用微机数控技术改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统毕...+-+

1、 准考证号：本科生毕业论文（设计）用微机数控技术改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统 学 院： 江西科技学院 专 业： 机电一体化工程 班 级： 10机电四（2）班 学生姓名： 苏胜伟 指导老师： 何晖晖 完成日期： 二0一三年十月二十日本科论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期：

2、年 月 日 本科论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日目 录绪论5一、数控机床系统总体设计方案的拟定6二、机床进给系统机械部分设计计算61、设计参数62、进给伺服系统运动及动力计算73、滚珠丝杠螺母副的计算及选型8（1）纵向滚珠丝杠螺母副的计算及选型8（2

3、）横向滚珠丝杠螺母副的计算及选型124、轮进给齿轮箱传动比计算16（1）纵向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数16(2）横向进给齿轮箱传动比计算165、步进电机的计算和选型18（1）纵向步进电机的计算和选型18横向步进电机的计算和选型21三、数控机床零件加工程序26四、绘制进给伺服系统机械装配图（略）27五、绘制微机数控系统硬件电路图（略）27总结27主要参考文献28摘要普通车床是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向

4、进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。关键词：普通车床；微机数控；改造；提升效率、加工精度一、数控机床系统总体设计方案的拟定接到一个数控装置的设计任务

5、以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电器部分、现已机电一体化的典型产品数控机床为例,分析总体方案拟定的基本内容。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。二、机床进给系统机械部分设计计算1、设计参数用微机数控技术 改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统最大 加工直径（mm）： 在床身上：320 在床鞍上：175最大加工长度（mm）： 750溜板

6、及刀架重量（N）： 横向：400 纵向：800刀架快移速度（m/min）： 横向：1 纵向：2最大进给速度（m/min）： 横向：0.4 纵向：0.8最小分辨率 （mm）： 横向：0.005 纵向：0.01定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 3启动加速时间（ms）： 252、进给伺服系统运动及动力计算（1） 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，纵向常采用的脉冲当量为0.01mm/step。（2）计算切削力 1）纵车外圆主切削力(N)按经验公式估

7、算： =按切削力各分力比例： 得：=958.8(N)=1534.1(N)2）.横切端面主切削力=1917.65(N)按切削力各分力比例：=479.4(N)=767.06(N)3、滚珠丝杠螺母副的计算及选型（1）纵向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 1）计算进给轴向力(N)按纵向进给为综合型导轨 式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15滑动导轨摩擦系数0.150.18 初选0.16G溜板及刀架重力800N则=1.15×958.8+0.16×（3835+800）=1844.7（N） 2）计算最大动负载Qn=1000×0.5/式中 L 为丝杠寿命，以转为1单位

8、。 运转系数，按一般运转取1.21.5； 初选1.2 最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的1/21/3；此处=0.6mmT 使用寿命，按15000h； 为丝杠的基本导程，初选=6mm；n=1000×0.5/=1000×0.5/6=83.33（r/min）Q=×1.2×1844.7=988.5C=787.3 3）滚珠丝杠副的选型初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；查阅数控设计指导书得到：采用外循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷14200N，精度等级按表2-12选为3级。 4）传动效率计算式中为的螺

9、旋升角，；为摩擦角取滚动摩擦系数0.0030.004； 5）纵向滚珠丝杠刚度验算画出纵向进给滚珠丝杠的支撑方式，根据最大轴向力小于刚度，支撑间距L=900mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧为最大轴向负荷的。a: 丝杠的拉伸或压缩变形已知=1844.7N，D=30mm，查出可算出：由于两边都用向心力推力球轴承且丝杆又进行可预拉伸，故其拉力刚度可以提高4倍，其实际变形量为：b: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形，查毕业设计指导书中图，W系列2.5卷滚珠和螺纹滚道接触变形：加了预紧:定位误差根据经验公式可得：因小于0.02mm定位精确 纵向滚珠丝杠副几何参数 滚珠丝杠几何参数名 称符号计算公式螺纹滚道

10、公称直径30导程6接触角钢球直径（mm）3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺旋升角螺杆螺杆外径29螺杆内径25.987螺杆接触直径28.56螺母螺母螺纹直径34.016螺母内径30.8 6）稳定性校核 滚珠丝杠两端面推理轴承不会产生失稳现象故不需作稳定性校核（2）横向滚珠丝杠螺母副的计算及选型1）计算进给轴向力按横向进给为燕尾形导轨： 式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取；滑动导轨摩擦系数：=0.2；溜板及刀架重力，=500N。则: 2）计算最大动负载Q式中 为丝杠的基本导程，初选 最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的1/21/3，此处=0.3m/min；

11、使用寿命，按15000h； 运转系数，按一般运转取1.21.5； 初选1.2 为丝杠转速； 为丝杠寿命，以转为1单位； 3）滚珠丝杠副的选型 横向滚珠丝杠副几何参数：滚珠丝杠几何参数名 称符号计算公式螺纹滚道公称直径30导程6接触角钢球直径（mm）3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺旋升角螺杆螺杆外径29螺杆内径25.987螺杆接触直径28.56螺母螺母螺纹直径34.016螺母内径30.8初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；查阅数控设计指导书得到：采用型外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷10700N，精度等级为3级。 4）传动效率计算式

