2047C6140型卧式车床的数控化改造及尾座设计(含全套毕.doc

0 40 兰州理工大学兰州理工大学 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 题 目 C6140 型卧式车床的数控化改造 及液压尾座设计 院 系 专 业 班 级 学生姓名 导师姓名 职称 起止时间 1 40 目目 录录 摘要 2 Abstract 3 绪论 4 第一章 C6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订 6 1 1 总体方案确定 6 1 2 C6140 车床的设计参数 7 第二章 C6140 车床进给伺服系统机械部分设计计算 8 2 1 进给伺服系统机械部分的改造方案 8 2 2 进给伺服机构机械部分的设计计算 9 2 3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 校核 9 2 4 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 14 2 5 齿轮传动比计算 15 第三章 C6140 车床进给部分电机的选择 16 3 1 纵向进给步进电机计算 16 3 2 横向进给步进电机计算 19 第四章 液压尾座部分设计 23 4 1 液压尾座研究背景和意义 23 4 2 液压尾座研究背景和意义 23 4 3 液压尾座的设计 23 4 4 尾座精度设计 23 总结 25 参考文献 26 致谢 27 外文资料及中文翻译 28 2 40 摘 要 数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 但数控机床一次性投资较大 对机床进行 数控化改造不失为一良策 C6140 车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能 改造简 单易行 可降低劳动强度 提高生产效率 主要介绍了经济型数控机床进给 纵向 伺服系统 设计计算 阐述了 C6140 普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造 本课题的目的在于设计出与数控卧式车床C6140相匹配的液压尾座系统 本课题将以 数控卧式车床C6140的液压尾座为研究对象 设计出符合数控卧式车床C6140的液压尾座 为了完成本课题的设计 在设计之前的准备工作必须做好 首先是搜集和分析资料 包括国内外数控机床的发展现状及趋势 液压技术和液压传动系统的基本资料 同等机 床液压尾座的图纸和资料等 其次是初步确定液压尾座的总体布局 包括配置形式 液 压系统的布置及选择液压能源及相应的配套元件等 最后主要是关于尾座的设计 C6140 数控机床液压尾座设计的主要内容是尾座体 套筒 顶尖 尾座孔系 尾座导 轨 挠度 转角 液压缸内径及压板处螺栓直径 锁紧力的计算及校核 其中选择莫氏 4 号锥度的尾座顶尖 是利用莫氏锥度自身的结构特性来卡紧尾座顶尖的 它解决了顶尖 在工作时会出现松动或转动现象 在套筒中设计了滑键槽和顶尖顶出孔 解决了顶尖在 工作时会随套筒转动从而影响工件的加工精度 还在套筒中设计了顶卸的装置 便于顶 尖的拆卸 关键词 C6140 车床 数控改造 滚珠丝杠 步进电动机 尾座 液压系统 液压缸 设计 校核 3 40 Numerical Control Transform of C6140Common Lathe And Design of C6140 CNC Machine Tailstock Hydraulic System Abstract The NC machine plays a verygreat role in mechanical engineering Although the investment needs a great deal of money it is a good way to try digital modification for ordinary lathe The spindle speed of C6140 remains the manual function of shifting gears The alteration is easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency Introduces the design calculation of servo system on economic NC machine tools It also tells us howto improve the spindle and the control system of C6140 NC lathe The main purpose of the research is based on C6140 CNC machine tools to design requirements designed to match its hydraulic Tailstock to meet the rotation accuracy rigidity temperature rise and so on seismic requirements to enhance the overall performance of machine tools To accomplish this design I collected and analysed the information before the design including domestic and international development of CNC machine tools hydraulic system of hydraulic technology and the basic information equal hydraulic machine Tailstock the drawings and information Then is tentatively determined the overall layout of hydraulic