0263-普通車床的數(shù)控化改造設計

0263-普通車床的數(shù)控化改造設計,普通,車床,數(shù)控,改造,設計 課程設計說明書 設計題目：普通車床的數(shù)控化改造設計 指導老師：馬愛兵 設 計：王振英 班 級：07機制（3）班 學 號：0715011334 時間：2010年12月27日－2011年1月13日 一、概述 普通車床是金屬切削加工中最常見的一類機床，當工件隨主軸回轉時，通過刀架的縱向移動和橫向移動，車床能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等。借助成形刀具，車床還能加工各種成形回轉表面。普通車床 刀架縱向、橫向的進給運動由主軸的回轉運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光桿或絲杠帶動溜板箱、縱溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調整好，如果改變參數(shù)，則要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動。 對普通車床進行數(shù)控改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造為CNC裝置控制的，能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)，將刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架，這樣利用CNC裝置，車床就可以按順序進行切削加工。由于切削參數(shù)、切削次序和刀具選擇都可以由程序控制和調整，再加上縱向進給和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控化改造后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現(xiàn)多工序自動切削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度，還能適應小批量、多品種負責零件的加工 二、總體方案設計 總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、伺服系統(tǒng)的類型計算機以及傳動方式的選擇等。 1.數(shù)控系統(tǒng)的選擇。 普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、快速進給、直線查補、圓弧查補、暫停、循環(huán)加工和螺紋加工等功能，因此，普通車床數(shù)控化改造所選用的數(shù)控系統(tǒng)應為連續(xù)控制系統(tǒng)。目前，市場上適用于普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)較多，如西門子公司的SIEMENS802S型系統(tǒng)、華中數(shù)控公司的“世紀星”21/22型系統(tǒng)、廣州數(shù)控公司的980T型系統(tǒng)等。 2.伺服系統(tǒng)的選擇。 普通車床數(shù)控化改造后一般為經(jīng)濟型數(shù)控機床。在保證具有一定加工精度的前提下，從改造的成本考慮，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用一步進電動機為驅動裝置的開環(huán)系統(tǒng)為宜。當然，也可以采用以伺服電動機為驅動裝置的半閉環(huán)系統(tǒng)。這主要取決于加工精度的要求。 3.功能部件的選擇。 這主要是滾珠絲桿及其支承方式的選擇、電動回轉刀架的選擇等等。 4.結構設計與電氣設計。 這主要是縱向進給傳動系統(tǒng)、橫向進給傳動系統(tǒng)的設計和機床導軌的維護，一般采用貼塑導軌以減小摩擦力。機床電氣設計包括機床原理圖設計和PLC梯形設計等等。 在上述方案的基礎上，若條件允許，可以進一步對普通車床的主傳動系統(tǒng)進行改造，以實現(xiàn)車床主傳動系統(tǒng)的自動調速與控制，使加工過程實現(xiàn)全自動化。 三、參數(shù)設計 將C6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床有自動回轉刀架，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率：縱向：0.01mm橫向：0.005mm。設計參數(shù)如下： 1. 最大加工直徑： 630mm 2. 最大加工長度： 1400mm 3. 快進速度：縱向2.0m/min，橫向1.0m/min 4. 最大切削進給速度：縱向0.5m/min，橫向0.25m/min 5. 溜板及刀架重力：縱向1500N ，橫向1000N 6. 主電動機功率：12.5Kw 7. 空載啟動時間：35ms 8. 定位精度：0.015mm 四、實施方案 進給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架、進給箱、溜板箱、刀架等。現(xiàn)擬定一下改造方案。 1.掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主傳軸處安裝光電脈沖編碼器。 2.進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電動機與齒輪減速箱總成。絲桿、光桿和操縱桿拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠。滾珠絲杠的另一端支承安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位。 3.溜板箱部分：全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠的螺母座，絲桿螺母固定在其上，在該處還可以安裝部分操縱按鈕。 4.橫溜板部分：將原橫溜板中的滾珠絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副，橫向進給步進電動機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 5.刀架部分：拆除原刀架，在該處安裝自動回轉四方刀架總成。 五、橫向進給傳動鏈的設計計算 1. 主切削力及其切削分力計算 （1） 計算主切削力 用經(jīng)驗公式計算主切削力 對于車床的主切削力 縱切： Fz =0.67Dmax1.5 (N) Dmax——車床床身上加工最大直徑(mm) Fz =0.67×(630)1.5 =10595(N) (2) 計算各切削分力。 按比例分別求出分力Fx和Fy 由 Fz:Fx:Fy＝1:0.25:0.4 Fx——走刀方向的切削力(N) Fy——垂直走刀方向的切削力(N) 得：Fx =0.25 Fz Fy =0.4 Fz =0.25×10595 =0.4×10595 =2649(N) =4328(N) 2. 導軌的摩擦力的計算 （1） 由式(2-8a)計算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦力。此時，導軌受到的垂向切削分力，橫向切削分力，移動部件的全部質量（包括機床夾具和工件的質量）W=1000N，查表2-3得鑲條緊固力則 =0.15(1000+2688+10595+2649)N =2540N （2） 按式計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力。 3.計算滾珠絲螺母副的軸向負載力 （1） 按式計算最大軸向負載力。 