CA6140车床数控化改造刀架纵向进给伺服系统设计.doc

1、毕业实践论文 第 18 页 共 18 页目 录 2设计内容与要求3设计参数4一、浅谈数控改造的目的与意义5二、总体方案的设计 6 三、进给伺服系统机械部分设计与计算83.1进给系统机械结构改造设计 93.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 93.2.1确定系统的脉冲当量 93.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号择雨核步骤93.2.3纵向滚珠丝杠的校核103.3齿轮有关计算 113.4绘制进给伺服系统的机械装配图16四 步进电动机的计算与选型174.1步进电动机选用的基本原则174.2步进电动机的选择 18设计内容与要求具体设计内容： 一、浅谈数控改造的目的与意义二、总体方案的设计 （一）伺服系

2、统的拟定：1、伺服系统的选择 2、纵向进给机构的改造 （二）总体方案的确定（附总体方案装配图） 三、纵向进给伺服系统机械部分设计计算 -计算纵向进给伺服系统1、确定系统的脉冲当量2、计算切削力3、进行滚珠丝杠螺母副设计，计算，选型。4、齿轮的传动计算5、步进电动机的计算与选用设计参数 :主轴电动机功率 7.5KW主轴最高转速1400r/min 最低转速10r/min纵向进给量 0.0281.68mm/r快速移动速度 6m/min加工最大长度 1400mm刀架最大纵向行程 1500mm大托板 小托板及刀架总重量 约900N定位精度 20um/300mm 全程25um重复定位精度10um丝杠导程1

3、0mm一、浅谈数控改造的目的与意义数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在

4、普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，中小企业则达74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经

5、济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如C616，C618，CA6140）等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

6、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。 二、总体方案的

7、设计总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单

8、片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦 小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙

9、的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：三、进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：3.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲

10、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，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床

11、的纵向导轨是三角形导轨，则用公式3-1计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （3-1） 1）车削抗力分析最大切削功率 Pq=Pz =7.50.8=6KW -主运动系统总效率一般为0.70.85取0.8切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度来计算。即P 主切削力 Fc=60Pq*10-3/v=3600N -最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车刚体的速度取V=100m/min在一般外圆车削时Fz=(0.10.55)Fc ,Fx=(0.150.65)Fc取Fz=0.48Fc=0.483600=1728N,Fx=0.58Fc=0.583600=2088NF

12、z-纵向切削分力 Fx-横向切削分力因此，最大工作载荷Fm=KFz+f(Fz+G)=1.152088+0.16(1728+900)=2821.7N取f=0.16,W-移动部件的重量，N 2)滚珠丝杠平均转速的计算 最大切削力下的进给速度Vs(r/min)可取最高进给速度的1/21/3取1/2，纵向最大进给速度为0.6 m/min，丝杠导程Pn=10mm,则滚珠丝杠平均转速 N=1000VS/Pn=30 r/min3)计算载荷Fc的计算 Fc=Kf*Kh*Ka*Fm=1.2112821.7N=3386.04N Kf-载荷系数，按附表1选取Kh-硬度系数，按附表2选取Ka-精度系数，按附表3选取F

13、c-计算载荷附表1载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转Kf1-21.2-1.51.5-2.5附表2硬度系数滑道实际硬度HRC58555045Kh1.01.111.562.4附表3精度系数精度C,DE,FGHKa1.01.11.251.434）计算额定动载荷Ca Ca=Fc =3600 =10647N 假定每天开机6h,每年300个工作日，工作8年以上 Lh=63008=14400h5)根据Ca值从滚珠丝杠副系列中选所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷Ca值等于或大于Ca，并列出其主要参数值。 数据Do=60mm,P=10mm,R=0.52do=30.96mm =32

14、do=5.953mm d1=Do+2e-2R=60+20.707(R-do/2)-2R=53.81mm另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数3.51 （3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg/tg(+)=tg32/tg(32+10)=94.6 % 2）刚度

15、验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量1 F*P Fm*P 42821.710103 1=- = - = - = 6.02610-2um E*A E*d2 206109 0.05382 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 M=Fm*Do*tg(+)/2=2812.760 tg(32+10)/2 =4732.7N/mm=4.73N/m P* P2*M 16 P2*M 16104.7310 2=-

16、 = - = - = - 2 2*G*Jc 2Gd14 2 84.21050.05384 =1.1110-6 cm=1.1110-2 um丝杠的总变形量=1+2=6.02610-2+ 1.1110-2 =7.13610-2um查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。3）压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk Fk=fz2EI/L2 （3-8）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=dl4/64(mm4)(dl为丝杠的底径)；L为

17、丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式系数由表3-1查得。 表3-1：方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0由Fk=fz2EI/L2 且fz=2.0, E=20.6104Mpa, I=dl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度由于I=dl4/64=(63-5.953)4/64=3.1457.0474/64 =519614mm Fk=23.14220.6104519614/28002 =276276 Nk=276276/1875 =1494所以丝杠很稳定3.2.4齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：

18、工作台重量：W=900N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=10mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=6m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=Z2/Z1=Lo/360p=0.7510/(3600.01)=2.1a. 选择齿轮材料及确定极限应力无特殊要求，为制造方便，采用软齿面。小齿轮采用45钢调质，硬度为230HBS-250HBS;大齿轮采用45钢正火，硬度为170HBS-220HBS。 有关资料查图9-25 查得Hlim1 =560MPa, Hlim2=530MPa 图9-26 查得Flim1 =210MPa, Flim2=

19、190MPa b.齿轮的有关参数选取如下: Z1=25 , Z2=50 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=225=50mm d2=mz1=250=100mm d2=d1+2ha*=54mmd2=d2+2ha*=104mmc.两齿轮的中心矩 a= (d1 +d2)/2=79mm查表1，齿形系数 YF1=2.65 YF2=2.35查表2，应力修正系数 YS1=1.59,YS2=1.71查表3，弯曲疲劳安全系数 SF=1.3 转矩 T=9.55106P/n=9.551067.5/1000=71625n.mm 载荷系数 K=1.1表1Z171819202225

20、2830354045506080YF2.972.912.852.812.752.652.582.542.472.412.372.352.302.25表2Z1718192022252830354045506080100YS1.531.541.551.561.581.591.611.631.651.671.691.711.731.771.80表3安全系数软齿面（350HBS）硬齿面（350HBS）渗碳淬火齿轮或铸造齿轮和重要齿轮SH1.0-1.11.1-1.21.3SF1.3-1.41.4-1.61.6-2.2d.校核齿根的弯曲强度 【f】1=YN1*Flim1 /SF =210/1.3=162M

21、Pa 【f】2=YN2*Flim2/SF=190/1.3=146MPa 故齿根弯曲强度校核合格e.验算齿轮的圆周速度 3.14501000 V=d1n1/(601000)= - =2.6m/s 601000 由表可知，选取该齿轮传动为8级精度2）转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量Js=(180p / )2 w=1800.01/(3.140.75)=4.67N.cm2丝杠的转动惯量4）绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床

22、的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构

23、等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。4 步进电动机的计算与选型4.1步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：4.1.1步距角 步距角应满足

24、 （4-1）式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.2精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s （4-2）式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a. 起动力矩。一般选取为 MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载

25、力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（4）步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。4.1.4启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： Ftfopm (4-4)式中，ft-极限启动频率， fopm-要求步进电动机最高启动频率。4.2步进电动机的选折4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定 Mq=308.35 N.cm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm=356.06 N.cm步进电动机最高工作频率： fmax=3333.3 HZ综合考虑，查步进电机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。