X52K进给系统经济型数控改造设计

0 X52K 进给系统经济型数控改造设计 目录 1 概述 1 1 1 技术要求 1 1 2 总体设计方案 2 2 滚珠丝杠螺母副的选型和计算 2 2 1 主切削力及其切削分力计算 2 2 2 导轨摩擦力的计算 3 2 3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 3 2 4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 3 3 工作台部件的装配图设计 7 4 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 8 4 1 滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 8 4 2 滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 8 4 3 滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验 8 5 计算机械传动系统的刚度 9 5 1 机械传动系统的刚度计算 9 5 2 滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 10 6 驱动电动机的选型与计算 10 6 1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 10 6 2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 11 6 3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 12 6 4 选择驱动电动机的型号 13 7 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 13 7 1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 13 7 2 滚珠丝杠螺母副的规格型号 14 8 设计总结 14 9 参考文献 14 1 1 概述 由上面的介绍可以看出 如今对现有普通机床的数控化改造具有十分重要的意义 本课 题设计重点则是对 X52K 铣床纵向传动机构的数控化改造 该 X52K 型普通铣床主要用于加工 中小型零件的平面 成型表面及具有一定斜度的平面 经改造后与原来机床加工相比可实现 其自动化铣削 且具有高精 高效及加工产品范围广等特点 具体研究内容如下 1 对普通铣床 X52K 的基本机械传动结构进行了解分析 2 对数控机床的基本机械传动结构及电气控制系统结构进行详细分析 3 系统的总体方案设计 研究其各个部分的设计原理 拟定设计方案 4 系统的详细设计 对机械传动系统的设计和控制系统的设计等 5 总结自己的设计理念及设计思路 得出本课题的设计流程 1 1 技术要求 数控铣床的切削状况数控铣床的切削状况 切削方式进给速度时间比例 备注 强力切削 0 610 主电动机满功率条件下切削 一般切削 0 830 粗加工 精加工切削 150 精加工 快速进给 2010 空载条件下工作台快速进给 1 2 总体设计方案 为了满足以上技术要求 采取以下技术方案 1 工作台工作面尺寸 宽度 长度 确定为 400mm 1200mm 2 工作台导轨采用矩形导轨 在与之相配的动导轨滑动画面上贴聚四氟乙烯导轨板 同 时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙 在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面 与背板的间隙 并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴膜 2 3 对滚珠丝杠螺母副采用预紧 并对滚珠丝杠进行拉伸预 4 采用伺服电动机驱动 5 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接 2 滚珠丝杠螺母副的选型和计算 2 1 主切削力及其切削分力计算 1 计算主切削力 Fz 根据已知条件 采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削 铣刀直径 D 125mm 主轴具有最大扭矩 并能传递主电动机的全部功率 此时铣刀的切削速度为 已知机床主 电动机的额定功率为 5 5kw 主轴计算转速 n 310r min m P 根据公式得刀具的切削速度为 smsm Dn v 03 2 60 3101012514 3 60 3 取机床的机械效率为 则由式得主切削力 8 0 m NN v Fz49 216710 03 2 5 58 0 10 P 33 Em 2 计算各切削分力 工作台的纵向切削力 横向切削力和垂向切削力分别为 1192 12N2167 4955 0 55 0 F 2059 12N2167 4959 059 0F N86749 21674 00 4FF V C z1 z z F F 2 2 导轨摩擦力的计算 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力的计算可以查课程设计指导书 F 1 根据式 2 8a 计算在切削状态下的导轨摩擦力 此时导轨动摩擦系数 F15 0 查表 2 3 得镶条紧固力 则N1500fg 2060 69N N12 119212 20591500900015 0 Ff c vg FWF 3 2 按式 2 9a 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和 0 F 0 F N1260150090000 12 f WF 1575N1500900015 0 f g00 00 g WFF 2 3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 1 按式 2 10a 计算最大轴向负载力 amax F NNFFF69 2929 69 2062867 1 maxa 2 按式 2 11a 计算最小轴向负载力 min F NFF1575 0mina 2 4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 1 确定滚珠丝杠的导程 根据已知条件取电动机的最高转速得 min r1800nmax mm10mm 18001 18000 in v max max 0 L 2 计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 1 各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷 强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷 快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小 轴向载荷 一般切削 粗加工 和精细切削 精加工 时 滚珠丝杠螺母副的轴向载荷分别 可按下式计算 minmin3maxmin 5 20 aaaaZ FFFFFF 并将计算结果填入表 2 表 2 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式轴向载荷 N 进给速度 m min 时间比例 备注 强力切削 2929 69 6 0 1 v 10max1a FF 一般切削 粗加工 2160 94 8 0 2 v 30maxmin2 20 aa FFF 4 精细切削 精加工 1721 48 1 3 v 