Tailstock including the allocation of form layout and the hydraulic system of hydraulic energy and select the appropriate matching components such as This was followed by the main Tailstock the design and calculation The main design of C6140CNC machine tools is that the tailstock top and the hole the tailstock and they are allowed to produce cantilever deflections corner hydraulic cylinder bore diameter and pressed the bolt in place the locking force of the school One of the nuclear option morse the cone at the end of the top and is using its own structure of the cone morse the nature of the top 4 40 card up its tail it addresses the top of the work that is coming loose The turning or pivoting in the design of cylinder and the top of a punch to the top of the work will turn to the influence of the processing of precision It was set in the design of the top of the device to the top down Key words The C6140 lathe digital modification ball screw stepping motor machine tailstock hydraulicsystem hydraulic cylinder inside diameter design examination 绪 论 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品日趋精密复杂 且需频繁改型 普通 机床已不能适应这些要求 数控机床应运而生 这种新型机床具有适应性强 加工精度 高 加工质量稳定和生产效率高等优点 它综合应用了电子计算机 自动控制 伺服驱 动 精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果 是今后机床控制的发展方向 一 数控机床的产生 数控机床最早是从美国开始研制的 1948 年 美国帕森斯公司在研制加工直升机桨 叶轮廓用检查样板的加工机床任务时 提出了研制数控机床的初始设想 1949 年 帕森 斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作 开始从事数控机床的研制工作 并于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机 这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插 补三坐标连续控制铣床 经过三年改进和自动编程研究 于 1955 年进入实用阶段 一直 到 20 世纪 50 年代末 由于价格和技术原因 品种多为连续控制系统 到了 60 年代 由 于晶体管的应用 数控系统提高了可靠性且价格开始下降 一些民用工业开始发展数控 机床 其中多数是钻床 冲床等点位控制的机床 数控技术不仅在机床上得到实际应用 而且逐步推广到焊接机 火焰切割机等 使数控技术不断的扩展应用范围 二 数控机床的发展 自 1952 年 美国研制成功第一台数控机床以来 随着电子技术 计算机技术 自动 控制和精密测量等相关技术的发展 数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代 先后 经历了五个发展阶段 第一代数控 1952 1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置 第二代数控 从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC 系统 第三代数控 从 1965 年开始采用小 中规模集成电路的 NC 系统 第四代数控 从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统 5 40 第五代数控 从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统 目前 第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统 形成了现代数控系统 它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路 具有很强的程序存储能力和控制功能 这些控制功能是由一系列控制程序来实现的 这些数控系统的通用性很强 几乎只需改 变软件 就可以适应不同类型机床的控制要求 具有很大的柔性 随着集成电路规模的 日益扩大 光缆通信技术应用于数控装置中 使其体积日益缩小 价格逐年下降 可靠 性显著提高 功能也更加完善 近年来 微电子和计算机技术的日益成熟 它的成果正在不断渗透到机械制造的各个 领域中 先后出现了计算机直接数控系统 柔性制造系统和计算机集成制造系统 所有 这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础 它们代表着数控机床今后的发展趋 势 三 我国数控机床的发展概况 我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床 