CA6140数控化改造的机械设计

计算机数字控制系统（Computer Numerical Control 简称为 CNC系统）。一个完整的现代化数字控制机床由数控装置，可编程控制器，电源模块，伺服模 块，伺服电机，反 馈系统，机床控制面板，人机通 讯单元，手持 单元，液压 系统， 润滑系统，冷却系 统，机床本体， 滚珠丝杠，自动换 刀系统，等等 组成。 数控机床的生产率高，设备柔性好，使工人的劳动强度大为减轻，具有较高的经济效益，能加工普通机床所不能加工的复杂形面。由于数控机床的优越性，在国际竞争日益激烈、产品品种变化频繁的形势下，各国都致力与开发生产各种数控机床，其中将普通机床改造为经济型数控机床，简单方便，易于实现，使系 统 的性能价格比大为提高。本次的设计题目是将 C6140 普通车床改造成为 MCS-51 系列单片机控制的经济数控车床。由于是初次设计，所以经验有限，在设计过程中难免会出现不足之处，还请各位老师，同学们多多指导，帮助。设计项目 设计过程及说明 主要结果一、脉冲当量的选择脉冲当量由设计任务书可知：纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲二、切削力计算1、设计任务书给出床面上最大加工直径为：DMAX=400mm2、用经验公式计算下图纵车外圆时的各切削分力：主切削力：FZ =0.67* DMAX1.5=0.67*4001.5=5360N纵车外圆时的主切削力：FZ =5360N设计项目 设计过程及说明 主要结果二、切削力计算再按以下比例可求出分离力 FX 和 FYFX:FY:FZ=1:0.25:0.4走刀方向的切削力:FX =0.25*FZ=0.25*5360=1340N垂直走刀方向的切削力:FY =0.4*FZ=0.4*5360=2144N3、用经验公式计算如下所示横车端面时的各切削分力： 主切削力 FZ(N)可取 纵切的一半如下：FZ=FZ/2=5360/2=2680继续 用经验工式粗略计算：FZ:FY:FX=1:0.25:0.4 走刀抗力为： FY=2680*0.25=670吃刀抗力为： FX=2680*0.4=1072纵车外圆时的切削分力：FX = 1340NFY =2144N横车端面时的切削分力：FY=670FX=1072设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于 C6140 纵 向是综合导轨，为了提高机床低速运动的平稳性，将其纵向改造为贴塑综合导轨。选用公式：Fm=K.Fx+f (Fz+G)上式中 Fx ,Fz 切削力（N）；G移动部件的重量（N）；f 导轨上的摩擦系数，K考虑颠复力矩影响的实验系数。由于改造后的机床纵向采用贴塑综合导轨故选取: K=1.15 f =0.04纵向进给率引力：Fm=K*Fx+f (Fz+G)=1.15*1340+0.04*(5360+1500)= 1815.4N纵向进给率引力：Fm=1815.4N设计项目 设计过程及说明 主要结果二、横向进给率引力计算。作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，由于 C6140 是横向是燕尾 导轨， 为了提高机床低速运 动的平稳性，将其改造为贴塑燕尾导轨。选用公式：Fm=1.4*Fy+f (Fz+2Fx+G)上式中 Fx,Fz, Fy切削力（ N）；G移动部件的重量 G=850N；f 导轨 上的摩擦系数;由于改造后的机床横向采用贴塑燕尾导轨故选取: f =0.04横向进给率引力：Fm=1.4*Fy+f (Fz+2Fx+G)=1.4*670+0.04*(2680+2*1072+850) 1165N横向进给率引力：Fm 1165N设计项目 设计过程及说明 主要结果三、计算最大动负载。选用滚珠丝杠副的直径 d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转（10 6转）后，在它的滚珠上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值（即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载 C），可用下式计算：C= fFm L=60*n*T/106n=1000*vs/L0L0滚 珠丝杠导程，纵向初选L0=6mm, 横向初 选 L0=5mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处vs 纵 =0.5m/min*0.5, vs 横 =0.2m/min*0.5;T使用寿命，按 15000h;f运转系数，按一般运转取f=1.21.5，这里选取为 f=1.2;L寿命，以 106转为 1 单位。滚珠丝杠导程，初选为：纵向: L 0=6mm;横向: L 0=5mm;设计项目 设计过程及说明 主要结果三、计算丝杠的最大动负载。纵向 丝杠的最大动载荷 C 纵 ：n 纵 =1000vs 纵 /L0=1000*0.5*0.5/6=41.67r/minL 纵 =60*n 纵 *T/106=60*41.67*15000/106= 37.503C 纵 = 纵 fFm= *1.2*1815.47292N横向 丝杠的最大动载荷 C 横 ：n 横 =1000vs 横 /L0=1000*0.2*0.5/5=20r/minL 横 =60*n 横 *T/106=60*20*15000/106=18C 横 = 横 fFm= *1.2*11653664N纵向丝杠的最大动载荷 C 纵 ：C 纵 = 纵 fFm=7292N横向丝杠的最大动载荷 C 横 ：C 横 = 横 fFm3664N 设计项目 设计过程及说明 主要结果四、滚珠丝杠螺母副的选型。