数控车床横向进给系统的设计

1摘要数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床横向进给技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。数车床改造是指以机械位置作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置横向进给控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。横向进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。横向进给的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。关键词：横向进给数控化车床改造2目录摘要.2Abstract.3目录.4第一章引言.51.1设计目的及方法.51.2进给系统概述.6第二章进给传动设计.72.1主切削力计算及技术参数.72.2滚珠丝杠螺母副的选择与计算.92.2.1滚珠丝杠螺母副的选择.92.2.2丝杠螺母副的计算.102.2.3滚珠丝杠螺母副的校核.12第三章动力计算.173.1支撑轴承的设计.173.2伺服电机的选择.17结论.18致谢语.19参考文献.203第一章引言1.1设计目的及方法设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。在图纸的绘制中，充分利用软件的先进性。最后，完成硬件连接设计，编制典型零件的车削程序，撰写说明书。机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等，根据设计任务加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，采用卧式斜床身形式。主轴水平安装，横向成45布置。根据纵横向长度定外观总长度，布局图如附录1.1所示。数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机4图1.1伺服系统结构图1.2进给系统概述从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高4。5第二章进给传动设计2.1主切削力计算及技术参数切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算：PZXYZCtsk(2.1)vPZhPZk料(2.2)(2.3)PZXYZvPZhPZCtskk料(公斤力)式中系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件PZC（v、s、t固定）下，为一常数。大表示工件材料的加工性差；PZPZ小表示工件材料的加工性好。PZk总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀vPZhPZk料具磨损限度对P的修正系数。、指数。一般情况下。这说明吃刀深度对切削力PZXYPZXY的影响要比走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢，275/b公斤力毫米，后刀面磨损限度，50/v米分45100.91h:毫米切削时不用冷却液，车削外圆。它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。表2.1系数及指数6工件材料PZCPZXPZY结构钢1671.00.75修正系数b4050:50606070:70808090:90100工件材料=PZk料0.840.900.951.01.041.09v=50100200300400500切削速度=PZ1.00.900.820.770.740.71=3045607090主偏角=PZk1.081.00.940.940.89=+20+100-10-20前角=PZk0.901.01.11.21.3h=0.91.2:1.52.0:后刀面磨损限度=PZk1.01.05切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。当切削速度为已知时，切削功率可用下式计算：(2.4)10260ZZPvNkw切削在校验机床选用的电动机功率时应使切削过电机(2.5)式中机床电动机名义功率（千瓦）；N电机机床效率（一般齿轮机床=0.70.8）；:电动机超载时容许的系数（一般=1.25）57。k过k过7如表1.3，取其中各参数的最大值进行估算：取=167，=1.0，PZCPZX0.75PZY=1.09，=1.08，=1.3，=1.05，=0.9k料kkhPZkvPZk取切深t=5mm，进给量s=0.3mm/r则由公式(1.3.3)：0.75619.081.35489.7ZPN公斤力:1:0.2548:90XYFZ而(2.6)切削功率：取切削速度为105m/min，由公式(1.3.4)(1.3.5)得:489.62Nk切削8.407512.96k切削电机过取1Nk切削已知技术参数：横向最大行程（X轴）180mm；工作进给速度为8000mm/min；横向快速进给速度：8m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长宽高）：400mm200mm80mm；材料选为HT200。82.2滚珠丝杠螺母副的选择与计算2.2.1滚珠丝杠螺母副的选择由文献7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号：CDM3206-3。丝杠公称直径为32mm，基本导程，6hPm其额定动载荷，额定静载荷，圈数列数19aN45968oaCN=1.52，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径27.10/cK9mm，螺母长度为112mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为20mm和25mm。本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。选用成对丝杠专用轴承组合。滚珠丝杠支承用专用轴承：轴承特点：1.刚性大。由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为60轴向刚性大。2.不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号（）排列后，装紧即可。3.起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。2.2.2滚珠丝杠螺母副的计算1)丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为，设电机的最高1i工作转速为，则丝杠导程为：max150/innrmaxhvP9（2.7），取38105.hP6hP2）确定丝杠的等效转速/minhvr(2.8)由公式(2.2),最大进给速度时丝杠的转速：3max10./in6hvnrP最小进给速度时丝杠的转速：mini10.67/inhvrP丝杠等效转速：（取）12tmaxin21/itnr(2.9)，转速，作用下的时间(s)。1tmaxninax1mi28.94/intr3)估计工作台质量及工作台承重刀架质量：1509.8147GN滑板：39240.81520N总质量：1224)确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，现取为1.1，则丝杠:10所受的力为（如图2.1所示）：(2.10)max2()21.20.3048)190XZYFKfGF=NminF其等效负载可按下式估算（取，）：21t21t1，t2轴向载荷，作用下的maxFin时间(s)。