普通车床的数控化改造论文.doc

攀枝花学院专科毕业论文 设计 普通车床的数控改造 学生姓名 何雨聪 学生学号 201021205032 院 系 交通与汽车工程学院 年级专业 2010 级机电一体化 指导教师 魏弦 助理指导教师 二 一三年六月 攀枝花学院专科毕业论文 设计 摘要 1 I 摘要 随着我国生产业不断发展壮大 加工需求日益增加 加工精度也不断提高 以前的普通机床生产已经远远满足不了市场的需求 所以普通车床的数控化改 造是势在必行的 本文通过更换普通车床的进给运动方式 将滑动丝杆传动转 化为滚珠丝杆传动 采用步进电机驱动进给运动 配置自动转位刀架来实现自 动化功能 使普通机床不仅变得适应性强 加工精度高 生产速度快 还大大 的提高了生产效率 使其变为有利于生产 管理的现代化机床 通过改造后的 数控机床能实现自动换刀 进给系统的自动化的功能 关键词 普通车床 改造 伺服系统 数控化 攀枝花学院专科毕业论文 设计 1 绪论 目录 摘要摘要 I 目录目录 II 1 1 绪论绪论 1 1 11 1 机床改造的意义及优越性 1 1 1 1 研究意义 1 1 1 2 数控化改造后机床的优越性 1 1 2 机床数控化改造主要解决的问题机床数控化改造主要解决的问题 2 2 2 设计思路及方案设计思路及方案 3 2 12 1 伺服系统的选择伺服系统的选择 3 2 22 2 进给运动方式的选择进给运动方式的选择 4 2 32 3 换刀方式的选择换刀方式的选择 4 3 3 普通车床的介绍普通车床的介绍 5 3 13 1 普通车床概述普通车床概述 5 3 1 1 机床的组成和主要技术参数 5 3 23 2 车床的加工范围及特点车床的加工范围及特点 7 3 2 1 加工范围 7 3 2 2 车床的加工特点 7 3 33 3 车床的传动系统分析车床的传动系统分析 8 4 4 具体的改造过程具体的改造过程 10 4 14 1 采用步进电机驱动进给运动采用步进电机驱动进给运动 10 4 1 1 纵向步进电动机的选择 11 4 1 2 横向步进电机的选择 15 4 24 2 滚珠丝杆传动滚珠丝杆传动 18 4 2 1 纵向滚珠丝杆的设计与计算 18 4 2 2 横向滚珠丝杆的设计与计算 24 4 34 3 配置自动转位刀架实现自动功能配置自动转位刀架实现自动功能 29 4 3 1 减速机构的设计 30 4 3 2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 30 4 3 3 刀架抬起机构的设计 30 4 3 4 蜗杆副的设计计算 31 4 3 5 蜗杆轴的设计 34 4 3 6 蜗轮轴的设计 39 4 3 7 中心轴的设计 40 4 3 8 齿盘的设计 41 4 3 9 轴承的选用 43 4 4 数控数控 控制系统控制系统 44 4 4 1 加工指令 44 4 4 2 控制程序及 T0 中断服务程序 44 4 4 3 步进电动机的位置控制 45 5 5 结论结论 46 攀枝花学院专科毕业论文 设计 1 绪论 参考文献参考文献 47 附录附录 48 致谢致谢 49 攀枝花学院专科毕业论文 设计 1 绪论 1 1 绪论 1 11 1 机床改造的意义及优越性 1 1 1 研究意义 我国是生产和使用机床最多的国家之一 但大多数车床使用时间比较长 设备比较落后 由于数控车床具有自动化程度提高加工精度高 质量稳定 便 与生产管理现代化等特点 数控车床的应用越来越普及 也是制造业现代化的 必然趋势 如果全部淘汰旧车床而采用新的数控车床不仅需要大量的资金 而 且造成原有的设备的闲置和浪费 所以不能所有车床一次改造得一次一次改造 避免闲置浪费的问题发生 企业要在当前市场需求多变 竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地 更新和开发出新产品 以最低价格 最好的质量 最短的时间去满足市场需求 的不断变化 而普通机床已不适应多品种 小批量生产要求 数控机床则综合 了数控技术 微电子技术 自动检测技术等先进技术 最适宜加工小批量 高 精度 形状复杂 生产周期要求短的零件 当变更加工对象时只需要换零件加 工程序 无需对机床作任何调整 因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛 数控机床的发展 一方面 是全功能 高性能 另一方面是简单实用的经济型数控机床 具有自动加工的 基本功能 操作维修方便 经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统 功 率步进电机为驱动元件 无检测反馈机构 系统的定位精度一般可达 0 01 至 0 02mm 已能满足车床改造后加工零件的精度要求 1 1 2 数控化改造后机床的优越性 1 机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率 2 机床数控化改造可以提高机床的性能和质量 加工出普通机床难以加工 或者不能加工的复杂型面零件 3 机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化 效率可比传统机床提高 3 7 倍 4 可实现多工序的集中 减少零件在机床间的频繁搬运 降低工件的定位 误差 攀枝花学院专科毕业论文 设计 1 绪论 2 5 拥有自动报警 自动监控 自动补偿等多种自检功能 更好的调节了机 床加工状态 还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题 6 数控加工降低了工人的劳动强度 节省了劳动力 减少了工装 缩短了 新产品试制周期很生产周期 并可对市场需求做出快速反应 1 2 机床数控化改造主要解决的问题 1 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 2 