普通车床的数控化改造设计
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目录一任务书 3二.总体方案设计 5三.设计参数 5四.实施方案 6五.横向进给传动链的设计计算 7六.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 9七.计算机械传动系统的刚度 10八.驱动电动机的选型计算 12九.机械传动系统的动态分析 15十.机械传动系统的误差计算与分析15十一.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号16十二.数控系统设计 17十三.参考书目 23一.任务书1.设计目的数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节,学生学完技术基础课和专业课,特别是“数控技术”课程后应用的,它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题数控系统设计方案的拟定为主线,通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计,计算以及控制系统硬件电路的设计,使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识,进行一次机电结合的全方面训练,从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。2.设计要求课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想,了解有关的工业政策,学会运用手册、标准、规范等资料;培养学生分析问题解决问题的实际能力,并在教师的指导下,系统地运用课程和选修课程的知识,独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备,实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机的内容应包括:课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分(如环形分配器等)的说明。该课程设计的内容及方法,可以归纳如下:1) 采用微型计算机(包括单片机)进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。2) 选用驱动控制电路,对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用,考虑电机选择及驱动力矩的计算,控制电机电路的设计。3) 精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题:要弄清机构或机械执行元件的主要功能(传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等),进行力矩、负载功率、惯性(转动惯量)、加(减)速控制和误差计算。4) 学会使用手册及图表资料,计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。二.总体方案设计1.系统运动方式:普通车床数控化改造应具有定位。快速进给,直线插补,圆弧插补,暂停,循环加工和螺纹加工等功能。因此,普通车床数控化改造所选用的数控化系统应为连续控制系统。如:德国西门子公司的SIEMNS8025型系统。华中数控的“世纪星”21/22型系统。2.伺服系统的确定:普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床,在保证具有一定加工精度的前提下,从改造的成本考虑,应简化结构,降低成本。因此,进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。3.功能部件的选择:主要是滚珠丝杠及其支承方式的选择,电动回转刀架的选择等。4.结构设计与电气设计:这主要是纵向进给传动系统,横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护。一般采用贴塑导轨以减小摩擦力,机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形图设计。三.设计参数1.最大加工直径:320mm2.最大加工长度:700mm3.行程:纵向700mm,横向200mm4.刀架快速进给速度:纵向2400mm/min,横向1200mm/min5.最大进给速度:纵向800mm/min,横向400mm/min6.溜板及刀架重力:纵向800N,横向500N7.主电动机功率:4.5kw8.定位精度:0.02mm/全行程9.程序输入方式:增量值,绝对值通用10.控制座标数:211.脉冲当量:纵向0.01mm/脉冲,横向0.005mm/脉冲四.实施方案进给系统数控化改造的主要部位有:挂轮架,进给箱,溜板箱,溜板,刀架。1.挂轮架系统:全部拆除,在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。2.进给箱部分:全部拆除,在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杠,光杆和操纵杠拆去,齿轮箱连接滚珠丝杠,滚珠丝杠另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。3.溜板箱部分:全部拆除,在原处安装滚珠丝杠螺母座。丝杠螺母固定在其上,在该处还可以安装部分操作按钮。4.横溜板部分:将原横溜板中的滚珠丝杠,螺母拆除。在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副,横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。5.刀架部分:拆除原刀架,在该处安装自动回转四方刀架总成。五.横向进给传动链的设计计算1.主切削力及其切削分力计算(1)计算主切削力Fz已知:主电动机功率Pm为4. 5kw,最大工作直径D=320mm。 主轴计算转速:n=85r/min,在此转速下,主轴具有最大扭矩和功率。则刀具的切削速度为:。取机床的机械效率=0.8,则主切削力=。