数控车床主传动系统结构与控制设计(共39页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业课程设计题目数控车床主传动系统结构与控制设计（1）评语组长签字：成绩日期 201 年 月 日 课程设计任务书学 院机械学院专 业学生姓名班级学号课程设计题目数控车床主传动系统结构与控制设计（1）实践教学要求与任务:1、设计内容（1）数控车床的主传动系统设计计算：绘制转速图、确定齿轮的齿数，模数，绘制主传动系统图，设计皮带轮和各个传动轴、选择轴承；（2）绘制主传动系统的展开图，校核一个传动轴的刚度、校核该轴最小齿轮刚度、强度及该轴轴承的寿命；（3）设计PLC与交流伺服电机驱动器、编码器的接线图；（4）按照加速-匀速-减速的速度曲线

2、，可正反转，设计PLC控制梯形图；（5）撰写设计计算说明书；2、主要技术参数：主轴变速范围 r/min；转速级数Z=4；电机额定转速nd=1500r/min，电机最高转速nmax=6000r/min；电机功率 11 KW；床身上最大回转直径 630mm。工作计划与进度安排:（共2周）（1）集中讲授设计内容、步骤及要求，下发设计题目及任务书，理解题目要求，查阅资料，确定结构设计方案（第16周的周一周二） （2）指导学生进行设计计算及确定设计方案、展开图设计（第16周的周三周五）（3）结构部分说明书撰写及答辩验收（第16周的周六第17周的周一上午）（4）控制方案确定及接线图设计、PLC梯形图设计（

3、第17周的周一下午周四）（5）控制部分说明书撰写及答辩验收（第17周的周四周五）指导教师： 2012 年12月1日专业负责人： 2012年12月2日学院教学副院长：2012 年12月 3 日 目录0前言 1.4估算各传动轴轴径.1.5齿轮模数的估算.1.6皮带轮的设计.1.7传动轴的验算.1.8齿轮的验算.1.9轴承的校核. 1.10明细表.2.2. 2.3.1功能顺序图. 2.3.2 PTO初始值及中断事件选择. 2.3.3PLC梯形图.结束语. 参考文献. 1.1主传动概述机床主传动是实现机床主运动的传动，属于外联系传动链，其功用是： 将一定的动力由动力源传递给执行件（如主轴或工作台）；

4、保证执行件具有一定的转速（或速度）和足够的转速范围； 能够实现运动的开停、变速、换向和制动等。主传动一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机够等组成部分。动力源给执行件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向；变速装置传递动力以及变换运动速度；执行件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。开停机构用来实现机床主轴的启动和停止的装置；换向机构用来变换机床主轴旋转方向的装置；制动机构用来控制机床主轴迅速停转的装置，以减少辅助时间。数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动要求外，还提出如下要求：1.具有更大的调速范围，并实现无级调速数控机床为了保证

5、加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有最高的转速和更大的调速范围。 2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性。3.良好的抗振性和热稳定性数控机床上一般既要进行粗加工，又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中各主要零部件

6、不但要具有一定的 静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。 一 主传动的运动设计 1转速图的拟定 分析和设计主传动系统须应用一种特殊线图，称为转速图。转速图能够清楚的表达出：传动轴的数目，主轴及各传动轴的转速级数、转速值及其传动路线，变速组的个数、传动顺序及扩大顺序，各变速组的传动副数及其传动比数值，变速规律等。首先根据最高转速和最低转速确定变速范围，选择合适的公比后再确定转速级数，绘制转速图。现举例说明：例2-1 ：已知机床的转速范围在10r/min1800r/min，电动机的最高转速为6000 r/min，额定转速为1500 r/min，电动机的额定功率P=11kW，

7、确定主轴箱结构（1）确定主轴的变速范围 （2）确定主轴的计算转速 由于数控机床主轴的变速范围大，计算转速应比计算值高些，所以圆整取计算转速nc=。（3）确定主轴的恒功率变速范围 （4）确定电动机所能够提供的恒功率变速范围 由于RnpRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取。（6）拟定转速图和功率特性图如图2.1所示图 1.1转速图和主轴功率特性图2齿轮齿数的确定（1）轴与轴的中间齿轮的齿数取 根据上式求得 且，所以满足要求。（2）轴与轴之间齿轮的齿数取

