1885_XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì),_xka5750,數(shù)控,銑床,傳動系統(tǒng),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述院 ( 系 ) 名 稱 工 學(xué) 院 機(jī) 械 系專 業(yè) 名 稱 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動 化學(xué) 生 姓 名 韓 利 國指 導(dǎo) 教 師 閆 存 富2012 年 03 月 10 日黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 1 頁 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)研究摘要: 簡要介紹了數(shù)控銑床及加工中心的主傳動系統(tǒng)的類型和特點(diǎn),重點(diǎn)對兩段變速主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和特性參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算,通過分析這些參數(shù)的相互關(guān)系及其對結(jié)構(gòu)和性能的影響,得出一些有參考價值的結(jié)論。同時對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的理論也有簡單的論述。關(guān)鍵詞: 傳動系統(tǒng),功率缺口,扭矩,減速比前言主傳動系統(tǒng)是銑床傳動系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的銑床主傳動系統(tǒng)采用有級傳動方式, 其計(jì)算和設(shè)計(jì)方法早已有詳細(xì)論述。隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展, 數(shù)控銑床和加工中心的主傳動系統(tǒng)已普遍采用無級傳動方式。盡管一些大型的機(jī)床設(shè)計(jì)手冊對無級傳動方式的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)方法已有論述, 也已形成一些設(shè)計(jì)原則, 但機(jī)械加工對主軸無級傳動系統(tǒng)的要求多種多樣, 隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展, 隨著機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越理性化, 在進(jìn)行主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要對各主要技術(shù)參數(shù)和特性參數(shù)如高、低檔減速比、主軸額定轉(zhuǎn)速、功率損失等進(jìn)行計(jì)算, 對這些參數(shù)的相互關(guān)系和相互影響以及對結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行分析。文中對主傳動系統(tǒng)各主要設(shè)計(jì)參數(shù)和特性參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算和相互關(guān)系分析, 得出了一些較為適用的結(jié)論, 現(xiàn)介紹如下。同時也簡單的設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(jì)的相關(guān)論。1 主軸無級傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)主軸無級傳動系統(tǒng)主要由無級調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動單元和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)組成。1.1 無級調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動主要機(jī)械特性無級調(diào)速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速拐點(diǎn), 即額定轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)為: 小于額定轉(zhuǎn)速的為恒扭矩范圍, 大于額定轉(zhuǎn)速的為恒功率范圍, 其特性曲線如圖1 所示。額定轉(zhuǎn)速一般有500r/min、750r/min、1000r/min、1500 r/min、2000r/min等幾種, 按照成本原則, 通常使用較多的為1500r/min。如果直接使用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min 以上的電機(jī)而不經(jīng)過機(jī)械減速, 則輸出的恒功率范圍和低速扭矩較小, 不能滿足很多場合下的正常使黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 2 頁 用要求。圖1.無級調(diào)速電機(jī)特性曲線1.2 主軸無級傳動系統(tǒng)中的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)種類及特點(diǎn)( 1) 直接1:1 傳動 可采用電機(jī)與主軸組件直聯(lián)方式或通過同步帶傳動方式,結(jié)構(gòu)簡單, 易獲得高轉(zhuǎn)速, 但低速扭矩小, 一般只適用于高速和輕切削場合。