2065 CA6150車床主軸箱設(shè)計(jì)

2065 CA6150車床主軸箱設(shè)計(jì),ca6150,車床,主軸,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書指導(dǎo)老師 錢小平課題名稱:CA6150 車床主軸箱設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 張斌專業(yè)班級 數(shù)控70201班目錄1、 概述2、 主運(yùn)動(dòng)的方案選擇與主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)3、 確定齒輪齒數(shù)4、 選擇電動(dòng)機(jī)5、 皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算6、 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算7、 主軸調(diào)速系統(tǒng)的選擇計(jì)算8、 主軸剛度的校核一、概述主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停，變速，換向和制動(dòng)等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，剩去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速的范圍。1.1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)。4 轉(zhuǎn)速高、功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。5 變速范圍寬。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，一般Ra>100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。6 主軸變速迅速可靠，數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，所以不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。7 主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機(jī)械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。1.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求① 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)，以滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)要求。② 主電機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求。③ 主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，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(dòng)效率高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。④ 操縱靈活可靠， 維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。⑤ 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。1.3 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)配置方式數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有四種配置方式，如圖3-1所示。⑴ 帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 大、中型數(shù)控機(jī)床采用這種變速方式。如圖3-1（a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，一滿足主軸低速時(shí)對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。⑵ 通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 如圖3-1（b ）所示，這種傳動(dòng)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)速能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的振動(dòng)與噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。⑶ 用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸 如圖3-1（c）所示，這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種性能。高速時(shí)電動(dòng)機(jī)通過帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；低速時(shí)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過兩級齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴(kuò)大了變速范圍，克服了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電動(dòng)機(jī)功率不能充分利用的缺陷。⑷ 內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖3-1（d ）所示，這種主傳動(dòng)方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對主軸影響較大。 1.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將傳動(dòng)方案“結(jié)構(gòu)化”，向生產(chǎn) 提供主傳動(dòng)部件裝配圖，零件工作圖及零件明細(xì)表等。在機(jī)床初步設(shè)計(jì)中，考慮主軸變速箱機(jī)床上位置，其他部件的相互關(guān)系，只是概略給出形狀與尺寸要求，最終還需要根據(jù)箱內(nèi)各元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)與布置才確定具體方案，在可能的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小主軸變速箱的軸向和徑向尺寸，以便節(jié)省材料，減輕質(zhì)量，滿足使用要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對于不同情況要區(qū)別對待，如某些立式機(jī)床和搖臂鉆床的主軸 圖 3-1 數(shù) 控 機(jī) 床 主 傳 動(dòng) 的 四 種 配 置 方 式（ ） 兩 個(gè) 電 動(dòng) 機(jī) 分 別 驅(qū) 動(dòng)電 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī) （ ） 帶 傳 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī)（ ） 變 速 齒 輪電 動(dòng) 機(jī) （ ） 內(nèi) 裝 電 動(dòng) 機(jī) 主 軸 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu)箱；要求較小的軸向尺寸而對徑向尺寸要求并不嚴(yán)格；但有的機(jī)床，如臥式銑鏜床、龍門銑床的主軸箱要沿立柱或橫梁導(dǎo)軌移動(dòng)，為減少其顛覆力矩，要求縮小徑向尺寸。機(jī)床主傳動(dòng)部件即主軸變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：主軸組件設(shè)計(jì)，操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸組件設(shè)計(jì)，其他機(jī)構(gòu)（如開停、制動(dòng)及換向機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)，潤滑與密封裝置設(shè)計(jì)，箱體及其他零件設(shè)計(jì)等。