CA6140车床传动系统的数控化改造

绍绍兴兴职职业业技技术术学学院院 毕业论文毕业论文 2012 2012 届 届 CA6140CA6140 车床传动系统的数控化改造车床传动系统的数控化改造 机械部分设计机械部分设计 学生姓名学生姓名 陈红 学学 号号 083010101 系系 别别 机电工程系 专专 业业 机电一体化 指导教师指导教师 蔡晓霞 完成日期完成日期 2011 4 25 目录目录 引言 1 1 CA6140 车床主传动变速箱结构分析 3 2 数控车床头箱结构分析 4 2 1 主传动系统 4 2 2 进给传动系统 4 2 3 自动回转刀架 5 3 伺服系统及步进电动机的设计和计算 5 3 1 伺服系统结构改造设计方案 5 3 1 1 纵向进给机械结构改造方案 5 3 1 2 横向进给机械结构改造方案 5 3 2 进给伺服机构机械部分的设计计算 6 3 2 1 选择脉冲当量 6 3 2 2 计算切削力 6 3 2 3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 6 3 2 4 传动比计算 9 3 2 5 步进电机的计算和选型 10 结论 15 致谢 15 参考文献 15 1 CA6140CA6140 车床传动系统的数控化改造机械部分设计车床传动系统的数控化改造机械部分设计 083010101 陈红 浙江胜达机械厂生产设备开发部 工程师 章魏 绍兴职业技术学院 机电工程系 指导教师 蔡晓霞 摘要摘要 了解数控机床的概念 所谓数字控制是按照含有机床 刀具 运动信息程序所指定的顺序自动执行 操作的过程 而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作 它的优点很多 可以在同一机 我国现床上一次装夹可完成多个操作 生产率显著提高等优点 但它的价格昂贵 由于在使用的机床 大多数为普通车床 自动化程度低 要更新现有机床需要很多资金 纵向进给机构的改造 拆去原机床 的溜板箱 光杠与丝杠以及安装座 配上滚珠丝杠及相应的安装装置 纵向驱动的步进电机及减速箱安 装在车床的床尾 不占据丝杠空间 横向进给机构的改造 拆除横向丝杠换上滚珠丝杠 由步进电机带 动 总体设计方案 CA6140 车床主轴转速部分保留原机床的手动变速功能 车床的纵向和横向 进给运动采用步进电机驱动 最后 根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算 关键词关键词 数控 车床 改造 引言 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造 以步进电机驱动横向进给运动 纵向进给运动以及 刀架的快速换刀 使传动系统变得十分简单 传动链大大缩短 传动件数减少 从而提高机床的精度 设计中 我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍 刊物进行大量阅读 收集了很多资料 了解 了数控机床的基本概念 数控机床的发展概况 数控机床的组成及其工作原理 扩大了我们的知识面 随着科学技术的发展 现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进 对零件的加工质量的要求 也越来越高 随着社会对产品多样化要求的增强 产品品种增多 产品更新换代加速 数控机床代替普 通机床被广泛应用是一个必然的趋势 同时 数控机床将向着更高的速度 精度 可靠性及完善性的功能发展 机床作为机械制造业的 重要基础装备 它的发展一直引起人们的关注 由于计算机技术的兴起 促使机床的控制信息出现了 质的突破 导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床 数控机床的诞生和发展 计算 2 机的出现和应用 为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段 随着计算机的发展 数控 机床也得到迅速的发展和广泛的应用 同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变 数控机床以其优异的性能和精度 灵捷而多样化的功能引起世人瞩目 并开创机械产品向机电一体化 发展的先河 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品 它把刀具和工件之间的相对位置 机床电机的启动和停止 主轴变速 工件松开和夹紧 刀具的选择 冷却泵的起停等各种操作和顺序 动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上 然后将数字信息送入数控装置或计算机 经过译码 运算 发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件 加工出所需的工件 数控机床与普通机床相比 其主要有以下的优点 1 1 适应性强 适合加工单件或小批量的复杂工件 在数控机床上改变加工工件时 只需重新编制 新工件的加工程序 就能实现新工件加工 2 2 加工精度高 3 3 生产效率高 4 4 减轻劳动强度 改善劳动条件 5 5 良好的经济效益 6 6 有利于生产管理的现代化 数控机床已成为我国市场需求的主流产品 需求量逐年激增 我国数控机机床近几年在产业化和 产品开发上取得了明显的进步 特别是在机床的高速化 多轴化 复合化 精密化方面进步很大 但 是 国产数控机床与先进国家的同类产品相比 还存在差距 还不能满足国家建设的需要 我国是一 个机床大国 有三百多万台普通机床 但机床的素质差 性能落后 单台机床的平均产值只有先进工 业国家的 1 10 左右 差距太大 急待改造 3 1 1 