查附录 A 表 3 后：纵向：可采用 W1L4006 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 16400N，精度等级按表 4-15 选为 3 级。横向：可采用 W1L2005 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 8800N，精度等级按表 4-15 选为 3 级。纵向：W1L4006横向：W1L2005五、传动效率的计算。传动效率计算工式如下：=tg/tg(+)上式中：螺旋升角，纵向：W 1L4006 =2。 44 横向：W 1L2005 =4。 33摩擦角取 10滚动摩擦系数0.0030.004纵向：=tg/tg( +)=tg2。 44/tg(2。 44+10)0.94横向：=tg/tg( +)=tg4。 33/tg(4。 33+10)0.96传动效率计算结果如下：纵向：0.94横向： 0.96六、滚珠丝杠纵向 W1L4006 和横向 W1L2005 的几何参数如下所示：名 称 符号 计算公式 W1L4006 W1L2005公称直径 d0 40mm 20mm导 程 L0 6mm 5mm接 触角 2044 4033钢球径(mm) dq 3.969 3.175滚道法面半径 R R=0.52dq 2.064 1.651偏 心 距 e 0.056 0.045螺纹滚道 螺纹升角 =arctg(L 0/3.14/d0) 2044 4033螺杆外径 d d=d0-(0.20.25)dp 39 19.4螺杆内径 d1 d1=d0+2e-2R 35.984 16.788螺杆 螺杆触直径 dz dz=d0-dqCos 36.0355 16.835螺母螺纹直径 D D=d0-2e+2R 44.016 23.212螺母 螺母内径 D1 D1=d0+(0.20.25)dp 40.7938 20.635设计项目 设计过程及说明 主要结果七、纵向丝杠刚度验算。纵向进给滚珠丝杠支承方式如下所示：最大牵引力 Fm=1815.4N。支承间距为L=1500mm 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。纵向 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 按下式计算： 1=L/L0*L在上式中 L滚珠丝杠在支承间的受力长度，L=1500（mm）;在上式中 L在工作负载作用下引起每一导程的变化量，(mm) L 可用下式计算：L=Fm *L0/(E*F)Fm 工作负载 ，即 进给 率引力， Fm=1815.4N；L0滚 珠丝杠的导程，L 0=6mm；E材料 弹性模数，对钢 E=20.6*104N/mm2;F滚珠丝杠截面 积，按内径确定 为: F=1016.97mm2;设计项目 设计过程及说明 主要结果七、纵向丝杠刚度验算。L=Fm *L0/(E*F)=1815.4*6/(20.6*104*1016.97)=0.000052mm1 =L/L0*L=0.000052/6*1500=0.013mm由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为: 1 =1/4=0.013/4=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形 2经查图 4-7,W 系列 1 列 2.5 圈滚珠各螺纹滚道接触变形量 Q: Q=4.5m因为进行了预紧故:2=Q/2=4.5/2=2.25m=0.00225mm支承 滚珠丝杠的轴向接触变形 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; 注意:式中 Fm单位为 Kgf;拉伸或压缩变形量为:1=0.00325mm滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:2=0.00225mm设计项目 设计过程及说明 主要结果七、纵向丝杠刚度验算。C =0.0024*(Fm2/dQ/Z2)1/3=0.0024*(181.542/6.35/182)1/30.0061mm因为施加了预紧力,故: 3 =C /2=0.0061/2=0.00305mm根据以上计算总的变形量:=1+2+3=0.00325+0.00225+0.00305=0.00855mm nk (一般 nk=2.54)经计算此滚珠丝杠不会产生失稳。nk= 67.2 nk结论:稳定性好。设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向齿轮传动比计算。已确定纵向进给脉冲当量 p=0.01mm/脉冲，滚珠丝 杠导程 omm ，初选步进电机步距角 b=0.75o。可计算出传动比 i:i =360o*p/o/b=360o*0.01/0.75o/6=0.8可选齿轮齿数为：i =Z1/Z2=32/40 或 20/25即：取 Z132, Z 240 或 Z120, Z 225初选步进电机步距角为： b=0.75o二、横向齿轮传动比计算。已确定横向进给脉冲当量 p=0.005mm/脉冲，滚珠 丝杠导程 o5mm ，。