加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計1

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1、. 畢業(yè)設(shè)計〔論文任務(wù)書 題目： 加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名學(xué)院專業(yè)班級學(xué)號 指導(dǎo)老師職稱教研室主任 一、基本任務(wù)及要求： 本課題以加工中心的主傳動系統(tǒng)設(shè)計為目標(biāo),通過對其機(jī)械部分、電氣控制 部分的設(shè)計,使之能夠適應(yīng)現(xiàn)代制造企業(yè)對加工設(shè)備的更高要求。通過設(shè)計使學(xué) 生掌握加工中心數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制部分設(shè)計的基本方法、步驟、過 程和原理,同時提高他們分析、解決問題的能力及綜合運用所學(xué)知識的能力。課 題基本任務(wù)及要求：

2、 1.熟悉數(shù)控機(jī)床本身的特點、明確設(shè)計要求； 2.擬定機(jī)床主傳動系統(tǒng)的總體方案〔機(jī)械部分、控制部分； 3.進(jìn)行機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4.進(jìn)行主傳動電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計； 二、進(jìn)度安排及完成時間： 1.明確設(shè)計任務(wù)、熟悉設(shè)計課題、搜集有關(guān)資料； 9月20日前完成 2.在熟悉課題要求的

3、前提下,進(jìn)入課題實施階段,進(jìn)行有關(guān)方面知識的準(zhǔn)備、撰 寫開題報告； 月 日前完成 3.根據(jù)要求提出主傳動系統(tǒng)設(shè)計的思路、擬定其方案； 月 日前完成 4.進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計〔繪制主軸箱部裝圖及1-2個零件圖； 月 日前完成 5.進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)特性分析〔如果時間緊這一步可??； 月 日前完成 6.進(jìn)行主傳動電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計〔繪制控制系統(tǒng)圖； 月 日前完成 7.編寫 畢業(yè)設(shè)計說明書并打印； 月 日前完成 8.程

4、序文件的整理、存儲介質(zhì)的制作、準(zhǔn)備答辯； 月 日前完成 9.畢業(yè)設(shè)計答辯。 月 日前完成 目 錄 摘要...........................................................I Abstract.......................................................II 第1章 緒論....................................................1 1.1

5、 加工中心的組成 ...................................................2 1.2 加工中心的特點....................................................2 第2章 主傳動系統(tǒng)設(shè)計..........................................3 2.1 概述...............................................................3 2.11主傳動設(shè)計要求.....................

6、...............................3 2.2驅(qū)動源的選擇 ......................................................4 2.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定 .....................................................4 2.4 傳動軸的估算......................................................6 2.5 各傳動組齒輪魔術(shù)的確定和校核...................................

7、...7 2.5.1 齒輪模數(shù)的確定................................................8 2.5.2 齒輪魔術(shù)的校核................................................8 2.6 V型帶的選擇 ......................................................9 第3章 主軸和軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計、精度設(shè)計和剛度設(shè)計………………………… 3.1 各零件結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計..................................

8、..........11 3.1.1 結(jié)構(gòu)實際的內(nèi)容和技術(shù)要求......................................11 3.1.2 有關(guān)零件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定......................................12 3.2 有關(guān)零件的校核....................................................15 3.2.1各級轉(zhuǎn)速的校核................................................15 3.2.2 齒輪的校核.

9、...................................................15 3.2.3 主軸的校核....................................................17 第4章 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 .....................................19 4.1 繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖..............................................19 4.2 選擇中央處理單元的類型 ................................

10、...........20 4.3儲存器擴(kuò)展電路設(shè)計................................................20 4.3.1程序儲存器的擴(kuò)展..............................................20 4.3.2數(shù)據(jù)儲存器的擴(kuò)展..............................................21 4.4控制系統(tǒng)的發(fā)展....................................................21 總結(jié)...........

11、...............................................23 參考文獻(xiàn)......................................................24 致謝..........................................................25 . . 加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要：數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動化控制技術(shù),是用數(shù)字化信號對機(jī)床運動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)控機(jī)床已經(jīng)是一個國家機(jī)械工業(yè)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。加工中心就是裝有程

12、序控制系統(tǒng)的一種數(shù)控機(jī)床。該程序控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼,或其他符號編碼指令規(guī)定的程序,本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)也就是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。還有主傳動系統(tǒng)也是尤為重要的一個部分,加工中心就是將加工過程所需的各種步驟以及刀具與工件之間的相對位移量都是用數(shù)字化的代碼來表示。 關(guān)鍵詞：加工中心,主軸,主傳動系統(tǒng),控制系統(tǒng) Processing center main transmission system structure and control system design Abstract：Digital control is modern developed a kind of a

13、utomation control technology, digital signal of machine with sports and its processing process control one method, with the rapid development of science and technology, nc machine tools is a national mechanical industry level of important standard. Machining center is equipped with process control s

14、ystem of a kind of numerical control machine. The program control system can logically processing have use number, or other symbols the procedures prescribed by the coded instructions, the design of the drive system is realized by controlling system. And main transmission system is also particularly

