2045 C618數控車床的主傳動系統(tǒng)設計,c618,數控車床,傳動系統(tǒng),設計 第一章 概論一、數控系統(tǒng)發(fā)展簡史1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6 年后，即在 1952 年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。二、國內數控機床狀況分析（一）國內數控機床現狀近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24.06 億美元，比上年增長 27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數控機床品種以中低檔為主。 （二）國內數控機床的特點 1、新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位。 2、數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高。 2001 年國內數控金切機床產量已達 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%。金切機床行業(yè)產值數控化率 從 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 3、數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。 三、數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.　繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。2.　向高速化和高精度化發(fā)展這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。3.　向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（1）應用自適應控制技術數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。（2）引入專家系統(tǒng)指導加工將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)（4）智能化數字伺服驅動裝置可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。四、機床數控化改造的必要性（一）微觀看改造的必要性從微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。1 、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。2 、可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～7 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化 "。3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配" 。4 、可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。5、 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看 管加工。6、 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床） ，減少 了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。（二）宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應用數控機床。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20 年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到 1995 年只有 1.9％，而日本在 1994 年已達 20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。數控化改造的市場空間機床的數控制化改造是一個方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數字上看前途應該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造人作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數控技術的不斷進步，機床改造是一個"永恒" 的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出：1．國內的市場我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數控機床總數只有 11.34 萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近 10 年來，我國數控機床年產量約為 0.6～0.8 萬臺，年產值約為 18 億元。機床的年產量數控化率為 6％。我國機床役齡 10 年以上的占 60％以上；10 年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，FMC/FMS 等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占 60％以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶抵圃煨袠I(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數控化率。2. 進口設備和生產線的數控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據不完全統(tǒng)計，從 1979～1988 年 10 年間，全國引進技術改造項目就有 18446 項，大約 165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。機床改造的效益分析提高機床數控化效率有兩個途徑：一是購買新的數控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二中方法有以下的優(yōu)點：1、 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數控機床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費用，改造的費用大大減低。