主軸變速箱部件裝配圖包括展開圖、橫向剖視圖、外觀圖及其他必要的局部視圖等。給制展開圖和橫向剖視圖時(shí)，要相互照應(yīng)，交替進(jìn)行，不應(yīng)孤立割裂地設(shè)計(jì)，以免顧此失彼。給制出部件的主要結(jié)構(gòu)裝配草圖之后，需要檢查各元件是否相碰或干涉，再根據(jù)動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果修改結(jié)構(gòu)，然后細(xì)化、完善裝配草圖，并按制圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加深，最后進(jìn)行尺寸、配合及零件標(biāo)注等。二、主運(yùn)動(dòng)的方案選擇與主運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)1、機(jī)床的工藝特性1.1 工藝范圍精車、半精車外圓、車螺紋、車端面1.2 刀具材料硬質(zhì)合金、高速鋼1.3 加工工作材料 鋼、鑄鐵1.4 尺寸范圍0～500㎜2、確定主軸轉(zhuǎn)速2.1 最高轉(zhuǎn)速 nmax 采用硬質(zhì)合車刀半精車小直徑鋼材的外圓時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速最高。參考切削用量資料：Vmax =150～200 m/s K = 0.5 Rd =0.2～0.25dmax =K·D =0.5×400 =200㎜dmin =Rd ·dmax =0.2×200 =40㎜ nmax = minaxπd10V= 203.14? =1592.362.2最低轉(zhuǎn)速：①用高速鋼車刀，粗車鑄鐵材料的端面時(shí)，參考切削用量資料：Vmax =15～20 m/snmin = maxinπd10V= 203.14? =31.8②用高速鋼車刀，精車合金鋼材料的絲杠時(shí)，參考資料：直徑500㎜普通車床加工絲杠的最大直徑是50㎜， Vmin =1.5 米/分 nmin = maxinπd10V= 403.15?=11.9轉(zhuǎn)/分因此：取最低轉(zhuǎn)速nmin=11.9轉(zhuǎn)/ 分③轉(zhuǎn)速范圍 Rn= minax= 1.95236=133.8由于高速鋼車刀少用低速，且為了避免結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此取轉(zhuǎn)速范圍Rn=1592.36/31.8=50④主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖三、確定齒輪齒數(shù)1、 根據(jù)分度圓直徑選齒數(shù)： d=mza 組： Za1 = 64 Za2 = 54Z = 343ab 組 : Zb1 = 95 Zb2 = 30 2、 齒輪的各參數(shù)a 組：模數(shù) m = 4壓力角 α=20°齒距 P = πm =12.56齒厚 s = πm/2 = 6.28齒槽寬 e =πm/2 = 6.28頂隙 c = c m =1.2*齒頂高 h = h m = 4a齒根高 h = (h + c )m = 5.2fa*全齒高 h = h + h =(2h + c )m = 9.2fa*中心距 a1 = (d1+d2)/2 = 240a2 = (d1+d3)/2 = 178b 組 : 模數(shù) m = 3.5壓力角 α=20°齒距 P = πm =12.56齒厚 s = πm/2 = 6.28齒槽寬 e =πm/2 = 6.28頂隙 c = c m =1.2*齒頂高 h = h m = 4a齒根高 h = (h + c )m = 5.2fa* 全齒高 h = h + h =(2h + c )m = 9.2afa*中心距 a = (d4+d5)/2 = 240四、選擇電動(dòng)機(jī)1、 電動(dòng)機(jī)功率N 電=7.5kw 轉(zhuǎn)速 n 電=1450 轉(zhuǎn) /分2、 電機(jī)型號J02—51—4 電機(jī)軸徑=38㎜五、皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間=8～10 小時(shí)（按小帶輪計(jì)算）1、 計(jì)算功率 Pc = KA·P = 1.2×7.5 = 9kw2、 選膠帶型別為：B 型3、 選小帶輪直徑 d1=140㎜(實(shí)心輪)大帶輪直徑 d2=280㎜(四孔板輪)4、 帶速：V= = =10.6 米/ 秒 106nπd?106453.?（B 型：Vmax=25 米/秒）5、 實(shí)際傳動(dòng)比：i= 取 ε=005??12dε?i= =4120°30648?10、 單根膠帶傳遞的功率：P0=2.03kw11、 單根膠帶傳遞功率的增量：ΔP0=kb·n1·(1- )ik1=1.99×10 ×1450×(1- )3?1=2.812、 膠帶根數(shù)：由于需要傳遞的功率 N=7kw， 因此需膠帶 4 根13、 單根膠帶初拉力： F0=18 公斤14、 有效圓周力： Ft= = =91.8 公斤v102pc9?15、 作用在軸上的力：F=2F0·Z·sin =2×18×4×sin2α1 215.=134 公斤16、 帶輪寬：B=（Z-1）e+2f=(4-1)×20+2×12.5=85㎜六、 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算：1、傳動(dòng)比：i= 1.192、傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：Ⅰ軸（電動(dòng)機(jī)軸）：P =Pd=7.5 kw0n =1450r/min T =9550× =9550× =49.4 N·m00n1450.7Ⅱ軸（主軸）：P = P η =7.5×0.96=7.2 kw101n = = = 1218 r/mini9.45T =9550× =9550× =56.45 N·m1n218.7Ⅲ軸（編碼器）：P = P η =7.2×0.99×0.97=6.9 kw212n = = = 766 r/mini59.8T =9550× =9550× =86.02 N·m22n769.七、 主軸調(diào)速系統(tǒng)的選擇計(jì)算1、 對調(diào)速系統(tǒng)的基本考慮:a.由于調(diào)速范圍廣，且要求有較硬的機(jī)械特性。所以，以選用矢量控制方式為宜。對于普通車床來說，由于對動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，用“無反饋矢量控制”方式已經(jīng)足夠。b.因?yàn)檎{(diào)速范圍廣，且高速與低速段機(jī)械特性的特點(diǎn)不一樣，故工作頻率范圍應(yīng)不限于額定頻率以下。c.電動(dòng)機(jī)的容量一般應(yīng)比原拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)容量為大。d.在低速段，可能出現(xiàn)較大的沖擊過載，容易引起變頻器的跳閘。所以，變頻器的容量以比電動(dòng)機(jī)的容量大一檔為好。2、 一檔傳動(dòng)比，且 方案nxf?基本工作情況a. 電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比只有一檔,傳動(dòng)比lMn/??b. 變頻器的最大輸出頻率 等于電動(dòng)機(jī)的額定頻率 。從而，maxf MNf電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 等于其額定轉(zhuǎn)速 ，它折算到負(fù)載軸上的值maxMnMNn應(yīng)大于負(fù)載要求的最大轉(zhuǎn)速 :maxMn? maxL=maxMn?N?maxLn?c. 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的折算值(折算到負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)矩) ； maxLTmaxLMNT??綜上所述，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線如圖 3.2 的曲線 2 所示， 曲線 1 是車床的機(jī)械特性曲線。為了便于比較，圖中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為折算到負(fù)載軸上的值。電動(dòng)機(jī)的容量在圖 3.2 中，負(fù)載所需功率950/maxinLLTP?/aa?950/maxLnT?其大小與面積 成正比。而電動(dòng)機(jī)的容量則與面積 成正比，OADB HGAO?其大小為：MNnTp??1950/maxL?P??可見,采用了變頻調(diào)速后,電動(dòng)機(jī)的容量需增大 倍以上。 L?圖 3.23、 電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍a. 