C6132车床纵、横向进给毕业设计 论文.doc

毕业设计报告 论文 报告 论文 题目 C6132 车床纵 横向进给数 控化改造 作者所在系部 机械工程系 作者所在专业 机械设计制造及其自动化 作者所在班级 B06114 作 者 姓 名 作 者 学 号 2006401105 指导教师姓名 完 成 时 间 2010 年 6 月 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 2 北华航天工业学院 本科生毕业设计 论文 原创性及知识产权声明 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 C6132 车床纵 横向进给数 控化改造 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作取得的成果 除文中已经注 明引用的内容外 本设计 论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或 成果 对本设计 论文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标 明 因本毕业设计 论文 引起的法律结果完全由本人承担 本毕业设计 论文 成果归北华航天工业学院所有 本人遵循北华航天工业学院有 关毕业设计 论文 的相关规定 提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 本人同 意北华航天工业学院有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以营利为目的 的前提下 可以公布非涉密毕业设计 论文 的部分或全部内容 特此声明 毕业设计 论文 作者 指导教师 2010 年 06 月 10 日 2010 年 06 月 10 日 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 应用成熟的数控技术理论 以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造 可以恢复 甚至提高原机床的精度 适应工业高速跨越式发展的要求 为此机床数控化改造在国际 国内作为新的经济增长行业获得了很大的发展 本文以 c6132 车床为对象 对此车床进 行了数控化改造 通过 c6132 普通车床的数控化改造 阐述了车床的数控化改造的方案 详细论述了 c6132 车床的主轴传动系统 进给传动系统 数控系统的改造过程 为节约成本和以后 对机床的维修提供了方便 关键词 数控 改造 车床 数控系统 北华航天工业学院毕业论文 I I Abstract Computer numerical control cnc machine tools innovation was conducted by application sophisticated cnc technology theory and low cost The accuracy of the original machine can be restored or even improved so that it can be adapted to industrial requirements of high speed development by leaps and bounds CNC machine tools innovation was greatly developed as a new international and domestic economic growth industry In the paper CNC machine tools innovation programs technical route and so on was analyzed taking C6132 common machine as research objects Through the numerical control transformation of c6132 ordinary lathe have explained the scheme of numerical control transformation of the lathe have described the main shaft transmission of c6132 lathe entered to transforming the course of the transmission numerical control system in detail in order to save the cost and provide convenience to the maintenance of the lathe afterwards Keywords NC transformation lathe CNC System 北华航天工业学院毕业论文 I I 北华航天工业学院毕业论文 I I 目 录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT I I 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 课题综述 1 1 1 1 选题原因 1 1 1 2 数控车床发展现状 1 1 1 3 数控车床在生产中的应用 2 1 2 C6132 车床简介 3 1 2 1 C6132 车床的组成部分及其功用 3 1 3 普通车床数控化改造的必要性 4 1 3 1 数控车床改造的必要性 4 1 3 2 数控机床改造的优点 5 1 3 3 数控机床改造的设计步骤 