(2)计算各切削分力由公式Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4,得:走到方向切削分力Fx和垂直方向切削分力Fy分别为:Fx=0.25Fz=633.8N,Fy=0.4Fz=1014.08N。2.导轨摩擦力计算由公式:F=(W+fg+Fv+Fc)N,计算在切削状态下导轨摩擦力F。此时导轨受到的垂向切削分力Fv=Fz=2535.21N,横向切削分力为Fc=Fx=633.8N。移动部件的全部重力为W=500N,查表由差值法,得:fg=1500N。取导轨动摩擦系数=0.15,则F=(W+fg+Fv+Fc)=0.15(500+1500+2535.21+633.8)=775.35N。由公式:F=(W+fg)N,计算在不切削状态下的导轨摩擦力F和F,则:F=(W+fg)=0.15(500+1500)=300N,F=(W+fg)=0.2(500+1500)=400N。3.计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力按公式:Famax=F+(W+fg+Fv+Fc)N,计算最大轴向负载力Famax。则:Famax=Fy+F=1014.08+775.35=1789.43N。按公式:Famin= F=(W+fg)N,得:最小轴向负载力Famin= F=300N。4.确定传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角为=1.5度,滚动丝杠的基本导程L=6mm,进给传动链的脉冲当量=0.005mm/脉冲,则由公式:得, ,按最小惯量条件,查图可知应采用二级传动,传动比分别取:=2,=2.5。根据结构需要,各传动齿轮的齿数分别为:,模数m=2,齿宽b=20mm。5.滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam,已知数控机床的预期工作时间Lh=15000h,滚珠丝杠的当量载荷Fm=Famax=1789.43N,查表得:载荷系数fw=1.3,初选滚珠丝杠的精度等级为3级,取精度系数fa=1,可靠性系数fc=1,取滚珠丝杠的当量转速,又知:Vmax=0.4m/min,L=6mm。则:。由公式:=N,得:=N。按精度要求允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形:已知本车床横向进给的定位精度为20m,重复定位精度为16m,则由公式,得:=(1/31/2)16m=(5.338)m,=(1/31/4)20m=(45)m。取上述结果较小的值,即=4m。估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径,滚珠丝杠螺母副的安装方式采用一端固定,一端游动支承方式,滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为:L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度=(1.21.4)行程+(2530)L,则:L=1.4行程+30 L=(1.4200+306)=460mm。由公式:0.078, 得: 0.078mm。初步确定滚珠丝杠螺母副的规格和型号根据以上计算所得L,和结构需要,初步选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副,型号为:FFZL2506-3,其公称直径,基本导程L,额定动载荷Ca和螺纹底径如下:=25mm,L=6mm,Ca=11300N=9107.15N,=21.9mm=16.73mm,故满足要求。六.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1.滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷Fc的校验已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径=21.9mm,由图可知:滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L=313mm,丝杠水平安装时,取=1/3,查表=2,则由公式Fc=,得:Fc=N,本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为:Famax=1789.43N,远小于其临界压缩载荷Fc的值,故满足要求。2.滚珠丝杠螺母副临界转速校验由图可知:滚珠丝杠螺母副临界转速计算长度L=337mm,其弹性模量E=,密度。则,滚珠丝杠的最小惯性矩为:I=。滚珠丝杠的最小截面积为:A=,取=0.8,查表,得:。由公式本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为:66.67r/min,远小于其临界转速,故满足要求。3.滚珠丝杠螺母副额定寿命校验查附录表,得:滚珠丝杠额定动载荷Ca=11300N,已知其轴向载荷Fa=Famax=1789.43N,滚珠丝杠的转速,运转条件系数fw=1.2,则由公式:L=(),得:L=1.70r,=L/60n=36498h。因为Lh=36498h远大于15000h,故满足要求。七.计算机械传动系统的刚度1.计算机械传动系统的刚度计算滚珠丝杠的拉压刚度Ks本机床横向进给传动链的丝杠支承方式为一端固定,一端游动。丝杠的拉压刚度Ks可按公式:Ks=计算。已知滚珠丝杠的弹性模量E=,底径=21.9mm,当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a=Ly=313mm时,滚珠丝杠螺母副具有最小抗拉压刚度Ksmin。由公式:,得:。当a=Ly=113mm时,滚珠丝杠螺母副具有最大抗拉压刚度Ksmax,由公式,得:。计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb已知滚动体直径,滚动体个数Z=15,轴承最大轴向工作载荷,则查表得:。计算滚珠与滚道的接触刚度Kc查附录,得:滚珠与滚道的接触刚度,滚珠丝杠的额定动载荷Ca=11300N,已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷Famax=1789.43N。则由公式:,得:。计算进给传动系统的综合拉压刚度K由公式:,得:进给系统的综合拉压刚度的最大值为:。