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I 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 C6132 舊機(jī)床數(shù)控化進(jìn)給系統(tǒng)的改造 學(xué) 生 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 II 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對(duì) C6132 舊機(jī)床數(shù)控化進(jìn)給系統(tǒng)的改造的設(shè)計(jì) 在這里主要包括 主傳 動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 而我主要是針對(duì)橫向進(jìn) 給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì) 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn) 練 提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力 并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條 件 數(shù)控設(shè)計(jì)主要傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì) 由于對(duì)經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù)控化改造的加工精度要 求不高 為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低成本 通過控制橫進(jìn)給系統(tǒng) 保證設(shè)計(jì)后的車床具有定位 直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ) 暫停等功能 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的傳動(dòng)效率 采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng) 聯(lián)軸器再傳動(dòng)絲杠 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲 杠螺母副 關(guān)鍵詞 車床 數(shù)控設(shè)計(jì) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 III Abstract This design is about the common Lathe C6132 transformation of NC Main tasks are the transformation of the main transmission system the transformation of the vertical feeding system horizontal feed system reform While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems and create a certain condition for general mechanical design NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system Because of the economy less precision CNC machining it is order to simplify the structure and reduce costs By controlling the cross feed system it ensures the modified lathe with positioning linear interpolation circular interpolation and pause Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction a ball screw pair is needed Keywords lathe NC Transformation Coupling Ball Screw IV 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第 1 章 概述 1 1 1 機(jī)床數(shù)控化改造及其特點(diǎn) 1 1 2 機(jī)床數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)分析 2 1 2 機(jī)床數(shù)控化改造的工藝范圍及加工精度 2 1 4 機(jī)床數(shù)控化改造的發(fā)展趨勢(shì) 3 第 2 章 機(jī)床數(shù)控化改造總體方案的制訂及比較 5 2 1 總體方案比較與確定 5 2 1 主軸系統(tǒng)的方案確定 5 2 2 安裝電動(dòng)卡盤 5 2 3 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 6 2 4 螺紋編碼器的安裝方案 6 2 5 進(jìn)給系統(tǒng)的與設(shè)計(jì)方案 6 2 6 尾座與設(shè)計(jì)方案 7 第 3 章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3 1 確定脈沖當(dāng)量 8 3 2 切削力的計(jì)算 8 3 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 9 3 3 1 精度的選擇 10 3 3 2 絲杠導(dǎo)程的確定 10 3 3 3 最大工作載荷的計(jì)算 10 3 3 4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 11 V 3 3 5 滾珠絲杠螺母副的選型 11 3 3 6 滾珠絲杠副的支承方式 12 3 4 3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 12 3 3 8 剛度的驗(yàn)算 12 3 3 9 穩(wěn)定性校核 13 3 3 10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 14 3 4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 15 3 5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 15 3 6 導(dǎo)軌的特點(diǎn) 17 4 3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 19 第 4 章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 4 1 切削力的計(jì)算 22 4 2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 22 4 2 1 最大工作載荷的計(jì)算 22 4 2 2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 22 4 2 3 滾珠絲杠螺母副的選型 23 4 2 4 滾珠絲杠副的支承方式 23 4 2 5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 23 4 2 6 剛度的驗(yàn)算 24 4 2 7 穩(wěn)定性校核 24 4 2 8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 25 4 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 25 4 3 1 確定傳動(dòng)比 25 4 3 2 齒輪參數(shù)的計(jì)算 25 4 4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 26 4 4 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 26 4 4 2 電機(jī)力矩的計(jì)算 27 4 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 29 結(jié)論 31 VI 參考文獻(xiàn) 32 致謝 34 1 第 1 章 概述 1 1 機(jī)床數(shù)控化改造及其特點(diǎn) 數(shù)字控制機(jī)床 Numerical Control Machine Tools 簡(jiǎn)稱機(jī)床數(shù)控化改造 這是 一種將數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù) 它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息 用代碼化的數(shù)字表示 通過信息載體輸入數(shù)控裝置 