数字控制化 在普通机床上加数显装置 或加数控系统 改造成数字控 制机床 计算机数控机床 3 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计算机数控系 统以最新计算机数控进行更新 4 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 攀枝花学院专科毕业论文 设计 2 设计思路及方案 3 2 设计思路及方案 2 1 伺服系统的选择 1 开环数控系统 这类数控机床采用开环进给伺服系统 其数控装置发出的指令信号是单向 的 没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测 不能进行运动误差的校 正 因此步进电机的步距角误差 齿轮和丝杆组成的传动链误差都将直接影响 加工零件的精度 这类机床通常为经济型 中小型机床 具有结构简单 价格低廉 调试方 便等优点 但通常输出的扭矩值大小受到限制 且当输入的频率较高时 容易 产生失步 难以实现运动部件的控制 因此以不能充分满足数控机床日益提高 功率 运动速度和加工精度的控制要求 2 半闭环数控系统 这类机床的检测元件装在驱动电动机或传动丝杆的端部 可间接测量执行 部件的实际位置或位移 这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节 控制系 统的调试十分方便 因此可以获得稳定的控制特性 由于采用高分辨率的测量 元件 如脉冲编码器 因此可以获得比较满意的精度与速度 半闭环数控机床 可以获得比开环系统更高的精度 但由于机械传动链的误差无法得到消除或校 正 因此它的位移精度比闭环系统的要低 大多数数控机床采用半闭环控制系 统 3 闭环数控系统 这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上 该位置检 测装置可实测进给系统的位移量或位置 数控装置将位移指令与工作台端测得 的实际位置反馈信号进比较 根据其差值不断控制运动 是运动部件严格按照 实际需求的位移量运动 还可利用测速元器件随时测的驱动电机的转速 将速 度反馈信号与速度指令信号相比较 对驱动电机的转速随时进行修正 这类机 床的运动精度主要取决于检测装置的精度 与机械传动链的误差无关 因此可 以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响 相比开环数控机床 闭环数控机床精度更高 速度更快 驱动功率更大 但是 这类机床价格更昂贵 对机床结构及传动链依然提出了严格的要求 传 动链的刚度 间隙 导轨的低速运动特性 机床结构的抗振性等因素都会增加 攀枝花学院专科毕业论文 设计 2 设计思路及方案 4 系统调试困难 闭环系统设计和调整的不好 很容易造成系统的不稳定 所以 闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床 等 根据以上的比较 基于结构简单 首次投入低 维修方便 易安装 调试 等各方面因素考虑 选择开环数控系统最为合适 2 2 进给运动方式的选择 1 滚珠丝杆传动 由于滚珠丝杆副的丝杆轴与丝杆螺母之间有很多滚珠在做运动 所以能得 到较高的运动效率 滚珠丝杆副是在研削 组装 检查各工序的工厂环境方面 对温度 湿度进行严格控制 由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证 由于利用滚珠运动的原因 所以启动力矩小 不会出现爬行现象 能保证实现 精确的微进给 有较高的刚性 可实现高速进给 滚珠丝杆是将回转运动转化为直 线运动 或将直线运动转化为回转运动的理想的产品 滚珠丝杆由螺杆 螺母和滚珠组成 它的功能是将旋转运动转化成直线运动 这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展 这项发展的 重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作 由于具有很小的摩擦阻力 滚珠丝杠被广 泛应用于各种工业设备和精密仪器 2 滑动丝杆传动 滑动丝杆传动价格较低 能自锁 效率相对滚珠丝杆效率低 精度低 不 能实现微进给 刚性不高 有侧隙 滚珠丝杆传动与滑动丝杆相比较 滚珠丝杆精度高 能实现微进给功能 刚性高 无侧隙 能实现高速进给 基于这些方面的考虑采用滚珠丝杆传动更 为适合 2 3 换刀方式的选择 1 刀架换刀 刀架上只能装一把刀 换刀的速度慢 换刀后还须重新对刀 并且精度不 高 生产效率低 2 自动换刀 自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开 转位以及精密定位 等一系列动作的一种机构 自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松 开 转位以及精密定位等一系列动作的一种机构 因为使用自动换刀功能更强 可靠性更稳定 功率增大 结构简单 维修 方便 更能弥补刀架换刀的缺陷 所以选择自动换刀较为适合 攀枝花学院专科毕业论文 设计 3 普通车床的介绍 5 3 普通车床的介绍 普通车床是一种机械结构比较复杂而电气系统简单的机电设备 是用来进 行车削加工的机床 在加工时 通过主轴和刀架运动的相互配合来完成对工件 的车削加工 车床的种类很多 按其用途和结构的不同 可分为卧式车床 落 地车床 立式车床 仿形车床 转塔车床 多刀半自动车床 自动车床等 3 1 普通车床概述 3 1 1 机床的组成和主要技术参数 1 机床的组成 车床的主要组成部件由图 3 1 所示 图 3 1 是一些部件 由箱体 主轴 传动轴 轴上传动件 变速操纵机构 润滑密封件等组成 主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动 