15、 important a part, machining center is to supply all kinds of processing steps and cutter and the relative displacement between parts are with the digital code to said. Keywords: processing center, spindle, main transmission system, control system . . 第1章 緒論 1.1 加工中心的組成 加工中心有各種類型,雖然外形結(jié)構(gòu)各

16、異,但總體來看大體上由以下幾部分組 成： 〔1基礎(chǔ)部件 由床身、立柱和工作臺等大件組成,它們是加工中心結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)部件。這些 大件有鑄鐵件,也有焊接的鋼結(jié)構(gòu)件,它們要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的 切削負(fù)載,因此必須具備更高的靜動剛度,也是加工中心中質(zhì)量和體積最大的部件。 〔2主軸部件 由主軸箱、主軸電機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟動、停止等動 作和轉(zhuǎn)速均由數(shù)控系統(tǒng)控制,并通過裝在主軸上的刀具進(jìn)行切削。主軸部件是切 削加工的功率輸出部件,是加工中心的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)的好壞,對加工中心的 性能有很大的影響。

17、〔3控制系統(tǒng) 單臺加工中心的數(shù)控中心由CNC裝置,可編程序控制器,伺服驅(qū)動裝置,以 及電機(jī)等部分組成．它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和控制加工過程的中心。 〔4伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號裝換位機(jī)床移動部件的運動,其性 能是決定機(jī)床的加工精度,表面質(zhì)量和加工效率的主要因素之一,加工中心普遍 采用半閉環(huán)、閉環(huán)和混合環(huán)三種控制方式。 〔5自動換刀裝置 加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多道工序加工的能 力,有一套自動換刀裝置。它由刀庫,機(jī)械手和驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件組成。 〔6輔助系統(tǒng)

18、 包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不 能直接參與切削運動,但對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自動托盤更換系統(tǒng) 有的加工中心為進(jìn)一步縮短非切削時間,配有倆個自動交換工件托盤,一個 安裝在工作臺上進(jìn)行加工,另一個則位于工作臺外進(jìn)行裝卸工件。當(dāng)完成一個托 盤上的工件加工后,便自動交換托盤,進(jìn)行新零件的加工,這樣可減少輔助時間, 提高加工工效。 1.2 加工中心的特點 <1>加工精度高 加工中心是以數(shù)字形式給出指令進(jìn)行加工的,由于目前數(shù)

19、控裝置的脈沖當(dāng)量一般 達(dá)到了0.0001mm,而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行 補(bǔ)償,因此,加工中心能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。 <2>表面質(zhì)量好 加工中心主軸轉(zhuǎn)速和各軸進(jìn)給量都是無級調(diào)速,有的甚至有自適應(yīng)控制功能,能 隨刀具和工件材質(zhì)及刀具參數(shù)的變化,把切削參數(shù)調(diào)整到最佳數(shù)值,從而提高了各加 工表面的質(zhì)量。 <3>生產(chǎn)效率高 零件加工所需的時間包括機(jī)動時間和輔助時間倆部分,加工中心能夠有效的減少 這倆部分時間,因為加工生產(chǎn)率比一般的機(jī)床高得多。 <4>自動化程度高 加

20、工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的。操作者除了操作面板、 裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運行外,其他的機(jī)床動作直至加工完 畢,都是自動連續(xù)完成。不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作,勞動強(qiáng)度與緊張程度均 可大為減少,勞動條件也得到相應(yīng)的改善。 <5>有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用加工中心加工零件,能準(zhǔn)確計算零件加工工時,并有效的簡化檢驗和工夾具、 半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 第2章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 概述 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機(jī)床主運動的傳動系統(tǒng),它應(yīng)具由一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍,以便

21、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,并能方便的實現(xiàn)運動的開停,變速,換向和制動等。 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī),傳動系統(tǒng)和主軸部件,與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比,在結(jié)構(gòu)上比較簡單,這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān),省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu),有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng),用于擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。 2.1.1主傳動設(shè)計要求 1、數(shù)控機(jī)床主傳動的特點 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下特點： 1轉(zhuǎn)速高,功率大,它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削,實現(xiàn)高效率加工 2主軸轉(zhuǎn)速變換可靠,并能自動無級變速,使切削工作始終在最佳狀態(tài)

22、下進(jìn)行 3為實現(xiàn)刀具的快速或自動裝卸,主軸上還必須設(shè)計有刀具自動裝卸,主軸定向停止 和主軸孔內(nèi)的切屑清除裝置 2、 對主軸傳動系統(tǒng)的要求 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床主傳動要求外,還有如下要求： 1） 具有更大的調(diào)速范圍并實現(xiàn)無級變速 2） 具有較高的精度和剛度 3） 良好的抗震性,熱穩(wěn)定性 2.2驅(qū)動源的選擇 機(jī)床上常用的無極變速機(jī)構(gòu)是直流或交流調(diào)速電動機(jī),直流電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax是調(diào)節(jié)磁場電流的方法來調(diào)速的,屬于恒功率,從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin時調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來調(diào)速的屬于恒轉(zhuǎn)矩；交流調(diào)速電動機(jī)時靠調(diào)節(jié)供電頻率的

