CA6140车床数控化的改造毕业设计【含CAD图纸、说明书】
毕业设计任务书 第 1 页 共 3 页毕业设计任务书姓名 专业 数控技术 姓名 类别毕业生学号 班级 指导教师 职称 讲师 外聘、 本校一、毕业设计题目CA6140 车床数控化改造二、毕业设计提供的原始数据资料随前科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩太,数控机床及其系统已成为机械制造业中不可缺少的组成部分。我国在普及应用数控技术方近年来取得了根大的进展,但鉴于我国机床拥订量大工业规模小的特点,突出的任务是用较少的资金迅述改变机械工业落后生产面貌,使之尽可能地提高自动化程度,提高加工质量,减轻劳功强度,而实现这一任务的有效的途径就是普及应用经济型数控机床。并对原有机床进行数控改造。目前,在机械加工企业中,有许多旧式普通机床,为了机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工充分利用普通机床,就需要对普通机床进行机电一体化改造。用数控技术对CA6140 车床进行改装,不仅可提高机床精度,提高生产率,大大减轻工人的劳动强度。减少对工夹具的投资和数量,而且适合我国国情。三、毕业设计应完成主要内容:1、毕业设计说明书:(1)CA6140 床数控化改造总体机械部件设计。(2)主要部件的设计和选用(3)数控系统选型(4)电气系统的设计 2、毕业设计图纸:(1)总体设计完整、图纸表达清晰;(2)完成机床外观图; (A0)(3 ) 纵向进给系统装配图;(A0)(4 ) 横向进给系统装配图;(A0)(5 ) 齿轮;(A3)(6 ) 中间轴;(A3)四、毕业生应提交的毕业设计资料要求1、毕业设计说明书:(1)毕业设计说明书必须打印成册;(2)按太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书撰写规范毕业设计任务书 第 2 页 共 3 页(3)说明书正文 10000 字(4)说明书按要求内容填写完备(5)同时提交电子文档;(6)电子文档的格式是:说明书必须是 WordDOC 和 EXCELXls图纸提交的电子文档资料必须是 AUTOCADdwg 的格式。(7)邮箱地址( E-Mail):461400054qq.com2、毕业设计图纸:(1)总体设计完整、图纸表达清晰;(2)完成机床外观图; (A0)(3 ) 纵向进给系统装配图;(A0)(4 ) 横向进给系统装配图;(A0)(5 ) 齿轮;(A3)(6 ) 中间轴;(A3)五、设计进度安排(从第二周起)序号 时间 周次 设计任务完成的内容及质量要求1 3 月 5 日3 月 11 日 第 2 周 查阅资料,了解设备的工作机理及加工技术2 3 月 12 日3 月 18 日 第 3 周 编写开题报告3 3 月 19 日3 月 25 日 第 4 周 制定总体设计方案4 3 月 26 日4 月 1 日 第 5 周 主要部件的设计和选用5 4 月 2 日4 月 8 日 第 6 周 进给系统设计6 4 月 9 日4 月 15 日 第 7 周 步进电机选型7 4 月 16 日4 月 22 日 第 8 周 数控系统选型8 4 月 23 日4 月 29 日 第 9 周 总装图绘制9 4 月 30 日5 月 6 日 第 10 周 编写设计算说明书10 5 月 7 日5 月 11 日 第 11 周 打印和装订11 5 月 12 日5 月 19 日 第 12 周 教师评阅和开始答辩六、主要参考文献资料1、参考资料:1 太原理工大学机械工程学院数控机床课程设计指导书,内部资料2 吴宗泽 .机械零件设计手册.机械工业出版社,2003 年3 机械设计手册编委会. 机械设计手册.第三版.机械工业出版社, 2004 年4 常兴、田勇、刘国峰. 普通车床数控化改造及其设计计算.现代制造工程.2005 年第 8 期毕业设计任务书 第 3 页 共 3 页5 于涛、袁国久. C6132 普通车床的数控改造.北华大学学报.2005 年 4 月第 6 卷第2 期6 赵松年、张奇鹏.机电一体化机械系统设计 M.上海:同济大学出版社,19907 黄家善 .计算机数控技术M.北京:机械工业出版社,20048 李善术 .数控机床及其应用M.北京:机械工业出版社,20019 国家教委高等教育司、北京市教育委员会编.高等学校毕业设计(论文)指导手册M.北京:高等教育出版社,199810 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书 M. 北京:机械工业出版社,2007七、签字栏签 字 栏姓名 专业 班级毕业生 要求设计工作起止日期 2013 年 3 月 4 日2013 年 5 月 8 日指导教师(签字) 日期 200 年 月 日教研室主任审查(签字) 日期 200 年 月 日教师审核系主任批准(签字) 日期 200 年 月 日I毕 业 设 计 说 明 书毕业生姓名 :专业 :学号 :指导教师 :所属系(部) :年五月I毕业设计评阅书题目:CA6140 普通车床数控化改造 机械电子工程 系 数控技术 专业 姓名 设计时间: 年 3 月 11 日2013 年 5 月 12 日评阅意见:成绩:指导教师: (签字)职 务: 201 年 月 日II毕业设计答辩记录卡机械电子工程 系 数控技术 专业 姓名 答 辩 内 容问 题 摘 要 评 议 情 况记录员: (签名)成 绩 评 定指导教师评定成绩 答辩组评定成绩 综合成绩注:评定成绩为 100 分制,指导教师为 30%,答辩组为 70%。