CA6140車床進(jìn)行改造設(shè)計(jì)【橫軸設(shè)計(jì)】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
前言
畢業(yè)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高等院校培養(yǎng)目標(biāo)所不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié),是教學(xué)計(jì)劃中的一個(gè)有機(jī)組成部分,是培養(yǎng)我們學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能,分析解決實(shí)際問題能力的重要一環(huán)。它與其它教學(xué)環(huán)節(jié)緊密配合,相輔相成,是前面各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)和發(fā)展。
機(jī)電一體化占據(jù)主導(dǎo)地位是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢而制造展業(yè)是整個(gè)個(gè)學(xué)技術(shù)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè),因此機(jī)電一體化在當(dāng)前激烈的國際政治、軍事、經(jīng)濟(jì)競爭中有舉足輕重的作用,受到工業(yè)國家極大重視。
CA6140車床進(jìn)行改造,讓我們綜合的運(yùn)用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程和其他有關(guān)先修課程的理論及生產(chǎn)實(shí)踐的知識去分析和解決機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,有效鍛煉我們對機(jī)械設(shè)計(jì)及接口電路的設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和分析問題,同時(shí)鍛煉我們運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱資料等,培養(yǎng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技能,并使所學(xué)過的知識得到進(jìn)一步鞏固和深化。
目 錄
一、計(jì)算切削力-------------------------------------------------3
二、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型----------------4
⑴最大進(jìn)給力計(jì)算----------------------------------------------4
⑵計(jì)算最大負(fù)載C-----------------------------------------------4
⑶滾珠絲桿的選擇型號----------------------------------------5
⑷傳動(dòng)效率計(jì)算-------------------------------------------------6
⑸剛度驗(yàn)算-------------------------------------------------------6
⑹穩(wěn)定校核-------------------------------------------------------8
⑺滾珠絲桿的幾何參數(shù)----------------------------------------9
三、齒輪傳動(dòng)比計(jì)算和選擇-----------------------------------9
四、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇-----------------------------------10
(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算----------------------------------------10
(2)刀架臺(tái)折算到絲杠的傳動(dòng)慣量--------------------------11
(3) 電機(jī)力矩的計(jì)算-------------------------------------------12
(4)計(jì)算電機(jī)空載起動(dòng)頻率-----------------------------------16
五, 設(shè)計(jì)小結(jié)-------------------------------------------------18
一. 計(jì)算切削力:
CA614普通車床橫軸的脈沖當(dāng)量為0.005,刀具的補(bǔ)償量為0~~99.99mm,機(jī)床定位精度為±0.015.橫軸最大切削進(jìn)給速度為0.3/min,刀架最快移動(dòng)速度為1.2m/min.
按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主Fz (n) 可用縱軸計(jì)算公式先算出縱軸的主切削力如下
縱切外圓: Fz=0.67Dmax1..5 (N)
Dmax為最大加工直徑(mm)
Fz(n)=0.67 Dmax1..5 =0.67 ×4001..5=5360(N)
而橫切削主力:F =0.5 F(n)
∴ F =0.5 ×5360 =2680(N)
計(jì)算走刀扛里抗力F ;吃刀抗力F 按以下比例: Fz:F:F =1 : 0.25 : 0.4
F=2680×0.25=670(N)
F=2680×0.4=1072(N)
二, 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型。
(1)受力和穩(wěn)定性橫向刀架導(dǎo)軌選擇燕尾型導(dǎo)軌,所以,最大進(jìn)給力:
F=K F+f(F+2 F+G)
上式中G為移動(dòng)件重量(N·cm),f為導(dǎo)軌摩擦系數(shù),隨導(dǎo)軌的形式而不同,K為考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。
取K=1.4 ,f=0.2
∴F=1.4×F+0.2(F +2 F+600)
=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)
=2023(N)
(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C:
所謂的最大動(dòng)負(fù)載為當(dāng)所選絲杠副d 時(shí),必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后,在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。
根據(jù)公式:C=fw F
上式中:
L-----絲杠壽命,以10轉(zhuǎn)為一單位, n=1000Vs/L
Vs------為最大切削條件下的進(jìn)給速度(m/mm),
可取最大進(jìn)給速度的0.5~0.33,即:
Vs=0.3×0.5=0.15
L-----絲杠的導(dǎo)程(mm)取L=5mm(初選)
T ---------機(jī)床的設(shè)計(jì)壽命(h),對于數(shù)控機(jī)床
取T=15000h
