CA6140数控化改造的机械设计说明书.doc

计算机数字控制系统（computer numerical control 简称为cnc系统）。一个完整的现代化数字控制机床由数控装置，可编程控制器，电源模块，伺服模块，伺服电机，反馈系统，机床控制面板，人机通讯单元，手持单元，液压系统，润滑系统，冷却系统，机床本体，滚珠丝杠，自动换刀系统，等等组成。 数控机床的生产率高，设备柔性好，使工人的劳动强度大为减轻，具有较高的经济效益，能加工普通机床所不能加工的复杂形面。由于数控机床的优越性，在国际竞争日益激烈、产品品种变化频繁的形势下，各国都致力与开发生产各种数控机床，其中将普通机床改造为经济型数控机床，简单方便，易于实现，使系统的性能价格比大为提高。本次的设计题目是将c6140普通车床改造成为mcs-51系列单片机控制的经济数控车床。由于是初次设计，所以经验有限，在设计过程中难免会出现不足之处，还请各位老师，同学们多多指导，帮助。设计项目设计过程及说明主要结果一、脉冲当量的选择脉冲当量由设计任务书可知：纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲二、切削力计算1、设计任务书给出床面上最大加工直径为：dmax=400mm2、用经验公式计算下图纵车外圆时的各切削分力：主切削力：fz =0.67* dmax1.5=0.67*4001.5=5360n纵车外圆时的主切削力：fz =5360n设计项目设计过程及说明主要结果二、切削力计算再按以下比例可求出分离力fx和fyfx:fy:fz=1:0.25:0.4走刀方向的切削力:fx =0.25*fz=0.25*5360=1340n垂直走刀方向的切削力:fy =0.4*fz=0.4*5360=2144n3、用经验公式计算如下所示横车端面时的各切削分力： 主切削力fz(n)可取纵切的一半如下：fz=fz/2=5360/2=2680继续用经验工式粗略计算：fz:fy:fx=1:0.25:0.4 走刀抗力为： fy=2680*0.25=670吃刀抗力为： fx=2680*0.4=1072纵车外圆时的切削分力：fx = 1340nfy =2144n横车端面时的切削分力：fy=670fx=1072设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于 c6140纵向是综合导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其纵向改造为贴塑综合导轨。选用公式：fm=k.fx+f (fz+g)上式中fx ,fz 切削力（n）；g移动部件的重量（n）；f 导轨上的摩擦系数，k考虑颠复力矩影响的实验系数。由于改造后的机床纵向采用贴塑综合导轨故选取: k=1.15 f =0.04纵向进给率引力：fm=k*fx+f (fz+g)=1.15*1340+0.04*(5360+1500)= 1815.4n纵向进给率引力：fm=1815.4n设计项目设计过程及说明主要结果二、横向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于c6140是横向是燕尾导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其改造为贴塑燕尾导轨。选用公式：fm=1.4*fy+f (fz+2fx+g)上式中fx,fz, fy切削力（n）；g移动部件的重量g=850n；f 导轨上的摩擦系数;由于改造后的机床横向采用贴塑燕尾导轨故选取: f =0.04横向进给率引力：fm=1.4*fy+f (fz+2fx+g)=1.4*670+0.04*(2680+2*1072+850) 1165n横向进给率引力：fm 1165n设计项目设计过程及说明主要结果三、计算最大动负载。选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚珠上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值（即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载c），可用下式计算： c=ffm l=60*n*t/106 n=1000*vs/l0l0滚珠丝杠导程，纵向初选l0=6mm, 横向初选l0=5mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处 vs纵=0.5m/min*0.5, vs横=0.2m/min*0.5;t使用寿命，按15000h;f运转系数，按一般运转取f=1.21.5，这里选取为f=1.2;l寿命，以106转为1单位。滚珠丝杠导程，初选为：纵向: l0=6mm;横向: l0=5mm;设计项目设计过程及说明主要结果三、计算丝杠的最大动负载。纵向丝杠的最大动载荷c纵：n纵 =1000vs纵/l0=1000*0.5*0.5/6=41.67r/minl纵 =60*n纵*t/106=60*41.67*15000/106 = 37.503c纵 = 纵ffm=*1.2*1815.47292n横向丝杠的最大动载荷c横：n横 =1000vs横/l0=1000*0.2*0.5/5=20r/minl横 =60*n横*t/106=60*20*15000/106 =18c横 =横 ffm=*1.2*1165 3664n纵向丝杠的最大动载荷c纵：c纵 = 纵ffm=7292n横向丝杠的最大动载荷c横：c横 =横 ffm3664n 设计项目设计过程及说明主要结果四、滚珠丝杠螺母副的选型。查附录a表3后：纵向：可采用w1l4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400n，精度等级按表4-15 选为3级。横向：可采用w1l2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800n，精度等级按表4-15 选为3级。纵向：w1l4006横向： w1l2005五、传动效率的计算。