( 2) 直接減速或升速傳動常采用同步帶傳動方式, 也可采用齒輪傳動方式, 結(jié)構(gòu)簡單。對于減速傳動, 可擴(kuò)大恒功率范圍和提高主軸扭矩, 但擴(kuò)大和提高程度有限, 或最高轉(zhuǎn)速受到限制。對于升速傳動, 可獲得高轉(zhuǎn)速, 但縮小了恒功率范圍, 降低了低速扭矩。( 3) 高低檔兩段變速傳動一般采用齒輪兩檔變速機(jī)構(gòu), 可配合較為經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機(jī), 既可獲得較高轉(zhuǎn)速, 又可較大地拓寬恒功率范圍, 提高低速扭矩, 適合于要求達(dá)到較高轉(zhuǎn)速且可進(jìn)行較大切削量加工的場合。( 4) 高、中、低檔三段變速傳動采用齒輪三檔變速機(jī)構(gòu), 配合較為經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較大的無級調(diào)速電機(jī), 既可獲得較高轉(zhuǎn)速, 又可大大拓寬恒功率范圍,大大提高低速扭矩, 適合于要求達(dá)到較高轉(zhuǎn)速且可進(jìn)行大切削量加工的場合, 其機(jī)械性能幾乎與齒輪有級變速方式相同。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 且由于采用齒輪多級傳動方式, 最高轉(zhuǎn)速受限更大,目前這種傳動方式黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 3 頁 很少采用。從以上介紹可知, 各種傳動方式各有優(yōu)缺點(diǎn), 關(guān)鍵是根據(jù)不同的使用要求選擇不同的傳動方式 [1]-[3]。1.3 關(guān)于高低檔兩段變速傳動方式從以上分析可以看出, 采用高低檔兩段變速傳動方式, 既可獲得較高轉(zhuǎn)速, 又可較大的拓寬恒功率范圍, 較大的提高低速扭矩, 且結(jié)構(gòu)要比三段變速簡單, 因此是較為理想的傳動方式。特別是, 出于對電控系統(tǒng)價格的考慮, 我們經(jīng)常采用額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 主軸電機(jī)。當(dāng)選用額定轉(zhuǎn)速大于或等于1000r/min 的主軸電機(jī), 且又要求具有較大的輸出恒功率范圍、較大的主軸低速扭矩和較高的主軸轉(zhuǎn)速, 則必須采用高低檔兩段變速傳動方式。同時可以看出, 高低檔兩段變速傳動方式的計(jì)算和設(shè)計(jì)要比直接傳動方式復(fù)雜得多。不同的參數(shù)選擇可導(dǎo)致機(jī)械性能的不同, 并適應(yīng)于不同的使用要求。因此, 導(dǎo)出各設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式, 分析各參數(shù)選擇對機(jī)械性能的影響, 分析參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系, 這對于主軸無級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 對于如何通過計(jì)算和設(shè)計(jì)達(dá)到數(shù)控機(jī)床的預(yù)定的技術(shù)要求, 實(shí)現(xiàn)較好的制造工藝性和性能價格比, 將具有重要的意義。2 高低檔兩段變速傳動系統(tǒng)的計(jì)算和分析高低檔兩段變速傳動機(jī)構(gòu)具有多種形式, 但其分析計(jì)算是一樣的。在進(jìn)行機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)時, 一般情況下, 是根據(jù)產(chǎn)品定位、用途、技術(shù)要求等因素, 確定主電機(jī)功率及其額定轉(zhuǎn)速、主軸最高轉(zhuǎn)速、主軸最大扭矩等主要參數(shù), 再根據(jù)這些主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求特點(diǎn), 計(jì)算和確定主傳動高檔和低檔減速比, 及確定其它參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于采用兩檔傳動方式, 可能會產(chǎn)生在一定速度范圍內(nèi)功率損失的現(xiàn)象, 這就是所謂的功率缺口。盡可能降低功率缺口也是確定主傳動高檔和低檔減速比的主要依據(jù)之一。2.1 高低檔減速比計(jì)算a) 低檔減速比計(jì)算:i1= Mm/(μM d0) (1)其中:i 1——— 低檔減速比黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 4 頁 Mm———主軸最大扭矩Md0———主電機(jī)額定扭矩μ——— 傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械效率b) 高檔減速比計(jì)算:i2= n sm/n m (2)其中: i 2——— 高檔減速比n sm———電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速n m———主軸最高轉(zhuǎn)速2.2 主軸額定轉(zhuǎn)速計(jì)算主軸額定轉(zhuǎn)速n om:n om = n od/i 1 (3)其中: n om——— 主軸額定轉(zhuǎn)速n od——— 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2.3 功率損失或功率缺口計(jì)算高低檔的分界點(diǎn)轉(zhuǎn)速n g:ng= n sm/i 1 (4)在高檔轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 主軸最大扭矩M m2:Mm2=μi2Mdo故對應(yīng)于分界點(diǎn)轉(zhuǎn)速,主軸輸出功率處于最低狀態(tài), 最低功率P j:(5)1202)(360innPdmmgj ???