸，主轴定向停止

和主轴孔内的切屑清除装置

2、对主轴传动系统的要求

数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还有如下要求：

1）具有更大的调速范围并实现无级变速

2）具有较高的精度和刚度

3）良好的抗震性，热稳定性

2.2驱动源的选择

机床上常用的无极变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；

交流调速电动机时靠调节供电频率的方法调速。

由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动作反应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。

根据主轴要求的最高转速1000r/min最大切削功率4KW，选择Y112M-4型三相交流异步电动机，额定功率4KW，满载转速1440r/min，同步转速1500r/min.

2.3转速图的拟定

根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=2.2，而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=1.5，小于交流主轴电动机所提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围.

涉及变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比φf等于交流主轴电动机的功率调速范围Rdp，即φ=Rdp=1.5，功率特性图是连续的，无缺口和无重合的，并且选用集中传动。

变速箱的变速级数Z=7.94，取Z=8，经分析，确定的8级结构式为:

8=21×

22×

24..

确定变速组齿轮齿数：

1、先计算第一扩大组的齿轮的齿数

第一扩大组的降速比分别为：

u1=1/2.,u2=1，故齿数最小的齿轮在降速比为

u1=1/2之中，查表取z1=zmin,=22,sz=66,则z1==44，z2=u2/1=u2，sz=33，z2=33.

2、基本组的加个速比分别是：

u1=1/2.8，u2=1，故齿数最小的齿轮在降速比为u1=1/2.8之中，查表有在z1=zmin=22，sz=84，则z1‘=62，z2=z2'

=42.

3、第二扩大组的降速比分别是u1=1/4，u2=1，故齿数最少的齿轮在u1=1/4之中，查表有z1=zmin=，sz=100，z2=50，则z1=80，z2=50.

由此拟定主传动系统图，转速图以及主轴功率特性图分别如图2-1,2-2

图2-1

电I第一扩大组II基本组III第二扩大组IV主轴

图2-2结构网

2.4传动轴的估算

传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。

机床主传动系数精度要求较高，不允许有较大的变形，因此疲劳强度一般不是主要矛盾，除了载荷较大的情况外，可以不必验算轴的强度，刚度要求轴在载荷作用下不至于产生过大的变形。