5 第第 2 2 章章 C6132C6132 车床的改造车床的改造 7 7 2 1 设计方案的确定 7 2 1 1 设计任务 7 2 1 2 总体设计方案的确定 7 2 2 机械部分改造设计与计算 9 2 2 1 纵向进给系统的设计 9 2 2 2 横向进给系统的设计与计算 17 第第 3 3 章电气控制部分设计章电气控制部分设计 2323 3 1 车床的主要结构及运动形式 23 3 2 电气线路分析 23 3 2 1 主电路分析 23 3 2 2 控制电路分析 24 3 2 3 照明和信号电路的分析 25 第第 4 4 章章 微机数控系统硬件电路设计微机数控系统硬件电路设计 2626 4 1 单片微机数控系统硬件电路设计内容 26 4 1 1 绘制系统电气控制的结构框图 26 4 1 2 选择中央处理单元 CPU 的类型 26 4 1 3 存储器扩展电路设计 26 4 1 4 输入 输出接口电路设计 27 4 2 专用接口设计 27 4 2 1 显示功能设计 27 4 2 2 键盘输入功能设计 27 4 2 3 步进电机接口及驱动电路 27 北华航天工业学院毕业论文 I I 4 2 4 其他辅助电路 30 4 3 微机数控系统硬件电路设计 31 4 3 1 C6132 普通车床微机数控化改装设计硬件电路 31 总结总结 3333 致致 谢谢 3434 参考文献参考文献 3535 北华航天工业学院毕业论文 1 C6132 车床纵 横向进给数控化改造 第第 1 1 章章 绪绪论论 1 11 1 课题综述课题综述 1 1 1 选题原因 目前 我国现有数以万计的陈旧 落后 普通机床 如果直接处理了 将直接影响到 生产 也会给企业带来经济损失 同时 企业现有的数控机床长期处于运转甚至超负荷 使用 缺少认真的维修和保养 造成机床严重磨损 丧失了精度 有些原有的数控机床 性能已不能满足使用要求 急需更新改造 随着现代化机械加工技术向高效率 高精度 方向发展 现代数控机床也朝着精密化 复杂化方向发展 在机械加工中 机床状态的好 坏直接影响着被加工零件的加工质量及机械加工效率 从保证零件机械加工质量 提高加 工效率讲 目前许多机械加工车间里普通机床无法做到这点 以满足车间生产的需要 数 控机床 特别是多轴数控 多轴联动的数控机床是高效 高质量产品制造的关键设备 也是结构较复杂 自动化程度高 精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品 随着科学技术的发展和机械制造技术的进步 必将推动数控机床的开发应用 逐步 形成高档 普及型和经济型构成比合理的数控机床系列 以满足各种不同用户的需要 数控机床是集机 电 仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品 是同时具 备高效率 高质量 高柔性等优点的工作母机 随着 CNC 技术的不断完善和微处理机直接 用于机床后 数控车床的性能价格比得到极大的完善 不仅可以提高加工质量和效率 还 能实现对各种复杂的零件的加工 达到了普通机床无法取得的效果 这就使得数控机床 成为不仅是一种技术上先进 而且是一种经济上合理的机床 不仅现在富有旺盛的生命 而且是未来机械工厂自动化的基础 1 1 2 数控车床发展现状 从 20 世纪中叶数控技术出现以来 数控机床给机械制造业带来了革命性的变化 数 北华航天工业学院毕业论文 2 控加工具有如下特点 加工柔性好 加工精度高 生产率高 减轻操作者劳动强度 改 善劳动条件 有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高 数控机床是一种高度机电 一体化的产品 适用于加工多品种小批量零件 结构较复杂 精度要求较高的零件 需 要频繁改型的零件 价格昂贵不允许报废的关键零件 要求精密复制的零件 需要缩短 生产周期的急需零件以及要求 100 检验的零件 数控机床的特点及其应用范围使其成为 国民经济和国防建设发展的重要装备 进入 21 世纪 我国经济与国际全面接轨 进入了一个蓬勃发展的新时期 机床制造 业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机 也遭遇到加入世界 贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力 加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持 续发展的一个关键 随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术 的飞速进步 数控机床的应用范围还在不断扩大 并且不断发展以更适应生产加工的需 要 本文简要分析了数控机床高速化 高精度化 复合化 智能化 开放化 网络化 多轴化 绿色化等发展趋势 并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题 我国数控 机床近年来在生产和应用方面都有较快发展 但与工业发达的国家相比 差距很大 按 照国民经济发展急需和机械工业振兴战略 机械工业部提出以数控机床为代表的重要基 础机械作为机械工业振兴规划的发展重点之一 1 1 3 数控车床在生产中的应用 数控车床是集机 电 仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品 是同时具 备高效率 高质量 高柔性等优点的工作母机 其显著的优点是 对零件变化的适应性 强 更换零件只需改变相应的程序 对刀具进行简单的调整即可做出合格的零件 为节 约成本赢得先机随着 CNC 技术的不断完善和微处理机直接用于机床后 数控机床的性能价 格比得到极大的完善 不仅可以提高加工质量和效率 还能实现对各种复杂零件的加工 