8、根据上式求得 且，所以满足要求。（3）轴与轴之间齿轮的齿数取 根据上式求得 且，所以满足要求。（4）轴与轴之间齿轮的齿数 取 根据式求得 且，所以满足要求。联立上面两式求得：Z5=55, 。图1.23主轴及各传动轴计算转速的确定： (1) 主轴计算转速的确定：根据转速图得中型车床主轴的计算转速。(2) 各轴的计算转速的确定主轴计算转速确定后，就可以从转速图上得出各传动轴的计算转速，对于上述转速图可得各传动轴的计算转速如下：2轴的计算转速：1轴的计算转速：4估算各传动轴轴径：根据传动轴传动的功率大小，用扭转刚度公式进行初步的计算。 式中 d受扭部分的最小直径（mm），计算值应圆整为标准直径系列；

9、 K键槽系数，按表选取； A根据许用扭转角确定的系数，按表2.1选取； d传动轴受扭部分的直径（mm）； P电动机额定功率 （kW）； 从电动机到所计算的轴的机械效率，见表2 被估算的传动轴的计算转速（）。由于各传动轴属于一般传动轴，所以取，所对应的，电动机的额定功率。由于1轴上一平键，所以取且 圆整后取2轴轴径的估算由于2轴为花键轴，所以取且 圆整后取3轴轴径的估算由于轴为花键轴，所以取 圆整后取5齿轮模数估算（1）第一对齿轮： ； 取标准值（2）第二对齿轮： ； ； 取标准值（3） 第三对齿轮： ；取标准值（4）第四对齿轮： ； ； 取标准值所以取m=3 两组都是6中心距的计算：D1=D2

10、=(z1+z2)m/2=150mm7分度圆的计算D1=m1z1=90mmD2=m2z2=150mmD3=m3z3=60mmD4=m4z4=180mmD5=m5z5=75mmD6=m6z6=225mmD7=m7z7=150mmD8=m8z8=150mm8皮带轮的设计 带传动是由带和带轮组成传递运动和动力的传动。根据工作原理可分为两类：摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动是机床主要传动方式之一，常见的有平带传动和V带传动；啮合传动只有同步带一种。 普通V带传动是常见的带传动形式，其结构为：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40、相对高度进似为0.7、梯形截面环行带。其特点为：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘

11、附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小。绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。其应用于：带速V2530m/s;传动功率P700kW;传动比i10轴间距小的传动。一主要失效形式 1带在带轮上打滑，不能传递动力； 2带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断； 3带的工作面磨损。 保证带在工作中不打滑的前提下能传递最大功率，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其它带传动设计的主要依据。二设计计算 普通V带传动的设计计算见表2-4。设计普通V带传动的原始数据为：传递的功率P(KW）；小、大带轮的转速n1、n2(r/min)；传动对外廓尺寸的要求；传动的工作条件。表2-4普通V带的

12、计算(1)设计功率的确定：查得工况系数(2) 选定带型：根据和确定为B型。(3)传动比：根据转速图知,传动比为(4)确定小带轮基准直径：参考表取(5)确定大带轮直径：取标准值(6) 验算带速：因为在之间，所以经济耐用。(7)初定带轮轴中心距：得： 即： 初取 (8)确定带基准长度： 选取基准长度(9)计算实际轴间距：取标准值。安装时所需最小轴间距：张紧或补偿伸长所需最大轴间距：(10)验算小带轮包角：所以小带轮包角合适。(11)单根V带的基本额定功率：根据和查得B型V带的基本额定功率。(12)单根V带的额定功率增量：考虑到传动比的影响，额定功率的增量由表查得：(13)计算带的根数：取 根。(1

13、4)单根V带的预紧力： (15)作用在轴上的力：(16)带轮的结构和尺寸：由表可查得， ， ，二 传动轴的验算轴在载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形，当这些变形超过某个允许值时，会使机器零部件工作状况恶化，甚至使机器无法正常工作，故对精密机器的传动和对刚度要求高的轴，要进行刚度校核，以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种，前者是用扭转角来度量，后者以挠度和偏角来度量。在前面我们已经用扭转刚度公式对各传动轴轴径进行了估算，下面要用弯曲刚度对轴进行刚度验算。把不等直径的阶梯轴，连同安装的零件，当成直径为d的等直径轴计算。1当载荷作用于支点间时，其计算公式为：式中 l支点间的距离，mm

14、； li，di轴上第i段的长度和直径，mm。2当载荷作用于外伸端时，其计算公式为： 式中 l支点间的距离,mm； li，di 轴上第段的长度和直径，mm； c 外伸端长度，mm。简化I轴为简支梁如图1.3所示：图1.3简化I轴简支梁2.计算轴的当量直径（mm） 3计算挠度Nmm 由公式 得 N N由于1轴2轴3轴不处于同一平面，所以先建一个直角坐标系，将以上各力投影到坐标轴上，再进行受力分析 N N带轮轴挠度合格。齿轮所以A偏角合格。偏转角合格三 齿轮的验算验算变速箱中的齿轮强度，应选择相同模数承受载荷最大的齿数最小的齿轮，进行接触应力和弯曲应力验算。一般对高速传动的齿轮验算齿面接触应力，对低

