CK6140数控车床进给传动系统设计说明书.doc

CK6140数控车床进给传动系统设计含8张CAD图

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CK6140 数控车床 进给 传动系统 设计 CAD
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内容简介:
CK6140数控车床进给传动系统设计摘 要:目前的人工操作车床已经无法满足高精密度和高技术要求的机械零件的加工,人工操作具有很大的操作误差和人员的疲劳误差;而且加工的机械零件种类繁多、形式各异、单位时间的加工数量也在急剧增加,依靠机械厂的一线操作员工已经无法达到加工生产速度,因此发展和大量使用数控车床已成为当代机械厂的主要发展方向。文中经过大量数控车床的市场研究,分析不同加工工艺的数控机床和性能指标等参数,研究其优缺点,总结并最终选择型号为CK6140的数控车床进行研发与改进,研究内容主要为车床的传动系统和控制系统。对CK6140数控车床的可调节螺旋进给机构、减速器传动机构、中央控制系统和单片机的控制选型和设计。文中先对车床的市场研究结果进行了简介,和一般车床的传动系统和车削刀具的的控制进行了分析;通过大量的车床资料的分析选择确定本文的改进方案。在通过相关的计算公式和相关的CK6140车床设计实验数据,对该设计进行分析与校核,确保设计达到机床的性能要求。设计校核之后,开始绘制车床的主要部件的平面工程图。关键词:数控车床;进给机构;传动机构;控制 Design of feed transmission system for CK6140 CNC latheAbstract: At present, the manual operation lathe can no longer satisfy the processing of mechanical parts with high precision and high technical requirements, and the manual operation has large operating errors and fatigue errors of personnel; furthermore, the types, forms and quantities of machined parts are greatly increased, and the front-line operators relying on the machine factory can no longer reach the processing production speed.Therefore, the development and large-scale use of CNC lathes has become the main development direction of contemporary machinery factories.After a lot of Market Research on CNC lathe, this paper analyses parameters such as CNC machine tools and performance indexes of different machining processes, studies their advantages and disadvantages, summarizes and finally selects the model CK6140 for R&D and improvement. The main research content is the transmission system and control system of the lathe.Control selection and design of adjustable screw feed mechanism, reducer drive mechanism, central control system and single-chip computer for CK6140 CNC lathe.In this paper, firstly, the market research results of lathes are introduced, and the transmission system of general lathes and the