由公式:,得:进给系统的综合拉压刚度的最小值为:。2.计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度由图知:扭矩作用点之间的距离,已知滚珠丝杠的剪切模量,底径,则由公式,得:。八.驱动电动机的选型计算1.计算折算到电动机轴上的负载惯量计算滚珠丝杠的转动惯量Jr已知滚珠丝杠的密度,则由公式:计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量已知机床横向进给系统的执行部件的总质量为51.02kg,丝杠每转一圈,机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm,由公式:。计算各齿轮转动惯量;由公式,得:总负载转动惯量。2.计算折算到电动机轴上的负载力矩计算折算到电动机轴上的切削力矩Tc已知在切削状态下的轴向负载力Fa=Famax=1789.43N,丝杠每转一圈,机床执行部件横向移动距离L=6mm=0.006m,进给传动比i=5,总效率,由公式,得:。计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩已知在不切削状态下的轴向负载力,则由公式,得:。计算由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩Tf已知滚珠丝杠螺母副效率,则,则由公式:,得:。折算到电动机轴上的负载力矩T的计算空载时:切削时:3.计算折算到电动机轴上的加速力矩根据以上计算结果和查表,知:初选130BF001型反应式步进电动机,其转动惯量,而进给传动系统的负载惯量,对开环系统,一般取加速时间。当机床执行部件以最快速度v=1200mm/min运动时,电动机的最高转速,由公式: ,得:。4.计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩按式,得:按式,得:按式,得:5.电动机型号的选择选择驱动电动机的型号根据以上计算及查表知,选择国产130BF001反应式步进电动机,其主要参数如下:相数:5,步距角:0.75度/1.5度,最大静转矩:,转动惯量:,最高空载启动频率:3000HZ,运行频率:16000HZ,分配方式:五相十拍,质量:9.2kg。确定最大静转矩查表,知:机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:,所以:。机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:。取和中较大者作为所需电动机的最大静转矩,即:,本电动机的最大静转矩为,所以可以在规定时间里正常启动,故满足要求。验算惯量匹配为了使机械传动系统的惯量达到合理的匹配,系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式: 0.251。因为属于0.251的区间范围内,故惯量匹配满足要求。九.机械传动系统的动态分析1.计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率滚动丝杠螺母副的综合拉压刚度,机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为m,ms,滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为:,已知m=51.02kg。则:。2.计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为:,已知滚珠丝杠扭转刚度,则:。由此计算可知:丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率,扭转振动系统的最低固有频率都比较高,一般按的要求设计机械传动系统的刚度,故满足要求。十.机械传动系统的误差计算与分析1.计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值,导轨的静摩擦力。由公式:=。即:=5.76YE,可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据,如动点X等于终点XE则停止。当XE=0?Y方向进给XYY1YXX1X?Y?返 回X方向进给程序设计设计程序时,在RAM数据区分别存放终点坐标值XE,YE,动点坐标值X,Y,偏差FM。对8位机,一般可用2字节,而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外,所有的数据区必须进行初始值、X、Y向步进电机初态(控制字)。插补程序所用的内存单元如下:28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为:D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制位。D0=1运行,D0=0停止;D1=1正转,D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行,D2=0停止;D3=1正转,D3=0反转。第一象限直线插补的程序: ORG 2000HMAIN:MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28HLP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET十三.参考书目1.范超毅 赵天婵 吴斌方数控技术课程设计华中科技大学出版社2. 陈婵娟 数控车床设计 化学工业出版社3. 周开勤 机械零件手册 高等教育出版社 4. 何立民 单片机高级教程 北京航空航天大学出版社5. 郑堤 唐可洪 机电一体化设计基础机械工业出版社课程设计说明书设计题目:普通车床的数控化改造设计指导老师:马爱兵设 计:王振英班 级:07机制(3)班学 号:0715011334时间:2010年12月27日2011年1月13日一、概述普通车床是金属切削加工中最常见的一类机床,当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向移动和横向移动,车床能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具,车床还能加工各种成形回转表面。