用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為530毫米普通車床的進給系統(tǒng)
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1 準考證號: 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 ( 設 計 ) 用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為 530 毫米普通車床的進給系統(tǒng) 學 院: 江西科技學院 專 業(yè): 機電一體化工程 班 級: 學生姓名: 指導老師: 何暉暉 完成日期: 2015 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 2 本科論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明:所呈交的論文(設計)是本人在指導老師的指導下獨立進行研究,所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外,本論文(設計)不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。 學位論文作者簽名(手寫): 簽字日期: 年 月 日 本科論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權 江西科技學院 可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 學位論文作者簽名(手寫): 指導老師簽名(手寫): 簽字日期: 年 月 日 簽字日期: 年 月 日 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 3 目 錄 緒論 . 4 第 1 章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 . 5 第 2 章 機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 . 6 計參數(shù) . 6 2,2 進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 . 6 定系統(tǒng)的脈沖當量 . 6 算切削力 . 6 珠絲杠螺 母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 11 進給齒輪箱傳動比計算 . 14 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) . 14 向進給齒輪箱傳動比計算 . 15 進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 20 第 3 章 數(shù)控機床零件加工程序 . 25 第 4 章 總結(jié) . 27 主要參考文獻 . 28 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 4 緒論 接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后,必須首先擬定總體方案,繪制系統(tǒng)總體框圖,才能決定各種設計參數(shù)和結(jié)構,然后再分別對機械部分和電器部分、現(xiàn)已機電一體化的典型產(chǎn)品 數(shù)控機床為例 ,分析總體方案擬定的基本內(nèi)容。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運動方式的確定,伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結(jié)構及傳動方式的確定,計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案,進行綜合分析、比較和論證,最后確定一個可行的總體方案。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 5 第 1 章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 普通車床是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進 給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來,通過進給箱變速后,由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好,改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動,切削次序也由人工控制。 對普通車床進行數(shù)控化改造,主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng);刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣,利用數(shù)控裝置,車床就可以按預先輸入的加 工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù),切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換,再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能,數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉(zhuǎn)零件,并能實現(xiàn)多工序自動車削,從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度,也能適應小批量多品種復雜零件的加工。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 6 第 2 章 機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 計參數(shù) 用微機數(shù)控技術 改造最大加工直徑為 500毫米普通車床的進給系統(tǒng) 最大 加工直徑( 在床身上: 530 在床鞍上: 270 最大加工長度( 750 1000 溜板及刀架重量( N): 橫向: 550 縱向: 1100 刀架快移速度( m/ 橫向: 1 縱向: 2 最大進給速度( m/ 橫向: 縱向: 小分辨率 ( 橫向: 縱向: 位精度( 電機功率( 動加速時間( 30 2,2 進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量 ,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此 ,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說,縱向常采用的脈沖當量為 算切削力 1)縱車外圓 主切削力 N) 按經(jīng)驗公式估算: )(8 1 7 55 3 m a x 按切削力各分力比例: 