2、機械的穩(wěn)定性可靠 機床的床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而鑄件越久自然失效充分，內應力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產時對環(huán)境的污染。3、熟悉了解設備結構性能，便于操作維修，購買的新設備，事先很難前面了解機床的結構性能，以至很難預算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數控機床在使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。4、可以充分利用現有的條件 可以充分利用現有的地基，不必像購新機時重新構筑新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現成的通用型機床，往往對一個具體的生產加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據生產加工要求，采用組合的方法再某些部件設計改造成專用的數控機床。6、可及時采用最新技術，充分利用社會資源 由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導軌新技術，可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術來提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。第二章 普通車床的數控改和可行性論證對于普通車床的經濟型數控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前途下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。一 車床的數控改造（一） 、數控機床工作原理及組成1. 數控機床工作原理：數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。2.數控機床的組成：數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖 2-1圖 2-1 數控機床的組成圖（二） 、設計內容及任務普通車床（C618）的數控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算） 、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計、電磁離合器的設計計算。 。本設計任務是對 C618 臥式車床進行數控化改造，實現微機對車床的數控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數字控制，并要達到縱向最小運動單位為 0.01 /脈沖，橫向最小運動m單位 0.005 /脈沖，主運動要實現自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的m數 控 裝 置控 制 介 質 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機 床切削螺紋。（三） 、數控部分的設計改造1、數控系統(tǒng)運動方式的確定數控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于 C618 車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2、伺服進給系統(tǒng)的設計改造數控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。經過上序比較，由于所改造的 C618 車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3、數控系統(tǒng)的硬件電路設計數控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統(tǒng)的工作性能。數控裝置的設計方案通常有：? 可以全部自己設計制作? 可以采用單板機或 STD 模塊或工控機改制? 可以選用現成的數控裝置作少量的適應化改動在普通機床的經濟型數控改造中，由于第一種設計周期較長且不經濟，同時質量也難于保證。第二種則更加不經濟。所以不課程設計將采取第三鐘方案。（四） 、機械改造部分的設計1、主傳動部分的改造設計將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。2、進給機構的改造將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。3、其它部件的改造刀架部分：拆除原手動刀架和小拖板，安裝由微機控制的四工位電動機刀架，該刀架具有重復定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等優(yōu)點。二 可行性論證根據《自動化制造系統(tǒng)》 ，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行普通車床的經濟型數控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。根據傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經濟型數控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經營現狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。本改造設計是對普通車床 C618 進行經濟型數控改造。在改造設計中，采用的是廣州數控設備廠生產的 GSK980T 型數控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過 15 萬元。因此，對普通車床作經濟型數控改造適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。第三章 總體設計方案的確定經總體設計方案的論證后，確定的 C618 的車床經濟型數控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：C618 車床的主軸轉速部分采用了變頻調速交流異步電機，有級變速部分采用電磁離合器控制機構；車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動，經步進電機驅動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動，從而實現縱向、橫向進給運動；刀架改成由微機控制，經電機驅動的自動轉位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。