XKA5750型數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】
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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 8 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(jià)值的結(jié)論。同時(shí)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(shí)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(shí)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(jià)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(shí)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(jià)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(shí), 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(Md0) (1)其中:i1 低檔減速比Mm主軸最大扭矩Md0主電機(jī)額定扭矩 傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械效率b) 高檔減速比計(jì)算:i2= n smn 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 odi 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ng:ng= n smi 1 (4)在高檔轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 主軸最大扭矩Mm2:Mm2=i2Mdo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)經(jīng)高低檔變速后,主軸機(jī)械特性如圖2 所示。圖2主軸機(jī)械特性曲線功率損失P:P = P0- P j (6)其中: P0 為主電機(jī)功率功率損失比率:= PP0= (P0- P j)/P0=1- P j/P0=1- 1/其中:= P0P j ( 7)我們稱 為功率缺口, 顯然1, P j 越小, 則 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: n02= n0d/i 2 ( 8)功率缺口轉(zhuǎn)速范圍n:n=n02- ng (9)將式(4)式(8)代入式( 9) , 得:n = 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(shí), 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。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3.55 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(shí)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(shí), 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11.5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(gè)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1.21.5, 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(shí), 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11.5; 低高檔減速比為3.55; 功率缺口一般為不大于1.21.5。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(gè)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(shí), 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(gè)傳動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo) 10-12。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,20044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,2005.55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,2006.46陳立德.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,2006.47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,1999.98Napitolela N G. 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Mutual Residual Energy Method for Parameter Estimation in Structures.Journal of Structual Engineering, 1992,118(1) : 223-242.10溫熙森,陳循,唐丙陽.機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)分析理論與應(yīng)用M .長沙:國防科技大學(xué)出版社, 1998.11諸乃雄.機(jī)床動態(tài)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1987.12徐燕申.機(jī)械動態(tài)設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992. 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯) 第15 頁基于車輛動力學(xué)穩(wěn)定性控制的輪胎參數(shù)實(shí)時(shí)觀測摘要:車輛動力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(DCS)的性能主要由對輪胎受力的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的估計(jì)決定。輪胎受力的特點(diǎn)是由輪胎的動態(tài)特性和參數(shù)決定,而它們又會隨著工作環(huán)境的不同在很大程度上發(fā)生明顯的變化。目前,已經(jīng)有許多基于非線性觀測器來估計(jì)輪胎動力和動態(tài)參數(shù)的方法,但是由于它們計(jì)算復(fù)雜而且沒有很好的考慮四個(gè)輪子在轉(zhuǎn)向操縱條件下的動態(tài)差異,因此它們只用于離線分析。本文提出了一個(gè)新的算法,用于在(DCS)實(shí)時(shí)控制器中觀察輪胎的參數(shù)。這是一種基于傳感器的算法依靠來自DCS傳感器的信號融合技術(shù),通過一組機(jī)動的程序來實(shí)現(xiàn)輪胎參數(shù)的估計(jì)。在控制周期內(nèi)校準(zhǔn)輪胎參數(shù)被視為車輛動態(tài)觀察的基本階段,其中計(jì)算和測量的車輛動態(tài)誤差被用作輪胎參數(shù)觀測過程中的修正因素。在一個(gè)給定的加速度下沿著直線運(yùn)動的測試過程被用來驗(yàn)證縱向剛度的估計(jì)方法,而在一個(gè)給定的轉(zhuǎn)向角度的測試過程則被用來驗(yàn)證側(cè)偏剛度的估計(jì)值。地面測試的結(jié)果表明,該算法可以準(zhǔn)確的估計(jì)輪胎的剛度,并且由于實(shí)時(shí)控制器只使用了DCS傳感器的信號,因此該算法計(jì)算成本可以接受。這一算法可以成為車輛動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在輪胎動態(tài)參數(shù)估計(jì)方面的一個(gè)高效的算法,并可用來改善DSC控制器的魯棒性。關(guān)鍵詞:輪胎,縱向剛度,側(cè)偏剛度,車輛動力學(xué)穩(wěn)定性1簡介隨著汽車底盤主動控制技術(shù)的發(fā)展,精確調(diào)整橫向和縱向輪胎受力的分布和范圍已經(jīng)成為提高輪胎動態(tài)穩(wěn)定性的一種重要方法。動態(tài)控制系統(tǒng)如:防抱死制動系統(tǒng)(ABS),牽引力控制系統(tǒng)(TCS),動態(tài)穩(wěn)定控制(DSC),的動態(tài)干預(yù)效果由輪胎與路面的摩擦值決定1。VAN ZENTAN2首先解釋了基于基本輪胎力估計(jì)邏輯的DCS控制邏輯,哈托利等人3進(jìn)一步開發(fā)了基于輪胎力非線性最佳分布控制的車輛動態(tài)管理系統(tǒng)。顯然對輪胎力的準(zhǔn)確估計(jì)已經(jīng)成為上文提到的動態(tài)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)??紤]到計(jì)算的復(fù)雜性和輪胎力估算方法的成本,簡化參數(shù)的輪胎模型是最常使用的方法4。輪胎的參數(shù),尤其是縱向和側(cè)偏剛度,決定了輪胎受力估計(jì)的精度。KIN5等人根據(jù)輪胎數(shù)據(jù)地圖來估計(jì)輪胎力,但是這種方法不能有效的補(bǔ)償氣壓,溫度,材料老化,輪胎的使用趨勢這些因素的影響作用。VAN ZENTAN2通過簡化的HSRI輪胎模型來估計(jì)輪胎的受力。這些動態(tài)狀態(tài)可以通過DCS控制的實(shí)時(shí)控制環(huán)節(jié)獲得6。如果這些輪胎參數(shù)是通過DCS傳感器在車輛動態(tài)控制器中觀測的,那么就可能實(shí)現(xiàn)輪胎受力的精確估計(jì)了。一些研究小組已經(jīng)提出了在車輛動態(tài)控制中觀察輪胎參數(shù)的各種方法。RAY7通過擴(kuò)展卡爾曼-布西濾波(EKBF)來獲得輪胎參數(shù)。在這之后,李等人8用-slip關(guān)系來估計(jì)摩擦力,即便是輪胎工作在較大的滑移率下。PASTERKAMP等人9通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來估計(jì)輪胎的受力。在基于效果的對 max 的預(yù)測中可能用到這些方法。然而這些方法沒能考慮到由四個(gè)輪子的單個(gè)主動控制,不同的垂直負(fù)載,或在DCS控制下的不平路面摩擦而引起的四個(gè)輪子之間的動態(tài)差異。同時(shí)由于計(jì)算復(fù)雜這些方法只用于離線分析。RYU10使用差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)來估計(jì)縱向剛度。他提出了基于GPS的輪胎側(cè)偏剛度的實(shí)時(shí)識別辦法。