經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種 控制信號(hào) 控制機(jī)床的動(dòng)作 按圖紙要求的形狀和尺寸 自動(dòng)地將零件加工出來 機(jī) 床數(shù)控化改造較好地解決了復(fù)雜 精密 小批量 多品種的零件加工問題 是一種柔 性 高效能的自動(dòng)化機(jī)床 是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 機(jī)床數(shù)控化改造一般由下列幾個(gè)部分組成 1 主機(jī) 它是機(jī)床數(shù)控化改造的主題 包括機(jī)床身 立柱 主軸 進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部 件 是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件 2 數(shù)控裝置 是機(jī)床數(shù)控化改造的核心 相當(dāng)于人的大腦 它包括硬件 印刷電路板 CRT 顯示器 鍵盒 紙帶閱讀機(jī)等 以及相應(yīng)的軟件 用于輸入數(shù)字化的零件程序 并完成輸入信息的存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)的變換 插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能 3 驅(qū)動(dòng)裝置 它是機(jī)床數(shù)控化改造執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件 包括主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng) 主軸電機(jī)及伺服電機(jī)等 它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí) 可以完成定位 直線 平面曲線和空間 曲線以及曲面的加工 4 輔助裝置 指機(jī)床數(shù)控化改造的一些必要的配套部件 用以保證機(jī)床數(shù)控化改造的 運(yùn)行 如冷卻 排屑 潤(rùn)滑 照明 監(jiān)測(cè)等 它包括液壓和氣動(dòng)裝置 排屑裝置 交換工作臺(tái) 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭 還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等 5 編程及其他附屬設(shè)備 可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制 存儲(chǔ)等 與機(jī)床數(shù)控化改造相比 機(jī)床數(shù)控化改造有如下特點(diǎn) 1 加工精度高 具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量 2 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng) 能加工形狀復(fù)雜的零件 3 加工零件改變時(shí) 一般只需要更改數(shù)控程序 可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間 4 機(jī)床本身的精度高 剛性大 可選擇有利的加工用量 生產(chǎn)率高 一般為機(jī)床數(shù)控 化改造的 3 5 倍 2 5 機(jī)床自動(dòng)化程度高 可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 6 對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高 對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高 1 2 機(jī)床數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)分析 機(jī)床數(shù)控化改造能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間 增加切屑加工時(shí)間的比率 使用機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)行生產(chǎn) 加工的零件精度高 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 從而有效的提高了 產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力 機(jī)床數(shù)控化改造具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性 因此能夠完成很多機(jī)床數(shù)控化改 造很難完成或者根本不能加工的 具有復(fù)雜型面 要求高精度的零件的加工 許多機(jī)床數(shù)控化改造如加工中心具有自動(dòng)換刀功能 使零件一次裝夾之后就能夠完成 多個(gè)加工部位的加工 實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用 大大節(jié)省了設(shè)備和廠房面積 生產(chǎn)者可以對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行預(yù)算 并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的安排 以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效 益的目的 應(yīng)用機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)行生產(chǎn) 減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 提高了工人工作的環(huán)境質(zhì)量 增加了工人的生產(chǎn)積極性 促進(jìn)了生產(chǎn) 提高了生產(chǎn)效率 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜 且需頻繁改型 機(jī)床 數(shù)控化改造已不能適應(yīng)這些要求 機(jī)床數(shù)控化改造應(yīng)運(yùn)而生 這種新型機(jī)床具有適應(yīng) 性強(qiáng) 加工精度高 加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn) 它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī) 自動(dòng)控制 伺服驅(qū)動(dòng) 精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果 是今后機(jī)床控 制的發(fā)展方向 1 2 機(jī)床數(shù)控化改造的工藝范圍及加工精度 數(shù)控改造化車床是一種高精度 高效率的自動(dòng)化機(jī)床 也是使用數(shù)量最多的機(jī)床 數(shù)控化改造 約占機(jī)床數(shù)控化改造總數(shù)的 25 它主要用于精度要求高 表面粗糙度好 輪廓形狀復(fù)雜的軸類 盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工 能夠通過程序控制自動(dòng)完成園柱面 圓錐面 圓弧面和各種螺紋的切削加工 并能進(jìn)行切槽 鉆孔 擴(kuò)孔 鉸孔等加工 由于數(shù)控改造化車床具有加工精度高 能作直線和圓弧插補(bǔ)功能 有些數(shù)控改造 化車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動(dòng)變速功能等特點(diǎn) 所以它的 工藝范圍要比普通車床要寬得多 1 精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 3 由于數(shù)控改造化車床剛性好 制造和對(duì)刀精度高 以及能方便和精確地進(jìn)行人工 補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償 所以能加工精度要求高的零件 甚至可以以銑代磨 2 表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件 數(shù)控改造化車床具有恒線速切削功能 能加工出表面粗糙度小的均勻的零件 使 用恒線速切削功能 就可選用最佳速度來切削錐面和端面 使切削后的工件表面粗糙 度既小又一致 數(shù)控改造化車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件 粗糙度要 求大的部位選用較大的進(jìn)給量 要求小的部位選用小的進(jìn)給量 3 輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件 由于數(shù)控改造化車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能 部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓 曲線和平面曲線插補(bǔ)功能 