普通车床 刀架纵向、横向的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来,通过进给箱变速后,由光杆或丝杠带动溜板箱、纵溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好,如果改变参数,则要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动。对普通车床进行数控改造,主要是将纵向和横向进给系统改造为CNC装置控制的,能独立运动的进给伺服系统,将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架,这样利用CNC装置,车床就可以按顺序进行切削加工。由于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整,再加上纵向进给和横向进给联动的功能,数控化改造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切削,从而提高生产效率和加工精度,还能适应小批量、多品种负责零件的加工二、总体方案设计总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型计算机以及传动方式的选择等。1.数控系统的选择。普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线查补、圆弧查补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能,因此,普通车床数控化改造所选用的数控系统应为连续控制系统。目前,市场上适用于普通车床数控化改造的数控系统较多,如西门子公司的SIEMENS802S型系统、华中数控公司的“世纪星”21/22型系统、广州数控公司的980T型系统等。 2.伺服系统的选择。普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下,从改造的成本考虑,应简化结构,降低成本。因此,进给伺服系统采用一步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。当然,也可以采用以伺服电动机为驱动装置的半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。3.功能部件的选择。 这主要是滚珠丝杆及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等。4.结构设计与电气设计。 这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护,一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形设计等等。 在上述方案的基础上,若条件允许,可以进一步对普通车床的主传动系统进行改造,以实现车床主传动系统的自动调速与控制,使加工过程实现全自动化。三、参数设计将C6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架,具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率:纵向:0.01mm横向:0.005mm。设计参数如下:1. 最大加工直径: 630mm2. 最大加工长度: 1400mm3. 快进速度:纵向2.0m/min,横向1.0m/min4. 最大切削进给速度:纵向0.5m/min,横向0.25m/min5. 溜板及刀架重力:纵向1500N ,横向1000N6. 主电动机功率:12.5Kw7. 空载启动时间:35ms8. 定位精度:0.015mm四、实施方案进给系统数控化改造的主要部位有:挂轮架、进给箱、溜板箱、刀架等。现拟定一下改造方案。1.挂轮架系统:全部拆除,在原挂轮主传轴处安装光电脉冲编码器。2.进给箱部分:全部拆除,在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。丝杆、光杆和操纵杆拆去,齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。3.溜板箱部分:全部拆除,在原处安装滚珠丝杠的螺母座,丝杆螺母固定在其上,在该处还可以安装部分操纵按钮。4.横溜板部分:将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除,在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副,横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。5.刀架部分:拆除原刀架,在该处安装自动回转四方刀架总成。五、横向进给传动链的设计计算1. 主切削力及其切削分力计算(1) 计算主切削力 用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切: Fz =0.67Dmax1.5 (N)Dmax车床床身上加工最大直径(mm)Fz =0.67(630)1.5 =10595(N)(2) 计算各切削分力。 按比例分别求出分力Fx和Fy由 Fz:Fx:Fy1:0.25:0.4Fx走刀方向的切削力(N)Fy垂直走刀方向的切削力(N)得:Fx =0.25 Fz Fy =0.4 Fz=0.2510595 =0.410595=2649(N) =4328(N)2. 导轨的摩擦力的计算(1) 由式(2-8a)计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时,导轨受到的垂向切削分力,横向切削分力,移动部件的全部质量(包括机床夹具和工件的质量)W=1000N,查表2-3得镶条紧固力则 =0.15(1000+2688+10595+2649)N =2540N(2) 按式计算在不切削状态下的导轨摩擦力。 3.计算滚珠丝螺母副的轴向负载力(1) 按式计算最大轴向负载力。 H(2) 按式计算最小轴向负载力。 4.确定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的不距角=滚珠丝杠的基本导程,进给传动当量=0.005MM/脉冲,则由式得 按最小惯量条件,从图查的该减速器应该采用2级传动,传动比可以分别取。