如果刚度不够，轴上的零件由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。

因此，必须保证传动轴有足够的强度。

计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图是直接得出，如表2-1所示

表2-1各轴的计算转速

轴序号

电

I

II

III

主

计算转速（r/min）

1440

1000

800

177

125

计算各传动轴的输出功率：

P1=p额×

nb×

nr=4.0×

0.96×

0.99=3.8（KW）

P2=p1×

ng×

nr=3.8×

0.97×

0.99=3.65（KW）

P3=p3×

nr=3.65×

0.99=3.51（KW）

P主=p3×

nr=3.51×

0.99=3.37（KW）

计算各传动轴的扭矩

T1=9550P1/N1j=36290（N.mm）

T2=9550P2/N2j=69715（N.mm）

T3=9550P3/N3j=189381（N.mm）

T主=9550P主/N主j=257468（N.mm）

[Φ]是每米长度上玉虚的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选择的原则如表2-2所示

表2-2需用扭转角选取原则

轴

主轴

一般传动轴

较低的轴

[Φ]（deg/m）

0.5-1

1-1.5

1.5-2

把以上确定的各轴的输入功率P。

计算转速nj，允许扭转角[Φ]代入扭转刚度的估算公式

可得传动轴的估算直径，同时确定键的选择：

I轴：

p1=3.8KW，n1j=1000r/min，取[Φ]=0.9，代入公式：

，有d=23.2mm，圆整取d=24mm

选键：

6×

26×

30×

6

II轴：

p2=3.65KW，n2j=500r/min，取[Φ]=0.9，代入公式：

，有d=27.3mm，圆整取d=30

8×

32×

36×

III轴：

p3=3.51KW，n3j=177r/min，取[Φ]=0.9，代入公式：

，有d=34.7mm，圆整取d=35

40×

7

主轴：

选择主轴前端直径D1=90mm，后端直径D2=（0.75-0.85D1，去D2=65mm，则平均直径D=77.5mm。

对于普通车床，主轴内控直径d=（0.55-0.6）D，故本例之中，主轴内控直径取为d=45mm。

支撑形式选择俩支撑，初取悬伸量a=90mm，支撑跨距L=520mm。

图2-3主轴图

选择平键连接：

b×

h=22×

14，l=100mm。

2.5各传动组齿轮魔术的确定和校核

按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。

在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。

齿轮模数的估算方法有俩种，一是按齿轮的弯曲疲劳进行估算；

二是按齿轮的齿面点蚀进行估算。

这俩种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知。

2.5.1齿轮模数的确定

根据45好钢整体淬火，[σj]=1100MP，按接触疲劳计算齿轮模数m，查表计算可得K1=1.04，K2=1.3，K3=1.3，则：

第一传动组：

I-II轴

m1=16338

取ψm=8，Z1=22，i=2，nj=1000，pj=3.8

m1=2.2，

查手册取标准模数系列m=2.5mm

第二传动组：

II-III轴

m2=16338

取ψm=10，Z1=22，i=2.82，nj=500，pj=3.65

m2=2.35

查手册取标准模数系列m=2.5

第三传动组：

III-主轴

m3=16338

取ψm=8，Z1=20，i=4.0，nj=500，pj=3.51

m3=2.6

查手册取标准模数系列m=3mm

计算公式σF=2KT1YFaYSa/bm

1.确定各项系数

（1）P=4.0kw,n=500r/min

T=9.55×

105×

P/n=0.726×

105

（2）确定动载系数

V=πdn/1000×

60=3.14×

5×

17×

500/1000×

60=2.22m/s

齿轮精度等级为7级

查图表KA=1.25，KV=1.1

（3）B=5×

6=30mm

（4）确定齿间分配系数

Ft=2T/d1=2×

0.726×

105/（5×

17）=1.708×

103

KAFT/b=1.25×

1.708×

103/30=0.712×

102

查表KFα=1.0

（5）确定齿向载荷分配系数

非堆成

KHβ=1.12+0.18×

（1+0.6

）

+0.23×

10-3b

=1.15

b/m=30//0.25m=30/11.25=2.67

查表KFβ=1.094

（6）确定动载系数

K=KAKVKFαKHβ=1.25×

1.1×

1.0×

1.094=1.51

（7）查表YFa1=2.97，YSa1=1.52

YFa2=2.25，YSa2=1.75

（8）确定许用应力

N1=60×

35×

51×

300×

16=8.18×

108

σFlim1=420Mp，S=1.4

KN=0.93[σF]1=0.95×

420/1.4=279MPa

N2=N1/4=2.045×

108，σFlim2=350MPaS=1.4

KN=0.95[σF]2=0.95×

350/1.4=237.5MPa

[σF]1/YFa1YSa1=279/2.97×

1.52=61.80

[σF]2/YFa2YSa2=237.5/2.25×

1.75=60.32

61.80＞60.32所以取60.32

2校核

KFT/bm=1.51×

2.52×

103/30×

5=25.37＜60.32所以合格

2.6V型带的选择

由于计算功率Pj=KP=1.0×

4.0KW（其中P=4.0KW，K为工作情况系数，可取工作8小时，取K=1.0）和N额=1440r/min，查表得出V带应该选择B型带，取小带轮的大小125mm，则大带轮的大小为180mm，确定中心距A和带的基准长Ld。

由于中心距未给出，但我们可根据传动的结构需要初定长度中心距A0=1.5（D1+D2）=1.5（125+180）=457.5mm,圆整取458mm，根据带传动的几何关系，按下式计算所需代的基准长度Ld，Ld’=2A0+π（dd1+dd2）/2+（dd1—dd2）/4a0得到Ld’=1396.5，取Ld=1433.

实际中心距：

A≈L-L0/2+A0=1433-1396.5/2+458=476.25,,圆整取476mm。

验算主动轮上的包角α1

α1=180°

-（D2-D1/）A×

180/π≥180°

-（180-125）/476×

180/π=173°

＞120°

确定带的根数

P0=1.92,C1=