23、方法調(diào)速。由于交流調(diào)速電動機(jī)的體積小,轉(zhuǎn)動慣量小,動作反應(yīng)快,沒有電刷,能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流調(diào)速電動機(jī)高,磨損和故障也少,所以在中小功率領(lǐng)域,交流調(diào)速電動機(jī)占有較大的優(yōu)勢,鑒于此,本設(shè)計選用交流調(diào)速電動機(jī)。 根據(jù)主軸要求的最高轉(zhuǎn)速1000r/min最大切削功率4KW,選擇Y112M-4型三相交流異步電動機(jī),額定功率4KW,滿載轉(zhuǎn)速1440r/min,同步轉(zhuǎn)速1500r/min. 2.3轉(zhuǎn)速圖的擬定 根據(jù)交流主軸電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速可以求得交流主軸電動機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍Rdp=nmax/nd=2.2,而主軸要求的恒功率轉(zhuǎn)速范圍Rnp=1.5,小于交流主軸電動機(jī)所提供

24、的恒功率轉(zhuǎn)速范圍,所以必須串聯(lián)變速機(jī)構(gòu)的方法來擴(kuò)大其恒功率轉(zhuǎn)速范圍. 涉及變速箱時,考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性等因素,取變速箱的公比φf等于交流主軸電動機(jī)的功率調(diào)速范圍Rdp,即φ=Rdp=1.5,功率特性圖是連續(xù)的,無缺口和無重合的,并且選用集中傳動。變速箱的變速級數(shù)Z=7.94,取Z=8,經(jīng)分析,確定的8級結(jié)構(gòu)式為:8=21×22×24.. 確定變速組齒輪齒數(shù)： 1、 先計算第一擴(kuò)大組的齒輪的齒數(shù) 第一擴(kuò)大組的降速比分別為：u1=1/2.,u2=1,故齒數(shù)最小的齒輪在降速比為 u1=1/2之中,查表取z1=zmin,=22,sz=66,則z1==44,z2=u2

25、/1=u2,sz=33,z2=33. 2、基本組的加個速比分別是：u1=1/2.8,u2=1,故齒數(shù)最小的齒輪在降速比為u1=1/2.8之中,查表有在z1=zmin=22,sz=84,則z1‘=62,z2=z2'=42. 3、第二擴(kuò)大組的降速比分別是u1=1/4,u2=1,故齒數(shù)最少的齒輪在u1=1/4之中,查表有z1=zmin=,sz=100,z2=50,則z1=80,z2=50. 由此擬定主傳動系統(tǒng)圖,轉(zhuǎn)速圖以及主軸功率特性圖分別如圖2-1,2-2 圖 2-1 電 I第一擴(kuò)大組 II

26、基本組 III第二擴(kuò)大組 IV主軸 圖2-2 結(jié)構(gòu)網(wǎng) 2.4 傳動軸的估算 傳動軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外,還應(yīng)滿足剛度要求,強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動系數(shù)精度要求較高,不允許有較大的變形,因此疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾,除了載荷較大的情況外,可以不必驗算軸的強(qiáng)度,剛度要求軸在載荷作用下不至于產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不夠,軸上的零件由于軸的變形過大而不能正常工作,或者產(chǎn)生振動和噪音,發(fā)熱,過早磨損而失效。因此,必須保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度。 計算轉(zhuǎn)速

27、nj是傳動件傳遞全部功率時的最低轉(zhuǎn)速,各個傳動軸上的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖是直接得出,如表2-1所示 表2-1 各軸的計算轉(zhuǎn)速 軸序號 電 I II III 主 計算轉(zhuǎn)速〔r/min 1440 1000 800 177 125 計算各傳動軸的輸出功率： P1=p額×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×ng×nr=3.65×0.97×0.99=3.5

28、1〔KW P主=p3×ng×nr=3.51×0.97×0.99=3.37〔KW 計算各傳動軸的扭矩 T1=9550P1/N1j=36290 T2=9550P2/N2j=69715 T3=9550P3/N3j=189381 T主=9550P主/N主j=257468 [Φ]是每米長度上玉虛的扭轉(zhuǎn)角〔deg/m,可根據(jù)傳動軸的要求選取,其選擇的原則如表2-2所示 表2-2 需用扭轉(zhuǎn)角選取原則 軸 主軸 一般傳動軸 較低的軸 [Φ]〔deg/m

29、 0.5-1 1-1.5 1.5-2 把以上確定的各軸的輸入功率P。計算轉(zhuǎn)速nj,允許扭轉(zhuǎn)角[Φ]代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式,可得傳動軸的估算直徑,同時確定鍵的選擇： I軸：p1=3.8KW,n1j=1000r/min,取[Φ]=0.9,代入公式： ,有d=23.2mm,圓整取d=24mm 選鍵：6×26×30×6 II軸：p2=3.65KW,n2j=500r/min,取[Φ]=0.9,代入公式： ,有d=27.3mm,圓整取d=30 選鍵：8×32×36×6 III軸：p3=3.51KW,n3j=177r/min,取[Φ]=0.9,代入公式： ,