但在車輛動態(tài)控制中差分全球定位系統(tǒng)由于其高成本而不被使用??紤]到車輛動態(tài)狀態(tài)估計(jì)是DCS控制器中的一個(gè)基本組成部分,可以通過DCS的控制環(huán)節(jié)或者DCS傳感器例如:輪速傳感器,陀螺儀傳感器,轉(zhuǎn)向角傳感器獲得車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)。輪胎參數(shù)觀測器可以集成到DCS控制器中,從而實(shí)現(xiàn)與輪胎相關(guān)的名義控制模型的實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整。為了構(gòu)建輪胎縱向和側(cè)偏剛度的觀測器,由四個(gè)輪子的縱向和橫向的動態(tài)及負(fù)載轉(zhuǎn)移引起的差異要在論述中進(jìn)行補(bǔ)償?;镜囊?guī)則是:通過基于某個(gè)輪胎的打滑率的變化的縱向動態(tài)傳感機(jī)制來實(shí)現(xiàn)縱向剛度的檢測。側(cè)偏剛度則可以通過聯(lián)合勵(lì)磁支路在一個(gè)給定的轉(zhuǎn)向操縱中來實(shí)現(xiàn)檢測。車輛和輪胎的動態(tài)狀態(tài)可以通過DCS控制器獲得;這些相關(guān)狀態(tài)的觀測邏輯在本文中只作了簡短的描述。相關(guān)的橫向車輛和輪胎模型在第2節(jié)中論述。縱向剛度觀測器在第3節(jié)中論述。側(cè)偏剛度在第4節(jié)中論述。最后,實(shí)車測試結(jié)果在第5節(jié)給出。2車輛和輪胎模型一個(gè)七自由度的車輛動力學(xué)模型(圖1)包括縱向,橫向,偏航運(yùn)動和四個(gè)輪子的旋轉(zhuǎn),可能反映了負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響以及單個(gè)輪子在主動制動控制下的動態(tài)特性。該模型可以描述車輛的平面轉(zhuǎn)向的動態(tài)。這些相關(guān)的動態(tài)狀態(tài)也可以用DCS傳感器測量或估計(jì)。因此,該模型適合于輪胎動態(tài)觀測器。該模型的相關(guān)參數(shù)在表1中列出圖1.七自由度四輪車輛模型表1.被測車輛模型的相關(guān)參數(shù)動動力學(xué)方程可以表述如下: mvx-vy=Fx11+Fx12cosw-Fy11+Fy12sinw+Fx21+Fx22,(1) mvy+vx=Fx11+Fx12sinw+Fy11+Fy12cosw+Fy21+Fy22,(2)Jv=Fy11+Fy12acosw-Fy11-Fy12bsinw-Fy21+Fy22c-Fx11+Fx12asinw-Fx11-Fx12bcosw-Fx21-Fx22b(3).車輪的動力學(xué)方程是:Fxij=TwijR-McalhalfR+JwijRdwwhlijdt,(4)在這里i,j(i,j=1,2)代表了不同的輪子。Fx和Fy分別是輪胎在縱向和橫向受的力。vx和vy分別代表輪胎橫向和縱向的速度。表示車輛的偏轉(zhuǎn)率。dw代表前輪的轉(zhuǎn)角。Tw代表車輪的制動力矩。Mcalhalf 表示驅(qū)動力矩,可以從引擎控制系統(tǒng)獲得。Wwhl是車輪的角速度。VAN ZENTEN根據(jù)Dugoff輪胎模型提出了DCS中輪胎受力估計(jì)的邏輯,可以用輪胎動態(tài)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制中的一個(gè)簡單的關(guān)系來描述非線性摩擦性能。并且根據(jù)Dugoff輪胎模型中描述的關(guān)系,可以很容易的根據(jù)輪胎的縱向受力推導(dǎo)出其橫向受力。因此Dugoff輪胎模型是車輛動態(tài)控制系統(tǒng)中合適的輪胎模型。該模型表示如下:Fx=1-C,H12 1-C1H-14H2,H12(5) Fy=11-Ctan,H12 1-C1H-14H2tan,H12 (6)這里H是綜合的滑動參數(shù),C 和C分別代表輪胎的縱向剛度和側(cè)偏剛度,和分別代表輪胎的滑移率和滑移角。3輪胎的縱向剛度觀測器Dugoff輪胎模型應(yīng)用在縱向剛度觀測器中。為了估計(jì)結(jié)果的精確性輪胎的受力應(yīng)該定義在輪胎道路摩擦曲線的線性區(qū)域。CARLSON等人曾經(jīng)提出了一種輪胎縱向剛度觀測方法,在該方法中輪胎的半徑和剛度同時(shí)被估計(jì),但前提是假設(shè)左右輪的動態(tài)是一樣的。但是在實(shí)時(shí)觀測中,輪胎的半徑可以很容易的測得,然而輪速波動和噪聲可能會因?yàn)槁窙r的不同而有明顯的差異。所以在認(rèn)為四個(gè)輪子的半徑和輪胎的類型是一樣的情況下四個(gè)輪子的動態(tài)必須包含在觀測過程中。如果一個(gè)車輪的滑移率低于5,則輪胎的縱向受力與滑移率的關(guān)系可以表示為線性如下:Fxij=Cijij1-ijCijij.7將驅(qū)動輪的在驅(qū)動狀態(tài)下的滑動率定義如下:ij=-vx-Rwfijvx,(8)當(dāng)車輛沿直線運(yùn)動時(shí),輪胎的縱向剛度可以逐個(gè)觀測。如果車輛運(yùn)行的速度低則空氣動力學(xué)和滾動阻力的影響可以忽略不計(jì)。因此車輛在水平地面的縱向運(yùn)動方程可由式(1)簡化:mvx=i,j=12Fxij(9)假設(shè)前面輪胎的縱向輪胎剛度是相同的,則只用考慮前輪的驅(qū)動力。縱向方程是基于式(7)(9),可表示如下:vx=-1m wwh1mvx2CfRCf(10)這里sign表示測量或檢測狀態(tài)。輪速傳感器可以測量車輪的轉(zhuǎn)角u 然后令wwhij=u,則vx=14Ri,j=12wwhij=14Ri,j=12uij, vx=14Ri,j2uij . (11)在DCS控制系統(tǒng)里,控制器可以在時(shí)間間隔T通常情況下為10毫秒內(nèi),通過輪速脈沖捕獲轉(zhuǎn)角運(yùn)動并且計(jì)算輪速。那么,uk=uk+2-uk2T , uk=uk+2-2uk+1+uk2T2. (12)在即時(shí)參數(shù)k下,車速和車輛縱向加速度的錯(cuò)誤可能被包含在估計(jì)值中。則uk=uk+uk,vxk=vxk+vxk,axk=vxk=vxk+2-vxk2T=axk+axk. (13)從式子(10)-(13),縱向的方程可以表述如下:ax1m u11+u12mvx2CRfC=-ax+0 vxu11+u12-u11+u12vxmvx+vxvx2CRfC. (14)上述方程是縱向剛度的線性觀測方法,可以用最小二乘發(fā)來計(jì)算C和Rf。乘項(xiàng)的錯(cuò)誤可表述如下:vxu11+u12-u11+u12vxmvx+vxvx,這往往會使參數(shù)估計(jì)出現(xiàn)偏差,為了克服這樣的錯(cuò)誤vx只能由兩個(gè)自由的后輪推導(dǎo)出來。那么,uk=uk+uk, vxkRrw21+w222=Rru21+u21+u22+u222 , axk=vxRrw21+w222=Rru21+u21+u22+u222. (15)由式(10),該方程可轉(zhuǎn)化為: f=mvx-i,j=12Fxij=mvx-Cfvx-Rfw11vx+Cfvx-Rfw12vx=0. (16)將式(16)乘以vx,用式(15)代替vx和vx我們就得到:f=mRr24+u21+u21+u22+u22u21+u21+u22+u22 -CfRru21+u21+u22+u22-Rfu11+u11+u12+u12=0.(17) 在實(shí)際的測試中,輪胎的半徑變化較小幾乎可以看做保持不變。Rr 和 Rf可以看做不變,以減少計(jì)算的復(fù)雜性。那么在即時(shí)參數(shù)k下,式(17)可表述為以下方便的形式:fku11,u12,u21,u22,u11,u12,u21,u22,Cf=0.(18)來自DCS傳感器的檢測信號的錯(cuò)誤,例如:輪速和縱向速度估計(jì)值,可能被視為獨(dú)立的零均值IZM噪聲。為了使測量誤差平方后的總值最小,這個(gè)問題將轉(zhuǎn)化為利用檢測到的IZM噪聲來找出正確的參數(shù)。那么式(18)可表述如下:minu11;u12;u21;u22, s.t. fku11,u12,u21,u22,u11,u12,u21,u22,Cf=0.(19)為了降低實(shí)時(shí)控制器的計(jì)算復(fù)雜程度,觀測器可以劃分成兩個(gè)級聯(lián)的觀測器。先估計(jì)Vx,再估計(jì)縱向剛度。初試值有一個(gè)給定的常用范圍:CminCCmax。式(19)可簡化為:minu11;u12, s.t. fku11,u12,u11,u12,CfCminCfCmax. =0(20)觀測器可以和DSC控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測縱向剛度的命令,那么驅(qū)動程序?qū)⒈桓嬷詼睾偷募铀俸蜏p速操作驅(qū)動車輛沿直線運(yùn)動。根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)向角,控制器可以判斷車輛是否在一條直線上。如果符合要求,控制器將會存儲給定時(shí)間內(nèi)的輪速,縱向速度和加速度。然后計(jì)算出C。觀測過程可通過圖2說明。圖2輪胎縱向剛度觀測示意圖4輪胎側(cè)偏剛度的檢測側(cè)偏剛度可以在自由滑行時(shí)的一個(gè)轉(zhuǎn)向操作中檢測。前輪的驅(qū)動力被視為0。如果前輪的轉(zhuǎn)角很小,那么車輛的動力學(xué)方程可由式(2)-(3)推導(dǎo)出。則只需估計(jì)前輪的側(cè)偏剛度:mcvy+vx+Jv=LFy11+Fy12+Fy12-Fy11bw.(21)如果側(cè)偏角不超過5度,線性的水平輪胎力可以用HSRI輪胎模型來估計(jì),并且認(rèn)為兩輪的側(cè)偏角是相等的。式(21)可進(jìn)一步簡化如下: vy+vx+Jvmc=2LmcCff.(22)我們可以定義:f=w.-+avx,vy=ay-vx,=vyvx.(23)如果用集成的方法計(jì)算側(cè)偏角,那么只要整合的時(shí)間足夠長累積得錯(cuò)誤就會大幅增加。因此,用衰減系數(shù)(1)縮減錯(cuò)誤。那么:vyk=ay-fk-vrefkfk-vyk. (24)用到了復(fù)化梯形積分:vyk+1=vyk+ay-fk-vrefkfk-vykT.(25)考慮到轉(zhuǎn)向角的測量誤差,水平加速度,偏航率以及輪速,式(22)可表示如下:S= ay+ ay+12Rru21+21+u22+22+Jvmc+-2LmcCfw.+w.-+2a+u21+21+u22+22=0.(26) vx是由自由滾動的車輪的輪速信號計(jì)算得出的。如果車輛處于自由滑行時(shí)的轉(zhuǎn)向操作中,那么vx可以被看作側(cè)偏剛度檢測中的一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。因此,側(cè)偏剛度檢測器是一個(gè)級聯(lián)的觀測器。首先,檢測vy(或側(cè)偏角),然后檢測側(cè)偏剛(26)可簡化下:S= ay+ ay+vx+Jvmc+-2LmcCfw.+w.-+a+vx=0(27)加上一個(gè)即時(shí)參數(shù)k,式(27)可簡便的表述如下:Skay,ay,Cf=0.(28)為了降低計(jì)算的復(fù)雜度圍繞輪胎剛度的的常用范圍CminCfCmin給出了恰當(dāng)?shù)某跏贾?。那么非線性估計(jì)方程如下:minay, s.t. Skay,ay,Cf=0,CminCfCmax. (29)該檢測過程如圖3所示:圖3輪胎側(cè)偏剛度的概略圖觀測器可以和DCS控制算法集成在一塊。