横向进给计算.doc

该次毕业设计中,我很有幸分在“数控车床小组”,我所设计的课题为“数控车床横向进给机构的设计 (经济型中档精度数控机床)”。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床横向进给机构的定位精度、重复定位精度以及改造手动进给装置以使其能够可靠地运行。而且,通过这次毕业设计也可以检验自己的学习情况,锻炼自己,对今后的学习和工作也有一定程度上的帮助。信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化到各方面的技术已越来越受关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。主要有全闭环交流伺服驱动技术（Full Closed AC Servo）、直线电机驱动技术（Linear Motor Driving）、可编程序计算机控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和运动控制卡（Motion Controlling Board）等几项具有代表性的新技术。数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。经济型中档精度数控车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。 数控车床的进给系统包括横向进给系统(X轴)和纵向进给系统(Y轴),它们是由伺服电机经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠螺母副机构,来实现刀架的运动。根据GB/T16462-1996数控卧式车床精度检验,机床的位置精度包括重复定位精度、反向偏差和定位精度。当机床的中心距DC=3000mm时,其重复定位精度X轴0.007mm,Z轴0.020mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.016mm,Z轴为0.050mm。可以看出,进给轴设计与主轴设计相比,具有相同的重要性。因而,进给轴的设计应从动、静两方面充分考虑,位置精度才能达到该标准的要求。 对于X轴，由于其位置误差值复映在零件加工尺寸上为直径值，故放大了2倍，X轴移动质量不大，要求的快移速度较低，因而要求X轴应有更高的位置精度。因X轴滚珠杠直径比Z轴小，长度短，并且采用降速传动，使得折算在X轴电机上的转动惯量减小。因此，X轴的设计应着重以达到所要求的位置精度为主要矛盾进行设计，而选用的电机扭矩比Z轴小些。为了达到这目标，X轴应从提高重复定位精度、反向偏差及定位精度三个方面，从设计上解决。在数控车床进给系统的设计中,根据横向、纵向的不同精度要求,不同移动质量及转动惯量等特点,分别解决设计中的主要矛盾。以期望设计结果能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。限于编者水平，书中错误和不妥之处在所难免，殷切期望读者批评指正。 1、 总体设计方案1.1总体设计方案论证与普通机床相比,数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度外,还具有良好的动态响应特性。为了确保数控机床的传动精度和工作平稳性,在设计机械了机构时,通常还应提出无间隙、低摩擦、高刚度以及有适宜的阻尼比要求等。为了达到这些要求,在机械传动设计中,主要采取如下措施:1、尽量采用低摩擦的传动副;2、选用最佳的降速比;3、尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度;4、尽量消除传动间隙,减少反向行程误差。数控车床的总体总体设计方案示意图如下图所示：本设计数控车床要求设计为中档精度机床,为此提出以下两种设计方案:设计方案一:该方案的进给装置及动作原理如下:机床的横向进给机构由：床鞍，滚珠丝杠副，螺母座，滑板，连接套，步进电机等部分组成。由步进电机通过连接套带动滚珠丝杠副至螺母座，实现滑板的横向机动进给。在滚珠丝杠的前端加一螺孔，用内六角螺钉及套与之连接，这样用内六角扳手可实现滑板的横向手动进给运动。设计方案二:该方案的进给装置及动作原理如下:车床的横向进给机构由床鞍4,滚珠丝杠副5,螺母座6,横滑板7,同步带轮12、19,交流伺服电机64等部分组成,见设计装配图001。由交流伺服电机64经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠副5至螺母座6,实现横滑板7的横向机动进给,来实现刀架的运动。在该方案中,在滚珠丝杠的前端加了一个固定销46,床鞍上改进了支座3,增加了滚花手柄2,在滚花手柄2的前端用一个开口槽及内孔与滚珠丝杠相连, 支座3下用一个开槽平端紧定螺钉45与滚花手柄2上的两圆槽相连作定位作用。