n1，n2轴向载荷，作用下的axin转速(r/min)。133ax1min296FttN5)确定丝杠所受的最大动载荷图2.1受力分析(2.11)1/360FfTnmwhCNatkfw负荷性质系数；（查表：当一般运转时，fw为1.21.5，取:fw=1.5。）ft温度系数；（查表：）fh硬度系数；（查表：滚道实际硬度HRC58时，fh=1。）fa精度系数；（查表：当精度等级为3时，fa=1.0。）fk可靠性系数；(查表：可靠性为90%时，fk=1.00。)Fm等效负荷(N)；nm等效转速(r/min)；Tn工作寿命(h)。（查表得：数控机床：Th=15000。）11由公式(2.6)6601508.9401hmTnncr136847hmawCFfN2.2.3滚珠丝杠螺母副的校核1）临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式9。临界压缩负荷按下式计算：(2.12)211max0crfEIFKFNL式中E材料的弹性模量E钢=2.11011(N/m2)；L0最大受压长度(m)；K1安全系数，取K1=1/3；Fmax最大轴向工作负荷(N)；f1丝杠支承方式系数；(支承方式为双推双推时，见下图，f1=4，f2=4.730)I丝杠最小截面惯性矩(m4)：(2.13)44201.6wIdd式中d0丝杠公称直径(mm)；dw滚珠直径(mm)。412843.14(2.3960.76I丝杠螺纹部分长度，取80uL350uLm支承跨距，丝杠全长145由公式(2.7)12218max643.02.71425.32013NFcrF可见远大于，临界压缩负荷满足要求。crmax2）临界转速222max30910crccffdEInknLAL(2.14)式中A丝杠最小横截面：264231.507.814d临界转速计算长度：cL835.0422cm取，10.4cm安全系数，一般取；2k20.8k材料的密度：；37.51/gm丝杠支承方式系数，查表得，2f24.730f2max0.914.34360/in15/incrnrr满足要求。3）丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式：两端固定：111(/)4eBcHSNm(2.15)式中Ke滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)；KH螺母座的刚度(N/m)；Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；13KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。1)丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。2)轴承的接触刚度可查轴承型号样本。3)螺母座的刚度可近似估算为1000。4)丝杠本身的拉压刚度：对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：610/sAElKNma(2.16)式中A丝杠最小横截面，；2()4AdE材料的弹性模量，E=2.11011(N/m2)；l两支承间距(m)；a螺母至轴向固定处的距离(m)。已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度108/BK，丝杠的最小拉压刚度（见后面计算）。716./CKNmin54.2/sN螺母座刚度。10/Hm114876.045.2eK32/N丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：(2.17)/eBKradsm式中m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/m)；Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m)。69.832410/12038/in150/inBradsrr14显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。4）丝杠扭转刚度扭转转刚度按下式计算：47.8mTdKL(2.18)式中丝杠平均直径：mdL丝杠长度431.7589/0TKNmr扭转振动的固有频率:(2.19)()3TTswzKJ式中JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm2)；JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm2)；JS丝杠的转动惯量(kgm2)。由文献7，8得：平移物体的转动惯量为2420.1()5.09Jkg:丝杠转动惯量：22()84ssssmddL344213.7510.0kg:.6zJm154159327.1/4297/min(.26)0Tradsr显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。5）传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度24sdEKL(2.20)导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为300mm和100mm。由于机械传动装置引起的定位误差为0min0ax1()kFK(2.21)11456.().782.34km对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为，机床定位12精度，所以，可以满足由于传动刚度0.24/m1/5.k变化所引起的定位误差小于（1/31/5）机床定位精度的要求。再加上闭:环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高10。第三章动力计算3.1支承轴承的设计16查轴承表：对于的轴承，其，2010.5bTNm:对于的轴承，其，52则12.3BbTmaxgP09145.68N:3.2伺服电机的选择根据文献11，扭矩的计算为：1）理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠，而0.9max/3201/67()PFNm:230(/)(1)/PhTF(3.20)23(67/)(0.9)/1.135Nm:2）最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠，40%Pmax0(1).19()PTTNm:(3.21)3）电机的额定扭矩(0.35.)gJTT67JNm:4）电机的选择根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7Nm。17结论本次设计的是横切向进给系统，完成了系统中的尺寸计算及结构设计，并对其进行一系列的校核，各项性能指标完全满足要求，说明设计的结构是合理的。然后选择轴承和电机，并设计了床身等。由于专业知识的限制，无法对复杂的数控系统进行设计，但是，通过选择合适的数控系统，对数控原理有了一定的了解，并掌握了数控系统的一些连接方法。最后完成了典型零件的数控程序编制，对程序的代码加深了印象，并对现代数控编程增进了了解。数控机床是促进国民经济发展的巨大源动力，它给机械制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式。随着数控技术的发展，高品质，高可靠性，高性价比的CNC系统具有丰富的功能数控车床具有结构简单、价格便宜、故障率低、维修简单方便、效率高、操作编程简单等诸多优点，所以数控车床在很多加工行业都会成为应用的主体，随着数控技术和机床行业的发展，数控车床将有着广阔的发展前景。现代科技的发展，为数控技术的发展提供了充足的物质技术条件。同时，也给数控机床的机械结构提出了更高的要求。因此，研究一台数控车床对现代加