专业答辩组组长: (签名)201 年 月 日CA6140 普通车床数控化改造摘 要随着科学技术的迅猛发展,衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志是数控机床。我国普通机床拥有量大,生产规模小的具体国情,需要采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造。机电一体化技术涉及电子、机械、以及控制等多门学科,是衡量一个国家机械装备发展水平的重要标志,是现代工业最主要的基础技术和核心技术之一。虽然这门学科还正处于发展阶段,许多理论还处于研究和完善阶段,但是它代表着机械工业技术革命的前沿方向,更是综合国力的又一具体体现。因此,我们应该重视该学科的研究,大力发展这门学科,逐渐缩小与日美等发达国家的差距。本次设计是对 CA6140 普通车床的数控化改造。我设计时先对数控机床系统进行了总体设计,然后对进给系统、齿轮箱传动比及步进电机进行了计算,最后我对电气系统进行了设计。在国内,盛行普通车床改造成数控车床,此设计就是针对着这以目的而设计的,这缩短了工业化的进程,降低了生产成本,同时为广大的生产厂家所接受。关键词:数控改造 ;数控 ;步进电动机 目 录1 绪论 12 数控机床系统总体设计 22.1 总体方案设计内容 .22.2 总体方案确定 .33 进给系统设 计计算 .43.1 选择脉冲当量 .43.2 计算切削力 .43.3 滚珠丝杠 螺母副的计算和选型 .54 齿轮进给齿轮箱传动比计算 .134.1 纵向进给齿轮箱传动比计算 134.2 横向进给齿轮箱传动比计算 135 步进电机的计算和选型 .145.1 纵向进给步进电机计算 145.2 横向进给步进电机计算和选型 186.CA6140 车床数控化改造的数控系统 216.1 数控系统选型.216.2 步进电动机的驱动器选型.246.3 驱动器信号输入输 出.297.CA6140 电气系统数控改造设计 327.1 概述.327.2 电气系统数控改造设计.327.3 强电柜的安装与连接 .33总结 .34参考文献 35致谢 .3611 绪论我国的大多数企业的生产和制造行业、加工装备绝大数是传统的机床,用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、档次低、品种少、成本高、供货期长,从而在国内、国际市场上缺乏竞争力,影响企业的生存和发展。所以普通车床的数控改装已成必然。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升,在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用,在大中企业己有较多的使用。在以上数控机床中,除少量机床以 FMS 模式集成使用外,大多数处于单机运行状态,并且相当部分处于使用效率不高,管理方式落后的状态。2001 年,我国机床工业产值己进入世界第 5 名,机床消费额在世界排名上升到第3 位,达 47. 39 亿美元,这仅次于美国的 53. 67 亿美元,消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求,使我国机床的进口额呈逐年上升态势,2001 年进口机床跃升至世界第 2 位,达 24. 06 亿美元,比上年增长 27. 3% ,我国很有必要进行数控化改造。在日本、美国和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造将是个“永恒“的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在日本、美国、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了生产线和机床数控改造的新的行业。企业要在当前市场竞争激烈,需求多变的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品,以最好的质量、最低价格、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应小批量、多品种的生产要求,数控机床则综合了微电子技术、数控技术、自动检测技术等先进技术,最适宜加工高精度、小批量、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序,不需对机床作任何调整,因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后,其零部件相互连接尺寸会发生较大变化,主要传动零件几经更换和调整,故障率仍然较高,采用传统的修理方案很难达到大修验收标准,而且费用较高。数控机床在机械加工行业中的应用逐渐广泛。数控机床的发展,一方面是高性能、全功能;另一方面是简单实用的经济型数控机床,具有自动加工的基本功能,操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统,功率步进电机为驱动元件,无需检测反馈机构,系统的定位精度一般可达0.00.02mm,已能满足 CA6140 车床改造后加2工零件的精度要求。与普通机床相比,数控机床具有以下的优点:一是适应性强,适合加工单件或小批量的复杂工件;二是生产效率高;三是加工精度高;四是经济效益好;五是减轻劳动强13度,改善劳动条件;六是有利于生产管理的现代化。