24-CK6134型数控车床的设计——纵向进给机械结构设计.doc

三明学院 机电一体化系统设计课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 徐周辉 学 号： 20080663124班 级： 机械设计制造及其自动化 题 目：CK6134型数控车床的设计纵向进给机械结构设计2011年11月 11日目录摘要2前言3第一节 原始参数3第二节 设计计算41. 确定脉冲当量 42. 计算纵向外圆切削力 43. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）54. 同步减速器的设计 75. 步进电机的计算和选型（纵向） 96. 同步带传递功率的校核 13第三节 绘制进给传动机构的装配图 14第四节 设计小结 14参考文献 14CK6134型数控车床的设计 纵向进给机械结构设计摘 要针对现有常规普通车床CK6134的缺点提出数控改装方案，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产效率。 由于时间限制本任务书只机械部分改造，主要是纵向进给方向机械结构的改造。主要包括对滚珠丝杆螺母副及反应式步进电机的设计选择及纵向机构装配图方案的制定。关键词：数控 步进电机 滚珠丝杠 改造前言在学完了机电一体化之后，对整体知识有一定的了解掌握，此次在老师的指导下，对普通机床进行数控机床改造，由于时间限制，本次仅进行进给传动系统设计计算，有关电机与带轮的选择设计，通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。 由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。第一节 原始参数一、设计题目：CK6134型数控车床的设计 纵向进给机械结构设计二、设计原始资料： 主轴转速： 602000r/min(无级) 最大回转直径； 340mm 最大加工长度： 1000mm 溜板及刀架重量： 1400N 刀架快速运动速度：纵向 8m/min 横向 6m/min 最大进给速度： 纵向 1.0m/min 横向 0.8m/min 主电机功率： 5.5kW 机床定位精度： 0.015mm三、设计工作内容：（1）进给传动系统设计计算（2）纵向进给系统装配图A0 1张（3）综合课程设计说明书 1份 学 生 姓 名 徐周辉 指 导 教 师 邱丽梅 第二节 设计计算1、确定脉冲当量在进行机电一体化系统设计时，一般应根据伺服进给系统所要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于定位精度值。则纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。 2、计算纵向外圆切削力设工件材料为碳素结构钢,选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角=60，前角=10，刃倾 角；切削用量为：背吃刀量=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度=105m/min。查表3-11，得：=2795, =1.0,=0.75, =-0.15；查表3-31，得：主偏角Kr的修正系数=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式（1） (1) 式中 、-与被加工材料和切削条件相关的切削力系数、-分别为三个分力公式中，被吃刀量、进给量f和切削速度的指数、-当实际加工条件与经验公式的实验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，即-切削速度，单位为m/min算得纵向主切削力=2673.4N，由经验公式=1:0.35:0.4,纵向进给切削力=935.69N，背向力=1069.36N3、滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）3.1工作载荷Fm的计算 （2）纵向进给导轨为综合型导轨K取1.15查表3-29；滑动导轨摩擦系数0.150.18取；溜板及刀架重力G=1400N；=935.69N，=1069.36N，=2673.4N代入公式（2）得 3.2 计算最大动负载 最大切削力下的纵向最大进给速度为1.0m/min,丝杠导程选,则滚珠丝杠的平均速度为： （3） 数据代入公式（3）得 滚珠丝杠的使用寿命T取15000h由 （4）代入公式（4）得（单位为r）查表3-30得载荷系数 一般运转取1.21.5，则 =1.15 再取硬度系数=1 (5)代入公式（5）得 3.3 滚珠丝杆螺母副的选型根据计算出的最大动载荷，查表3-33选择采用FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm ,基本导程为6mm,双螺母滚珠总圈数为32圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N3.4 传动效率计算 其中3.5 刚度验算（1）纵向滚珠丝杆副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力球轴承，面对面组配。左右支撑丝杆的间距a=1497mm；钢的弹性模量 ；查表3-33得滚珠直径 ，算得丝杆底径=36.0312mm，则丝杆的截面积 ，即算得丝杆在工作载荷 作用下产生的拉/压变形量： ;（2）根据公式 （6） 代入公式（6）得单圈滚珠数目Z=29，该型号丝杆为双螺母，滚珠总圈数32=6，则滚珠总数量 ;丝杆及轴承均必须进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3,即 ,则由公式（3-27） （7）得 ， 因为丝杆加有预紧力，且为轴向的1/3，所以实际变形量可减少一半，取 （3）将以上算出的 代入 ，求得丝杆的总变形量由表3-27知，4级精度滚珠丝杆任意300mm轴向行程内的行程变动量允许 ，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杆，总的变形量为0.012363mm,故丝杆的刚度足够了。3.6 压杆稳定性校核 根据公式 (8)其中压杆稳定安全系数K=3(丝杆卧式水平安装)查表3-341， 取支承系数 ，由丝杆底径d2=36.0312mm，得 ，代入公式（8）得 ,由于该临界载荷远大于工作载荷 （1727.79N）,故丝杆不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。4、同步减速器的设计为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。4.1 确定传动比滚珠丝杠的导程为6mm，刀架纵向最快运动速度8m/minV= （9） i= /n （10）式中 n丝杆转速 滚珠丝杠导程 电机最高转速代入数据得 4.2 主动轮最高转速 原始资料给出主动轮的最高转速为2000r/min4.3 确定带的设计功率 由设计要求得电机的输出功率，查表3-18得工作情况系数K=1.2,则带的设计功率4.4 选择带型和节距 根据带的设计功率 和主动轮最高转速 由图3-14中选择同步带及表3-20选择节距，型号为H，其节距 。4.5 确定小轮 和小带轮节圆直径 取 ，则小带轮节圆直径。当达到最高转速2000r/min时，同步带的速度为 ，没有超过H型带的极限转速35m/s。4.6 确定大带轮 和大带轮节圆直径 大带轮的齿数 ,节圆直径。4.7 初选中心距 、带的节线长度、带的齿数 初选中心距 ，圆整后取=222mm。则带的节线长度为 （11） 查表3-13，选取最接近的标准节线长度。