普通车床的经济型数控改造

徐州工程学院毕业论文 第 1 页 共 59 页1 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题背景课题背景 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机 这表明人类创造了可增强和部分代替脑力 劳动的工具 它与人类在农业 工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比 起了质的飞跃 为人类进入信息社会奠定了基础 6 年后 即在 1952 年 计算机技术应 用到了机床上 在美国诞生了第一台数控机床 我国目前机床总量 380 余万台 而其中数控机床总数只有 11 34 万台 即我国机床 数控化率不到 3 近 10 年来 我国数控机床年产量约为 0 6 0 8 万台 年产值约为 18 亿元 机床的年产量数控化率为 6 我国机床役龄 10 年以上的占 60 以上 10 年 以下的机床中 自动 半自动机床不到 20 FMC FMS 等自动化生产线更屈指可数 美国 和日本自动和半自动机床占 60 以上 可见我们的大多数制造行业和企业的生产 加工 装备绝大数是传统的机床 而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床 用这种装备加工 出来的产品普遍存在质量差 品种少 档次低 成本高 供货期长 从而在国际 国内 市场上缺乏竞争力 直接影响一个企业的产品 市场 效益 影响企业的生存和发展 所以必须大力提高机床的数控化率 在美国 日本和德国等发达国家 它们的机床改造作为新的经济增长行业 生意盎 然 正处在黄金时代 由于机床以及技术的不断进步 机床改造是个 永恒 的课题 我 国的机床改造业 也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业 在美国 日本 德 国 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场 已形成了机床和生产线数控改造的 新的行业 在美国 机床改造业称为机床再生 Remanufacturing 业 从事再生业的著 名公司有 Bertsche 工程公司 ayton 机床公司 Devlieg Bullavd 得宝 服务集团 US 设备公司等 美国得宝公司已在中国开办公司 在日本 机床改造业称为机床改装 Retrofitting 业 从事改装业的著名公司有 大隈工程集团 岗三机械公司 千代 田工机公司 野崎工程公司 滨田工程公司 山本工程公司等 1 21 2 机床改造的内容及意义机床改造的内容及意义 1 2 11 2 1 研究意义研究意义 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 普通车床经过多次大修后 其零部件相互连接尺寸变化较大 主要传动零件几经更 徐州工程学院毕业论文 第 2 页 共 59 页2 换和调整 故障率仍然较高 采用传统的修理方案很难达到大修验收标准 而且费用较 高 因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节 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 CW6140 车床改造后 加工零件的精度要求 1 2 21 2 2 主要研究内容及技术路线主要研究内容及技术路线 1 纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核 2 纵向和横向步进电机的选择 3 主轴交流伺服电机的选择与校核 4 其他元件的选择 1 31 3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题机床的经济型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 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 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 CNC 系统以最新 CNC 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 徐州工程学院毕业论文 第 3 页 共 59 页3 2 2 数控系统的选择数控系统的选择 数控系统主要有三种类型 改造时 应根据具体情况进行选择 2 12 1 步进电机拖动的开环系统步进电机拖动的开环系统 系统的伺服驱动装置主要是步进电机 功率步进电机 电液脉冲马达等 由数控系 统送出的进给指令脉冲 经驱动电路控制和功率放大后 使步进电机转动 通过齿轮副 与滚珠丝杠副驱动执行部件 只要控制指令脉冲的数量 频率以及通电顺序 便可控制 执行部件运动的位移量 速度和运动方向 这种系统不需要将所测得的实际位置和速度 反馈到输入端 故称该之为开环系统 该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移 精度 齿轮丝杠等传动元件的节距精度 所以系统的位移精度较低 该系统结构简单 调试维修方便 工作可靠 成本低 易改装成功 2 22 2 异步电动机或直流电机拖动 光栅测量反馈的闭环数控系统异步电动机或直流电机拖动 光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是 由光栅 感应同步器等位置检测装置测得的实际位置 反馈信号 随时与给定值进行比较 将两者的差值放大和变换 驱动执行机构 以给定 的速度向着消除偏差的方向运动 直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止 闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂 成本也高 对环境室温要求严 设计和调 试都比开环系统难 但是可以获得比开环进给系统更高的精度 更快的速度 驱动功率 更大的特性指标 可根据产品技术要求 决定是否采用这种系统 2 32 3 交交 直流伺服电机拖动 编码器反馈的半闭环数控系统直流伺服电机拖动 编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上 间接测量执行部件的位置 它只能补偿 系统环路内部部分元件的误差 因此 它的精度比闭环系统的精度低 但是它的结构与 调试都较闭环系统简单 在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体 时则无需考虑位置检测装置的安装问题 当前生产数控系统的公司厂家比较多 国外著名公司的如德国 SIEMENS 公司 日本 FANUC 公司 国内公司如中国珠峰公司 北京航天机床数控系统集团公司 华中数控公司 和沈阳高档数控国家工程研究中心 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到 的各种精度 驱动电机的功率和用户的要求 所以依据改造的具体要求选用上海通用数控 公司 KT400 T 经济型车床数控系统和 KT300 步进驱动装置 徐州工程学院毕业论文 第 4 页 共 59 页4 3 3 机械部分的改造机械部分的改造 为了充分发挥数控系统的技术性能 保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度 微机进给无爬行 使用寿命长 外型美观 机械部分作了如下改动 1 1 床身床身 为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性 除尽可能地减少电器和机械故 障的同时 应充分考虑机床零件 部件的耐磨性 尤其是机床导轨的耐磨性 增加耐磨 性的方法有 1 增加导轨的表面强度如 淬火 2 降低摩擦系数 等 当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁 而导轨则采用淬硬的合金钢材 料 其耐磨性比普通铸铁导轨高 5 至 10 倍 据此 在改造中利用旧床身 采用淬火制成 导轨 贴塑用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上 粘接前的导轨工作表面采用磨削加工 表面粗糙度 Ra0 8mm 以提高粘接强度 2 2 主轴变速箱主轴变速箱 选用数控系统 主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围 1 16 来保证加工时选择合理的切速 从而获得较高的生产率和表面质量 所以要根据具体情况 对主轴边速箱进行改造 3 3 拖板拖板 拖板是数控系统直接控制的对象 不论是点位控制还是连续控制 对被加工零件的 最后坐标精度将受拖板运动精度 灵敏度和稳定性的影响 对于应用步进电机作拖动元 件的开环系统尤其是这样 因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信 号反馈 故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差 因此 除了拖板及 其配件精度要求较高外 还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求 在传动装 置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度 分辨率为 0 01mm 传动比计算 公式为 3 1 式中 为步进电机的步距角 度 p 为丝杠螺距 mm 为脉冲当量 即要求的 分辨率 mm 在齿轮传动中 为提高正 反传动精度必须尽可能的消除配对齿轮之间 的传动间隙 其方法有两种 柔性调整法和刚性调整法 柔性调整法是指调整之后的齿 轮侧隙可以自动补偿的方法 在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下 仍可始终保持无侧 隙啮合 但将影响其传动平稳性 而且这种调整法的结构比较复杂 传动刚度低 刚性 调整法是指调整之后齿轮侧隙不能自动补偿的调整方法 它要求严格控制齿轮的齿厚及 齿距误差 否则传动的灵活性将受到影响 但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动 徐州工程学院毕业论文 第 5 页 共 59 页5 刚度 而且结构比较简单 在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法 采 用滚珠丝杠代替原滑动丝杠 提高传动灵敏性和降低功率 步进电机力矩损失 4 4 自动换刀装置自动换刀装置 为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工 可采用自动刀架 自动刀架不但 可代替普通车床手动刀架 还可用作数控机床微机控制元件 刀架体积小 重复定位精 度高 适用于强力车削并安全可靠 5 5 拖板箱拖板箱 采用数控系统控制 拆除原拖板箱 利用此位置安装新拖板箱 新拖板箱除固定在 滚珠丝杠的螺母上 挂轮箱 走刀箱拆除 在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉 冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱 使改造后的机床外型美观 合理 改造后机床的启动 停机均由数控系统完成 故拆除原机床操纵杆 变向杠 立轴等杠 杆零件 3 13 1 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择 