全自动数控车床说明书和开题报告综述Word文档下载推荐.docx
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第四章主轴箱零件的校核25
4.1齿轮模数的验算25
4.1.2验算72/56齿轮传动组,验算Z=56齿轮:
26
4.1.3验算96/32齿轮传动组,验算Z=32齿轮:
4.2传动轴的验算27
4.2.1轴的强度验算27
4.2.2轴的刚度验算27
4.3本章小结28
第五章进给机构设计28
5.1进给机构的传动方案29
5.1.1典型进给驱动机构的形式29
5.1.2进给驱动机构的形式的选择32
5.2径向进给机构的计算32
5.2.1滚珠丝杠及电机选型计算32
5.2.2丝杠刚度验算35
5.3轴向向进给机构的计算35
5.3.1滚珠丝杠及电机选型计算36
第六章上料机构设计计算38
6.1功能分析39
6.2方案设计39
6.3自制上料液压缸39
6.3.1缸尺寸确定39
6.3.2缸壁厚的确定39
6.4本章小结40
第七章电气系统40
7.1电气系统组成41
7.2车床运动分析41
7.3主回路设计41
第八章总结41
参考文献42
致谢错误!
附录1错误!
附录255
第一章绪论
1.1选题背景和意义
进入21世纪以来,随着人民的逐渐富裕,人工的工资越来越高,为了减少成本,工厂自动化,数控化成为趋势。
对于040mm*6r棒料来说,目前多采用先切断再切削加工的方法来完成加工,此种方法需要机床2台、人工2人,且切削加工过程中上下料费时费力,严重阻碍了切削加工的效率。
本次设计,通过对CZK040全自动机床机床本体、电气系统、伺服系统的设计,使本机床具有对040mm*6r棒料自动上料、直接加工、加工后再切断、自动下料的功能,减少了用人的数量、人的工作量,提高了对棒料切削加工的效率。
1.2全自动车床的发展情况
全自动机床由上料装置和机床构成。
1.2.1全自动车床分类
全自动车床分为机械式和数控式。
机械式全自动车床与一般车床不同,它是一种通过凸轮传动控制,来达到自动化操作效果的一种凸轮式专用车床。
全自动车床根据加工过程中工件和刀具运动
的不同可分为走心式和走刀式
1,走心式全自动车床的加工过程:
通过简夹夹住加工材料,材料向前走动,而刀具不动,通过刀具的直线运动或摇摆运动来加工零件。
2,走刀式全自动车床的加工过程:
用简夹夹住工件,通过车刀前后左右移动来加工工件。
1952年世界上第一台数控机床由美国人JohnT.parsons发明。
80年代是数控机床、数控系统大发展时代,到80年代末,全世界数控机床的年产量超过10万台。
数控机床是采用了数控数字形式信息控制的机床,或者说是装备了数控系统的机床,是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,是现代化工业生产中一门新
型的,发展十分迅速的高新技术,它是集计算机技术、自动化技术、伺服驱动、精密测量和精密机械等高新技术于一身的自动化机床,具有高精度、高效率、灵活性、柔性自动化等特点。
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。
122国外数控车床现状
数控机床按伺服系统类型可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床。
目前开环系统的研究趋于主流。
目前,在数控技术研究应用领域主要有两大阵营,一个是以发那科西门子为代
表的专业数控系统厂商,另一个是以山崎马扎克、德玛吉为代表,自主开发数控系统的大型机床制造商。
在车床床身来说,高速高精与多轴加工成为数控车床的主流,数控车床机身设
计对高速度、高效率、操作舒适性要求越来越高,正在向复合化、多轴化、人性化方向发展。
15年大隈株式会社开发高精度立式CNC车床“V760EX且其最大加工直径可达760mm勺。
兼备最大加工直径和节省空间(宽X长1,842x3,115mm)两大特点,加
工能力比以往提高12%实现高效率生产。
与此同时,OKUM还开发了工作台尺寸
为400mr的5轴控制立式加工中心“UNIVERSACENTEMU-4000V。