f-----運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),根據(jù)設(shè)計(jì)說明書中的表3-5運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)表取f=1.5
∴ n=1000Vs/L=1000×0.3×0.5=30 r/mm
L===27
∴ C=fF=×1.2×2023=7283 N
(3)滾珠絲杠的選擇型號:
查閱《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊》,可選用FYCD2005-2.5,1列2.5圏外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副額定動(dòng)載荷為8630N,可滿足要求選用精度為3級。
(4)傳動(dòng)效率計(jì)算:
η=
式中:----絲桿螺旋升腳
------摩擦角,滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~~0.004 其摩擦角約等于10′。
η===0.965
(5)剛度驗(yàn)算:
最大進(jìn)給力率引力為2023N,支承間距L=500,絲杠螺母軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
①絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1,查《機(jī)械設(shè)計(jì)寶典》圖3.23有:Fm=2023 N, D0=20 mm,
δL/L=4.2×10-5 ,
δ1=δL/L×500=4.2×10-5×500=2.1×10mm
由于兩端均采用向心推力球軸承,且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊拉伸,所以,其拉壓剛度可以提高四倍,
其實(shí)際變形量δS為:
δS=1/4×2.1×10-2=0.502×10-2 mm
②滾珠與螺紋道接觸變形量δ2,查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊》相關(guān)圖表,w系列1列2.5圈滾珠和螺紋道接觸變形量δQ=8.5×10-3
因進(jìn)行了預(yù)緊,
故δ2=1/2×8.5×10-3=4.25×10-3 mm
③支軸滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形量δ3 ,采用8012型推力球軸承,d1=15 mm,滾動(dòng)體直徑=4.763 mm,滾動(dòng)體數(shù)量z=12
故δe=0.0024
Fm=202.3;d=4.763 ;Z=12
∴δe=9.4×10
因施加預(yù)緊力故:
δ3=1/2δe=1/2×9.4×10-3=4.7×10-3
綜合以上的幾項(xiàng)變形量之和:
δ總=δS+δ2+δ3=(5.02+4.25+4.7)×10-3
δ總=1.397×10-2
而設(shè)計(jì)機(jī)床的定位精度為:±0.015 mm
因此,以上材料滿足要求。
⑹穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載FK:
FK =
上式中:
E----絲杠彈性摸量,對于鋼 E=20.6×106 N/cm2
I----為截面慣性矩(cm4),絲杠截面慣性矩
I=d41(d1為絲杠螺紋的底徑)
L----絲杠兩支承端距離,單位cm.
fz ------絲杠支承方式系數(shù),兩端固定fz=4.0
I =d41=×16.7884=0.3899
FK == =123706 N
nk ===61.1 >> [NK]
(一般情況[NK]=2.5—4),此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
⑺、橫向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)
名稱
符號
計(jì)算公式
FYC2D2005-2.5
螺紋滾道
公稱直徑
d 0
20
螺距
L 0
5
接觸角
β
4o33’
鋼球直徑
d q
3.175
滾道發(fā)面半徑
R
R=0.5 d q 2 d q
1.651
偏心距
E
e =R-sinβ
0.045
螺紋升角
V
v =arctan
4o33’
螺杠
螺杠外徑
D
d =d0-0.23 d q
19.5
螺杠內(nèi)徑
d 1
d 1 = d0 + 2e-2R
16.788
螺杠接觸直徑
dz
dz= d0 - d qcosβ
16.865
螺母
螺母螺紋直徑
D
D=d 0 -2e +2R
23.212
螺紋內(nèi)經(jīng)
D 1
D1=d0 +(0.2~0.25)d
20.635
三、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)比計(jì)算:
已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 δp=0.005mm ,
滾珠絲杠導(dǎo)程L0 =5 m, 初步選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75o, 可計(jì)算出傳動(dòng)比:
i = ==0.48
i ===0.48
∴Z1=24 , Z2 = 50, 因進(jìn)運(yùn)動(dòng)齒輪受力不是很大,模數(shù) m ?。玻X輪有關(guān)參數(shù)如下:
齒 數(shù)
24
50
分度圓
d =mz
48
100
齒頂圓
da =d +2m
52
104
齒根圓
df =d - 2×1.25m
43
95
齒 寬
(6~10)m
20
20
中心距
a =(d1+d2)/2
124
四、進(jìn)步電機(jī)的計(jì)算和選型
(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:
計(jì)算簡圖可參考《畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典》一書圖3.2.4。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)的傳動(dòng)慣量Jε(kg*cm2)
Jε = J1 +()2{(J2 +JS) +()2
式中:
J1、J2—齒輪Z1 、Z2 的傳動(dòng)慣量(kg*cm2)
JS----滾珠絲杠傳動(dòng)慣量
由齒輪、軸、絲杠等圓柱體的慣量計(jì)算公式:
J= =0.78×D4L×10-4(kg*cm2)
M---圓柱體質(zhì)量kg
D---圓柱體直徑cm
L----圓柱體長度或厚度cm
(2)刀架臺(tái)折算到絲杠的傳動(dòng)慣量:
JG =()2=()2
式中:
v-----工作臺(tái)移動(dòng)速度cm/min
n-----絲杠轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min
G----工作臺(tái)重量N
g----重力加速度9.8m/s2
L0---絲杠導(dǎo)程cm
∴JG =()2× =0.388 kg/cm2
JS =0.78×10-3×24×50=0.624 kg/cm2
J1 =0.78×10-3×4.84×2=0.828 kg/cm2
J2 =0.78×10-3×104×2 = 16.5 kg/cm2
因此,到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
Jε = J1 +()2{(J2 +JS) +()2
=0.828 +0.482 [(15.6+0.624) + 0.388]
=0.828 +0.23 ×16.612
=4.65 kg/m2
(3) 電機(jī)力矩的計(jì)算:
快速空載起動(dòng)時(shí)所需要力
M起 = Mamax + Mf +M0 (N*cm)
快速進(jìn)給所需要力矩