可 计算出传动比 i:i =360o*p/o/b=360o*0.005/0.75o/5=0.48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，故此处采用双级齿轮降速：i =(Z1/Z2)* ( Z3/Z4)=(3/5)*(4/5)=(24/40)*(20/25)即：取 Z124, Z 240 ,Z 320, Z 425初选步进电机步距角为： b=0.75o因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 。有关几何参数如下表所示：齿数 32 40 24 40 20 25分度圆 d=mz 64 80 48 80 40 50齿顶圆 da=d+2m 68 84 52 84 44 54齿根圆 df=d-2*1.25m 59 75 43 75 35 45齿 宽 (610)m 20 20 20 20 20 20中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向步进电机计算。一、等效传动惯量计算。计算简图如下所示：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J(Kg.cm2)可由下式计算:J=JM+J1+(Z1/Z2)2(J2+JS)+G/g(L0/(2)2在上公式中：JM步进电机转子转动惯量（kgcm 2）。J1、J2齿轮 Z1、Z2 的转动惯量（kgcm 2）JS滚珠丝杠转动惯量（kgcm 2）参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转 子转惯量 JM=10 kgcm2。J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*6.44*2=2.62 kg.cm2J2=0.78*10-3*D24*L2=0.78*10-3*84*2=6.39kg.cm2Js=0.78*10-3*44*150=29.952kg.cm2初选反应式步进电机：150 BF设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向步进电机计算。G=1500N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+29.952)+1500/9.8(0.6/(2)2=36.77 kg.cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： JM/ J=10/36.77=0.272基本满足惯量匹配要求。二、电机的力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：快速空 载起动力矩 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 +MoMamax= J*= J*10-2*nmax/ (0.6/(2)*ta)= J*nmax*2*10-2/ (60*ta)传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J=36.77 kg.cm2JM/ J=0.272基本满足惯量匹配要求。设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向步进电机计算。nmax=(Vmax/p )* (b/360o)将前面数据代入，式中各符号意义同前。nmax=(Vmax/p )* (b/360o)=(2000/0.01)*(0.75 o /360 o)= 416.7 rpm起动加速时间：t a=25ms=0.025sMamax = J*nmax*2*10-2/ (60*ta)=36.77*416.7*2*10-2/ (60*0.025)=641.8 N.cm折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf:Mf =FoLo/(2i)=f (Fz+G)*Lo/(2Z2/Z1)=0.04*(5360+1500)*0.6/(2*0.8*1.25)=26.2 N.cm附加摩擦力矩 Mo:Mo =FpoLo/(2i)*(1-o2)=Fm/3*Lo/(2Z2/Z1)* (1-o2)=1815.4/3*0.6/(2*0.8*1.25)(1-0.92)=11 N.cm上述三项合计：M 起 =Mamax +Mf +Mo=641.8+26.2+11 =679 N.cm快速空载起动力矩 M 起 ：M 起 =679 N.cm设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向步进电机计算。快速移 动时所需力矩 M 快 。M 快 = Mf+Mo=26.2+11=37.2 N.cm最在切削负载时所需力矩 M 切 ：M 切 = Mf +Mo+Mt= Mf +Mo+FxLo/(2i)=26.2+11+1340*0.6/(2*0.8*1.25)=165.2 N.cm从上面的计算可以看出，M 起 、M 快和 M 切 三种工况上，以快速空 载起动所需力矩最大，经此项作为初选步进电机的依据。从表 4-22 查出,当步进电机为五相十拍时 =M 起 / Mjmax =0.951。最大静力矩 Mjmax =M 起 /=679/0.951714N.cm。按此最大静力矩从表 4-23 查出，150BF002 型最大静转 矩为 1372N.cm。大于所需最大静转矩，可作 为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动频率特性和运行频率特性。三、计算步进电机空载起动频率 f 起 和切削时的工作频率 f 切 。