15、速传动的齿轮验算齿根弯曲应力。对硬齿面、软齿芯渗碳淬火的齿轮，一定要验算齿根弯曲应力。接触应力的验算公式为弯曲应力的验算公式为： （MPa）式中 P齿轮传递的功率（kW）；Pd, Pd电动机的额定功率（kW）； 从电动机到所计算齿轮的机械效率； nj齿轮的计算转速； m初算的齿轮模数； b齿宽(mm); Z小齿轮齿数; U大齿轮与小齿轮齿数之比，u1，“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合； KS 寿命系数；KS=KTKnKPKa KT 工作期限系数： T 齿轮在机床工作期限（TS）内的总工作时间（ h ），对于中型机床的齿轮取TS =1500020000h，同一变速组内的齿轮总工作时间可近似

16、地认为 T=TS/p ，p为变速组的传动副数； n1 齿轮的最低转速(r/min)； C0基准循环次数，查表； m疲劳曲线指数，查表； Kn速度转化系数，查表； Kp功率利用系数，查表； Ka材料强化系数，查表； KS 的极限值KSmax，KSmin见表，当KS KSmax时，则取KS= KSmax；当 KS KSmin 时，取KS = KSmin ； KA 工作情况系数，中等冲击的主运动，取KA=1.21.6； KV动载荷系数，查表； 齿向载荷分布系数，查表； Y标准齿轮齿形系数，查表； H 许用接触应力（MPa），查表； F 许用弯曲应力（MPa），查表 。如果验算结果和不合格时，可以改变

17、初算时选定的材料或热处理方法，如仍不满足时，就得采取调整齿宽或重新选择齿数及模数等措施。验算轴上Z=30，m=2.5mm的齿轮（1）齿轮接触应力的计算由公式 校核齿轮的接触应力。其中：，由公式 来确定由表查得 ，而 由转速图知 由表得 ，由表得，由表得 由表确定，由表得 ，由表得 ，取 则： 所以，齿轮的接触应力满足要求。（2）齿轮弯曲应力的验算由公式 进和计算其中：，由表可求得由表可知，由表可知，由表可知取 则： 所以，弯曲应力满足要求。机床传动轴用滚动轴承，主要是因疲劳强度而破坏，故应进行疲劳寿命计算。其额定寿命的计算公式为：（h） 或按计算负荷的计算公式进行计算：（N） 式中 Lh 额定

18、寿命（ h ）； Cj计算动载荷（N）； T 工作期限（ h ），对一般机床取T=1000015000小时，重型或精密机床可取T=2000030000小时； C 滚动轴承的额定负载（N），根据轴承手册或机床设计手册查取，单位为(kgf)时应换算成（N）； fn 速度系数， ，ni为滚动轴承的计算转速（r/mm）； fh 寿命系数， ，Lh等于轴承的工作期限； 寿命指数，对球轴承 =3，对滚子轴承 =10/3 ； fF工作情况系数，对轻度冲击和振动的机床（车床、铣床、钻床、磨床等多数机床）， fF =1.11.3； Kp功率利用系数，查表 Kn速度转化系数，查表 Kl齿轮转换工作系数，查机床设计

19、手册2上表； P当量动载荷，按机床设计手册2上计算。因为A端轴承较小，所以校核A端轴承6307，其中 N N 合成支反力为： N 查表取 对于轴承A 取e=0.23所以取，由于轴承所受力矩较小，所以取，由于轴承所受的载荷是无冲击，所以取。 由表查得 ，由表查得 ，且取，由于是球轴承， 取 所以轴承满足要求。四 明细表序号名称数量材料标准1轴用弹性垫圈165MnGB/T894.1 19862齿轮1453键6*20*351GB/T1096 20034轴1455轴套1Q2356深沟球轴承60091Q235GB/T297 19947轴套18套筒1HT2009垫片210六角螺母1GB/T812 1988