达到了普通磨刀机无法取得的效果 这就使得数控车床成为不仅是一种技术上先进 而且 是一厂自动化的基础 数控车床一般具有两轴联动功能 Z 轴是与主轴平行方向的运动轴 X 轴是在水平面 内与主轴垂直方向的运动轴 远离工件方向为轴的正向 另外在最新的车铣加工中心 还增加了一个 C 轴 可用于工件的分度功能 在刀架中安放铣刀 对工件进行铣加工 刀具超过 12 把称为加工中心 数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面 圆锥面 螺纹表面 成形回转体面等 对于盘类零件可以进行钻孔 扩孔 绞孔 镗孔等 机床 还可以完成车端面 切槽 倒角等加工 一种经济上合理的机床 不仅现在富有旺盛的生命 而且在未来机械工机械加工中 北华航天工业学院毕业论文 3 常遇到复杂零件的加工或修整问题 多数厂家使用普通车床进行加工 其效率低 操作 麻烦 普通普通车床加工又保证不了精度 因此 有必要开发一种操作便捷的价格低廉 的数控车床 1 1 2 2 C6132C6132 车床简介车床简介 1 2 1 C6132 车床的组成部分及其功用 C6132 车床由床身 床头箱 变速箱 进给箱 光杆 丝杆 溜板箱 刀架 床腿 和尾架等部分组成 1 床身 是车床的基础零件 用来支承和安装车床的各部件 保证其相对位置 如床头箱 进给箱 溜板箱等 床身具有足够的刚度和强度 床身表面精度很高 以保 证各部件之间有正确的相对位置 床身上有四条平行的导轨 供大拖板 刀架 和尾架 相对于床头箱进行正确的移动 为了保持床身表面精度 在操作车床中应注意维护保养 2 床头箱 主轴箱 用以支承主轴并使之旋转 主轴为空心结构 其前端外锥 面安装三爪卡盘等附件来夹持工件 前端内锥面用来安装顶尖 细长孔可穿入长棒料 C6132 车床主轴箱内只有一级变速 其主轴变速机构安放在远离主轴的单独变速箱中 以减小变速箱中的传动件产生的振动和热量对主轴的影响 3 变速箱 由电动机带动变速箱内的齿轮轴转动 通过改变变速箱内的齿轮搭配 啮合 位置 得到不同的转速 然后通过皮带轮传动把运动传给主轴 4 进给箱 又称走刀箱 内装进给运动的变速齿轮 可调整进给量和螺距 并将运 动传至光杆或丝杆 5 光杆 丝杆 将进给箱的运动传给溜板箱 光杆用于一般车削的自动进给 不 能用于车削螺纹 丝杆用于车削螺纹 6 溜板箱 又称拖板箱 与刀架相联 是车床进给运动的操纵箱 它可将光杆传 来的旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线进给运动 可将丝杆传来的旋转运动 通过 对开螺母 直接变为车刀的纵向移动 用以车削螺纹 7 刀架 用来夹持车刀并使其作纵向 横向或斜向进给运动 它包括以下各部分 1 大拖板 大刀架 纵溜板 与溜板箱连接 带动车刀沿床身导轨纵向移动 其上面有横向导轨 2 中溜板 横刀架 横溜板 它可沿大拖板上的导轨横向移动 用于横向车 削工件及控制切削深度 3 转盘 它与中溜板用螺钉紧固 松开螺钉 便可在水平面上旋转任意角度 其上有小刀架的导轨 北华航天工业学院毕业论文 4 4 小刀架 小拖板 小溜板 它控制长度方向的微量切削 可沿转盘上面的导轨作短距离移动 将转盘偏转若干角度 后 小刀架作斜向进给 可以车削圆锥体 5 方刀架 它固定在小刀架上 可同时安装四把车刀 松开手柄即可转动方刀 架 把所需要的车刀转到工作位置上 8 尾架 安装在床身导轨上 在尾架的套筒内安装顶尖 支承工件 也可安装钻头 铰刀等刀具 在工件上进行孔加工 将尾架偏移 还可用来车削圆锥体 使用尾架时注 意 1 用顶尖装夹工件时 必须将固定位置的长手柄扳紧 尾架套筒锁紧 2 尾架套筒伸出长度 一般不超过 100mm 3 一般情况下尾架的位置与床身端部平齐 在摇动拖板时严防尾架从床身上落下 造成事故 1 31 3 普通车床数控化改造的必要性普通车床数控化改造的必要性 随着社会生产和科学技术的发展 机械产品的性能和质量的不断提高 产品的更新 换代和不断加快 因此 对机床不仅要求具有较高的精度和生产率 还要能迅速的适应 产品零件的变换 生产的需要 促进了数控机床的生产 近年来 加快了数控机床技术 的引进 促进了数控机床的生产 各大企业不断的购进数控机床 扩大再生产和替换陈 旧设备 所以 机床数控化改造有其历史的必然性和优点 1 3 1 数控车床改造的必要性 数控机床可以较好地解决形状复杂 精密 小批及多变零件的加工问题 能够稳定 加工质量和提高生产率 但是数控机床的应用也受到其它条件的限制 1 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大 对中小企业常是心有余而力不足 2 目前是 各企业都有大量的普通机床 完全用数控替换根本不可能 而且替代 下的机床闲置起来又会造成浪费 3 在国内 订购新数控机床的交货周期一般较长 往往不能满足生产急需 4 通用数控机床对具体生产有多余功能 要较好地解决上述问题 应走普通机床数控改造之路 在国外已发展成为一个新兴 的工业部门 早 60 年代已经开始迅速发展 并有专门企业经营这门业务 从美 国 日 本等工业化国家的经验看 机床的数控改造也心不可少 数控改造机床占有较大比例 如日本的大企业中有 26 的机床经过数控改造 中小企业则是 74 在美国有许多数控专 业化公司为世界各地提供数控改造业务 我国是拥有 300 多万台机床的国家 而这些机 北华航天工业学院毕业论文 5 床又大量是多年累积生产的通用机床 自动化程度低 要在近几年内用自动和精密设备 更新现有机床 不论是资金还是我国机床制造厂的能力都是办不到的 因此 普通机床 的数控改造 大有可为 它适合我国的经济水平 教育不平和生产水平 已成为我国设 备技术改造主要方向之一 1 3 2 数控机床改造的优点 