351 C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計

351 C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計,c618,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),設計 第四章 主傳動部分改造與設計在改造設計之前，讓我們先來看一下數(shù)控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點：1）采用調(diào)速電機驅(qū)動，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進行自動變速的需要；2）傳動路線短，從而簡化了主傳動系統(tǒng)機械結(jié)構；3）轉(zhuǎn)速高、功率大；數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床傳動要求外，還應滿足如下要求：具有更大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無極調(diào)速。 數(shù)控機床就要為了保證加工時能選用合○ 1理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍。為了適應各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運動的調(diào)速范圍還應進一步擴大。②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機床上一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進行。因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬俊Ｈ绻阎鬏S組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度 與動力參數(shù)的關系為：dk = (4-1)dk221??????????????nn??式中: —機床主軸結(jié)構系統(tǒng)的靜剛度（ ） ；mN?/—外加激振力的激振頻率（Hz） ；?—主軸組件的固有頻率（ = ， 為當量質(zhì)量， 為當量靜剛度） ；n n?kk—阻尼比（ = ， 是阻尼系數(shù)， 是臨界阻尼系數(shù)， = ） 。??c?c?c?nm?2由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使 值較大，為此應盡量使阻尼比、當dk量剛度值或固有頻率的值較高。在設計數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關系。一、主傳動部分改造方案擬定和設計的內(nèi)容異步電動機的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變極調(diào)速、辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種。異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為ni= p60f1從該公式中可以看出，若均勻地改變電源的頻率 f1，就可以連續(xù)地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速，它完全不同于其它的調(diào)速方法。改變異步電動機的磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速。改變電動機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。表 4.1 異步電動機各種調(diào)速方法性能指標的比較調(diào) 速 方 法變 轉(zhuǎn) 差 率項 目 變 頻 變 極轉(zhuǎn)子串電阻 串極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 電磁調(diào)速電機是否改變同步轉(zhuǎn)速變 變 不 變 不 變 不 變 不 變靜差率 小（好）小（好）大（差）?。ê茫╅_環(huán)時大閉環(huán)時小開環(huán)時大閉環(huán)時小調(diào)速范圍（D）較大（10 以上）較小（2—4）?。?）較?。?—4）閉環(huán)時較大閉環(huán)時較大調(diào)速平滑性好（無級調(diào)速）差（有級調(diào)速）差（有級調(diào)速）好（無級調(diào)速）好（無級調(diào)速）好（無級調(diào)速）適應負載類型恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 通風機恒轉(zhuǎn)矩通風機恒轉(zhuǎn)矩設備投資多 少 少 較 多 較 少 較 少調(diào)速指標電能損耗較 小 小 大 較 小 大 大異步電動機變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較好的優(yōu)點，可以方便地實現(xiàn)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩變速，整個調(diào)速特性與直流電動機調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方法。通過上序的比較本課程設計中電動機的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法。改換主軸電動機，換成調(diào)速電動機.通過對電動機的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實現(xiàn)自動變速，齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。數(shù)控機床主軸變速方式主要有無級調(diào)速、分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機變速等。在本設計中采用分段無級調(diào)速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運轉(zhuǎn)中變速，操作方便，簡化機械結(jié)構。無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機。但直流調(diào)速電動機恒功率調(diào)速范圍很小，一般只有 1～2，很少到 3～4，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動機的性能與直流調(diào)速電動機類似，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動機的恒功率調(diào)速范圍為3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上較大的恒功率范圍?？紤]本設計機床要求采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)和制動停止，由數(shù)控指令直接控制電動機來實現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動機、變頻器、數(shù)控單元 構成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機的轉(zhuǎn)ENC速 與頻率 ，電動機的級對數(shù) 及轉(zhuǎn)差率 之間的關系為 = ,由此可知，nfpsnpsf/)1(60?改變電源的頻率 ，即可改變電動機轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速 與頻率 成正比?？紤]本設計機床的要求，采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案，即分段無級變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機實現(xiàn)。 