30、有d=34.7mm,圓整取d=35 選鍵：8×36×40×7 主軸：選擇主軸前端直徑D1=90mm,后端直徑D2=〔0.75-0.85D1,去D2=65mm,則平均直徑D=77.5mm。 對于普通車床,主軸內(nèi)控直徑d=〔0.55-0.6D,故本例之中,主軸內(nèi)控直徑取為d=45mm。 支撐形式選擇倆支撐,初取懸伸量a=90mm,支撐跨距L=520mm。 圖2-3 主軸圖 選擇平鍵連接：b×h=22×14,l=100mm。 2.5 各傳動組齒輪魔術(shù)的確定和校核 按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜,而且有

31、些系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都已知方可確定,故只有在裝配草圖畫完后校驗用。在畫草圖時用經(jīng)驗公式估算,根據(jù)估算的結(jié)果然后選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的模數(shù)。 齒輪模數(shù)的估算方法有倆種,一是按齒輪的彎曲疲勞進(jìn)行估算；二是按齒輪的齒面點蝕進(jìn)行估算。這倆種方法的前提條件是各個齒輪的齒數(shù)必須已知。 2.5.1 齒輪模數(shù)的確定 根據(jù)45好鋼整體淬火,[σj]=1100MP,按接觸疲勞計算齒輪模數(shù)m,查表計算可得K1=1.04,K2=1.3,K3=1.3,則： 第一傳動組：I-II軸 m1=16338 取ψm=8,Z1=22,i=2,nj=1000,pj=3.8 m1=2.2, 查手冊取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)

32、系列m=2.5mm 第二傳動組：II-III軸 m2=16338 取ψm=10,Z1=22,i=2.82,nj=500,pj=3.65 m2=2.35 查手冊取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列m=2.5 第三傳動組：III-主軸 m3=16338 取ψm=8,Z1=20,i=4.0,nj=500,pj=3.51 m3=2.6 查手冊取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列m=3mm 2.5.2齒輪模數(shù)的校核 計算公式σF=2KT1YFaYSa/bm 1. 確定各項系數(shù) 〔1P=4.0kw,n=500r/min T=9.55×105×P/n=0.726×105 〔2確定動載系數(shù) V=πdn/10

33、00×60=3.14×5×17×500/1000×60=2.22m/s 齒輪精度等級為7級 查圖表 KA=1.25,KV=1.1 〔3B=5×6=30mm 〔4確定齒間分配系數(shù) 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確定齒向載荷分配系數(shù) 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

34、.094 〔6確定動載系數(shù) 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> 確定許用應(yīng)力 N1=60×35×51×300×8×16=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=350MPa S=1.4 KN=0.95 [σF]2=0.95×350/1.4=237.5M

35、Pa [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 2.6 V型帶的選擇 由于計算功率Pj=KP=1.0×4.0KW〔其中P=4.0KW,K為工作情況系數(shù),可取工作8小時,取K=1.0和N額=1440r/min,查表得出V帶應(yīng)該選擇B型帶,取小帶輪的大小125mm,則大帶輪的大小為180mm,確定中心距A和帶的基準(zhǔn)長Ld。

36、 由于中心距未給出,但我們可根據(jù)傳動的結(jié)構(gòu)需要初定長度中心距A0=1.5〔D1+D2>=1.5<125+180>=457.5mm,圓整取458mm,根據(jù)帶傳動的幾何關(guān)系,按下式計算所需代的基準(zhǔn)長度Ld,Ld’=2A0+π/2+/4a0得到Ld’=1396.5,取Ld=1433. 實際中心距： A≈L-L0/2+A0=1433-1396.5/2+458=476.25,,圓整取476mm。 驗算主動輪上的包角α1 α1=180°-A×180/π≥180°-〔180-125/476×180/π=173°＞120° 確定帶的根數(shù)

37、 P0=1.92, C1=0.98 Z=P1/P0C1=4/1.92×0.98=2.12,取三根帶大帶輪結(jié)構(gòu)如下圖2-4所示 第3章 主軸箱展開圖的設(shè)計 主軸箱展開圖是反應(yīng)各個零件的相互關(guān)系,結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸的圖紙,并以此為依據(jù)繪制零件工作圖 3.1 各零件結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計 3.1.1結(jié)構(gòu)實際的內(nèi)容和技術(shù)要求 1. 設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計主軸變速箱的結(jié)構(gòu)包括傳動件〔傳動軸,軸承,齒輪,離合器和制動器等,主軸組件,操縱機(jī)構(gòu),潤滑密封系統(tǒng),和箱體及其連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置,用一張展開圖和若干張橫截面圖表示. 2. 技術(shù)要求 主軸變速箱是指機(jī)床的主要部分,設(shè)計時除考慮一般機(jī)械傳動的有