所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零 件 1 4 機(jī)床數(shù)控化改造的發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)床數(shù)控化改造最早是從美國開始研制的 1948 年 美國帕森斯公司在研制加工 直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí) 提出了研制機(jī)床數(shù)控化改造的初始設(shè) 想 1949 年 帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作 開始從事機(jī)床數(shù)控化 改造的研制工作 并于 1952 年試制成功世界上第一臺(tái)機(jī)床數(shù)控化改造實(shí)驗(yàn)性樣機(jī) 這 是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床 經(jīng)過三年改進(jìn)和自動(dòng)編 程研究 于 1955 年進(jìn)入實(shí)用階段 一直到 20 世紀(jì) 50 年代末 由于價(jià)格和技術(shù)原因 品種多為連續(xù)控制系統(tǒng) 到了 60 年代 由于晶體管的應(yīng)用 數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且 價(jià)格開始下降 一些民用工業(yè)開始發(fā)展機(jī)床數(shù)控化改造 其中多數(shù)是鉆床 沖床等點(diǎn) 位控制的機(jī)床 數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用 而且逐步推廣到焊接機(jī) 火焰 切割機(jī)等 使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍 自 1952 年 美國研制成功第一臺(tái)機(jī)床數(shù)控化改造以來 隨著電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技 術(shù) 自動(dòng)控制和精密測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 機(jī)床數(shù)控化改造也在迅速地發(fā)展和不斷 地更新?lián)Q代 先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段 第一代數(shù)控 1952 1959 年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置 第二代數(shù)控 從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng) 第三代數(shù)控 從 1965 年開始采用小 中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng) 第四代數(shù)控 從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng) 4 第五代數(shù)控 從 1974 年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng) 目前 第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng) 形成了現(xiàn)代數(shù)控 系統(tǒng) 它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路 具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和 控制功能 這些控制功能是由一系列控制程序來實(shí)現(xiàn)的 這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng) 幾乎只需改變軟件 就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求 具有很大的柔性 隨著集 成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大 光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中 使其體積日益縮小 價(jià)格 逐年下降 可靠性顯著提高 功能也更加完善 近年來 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟 它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè) 領(lǐng)域中 先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 所 有這些高級(jí)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以機(jī)床數(shù)控化改造為基礎(chǔ) 它們代表著機(jī)床數(shù)控化 改造今后的發(fā)展趨勢(shì) 5 第 2 章 機(jī)床數(shù)控化改造總體方案的制訂及比較 2 1 總體方案比較與確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型 數(shù)控系統(tǒng) CPU 的 選擇 以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等 數(shù)控改造化車床后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位 兩坐標(biāo)直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的 功能 因此 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型 屬于經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù)控化改造 在保證一定加工精度的前提下 應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 降低成本 因此 進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng) 比較項(xiàng)目 方案一 方案二 確定后的方案 具體原因 主軸箱 分級(jí)變速采用 調(diào)速電機(jī) 齒輪傳動(dòng) 采用三相異步 電機(jī) 減速器 方案一 變速級(jí)數(shù)比較多 滿足多種加工 需要 也符合 任務(wù)書要求 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 滾珠絲杠 伺服電機(jī) 方案一 脈沖當(dāng)量 步進(jìn)電機(jī)控制 的準(zhǔn)確 刀架 四工位回轉(zhuǎn) 刀架 六工位回轉(zhuǎn) 刀架 都可以 各有各的好處 尾座 液壓尾座 手動(dòng)普通尾座 液壓尾座 可通過數(shù)控系統(tǒng) 調(diào)整方便 數(shù)控系統(tǒng) 8 位單片機(jī) 16 位單片機(jī) 方案一 基本需求可以滿足 2 1 主軸系統(tǒng)的方案確定 若要提高車床的自動(dòng)化程度 需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速 可用 2 4 速的多速電 動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī) 當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí) 可用交流變頻器來 控制主軸電動(dòng)機(jī) 以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速 工廠使用情況表明 使用變頻器時(shí) 若工作頻率 低于 原來的電動(dòng)機(jī)可以不更換 但所選變頻器的功率應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大 Hz70 2 2 安裝電動(dòng)卡盤 為了提高加工效率 工件的夾緊與松開采用電動(dòng)卡盤 選用呼和浩特附件總廠生 6 產(chǎn)的 KD11250 型電動(dòng)三爪自定心卡盤 卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系 2 3 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 為了提高加工精度 實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序 將車床原有的手動(dòng)刀架換成自 動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 LD4B CK6140 型四工位立 式電動(dòng)刀架 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀需要配置相應(yīng)的電路 由數(shù)控系統(tǒng)完成 2 4 螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵 