用微机数控技术改造最大加工直径为530毫米普通车床的进给系统
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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530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: 学生姓名: 指导老师: 何晖晖 完成日期: 2015-04-05
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江西科技学院本科生毕业论文(设计)
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: 年 月 日
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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
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目 录
绪论 ................................................................. 4 第1章 数控机床系统总体设计方案的拟定 .......................... 5 第2章 机床进给系统机械部分设计计算 ............................ 6
2.1 设计参数 ...................................................... 6 2,2 进给伺服系统运动及动力计算 .................................... 6
2.2.1 确定系统的脉冲当量 ...................................... 6 2.2.2 计算切削力 .............................................. 6 2.3 滚珠丝杠螺母副的计算及选型 .................................... 7
2.3.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 .......................... 7 2.3.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 ......................... 11 2.4 轮进给齿轮箱传动比计算 ....................................... 14
2.4.1 纵向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数 ..................... 14 2.4.2 横向进给齿轮箱传动比计算 ............................... 15 2.5 步进电机的计算和选型 ......................................... 16
2.5.1 纵向步进电机的计算和选型 ............................... 16 2.5.2 横向步进电机的计算和选型 ............................... 20
第3章 数控机床零件加工程序 ..................................... 25 第4章 总结 ....................................................... 27 主要参考文献 ...................................................... 28
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绪论
接到一个数控装置的设计任务以后,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。
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第1章 数控机床系统总体设计方案的拟定
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。
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第2章 机床进给系统机械部分设计计算
2.1 设计参数
用微机数控技术 改造最大加工直径为500毫米普通车床的进给系统
最大 加工直径(mm): 在床身上:530 在床鞍上:270 最大加工长度(mm): 750~1000
溜板及刀架重量(N): 横向:550 纵向:1100 刀架快移速度(m/min): 横向:1 纵向:2 最大进给速度(m/min): 横向:0.3 纵向:0.6 最小分辨率 (mm): 横向:0.005 纵向:0.01 定位精度(mm): 0.025 主电机功率(KW): 5.5 启动加速时间(ms): 30 2,2 进给伺服系统运动及动力计算 2.2.1 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。
2.2.2 计算切削力 1)纵车外圆 主切削力Fz(N) 按经验公式估算:
1.5 Fz=0.67Dmax?0.67?5301.5?8175(N)
按切削力各分力比例:
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Fz:Fx:Fy?1:0.25:0.4得:Fx=2043.75(N)
Fy=3270(N)
2).横切端面 主切削力Fz'
Fz'?1Fz=4087.5(N)
2按切削力各分力比例:
Fz':Fx':Fy'?1:0.25:0.4Fx'=1021.875(N)
Fy'=1635(N)
2.3 滚珠丝杠螺母副的计算及选型 2.3.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 1)计算进给轴向力Fm(N) 按纵向进给为综合型导轨
Fm?kFx?f'(Fz?G)
式中K—考虑颠覆力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15
f'—滑动导轨摩擦系数0.15~0.18 f'初选0.16 G—溜板及刀架重力1100N
则Fm=1.15×2043.75+0.16×(8175+1100)=3834.31(N)
2)计算最大动负载Q
L?60?n?T/106
n=1000×0.5vs/L0
式中 L为丝杠寿命,以106转为1单位。
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f? 运转系数,按一般运转取1.2~1.5; f?初选1.2
vs 最大切削力条件下的进给速度,可取最大进给速度的1/2~1/3;此处
vs=0.6mm
T 使用寿命,按15000h;
L0 为丝杠的基本导程,初选L0=6mm;
n=1000×0.5vs/L0=1000×0.5×0.6/6=50(m/min)
L?60?n?T/106?60?50?15000/1000000?45
Q=3Lf?Fm=345×1.4×3834.3=19093.5(N)
C=1909.3kgf
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W1L4006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16400N,精度等级按表2-12选为1级。
4)传动效率计算
??tg?