在国内工厂的技术改造中,机床的微机数控化改造已成为重要内容。许多工厂一面购置数控机床,一面利用数控、数显、PC 技术改造普通机床,并取得了良好的经济效益。 2 数控机床系统总体设计2.1 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后,首先必须拟定总体方案,绘制系统总体框图,才能决定各种设计结构和参数,然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。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、执行机构的确定、伺服系统的选择及传动方式的确定,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。2.1.1 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2 控制方式的选择系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中,没有检测反馈装置,数控装置发出的信号的流程是单向的,也正是由于信号的单向流程,它对机床移动部件的实际位置不做检测,所以机床加工精度要求不太高,其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定,反应迅速,调试和维修都比较简单。42.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位,直线插补,顺、逆圆弧插补,循环加工,暂停,公英制螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高,为了简化结构、降低成本,采用步进电机开环控制系统。2.2.2 机械传动方式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杆,为保证一定的平稳性和传动精度,尽量减少摩擦力,选用滚珠丝杆螺母副。同时,为消除间隙和提高传动刚度,采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框如图 2-1:图 2-1 系统总体方案框图53 进给系统设计计算3.1 选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量:纵向:0.01mm/step, 横向:0.005mm/step(半径)3.2 计算切削力用车床经验公式 F = D 来计算主切削力z67.05.1max式中 D 指车床身上最大加工直径(mm) 。横切端面时主切削力 可取纵切时 F 的max zFz1/2。求出主切削里 F 以后再按以下比例分别求出分力 F 和 F 。z zyF : F :F =1 :0.25 :0.5zxy式中 F :指走刀方向的切削力( N) ;F :指垂直走刀方向的切削力( N) 。y图 3-1 纵切和横切时切削力的示意图。图 3-1 纵切和横切时切削力的示意图63.2.1 纵车外圆主切削力 F (N)按经验公式估计算:zF = D = (N)z67.05.1max1.54036按切削力各分力比例:F :F :F =1 :0.25 :0.4zxyF (N)5360.21340F (N)y3.2.2 横切端面主切削力 (N)可取纵切的 1/2。 zF(N)1 2680(N)x.57(N)yF413.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1 纵向进给丝杠3.3.1.1 计算进给轴向力 F (N)m纵向进给这里为三角形导轨:F )(GFfkzx式中 K:指颠覆力矩影响的实验系数,综合导轨取 K=1.15;:指滑动导轨摩擦系数取 0.150.18 之间的值;f7G:指流板及刀架重力,G=1000N。则 F = (N)m1.5340.16(50)258.63.3.1.2 计算最大动负载 Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响,则最大动负载 Q 的计算公式为:Q mwFfL3L 610Tnn 0vs式中 :指滚珠丝杠导程,初选 =6;0L0Ln:指丝杠转速, (r/min) ;:指最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的sv1/21/3,此处取 =0.6 ;sm:指使用寿命时间(h),对于数控机床取 T=15000h.。TL:指寿命,以 10 转为一单位;6:指运动系数,见表 3-1,选 =1.2。wf wf表 3-1 运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.01.2一般运转 1.21.5有冲击运转 1.5-2.5则 n ( r/min)01.605svLL 6614TQ (N )3345.28.092.8wmfF83.3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型,选用时应满足 Q C 的条件。查表:可采用 W L4006 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,2.5 圈 1 列,其额定动1负载为 16400N,符合 Q C 的条件。