數(shù)控改造化車床加工螺紋時(shí) 需要配 置主軸脈沖發(fā)生器 作為車床主軸信號(hào)的反饋元件 它與車床主軸同步 后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是 Z 向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是 m24 脈 沖 01 m 所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于 考脈 沖脈 沖 24 01 慮到編碼器的輸出有相位差 的 A B 相信號(hào) 可用 A B 異或后獲得 個(gè)脈沖 90 一轉(zhuǎn)內(nèi) 這樣編碼器的線數(shù)可降到 線 A B 信號(hào) 另外 為了重復(fù)車削同一120 螺旋槽時(shí)不亂扣 編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖 Z 基于上述要求 選擇螺紋編碼器的型號(hào)為 ZLF 1200Z 05VO 15 CT 電源電壓 5V 每轉(zhuǎn)輸出 個(gè) A B 脈沖與 1 個(gè) Z 脈沖 信號(hào)為電壓輸出 軸頭直徑 120 m15 生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式 同軸安裝和異軸安裝 同軸安裝是指將編碼器 直接安裝在主軸后端 與主軸同軸 這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但它堵住了主軸的通孔 異 軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端 一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸 如果找不到同步軸 可將編碼器通過一對(duì)傳動(dòng)比為 的同步齒形帶與主軸連接起來 1 需要注意的是 編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接 且車床組 主 軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速 2 5 進(jìn)給系統(tǒng)的與設(shè)計(jì)方案 在此主軸的同步軸 安裝螺紋編碼器 在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成 在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架 在橫溜板上方安裝四工位立式刀架 7 將滑動(dòng)絲桿靠刻度盤一段 長(zhǎng) 見圖一 鋸斷保留 拆掉刻度盤上的手柄 m216 保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承 換上滾珠絲杠副 將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上 并與滾珠絲杠的 軸頭相聯(lián) 更換絲桿的右支承 2 6 尾座與設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)成液壓尾座 8 第 3 章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 C6132普通車床參數(shù) 3 1 確定脈沖當(dāng)量 一個(gè)進(jìn)給脈沖 使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量 也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位 脈沖 當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈 沖當(dāng)量是 0 01 0 005mm 脈沖 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 縱向 0 01mm 脈沖 橫向 0 01mm 脈沖 3 2 切削力的計(jì)算 切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等 方向相反的切 削力 或通俗的講是在切削加工時(shí) 工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力 車削外圓 時(shí)的切削力如圖 3 1 所示 主切削力 與切削速度的方向一致 垂直向下 是計(jì)算車zF 床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù) 進(jìn)給力 與進(jìn)給方向平行且方向相反 背向力 與進(jìn)x yF 給方向相垂直 對(duì)加工精度的影響較大 9 Fz Fx Fy 圖 3 1 車削力分析 選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼 650 MP 選用刀具材料為高速鋼 b a 刀具幾何參數(shù) 主偏角 前角 刃傾角 rk 750 1s 5 切削用量為 背吃刀量 2mm 進(jìn)給量 0 8mm r 切削速度 1 m min paf cv 由表 2 1 查得 1770 1 0 0 75 0 CFCFxCFyCFn 由表 2 2 查得 主偏角修正系數(shù) 0 92 前角 刃傾角修正系數(shù)都為rkK 1 0 代入公式 cCFCFnyxpcvfa 92 018 21707501 2754 92 N 2 2 2 進(jìn)給力與背吃刀力 由經(jīng)驗(yàn)公式 1 0 35 0 4cFfp 知 2754 92N z 0 35x2754 92 964 22Nxf 0 4x2754 92 1101 97NyFp 10 3 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾 道之間放人適量的滾珠 使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道 滾動(dòng) 螺母上設(shè)有返向器 與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道 為了在滾珠與滾道之間 形成無間隙甚至有過盈配合 可設(shè)置預(yù)緊裝置 為延長(zhǎng)工作壽命 可設(shè)置潤(rùn)滑件和密 封件 3 3 1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度 在滾珠絲杠精度參數(shù)中 其導(dǎo) 程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯 一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300 行程變動(dòng)量m 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度驗(yàn)算中確定 對(duì)于車床 選用30V 滾珠絲杠的精度等級(jí) X 軸為 1 3 級(jí) 1 級(jí)精度最高 Z 軸為 2 5 級(jí) 考慮到本設(shè)計(jì) 的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性 選擇 X 軸精度等級(jí)為 3 級(jí) Z 軸為 4 級(jí) 3 3 2 絲杠導(dǎo)程的確定 選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度 系統(tǒng)等有關(guān) 通常在 4 5 6 8 10 12 20 中選擇 規(guī)格較大 導(dǎo)程一般也可選擇較大 主要考慮承載牙厚 在速度滿足的情況 下 一般選擇較小導(dǎo)程 利于提高控制精度 本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為 8 m 橫向絲杠導(dǎo)程為 5 m 3 3 3 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力 也叫mF 進(jìn)給牽引力 其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表 3 1 所示 表 3 1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)mF 導(dǎo)軌類型 實(shí)驗(yàn)公式 K 矩形導(dǎo)軌 GKyzx 1 1 0 15 燕尾導(dǎo)軌 2m1 4 0 2 綜合或三角導(dǎo)軌 Fzx 1 15 0 15 0 18 表中 為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 為移動(dòng)K G 11 部件總重量 G 1000 N 查表 3 1 選擇綜合導(dǎo)軌 取 1 15 取 0 18 為 1000 K GN 算得 1 15 1197 0 18 3420 1000 GFzxm 2171 55 3 3 4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化 系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力 此類載荷為 