control of turning tools are analyzed; through the analysis of a large number of lathe data, the improvement scheme of this paper is determined.Through relevant calculation formulas and relevant K6140 lathe design experimental data, the design is analyzed and checked to ensure that the design meets the performance requirements of the lathe.After the design checks, the plan engineering drawings of the main parts of the lathe are started.Keywords: CNC lathe; feed mechanism; drive mechanism; control目 录中文1 绪论11.1数控车床的发展11.2车床的主要组成机构21.3车床进给系统22 数控车床的设计52.1车床的工作目标52.1.1车床的主要机构52.1.2数控车床具有的功能特点52.1.3设计数控车床的主要功能参数62.2.主要系统工作原理的制定72.2.1车床的车削伺服系统的制定72.2.2车床中央控制系统的设计72.2.3车床的传动机构设计83 进给传动系统结构设计93.1动力电机93.1.1设计车床的脉冲当量93.1.2两个轴向运动电机设计93.2轴向运动轨道123.2.1导轨结构形式设计123.2.2车床导轨预紧工作原理设计133.2.3数控车床导轨外形尺寸设计133.3 X轴进给传动装置的设计153.3.1加工切削力153.3.2 数控车床的滚珠丝杠研究163.3.3车床传动齿轮设计203.4 Z向进给传动机械部分的设计223.4.1数控车床切削力223.4.2车床传动丝杠机构的研究223.4.3转矩的计算263.5轴承的选择与校核283.6数控车床主要部件的密封润滑设计294 电气控制系统设计314.1中央控制系统的功能设计314.2中央控制器软件设计314.3数控车床电路工作原理324.4设计数控车床的控制程序地址335结论34致谢35参考文献36V1 绪论1.1数控车床的发展随着信息技术的发展和大量的高精密仪器的生产使用,人工操作的车床无法达到零件的生产标准和技术要求,误差大,危险程度高,成本也十分巨大。因此,为了降低人工的误差和车削加工的危险性,提高车床的效率,以信息控制技术和电气技术相结合的数控车床被研发生产,并应用于机械零件的生产。现如今,智能化已成为各种机械设备的最终发展目标,智能化控制可以极大的节省人力,减小由操作工人的主观意识和身体原因导致的加工误差。智能化信息控制具有良好的可靠性。制造技术的发展带来了各个领域的巨大进步,数控车床的研发与应用,为人类制造了大量的安全可靠、精密度极高的机械设备和仪器,加快了科技的发展和对未知领域的探索。数控机床的发明,极大的促进了人类社会的发展,因为机械是人类发展的基石,也是人类进步的重要载体,我们使用的各种产品基本上是由各种机械设备生产而来。数控车床的优点有很多,正因为这些优点,数字信息控制的智能化车床进入了机械零件加工的主流市场,成为了高精尖零件加工设备的首先。目前的数控车床的研发目标主要为可以实现以下加工性能:新型数控车床能够包含过去车床的所有加工功能,并且在此基础上还可以生产加工具有更复杂的表面零件。1 新型数控车床的生产可以实现智能化分配设计加工流程,提高零件的加工效率和相应的力学性能。2 新型数控车床的车削准确度高、误差极低,为自动化、智能化装配提供了准确的装配尺寸。3 新型数控车床已经设计出将多种制造工艺结合于一身,进一步的减小了车床不同所导致的误差。4 新型数控车床可以二十四小时不间断加工零件,实现了一个工人看管多台设备同时加工。1.2车床的主要组成机构对于各种实现不同工艺的数控车床,其主要机构基本相同,都包含智能电气控制系统、传动机构、车床承载框架、人工操作界面和车削刀具等,图所示:图1-1数控车床的主要组成机构数控车床的智能化加工在于使用了计算机信息控制的伺服系统,车床的铣削、镗孔等刀具的进给运动都是采用指令信息控制,由操作工人或者设计师根据零件的加工要求编辑程序指令。伺服控制根据零件的加工要求确定监控参数,将加工指令传送给车床传动系统,传动机构控制加工刀具的切削力矩和速率,对零件进行外形车削,与此同时,监测机构实时将车削工况反馈给中央控制系统,保证加工零件的精度和表面加工要求。