也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转 a 刀架 四方刀架装在小滑板上 而小滑板装在中滑板上 纵滑板可沿床 身导轨纵向移动 从而带动刀具纵向移动 用来车外圆 镗内孔等 而中滑板 相对于纵滑板作横向移动 用来带动刀具加工端面 切断 切槽等 小滑板可 图 3 1 车床外形图 1 主轴箱 2 刀架 3 尾座 4 床身 5 右床腿 6 溜板箱 7 左床腿 8 进给箱 6 溜板箱 7 左床腿 8 进给箱 攀枝花学院专科毕业论文 设计 3 普通车床的介绍 6 相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给 用来车削内外短锥面 b 尾座 尾座 3 可沿其导轨纵向调整位置 其上可安装顶尖支撑长工件的 后段以加工长圆柱体 也可以安装孔加工刀具加工孔 尾座可横向作少量的调 整 用于加工小锥度的外锥面 c 进给箱 进给箱 8 内装有进给运动的传动及操作装置 通过改变进给量的大 小 可改变所加工螺纹的种类及导程 d 床身及床腿 床身 4 是机床的支承件 它安装在左床腿 7 和右床腿 5 上 并支承在地基上 床身上安装着机床的各部件 并保证它们之间具有要求的相 互准确位置 床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨 e 溜板箱 溜板箱 6 与纵向滑板 床鞍 相连 溜板箱内装有纵 横向机 动进给的传动换向机构和快速进给机构等 2 车床的主要技术参数 如表 3 1 表 3 1 车床的主要技术参数 床身上最大工件回转直径400mm 刀架上最大工件回转直径210mm 最大工件长度1000mm 主轴中心至床身平面导轨距离205mm 最大车削长度650 900 1400mm 主轴孔径48mm 正转 24 级 10 1400r min主轴转速 反转 12 级 14 1580r min 刀架纵向及横向进给量各 64 种 一般进给量0 08 1 59mm 小进给量0 028 0 054mm 纵向 加大进给量1 71 6 33mm 一般进给量0 04 0 79mm 小进给量0 014 0 027mm 横向 加大进给量0 86 3 16mm 刀架纵向快速移动速度4m min 米制螺纹 44 种 1 192mm 英制螺纹 20 种 2 24 牙 in 模数螺纹 39 种 0 25 48mm 车削螺纹范围 经节螺纹 37 种 1 96 牙 in 主电动机功率7 5kw 攀枝花学院专科毕业论文 设计 3 普通车床的介绍 7 转速1450r min 功率250kw快速电动机 转速2800r min 3 2 车床的加工范围及特点 3 2 1 加工范围 车床的工艺范围很广 它能完成车削内外圆柱面 圆锥面 车削端面 各 种螺纹 成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序 也可以进行钻孔 扩孔 铰孔 攻螺纹 套螺纹和滚花等工作 其典型表如图 3 1 所示 车床主运动由 工件随主轴旋转来实现 而进给运动由刀架的横向动来完成 由于机械产品中 回转表面的零件很多 车床的工艺范围又较广泛 因此车床使用十分广泛 3 2 2 车床的加工特点 1 加工范围较大 2 加工时 主运动是工件和旋转运动 进给运动是刀具的纵向和横向移动 3 正常情况下 在车削加工过程中 切削力比较稳定 加工比较平稳 4 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦 以及刀具与工件 之间的摩擦 产生了大量的切削热 但大部分热量被切屑带走 所以在加工过 程中一般可以不使用切削液 5 在一般情况下 这种机床多用于粗加工和半精加工 图 3 1 车床加工的典型零件 攀枝花学院专科毕业论文 设计 3 普通车床的介绍 8 3 3 车床的传动系统分析 车床的传动系统 由主运动传动系统 车螺纹进给传动系统组成 见图 3 2 1 卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制 模数制 英制和径节制 4 种 标准螺纹 另外还可以加工大导程螺纹 非标准螺纹及较精密螺纹以及右旋 左旋螺纹 车制螺纹时 刀架通过车螺纹传动链得到运动 两端件 主轴 刀架之 间必须保持严格的运动关系 即主轴每转一周 刀具移动一个被加工螺纹的导 程 L 车螺纹传动链运动平衡式为 1UL 丝主轴 L 式中 U 为主轴至丝杠间全部传动机构的总传动比 L 丝为机床丝杠的导程 车 床的丝杠导程 L 丝 12mm L 为工件螺纹的导程 mm 2 纵向 横向进给机构 车削内 外圆柱表面时 可使用机动的纵向进给车削端面时 可使用机动 的横向进给 为了减少丝杠的摩孙和便于操作 保证螺纹传动链的精度 机动 图 3 2 车床主运动传动系统图 攀枝花学院专科毕业论文 设计 3 普通车床的介绍 9 进给传动链不用丝杠及开合螺母传动 机动进给是由光杠 XIX 经溜板箱传动 从主轴 VI 至进给箱轴 XVII 上滑移齿轮 Z28 处于左位 使 5 M 脱开 从而切断 进给箱与丝杠的联系 运动由齿轮副及联轴节传至光杠 XIX 再由光杠通过溜 板箱中的传动机构 分别传至齿轮齿条机构或横向进给丝杠 XXVII 使刀架做 纵向或横向机动进给 溜板箱内的双向齿式离合器 8 M及 9 M分别用于纵 横向机 动进给运动的接通 断开及控制进给方向 卧式车床可以通过 4 种不同的传动 路线来实现机动进给运动 从而获得纵向和横向进给量各 64 种 以同样传动路 线传动时 横向进给量为纵向进给量的一半 1 纵向机动进给量 32 种 58336310025253628363244028 2 5 12 5833 10075363625563256294880 fIiimm 纵基倍主轴 0 711i i 基 倍 2 横向机动进给量 64 种 