XK5040数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计.doc
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1、(完整版)XK5040数控铣床主轴箱、进给机构及控制系统设计引 言 数控机床是一种高技术设备,它可以通过改变数控程序,适应不同零件的自动加工,而且可以采用较大的切削用量,利用软件进行精度校正和补偿,从而提高生产效率、加工精度和加工质量,可以实现工序集中、一机多用,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点.本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。 数控铣床是机械和电子技术相结合的产物,它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用,以及铣床性能提出的新
2、要求,而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统,其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计第一章 总体设计1.1、铣床简介铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、沟槽(键槽、T型槽、燕尾槽等)、多齿零件上齿槽(齿轮、链轮、棘轮、花键轴等)、螺旋形表面(螺纹和螺旋槽)及各种曲面。此外,它还可以用于加工回转体表面及内孔,以及进行切断工作等。由于铣床使用旋转的多齿刀具加工工件,同时有数个刀齿参加切削,所以生产效率高,但是,由于铣刀每个刀齿的切削过程是断续的,且每一个的切削厚度又是变化的
3、,这就使切削力相应地发生变化,容易引起机床振动,因此,铣床在结构上要求有较高的刚度和抗振性。铣床的类型很多,主要类型有:卧式升降台铣床、立式升降台铣床、龙门铣床、工具铣床和各种专门化铣床等.随着科学技术的进步,数控铣床得到了越来越广泛的应用,它一般分为立式和卧式两种,一般数控铣床是指规格较小的升降台数控铣床,其工作台宽度多在400mm以下,规格较大的数控铣床,例如工作台宽度在500mm以上的,其功能已向加工中心靠近,进而演变成柔性制造单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床,也称两轴半控制,即X、Y、Z三个坐标轴中,任意两个都可以联动。一般情况下,在数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。对于有
4、特殊要求的数控铣床,还可以加进一个回转的A坐标或C坐标,即增加一个数控分度头或数控回转工作台,这是机床的数控系统为四坐标的数控系统,它可用来加工旋转槽、叶片等立体曲面零件。我们本次设计过程中要接触到的为XK5040数控立式铣床.它的工作台宽度为400mm。1。2、 XK5040型数控铣床的主要技术参数及总传动图1。2.1 XK5040型数控铣床的主要技术参数机床设计的初使,首先需确定有关参数,它们是传动设计和就亿个度微设计的依据,影响到产品是否能满足所需要的功能要求,因此,参数拟定是机床设计中的重要问题。机床参数有主参数和基本参数。主参数是最重要的,它直接反映机床的加工能力、特性、决定和影响其
5、他基本参数的数值。如铣床的工作台宽度等。基本参数是一些与加工工件尺寸、机床结构、运动和动力特性有关的参数。可归纳为:尺寸参数、运动参数和动力参数。XK5040型数控铣床的主要技术参数如下:工作台:工作台尺寸(长宽) 1600400mm工作台最大纵向行程 900mm工作台最大横向行程 375mm工作台最大垂直行程 400mm工作台T型槽数 3工作台T型槽宽 18mm工作台T型间距 100mm主轴:主轴锥度 50#(7:24)主轴孔径 27mm刀杆直径 32mm或50mm主轴前轴承直径 90mm主轴轴向移动距离 70mm部件间主要尺寸:立铣头最大回转角度 45主轴端面到工作台面的距离 50400m
6、m主轴中心线至床身垂直导轨距离 430mm工作台侧面至床身垂直导轨距离 30405mm机动性能:主轴转速级数 18主轴转速范围 301500r/min动力外形:主电机功率 7。5KW主电机转速 1450r/min工作台进给量:纵向 101500mm/min横向 101500mm/min垂直 10600mm/min定位精度ISO标准 X 0。07mm Y 0.05mm Z 0。06mm重复定位精度ISO标准 0.03mm工作台最大承载 200kg机床外形尺寸(长宽高) 2495mm2100mm2170mm机床重量 约2700kg1.2.2 总传动系统图 XK5040立式铣床的总的传动系统图如图1
7、.2所示。图1。2 XK5040总传动系统图第二章主运动系统设计2。1 传动系统设计2。1。1参数的拟定选定公比,确定各级传送机床常用的公比 为1。26或1.41,考虑适当减少相对速度损失,这里取公比为 =1.26,根据给出的条件:主运动部分Z=18级,根据标准数列表,确定各级转速为:(30,37。5,47.5,60,75,95,118,150,190,235,300,375,475,600,750,950,1180,1500R/min)。2.1.2 传动结构或结构网的选择1 确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大,必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速