1.3车床进给系统设计数控车床可以根据实际零件的加工要求,适当的调整进给系统的反馈装置。加工低精度和较低的技术要求的零件时,可以选择开环伺服机构的数控车床,该控制方式可以有效的降低生产时间和生产成本,车削工作稳定,车床上的组成机构和零件也比闭环控制数控车床要少一部分,可以有效的降低车床的震动频率和车床重量;但是它不能及时的将车削过程中的误差反馈给中央控制器,增加了车削加工的误差。因此适合于低成本、低要求的机械制造机械厂。对于生产高精尖的设备仪器,则需要闭环控制机构来控制数控车床的加工过程,闭环控制机构可以提高零件的车削品质。采用闭环的控制方式可以将零件的车削加工的状况及时反馈给中央控制器,以便于及时的调整车床车削刀具的力矩、速率等参数,保证零件的加工质量。闭环控制的检测传感机构可以放置在车削刀具的一旁,刀具的位置和零件的外形监控。闭环控制的监控装置不仅反馈刀具的加工信息,也要对刀具的传动机构进行监控和调整,因此传动零件的工作温度、力学性能、振动参数、摩擦系数等,对零件加工有着直接或间接影响的所有因素都是闭环控制所要监控和反馈的信息。数控车床的闭环控制机构中有多种监控设备和零部件组成。数控车床在加工零件中,为了提高零件的质量和精度,保证车削的稳定进行和足够的车削力矩,一般选择伺服电机作为数控车床的动力机构为车床提供高效、快捷、有力的动力。市场上的伺服电机可以根据供给电流分为直流和交流电机,这两款电机都可以用作车床的动力源。数控车床使用直流电机可以增加加工过程的速度范围,便于调速,虽然可以降低传动机构的调速零件的制造成本,但是现在的电力运输使用都是交流电,需要相应的交直流转换装置,而且,数控车床的直流电机结构非常复杂,制造成本巨大,不易后期的维修,对于工作环境温度和灰尘污染的要求要低,不适合于小型机械制造厂,也不利于数控车床市场的推广。因此,数控车床的动力部件的首选为交流电机,而且目前的信息科技和电子产业的快速更新换代,数控车床的电子信息化控制也在不断的提高改进。一方面交流伺服电机内部的电子零部件正在向更先进的方向研发,其转动性能和抗震性能在不停的提高,可以增强车床的切削性能;另一方面,网络信息发展尤其是5G通讯的发展,给数控车床的远程网络的精确控制提供了远大的发展前景。还有就是合金材料的发展也为数控车床的整体结构提供了更加稳定的机体的框架结构,极大的提高了机体的强度与刚度等力学性能,并实现了数控车床的轻量化。2 数控车床的设计2.1车床的工作目标2.1.1车床的主要机构通过查阅相关的车床的设计资料和市场调查,可以将本文的数控车床做如下设计;首先是车床的润滑性能,对于多个存在位移摩擦的机构零件选择同一油泵供油,可以节约车床空间,降低油泵的振动和自身重量;另外对车床车刀的轴向位移的轴轨道的制造工艺为超音频淬火。设计的数控车床加工零件卡盘则采用液压动力驱动,尺寸参数;设计车床的信息数据控制反馈为半闭环;为了实现设计车床的快速连续的转速变化,选择变频式电机驱动车床转动。(1)设计数控车床的机体框架支柱要有足够的强度和刚度,并且支柱下端凸出车床底面,保证良好的散热性。(2)设计的数控车床的部分零件机床外框架、机床的传动机构箱的制造材料为铸铁,采用浇铸成型,刀具移动轨道的尺寸为,采用的工艺技术为表面淬火,轨道表面硬度可达到。(3)设计的数控车床的位移部件的轨道表面上粘贴塑料带条,可以减小摩擦,防止导轨摩擦生热发生轻微的热变形,降低位移误差,提高加工精度,并且提高了车床导轨的耐腐蚀能力。(4)X向、Z进给伺服运动;X、Z两轴滚珠丝杆选用P3级滚珠丝杆。2.1.2数控车床具有的功能特点(1)可用于加工复杂轴、盘类的零件;(2)数控车床的旋转主轴的驱动机构需要具有可随意变换转速的性能,而且当车削力矩过大时,可以紧急制动保护车床零部件。(3)数控车床的动力机构选择为交流电机,可以为车削作业提供稳定动力,刀具的移动进给机构为滚珠丝杆,通过螺旋前进,可防止相对滑动导致的误差。(4)数控车床的刀具固定机构选择四工位,提高不同型号刀具变换效率,增加车削的工作效率。(5)数控车床具有加工前的模拟操作,以便于选择合理的车削过程。(6)数控车床的中央控制器可以与网络连接,便于远程控制。设计的车床的相关控制系统和监控数据反馈系统的处理器选择为单片机。另外和多数数控车床的具有的基本功能类似,设计车床的回转机构和一般的零件加工功能。在刀具的轴向位移上,具有差补特点和较高的移动距离的辨别功能。