并试制成功第一 台电子管数控机床 从 1965 年开始 研制晶体管数控系统 直到 60 年代末和 70 年代初 研制的劈锥数控铣床 非圆锥插齿机等获得成功 与此同时 还开展了数控加工平面零 件自动编程的研究 1972 1979 年是数控机床的生产和使用阶段 例如 清华大学研制成 功集成电路数控系统 数控技术在车 铣 镗 磨 齿轮加工 电加工等领域开始研究 与应用 数控加工中心机床研制成功 数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生 产供应市场 从 80 年代初开始 随着我国开放政策的实施 先后从日本 美国 德国等 国家引进先进的数控技术 上海机床研究所引进美国 GE 公司的 MTC 1 数控系统等 在引 进 消化 吸收国外先进技术基础上 北京机床研究所又开发出 BSO3 经济型数控系统和 BSO4 全功能数控系统 航空航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统等 进而推动了我国数 控技术的发展 使我国数控机床在品种上 性能上以及水平上均有了新的飞跃 我国的 数控机床已跨入一个新的发展阶段 四 数控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看 高精度 高速度 高柔性 多功能和高自动化是数控机床 的重要发展趋势 对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度 还要求具有进入更高 层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力 在数控系统方面 目前世界上几个著名的数控装置生产厂家 诸如日本的 FANCU 德 6 40 国的 SIEMENS 和美国的 A B 公司 产品都向系列化 模块化 高性能和成套性方向发展 它们的数控系统都采用了 16 位和 32 位微机处理机 标准总线及软件模块和硬件模块结 构 内存容量扩大到 1MB 以上 机床分辨率可达 0 1 微米 高速进给可达 100m min 控制 轴数可达 16 个 并采用先进的电装工艺 在驱动系统方面 交流驱动系统发展迅速 交流传动已由模拟式向数字式方向发展 以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代 从而克服了零点漂移 温度漂移等弱点 五 数控机床改造的意义 数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门 早在 60 年代已经开始迅速发展 其 发展的原因是多方面的 主要有技术 经济 市场和生产上的原因 我国是拥有 300 多 万台机床的国家 而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床 不论资金和我国机床 制造厂的能力都是办不到的 因此 尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密 化改装 是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题 用数控技术改造机床 正是适 应了这一要求 它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上 在机床改造中 引入微机的应用 不但技术上具有先进性 同时 在应用上比其它传统的自动化改装方 案 有较大的通用性与可调性 而且所投入的改造费用低 一套经济型数控装置的价格 仅为全功能数控装置的 1 3 至 1 5 用户承担的起 从若干单位成功应用的实例可以证明 投入使用后 确实成倍地提高了生产效率 减少了废品率 取得了显著的技术经济效益 因此 我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上 再逐步推广全功能数控 这条道路 适合我国的经济水平 教育水平和生产水平 已成为我国设备技术改造主要 方向之一 同时 它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段 为今后使用全功能数 控机床 培养人才 积累维护 使用经验 而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机 电一体化的方向过渡的主要内容之一 第一章 C6140 车床进给伺服系统改造方案的拟订 1 1 总体方案确定 C6140 车床数控改造方案本文改造后的结构是一种非常典型卧式车床的数控改造结构 改造时拆除原机床的纵向和横向丝杠光杠 溜板箱 挂轮箱的挂轮 原手动刀架及手柄 等部件 用滚珠丝杠替换原有普通丝杠 用电动刀架替换原有的普通刀架 纵向和横向 7 40 进给采用步进电动机及减速器驱动 横向步进电动机及减速器装置安装在机床床鞍的后 部 纵向的步进电动机减速器装置安装在机床的右端 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的 其精度和刚度等性 能指标往往不能满足数控机床的要求 因此将普通机床改造为全功能的数控机床 一味 追求先进指标则会得不偿失 所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下 对原机床尽可能减少机械部分的改动量 选择简单易用的数控系统 达到合理的性价比 本次改造设计要求就是根据这一原则提出的 根据设计要求 依据设计参数及机床数控 改造的理解 总体方案确定如下 1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具有定位 直线插补 顺 逆圆插补 暂停 循环加 工 公英制螺纹加工等功能 故应选择连续控制系统 考虑到属于经济型数控机床加工 精度要求不高 为了简化结构 降低成本 采用步进电机开环控制系统 2 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆 为保证一定的传 动精度和平稳度 尽量减少摩擦量力 选用滚珠丝杆螺母副 同时 为提高传动刚度和 消除间隙 采用有预加负荷的结构 齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构 1 2 C6140 车床的设计参数 根据型普通原始数据及数控改造设计要求 确定主要如下 最大加工直径 车床身上 400mm 车床鞍上 210mm 最大加工长度 1000mm 快进速度 纵向 2 4m min 横向 1 2m min 最大切削进给速度 纵向 0 6m min 横向 0 3m min 脉冲当量 8 40 纵向 0 01mm step 横向 0 005mm step 脉冲分配方式 逐点比较法 控制坐标数 2 机床定位精度 0 015 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 自动生降速性能 有 起动加速时间 30ms 主电机功率 7 5Kw 第二章机床进给伺服系统机械部分的设计和计算 2 1 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 2 1 1 纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像 溜板箱 滑动丝杠 光杠等 装上步进电机 齿轮减速箱和滚 珠丝杠螺母副 为了提高支承刚度 采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式 齿轮 间隙采用双薄片调隙方式 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体 滚珠丝杆仍安置在原来的位置 两端仍采用原固定方式 这样可减少改装工作量 并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝 杠 且外径比原先的大 从而使纵向进给整体刚度只可能增大 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速 双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙 因 为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况 当负载大时 弹簧弹力显小 起不到消除间隙 之目的 当负载小时 弹簧弹力又显大 则加速齿轮的磨损 因此 采用定期人工调整 螺钉紧固的办法消除间隙 2 1 2 横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆 安装滚珠丝杆副 为提高横向进给系统刚度 支承方式采用 9 40 两端装止推轴承 步进电机 齿轮箱安装于机床后侧 为了使减速机构不影响走刀 同 时消除传动过程的冲击 减速机构采用二级传动 从动轮采用双薄片错位消除间隙 2 2 进给伺服机构机械部分的设计计算 此机床进给伺服系统运动及动力计算如下 2 2 1 进择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向 0 01mm 步 横向 0 005mm 步 半径 2 2 1 计算切削力 1 纵车外圆 主切削力 Fz N 按经验公式估算 Fz 0 67Dmax1 5 0 67 x 4001 5 5360 按切削力各分力比例 Fz Fx Fy l 0 25 0 4 Fx 5360 x 0 25 1340 Fy 5360 x 0 4 2144 2 横切端面 主切削力 F z N 可取纵切的 1 2 2680 2 1 z zFF 此时走刀抗力为 F y N 吃刀抗力为 F x N 仍按上述比例粗略计算 F z F y F x 1 0 25 0 4 F y 2680 x 0 25 670 F x 2680 x 0 4 1072 2 3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型 确定滚珠循环方式 滚珠丝杠副的预紧 方式 结构类型确定之后 再计算和确定其他技术参数 包括 公称直径 d0 丝杠外径 d 导程 L0 滚珠的工作圈数 j 列数 K 精度等级等 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类 外循环又分为螺旋槽式和插管式 我们 在此选用螺旋槽式外循环 在螺母外圆上铣出螺旋槽 槽的两端钻出通孔 同螺母的螺 纹滚道相切 形成滚珠返回通道 为防止滚珠脱落 螺旋槽用钢套盖住 在通孔口设有 挡珠器 引导滚珠进入通孔 挡珠器用圆钢弯成弧形杆 并焊上螺栓 用螺帽固定在螺 10 40 母上 它的优点是 工艺简单 螺母外径尺寸较小 缺点是 螺旋槽同通孔不易连接准 确 挡珠器钢性差 耐磨性差 滚珠丝杠副的预紧方法有 双螺母垫片式预紧 双螺母螺纹式预紧 双螺母齿差式预 紧 单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等 2 3 1 纵向进给丝杠 1 计算进给率引力 Fm N 纵向进给为综合型导轨 2530 8005360 16 0 134015 1 GFfKFF zxm 式中 K 考虑颠复力矩影响的实验系数 综合导轨取 K 1 15 滑动导轨摩擦系数 0 15 0 18 f G 溜板及刀架重力 G 800N 2 计算最大动负载 c mwF fLc 3 6 10 60Tn L 0 1000 L v n s 式中 L0 滚珠丝杠导程 初选 L0 6mm vs 最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1 2 1 3 此处 vs 0 6m min fw 运转系数 按一般运转取 fw 1 2 1 5 L 寿命 以 106转为 1 单位 NFfLC Tn L r L v n mw s 7 1079825302 145 45 10 150005060 10 60 min 50 6 5 06 010001000 33 66 0 3 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 可采用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 11 40 16400N 精度等级选 3 级 