精度等级按表 3-2,选为 3 级。表 3-2 滚珠丝杠行程公差精度等级项目 符号有效行程( mm)uL 1 2 3 4 53156 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27目标行程公差e p500630 9 11 16 22 303156 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程变动量公差V mp500630 7 11 14 21 29任意 300 mm 内行程变动量V p30 6 8 12 16 232 弧度内行程变动量V p 2 4 5 6 7 83.3.1.4 传动效率计算tan()式中 :指螺旋升角, =2 44:指摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 其摩擦角 ,04.3.f 9,约等于 。arctnf01则 0tatan24 .9()(1)3.3.1.5 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图,如图 3-2 所示,最大轴向力为 2558.6N,支承间距 L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负荷的 1/3。图 3-2 纵向进给系统计算简图(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 (mm)1查图,根据 F = mm, m258.6N40D查出 ,可算出 0l1./L m109.5210l L由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杠又进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其变形量 为: 。1 2-11.4(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 (mm)2查图,W 系列 1 列 2.5 圈滚珠与螺纹滚道接触变形量 m,因进行了预紧,4.6Qm。2.312Q(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变 (mm)310这里采用有预紧时的推力球轴承则 32431076. pwmFZD查机械设计手册中表 6-2-82,采用 51107 型推力球轴承,其 =35mm,1d滚动体直径 =6.35mm, 滚动体数量 Z=18,qd22m33c 5.80.40.4z61QF3-06.7因施加预紧力,故 3-c3.根据以上计算 =定位精度321 015.92.108.2.105. 3-3-3- 3.3.1.6 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承,不会产生失稳现象,故不需作稳定性校核。3.3.2 横向进给丝杠3.3.2.1 计算进给轴向力 mF横向导轨为燕尾形,计算如下:m)2(GFfkyzx由于是燕尾形导轨式中: K=1.4, =0.2则 N1.4670.2(81076)03mF3.3.2.2 计算最大动负载 Qn ( r/min)01.305svLL 66127TQ (N)3327.038wmfF查表:可采用 W L2505 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,2.5 圈 1 列,其额定动111负载为 9700N,符合 Q C 的条件。精度等级按表 2滚珠丝杠行程公差表,选为 3 级。3.3.2.3 传动效率计算 0anta39 .65()(1)t3.3.2.4 刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图 3-3 所示,最大轴向力为 2023N,支承间距 L=450mm, 因丝杠长度较短,不需要预紧。图 3-3 横向进给系统计算简图计算如下:(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 (mm)1查图,根据 F = mm, m203N20D查出 ,可算出 。50l1/L m1089.45210l L(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 (mm)2查图,W 系列 1 列 2.5 圈滚珠与螺纹滚道接触变形量 m,因进行了预紧,5.8Qm。25.412Q(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变 (mm)312这里采用有预紧时的推力球轴承则 32431076. pwmFZD查机械设计手册中表 6-2-82,采用 51102 型推力球轴承,其 d=15mm,滚动体直径 =4.763 mm, 滚动体数量 Z=12,qd,考虑到进行了预紧,故22m33c 0.0.4.4.094z761QF mm7.1c3则定位误差 c210.47.30.89=0.0279 (mm)显然变形量已大于规定的定位精度要求,应该采取相应的措施修改,因横向溜板空间限制,不宜加大滚珠丝杠直径,故采用贴塑导轨来减少摩擦力,从而减少轴向力,采用贴塑导轨 =0.030.05。