数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造 配上数控装置 从而使 机床具有数控加能力 其改造的优点有 1 从提高资本出发 必造闲置设备 能发挥机床的原有功能改造后的新增功能 提高机床的使用价值 2 适应多品种 小批量零件生产 3 自动化程度高 专业性缋 工精度高 生产效率高 4 降低对工人技术水平的要求 5 数控改造的费用低 经济性好 6 数控改造的财期短 可满足生产急需 1 3 3 数控机床改造的设计步骤 将普通机床改造为数控机床 是一项技术性很强的工作 必有根据加工对象的要求 和工厂实际情况 确定切实可行的技术改造方案 搞好机床的改造设计 其改造设计的 一般过程如下 1 对加工对外进行工艺分析 确定工艺方案被加工工件既机术改造的依据 又是 机术改造后加工的对象 不同形状 不同技术要求的工伯 其加工方法就不同 对机术 的要求也不相同 例如 对于圆柱形状的零件可用车削 外圆磨待方法加工 而平面则 一般用铣削 平面磨等方法加工 对精度 表面粗糙度要求一般的外圆柱表面 常用车 削加工 而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆磨床上加工 在工艺分析基础上 绘制工序图 初步选定切削用量 刀具运动路线 计算 估算 生产率 然后计算切削 力及切削功率 从而计算出进给系统需要的功率和力矩等 这是选择方案及驱动部件的 依据 目前多用类比法或测定法完成 2 分析被改造机床 确定被改造机术类型 改造机床和设计机床是不同的 机床 设计是根据设计任务书 对机床的整机进行设计 然后将机床的各组成零 部件逐一地 制造 最后装成机床 而机术改造则是围绕某台机床进行工作 不仅要考虑机床本身结 构的改造 还要考虑工艺系统中的刀具 夹具及其它辅具的改进 以满足生产的需要 在制定机床改造方案时 可先根据制定的艺方案 初步待定被改造机床的类型 然后对 被选定的机床进行认真分析 了解被改造机床的技术规格 技术状况 各部联系尺寸等 分析机床强度和刚度 分析被改造机床能否适应改造要求以及经济性等 最后确定被改 北华航天工业学院毕业论文 6 造机床的型号 3 拟定技术措施 制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况 拟定应采取的技术措施 制定出机床的改造方案 选用外购件时 一定要保证质量 在 拟定技术措施 制定改造方案的过程中 应充分进行技术经济分析 力求使改造的机床 不仅能满足技术性能的要求 还要获得最佳的经济效益 使技术的先进性与经济的合理 性较好地统一起来 4 设计或选用数控装置 在满足加工零件要求的同时 尽量使设计的数控装置 功能强 稳定可靠 通用性好 价格低 或选用国内生产较好的专用数控装置 5 进行机床改造的技术设计 6 绘制机床改造的工作图 7 整机安装调试 以上各步 并非一成不变 而是要根据实际情况相互穿插 有时要反复进行 直至 达到改造要求为止 北华航天工业学院毕业论文 7 第第 2 2 章章 C C6 61 13 32 2 车车床床的的改改造造 利用微机改造现有的普通车床 主要应该解决的问题是如何将机械传动进给和手工 控制的刀架转位 进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车 床 即经济性数控车床 2 12 1 设计方案的确定设计方案的确定 C6132 型车床是一种加工效率高 操作性能好 社会拥有量大的普通机床 实践证 明 把这种车床改造为数控车床 已经收到了良好的经济效果 2 1 1 设计任务 本设计任务是对 C6132 普通车床进行数控改造 利用微机对纵 横向进给系统进行 开环控制 纵向快速运动速度为 3m min 横向快速运动速度为 1 5m min 纵向脉冲当量 为 0 01 横向脉冲当量为 0 005 驱动元件采用步进电机 传动系统采用滚珠丝杠副 刀架采用自动转位刀架 2 1 2 总体设计方案的确定 卧式车床进行数控化改造 可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度 而合理 选择数控系统和改造方案 可保证改造效果和降低成本 考虑具体的改造方案时 基本 原则是在满足使用要求的前提下 对机床的改动尽可能少 以降低成本 C6132 车床总体改造方案为 增配车床数控系统 更换进给运动的滑动丝杠传动为 滚珠丝杠传动 采用步进电动机驱动进给轴运动 加装编码器 配置自动回转刀架实现 自动换刀功能 具体的改造主要从 伺服系统的改造设计 机械结构的改造设计 等几个方面来进 行 通过改造使其具有数控机床的一般特性 下面就从各个部分来具体阐述这次的设计 方案 2 1 2 1系统的运动方式与伺服系统的选择 在普通机床的数控化改造中一般采用步 进电动机和交流伺服电动机 交流伺服电动机调速方便 体积小 目前广泛用于数控机 床的传动系统 与步进电动机相比 其精度高 价格昂贵 考虑到改造本身是经济型改 造 因此一般选用步进电动机作为驱动装置 车床步进电动机采用脉冲数字信号进行控 制 每转一转步距误差自动变为零 能方便地实现调速以及定位 改变各相绕组的接通 北华航天工业学院毕业论文 8 次序即可实现正反转 易于控制 且价格低廉 数控车床上大多使用反应式步进电动机 在需要快速移动大距离的条件下 应选择转动惯量小 运行频率高 价格较低的反应式 步进电动机 经过全面考虑 在C6132的数控化改造中 选用反应式步进电动机作为纵向和横向的 进给驱动 理由是 该系统控制方便 由数控系统送出的进给指令脉冲 经驱动电路控 制和功率放大后 使步进电动机转动 通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件 只要控 制指令脉冲的数量 频率以及通电顺序 