传动效率计算 tg tg 式中 螺旋升角 W1L4O0b 2044 摩擦角取 10 滚动摩擦系数 0 003 0 004 94 0 10 442 442 0 0 tg tg tg tg 4 刚度验算 一般滚珠丝杠比较细长 它的刚度应该给与充分重视 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 最大牵引力为 2530N 支承间距 L 15OOmm 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 图 4 1 纵向进给系统计算简图 4 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 Pm 2530N Do 40mm 查资料可查出 L L l 2 lO 5 可算出 1 L L 1500 1 2 10 5 1500 1 8 10 2 mm 由于两端均采用向心推力球轴承 且丝杠又进行了预拉伸 故其拉压刚度可以提高 4 倍 其实际变形量 1 mm 为 2 11 1045 0 4 1 4 2 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查资料 W 系列 1 列 2 5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q m Q 4 6 12 40 因进行了预紧 m Q 2 34 6 2 1 2 1 2 4 3 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 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 0075 0 1835 6 253 0024 0 0024 0 3 2 2 3 2 2 mm Zd F Q m c 注意 此公式中 Fm 单位应为 kgf 因施加预紧力 故 mm C 0038 0 0075 0 2 1 2 1 3 根据以上计算 定位精度 mm0115 0 0038 0 0032 0 0045 0 321 5 稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承 不会产生失稳现象不需作稳定性校核 2 3 2 横向进给丝杠 1 计算进给牵引力 F m 横向导轨为燕尾形 计算如下 NGFFfFF xZym 2023 600107222680 2 06704 1 2 4 1 2 计算最大动负载 c mmFfLc Tn L L v n mw s 728330 2 2 127 27 10 150003060 10 60 30 5 5 03 010001000 33 66 0 3 选择滚珠丝杠螺母副 查资料 W1L20051 列 2 5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副 额定动载荷为 8800N 可 满足要求 选定精度为 3 级 4 传动效率计算 965 0 10 334 334 0 0 tg tg tg tg 5 刚度验算 13 40 横向进给丝杠支承方式如 2 1 图所示 最大牵引力为 2425N 支承间距 L 45Omm 因丝杠长度较短 不需预紧 螺母及轴承预紧 图 2 1 计算如下 5 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 mm 查图 4 6 根据 F m 2023N D 2Omm 查出 L L 5 lO 5 可算出 mmL L L25 1 1089 1 450102 4 图 4 2 横向进给系统计算简图 5 2 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查资料 m Q 5 8 14 40 因进行了预紧 2 1 2 Q 0 5 8 5 4 25 m 5 3 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 采用 8102 推力球轴承 dQ 4 763 z 12 d l5mm 0094 0 12763 4 32 202 0024 0 0024 0 3 2 3 2 2 mm zd p Q m c 考虑到进行了预紧 故 mm c 0047 0 0094 0 2 1 2 1 3 综合以上几项变形量之和 mm0279 0 0047 0 0043 0 0189 0 321 显然此变形量已大于定位精度的要求 应该采取相应的措施修改设计 因横向溜板空 间限制 不宜再加大滚珠丝杠直径 故采用贴塑导轨减小摩擦力 从而减小最大牵引力 重新计算如下 NGFFfFF xzym 1155 600107222680 04 0 6704 1 2 4 1 从资料查出 当 Fm 1155N 时 L L 2 4 lO 5 0108 0 450104 2 5 1 L L L 2和 3不变 则 1 2 3 0 0108 0 0043 0 0047 0 0198mm 定位精 度为 0 lmm 故此变形量仍不能满足 如果将滚珠丝杠再经过预拉伸 刚度还可提高四 倍 则变形量可控制在要求的范围之内 mm0117 0 0047 0 0043 0 0108 0 4 1 4 1 321 从上面计算过程可以看出 设计的过程要经过反复修改参数 反复计算才能达到满意 的结果 6 稳定性校核 计算临界负载其 FK N 2 2 L EIf F Z K 式中 E 材料弹性模量 钢 E 20 6 1O6N cm2 15 40 I 截面惯性矩 cm4 丝杠 di 为丝杠内径 4 1 64 dI L 丝杠两支承端距离 cm fZ 一丝杠支承方式系数 从表 4 13 中查出 一端固定 一端简支 fZ 2 00 7 67 1155 78214 78214 45 3899 0 10 6 202 3899 0 6788 1 6464 2 62 2 2 444 1 k m k k Z K n F F n N L IEf F cmdI 一般 nk 2 5 4 此滚珠丝杠不会产生失稳 2 4 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数如下 名称 符号 公式 