38、關(guān)要求外,著重考慮以下幾個方面的問題: <1>精度 加工中心主軸部分要求比較高的精度主軸的徑向跳動,〔0.01mm；主軸軸向傳動 <2>剛度和抗振性 綜合剛度〔主軸刀架之間的力與相對變形之比：3400N/m 主軸與刀架之間的相對振幅的要求如下表3-1所示： 表3-1 相對振幅表 等級 I II III 振幅〔0.001mm ≤1 ≤2 ≤3 <3>傳動效率要求如下表3-2所示

39、 表3-2 傳動效率表 等級 I II III 效率 ≥0.85 ≥0.8 ≥0.75 <4>主軸總軸承處溫升和溫升控制在以下范圍如下表3-3所示 表3-3 溫升表 條件 溫度 溫升 用滾動軸承 ≤70° ≤40° 用滑動軸承 ≤60° ≤30° <5>噪聲要控制在以下范圍如下表3-4所示：

40、 表3-4 噪聲表 等級 I II III DB ≤78 ≤80 ≤83 噪音LP： LP=2010g{c1〔mzaεn+4.5〔1-tanβ〔mz主n主}-K 式中：〔mza—所有中間傳動齒輪分度圓直徑的平均值mm 〔mz主—主軸上齒輪的分度圓直徑的平均值mm q—傳到主軸所經(jīng)過的齒輪對數(shù) C1,k—系數(shù),根據(jù)類型和制造水平選取,我國中型車床,C1=3.5,k=50.5 <6>結(jié)構(gòu)簡單,緊湊,加工和裝配工藝性好,便于維修和調(diào)整 <7>操作

41、方便,安全可靠 <8>遵循標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的原則<6-10. 3.1.2 有關(guān)零件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定 傳動零件,軸,軸承是主軸部件的主要零件,其他零件的結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結(jié)構(gòu)而知。 1. 傳動軸的估算 見前一節(jié) 2. 齒輪相關(guān)尺寸的計算 齒寬影響齒的強(qiáng)度,輪齒齒寬承載能力越高。但如果太寬,由于齒輪的制造誤差和軸的變形,可能接觸不均,反而容易引起振動和噪聲,一般取齒寬系數(shù)Φm=〔6-10m,這里取齒寬系數(shù)Φm=10,則齒寬B=Φm×m=10×3=30mm,各個齒輪的齒寬確定如下表3-5所示 表3-5 各齒輪的齒度 軸及齒

42、數(shù) I 22 I 33 II 44 II 33 II 42 II 22 III 42 III 62 III 50 III 20 主軸 50 主軸 80 齒寬 20 20 20 20 25 25 25 25 24 24 24 24 由計算公式： 齒頂：dd1=〔z1+2m〔h*=1；da2=〔z2+2h* 齒根：df1=〔z1-2h*-2c*m〔c*=0.25 得到下列尺寸表,齒輪的直徑?jīng)Q定了各軸之間的尺寸,各主軸部件中各個齒輪的尺寸計算如下表3-6所示：

43、 表3-6 各齒輪的直徑 軸及齒數(shù) I 22 I 33 II 44 II 33 II 42 II 22 III 42 III 62 III 50 III 20 主軸 50 主軸 80 模數(shù)〔mm 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3 3 3 3 分度圓直徑 55 82.5 110 82.5 105 55 105 155 150 60 150 240 齒根圓直徑〔mm 48.75 76.25 103.75 76.25 98.75 48.

44、75 98.75 148.75 142.5 52.5 142.5 232.5 齒頂圓直徑〔mm 60 87.5 115 87.5 110 60 110 160 156 66 156 246 由表3-6可以計算出各軸之間的距離,現(xiàn)將它們列出如下表3-7所示： 軸 I-II II-III III-主 距離 82.5 105 150 3、軸的軸向定位 傳動軸必須在箱體內(nèi)保持準(zhǔn)確的位置,相對保證安裝在軸上各傳動件的位置正確性,不論軸是否轉(zhuǎn)動,是否受軸

45、向力,都必須有軸的定位,對受軸向力的軸,其軸向定位更重要。 回轉(zhuǎn)軸的軸向包括軸承在軸上的定位和在箱體孔中定位,在選擇定位方式時應(yīng)注意： （1） 軸的長度,長度要考慮熱伸長的問題,宜有一端定位 （2） 軸承的間隙是否需要調(diào)整 （3） 整個軸的軸向位置是否需要調(diào)整 （4） 在有軸向載荷的情況下不宜采用彈簧卡圈 （5） 加工和裝配的工藝性等 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)特點和受力情況,I,II,III,主軸均采用彈簧卡圈定位或壓蓋和軸肩定位。 4,軸承的選擇及其配置 主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承,又要有承受倆個方向 軸向載荷的推力軸承,軸承類型及型號選用主要根據(jù)主軸的剛度