便可以控制执行部件运动的位移量 速度和运 动方向 该系统结构简单 易维修 性价比高 考虑改造后的C6132机床精度要求 数控 化改造后纵向精度为0 01mm 步 横向精度为0 005mm 步 加工精度要求不算太高 为了简化结构 降低成本 车床故选择步进电动机驱动的开环控制系统 2 1 2 2计算机系统 根据机床要求 采用8位微机 由于MCS 51系列单片机具有集成度高 可靠性好 功能强 速度快 抗干扰能力强 具有很高的性能价格比等特点 决定采用 MCS 51系列的8031单片机扩展系统 控制系统由微机部分 键盘及显示器 1 0接口及光电隔离电路 步进电机功率 放大电路等组成 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现 显示器采用两排数码 管显示加工数据及机床状态等信息 2 1 2 3机械部分的改造 机械部分的改造 在原机床的基础上 去掉挂轮箱 保留三星齿 轮 进给箱 溜板箱 刀架部分 保留大拖板 中拖板 为实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠 为保证一定的 传动 精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠丝杠螺母副 同时 为提高传动刚度和 消除间隙 采用有预加负荷的结构 齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构 北华航天工业学院毕业论文 9 图 1 1 改后进给示意图 纵 横向丝杠的改造去掉机床的进给传动系统 安装上滚珠丝杠 减速器接口 步 进电动机 这类小型机床在中间设置一级传动结构的目的是提高伺服电动机的使用寿命 对于瞬时性的快速起 停起到一定的缓冲作用 系统总体方案框图见图 1 2 图1 2 经济型数控车床总体方案框图 2 22 2 机械部分改造设计与计算机械部分改造设计与计算 2 2 1 纵向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单 一般是步进电机经减速后驱动滚 珠丝杠 使刀架横向运动 步进电机安装在大拖板上 用法兰盘将步进电机和机床大拖 板连接起来 以保证其同轴度 提高传动精度 2 2 1 1其主要设计参数如下 加工最大直径 在床面上 320mm 在床鞍上 160mm 加工最大长度 750mm 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 500N 刀架快速速度 纵向 3m min 横向 1 5m Min 脉冲当量 纵向 0 01mm 横向 0 005mm 主电机功率 3KW 起动加速时间 30ms 机床定位精度 0 015mm 2 2 1 2此机床进给伺服系统运动及动力计算如下 北华航天工业学院毕业论文 10 1 脉冲当量 纵向 0 01mm 横向 0 005mm 2 计算切削力 主切削力 主切削力 N 按经验值来计算 Z F 0 67 1 5 0 67 3201 5 3835 30N 3835N Z F max D 按切削力各分力比例 1 0 25 0 4 Z F X F Y F 0 25 3835 958 83N 959N X F 3835 0 4 1534 12N 1534N Y F 纵向进给系统 Vmax 1000r min 工作台重量 W 800N 丝杠转速 Nj 滚珠丝杠导程 L0 8mm 脉冲当量 0 01mm 由 机床设计手册 可知 切削功率 N K C N N 电机功率 N 3KW 主传动系统总效率 一般为 06 0 7 取 0 65 K 进给系统功率系数 取为 K 0 96 3 0 65 0 96 1 872KW C N 又因为 Vc 切削速度 100 C N 6120 FzV 主切削力 Z F 61206120 1 872 1145 664 100 Nc N V 由 金属切削原理 可知 Cpz p XF fK查表 Cpz 833 85 XF 1 YF 0 7 Z F Y F Z F 当 1145 66N 时 切削深度 p 2mm Z F 走刀量 f 0 3mm 从 机床设计手册 中可得知 在一般外圆车削时 0 1 0 6 0 15 0 7 X F Z F Y F Z F 0 5Fz 0 5 1145 664 572 832N X F 0 6Fz 0 6 1145 664 687 4N Y F 3 滚珠丝杠计算 综合导轨车床丝杠轴向力 北华航天工业学院毕业论文 11 P K f W X F Z F K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 一般取 K 1 15 横向切削分力 X F 垂直切削分力 z F f 导轨上的摩擦系数 f 0 15 0 18 取 f 0 16 W 工作台作用在导轨上的重力 W 800N 则 P 1 15 572 8 0 16 1145 7 800 970N 强度计算 寿命值 工件直径 34mm T 15000h 6 60 10 nT L T 使用寿命 数控机床及一般机电设备取 T 15000h n 为丝杠为每分钟转数 0 10001000 100 0 3 35 min 34 8 vf nr DL 因为 6 10 60nTL 6 6 60 35 15000 31 5 10 10 Lr 最大动负载 PfPfLC Hw 3 滚珠丝杠副的寿命 单位为 r L 6 10 载荷系数 平衡或轻度冲击取 1 0 1 2 中等冲击取 1 2 1 5 较大冲击或 w f 振动取 1 5 2 5 现取 1 2 w f 硬度系数 58HRC 时 取 1 0 等于 55HRC 时 取 1 11 等于 52HRC 时 取 H f 1 35 等于 50HRC 时 取 1 56 等于 45HRC 