最高頻率 。Nf?maxb. 最底頻率因?yàn)橹挥幸粰n轉(zhuǎn)速，故頻率調(diào)節(jié)范圍 為：f?LLf nf?????miaxmax//當(dāng) 時(shí), ；40L ZH25.140/in?當(dāng) 時(shí)， 。1?zf37./mi?異步電動(dòng)機(jī)在這樣低的頻率下連續(xù)工作，如不用負(fù)載反饋，是比較困難的。4、 一檔傳動(dòng)比，且 方案Nf?max基本工作情況a. 電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比仍只有一檔，但變頻器的最高輸出頻率允許超過額定頻率 。但一般不宜超過額定頻率的 1.5 倍(即：maxf Nf).NNff5.1ax?設(shè)最大調(diào)頻比nffk/maxa?則:電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 也約為額定轉(zhuǎn)速 的 倍：aM? MNn?maxfk MNfMnkn???maxaxb. 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速maxmaxa//knknLfMN????電動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)矩線圈如圖中的曲線 2 所示。曲線 1 為車床的機(jī)械特性曲線。電動(dòng)機(jī)的容量如圖，電動(dòng)機(jī)的容量與面積 成正比，其大小GHAO?為950/2MNnTP????5/maxmaxfLk?a1/fM?可見,頻率范圍擴(kuò)大之后,電動(dòng)機(jī)的容量可 以比 減小 倍,但與1MPmaxfk負(fù)載功率相比,仍需增大很多。5、 電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍設(shè)：最高頻率為 ，則最低頻率為ZNHff75.1max?當(dāng) 時(shí)， ；40?L?f8.40/in當(dāng) 時(shí)， 。1Zf5.1/7mi?6、兩檔傳動(dòng)比，且 方案Nf?ax基本工作情況 將電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比分成兩檔( 和 )，使變頻器的輸H?L出頻率 、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與負(fù)載轉(zhuǎn)速 之間的對應(yīng)關(guān)系見表 4-1Xf MnLn表 4-1 頻率、電動(dòng)機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系工作頻率 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 低檔傳動(dòng)比 負(fù)載轉(zhuǎn)速 高檔傳動(dòng)比 負(fù)載轉(zhuǎn)速minfminML?minLH?Lmidnaxax id ax圖 3.3表中， 是兩檔轉(zhuǎn)速分界點(diǎn)的 “中間速”。在抵擋時(shí)，傳動(dòng)比為 ，Lmidn L?當(dāng) 從X?到 （ 到 ）時(shí)， 從 到 ；在高檔時(shí)，傳動(dòng)比為minfaxfminMaxLnminLid，當(dāng) 從 到 ( 從 到 )時(shí), 從 到 。H?XfiafMinMaxmidinL忽略電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的變化的因素，則有：fLmidfn???minaxi//fidfiaax//2mina/fLL??作為兩檔中間的分界轉(zhuǎn)速（中間速）fLmidn/ax?所以,電動(dòng)機(jī)工作頻率的范圍Lfa? 可見,采用兩檔傳動(dòng)比后,在負(fù)載的速度范圍不變的情況下,工作頻率的調(diào)節(jié)范圍大大的縮小了。采用兩檔傳動(dòng)比后，在全頻率范圍內(nèi)的有效轉(zhuǎn)矩線如圖 3.3 中之曲線 2 所示，曲線 1 為車床的機(jī)械特性曲線?？梢钥闯鰞烧咭呀?jīng)十分接近了。7 、動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)的容量與面積成 正比,如圖 3 所示。其大小為： GHOA?9503MNnTP????/maxmaxfLidk?950/axaxfLidnT??max1fMkP?可見,采用兩檔傳動(dòng)比后,電動(dòng)機(jī)容量可比 減小 倍。1MPmaxfk?電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍設(shè)：最高頻率為 ，則最低頻率為ZnHff75.1max?當(dāng) 時(shí) 40?L?f86.40in當(dāng) 時(shí) 1L Zf34.175min?可見,最低工作頻率增大了很多,使變頻調(diào)速系統(tǒng)在最低速時(shí)的工作穩(wěn)定性大大改善了.8、 調(diào)速系統(tǒng)的選擇經(jīng)上述分析，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)在不更換電動(dòng)機(jī)的條件下，要實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，可以采用機(jī)械多檔變速傳動(dòng)，與變頻器調(diào)速相結(jié)合的方法。原拖動(dòng)與系統(tǒng)概況。電動(dòng)機(jī)的主要數(shù)據(jù)電動(dòng)機(jī)額定功率：7.5KW電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1450rpm主軸轉(zhuǎn)速范圍：10—2000r/min計(jì)算數(shù)據(jù)a. 調(diào)速范圍 201minax??L?b. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩1.恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)速 min/5042maxrnLD??2.恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩200050035.8 143.25n/(r/min)T/(N/m) mNnPTLD????25.1430.79503.恒功率區(qū)的最小轉(zhuǎn)矩 MnPTLP ????8.3520.795max3.3.9 普通籠型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的性能分析普通籠型異步電動(dòng)機(jī)是按工頻電源條件下運(yùn)行所設(shè)計(jì)制造的，用變頻器對其進(jìn)行調(diào)速時(shí)，因變頻器輸出波形中含有諧波的影響，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、效率均有下降，電流與線圈溫升將有所增高，電機(jī)在額定頻率以下連續(xù)進(jìn)行時(shí)，影響其帶負(fù)載能力的主要因素是溫升，在額定頻率以上連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)允許最高頻率受軸承的極限轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)件的強(qiáng)度限制，因此初步選定電機(jī)的變頻范圍在 10Hz～75Hz 之間。最大頻率調(diào)節(jié)比 5.7?fk320fLf kk???因此在不變換主軸電機(jī)的條件下，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)需采用機(jī)械三檔以上變速傳動(dòng)比在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，三檔與四檔變速傳動(dòng)的方案相似，而采用四檔變速對電機(jī)的調(diào)速更為合適，因此決定利用機(jī)械四檔變速傳動(dòng)方案。 76.3204??Lf?確定傳動(dòng)比拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械四檔變速分配傳動(dòng)比檔次低 29?L?中 4?M?高 34.1?H?最高 8.0?ZH?電機(jī)工作區(qū)恒轉(zhuǎn)矩 恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩恒功率主軸轉(zhuǎn)速r/min10 505072.5723603605405401080108016201620180018002160電機(jī)頻率Hz 105050751050507522.5 50507545505055電機(jī)轉(zhuǎn)r/min290145014502175290145014502175725 14501450 21751305145014501595低速傳動(dòng)比 取295014?L?29L?