如圖 4-2 所示是機床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計算轉(zhuǎn)速 nj為分界，從 nj至最高轉(zhuǎn)速 nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率，在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nj的區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升，任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過計算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩就是機床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。在區(qū)域內(nèi)，主軸可能輸出的最大功率 Pmax，則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。通常，恒功率區(qū)約占整個主軸變速范圍的 2/3—3/4；恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占 1/4—1/3。如圖 4-3 所示是變速電動機的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速 nd到最高轉(zhuǎn)速 nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nd的區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。直流電動機的額定轉(zhuǎn)速常為1000 r/min—1500 r/min。從 nd至 nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到，稱為調(diào)磁調(diào)速；從 nmin至 nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到，稱為調(diào)壓調(diào)速。交流調(diào)頻電動機用調(diào)節(jié)電源頻率來達到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為 1500 r/min。這兩種電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為 2—4；恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達 100 以上。 圖 4-2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖 4-3 變速電動機的功率特性所謂分段無級變速就是在交流或直流電機無級調(diào)速的基礎上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止，通過數(shù)控指令直接控制電機來實現(xiàn)。主軸的變速則有電動機的無級變速與齒輪的有機變速相配合來實現(xiàn)。主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、主傳動部分改造設計計算主傳動部分改造設計計算包括電動機的設計于選擇, 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析, 數(shù)控機床分級變速箱的設計,電磁離合器的設計計算,機床調(diào)速電機控制電路圖的設計.（一） 、電動機的選擇根據(jù)原機床參數(shù)及要求初選改造后車床主軸變速范圍Rn=100，n max=3000r/min，n min=30r/min；主傳動機械總效率系數(shù) η=0.9，最大切削功率為 10kw，最小切削功率為 3kw。則電機初選功率應為 PD>10vkw,根據(jù)電機規(guī)格，可選用11kw 或者 15kw 的電機。表格 4。2 電機選擇兩種方案對比交 流 主 軸 電 機 主 軸 與 變 速 機 構型 號PD（kw）RDPNDsminRDT nj RnP RnT RF i∑YP160M2-4 11 3 450 3.3 83 30 3.3 10 1/18YP160L-4 15 3 335 4.5 112 22.3 4.5 7.44 1/13.42、電機最小輸出功率1） 、計算主軸在最底轉(zhuǎn)速達到最小功率是電機應輸出的功率Pdsmin= =3/0.9=3.3kw (4-2)?nmi2） 、算電機實用的最底轉(zhuǎn)速 nDsmin（r/min）由式 nDsmin= (4-3) DdsminP?計算結(jié)果 : 11kw 的電機為：n Dsmin=450r/min （n d=1500r/min）15kw 的電機為：n Dsmin=333r/min （n d=1500r/min）式中：n d---電機的基本轉(zhuǎn)速 r/min；PD---電機額定功率 kw。由此，設計者選用功率為 11kw、型號為 YP160M2-4 的交流調(diào)頻電機。（二） 、主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析1、電機額定轉(zhuǎn)速的計算電機的選擇1） 、電機額定轉(zhuǎn)矩 TDd（N/m）為TDd= =70N·M (4-4)1509n9PdD??2） 、電機最小轉(zhuǎn)矩 Tdmin（N·M）Tdmin= =23.2N·M (4-5)dMaxn9P其中電機最大轉(zhuǎn)速 ndmax=4500r/min3） 、電機實用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍RDT= =3.3 (4-6)dmin4） 、主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍RnT=RDT=3.3 (4-7)5） 、電機恒功率區(qū)變速范圍RdP= =3 (4-8)dmaxn2、主軸參數(shù)計算1） 、主軸計算轉(zhuǎn)速 njnj= = =120r/min (4-9)3.0minaxi)(?3.0)(?2） 、主軸恒功率變速范圍 RnPRnP= = =25r/min (4-10)jmaxn12033） 、分級變速機構的變速范圍 RFRF= = =8.3 (4-11)DPnp325其中：R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍RDP-----電機恒功率區(qū)變速范圍4） 、主傳動系統(tǒng)總降速比 i∑i∑ = = =1/12.5 (4-12)djn1502(三)、數(shù)控機床分級變速箱的設計1、數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速自動變換過程在數(shù)控機床上,特別是在自動換刀的數(shù)控機床上應根據(jù)刀具與工藝要求進行主軸轉(zhuǎn)速的自動變速。在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，并且用 M 兩位代碼指定主軸的正、反向啟動和停止。采用直流或交流調(diào)速電動機的主運動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動和停止制動是直接控制電動機來實現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動機轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級變速機構的變換相配合來實現(xiàn)的。機床主運動變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n 是如何由電動機的轉(zhuǎn)速、齒輪有級變速級數(shù)相配合來實現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應的有級變速級數(shù)和電動機的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC。理論上說電動機的轉(zhuǎn)速可以無級調(diào)速，但是，主軸轉(zhuǎn)速 S 代碼最多只有 99 種，即使是使用 S 四位代碼直接指定主軸轉(zhuǎn)速，也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級越多指令信號的個數(shù)越多，更難于實現(xiàn)。