如果控制器得到檢測偏轉(zhuǎn)剛度的命令,那么驅(qū)動程序?qū)⒁砸粋€(gè)溫和的轉(zhuǎn)角驅(qū)動車輛;為了控制水平加速度,縱向速度必須適應(yīng)轉(zhuǎn)向角。這樣輪胎就能夠在水平方向上工作在線性區(qū)域內(nèi)。根據(jù)測量到的轉(zhuǎn)向角,偏航率以及水平加速度控制器就能夠判斷汽車是否以一個(gè)適應(yīng)的方式運(yùn)行。如果條件滿足,該控制器將在給定的時(shí)間內(nèi)存儲這些相關(guān)數(shù)值。然后觀測器開始計(jì)算C5在線測試受力檢測器集成在DCS控制器里,當(dāng)驅(qū)動程序以某一給定操作驅(qū)動車輛,就會有一個(gè)子程序來校準(zhǔn)輪胎的剛度。5.1縱向剛度的驗(yàn)證首先,在操縱過程測試中觀測輪胎的縱向剛度。讓車輛沿直線加速,加速度ax 范圍是03m/s2典型的數(shù)據(jù)集如圖4所示。在測試中有兩個(gè)加減速周期。DCS傳感器測量四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)角。然后可以通過有限差分的方法推導(dǎo)出縱向速度和加速度。接著可以利用式(20)來估計(jì)縱向剛度。圖4為觀測Cf設(shè)置的典型數(shù)據(jù)正如圖5所示,分別基于線性和非線性觀測器來估計(jì)縱向剛度。進(jìn)行不同初始值得反復(fù)試驗(yàn):估計(jì)值列于表2.非線性觀測器更為精確并且硝化數(shù)量比線性的小。輪胎的類型是米其林MXV8-205/55R16-91V。垂直載荷約是4120N。車輛和輪胎的參數(shù)由華晨汽車有限公司和米其林提供。圖5基于通過線性和非線性方法縱向剛度估計(jì)表2縱向剛度估計(jì)值5.2側(cè)偏剛度驗(yàn)證為了觀測側(cè)偏剛度,設(shè)置了如下試驗(yàn):(1)轉(zhuǎn)向角輸入是固定的,車輛繞一半徑約為16m的圓運(yùn)行。(2)轉(zhuǎn)向角,偏航率,橫向加速度及輪速通過DCS傳感器測量。(3)車輛的滑動角通過式(23)和(25)估計(jì)。估計(jì)邏輯也集成在DCS控制器中。(4)檢測器收集典型的數(shù)據(jù)集并計(jì)算出側(cè)偏剛度。測試數(shù)據(jù)集如圖6所示,側(cè)偏剛度的估計(jì)如圖7所示。來自三項(xiàng)非線性觀測的估計(jì)值列于表3。因?yàn)檐囕v是穩(wěn)定的并且DCS控制器在測試的過程中是未激活狀態(tài),所以計(jì)算輪胎剛度的計(jì)算能力是足夠的。控制器的主芯片是英飛凌XC2000,控制周期為40ms??刂破鞯挠?jì)算時(shí)間是9ms??v向剛度的估計(jì)過程可能在10ms內(nèi)完成,側(cè)偏剛度的估計(jì)過程可能在15ms內(nèi)完成。因此整個(gè)輪胎參數(shù)的估計(jì)過程將很容易在DCS實(shí)時(shí)控制器中實(shí)現(xiàn)。圖6為觀測側(cè)偏剛度設(shè)置的測試數(shù)據(jù)圖7側(cè)偏剛度估計(jì)值表3側(cè)偏剛度的估計(jì)值(w= 0.16rad)6結(jié)論(1)利用DCS傳感器獲得的信號和直接從DCS控制器獲得的一些相關(guān)的車輛動態(tài)狀態(tài)輪胎剛度參數(shù),在提出的觀測方法中通過一個(gè)給定的校準(zhǔn)操作過程可實(shí)現(xiàn)輪胎剛度參數(shù)的估計(jì)。(2)輪胎縱向剛度和側(cè)偏剛度的計(jì)算復(fù)雜程度在實(shí)車測試中的到了驗(yàn)證。結(jié)果表明該估計(jì)算法可用在實(shí)時(shí)控制器中。(3)校準(zhǔn)操縱過程很簡單,并且當(dāng)車輛在普通駕駛狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)控制器可以很容易的激活估計(jì)算法。(4)輪胎參數(shù)估計(jì)的精度并不依賴于車輛和輪胎模型。該算法可以集成在DCS控制算法中來提高魯棒性。參考文獻(xiàn):1 LI Liang,LI Hongzhi,SONG lian,et a1Road friction estimation under complicated maneuver conditions for active yaw controlJChinese Journal of Mechanical Engineering,2009,22(4):5145202 VAN ZANTEN A TControl aspect of Bosch-VDCCThe3rd International Symposium on Advanced Vehicle Control Aachen, Germany1 996:5736073HAITTOR1 H,KOIBUCHI K,YOKOYAMA TForce and moment contr01 with nonlinear optimum distribution for vehicle dynamicsCThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control, Hiroshima,Japan2002:595-6004LI Liang,SONG Jiang,WANG Huiyi,et a1Fast estimation and compensation of the tire force in real time control for vehicle dynamic stability control systemJInternational Journal of Vehicle Design,2008,48(3-4):208-2295KIN K,RYU H,IKEDA T,et a1Enhanced vehicle stability and stecrability with VSACThe 6th International Symposium on Advanced Vehicle Control HiroshimaJapan2002:75-806TSENG H E,AsHRAFI B,MADAU DThe development of vehicle stability control、 at fordJ IEEE,ASME Transactio on Mechatronics,1999,4(3):223-2347RAY LAuRA RNonlinear state and tire force estimation for advanced vehicle controlJ1EEE Transaction on Control System Technology,199513r11:117-1248LEE Chankyu,HEDRjCK Karl,YI KyongsuReal-time slipbased 畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯 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 日單位代碼 11834 學(xué)號 080105011分 類 號 TH6 密 級 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院(系)名稱工學(xué)院機(jī)械系 專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)及自動化 學(xué)生姓名韓利國 指導(dǎo)教師閆存富2012年5月12日 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第32頁XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文介紹了XKA5750立式數(shù)控銑床的一些基本情況,簡述了機(jī)床主傳動系統(tǒng)方面的原理和類型,分析了各種傳動方案的機(jī)理。XKA5750立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)包括主軸電動機(jī)、主軸傳動系統(tǒng)和主軸組件三部分。本文詳細(xì)介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,該立式數(shù)控銑床主軸變速箱是靠齒輪進(jìn)行傳動的,傳動形式采用集中式傳動,主軸變速系統(tǒng)采用多聯(lián)滑移齒輪變速。齒輪傳動具有傳動效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,工作可靠、壽命長,傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。文中介紹了立式數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)各種傳動方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較、主傳動方案的選擇和確定、主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、主軸組件的設(shè)計(jì)、軸承的選用基潤滑、關(guān)鍵零件的校核、以及主軸電動機(jī)的控制等設(shè)計(jì)過程。關(guān)鍵詞:數(shù)控銑床,主傳動系統(tǒng),主軸組件The main drive system design of XKA5750 CNC milling machineAuthor:Han LiguoTutor:Yan CunfuAbstract This paper introduces some basic situations of the XKA5750 vertical CNC milling machine, briefly discusses the principles and types about spindle driving system of machine tool and analyzes the mechanism of various transmission scheme. The main driving system of XKA5750 CNC milling machine includes three parts that is spindle motor, spindle driving system and spindle components. This paper describes the main driving system design process of the XKA5750 CNC milling machine in detail. The spindle gearbox of this vertical CNC milling machine is driven by gear, and the driving mode adopts a centralized transmission, the spindle speed system uses multi sliding gear transmission. The advantages of gear drive are high transmission efficiency, compact structure, reliable, long life and accurate transmission ratio and so on. This paper compares the advantages and