时 取 2 4 现取 1 0 H f P 滚珠丝杠副的最大工作载荷 单位为 N 则 3 31 5 1 2 1 9703676 12CN 由最大动负载 C 的值 查表选用滚珠丝杆螺母副的型号为 CDT2508 2 5 型 双螺母 垫片预紧 其额定动载荷为 17kN 滚珠丝杆螺母几何参数计算如下 表 2 1 滚珠丝杠螺母几何参数表 名称符号计算公式和结果 mm 公称直径d025 螺距p8 北华航天工业学院毕业论文 12 接触角 45 0 钢球直径 w D4 763 螺纹滚道法向半径R 2 48 w DR52 0 偏心距e 0 07 sin2 w DRe 螺纹升角 3 42 0 arctan d p 螺杆大径 d d d 0 2 24 05 0w D 螺杆小径 d1d d 2e 2R 20 18 10螺杆 螺杆接触点直径 K d d cos 21 63 K d 0w D 螺母螺纹大径 D D 29 82Red22 0 螺母 螺母螺纹小径 D1 D1 d 0 2 25 5 0w D 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tg tg 摩擦角 螺旋升角 4 22 0 96396 3 4 2210 tg tg 4 刚度计算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起滚珠丝杠的导程发生变化 直接影响定位精度和运动 的平稳性 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 0 PL l EF 式中 号用于拉伸 号用于压缩 P 滚珠丝杠的最大工作载荷 单位为 N L 滚珠丝杆导程 单位为 mm 00 80 8Lmmcm E 材料弹性模数 62 20 6 10 EN cm F 滚珠丝杠按底径计算的截面积 单位为 1 d 2 mm 滚珠丝杠机械回徎 2 4 85 18 5 22 d F 则 6 0 6 970 0 8 2 04 10 20 6 1018 4745 PL lcm EF 北华航天工业学院毕业论文 13 滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 很小 2 l 总误差muml L 55 2 102551004 2 8 0 100100 66 0 查表知 C 级精度 丝杠允许的螺距误差为 54m m 刚度足够 5 稳定性验算 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 6 齿轮及转距有关计算 因为步距角 0 75 滚珠丝杠螺距 8mm 要实现脉冲当量 0 01mm step 则 0 L F 应在步进电机与滚珠丝杠之间加一级齿轮降速传动 降速传动比为 传动比 0 0 75 8 1 67 360360 0 01 L i p Z1 24 Z2 44 故可取模数 m 2mm 20 因传递的扭矩较小 取模数 m 2 齿轮有关尺寸如下表 表 2 2 齿轮参数表 名称关系式小齿轮大齿轮 齿数Z 2444 压力角 20 20 分度圆直径d mz 4888 齿顶圆直径mhzd aa 2 5292 齿根圆直径 mchzd af 22 4383 基圆直径 cosddb 45 182 7 齿距 mp 6 28 基圆齿距 cosppb 5 9 齿厚2ms 3 14 齿槽宽2me 3 14 顶隙mcc 0 5 齿 宽 6 10 m20 北华航天工业学院毕业论文 14 标准中心距2 21 zzma 68 注 表中 为齿顶高系数 1 为顶隙系数 0 25 a h c 7 转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 222 1 468 0 800 75 0 01 0 180 180 cmNW P J 丝杠转动惯量 44442 1 7 8 107 8 104 8543 16 jD LcmN cm 丝 齿轮转动惯量 244 1 828 0 28 4108 7cmNJL 244 2 36 9 28 8108 7cmNJL 电动机转动转动惯量很小可以忽略 因此 总的转动惯量 cmNJJJJ i J LL 128 20468 0 828 0 36 9 16 43 67 1 1 1 2 112 2 丝 8 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M Mamax Mf Mt 式中 Mamax 快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf 折算到电动机轴的摩擦力矩 Mt 丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 最大切削负载时所需力矩 M Mat Mf M0 Mt Mat 电机轴上的加速度力矩 快速进给时所需的力矩 M Mf M0 式中 Mamax 空载 max max 2 60 a n MJ T T 30ms 当 n n 时 Ma Mat t V 100 D 88 北华航天工业学院毕业论文 15 00 1000 1000 100 0 3 1 67 22 65 min 8 3 14 88 t V fi n fi D nr LL 主 2 20 128 22 65 101 583 15 83 9 69 6 0 003 at Jn Mkgf cmN cm T 000 22 z f F LfPW L M ii W 800N 0 8 f 0 16 cmNM f 8 296 167 0 8 02 8 0 800664 1145 16 0 2 000 0 1 2 P L M i 当时预加载荷则 0 0 9 0 1 3 PFx cmNcmkgf i FxL 58 34 