8、。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成,各传动组分别有。 .个传动副,即Z=.传动副数由于结构的限制,通常采用P=2或3,即变速Z应为2或3的因子:Z=x因此,这里18=3x3x2,共需三个变速组。2 传动组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组,可以排成:3x3x2,或3x2x3。选择传动组安排方式时,要考虑到机床主轴变速率的具体结构,装置和性能。I轴如果安置制动的电磁离和器时,为减少轴向尺寸.第一传动组的传动副数不能多,以2为宜,有时甚至用一个定比传动副;主轴对加工精度,表面粗糙度的影响很大,因此主轴上齿轮少些为好,最后一个传动组的传动副选用2 ,或一个定比传动副。这里,根据前多后少的原
9、则,选择18=3x3x2方案。3 传动系统的扩大顺序安排 对于18=3x3x2的传动,有3!=6种可能安排,亦即有6种机构副和对应的结构网,传动方案中,扩大顺序与传动顺序可以一致,结构式18=xx的传动中,扩大顺序与传动顺序一致,称为顺序扩大传动,而,18=xx的传动顺序不一致,根据“前密后疏”的原则,选择18=xx的结构式.4 验算变速组的变速范围 齿轮的最小传动1/4,最大传动比2,决定了一个传动组的最大变速范围=/因此,可按下表,确定传动方案:根据传动比及指数 x, 的值公比极限值传动比指数1.26x值: =1/=1/46值: =23(x+)值:=89因此,可选择18=xx的传动方案。5
10、 最后扩大传动组的选择正常连续顺序扩大传动(串联式)的传动式为:Z=*最后扩大传动组的变速范围为:r=按原则,导出系统的最大收效Z和变速范围为: 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此,传动方案18=332符合上述条件,其结构网如下图2。1:图2.1 结构网图2.1.3 转速图拟定运动参数确定后,主轴各级转速就已知,切削耗能确定电机功率。在此基础上,选择电机的型号,分配个变速组的最小传动比;拟定转速图,确定各中间轴的转速。1 主电机的选择中型机床上,一般都采用交流异步电动机为动力源,可在下列中选用,在选择电机型号时,应注意:(1)电机的N:根据机床切削能力的要求确定电机功率,但电
11、机产品的功率已标准化,因此,按要求应选取相近的标准值.(2)电机的转速异步电动机的转速有:3000,1500,1000,750,r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p ( r/min)机床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 两种,选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜,以免采用过大或过小的降速传动。 根据以上要求,我们选择功率为7。5KW,转速为1500r/min的电机,查表,其型号为Y132M-4,其主要性能如下表电机型号额定功率KW 荷载转速r/min同步转速r/minY132M47.5KW144015002 分配最小传动比,拟定转速
12、图 (1)轴的转速: 轴从电机得到运动,经传动系统转化为主轴各级转速,电机转速和主轴最小转速应相近,显然,从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑,轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时,高速下摩檫损耗,发热都将成为突出矛盾,因此,轴转速也不宜也太高,轴转速一般取7001000r/min左右较合适. 因此,使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸,在电机轴I到主传动系统前端轴增加一对26/54的降速齿轮副,这样,也有利于变型机床的设计,改变降速齿轮传动副的传动比,就可以将主轴18级转速一起提高或降低。 (2)中间轴的转速 对于中间传动轴的转速的考虑原则是:妥善解决结构尺
13、寸大小和噪音,振动等性能要求之间的矛盾。 中间传动轴转速较高时,中间传动轴和齿轮承受扭矩小,可以使轴径和齿轮模数小些: d, m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大:=1/(3。5+cn)KW式中:C-系数,两支承滚动轴承和滑动轴承C=8。5,三支承滚动轴承C=10;所有中间轴轴径的平均值;-主轴前后轴径的平均值中间传动轴的转速之和n主轴转速(r/min)=20lgK式中:(-所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;-主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角,K-系数,根据机床类型及制造水平选取,我国中型车床,铣床=3.5,车床K=54,铣床K=