2.1.3设计数控车床的主要功能参数设计数控车床的机体回转直径:;设计数控车床的滑板回转直径:;设计数控车床的最大工件长度:;设计数控车床的轨道宽度:;设计数控车床的卡盘转速:;设计数控车床的主轴转速级数:无级;设计数控车床的主轴孔:;设计数控车床的零件固定卡盘:;设计数控车床的刀具轴位移:;设计数控车床的刀具轴位移:;设计数控车床的刀具进给速度:;设计数控车床的精度单位:;设计数控车床的电机扭矩:;设计数控车床的定位精度:;设计数控车床的刀外形尺寸:;设计数控车床的刀架位置确定精度:;设计数控车床的换刀时间:;设计数控车床的尾座套筒行程:;设计数控车床的尾座套筒直径/锥孔:。2.2.主要系统工作原理的制定2.2.1车床的车削伺服系统的制定本文设计的数控车床具有其它低精度加工车床的一般加工功能,如各种加工过程的差补、二十四小时不间断加工、基本的国标零件的尺寸加工,根据相关的数控车床设计资料确定车削加工控制系统为连续性。文中数控车床的市场定位为低精度零件加工,所以选择开环控制,不对零件的车削过程进行实时信息反馈。2.2.2车床中央控制系统的设计根据前文所述的数控车床的市场定位,最终选择中央信息数据处理器为的单片机,该型号单片机完全可以满足设计的低精度车床加工程序设计要求,并且其工作稳定,信息数据的计算处理非常快速。设计数控车床的中央控制系统包含各种电子元件,人机操作界面和信息数据输入键盘,电源设备,还有一些电路的基本保护元器件。2.2.3车床的传动机构设计设计数控车床的整体传动机构,其机构内主要有减速传动齿轮和滚珠丝杠。齿轮和滚珠丝杠都可以避免传动零件间的相对滑动,提高定位的精确度和车床的位移分辨率。选择滚珠丝杠作为刀具轴向直线运动的运动变换装置,可以降低可移动刀架与导轨间的摩擦系数,降低摩擦温度。在位移部件的运动过程中也要注意移动接触表面之间的缝隙,缝隙的存在会增加定位误差,进而影响加工零件的尺寸,所以可增加位移部件的自重来减小缝隙距离。下图为设计的数控车床基本传动机构原理简图。图数控车床基本传动机构原理简图3 进给传动系统结构设计3.1动力电机3.1.1设计车床的脉冲当量车床的定位精度和车削精度都与脉冲当量有关,它是决定车床切削零件精确度的核心数据。不同的数控车床其脉冲当量的制定也不同,加工精度越高的车床其脉冲当量越小。对于本文设计的低加工精度的车床来讲,可设定范围是,根据查阅大量的设计资料可选择零件误差为,因此可以制定车床的刀架在两个轴向位移脉冲当量是:轴,轴。3.1.2两个轴向运动电机设计1)轴位移驱动电机设计根据设计相关数控车床的设计资料可知,对于低精度的机床驱动步进电机可以选择反应式,的轴位移驱动电机设计如下:的轴位移驱动电机的步距角:(3-1)的轴位移驱动电机的矩频性能:通过查阅相关的设计资料可知,的轴位移驱动电机步进电机在从静止到启动时会出现最大转矩,它和名义转矩的数值大小为:(3-2)轴位移驱动电机的驱动电机设计工作方案为五相十拍,则;(3-3)(3-4)数控车床刀架的驱动电机的设计要求为,在不进行切削工作时启动转矩不能大于名义转矩;(3-5)根据电机的参数说明和计算结果可知,设计满足要求。其性能参数如上述计算过程所列出的。电机转动惯量计算校核计如下:a、旋转轴的转动惯量上式中:d直径,旋转外径d=8mmL长度=30mmP钢的密度=7800经计算得b、齿轮的转动的惯量上式中:d直径,齿轮外径d=30mmL长度=14mmP钢的密度=7800经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此,满足要求2)车床轴位移驱动电机设计车床轴位移驱动电机设计与轴位移驱动电机基本相同,先设计如下:(1) 车床轴位移驱动电机参数角(3-6)(2)车床轴位移驱动电机矩频性能通过查阅相关数控车床的设计资料可知,的轴位移驱动电机步进电机在从静止到启动时会出现最大转矩,它和名义转矩的数值大小为:(3-7)与X轴相同可选择;(3-8)(3-9)其转矩设计与上文轴相同,设计;根据电机的参数说明和计算结果可知,设计满足要求。其性能参数如上述计算过程所列出的。电机转动惯量计算校核计如下:加速力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩满足要求。3.2X向运动轨道X与Z向导轨相同,计算过程相同,此次列出一种。3.2.1导轨结构形式设计设计数控车床的导轨的运动原理为滚动,对于采用润滑油涂在移动零件表面的滑动位移,其摩擦系数要大于滚动摩擦,虽然滑动具有较高的承载能力,可以有效提高移动机构的稳定性,但是对于本文设计的低精度、结构简易的数控机床滚动体可以满足承载强度的要求。根据滚动体的外形结构可以分成滚珠、滚柱、滚针三种形状,三个滚动体各有其优缺点,本文综合三个滚动体的接触参数和数控车床的外载荷参数,最终选择形状为柱形滚动体作为车床的轨道承载零件。