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畢業設計

數控車床傳動系統設計

時間:2018-10-16 11:08:20   作者:   來源:   閱讀:11   評論:0

前 言

1、課題背景

    自第一臺數控機床在美國問世至今的半個世紀內,機床數控技術的發展迅速,經歷了六代兩個階段的發展過程。其中,第一個階段為NC階段;第二個階段為CNC階段,從1974年微處理器開始用于數控系統,即為第五代數空系統。在近20多年內,在生產中,實際使用的數控系統大多是這第五代數控系統,其性能和可靠性隨著技術的發展得到了根本性的提高。從20世紀90年代開始,微電子技術和計算機技術的發展突飛猛進,PC微機的發展尤為突出,無論是軟硬件還是外器件的進展日新月異,計算機所采用的芯片集成化越來越高,功能越來越強,而成本卻越來越低,原來在大,中型機上才能實現的功能現在在微型機上就可以實現。在美國首先推出了基于PC微機的數控系統,即PCNC系統,它被劃入為所謂的第六代數控系統。

2、國內外研究現狀及發展趨勢

2.1 數控系統的發展趨勢

    自從1951年計算機技術應用于機床上,數控系統經歷了數控(NC)和計算機數控(CNC)兩個階段的發展。目前,數控系統正處于第六代——基于PC(PC-BASED)。

    未來數控系統將呈以下發展趨勢:

1、 繼續向開放式、基于PC的第六代方向發展

基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點,更多的數控系統生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機,來處理人機界面、編程、聯網通信等問題,由原有的系統承擔數控的任務。

2、向高速化和高精度化發展 

3、向智能化方向發展 

(1)應用自適應控制技術向高速化和高精度化發展

數控系統能檢測過程中一些重要信息,并自動調整系統的有關參數,達到改進系統運行狀態的目的。

(2)引入專家系統指導加工

將熟練工人和專家的經驗,加工的一般規律和特殊規律存入系統中,以工藝參數數據庫為支撐,建立具有人工智能的專家系統。

(3)引入故障診斷專家系統

(4)引入動裝置智能化數字伺服驅動系統

可以通過自動識別負載,而自動調整參數,使驅動系統獲得最佳的運行[3] 。

2.2我國數控車床的研究現狀及發展趨勢

1、研究現狀

我國數控車床從20世紀70年代初進入市場,至今通過各大機床廠家的不懈努力,通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施,使得我國的機床制造水平有了很大的提高,其產量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前,國產數控車床的品種、規格較為齊全,質量基本穩定可靠,已進入實用和全面發展階段。

1)床身

    按照床身導軌面與水平面的相對位置,床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說,中、小規格的數控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多,只有大型數控車床或小型精密數控車床才采用平床身,立床身采用的較少。平床身工藝性好,易于加工制造。由于刀架水平放置,對提高刀架的運動精度有好處,但排屑困難;刀架橫滑板較長,加大了機床的寬度尺寸,影響外觀。平床身斜滑板結構,再配置上傾斜的導軌防護罩,這樣既保持了平床身工藝性好的優點,床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結構在現代數控車床中被廣泛應用,是因為這種布局形式具有以下特點:

☆ 容易實現機電一體化;

☆ 機床外形整齊、美觀,占地面積小;

☆ 容易設置封閉式防護裝置;

☆ 容易排屑和安裝自動排屑器;

☆ 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度;

☆ 宜人性好,便于操作;

☆ 便于安裝機械手,實現單機自動化。 

2)導軌

    車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。

    滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優點。但傳統滑動導軌摩擦阻力大,磨損快,動、靜摩擦系數差別大,低速時易產生爬行現象。目前,數控車床已不采用傳統滑動導軌,而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。

    滾動導軌的優點是摩擦系數小,動、靜摩擦系數很接近,不會產生爬行現象,可以使用油脂潤滑。根據滾動體的不同,滾動導軌可分為滾珠直線導軌和滾柱直線導軌。后者的承載能力和剛度都比前者高,但摩擦系數略大。

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a)后斜床身-斜滑板                              b)直立床身-直立滑板

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c)平床身-平滑板            d)前斜床身-平滑板          e)平床身-斜滑板

                          圖1.1 床身布局型式

3)主軸傳動系統

    機床主傳動系統可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級變速傳動是在一定范圍能均勻的、離散地分布著有限級數的轉速,主要用于普通機床。無級變速形式可以在一定范圍內連續改變轉速,以便得到滿足加工要求的最佳轉速,能在運轉中變速,便于自動變速。數控車床得主傳動系統通常采用無級變速。

   與普通車床相比,數控車床的主傳動采用交、直主軸調速電動機,電動機調速范圍大,并可無級調速,使主軸結構大為簡化。為了適應不同的加工需求數控車床主傳動系統有以下三種方式。

 ⑴電動機直接驅動 主軸電動機與主軸通過聯軸器直接連接,或采用內裝式主軸電動機驅動。采用直接驅動可大大簡化主軸箱結構,能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉速的變化、輸出轉矩與主軸的特性完全一致。但因主軸的功率和轉矩特性直接決定主軸電機的性能,因而這種變速傳動的應用受到一定限制。

⑵采用定比傳動 主軸電動機經定比傳動給主軸。 定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動,這種傳動方式在一定程度上能滿足主軸功率和轉矩的要求,但其變速范圍仍和電動機的調速范圍相同。