tg(???)式中?为W1L4006的螺旋升角,??2?44';
?为摩擦角取10'滚动摩擦系数0.003~0.004;
tg?tg3.23???==0.95
tg(???)tg3.4? 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图2.1,根据最大轴向力2532N,支撑间距
1L=1500mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧,预紧为最大轴向负荷的。
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图2.1 纵向进给滚珠丝杠的支撑方式
a: 丝杠的拉伸或压缩变形?1
已知Fm=3834.3N,D=45mm,L0=6mm,d1=40.182mm,E?20.6?104N/mm2 式中 ?L 是在工作载Fm作用下引起每一导程的变化量;
N 工作负载,即进给牵引力;L0滚珠丝杠的导程;
E 材料弹性摸数,对钢E?20.6?104;F滚珠丝杠截面积(按内径确
定);“+”用于拉深,“?”用于压缩;
d40.1822)???1251.3mm 丝杠有效截面A=(1)2??=(223834.3?6FL丝杠导程的变化量?L=m0==8.9?10?4mm 4EA20.6?10?1251.3?滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量:
1?L18.9?10?4?1???L???1500?5.56?10?3mm
4L046b: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形?2
由dp=4.763mm,Fm=383kgf
D?45??2.5??2.5?74(个) dp4.7631由于对滚珠丝杠副施加预紧力,且预紧力Fp为轴向负载的,则变形?3
3Fm383?2?0.0013?0.0013??3.33?10?3mm
3d?F?Z2149pp?承载滚珠数量Z??c:定位误差
根据经验公式可得:
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?3??1??20.95.56?10?3?3.33?10?3??0.0098mm?0.025mm
0.9
纵向滚珠丝杠副几何参数
表2.1 W1L4508滚珠丝杠几何参数
螺 纹 滚 道 偏心距 螺旋升角 螺 杆 螺杆接触直径 螺 母 螺母螺纹直径 螺母内径 螺杆外径 螺杆内径 e 名 称 公称直径 导程 接触角 钢球直径(mm) 滚道法面半径 符号 计算公式 R?0.52dq e?(R?dq/2)sin? W1L4508 d0 L0 45 6 ‘3?14 ? dq 4.763 2.477 0.068 ‘3?14 R ? d ??arctgL0 ?d0d?d0?(0.20.5)dq d1?d0?2e?2R 43.577 40.242 40.237 39.91 d1 dz D dz?d0?dqcos? D?d0?2e?2R D1 D1?d0?(0.20.5)dq 46.429 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。
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2.3.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算及选型
1)计算进给轴向力
Fm?KFy'?f'(Fz'?2Fx'?G)
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K?1.4;
'f'—滑动导轨摩擦系数:f'=0.2;
G'—溜板及刀架重力,G'=550N。
''''''则:Fm?KFy?f(FZ?2Fx?G)
?1.4?1498?0.2?(4087.5?2?1021.875?550)
?3615.3(N)
2)计算最大动负载Q
Q?3LfwFm L?60?n?T/106
'n?1000?vs?0.5L0
式中 L0 为丝杠的基本导程,初选L0?5mm
vs 最大切削力条件下的进给速度,可取最大进给速度的1/2~1/3,此处vs=0.3m/min;
T 使用寿命,按15000h;
f? 运转系数,按一般运转取1.2~1.5; f?初选1.2
n 为丝杠转速n?1000?vs?0.5L0;
L 为丝杠寿命,以106转为1单位;
n?L?1000vs1000?0.3?0.5??30 L0560nT60?30?15000??27 106106
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'Q?3LfwFm?327?1.2?3615.3?13015.1(N)
C?1302.1kgf
3)滚珠丝杠副的选型 横向滚珠丝杠副几何参数:
表2.2 W1L3506滚珠丝杠几何参数
螺 纹 滚 道 偏心距 螺旋升角 螺 杆 螺杆内径 螺杆接触直径 螺 母 螺母螺纹直径 螺母内径 螺杆外径 e 名 称 公称直径 导程 接触角 钢球直径(mm) 滚道法面半径 符号 计算公式 W1L3506 35 6 d0 L0 ? dp 4?33' 3.969 2.064 0.056 R R?0.52dq e?(R?dq/2)sin? ? d ??arctgL0 ?d03?7? 34 d?d0?(0.20.5)dq d1 dz D d1?d0?2e?2R 30.984 31.042 39.016 35794 dz?d0?dqcos? D?d0?2e?2R D1 D1?d0?(0.20.5)dq
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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W1L3506型外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,1列2.5圈,额定动载荷15400N,精度等级为1级。 4)传动效率计算
??tg?