3 1 13 1 1 滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征 与滑动丝杠副或液压缸传动相比 有以下 主要特点 1 传动效率高 滚珠丝杠的传动效率可达 85 98 为滑动丝杠副的 2 4 倍 由于 滚珠丝杠副的传动效率高 对机械小型化 减少启动后的颤动和滞后时间以及节 约能源等方面 都具有重要意义 2 运动平稳 滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小 灵敏度高 而且摩擦系数几乎 与运动速度无关 启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小 所以滚珠丝杠 副运动平稳 启动时无颤动 低速时无爬行 3 传动可逆性 与滑动丝杠副相比 滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性 正逆传动的效率几乎可高达 98 滚珠丝杠副具有运动的可逆性 但是没有象滑 动丝杠副那样运动具有自锁性 因此 在某些机构中 特别是垂直升降机构中使 用滚珠丝杠副时 必须设置防止逆转的装置 4 可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠副的间隙 提高轴向接触刚度 但摩擦力矩却增加不大 5 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副具有传动效率高 运动平稳 可以 预紧等特点 所以滚珠丝杠副在工作过程中温升较小 无爬行 并可消除轴向间 隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀 能获得较高的定位精度和重复定位精度 6 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时驱动相同的部件和装置时 由于反应灵 敏 无阻滞 无滑移 其启动的同时性 运行中的速度和位移等 都具有准确的 一致性 这就是所谓同步性好 7 使用寿命长 滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢 螺纹滚道经过热处理 并 jmax M 淬硬至 HRC58 62 经磨削达到所需的精度和表面粗糙度 实践证明 滚珠丝杠副 徐州工程学院毕业论文 第 6 页 共 59 页6 的使用寿命比普通滑动丝杠副高 5 6 倍 8 使用可靠 润滑简单 维修方便 与液压传动相比 滚珠丝杠副在正常使用条件 下故障率低 维修保养也极为方便 通常只需进行一般的润滑与防尘 在特殊使 用场合 如核反应堆中的滚珠丝杠副 可在无润滑状态下正常工作 3 1 2 3 1 2 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 1 1 最大工作载荷计算最大工作载荷计算 滚珠丝杠上的工作载荷 Fm N 是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝 杠所承受的轴向力 也叫做进给牵引力 它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和 作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力 由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨 则用公式 3 2 计算工作载荷的大 小 3 GFvfKFlFm 2 1 车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx Fy Fz 主切削力 Fz 与切削速度方向一致 垂直向下 是计算车床主轴电机切削功率的主要依据 且深抗力 Fy 与纵向进给方向垂直 影响加工 精度或已加工表面质量 进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向 设计或校核进给系统 是要用它 纵切外圆时 车床的主切削力 Fz 可以用下式计算 3 FF zzFz z Xy n zFpFz FCf 3 5360 N 由 知 Fz Fx Fy 1 0 25 0 4 3 4 得 Fx 1340 N Fy 2144 N 因为车刀装夹在拖板上的刀架内 车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上 车削作业时作用在进给拖板上的载荷 Fl Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有对应关系 因此 作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出 拖板上的进给方向载荷 Fl Fx 1340 N 拖板上的垂直方向载荷 Fv Fz 5360 N 拖板上的横向载荷 Fc Fy 2144 N 因此 最大工作载荷 GFvfKFlFm 1 151340 0 04 5360 909 8 徐州工程学院毕业论文 第 7 页 共 59 页7 1790 68 N 对于三角形导轨 K 1 15 f 0 03 0 05 选 f 0 04 因为是贴塑导轨 G 是纵向 横向溜板箱和刀架的重量 选纵向 横向溜板箱的重量为 75kg 刀架重量为 15kg 2 2 最大动载荷最大动载荷 C C 的计算的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用 可用式 3 5 计算 C 3 5 fmFmL 3 L 为工作寿命 单位为 10 r L 60nt 10 n 为丝杠转速 r min n v 为最 66 L v1000 大切削力条件下的进给速度 