3.2.2车床导轨预紧工作原理设计根据车床导轨的设计文献可知,车床导轨的刚度经过预紧之后可以明显的增加,减小振动频率和柔韧性。刀架安装在导轨上,在车削加工时会出现切削力矩作用于导轨,因此需要增加导轨的刚度,防止导轨出现弹性变形增加加工误差,也有可能损坏刀具。在制定预紧力时,需要综合考虑车削状态下的内外受力和力矩,不能随意设置车床导轨的预紧力。设置预紧力可以通过零件的配合,或者增加螺旋零件进行手动调整。文中设计选择螺旋顶丝进行预紧,其工作原理简图所示。图3-3预紧工作原理简图3.2.3数控车床导轨外形尺寸设计(1)车床导轨的滚动体设计计算根据滚动体的滚动摩擦原理可知,滚动摩擦系数与滚动体的外形结构尺寸有着直接关系,一般情况下,摩擦系数与车床导轨承载滚动体的直径成反比。在设计车床滚柱时,还要注意不能出现相对滑动现象。因此滚柱的尺寸参数为,滚柱的制造材料也要选择强度、硬度、刚度等较高的合金材料。设计车床导轨的滚柱长度和直径的比例也有一定的设计标准,不同比值也会影响车削精度和滚动摩擦系数,还有压强等力学方面都有关系。根据相关资料可选择的车床导轨滚柱比例范围为,文中设计制定最终的滚柱外尺寸为。根据相关数控车床的设计资料可知,数控车床移动构件的轨道滚珠的个数一般超过个。文中设计数控车床导轨的滚柱数量可以从两个方面进行考虑,首先是加工精度方面,零件的加工精度的影响因素之一就是刀具的定位精度。刀具的定位精度又与导轨的位移有关,一般情况下,数量越多,精确度越高。另一方面,要考虑导轨自身重量和车削时外部作用力、作用力矩等,这些负载的分布是否合理将会对滚动体的运行寿命和损坏程度造成一定影响。综合以上两个因素制定滚柱数量个。根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般运行状况),3.05.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:因系统受中等冲击,因此取根据计算,本次X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P 15940-5, Z方向初选导轨型号为GGB20AAL2P11090-5,其采用自润滑。安装采用定位螺栓直接装配即可,密封方面,因采用自润滑的形式,因此无油液,因此无需密封。按照滚动体的设计参数进行力学分析和相关的校核计算,以保证设计满足数控车床的工作要求。(2)设计数控车床导轨的长度设计的数控车床的导轨尺寸参数和外形结构示意简图:图3-4根据导轨和滚柱的结构简图可知长度:(3-10)计算参数:数控车床导轨尺寸长度;数控车床导轨行程;设计数控车床的承载导轨(3-11)3.3 X轴进给传动装置的设计3.3.1加工切削力根据相关数控车床的设计公式,可以计算切削力:(3-12)计算参数:是设计数控车床的车削尺寸直径(3-13)由相关的数控车床设计资料,设计刀具的进给负载和切深负载之间的数值大小关系:(3-14)(3-15)(3-16)3.3.2 数控车床的滚珠丝杠研究(1)通过对数控车床加工时的负载力学分析,并结合有关计算公式可以得出滚珠丝杠的受力大小和受力方向:(3-17)参数:,数控车床轴上的切削分力; 滚柱丝杠装置的移动机构自重; 滚柱丝杠装置的导轨上的摩檫系数; 滚柱丝杠装置的颠覆力矩影响系数。根据数控车床的设计要求可选择确定各参数大小:,确定;(2)数控车床的滚珠丝杠动负载和外形尺寸参数设计滚珠丝杆的负载计算方法与轴承的载荷受力校核计算相似,所以计算车床丝杠的最大负载的计算公式为:(3-18)参数:是车床丝杠的使用期限,;是数控车床丝杠转速(),是在刀具加工的最大负载力矩下的进给速度();是数控车床丝杠的导程长度参数(),可按照公式计算其大概值,后期进行强度校核之后再计算;t是车床丝杆的额定使用寿命;是数控车床的工作状态系数,其值的选择范围是;是数控车床丝杠工作载荷。,参照数控车床的滚珠丝杠设计标准,结合上文计算的参数结果,可初步制定丝杠的功能参数,因为额定动载荷与丝杠的最大负载的关系:,最终设计选择数控车床的滚珠丝杠为内循环滚动螺旋副:,(3)滚珠丝杠的传动效率:参照数控车床滚动丝杠的设计公式可得传动效率:(3-19)参数:是设计的数控车床丝杠螺纹升角,参照文献得;数控车床传动丝杠零件摩檫系数,参照相关资料可知摩檫角可取值。(4)数控车床滚柱丝杠的刚度校核计算数控车床的滚珠丝杠给切削刀架提供了轴向直线移动的动力,承载了刀架的轴向摩擦力和切削时的进给力矩,因此丝杠在轴向上易发生变形。