458 3 67 1 8 02 9 01 8 0832 572 3 1 2 1 3 1 M 22 00 0 cmkgf i FxL Mt 6 54 67 1 8 02 8 032 578 2 0 所以快速空载时所需力矩 M Mamax Mf M0 234 7 296 7 34 58 565 98N cm 起 切削时所需力矩 M快 Mat Mf M0 Mt 15 83 296 7 34 58 54 6 401 7N cm 快速移动时 F 需力矩 M切 Mf M0 296 7 34 58 331 28N cm 从上面计算可得 M起 M快 M切三种情况下 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 从国产 BF 反应式步进电机技术数据表查出 当步进电机为五相十序时 0 951 max M M 起 cmN M 14 595 951 0 98 565 M max 起 9 电机的选择 北华航天工业学院毕业论文 16 由机床设计手册查得 110BF003 型最大静转矩为 800N M 大于所需静转矩 计算步进电机空载起动频率和切削时工作频率 Hz p V fk5000 01 0 60 31000 60 1000 max Hz p Vs fe2000 01 0 60 2 11000 60 1000 由手册查得 110BF003 型步进电机允许的最高空载起动频率为 1500HZ 运行频率为 7000HZ 步进电机启动时频率不能满足要求 此项指标可暂不考虑 可以采用软件开降 速程序来解决 当快速切削进给时 能满足要求 110BF003 型步进电机的基本参数如下 相数 3 步距角 0 75 1 5 度 电压 80V 相电流 6A 最大静转矩 800N cm 最高空载启动频率 1500Hz 运行频率 7000Hz 线圈电阻 0 37 分配方式 三相六拍 重量 6Kg 外形尺寸 160110 轴径 11 纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠 将步进电机减速齿轮箱安装在原机 床的尾端 滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置 两端仍采用原固定方式 这样可以减小改装 工作量 并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠 从而使纵向进给机构整体刚度增大 为 了便于安装滚珠丝杠副 丝杠轴不是整体的 而是分移式的 用套筒刚性联接 采用一 级齿轮减速 北华航天工业学院毕业论文 17 图2 1纵向进给系统计算简图 2 2 2 横向进给系统的设计与计算 1 横向进给系统的设计 一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠 使刀架横向运动 步进电机安装在大拖板上 用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来 以保证其同轴 度 提高传动精度 2 计算 脉冲当量 步距角0 005 p mm 0 75 快速进给量 Vmax 1 5m min 切削力计算 横向进给为纵向进给的 取 则 11 23 1 2 切削力改为纵向的 W 500 2 1 11 1145 664572 832 22 FzFzN 在切断工件时 0 5 0 5 572 832286 416 yz FFN 2 p mm 起刀量 0 2mmf 3 滚珠丝杠计算 综合导轨车床丝杠轴向力 用燕尾型导轨 则 NWFfKFP zy 55 615 500832 572 2 0416 2864 1 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 取 K 1 4 寿命值 一般取 T 15000h 1 1 6 60 10 nT L 1 min 126 6 5 05 110001000 0 r L V n s 北华航天工业学院毕业论文 18 则 4 113 10 1500012660 6 1 L 最大动负载 NPFfLC mw 3575 5 6152 1 4 113 3 3 滚珠丝杠副的寿命 单位为 r L 6 10 载荷系数 平衡或轻度冲击取 1 0 1 2 中等冲击取 1 2 1 5 较大冲击或 w f 振动取 1 5 2 5 现取 1 2 w f 硬度系数 58HRC 时 取 1 0 等于 55HRC 时 取 1 11 等于 52HRC 时 H f 取 1 35 等于 50HRC 时 取 1 56 等于 45HRC 时 取 2 4 现取 1 0 H f P 滚珠丝杠副的最大工作载荷 单位为 N 选择滚珠丝杠副 由最大动负载 C 的值 查表选用滚珠丝杆螺母副的型号为 CDT2006 2 5 型 双螺母 垫片预紧 其额定动载荷为 8 63kN 滚珠丝杆螺母几何参数计算如下 表 2 3 滚珠丝杠螺母几何参数表 名称符号计算公式和结果 mm 公称直径d020 螺距p6 接触角 45 0 钢球直径 w D3 175 螺纹滚道法向半径R 1 65 w DR52 0 偏心距e 0 044 sin2 w DRe 螺纹滚道 螺纹升角 3 42 0 arctan d p 螺杆大径 d d d 0 2 19 365 0w D 螺杆小径 d1d d 2e 2R 16 788 10螺杆 螺杆接触点直径 K d d cos 17 755 K d 0w D 螺母螺纹大径 D D 23 212Red22 0 螺母 螺母螺纹小径 D1 D1 d 0 2 20 635 0w D 4 效率计算 螺纹升角 摩擦角 3 39 10 北华航天工业学院毕业论文 19 传动效率 3 39 96 3 39 10 tgtg tgtg 5 