改造后的總體方案示意圖如圖 3-1 所示：圖 3-1 總體方案設計圖步 進 電 動 機車 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進 電 動 機手 工 輸 入 或 計 算 機 控 制 計 算 機功 率 放 大 器存 儲 裝 置第四章 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控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點：1）采用調速電機驅動，以滿足主軸根據數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)機械結構；3）轉速高、功率大；數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：具有更大的調速范圍，并實現無極調速。 數控機床就要為了保證加工時能選用合理的切削用○ 1量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產效率、加工精度和表面質量，必須有更高的轉速和更多的調速范圍。為了適應各種工序和各種加工材質的要求，主運動的調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。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 與動力參數的dk關系為：= (4-1)dk221??????????????nn??式中: —機床主軸結構系統(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（ = ， 為當量質量， 為當量靜剛度） ；n n?kk—阻尼比（ = ， 是阻尼系數， 是臨界阻尼系數， = ） 。?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、當量剛度值或固有頻dk率的值較高。在設主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數的合理關系。一、主傳動部分改造方案擬定和設計的內容異步電動機的調速方法有變頻調速、變極調速、辯轉差調速三種。異步電動機的轉速公式為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速。這種調速方法稱為變頻調速，它完全不同于其它的調速方法。改變異步電動機的磁極對數調速的方法稱為變極調速。改變電動機轉差率的調速方法稱為變轉差率調速。表 4.1 異步電動機各種調速方法性能指標的比較調 速 方 法變 轉 差 率項 目變 頻 變 極轉子串電阻 串極調速 調壓調速 電磁調速電機是否改變同步轉速變 變 不 變 不 變 不 變 不 變靜差率?。ê茫┬。ê茫┐螅ú睿┬。ê茫╅_環(huán)時大閉環(huán)時小開環(huán)時大閉環(huán)時小調速范圍（D）較大（ 10 以上）較小（2—4）?。?）較?。?—4）閉環(huán)時較大閉環(huán)時較大調速平滑性好（無級調速）差（有級調速）差（有級調速）好（無級調速）好（無級調速）好（無級調速）適應負載類型恒轉矩恒功率恒轉矩恒功率恒轉矩 恒轉矩通風機恒轉矩通風機恒轉矩設備投資多 少 少 較 多 較 少 較 少調速指標電能損耗較 小 小 大 較 小 大 大異步電動機變頻調速有調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較好的優(yōu)點，可以方便地實現恒功率或恒轉矩變速，整個調速特性與直流電動機調壓調速和弱磁調速十分相似，并可與直流調速相媲美。目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方法。通過上序的比較本課程設計中電動機的調速方法采用變頻調速的方法。改換主軸電動機，換成調速電動機.通過對電動機的變頻調速控制再加以簡單的齒輪調速來實現自動變速，齒輪調速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。圖 4 -1 主軸變頻調速系統(tǒng)原理圖數控機床主軸變速方式主要有無級調速、分段無級調速和內置電機變速等。在本設計中采用分段無級調速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運轉中變速，操作方便，簡化機械結構。無級變速主要是利用直流和交流調速電動機。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般只有 1～2，很少到 3～4，且換向有限制，現大多采用交流變頻主軸驅動系統(tǒng)。交流變頻調速電動機的性能與直流調速電動機類似，在額定轉速以下為恒轉矩區(qū)，在額定轉速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調速電動機的恒功率調速范圍為 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，主軸的正反轉和制動停止，由數控指令直接控制電動機來實現。利用車床的主軸交流異步電動機、變頻器、數控單元 構成了變頻調速系統(tǒng)。交流電動機的轉速 與頻率 ，電動機的級對數 及ENCnfp轉差率 之間的關系為 = ,由此可知，改變電源的頻率 ，即可改變電動機轉速，且轉snpsf/)1(60?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nf段無級變速。主軸的正、反轉和制動停止由數控指令直接控制電動機實現。其主軸變頻調速系統(tǒng)原理圖如圖 4-1 所示；如圖 4-2 所示是機床主軸要求的功率特性和轉矩特性。這兩條特性曲線是以計算轉速 nj為分界，從 nj至最高轉速 nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內，任意轉速下主軸都可輸出額定的功率，在該區(qū)域內，最大轉矩則隨主軸轉速下降而上升。從最低轉速 nmin 至 nj的區(qū)域Ⅱ為恒轉矩區(qū)。在該區(qū)域內，最大轉矩不再隨轉速下降而上升，任何轉速下可能提供的轉矩都不能超過計算轉速下的轉矩，這個轉矩就是機床主軸的最大轉矩 Mmax。在區(qū)域內，主軸可能輸出的最大功率 Pmax，則隨主軸轉速的下降而下降。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。從額定轉速 nd到最高轉速 nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉速 nmin 至 nd的區(qū)域Ⅱ 為恒轉矩區(qū)。直流電動機的額定轉速常為 1000 r/min—1500 r/min。從nd至 nmax用調節(jié)磁通的方法得到，稱為調磁調速；從 nmin至 nd用調節(jié)電驅電壓的辦法得到，稱為調壓調速。交流調頻電動機用調節(jié)電源頻率來達到調速的目的。額定轉速常為 1500 r/min。這兩種電動機的恒功率轉速范圍為 2—4；恒轉矩變速范圍則可達 100 以上。圖 4-2 主軸的功率轉矩特性 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速的基礎上配以齒輪變速。它能夠實現中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉和制動停止，通過數控指令直接控制電機來實現。