毕业设计-X5032立式铣床进给系统的数控改造

- 27 -引言数控机床对进给传动系统的要求：数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给。无论是点位控制、直线控制还是轮廓控制，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有长寿命、高刚度、无传动间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须摩擦力比较小、耐磨性要高，通常采用滚动导轨、静压导轨等。为了提高转换效率，保证运动精度，当旋转运动被转化为直线运动时，广泛应用滚珠丝杠螺母副。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙。虽在进给传动系统中采用各种措施消除间隙，但仍然可能留有微量间隙。此外由于受力而产生弹性变形，也会有间隙，所以在进给系统反方向运动时仍由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造.一 、总体方案的确定1.1 设计的基本参数：原始数据：工作台宽：320mm;工作台及床鞍重量：纵向 800N 横向 1200N;工作台快移速度：纵向 2m/min 横向 1m/min;最大快进速度：纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min;主电机功率：2.2kw；转速：1450rpm工艺数据：主轴转速：265rpm 走刀速度：55m/min刀具直径：35mm铣削宽度：7mm 铣削深度：32mm最小分辨率：纵、横向0.01mm其余数据按实际情况确定1.2 设计内容：（1）总体方案确定及可行性论证。（2）进给系统机械部分改装设计，绘制改装后一个坐标轴的机械传动机构的装配图及指定零件图（A0图纸两张、A3图纸一张）。（3）编写设计说明书一份（8千字左右）。（4）进给系统采用反应式步进电机驱动。（5）设计计算、图纸、零件程序应符合国家标准。1.3 设计要求:总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，以及传动方式和执行机构的选择等。铣床数控化改装设计后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用磨擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数，采用X5032升降台万能铣床进行数控化改装。原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便。1.4 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，X向：0.01mm/步，Y向：0.01mm/步（半径）1.5 计算铣削力Fc： （1.1）根据机床手册式中Cf系数见表7.1-28Cf=68 e铣削接触弧深（宽度）e =8.5 f每齿进给量（切厚）f =0.1 do铣刀直径do =35 p铣削深度p =32 z铣刀齿数z=33613N因此最大水平拖力1500kg（以下按15KN）计，可以满足最大切削力要求。二 滚珠丝杆螺母副的计算和选型2.1 X向（纵向）进给丝杆2.1.1计算进给牵引力：X向（纵向）进给为燕尾型导轨则 （2.1）式中 Fx、Fy、Fz一切削分力（N）G移动部件重量G=2000N导轨上的摩擦系数 =0.2K考虑颠复力矩影响的实验系数K=1.4对圆柱铣刀加工，各切削分力有,取中间值,，则 2.2）而插补平面内合力 （2.3）在一周的切削过程中取平均切削力为 （2.4）2.1.2 计算最大动负载C选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杆在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀的现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C，可用下式计算： （2.5）式中 L寿命,以106转为一单位 （2.6）n丝杆转速，（/min），用下式计算 （2.7）Vs最大切削条件下的进给速度（m/min）Vs =0.40.6m/min,取Vs =0.5m/minL0丝杆导程（mm）,L0=6mmT使用寿命（h），对于数控机床T=15000h运用系数见表4-12取=1.22.1.3 滚珠丝杆螺母副的选择可采用W1L4000外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，2.5圈1列，其额定动负载24800N，精度等级按4-5选为3级。2.1.4 传动效率计算 （2.8）式中：螺旋升角,磨擦角取10滚动磨擦系数0.0030.0042.1.5 刚度计算图2.1 纵向计算进给简图如图2.1所示纵向进给滚珠丝杠支承方式，最大牵引力为4482N，支承间距L=1250mm，计算如下：(1) 丝杆的拉伸或压缩变形量1 （2.9） 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载 滚珠丝杠的导程（mm）E 材料弹性模数，钢E=20.6104（N/mm2）A 滚珠丝杠横截面积（按内径确定）mm2“+” 用于拉伸，“-” 用于压缩 （2.10） （2.11） （2.12）R=0.52 =4.763故R=0.524.763=2.48=35+20.0056-22.48=30.05mm= （2.13）由于采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量1（mm）为=1/4=1/43.835=0.958mm （2.14）(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道的接触变形量Q=6.4m固进行了预紧拉伸，故其拉压刚度可以提高2倍。其实际变形量：=1/2Q=3.2m （2.15）(3) 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3采用8107推力球轴承d1=30，滚体直径d0=6.35mm，滚体数量Z=18 （2.16）注意此公式中Fm单位为kgf因施加预紧力，故3=1/2c=1/20.01104=0.00552mm （2.17）综合以上计算：=+=0.00783+0.0032+0.00552=0.01655定位精度故要采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力=3945N=L=2和3不变=1+2+3=0.00333+0.0032+0.00558=0.01211定位精度2.1.6 稳定性校核计算临界负载（N） （2.18）式中：E 材料弹性模量，钢：E=；I 截面惯性矩（）丝杠：I=，为丝杠内径；L 丝杠两支承端距离（cm） 丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，一端简支=2 （2.19）=2.54故此丝杠不会产生失稳。