98数控机床设计2总体设计

•第二章数控机床的总体设计•总体设计的任务：技术参数设计；总体布局设计•§2-1数控机床的主要参数确定尺寸参数：表征机床加工能力及自身尺寸大小的参数运动参数：表征机床运动大小的参数动力参数：表征机床动力性能的参数一、尺寸参数尺寸参数：与加工有关的参数，机床所能加工或安装的最大工件的尺寸，反映机床加工性能。包括机床的主参数、第二主参数(选用参考通用GB1838-85，专用GB321-64)和其他一些结构尺寸参数。1、主参数机床的主参数是代表机床规格大小的一种参数。各类机床以什么尺寸作为主参数已有统一的规定。可以从机床型号中体现出来。•卧式车床是床身上工件的最大回转直径/10；•齿轮加工机床是最大工件直径/10；•外圆磨床是最大磨削直径/10；•无心磨床是最大磨削直径；•升降台铣床、矩台平面磨床是工作台面宽度/10；•龙门刨床、龙门铣床是工作台工作面宽度/100；•卧式铣镗床是主轴直径/10；•立式钻床、摇臂钻床是最大钻孔直径；•牛头刨床、插床是最大刨削和插削长度/10。(以上单位均为mm，)•也有的机床不用尺寸作为主参数，如拉床的主参数是额定拉力。单位KN/10。2、第二主参数第二主参数是直接反映机床加工范围的重要参数之一。对机床的轮廓尺寸、重量等影响很大。一般指主轴数、最大跨距、工作台工作面长度、最大加工工件长度、最大模数等。•卧式车床的第二主参数是最大工件长度；•铣床、龙门刨床是工作台工作面长度；•摇臂钻床是最大跨距；•滚齿机是最大模数3、其他一些尺寸参数(结构参数)普通车床常常还要确定在刀架上工件的最大回转直径和主轴孔允许通过的最大棒料直径等；3、其他一些尺寸参数(结构参数)摇臂钻床还要确定主轴下端面到底座间的距离H(最大~最小)，主轴的最大伸出量h等。确定尺寸参数的方法有三种：•通用机床：按系列化设计的规定。例：中型车床主参数为250、320、400、500、630、800、1000。•专用机床：根据被加工零件的尺寸来决定。•类比法：参照现有同类机床的参数确定。二、运动参数是指机床的执行机构(如主轴、刀架、工作台等)的运动速度。包括主运动参数、进给运动参数。1、主运动参数①主运动是回转运动的机床，主运动参数是主轴转速。例：工件的回转运动（车床）和刀具的旋转运动（铣床）。转速(r/min)与切削速度的关系是式中：n——转速(r／min)；v——切削速度(m／min)；d——工件(或刀具)直径(mm)。②主运动是直线运动的机床，主运动参数是每分钟的往复次数（次/分）。例：插床、刨床。1)最低nmin和最高nmax转速的确定确定的方法是实际调查和比较同类型机床，并考虑技术储备再通过分析研究加以确定。nmax和nmin的比值是变速范围R：确定最低与最高转速时应注意：调查和分析所设计的机床上可能进行的工序，从中选择要求最低、最高转速的典型工序。按照典型工序的vmax（或vmin)时常用的dmin(或dmax)值，计算主轴的最高转速、最低转速(极限转速)。考虑技术储备，可将计算的最大值提高20%-25%。在确定nmin和nmax中要防止两种偏向：只考虑到制造方便，片面强调简单因而不能很好地满足用户的需要；片面强调“先进”，扩大机床的变速范围，致使机床结构过于复杂，造成浪费。例:φ400mm中型普通车床nmax和nmin的确定nmax:用硬质合金刀具半精车钢件时，合理的切削速度vmax取200m/min，加工轴最小值dmin为50mm。（算出1274转/分，CA6140为1400）nmin:高速钢刀具精车螺纹时，vmin取1.5m/min，加工丝杆最大值dmax为40mm。（算出12转/分，CA6140为10）dmin、dmax的推荐值对于卧式车床，如用Dmax表示床身上的最大回转直径(即其主参数)，通常可取最大和最小加工直径dmax=(0.5～0.6)Dmax，dmin=(0.2～0.25)dmax；对于摇臂钻床，如用Dmax表示最大钻孔直径(即其主参数)，通常可取dmax=Dmax，dmin=(0.2～0.25)dmax。