CA6140CA6140 车床主传动变速箱结构分析车床主传动变速箱结构分析 机床主轴箱是一个比较复杂的传动件 表达主轴箱各传动件的结构和装配关系时常用展开图 展开 图基本上 是按各传动链传递运动的先后顺序 沿轴心线剖开 并展开在一个平面上的装配图 如图 1 图 1 1 花键套 2 带轮 3 法兰 4 箱体 5 钢球 6 齿轮 7 销 8 9 螺母 10 齿轮 11 滑套 12 元宝销 13 制动盘 14 制动带 15 齿条 16 拉杆 17 拨叉 18 齿扇 19 圆键 该图是沿轴 IV 一 I 一 II 一 III V 一 VI 一 XI 一 X 的轴线剖切面展开的 展开图把立体展开 在一个平面上 因而 其中有些轴之间的距离拉开了 如轴 IV 画得 III 与轴 V 较远 因而使原来相互 4 啮合的齿轮副分开了 读展开图时 首先应弄清楚传动关系 卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴 I 左端的带轮 2 见图 1 的左上部分 带轮 2 与花键套 1 用 螺钉连接成一体 支承在法兰 3 内的两个深沟球轴承上 法兰 3 固定在主轴箱体 4 上 这样带轮 2 可 通过花键 1 带动轴 I 旋转 皮带 的拉力则经轴承和法兰 3 传至箱体 4 轴 I 的花键部分只传递转距 从而可避免因皮带拉力而使轴 I 产生弯曲变 形 这种带轮是卸荷的 既把径向载荷卸给箱体 2 2 数控车床头箱结构分析数控车床头箱结构分析 2 12 1 主传动系统主传动系统 数控车床主运动要求速度在一定范围内可调 有足够的驱动功率 主轴回转轴心线的位置准确稳 定 并有足够的刚性与抗振性 如下图所示为济南第一机床厂生产的 MJ 50 型数控车床的传动系统图 2 22 2 进给传动系统进给传动系统 数控车床进给传动系统是用数字控制 X Z 坐标轴的直接对象 工件最后的尺寸精度和轮廓精度都 5 直接受进给运动的传动精度 灵敏度和稳定性的影响 为此 数控车床的进给传动系统应充分注意减 少摩擦力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙以及减少运动件的惯量等 为使全功能型数控车床进给传动系统要求高精度 快速响应 低速大转矩 一般采用步进电机 通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动 刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线 如图 3 3 所示 MJ 50 数控车床的进给传动系统分为 X 轴进给传动和 Z 轴进给传动 2 32 3 自动回转刀架自动回转刀架 数控车床的刀架是机床的重要组成部分 其结构直接影响机床的切削性能和工作效率 回转式刀 架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具 通过回转头的旋转 分度和定位 实现机床 的自动换刀 回转刀架分度准确 定位可靠 重复定位精度高 转位速度快 夹紧性好 可以保证数 控车床的高精度和高效率 按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置 可分为立式和卧式回转刀架 从它上面我们可以看出 对 CA6140 车床的改造的方向 3 3 机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算 3 13 1 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 3 1 13 1 1 纵向进给机械结构改造方案纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像 溜板箱 滑动丝杠 光杠等 装上步进电机 齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母 副 为了提高支承刚度 采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式 齿轮间隙采用双薄片调隙方式 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体 滚珠丝杆仍安置在原来的位置 两端仍采用 原固定方式 这样可减少改装工作量 并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠 且外径比原先的大 从而使纵向进给整体刚度只可能增大 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速 双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙 因为弹簧的弹力很 难适应负载的变化情况 当负载大时 弹簧弹力显小 起不到消除间隙之目的 当负载小时 弹簧弹 力又显大 则加速齿轮的磨损 因此 采用定期人工调整 螺钉紧固的办法消除间隙 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩 以保持机床原外观 起到美化机床的效果 在溜板箱上安装了纵 向快速进给和急停按钮 以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要 6 3 1 2 3 1 2 横向进给机械结构改造方案横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆 安装滚珠丝杆副 为提高横向进给系统刚度 支承方式采用两端装止推轴承 步进电机 齿轮箱安装于机床后侧 为了使减速机构不影响走刀 同时消除传动过程的冲击 