传动滚珠丝杠机构的变形有几种常见的原因导致,一是丝杠的受压导致弯曲;二是螺母与丝杠相对滑动导致的摩擦和轻微的撞击变形;三是传动丝杠零件受到切削力矩或者刀架的重量扭矩导致的变形;当然还有工作环境温度、切削废料等导致的变形。上述各导致传动滚珠丝杠机构发生变形的因素也可以分为主要因素和次要因素。对于滚珠丝杠机构的承载轴承的变形也需要计算,对于丝杠的承载轴承可以参照相关的数控车床设计文献进行设计。为提高滚珠丝杠的承载能力,可以设计多组配合。根据数控车床设计经验数据了解到,丝杠轴承的轻微摩擦变形可以忽略不计。车床传动滚珠丝杠机构的拉压变形计算计算传动滚珠丝杠零部件的变形时,要按照最大负载计算。(3-20)参数:是传动丝杠零件承载最大负载时的拉伸或压缩变形量,:是车床刀架传动丝杠零件的工作负载;是刀架传动丝杠零件的受力长度,;是传动滚珠丝杠机构的制造材料弹性模量,;是车床刀架传动丝杠零件的内径截面,表示传动丝杠零件拉伸变形,-表示传动丝杠零件压缩变形。,车床传动滚珠丝杠机构内的螺纹面接触变形数控车床的滚珠丝杠的接触变形和滚动体的数量有直接关系,因为滚动体承载了传动丝杠的大多数力矩,设计(3-21)参数:是车床传动丝杠机构上的滚动体直径;是车床传动丝杠机构上的滚动体数量,;车床传动丝杠机构上滚动体公称直径;是车床传动丝杠机构上预紧力();是车床传动丝杠机构上载荷()。,总变形:根据计算结果可知数控车床传动丝杠机构达到设计标准。(5)车床丝杠轴向变形计算校核:数控车床的刀架传动丝杠机构主要受到轴向拉力和压力,由力学计算公式可以计算出车床传动丝杠的失稳临界受力:(3-22)参数:是车床传动丝杠零件的弹性模量;是车床传动丝杠零件的惯性矩,;是车床传动丝杠零件的车削长度;是车床传动丝杠零件的承载系数。,根据计算结果可知数控车床传动丝杠零件的稳定性满足设计要求,其型号为FC1-4006-6,其参数为:,。3.3.3车床传动齿轮设计设计车床传动齿轮减速传动比:本次齿轮设计思路为先通过传动比参考其他机床参数初步确定齿数及模数后,再由后面校核强度。(3-23)根据减速比要求,初步选定减速传动齿轮齿数:,;模数:,。齿轮分度圆直径:,;齿轮齿顶圆直径:,;设计数控车床减速传动齿轮中心距:(3-24)设计数控车床减速传动齿轮转动惯量的计算:设计数控车床工作台作用于驱动电机上转动惯量:(3-25)数控车床传动丝杠零件的转动惯量:(3-26)设计数控车床减速传动齿轮的转动惯量:(3-27)(3-28)设计数控车床总惯量:(3-29)设计数控车床动力机构和传动转动力矩计算设计数控车床动力机构和传动空载启动力矩:(3-30)设计数控车床动力机构和传动的最大切削负载:(3-31)设计数控车床动力机构和刀具进给力矩:(3-32)式中:-设计数控车床动力机构电动机力矩 -设计数控车床动力机构和传动摩檫力矩 - 设计数控车床动力机构和传动丝杠预紧力附加摩檫力矩 -设计数控车床动力机构的切削负载力矩 设计,;(3-33)(3-34)设计,;(3-35)(3-36)(3-37)设计,;(3-38)(3-39)设计,;(3-40)(3-41)根据各计算参数的结果值可得力矩:(3-42)设计数控车床动力机构的切削负载力矩极值:(3-43)设计数控车床动力机构进给驱动力矩:(3-44)设计数控车床动力机构的最大力矩:(3-45)3.4 Z向进给传动机械部分的设计3.4.1数控车床切削力(3-46)(3-47)(3-48)3.4.2车床传动丝杠机构的研究(1) 通过对数控车床加工时的负载力学分析,并结合有关计算公式可以得出滚珠丝杠的受力大小和受力方向:(3-49)参数:,数控车床轴上的切削分力; 滚柱丝杠装置的移动机构自重; 滚柱丝杠装置的导轨上的摩檫系数; 滚柱丝杠装置的颠覆力矩影响系数。根据数控车床的设计要求可选择确定各参数大小:,;(2)数控车床的滚珠丝杠动负载和外形尺寸参数设计滚珠丝杆的负载计算方法与轴承的载荷受力校核计算相似,所以计算车床丝杠的最大负载的计算公式为:(3-50)参数:是车床传动丝杠的使用期限,;是数控车床传动零件丝杠转速(),是在刀具加工的最大负载力矩下的进给速度();是数控车床丝杠的导程长度参数(),可按照公式计算其大概值,后期进行强度校核之后再计算;t是车床丝杆的额定使用寿命;是数控车床的工作状态系数,其值的选择范围是;是数控车床传动零件丝杠外部载荷。,参照数控车床的滚珠丝杠设计标准,结合上文计算的参数结果,可初步制定丝杠的功能参数,因为额定动载荷与丝杠的最大负载的关系:,最终设计选择数控车床的滚珠丝杠为内循环滚动螺旋副型号为FC1-2505-2.5,其参数如下:,(3)滚珠丝杠的传动效率:参照数控车床滚动丝杠的设计公式可得传动效率:(3-51)参数:是设计的数控车床丝杠螺纹升角,参照文献得;数控车床传动丝杠零件摩檫系数,参照相关资料可知摩檫角可取值。