5833631002525362836324404859 5 58331007536362556325629484818 fIiimm 纵基倍主轴 0 355i i 基 倍 横向机动进给量为纵向机动进给量的一半 3 刀架的快速移动 在车床上加工零件时 为了缩短辅助时间 提高生产效率 刀架可实现机 动纵向 横向快速移动 按下快速移动按钮 点动控制 快速电机 0 25kw 2800rpm 经齿轮副 13 29 使轴 XX 高速转动 再经蜗杆副 4 29 及溜 板箱内的转换机构 使刀架实现纵向或横向的快速移动 快速移动的方向由溜 板箱内的双向离合器 M8 及 M9 控制 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 10 4 具体的改造过程 4 1 采用步进电机驱动进给运动 选用步进电动机时 通常希望步进电动机的输出转距 启动频率和运行频率 高 步距误差小 性能价格比高 但增大转距也快速运行存在一定矛盾 高性 能也低成本存在矛盾 因此实际选用时 必须全面考虑 1 应考虑系统的精度和速度的要求 为了提高精度 希望脉冲当量小 但是 脉冲当量越小 系统的运行速度越低 故因兼顾精度也速度的要求来选定系统 的脉冲当量 在脉冲当量确定以后 又可以为依据来选择步进电动机的步距角 和传动机构的传动比 2 对位移误差的要求 步进电动机的步距角从理论上说是固定的 但实际上 还是有误差的 此外 负载转距也将引起步进电动机的定位误差 应将步进电 动机的步距误差 负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内 使总 的误差小于数控机床允许的定位误差 3 步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括 起 动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线 4 步进电动机的选择既要满足快速进给的要求 又要满足切削进给的要求 在这两种情况下 对转距和进给速度有不同的要求 步距角 步距角应满足 0 360 L i p b 式中 传动比 脉冲当量 丝杠导程i p 0 L 精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量 累积误差是指转子从 任意位置开始 经过任意步后 转子的实际转角与理论转角之差的最大值 用 累积误差衡量精度比较实用 所选用的步进电动机应满足 sm i 式中 m 步进电动机的累积误差 s 系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差 转矩 为了使步进电动机正常运转 不失步 不越步 正常启动并满足对转速的要求 必须考虑以下条件 起动力矩一般选取为 5 03 0 0 L q M M 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 11 式中 q M 电动机起动力矩 0 L M 电动机静负载力矩 根据步进电动机的相数和拍数 启动力矩选取如表 4 1 所示 表中 MJM为步 进电动机的最大静载矩 是步进电动机技术数据中给出的 表 4 1 步进电动机相数 拍数启动力矩表 相数 33445566运行 方式 拍数 3648510612 Mg jm M 0 50 8660 7070 7070 8090 9510 8660 866 在要求的运行频率范围内 电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动 机转动惯量 包括负载的转动惯量 引起的惯性矩之和 启动频率 由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低 因此 相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足 mt fopf 式中 t f 极限启动频率 m fop 要求步进电动机最高启动频率 4 1 1 纵向步进电动机的选择 1 确定脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量 它是衡量数控 机床加工精度的一个基本技术参数 因此 脉冲当量应根据机床精度的要求来 确定 定位精度为 0 015mm 因此选用的脉冲当量为 0 01mm 脉冲到 0 005mm 脉冲 2 步距角的选择 根据步距角初步选步进电机型号 并从步进电机技术参数表中查到步距角 b 三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角 步距角 b 及减速比i与脉冲当 量 p 和丝杠导程 0 L有关 初选电机型号时应合理选择 b 及i 并满足 0 360 L i p b 由上式可知 0 360 L i p b 360 0 01 1 L 0 36 初选电机型号为 90BYG5502 具体参数如表 4 2 所示 表 4 2 90BYG5502 具体参数 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 12 纵向电机步距角相 数驱动电压电 流 90BYG55020 36550V3A 静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重 量 5N m2200 3000040kg cm 2 4 5kg 图 4 1 电机简图 3 矩频特性 JMka 2 10 60 max2 t n J cmN 由于 max n 360 max p bv r min 则 ka M J 2 10 60360 max2 pt bv cmN 式中 J 传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量 2 cmkg 