3506 1L W2005 1L W 公称直径 35 20 0 d 导程 6 5 0 L 接触角 3 7 4 33 钢球直径 3 969 3 175 q d 滚道法面半径 2 064 1 651R q dR52 0 偏心距 0 056 0 045e sin 2 q dRe 螺纹升角 3 7 4 33 0 0 d L arctg 螺杆外径 34 19 4d q ddd 25 0 2 0 0 螺杆内径 30 984 16 78 1 d Redd22 01 螺杆纹接触直径 31 258 16 835 Z d cos 0qZ ddd 16 40 螺母螺纹直径 39 365 23 212DRedD22 0 螺母内径 36 125 20 635 1 D q ddD 25 0 2 0 01 2 5 齿轮传动比计算 2 5 1 纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 p 0 01 滚珠丝杠导程 L0 6mm 初选步进电机步距角 0 750 可计算出传动比 i 8 0 675 0 01 0 360 360 0 L i b p 可选定齿轮齿数为 或 40 32 2 1 z z i 25 20 2 5 2 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 p O 005 滚珠丝杠导程 L0 5mm 初选步进电机步距 角 0 750可计算传动比 i 48 0 575 0 005 0 360 320 0 L i b p 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 处可采用两级齿轮降速 25 20 40 24 5 4 5 3 4 3 2 1 z z z z i 因进给运动齿轮受力不大 模数 m 取 2 相关参数如下表 齿 数 324024402025 分 度圆 mzd 648048804050 齿 顶圆 mdda2 688452844454 齿 根圆 mdd f 25 1 2 597543753545 17 40 第三章 C6140 车床进给部分电机的选择 3 1 纵向进给步进电机计算 3 1 1 等效传动惯量计算 方法计算如下表示 传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 J kg cm2 可有下式计 算 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 Js G g L0 2 2 式中 Jm 步进电机转子转动惯量 kg cm2 J1 J2 齿轮 Z1 Z2 的转动惯量 kg cm2 Js 滚珠丝杠传动惯量 kg cm2 参考同类型机床 初选反应式步进电机 150BF 其转子转动惯量 Jm 10 kg cm2 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 6 42 2 2 6 kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 82 2 6 39 kg cm2 Js 0 78 10 3 44 150 29 952 kg cm2 G 800N 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 29 592 800 9 8 0 6 2 2 36 355 kg cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 Jm J 10 36 355 0 275 齿 宽 6 10 m202020202020 中 心距 2 21 ddA 726445 18 40 基本满足惯量匹配的要求 3 1 2 电机力矩计算 机床在不同的工况下 其所需转距不同 下面分别按各阶段计算 A 快速空载启动力矩 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 Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta nmax max b p 360 将前面数据代入 式中各符号意义同前 nmax max b p 360 2400 0 75 0 01 360 500r min 启动加速时间 ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 36 355 2 500 10 2 60 0 03 634 5N cm 折算到电机轴上的摩擦力距 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 16 5360 800 0 6 2 0 8 1 25 94 N cm 附加摩擦力距 M0 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 Ft L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2530 0 6 1 0 92 2 0 8 1 25 805 3 0 19 15 3N cm 上述三项合计 M 起 Mamax Mf Ma 634 5 94 15 3 743 8N cm B 快速移动时所需力矩 M 快 M 快 Mf M0 94 15 3 109 3N cm 19 40 C 快速切削负载时所需力矩 M 切 M 切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 94 15 3 1340 0 6 2 0 8 1 25 94 15 3 127 96 237 26N cm 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 从下表查出 当步进电机为三相六拍时 Mq Mjmax 0 951 最大静力矩 Mjmax 743 8 0 951 782N cm 按此最大静力矩从下表查出 150BF002 型最大静转矩为 13 72N m 大于所需最大 静转矩 可作为初选型号 但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性 