disadvantages of the various transmission scheme for vertical CNC milling machine system, introduces the selection and identification of main drive program, gearshift design and calculation of the main drive, the design of the spindle components, the selection and lubrication of the bearing, verification of critical parts, and the control of spindle motor, and so on.Key words:CNC milling machine, spindle driving system, spindle components目 錄1 緒 論11.1我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀11.2課題提出的意義和目的22 XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定32.1數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介32.2 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求32.3 主傳動的類型及方案選擇43 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算63.1 計(jì)算切削功率63.1.1切削力的計(jì)算63.1.2切削功率的計(jì)算63.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定63.2 計(jì)算主傳動功率73.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定73.3.1 變速級數(shù)Z的確定73.3.2 電動機(jī)的功率的確定83.3.3 電動機(jī)參數(shù)83.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定94 主軸組件設(shè)計(jì)94.1概述94.2主軸組件應(yīng)滿足的基本要求94.3主軸的設(shè)計(jì)94.3.1軸的分類94.3.2主軸材料選擇94.3.3主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)94.3.4主軸強(qiáng)度的校核94.4軸承設(shè)計(jì)94.4.1軸承的類型選擇94.4.2 軸承游隙等級的選擇94.4.3軸承布局94.4.4軸承裝置的設(shè)計(jì)95 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)95.1控制方式選擇95.2 PLC概述95.2.1 可編程控制器的由來及現(xiàn)狀95.2.2 PLC按I/O點(diǎn)數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的分類95.2.3 可編程控制器的特點(diǎn)95.2.4 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域95.3 PLC 在主軸電動機(jī)控制中的應(yīng)用9結(jié)論9致謝9參考文獻(xiàn)9 1 緒 論1.1我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力,關(guān)系到一個(gè)國家的戰(zhàn)略地位。因此,世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 近幾年我國數(shù)控產(chǎn)品發(fā)展很快,但真正在市場上站住腳的卻不多。就數(shù)控系統(tǒng)而言,國產(chǎn)貨仍未真正被廣大機(jī)床廠所接受,因此出現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)用于舊機(jī)床改造的例子較多,而裝備新機(jī)床的卻很少,機(jī)床廠出產(chǎn)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床大多數(shù)用的都是國外的系統(tǒng)。這當(dāng)然不是說舊機(jī)床的數(shù)控化改造不重要,而是說明從商品的角度看,我們的數(shù)控系統(tǒng)與國外相比還存在相當(dāng)大的差距。 影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外,更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。以往,一些數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開發(fā)部門,所追求的往往是一些體現(xiàn)技術(shù)水平的指標(biāo)(如多少通道、多少軸聯(lián)動、每分鐘多少米的進(jìn)給速度等等),而對影響實(shí)用性的一些指標(biāo)和一些小問題卻不太重視,在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實(shí)用性方面花的精力相對較少。從而出現(xiàn)某些產(chǎn)品鑒定時(shí)的水平都很高,甚至也獲各種大獎(jiǎng)。但這些高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現(xiàn)不盡人意,最后喪失了信譽(yù),打不開市場。這說明,高指標(biāo)、高性能的樣機(jī)型的產(chǎn)品離用戶真正需要的實(shí)用、可靠的商品是有相當(dāng)大的距離的,將一個(gè)高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€(gè)有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。 另一方面,數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床不像家電類產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn),應(yīng)用環(huán)境也不那么簡單。數(shù)控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用,面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透,就難以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)得很完善。而且數(shù)控產(chǎn)品的某些問題在開發(fā)、試用,甚至鑒定時(shí)都難以發(fā)現(xiàn)。這就造成,同樣型號的數(shù)控機(jī)床在有的用戶那兒運(yùn)行得很好,而在別的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳?;蛘咄瑯有吞柕臄?shù)控機(jī)床用于加工某些零件工作得很好,但用于加工其他零件時(shí)卻不盡人意。出現(xiàn)這種情況,有時(shí)是用戶操作人員的水平問題,但有時(shí)就是數(shù)控產(chǎn)品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題,國外一些公司設(shè)立了專門機(jī)構(gòu)來測試考驗(yàn)自己的產(chǎn)品,如為考驗(yàn)新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),廠家自己設(shè)計(jì)和從生產(chǎn)實(shí)際中收集了大量零件程序,讓數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行各種各樣的程序,一旦發(fā)現(xiàn)問題,即立即反饋給開發(fā)部門予以解決。經(jīng)過這樣的測試考驗(yàn)過程后,數(shù)控系統(tǒng)的潛在問題就大為減少。以往,我們的產(chǎn)品就很少進(jìn)行這樣嚴(yán)格的全面的自我測試考驗(yàn)。很多問題都要等到用戶去給我們挑出來。這樣,即使一個(gè)小問題也將嚴(yán)重影響國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的聲譽(yù)。1.2課題提出的意義和目的與普通銑床的工藝裝備相比較,數(shù)控銑床工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強(qiáng),一般采用電動、氣動、液壓甚至計(jì)算機(jī)控制,其自動化程度更高。合理使用數(shù)控銑床的工藝裝備,能提高零件的加工精度。各種類型數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同,但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能,除一些特殊功能不盡相同外,其主要功能基本相同。其主要功能如下:點(diǎn)位控制功能:此功能可以實(shí)現(xiàn)對相互位置精度要求很高的孔系加工;連續(xù)輪廓控制功能:此功能可以實(shí)現(xiàn)直線、圓弧的插補(bǔ)功能及非圓曲線的加工;刀具半徑補(bǔ)償功能:此功能可以根據(jù)零件圖樣的標(biāo)注尺寸來編程,而不必考慮所用刀具的實(shí)際半徑尺寸,從而減少編程時(shí)的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算;刀具長度補(bǔ)償功能:此功能可以自動補(bǔ)償?shù)毒叩拈L短,以適應(yīng)加工中對刀具長度尺寸調(diào)整的要求;比例及鏡像加工功能:比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標(biāo)值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工,如果一個(gè)零件的形狀關(guān)于坐標(biāo)軸對稱,那么只要編出一個(gè)或兩個(gè)象限的程序,而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實(shí)現(xiàn);旋轉(zhuǎn)功能:該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來執(zhí)行;子程序調(diào)用功能:有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀,將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序,在需要的位置上重復(fù)調(diào)用,就可以完成對該零件的加工;宏程序功能:該功能可用一個(gè)總指令代表實(shí)現(xiàn)某一功能的一系列指令,并能對變量進(jìn)行運(yùn)算,使程序更具靈活性和方便性。