46、,承載能力,轉(zhuǎn)速,抗振性,及結(jié)構(gòu)要求合理的進(jìn)行選定。同樣尺寸的軸承,線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承的剛度要高,但極限轉(zhuǎn)速要低,多個軸承的承載能力比單個軸承的承載能力要大,不同軸承承受載荷類型及大小不同,為了提高主軸組件的剛度,通常采用輕型或特輕型系列軸承。 同城情況下,中速重載采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸軸承,或者成對圓錐滾子軸承,其結(jié)構(gòu)簡單,但是極限轉(zhuǎn)速較低。高速輕載采用成組角接觸球軸承,根據(jù)軸向載荷的大小分別選用25度或者15度的接觸角。軸向載荷為主且精度要求不高時,選用推力軸承配深溝球軸承,精度要求較高時,選用向心推力軸承。 本設(shè)計的主軸不僅有剛度高的要求,

47、而且有轉(zhuǎn)速高的要求,所以在選擇主軸軸承時,剛度和速度這倆各方面必須考慮。因此,鄒城選擇如下： I軸：I軸的前后端與箱體外壁配合,配合處傳動軸的軸徑是25mm,同時I軸也不會承受軸向力故也選用深溝球軸承。型號：205 II軸：II軸與I軸相似,但是由于工作過程之中傳動可能有誤差,II軸會承受軸向力,因此II軸與外壁配合處采用圓錐滾子軸承,型號：7206 III軸：III軸與外壁配合處采用圓錐滾子軸承 型號：7207 主軸：主軸是傳動系統(tǒng)之中最為關(guān)鍵的部分,因此應(yīng)該合理的選擇軸承。從主軸末端到前端依次選擇軸承為圓錐滾子軸承,型號7214,推力球軸承：38215.圓柱

48、滾子軸承：32313 3.2 有關(guān)零件的校核 3.2.1各級轉(zhuǎn)速的校核 各級實際轉(zhuǎn)速r/min 44 89 125 177 250 360 500 1000 各級標(biāo)注轉(zhuǎn)速 r/min 45 90 125 180 250 355 500 1000 誤差 2.2% 1.1% 0% 1.7% 0% 1.4% 0% 0% 表3-8 轉(zhuǎn)速表 以上各級的轉(zhuǎn)速誤差全部滿足。 〔實際轉(zhuǎn)速—標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速/標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速＜10〔Φ-1%=10〔1.41-1%=4.1% 3.2.2 齒輪的校核 〔1I軸到

49、II軸的小齒輪從表3-2可知齒數(shù)為22 查設(shè)計手冊可得到以下數(shù)據(jù)： Z=22,u=2,m=2.5,B=8×2.5=20,nj=1000r/min,K1=1.04,K2=1.3, K3=1.3,T=TS/P=18000/2=9000 KT===3.78 接觸應(yīng)力：Kn=0.83,KN=0.58,Kq=0.64,KS=KTKnKNKq=1.16 σj=2088×1000/Zm〔Mpa N=3.8kw 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σj=1006Mpa＜1100Mpa； KT====2.54 彎曲應(yīng)力：Kn=0.83,KN=0.78,Kq=0.77,KS=KTKn

50、KNKq=1.27；Y=0.395 σw=191×105K1K2K3KSN/Zm2BYnj〔Mpa 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σw=164Mpa＜320Mpa。 綜上所述可以得出該齒輪是合格的 〔2II軸到III軸的小齒輪從上表可知為齒數(shù)為22 查設(shè)計手冊可得到以下數(shù)據(jù)： Z=22,u=2.82,m=2.5,B=10×2.5=25,nj=500r/min,K1=1.04,K2=1.3, K3=1.3,T=TS/P=18000/2=9000 KT===3 接觸應(yīng)力：Kn=0.85,KN=0.58,Kq=0.60,KS=KTKnKNKq=0.89 σj=2088×1000/Zm〔M

51、pa N=3.65kw 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σj=946Mpa＜1100Mpa； KT====2.26 彎曲應(yīng)力：Kn=0.85,KN=0.78,Kq=0.75,KS=KTKnKNKq=1.12；Y=0.395 σw=191×105K1K2K3KSN/Zm2BYnj〔Mpa 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σw=197Mpa＜320Mpa。 綜上所述可以得出該齒輪是合格的 〔3III軸到主軸的小齒輪從上表可知為齒數(shù)為20 查設(shè)計手冊可得到以下數(shù)據(jù)： Z=20,u=4,m=3,B=8×3=24,nj=500r/min,K1=1.04,K2=1.3, K3=1

52、.3,T=TS/P=18000/2=9000 KT===3 接觸應(yīng)力：Kn=0.95,KN=0.58,Kq=0.60,KS=KTKnKNKq=0.99 σj=2088×1000/Zm〔Mpa N=3.5kw 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σj=892Mpa＜1100Mpa； KT====2.26 彎曲應(yīng)力：Kn=0.95,KN=0.78,Kq=0.75,KS=KTKnKNKq=1.26；Y=0.395 σw=191×105K1K2K3KSN/Zm2BYnj〔Mpa 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得σw=177Mpa＜320Mpa。 綜上所述可以得出該齒輪是合格的 3

