CA6140数控改造计算说明书.doc

科学技术学院毕业设计论文题目：CA6140普通车床进给系统数控化改造学科部： 理工学科部 专业：机械设计制造及其自动化班级： 学号： 姓名： 指导教师： 填表日期： 2016 年 4 月 8 目录第1章摘要和要求1.1摘要11.2改造要求1第2章机床进给伺服系统的设计和计算2.1脉冲当量的确定12.2切削力的计算12.2.1Z轴切削力的计算12.2.2X轴切削力的计算22.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型22.3.1Z轴进给丝杠螺母副的选型22.3.2X轴进给丝杠螺母副的选型52.4齿轮传动比的计算82.4.1Z轴进给齿轮箱传动比的计算82.4.2X轴进给齿轮箱传动比的计算92.5步进电机的计算和选型92.5.1Z轴进给步进电机的选型92.5.2X轴进给步进电机的选型142.6电动刀架的选型17第3章第1章任务和要求将一台CA6140普通车床改造成经济型微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上400mm在床鞍上210mm加工最大长度：500mm溜板及刀架重量：纵向1000N横向500N刀架快速移动速度：纵向2m/min横向1m/min最大进给速度：纵向1.6m/min横向0.8m/min主电机功率：3kW机床定位精度：0.02第2章机床进给伺服系统的设计和计算2.1 选择脉冲当量，根据车床精度要求为0.02，可选择脉冲单量为纵向： =0.01mm/step 横向： =0.005m/step2.2 计算切削力一、 Z轴切削力的计算主切削力按电机功率计算如下：其中切削功率（kw）；机床主传动额定功率（kW）；切削速度：90100m/min取100m/min；主传动系统总的机械效率，这里=0.85。精密机床=0.80.85中型机床=0.750.8大型机床=0.70.85切削力的分力： 二、 X轴切削力的计算主切削力取Z轴切削力的此时走刀抗力为Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)：2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型一、 Z轴进给丝杠螺母副型号的选择1. 计算进给牵引力Z轴进给为综合型导轨式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.15滑动导轨摩擦系数：0.150.18取0.16G溜板及刀架重力，这里为1000N。2. 计算最大动负载C式中滚珠丝杠导程，初选6mm；最大切削力下的进给速度，最大进给速度；T使用寿命，按15000h；运转系数，按一般运转1.21.5,取1.2；L寿命,以106转为1单位。3. 滚珠丝杠螺母副的选型表2.3-1查表2.3-1，可选用FFZD4006-3内循环浮动式垫片预紧螺母式滚珠丝杠副，其额定动负载为15KN，3圈1列,3级精度。4. 传动效率计算式中螺旋升角，FFZD4006-3的摩擦角取105. 刚度验算Z轴进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示。其最大牵引力为1284.55N。丝杠总长为,支承间距L=800，丝杠螺母及轴承均进行预紧。图a计算如下：(1) 丝杠的拉伸变形量根据=1284.55N，底径=35.9mm 式中在工作负载作用下引起每以导程的变化量（mm）；工作负载，即进给牵引力（N）；滚珠丝杠的导程（mm）；E材料弹性模数（N/mm2），钢为20.6104N/mm2；A滚珠丝杠截面积（mm2）。由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉伸刚度可以提高4倍。所以实际变形量(mm)为：(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 =Z圈数列数其中轴向工作负载(N)；预紧力(N)，取最大轴向负荷的1/3；丝杠滚珠直径（mm）；丝杠滚珠数量；丝杠一圈的滚珠数量；丝杠公称直径；因进行了预紧，(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8105型推力球轴承，内径=25mm，滚珠直径= 6.3mm，滚珠数量Z=14因施加了预紧力，所以根据以上计算：=0.0049mmC4.926KN可满足要求，3圈1列,3级精度。4. 传动效率计算5. 刚度验算X轴进给丝杠支承方式如下图所示，最大牵引力为1048.6N，丝杠总长为,支承间距L=500mm，因丝杠长度较短，无需预紧。只对螺母及轴承预紧。图b计算如下：(1) 丝杠的拉伸变形量根据=1048.6N，底径=21.9mm (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形=Z圈数列数=1931=57(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用8104推力球轴承，轴承内径d=20mm,滚动体直径=5.5mm,滚动体数量=13综合以上几项变形量之和：=0.01mm=427.2Ncm可以满足要求。2. 计算步进电机转矩(1) 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 (kgcm2)可由下式计算：1式中步进电机转子转动惯量,90BGY4502步进电机转子转动惯量=4kgcm2；齿轮的转动惯量（kgcm2）；滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）；代入上式：考虑到步进电机与传动系统惯量匹配问题满足惯量匹配的要求(2) 电机转矩校核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) 快速空载起动转矩M在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下：起动加速时间=30ms折算到电机转轴上的摩擦转矩附加摩擦转矩：上述三项合计：2) 快速移动时所需转矩3) 最大切削负载时所需转矩从上面计算可以看出，M、和三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表2.5-1查出，当步进电机为四相八拍时= =0.707，则最大静转矩为 从表2.5-2查出90BYG4502型步进电机最大转矩为600Ncm，大于所需最大静转矩449.2Ncm，可以满足此项要求。二、 X轴进给步进电机的计算和选型1. 初选步进电机(1) 计算步进电机负载转矩Tm式中脉冲当量（mm/step）;进给牵引力（N）；步距角，初选0.9；电机丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99、0.94；(2) 估算步进电机起动转矩(3) 计算最大静转矩查表1.5-1，如取四相八拍，则(4) 计算步进电机运行频率和最高起动频率式中最大切削进给速度（m/min），这里为0.8m/min；最大快移速度（m/min），这里为1m/min；(5) 初选步进电机型号从表2.5-2中查出90BYG4501最大静转矩为350Ncm =104.58 Ncm可以满足要求。3. 校核步进电机转矩(1) 等效转动惯量计算计算简图见图b。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 (kgcm2)可由下式计算：1其中中步进电机转子转动惯量90BYG4501步进电机转子转动惯量=2.5kgcm2；齿轮的转动惯量（kgcm2）；滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）；代入上式：考虑到步进电机与传动系统惯量匹配问题满足惯量匹配的要求(0.20.4)(2) 电机转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) 快速空载起动转矩M在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下：将前面数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间ta=30ms折算到电机转轴上的摩擦转矩附加摩擦转矩M0：上述三项合计：2) 快速移动时所需转矩M3) 最大切削负载时所需转矩M 从上面计算可以看出，M、和三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表2.5-1查出，当步进电机为四相八拍时，则最大静转矩为 从表2.5-2查出90BYG4501型步进电机最大转矩为350Ncm，大于所需最大静转矩325.93Ncm，可以满足此项要求。2.6 电动刀架的选型一、 电动刀架LD4系列电动刀架采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有