根据结构需要,确定各传动齿轮的齿数分别为,模数m=2,齿宽b=20mm。5.滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间Lh=15000h,滚珠丝杠的当量载荷,查表得,载荷系数fw=1.3;查表可得初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度,去精度系数=1;查表得可靠性系数=1.取滚珠丝杠的当量转速,滚珠丝杠的基本导程Lo=8mm,则 (2)按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最多轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为,则由式得 取上述计算结果的较小值,即=3 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。 滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定.一端游动支撑方式,滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为 L=行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支撑长度 =(1.21.4)行程+(2530) L=1.4X行程+30 =()mm=681mm 由式得(3)初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据以上计算所得的和结构的需要,初步选择南京工艺装备公司生产的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副,型号为FFZD5008-5,其公称直径基本导程,额定动载荷Ca和螺纹底径如下: 故满足要求。六、滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1.滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径由图可知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度=313mm,丝杠水平安装时,取=1/3,查表得=2,则由式的 本车床横向进给系统滚珠丝杆螺母副的轴向最大压缩载荷=6868N,远小于其临界压缩载荷的值,故满足要求。2. 滚珠丝杆螺母副的临界转速的校验由图4-5滚珠丝杆螺母副的临界转速的计算长度=337mm.其弹性模量E=2.1xMPa,密度,重力加速度g=9.8xmm/滚珠丝杆的最小惯性矩为 滚珠丝杆的最小截面积为 取K1=0.8,由表2-44得=3.927,则由式(2-36)得 =153323 r/min本横向进给传动链的滚珠丝杆螺母副的最高转速31.25r/min,远小于其临界转速,故满足要求3. 滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验查附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷Ca=34700N,已知其横向载荷=6868N,滚珠丝杆的转速n=31.25 r/min,运动条件系数,则由式2-37 式2-38 得本车床数控化改造后,滚珠丝杆螺母副的工作总寿命=39787h=15000h,故满足要求七、计算机械传动系统的刚度1. 计算机械传动系统的刚度(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度Ks本机床横向进给传动链的丝杆为一端固定、一端游动。丝杆的拉压刚度Ka可按(2-42)计算已知滚珠丝杆的弹性模量E=2.1xMPa,其底径d2=44.9mm.当其螺母中心至固定端支撑中心的距离a=Ly=313mm时,其螺母副具有最小拉压刚度Ksmin,根据式(2-43a)得当a=Lj=113mm时,其螺母副具有最大拉压刚度Ksmax, 根据式(2-43b得(2)计算滚珠丝杆螺母副支撑轴承的刚度.已知滚动体直径=5.953mm,滚动体个数Z=15,轴承的最大轴向工作载荷=6868N,则由表2-46得 (3) 计算滚珠与滚道的接触刚度K=2069N/,滚珠丝杆的额定动载荷=34700N,滚珠丝杆所承受的最大轴向载荷=6868N,则由式(2-46b)得 (4)计算进给系统的综合拉压刚度Ko根据式(2-47a)得进给系统的综合拉压刚度的最大值为故Kmax=512.8 N/根据式(2-47b)得进给系统的综合拉压刚度的最小为故Kmin=392.2 N/2.计算滚珠丝杆螺母副的扭矩刚度由图4-5得扭矩作用点之间的距离L2=387mm,已知滚珠丝杆的剪切模量G=8.1xMpa,滚珠杆的底径mm,则由式(2-48) 八、驱动电动机的选型与计算1.计算折算到电动机轴上的负载惯量(1)计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度kg/c,则由式(2-63)得 =L ; =0.78(2.+2.+2.)kgc=1.38 kgc(2)计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量。已知机床横向进给系统执行部件(既横向溜板及刀架)的总质量m=102.04kg ;丝杠轴每转一圈,机床执行部件在轴向移动的距离L=0.8cm ,则由式(2-65)得 =m=102.04 kgc=1.7 kgc(3)计算各齿轮的转动惯量=0.78 kgc=0.4 kgc =0.78 kgc=6.4 kgc=0.78 kgc=32.3 kgc(4)由式(2-66)计算加在电动机轴上总负载转动惯量=+(+)+(+) = kgc =3.08 kgc2计算折算到电动机轴上的负载力矩(1)计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力矩=6868N,死杠每转一圈,机床执行部件轴向移动的距离L=8mm=0.008m ,进给传动系统的传动比i=6 ,进给传动系统的总传动效率,则由式(2-54)得= Nm=1.72 Nm(2)计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩已知在不切削状态下的轴向负载力(既空载时的导轨摩擦力)=553.2N,则由式(2-55)得(3)计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 。 