传动效率计算工式如下：h=tgg/tg(g+j)上式中：g螺旋升角，纵向：w1l4006 g=2。44 横向：w1l2005 g=4。33j摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004纵向：h=tgg/tg(g+j)=tg2。44/tg(2。44+10)0.94横向：h=tgg/tg(g+j)=tg4。33/tg(4。33+10)0.96传动效率计算结果如下：纵向：h0.94横向：h0.96六、滚珠丝杠纵向w1l4006和横向w1l2005的几何参数如下所示：名 称符号计算公式w1l4006w1l2005螺纹滚道公称直径d040mm20mm导 程l06mm5mm接 触角20444033钢球径(mm)dq3.9693.175滚道法面半径rr=0.52dq2.0641.651偏 心 距e0.0560.045螺纹升角=arctg(l0/3.14/d0)20444033螺杆螺杆外径dd=d0-(0.20.25)dp3919.4螺杆内径d1d1=d0+2e-2r35.98416.788螺杆触直径dzdz=d0-dqcos36.035516.835螺母螺母螺纹直径dd=d0-2e+2r44.01623.212螺母内径d1d1=d0+(0.20.25)dp40.793820.635设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。纵向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：最大牵引力fm=1815.4n。支承间距为l=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。纵向丝杠的拉伸或压缩变形量d1按下式计算： d1=l/l0*l在上式中l滚珠丝杠在支承间的受力长度，l=1500（mm）;在上式中l在工作负载作用下引起每一导程的变化量，(mm) l可用下式计算：l=fm *l0/(e*f)fm 工作负载，即进给率引力，fm=1815.4n；l0滚珠丝杠的导程，l0=6mm；e材料弹性模数，对钢e=20.6*104n/mm2;f滚珠丝杠截面积，按内径确定为: f=1016.97mm2;设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。l=fm *l0/(e*f)=1815.4*6/(20.6*104*1016.97) =0.000052mmd1 =l/l0*l =0.000052/6*1500 =0.013mm由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为: d1 =d1/4=0.013/4=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形d2经查图4-7,w系列1列2.5 圈滚珠各螺纹滚道接触变形量dq: dq=4.5m因为进行了预紧故:d2=dq/2=4.5/2=2.25m=0.00225mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3采用8107型推力球轴承,d1=35mm,滚动体直径dq=6.35mm,滚动体数量z=18; 注意:式中fm单位为kgf;拉伸或压缩变形量为: d1=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:d2=0.00225mm设计项目设计过程及说明主要结果七、纵向丝杠刚度验算。dc =0.0024*(fm2/dq/z2)1/3=0.0024*(181.542/6.35/182)1/30.0061mm因为施加了预紧力,故: d3 =dc /2=0.0061/2=0.00305mm根据以上计算总的变形量: d=d1+d2+d3=0.00325+0.00225+0.00305=0.00855mm定位精度0.015mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3:d3=0.00305mm结论:总的变形量定位精度,故满足机床使用要求。八、纵向丝杠稳定性校核。滚动丝杠两端采用了推力轴承,不会产生失稳现象不需要稳定性校核。结论:稳定性好。设计项目设计过程及说明主要结果九、横向丝杠刚度验算。横向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：最大牵引力fm= 1165n,d0=20mm;支承间距为l=450mm;丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。计算如下:横向丝杠的拉伸或压缩变形量d1(mm)：查表4-6,根据fm= 1165n,d0=20mm,查出dl/l=3*10-5 ,可算出d1 =dl/l *l=3*10-5*450=0.0135mm由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为: d1 =d1/4=0.0135/4 0.0034mm拉伸或压缩变形量为: d1=0.0034mm设计项目设计过程及说明主要结果九、横向丝杠刚度验算。滚珠与螺纹滚道间接触变形d2经查图4-7,w系列1列2.5 圈滚珠各螺纹滚道接触变形量dq: dq=6m因为进行了预紧故:d2=dq/2=6/2=3m=0.003mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3采用8102型推力球轴承,d=15mm,滚动体直径dq=4.763mm,滚动体数量z=12; 注意:式中fm单位为kgf;dc =0.0024*(fm2/dq/z2)1/3=0.0024*(116.52/4.763/122)1/30.0065mm因为施加了预紧力,故: d3 =dc /2=0.0065/20.0033mm根据以上计算总的变形量: d=d1+d2+d3=0.0034+0.003+0.0033=0.0097mm定位精度0.015mm滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:d2=0.003mm支承滚珠丝杠的轴向接触变形d3:d3=0.0033mm结论:总的变形量 nk (一般 nk=2.54)经计算此滚珠丝杠不会产生失稳。