4.8 计算实际中心距a 实际中心距4.9 校验带与小带轮的啮合齿数啮合齿数比6大，满足要求。此处ent表示取整。4.10基准额定功率 (12)式中 带宽为 的许用工作拉应力，查表3-21得 m带宽为 时的单位长度的质量，查表3-21得 v 为同步带的带速，即4.11确定所需同步带宽度 （13） 式中 选定型号的基准宽度，查表3-21得 小带轮啮合齿数系数，查表3-22得 即 再根据表3-11选定最接近的带宽4.12带的工作能力验算 根据式（13），计算同步带额定功率P的精确值。 (14)式中 代入数据得由于，因此带的工作能力合格。5、步进电机的计算和选型（纵向）目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点：步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题：一、是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二、是满足最大静转矩的要求；三、是启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。5.1 在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杆的公称直径，总长(带轴)，导程，材料密度；纵向移动部件总重量G=1400N；传动比；同步带减速箱大带轮宽度40mm，节径121.34mm，孔径30mm，轮毂外径84mm，宽度28mm；小带轮宽度40mm，节径80.89mm，孔径19mm，轮毂外径52mm，宽度22mm。参照表4-1可以算得各个零部件的转动惯量如下 ：滚珠丝杆的转动惯量；丝杆上的转动惯量小带轮的转动惯量大带轮的转动惯量，初选的纵向步进电动机型号130BYG3502，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量。 得 （15）5.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。5.2.1快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式 (16)可知，包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式 （17）式中 -滚珠丝杆的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷的1/3，单位为N-滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取。可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有： （18）根据公式（19） （19）考虑纵向传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （20）设步进电机由静止到加速至转速所需时间=0.4s，纵向传动链总效率=0.7；则由公式（20）求得： 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （21）式中 导轨的摩擦因素，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； 横向传动链总效率，取0.7。则由公式（21），得： 最后由公式（18），求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为： （22）5.2.2最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由公式 （23）可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小,可以忽略不计.则有: (24)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T1 本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69 N,则有： = 计算承受最大工作负载=2673.4N情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式（24），求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： （25）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 5.2.3步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=3，则步进电动机的最大静转矩应满足： （26） 对于前面预选的130BYG3502型步进电动机，由表可知，其最大静转Tjmax= 38N m,可见完全满足式（26）的要求。5.2.4步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度=1000mm/min,脉冲当量=0.01mm/脉冲，求出电机对应的运行频率=1000/(600.01)Hz=1666Hz。从表4-7 130BYG35021的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩29.150Nm,远远大于最大工作负载转矩=1.44Nm,满足要求。 2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速度=8000mm/min,求出电机对应的运行频率=8000/(600.01)Hz=13333Hz。从表4-7查得，在此频率下，电动机的输出转矩接近,大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=10.81,满足要求。3)最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=8000mm/min, 对应电动机的运行频率max=13333Hz。查表可知130BYG3502的极限运行频率为15000Hz,可见没有超出上限。4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量=141.26kgcm,电动机转子自身的转动惯量=48kg.cm,查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率q=1500Hz。由公式 （27）得步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 说明，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于755HZ实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本设计中纵向进给系统选用130BYG3502步进电动机，可以满足设计要求。6.同步带传递功率的校核分两种工作情况，分别进行校核。6.1 快速空载起动 电动机从静止到加速至2000r/min，由式（22）可知，同步带传递的负载转矩，传递的功率。6.2 最大工作负载、最快工进速度 由式（25）可知，带需要传递的最大工作负载转矩，任务书给定最快工进速度，对应电动机转速。传递的功率为W。 可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率7.9384kW。因此，选择的同步带功率合格。第三节 绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：(1) 了解原车床的详细结构，从有关