這就使我們更加有需要來研究數(shù)控銑床的各個(gè)方面,而本設(shè)計(jì)主要真對XKA5750數(shù)控滑枕升降臺銑床主傳動部分加以分析和設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)合理的主傳動系統(tǒng),使純機(jī)械化的機(jī)床實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床,獲得大的機(jī)械效益。2 XKA5750數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)方案的確定2.1數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)簡介主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng),他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍,以便采用不同材料的刀具,加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件,它與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單,這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠种鬏S電動機(jī)的無極調(diào)速來承擔(dān),省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu),有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。在主傳動系統(tǒng)方面,具有下列特點(diǎn):(1)目前數(shù)控機(jī)床的主傳動電機(jī)已不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī),它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。(2)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。(3)變速范圍大。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要求有較大的調(diào)速范圍,一般Rn100,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。(4)主軸速度的變換迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的,因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善,不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無級變速,而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié),提高了變速控制的可靠性5,6。2.2 對數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的要求 (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)動的開停、變速、換向和制動,以滿足機(jī)床的運(yùn)動要求。(2)主電動機(jī)具有足夠的功率,全部機(jī)構(gòu)和元件具有是夠的強(qiáng)度和剛度,以滿足機(jī)床的動力要求。(3)主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu),特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性,熱變形和噪聲要小,傳動效率要高,以滿足機(jī)床的工作性能要求。(4)操縱靈活可靠,調(diào)整維修方便,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。2.3 主傳動的類型及方案選擇 數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的,因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中,目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級凋速系統(tǒng)。為擴(kuò)大調(diào)速。為了適應(yīng)不同的加工要求,目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式。1具有變速齒輪的主傳動這是大、中型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速,增大輸出扭矩,以滿足主軸輸出扭矩特性的要求,如圖1.1所示。一部分小型數(shù)控機(jī)床也采用此種傳動方式以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。圖1.1 圖1.2 圖1.32.通過帶傳動的主傳動通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動,這種傳動方式多見于數(shù)控車床,它可避免齒輪傳動時(shí)引起的振動和噪聲,如圖1.2所示。3由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動的主傳動這種主傳動是由電動機(jī)直接驅(qū)動主軸,即電動機(jī)的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上,因而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,但主軸輸出扭矩小,電機(jī)發(fā)熱對主軸的精度影響較大。如圖1.3所示。近年來,出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機(jī)主軸,即主軸與電動機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,慣量小,可提高起動、停止的響應(yīng)特性,并利于控制振動和噪聲。缺點(diǎn)是電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此,溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機(jī)主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件,其內(nèi)裝電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min。本次設(shè)計(jì)采用變速齒輪主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造和維修費(fèi)用高,但和以上兩種驅(qū)動方式比,變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu),可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機(jī),經(jīng)齒輪變速后,實(shí)現(xiàn)分段無級變速,調(diào)速范圍增加,且能滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出,因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。3 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算3.1 計(jì)算切削功率 3.1.1切削力的計(jì)算銑削時(shí)的切削力,公式如下Fc=CFaF0.86fz0.74Z0.98D0.86 (3.1)式中Pc 銑削時(shí)的主切削力(公斤力)CF 加工材料影響的系數(shù)fz每齒進(jìn)給量(mm)aF背吃刀量(mm) B銑削寬度Z銑刀齒數(shù)D銑刀直徑(mm)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取銑刀直徑D=50mm的四齒錐柄立銑刀,銑刀寬B=40mm,fZ=0.05mm,aF=4mm, Cf=68mm,計(jì)算得:Fc=132(公斤力)7。3.1.2切削功率的計(jì)算切削時(shí)所消耗的功率稱為切削功率,切削功率的計(jì)算公式:Pc=FcVc6000 (3.2)式中:Pc切削功率(kw)Fc切削力(公斤力)Vc切削速度(m/min)根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍,取Vc=100m/min計(jì)算得:Pc=2.2kw3.1.3主軸轉(zhuǎn)速范圍的確定主軸最高轉(zhuǎn)速為nmax=4000rmin,最低轉(zhuǎn)速為nmin=40rmin。3.2 計(jì)算主傳動功率 用下列方法粗略估算主電動機(jī)的功率PL=PCC (3.3)式中,C為銑床主傳動系統(tǒng)總機(jī)械效率,主運(yùn)動為回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí),C=0.70.8;主運(yùn)動為直線運(yùn)動時(shí),C=0.60.7。取主傳動的總效率C=0.7,則初選電動機(jī)功率Pd=2.20.7=3.14kw取Pd=4kw電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nd=1500rmin;額定最高轉(zhuǎn)速為ndmax=4500rmin3.3 分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主軸電動機(jī)的功率的確定由3.2中初選電動機(jī)功率Pd為4kw,計(jì)算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式 :nj=4000400.35=205rmin 電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍:Rdp=45001500=3。主軸恒功率調(diào)速范圍: Rnp=nmaxnj=4000205=19.5。因此主軸要求的恒功率變速范圍 遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率圍 ,所以在電動機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級變速箱,來擴(kuò)大電動機(jī)恒功率變速范圍。3.3.1 變速級數(shù)Z的確定如取變速箱的公比f=Rdp=3,則由于無級變速時(shí)Rnp=fz-1Rdp=fz (3.4),故變速箱的變速極數(shù)Z=logRnplogf=log19.5log3=2.704可取Z=3。雖然此中方法功率特性圖示連續(xù)的、無缺口(即沒有功率降低區(qū))和無重疊,但是Z=3,變速箱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。因此為簡化變速箱機(jī)構(gòu),取Z=2。3.3.2 電動機(jī)的功率的確定由公式(3.4)可知,應(yīng)增大f又,Z=logRnplogf即2=log19.5logf所以得f=4.42,比Rdp=3大很多。