53、.2.3 主軸的校核 主軸的前端部撓度YS≤[Y]=0.0002×525=0.105 主軸在前軸承處得傾角θ≤容許值[θ]軸承≤0.001rad 在安裝齒輪處的傾角θ≤容許值[θ]齒≤0.001rad D平均=1.07/L總=65×16+70×78+80×236+85×160+90×150/690≈87mm E取為E=2.1×105Mpa, I=πd4〔1—d0/d/64=π874〔1—45/87/64=1356904mm4 FZ=2×955×104P主×0.9953/400×125=1268〔N FY=0.4Fz=507〔N,Fx=0.25Fz=217〔N 由于小齒輪的傳動力

54、大,這里以小齒輪來進(jìn)行計算 FQ=2×955×104P主/m主Z主n計=2×955×104×3.37×0.9953/3×20×125=8582〔N 將其分解為垂直分力和水平分力 由公式FQY+FQYtanαn=FQ,FQz=FQYtanαn 可得FQz=2015〔N,FQY=6477〔N MZ=2FZl件/3=2×1268×160/3=135253〔N·mm MY=2FYl件/3=2×507×160/3=54080〔N·mm MX=FXl件/2=317×130/2=20605〔N·mm 主軸載荷圖如下圖3-1所示 （a） 垂直平面內(nèi) （b） 水平平面內(nèi) 由上圖可知如下數(shù)據(jù)

55、：a=364mm,b=161mm,l=525mm,c=87mm 計算〔在垂直平面 Y1=-FQZabc〔l+a/6EIl,Y2=FZC2/3EIl,Y3=Y1+MZC<2l+3c>/6EIl YSZ=Y1+Y2+Y3=0.00173 θ齒1=FQZab〔b-a/3EIl,θ齒2=FZ〔2l+3c/3EI,θ齒3=MZ〔l+3c/3EI θ齒Z=θ齒1+θ齒2+θ齒3=6.9×10-5 θ軸承1=-FQZab〔l+a/6EIl,θ軸承2=FZcl/3EI,θ軸承3=Mzl/3EI θ軸承Z=θ軸承1+θ軸承2+θ軸承3=2.9×10-5 計算〔在水平面 Y1=-FQY

56、abc〔l+a/6EIl,Y2=Fy2C2/3EIl,Y3=〔MY-MX>C<2l+3c>/6EI YSY=Y1+Y2+Y3=0.017 θ齒1=FQYab〔b-a/3EIl,θ齒2=FY〔2l+3c/3EI,θ齒3=〔MY-MX>〔l+3c/3EI θ齒Y=θ齒1+θ齒2+θ齒3=13.86×10-5 θ軸承1=-FQYab〔l+a/6EIl,θ軸承2=FYcl/3EI,θ軸承3=〔MY-MX>l/3EI θ軸承Y=θ軸承1+θ軸承2+θ軸承3=32.8×10-5 合成： YS==0.018＜0.105 Θ齒===0.00015＜0.001 Θ軸承===0.000

57、33＜0.001 可以看出該主軸是合格的 第4章 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求,加工中心控制系統(tǒng)選用MCS-51系列 單片機(jī)組成,縱向,橫向,及垂直方向均采用步進(jìn)電機(jī)控制,三個坐標(biāo)均采用硬件環(huán)形分配器,控制系統(tǒng)的功能包括： 1、 Y向進(jìn)給伺服運動； 2、 鍵盤顯示 3、 面板管理 4、 行程控制 5、 其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示硬件電路主要由以下幾部分組成： 1、 主控制器,即中央處理單元〔cpu 2、 總線,包括數(shù)據(jù)總線。地址總線和控制總線 3、 存儲器,包括RAM和ROM 4

58、、 接口,即I/O輸入輸出接口電路 5、 外部設(shè)備,如鍵盤,顯示器及光電輸入等 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖4-1所示： 圖4-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4.2 選擇中央處理單元〔cpu的類型 在微機(jī)控制系統(tǒng)中cpu的選擇主要考慮以下因素： 1、 時鐘頻率和字長,這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度 2、 可擴(kuò)展存儲器的容量 3、 指令系統(tǒng)功能,影響編程的靈活性 4、 I/O口擴(kuò)展能力,即對外部設(shè)備控制的能力 5、 開發(fā)手段,包括支持開發(fā)的軟件和硬件 此外,還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場合,控制對象對各種參數(shù)的要求,以及經(jīng)濟(jì)價格比等經(jīng)濟(jì)型的要求。

59、 綜合考慮以下因素,這是我們選用8031芯片作為CPU 4.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 由于8031芯片內(nèi)部無程序存儲器,需要擴(kuò)展外部程序存儲器支持,同時8031內(nèi)部只有128B的數(shù)據(jù)存儲器供用戶使用,也不能滿足控制系統(tǒng)的要求,故需要擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 4.3.1 程序存儲器的擴(kuò)展 8031的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié),8031片內(nèi)不帶80M,用作程序存儲器的器件是EPROM。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,這里,我們擴(kuò)展2片2764程序存儲器。 1、 地址鎖存器 由于8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的,故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存