H （2） 按式計算最小軸向負載力。 4.確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù) 取步進電動機的不距角=滾珠絲杠的基本導程，進給傳動當量=0.005MM/脈沖，則由式得 按最小慣量條件，從圖查的該減速器應該采用2級傳動，傳動比可以分別取。根據(jù)結構需要，確定各傳動齒輪的齒數(shù)分別為，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。 5.滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 （1）按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷 已知數(shù)控機床的預期工作時間Lh=15000h，滾珠絲杠的當量載荷，查表得，載荷系數(shù)fw=1.3；查表可得初步選擇滾珠絲杠的精度等級為2級精度，去精度系數(shù)=1；查表得可靠性系數(shù)=1.取滾珠絲杠的當量轉速，滾珠絲杠的基本導程Lo=8mm，則 （2）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 ① 根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最多軸向變形。 已知本車床橫向進給系統(tǒng)的定位精度為，則由式得 · 取上述計算結果的較小值，即=3 ② 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 · 滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定.一端游動支撐方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支撐之間的距離為 · L=行程+安全行程+2X余程+螺母長度+支撐長度 · =（1.2~1.4）行程+（25~30） · L=1.4X行程+30 =（）mm=681mm 由式得 （3）初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)以上計算所得的和結構的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為FFZD5008--5，其公稱直徑基本導程,額定動載荷Ca和螺紋底徑如下: 故滿足要求。 六、滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑由圖可知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度=313mm，絲杠水平安裝時，取=1/3，查表得=2，則由式的 本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲桿螺母副的軸向最大壓縮載荷=6868N，遠小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 2. 滾珠絲桿螺母副的臨界轉速的校驗 由圖4-5滾珠絲桿螺母副的臨界轉速的計算長度=337mm.其彈性模量E=2.1xMPa,密度,重力加速度g=9.8xmm/ 滾珠絲桿的最小慣性矩為 滾珠絲桿的最小截面積為 取K1=0.8，由表2-44得=3.927，則由式（2-36）得 =153323 r/min 本橫向進給傳動鏈的滾珠絲桿螺母副的最高轉速31.25r/min，遠小于其臨界轉速，故滿足要求 3. 滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 查附錄A表A-3得滾珠絲桿的額定動載荷Ca=34700N，已知其橫向載荷==6868N，滾珠絲桿的轉速n==31.25 r/min ,運動條件系數(shù)，則由式2-37 式2-38 得 本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲桿螺母副的工作總壽命=39787h>=15000h，故滿足要求 七、計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 1. 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 （1）計算滾珠絲桿的拉壓剛度Ks 本機床橫向進給傳動鏈的絲桿為一端固定、一端游動。絲桿的拉壓剛度Ka 可按（2-42）計算已知滾珠絲桿的彈性模量E=2.1xMPa,其底徑d2=44.9mm.當其螺母中心至固定端支撐中心的距離a=Ly=313mm時，其螺母副具有最小拉壓剛度Ksmin，根據(jù)式（2-43a）得 當a=Lj=113mm時，其螺母副具有最大拉壓剛度Ksmax, 根據(jù)式（2-43b得 （2）計算滾珠絲桿螺母副支撐軸承的剛度. 已知滾動體直徑=5.953mm,滾動體個數(shù)Z=15，軸承的最大軸向工作載荷==6868N,則由表2-46得 (3) 計算滾珠與滾道的接觸剛度 K=2069N/，滾珠絲桿的額定動載荷=34700N，滾珠絲桿所承受的最大軸向載荷=6868N，則由式（2-46b）得 （4）計算進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度Ko 根據(jù)式（2-47a）得進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故Kmax=512.8 N/ 根據(jù)式（2-47b）得進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小為 故Kmin=392.2 N/ 2.計算滾珠絲桿螺母副的扭矩剛度 由圖4-5得扭矩作用點之間的距離L2=387mm，已知滾珠絲桿的剪切模量G=8.1xMpa,滾珠桿的底徑mm,則由式（2-48） 八、驅動電動機的選型與計算 1.計算折算到電動機軸上的負載慣量 （1）計算滾珠絲杠的轉動慣量。 已知滾珠絲杠的密度kg/c，則由式（2-63）得 =L ； =0.78（2.+2.+2.）kgc =1.38 kgc （2）計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉動慣量。 已知機床橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件（既橫向溜板及刀架）的總質量m=102.04kg ；絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.8cm ，則由式（2-65）得 =m=102.04 kgc=1.7 kgc （3）計算各齒輪的轉動慣量 ==0.78 kgc=0.4 kgc =0.78 kgc=6.4 kgc =0.78 kgc=32.3 kgc （4）由式（2-66）計算加在電動機軸上總負載轉動慣量 =+(+)+(++) = kgc =3.08 kgc 2．計算折算到電動機軸上的負載力矩 （1）計算折算到電動機軸上的切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力矩=6868N，死杠每轉一圈，機床執(zhí)行部件軸向移動的距離L=8mm=0.008m ，進給傳動系統(tǒng)的傳動比i=6 ，進給傳動系統(tǒng)的總傳動效率，則由式（2-54）得 = Nm=1.72 Nm （2）計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力（既空載時的導軌摩擦力）=553.2N，則由式（2-55）得 （3）計算由滾珠絲杠預緊力產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩 。 