快速移动时所需力矩 M 快 ：M 快 =37.2 N.cm最在切削负载时所需力矩 M切 ：M 切 =165.2 N.cm设计项目 设计过程及说明 主要结果一、纵向步进电机计算。f 起 =1000Vmax/60/p=1000*2.0/60/0.01=3333.3Hzf 切 =1000Vs/60/p=1000*0.5/60/0.01=833.3 Hz从表 4-23 中查出 150 BF 002 型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz 运行 频率为 8000Hz ，再从图 4-17，图 4-18 查出 150 BF 002 型步进电机起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线（附第 28 页）。由图可以看出，当步进电机起动时， f 起 =2500Hz 时，M=100N.cm，远远不能 满足此机床所要求的空载起动力矩(679N.cm)直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到 1000Hz 时。起动力矩可增高到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。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。空载起动频率:f 起 =3333.3Hz切削时的工作频率:f 切 =833.3 Hz150BF002 型步进电机起动矩频特性曲线如下所示：150BF002 型步进电机运行矩频特性曲线如下所示：设计项目 设计过程及说明 主要结果二、横向步进电机计算。一、等效传动惯量计算。计算简图如下所示：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J(Kg.cm2)可由下式计算:J=JM+J1+(Z1/Z2)2 J2+J3+(Z3/Z4)2 (J4+JS)+G/g(L0/(2)2在上公式中：JM步进电机转子转动惯量（kgcm 2）。J1、J2、J3、J4齿轮 Z1、Z2、Z3、Z4 的转动惯量（kgcm 2）JS滚珠丝杠转动惯量（kgcm 2）参考同类型机床，初选反应式步进电机110BF，其转 子转惯量 JM=4.7kgcm2。J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*4.84*2=0.828 kg.cm2初选反应式步进电机：110 BF设计项目 设计过程及说明 主要结果二、横向步进电机计算。J2=0.78*10-3*D24*L2=0.78*10-3*84*2=6.39kg.cm2J3=0.78*10-3*D34*L3=0.78*10-3*44*2=0.399kg.cm2J4=0.78*10-3*D44*L4=0.78*10-3*54*2=0.975kg.cm2Js=0.78*10-3*24*45=0.561kg.cm2G=850N代入上式：J=JM+J1+(Z1/Z2)2 J2+J3+(Z3/Z4)2*(J4+JS)+G/g(L0/(2)2=4.7+0.828+(24/40) 2 6.39+0.399+ (20/25)2 (0.975+0.561)+850/9.8*(0.5/(2)2=8.45kg.cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： JM/ J=4.7/8.4=0.56满足惯量匹配要求。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量:J=8.45 kg.cm2JM/ J=0.56满足惯量匹配要求。设计项目 设计过程及说明 主要结果二、横向步进电机计算。二、电机的力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：快速空 载起动力矩 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 +MoMamax = J*= J*10-2*nmax/ (0.6/(2)*ta)= J*nmax*2*10-2/ (60*ta)nmax=(Vmax/p )* (b/360o)将前面数据代入，式中各符号意义同前。nmax=(Vmax/p )* (b/360o)=(1300/0.005)*(0.75 o /360 o)= 541.7 rpm起动加速时间：t a=25ms=0.025sMamax = J*nmax*2*10-2/ (60*ta)=8.4*541.7*2*10-2/ (60*0.025) = 190.6 N.cm设计项目 设计过程及说明 主要结果二、横向步进电机计算。折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf:Mf =FoLo/(2i)=f (Fz+G)*Lo/(2(Z2/Z1* Z4/Z3) )=0.04*(2680+850)*0.5/(2*0.8*2.1)=6.69 N.cm附加摩擦力矩 Mo:Mo =FpoLo/(2i)*(1-o2)=Fm/3*Lo/(2(Z2/Z1* Z4/Z3)* (1-o2)=1165/3*0.5/(2*0.8*2.1)(1-0.92)= 3.5N.cm上述三项合计：M 起 =Mamax +Mf +Mo= 190.6+6.69+3.5=200.8N.cm快速移 动时所需力矩 M 快 。M 快 = Mf+Mo