数控车床主传动系统结构与控制设计

沈阳理工大学课程设计专用纸№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年月日沈阳理工大学课程设计专用纸1沈阳理工大学№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，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11KW；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（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日沈阳理工大学课程设计专用纸2沈阳理工大学№目录0前言1主传动系统............................................................................................11.1主传动概述...............................................................................1.2主运动系统的参数...............................................................1.3齿轮齿数的确定....................................................................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...................................................................................2PLC控制部分..........................................................................................2.1硬件的选择............................................................................2.2系统硬件接线图....................................................................2.3软件系统的设计....................................................................2.3.1功能顺序图……………………………………...….2.3.2PTO初始值及中断事件选择…………………......2.3.3PLC梯形图………………………………………....结束语.................................................................................................参考文献.................................................................................................沈阳理工大学课程设计专用纸3沈阳理工大学№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：①将一定的动力由动力源传递给执行件（如主轴或工作台）；②保证执行件具有一定的转速（或速度）和足够的转速范围；③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。沈阳理工大学课程设计专用纸4沈阳理工大学№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nR，选择合适的公比f后再确定转速级数z，绘制转速图。现举例说明：例2-1：已知机床的转速范围在10r/min~1800r/min，电动机的最高转速为6000r/min，额定转速为1500r/min，电动机的额定功率P=11kW，确定主轴箱结构．（1）确定主轴的变速范围nRmaxmin180010010nnRn（2）确定主轴的计算转速cn0.30.3min1010071.659mincnnnRr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=min100r。（3）确定主轴的恒功率变速范围npRmax180022.580npcnRn（4）确定电动机所能够提供的恒功率变速范围dpR415006000maxddpnnR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4Z。（6）拟定转速图和功率特性图如图2.1所示沈阳理工大学课程设计专用纸5沈阳理工大学№图1.1转速图和主轴功率特性图2．齿轮齿数的确定（1）Ⅰ轴与Ⅱ轴的中间齿轮的齿数取301minZZ111/'0.6uZZ根据上式求得150z且1180120zz，所以满足要求。（2）Ⅱ轴与Ⅲ轴之间齿轮的齿数取min220ZZ222/'0.33uZZ根据上式求得260Zz且2280120zz，所以满足要求。（3）Ⅲ轴与Ⅳ轴之间齿轮的齿数取min325ZZ333/'0.33uZZ根据上式求得3'75Z且33100120zz，所以满足要求。沈阳理工大学课程设计专用纸6沈阳理工大学№（4）Ⅳ轴与Ⅴ轴之间齿轮的齿数取min450ZZ444/'0.99uZZ根据式求得450Z且44100120zz，所以满足要求。联立上面两式求得：Z5=55,550z。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80minvnr。(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：1250minnr1轴的计算转速：2750minnr4．估算各传动轴轴径：沈阳理工大学课程设计专用纸7沈阳理工大学№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。4jnPKAd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；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）；η——从电动机到所计算的轴的机械效率，见表2jn——被估算的传动轴的计算转速（minr）。由于各传动轴属于一般传动轴，所以取[]m1，所对应的92A，电动机的额定功率kWP11。由于1轴上一平键，所以取05.1K94.099.099.096.01齿轴承带且1750minnr14411110.941.059233.1750PdkAmmn圆整后取mmd3512轴轴径的估算由于2轴为花键轴，所以取0.93K2232轴承齿0.940.990.990.91且3250minnr34433110.870.939238.27250PdkAmmn圆整后取340dmm3轴轴径的估算由于Ⅳ轴为花键轴，所以取93.0K443轴承齿0.910.990.990.89min1254rn44444110.810.939257.1318PdkAmmn沈阳理工大学课程设计专用纸8沈阳理工大学№圆整后取458dmm5齿轮模数估算（1）第一对齿轮：1750minnr；301Z；10.6u；33122221111.680.41116300163002.408300.41250750mjuPmZun取标准值5.21m（2）第二对齿轮：2250minnr；220Z；20.33u；332222222130.51116300163002.71