50maxmin3 5 aa FFF 快移和镗钻加工 1575max4 vv 10max4a FF 2 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速 i n 3 计算 由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩 T f 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力 F 976 56N 滚珠丝杠螺母副的基本导程 p L 10mm 0 01mm 滚珠丝杠螺母副的效率 0 94 由式 2 56 得 0 0 Tf mNmN LFp 2 0 94 01 90 0 14 3 2 01 056 976 1 2 22 0 0 6 3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 1 计算线性加速度力矩 T 1a 5 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 n 1800r min 电动机的转动 max 惯量 J 62kg cm 坐标轴的负载惯量 J 56 33kg cm 进给伺服系统的位置环增益 m 2 d 2 k 20 加速时间 s 0 15s 由式 2 58 得 s zHat s k 3 20 3 mNcmkgf cmkgfe eJJ t n T ast k dm a a 12 14 072 144 1 33 5662 15 0 98060 180014 32 1 98060 2 15 0 20 max 1 2 计算阶跃加速力矩 已知加速时间 由式 2 59 得ss k t s a 05 0 20 11 mNcmkgf cmkgf JJ t n T dm a ap 59 44 97 454 33 5662 15 0 98060 180014 3 2 98060 2 max 3 计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩 1 按式 2 61 计算线性加速时空载启动力矩 q T mNmNTTTT fuaq 11 17 2 079 2 12 14 1 2 按式 2 61 计算线性加速时空载启动力矩 q T mNmNTTTT fuapq 58 47 2 079 2 59 44 3 按式 2 57a 计算快进力矩 KJ T mNmNTTT fuKJ 99 2 2 079 2 4 按式 2 57a 计算工进力矩 GJ T mNmNTTT fcGJ 38 5 2 018 5 6 4 选择驱动电动机的型号 1 选择驱动电动机的型号 6 根据以上计算和表 2 14 选择日本 FANUC 公司生产的 a12 3000i 型交流伺服电机为驱 动电机 主要技术参数如下 额定功率 3kW 最高转速 3000r min 额定力矩 12N m 转动 惯量 质量 18kg 2 62cmkg 交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的 5 10 倍 若按 5 倍计算 则该电动机的 加速力矩为 60N m 均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩以mNTq 11 17 及阶跃加速时所需的空载启动力矩 因此 不管采用何种加速方式 本电动机mNTq 58 47 均满足加速力矩要求 该电动机的额定力矩为 12N m 均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩 以及工进时所需的驱动力矩 因此 不管是快进还是工进 本电mNTKJ 99 2 mNTGJ 38 5 动机均满足驱动力矩要求 2 惯量匹配验算 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配 系统的负载惯量与伺服电动机的转 d J 动惯量之比一般应满足式 2 67 即 m J125 0 m d J J 而在本例中 故满足惯量匹配要求 1 25 0 9 0 62 33 56 m d J J 7 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 7 1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 本机床工作台采用半闭环系统 应满足下列要求 p V300 p e me mmV p p 9 19 8 0 9 19 2 49 030 8 0 8 0 kmax kmax300 定位精度 定位精度 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为二级 查表 2 20 得 查表 2 mmV p 9 198 300 21 得 当螺纹长度为 850mm 时 故满足设计要求 mmep 9 1915 7 2 滚珠丝杠螺母副的规格型号 滚珠丝杠螺母副的规格型号为 FFZD4010 5 P2 1239 850 其具体参数如下 公称直径 7 与导程 40mm 10mm 螺纹长度 850mm 丝杠长度 1239mm 类型与精度 P 类 2 级精度 8 凸轮加工程序 数控铣床铣削加工程序 图示为压缩机壳焊接机上的仿形零件 零件曲线是二段圆弧和三条直线构成 零件的上 下两面和中心孔已加工好 现要在数控铣床上铣削零件的轮廓曲线 并一次铣削加工成形 零件的交点坐标 A 40 20 B 40 20 C 0 40 D 40 0 E 20 20 刀具偏移号为 H08偏移方向为刀具的左侧 设工件表面 Z 0 厚度为25mm 8 在数控铣床上铣削加工程序如下 O0012 N0010 G00 Z25 0 N0020 G90 G17 G41 X 40 0 Y 20 0 H08 N0030 S20 M03 N0040 G01 Z 25 F100 N0050 Y20 0 N0060 X0 Y40 0 N0070 G02 X40 0 Y0 R40 0 N0080 X20 0 Y 20 0 R20 0 N0090 G01 X 40 0 N0100 G00 Z25 0 N0110 G40 X0 Y0 N0120 M02 9 设计总结 在这次的课程设计中 学到了一些除技能以外的其他东西 领略到了别人在处理问题时 显示出的优秀品质 更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制 最重要的还是 自己对一些问题的看法产生了良性的变化 尤其是在互相的合作中 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 通过这 次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺 自己要学习的东西还太多 以前老是觉得 自己什么东西都会 什么东西都懂 有点眼高手低 通过这次课程设计 我才明白学习是一 个长期积累的过程 在以后的工作 生活中都应该不断的学习 努力提高自己知识和综合素 质 9 9 参考文献 1 范超毅 数控技术课程设计 武汉 华中科技大学出版社 2006 2 王爱玲 机床数控技术 北京 高等教育出版社 2006 3 吴敏镜 现代数控机床的特点和发展趋势 J 新技术新工艺 1997 4 伊志强 机电一体化系统设计课程设计指导书 M 北京 机械工业出版社 2007 5 孙恒 陈作模主编 机械原理 M 高等教育出版 2007 6 徐衡 数控铣工实用技术 M 沈阳 辽宁科学技术出版社 2003 7 王少怀 徐东安 等 机械设计实用手册 M 北京 机械工业出版社 2008 8 曹巨江 刘向红 加工弧面凸轮专用数控铣床的方案设计 A 制造技术自动化学术会 议论文集 C 2