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化车 6 0 2 6 615 5 0 6 4 3 10 20 6 107 174 PL lcm EF 式中 号用于拉伸 号用于压缩 P 滚珠丝杠的最大工作载荷 单位为 N L 滚珠丝杆导程 单位为 mm L 0 6 00 E 材料弹性模数 62 20 6 10 EN cm F 滚珠丝杠按底径计算的截面积 单位为 1 d 2 mm 22 2 45 3 147 174 22 d F 滚珠丝受扭矩引起的导程变化量很小 故可以忽略 即 1 l 总误差 66 0 100100 4 3 10766 107 66 0 6 lum m L 查表 取精度 4 级的丝杠允许的螺距误差为 10um m 故刚度足够 6 齿轮计算 2 54 0 675 0 005 0 360 360 0 L i p 因传递的扭矩较小 取模数 m 2 齿轮有关尺寸如下表 表 2 4 齿轮参数表 名称关系式小齿轮大齿轮 齿数Z 1640 压力角 20 20 分度圆直径d mz 3280 齿顶圆直径mhzd aa 2 3684 齿根圆直径 mchzd af 22 2775 基圆直径 cosddb 30 0775 18 齿距 mp 6 28 基圆齿距 cosppb 5 9 北华航天工业学院毕业论文 20 齿厚2ms 3 14 齿槽宽2me 3 14 顶隙mcc 0 5 齿 宽 6 10 m20 标准中心距2 21 zzma 56 注 表中 为齿顶高系数 1 为顶隙系数 0 25 a h c 7 稳定性计算 计算临界负载其FK N 2 2 L EIf F Z K 式中 E 材料弹性模量 钢 E 20 6 1O6N cm2 I 截面惯性矩 cm4 丝杠 di为丝杠内径 4 1 64 dI L 丝杠两支承端距离 cm 丝杠支承方式系数 从表4 13中查出 一端固定 一端简支fZ 2 00 Z f 7 67 1155 78214 78214 45 3899 0 106 202 3899 0 6788 1 6464 2 62 2 2 444 1 k m k k Z K n F F n N L IEf F cmdI 一般 nk 2 5 4 此滚珠丝杠不会产生失稳 8 转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 2232 1 180 180 0 005 500 100 0730 0 75 p JWkg cm 丝杠转动惯量 442 7 8 102 4510028 10 Jkg cm 丝 442 1 442 2 7 8 101 520 0079 7 8 10320 1263 z z Jkg cm Jkg cm 电动机转动惯量很小可忽略不计 因此 总的转动惯量为 北华航天工业学院毕业论文 21 2 211 2 2 11 28 100 1263 0 00790 0737 137 30 15 zz JJJJJkg cm i 丝 所需转动力矩计算 max max 0 1000 2 333 6 min 6 Vi nr L ta 25ms 2 max max 27 137 2333 3 1099 64 6060 0 025 a a n MJN cm t 00 10001000 100 0 2 2 70 7 min 3 14 30 6 t n fiVfi nr LDL 主 44 7 137 70 7 10100 2102 9 69 6 0 025 at Jn MN cm Y cmN i LGpf i LF M z f 24 10 28 02 6 0 500932 572 16 0 2 2 0 00 0 0022 000 1 286 416 0 6 3 1 1 17 09 2220 8 2 y p FL F L MN cm ii 快速空载启动时所需转矩 M Mamax Mf M0 99 64 10 24 1 08 110 96N cm 切削时所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 0 2102 10 24 1 08 17 09 28 62N cm 快速进给时所需转矩 M Mf M0 10 24 1 08 11 32N cm 从上面计算可以看出 M 起 M 快 和 M 切三种情况下 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 取五相五拍时0 809 由 cmN M M M M a j j a 123 809 0 64 99 max max 9 电机的选择 由机床设计手册可选选 90BF002 型步进电机 最大静转矩 400N cm 大于所需最大 静转矩 可作为初选型号 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 北华航天工业学院毕业论文 22 Hz p V fk5000 005 0 60 5 11000 60 1000 max Hz p V f s e 1666 005 0 60 5 01000 60 1000 由手册查得 90BF002 型步进电机允许的最高空载起动频率为 3800HZ 运行频率为 16000HZ 步进电机启动时频率不能满足要求 此项指标可暂不考虑 可以采用软件开降 速程序来解决 当快速切削进给时 能满足要求 90BF002 型步进电机允基本参数如下 相数 5 步距角 0 75 1 5 度 电压 80V 相电流 7A 最大静转矩 400N cm 最高空载启动频率 3800Hz 运行频率 16000Hz 线圈电阻 0 248 分配方式 五相十拍 重量 4 5Kg 外形尺寸 14590 轴径 9 北华航天工业学院毕业论文 23 第第 3 3 章章电电气气控控制制部部分分 设设计计 3 13 1 车床的主要结