動(dòng)載荷 比如起重機(jī)以等速度吊起重物 重物對(duì)吊索的作用為靜載 起重機(jī)以加速度 吊起重物 重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載 對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷 計(jì)算公式如下 QF mhwQfL3 式中 滾珠絲杠副的壽命系數(shù) 單位為 r T 為使用壽命 普通L610610 nL 機(jī)床 T 取 5000 10000h 數(shù)控機(jī)床 T 取 15000h n 為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速 載荷系數(shù) 一般取 1 2 1 5 本設(shè)計(jì)取 1 2 wf 硬度系數(shù) HRC 58 時(shí)取 1 0 等于 55 時(shí)取 1 11 等于 52 5 時(shí)取 1 35 h 等于 50 時(shí)取 1 56 等于 45 時(shí)取 2 40 滾珠絲杠副的最大工作載荷 單位為 N mF 本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度 初選絲杠min 6 0axVj 基本導(dǎo)程 則絲杠轉(zhuǎn)速 取滾珠絲杠mPh8 75 10marPnhj 使用壽命 帶入 得 90 取 代入T1506 TLL2 1wf hf 求得 17390N mhwQFfL 3 Q 3 3 5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下QaFC 長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí) 還應(yīng)使額定靜載荷 in 10 r moaF 32 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷 選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 FL4008 3 型QF 內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副 采用雙螺母螺紋式預(yù)緊 精度等級(jí)為 4 級(jí) 其參數(shù)如表 3 2 所 12 示 表 3 2 FL4008 3 型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直 徑 m導(dǎo)程 鋼球直徑 m絲杠外徑 絲杠底 徑 m額定載荷 KN接觸剛度 1 m 0dhPwD1d2oaC 40 8 4 763 38 6 35 24 66 31 1897 3 3 6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動(dòng) 為了提高軸向剛度 絲杠支承 常用推力軸承為主的軸承組合 考慮到縱向絲杠長(zhǎng)度較大 本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推 簡(jiǎn)支支承方式 該方式臨界轉(zhuǎn)速 壓桿穩(wěn)定性高 有熱膨脹的余地 3 4 3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 一般在 0 8 0 9 之間 其計(jì)算公式如下 tan 式中 螺距升角 根據(jù) 可得 2 91 0h14 3Pd 摩擦角 一般取 10 算得 96 67 0192tan 3 3 8 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用 引起導(dǎo)程的變化 從而影響定位精度 和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形 絲杠與螺母間滾道的1 13 接觸變形 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 2 3 因轉(zhuǎn)矩和絲杠 螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小 所以 可以忽略2 3 不計(jì) 所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為 號(hào)代表拉伸 代表壓縮 1 ESlFum 式中 絲杠的最大工作載荷 單位為 mFN 絲杠縱向最大有效行程 單位為 ul 絲杠材料的彈性模量 鋼 EMPaE510 2 絲杠的橫截面面積 單位 按絲杠螺紋的底徑 確定 Sm2d 根據(jù)前面的設(shè)計(jì) 為 3234 36 取 1665 為 45 24 算得 mFNul m 0 01597 15 971 25 4 5 1 320 67 查表 3 3 可知 所以剛度足夠 表 3 3 有效行程 內(nèi)的目標(biāo)行程公差 和行程變動(dòng)量ul peupV 精度等級(jí) 有效行程 mlu 1 2 3 4 5 大于 至 peuVpeupeuVpeupeuV 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 3 3 9 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用 若軸向負(fù)載過大 則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn) 現(xiàn)象 不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 Fk 應(yīng)該滿足 KF 2aEIfk mF 14 式中 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡(jiǎn)支方式時(shí) 取 2 其他方式如表 3 4 所示 kf 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) 一般取 2 5 4 垂直安裝時(shí)取最小值 本設(shè)計(jì)取K 4 滾珠絲杠兩端支承間的距離 單位為 本設(shè)計(jì)中該值為 2000 a mm 其中工件加工長(zhǎng)度為 1400 取 2000 留 600 的兩端余量 按絲杠底徑 確定的截面慣性矩 單位為 本設(shè)I2d642dI 4 中將 代入算出 205513 36 m4 52 I 由以上數(shù)據(jù)可以算出 KF2045131 3 04 N 臨界載荷 遠(yuǎn)大于工作載荷 3234 36N 故絲杠不會(huì)失穩(wěn) KFm 表 3 4 絲杠支承系數(shù) kf 支承方式 雙推 雙推 雙推 簡(jiǎn)支 單推 單推 雙推 自由 取值kf4 2 1 0 25 3 3 10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最crn 高轉(zhuǎn)速 72max 10 cnkcradfKn 式中 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡(jiǎn)支方式時(shí) 取值如表 3 5 所示 nkf 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 單位為 本設(shè)計(jì)中該值為 2300 ca m 絲杠內(nèi)徑 單位 2d 安全系數(shù) 可取 0 8cKcK 表 3 5 絲杠支承系數(shù) nkf 支承方式 雙推 雙推 雙推 簡(jiǎn)支 單推 單推 雙推 自由 取值nkf27 4 18 9 12 1 4 3 經(jīng)過計(jì)算 得出 1293 由已知 可以crnmin min 6axV Ph8 15 算出 該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿足要求 min 750axrn 3 4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 i 0 7561 236pLi 故取 132z 240z2m0b0 98i 6dmZ 281aah 24d 1268072m 3 5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 1 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 417 80sJDL 式中 滾珠絲杠的公稱直徑 D 絲杠長(zhǎng)度 1L 則 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 217 806 2 17NgcmzJ 2 39 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略 因此 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 16 212 21 9 563 7564 3Ngcm sZJJJi 2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 max0fM 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 0atft 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 