2）主轴转速的合理排列方式为了满足各种不同工艺的要求，主轴必须有若干不同的转速，如采用分级变速方式。例：有一台车床，主轴转速(r／min)共12级，分别为31.5、45、63、90、180、250、355、500、710、1000、1400。呈等比数列，公比为φ=1.41等比数列的优点①使转速范围内的转速相对损失均匀。若加工某一工件最有利的转速为n。通常n处于某两级转速nj，nj+l之间，为了不降低刀具耐用度，以采用较低的转速nj为宜。•相对转速损失率为：•最大的相对转速损失率等比数列的优点所以，目前通用机床的主轴转速数列一般为等比数列，并且，当进给运动无特殊要求时，进给量也应按这种方式排列。②简化了主传动系统的设计。按等比数列排列的主轴转速，一般只要用几个滑移齿轮变速组串联一起即可得到，当变速组的各传动比是等比数列时，各传动比的积即主轴转速也是等比数列。这种变速系统充分利用了每一对滑移齿轮的传动比，即用较少数量的齿轮实现较多的变速级数，既使结构简单，又便于传动系统设计。等比数列的优点3）标准公比和标准数列机床转速是从小到大递增的，因此φ1。公比φ增大，最大相对速度损失Amax增大。为使最大相对转速损失率不超过50％，即则φ≤2。因此①标准公比的值1＜φ≤2标准公比的值1.062=1.12，1.064=1.26，1.066=1.41，1.068=1.58，1.0612=2。•这些数值是2或10的某次方根。②标准公比的值采用二进位。公比φ选2的某次方根，便于采用双速电机驱动，简化机床结构。因双速电机的两个同步转速的比值常为2，如3000/1500或1500/750。公比φ选2的某次方根，如在转速数列中有某一转速n,则每隔几级就会出现一个转速2n。标准公比的值标准公比的值③标准公比的值采用十进位。公比φ选10的某次方根，就会使这个等比数列中每隔几级后的数字，恰好是前面数字的10倍，使数列整齐好记。以上是标准公比值所遵循的三条原则。同时满足三条原则的公比：1.06、1.12、1.26（计算用1.25）满足其中两条原则的公比:1.41、1.58、2标准公比的值以1.06为公比的从1～10000的数值当采用标准公比后，转速数列可从表7—1中直接查出。例，设计一台卧式车床，nmin=12.5r／min，nmax=2000r／min，φ=1.26。查表7—1，首先找12.5，然后，每隔3个数(1.26=1.064)取一个值，可得如下数列：12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000等23级。变速范围R、公比φ、转速级数z的关系变速范围一定时，公比值越小，转速级数Z越多，传动系统结构越复杂，但相对速度损失、生产率损失也越小。反之，公比增大，级数Z越少，传动系统结构越简单，但最大相对速度损失增大。变速范围变速范围R、公比φ、转速级数z的关系对于一般生产率要求较高的普通机床，为使转速损失不大，机床结构又不过于复杂，所以公比φ取得较小，如1.26或1.41等，。对于非自动化小型机床，公比应取大一些。因在这些机床上，辅助时间较多，而切削加工时间所占的比例不大，转速损失的影响不很显著。公比大可以简化构造一般取=1.58、1.78或2。4、公比的选用对于大批、大量生产的专用机床、自动化机床，公比应取小一些。因这些机床的生产率较高，转速损失的影响较显著。一般取=1.12或1.26。对于大型机床，公比应取小一些。因在大型机床上的切削加工时间较长，转速损失的影响较显著。一般取=1.26或1.12及1.06。2、进给运动参数进给传动链为外联系传动链时，为使相对损失为一定值，则进给量的数列也应取等比数列。对于往复主运动机床，如刨床、插床，进给运动是间歇的，为使进给机构简单，采用了棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数而定，是等差数列。