m min 可取最高进给速度的 1 2 1 3 L0 为丝杠的基本导 程 查资料得 L 12mm fm 为运转状态系数 因为此时是有冲击振动 所以取 fm 1 5 V 纵向 1 59mm r 1400r min 2226mm min n 纵向 v 纵向1 2 L 22261 2 12 92 75r min L 60nt 10 6092 7515000 10 83 5 6 6 则 C 1 51790 68 11740 N fmFmL 33 5 83 初选滚珠丝杆副的尺寸规格 相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷 C 因此有 Ca C 11740N 另外假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载 那么还需考虑其另 一种失效形式 滚珠接触面上的塑性变形 即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa 是否充分 地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm 一般使 Coa Fm 2 3 初选滚珠丝杠为 外循环 因为内循环较外循环丝杠贵 并且较难安装 考虑到简 易经济改装 所以采用外循环 因此初选滚珠丝杠的型号为 CD63 8 3 5 E 型 主要参数为 Dw 4 763mm L 8mm dm 63mm 2 19 圈数列数 3 51 3 3 纵向滚珠丝杠的校核纵向滚珠丝杠的校核 1 1 传动效率计算传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 tg tg tg 2 19 tg 2 19 10 92 3 6 2 2 刚度验算刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化 从而影响其定位精度和运动平稳性 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形 丝杠与螺母之间滚道的接触变形 丝杠的 扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 1 丝杠的拉压变形量 1 徐州工程学院毕业论文 第 8 页 共 59 页8 1 FmL EA 3 7 1790 682280 20 610 31 5 0 0064mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式 因此用公式 2 0 0013 3 8 3 2 DwFyjZ Fm 3 2 36 145 3 68 1790 763 4 68 1790 0013 0 0 0028mm 在这里 1 3Fm 1 31790 68 597N yj F Z dm Dw 3 1463 4 763 41 53 Z 41 533 51 145 36 丝杠的总变形量 1 2 0 0064 0 0028 0 0092mm 4 所以丝杠很稳定 3 1 33 1 3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 1 1 型号选择型号选择 1 最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨 则 k 1 4 f 0 05 Fl 为工作台进给方向载荷 Fl 2144N Fv 5360N Fc 1340N G 60kg t 15000h 最大工作载荷 F m kFl f Fv 2Fc G 1 42144 0 05 5360 21340 9 875 3452 6N 2 最大动负载的计算 v 横 1400r min 0 79mm r 1106 mm min n 横丝 v 横1 2 L 纵 11061 2 5 110 6r min L 60nt 10 1106110 615000 10 99 54 6 6 C fmFm 99 541 53352 6 23283 8N 3 L 初选滚珠丝杠型号为 CD50 6 3 5 E 其基本参数为 Dw 3 969mm 2 11 L 6mm dm 50mm 圈数列数 3 51 2 2 横向滚珠丝杠的校核横向滚珠丝杠的校核 1 传动效率计算 tg tg tg2 11 tg 2 11 10 93 2 刚度验算 1 丝杠的拉压变形量 1 FmL EA 3352 6320 20 610 25 0 0026mm 4 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 徐州工程学院毕业论文 第 10 页 共 59 页10 2 0 0013 3 2 DwFyjZ Fm 0 0013 3 2 48 138 3 6 3352 969 3 6 3352 0 0099mm 在这里 Fyj 1118N 3 Fm 3 6 3352 Z dm Dw 3 1450 3 969 39 56 Z 39 563 51 138 48 丝杠的总变形量 1 2 0 0026 0 0099 0 0125mm100mm 时 n 6 m 由结构确定 在这里均取 3 d3 为螺钉直径 1 D 26 时的尺寸 n d3 1 则 d3 2 5 取 M4 的螺钉 3 d 26 2 52 5 32 25 0 D 32 25 32 5 39 25 0 9D 0 926 23 4 2 D 4 D m 3mm 2 D 37d3 2 5mm 取 M4 的螺钉 37 6 25 43 25mm 0 D 43 25 7 5 50 75mm 2 D 0 937 33 3mm 4 D m 3mm 3 4 23 4 2 通盖通盖 徐州工程学院毕业论文 第 18 页 共 59 页18 图 3 6 通盖 D 2 2 5 d3 2S2 有套环 0 D D 2 5 3 d3 0 