电机最大角加速度 2 s rad max n 与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速 r min T 运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 s max v 运动部件最大快进速度 mm min p 为脉冲当量 mm 脉冲 b 初选步进电机的步距角 步 对于轴 轴承 齿轮 联轴器 丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为 J 8 2 McD 2 cmkg 对于钢材 材料 密度为 7 8 10 3 3 cmkg 则上式转化为 J 0 78D 4 L 10 3 2 cmkg 式中 Mc 为圆柱体质量 kg D 为圆柱体直径 cm JD 为电动机转子转 动惯量 可由资料查出 a 丝杠的转动惯量 Js Js Js i 2 i为丝杠与电机轴之间的总传动比 由于 i 1 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 13 则 Js 0 78D 4 L 10 3 0 78 6 3 4 170 10 3 208 9 2 cmkg b 工作台质量折算 G J 2 L 2 M 2 cmkg 式中 0 L为丝杠导程 cm M为工作台 质量 kg 由于 0 L 1cm M 90kg 则 G J 2 L 2 M 2 14 3 2 1 90 2 28 2 cmkg 4 一对齿轮传动 小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算 为 1 J大齿轮转动惯量 2 J折算到 电机轴上为 2 2 i J 2 J 2 1 z z 2 5 两对齿轮传动 传动总速比i 1 i 2 i 二级分速比为 1 2 1 z z i 和 3 4 2 z z i 于是 齿轮 1 的 转动惯量为 1 J 齿轮 2 和 3 装在中间轴上 其转动惯量要分别折到电机轴 上 分别为 2 J 2 1 z z 2 和 3 J 2 1 z z 2 齿轮 4 的转动惯量要进行二次折算 或以总速比折算为 2 4 i J 4 J 2 1 z z 2 4 3 z z 2 因此 可以得到这样的结论 在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算 在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方 由于减速机构为一对齿轮传动 且第一级i 1 则可分别求出各齿轮与轴的 转动惯量如下 n 45 m 1 5 的转动惯量 45 J 其分度圆直径 d 45 1 5 67 5mm S 27mm 则 45 J 0 78 6 75 4 10 3 4 371 2 cmkg 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 14 n 40 m 1 5 的转动惯量 40 J 其分度圆直径 d 40 1 5 60mm S 27mm 则 40 J 0 78 6 4 10 3 2 73 2 cmkg n 30 m 1 5 的转动惯量 30 J 其分度圆直径 d 30 1 5 45mm S 27mm 则 30 J 0 78 4 5 4 10 3 0 964 2 cmkg n 45 m 1 5 的转动惯量 45 J 其分度圆直径 d 45 1 5 67 5mm S 30mm 则 45 J 0 78 6 75 4 10 3 4 9538 2 cmkg n 50 m 1 5 的转动惯量 50 J 其分度圆直径 d 50 1 5 75mm S 30mm 则 50 J 0 78 7 5 4 10 3 7 548 2 cmkg n 60 m 1 5 的转动惯量 60 J 其分度圆直径 d 60 1 5 90mm S 30mm 则 60 J 0 78 9 4 10 3 15 66 2 cmkg 两输入输出轴的转动惯量为 J 输入 0 78 1 8 4 13 10 3 0 106 2 cmkg L 130mm J 输出 0 78 2 5 4 13 10 3 0 396 2 cmkg L 130mm 查表得 D J 4 2 cmkg 综上可知 J D J S J G J 30 J 40 J 60 J 50 J 2 45 J 252 302 2 cmkg 又由于 V 1 46 1600 2236mm min 则 ka M 252 302 01 0 5 160360 36 0 233614 32 10 2 41 1cmN 6 力矩的折算 1 kf M 空载摩擦力矩 kf M i2 LfG 式中 G为运动部件的总重力 N f为导轨摩擦系数 i为齿轮传动降速 比 为传动系统总效率 一般取 0 7 0 85 0 L为滚珠丝杠的基本导程 cm 由于G 90 10 900N f 0 05 i 1 0 85 则 kf M 185 014 3 2 105 01090 8 4N cm 7 0 M附加摩擦力矩 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 15 0 M i2 LFyj 1 2 0 式中 yj F为滚珠丝杠预加负载 即预紧力 一般取 1 3Fm Fm 为进给牵引力 0 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般取 0 0 9 得 yj F 1 3 m F 1 3 1728 8 576 3N 又 L 10mm 0 0 95 则 0 M 195 014 3 2 1 3 576 96 6 cmN 则 kp M ka M kf M 0 M 41 1 8 4 96 6 140 cmN 由于 kp M mp M maxj M 则所选步进电机为五相十拍的 经表查得 