对于大批、大量生产用的自动和半自动车床，常用交换齿轮来调整进给量，这时可以不按一定的规则，用交换齿轮选择最有利的进给量。卧式车床因为要车螺纹，进给分级就应根据螺纹标准而定，它不是一个等比数列，而是一个分段的等差数列。工程应用中：数控机床和重型机床的进给为无级调整；普通机床多采用分级调整。为使相对损失为一定值，进给量的数列也应取等比数列。有的往复主运动机床，是等差数列。卧式车床，进给箱的分级是根据螺纹标准而定，是一个分段的等差数列。三、动力参数动力参数包括电动机的功率，液压缸的牵引力，液压马达、伺服电动机或步进电动机的额定转矩等。动力参数可以通过调查、试验、计算的方法进行确定。1、主运动功率的确定1）当主传动结构已确定，可用下式计算：机床主运动的功率，包括切削功率、空转功率损失、附加机械摩擦损失三部分。F：切削力的切向分力N；V：切削速度m/minP切：进行切削加工时消耗切削功率。与刀具材料、工件材料和所选用的切削用量的大小有关。P空：机床主运动空转时（P切=0），消耗的功率损失。其主要影响因素是：各传动件在空转时摩擦损耗，搅油，空气阻力以及因加工，装配误差而增加的摩擦等。P机：切削时传动机件的机械摩擦损失功率。与传动机件的机械效率有关。切削功率越大，这部分损失也越大。η机:主传动链总机械效率。表7-2中型机床的主传动空载功率可用下列经验公式计算P空=式中:da-除主轴外所有传动轴的轴颈平均直径(mm)d主-主轴前、后轴颈的平均直径(mm)-当主轴转速为n主时，除主轴外所有传动轴(包括不传递载荷仅做空转的轴)的转速之和。n主-主轴转速,计算时为nmaxk1-润滑油粘度影响的修正系数N46：k1=1N32：k1=0.9k2-支承修正系数二支承为8.5，三支承为1062110)5.3(主主ndkndkiain可以近似地认为主传动的空载功率与各动轴的转速之和成正比，这就是空载功率试验的原理。见表7-4例:CA6140P空=2.1-2.3kwP主=7.5kw2）当主传动结构尚未确定，可用下式初步估算：P主=P切／η机主运动为回转运动：η机=0.7-0.85。主运动为直线运动：η机=0.6-0.7。结构简单取大值，反之取小值。2、进给运动功率的确定在进给运动与主运动共用一个电动机的普通机床上，如卧式车床和钻床，由于进给运动所消耗的功率与主运动相比是很小的，因此可以忽略进给所需的功率。在进给运动与空行程运动共用一个电动机的机床上，如升降台铣床，也不必单独考虑进给所需的功率，因为使升降台快速上升所需的空行程运动功率比进给运动的功率大得多。2、进给运动功率的确定数控机床的进给运动是用单独的伺服电动机驱动的。进给运动采用单独的普通电动机的机床，需要确定进给运动所需的功率。方法：参考同类型机床和计算相结合。2、进给运动功率的确定进给功率PS(kW)FQ——进给牵引力（N），VS——进给速度（m/min）ηs——机械效率§2-2数控机床的总体布局•总体布局：确定机床各主要部件之间的相对位置关系以及它们之间所需的相对运动关系。•布局的目的是按照简单、合理、经济的原则，寻求一种可能实现加工要求的最优方案，它与工件的加工工艺过程有着密切的关系。•首先要确定加工对象和加工方法，而后考虑机床必须具备的几种运动和相应部件的布局与安排，部件之间的相互联系。•一、影响数控机床总体布局的工艺因素•(一)表面形成方法对总体布局的影响•加工不同形状的工件，需要不同的加工方法，从而设计不同型式的机床来完成。•轴流式水轮机叶片的形状，是一个空间任意曲面，且无数学模型，轮廓曲线常用坐标点表示。•1.加工方法的选择：•若采用车削，则主运动速度很高，其它几个坐标的进给速度要与车削速度维持一定联系，进给驱动伺服系统的跟踪速度就要很快，目前不易解决。•若采用磨削，磨削面积很大，砂轮磨损无一定规律，补偿较复杂；另外