减速机 构采用二级传动 从动轮采用双薄片错位消除间隙 3 23 2 进给伺服机构机械部分的设计计算进给伺服机构机械部分的设计计算 3 2 13 2 1 选择脉冲当量选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向 0 01mm 步 横向 0 005mm 步 半径 3 2 23 2 2 计算切削力计算切削力 1 1 纵车外圆 纵车外圆 主切削力 FZ N 按经验公式估算 FZ 0 67Dmax1 5 0 67 4001 5 5360 按切削力各分力比例 FZ FX FY 1 0 25 0 4 F X 5360 0 25 1340 FY 5360 0 4 2144 2 2 横切端面 横切端面 主切削力 F Z N 可取纵切的 0 5 F Z 0 5FZ 2680 此时走刀抗力为 F Y N 吃刀抗力为 F x N 仍按上述比例粗略计算 FZ FX FY 1 0 25 0 4 F Y 2680 0 25 670 F X 2680 0 4 1072 3 2 33 2 3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型滚珠丝杆螺母副的计算和选型 1 1 纵向进给丝杆的选型 纵向进给丝杆的选型 计算进给牵引力 Fm N 纵向进给为综合型导轨 Fm KFx f Fz G 7 1 158 1340 0 16 5360 800 2530 式中 K 考虑颠复力距影响的实验系数 综合导轨取 K 1 15 f 滑动导轨摩擦系数 0 15 0 18 G 溜板及刀架重力 G 800N 计算最大动负荷 C C 3 LfWFM L 60 n t 106 N 1000 Vs Lo 式中 Lo 滚珠丝杆导程 初选 L 6mm Vs 最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1 2 1 3 此处 Vs 0 6m min T 使用寿命 按 15000h fw 运转系数 按一般运转取 F 1 2 1 5 L 寿命 以 106 为一单位 n 1000Vs Lo 1000 0 6 0 5 6 50r min L 60 N T 106 60 60 15000 106 45 C 3 LfwFm 3 45 1 2 2530 10798 7N 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表 可用 W1L400b 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副 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 大致相当老标准 E 级 传动效率计算 tg tg 试中 螺旋升角 W1L400b 2 44 摩擦角 10 滚动摩擦系数 0 003 0 004 tg tg tg2 44 tg 2 44 10 0 94 3 1 5 刚度验算 最大牵引力为 2530N 支撑间距 L 1500mm 螺母及轴承均进行预紧 预紧力为最大轴向负荷的 1 3 A 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 Pm 2530N D0 40mm 查出 L L 1 2 10 5 8 可算出 1 L L 1500 1 2 10 5 1500 1 8 10 2 由于两端采用向心推力球轴承 且丝杆又进行了预拉伸 故其拉压刚度可以提高 4 倍 其实际变 形量 1 mm 为 1 0 25 10 2 B 滚珠与螺纹滚道间接触变形 q W 系列 1 列 2 5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 q q 6 4 m 因进行了预紧 2 0 5 q 0 5 6 4 3 2 m C 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 采用 8107 型推力球轴承 d1 35mm 滚动体直径 dq 6 34mm 滚动体 数量 Z 18 c 0 0024 3 Fm2 dq Z2 0 0024 3 2532 6 35 182 注意 此公式中 Fm 单位为 kgf 应施加预紧力 故 3 0 5 0 5 0 0075 0 0038mm 根据以上计算 1 2 3 0 0045 0 0032 0 0038 0 0115mm 定位精度 稳定性校核 滚珠丝杆两端推力轴承 不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核 2 2 横向进给丝杆 横向进给丝杆 计算进给牵引力 F m 横向导轨为燕尾形 计算如下 F m 1 4 F y f Fz 2F x G 1 4 670 0 2 2680 2 1072 600 2023N 计算最大动负荷 C n 1000 V3 L0 1000 0 3 0 5 5 30 L 60 n T 106 60 30 15000 106 C 3 LfwF m 3 27 1 2 2030 7283N 选择滚珠丝杠螺母副 9 从附录 A 表 3 中查出 W1L20051 列 2 5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副 额 定动载荷为 8800N 可满足要求 选定精度为 3 级 传动效率计算 tg tg tg4 33 tg 4 33 10 0 965 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如 图所示 最大牵引力为 2425N 支承间距 L 450mm 因丝杠长度较短 不需预紧 螺母及轴承预紧 计算如下 