0 951 则 kp M 1 67N m maxj M 0 95 5 4 75 mN 所以所选步进电机合乎要求 8 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性 T 3 57 lcp lr TT JJ 0 f n f 式中 T 为加减速时间 r J和 l J分别为转子 负载的转动惯量 2 mkg 为电机得步距角 cp T l T为电机最大平均转矩 负载转矩 mN 0 f n f为起始加速时和加速终了时的频率 Hz 由于 r J 0 4 10 3 2 mkg l J 0 0252 2 mkg 0 36 cp T 5 mN l T 1 67mN 0 f 2200Hz n f 30000Hz 则 T 67 1 5 3 57 36 0 10 2 25104 0 33 30000 2200 1 2s 1 5s 所以选此步进电机能满足要求 4 1 2 横向步进电机的选择 1 步距角的确定 0 360 L i p b 0 L 6mm i 1 p 0 005 b 0 3 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 16 初选电机型号为 110BYG5602 具体参数如表 4 3 所示 表 4 3 110BYG5602 电机具体参数 横向电机步距角相数驱动电压电流 110BYG56020 3580V3A 静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 16 mN 2500 3500015kg cm 2 16kg 图 4 2 电机简图 2 距频特性 力矩的折算 1 空载摩擦力矩 kf M kf M i LGf 2 0 G 60 10 600N f 0 05 0 L 6mm 0 8 kf M 18 028 6 6 005 0 1060 3 5 cmN 3 附加摩擦力矩 0 M 1 2 2 0 0 0 i LF M yj cmN yj F 1 3 m F 1 3 3433 6 1144 5N 0 L 6mm 0 M 195 0 28 6 6 0 5 1144 115 cmN 转动惯量的折算 4 滚珠丝杠的转动惯量 s J 0 78D 4 L 10 3 D 4cm L 26cm 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 17 s J 0 78D 4 L 10 3 0 78 4 4 26 10 3 5 19 2 cmN 5 工作台转动惯量 G J 2 2 L M 0 L 0 6cm M 60kg G J 2 2 L M 2 14 3 2 1 60 0 54 2 cmkg 多脉冲减速装置的转动惯量折算 Z 30 d mZ 1 5 30 45mm J 0 78 D L 10 0 78 4 5 1 8 10 0 58 2 cmkg Z 40 d mZ 1 5 40 60mm J 0 78 D L 10 0 78 6 1 8 10 1 82 2 cmkg Z 45 d mZ 1 5 45 67 5mm J 0 78 D L 10 0 78 6 75 1 8 10 2 92 2 cmkg Z 50 d mZ 1 5 50 75mm J 0 78 D L 10 0 78 7 5 1 8 10 4 44 2 cmkg Z 60 d mZ 1 5 60 90mm J 0 78 D L 10 0 78 9 1 8 10 9 2 2 cmkg 又由于 J 输入 0 106 2 cmkg J输出 0 396 2 cmkg D J 15 8 2 cmkg 则 J S J G J J J 58 2 cmkg ka M J t V p b 36060 2 max 10 2 max V 0 78 1600 1248mm min t 1 5s p 0 005 b 0 3 ka M 50 5 1005 0 36060 103 0124828 6 2 7 257 cmN kq M ka M kf M 0 M 7 527 3 5 115 125 7N cm 又 kq M max j M 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 18 步进电机为五相十拍 0 95 max j M 16N m kq M 1 257N m 0 95 16 15 2N m 所以此步进电机符合条件 上升时间校核 t 3 57 lcp lr TT JJ 0 ffn r J 1 58 10 3 2 cmkg l J 5 8 10 3 2 cmkg 0 3 cp T 16N m l T 1 257N m 0 f 2500Hz n f 35000Hz t 257 1 16 3 57 3 0 108 51058 1 33 35000 2500 0 086s 13589NPh a c am c 6 确定滚珠丝杠副预紧力 P F max 1 3 F 其中 2200 max F 733N P F 7 行程补偿值与拉伸力 1 行程补偿值 3 10 8 11 u tlC 式中 u l2 kna LLL 查 现代机床设计手册 k L 950 n L 110 a L 2 4 15Ph 温差取t 0 2 5 c 代入数据得 C 32 m 2 预拉伸力 1 95 t t F 2 2 d 代入得 4807N t F 8 确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号 规格 1 轴承所承受得最大轴向载荷 4807 2200 7007 maxB F 2 轴承类型 两端固定的支承形式 选背对背 60角接触推力球轴承 0c 3 轴承内径 d 略小于 40 取 d 30 2 d BP F 1 3 maxB F 带入数据得 2336N BP F 4 轴承预紧力 预力负荷 BP F 5 按 