85 0 9 D 2 D 4 D d d3 1 2 D 100mm 时 n 4 D 100mm 时 n 6 m 由结构确定 在这里均取 3mm d3 为螺钉直径 1 D 6 通盖尺寸 内加密封圈 d3 取 M4 螺钉 32 5 39 75 0 D 2 Dmm 23 4 d 18 4 Dmm m 3mm 2 D 37 通盖尺寸 d3 取 M4 螺钉 43 25 50 75 0 D 2 Dmm 33 3 d 25 4 Dmm m 3mm 3 53 5 丝轴承的选型与校核丝轴承的选型与校核 3 5 13 5 1 滚珠丝杠用轴承的选型滚珠丝杠用轴承的选型 徐州工程学院毕业论文 第 19 页 共 59 页19 选用型号 7602025TVP 的 60 推力角接触轴承 轴径 d 25mm 外径 d 52mm 宽度 B 15mm 球径 Dw 6 35mm 球数 Z 16 动载荷 Ca 22000N 静载荷 Coa 44000N 预加载荷 500N 极限转速 2600r min 3 5 23 5 2 校核校核 大部分滚动轴承是由于疲劳点蚀而失效的 轴承中任一元件出现疲劳步剥落扩展迹象 前院运转的总转数或一定转速下的工作小时数称为轴承寿命 指的是两个套圈间的相对 转数或相对转速 同样的一批轴承载相同工作条件下运转 各轴承的实际寿命大不相同 最高和最低 的可能相差数十倍 对一个具体轴承很难预知其确切寿命 但是一批轴承则服从一定的 概率分布规律 用数理统计的方法处理数据可分析计算一定可靠度 R 或失效概率 n 下的 轴承寿命 实际选择轴承时常以基本额定寿命为标准 轴承的基本额定寿命是指 90 可靠 度 常用材料和加工质量 常规运转条件下的寿命 以符号 L10 r 或 L10h h 表示 不 同可靠度 特殊轴承性能和运转条件时其寿命可对基本额定寿命进行修正 称为修正额 定寿命 标准中规定将基本额定寿命一百万转 10 r 时轴承所能承受的恒定载荷取为基本 6 额定动载荷 C 也就是说 在基本额定动载荷作用下 轴承可以工作 10 r 而不发生点蚀 6 失效 其可靠度为 90 基本额定动载荷大 轴承抗疲劳的承载能力相应较强 径向基本 额定动载荷 Cr 对向心轴承 角接触轴承除外 是指径向载荷 对角接触轴承则是指引起 轴承套圈间产生相对径向位移时的载荷径向分量 对推力轴承 轴向基本额定动载荷 Ca 是指中心轴向载荷 1 1 当量载荷当量载荷 滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷 为了计算轴承寿命时在相同条件下比较 需将实际工作载荷转化为当量动载荷 在当量动载荷作用下 轴承寿命与实际联合载荷 下轴承的寿命相同 当量动载荷 P 的计算公式是 P 3 14 ra Fyf 表 3 2 轴承滚动当量动载荷计算的 X Y 值 徐州工程学院毕业论文 第 20 页 共 59 页20 单向轴承双列轴承 Fa Fr e Fa Fr eFa Fr eFa Fr e 轴承类型 Fa Cor e X Y XY XYXY 0 0150 381 471 652 39 0 0290 41 401 572 28 0 0580 431 301 462 11 0 0870 461 231 382 0 120 471 191 341 93 0 170 501 121 261 82 0 290 551 021 141 66 0 440 561 001 121 63 角 接 触 球 轴 承 15 0 580 56 1 00 44 1 00 1 1 12 0 7 2 1 63 当量动载荷式中 Fr 为径向载荷 N Fa 为轴向载荷 N X Y 分别为径向动载荷系 数和轴向动载荷系数 可由上表查出 上表中 e 是一个判断系数 它是适用于各种 X Y 系数值的 Fa Fr 极限值 试验证明 轴承 Fa Fr e 或 Fa Fr e 时其 X Y 值是不同的 单列向心轴承或角接触轴承当 Fa Fr e 时 Y 0 P Fr 即轴向载荷对当量动载荷的影响可以不计 深沟球轴承和角接触 球轴承的 e 值随 Fa Cor 的增大而增大 Fa Cor 反映轴向载荷的相对大小 它通过接触角 的变化而影响 e 值 0 的圆柱滚子轴承与滚针轴承只能承受径向力 当量动载荷 Pr Fr 而 90 的推 力轴承只能承受轴向力 其当量动载荷 Pa Fa 由于机械工作时常具有振动和冲击 为此 轴承的当量动载荷应按下式计算 P fd XFr Yfa 冲击载荷系数 fd 由表 3 3 选取 表 3 3 载荷性质 机器举例 fd 平稳运转或轻微冲 击 电机 水泵 通风机 汽轮机 1 0 1 2 中等冲击车辆 机床 起重机 冶金设备 内燃 机 1 2 1 8 强大冲击破碎机 轧钢机 振动筛 工程机械 1 8 3 徐州工程学院毕业论文 第 21 页 共 59 页21 石油钻机 0 由于轴承载荷与纵向载荷之比 0 25C 此轴承合乎要求 另外由于横向丝杠与纵向丝杠采用同一轴承 且载荷小于纵向 因此同理可验证其是合 理的 徐州工程学院毕业论文 第 23 页 共 59 页23 4 4 步进电机的选择步进电机的选择 4 14 1 纵向步进电机的选择纵向步进电机的选择 4 1 14 1 1 确定系统的脉冲当量确定系统的脉冲当量 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 CA6140 的定 位精度为 0 015mm 因此选用的脉冲当量为 0 01mm 脉冲 0 005mm 脉冲 4 1 24 1 2 步距角的选择步距角的选择 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 L0 有关 初选电机型号时应合理选择 b 及 i 并满足 b pi360 L0 4 1 由上式可知 b pi360 L0 3600 011 10 0 36 初选电机型号为 90BYG5502 具体参数如表 4 1 所示 表 4 1 