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。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, 數控機床分級變速箱的設計,電磁離合器的設計計算,機床調速電機控制電路圖的設計.（一） 、電動機的選擇根據原機床參數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 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） RDP NDsmin RDT 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速 nDsmin（r/min）由式 nDsmin= (4-3) DdsmiP?計算結果 : 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、電機額定轉速的計算電機的選擇1） 、電機額定轉矩 TDd（N/m）為TDd= =70N·M (4-4)1509n9PdD??2） 、電機最小轉矩 Tdmin（N·M）Tdmin= =23.2N·M (4-5)dMaxn9其中電機最大轉速 ndmax=4500r/min3） 、電機實用恒轉矩區(qū)變速范圍RDT= =3.3 (4-6)dmin4） 、主軸恒轉矩區(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、主軸參數計算1） 、主軸計算轉速 njnj= (4-9)3.0minaxi)(?= 3.0=120r/min 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)、數控機床分級變速箱的設計1、數控機床主軸轉速自動變換過程在數控機床上,特別是在自動換刀的數控機床上應根據刀具與工藝要求進行主軸轉速的自動變速。在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉速的序號，或用四位代碼指定主軸轉速的沒分鐘轉數，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的，主軸轉速的變換則由電動機轉速的變換與齒輪有級變速機構的變換相配合來實現的。機床主運動變速系統(tǒng)中主軸的轉速 n 是如何由電動機的轉速、齒輪有級變速級數相配合來實現的，為了獲得主軸的某一轉速必須接通相應的有級變速級數和電動機的調壓轉速 nY或調磁轉速 nC。理論上說電動機的轉速可以無級調速，但是，主軸轉速 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速，也只能按一轉遞增，而且分級越多指令信號的個數越多，更難于實現。因此，實際上還是將主軸轉速按等比數列分成若干級，根據主軸轉速的 S 代碼發(fā)出相應的有級級數與電機的調速信號來實現主軸的住動變速。電機的調壓或調磁變速，由電動機的驅動電路根據轉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。2、分級變速箱的設計數控機床的分級變速箱由于位于調速電機與主軸之間,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速范圍 RdP ,即 Φ= R dP 。b、如果為了簡化變速箱的結構，希望變速級數少一些，則不得不取較大的公比。c、數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，可取變速箱的變速級數 Z=3。其轉速圖如圖 4-4（a）所示。電動機經定比傳動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（恒轉矩）的轉速。如果經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 恒功率轉速范圍。當主軸轉速 n 降到 1000 r/min 時，電動機轉速降到 1500 r/min（額定轉速） 。如果電動機轉速繼續(xù)下降，則將進入恒轉矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現在圖 4-4（b）的功率特性圖上，主軸轉速為 3000 r/min--1000 r/min 時，為 ab 段，是恒功率。當電動機轉速低于額定轉速時，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速降到 1000 r/min 時，變速箱變速，經（1/1）*（1/3）傳動主軸。這時電動機轉速自動地回到最高轉速。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。當主軸轉速降到 333 r/min 時，變速箱變速，經（1/3）*（1/3）=1/9 轉動主軸。電動機又回到最高轉速。主軸從 333 r/min 降到 111 r/min，在特性圖上為 df 段。主軸 111 r/min 的轉速已低于原要求的計算轉速，以下進入恒轉矩段?？侩妱訖C繼續(xù)降速得到，當電動機轉速降到 405 r/min 時，主軸轉速降到 405*（ 2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉速，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速范圍 RdP=3。所以，變速箱的公比 Φ= RdP 。電動機的功率根據主軸的需要選擇。主軸計算轉速為 f 點的轉速（111r/min） 。表 4.3 為主軸轉速與有級級數和電動機調壓調磁轉速的關系.表 4.3 主軸轉速與有級級數和電動機調壓調磁轉速的關系n/r?min-1 有級級數 nY/r?min-130≦n 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算1、進給系統(tǒng)的設計內容經濟型數控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進電動機經減速驅動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。縱向進給系統(tǒng)設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。2、縱向進給系統(tǒng)的設計計算（1）已知條件：1） 、縱向脈沖當量 δ p=0.001mm/脈沖；2） 、縱向最高進給速度 V fymax=2m/min；3） 、C618 車床工作臺質量 w=100kg=1000N（根據圖形尺寸粗略計算） 。4） 、時間常數 T=25ms（2） 、縱向進給切削力 Fz 的確定根據《機床設計手冊》查出，=3～5% （5—1）adfP式中： P df ----進給系統(tǒng)所需電機功率Pa -----主傳動電機功率由前面的設計計算可知：Pa=11kw取比例系數為 4% 則Pdf= Pa×4%=0.44kw （5—2）根據《機床設計手冊》查出，Fy= （5—3）fdVP6120??