。
UNIVERSACENTERMU-4000V实现了在紧凑的空间内便捷操作、加工领域广泛、加工高精度等。
最高加工高度为400mm最大加工直径为500mm当工作台以任意角度倾斜时,刀尖都能到达工件边缘进行加工。
即使将B轴移动量为210度(+90~-120)的耳轴工作台且大幅度倾斜,也可确保刀具不被工作台遮挡,保持良好的可视性。
12年瑞士特纳斯数控多主轴自动车床MultiSwiss6x140MultiSwiss配备有6个纵向移动式电主轴,从而可以在不到一秒时间使主轴转速从0r/min提高到800r/min,每个主轴都标准配置了C轴,由液压轴承为Z向滑动导轨提供高刚性的支撑;
采用扭矩电机技术来控制安装6个主轴的主转筒实现高精度快速旋转分度定位(0.3s),高超的加工效率几乎可以与传统的凸轮式多主轴自动车床媲美。
1.2.3我国数控车床现状
我国目前较具规模的数控企业有广州数控、航天数控、华中数控等。
虽然国产高端数控系统与国外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距,但近年来在多轴联动控制、精度、功能复合化、网络化、智能化和开性等领域取得了一定成绩。
2013年,应用华中数控系统,武汉重型机床集团有限公司成功研制出CKX5680七轴
五联动车铣复合数控加工机床,用于大型高端舰船推进器关键部件一大型螺旋桨的咼精、咼效加工。
我国生产的经济型卧式数控车床(平床身卧式数控车床)价格低廉,设备费用投入较少,可以满足企业发展初期的需要,是我国当前数控车床的主流产品。
目前国产高速立、卧式加工中心,工作台直径在320~500mm的机床,主轴转速已达到
20000r/min;
工作台直径在63~1000mm的机床,主轴转速在15000r/min以上。
在重型机械方面,我国于2009年启动“高档数控机床与基础制造装备重大专项”,按实施方案计划投资221亿元。
按专项规划,2020年航空航天、船舶、汽车、发电设备制造四大行业所需的高档数控机床与基础制造装备的7080%将立足于国
内。
据中国机床工具工业协会车床分会调研中了解到,车床行业中5家企业承担了
28项重大专项,涉及高速五轴联动加工中心、高速精密数控机床、核心功能部件、共性技术等方面。
现在一些企业已在所承担项目上取得了重大成果。
如:
12年武重
研发了世界上最大规格的立式数控车床。
该车床为国家重大专项中的28米数控立式
铣车床,最大加工直径28米、加工高度13米,加工误差0.02毫米,为世界之最,填补国产机床加工大型核电关键零件的空白。
国家重大专项DL250型数控超重型卧
车,承重500吨,创世界之最,为我国战略装备研制提供关键加工技术保障。
1.3上料装置
全自动车床上料装置主要有油浴器上料和机械手上料两种
1.3.1油浴器上料
油浴送料机由液压站、料管、推料杆、支架、控制电路等五部分组成,原理是油泵以恒定的压力(0.1〜0.2Mpa)向料管供油,推动活塞杆(推料杆)将棒料推入主轴。
工作时棒料处于料管的液压油内,当棒料旋转时,在油液的阻尼反作应力下,棒料就会从料管内浮起,当转数快时棒料就会自动悬浮在料管中央转动。
大大的减少少棒料与送料管壁的碰撞与磨擦。
工作时传动与噪音非常小,特别适用高转速,长棒料,精密件加工。
(如图1.1)。
图1.1油浴器上料
1.3.2机械手上料
数控车床自动上下料机械手,又称CNC机械手、自动送料机械手,是对数控车床的加工件进行自动上下料、自动装夹、自动吹屑、并将完工件自动送回料仓等连续性动作的自动化装备,完全代替了人工操作,最大程度节省人力资源,是“机器换人”的成熟产品(如图1.2)。
本送料机构适用于短棒料。
图1.2机械手
1.4设计的基本内容
(1)根据具体工作情况,参考相关数控机床、机床设计手册设计一台CZK040全自动车床,保证其按照要求正常工作。
(2)根据有关标准拟定CZK040全自动车床的总体结构。
(3)主轴结构设计及有关参数的计算。
(4)进给机构进给结构设计及计算。
(5)上下料装置的设计及计算
(6)数控机床的控制电路的设计
1.5本章小结