此時(shí)變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速,主傳動系統(tǒng)的功率特性圖中出現(xiàn)缺口區(qū)。缺口處的功率為:P=RdpPdf=344.42=2.71kw 低谷處應(yīng)保證傳遞全部功率,只有選擇額定功率較大的電機(jī)給予補(bǔ)償。所以選用功率為5.5kw的交流變頻電動機(jī)。則缺口處的功率為P=RdpPdf=35.54.42=3.73kw。有很大的改善。3.3.3 電動機(jī)參數(shù)電機(jī)采用CTB系列變頻電機(jī),型號:CTB-45P5BXB50-4,主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1)電壓:三相380V/50Hz;(2)變頻調(diào)速范圍:5100Hz無級調(diào)速,550Hz恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,50100Hz恒功率調(diào)速,級數(shù)為4級,額定轉(zhuǎn)速1445r/min;(3)電機(jī)應(yīng)能承受額定轉(zhuǎn)矩的60%過載,歷時(shí)1min,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象;能通過變頻裝置的電壓提升,保證電動機(jī)頻率在50Hz時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩而不致使電機(jī)因發(fā)熱而燒毀。(4)CBT-45P5BXB50-4電機(jī) 主要性能參數(shù)如表3.1,法蘭安裝如圖3.1,外形尺寸如表3.2,3.3所示:表3.1 CBT-45P5BXB50-4電機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)型號額定功率(kw)機(jī)座號額定轉(zhuǎn)速(rmin)額定轉(zhuǎn)矩(N.m)(堵轉(zhuǎn))額定轉(zhuǎn)矩(最大)額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量(kg.m2)重量(kg)變頻器功率(kw)A型B型CTB-45P5BXB50-45.5132S-4144536.31.32.30.0214705.57.5注:額定電壓/頻率:380V/50Hz,極數(shù):4極,同步轉(zhuǎn)速1500r/min。圖3.1 B5法蘭安裝圖表3.2 電機(jī)外形尺寸1機(jī)座號AAAABACADAEAFBBBCDDHEEDFG8012535165175140651601001305019M6*164025615.590S14037180195150651701001405624M8*19504082090L14037180195150651701251655624M8*195040820100L16045200215165651901401806328M10*226045824112M19045230240180652001401857028M10*226045824132S21650275275190652201402058938M12*2880601033表3.3 電機(jī)外形尺寸2機(jī)座號HHAHBHDKKKLLALDMNPST80801018021510M25395101151651302004*123.590S901320023510M25445121301651302004*123.590L901320023510M25445121301651302004*123.5100L1001423026512M32500121452151802504*154112M1121425529012M32505121502151802504*154132S1321629032512M32575131802652303004*1543.3.4 分級變速箱的傳動系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的確定本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)具有兩檔速度,低檔轉(zhuǎn)速為40900rmin,高檔轉(zhuǎn)速為3004000rmin。采用二級變速傳動,傳動比為的高速傳動的低速傳動兩種變速機(jī)構(gòu),采用撥叉變速。顯然如果要求在15004000rmin內(nèi)作恒功率的不停車變速可用高檔。如果要求在1901500rmin內(nèi)作恒功率的不停車變速可用低檔。電機(jī)的轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖3.2所示 3,16 。圖3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖4 主軸組件設(shè)計(jì)4.1概述主軸部件設(shè)計(jì)是機(jī)床重要部件之一,它是機(jī)床的執(zhí)行件。它的功用是支撐并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削,承受切削力和驅(qū)動力等載荷,完成表面成型運(yùn)動。4.2主軸組件應(yīng)滿足的基本要求(1)旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度指裝配后,在無載荷、低轉(zhuǎn)速條件下,在安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。其主要取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。(2)剛度 主軸部件的剛度指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力,通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性形變時(shí),在位移方向上所施加的作用力來定義。如圖4.1所示。主軸部件的剛度是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此,主軸的尺寸和形狀、軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件布置形式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量都影響主軸部件的剛度。圖4.1 剛度定義示意圖(3)抗振性 主軸部件的抗振性指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在切削過程中,主軸部件不僅受靜態(tài)力作用,同時(shí)也受沖擊力和交變力的干擾,使主軸產(chǎn)生振動。影響抗振性的主要因素是主軸部件的靜剛度、質(zhì)量分布及阻尼。其評價(jià)指標(biāo)是主軸部件的低階固有頻率與振型。(4)溫升和熱變形 主軸部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),因相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦熱、切削的切削熱等使主軸部件的溫度升高,形狀尺寸和位置發(fā)生變化,造成主軸部件的熱變形。其引起軸承間隙變化,潤滑油溫度升高會使粘度降低,這些變化會影響主軸部件的工作性能,降低加工精度。(5)精度保持性 主軸部件的精度保持性指長期保持其原始制造精度的能力。磨損是主軸部件喪失原始精度的主要原因。因此,必須提高主軸部件的耐磨性。對耐磨性影響較大的有主軸的材料、軸承的材料、熱處理方式、軸承類型及潤滑防護(hù)方式等。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求而需在軸中裝設(shè)其他零件或者減少軸的質(zhì)量具有特別重大的作用的場合,則將軸制成空心的,空心軸內(nèi)徑與外徑的比值通常為0.5-0.6為保證軸的剛度和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。4.3主軸的設(shè)計(jì)4.3.1軸的分類軸是機(jī)械傳動的一個(gè)重要零件,一般作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件常要裝在軸上才能實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其承載在載荷可分為:1.轉(zhuǎn)軸工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩。2.心軸用于支撐轉(zhuǎn)動零件,只承受彎矩。3.傳動軸傳遞扭矩。在高速傳動的軸不僅要考慮軸的材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度,而且要防止軸的振動(動平衡)。此外,注意軸上零件的固定,結(jié)構(gòu)工藝性,熱處理等要求。作為制造機(jī)器的機(jī)器上的軸,設(shè)計(jì)的主要原則是剛度原則,本次設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)軸。4.3.2主軸材料選擇軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。數(shù)控主軸主要傳遞扭矩,且在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生大量的熱,產(chǎn)生一定的軸伸長,其他零件的變形,從而影響加工精度和表面質(zhì)量。從多方面考慮選用40Cr為本次數(shù)控銑床主軸材料。4.3.3主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成. 軸的設(shè)計(jì)也和其他的零件的設(shè)計(jì)相似,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力的計(jì)算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝性等方面的要求,合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)不合理會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性,還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要。軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下,軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,以防止斷裂或塑性變形。對于機(jī)械裝備則需剛度計(jì)算,防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形,影響加工精度和表面質(zhì)量。對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸,還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計(jì)算,防止發(fā)生共振而破壞。1、軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素:(1)軸在機(jī)器中的安裝位置及形式;(2)軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量和軸連接的方法;(3)載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況;(4)軸的加工工藝。