已知滚珠丝杠螺母副的效率,滚珠丝杠螺母副的预紧力为=则由式(2-56)得=(1)= Nm=0.067 Nm(4)折算到电动机轴上的负载力矩T 的计算。1 空载时(快进力矩),由式(2-57a)得2切削时(工进力矩),由式(2-57b)得3计算折算到电动机轴上的加速力矩根据以上计算结果和表A-5,初选130BF001型反应式步进动机,其转动惯量,而进给传动系统的负载惯量 kgc;对开环系统,一般取加速时间S 。当机床执行部件以最快速度V=1000 mm/min运动时电动机的最高转速为 r/min=833r/min 由式(2-59)得=7.68N4计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩(1)按式(2-61)计算空载启动力矩=+()=7.89N(2)按式(2-57a)计算快进力矩(3)按式(2-57b)计算工进力矩5,选择驱动电机的型号(2) 选择驱动电机的型号。根据以上计算和表A-5,选择国产130BF001型反应式步进电动机为驱动电动机,其主要技术参数如下:相数,5;步距角,0.75/1.5;最大静转矩,9.31Nm;转动惯量,4.6kg*;最高空载启动频率,3000Hz;运行频率,16000Hz;分配方式,五相五拍;质量,92Kg。(3) 确定最大静转矩。由表248给出的机械传动系统空载启动力矩 的关系可得 0.951 机械传动系统空载启动力矩 取。本电动机的最大静转矩为9.31Nm,大于Ts=8.3Nm,可以在规定的时间里正常启动,故满足要求。(4) 验算惯量匹配。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配,系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量Jm之比一般应满足式,即 0.25因为 ,故满足惯量匹配要求。九、机械传动系统的动态分析(1) 计算丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率。滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度,机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为m, 102Kg ,则 计算扭转震动系统的最低固有频率折算到计算轴上的系统总转动惯量为已知滚珠丝杠的扭转刚度由以上计算可知,丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 =1954 扭转振动系统的最低固有频率=4662 都比较高。一般按=300 的要求来设计机械传动系统的刚度,故满足要求。十、机械传动系统的误差计算与分析1.计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值=392.2 N/mm导轨的静摩擦力520N.=2=3.76mm故满足要求。2.计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差3.计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差(1) 计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量已知负载力矩T=207N.mm 由图4-5得扭矩作用点之间的距离丝杠底径 =7.21(2)由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量 将影响工作台的定位精度,由式(250)得 十一、确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级.本进给传动系统采用开环控制系统,应满足下列要求: 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为2级,查表220得 当螺纹长度为315mm时查表221得, ,故满足设计要求。 2.确定滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD5008-5-P2/585*400,其具体参数如下:公称直径与导程:50mm,8mm;螺纹长度:400mm;丝杠长度:585mm;类型与精度:P类2级精度。十二、设计总结在三个星期的时间里,经过我们小组的共同努力,终于完成了CA6140普通车床微机数控改造设计。我们小组的主要任务是机床纵向进给的改造,其要求是按照机床给出的技术参数完成其纵向改造。在设计过程中,一方面要求设计机械系统时,选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数;同时也要求设计控制系统时,根据机械系统的故有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术,使二者密切结合、互相协调、相互补充,充分体现机电一体化的优越性。 设计机床的主要功能是数字控制机床的自动加工进给及完成退刀程序的完全自动化。其设计主要是按要求完成电路设计,电器元件的选用及其结构设计和控制功能的程序设计。在改造完成的数控机床其使用价值是加工过程是自动化,它可以节省劳动力,提高加工精度,从而提高劳动的效率,提高工厂企业的经济效益。它的主要特色是起用微电子元件对机床加工的控制。在设计的过程中,我深刻地体会到机电一体化系统的设计,是多学科的交叉与综合,涉及了大学课程里的大部分知识,是对过去所学知识的一次复习、巩固和实际的操作,强化训练了我们的学科融合的思维能力,进一步加强了我们对机电一体化系统设计技术总体思想,初步了解到了设计一个机电一体化系统的方法,培养了一个机电工程师应具备的思维能力。在设计中我学到了很多从书本上无法体会的东西。学习实践技能得到明显的提高,使自己的综合能力得到进一步的提高,从而为自己毕业后更快地适应社会工作打下良好的基础。但我们还需要在实践中不断的学习,提高,掌握新概念、新技术、将来才能成为机电一体化的复合人才。
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