(4)数控车床滚柱丝杠的刚度校核计算数控车床的滚珠丝杠给切削刀架提供了轴向直线移动的动力,承载了刀架的轴向摩擦力和切削时的进给力矩,因此丝杠在轴向上易发生变形。车床传动滚珠丝杠机构的拉压变形计算计算传动滚珠丝杠零部件的变形时,要按照最大负载计算。(3-52)参数:是传动丝杠零件承载最大负载时的拉伸或压缩变形量,:是车床刀架传动丝杠零件的工作负载;是刀架传动丝杠零件的受力长度,;是传动滚珠丝杠机构的制造材料弹性模量,;是车床刀架传动丝杠零件的内径截面,表示传动丝杠零件拉伸变形,-表示传动丝杠零件压缩变形。,车床传动滚珠丝杠机构内的螺纹面接触变形数控车床的滚珠丝杠的接触变形和滚动体的数量有直接关系,因为滚动体承载了传动丝杠的大多数力矩,设计(3-53)参数:是车床传动丝杠机构上的滚动体直径;是车床传动丝杠机构上的滚动体数量,;车床传动丝杠机构上滚动体公称直径;是车床传动丝杠机构上预紧力();是车床传动丝杠机构上载荷()。,总变形:(3-54)根据计算结果可知数控车床传动丝杠机构达到设计标准。(5)车床丝杠轴向变形计算校核:数控车床的刀架传动丝杠机构主要受到轴向拉力和压力,由力学计算公式可以计算出车床传动丝杠的失稳临界受力:(3-55)参数:是车床传动丝杠零件的弹性模量;是车床传动丝杠零件的惯性矩,;是车床传动丝杠零件的车削长度;是车床传动丝杠零件的承载系数。,根据计算结果可知数控车床传动丝杠零件的稳定性满足设计要求。3.4.3转矩的计算设计车床传动齿轮减速传动比:(3-56)设计数控车床减速传动齿轮转动惯量的计算:设计数控车床工作台作用于驱动电机上转动惯量:(3-57)数控车床传动丝杠零件的转动惯量:(3-58)设计数控车床总惯量:(3-59)设计数控车床动力机构和传动转动力矩计算设计数控车床动力机构和传动空载启动力矩:(3-60)设计数控车床动力机构和传动的最大切削负载:(3-61)设计数控车床动力机构和刀具进给力矩:(3-62)式中:-设计数控车床动力机构电动机力矩; -设计数控车床动力机构和传动摩檫力矩; - 设计数控车床动力机构和传动丝杠预紧力附加摩檫力矩; -设计数控车床动力机构的切削负载力矩。(3-63)设计,;(3-64)(3-65)设计,;(3-66)(3-67)(3-68)设计,;(3-69)(3-70)设计,;(3-71)(3-72)根据各计算参数的结果值可得力矩:(3-73)设计数控车床动力机构的切削负载力矩极值:(3-74)设计数控车床动力机构进给驱动力矩:(3-75)设计数控车床动力机构的最大力矩:(3-76)3.5轴承的选择与校核根据尺寸初步选定深沟球轴承6207型号的轴承(电机端与非电机端轴承选择一样,计算过程只描述电机端)。查阅的轴承具体参数参见下表3-6。表 3-6 相应轴承参数确定6207基本尺寸/mm安装尺寸/mm极限转速/(r/min)基本额定动载荷Cr基本额定静载荷CordDBramindaminDamaxramax脂润滑油润滑/KN3572171.14265185001100025.515.2对于轴承是否符合标准进行的检验:经过上边的表格数据能够得到对应的的深沟球轴承6207所对应的的基本数据:,。经过之前的计算步骤能够得到n=367.5r/min 对应转矩大小T=35.081N/mm相应的功率确定出P=1.4所以轴承会遭受来自径向的力的作用公式如下: = =1434.08N(3-77)= =1324.89N(3-78)因为存在条件Fr1Fr2,故只要需对左侧的轴承执行验算。参考相关资料得,fp=1.01.2,选取对应的中间值大小fp=1.1。存在当量载荷的时候有对应公式:(3-79)轴承可以达到预期寿命长短:(3-80)对轴承相应的寿命进行运算:(3-81)之前的运算能够得到6027型号的深沟球轴承能够达到使用要求。3.6数控车床主要部件的密封润滑设计设计数控车床的密封装置,防止灰尘和其它细小颗粒进入车床的缝隙之中,车床是高精密度加工的机械设备,在加工过程中,要切削下来的金属碎屑飞入车床移动和传动零件的接触缝隙中,一旦碎屑进入这些转动和移动部件就会导致机器磨损,破坏数控车床的加工质量,甚至使数控车床损坏。在设计数控车床的密封时,可分为两种情况的密封条件。一是对于数控车床中的固定零件的密封,这些固定不会产生相对移动的零件密封一般是防止金属碎屑进入堆积,影响美观,不便于清理,并且也可防止润滑油等机械油的溢出或流入导致油污染。