經(jīng)高低檔變速后,主軸機(jī)械特性如圖2 所示。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 5 頁 圖2主軸機(jī)械特性曲線功率損失ΔP:ΔP = P0- P j (6)其中: P 0 為主電機(jī)功率功率損失比率λ:λ= ΔP∕P 0= (P0- P j)/P0=1- P j/P0=1- 1/α其中:α= P0 ∕P j ( 7)我們稱α 為功率缺口, 顯然α≥1, P j 越小, 則α 越大,即功率缺口越大。2.4 功率缺口轉(zhuǎn)速范圍計(jì)算參見圖2: n 02= n0d/i 2 ( 8)功率缺口轉(zhuǎn)速范圍n:Δn=n02- ng (9)將式(4)式(8)代入式( 9) , 得:Δn = n 0d/i2-nsm/i1 (10)2.5 參數(shù)選擇綜合分析和確定以上算式反映了各主要技術(shù)參數(shù)的關(guān)系, 對設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、技術(shù)特性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析具有重要作用。( 1) 低檔減速比對機(jī)械特性的影響和減速比選擇根據(jù)式( 1) , 低檔減速比由主軸最大扭矩和電機(jī)最大扭矩決定。主軸最大扭矩越大, 則低檔減速比越大; 反過來, 低檔減速比越大, 則主軸最大扭矩越大。同時,根據(jù)式( 3) , 低檔減速比越大, 則主軸額定轉(zhuǎn)速越小, 即恒功率范圍就越擴(kuò)大。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 6 頁 但根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) , 低檔減速比越大, 則功率損失或功率缺口越大。所以必須綜合考慮和分析, 選擇較大的低檔減速比, 以保證得到較大的主軸最大扭矩和恒功率范圍, 但低檔減速比又不能太大, 否則功率損失太大, 影響機(jī)床機(jī)械特性的程度大, 達(dá)不到正常使用要求。一般選擇低檔減速比為3.5~5 較為合適, 具體選擇要綜合根據(jù)具體技術(shù)要求和使用要求而定。( 2) 高檔減速比對機(jī)械特性的影響和減速比選擇以往的技術(shù)文獻(xiàn)對高檔減速比的分析極少,只簡單指出高檔減速比一般為1。根據(jù)式( 5) 、( 6) 、( 7) , 高檔減速比越大, 則功率損失越??; 同時根據(jù)式( 3) 和式( 10) , 高檔減速比越大, 則功率缺口轉(zhuǎn)速范圍越小。所以, 高檔減速比大對機(jī)械特性是好的。但也是根據(jù)式( 2) , 在主軸最高轉(zhuǎn)速一定的情況下, 高檔減速比越大, 則電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速也越大。我們知道, 在進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇時, 不一定選擇到電機(jī)真正的最高轉(zhuǎn)速, 至于選擇多大, 要進(jìn)行綜合分析。從以上分析可知, 電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速越大則對機(jī)械特性越好,但電機(jī)使用最高轉(zhuǎn)速越大, 對機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械加工精度要求也越高, 成本增加,經(jīng)濟(jì)性降低在一定程度上成為矛盾。所以一般選擇高檔減速比為1~1.5而不必限制為1。( 3) 功率缺口的分析根據(jù)式( 5) , 在電機(jī)特性和主軸最高轉(zhuǎn)速確定后, 最低功率與高、低檔減速比有關(guān)。選擇大的高檔減速比和小的低檔減速比, 則最低功率就越大, 即功率損失就越小。但從以上的分析也已知道, 高檔減速比大則對機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械加工精度要求就高; 低檔減速比小, 則會導(dǎo)致主軸最大扭矩小和恒功率范圍小, 影響機(jī)械特性。這是一個矛盾。我們可以加大主電機(jī)額定功率來彌補(bǔ)功率損失的影響, 這樣又會加大成本。所以, 在一般情況下, 是允許功率缺口存在的, 允許功率缺口的大小視具體使用要求和技術(shù)要求而定, 一般為不大于1.2~1.5, 特殊情況下可以大些 [4]-[7] 。3 數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動系統(tǒng)、支承部件、分度臺等部分組成. 傳動系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動和力由動力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件, 而且要保證傳遞過程中具有良好的動態(tài)特性. 