式中：η f----進給系統(tǒng)效率，其范圍為 0.15～0.20，取 η f =0.175Vf-----進給速度（m/min） ，查《實用機床設計手冊》可知：Vf=（1/2～1/3）·V fymax （5—4）取 V f=（1/2）V fymax=1 m/min 則 F Z=4712.4 (N)當 FZ=4712.4N 時，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm .以此參數作為下面計算的依據，從《實用機床設計手冊》中可知，在一般圓切削時：=（0.1～0.6） （5—5）xzF=（0.15～0.7） （5—6）yz=0.5 =0.5×4712.4=2356.2（ ）xFz N=0.6 =0.6×4712.4=2827.44（ ）yz（3） 、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉 106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載 Q。滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、額定動載荷與計算動載荷 C 從《實用機床設計手冊》中查得：（5—7）dHdhFfnC??式中: f h ---- 壽命系數fd ---- 載荷性質系數fH ---- 動載荷硬度系數fn ---- 轉速系數Fd ---- 最大工作負載 (N)根據《實用機床設計手冊》可知：選工作壽命: L h =15000h, 則fh = =3.107 （5—8）3/1)50(選載荷性質系數: f d =1.35;選動載荷硬度系數:f H =1.0;轉速系數: f n = ; （5—9）3/1).(V =1000mm/min根據上述選擇的情況下,計算結果如表 5.1 所示;表 5.1 動載荷計算絲杠導程 L0/mm 12 10 8 6n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7fn 0.737 0.693 0.694 0.584c/n 26883 28590 30813 33926綜合導軌車床絲杠的軸向力:（5—10）W)(Ff'kZX??式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取 0.16.得;=3623.6 (N)10)(472.0.162351. ???壽命值;（5—11）810510tnL66ii ??最大負載;（5—12）FfLQHw3i??= =11395.8 (N)6.231.8查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用 NL4510 型號的滾珠絲杠副,名義直徑為 45mm,絲杠導程為 10 mm, 螺旋角 ,滾珠例數為 3 系列,其額定動載荷為 33300N,所以其強度夠用。'4o??2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計算；（5—13）)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'34o?---- 摩擦角 ； 所以， = 則：?0..?t ?''4513（5—14）%97)4513(''''??otg?經驗表明：在數控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。（4） 、齒輪設計齒輪傳動比 i:（5—15） 517.40.36510????pLi??式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為 1.50，計算出 i〈 5，因此可以選一級傳動。大小齒輪都采用 45 號鋼調質，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 m=2mm , 齒寬 b=20mm, 螺旋角 α= ，02齒數 Z1=18，齒數 Z2=75，則：（5—16）3618??mzd 150722???mzd（5—17）93)(1?da還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。3、步進電動機的確定（1） 、步進電動機步矩角的選擇；（5—18）00 5.107.436????Lip??（2） 、等效轉動慣量的計算慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要?？v向伺服系統(tǒng)改進后等效轉動慣量的簡圖如下:圖 5-1 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式；（5—19）??121JJizzs??式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量1J----滾珠絲杠轉動慣量s----齒輪 1 的轉動慣量1zJ ----齒輪 2 的轉動慣量2zJ= （5—20）1WP80?????????= ×100=0.146（ · ）25.43?kgf2cm滾珠絲杠轉動慣量： =7.8× （5—21）sJ410?D1L=7.8× × ×140=45.741（ ）5. ?kgf2cm齒輪的轉動慣量： =7.8× × ×2=0.262（ ） 1zJ4?63=7.8× × ×2=78.975（ ） 2z01?kf2c電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量：=J??121Jizzs?= ?146.02.975.84.57. ???????=7.58（ ）=75.8?kgf2cm)(cN?（3） 、所需轉動力矩計算：折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。1） 、快速空載啟動時所需力矩：M=Mamax+Mf+M0 （5—22）2） 、 最大切削負載時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt （5—23）3） 、快速進給所需力矩M=Mf+M0 （5—24）式中：M amax--空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；Mf --折算到電機軸上的摩擦力矩；M0 --由絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的摩擦力矩；Mat--切削時折算到電機軸上的加速度力矩；Mt --切削時折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma= （N·m） （5—25）4106.9??TJn式中；T 為時間常數 T=0.025s當 n=nmax時，M amax=Ma；nmax = =834r/min （5—26）107.420mx?LiVMamax= 45.69837??=2.764（N·m）=276.4（ · ）Ncm當 n=nt時，M at=Ma；（5—27）0Lfi主nt?= 17.43?=12.51 （r/min）Mat= 4025.698?=0.0395 （N·m）=3.95（ · ）Ncm（5—28）iwLff??0'?