现代机床设计手册 选取轴承型号规格 当 d 30mm 预加负荷为 BP F 所以送 7602030TVP 轴承 d 30 预加负荷为 2900 2336N BP F 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 22 9 滚珠丝杠副工作图设计 1 丝杠螺纹长度2 sue LLL 由表查得余程 e L 2 两固定支承距离 丝杠 L 1 L 3 行程起点离固定支承距离 0 L s L 1290 1350 1 L e L 1410 30 0 L 10 传动系统刚度 1 丝杠抗压刚度 a 丝杠最小抗压刚度 2 1 2 2 min 106 6 l d ks 丝杠底径 2 d 1 l 固定支承距离 代入数据 mins k 782N m b 丝杠最大抗压刚度 2 010 1 2 2 max 10 4 6 6 lll ld ks 代入数据得 9000 N m 2 支承轴承组合刚度 a 一对预紧轴承的组合刚度 3 5 max 2 0 sin34 22 aQB FZdK Q d 滚珠直径 mm Z 滚珠数 maxa F 最大轴向工作载荷 N 轴承接触角 由 现代机床设计手册 查得 7602030TVP 轴承 maxa F 是预加载荷得 3 倍 8700N 375 N maxa k m 0B K m b 支承轴承组合刚度 2 b k 0B K 750 N b k m 3 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 1 3 0 1 p cc a F kk c 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 23 c k 现代机床设计手册 上的刚度 c k 2150 N a c 2200N p F 733N m 代入数据得 c k 1491 N m 11 刚度验算及精度选择 3 5 Z 17 Q d 0 60 1 minmin 1111 sbc kkkk 代入前面所算数据得 min 1 k 1 30 maxmax 1111 sbc kkkk 代入前面所算数据得 max 1 k 1 476 001 Fw 已知 1 w 800N 0 0 2 0 F 160N 0 F 静摩擦力 0 静摩擦系数 1 w 正压力 2 验算传动系统刚度 已知反向差值或重复定位精度为 10 min k 0 1 6F 反向差值 30 25 6 min k 3 传动系统刚度变化引起得定位误差 0 F 代入 5 k min 1 k max 1 k k m 4 确定精度 任意 300mm 内行程变动量对系统而言 300p v 0 8 定位精度 300p v k 定位精度为 20 300 m 14 3 丝杠精度取为 3 级 300p v m 12 1500 c n max n 4 2 2 横向滚珠丝杆的设计与计算 已知条件 工作台重量 80KG 800N 工件及夹具最大重量 200N 工作台最大行程 1 W 2 W 950mm 工作台导轨的摩擦系数为 u 0 1 快速进给速度 2m min 定位 K L max V 精度为 20um 300mm 全行程 25um 重复定位精度为 10um 要求寿命为 10000 小 时 单班制工作十年 各种切削方式的纵向切削力 Fa 速度 V 和时间比例 q 及 其他见下表 表 4 5 切削方式的纵向切削力 Fa 速度 V 和时间比例 q 切削方式纵向切削力 Pxi N 垂向切削力 Pzi N 进给速度 Vi m min 工作时间百 分比 丝杠轴向载 荷 N 丝杠转速 r min 强力切削 200012000 610292060 一般切削 10005000 830185080 精切削 5002001501320100 快速进给 00258001500 1 确定滚珠丝杠副的导程 max max ni V ph 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 25 工作台最高移动速度 max V 电机最高转速 max n 电机与丝杠间为齿轮连接式 i 4 取一级减速齿轮 I 传动比 由上表查得 2m min 1500r min max V max n 代入得0 33mmPh 查 现代机床设计手册 取5mmPh 2 确定当量转速与当量载荷 1 各种切削方式下 丝杠转速 Vi ni ph 由上表查的 0 6 0 8 1 2 1 v 2 v 3 v 4 v 代入得120 160 200 400 1 n 2 n 3 n 4 n 2 各种切削方式下 丝杠轴向载荷 12 10 ixizi Fpwwp i F 丝杠轴向载荷 xi p 纵向切削力 zi p 垂向切削力 由上表得 xi p i 1 2 3 4 分别为 2000 N 1000N 500N 0N zi p i 1 2 3 4 分别为 1200N 500N 200N 0N 已知 1 w 800 N 2 w 200 N 代入得 i F i 1 2 3 4 分别为 2200N 1150N 620N 1000N 3 当量转速 100100100 332211 tntntnnm100 44 tn 数据代入得200r min m n 4 当量载荷 100100100100 44 3 4 33 3 3 22 3 2 11 3 1 mmmm m n tn F n tn F n tn F n tn FF 带入数据得 m F 1097N 3 初选滚珠丝杠副 由公式 现代机床设计手册 3 7 24 知 3 6 60 10 w kaht m a m h f ffff F c n L 查 现代机床设计手册 表 3 7 51 表 3 7 54 得 t f 1 h f 1 a f 1 k f 0 53 w f 1 3 h L 10000h 代入数据可求得 13272N 13 27KN a c 4 确定允许的最小螺纹底径 1 