tg(???)式中?为W1L3506的螺旋升角,??3?7?;
?为摩擦角取10'滚动摩擦系数0.003~0.004;
tan?tan3?7'????0.951
tan(???)tan(3?7'?10')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图2.2,根据最大轴向力
'Fm?3615.3N,支撑间距 L=750mm。因丝杠长度较短,不需预紧,螺母及轴承预
紧。
图2.2 横向进给滚珠丝杠的支撑方式
b: 丝杠的拉深或压缩变形?1(mm)
' 已知Fm?3330.7N,D=35mm,L0=5mm,d1?D?2e?2R?30.984,
E?20.6?104N/mm2
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'式中 ?L 是在工作载Fm作用下引起每一导程的变化量;
N 工作负载,即进给牵引力; L0 滚珠丝杠的导程;
E 材料弹性摸数,对钢E?20.6?104;F滚珠丝杠截面积(按内径确
定);“+”用于拉深,“?”用于压缩;
A?(d1230.9842)???()???753.6mm2 22滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量
'FmL03615.3?5?L???1.16?10?4mm 4EA20.6?10?753.61?L11.16?10?4?1???L???750?4.35?10?3mm
4L045c: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形?2(mm) 由dp=3.969mm,Fm?3330.7N?333kgf
承载滚珠数量Z??'??353.9693?2.5?1?69.2(个)
383?3.7?10?3mm
?2?0.0013d: 定位误差:
Fm2dp?Fp?Z??0.0013?33.969?111?69.22根据经验公式得:
?3??1??20.94.35?10?3?3.7?10?3??0.0094mm?0.025mm
0.9滚珠丝杠允许的误差为0.025(mm);所选丝杠合格。
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。 2.4 轮进给齿轮箱传动比计算
2.4.1 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?p?0.01;滚珠丝杠导程L0?6mm;初选步进电机步距
?b?0.75?;
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可得:i?360?p/(?bL0)?360?0.01/(0.75?6)?0.8
可选齿数为:
i?Z2Z1?2025或3240; Z1取40 Z2取32
表2.3 传动齿轮几何参数
齿数
齿宽 中心距 (610)m A?(d1?d2)/2 32 64 40 80 20 40 25 50 分度圆 d?mz d0?d?2m 齿顶圆 齿根圆 68 84 75 44 35 54 45 df?d?2?1.25m59 20 20 20 20 72 45 2.4.2 横向进给齿轮箱传动比计算
横向进给脉冲当量?p?0.005;滚珠丝杠导程L0?5mm;初选步进电机步距角
?b?0.75?;可得:
i?可选齿数为:
i?Z2Z4432024????? Z1Z3552540360?p?bL0?360?0.005?0.48
0.75?5
因进给运动齿轮受力不大,模数取2
Z1?25,Z2?20,Z3?40,Z4?24
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表2.4 传动齿轮几何参数
齿数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿宽 中心距 2.5 步进电机的计算和选型 2.5.1 纵向步进电机的计算和选型 1) 等效转动惯量计算
算简图见前面,传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J? 为:
J??JM?J1?(Z12GL)[(J2?Js)?(0)2]Z2g2?