0fM 式中 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 maxM 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 f 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 0 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 at 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 tM 410Ngm9 6aJnT 當(dāng) 時(shí)maxn ax m401 2583 r min6hVinP max26 438 9 7Ng9 7kfgc905M 當(dāng) 時(shí)tn at001150 3214 7r min 46it VfinfDL 26 43 7 kgfc95atMNm 17 002fFLfWMihi 當(dāng) 時(shí) 時(shí)0 8h 16 95 1 452kgfcm14 52Ngc3 408f 0PLi 當(dāng) 時(shí)預(yù)加載荷 則0 9 13bXF 2 2095 47 61 90 576kgfcm5 76Ngc608xFLMi 0 91 23xt 所以 快速空載啟動(dòng)所需力矩 max0917 452 7638 0gcfM 切削時(shí)所需力矩 015 42 kfm26 5NatfM 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 76 098kgfc20 98gcf 由上分析計(jì)算可知 所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) max73 NM 3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 098 16 c 5lq 為了滿足最小步距要求 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式 查表知 0 qjm 所以 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為j1876 2 46Nc0 qjmM 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 axa Z0 H pVf 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 能滿足要求 7 12 3 6 導(dǎo)軌的特點(diǎn) 滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便和抗振性良好 缺點(diǎn)是磨損快 為了提高耐磨性 國內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌和塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌 滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵 鋼 有色金屬和塑料等 1 鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性 抗振性和工藝性 常用鑄鐵的種類有 18 1 灰鑄鐵 一般選擇 HT200 用于手工刮研 中等精度和運(yùn)動(dòng)速度較低的導(dǎo)軌 硬度在 HB180 以上 2 孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得 耐磨性高于灰鑄鐵 3 合金鑄鐵 包括 含磷量高于 0 3 的高磷鑄鐵 耐磨性高于孕育鑄鐵一倍 以上 磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵 耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上 各種稀土合金鑄鐵 有很高的耐磨性和機(jī)械性能 鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法 通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火 接觸電阻淬火 淬硬層為 0 15 0 2mm 硬度可達(dá) HRC55 中高頻感應(yīng)淬火 淬硬層為 2 3mm 硬度可 達(dá) HRC48 55 耐磨性可提高二倍 但在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上依次淬火易產(chǎn)生變形 全長(zhǎng)上同時(shí) 淬火需要相應(yīng)的設(shè)備 2 鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上 常用的鋼有 9Mn2V CrWMn GCr15 T8A 45 40Cr 等采用表面淬火或整體淬硬處理 硬度為 52 58HRC 20Cr 20CrMnTi 15 等滲碳淬火 滲碳淬硬至 56 62HRC 38C rMoAlA 等采 用氮化處理 3 有色金屬 常用的有色金屬有黃銅 HPb59 l 錫青銅 ZCuSn6Pb3Zn6 鋁青銅 ZQAl9 2 和鋅合金 ZZn Al10 5 超硬鋁 LC4 鑄鋁 ZL106 等 其中以鋁青銅較好 4 塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好 但略低于鋁青銅 抗振性能好 工作溫度 適應(yīng)范圍廣 200 260 抗撕傷能力強(qiáng) 動(dòng) 靜摩擦系數(shù)低 差別小 可降低低速 運(yùn)動(dòng)的臨界速度 加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好 工藝簡(jiǎn)單 成本低等優(yōu)點(diǎn) 目前在各類機(jī) 床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用 塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌 搭配 導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 材料 制造質(zhì)量 熱處理方法 以及使用與 維護(hù) 提高導(dǎo)軌的耐磨性 使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度 就能延長(zhǎng)設(shè)備的 使用壽命 常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有 采用鑲裝導(dǎo)軌 提高導(dǎo)軌的精度與改善 表面粗糙度 采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力 即比壓 等 19 4 3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 一 作用力合作用點(diǎn)位置 作用力方向和作用點(diǎn)的位置唏噓合理安置 一邊導(dǎo)軌傾 斜的力矩盡量小 否則會(huì)使導(dǎo)軌中的摩擦力增大 磨加劇 從而降低導(dǎo)軌的靈活性和 導(dǎo)向精度 嚴(yán)重時(shí)甚至還可能卡死 不能正常工作 作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力有三種情況 1 推力通過運(yùn)動(dòng)件在軸線 2 推力作用點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)件的軸線上 但推力的方向與軸線成一夾角 3 推力平行于運(yùn)動(dòng)件的軸線上 對(duì)于第一種情況 導(dǎo)軌鎮(zhèn)南關(guān)的摩擦力只受到載荷及運(yùn)動(dòng)件本身重量的影響 推力 不會(huì)產(chǎn)生附加摩擦力 猶豫結(jié)構(gòu)上的限制 實(shí)際的結(jié)構(gòu)中往往出項(xiàng)第二第三中情況 為了保證導(dǎo)軌的靈活性 要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)算 在已知的條件先 確定各部分的集合尺 寸 推力 F 與運(yùn)動(dòng)件軸線組成夾角 a 如圖所示 推力 F 的作用將使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生傾斜 從而使運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)體的倆點(diǎn)處壓緊 20 設(shè)正壓力分別為 相應(yīng)摩擦力 作用間的距離為 L 軸向阻1N21N f2 f 力為 oF 0AXYM 12 121cos0sinfFbdLhLNff 根據(jù)靜力平衡條件 運(yùn)動(dòng)件的直徑較小時(shí) 上式中含有 d 的各項(xiàng)可以略去 可 解得 cosin12 oFFfhL 欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件 則必須使 cosin12 ofh 若要保證不卡死的條件是 csi 0fL 由此 可得到當(dāng)推力 F 