本章主要介绍了该课题的意义,全自动车床的分类,数控车床的国内外现状,上料装置和本设计的基本内容。
第二章CZK040全自动车床总体方案设计
2.1功能分析
该CZK040全自动车床主要具有完成了对40mm棒料的自动上料、自动夹紧、自动切削加工、自动下料的功能。
其中切削加工包括车断、车圆、车螺纹等功能。
所以该该CZK040全自动车床由上料装置、主轴电机、主轴箱、夹具、床身组成。
其中进给机构由轴向伺服电机、轴向丝杠、径向伺服电机、径向丝杠、进给机构、刀架等组成。
2.2CZK040全自动车床传动方案设计
该机床由上料装置、主轴电机、主轴箱、夹具、进给机构、床身组成。
其中运动有主轴转动、夹具的夹紧运动、进给机构的轴向和径向运动、上料装置的上料。
其中主轴电机经同步齿形带带动主轴箱主轴转动(如图2.1)。
进给机构动力由伺服
电机提供。
轴向伺服电机带动轴向滚珠丝杠转动,从而带动径向进给机构轴向运动(如图2.2)。
径向伺服电机带动径向丝杠转动,从而带动刀架径向运动。
刀具和上料装置的动力由液压力提供。
图2.1主轴电机与主轴箱传动简图
图2.2伺服机构传动简图
2.3CZK040全自动车床动力分析
2.3.1主轴最高转速nmax、最低转速nmin
用YT15硬质合金车刀加工0=0.431〜0.481GPai冈料时,背吃刀量即w1.4mm进给量fw0.25mm/r,此时切削速度Vt=4.17m/s。
当车刀角度改变时,切削速度修正系数心=1.2、当车刀耐用度改变时,切削速度修正系数心=1.15、当工件材料改变时,切削速度修正系数K3=1.4。
则
1000^/t
最高转速nmaxXK1XK2XK3=3846
maxnxd123
用YT15硬质合金车刀加工0=242〜265GP灰铸铁时,背吃刀量即w20mm进给量fw2.5mm/r,此时切削速度Vt=0.41m/s。
当车刀角度改变时,切削速度修正系数K1=0.7、当车刀耐用度改变时,切削速度修正系数K^0.8、当工件材料改变时,切削速度修正系数K3=0.5。
232最大主切削功率、最大主切削力、最大切削速度
主切削功率P
Fc--主切削力
V—切削速度
切削速度V
T—刀具寿命
Cfc、Xfc、yfc、n—公式中的系数,根据加工条件由实验确定。
车刀杆尺寸为20X30,材料为Ro,外圆纵车时,即=3mmf=0.5mm/r.或
ap=5mmf=0.4mm/r。
当即=3,f=0.5mm/r时T=60m=0.18XV=0.15、匕=0.5,则V1=193.6m/min。
Cf=3570XFc=0.9、yf°
=0.9、n=-0.15,贝UFC=2334.1N.则P3=7.5kw。
当ap=5,f=0.4mm/r时T=60m=0.18XV=0.15、Y=0.5,则V5=117.7m/min。
Cfc=3570Xfc=0.9、yfc=0.9、n=-0.15,贝UFc=3258.2N.则P5=6.4kw。
所以最大主切削功率P=7.5kw。
最大主切削力FC=3258.2N。
最大切削速度
V=193.6m/min
2.3.3主轴电机选择
依据设备要求,选择YVF2系列变频调速电动机。
2.3.3.1基本参数
额定电压:
380V
基频:
50Hz
额定转速:
3000r/min
调频范围:
5--100Hz
则:
最高转速:
nmaX=n0fma/50=6000r/min
最低转速:
nmin=nofmin/50=300r/min
233.2电机特点:
1)无级调速、调速范围宽
2)系统调速性能好、节能效果良好
3)采用耐高频脉冲电压冲击的绝缘材料及相关工艺
4)具有独立风机能强制通风冷却
2.3.4最大进给功率、进给力
径向进给力Fp=CFpa:
FpfFpVnFpVn
CFp、XFp、yfp、
径向功率Pp二
n—公式中的系数,根据加工条件由实验确定
FPXV
4~
6X104
轴向进给力F厂CFf^fW
CFf、XFf、yff、n—公式中的系数,根据加工条件由实验确定
轴向功率Pf二
FpXV
6X104
当ap=3,f=0.5mm/r时,Cfp=2840Xfp=0.6、yfp=0.8、n=-0.3则Fp=649.7N、Pp=2.2kw。