(610)m 24 48 40 80 20 40 25 50 d?mz d0?d?2m 52 84 44 54 df?d?2?1.25m 42 75 35 45 20 20 20 20 A?(d1?d2)/2 64 45 式中 JM 为步进电机转子转动惯量(kg?cm2);
J1、J2 为齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg?cm2);
Js 为滚珠丝杠转动惯量(kg?cm2);
所选电机为150BF002反应式步进电机,其转子转动惯量:
JM?10kg?cm2;
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4?32对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式:J?0.78DL0?10(kg?cm);
则:
J1?0.78d14L1?10?3?0.78?84?2?10?3?6.389kg?cm2
4J2?0.78d2L2?10?3?0.78?6.44?2?10?3?2.617kg?cm2
Js?0.78ds4Ls?10?3?0.78?3.54?150?10?3?17.56kg?cm2
G?1100N
代入上式:
J??JM?J1?(Z12GL)[(J2?Js)?(0)2]Z2g2?
?10?6.39?(40)2[(2.617?17.56)?1100?(0.6)2]?50.84
329.82?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M起:
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:
M起?Mamax?Mf?M0
Mamax?J???J??2??nmax?10?2/(60?ta)
nmax?vmax?b/(360?p)式中 M起 为快速空载起动力矩(N?cm);
Mamax为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩(N?cm); Mf 为折算到电机轴上的摩擦力矩(N?cm);
M0 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N?cm);
其它符号意义同前。
nmax?vmax?b(360??p)?20000.75??416rmin 0.01360起动加速时间ta?30ms?0.03s
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Mamax?J???J??2??nmax?10?2(60?ta)?50.84?折算到电机轴上的摩擦力矩Mf:
2??416?10?2?737.9N?cm
60?0.03F0L0f'(Fz?G)?L0Mf??2??i2??i
式中 F0 为导轨的摩擦力,F0?f'(Fz?G);其它参数含义及取值同前,
? 为传动链总效率,一般可取??0.7~0.85,这里取??0.8;
F0L0f'(Fz?G)?L00.16?(8178?1100)?0.6???221.56N?cm Mf?2??i2??i2??0.8?0.8附加摩擦力矩M0:
M0?Fp0L02??i(1??02)
式中Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取13Fm;
?0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取??0.9; 其它符号含义取值同上。
M0?Fp0L013834?0.62(1??0)???(1?0.92)?36.2N?cm 2??i32??0.8?0.8将数据代入公式:
M起?Mamax?Mf?M0?737.9?221.56?36.2?995.66N?cm
快速移动时所需力矩M快:
M快?Mf?M0?221.56?36.2?257.76N?cm
最大切削负载时所需力矩M切:
M切?Mf?M0?Mt
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式中Mt折算到电机轴上的切削负载力矩(N?cm);Mt?FxL0参数说明同上。 2??iM切?Mf?M0?FxL02043.75?0.6?221.56?36.2??562.24.8N?cm 2??i2??0.8?0.8从上面可以看出,M起、M快和M切三种工作情况下,以快速空载起动力矩最大,以此作为初选步进电动机的依据 。
查得当步进电机为五相十拍时??M起MJMAX?0.951
最大静力矩MJMAX?995.660.951?1046.96N
按此最大静转矩从附表查出150BF002型最大静转矩为13.72 N?m大大于所需最
大静转矩,可作为初选型号,但还必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行
矩 。
3)计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率
1000Vmax1000?2??3333.3Hz
60??p60?0.011000Vs1000?0.6切削时工作频率Fe???1000Hz
60??p60?0.01空载启动时Fk?可查出150BF002型步进电机允许的最高空载频率为2800Hz运行频率为800Hz,再从图2.4看出,当步进电机起动时,f起?2500Hz时,M?100N?cm,远不能满足此机床所要求的空载起动力矩;直接使用则会产生失步现象,必须采用升降速控制(用软件实现),将起动频率降到1000Hz左右时,起动力矩可提高588.4N?cm。
然后在电路上再采用高低压驱动电路,还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。
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图2.3 150BF002运行矩频特性
图2.4 150BF002起动矩频特性
当快速运动和切削进给时,从图2.3中看出150BF002型步进电机运行矩频特性完全满足要求。
2.5.2 横向步进电机的计算和选型
1) 等效转动惯量计算
计算简图见前面,传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?(kg?cm2)为:
J??JM?J1?(Z12ZGL){(J2?J3)?(3)2[(J4?Js)?(0)2]} Z2Z4g2?
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