当需手动进给时, 滚花手柄2的开口槽就插到滚珠丝杠的固定销46中,将螺钉45紧到手柄2的相应圆槽中,这样转动滚花手柄2就可带动滚珠丝杠实现手动进给。当不用手动进给时,松开螺钉45,将滚花手柄2出,使开口槽与滚珠丝杠的固定销分开,再将螺钉45紧到手柄2的相应圆槽中,此时手柄2与滚珠丝杠脱开了。在方案一中,由于在机动进给时,套8仍在转动,不安全。用内六角扳手时,在作螺纹的反向运动时,会使内六角螺钉松动,而不能使手动进给可靠进行。在方案二中,在机动进给时, 滚花手柄不再转动,使车床的安全可靠性得以加强。同时,这样做也使得在车床检验后的工作过程中,不至于被他人转动手柄而破坏现场工作状态。在方案一中,采用步进电机,起精度受到一定程度上的限制。因为本设计要求中档精度,所以在方案二中改用交流伺服电机,以提高相应的精度。并且在方案二中以同步带传动代替方案一中的连接套,其益处在参考文献4106-107页中可以见到,这里就不再重复了。1.2总体设计方案的确定经总体设计方案的比较和论证后,确定的经济型中档精度数控车床横向进给机构设计的总体方案示意图如装配图001所示。该横向进给机构既可以进行机动进给,也可以进行手动进给。该横向进给机构采用交流伺服电机驱动, 经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠转动,从而实现数控车床的横向进给运动。刀架采用LD-1型列电动刀架。2横向进给机构的设计与计算横向进给机构设计与计算的主要内容有: 滚珠丝杠副的设计计算及选型、同步带的设计计算与选型、同步带轮的选择、交流伺服电机的计算及选型、导轨副的选择、自动转位刀架的选择。绘制横向进给机构的装配图以及各零件图等。2.1已知条件(1)、床身上最大回转直径:400mm；(2)、加工最大工件长度:1000mm；(3)、快移速度:X轴 4m/min,Z轴 8m/min；(4)、定位精度:X轴 0.035mm, Z轴 0.04mm； (5)、重复定位精度:X轴 0.0075mm, Z轴 0.01mm；(6)、数控车床工作台质量W:根据图形尺寸粗略计算W=60Kg；(7)、横向进给切削力Fx的确定:根据参考文献5查出: Pdf/ Pa =35%5 11式中: Pdf进给系统所需电机功率; Pa主传动电机功率。已知Pa为5.5Kw,取比例系数为5%,则由公式11可得： Pdf= Pa5%=5.55%=0.275Kw 根据参考文献查出: F=61200fPdf/Vf5 12式中: f进给系统效率,其范围为0.150.20,取f=0.20; Vf进给速度,m/min;查出: Vf=(1/21/3)Vixmax5 13 取Vf=1/3 Vixmax 由公式12： Fx=612000.200.275/(41/3) =2524.5(w) 为了安全起见,取安全系数为1.85,则:Fx=2524.51.854680N 2.2滚珠丝杠副的设计滚珠丝杠副已经标准化,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。一般情况下,设计滚珠丝杠时,已知条件为:最大工作负载Fd(或平均工作负载Fm)作用下的使用寿命,丝杠的工作长度(或螺母的有效行程),丝杠的转速(或平均转速),滚道的硬度及丝杠的运转情况。2.2.1 设计步骤通常的设计步骤为:A、计算作用在滚珠丝杠上的最大动载荷;B、从滚珠丝杠列表指出相应最大动负载的近似值,并初选几个型号;C、根据具体工作要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号；D、根据所选的型号,列出或计算出其主要参数的数值,计算传动效率,并验算刚度及稳定系数是否满足要求。如不满足要求,则另选其他型号,再作上述计算和验算,直至满足要求为止。2.2.2 设计计算简况选用CPG系列滚珠丝杠副。A、 CPG系列滚珠丝杠副主要参数的确定:按预期寿命Ln及轴向载荷Fa进行选择: Ln=(Ca/Fa)106(转)11 21式中: Ca额定动载荷; 一般情况下Fa可以用平均轴向载荷Fm予以代替:Fm=(2Fmax+Fmin)/3 11 22式中: Fmax最大轴向载荷;Fmin最小轴向载荷。Fmax=mg+F11 23=609.8+4680=5268N Fmin=mg=609.8=588N 所以：Fm=(2Fmax+Fmin)/3=3078N 对于机车和精密机械通常取Ln=20106(转) 11则:： Ca=(20)1/3Fm=2.71Fm11=8341.38N 24 计算出Ca,可通过查表得到对应的滚珠丝杠副的尺寸,选取2505-4型号滚珠丝杠副,基本直径为25mm,大径位24.5mm,丝杠导程L0为5mm, 滚珠直径为3.175mm, 滚珠列数为四列。B、对选用的滚珠丝杠副的参数进行核算a、轴向压缩载荷F:对各种支承条件下所支承的最大轴向载荷,是否会超过临界载荷而失去稳定性,造成稳定失效,因此对保持丝杠不失去稳定性的轴向压缩载荷进行验算。