3 1 3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 4000 HZ k f p v 60 1000 max 01 0 60 4 21000 1000 HZ e f p s v 60 1000 01 0 60 6 01000 从表中查出 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 再从下表中查出 130BF001 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图 2 3 2 4 所示 当步进电机起动时 f 起 2500 时 M 100N cm 远远不能满足此机床所要 求的空载起动力矩 782N cm 直接使用则会产生失步现象 所以必须采用升降速控制 用软件实现 将起动频率降到 1000Hz 时 起动力矩可增加到 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 20 40 当快速运动和切削进给时 130BF001 型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求 3 2 横向进给步进电机计算 3 2 1 等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J 可由下式计算 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 式中各符号意义同前 其中 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 4 82 2 0 83kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 84 2 6 4 kg cm2 J3 0 78 10 3 d24 L3 0 78 10 3 44 2 0 4 kg cm2 J4 0 78 10 3 d24 L4 0 78 10 3 54 2 0 98 kg cm2 21 40 Js 0 78 10 3 24 45 0 56kg cm2 G 600n Jm 4 7 初选反应式步进电机为 110BF 代入上式为 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 4 7 0 83 24 10 2 6 4 0 4 20 25 2 0 98 0 56 600 10 0 5 2 2 8 42kg cm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm J 4 7 8 42 0 558 基本满足惯量匹配要求 3 2 2 电机力矩计算 A 快速空载起动力矩 M M 起 Mamax Mf Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta 式中 nmax max b p 360 1200 0 75 0 005 360 500r min ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 8 42 2 500 10 2 60 0 03 147N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 2 2680 600 0 5 0 48 2 0 8 31 3N cm 22 40 附加摩擦力矩 M0 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 F t L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2023 0 5 0 48 1 0 92 2 0 8 6 1N cm 上述三项合计 M 起 Mamax Mf Ma 147 31 3 6 1 184 4N cm B 快速移动时所需力矩 M 快 M 快 Mf M0 31 3 6 1 37 4N cm C 最大切削福载时所需力矩 M 切 M 切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 37 4 1072 0 5 0 48 2 0 8 88 6N cm 由上面计算可以看出 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 故以此项作为选择步进电机的依据 根据步进电机转矩 Mq 与最大静转矩 Mjmax 的关系可知 当步进电机为三相六拍时 Mq Mjmax 0 866 最大静力矩 Mjmax 184 4 0 866 213N cm 查 BF 反应式步进电机技术参数得 110BF003 型步进电机最大静转矩为 7 84N m 大于所需最大静转矩 可作为初选型号 但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运 行矩频特性 3 2 3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk 1000Vmax 60 p 1000 2 4 60 0 01 4000Hz Fe 1000Vs 60 p 1000 0 6 60 0 01 1000Hz 由 110BF003 型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为 1500Hz 运行频率为 7000Hz 根据 110BF003 型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出 当步进电 机起动时 F 1500Hz M 98N cm 小于机床所需的起动力矩 184 4N cm 直接使用 会产生失步现象 所以必须采用升降速控制 用软件实现 将起动频率降为 1000Hz 时 既可满足要求 当机床快速起动和切削进给时 则完全满足运行矩频要求 第四章第四章 液压尾座部分设计液压尾座部分设计 23 40 液压尾座研究背景和意义液压尾座研究背景和意义 从 20 世纪中叶数控技术出现以来 