纵向电机步距角相数驱动电压电流 90BYG55020 36 550V3A 静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 5N m 2200 30000 40 kg cm 24 5kg 图 4 1 电机简图 4 1 34 1 3 矩频特性 矩频特性 徐州工程学院毕业论文 第 24 页 共 59 页24 J ka M J10 N cm t n 60 max2 2 由于 nmax r min 360 max p bv 则 Mka J N cm 2 10 60360 max2 pt bv 式中 J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量 kg cm 2 为电机最大角加速度 rad s nmax 为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转 2 速 r min t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 s vmax 为运 动部件最大快进速度 mm min p 为脉冲当量 mm 脉冲 b 为初选步进电机的步 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 kg cm 对于钢材 材料密度为 7 810 kg cm 则上式转化为 8 2 McD 2 3 3 J 0 78D L10 kg cm 式中 Mc 为圆柱体质量 kg D 为圆柱体直径 cm JD 为 4 3 2 电动机转子转动惯量 可由资料查出 1 丝杠的转动惯量 Js Js Js i i 为丝杠与电机轴之间的总传动比 2 由于 i 1 则 Js 0 78D L10 4 3 0 78 6 3 17010 4 3 208 9 kg cm 2 2 工作台质量折算 工作台是移动部件 其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量 JG JG M kg cm 式中 L 为丝杠导程 cm M 为工作台质量 kg 由于 2 L 22 L 1cm M 90kg 则 JG M 2 L 2 90 2 14 3 2 1 2 28 kg cm 2 徐州工程学院毕业论文 第 25 页 共 59 页25 1 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 J1 大齿轮转动惯量 J2 折算到电机轴 上为 J2 2 2 i J 2 1 z z 2 2 两对齿轮传动 传动总速比 i i1i2 二级分速比为 i1 z2 z1 和 i2 z4 z3 于是 齿轮 1 的转动惯量 为 J1 齿轮 2 和 3 装在中间轴上 其转动惯量要分别折算到电机轴上 分别为 J2 2 1 z z 和 J3 齿轮 4 的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为 2 2 1 z z 2 J4 4 2 2 4 i 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 J45 其分度圆直径 d 451 5 67 5mm S 27mm 则 J45 0 786 7510 4 371 kg cm 4 3 2 n 40 m 1 5 的转动惯量 J40 其分度圆直径 d 401 5 60mm S 27mm 则 J40 0 78610 2 73kg cm 4 3 2 n 30 m 1 5 的转动惯量 J30 其分度圆直径 d 301 5 45mm S 27mm 则 J30 0 784 510 0 964 kg cm 4 3 2 n 45 m 1 5 的转动惯量 J45 其分度圆直径 d 451 5 67 5mm S 30mm 则 J45 0 786 7510 4 9538 kg cm 4 3 2 n 50 m 1 5 的转动惯量 J50 其分度圆直径 d 501 5 75mm S 30mm 则 J50 0 787 510 7 548 kg cm 4 3 2 n 60 m 1 5 的转动惯量 J60 其分度圆直径 d 601 5 90mm S 30mm 则 J60 0 78910 15 66 kg cm 4 3 2 两输入输出轴的转动惯量为 J 输入 0 781 81310 0 106 kg cm L 130mm 4 3 2 J 输出 0 782 51310 0 396 kg cm L 130mm 4 3 2 查表得 JD 4 kg cm 2 综上可知 J JD Js JG J30 J40 J60 J50 2J45 4 3 252 302 kg cm 2 徐州工程学院毕业论文 第 26 页 共 59 页26 又由于 V 1 461600 2236mm min 则 Mka 252 30210 41 1N cm 01 0 5 160360 36 0 233614 3 2 2 3 力矩的折算 1 Mkf 空载摩擦力矩 Mkf 4 4 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 L 为滚珠丝杠的基本导程 cm 由于 G 9010 900N f 0 05 i 1 0 85 则 Mkf 185 0 14 3 2 105 0 1090 8 4N cm 2 M 附加摩擦力矩 M 1 4 5 i2 FyjL 2 式中 Fyj 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 N 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般取 0 9 得 Fyj 1 3Fm 1 31728 8 576 3N 又 L 10mm 0 95 则 M 195 0 14 3 2 1 3 576 