因此，實際上還是將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S 代碼發(fā)出相應的有級級數(shù)與電機的調(diào)速信號來實現(xiàn)主軸的住動變速。電機的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動機的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號來變換。齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實現(xiàn)。2、分級變速箱的設計數(shù)控機床的分級變速箱由于位于調(diào)速電機與主軸之間,因此,設計時除遵循一般有級變速箱設計原則外,必須處理好公比的選擇.在設計數(shù)控機床分級變速箱時,公比的選取有以下三種情況:a、取變速箱的公比 Φ 等于電機的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 Φ= R dP 。b、如果為了簡化變速箱的結(jié)構，希望變速級數(shù)少一些，則不得不取較大的公比。c、數(shù)控車床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時，有時需要進行恒線速切削。經(jīng)綜合分析比較選有第 a 種情況的公比。(1)、取變速箱的公比 Φ 等于電機的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 Φ= RdP .則機床主軸的恒功率變速范圍為RnP=Φ Z-1RdP=Φ Z (4-13)變速箱的變速級數(shù)Z= = =2.93 (4-14)?lgnpl325其中: R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 R nP=25Φ-----變速箱的公比 Φ= R dP=3Z 必須是整數(shù)，可取變速箱的變速級數(shù) Z=3。其轉(zhuǎn)速圖如圖 4-4（a）所示。電動機經(jīng)定比傳動 2：3，使變速箱的軸Ⅰ得到 3000r/min—1000r/min（恒功率）和 1000 r/min--270 r/min（恒轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ軸之間的兩對 1：1 的齒輪傳動，主軸能得到 3000 r/min --1000 r/min 恒功率轉(zhuǎn)速范圍。當主軸轉(zhuǎn)速 n 降到 1000 r/min 時，電動機轉(zhuǎn)速降到 1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速） 。如果電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖 4-4（b）的功率特性圖上，主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r/min--1000 r/min 時，為 ab 段，是恒功率。當電動機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，最大輸出功率將沿 bc 段虛線下降。圖 4-4 傳動系統(tǒng)及功率特性圖當主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r/min 時，變速箱變速，經(jīng)（1/1）*（1/3）傳動主軸。這時電動機轉(zhuǎn)速自動地回到最高轉(zhuǎn)速。當電動機又從 4500 r/min 降到 1500 r/min 時，主軸從 1000 r/min 降到 333 r/min，還是為恒功率。在功率特性圖上為 bd 段。當主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r/min 時，變速箱變速，經(jīng)（1/3）*（1/3）=1/9 轉(zhuǎn)動主軸。電動機又回到最高轉(zhuǎn)速。主軸從 333 r/min 降到 111 r/min，在特性圖上為 df 段。主軸 111 r/min 的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計算轉(zhuǎn)速，以下進入恒轉(zhuǎn)矩段?？侩妱訖C繼續(xù)降速得到，當電動機轉(zhuǎn)速降到 405 r/min 時，主軸轉(zhuǎn)速降到 405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時電動機的最大輸出功率為：P2= Pd=0.27 Pd (4-15)1504即為額定功率 Pd的 27% 。在圖 4-4（b）中，abdf 應為一條直線。為了清楚起見，把它畫成三段，并略錯開?？梢钥闯?，主軸恒功率變速范圍 af 是由 3 段組成的，每段的變速范圍為電動機的恒功率調(diào)速范圍 RdP=3。所以，變速箱的公比 Φ= RdP 。電動機的功率根據(jù)主軸的需要選擇。主軸計算轉(zhuǎn)速為 f 點的轉(zhuǎn)速（111r/min） 。表 4.3 為主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關系.表 4.3 主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關系n/r?min-1 有級級數(shù) nY/r?min-130--111 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]405--1500111--333 Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]1500--4500333--1000 Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）]1500--45001000--3000 Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）]1500--4500圖 4-4（c）為轉(zhuǎn)矩特性。從 a 至 f，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升。至 f 點為主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。f-g 為轉(zhuǎn)矩區(qū)。a 至 f 也是由三段拼成的。3、分段有級變速傳動方案確定(1) 、傳動方案的設計計算 由前面計算得：=3，?=3 帶傳動的傳動比 i0=2/3 z取 i 1=1 i2=1/3I3=1 i4=1/3故?。?=40 =401z'1z=20 =602'2=40 =403z'3z=20 =604'4(2) 、齒輪的設計計算大小齒輪都采用 45 號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為 260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù) m=2.5mm , 齒寬 b=30mm, 螺旋角 α= 02所以： =mz1=2.5×40=100（ ） (4-16)dm=2.5×40=100（ ）'1=2.5×20=50（ ）2=2.5×60=150（ ）'d=2.5×40=100（ ）3m=2.5×40=100（ ）'=2.5×20=50（ ）4d=2.5×60=150（ ）'還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。(四) 、電磁離合器的設計計算有級變速的自動變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種。液壓變速機構是通過液壓缸、活塞桿帶動拔叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個液壓缸實現(xiàn)三位移位。電磁離合器是應用電磁效用接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主轉(zhuǎn)動時，能簡化變速機構，操作方便，通過若干個安裝在各轉(zhuǎn)動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。經(jīng)分析本設計選用電磁離合器來控制數(shù)控車床的有級自動變速。圖 4-5 電磁離合器變速的主傳動系統(tǒng)圖三、機床調(diào)速電機控制電路圖的設計