2.2 Y向（横向）进给丝杆2.2.1 计算进给牵引力综合型导轨的牵引力为:其中=0.16, =5171N, = =2718N=1.152718+0.16(5171+3800)=4561N2.2.2 计算最大动负载C2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型可采用W1L4508外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列3.5圈，其额定动负载为27700N, 精度选为3级2.2.4 传动效率计算=0.951=95.1%2.2.5 刚度验算图2.1 横向计算进给简图如图2.2所示纵向进给滚珠丝杠支承方式，最大牵引力为4653N，支承间距L=1000mm，计算如下：(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 故 R=0.524.763=2.477e=(2.477-)sin=0.0048=35+20.0048-22.477=37.06A=(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道的接触变形量Q=8.2m固进行了预紧拉伸，故其拉压刚度可以提高2倍。其实际变形量：2=1/2Q=4.1m (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承8108：D=40mm,滚动体直径， 滚动体数量z=18=0.0024=0.0024=0.0013=0.0013=0.0007=0.005+0.0041+0.0007=0.0098=2.54此丝杠不会产生失稳。三 齿轮传动比计算3.1 纵向进给齿轮传动比计算 （3.1）式中p脉冲当量p=0.01mm/stepLo滚珠丝杆导程 Lo=6mm步进电机步距角0.753.2 横向进给齿轮传动比计算已知p=0.01 L0=5=0.75模数m取2，有关齿轮的参数如下表3.1所示：表3.1 齿轮传动比参数(mm)齿数32402425分度圆d=mz64804850齿顶圆Da=d+2m68845254齿根圆Df=d-21.2559754335齿宽(610)m20202020中心距A=(d1+d2)/27249四 步进电机的计算和选型4.1 纵向进给步进电机计算4.1.1 等效转动惯量计算 （4.1）式中 Jm步进电机转子转动惯量（kgcm2）； J2、J1齿轮Z1、Z2的转动惯量（kgcm2）；Js滚球丝转动惯量（kgcm2）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转孖转惯量Jm=10（kgcm2）。J1=0.7810-3=0.7810-36.442=2.62kgcm2J2=0.7810-3=0.7810-3842=6.39kgcm2Js=0.7810-354125=60.938kgcm2G=2000N代入上式 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。基本满足惯量匹配的要求。4.1.2 电机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：（1）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+Mo （4.2） （4.3） （4.4）将数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间t=30ms （4.5） =992.62Ncm折算到电机轴的磨擦力矩Mf： （4.6） 附加磨擦力矩M0： （4.6） 上述三项合计：M起=Mamax+Mf+Mo =992.62+99.76+40.90=1133.28Ncm（2）快速移动时所需力矩M快M快=Mf+M0 （4.7）=99.76+40.90=140.66Ncm（3）最大切削负载时所需力矩M切 （4.8）从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时最大静力矩按此最大静转矩从表4-23查出，150BF002型最大静转矩为13.72Nm。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矩频特性和运行矩频特性。4.1.3 计算步进电机空载载起动频率和切削时的工作步频率 （4.9）150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz，运行频率为8000Hz， 150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图4.1所示。从图4.1a看出，当步进电机起动时，时，M=100Ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1138.28Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4Ncm，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。 起动矩频特性 运行矩频特性 a b图4.1150BF002型步进电机矩频特性当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性（图4.1）完全可以满足要求。4.2 横向进给步进电机计算和选型4.2.1 等效转动惯量计算 （4.10）式中： 步进电机转子转动惯量（）,初选反应式步进电机150BF，=10、齿轮、 的转动惯量（） 滚珠丝杠转动惯量（）考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题基本满足惯量匹配的要求4.2.2 电机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：（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体如下：起动加速时间折算到电机轴上的摩擦力矩：附加摩擦力矩： 滚珠丝杠副未预紧时传动效率上述三项合计：（2） 快速移动时所需力矩：（3） 最大切削负载时所需力矩：从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据：当步进电机为三相六拍时：最大静力矩150BF002型最大静转矩为。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矩频特性和运行矩频特性。4.2.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率综合考虑，查表选用150BF002型直流步进电机，能满足使用要求。六 结论本课题的目的通过对X5032立式铣床的进给系统的数控改造来了解并掌握普通铣床进给系统的数控化改造，改造后的铣床基本上达到了设计的要求，提高了机床的纵向和横向的精度，使分辨率达到了0.01mm，并能够进行特殊的零件加工和复杂的零件加工。提高加工效率，加工的零件精度变高，降低操作人员的劳动强度。 在做毕业设计的这段时间里，针对这个课题，我查阅了大量资料，制定出了改造方案，按照老师的总体进程安排，最后准时的完成本次设计。在这次设计中碰到了种种困难，比如刚开始有些参考书籍不容易借到、再来是进程安排的探索，怎样的进程安排才能及时的完成设计等等。在这次的设计中我学到了很多东西，我尤其感觉到细心的重要性，很多事都是由一件件小事组成，这就需要比较细心的去做事才能做好。由于知识、经验不足，在某些地方可能有些错误，希望各位老师能见谅。毕业设计是大学的最后一门课程，我深感荣幸能够遇到王仁德副教授如此负责认真的老师来指导我完成这最后一课，为我的大学生活划上一个完满的句号。毕业设计期间，王老师以严谨的治学态度对我们的设计进行严格的要求，以其渊博的知识为我们的设计解难释疑，以其平易近人的态度来指导我们。从王老师那里我们学会如何设计，更学会了一丝不苟的学习精神，他的那种工作态度使我终身受益。在此，我对王老师的指导帮助表示非常的感谢，感谢王老师带领我接触学习了数控机床改造的设计，在我的脑海中形成了一种设计的思维。拓宽了我的知识面，也为我日后的工作学习提供了一个新的平台新的