14、50。5 从上述经验公式可知,主轴n和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系,确定中间轴转速时,应结合实际情况做相应的修正。a,对高速轻载或精密机床,中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度v8m/s(可用级齿轮精度),在此条件下,可适当选用较高的中间轴转速.(3),齿轮传动比的限制机床主传动系统中,齿轮副的极限传动比:a, 升速传动中,最大传动比 2 ,过大,容易引起振动的噪音。b, 降速传动中,最小传动比 1/4。过小,则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大.(4)分配最小传动比a,决定轴V-VI和VI的传动比,根据台式铣床的结构特点,及对同类车床的比较,为使传动平稳取其传动比
15、为1,b,决定各变速组的传动比;由前面2轴的转速及中间轴转速的分析,及齿轮传动比的现在,根据“前缓后急”的原则,取轴IV-V的最小降速比为极限值的1/4,=1。26,=4,轴III-IV和轴IIIII均取=1/(5)拟定转速图:根据结构图及结构网图及传动比的分配,拟定转速图,如下图2.2所示: 图2。2 传动系统图2.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制1 齿轮齿数的确定的要求可用计算法或查表确定齿轮齿数,后者更为简便,根据要求的传动比u和初步定出的传动副齿数和,查表即可求出小齿轮齿数:选择是应考虑:a,传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数,即:推荐:对轴齿轮=12,特殊情况下=11,对套装在
16、轴上的齿轮,=16,特殊情况下=14,对套装在滚动轴承上的空套齿轮,=20;当齿数少于不发生根切的最小齿数时(压力角a=20的直齿标准,=17),一般需对齿轮进行正变位修正。b,保证强度和防止热处理变形过大,齿轮齿根圆到键槽的壁厚,一般取则,如图2.3所示。c、同一传动组的个齿轮副的中心矩应相等。若摸数相等时,则齿数和亦相等,但由于传动比要求,尤其是在传动中使用了公用齿轮后,常常满足不了上述要求,机床上可用修正齿轮,在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大,一般齿数差不能够超过34个齿。2 变速传动组中齿轮齿数的确定 为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸,这里采用了公用齿轮。但由于公用
17、齿轮的采用,使两个传动组间的传动比互相牵制,不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸,因此,径向尺寸一般较大,此外,公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数.查机床设计手册确定个齿轮齿数如下: 轴II-III间变速齿轮齿数的确定:由于公比=1.26,传动比为=1/=,=1/=,=1/设:传动组中最小齿轮齿数=16,查机床设计手册表7.314可查得:=16/39 (0。1),=19/36 (0.9),=22/33 (0。3)齿数和为=55公用齿轮选为=39轴IIIIV间变速组齿轮齿数的确定:传动比为=1/ =1/ =根据=,主动轮齿数为39,从表7.31
18、4可查得:=18/47 (0。1),=28/37 (0.9%),=39/26 (-0。3%)齿数和为:=65轴IVV间变速组齿轮齿数的确定:由于变数组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大齿轮副的速度变化,受力差别较大,为了得到合理的结构尺寸,可采用不同模数的齿轮副。轴IVV间的两对齿轮,其传动比为=1/4, =2分别取,则取,x3=90, =30x4=120按传动比将齿数分配如下:=1/4=18/7219/71 ,=2=80/4082/38轴VVI及VI-VII间齿数确定,由于这两个传动组只是改变传动方向,不起便速度作用,只需考虑其结构尺寸及磨损振动和噪音等因素.,取VVI轴间锥材料齿轮齿数为,
19、I-VII轴间齿轮齿数为67。3 主轴转速系列的验算主轴转速在使用上并要求十分准确,转速稍高或稍低并无太大影响,但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。 由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符,需要验算主轴各级转速,最大误差不得超过即主轴的各级实际转速分别为:29。4,37.8,47。7,58,74.6,94.3,115,148,187,236.7,304。5,384.6,468,602,760,927,1192。6,1526。5 r/min=2%而=2.6故符合条件同理:经验算,其他各级转速也满足要求。4 传动系统图的绘制 转速图和齿轮齿数确定后,变速箱的结
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