重新计算如下:fmF)2(GFfkyzxN15)601726804.7.1根据 ,查图知 , , , 不变,N5m 5l./L m018.40lL 23则 (mm) 定位精度为 0.015mm,故此321 .98.4.30. 变形量仍不能满足要求,如果经滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可以提高四倍,则变形量 0.015 ,满足要求。0170.18.44321 3.3.2.5 稳定性校核临界负载 与工作负载 之比称为稳定性系数 ,如果 ,则压杆稳kFmF knmkFn定, 为许用稳定性安全系数,一般 =2.54。knkn计算临界负载 (N): kF2fLEIzk13式中 E:指丝杠材料弹性模量,对钢 E (N/mm ) ;4106.22I:指截面惯性矩(mm ),丝杠截面惯性矩 J ( 为丝杠螺纹的底径) ;4 41d:丝杠两支承端距离(cm) ;l:丝杠支承方式系数,见表 3-3,这里 。zf 0.2表 3-3 滚珠丝杠支承方式系数方式 一端固定一端自由 两端简支 一端固定一端简支 两端固定0.25 1.00 2.00 4.00则 N78214456.1306.21.3642421 LdEfFzk7.803mknkn所以此丝杠不会产生失稳。3.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表 3-4:表 3-4 W L5008 及 W L2506 滚珠丝杠几何参数11名称 符号W L40061W L25051公称直径 0D40 25导程 L6 5接触角 0240329钢球直径 bd3.969 3.175滚道法面半径 Rbd52.02.064 1.651偏心距 esin)/(0.056 0.045螺 纹 滚 道螺纹升角 0DLarctg0240329螺杆丝杠外径 dbd)5.2(39 24.36514丝杠内径 1dReD20135.984 21.78螺杆接触直径 z cosbzd36.035 21.86螺母螺纹直径 044.016 23.212螺 母螺母内径 1 b)25.(140.793 20.6354 齿轮进给齿轮箱传动比计算4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量 ,滚珠丝杠导程 ,初选步进电机步距角01.p06Lm,可计算出传动比 :75.0b2i12i0.7561.236bpL在闭式软齿面齿轮传动中,齿轮的弯曲强度总是足够的,因此齿数可取多些,推荐取 Z=2440。所以可选定齿轮数为:12i403Z4.2 横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量 ,滚珠丝杠导程 ,初选步进电机步距角05.p05Lm,可计算出传动比 :75.0b12i12i0.75.08336bpL可选定齿轮数为: = =12i34Z205因进给运动齿轮受力不大,模数 m 取 3。有关参数参照表 4-1。表 4-1 传动齿轮几何参数所处位置 纵 向 横 向15齿数 32 40 24 40 20 25分度圆直径 mzd96 120 72 120 60 75齿顶圆直径 a2102 126 78 126 66 81齿根圆直径 f 5.188.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5齿宽 (610)m 24 20 24 20 24中心距 )(221ZA108 96 67.55 步进电机的计算和选型5.1 纵向进给步进电机计算5.1.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算:2()Jkgcm 2021()(LWZJsM式中 :指步进电机转子转动惯量 ;MJ )kgc、 :指齿轮 、 的转动惯量 ;12122(m:指滚珠丝杠转动惯量 ;sJ2()kc:指工件及工作台重量( N) ;W:指丝杠导程( ) ;0Lcm参考同类型机床,初选反应式步进电机 150BF,其转子转动惯量 。210MJkgcm( 分别表示齿轮 的分度圆直径和齿宽)dJ3178. L和 2Z409.622.()kgcm( 分别表示齿轮 的分度圆直径和齿宽)J32.和 147812.39()kc16( 分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距)dLJs31078.和45229.()kgcm把这些数据代入上式: 2021)()(LgWJZJsM231.610.6().9.5)()49.82.75kgcm5.1.2 电机力矩计算机床在不同的工况下,其所需转矩不同,下面分别按个阶段计算:5.1.2.1 快速空载起动力矩 起M在快速空载起动阶段,加速度所占的比例较大,具体计算公式如下:0maxMf起22axmaxax 10166nnJJtt30maxabpniGLFMf2)1(200ip以上式中 :指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩( ) ;max Ncm:指折算到电机轴上的摩擦力矩( ) ;fMc:指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩( ) ;0 c17:指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 ;J 2()kgcm:指电机最大角加速度( ) ; 2/srad:指电机最大转速( ) ;maxnmin:指运动部件最大进给速度( ) ; i/:指脉冲当量( ) ;pstep/:指步进电机步距角( ) ;bdg:指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间(s) ,这里是 30ms;at:指导程的摩擦力(N) , ;0F)(0WFfz:指垂直方向的切削力(N) ;z:指工件及工作台重量( N) ;W:指导轨摩擦系数, ;f 18.05.f:指运动部件的总重量( N) ;G:指齿轮降速比;按 计算;i 12Zi:指传动链总效率,一般可取 ;85.07:指滚珠丝杠预加负载,一般取 /3, 为进给轴向力(N) ;pFmF:指滚珠丝杠导程;0L:指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率,一般取 。 9.0将以前计算所得数据代入:max0024.75(/min)36.136bpnr( )2 2axax .10543.8.nMJt Ncm( )0021().6(53).6972/.8zfFLfWLGiZ18)1(2200iLFMp( )2 2021/3/358.60()(1.9)5.mZNcm则 ( )ax0.7.48.fM起 5.1.2.2 快速移动时所需力矩 快( )09715.2.f快 Ncm5.1.2.3 最大切削负载时所需力矩 切MtfM0切( )0 1340.6975. 2412285xfFLiNcm从上面计算可以看出, 、 和 三种工况下,以快速空载起动所需力矩最大,起 快M切以此项作为初选步进电机的依据。由表 5-1 得:当步进电机为三相六拍时, ,则max/0.951qj(N ) 。max7480951jM表 5-1 步进电机起动转距 与最大静转距 关系qMmaxj相 数 三 相 四 相 五 相 六 相步进电机 拍 数 3 6 4 8 5 10 6 12max/jqM0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866按此最大静转距从表中查出,150BF002 型最大静转距为 13.72 ,大于所需最大MN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矩频特性和运动矩频特性。195.1.2 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 max1002.461kpf Hzfpse 0.60可查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载启动频率为 2800 运行频率为 8000Hz,再从图 5-1 查出 150BF002 步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出,Hz当步进电机起动时, 远远不能满足此机床所要求的空载起动,250Hzf起 10MNcm力矩(748.8 ) ,直接使用则会出现失步,所以必须采用升降速控制(用软件实现) ,Ncm半起动频率降到 1000 ,起动力矩可提高到 588.4 ,然后在电路上再采用高低压z 驱动电路,还可以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则完全可以满足要求。图 5-1 150BF002 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性5.2 横向进给步进电机计算和选型5.2.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算:2()Jkgcm2034110.78JdL340.78.22.19()kgcm22 3343.J34.62.0()kc440781dL0781.527gm3.sJDl34. 2.6()kc把这些数据代入上式: 22230124+()()()M sZLZGJJJg 2 224060.54.719()3.19+.().9+()058 22.6kgcm5.2.2 电机力矩计算机床在不同的工况下,其所需转矩不同,下面分别按个阶段计算:5.2.2.1 快速空载起动力矩 起Mmax120.750(/min)36.36bpn r( )2 2axax .41394.0.5nJt Ncm( )00().16(80)7822.zfFLfGLMii 20(1)mi( ) 2 20/3/30.5()(1.9)08FLiNcm21则 ( )max0394.1.780.246.9fM起 Ncm5.2.2.2 快速移动时所需力矩 快M( )041.78.251.98f快 Nc5.2.2.3 最大切削负载时所需力矩 切tfM0切( )0 670.41.78.215.9282xfFLiNcm从上面计算可以看出, 、 和 三种工况下,以快速空载起动所需力矩最大,起 快 切以此项作为初选步进电机的依据。由表 5-1 得:当步进电机为三相六拍时, ,max/0.86qjM则 ( ) 。max471.68.0jMNcm按此最大静转距从表中查出,110BF003 型最大静转距为 7.84 ,大于所需最大静N转距,可作为初选型号,但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。