中速傳動(dòng)比取28.43601M0.4?M高速傳動(dòng)比取4.1085?H?34.1H?最高速傳動(dòng)比取6.1805ZH8.0?ZH電機(jī)負(fù)荷性能核算恒轉(zhuǎn)矩區(qū)折算至負(fù)載軸的轉(zhuǎn)矩 ???MNT恒功率區(qū)折算至負(fù)載軸的轉(zhuǎn)矩 4.1fMNPk?、 、 、 調(diào)整后。拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械四檔調(diào)速分配及帶負(fù)載核算L?HZ?如下表：傳動(dòng)比檔次低 中 高 最高電機(jī)工作區(qū)恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率主軸轉(zhuǎn)速r/min10505072.5723603605405401080108016201620180018002160電機(jī)頻率Hz105050751050507522.550507545505055電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min2901450145021752901450145021757251450145021751305145014501595電機(jī)調(diào)頻比0.2111.50.2111.50.5111.50.9111.1折算轉(zhuǎn)矩N·M1432.51432.5955198198132666644393936核算結(jié)果表明：在不變換主軸電機(jī)的條件下，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械四檔變速傳動(dòng)比的方案滿足要求。注：八、主軸鋼度的校核1、 計(jì)算切削力和驅(qū)動(dòng)力① 切削力的計(jì)算（Pz）a、切削功率：N 切=NⅣ· =6.3×0.98 =6.05kw2件η2 b、切削轉(zhuǎn)矩：M=9550× =9550× =638.7N·Mj件nN906.5c、切削力：Pz= 取 =130件d2M件Pz= =9.8×10 N3-1068.7?3 d、Py=0.4Pz=0.4×9.8×10 =3.92×10 N3 3 Px=0.25Pz=0.25×9.8×10 =2.45×10 N3 3 狀態(tài)輸入低檔（K10） 中檔（K11） 高檔（K12）最高檔（K10、K12）SQ15 1 0 0 1SQ16 0 1 0 0SQ17 0 0 1 1② 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算（Qr）a、 齒輪的傳遞功率 N 齒= NⅣ·η 齒=6.57×0.98=6.44kwb、 齒輪的傳遞轉(zhuǎn)距M=9550× =9550× =173.3N·mj件n356.4c、 驅(qū)動(dòng)力 QT= = =4304.2Nd2M-10.7.?Qr= QT·tgα=4304.2×tg20°=1566.6N③ 切削力 Pz 與驅(qū)動(dòng)力 QT 的位置關(guān)系，由機(jī)床個(gè)軸位置布置關(guān)系可知：β=20°Qz=QTcosβ+Qrsinβ=4304.2×cos20°+1566.6×sin20°=4580.4NQy=QTsinβ-Qrcosβ=4304.2×sin20°-1566.6×cos20°=0 2、 主軸的受力分析① Z 方向三軸承支撐可簡化為如圖所示靜不定系統(tǒng)式中： 卡盤長 L 卡=150㎜工件長 LⅠ=160㎜ a=100㎜ b=65㎜ c=456㎜L1=285㎜ L2=236㎜ L=521㎜ Mz=Pz(L 卡+ LⅠ)=9800×(150+160)=3.038×10 N·㎜6 E=2.1×105 I= （D 平 -d ）=3870571.264π4 4 a、 在 Pz 作用下，B 處的撓度：（yB） Pz= l1z6EI)2(ap??b、 在 Mz 作用下，B 處的撓度：（rB）MZ= l1Z6EI)2(M??c、 在 QZ 作用下， B 處的撓度：（YB ）QZ=- l1Z6EI) 2b-(lQ?所以 YB= + -l1zI)ap?? l1ZI(M?? l1Z6EI) 2b-(lQ?d、 在（RB）Z 作用 B 處的撓度：（Y′B）= l21B3EIL)Z(R?由于 B 處軸承是剛性支承所以 YB= Y′B+ -l1z6EI)2(ap?? l1Z6EI)2(M?? l1Z6EI) 2b-(lQ?= l21B3IL)R?由上式可求出（RB）Z（RB ）Z= 2l )2bl(Q)()l(lap11ZZ1z ??????=22330N② r 方向：三軸承支承可簡化為如圖所示靜不定系統(tǒng)：（RB ）y= 2l )2bl( Q)(l)Ma(p11yxy ???????式中：My=Py·(L 卡+ LⅠ)=1215200N·㎜Mx=Px· =147000N·㎜DΙ件Qy=0（RB）y=10510.5N3、 主軸撓度計(jì)算：① Z 方向Y=- - + +3ELa)(l2PZ??63)(lMZ?6EIL)la(lZ(R121B??6EILc)(lbQZ??=- [9800×100×(521+100)87051..1?+ - -2)(0?5218)(380??52146)(40.??=-0.06② Y 方向Y=- - - +3ELa)(l2Py??6L3a))(2lMxy?6EILc)(lbQy??6EIL)la(lyR121B??=- [3920×100×(521+100) 87051..1?+ - ]20)3(4)(25???5218)(381.??=-0.025③ 計(jì)算總撓度：Y= = =0.0652Yyz0..6[Y]=0.002l=0.002×521=0.104計(jì)算結(jié)果：Y〈[Y] 主軸撓度合格4、 軸承處轉(zhuǎn)角的校核① Z 方向：Qz= + -6EIL)l(l)Z(R121B??6ILc)(lbQZ??3EalPZ???其中：a′=a+ l 卡+ lⅠ=100+150+160=410㎜Qz=-0.00033② Y 方向：Qy= - - ;( Qy=0)6EIL)l(l)y(R121B??3alPy???6EILc)(lbQy??=-0.00012③ 計(jì)算總轉(zhuǎn)角Q= =0.00035〈0.001rad2Qyz?因此機(jī)床主軸的剛度是合適的 畢業(yè)設(shè)計(jì)開 題 報(bào) 告 書題 目姓 名 張斌 學(xué) 號專 業(yè) 數(shù)控技術(shù)指導(dǎo)教師 錢小平 職 稱2007 年 11 月課題來源對數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的觀察，及自己的興趣愛好，對數(shù)控車傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。現(xiàn)在決定以此為課題，進(jìn)行 CA6150 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？茖W(xué)依據(jù)（包括課題的科學(xué)意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應(yīng)用前景等） MPS 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)具有較好的柔性，即每站各有一套 PLC 控制系統(tǒng)獨(dú)立控制，且結(jié)構(gòu)簡單，功能明確，模擬性強(qiáng)，操作簡便；安裝與調(diào)整方便，制造與檢測容易。研究內(nèi)容目前要解決如下問題：電動(dòng)機(jī)功率的確定、滑道角度的確定、氣缸型號的選擇機(jī)器及材料的確定?，F(xiàn)基本以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，其它為輔。擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析（1） 設(shè)計(jì)滿足本站功能要求的自動(dòng)機(jī)械裝置，包括氣動(dòng)回路；（2） 根據(jù)需要選擇（或設(shè)計(jì)）原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行元件；（3） 繪制本站全套機(jī)械工程圖（裝配圖和零件圖）一份；（4） 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份。研究計(jì)劃及預(yù)期成果MPS 是模擬生產(chǎn)系統(tǒng)（Model Produce System）的英文縮寫，用于模擬一個(gè)典型的順序控制系統(tǒng)。