與運(yùn)動(dòng)件有一夾角 a 時(shí) 運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件是 2tan1Lfh 為當(dāng)量摩擦系數(shù) f 在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中 cosf 滑動(dòng)摩擦系數(shù)f 眼尾輪廓角與三角底角 二 選與運(yùn)動(dòng)件軸線與軸線相距 h 圖中 為軸向阻力 和 為反作用力 為當(dāng)量摩oF1N2 擦系數(shù) 根據(jù)靜力平衡條件 0AXYM 122 1210020oFNfdhLfNf 解得 21 12 OFfhL 推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件則必須 12 Ofh 保證運(yùn)動(dòng)件不卡死條件 0fL 即 2 1fhL 為了保證運(yùn)動(dòng)靈活 可取值 20 5hfL 當(dāng)取 f 0 25 時(shí) 則有 對(duì)圓柱形導(dǎo)軌 1 對(duì)矩形導(dǎo)軌 2hL 對(duì)燕尾形或三角形導(dǎo)軌 1 在本設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌中 h 200mm L 360 因此 20 563hL 符合相關(guān)要求 22 第 4 章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1 切削力的計(jì)算 因?yàn)闄M向切削力大小一般等于縱向切削力的一半 所以 170234NFz 1368 2 684y 1197 2 598 5x 式中 橫向主切削力 zF 走刀方向切削力 y 吃刀方向切削力 x 4 2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 4 2 1 最大工作載荷的計(jì)算 已知溜板及刀架重力 N 橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)軌 查表 3 1 最大工作載荷NG50 的計(jì)算如下 mF 2 FKFxzym 6 459N 式中 為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取 1 4 為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 取 0 2 4 2 2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 mhwQFfLF 3 610 Tn in 8maxrPVhj 式中 滾珠絲杠副的壽命系數(shù) 單位為 r L 6 絲杠壽命 取 15000 T 23 載荷系數(shù) 一般取 1 2 wf 硬度系數(shù)取 1 h 橫向絲杠副最大工作載荷 其值為 2459 6 mF N 橫向滾珠絲杠導(dǎo)程 初選為 hPm5 橫向最大工進(jìn)速度 該設(shè)計(jì)值為 maxjV in 3 0 橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度 單位 n r 計(jì)算得出得 12278 8 QF N 4 2 3 滾珠絲杠螺母副的選型 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷 選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的Q FL4005 3 型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副 采用雙螺母方式預(yù)緊 精度等級(jí)為 3 級(jí) 其參數(shù)如 表 4 1 所示 表 4 1 FL2005 3 型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直徑 m導(dǎo)程 鋼球直徑 m絲杠外徑 絲杠底徑 m額定載荷 KN 接觸剛度 1 m 0d hP wD 1d 2 oaC 20 5 3 5 19 16 5 32 8 14 1453 4 2 4 滾珠絲杠副的支承方式 考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度 精度與負(fù)載的大小以及改造成本 采用雙推 單推 支承方式 該方式軸向剛度高 位移精度好 可以進(jìn)行預(yù)拉伸 4 2 5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 tan 式中 螺距升角 根據(jù) 可得 2 28 0h14 3Ptd 摩擦角 一般取 10 24 算得 95 67 0182tan 4 2 6 剛度的驗(yàn)算 號(hào)代表拉伸 代表壓縮 1 SElFum 式中 絲杠的最大工作載荷 單位為 mF N 絲杠縱向最大有效行程 單位為 ul m 絲杠材料的彈性模量 鋼 EMPaE510 2 絲杠的橫截面面積 單位 按絲杠螺紋的底徑 確定 S 2d 根據(jù)設(shè)計(jì) 為 2459 6N 為 420 為 36 5 算得 mFul 2d 0 0047 1 25 5 36 14 0 29 m 4 7 查表 3 3 可知 所以剛度足夠 m 13 4 2 7 穩(wěn)定性校核 KF 2aEIfk mF 式中 絲杠支承系數(shù) 由表 3 4 得出單推 單推時(shí) 取 1 kf kf 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) 一般取 2 5 4 本設(shè)計(jì)取 4 滾珠絲杠兩端支承間的距離 單位為 本設(shè)計(jì)中該值為 500 a mm 按絲杠底徑 確定的截面慣性矩 單位為 本設(shè)中將I2d 642dI 4 代入算出 87080 m5 362 I4 由以上數(shù)據(jù)可以算出 KF 50871 231 10 5N 25 臨界載荷 遠(yuǎn)大于工作載荷 2459 6N 故絲杠不會(huì)失穩(wěn) KF mF 4 2 8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 72max 10 cnkcradfKn 式中 絲杠支承系數(shù) 單推 單推方式時(shí) 由表 3 5 可得該值為 12 1 nkf 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 單位為 本設(shè)計(jì)中該值約為 720 ca mm 絲杠內(nèi)徑 單位 2d 安全系數(shù) 可取 0 8cKcK 經(jīng)過計(jì)算 得出 5321 由已知 可以算出crn in in 4maxV mPh5 該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿足要求 mi 80axrn 4 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 4 3 1 確定傳動(dòng)比 確定當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠導(dǎo)程確定以后 可以先初選步進(jìn)電機(jī)的步距角 計(jì)算 伺服系統(tǒng)的降速比 I 選步進(jìn)電機(jī)的步距角 0 6b 橫向 2 305 36 i 4 3 2 齒輪參數(shù)的計(jì)算 摸數(shù) m 取 2 計(jì)算如下 橫向 取小圓齒數(shù)為 24 小齒輪 5 2 125 481 mhzdfa 大齒輪 736mzdPbpi 26 4 4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 4 4 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 1 齒輪 軸 絲杠等圓柱體慣量計(jì)算 2 cmkg 8 2MDJ 對(duì)于鋼材 34107 L 式中 M 圓柱體質(zhì)量 kg D 圓柱體直徑 cm L 圓柱體長(zhǎng)度 鋼材的密度 23 108 7c 對(duì)于齒輪 D 可取分度圓直徑 L 取齒輪寬度 對(duì)于絲杠 D 可近似取絲杠公稱直徑 滾珠直徑 L 取絲杠長(zhǎng)度 具體計(jì)算如下 縱向 19402 7805369 75 24 24cmkgJz 小大絲 杠 橫向 236 018 637 07 8 5 243ckgJz 小大絲 杠 2 絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量 步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一對(duì)齒輪降速后傳到絲杠 此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2 021 LgGJzJs 式中 27 絲 杠 的 導(dǎo) 程 件 的 重 量 工 作 臺(tái) 及 工 件 等 移 動(dòng) 部 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 大 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 小 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 