 目前,交流、直流主軸電動機的恒功率轉速范圍一般只有2-4,而恒轉矩范圍則達100以上;許多大、中型機床的主軸要求有更寬的恒功率轉速范圍。很明顯,這種情況下主軸電動機的功率特性和機床主軸的要求不匹配:調速電動機的恒功率范圍遠小于主軸要求的恒功率變速范圍。所以這種變速方式多用于小型或高速數控機床。

 ⑶采用分檔變速方式 采用這種變速方式主要是為了解決主軸電動機的功率特性和機床主軸功率特性不匹配。變速多采用齒輪副來實現,電動機的無級變速配合變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求,滿足各種切削運動的轉矩輸出,特別是保證低速時的轉矩和擴大恒功率的調速范圍。

⑷用兩個電機分別驅動主軸 
上述兩種方式的混合傳動,高速時帶輪直接驅動主軸,低速時另一個電機通過齒輪減速后驅動主軸

4)刀架系統 

    按換刀方式的不同,數控車床的刀架系統主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規格數控車床,以加工棒料或盤類零件為主。回轉刀架是數控車床最常用的一種典型換刀刀架,通過刀架的旋轉分度定位來實現機床的自動換刀動作,根據加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據刀架回轉軸與安裝底面的相對位置,回轉刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉刀架對刀具的數目有一定的限制,當需要數量較多的刀具時,應采用帶刀庫的自動換刀裝置。

5)進給傳動系統

    數控車床的進給傳動系統一般均采用進給伺服系統,按其控制方式不同可分為開環系統和閉環系統。前者定位精度低,但它結構簡單、工作可靠、造價低廉;后者控制精度高、快速性能好,但它對機床的要求比較高,且造價較昂貴。閉環系統中采用的位置檢測裝置有:脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數控車床的進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點而被廣泛采用[4]。

2、發展趨勢

1)高速、高精密化

    當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發展,加工精度也在不斷地提高。另一方面,電主軸和直線電機的成功應用,陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市,也為機床向高速、精密發展創造了條件。 

2)高可靠性

3)數控車床設計CAD化、結構設計模塊化

    采用CAD技術以替代人工完成繁瑣的繪圖工作,進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態特性分析、計算、預測及優化設計,以及對整機各工作部件進行動態模擬仿真。這樣大大提高了工作效率,提高設計的一次成功率,從而縮短試制周期,降低設計成本,提高市場競爭能力。

4)功能復合化 

    擴大機床的使用范圍、提高效率,實現一機多用、一機多能,即一臺數控車床既可以實現車削功能,也可以實現銑削加工。

5)智能化、網絡化、柔性化和集成化[5]。

第一章 總體方案擬定

1.1 主傳動系統設計要求

    現代切削加工正朝向著高速、高效和高精度的發展方向發展,要求機床主傳動系統具有更高的轉速和更大的無級調速范圍;在切削加工中能夠自動變換速度,機床結構要簡單,噪音要小,動態性能要好,可靠性高。數控車床作為高度自動化的機電一體化設備,其主傳動系統的設計一般要滿足以下要求。

(1)使用性能要求 首先應滿足數控車床的運動特性,如數控車床的主軸有足夠的轉速范圍和轉速級數。傳動系統設計合理,操縱方便靈活 、迅速、安全可靠。

(2)傳遞動力要求 主電動機和傳動機構能夠提供和傳遞足夠的功率和轉矩,具有較高的傳動效率。

(3)工作性能要求 主傳動的有關結構,特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗震性,熱變形和噪聲要小,傳動效率高,以滿足機床的工作性能要求。

此外,還要求主傳動系統結構簡單,便于調整和維修;工藝性好,便于加工和裝配;防護性能好;使用壽命長。

1.2 傳動方案

    在數控機床主傳動系統中,目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級調速系統。

數控機床主傳動系統主要有三種傳動方式,如下圖所示。

(1)由電機直接驅動

    主軸電動機與主軸通過聯軸器直接相連接,或采用內裝式主軸電動機直接驅動,如圖1所示。采用直接驅動可大大簡化主軸箱的結構,能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉速的變化、輸出轉矩與電機的特性完全一致。但是由于主軸的功率和轉矩特性直接決定于主軸電動機的性能,因而使這種變速傳動的使用受到了一定的限制。

(2)采用定比傳動

    主軸電動機經定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動,如圖2所示。帶傳動具有傳動噪音小,振動小等優點,一般應用在中、小型數控車床中。采用定比傳動擴大了直接驅動的應用范圍,即在一定程度上能夠滿足主軸功率與轉矩的要求,但其變速范圍仍與電動機的調速范圍相同。

數控車床傳動系統設計

圖1-2

(3)采用分檔變速傳動

采用分檔變速傳動主要是為了解決主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性相匹配。變速機構一般仍用齒輪副來實現,如圖3所示。通過電動機的無級變速,配合變速機構可確保主軸的功率、轉矩要求。目前電動機本身的調速范圍已經達到 1:100~1:1000,所以多數數控車床的變速傳動機構不超過2級。采用分檔變速傳動可適應更多種類的刀具材料和更廣泛的工藝要求,并滿足各種切削運動的轉矩輸出 ,特別是保證低速時的轉矩和擴大恒功率的調速范圍。

數控車床傳動系統設計

圖1-3

綜合考慮設計要求和以上各傳動方案的優缺點,本設計傳動方案選用方案三,采用分檔變速傳動方式。


標簽:數控車床 傳動系統 
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