A 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 mm 查图 4 6 根据 F m 2032N D0 20MM 查出 L L 5 10 5 可算出 1 L L L 4 2 10 5 450 1 89 10 2mm 显然系统应进行预拉伸 以提高刚度 故 0 25 1 4 7 10 3 B 滚珠与螺纹滚道间接触变形 查资料 机床数控改造设计与实例 M 1 版 q 8 5 m 因进行了预紧 2 0 5 q 0 5 8 5 4 25 m C 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用 8103 型推力球轴承 dq 5 Z 13 d 17mm c 0 00243 Fm2 dq Z2 0 00243 202 3 5 132 1 3 10 3 考虑到进行了预紧 故 3 0 5 c 0 5 1 3 10 3 6 5 10 4 综合以上几次变形量之和得 1 2 3 4 7 10 3 4 25 10 3 0 0096 0 015 定位精度 稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承 不会产生失稳现象不需作稳定性校核 10 3 2 4 3 2 4 传动比计算传动比计算 1 1 纵向进给齿轮箱传动比计算纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 p 0 01 滚珠丝杠导程 L0 6mm 初选步进电机步距角 0 75 可计算 出传动比 i i 360 p bL 0 390 0 01 0 75 6 0 8 可选定齿轮齿数为 I Z1 Z2 Z1 32 Z2 40 或 Z1 20 Z2 25 2 2 横向进给齿轮箱传动比计算横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 p 0 005 滚珠丝杠导程 L0 5mm 初选步进电机步距角 0 75 可计 算出传动比 i I 360 p bL 0 360 0 005 0 75 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 故此处可采用两 级齿轮降速 i Z1Z2 Z3Z4 3 4 5 5 24 20 40 25 Z1 24 Z2 40 Z3 20 Z4 25 因进给运动齿轮受力不大 模数 m 取 2 有关参数参照下表 齿数 324024402025 分度圆 d mz648048804050 齿顶数 da d 2m688452844454 齿根数 df d 21 25m597543753545 齿宽 6 8 m202020202020 中心距 A d1 d2 2726445 3 2 5 3 2 5 步进电机的计算和选型步进电机的计算和选型 1 1 纵向进给步进电机计算纵向进给步进电机计算 等效传动惯量计算 方法计算如下 传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 J kg cm2 可有下式计算 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 Js G g L0 2 2 式中 Jm 步进电机转子转动惯量 kg cm2 J1 J2 齿轮 Z1 Z2 的转动惯量 kg cm2 11 Js 滚珠丝杠传动惯量 kg cm2 参考同类型机床 初选反应式步进电机 150BF 其转子转动惯量 Jm 10 kg cm2 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 6 42 2 2 6 kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 82 2 6 39 kg cm2 Js 0 78 10 3 44 150 29 952 kg cm2 G 800N 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 29 592 800 9 8 0 6 2 2 36 355 kg cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 Jm J 10 36 355 0 275 基本满足惯量匹配的要求 电机力矩计算 机床在不同的工况下 其所需转距不同 下面分别按各阶段计算 A 快速空载启动力矩 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 Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta nmax max b p 360 将前面数据代入 式中各符号意义同前 nmax max b p 360 2400 0 75 0 01 360 500r min 启动加速时间 ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 36 355 2 500 10 2 60 0 03 634 5N cm 折算到电机轴上的摩擦力距 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 16 5360 800 0 6 2 0 8 1 25 94N cm 附加摩擦力距 M0 12 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 Ft L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2530 0 6 1 0 92 2 0 