CFf=2050XFf=1.05、y^=0.2、n=-0.4则Ff=688.3N、P=2.3kw
当ap=5,f=0.4mm/r时,CFp=2840Xfp=0.6、yfp=0.8、n=-0.3则Fp=857.3N、Fp=1.6kw。
CFf=2050XFf=1.05、yff=0.2、n=-0.4则Ff=1373.3N、R=2.7kw
所以轴向最大功率Pp=2.2kw,最大进给力Fp=857.3N。
径向最大功率R=2.7kw,最大进给力Ff=1373.3N。
2.3其他参数
(1)床身采用斜床身,倾斜度为65°
(2)机床的最大轴向进给为1000mm径向进给最大为500mm
(3)夹具最大直径为360mm
2.4本章小结
本章说明本机床的功能,对机床的传动方案进行了设计,对本机床的动力进行计算(包含了机床主轴最高转速、最低转速,最大主切削功率、最大主切削力、最大切削速度,最大进给功率,最大进给力)和对主轴电机进行了初步选择。
第三章主轴箱设计
3.1主轴箱功能分析
主轴箱内部装有主轴和变速及传动机构。
主轴轴头处装有三爪卡盘。
工件通过卡盘装夹在主轴上。
所以主轴箱的功用是支撑主轴并把动力经变速机构传给主轴,使主轴带动工件按规定的转速旋转,以实现主运动。
3.2传动方案设计
虽然在转速范围内电机可以工作,但是应注意电机在不同速度段工作时电机效率的不同。
在恒转矩区低速段工作时,由于电机的功率因数很低,所以此段区间内电机效率很低。
尤其是当电机转速接近最低转速时,电机效率只有百分之几,此时电机发热较大,耗费功率较多,所以应避免经常使用该转速条件下的电机,可以偶尔短期使用。
所以采取降速措施,使电机的较高转速转化执行件的低转速。
当电机与有级变速串联时,速度分配为高速传动区与低速传动区,速度分配选择传动比,应使电机额定功率最小,需要考虑功率曲线的衔接要合理。
为使电机额定功率最小,主轴箱结构简单,对于主轴箱本设计采用三联滑移齿轮传动。
3.2.1主轴参数
1主轴要求最高转速:
nmax二3846/min
2主轴要求最低转速:
nmin=32.76r/min
3计算转速:
n^nminR0.3=32.6*(3846)137.6
32.76
3.2.2电机参数
①电机最高转速:
n电max=6000/min
②电机最低转速:
n电min=300r/min
3.2.3传动比计算
本设计如采用二联滑移齿轮则其速度图如图3-1
图3-1
IMU1
电机轮定比轻蝴出/吨
根据图示可列下式:
Nmax电*U0,U1-Nmax轴
Nmax电*Uo・U2二Nx2。
*Ui
Nx*Uo*U2二N)
由已知条件及计算得出的数据解得:
Nx=1134.9r/min
u00.641
u0u2二0.121
E_No_3000则:
p•弘色互巳Nx1134.9、:
x0N0
其中n为传动总效率,取n=0.80
电机功率:
P0丄24.8KW
因此可选择功率为25KW勺电机。
校核:
Nmin轴=Nmin电u0u2=3000.121=36.3'
32.76
即:
设计不满足转速要求;
而且所需电机功率太高,浪费太大。
所以改二联滑移齿
由上图可得
max电
•Uo
■
U1二
Nmax轴
•
U2=
Nm1-
Uo•U
U3二
Nm2*
Uo*U
mi
Nm1
二
Nm
m2
Uo*
U3
i
2
由以上解析式联立可得
u0u厂0.0641
U2=UiU3
UoU^0.12
P°
N。
3000pNm7.5
PTN7197T1则:
巳訳瓦_—
其中n为传动总效率,取n=0.85
F0-14.22KW
u0=0.36
5=1.8
可取$u2=0.79
u3=0.33
I
滑移齿轮变速组齿数之和可取:
Sz-128
O
传动比为u1=1.8时:
小齿轮齿数:
乙=46,则大齿轮齿数Z3=82;
传动比为氏=0.61时:
Z5=72,则大齿轮齿数Z6=56;
传动比为u3=0.2时:
乙=96,则大齿轮齿数Z8=32;
对照电机样本可选电机功率为15KW
3.3传动轴轴径估算
传动轴不但应满足强度要求,还应满足刚度要求。
强度要求可以保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下而不发生疲劳破坏。