96 6 N cm 则 M 41 1 8 4 96 6 140 N cm kq M ka M kf M 由于 kq M mq M jmax M 则所选步进电机为五相十拍的 经表查得 0 951 则 1 67N m kq M jmax M 0 955 4 75N m 所以所选步进电机合乎要求 徐州工程学院毕业论文 第 27 页 共 59 页27 4 1 44 1 4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性 T fn f0 4 6 3 57 TlTcp JlJr 式中 T 为加减速时间 Jr 和 Jl 分别为转子 负载的转动惯量 kg m 2 为电机得步距角 Tcp Tl 为电机最大平均转矩 负载转矩 N m f fn 为起始加速时 加速终了时的频率 Hz 由于 Jr 0 410 kg m 3 2 Jl 0 0252 kg m 2 0 36 Tcp 5 N m Tl 1 67 N m f0 2200Hz fn 30000Hz 则 T 30000 2200 4 15 3 57 36 0 10 2 25104 0 33 1 2s 1 5s 所以选此步进电机能满足要求 矩频特性曲线 4 24 2 横向步进电机的选择横向步进电机的选择 4 2 14 2 1 步距角的确定步距角的确定 b pi360 L 4 7 L 6mm i 1 p 0 005 b 0 3 初选电机型号为 110BYG5602 徐州工程学院毕业论文 第 28 页 共 59 页28 横向电机步距角相数驱动电压电流 110BYG56020 3 580V3A 静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 16 N m 2500 35000 15kg cm 216kg 图 4 2 电机简图 4 2 24 2 2 距频特性距频特性 1 力矩的折算 1 空载摩擦力矩 Mkf Gf L 2 i kf M G 6010 600N f 0 05 L 6mm 0 8 kf M 18 028 6 6 005 0 1060 3 5 N cm 2 附加摩擦力矩 M 1 N cm 0 M i FyjL 2 0 2 Fyj 1 3Fm 1 33433 6 1144 5N L 6mm M 195 0 28 6 6 0 5 1144 115 N cm 2 转动惯量的折算 徐州工程学院毕业论文 第 29 页 共 59 页29 1 滚珠丝杠的转动惯量 Js 0 78D L10 4 3 D 4cm L 26cm Js 0 78D L10 4 3 0 78 4 2610 4 3 5 19 N cm 2 2 工作台转动惯量 JG M 4 8 2 2 L L 0 6cm M 60kg JG M 2 2 L 60 2 14 3 2 1 0 54 kg cm 2 3 多脉冲减速装置的转动惯量折算 Z 30 d mz 1 530 45mm J 0 78D L10 0 784 51 810 0 58kg cm 2 Z 40 d mz 1 540 60mm J 0 78D L10 0 7861 810 1 82kg cm 2 Z 45 d mz 1 545 67 5mm J 0 78DL10 0 786 751 810 2 92kg cm 2 Z 50 d mz 1 550 75mm J 0 78DL10 0 787 51 810 4 44kg cm 2 Z 60 d mz 1 560 90mm J 0 78D L10 0 7891 810 9 2kg cm 2 又由于 J 输入 0 106 kg cm 2 徐州工程学院毕业论文 第 30 页 共 59 页30 J 输出 0 396 kg cm 2 JD 15 8 kg cm 2 则 J Js JG JJ 58 kg cm 2 Mka J10 pt bV 36060 max2 2 vmax 0 781600 1248mm min t 1 5s p 0 005 b 0 3 Mka 50 5 1005 0 36060 103 0124828 6 2 7 257N cm Mkq Mka Mkf M0 7 527 3 5 115 125 7N cm 又 Mkq Mjmax 步进电机为五相十拍 0 95 Mjmax 16N m Mkq 1 257N m 0 9516 15 2N m 所以此步进电机符合条件 4 上升时间校核 t fn f0 3 57 TlTcp JlJr Jr 1 5810 kg m 3 2 Jl 5 810 kg m 3 2 0 3 Tcp 16N m Tl 1 257N m f0 2500Hz fn 35000Hz 徐州工程学院毕业论文 第 31 页 共 59 页31 t 35000 2500 257 1 16 3 57 3 0 108 51058 1 33 0 086s 1 5s 合乎要求 徐州工程学院毕业论文 第 32 页 共 59 页32 5 5 主轴交流伺服电机主轴交流伺服电机 5 15 1 主轴的变速范围 主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn 即 Rn nmax nmin 数控机床的工艺范围宽 切削速度与刀具 工件直径变化很大 所以主 轴变速范围很宽 由于 Nmax 1800 nmin 14 Nmax nj 2nj nmin 5 1 则 nj 113r min 2 141800 这里 nj 为电动机的额定转速 该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为 Rn nmax nj 5 2 1800 113 15 9 主轴电机的功率是 7 5kw 5 25 2 初选主轴电机的型号初选主轴电机的型号 选主轴电机的型号为 SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为 1HP6167 