動(dòng) 慣 量 cmLNGkgJcJS 0 22 21 2 kg cm上上 具體計(jì)算如下 縱向 706 28 0 91 5 72 13 49 2cmkgJ 橫向 941 260 4 4 2 電機(jī)力矩的計(jì)算 電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的 下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 快速 進(jìn)給時(shí)所需力矩 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法 1 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起M0 maxMf 起 式中 矩 電 機(jī) 軸 上 的 附 加 摩 擦 力由 于 絲 杠 預(yù) 緊 時(shí) 折 算 到 力 矩 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 摩 擦 軸 上 的 加 速 力 矩 空 載 起 動(dòng) 時(shí) 折 算 到 電 機(jī) 快 速 空 載 起 動(dòng) 力 矩 起 mNmNf 0max 2 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快M0Mf 快 因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng) 固不包含 顯然 max起快 M 3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切tf 0切 式中 負(fù) 載 力 矩 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 切 削 mNMt 在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí) 上述各種力矩可用下式計(jì)算 28 2max2max106106 amx tnJnJM 式中 時(shí) 間 最 大 進(jìn) 給 速 度 所 需 要 的運(yùn) 動(dòng) 部 件 從 停 止 加 速 到 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 脈 沖 當(dāng) 量 電 機(jī) 最 大 轉(zhuǎn) 速 電 機(jī) 最 大 角 加 速 度 上 的 總 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機(jī) 軸 stmrnsNcmkgJabp in max 2 2 摩擦力矩 NMf iLFf 20 式中 取傳 動(dòng) 鏈 總 效 率 一 般 可 計(jì) 算 齒 輪 降 速 比 按導(dǎo) 軌 摩 擦 系 數(shù) 運(yùn) 動(dòng) 部 件 總 重 量 引 力 處 摩 擦 力 的 計(jì) 算 其 計(jì) 算 如 計(jì) 算 牽 進(jìn) 行 切 削 加 工 時(shí)空 載 快 速 起 動(dòng) 時(shí) 垂 直 方 向 切 削 力 85 0 7 12000 ziif NG GFzfGfFF 附加摩擦力矩 mNM 0 2001 iLFp 式中 動(dòng) 效 率 一 般 取滾 珠 絲 杠 未 預(yù) 緊 時(shí) 的 傳滾 珠 絲 杠 導(dǎo) 程 為 進(jìn) 給 牽 引 力 般 取滾 珠 絲 杠 預(yù) 加 載 荷 一 9 03 00 L NFFmP 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 cNMt iLFtt 20 式中 29 其 于 參 數(shù) 如 上 進(jìn) 給 方 向 最 大 切 削 力 NFt 具體計(jì)算 橫向 264 108 2619 05 5 9 3 4 728 108 26 570 0 mNMNtf 047 26 105 78 890 max mNtff 切起 4 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 目前 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 1 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距 初 選 電 機(jī) 型 號(hào)maxjM 從表中查出 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí) 86 0 jax 起 縱向 2 586 032 4 NM 起 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表 三相 可查出 110BYG3500 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 矩為 8N m 大于所需靜轉(zhuǎn)矩 可作為初選型號(hào) 但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起 動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz401 6201max pqvf 最高工作頻率 Hz3 8psgf 從電機(jī)表中查出 110BYG3500 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為 1600Hz 運(yùn)行頻率為 30000Hz 滿足要求 橫向 mNM 3086 2 起 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表 三相 可查出 90BYGH3502 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 30 矩為 5N m 大于所需靜轉(zhuǎn)矩 可作為初選型號(hào) 但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻 特性和運(yùn)行矩頻特性 31 結(jié)論 本課題結(jié)合目前國內(nèi)外數(shù)控改造化車床進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 具體闡 述了一種桌面型數(shù)控改造化車床的設(shè)計(jì)開發(fā)過程 本文主要完成的工作如下 1 數(shù)控改造化車床結(jié)構(gòu)方案的確定 分析了數(shù)控改造化車床的特點(diǎn) 確定了數(shù)控 改造化車床基本結(jié)構(gòu) 并確定其基本尺寸 2 確定了數(shù)控改造化車床技術(shù)指標(biāo)及參數(shù) 對(duì)該數(shù)控改造化車床的各向切削力進(jìn) 行了計(jì)算 3 選擇了數(shù)控改造化車床系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 采用了東達(dá)電控的電控箱 4 數(shù)控改造化車床本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 零件的剛度和壽命計(jì)算與校核 對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行剛度和壽命計(jì)算 確保 滿足使用要求 使該數(shù)控改造化車床有足夠的可靠性 32 參考文獻(xiàn) 1 陳嬋娟 數(shù)控改造化車床設(shè)計(jì) M 化學(xué)工業(yè)出版社 2006 1 160 2 杜君文 鄧廣敏 數(shù)控技術(shù) M 天津 天津大學(xué)出版社 2002 37 56 3 謝紅 機(jī)床數(shù)控化改造機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo) M 上海 同濟(jì)大學(xué)出版社 2004 8 50 84 4 蔡自興 機(jī)器人學(xué) M 北京 清華大學(xué)出版社 2000 20 25 5 李佳 機(jī)床數(shù)控化改造機(jī)應(yīng)用 M 北京 清華大學(xué)出版社 2001 70 88 6 張立勛 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 2007 40 51 7 濮良貴 機(jī)械設(shè)計(jì) 第七版 M 北京 高等教育出版社 2004 34 46 8 徐灝主 新編機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 99 140 9 張立勛 董玉紅 機(jī)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì) M 哈爾濱 哈爾濱工程大學(xué)出版社 2006 53 78 10 吳宗澤 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1987 97 112 11 白文慶 數(shù)控改造化車床的數(shù)控設(shè)計(jì) J 機(jī)械產(chǎn)品與科技 2005 3 2 92 102 12 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