因为机床主传动系统的精度要求较高,所以传动轴不允许有较大的变形。
因此疲劳强度一般不是主要矛盾。
除了载荷比较大的情况外,可以不必验算轴的强度。
冈度要求保证了轴在载荷下(弯曲,轴向,扭转)不致产生过大的变形(弯曲,失稳,转角)。
如果刚度不够,轴上的零件如齿轮,轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作,或者产生振动和噪音,发热,过早磨损而失效。
因此,必须保证传动轴有足够的刚度。
通常,先按扭转刚度初算轴的直径,画出草图后,再根据受力情况,结构布置和有关尺寸,验算弯曲刚度。
计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速,各个传动轴上的计算转速如表3所示。
表3.1各轴的计算转速
轴
电机轴
传动轴
主轴
计算转速
(r/min)
1668
416.9
137.6
各轴功率和扭矩计算:
已知闭式圆柱齿轮传动效率为0.98-0.995滚动轴承效率0.98-0.99,可取其传
动效率0=°
.980.99二0.97;
电机轴:
Pi=卩电=12.5KW
传动轴:
P2=R"
0=12.5況0.97=12.2KW
的原则如表2-2所示
表3.2许用扭转角选取原则
要求较高
的轴
一般传动轴
较低的轴
[©
](deg/m)
0.25-0.5
0.5-1
1-2
根据表2-2确定各轴所允许的扭转角如表2-3所示
表3.3许用扭转角的确定
n
(deg/m)
1
0.25
把以上确定的各轴的输入功率
5)代入扭转刚度的估算公式
P、计算转速n(如表3)、允许扭转角[©
](如表
TN为各轴扭矩(N・mm可得各个传动轴的估算直径:
d1>
26.8mm
d2>
34.1mm
d3>
75.76
取传动轴:
d2=35mm
根据花键轴规格选择8-31X35X6矩形花键
3.4齿轮设计
3.4.1齿轮模数的估算
由于机床主轴的齿轮工作条件一般为高速、中载、无猛烈冲击,而且应保证热处理变形小,所以选择齿轮材料为45。
考虑到齿轮组工作时的工作负荷不同,96/32齿轮组热处理方式为高频淬火,硬度HRC=5Z57,许用接触应力匚j=1370Mpa,许
用弯曲应力j=283Mpa;
其余为齿轮组调质处理,硬度HB=220-250,许用接触应力二j-600Mpa,许用弯曲应力二w=220Mpa。
因为按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数过程比较复杂,而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定,故只有在装配草图画完后校验用。
在画草图时应用经验公式估算,然后根据估算的结果选用标准齿轮的模数。
齿轮模数的估算有两种方法,第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算,第二种是按齿轮的齿面点蚀进行估算,而这两种方法的前提条件是在已知各个齿轮的齿数为前提条件下,进行估算,所以必须先给出各个齿轮的齿数。
根据齿轮不产生根切的基本条件:
齿轮的齿数不小于17,在该设计中,即最小
齿轮的齿数不小于17。
由以上数据得出各对齿轮的计算转速如下:
齿轮传动组中:
U1=46/82只需计算Z=46的齿轮,其计算转速是416.9r/min;
u2=72/56只需计算Z=56的齿轮,其计算转速是137.6r/min;
u3=96/32只需计算Z=32的齿轮,其计算转速是137.6r/min。
齿轮接触疲劳估算公式:
m=163383(:
N;
一:
mm
严mZ2「和°
式中:
m按接触疲劳强度计算的齿轮模数(mm;
Nd――驱动电动机功率(kW;
i――大齿轮齿数与小齿轮齿数比i-1,外啮合取“+”号,内啮合取“-
号;
B
;
m齿宽系数,:
m6~10;
取:
m=7;
m
乙小齿轮齿数;
――许用接触应力(Mpa;
nj――齿轮的计算转速;
1):
ui=46/82齿轮组:
Nd=l2.2
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