模塊化 MPS 是用于自動(dòng)化專業(yè)高級維修電工進(jìn)行 PLC 編程與操作以及 PLC 聯(lián)網(wǎng)控制技能訓(xùn)練的教學(xué)設(shè)備。整個(gè)模塊化 MPS 是由上料檢測站、搬運(yùn)站、加工站、安裝站、安裝搬運(yùn)站、分類站六個(gè)部分組成的。故每一站除了要求能單獨(dú)完成本站的一個(gè)動(dòng)作過程（功能要求）外，還要考慮能將各站按一定順序聯(lián)接在一起，組成一個(gè)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)。特色或創(chuàng)新之處這兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是模塊化，結(jié)構(gòu)簡單，模擬性強(qiáng)，操作簡便。每一站就是一個(gè)模塊，各自有一套獨(dú)立的功能。兩模塊之間又能相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)的“系統(tǒng)工程”。是一臺較理想的理論知識和技能訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)設(shè)備，非常適合高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校進(jìn)行模塊化教學(xué)。已具備的條件和尚需解決的問題在本次 MPS 上料檢測站和搬運(yùn)站機(jī)械設(shè)計(jì)中，主要解決的問題是材料的選擇以及汽缸的選擇；其次是對傳感器的選擇。由于學(xué)校在自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面的資料比較多，以及在網(wǎng)上找到的資料。故本次設(shè)計(jì)的資料比較齊全。指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽名：年 月 日教研室（學(xué)科組、研究所）意見教研室主任簽名：年 月 日院系意見主管領(lǐng)導(dǎo)簽名：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書指導(dǎo)老師 錢小平課題名稱:CA6150 車床主軸箱設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 張斌專業(yè)班級 數(shù)控70201班目錄1、 概述2、 主運(yùn)動(dòng)的方案選擇與主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)3、 確定齒輪齒數(shù)4、 選擇電動(dòng)機(jī)5、 皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算6、 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算7、 主軸調(diào)速系統(tǒng)的選擇計(jì)算8、 主軸剛度的校核一、概述主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停，變速，換向和制動(dòng)等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，剩去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速的范圍。1.1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)。4 轉(zhuǎn)速高、功率大。它能使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。5 變速范圍寬。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，一般Ra>100，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。6 主軸變速迅速可靠，數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，所以不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，提高了變速控制的可靠性。7 主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。凡有機(jī)械摩擦的部位，如軸承、錐孔等都有足夠的硬度，軸承處還有良好的潤滑。1.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求① 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)，以滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)要求。② 主電機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求。③ 主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，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(dòng)效率高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。④ 操縱靈活可靠， 維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。⑤ 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。1.3 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)配置方式數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有四種配置方式，如圖3-1所示。⑴ 帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 大、中型數(shù)控機(jī)床采用這種變速方式。如圖3-1（a）所示，通過少數(shù)幾對齒輪降速，擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩，一滿足主軸低速時(shí)對輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求。數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速?；讫X輪的移位大都采用液壓缸加撥叉，或者直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)。⑵ 通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 如圖3-1（b ）所示，這種傳動(dòng)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的機(jī)床。電動(dòng)機(jī)本身的調(diào)速能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動(dòng)引起的振動(dòng)與噪聲。它適用于高速、低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。常用的是V帶和同步齒形帶。⑶ 用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸 如圖3-1（c）所示，這是上述兩種方式的混合傳動(dòng)，具有上述兩種性能。高速時(shí)電動(dòng)機(jī)通過帶輪直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；低速時(shí)，另一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過兩級齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區(qū)增大，擴(kuò)大了變速范圍，克服了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電動(dòng)機(jī)功率不能充分利用的缺陷。⑷ 內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖3-1（d ）所示，這種主傳動(dòng)方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對主軸影響較大。 1.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將傳動(dòng)方案“結(jié)構(gòu)化”，向生產(chǎn) 提供主傳動(dòng)部件裝配圖，零件工作圖及零件明細(xì)表等。