二是数控车床可移动部件的密封,比如零件的固定卡盘转动,减速器箱内齿轮转动,滚珠丝杠的螺旋转动,导轨的轴向位移直线运动,还有车床刀架的回转运动等,这些移动部件内部的转动体的密封性很重要,主要是防止车床加工时的切削碎屑进入滚珠内,导致滚珠表面磨损破坏,增加了零件加工误差,也会导致零件损坏。因此数控车床的密封非常重要,因为它可以自动化加工,不需要操作员工的实时监控,因此不能及时发现问题。数控车床的润滑也十分重要,车床的移动部件很多,而且在加工车削零件时也是依靠零件于刀具的相对运动来完成切削工作,因此要十分注重移动部件的润滑,以提高加工精度。数控车床的润滑构件有零件的固定卡盘转动接触面润滑,减速器箱内齿轮和承载轴承等零件运动接触面润滑,工作台上的传动滚珠丝杠机构的丝杆和螺母螺旋副螺纹表面润滑,数控车床移动刀架导轨的轴向位移接触面和滚柱接触面润滑,还有车床刀架的回转零件与刀架支撑零件接触面的润滑。数控车床移动构件的润滑方式可选择摩擦润滑。通过润滑油将数控车床移动部件的接触表面隔离,以此来达到润滑目的。数控车床加工是一个以高精度为主要目的的机械设备,数控车床也属于工作时间长、频率高的加工设备行列,所以为了减小数控车床的磨损,提高精度,数控车床的润滑要严格按照有关标准进行。文中设计的数控车床润滑部件较多,大多数都是依据相关的数控车床润滑资料文献,本文不在一一叙述说明。现对车床传动部件滚珠丝杠进行密封与润滑分析。滚珠丝杠是一种常用的运动方式转换设备,将丝杠转动变成螺母的直线运动。数控车床的传动丝杠零件的密封要考虑空气灰尘和切削金属碎屑,根据相关资料可知,一般选择防尘密封圈来作为车床丝杠滚珠螺母零件的密封件。至于车床传动滚珠丝杠零件接触螺旋副表面的润滑,可以选择润滑油或者润滑脂作为车床丝杠滚珠的润滑材料。由于数控车床工作台上的传动丝杠的光滑程度将直接影响车床加工精度,因此要定期保养检修,保证数控车床的车削质量。4 电气控制系统设计通过查阅相关的低精度加工车床的设计文献可知,目前市场上的低成本数控车床的中央控制器和反馈系统的处理器基本是选择单片机,该型号系列的单片机可以有效的处理加工技术要求较低的零件。4.1中央控制系统的功能设计(1) 车床的中央控制器可以控制刀架的轴向移动;(2) 车床的控制系统可以通过键盘输入控制指令,通过显示器显示编辑程序和工作问题;(3) 设计车床的中央控制器可以控制刀架转动,根据加工工艺要求变换刀具;(4) 设计车床的中央控制器可以控制车床实现一般的加工功能;(5) 设计车床的中央控制器可以实现面板控制管理,提高管理车床的便利性;(6) 设计车床的中央控制器可以对各个工作传动、直线位移、转动等进行动力、速率、角度控制;(7) 设计车床的中央控制器具有故障检测功能,故障发生时的及时反应保护车床特点。4.2中央控制器软件设计为了进一步的降低所设计的低精度数控车床的制造成本,选择软件环形分配器,降低车床电路的硬件配置,简化车床电路。文中设计的车床的加工轴零件的尺寸最大值是,车削负载力矩小,可选择低功率步进电机,设计轴的位移驱动电机型号,设计车床的刀架轴的位移驱动电机型号。4.3数控车床电路工作原理(1)车床刀架的转动与位移根据不同零件的工艺过程设计相应的程序控制,控制器通过传送位移指令控制刀架的转动和轴向移动,转动刀架将所需要的车削刀具变换位置,定位完成后控制器发出切削指令,卡盘带动零件转动,刀具开始切削。(2)数控车床的标准零件加工对于标准零件的加工,可以设定相应的固定程序保存在程序存储中心,加工时就可以快速的调出指令程序进行加工。比如在加工标准件螺纹可以通过和的输入输出端口共同控制标准件螺纹加工。通过查阅相关的设计资料文献,并根据文中设计的数控车床的功能特点制定其中央控制器的工作原理图。图4-1数控车床进给系统原理图4.4设计数控车床的控制程序地址表数控车床存储中心设计芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元(字节)地址编码000X XXXX XXXX XXXX001X XXXX XXXX XXXX010X XXXX XXXX XXXX0111 1110 XXXX XXXX0111 1111 1111 1XXX1001 1110 XXXX XXXX1001 1111 1111 1XXX 5结论至此本文的数控车床的设计基本完成,经过数月的努力,我知道了很多数控车床的知识,了解了市场上各型号的车床主要加工工艺和工作原理。对于车床的传动系统的设计研究有了更深层次的了解。在对CK6140数控车床进给传动系统设计中,我学到了数控机床
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