已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預緊力為 = 則由式（2-56）得 =(1—)= Nm=0.067 Nm （4）折算到電動機軸上的負載力矩T 的計算。 1> 空載時（快進力矩），由式(2-57a)得 2>切削時（工進力矩），由式（2-57b）得 3．計算折算到電動機軸上的加速力矩 根據(jù)以上計算結果和表A-5，初選130BF001型反應式步進動機，其轉動慣量,而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量 kgc；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間S 。當機床執(zhí)行部件以最快速度V=1000 mm/min運動時電動機的最高轉速為 r/min=833r/min 由式（2-59）得 ==7.68N 4．計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 （1）按式（2-61）計算空載啟動力矩 =+()=7.89N (2）按式（2-57a）計算快進力矩 （3）按式（2-57b）計算工進力矩 5，選擇驅動電機的型號 （2） 選擇驅動電機的型號。 根據(jù)以上計算和表A-5，選擇國產(chǎn)130BF001型反應式步進電動機為驅動電動機，其主要技術參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，0.75/1.5；最大靜轉矩，9.31Nm；轉動慣量，4.6kg*；最高空載啟動頻率，3000Hz；運行頻率，16000Hz；分配方式，五相五拍；質量，92Kg。 （3） 確定最大靜轉矩。 由表2—48給出的機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 的關系可得 0.951 機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩 取。 本電動機的最大靜轉矩為9.31Nm，大于Ts=8.3Nm，可以在規(guī)定的時間里正常啟動，故滿足要求。 （4） 驗算慣量匹配。 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量與伺服電動機的轉動慣量Jm之比一般應滿足式，即 0.25 因為 ，故滿足慣量匹配要求。 九、機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 (1) 計算絲杠—工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率。 滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質量和滾珠絲杠螺母副的質量分別為m， 102Kg ,則 計算扭轉震動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到計算軸上的系統(tǒng)總轉動慣量為 已知滾珠絲杠的扭轉剛度 由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 =1954 扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率=4662 都比較高。一般按=300 的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 十、機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 1.計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)Δ 已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值=392.2× N/mm導軌的靜摩擦力520N. Δ=2×=3.76 mm 故滿足要求。 2.計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 3.計算滾珠絲杠因扭轉變形產(chǎn)生的誤差 （1） 計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量θ 已知負載力矩T==207N.mm 由圖4-5得扭矩作用點之間的距離絲杠底徑 θ=7.21 （2）由該扭轉變形量θ引起的軸向移動滯后量 將影響工作臺的定位精度，由式（2—50）得 十一、確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 1.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級. 本進給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng),應滿足下列要求: 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為2級，查表2—20得 當螺紋長度為315mm時查表2—21得，， ，，故滿足設計要求。 2.確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD5008-5-P2/585*400，其具體參數(shù)如下：公稱直徑與導程：50mm，8mm；螺紋長度：400mm；絲杠長度：585mm；類型與精度：P類2級精度。 十二、設計總結 在三個星期的時間里，經(jīng)過我們小組的共同努力，終于完成了CA6140普通車床微機數(shù)控改造設計。我們小組的主要任務是機床縱向進給的改造，其要求是按照機床給出的技術參數(shù)完成其縱向改造。在設計過程中，一方面要求設計機械系統(tǒng)時，選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機械系統(tǒng)參數(shù)；同時也要求設計控制系統(tǒng)時，根據(jù)機械系統(tǒng)的故有結構參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)。綜合應用機械技術和微電子技術，使二者密切結合、互相協(xié)調、相互補充，充分體現(xiàn)機電一體化的優(yōu)越性。 設計機床的主要功能是數(shù)字控制機床的自動加工進給及完成退刀程序的完全自動化。其設計主要是按要求完成電路設計，電器元件的選用及其結構設計和控制功能的程序設計。 在改造完成的數(shù)控機床其使用價值是加工過程是自動化，它可以節(jié)省勞動力，提高加工精度，從而提高勞動的效率，提高工廠企業(yè)的經(jīng)濟效益。它的主要特色是起用微電子元件對機床加工的控制。 在設計的過程中，我深刻地體會到機電一體化系統(tǒng)的設計，是多學科的交叉與綜合，涉及了大學課程里的大部分知識，是對過去所學知識的一次復習、鞏固和實際的操作，強化訓練了我們的學科融合的思維能力，進一步加強了我們對機電一體化系統(tǒng)設計技術總體思想，初步了解到了設計一個機電一體化系統(tǒng)的方法，培養(yǎng)了一個機電工程師應具備的思維能力。在設計中我學到了很多從書本上無法體會的東西。學習實踐技能得到明顯的提高，使自己的綜合能力得到進一步的提高，從而為自己畢業(yè)后更快地適應社會工作打下良好的基礎。但我們還需要在實踐中不斷的學習，提高，掌握新概念、新技術、將來才能成為機電一體化的復合人才。