在機(jī)床初步設(shè)計(jì)中，考慮主軸變速箱機(jī)床上位置，其他部件的相互關(guān)系，只是概略給出形狀與尺寸要求，最終還需要根據(jù)箱內(nèi)各元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)與布置才確定具體方案，在可能的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小主軸變速箱的軸向和徑向尺寸，以便節(jié)省材料，減輕質(zhì)量，滿足使用要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對于不同情況要區(qū)別對待，如某些立式機(jī)床和搖臂鉆床的主軸 圖 3-1 數(shù) 控 機(jī) 床 主 傳 動(dòng) 的 四 種 配 置 方 式（ ） 兩 個(gè) 電 動(dòng) 機(jī) 分 別 驅(qū) 動(dòng)電 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī) （ ） 帶 傳 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī)（ ） 變 速 齒 輪電 動(dòng) 機(jī) （ ） 內(nèi) 裝 電 動(dòng) 機(jī) 主 軸 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu)箱；要求較小的軸向尺寸而對徑向尺寸要求并不嚴(yán)格；但有的機(jī)床，如臥式銑鏜床、龍門銑床的主軸箱要沿立柱或橫梁導(dǎo)軌移動(dòng)，為減少其顛覆力矩，要求縮小徑向尺寸。機(jī)床主傳動(dòng)部件即主軸變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：主軸組件設(shè)計(jì)，操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸組件設(shè)計(jì)，其他機(jī)構(gòu)（如開停、制動(dòng)及換向機(jī)構(gòu)等）設(shè)計(jì)，潤滑與密封裝置設(shè)計(jì)，箱體及其他零件設(shè)計(jì)等。主軸變速箱部件裝配圖包括展開圖、橫向剖視圖、外觀圖及其他必要的局部視圖等。給制展開圖和橫向剖視圖時(shí)，要相互照應(yīng)，交替進(jìn)行，不應(yīng)孤立割裂地設(shè)計(jì)，以免顧此失彼。給制出部件的主要結(jié)構(gòu)裝配草圖之后，需要檢查各元件是否相碰或干涉，再根據(jù)動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果修改結(jié)構(gòu)，然后細(xì)化、完善裝配草圖，并按制圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加深，最后進(jìn)行尺寸、配合及零件標(biāo)注等。二、主運(yùn)動(dòng)的方案選擇與主運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)1、機(jī)床的工藝特性1.1 工藝范圍精車、半精車外圓、車螺紋、車端面1.2 刀具材料硬質(zhì)合金、高速鋼1.3 加工工作材料 鋼、鑄鐵1.4 尺寸范圍0～500㎜2、確定主軸轉(zhuǎn)速2.1 最高轉(zhuǎn)速 nmax 采用硬質(zhì)合車刀半精車小直徑鋼材的外圓時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速最高。參考切削用量資料：Vmax =150～200 m/s K = 0.5 Rd =0.2～0.25dmax =K·D =0.5×400 =200㎜dmin =Rd ·dmax =0.2×200 =40㎜ nmax = minaxπd10V= 203.14? =1592.362.2最低轉(zhuǎn)速：①用高速鋼車刀，粗車鑄鐵材料的端面時(shí)，參考切削用量資料：Vmax =15～20 m/snmin = maxinπd10V= 203.14? =31.8②用高速鋼車刀，精車合金鋼材料的絲杠時(shí)，參考資料：直徑500㎜普通車床加工絲杠的最大直徑是50㎜， Vmin =1.5 米/分 nmin = maxinπd10V= 403.15?=11.9轉(zhuǎn)/分因此：取最低轉(zhuǎn)速nmin=11.9轉(zhuǎn)/ 分③轉(zhuǎn)速范圍 Rn= minax= 1.95236=133.8由于高速鋼車刀少用低速，且為了避免結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此取轉(zhuǎn)速范圍Rn=1592.36/31.8=50④主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖三、確定齒輪齒數(shù)1、 根據(jù)分度圓直徑選齒數(shù)： d=mza 組： Za1 = 64 Za2 = 54Z = 343ab 組 : Zb1 = 95 Zb2 = 30 2、 齒輪的各參數(shù)a 組：模數(shù) m = 4壓力角 α=20°齒距 P = πm =12.56齒厚 s = πm/2 = 6.28齒槽寬 e =πm/2 = 6.28頂隙 c = c m =1.2*齒頂高 h = h m = 4a齒根高 h = (h + c )m = 5.2fa*全齒高 h = h + h =(2h + c )m = 9.2fa*中心距 a1 = (d1+d2)/2 = 240a2 = (d1+d3)/2 = 178b 組 : 模數(shù) m = 3.5壓力角 α=20°齒距 P = πm =12.56齒厚 s = πm/2 = 6.28齒槽寬 e =πm/2 = 6.28頂隙 c = c m =1.2*齒頂高 h = h m = 4a齒根高 h = (h + c )m = 5.2fa* 全齒高 h = h + h =(2h + c )m = 9.2afa*中心距 a = (d4+d5)/2 = 240四、選擇電動(dòng)機(jī)1、 電動(dòng)機(jī)功率N 電=7.5kw 轉(zhuǎn)速 n 電=1450 轉(zhuǎn) /分2、 電機(jī)型號J02—51—4 電機(jī)軸徑=38㎜五、皮帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間=8～10 小時(shí)（按小帶輪計(jì)算）1、 計(jì)算功率 Pc = KA·P = 1.2×7.5 = 9kw2、 選膠帶型別為：B 型3、 選小帶輪直徑 d1=140㎜(實(shí)心輪)大帶輪直徑 d2=280㎜(四孔板輪)4、 帶速：V= = =10.6 米/ 秒 106nπd?106453.?（B 型：Vmax=25 米/秒）5、 實(shí)際傳動(dòng)比：i= 取 ε=005??12dε?i= =4120°30648?10、 單根膠帶傳遞的功率：P0=2.03kw11、 單根膠帶傳遞功率的增量：ΔP0=kb·n1·(1- )ik1=1.99×10 ×1450×(1- )3?1=2.812、 膠帶根數(shù)：由于需要傳遞的功率 N=7kw， 因此需膠帶 4 根13、 單根膠帶初拉力： F0=18 公斤14、 有效圓周力： Ft= = =91.8 公斤v102pc9?15、 作用在軸上的力：F=2F0·Z·sin =2×18×4×sin2α1 215.=134 公斤16、 帶輪寬：B=（Z-1）e+2f=(4-1)×20+2×12.5=85㎜六、 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算：1、傳動(dòng)比：i= 1.192、傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：Ⅰ軸（電動(dòng)機(jī)軸）：P =Pd=7.5 kw0n =1450r/min T =9550× =9550× =49.4 N·m00n1450.7Ⅱ軸（主軸）：P = P η =7.5×0.96=7.2 kw101n = = = 1218 r/mini9.45T =9550× =9550× =56.45 N·m1n218.7Ⅲ軸（編碼器）：P = P η =7.2×0.99×0.97=6.9 kw212n = = = 766 r/mini59.8T =9550× =9550× =86.02 N·m22n769.七、 主軸調(diào)速系統(tǒng)的選擇計(jì)算1、 對調(diào)速系統(tǒng)的基本考慮:a.由于調(diào)速范圍廣，且要求有較硬的機(jī)械特性。所以，以選用矢量控制方式為宜。對于普通車床來說，由于對動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，用“無反饋矢量控制”方式已經(jīng)足夠。b.