20、11测速电机112内六角圆柱头螺钉M5435GB/T5782 200013角接触球轴承7212c4GB/T297 199414端盖1HT20015轴套Q23516锁紧挡圈217轴套14518轴套14519齿轮14520键18*11*16121内六角圆柱头螺钉M44GB/T5782 200022齿轮14523齿轮14524内六角圆柱头螺钉M6435GB/T5782 200025深沟球球轴承61282GB/T297 199426齿轮14527内六角圆柱头螺钉M64GB/T5782 200028端盖1HT20029紧定螺钉130端盖1HT20031端盖1HT20032开槽沉头螺钉M344533大带轮

21、1HT250GB/T75 200034端盖1HT20035深沟球球轴承60112GB/T297 199436轴套14537深沟球球轴承60092GB/T297 199438法兰139键6*6*321GB/T1096 200340轴14541止动垫圈14542通油槽1 43套筒1Q23544内六角圆柱头螺钉M64GB/T5782 200045油管146轴套1Q23547轴套1Q23548拨叉14549深沟球球轴承60071GB/T297 199450齿轮14551齿轮14552弹性挡圈14553深沟球球轴承60071GB/T297 199454齿轮14555齿轮14556内六角圆柱头螺钉M643

22、5GB/T5782 200057端盖1HT20058套筒1Q23559角接触球轴承7208c1GB/T297 199460轴14561端盖14562齿轮14564沉头螺钉145GB/T5782 200065主轴尾部1HT20066沉头螺钉2GB/T5782 200067锥堵1200GrMnTi68主轴端部1HT20069主轴14570双列矩圆柱滚子轴承4GB/T297 199471配重172油管173内六角圆柱头螺钉M6135GB/T5782 200074端盖1HT20075弹性挡圈14576锁紧挡圈24577齿轮14578箱体11HT20079箱体21HT20080键20*12*501GB/

23、T1096 200381锁紧挡圈2452PLC控制部分2.1硬件的选择伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。

24、当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。电机选择130MB150B-。交流伺服驱动器选择为pansanic引脚接线图：S7-200 是一种小型的，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代的简单控制到更复杂的

25、。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，有关的工业及民用领域，包括各种、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，橡胶化工机械，电梯控制，。2.2系统硬件接线图2.3软件系统的设计2.3.1软件系统总体设计脉冲输出 S7-200有两个PTO/PWM发生器（脉冲串输出/脉宽调制），它们可以产生一个 高速脉冲串或者一个脉宽调制波形，分别是高速输出Q0.0和Q0.1。 PTO提供一个指定脉冲数量的方波输出（50%占空比）。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串（使用脉冲包络）。 PWM可输出周期固定但占空比可变的脉冲。以指定频率（周期）启动后，PWM持续输出。脉冲宽度根据所需的

26、控制控制要求进行变化。占空比可以表示为周期的一个百分比或者对应于脉冲宽度的一个时间值。脉冲宽度可以从0%（无脉冲，一直为低电平）变化到100%（无脉冲，一直为高电平）。由于PWM输出可以从0%变化到100%，在很多情况下，它可以提供类似于模拟量输出的数字量输出。2.3.3顺序功能图包络表V存储器地址数据V存储器地址数据VB5003（段数）VD5131000（二段脉冲数f2）VW501Vw223（一段初始周期）VW517Vw227（三段初始周期v3）VW503vw207（一段周期增量u1）VW519Vw211（三段周期增量u3）VD5051000（一段脉冲数f1）VD5211000（三段脉冲数f

27、3）VW509Vw225（二段的初始周期v2VW511vw209（二段周期增量u2）2.3.2 PTO初始值及中断事件选择中断事件的选择图2.7中断事件的优先级顺序因为需要使电机完成所需要的步骤后停止，也就是当PTO事件完成时中断，所以选择19事件号。 图2.8PTO/PWM控制字节选取PTO多段1/周期，故选16#A0控制寄存器。图2.9 PTO/PWM控制寄存器与有关的特殊存储器选取SM66.7，PTO0空闲位，0=PTO正在运行，1=PTO空闲。使Q0.0，多段管线，周期为us，共有五段包络曲线，起始字节为VB500，中断事件19。梯形图参考文献陈白宁，段智敏.机电传动控制基础.第1版.东北大学出版社,2008. 何军红.西门子PLC编程与工程应用.第1版.化学工业出版社，2011. 赵嵬.西门子S7-200/300系列PLC入门.第1版.电子工业出版社，2011. 孙平.可编程控制器原理及应用.第2版.高等教育出版社，2008. 朱玉玺.计算机控制技术.第二版.电子工业出版社，2010. 濮良贵.机械设计.第八版.高等教育出版社.2006. 关慧贞.机械制造装备设计.第三版.机械工业出版社.2014. 李育锡.机械设计课程设计.第一版.高等教育出版社.2008.专心-专注-专业