C6150普通车床数控改造.doc

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C6150普通车床数控改造 第一章 总体方案设计 1-1设计目的： 本设计是针对CA6150普通车床进行数控改造。利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 1-2总体方案确定 根据设计任务，车床的横向、纵向（Z轴）进给运动采用步进电机、减速齿轮、滚珠丝杠副、滑板的传动方式。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。 1-3机械改造设计与计算 机械设计内容包括：滚珠丝杠的设计计算与选用 ，齿轮减速机构的计算与选择，进给系统的步进电动机的计算与选择 第二章 伺服系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用 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，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6150的技术参数中，要求纵向脉冲当量pf为0.01mm/step。横向脉冲当量为 pf=0.005mm/step。 2-2纵向进给系统切削力与滚珠丝杠的设计计算 已知条件 工作台重量：W=80kg=800N 时间常量： T=25ms 行 程： s=950mm 步 距 角： 2=0.75o/step 快速进给速度：Vmax=0.5m/ms 脉冲当量： pf=0.01mm/step（纵向） 1、切削力的计算 由机床设计手册可知，切削功率 Pc=Pk 主电机功率 : p= 5.5 kw 主传动系统总效率：=0.8 进给系统功率系数：K=0.96 Pc=Pk=5.50.80.96=4.224kw 纵车外圆： 计算切削力F Fz——主切削力； V——切削速度； 由Pc=Fz v0.001/60 可知 Fz=1267.2N 按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy =1：0.5：0.6 Fx=0.5Fz=0.51267.2=633.6N Fy =0.6Fz =0.61267.2=760.32N G=800N 2、滚珠丝杠的设计与选择 （1）、计算进给牵引力Fm 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型号有关。 纵向进给的综合导轨 Fm =KFx +f′(Fz +G)=1.15633.6+0.16(1267.2+800)= 1059.392N 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’=0.16； G－溜板几倒架重力：G=800N Fx、Fz—切削分力 FQ=fwfhFp n=vf 1000/DL0 式中 L0－滚珠丝杠导程，初选L0=6mm; T－使用寿命，按15000h； fw－运转系数，按一般运转取fw=1.2～1.5； L-寿命，以106转为1单位 n - 滚珠丝杠的转速 当机床以线速度v=150，进给量f=0.2mm/r，车削直径 D=100mm的外圆时，滚珠丝杠的转速为 n=vf 1000/DL0 =1500.21000/3.146100=15.92r/min = 6015.9215000/1000000=14.33万r 根据工作负载Fp、寿命L计算出滚珠丝杠承受的最大动负荷取 fw=1.5，fh=1 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N （2） 滚珠丝杠杠螺母副的选型 由计算出的C在《现代机床设计手册》中选取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4005-5 已确定得型号：FFZD 公称直径：40，导程：5 螺纹长度1290，丝杠长度1410 P类3级精度 所选规格型号：FFZD4005-3-P3/14101290 （3）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为：η= 式中 —螺旋升角, =339′ --摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003～0.004 将各数据带入上式得：η== （4）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。 因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2-1所示。最大牵引力为2559 N.轴承支撑间距=1500㎜，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。 式中E为弹性模量，钢E=20.610 N/c㎡ S为滚珠丝杠截面积，(按丝杠螺纹底径确定，d1=2.77cm) —代表：+表示拉伸，-表示压缩 滚珠丝杠一米长度上导程变形总误差 3级精度丝杠允许的螺距误差为15um/1m，故刚度足够。 2-3横向进给系统切削力与滚珠丝杠的设计计算 （1）横切端面切削力的计算： 主切削力可取纵切的0.5： =0.5Fz=0.51267.2=633.6N 此时走刀抗力，吃刀抗力。 按照：：=1：0.5：0.6 计算=633.60.5=316.8N； =633.60.6=380.6N （2）横向进给丝杠 1.计算进给牵引力 横向导轨为燕尾形,计算如下: 由前所知：=633.6 =730.32N =1267.2 N = 600 =0.16 得：=1.4+(+2+) =1.4730.32+0.16(1267.2+2633.6+600)2023N ===30 ===27 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N 2-4 齿轮传动比计算 1.纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程=6㎜，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比 ===0.8 可选定齿轮齿数为: ==或 2.横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量=0.005 ,滚珠丝杠导程=6㎜,初选步进电机步距角0.75可计算传动比 ===0.4 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速: === =16、=40、=20、=25 因进给运动齿轮受力不大，模数取2。有关参数如下: 齿数 32 40 16 40 20 25 分度圆 64 80 32 80 40 50 齿顶圆 68 84 36 84 44 54 齿根圆 59 75 27 75 35 45 齿宽 （6~10） 20 20 20 20 20 20 中心距 72 64 45 2-5 步进电机的计算和选型 选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。 一、纵向进给步进电机计算 1.等效转动惯量计算 计算见图2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量（㎏㎝）可由下式计算： =++ 式中 ---步进电机转子转动惯量（㎏㎝）; 、---齿轮、的传动惯量（㎏㎝）; ---滚珠丝杠转动惯量（㎏㎝）。 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，起转子转动惯量=10㎏㎝。 =0.7810=0.78106.42=2.62㎏㎝ =0.7810=0.78*1082=6.39㎏㎝ =0.78104150=29.952㎏㎝ =1000 N 代入上式： =++ =10+2.62+ =36.474㎏㎝ 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 /=10/36.474=0.274 基本满足匹配的要求。 2.电机力矩的计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算： （1） 快速空载起动力矩起 。 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 起 =++ = ==10= 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 ===500 。 起动加速时间 =30 ==36.47410=636.6 N㎝ 折算到电机轴上的摩擦力矩： ====94 N㎝ 附加摩擦力矩： == ==805.30.19=153 N㎝ 上述三项合计：起 =++ =636.6+94+153=881.5 N㎝ （2）快速移动时所需力矩快 快=+=94+153=247 N㎝ （3）最大切削负载时所需力矩切 切=++=++ =94+153+=94+153+127.96=375 N㎝ 从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。 从表中查出，当步进电机为五相十拍时，==0.951。 最大静力矩=881.5/0.951=927 N㎝ 。 按此最大静转距从表查出，型最大静转距为13.72 N㎝ 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。 3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 ===4000 HZ ===1000 HZ 2-6 滚珠丝杠的安装与使用 (1)润滑 为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种 1、润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂； 2、润滑油 润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。 (2)防尘 滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。 (3)使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1、滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 2、滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： 1、丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴 承座与螺母座必须三点成一线。 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 2、滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： 辅助套外径应小于丝杠底径0.1～0.2mm. 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 装入安装孔时要避免撞击和偏心。