4CB4 连 续负载 PH KW 14 5 间歇负载 60 kw 17 5kw 短时负载 20min kw 19 25kw 额定 负载 n r min 5000 最大转速 nmax r min 8000 额定转矩 277N m 惯性矩 0 206 kg m 1 2 晶体管 PWM 变频器型号为 6SC6058 4AA02 5 35 3 主轴电机的校核主轴电机的校核 电动机恒功率调速范围 Rn nmax nmin 8000 500 16 所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围 徐州工程学院毕业论文 第 33 页 共 59 页33 6 6 元件的选择元件的选择 6 16 1 SZGDBM01SZGDBM01 光电编码器光电编码器 6 1 16 1 1 概述概述 SZGDBM01 光电编码器 是常用的位移 角位移 长度 深度等机械量的检测器件 广泛用于化工 冶金 能源 轻工 纺织 电子 机械 汽车等行业 6 1 26 1 2 主要技术性能 主要技术性能 SZGDBM01 的分类方法 6 26 2 数控刀架数控刀架 AK21 AK21 系列刀架 系列刀架 AK21160 4 4CAK21160 4 4C 安装图及尺寸 型 号 ABCL1L2H1HXX1yh 1 2MH3H4N AK21160 41261261464412252197016017011230 5132082 44 AK21160 4C1171261463882732177016017011432132060 32 徐州工程学院毕业论文 第 34 页 共 59 页34 主要参数 序号项 目 AK21160 44C 1 刀台方 mm 160 2 工位数 个 4 3 装刀基面高 mm 70 4 装刀基准孔高 mm 5 单工位转位时间 s 3 24 6 刀架转速 r min 17 7 最大切向力矩 N m 500 8 最大颠覆力矩 N m 1250 9 重复定位精度 mm 0 005 10 毛重 Kg 38 11 净重 Kg 30 12 箱体尺寸 mm 560 400 353 徐州工程学院毕业论文 第 35 页 共 59 页35 结论结论 这次毕业设计持续的时间为 16 周 时间相对于我们以前搞设计来说是非常非长的 这次我毕业设计的题目是 把普通车床设计成为经济型数控车床 刚刚接受到这个题目 的时候 感觉很难 因为以前从来没有接触过这方面的设计 头脑里一个最基本的概念 都没有 后来老师给我们大体上讲了一下基本过程 再经过我们两个星期的研究 终于 有一点眉目 搞清楚了什么是脉冲当量 什么是滚珠丝杠等等 还有我们为什么要改造 那些这些机构 经过几个星期资料搜集 包括车床的说明书等等 设计并进入了正式的 轨道 在生活逐渐自动化的今天 对加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求 因此 对机床等加工设备提出了很高的要求 以前单一的靠手工操作的机床 在很大程度上已 经不能满足现代化的要求 数控机床的改造已经成为一种必要 但这次机床的改造是在 原有的机床上换掉部分零部件 使它具有数控机床的基本功能 如不用手工操作能自动 控制进给量等 但又考虑到改造成的是经济型数控车床 所以在选材等方面 必须考虑 到经济这一重要问题 因此在这次设计中有些选型可能精度不是很高 但是考虑到经济 这一个重要的前提 就选择了相对比较实惠的型号 因为我们以前的基础知识掌握得不牢固 在这次设计中确实是遇到了很多的问题 但 在这过程中 我们又学会了很多东西 在以前的小设计中 有些能马马虎虎过去的问题 就糊里糊涂过去了 可这次是一切正规化 不能有半点含糊 因此压力又大了很多 但 是只要有一个明确的目标 乐在其中 特别是把以前学过的知识又温习了一下 而且把 很多门课程都串联在一起 形成一个大的框架 这样确实是有一种豁然开朗 焕然一新 的感觉 通过这最后的毕业设计 我从一开始的只要完成任务的心态到后来的主动去学习 去 努力的学习态度 这是一个不小的进步 并且把以前学过的知识融会贯通 看到了自己 的许多不足之处 老师在我们设计中也给我们提出了很高的要求 它要求我们每一个零 部件都要按照标准去查手册 另外 我们也学会了互相帮助 互相学习 合作的团体精 神 严格要求自己 形成严谨治学的学习态度 这将会带到我们以后的工作中去 徐州工程学院毕业论文 第 36 页 共 59 页36 参考文献参考文献 吴振彪主编 机电综合设计 指导 中国人民大学出版社 2000 余英良主编 机床数控改造设计与实例 机械工业出版社 1997 机床设计手册 编写组编 机床设计手册第一 三 四册 机械工业出版 社 1998 明兴祖主编 数控加工技术 化学工业出版社 2001 胡占齐 杨莉主编 机床数控技术 机械工业出版社 1986 黄调 赵松年主编 机电一体化技术基础及应用 机械工业出社 1999 杨有君主编 数字控制技术与数控机床 机械工业出版社 1999 王先逵主编 机械制造工艺学 机械工业出版社 2002 廖念钊 古莹庵主编 互换性与技术测量 中国计量出版社 2000 10 中国机械工程学会 中国设计大典编委会 李壮云主编 中国机械设计大典 第五 卷 江西科学技术出版社 2002 11 陈碧秀等主编 实用中小电机手册 辽宁科学技术出版社 2000 12 王槐德主编 中国标准出版社 2003 13 普通 CA6140 车床的说明书 14 The Numerial Control Engine Bed Trasforms 15 邱宣怀主编 高等教育出版社 2002 16 薛严成 上海科学技术出版社 1999 徐州工程学院毕业论文 第 37 页 共 59 页37 附表附表 附表附表 1 1 说明书中各符号一览表说明书中各符号一览表 名称名称符号符号单位单位 步进电机的步距角b 脉冲 脉冲当量p mm 滚珠丝杠导程L mm 转动惯量 J 千克 米平方 车床