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 7 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F 得:) 270(N) 2) 主切削力 F 21 =) 按切削力各分力比例: : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F ) 1635(N) 珠絲杠螺母副的計算及選型 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1)計算進給軸向力) 按縱向進給為綜合型導軌 ()m x zF k F f F G 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù),綜合導軌取 K=f 滑動導軌摩擦 系數(shù) f 初選 溜板及刀架重力 1100N 則 8175+1100) =N) 2)計算最大動負載 Q 66 0 / 1 0L n T n=1000 0L 式中 610 轉(zhuǎn)為 1單位。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 8 f 運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取 f 初選 1.2 最大切削力條件下的進給速度,可取最大進給速度的 1/2 1/3;此處 使用壽命,按 15000h; 0L 為絲杠的基本導程,初選 0L =6 n=1000 0L =1000 =50( m/ 66 0 / 1 0 6 0 5 0 1 5 0 0 0 / 1 0 0 0 0 0 0 4 5L n T Q=3L f45 ) C=3)滾珠絲杠副的選型 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格,相應的額定動載荷不得小于最大動載荷 C;查閱數(shù)控設計指導書得到:采用1 40061列 定動載荷 16400N,精度等級按表 2級。 4)傳動效率計算 () 式中 為1 40062 44 ; 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數(shù) () =)縱向滾珠絲杠剛度驗算 畫出縱向進給滾珠絲杠的支撐方式圖 據(jù)最大軸向力 2532N,支撐間距L=1500杠螺母副及軸承均進行預緊,預緊為最大軸向負荷的 13。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 9 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 a: 絲杠的拉伸或壓縮變形 1 已知D=45L=6d=42 0 0E 2/N 式中 L 是在工作載 N 工作負載,即進給牽引力; 0L 滾珠絲杠的導程; E 材料彈性摸數(shù),對鋼 42 0 0E ; F 滾珠絲杠截面積(按內(nèi)徑確定);“ +”用于拉深,“ ”用于壓縮; 絲杠有效截面 A= 21)2d( = 2 杠導程的變化量 L =4 4 = 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 : b: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2 由 83載 滾珠數(shù)量 (個) 預緊力 3,則變形33 c :定位誤差 根據(jù)經(jīng)驗公式可得: 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 10 2 9 3213 縱向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表 5081珠絲杠幾何參數(shù) 名 稱 符號 計算公式 45081螺 紋 滾 道 公稱直徑 0程 0L 6 接觸角 143 鋼球直徑( 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 143 螺 桿 螺桿外徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d桿內(nèi)徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內(nèi)徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d)穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 11 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1)計算進給軸向力 )2( m 按橫向進給為燕尾形導軌: 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù),燕尾形導軌取 ; f 滑動導軌摩擦系數(shù): f = G 溜板及刀架重力, G =550N。 則 : )2( ) )( 2)計算最大動負載 Q 3 66 0 / 1 0L n T vn s 式中 0L 為絲杠的基本導程,初選 0 最大切削力條件下的進給速度,可取最大進給速度的 1/2 1/3,此處 T 使用壽命,按 15000h; f 運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取 f 初選 1.2 n 為絲杠轉(zhuǎn)速 vn s ; L 為絲杠壽命,以 610 轉(zhuǎn)為 1單位; 305 0 01 0 0 00 L vn s 2710 1 50 0 030601060 66 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 12 0 1 1 N) 3)滾珠絲杠副的選型 橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù): 表 1名 稱 符號 計算公式 紋 滾 道 公稱直徑 0程 0L 6 接觸角 334 鋼球直徑( 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 73 螺 桿 螺桿外 徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d34 螺桿內(nèi)徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內(nèi)徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d35794 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 13 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格,相應的額定動載荷不得小于最大動載荷 C;查閱數(shù)控設計指導書得到:采用 1列 定動載荷 15400N,精度等級為 1級。 