8 1 25 805 3 0 19 15 3N cm 上述三项合计 M 起 Mamax Mf Ma 634 5 94 15 3 743 8N cm B 快速移动时所需力矩 M 快 M 快 Mf M0 94 15 3 109 3N cm C 快速切削负载时所需力矩 M 切 M 切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 94 15 3 1340 0 6 2 0 8 1 25 94 15 3 127 96 237 26N cm 从上面计算可以看出 M 起 M 快和 M 切三种工况下 以快速空载起动所需力矩最大 以此项 作为初选步进电机的依据 从有关手册 机床数控改造设计与实例 M 查出 当步进电机为五相十拍时 Mq Mjmax 0 951 最大静力矩 Mjmax 743 8 0 951 782N cm 按此最大静力矩从有关手册中查出 150BF002 型最大静转矩为 13 72N m 大于所需最大静转矩 可作为初选型号 但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk 1000Vmax 60 p 1000 2 4 60 0 01 4000Hz Fe 1000Vs 60 p 1000 0 6 60 0 01 1000Hz 从下表中查出 150BF002 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 有关手册中查出 150BF002 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线 当步进电机起动时 f 起 2500 时 M 100N cm 远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩 782N cm 直接使用则会产生失 步现象 所以必须采用升降速控制 用软件实现 将起动频率降到 1000Hz 时 起动力矩可增加到 5884N 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 2 2 纵向进给步进电机计算纵向进给步进电机计算 等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J 可由下式计算 13 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 式中各符号意义同前 其中 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 4 82 2 0 83kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 84 2 6 4 kg cm2 J3 0 78 10 3 d24 L3 0 78 10 3 44 2 0 4 kg cm2 J4 0 78 10 3 d24 L4 0 78 10 3 54 2 0 98 kg cm2 Js 0 78 10 3 24 45 0 56kg cm2 G 600n Jm 4 7 初选反应式步进电机为 110BF 代入上式为 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 4 7 0 83 24 10 2 6 4 0 4 20 25 2 0 98 0 56 600 10 0 5 2 2 8 42kg cm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm J 4 7 8 42 0 558 基本满足惯量匹配要求 电机力矩计算 A 快速空载起动力矩 M M 起 Mamax Mf Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta 式中 nmax max b p 360 1200 0 75 0 005 360 500r min ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 8 42 2 500 10 2 60 0 03 147N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 2 2680 600 0 5 0 48 2 0 8 31 3N cm 附加摩擦力矩 M0 14 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 F t L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2023 0 5 0 48 1 0 92 2 0 8 6 1N cm 上述三项合计 M 起 Mamax Mf Ma 147 31 3 6 1 184 4N cm B 快速移动时所需力矩 M 快 M 快 Mf M0 31 3 6 1 37 4N cm C 最大切削福载时所需力矩 M 切 M 切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 37 4 1072 0 5 0 48 2 0 8 88 6N cm 由上面计算可以看出 M 起 M 快和 M 切三种工况下 以快速空载起动所需力矩最大 故以此项 作为选择步进电机的依据 根据步进电机转矩 Mq 与最大静转矩 Mjmax 的关系可知 当步进电机为三相 六拍时 Mq Mjmax 0 866 最大静力矩 Mjmax 184 4 0 866 213N cm 查 BF 反应式步进电机技术参数得 110BF003 型步进电机最大静转矩为 7 84N m 大于所需最大 静转矩 可