滚珠丝杠受压力作用后在弹性范围内的临界稳定载荷Fc由下式计算:Fc=m(d0-db)4/Ls2 11 25式中:m为支承系数;G-J形式:m=20104(N/mm2);d0为公称直径(mm);db为滚珠直径(mm);Ls为丝杠轴的支承距离(mm)。所以: Fc=20104(25-3.175)4/5552 =1.47105 N则: Fc/F=1.47105/5268n 式中: n为许用稳定安全系数,当丝杠垂直安置时n=2.5,水平安置时n=4; F为最大轴向压缩载荷。由以上计算可知条件满足。a、 极限转速的计算: 为使丝杠副在高速运转时不发生共振现象,应对其极限转速进行核算。当丝杠发生共振时的转速称为临界转速,以Nc表示: Nc=121106(d0-db)K1/2/L2 11 26式中: d0为公称直径(mm); db为滚珠直径(mm); K为支承结构系数, G-J形式: K=2.5。 极限转速n应满足: n0.8 Nc11=0.81.36104=1.08104r/min 27 n0=v/(2) 11 28=4000/(2)=6.4102r/min 因为 n0n,所以条件满足。b、滚珠丝杠副的预加负载:为了消除螺母与丝杠间的轴向间隙,提高滚珠丝杠副的刚度与定位精度,在丝杠和螺母间施加负载Fp,其预加负载的大小为:Fp= Ca/1011=834Nc、 临界转速的核算:丝杠的名义直径：d0=25mm；nmax=vmax/L05=200r/min 29查参考文献5图5.7-91,支承为“固定-固定”支承长度L=1568mm, 查参考文献5图5.7-91, L与n的交线点在d0=25mm左侧,所以安全。d、 效率计算:查参考文献：=tan/tan(+) 5 210 式中: 螺纹的螺旋升角,可参考文献55.7-41表,取=3o3; 摩擦角, tan=0.0030.004。所以: =1345则: =tan3o3/ tan(3o3+1345)=93% e、 刚度检验:查参考文献:=100F/(EA)+50T/(GJc), 5m/m 211 式中: E弹性摸量,E=2.1102GPa;F工作负载, F=4680 N ; A滚珠丝杠横截面积, A=/4（d0-db）2=（25-3.175）2=3.37cm2;db滚珠直径(mm);G切变摸量，G=8.410GPa;Jc滚珠丝杠截面惯性矩，Jc=2.2710-7m4;代入公式211得： =10.3m/m查参考文献5表5-10和表5-17，B级精度为40m/300mm，七级精度=15m，八级精度=30m，所以2005-5型丝杠的刚度是足够的。由于选用滚珠丝杠的直径为25mm,支承方式为G-J型，所以稳定性不成问题。2.3同步带的设计计算2.3.1 设计计算简况A、根据同步带传动的工作条件确定传动的设计功率:Pd=KPm4 212 K=1.41.5取K=1.6则代入公式212得： Pd=1.61.5=2.4KwB、确定带的型号和节距，根据设计功率Pd和小带轮转速n1由同步带选型图中确定所需采用带的型号和节距分别为L型，节距=9.525mm。同步带选型图选自美国同步带传动标准ANS11RMA IP-24-1983,如参考文献4图6-2所示。 C、选择带轮齿数Z1和Z2:根据型号及小带轮转速n1，查参考文献4表6-1所列带轮最小许用齿数，确定一带轮齿数为：Z1=32，另一带轮齿数为：Z2=132=32。D、带轮节圆直径： d1=TbZ1/4 213=9.52532/=97 d2=TbZ2/4 214=9.52532/=97 E、确定同步带的节线长度带的节线长度Lp可根据带围绕两带轮的周长计算得出：Lp=2Acos+(d1+d2)/2+(d1-d2)/3604 215 =2125cos0+97=554。58mm 圆整为554。式中：A为两传动轮的中心距；如参考文献4图6-3所示。F、计算同步带齿数Zb： 金融频道申请认证！ 财富值双倍 检索优先 专属展现 同行交流 数控机床横向进给设计.21、国内外发展概况及现状介绍从上世纪五十年代数控技术开始发展到1965年，数控装置从最初的电子管元件、晶体管元件、集成电路到目前使用比较普遍的小型计算机和微处理器共经历了五代的发展。世界主要工业国家的数控机床己进入了指生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。我国从1958看开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。1981年，我国从日本FANVC公司引进了FANVC3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于1981年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有圈套的发展与提高。