4)傳動效率計算 () 式中 為 35061螺旋升角, 73 ; 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數(shù) 073t a n ( 73t a n)t a n (t a n 5)橫向滾珠絲杠剛度驗算 a: 畫出橫向進給滾珠絲杠的支撐方式圖 據(jù)最大軸向力 ,支撐間距 L=750絲杠長度較短,不需預緊,螺母及軸承預緊。 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 b: 絲杠的拉深或壓縮變形 )(1 已知 , D=35L=59 8 42 0 0E 2/N 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 14 式中 L 是在工作載 用下引起每一導程的變化量; N 工作負載,即進給牽引力; 0 E 材料彈性摸數(shù),對鋼 42 0 0E ; F 滾珠絲杠截面積(按內(nèi)徑確定);“ +”用于拉深,“ ”用于壓縮; 2221 2( 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 FL m 440 1 5 c: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 )(2 由 承載滾珠數(shù)量 5 Z(個 ) 3 23 22 d: 定位誤差: 根據(jù)經(jīng)驗公式得: 2 9 3213 滾珠絲杠允 許的誤差為 )(025.0 所選絲杠合格。 6) 壓桿穩(wěn)定性校 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核。 進給齒輪箱傳動比計算 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) 縱向進給脈沖當量 ;滾珠絲杠導程0 6L ; 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 15 可得:03 6 0 / ( ) 3 6 0 0 . 0 1 / ( 0 . 7 5 6 ) 0 . 8 可選齒數(shù)為: 4032252012 或 1Z 取 40 322取Z 表 動齒輪幾何參 數(shù) 向進給齒輪箱傳動比計算 橫向進給脈沖當量 ;滾珠絲杠導程 0 ; ;可得: 可選齒數(shù)為: 4024252053543412 數(shù)取 2 24,40,20,25 4321 齒數(shù) 32 40 20 25 分度圓 d 64 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m68 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m 59 75 35 45 齒寬 (6 10)m 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d72 45 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 16 表 動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) 24 40 20 25 分度圓 d 48 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m52 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m 42 75 35 45 齒寬 (6 10)m 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d64 45 進電機的計算和選型 向步進電機的計算和選型 1) 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 算簡圖見前面,傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 )( 2; 21 為齒輪 21 的轉(zhuǎn)動慣量 )( 2; ( 2; 所選電機為 150應式步進電機,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量: 210MJ kg ; 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 17 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式: )(304 ; 則: 23431411 3 8 23432422 6 1 23434 100 代入上式: 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 2 )3240(2 2)電機力矩計算 機床在不同的工況下,所需的力矩也不同,分別計算: 快速空載起動力矩起M: 在快速空載起動階段,加速力矩占的比例較 大,其計算公式為: m a x 0 M M 起 2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t m a x m a x / ( 3 6 0 ) 式中 起( ; )( ; ( ; 0( ; 其它符號意義同前。 m i 60(m a xm a x 起動加速時間 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 18 )60(102 2m a xm a x aa 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F G 式中 0)(0 z ;其它參數(shù)含義及取值同前, 為傳動鏈總效率,一般可取 ,這里取 ; 2)(2 000 1008178(附加摩擦力矩0M: 00 200(1 )2 i 式中0般取 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取 ; 其它符號含義取值同上。 p 2 3 431)1(2 220000 將數(shù)據(jù)代入公式: 0a m a x f 起 7快速移動時所需力矩快M: 0f 快 1 最大切削負載時所需力矩切M: 0 M M 切 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 19 式中( ;2 0參數(shù)說明同上。 0 4 0 切從上面可以看出,切快起 和、 快速空載起動力矩最 大,以此作為初選步進電動機的依據(jù) 。 查得當步進電機為五相十拍時 9 5 J M A 最大靜力矩 A X 4 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從附表查出 150最大靜轉(zhuǎn)矩為 大大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,可作為初選型號,但還必須進一步考核步進電機啟動矩頻特性和運行矩 。 3)計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 空載啟動時 3 1 0 0 0601 0 0 0 m a x 切削時工作頻率 0 0 0 0601 0 0 0 可查出 150步進電機允許的最高空載頻率為 2800行頻率為800再從圖 出,當步進電機起動時, f 起時, 100 ,遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩;直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象,必須采用升降速控制(用軟件實現(xiàn)),將起動頻率降到 1000右時,起動力矩可提高588.4 。 