2、不論什么條件,軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下條件:(1) 軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置,周向和軸向要有準(zhǔn)確的定位;(2) 軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整;(3) 軸應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性。3、 確定軸上零件的裝配方案 圖4.2 主軸裝配草圖預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和關(guān)系,該數(shù)控銑床主軸的裝配如圖4.2所示。前軸承(前支撐)、套筒、軸承、套筒(曲路密封)與端蓋(曲路密封)齒輪(動力輸入部分)、圓螺母、軸承(后支撐)、端蓋、依次從軸的后端向前端安裝。4、軸上零件的定位 為防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向和周向的相對運(yùn)動,軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)要求外,都必須進(jìn)行軸向和周向定位,以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 (1)零件的軸向固定:通常由軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母來保證; (2)零件的周向固定:周向固定的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對運(yùn)動。常用周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等,其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。5、軸頸的初步設(shè)計(jì)(1)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初算最小軸頸下面這種方法只是按軸所承受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度;如果還承受有不大的彎矩時(shí),則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法予以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸,也可作為計(jì)算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 T=TWT=9550000Pn0.2d3T (4.1)T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位MPaT軸所受的扭矩,單位為NmmWT軸的抗扭截面系數(shù),單位為mm3n軸的轉(zhuǎn)速,單位為r/minP軸傳遞的功率,單位為kwd計(jì)算截面處軸的直徑,單位為mmT許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MPa由上式可得直徑d39550000P0.2Tn=A03Pn (4.2)式中:A0=395500000.2T=102mm2對于空心軸d3Pn(1-4)=18mm表4.1 常見軸材料的T及A0值軸的材料Q235-A、20Q275、354540Cr15-2520-3525-4535-45A0149-126135-112126-103112-97應(yīng)當(dāng)指出,當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí),應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱。對于直徑d100mm的軸,有一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑應(yīng)增大7%。對于直徑d2.5取a=65mm(2)主軸合理跨距的選擇:在具體設(shè)計(jì)時(shí),常常由于結(jié)構(gòu)上的限制,實(shí)際跨距l(xiāng)l0最佳合理跨距。這樣就造成主軸組件的剛度損失。在設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為l/l0=0.751.5時(shí),剛度損失不大(5%左右)。應(yīng)該認(rèn)為在合理范圍之內(nèi),稱之為合理跨距,合理跨距l(xiāng)合理=0.751.5l0是一個(gè)區(qū)域。6、 提高主軸強(qiáng)度的措施軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝及軸上零件的安裝布置等對軸的強(qiáng)度有很大的影響,所以應(yīng)在這些方面進(jìn)行考慮,以利提高軸的承載的能力,減小軸的尺寸和機(jī)器的質(zhì)量,降低制造成本。(1)合理布置軸上零件以減小軸的載荷。為了減小軸所承受的彎矩,傳動件應(yīng)盡量靠近軸承,并盡可能不采用懸臂的支承形式,力求縮短支承跨距及懸臂長度。通常軸是在變應(yīng)力條件下工作的,軸的截面尺寸發(fā)生突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中,軸的疲勞破壞也常常發(fā)生在此處。軸肩要采用較大的R減小應(yīng)力集中;選擇合適的配合關(guān)系;可在輪轂或軸上開減載槽;切制螺紋處的應(yīng)力集中較大,應(yīng)避免在軸上受載較大的區(qū)段切制螺紋。(2)改進(jìn)軸的表面質(zhì)量提高軸的疲勞強(qiáng)度。軸的表面愈粗糙,疲勞強(qiáng)度愈低。因此,應(yīng)合理減小軸的表面及圓角處的,提高軸的疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化處理的方法有:表面高頻淬火;表面滲碳、氮化;碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理。7、 軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)工藝性指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件,生產(chǎn)率高,成本低。一般說,軸的結(jié)構(gòu)越簡單,工藝性越好。因此,在滿足使用要求的前提下,軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡單。為了便于裝配零件并去掉毛刺,軸端應(yīng)制出45的倒角;需要磨削加工的軸段,應(yīng)留有砂輪越程槽;需要切制螺紋的軸段,應(yīng)留有退刀槽。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率,軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應(yīng)盡量采用相同的尺寸。主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4.3。圖4.3 主軸結(jié)構(gòu)圖4.3.4主軸強(qiáng)度的校核軸的精確計(jì)算主要是軸的強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算,且在滿足軸的強(qiáng)度和剛度要求,必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行軸的振動穩(wěn)定性計(jì)算。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況,采取相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)?shù)剡x用許用應(yīng)力。BT30銑床機(jī)械主軸既承受彎矩又承受扭矩,應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算,需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行精確校核計(jì)算1,2。1、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行校核計(jì)算。T=TWT=Td316-btd-t2dT (4.3)式中:T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位MPa。T軸所受的扭矩,單位為Nmm。d計(jì)算截面處軸的直徑,單位為mm。T許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MPa。WT軸的抗扭截面系數(shù),單位為mm3。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表8-3查得T為45MPa;由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊表4-1(GB1059-79)可查得;。將以上各值代入式(4-3)得: T=4.7MPa T滿足強(qiáng)度要求。2、按剛度條件校核計(jì)算:軸在載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過了允許的限度,就會影響軸上零件的正常工作,甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對于制造產(chǎn)品的銑床主軸來說剛度是關(guān)鍵。由誤差復(fù)映原理可知,剛度較差的機(jī)床造出的產(chǎn)品,根本就談不上精度。因此,本次設(shè)計(jì)的BT40主軸必須校核剛度。軸的彎曲剛度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來度量的;扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。主要任務(wù)是:計(jì)算主軸在受載時(shí)的變形量,并控制其在允許范圍內(nèi)。剛度校核計(jì)算:階梯軸的剛度條件: =5.731041LGi=1zTiIpiT 扭矩,單位為NmmG 剪切彈性模量,單位為,對于各種鋼材,IP極慣性矩,單位為L 階梯軸受扭矩的長度,單位為mmZ 階梯軸受扭矩軸段數(shù)Ti、li、Li 階梯軸第i段上的扭矩、長度、慣性矩代入相應(yīng)數(shù)值得=5.73104420.34788.110100.19320.084-0.0374+0.06320.0754-0.01554 +0.21320.0454-0.034=0.168由機(jī)械設(shè)計(jì)查得=0.250.5,顯然4000min13,14所以完全可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為4000r/min的設(shè)計(jì)要求。又因?yàn)檩S承支點(diǎn)跨距較大,溫升較高,所以本設(shè)計(jì)采用一端固定,一端游動的軸承固定方式。并且是三支承方式。