當 η=0.8， f`=0.16 時；17.480.326?fM=7.64（N·CM）當 =0.9 時： = （5—29）0?0??206???iLFx= ??29.17.481.3?=0.854（ · ）=8.54（ · ）kgfcmNc= （5—30）tMiLFx??20= 17.480.32?=13.5（ · ）=135（ · ）kgfcmNc從而求得，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+M0=276.4+7.64+8.54=294.88 （N·CM ）切削時所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt=3.95+7.64+8.54+135=155 （ · ）Ncm快速進給時所需力矩M=Mf+M0=7.64+8.54=16.18 （N·CM ）由以上分析計算可知，所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動時，即：Mmax=294.88 （N·CM ）4） 、步進電動機的最大靜轉矩 Tjm 為。（5—31）86.0486.0max??Tjm..29=851.3 （N·CM ）5） 、步進電動機的最高頻率計算；（H Z） （5—32）3.01.620maxax ???pVf?電動機采用三相六拍的工作方式，經綜合考慮，選用 110BF003 型的直流步進電動機能滿足要求。橫向進給系統(tǒng)的設計與計算1、進給系統(tǒng)的設計內容經濟型數控車床改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電動機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電動機安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步進電動機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。橫向進給系統(tǒng)設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。2、橫向進給系統(tǒng)的設計計算（1） 、已知條件：1） 、縱向脈沖當量 δ y=0.0005mm/脈沖；2） 、縱向最高進給速度 V fymax=1m/min；3） 、C618 車床工作臺質量 w=40kg=4000N（根據圖形尺寸粗略計算） 。4） 、時間常數 T=25ms（2） 、橫向進給切削力 Fx的確定根據《機床設計手冊》可知；橫向進給量為縱向的 1/2--1/3 ，取 1/2，則切削力約為縱向的 1/2。=0.5×4712.4=2356.2（ ）z N=0.5 =0.6×2356.2=1178.1（ ）xFz（3） 、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉 106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載 Q。滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、強度計算；W)(Ff'kZX??式中:K=1.4; f’=0.2,得;=2200.5 (N)40)(2356.0.1784. ??壽命值;1.010t6nL6ii ??最大負載; FfLQHw3i??= =6287.5 (N)20.51.5查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用 WD2004 型號的滾珠絲杠副,名義直徑為 20mm,絲杠導程為 4 mm ,螺旋角 ,滾珠例數為 3 系列,其額定動載荷為 7600N,所以其強度夠用。'39o??2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計算；)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'39o?---- 摩擦角 = 則：?'1096.)3('''??otg?經驗表明：在數控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。（4） 、齒輪設計齒輪傳動比 i:53.0.364510????pLi??式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為 1.50，計算出 i〈 5，因此可以選一級傳動。大小齒輪都采用 45 號鋼調質，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 m=2mm , 齒寬 b=20mm, 螺旋角 α= ，02齒數 Z1=20，齒數 Z2=66，則：401???mzd3262 86)(212??da還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。3、步進電動機的確定（1） 、步進電動機步矩角的選擇；00 5.147.0.36????Lip??（2） 、等效轉動慣量的計算慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要。改造后的橫向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖如下:圖 5-2 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式； ??121JJizzs??式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量1----滾珠絲杠轉動慣量sJ----齒輪 1 的轉動慣量1z----齒輪 2 的轉動慣量2zJ= ×401J25.4308???????=1.46（ · ）=0.0146（ ）kgf2m?kgf2cm滾珠絲杠轉動慣量： =7.8× × ×50=0.624（ ）sJ410?f2齒輪的轉動慣量： =7.8× × ×2=0.4（ ）1z4??kgf2cm=7.8× × ×2=47.36（ ）2zJ042.13電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量：=J??0146.64..73.2???????=4.82（ ）=48.2?kgf2cm)(2cN?（3） 、所需轉動力矩計算：折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。1） 、快速空載啟動時所需力矩：M=Mamax+Mf+M02） 、 最大切削負載時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt3） 、快速進給所需力矩Ma= N·M416.9??TJn式中；T 為時間常數 T=0.025s當 n=nmax時，M amax=Ma；nmax = =833.25r/min43.10mx?LiVMamax= 25.698??=1.67（N·m）=167（ N·cm）當 n=nt時，M at=Ma；=0Lfi主nt?01DVfi