因?yàn)檎{(diào)速范圍廣，且高速與低速段機(jī)械特性的特點(diǎn)不一樣，故工作頻率范圍應(yīng)不限于額定頻率以下。c.電動(dòng)機(jī)的容量一般應(yīng)比原拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)容量為大。d.在低速段，可能出現(xiàn)較大的沖擊過載，容易引起變頻器的跳閘。所以，變頻器的容量以比電動(dòng)機(jī)的容量大一檔為好。2、 一檔傳動(dòng)比，且 方案nxf?基本工作情況a. 電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比只有一檔,傳動(dòng)比lMn/??b. 變頻器的最大輸出頻率 等于電動(dòng)機(jī)的額定頻率 。從而，maxf MNf電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 等于其額定轉(zhuǎn)速 ，它折算到負(fù)載軸上的值maxMnMNn應(yīng)大于負(fù)載要求的最大轉(zhuǎn)速 :maxMn? maxL=maxMn?N?maxLn?c. 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的折算值(折算到負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)矩) ； maxLTmaxLMNT??綜上所述，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線如圖 3.2 的曲線 2 所示， 曲線 1 是車床的機(jī)械特性曲線。為了便于比較，圖中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為折算到負(fù)載軸上的值。電動(dòng)機(jī)的容量在圖 3.2 中，負(fù)載所需功率950/maxinLLTP?/aa?950/maxLnT?其大小與面積 成正比。而電動(dòng)機(jī)的容量則與面積 成正比，OADB HGAO?其大小為：MNnTp??1950/maxL?P??可見,采用了變頻調(diào)速后,電動(dòng)機(jī)的容量需增大 倍以上。 L?圖 3.23、 電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍a. 最高頻率 。Nf?maxb. 最底頻率因?yàn)橹挥幸粰n轉(zhuǎn)速，故頻率調(diào)節(jié)范圍 為：f?LLf nf?????miaxmax//當(dāng) 時(shí), ；40L ZH25.140/in?當(dāng) 時(shí)， 。1?zf37./mi?異步電動(dòng)機(jī)在這樣低的頻率下連續(xù)工作，如不用負(fù)載反饋，是比較困難的。4、 一檔傳動(dòng)比，且 方案Nf?max基本工作情況a. 電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比仍只有一檔，但變頻器的最高輸出頻率允許超過額定頻率 。但一般不宜超過額定頻率的 1.5 倍(即：maxf Nf).NNff5.1ax?設(shè)最大調(diào)頻比nffk/maxa?則:電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 也約為額定轉(zhuǎn)速 的 倍：aM? MNn?maxfk MNfMnkn???maxaxb. 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速maxmaxa//knknLfMN????電動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)矩線圈如圖中的曲線 2 所示。曲線 1 為車床的機(jī)械特性曲線。電動(dòng)機(jī)的容量如圖，電動(dòng)機(jī)的容量與面積 成正比，其大小GHAO?為950/2MNnTP????5/maxmaxfLk?a1/fM?可見,頻率范圍擴(kuò)大之后,電動(dòng)機(jī)的容量可 以比 減小 倍,但與1MPmaxfk負(fù)載功率相比,仍需增大很多。5、 電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍設(shè)：最高頻率為 ，則最低頻率為ZNHff75.1max?當(dāng) 時(shí)， ；40?L?f8.40/in當(dāng) 時(shí)， 。1Zf5.1/7mi?6、兩檔傳動(dòng)比，且 方案Nf?ax基本工作情況 將電動(dòng)機(jī)和主軸之間的傳動(dòng)比分成兩檔( 和 )，使變頻器的輸H?L出頻率 、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與負(fù)載轉(zhuǎn)速 之間的對應(yīng)關(guān)系見表 4-1Xf MnLn表 4-1 頻率、電動(dòng)機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系工作頻率 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 低檔傳動(dòng)比 負(fù)載轉(zhuǎn)速 高檔傳動(dòng)比 負(fù)載轉(zhuǎn)速minfminML?minLH?Lmidnaxax id ax圖 3.3表中， 是兩檔轉(zhuǎn)速分界點(diǎn)的 “中間速”。在抵擋時(shí)，傳動(dòng)比為 ，Lmidn L?當(dāng) 從X?到 （ 到 ）時(shí)， 從 到 ；在高檔時(shí)，傳動(dòng)比為minfaxfminMaxLnminLid，當(dāng) 從 到 ( 從 到 )時(shí), 從 到 。H?XfiafMinMaxmidinL忽略電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的變化的因素，則有：fLmidfn???minaxi//fidfiaax//2mina/fLL??作為兩檔中間的分界轉(zhuǎn)速（中間速）fLmidn/ax?所以,電動(dòng)機(jī)工作頻率的范圍Lfa? 可見,采用兩檔傳動(dòng)比后,在負(fù)載的速度范圍不變的情況下,工作頻率的調(diào)節(jié)范圍大大的縮小了。采用兩檔傳動(dòng)比后，在全頻率范圍內(nèi)的有效轉(zhuǎn)矩線如圖 3.3 中之曲線 2 所示，曲線 1 為車床的機(jī)械特性曲線?？梢钥闯鰞烧咭呀?jīng)十分接近了。7 、動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)的容量與面積成 正比,如圖 3 所示。其大小為： GHOA?9503MNnTP????/maxmaxfLidk?950/axaxfLidnT??max1fMkP?可見,采用兩檔傳動(dòng)比后,電動(dòng)機(jī)容量可比 減小 倍。1MPmaxfk?電動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍設(shè)：最高頻率為 ，則最低頻率為ZnHff75.1max?當(dāng) 時(shí) 40?L?f86.40in當(dāng) 時(shí) 1L Zf34.175min?可見,最低工作頻率增大了很多,使變頻調(diào)速系統(tǒng)在最低速時(shí)的工作穩(wěn)定性大大改善了.8、 調(diào)速系統(tǒng)的選擇經(jīng)上述分析，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)在不更換電動(dòng)機(jī)的條件下，要實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，可以采用機(jī)械多檔變速傳動(dòng)，與變頻器調(diào)速相結(jié)合的方法。原拖動(dòng)與系統(tǒng)概況。電動(dòng)機(jī)的主要數(shù)據(jù)電動(dòng)機(jī)額定功率：7.5KW電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1450rpm主軸轉(zhuǎn)速范圍：10—2000r/min計(jì)算數(shù)據(jù)a. 調(diào)速范圍 201minax??L?b. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩1.恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)速 min/5042maxrnLD??2.恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩200050035.8 143.25n/(r/min)T/(N/m) mNnPTLD????25.1430.79503.