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C6150普通車床數(shù)控改造 第一章 總體方案設(shè)計 1-1設(shè)計目的： 本設(shè)計是針對CA6150普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。 對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 1-2總體方案確定 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，車床的橫向、縱向（Z軸）進(jìn)給運動采用步進(jìn)電機、減速齒輪、滾珠絲杠副、滑板的傳動方式。由8031單片機組成微機作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向進(jìn)給運動。 1-3機械改造設(shè)計與計算 機械設(shè)計內(nèi)容包括：滾珠絲杠的設(shè)計計算與選用 ，齒輪減速機構(gòu)的計算與選擇，進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電動機的計算與選擇 第二章 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用 2-1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個進(jìn)給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機 床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6150的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量pf為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為 pf=0.005mm/step。 2-2縱向進(jìn)給系統(tǒng)切削力與滾珠絲杠的設(shè)計計算 已知條件 工作臺重量：W=80kg=800N 時間常量： T=25ms 行 程： s=950mm 步 距 角： 2=0.75o/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=0.5m/ms 脈沖當(dāng)量： pf=0.01mm/step（縱向） 1、切削力的計算 由機床設(shè)計手冊可知，切削功率 Pc=Pk 主電機功率 : p= 5.5 kw 主傳動系統(tǒng)總效率：=0.8 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)：K=0.96 Pc=Pk=5.50.80.96=4.224kw 縱車外圓： 計算切削力F Fz——主切削力； V——切削速度； 由Pc=Fz v0.001/60 可知 Fz=1267.2N 按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy =1：0.5：0.6 Fx=0.5Fz=0.51267.2=633.6N Fy =0.6Fz =0.61267.2=760.32N G=800N 2、滾珠絲杠的設(shè)計與選擇 （1）、計算進(jìn)給牽引力Fm 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型號有關(guān)。 縱向進(jìn)給的綜合導(dǎo)軌 Fm =KFx +f′(Fz +G)=1.15633.6+0.16(1267.2+800)= 1059.392N 式中K－考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； f’－滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0.18，f’=0.16； G－溜板幾倒架重力：G=800N Fx、Fz—切削分力 FQ=fwfhFp n=vf 1000/DL0 式中 L0－滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=6mm; T－使用壽命，按15000h； fw－運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.2～1.5； L-壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位 n - 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 當(dāng)機床以線速度v=150，進(jìn)給量f=0.2mm/r，車削直徑 D=100mm的外圓時，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為 n=vf 1000/DL0 =1500.21000/3.146100=15.92r/min = 6015.9215000/1000000=14.33萬r 根據(jù)工作負(fù)載Fp、壽命L計算出滾珠絲杠承受的最大動負(fù)荷取 fw=1.5，fh=1 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N （2） 滾珠絲杠杠螺母副的選型 由計算出的C在《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5 已確定得型號：FFZD 公稱直徑：40，導(dǎo)程：5 螺紋長度1290，絲杠長度1410 P類3級精度 所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P3/14101290 （3）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：η= 式中 —螺旋升角, =339′ --摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004 將各數(shù)據(jù)帶入上式得：η== （4）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強其剛度而不作計算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為2559 N.軸承支撐間距=1500㎜，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。 式中E為彈性模量，鋼E=20.610 N/c㎡ S為滾珠絲杠截面積，(按絲杠螺紋底徑確定，d1=2.77cm) —代表：+表示拉伸，-表示壓縮 滾珠絲杠一米長度上導(dǎo)程變形總誤差 3級精度絲杠允許的螺距誤差為15um/1m，故剛度足夠。 2-3橫向進(jìn)給系統(tǒng)切削力與滾珠絲杠的設(shè)計計算 （1）橫切端面切削力的計算： 主切削力可取縱切的0.5： =0.5Fz=0.51267.2=633.6N 此時走刀抗力，吃刀抗力。 按照：：=1：0.5：0.6 計算=633.60.5=316.8N； =633.60.6=380.6N （2）橫向進(jìn)給絲杠 1.計算進(jìn)給牽引力 橫向?qū)к墳檠辔残?計算如下: 由前所知：=633.6 =730.32N =1267.2 N = 600 =0.16 得：=1.4+(+2+) =1.4730.32+0.16(1267.2+2633.6+600)2023N ===30 ===27 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N 2-4 齒輪傳動比計算 1.縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=6㎜，初選步進(jìn)電機步距角0.75?？捎嬎愠鰝鲃颖?