经济型数控装置有步进电机驱动的开环数控装置、直流电机驱动的半闭环数控装置和点位式经济型数控装置三种。对于数控车床改造一般选用步电机驱动开环数控装置。选择时主要考虑以下性能：CPU类型、用户容量、控制轴或联动轴数、设定单位、插补类型、编程尺寸及编程标准，G、M、S、T、F功能、刀补功能、间隙补偿功能及循环功能、显示方式及显示信息的形式。绝对编程、增量编程、程序输入方式以及报警、诊断等。根据需要选择相应的性能。步进电机驱动单元的性能参数：步进电机性能参数及安装尺寸，控制箱与电机的接线型式。系统的快速度给速度、空载起动频率，静态转矩，系统升频降频时间，起动矩频特性、起动惯频特性、运行矩频特性。驱动电路的型式：高低压驱动电路、斩波驱动电路、调频调压驱动电路、细分驱动电路、电流检测型功率放大电路等。不同的电路型式、其工作性能不同，根据加工需要合理选择。刀架控制与驱动系统主要考虑刀架型式，如四位或八位电动刀架，或转塔六位刀架。定位精度及重复定位精度，换刀时间、刀具选择时刀架的转向、夹紧力。刀杆尺寸及装夹刀具结构型式等性能参数。我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产 盐城工学院本科毕业设计说明书20043常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的JCS-FMC=1，JCS=FMC-2柔性加工单元，XH715型立式加工中心，民明机床古物THK4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。这一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。 数控机床横向进给设计.42总体方案论证21选择动力系统经济型的数控机床动力系统可分为三类1步进电机式采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措施补偿位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选种速度较低，一般用于半精加工。这种系统具有2-3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面，螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现，因此在全国较容易推广，普及。2交流点位式采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精度。光栅分辨率可达0.001mm，重复定位精度为0.005mm，所以加工精度较高。由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中，效果尤为显著。目前，交流点式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹功能上有限，而且成本高，使性能价格比相对下降，一般用于大企业或专业化工厂使用，国内用的很少。3半闭环连续控制式采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切削。当丝杠螺在6mm左右时，快速可达89m/min，且不丢步，效率高。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电计大大简化。以上三种驱动方式而言，各有利弊。经过比较选择直流伺服电机驱动因为速度高，过载能力强，且拥有可编程序控制器，易学易用，在机床伺服控制系统中，步进电机人微言轻执行单元，具有控制方便可靠，价格低，且适合于开环控制等特点，因此在简易数控机床中得到广泛的应用。但由于步进电机步距角、功率较小，存在振荡等弱点的限制，在高精大功率应用场合并不很合适，故考虑采用伺服电机控制。2.2选择传动装置数控机床半闭环进给系统中伺服电动机经齿轮副（或同步齿形带副），滚珠 盐城工学院本科毕业设计说明书20045丝杠拖动工作台。反馈装置与电动机相联，发出反馈信号（亦可把反馈装置装在丝杠的端部）；伺服电机可直接与丝杠联接数控机床的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属结构。包括齿轮减速机，丝杠螺母副，导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术仪式，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传动装置上有重要差别，故它的设计与通机床传动装置的设计不同。数控机床传动装置的设计要求除了有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，为确保数控机床进给系统