5.2.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 max1001.2465kpf Hz.3sepf可查出 110BF003 型步进电机允许的最高空载启动频率为 1500 运行频率为 7000z,不能满足 (4000Hz )的要求。再从图 5-2 查出 110BF002 步进电机起动矩频特性Hzkf和运行矩频特性。不能满足此机床所要求的空载起动力矩(446.92 ) ,直接使用则Ncm会出现失步,所以必须采用升降速控制(用软件实现) ,半起动频率降到 1000 ,起动Hz力矩可提高到 400 ,然后在电路上再采用高低压驱动电路,还可以将步进电机输出Ncm22力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时,110BF003 型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。图 5-2 110BF003 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性6 CA6140 车床数控化改造的数控系统6.1 数控系统选型数控系统是机床的核心,在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型:步进电机拖动的开环系统;异步电动机或直流电机拖动,光栅测量反馈的闭环数控系统;交,直流伺服电机拖动,编码器反馈的半闭环数控系统。 其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。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,使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动元件的节距精度,所以系统的位移精度较低。但该系统结构简单,调试维修方便,工作可靠,成本低,易改装成功。我国国内使用的数控系统基本上分为两大类:一类是从国外引进技术制造的产品,如日本FANUC公司生产的FANUC-0iMate、德国西门子公司的SINUMERIKDMT-802系列;另外一类是在引进、吸收的基础上研制、开发、生产的数控装置,如华中数控系列,GSK系列,南京华兴等。对比国内外数控系统可以发现:国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势,但价格很高,使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电机23的能力没有国外产品强大,但也能满足我们的要求,而且综合成本低。最终我们将数控系统的选择定位在国内数控系统上,其中南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M数控系统是一款能满足以上要求的数控系统,所以我们选择这款专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。WA310M 是南京华兴数控设备有限责任公司集十多年数控系统开发经验,在原有多代成熟产品的基础上,推出的新一代高性能铣床用数控系统,如图 6-1 所示。系统采用超大规模可编程电路方案,具有更高的加工控制品质和系统升级空间。该系统具有强大的控制功能,可控制数字式交流伺服单元和三相细分步进驱动器。系统的电子齿轮功能可与任意螺距丝杆直连,螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化,并提高机床的综合精度,强大的参数功能使系统具有很强的适应性。系统可控制数字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器;系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联;螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化;显示采用 7.4 英寸液晶屏彩色显示,具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能,界面设计更为丰富人性化;图形模拟功能更为强大,具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。系统结构采用整体式工程塑料压模件,造型美观;便捷的 U 盘接口,可实现 U 盘与系统间的程序互存,以及系统在现场升级功能和直接进行 U 盘 DNC 加工的功能。