nk= 67.2 nk结论:稳定性好。设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向齿轮传动比计算。已确定纵向进给脉冲当量p=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程omm，初选步进电机步距角b=0.75o。可计算出传动比i:i =360o*p/o/b=360o*0.01/0.75o/6=0.8 可选齿轮齿数为：i =z1/z2=32/40或20/25即：取z132, z240 或z120, z225初选步进电机步距角为： b=0.75o二、横向齿轮传动比计算。已确定横向进给脉冲当量p=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程o5mm，。可计算出传动比i:i =360o*p/o/b=360o*0.005/0.75o/5=0.48 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处采用双级齿轮降速：i =(z1/z2)* ( z3/z4)=(3/5)*(4/5)=(24/40)*(20/25)即：取z124, z240 ,z320, z425初选步进电机步距角为： b=0.75o因进给运动齿轮受力不大，模数m取。有关几何参数如下表所示：齿数324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶圆da=d+2m688452844454齿根圆df=d-2*1.25m597543753545齿宽(610)m202020202020中心距a=(d1+d2)/2726445设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向步进电机计算。一、等效传动惯量计算。计算简图如下所示：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量j(kg.cm2)可由下式计算:j=jm+j1+(z1/z2)2(j2+js)+g/g(l0/(2)2在上公式中： jm步进电机转子转动惯量（kgcm2）。 j1、j2齿轮z1、z2的转动惯量（kgcm2） js滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）参考同类型机床，初选反应式步进电机150bf，其转子转惯量jm=10 kgcm2。j1=0.78*10-3*d14*l1=0.78*10-3*6.44*2=2.62 kg.cm2j2=0.78*10-3*d24*l2=0.78*10-3*84*2 =6.39kg.cm2js=0.78*10-3*44*150=29.952kg.cm2初选反应式步进电机：150 bf设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向步进电机计算。g=1500n代入上式：j=jm+j1+(z1/z2)2(j2+js)+g/g(l0/(2) )2=10+2.62+(32/40)2(6.39+29.952)+1500/9.8(0.6/(2)2=36.77 kg.cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： jm/ j=10/36.77=0.272基本满足惯量匹配要求。二、电机的力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩m起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：m起=mamax +mf +momamax= j*= j*10-2*nmax/ (0.6/(2)*ta)= j*nmax*2*10-2/ (60*ta)传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量j=36.77 kg.cm2jm/ j=0.272基本满足惯量匹配要求。设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向步进电机计算。nmax=(vmax/p )* (b/360o)将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=(vmax/p )* (b/360o) =(2000/0.01)*(0.75 o /360 o) = 416.7 rpm起动加速时间：ta=25ms=0.025smamax = j*nmax*2*10-2/ (60*ta) =36.77*416.7*2*10-2/ (60*0.025) =641.8 n.cm折算到电机轴上的摩擦力矩mf:mf =folo/(2i)=f (fz+g)*lo/(2z2/z1) =0.04*(5360+1500)*0.6/(2*0.8*1.25) =26.2 n.cm附加摩擦力矩mo:mo =fpolo/(2i)*(1-o2) =fm/3*lo/(2z2/z1)* (1-o2) =1815.4/3*0.6/(2*0.8*1.25)(1-0.92) =11 n.cm上述三项合计：m起=mamax +mf +mo=641.8+26.2+11 =679 n.cm快速空载起动力矩m起：m起=679 n.cm设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向步进电机计算。快速移动时所需力矩m快。 