然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路,還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 20 圖 50圖 50動矩頻特性 當快速運動和切削進給時,從圖 50 向步進電機的計算和選型 1) 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見前面,傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 2()J kg 為: )2()()()()( 204243322211 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 21 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ; 12齒輪12轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ; 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ; 所選電機為 150應式步進電機,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量: 210 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式: 04131 J 則: )(9 2 431 )(432 )(433 )(8 2 434 )( 43 s 50 代入上式: )2()()()()( 204243322211 ) 2 )2440() (2025( 65 2)電機力矩計算 機床在不同的工況下,所需的力矩也不同,分別計算: 快速空載起動力矩 在快速空載起動階段,加速力矩占的比例較大,其計算公式為: m a x 0 M M 起2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 22 m a x m a x / ( 3 6 0 )式中 )N ; )N ; )N ; 0算到電機軸上的附加摩擦力矩 ()N ; 其它符號意義同前。 m i n )/(416360 0 0360 00m a xm a x 起動加速時間 30at )(1626560 m a xm a x 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F W 式中 0F 為導軌的摩擦力, 0 ()zF f F G;其它參數(shù)含義及取值同前: 為傳動鏈總效率,一般可取 0 ,這里取 f 2 000附加摩擦力矩 0M : 00 200(1 )2 i 式中 0般取 13 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0 ; 其它符號含義取值同上。 )1(231)1(2 20020000 上述三項合計: )(a x 起江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 23 快速移動時所需力矩 )(f 快 最大切削負載時所需力矩 切式中 算到電機軸上的切削負載力矩 ()N ;02 LM i參數(shù)說明同上 2 0切)(5 6 9. 0 43178 從上面可以看出, M M 、 和三種工作情況下,以最大切削負載時空載起動力矩最大, 查表得:當步進電機為五相十拍時, 951.0/m a x M,最大靜力矩 4 79 5 8 6m a x。 按此最大靜轉(zhuǎn)距從附表查出 150,大于所需最大靜轉(zhuǎn)距??勺鳛槌踹x型號。但還必須進一步考核步進電機起動短頻特性和運行短頻特性。 3)計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 。 空載啟動時 3 30 0 1 0 0 0601 0 0 0 m a x 切削時工作頻率 0 0 0 0601 0 0 0 可查出 150步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800行頻率為8000從圖表查出 150500大靜轉(zhuǎn)矩為 求的空載起動力矩 須采用升降速控制(用軟件實現(xiàn)),把起動頻率降到 1000右時起動力矩可提高 可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右,起動力矩可以滿足要求。 當快速運動和切削進給時,從圖 50滿足要求。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 24 圖 50圖 50江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 25 第 3 章 數(shù)控機床零件加工程序 圖 控機床零件加 工圖 10; 03 10; 5; 10; 10; 10; 10; 2; 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 26 10; 602, 2 10; 10; 2; 10; 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 27 第 4 章 總結(jié) 通過這次課程設計,使我能夠很好的掌握和運用專業(yè) 知識,并在設計中得以體現(xiàn)剛開始時不知從何下手,在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。參考了相關設計資料,終于知道了該怎么做。在做設計的過程中,不但復習了所學過的知識點,還學到了新的知識,同時將所學到的知識充分的運用起來,做到了學以致用。 當然,在此過程中由于時間緊張也有許多不足之處,內(nèi)容涉及到多方面有知識要想發(fā)展成實際產(chǎn)品還需要反復的探討和論證。 本次課程設計一開始就得到老師的幫助,正是有了他們的悉心幫助和支持,才使我的課程設計順利完成。在此表示深深的感謝! 江西科技學院本科生畢業(yè)論文(設計) 28 主要參考文獻 1 丁洪生 北京 :機械工業(yè)出版社 2 范超毅,趙天嬋 數(shù)控技術課程設計 中科技大學出版社 3 蔡懷崇,張克猛 ) 械工業(yè)出版社 4 林其駿 北京 :機械工業(yè)出版社 5 畢萬新 大連:大連理工出版社 6 王訓杰,丘映輝 機械設計基礎課程設計 連理工出版社 7 吳宗澤 北京:北京機械工業(yè)出版社 8 陳 立德 北京:北京教育出版社 9 數(shù)控設計指導書 2009 10 董霞,李天石,陳康寧 北京:機械工業(yè)出版社 11 彭冬明,韋友春 北京:北京理工大學出版社 12 董景新,趙長德 北京:機械工業(yè)出版社 13 鮑小南 杭州:浙江大學出版社 14 劉瑾 北京:機械工業(yè)出版社 15 劉海 濤 南昌:江西科技學院- 配套講稿:
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