估算丝杠允许的最大轴向变形量 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 26 1 3 1 4 重复定位精度 m 1 4 1 5 定位精度 m 最大轴向变形量 m m 已知重复定位精度 10 定位精度 25 m m 3 m m 6 m m 取两种结果最小值 3 m m 2 估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸 取两端固定的支承形式 mm m LF E LF d 00 2 039 0 10 10 最小螺纹底径 mm 2m d L 1 1 1 2 行程 10 14 Ph 静摩擦力 0 F 01 W 已知行程 950mm 1 W 800N 0 0 2 代入数据得 L 1110mm 160N 9 5mm 0 F 2m d 5 确定滚珠丝杠副得规格代号 1 选内循环浮动式法兰 直筒螺母型垫片预紧形式 2 由计算出的 在 现代机床设计手册 中选取相应规格Ph am c 2m d 的滚珠丝杠副 FFZD4005 5 5 22000N 13272NPh a c am c 6 确定滚珠丝杠副预紧力 其中 2200 P F max 1 3 F max F 733N P F 6 行程补偿值与拉伸力 1 行程补偿值 3 10 8 11 u tlC 式中 u l2 kna LLL 查 现代机床设计手册 k L 950 n L 110 a L 2 4 15Ph 温差取t 0 2 5 c 代入数据得 C 32 m 2 预拉伸力 1 95 t t F 2 2 d 代入得 4807N t F 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 27 7 确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号 规格 1 轴承所承受得最大轴向载荷 4807 2200 7007 maxB F 2 轴承类型 两端固定的支承形式 选背对背 60角接触推力球轴承 0c 3 轴承内径 d 略小于 40 取 d 30 2 d BP F 1 3 maxB F 带入数据得 2336N BP F 4 轴承预紧力 预力负荷 BP F 5 按 现代机床设计手册 选取轴承型号规格 当 d 30mm 预加负荷为 BP F 所以送 7602030TVP 轴承 d 30 预加负荷为 2900 2336N BP F 8 滚珠丝杠副工作图设计 1 丝杠螺纹长度2 sue LLL 由表查得余程 e L 2 两固定支承距离 丝杠 L 1 L 3 行程起点离固定支承距离 0 L s L 1290 1350 e L 1410 30 1 L 0 L 9 传动系统刚度 1 丝杠抗压刚度 a 丝杠最小抗压刚度 2 1 2 2 min 106 6 l d ks 丝杠底径 1 l 固定支承距离 2 d 代入数据 mins k 782N m b 丝杠最大抗压刚度 2 010 1 2 2 max 10 4 6 6 lll ld ks 代入数据得 9000 N m 2 支承轴承组合刚度 a 一对预紧轴承的组合刚度 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 28 3 5 max 2 0 sin34 2 2 aQB FZdK Q d 滚珠直径 mm Z 滚珠数 maxa F 最大轴向工作载荷 N 轴承接触角 由 现代机床设计手册 查得 7602030TVP 轴承 maxa F 是预加载荷得 3 倍 8700N 375 N maxa k m 0B K m b 支承轴承组合刚度 2 b k 0B K 750 N b k m c 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 1 3 0 1 p cc a F kk c c k 现代机床设计手册 上的刚度 c k 2150 N a c 2200N p F 733N m 代入数据得 c k 1491 N m 10 刚度验算及精度选择 3 5 Z 17 Q d 0 60 1 minmin 1111 sbc kkkk 代入前面所算数据 得 min 1 k 1 30 maxmax 1111 sbc kkkk 代入前面所算数据 得 max 1 k 1 476 001 Fw 已知 1 w 800N 0 0 2 0 F 160N 0 F 静摩擦力 0 静摩擦系数 1 w 正压力 2 验算传动系统刚度 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 29 min k 0 1 6F 反向差值 已知反向差值或重复定位精度为 10 30 25 6 min k 3 传动系统刚度变化引起得定位误差 0 F 代入 5 k min 1 k max 1 k k m 4 确定精度 任意 300mm 内行程变动量对系统而言 300p v 0 8 定位精度 定位精度为 20 300 300p v k m 14 3 丝杠精度取为 3 级 12 1500 c n max n 4 3 配置自动转位刀架实现自动功能 自动换刀选用自动回转刀架 自动回转刀架换刀流程图 攀枝花学院专科毕业论文 设计 4 具体的改造过程 30 图 4 4 自动回转刀架换刀流程图 4 3 1 减速机构的设计 电动机选择三步异相电动机 额定功率为 90W 额定转速为 1440r min 而刀架转速设定 30r min 由于转速较高不能直接驱动刀架 因此必须经过适 当的减速 采用蜗杆副减速 蜗杆副传动可以改变运动的方向 获得较大的传 动比 以保证传动精度和平稳性并能自锁 可以减少整个装置的空间 比较精 简 4 3 24 3 2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 上刀架锁紧与精定位将