数控插齿机工作台结构与控制系统设计.docx
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1、 目录中文摘要1英文摘要21 引言31.1 设计的目的和意义31.2 数控插齿机在国内外的发展概况及存在的问题41.2.1国内研究现状41.1.2国外研究现状41.3 课题的研究内容52.整机运动方案的确定52.1 机床主要设计参数及规格52.1.1机床的用途和使用范围52.1.2机床的技术规格52.2 数控插齿机的设计原理及主要结构62.2.1插齿机加工原理分析62.2.2数控插齿机主要运动及结构62.3 新方案的提出和分析72.3.1结构改进设计72.3.2优缺点比较和分析73 工作台进给结构各个传动部件的方案选择83.1导轨的选型和分析计算83.1.1导轨类型的选择83.1.2丝杠螺母副
2、的选用103.2.滑动导轨副的选型和计算103.2.1导轨上移动部件的重量估算103.2.2插削力的计算103.2.3滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取123.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型143.3.1 丝杠螺母副的确定143.3.2 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号和规格173.4伺服电机的选择183.4.1计算负载扭矩及负载惯量183.4.2伺服电机的校核:193.4.3伺服电动机最大静转矩的选定193.4.4伺服电动机的性能校核224.工作台主轴蜗轮蜗杆计算分析和校核224.1蜗轮蜗杆传动输入参数224.2蜗轮蜗杆分析计算234.3伺服电机的选型265.工作台翻转机构蜗轮蜗杆及齿轮副相
3、关计算265.1 翻转机构蜗轮蜗杆计算分析及校核265.2传动副齿轮的确定295.2.1.选定齿轮类型、精度等级、材料及螺旋角295.2.2.按齿面接触强度设计295.2.3按齿根弯曲强度设计315.2.4几何尺寸计算325.3电机的计算与选型336.机床的三维建模346.1机床的整体外观图346.2主要传动机构细图:356.2.1工作台进给传动(丝杠螺母和滑动导轨副)356.2.2工作台圆周运动356.2.3工作台翻转机构367.机床的润滑368.工作台进给控制系统的设计368.1数字化控制系统的选择368.1.1工作台中电机常用控制方案分析368.1.2直流伺服电机与交流伺服电机的区别37
4、8.1.3 主流运动控制方法388.2 PLC控制系统的设计398.2.1 PLC 控制方式的优点408.2.2控制伺服电机的方案确定408.2.3伺服电机与伺服驱动器的硬件连线图418.2.4硬件设计及线图的搭建418.2.5控制方案简单实例的试验428.3其他控制系统方案的简介和初步设计构思448.3.1基于单片机的系统结构的分析448.3.2 PMAC运动控制卡45结论46致谢47参考文献48数控插齿机床工作台结构与控制系统设计摘 要: 齿轮是机械工业中重要的基础传动元件,具有恒功率输出、承载能力大、传动效率高、使用寿命长、传动比稳定等优点。它的设计、制造水平已成为一个国家现代工业技术水
5、平的标志之一。因此,研究齿轮及齿轮加工的相关技术具有很大的理论和现实意义。插齿机作为齿轮加工机床的一种,已逐步体现出其加工的优越性。本课题的设计中,在现有的数控插齿机产品基础上,进一步研究数控插齿机工作台机械结构。在工作台设计中,根据插齿机加工齿轮的原理,对工作台进给、圆周运动以及工作台小角度翻转运动的结构部件进行详细地分析和设计,选择合理的传动方式,并对传动装置进行结构计算和校验。在设计时,要注重理解工作台各个结构部件的运动关系,对其空间结构进行合理地布局。为了实现数字化控制,在结构设计后还需进行控制系统的初步设计.由于课题时间较短,工作量较大,主要考虑伺服电机的调速问题,选择相应的驱动器,
6、进而提出控制方案以及选择相应的控制硬件。关键词:插齿机 ;工作台; 结构设计 ; 数字化控制Structure and Control System Design of CNC Gear Shaper Machine WorkbenchAbstract:Gear is an important transmission element in mechanical manufacturing,it has the features of constant power output,heavy loadings,high efficiency,long operating life,stable
7、transmission ratio, etc.The design and manufacturing level of gears has become one of symbol of modem industry level of a country .Thus, it is of great theoretic and realistic significance to research on correlative technology of gearsAs one kind of the gear finishing lathes, the gear shaper has man
8、ifested the superiority in processing gradually. In this paper, based on the product of existing CNC gear shapers, making further study on the structure of CNC gear shaper workbench. In the design of workbench, according to the principle of gear processing,focus on detailed design and analysis of fe
9、ed of workbench, circular motion, small-angle flip movement of workbench, select the reasonable way to drive and make calculation and verification on transmission structure .In design time, we also should focus on understanding the movement and spatial structure between the various structural compon