图 6-1 WA310M 数控系统24表 6-1 WA310M 车床数控系统参数WA310M 车床数控系统参数1 适用机床 4 轴车床2 用户存储区 配 512K 电子盘,121 个程序3 编程尺寸 99999.999mm4 分辨率 0.001MM5 最大移动速度 60m/min(1MPPS)6 插补轨迹 直线、圆弧、螺纹、快速定位7 输入/输出 32 路/24 路,所有 I/0 口功能均有参数定义,用户可设置、修改I/O 口功能8 编程方式 ISO 代码、键盘、RS232 串行录入、USB 接口定义9 快速速度范围 1mm/min 15m/min10 电子齿轮 16 位:16 位11 螺距补偿 160 点/轴,24 轴12 软件限位 每轴可任意设定区间13 参考区 刀具、系统参数、螺纹、位参数等14 操作方式 自动、手动、步进、MDI、单段/连续、暂停、手脉、串行或 USB下 DNC 加工15 显示界面 具有同步字符显示功能和图形界面16 系统升级 通过 U 盘或串行口可在现场进行系统升级,无须打开机箱17 进给倍率设置 16 挡拨段开关,倍率范围 5%300%18 主轴倍率设置 16 挡拨段开关,倍率范围 5%300%19 模态指示灯 指示当前操作状态20 图形模拟 三维立体和二维平面图形模拟毕业设计任务书 第 1 页 共 3 页毕业设计任务书姓名 专业 数控技术 姓名 类别毕业生学号 班级 指导教师 职称 讲师 外聘、 本校一、毕业设计题目CA6140 车床数控化改造二、毕业设计提供的原始数据资料随前科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩太,数控机床及其系统已成为机械制造业中不可缺少的组成部分。我国在普及应用数控技术方近年来取得了根大的进展,但鉴于我国机床拥订量大工业规模小的特点,突出的任务是用较少的资金迅述改变机械工业落后生产面貌,使之尽可能地提高自动化程度,提高加工质量,减轻劳功强度,而实现这一任务的有效的途径就是普及应用经济型数控机床。并对原有机床进行数控改造。目前,在机械加工企业中,有许多旧式普通机床,为了机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工充分利用普通机床,就需要对普通机床进行机电一体化改造。用数控技术对CA6140 车床进行改装,不仅可提高机床精度,提高生产率,大大减轻工人的劳动强度。减少对工夹具的投资和数量,而且适合我国国情。三、毕业设计应完成主要内容:1、毕业设计说明书:(1)CA6140 床数控化改造总体机械部件设计。(2)主要部件的设计和选用(3)数控系统选型(4)电气系统的设计 2、毕业设计图纸:(1)总体设计完整、图纸表达清晰;(2)完成机床外观图; (A0)(3 ) 纵向进给系统装配图;(A0)(4 ) 横向进给系统装配图;(A0)(5 ) 齿轮;(A3)(6 ) 中间轴;(A3)四、毕业生应提交的毕业设计资料要求1、毕业设计说明书:(1)毕业设计说明书必须打印成册;(2)按太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书撰写规范毕业设计任务书 第 2 页 共 3 页(3)说明书正文 10000 字(4)说明书按要求内容填写完备(5)同时提交电子文档;(6)电子文档的格式是:说明书必须是 WordDOC 和 EXCELXls图纸提交的电子文档资料必须是 AUTOCADdwg 的格式。(7)邮箱地址( E-Mail):461400054qq.com2、毕业设计图纸:(1)总体设计完整、图纸表达清晰;(2)完成机床外观图; (A0)(3 ) 纵向进给系统装配图;(A0)(4 ) 横向进给系统装配图;(A0)(5 ) 齿轮;(A3)(6 ) 中间轴;(A3)五、设计进度安排(从第二周起)序号 时间 周次 设计任务完成的内容及质量要求1 3 月 5 日3 月 11 日 第 2 周 查阅资料,了解设备的工作机理及加工技术2 3 月 12 日3 月 18 日 第 3 周 编写开题报告3 3 月 19 日3 月 25 日 第 4 周 制定总体设计方案4 3 月 26 日4 月 1 日 第 5 周 主要部件的设计和选用5 4 月 2 日4 月 8 日 第 6 周 进给系统设计6 4 月 9 日4 月 15 日 第 7 周 步进电机选型7 4 月 16 日4 月 22 日 第 8 周 数控系统选型8 4 月 23 日4 月 29 日 第 9 周 总装图绘制9 4 月 30 日5 月 6 日 第 10 周 编写设计算说明书10 5 月 7 日5 月 11 日 第 11 周 打印和装订11 5 月 12 日5 月 19 日 第 12 周 教师评阅和开始答辩六、主要参考文献资料1、参考资料:1 太原理工大学机械工程学院数控机床课程设计指导书,内部资料2 吴宗泽 .机械零件设计手册.机械工业出版社,2003 年3 机械设计手册编委会. 机械设计手册.第三版.机械工业出版社, 2004 年4 常兴、田勇、刘国峰. 普通车床数控化改造及其设计计算.现代制造工程.2005 年第 8 期毕业设计任务书 第 3 页 共 3 页5 于涛、袁国久. C6132 普通车床的数控改造.北华大学学报.2005 年 4 月第 6 卷第2 期6 赵松年、张奇鹏.机电一体化机械系统设计 M.上海:同济大学出版社,19907 黄家善 .计算机数控技术M.北京:机械工业出版社,20048 李善术 .数控机床及其应用M.北京:机械工业出版社,20019 国家教委高等教育司、北京市教育委员会编.高等学校毕业设计(论文)指导手册M.北京:高等教育出版社,199810 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书 M. 北京:机械工业出版社,2007七、签字栏签 字 栏姓名 专业 班级毕业生 要求设计工作起止日期 2013 年 3 月 4 日2013 年 5 月 8 日指导教师(签字) 日期 200 年 月 日教研室主任审查(签字) 日期 200 年 月 日教师审核系主任批准(签字) 日期 200 年 月 日
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