4.4.4軸承裝置的設(shè)計(jì)要想保證軸承順利的工作、,除了正確選擇軸承類型和尺寸外,還應(yīng)該正確設(shè)計(jì)軸承的裝置。軸承裝置的設(shè)計(jì)主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn)。1、軸承的配置一般來說,一根軸需要兩個(gè)支點(diǎn),每個(gè)支點(diǎn)可由一個(gè)或一個(gè)以上的軸承組成。合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機(jī)器中有正確的位置、防止軸向竄動以及軸受熱膨脹后導(dǎo)致將軸承卡死等因素。常用的軸承配置方法有以下三種:(1)雙支點(diǎn)單向固定這種軸承配置常用兩個(gè)反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承,兩個(gè)軸承各限制一個(gè)方向的軸向移動。(2)單支點(diǎn)雙向固定對于跨距較大(如大于350mm)且工作溫度較高的軸,其熱伸長量大,應(yīng)采用一支點(diǎn)雙向固定,另一支點(diǎn)游動的支承結(jié)構(gòu)。作為固定支承的軸承,應(yīng)能承受雙向軸向載荷,故內(nèi)外圈在軸向都要固定。作為補(bǔ)償軸的熱膨脹的游動支承,若使用的是內(nèi)外圈不可分離型軸承,只需固定內(nèi)圈,其外留在座孔內(nèi)應(yīng)可以軸向游動。 (3)兩端游動支承對于一對人字齒輪軸,由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用,它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計(jì)成只保證其中一根軸相對機(jī)座有固定的軸向位置,而另一根軸上的兩個(gè)軸承都必須是游動的,以防止齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻。首先通過BT40主軸的工作情況來說,是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),外圈固定。BT40主軸的轉(zhuǎn)速為8000prm,額定轉(zhuǎn)矩為42Nm,屬于高速中載的工作條件。由于高速旋轉(zhuǎn),軸承等安裝在軸上的零件會和軸有摩擦,并產(chǎn)生大量的熱。雖然水冷卻系統(tǒng)能帶走一部分熱能,但仍會導(dǎo)致因溫升而產(chǎn)生熱伸長。因此,必須采用“一支點(diǎn)雙向固定,另一支點(diǎn)游動”的軸承配置形式。作為固定支承的軸承,應(yīng)能承受雙向軸向載荷,內(nèi)外圈在軸上都要固定。而作為補(bǔ)償軸的熱膨脹的游動支承,固定內(nèi)圈,外圈在坐孔內(nèi)可以游動,給軸的熱膨脹留余空間。在本次設(shè)計(jì)中,受力不是很大,選取前三后二的支承方式。2、軸承的配合配合的目的是使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定,以免在相互配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動(稱做蠕變)會引起異常發(fā)熱、配合面磨損(進(jìn)而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部) 以及振動等問題,使軸承不能充分發(fā)揮作用。因此對于軸承來說,由于承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn),一般必須讓套圈帶上過盈使之牢固地與軸或外殼固定。配合的選擇一般按下述原則進(jìn)行:根據(jù)作用于軸承的負(fù)荷方向、性質(zhì)及內(nèi)外圈的哪一方旋轉(zhuǎn),則各套圈所承受的負(fù)荷可分為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷、靜止負(fù)荷或不定向負(fù)荷。承受旋轉(zhuǎn)負(fù)荷及不定向負(fù)荷的套圈應(yīng)取靜配合(過盈配合),承受靜止負(fù)荷的套圈,可取過渡配合或動配合(游隙配合)。軸承負(fù)荷大或承受振動、沖擊負(fù)荷時(shí),其過盈須增大。采用空心軸、薄壁軸承箱或輕合金、塑料制軸承箱時(shí),也須增大過盈量。要求保持高旋轉(zhuǎn)時(shí),須采用高精度軸承,并提高軸及軸承箱的尺寸精度,避免過盈過大。如果過盈太大,可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀,從而損害軸承的旋轉(zhuǎn)精度。非分離型軸承(例如深溝球軸承)內(nèi)外圈都采用靜配合,則軸承安裝、拆卸極為不便,最好將內(nèi)外圈的某一方采用動配合。所以本次設(shè)計(jì)的外圈為過硬配合,軸承內(nèi)圈采用動配合8。 3、 軸承的潤滑潤滑對于滾動軸承具有重要意義,軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力,還可以起散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用。所以本次設(shè)計(jì)根據(jù)工作情況選用脂潤滑。脂潤滑的優(yōu)點(diǎn):潤滑膜強(qiáng)度高,能夠承受較大的載荷,不易流失,容易密封,一次加脂可以維持相當(dāng)長的一段時(shí)間,方便簡單。表4.8 使用于脂潤滑和油潤滑的dn植界限(表值104)軸承類型脂潤滑油潤滑油浴滴油循環(huán)油(噴油)油霧深溝球軸承1625406060調(diào)心球軸承16254050角接觸球軸承1625406060圓柱滾子軸承1225406060圓錐滾子軸承10162330調(diào)心滾子軸承8122025推力球軸承4612154、軸承的密封為了使軸承保持良好的潤滑條件和正常的工作環(huán)境,充分發(fā)揮軸承的工作性能,延長使用壽命,對滾動軸承必須具有適宜的密封,以防止?jié)櫥瑒┑男孤┖突覊m、水氣或其他污物的侵入。軸承的密封可分為自帶密封和外加密封兩類。所謂軸承自帶密封就是把軸承本身制造成具有密封性能裝置的。如軸承帶防塵蓋、密封圈等。這種密封占用空間很小,安裝拆卸方便,造價(jià)也比較低。自帶密封又分為非接觸式與接觸式兩種。(1)非接觸式密封非接觸式密封就是密封件與其相對運(yùn)動的零件不接觸,且有適當(dāng)間隙的密封。這種形式的密封,在工作中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱,沒有磨損,特別適用于高速和高溫場合。非接觸式密封常用的有間隙式,迷宮式和墊圈式等各種不同結(jié)構(gòu)形式,分別應(yīng)用于不同場合。非接觸式密封的間隙以盡可能小為佳。(2)接觸式密封接觸式密封就是密封與其相對運(yùn)動的零件相接觸且沒有間隙的密封。這種密封由于密封件與配合件直接接觸,在工作中摩擦較大,發(fā)熱量亦大,易造成潤滑不良,接觸面易摩損,從而導(dǎo)致密封效果與性能下降。因此,它只適用于中、低速的工作條件。接觸式密封常用的有毛氈密封、皮碗密封等結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)用于不同場合。由以上理論本次設(shè)計(jì)主要采用非接觸式密封,優(yōu)點(diǎn)在于在工作中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱,沒有磨損,特別適用于高速和高溫場合。前端軸承受力較大,且要求較高故采用間隙密封加一個(gè)甩油環(huán)密封可靠。后端軸承要求稍低一點(diǎn)兒,選用曲路密封。曲路密封是由旋轉(zhuǎn)的和固定的密封零件之間拼合成的曲折的縫隙所形成的。縫隙中加入潤滑脂,可以增加密封效果。根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)曲路 是布置為軸向的.采用軸向曲路時(shí),端蓋應(yīng)為剖分式,當(dāng)軸因溫度變化而伸縮或采用調(diào)心軸承感作支承時(shí),都有旋轉(zhuǎn)片與固定片相接觸的可能.根據(jù)實(shí)際情況本次設(shè)計(jì)采用接觸式密封。5 數(shù)控銑床主軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1控制方式選擇本次設(shè)計(jì)選用可編程控制器(Programmable Logic Controller)PLC控制變頻電機(jī)帶動主軸工作。PLC適應(yīng)工業(yè)環(huán)境,簡單易懂,操作方便,可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝備。它能夠完成較精確地轉(zhuǎn)??刂啤?.2 PLC概述5.2.1 可編程控制器的由來及現(xiàn)狀 可編程控制器(ProgrammableController)簡稱PC,但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)相區(qū)別,也可簡稱為PLC。是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。在60年代,汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時(shí)汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計(jì)和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,汽車型號更新的周期愈來愈短,這樣,繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計(jì)和安裝,十分費(fèi)時(shí),費(fèi)工,費(fèi)料,甚至阻礙了更新周期的縮短。世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成,可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器,使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能,完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用,可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言,并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。5.2.2 PLC按I/O點(diǎn)數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的分類1、按I/O總點(diǎn)數(shù)分類(1)小型PLC 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)在128點(diǎn)以下,用戶存儲器容量在2KB以下。小型PLC適用于開關(guān)量控制場合, 具有邏輯運(yùn)算、計(jì)算、計(jì)時(shí)等功能,可以實(shí)現(xiàn)條件控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)控制和順序控制。(2)中型PLC 輸入/輸出點(diǎn)數(shù)
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