===0.8 可選定齒輪齒數(shù)為: ==或 2.橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005 ,滾珠絲杠導(dǎo)程=6㎜,初選步進(jìn)電機步距角0.75可計算傳動比 ===0.4 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速: === =16、=40、=20、=25 因進(jìn)給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關(guān)參數(shù)如下: 齒數(shù) 32 40 16 40 20 25 分度圓 64 80 32 80 40 50 齒頂圓 68 84 36 84 44 54 齒根圓 59 75 27 75 35 45 齒寬 （6~10） 20 20 20 20 20 20 中心距 72 64 45 2-5 步進(jìn)電機的計算和選型 選用步進(jìn)電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負(fù)載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，在根據(jù)步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機。 一、縱向進(jìn)給步進(jìn)電機計算 1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算見圖2-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的慣量（㎏㎝）可由下式計算： =++ 式中 ---步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（㎏㎝）; 、---齒輪、的傳動慣量（㎏㎝）; ---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（㎏㎝）。 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機150BF，起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=10㎏㎝。 =0.7810=0.78106.42=2.62㎏㎝ =0.7810=0.78*1082=6.39㎏㎝ =0.78104150=29.952㎏㎝ =1000 N 代入上式： =++ =10+2.62+ =36.474㎏㎝ 考慮步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 /=10/36.474=0.274 基本滿足匹配的要求。 2.電機力矩的計算 機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個階段計算： （1） 快速空載起動力矩起 。 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： 起 =++ = ==10= 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 ===500 。 起動加速時間 =30 ==36.47410=636.6 N㎝ 折算到電機軸上的摩擦力矩： ====94 N㎝ 附加摩擦力矩： == ==805.30.19=153 N㎝ 上述三項合計：起 =++ =636.6+94+153=881.5 N㎝ （2）快速移動時所需力矩快 快=+=94+153=247 N㎝ （3）最大切削負(fù)載時所需力矩切 切=++=++ =94+153+=94+153+127.96=375 N㎝ 從上面的計算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以次作為初選步進(jìn)電機的依據(jù)。 從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機為五相十拍時，==0.951。 最大靜力矩=881.5/0.951=927 N㎝ 。 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出，型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72 N㎝ 。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機起動距頻特性和運行距頻特性。 3.計算步進(jìn)電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 ===4000 HZ ===1000 HZ 2-6 滾珠絲杠的安裝與使用 (1)潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種 1、潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，我廠滾珠絲杠副出廠時在螺母內(nèi)部已加注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； 2、潤滑油 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表16所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。 (2)防塵 滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進(jìn)入時，必須采用防塵裝置（折皺保護(hù)罩、絲杠護(hù)套等），將絲杠軸完全保護(hù)起來。另外，如沒有異物，但有浮塵時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根據(jù)需要按編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。 (3)使用 滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項： 1、滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 2、滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒捎梦佪單仐U傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。 (4)安裝 1)滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項： 滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機床時應(yīng)注意： 1、絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機床的兩端軸 承座與螺母座必須三點成一線。 安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承； 同樣安裝支撐軸承時，盡量靠近螺母安裝部位。 2、滾珠絲杠副安裝到機床時，請不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時，要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應(yīng)注意下列幾點： 輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1～0.2mm. 輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩。 裝卸時，不可使過大力以免螺母損壞。 裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。