m快= mf+mo=26.2+11=37.2 n.cm最在切削负载时所需力矩m切： m切 = mf +mo+mt= mf +mo+fxlo/(2i) =26.2+11+1340*0.6/(2*0.8*1.25) =165.2 n.cm从上面的计算可以看出，m起、m快和m切三种工况上，以快速空载起动所需力矩最大，经此项作为初选步进电机的依据。从表4-22查出,当步进电机为五相十拍时=m起/ mjmax =0.951。最大静力矩mjmax =m起/=679/0.951714n.cm。按此最大静力矩从表4-23查出，150bf002型最大静转矩为1372n.cm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动频率特性和运行频率特性。三、计算步进电机空载起动频率f起和切削时的工作频率f切。快速移动时所需力矩m快：m快=37.2 n.cm最在切削负载时所需力矩m切：m切 =165.2 n.cm设计项目设计过程及说明主要结果一、纵向步进电机计算。f起 =1000vmax/60/p=1000*2.0/60/0.01=3333.3hz f切=1000vs/60/p=1000*0.5/60/0.01=833.3 hz从表4-23中查出150 bf 002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800hz运行频率为8000hz ，再从图4-17，图4-18查出150 bf 002型步进电机起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线（附第28页）。由图可以看出，当步进电机起动时，f起 =2500hz时，m=100n.cm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(679n.cm)直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到 1000hz时。起动力矩可增高到588.4n.cm ，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150bf002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。空载起动频率:f起 =3333.3hz切削时的工作频率:f切=833.3 hz150bf002型步进电机起动矩频特性曲线如下所示：150bf002型步进电机运行矩频特性曲线如下所示：设计项目设计过程及说明主要结果二、横向步进电机计算。一、等效传动惯量计算。计算简图如下所示：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量j(kg.cm2)可由下式计算:j=jm+j1+(z1/z2)2 j2+j3+(z3/z4)2 (j4+js)+g/g(l0/(2)2在上公式中： jm步进电机转子转动惯量（kgcm2）。 j1、j2、j3、j4齿轮z1、z2、z3、z4的转动惯量（kgcm2） js滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）参考同类型机床，初选反应式步进电机110bf，其转子转惯量jm=4.7kgcm2。j1=0.78*10-3*d14*l1=0.78*10-3*4.84*2=0.828 kg.cm2初选反应式步进电机：110 bf设计项目设计过程及说明主要结果二、横向步进电机计算。j2=0.78*10-3*d24*l2=0.78*10-3*84*2 =6.39kg.cm2j3=0.78*10-3*d34*l3=0.78*10-3*44*2 =0.399kg.cm2j4=0.78*10-3*d44*l4=0.78*10-3*54*2 =0.975kg.cm2js=0.78*10-3*24*45=0.561kg.cm2g=850n代入上式：j=jm+j1+(z1/z2)2 j2+j3+(z3/z4)2 *(j4+js)+g/g(l0/(2)2 =4.7+0.828+(24/40) 2 6.39+0.399+ (20/25)2 (0.975+0.561)+850/9.8*(0.5/(2)2=8.45kg.cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： jm/ j=4.7/8.4=0.56满足惯量匹配要求。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量:j=8.45 kg.cm2jm/ j=0.56满足惯量匹配要求。设计项目设计过程及说明主要结果二、横向步进电机计算。二、电机的力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩m起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：m起=mamax +mf +momamax = j*= j*10-2*nmax/ (0.6/(2)*ta)= j*nmax*2*10-2/ (60*ta)nmax=(vmax/p )* (b/360o)将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=(vmax/p )* (b/360o) =(1300/0.005)*(0.75 o /360 o) = 541.7 rpm起动加速时间：ta=25ms=0.025smamax = j*nmax*2*10-2/ (60*ta) =8.4*541.7*2*10-2/ (60*0.025) = 190.6 n.cm设计项目设计过程及说明主要结果二、横向步进电机计算。折算到电机轴上的摩擦力矩mf:mf =folo/(2i)=f (fz+g)*lo/(2(z2/z1* z4/z3) ) =0.04*(2680+850)*0.5/(2*0.8*2.1) =6.69 n.cm附加摩擦力矩mo:mo =fpolo/(2i)*(1-o2) =fm/3*lo/(2(z2/z1* z4/z3)* (1-o2) =1165/3*0.5