恒功率區(qū)的最小轉(zhuǎn)矩 MnPTLP ????8.3520.795max3.3.9 普通籠型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的性能分析普通籠型異步電動(dòng)機(jī)是按工頻電源條件下運(yùn)行所設(shè)計(jì)制造的，用變頻器對其進(jìn)行調(diào)速時(shí)，因變頻器輸出波形中含有諧波的影響，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、效率均有下降，電流與線圈溫升將有所增高，電機(jī)在額定頻率以下連續(xù)進(jìn)行時(shí)，影響其帶負(fù)載能力的主要因素是溫升，在額定頻率以上連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)允許最高頻率受軸承的極限轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)件的強(qiáng)度限制，因此初步選定電機(jī)的變頻范圍在 10Hz～75Hz 之間。最大頻率調(diào)節(jié)比 5.7?fk320fLf kk???因此在不變換主軸電機(jī)的條件下，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)需采用機(jī)械三檔以上變速傳動(dòng)比在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，三檔與四檔變速傳動(dòng)的方案相似，而采用四檔變速對電機(jī)的調(diào)速更為合適，因此決定利用機(jī)械四檔變速傳動(dòng)方案。 76.3204??Lf?確定傳動(dòng)比拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械四檔變速分配傳動(dòng)比檔次低 29?L?中 4?M?高 34.1?H?最高 8.0?ZH?電機(jī)工作區(qū)恒轉(zhuǎn)矩 恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩恒功率主軸轉(zhuǎn)速r/min10 505072.5723603605405401080108016201620180018002160電機(jī)頻率Hz 105050751050507522.5 50507545505055電機(jī)轉(zhuǎn)r/min290145014502175290145014502175725 14501450 21751305145014501595低速傳動(dòng)比 取295014?L?29L?中速傳動(dòng)比取28.43601M0.4?M高速傳動(dòng)比取4.1085?H?34.1H?最高速傳動(dòng)比取6.1805ZH8.0?ZH電機(jī)負(fù)荷性能核算恒轉(zhuǎn)矩區(qū)折算至負(fù)載軸的轉(zhuǎn)矩 ???MNT恒功率區(qū)折算至負(fù)載軸的轉(zhuǎn)矩 4.1fMNPk?、 、 、 調(diào)整后。拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械四檔調(diào)速分配及帶負(fù)載核算L?HZ?如下表：傳動(dòng)比檔次低 中 高 最高電機(jī)工作區(qū)恒轉(zhuǎn)矩恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率恒轉(zhuǎn)矩恒功率主軸轉(zhuǎn)速r/min10505072.5723603605405401080108016201620180018002160電機(jī)頻率Hz105050751050507522.550507545505055電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min2901450145021752901450145021757251450145021751305145014501595電機(jī)調(diào)頻比0.2111.50.2111.50.5111.50.9111.1折算轉(zhuǎn)矩N·M1432.51432.5955198198132666644393936核算結(jié)果表明：在不變換主軸電機(jī)的條件下，主軸拖動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械四檔變速傳動(dòng)比的方案滿足要求。注：八、主軸鋼度的校核1、 計(jì)算切削力和驅(qū)動(dòng)力① 切削力的計(jì)算（Pz）a、切削功率：N 切=NⅣ· =6.3×0.98 =6.05kw2件η2 b、切削轉(zhuǎn)矩：M=9550× =9550× =638.7N·Mj件nN906.5c、切削力：Pz= 取 =130件d2M件Pz= =9.8×10 N3-1068.7?3 d、Py=0.4Pz=0.4×9.8×10 =3.92×10 N3 3 Px=0.25Pz=0.25×9.8×10 =2.45×10 N3 3 狀態(tài)輸入低檔（K10） 中檔（K11） 高檔（K12）最高檔（K10、K12）SQ15 1 0 0 1SQ16 0 1 0 0SQ17 0 0 1 1② 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算（Qr）a、 齒輪的傳遞功率 N 齒= NⅣ·η 齒=6.57×0.98=6.44kwb、 齒輪的傳遞轉(zhuǎn)距M=9550× =9550× =173.3N·mj件n356.4c、 驅(qū)動(dòng)力 QT= = =4304.2Nd2M-10.7.?Qr= QT·tgα=4304.2×tg20°=1566.6N③ 切削力 Pz 與驅(qū)動(dòng)力 QT 的位置關(guān)系，由機(jī)床個(gè)軸位置布置關(guān)系可知：β=20°Qz=QTcosβ+Qrsinβ=4304.2×cos20°+1566.6×sin20°=4580.4NQy=QTsinβ-Qrcosβ=4304.2×sin20°-1566.6×cos20°=0 2、 主軸的受力分析① Z 方向三軸承支撐可簡化為如圖所示靜不定系統(tǒng)式中： 卡盤長 L 卡=150㎜工件長 LⅠ=160㎜ a=100㎜ b=65㎜ c=456㎜L1=285㎜ L2=236㎜ L=521㎜ Mz=Pz(L 卡+ LⅠ)=9800×(150+160)=3.038×10 N·㎜6 E=2.1×105 I= （D 平 -d ）=3870571.264π4 4 a、 在 Pz 作用下，B 處的撓度：（yB） Pz= l1z6EI)2(ap??b、 在 Mz 作用下，B 處的撓度：（rB）MZ= l1Z6EI)2(M??c、 在 QZ 作用下， B 處的撓度：（YB ）QZ=- l1Z6EI) 2b-(lQ?所以 YB= + -l1zI)ap?? l1ZI(M?? l1Z6EI) 2b-(lQ?d、 在（RB）Z 作用 B 處的撓度：（Y′B）= l21B3EIL)Z(R?由于 B 處軸承是剛性支承所以 YB= Y′B+ -l1z6EI)2(ap?? l1Z6EI)2(M?? l1Z6EI) 2b-(lQ?= l21B3IL)R?由上式可求出（RB）Z（RB ）Z= 2l )2bl(Q)()l(lap11ZZ1z ??????=22330N② r 方向：三軸承支承可簡化為如圖所示靜不定系統(tǒng)：（RB ）y= 2l )2bl( Q)(l)Ma(p11yxy ???????式中：My=Py·(L 卡+ LⅠ)=1215200N·㎜Mx=Px· =147000N·㎜DΙ件Qy=0（RB）y=10510.5N3、 主軸撓度計(jì)算：① Z 方向Y=- - + +3ELa)(l2PZ??63)(lMZ?6EIL)la(lZ(R121B??6EILc)(lbQZ??=- [9800×100×(521+100)87051..1?+ - -2)(0?5218)(380??52146)(40.??=-0.06② Y 方向Y=- - - +3ELa)(l2Py??6L3a))(2lMxy?6EILc)(lbQy??6EIL)la(lyR121B??=- [3920×100×(521+100) 87051..1?+ - ]20)3(4)(25???5218)(381.??=-0.025③ 計(jì)算總撓度：Y= = =0.0652Yyz0..6[Y]=0.002l=0.002×521=0.104計(jì)算結(jié)果：Y〈[Y] 主軸撓度合格4、 軸承處轉(zhuǎn)角的校核① Z 方向：Qz= + -6EIL)l(l)Z(R121B??6ILc)(lbQZ??3EalPZ???其中：a′=a+ l 卡+ lⅠ=100+150+160=410㎜Qz=-0.00033② Y 方向：Qy= - - ;( Qy=0)6EIL)l(l)y(R121B??3alPy???6EILc)(lbQy??=-0.00012③ 計(jì)算總轉(zhuǎn)角Q= =0.00035〈0.001rad2Qyz?因此機(jī)床主軸的剛度是合適的