数控机床给机械制造业带来革命性的变化 近 年来 由于液压技术广泛应用了高技术成果 如自动控制技术 计算机技术 微电子技 术 磨练磨损技术 可靠性技术及新工艺和新材料 使传统技术有了新的发展 也使液 压系统和元件的质量 水平有一定的提高 液压传动技术在数控自动化机床上的应用也 越来越广泛 而且也为机床工业的自动化程度的提高上起到了重要的力量 尽管如此 走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破 应当主要靠现有技术的改进和扩 展 不断扩大其应用领域以满足未来的要求 液压传动是以流体作为工作介质对能量进 行传动和控制的一种传动形式 利用有压的液体经由一些机件控制之后来传递运动和动 力 相对于电力拖动和机械传动而言 液压传动具有输出力大 重量轻 惯性小 调速 方便以及易于控制等优点 因而广泛应用于工程机械 建筑机械和机床等设备上 据统计 世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的 2 3 5 而我国 只占 1 左右 这充分说明我国液压技术使用率较低 努力扩大其应用领域 将有广 阔的发展前景 液压气动技术具有独特的优点 如 液压技术具有功率重量比大 体 积小 频响高 压力 流量可控性好 可柔性传送动力 易实现直线运动等优点 气动传动具有节能 无污染 低成本 安全可靠 结构简单等优点 并易与微电子 电气技术相结合 形成自动控制系统 因此 液压气动技术广泛用于国民经济各部 门 但是近年来 液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争 如 数控机床 中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动 其主要原因是液压技术 存在渗漏 维护性差等缺点 为此 必须努力发挥液压气动技术的优点 克服缺点 注意和电子技术相结合 不断扩大应用领域 同时降低能耗 提高效率 适应环保 需求 提高可靠性 这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标 也是液压气动产 品参与市场竞争是否取胜的关键 今天 为了和最新技术的发展保持同步 液压技术必须不断发展 不断提高和改进 元件和系统的性能 以满足日益变化的市场需求 与世界上主要的工业国家相比 我国 的液压工业还是相当落后的 标准化的工作有待于继续做好 优质化的工作须形成声势 智能化的工作则刚刚在准备起步 为此必须急起直追 才能迎头赶上 可以预见 为满 足国民经济发展需要 液压技术也将继续获得飞速的发展 它在各个部门中的应用越来 越广泛 在这样一种背景下 我的课题选择为数控卧式车床 C6140 液压尾座的设计 用以提 24 40 高生产效率 产品质量 降低工人劳动强度及降低企业成本 此外 力求完成课题之余 熟悉国内外数控技术及液压技术的发展趋势 增强对如何发展民族数控机床产业的感性认 识 1 2 液压系统的发展现状液压系统的发展现状 液压传动相对于机械传动来说 是一门新兴的技术 液压技术具有独特的优点 如 功率重量比大 可以实现大范围的无级变速 体积小 频响高 压力 流量可控性好 可柔性传送动力 易实现直线运动等优点 并易与微电子 电气技术相结合 形成自动 控制系统 4 基于以上一系列优点 液压技术已经广泛应用于机床 工程机械 农业机 械和其它国民经济方面 以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子工业 水平 6 它的推广应用对提高劳动生产率和产品质量 改变我国制造技术落后的状况起 着极为重要的作用 液压技术是实现数字控制与机电液一体的关键技术之一 世界各国 对液压工业的发展都给予很大重视 据统计 世界各主要国家液压工业销售额占机械工 业产值的 2 3 5 而我国只占 1 左右 这充分说明我国液压技术使用率较低 努力扩 大其应用领域 将有广阔的发展前景 首先我们看下面的表格可清楚的看出国内国外液 压技术发展的状况 表 1 1 国内外液压发展方向 国 外国 内 高集成化 高功率 高密度高性能 高质量 高可靠性 系统成套 机电一体化集成元件和系统低能耗 低噪声 低振动 智能化自动控制元件和系统集成化 轻小型微型 多样化 水基介质传动与控制技术机电一体化 1 2 1 液压产品技术发展趋势 1 减少损耗 充分利用能量 液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中 总存在能量损耗 为减少能量 的损失 必须解决下面几个问题 减少元件和系统的内部压力损失 以减少功率损失 减少或消除系统的节流损失 尽量减少非安全需要的溢流量 采用静压技术和新型密封 材料 减少摩擦损失 改善液压系统性能 采用负荷传感系统 二次调节系统和蓄能器 25 40 回路 2 泄漏控制 泄漏控制包括 防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方 面 今后 将发展无泄漏元件和系统 如发展集成化和复合化的元件和系统 实现无管 连接 研制新型密封和无泄漏管接头 电机油泵组合装置等 无泄漏将是世界液压界今 后努力的重要方向之一 3 污染控制 过去 液压行业主要致力于控制固体颗粒的污染 而对水 空气等的污染控制往往 不够重视 今后应重视并解决 严格控制产品生产过程中的污染 发展封闭式系统 防 止外部污染物侵入系统 应改进元件和系统设计 使之具有更大的耐污染能力 同时开 发耐污染能力强的高效滤材和过滤器 研究对污染的在线测量 开发油水分离净化装置 和分离元件 以及开发能清除油中的气体 水分 化学物质和微生物的过滤元件及检测 装置 4 主动维护 开展液压系统的故障预测 实现主动维护技术 必须使液压系统故障诊断现代化 加强专家系统的开发研究 建立完整的 具有学习功能的专家知识库 并利用计算机和 知识库中的知识 推算出引起故障的原因 提出维修方案和预防措施 5 机电液一体化 机电液一体化可实现液压系统柔性化 智能化 充分发挥液压传动动力大 惯性小 响应快等优点 其主要发展方向如下 液压系统将有过去的电液系统和开环比例控制系 统转向闭环比例伺服系统 同时对压力 流量 位置 温度 速度等传感器实现标准化 提高液压元