10、ents of workbench. In order to realize the digital control, needed for the preliminary design of the control system after structural design. Due to lacking of time and larger workload in this subject, the main consideration of the lifting speed of the motor, select the appropriate drive, and then th
11、e proposed control scheme, select the appropriate control hardware. Keywords: gear shaper ;Workbench ; Structure design ; CNC1 引言1.1 设计的目的和意义机床是现代制造技术的重要生产工具,在某种意义上,它也是衡量一个国家工业制造整体水平的重要标志之一。近些年来,机床设计思想不断进步,为生产高速,高精度,高刚性的机床提供了条件,尤其是计算机在控制,计算,分析处理,仿真的方面中广泛应用,使机床的设计方法与手段日渐丰富。现代机床正向高精度,模块化,全自动,多元化方向发展。数
12、控机床就是现代机床的产物,它是采用数字信息控制的机床,详言之,是用数字化代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具和工件之间的相对位移等信息,通过计算机自动编程或手工编程,产生加工程序,送入数控系统经过译码,运算及处理自动加工出所需工件。与其他数控机床相比齿轮加工的数控技术复杂度大,且起步晚,目前,数控滚齿机的驱动元件,可以采用步进电机,直流伺服电机,交流伺服电机。近些年来,交流伺服系统价格不断降低,性能大大超过前两者,已占主导地位。在机械结构上,采取滚珠丝杠传动,贴塑导轨和消除间隙等措施,各轴精度已达0.005-0.01mm。一般带有显示屏幕,提供中英文界面,采用标准数控代码编程,有的
13、也实现参数化编程,性能和方便性大大提高。本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识、生产实习和实验等实践知识,达到巩固,加深和扩大所学知识的目的,同时更加深入掌握数控插齿机的机械结构和控制原理。1.2 数控插齿机在国内外的发展概况及存在的问题1.2.1国内研究现状从1952年世界上第一台数控机床诞生以来,数控技术经过几十年的发展日趋完善,已由最出的硬件数控(NC)经过计算机数控(CNC),发展到以微型计算机为基础的数控(MNC)、直接数控(DNC)和柔性制造系统(FMS)等,并朝着更高的水平发展。绿色设计和环保概念在新一代数控车床设计中起着越来越重要的地位。
14、在国内方面,各主要机床厂家生产的主流数控机床大部分采用的是进口数控系统。但是插齿机的发展在近几年有很大的提高,例如南京第二机床厂、天津第一机床厂在插齿机生产方面已经达到很高的水平,但从整体来说这些国产数控系统大部分还处在封闭阶段,各方面还很不完善,距国际水平有很大差距。目前,数控齿轮加工机床在国内起步晚,但受市场需求驱动,商品化国产数控机床发展很快,在这样的形势下,研制出具有自主知识产权,具有高水平,高质量,高可靠性的数控系统迫在眉睫。1.1.2国外研究现状在国外方面,目前国际上大的数控齿轮机床生产商大多配自行研制的专业数控系统,也有部分厂商在通用数控系统上,加入齿轮加工所特有的功能,而成为专
15、用齿轮数控系统。全功能齿轮加工数控系统在国外已占主导地。目前国际上生产滚齿机的强国美国、德国和日本,也是世界经济强国和汽车生产大国。国外主要是德国西门子公司和法国的NUM公司,还有日本三菱公司和法那克公司。三菱系统实际上是用于加工中心的普通数控系统的产品变形,即在普通数控系统上增加电子齿轮,以实现齿轮范成运动,分齿运动和差动运动控制。相比于国内机床在精度性、产品质量、生产效率方面要领先很多。国外系统主要是德国西门子(840c)和法国的NUM公司的产品(760E),还有少数配日本三菱公司和法那克公司的系统。西门子,三菱系统实际上是用于加工中心的普通数控系统的产品变形,即在普通数控系统上增加电子齿
16、轮,以实现齿轮范成运动,分齿运动和差动运动控制。此外,它仍然采用普通数控机床的G代码,没有适合于齿轮加工特点的参数化自动编程功能,因此很少反映齿轮加工特点。法国NUM公司的数控系统中,有一类专门为数控齿轮加工而开发的,它除了采用反映齿轮加工的G代码之外,还提供了表格式的参数化自动编程功能,但齿轮数控机床特有的范成运动、分齿运动和差动运动控制方面,仍采用硬件为主的电子齿轮方案,因而缺乏灵活性,难以实现灵活的齿形修形。1.3 课题的研究内容本论文主要研究数控插齿机X轴进给运动结构,主要内容有:(1) 掌握数控插齿机加工原理及各个运动所需的机构,着重对带进给的工作台进行详细地结构设计,绘制传动原理图
17、。(2) 进一步设计数控插齿机工作台的各个功能部,使工作台能完成圆周运动,X轴进给及其翻转运动。(3)利用三维设计软件进行建模,对所设计工作台的机械结构进行细节修改和完善,绘制出装配图纸。(4)对相应电机进行控制,选择合适的硬件,提出可行的控制方案。2.整机运动方案的确定2.1 机床主要设计参数及规格2.1.1机床的用途和使用范围本机床主要用于加工圆柱齿轮和多种平板形非圆齿轮;当采用不带齿的圆形光刀,还可加工各种平板形凸轮;采用特殊形状的刀具,还可加工多种齿轮还可加工轴齿轮;倾斜角度的工作台,还可加工锥度齿圆柱齿轮;通过改变机床相应机构还可加工鼓形齿轮。本机床为数控插齿机,特别适用于单件和小批
18、生产,也适用于大批量生产。本机床可广泛应用于汽车、拖拉机、飞机、仪表等各种机械行业。2.1.2机床的技术规格最大加工模数:6毫米最大加工直径:外齿:250毫米内齿:120+刀具直径毫米最大加工齿宽:60毫米刀轴轴心线至工作台主轴轴心线的移动距离:-60220毫米插齿刀支承端面至工作台台面的距离: 160_-230毫米插齿刀冲程最大长度:70毫米工作台台面直径:345毫米刀具冲程数:250-900次分。圆周进给量:(无级)正常使用00225毫米冲程)径向进给量:(无级)正常使用0Ol一01毫米冲程)主电机功率:1.8 KW三个交流伺服电机: SGMGH-20ABA2 、 SGMGH-30ABA2
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- 数控 插齿机 工作台 结构 控制系统 设计