傳動系統(tǒng)在工作過程中, 經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用, 使傳動系統(tǒng)的軸組件產(chǎn)生彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動, 影響了機(jī)床的工作性能. 隨著機(jī)床切削速度的提高和自動化方向的發(fā)展, 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡單, 但對其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 7 頁 的要求卻越來越高,因此, 傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求. 為了保證金屬切削機(jī)床高效地加工出高精度的產(chǎn)品零件, 機(jī)床的傳動系統(tǒng)就必須具有較高的剛度和抗振性能, 以提高傳動的準(zhǔn)確性和加工的穩(wěn)定性.因此, 本文使用動態(tài)優(yōu)化的方法, 將提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度作為設(shè)計(jì)校核的目標(biāo), 對機(jī)床的傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).目前, 動態(tài)設(shè)計(jì)的優(yōu)化正處于發(fā)展與完善階段, 其設(shè)計(jì)方法可分為 3 類: 基于模態(tài)柔度和能量平衡的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于變分原理的的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于最小值原理的動態(tài)優(yōu)化. 本文基于傳遞矩陣法的思想建立數(shù)控銑床的主傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型, 并應(yīng)用模態(tài)柔度和能量平衡原理優(yōu)化了主傳動系統(tǒng) [8]-[9]。4 結(jié)束語在進(jìn)行數(shù)控銑床或加工中心的兩段變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)時, 必須對主要設(shè)計(jì)參數(shù)、機(jī)械特性和使用要求進(jìn)行綜合考慮和分析, 既要實(shí)現(xiàn)好的機(jī)械特性和滿足使用要求, 又要滿足制造工藝性和適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求。據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取高檔減速比為1~1.5; 低高檔減速比為3.5~5; 功率缺口一般為不大于1.2~1.5。傳動系統(tǒng)在工作中主要是扭轉(zhuǎn)振動, 用傳遞矩陣法建立傳動系統(tǒng)的集中質(zhì)量模型,是通過將軸上的零件, 轉(zhuǎn)化為慣性元件, 而將軸轉(zhuǎn)化為彈性元件和慣性元件的組合,并將各軸轉(zhuǎn)化的慣性元件, 平均分配到各個軸的兩端, 最后, 將慣性元件和彈性元件一同轉(zhuǎn)化到輸出軸上, 建立傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣模型, 來分析其扭轉(zhuǎn)振動. 與有限元模型相比較, 在滿足工程需要的同時, 能夠養(yǎng)活對計(jì)算機(jī)容量的需求。運(yùn)有模態(tài)柔度和能量平稀奇原理, 通過對傳動系統(tǒng)模態(tài)柔度和能量分布率的計(jì)算結(jié)果的分析, 表明了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)和變量, 找出需要修改的結(jié)構(gòu)部位和參數(shù)。 通過高速主軸的跨距、懸伸量、內(nèi)外直徑和主軸長度, 改變慣性元件和彈性元件的參數(shù), 達(dá)到對整個傳動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo) [10]-[12]。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 8 頁 參考文獻(xiàn)[1] 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會. 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京機(jī)械工業(yè)出版社,2006.[2]汪木蘭.數(shù)控系統(tǒng)與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版設(shè),2004.[3]秦曾煌.電工學(xué) [M].北京:高等教育出版社, 2004[4]文懷興,夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.5[5]夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.4[6]陳立德.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.4[7]王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999.9[8]Napitolela N G. 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