12、中为的螺旋升角，；为摩擦角取滚动摩擦系数0.0030.004；5）横向滚珠丝杠刚度验算a: 画出横向进给滚珠丝杠的支撑方式，根据最大轴向力，支撑间距 L=330mm。因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。b: 丝杠的拉深或压缩变形已知，D=30mm，可以算出：查数控机床系统设计：因进行预紧： 滚珠丝杆的弹性变形量，根据以下经验公式： 则C: 定位误差：显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）的要求，应采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨，减小摩擦力，从而减小轴向力，重新计算如下：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4；G溜板及刀架重力，由

13、已知G=400N最大牵引力：，查出：可算出：（2）滚珠与螺纹滚道间接接触变形 查数控机床系统设计 因进行预紧 （3）滚珠丝杆总的弹性变形量：根据以下经验公式：则 （4）定位误差经过上面计算设计依据满足精度要求6） 压杆稳定性校 滚珠丝杠两端面推理轴承不会产生失稳现象故不需作稳定性校核4、轮进给齿轮箱传动比计算（1）纵向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数 纵向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距；可得：； 可选齿数为：； 20 齿数203024402030分度圆406048804060齿顶圆446452844464齿根圆355543753555齿宽202020202020中心距506450

14、(2）横向进给齿轮箱传动比计算横向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距角；可得：；可选齿数为：因进给运动齿轮受力不大，模数取25、步进电机的计算和选型（1）纵向步进电机的计算和选型 1） 纵向机构步进电机选型： 1.计算步进电机负载转矩Tm式中：-脉冲当量（mm/step）： -进给牵引力： -步角距，初选双排制为：所选电机为86BYG2593-SAFRBL-0202反应式步进电机，其转子转动惯量： ；对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：；则：代入上式：2）电机力矩计算 机床在不同的工况下，所需的力矩也不同，分别计算：快速空载起动力矩：在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，

15、其计算公式为：；式中 为快速空载起动力矩；为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩； 为折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；其它符号意义同前。；起动加速时间；折算到电机轴上的摩擦力矩：；式中 为导轨的摩擦力，；其它参数含义及取值同前， 为传动链总效率，一般可取，这里取；附加摩擦力矩：；式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取；其它符号含义取值同上。；将数据代入公式：；快速移动时所需力矩：；最大切削负载时所需力矩：；式中折算到电机轴上的切削负载力矩；参数说明同上；从上面可以看出，三种工作情况下，以快速空载起动力矩最大，以此作为初选步进电

16、动机的依据 查得当步进电机为五相十拍时;最大静力矩；而电机保持转矩为5 ，大于最大静力力矩，满足需求 3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率空载启动时切削时工作频率当快速运动和切削进给时，86BYG2593-SAFRBL-0202型混合式步进电机运行距频完全可以满足要求横向步进电机的计算和选型 1） 计算步进电机负载转矩Tm所选电机为Tm=0.5408，其转子转动惯量： ，保持转矩为2.5对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：； 则：2）电机力矩计算机床在不同的工况下，所需的力矩也不同，分别计算：快速空载起动力矩：在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，其计算公式为：；式中 为

17、快速空载起动力矩； 为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩； 为折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；其它符号意义同前。；起动加速时间；折算到电机轴上的摩擦力矩：1. ；式中 为导轨的摩擦力，；其它参数含义及取值同前， 为传动链总效率，一般可取，这里取；附加摩擦力矩：；式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取； 其它符号含义取值同上。；上述三项合计：；快速移动时所需力矩：；最大切削负载时所需力矩：；式中折算到电机轴上的切削负载力矩；参数说明同上；从上面可以看出，三种工作情况下，以最大切削负载时空载起动力矩最大，查表得：当步进电机为五相

18、十拍时，最大静力矩按此最大静转距从附表查出最大静转距为2.5，大于所需最大静转距。可作为初选型号。但还必须进一步考核步进电机起动短频特性和运行短频特性。3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率空载启动时切削时工作频率当快速运动和切削进给时，86BYG2593-SAFRBL-0202型混合式步进电机矩频特性完全满足要求。 三、数控机床零件加工程序O0321N010 G90G00G92X80,Z10;N020 M03S600;N030 G00X24.Z21;N040 G01X30,Z-2,F10;N050 X30,Z-64;N060 X32,Z-64;N070 X40,Z-120;N080

19、G02X40,Z-180.I51.96,K-30,F5;N090 G01X40,Z-200,F10;N100 G00X80,Z10;N110 M05T0100;N120 T0200;N130 M03S100;N140 G01X34,Z-64;N150 X26,Z-64;N160 G00X34,Z-64;N170 X80,Z10;N180 M05T0200;N190 T0300;N200 M03S50;N210 G00X28.402,Z10;N220 G33Z-64,F2;N230 G00X34.402;N240 X80,Z10;N259 X27,.602,Z10;N260 G33Z-62,F2N270 G00X33.602;N280 X80,Z10;N290 X27.402,Z10;N300 G33Z-62,F2;N310 G00X33.402;N320 X80,Z10;N330 M05T0300;N340 T0100;N350 M02;四、绘制进给伺服系统机械装配图。（略）五、绘制微机数控系统硬件电路图（略） 总结通过这次课程设计，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。在做设计的过程中，不但复习了所学过的