60、器,常用的地址鎖存器芯片是74LS373,74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。 2、 譯碼電路設(shè)計 由于這里擴(kuò)展的容量較大,擴(kuò)展多個外圍芯片。因此,這里使用譯碼法來進(jìn)行編址,譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片,這里我們選用3-8譯碼器〔74LS138這種芯片,輸入端占用3根最高位地址線,剩余的13根低位地址線可用作為片內(nèi)地址線,74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。 3、8031與2764芯片的連接 （1） 地址線的連接 8031芯片的P0和P2傳送地址和數(shù)據(jù)。P2傳送高8位地址,P0口傳送低8位地址和數(shù)據(jù),因此采用74LS373鎖存器,鎖

61、存低8位地址,以實現(xiàn)P0口地址和數(shù)據(jù)的分時傳送ALE作為74LS373的選用信號,當(dāng)ALE為高電平時,鎖存器的輸入和輸出透明,此時不需鎖存。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?出現(xiàn)下降沿時,低8位地址鎖存入地址鎖存器中。74LS373的輸出不再隨輸入變化,這樣P0口就用來傳送數(shù)據(jù),8031芯片的P2口和74LS373的送出P0口工作承16位地址線。2764是8KB需要13根地址線,A0-A7低8位接74LS373的芯片的輸出,A8-A12接8031芯片的P2。0-P2。4。系統(tǒng)采用全地址譯碼,理啊片2764芯片的片選信號分別接74LS373譯碼器的和,系統(tǒng)復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行。 （2） 數(shù)

62、據(jù)線的連接 2764芯片的8位數(shù)據(jù)線D0-D7與8031P0.0-P0.7,直接連接單片機(jī)規(guī)定指令碼數(shù)據(jù)都是有P0口讀入,數(shù)位對應(yīng)即可。 （3） 控制線的連接 8031芯片的〔外部程序存儲器的讀選通信號與2764芯片的端相連,8031芯片的ALE〔地址鎖存允許信號接地址鎖存器74LS373的G引腳 4.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用,遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要,因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器〔RAM,常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116〔2K×8,6264<8K×8>等,這里我們選用6264<8K×8>,擴(kuò)展2片6264, 8031與6264的連接方

63、式與8031和2764的連接大致相同,不同的是,RAM讀輸信號與8031芯片的引腳連接,RAM與輸出信號與8031的相連,由于程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址,地址可以重復(fù)使用。因此,2片6264的片選信號也分別接74LS373譯碼器的和。 4.4 控制系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制指揮中心,機(jī)床的各個執(zhí)行部件在數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下,有條不紊地工作,自動的按給定程序進(jìn)行機(jī)械零件加工。數(shù)控系統(tǒng)隨著電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,先后經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、小型計算機(jī)、微處理器及基于工控PC機(jī)的通用型系統(tǒng)6代。其中前3帶成為硬線連接數(shù)控,簡稱NC數(shù)控。目前已被淘汰；后3代成為軟件數(shù)控

64、,也稱CNC系統(tǒng),CNC系統(tǒng)的核心是計算機(jī),即由計算機(jī)通過執(zhí)行其存儲器內(nèi)的程序,來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能。也就是說CNC系統(tǒng)由硬件和軟件倆大部分組成,硬件是軟件活動的舞臺,軟件按是整個系統(tǒng)的靈魂,整個CNC系統(tǒng)的活動均依靠系統(tǒng)軟件來指揮。軟件和硬件各有不同的特點：軟件設(shè)計靈活,適用性搶,但處理速度慢；硬件處理速度快,但成本高。 總結(jié) 20XX2月,在與導(dǎo)師的交流溝通中我的題目定了下來,是：加工中心主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計。我便立刻著手從圖書館,網(wǎng)上搜集相關(guān)資料,盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多.3月,我將收集到的資料仔細(xì)整理分類并及時拿給導(dǎo)師進(jìn)行溝通,撰寫開題報告。4月,根據(jù)要求提出主

65、傳動系統(tǒng)設(shè)計的思路,擬定其方案。并進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的的設(shè)計和主傳動電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。5月,進(jìn)行相關(guān)圖紙的繪制,撰寫畢業(yè)論文及校核。 我從最初的茫然,到慢慢的進(jìn)入狀態(tài),再到對思路逐漸的清晰,直到畢業(yè)設(shè)計的完成,整個過程是很艱難而漫長的,但是給我的感觸也是很大的。這次畢業(yè)設(shè)計的制作過程是我的一次再學(xué)習(xí),再提高的過程。在設(shè)計過程中我充分地運用了大學(xué)期間所學(xué)到的知識,讓我對我所學(xué)過的知識有所鞏固和提高,并且還學(xué)到了一些新的知識,增長了見識,也更深刻的認(rèn)識了加工中心。 參考文獻(xiàn) [1]王愛玲,張吉堂,吳雁主編. 現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng).北京：國防大學(xué)出版社,2007 [2]徐錦康主編. 機(jī)械設(shè)計.

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