M快 = Mf +M0 (N*cm)
最大切削負(fù)載時(shí)所需要力矩
M切 = Mf +M0 +M t (N*cm)
①空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax為:
Mamax= Jε×10-2
上式中:
Jε----為轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
nmax---電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 (r/min)
ta---運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)力速到最大進(jìn)給速度所需要時(shí)間 (ta = 0.03s)
nmax =× (vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度vmax=1200 mm/min,θb 為步進(jìn)電機(jī)步矩角0.75?,δp 為脈沖當(dāng)量,取δp=0.005mm/脈沖)
nmax =×=×=500 r/min
Mamax= Jε×10-2
=4.65××10-2–
=118.6 N*cm
②摩擦力矩Mf 的計(jì)算:
Mf== (N*cm)
式中:F0-------導(dǎo)軌的摩擦系力(N)
FZ-----垂直方向的切削力
G-----為運(yùn)動(dòng)部件的總重量
f-----為導(dǎo)軌摩擦系數(shù),燕尾鑿導(dǎo)軌取f=0.2
i-----齒輪降速比,i= ==2.08
η----轉(zhuǎn)動(dòng)鏈總效率,一般可取0.7--0.85
Mf = ==31.4 N*cm
③附加摩擦力矩M0的計(jì)算
M0 = (1-η02) (N*cm)
FP0-----為滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載(N),一般取進(jìn)給引力的1/3
L0---為滾珠絲杠導(dǎo)程 cm
η0---滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般η0大于等于0.9
因此 M0 = (1-η02)
= (1-0.92)
=6.175 N*cm
④折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩Mt
Mt= N*cm
=
=51.3 N*cm
因此,快速空載起動(dòng)時(shí)所需要力
Mq = Mamax + Mf +M0 (N*cm)
=118.6 + 31.4 +6.17
=156.2 N*cm
快速進(jìn)給所需要力矩
Mk = Mf +M0 (N*cm)
=31.4 + 6.175
=36.6 N*cm
最大切削負(fù)載時(shí)所需要力矩
Mj = Mf +M0 +M t (N*cm)
=31.4 +6.175 +51.3
=88.9 N*cm
從上面計(jì)算可以看出,Mq 、Mk 、 Mj 三 種工況 下,以快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)所需要力矩最大,以此項(xiàng)作選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
從設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表3—10 最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax與Mq
之間的關(guān)系中,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)
Mjmax= =164.2 N/cm =1.642 N*m
按轉(zhuǎn)矩從設(shè)計(jì)指導(dǎo)書的附件三:反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)的圖表中可以查出,90BF004 型的最大靜轉(zhuǎn)矩為2.45 N*m 大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,可作為初選型號。
(4)計(jì)算電機(jī)空載起動(dòng)頻率:
①最大空載起動(dòng)頻率:
fk == =4000 Hz
上式中 vmax ------運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度等于1.2 m/min
δp------脈沖當(dāng)量橫軸 0.005mm/脈沖-
②切削時(shí)的最大工作頻率:
fc== =500 Hz
上式中Vs-----最大切削進(jìn)給速度為0.15m/min
⑸校核步進(jìn)電機(jī)
①校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件
為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度,通常要求滿足≤ 0.5 及 ≤ 4
式中:Mjmax--- 步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩(N*m)
ML------- 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m)
Jm------步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(g/m2)
Jε------轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子的等效慣量(g/m2)
所以 ==0.363 ≤ 0.5
==1.9 < 4 復(fù)合校核要求的條件.
②校核起矩特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性:
根據(jù)以上算出的最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率在90BF004 的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩特性的圖表,在步進(jìn)電機(jī)不失步的情況下查出所允許最大力矩Mdme 和Mdmk,與M起 和M切 的關(guān)系如下:
M切 < Mdme
M起 > Mdmk
因此,必須采用升降速措施, 采用高低壓驅(qū)動(dòng)功放電路,將步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)力矩再擴(kuò)大一倍左右,步進(jìn)電機(jī)能滿足使用.
五,畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工程師重要的一步。從最初的選題,開題到計(jì)算、繪圖直到完成設(shè)計(jì)。其間,查找資料,老師指導(dǎo),與同學(xué)交流,反復(fù)修改圖紙,每一個(gè)過程都是對自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。
通過這次實(shí)踐,我了解了冷凝器的用途及工作原理,熟悉了冷凝器的設(shè)計(jì)步驟,鍛煉了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力,培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固,同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。
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