畢業(yè)設(shè)計-X5032立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造

- 27 -引言數(shù)控機床對進(jìn)給傳動系統(tǒng)的要求：數(shù)控機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)承擔(dān)了數(shù)控機床各直線坐標(biāo)軸、回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給。無論是點位控制、直線控制還是輪廓控制，進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工件的最后輪廓精度和加工精度。為此，對進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動裝置和元件要求具有長壽命、高剛度、無傳動間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點，如導(dǎo)軌必須摩擦力比較小、耐磨性要高，通常采用滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等。為了提高轉(zhuǎn)換效率，保證運動精度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)運動被轉(zhuǎn)化為直線運動時，廣泛應(yīng)用滾珠絲杠螺母副。為了提高位移精度，減少傳動誤差，對采用的各種機械部件首先保證它們的加工精度，其次采用合理的預(yù)緊來消除軸向傳動間隙。雖在進(jìn)給傳動系統(tǒng)中采用各種措施消除間隙，但仍然可能留有微量間隙。此外由于受力而產(chǎn)生彈性變形，也會有間隙，所以在進(jìn)給系統(tǒng)反方向運動時仍由數(shù)控裝置發(fā)出脈沖指令進(jìn)行自動補償。數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新； 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造.一 、總體方案的確定1.1 設(shè)計的基本參數(shù)：原始數(shù)據(jù)：工作臺寬：320mm;工作臺及床鞍重量：縱向 800N 橫向 1200N;工作臺快移速度：縱向 2m/min 橫向 1m/min;最大快進(jìn)速度：縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min;主電機功率：2.2kw；轉(zhuǎn)速：1450rpm工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速：265rpm 走刀速度：55m/min刀具直徑：35mm銑削寬度：7mm 銑削深度：32mm最小分辨率：縱、橫向0.01mm其余數(shù)據(jù)按實際情況確定1.2 設(shè)計內(nèi)容：（1）總體方案確定及可行性論證。（2）進(jìn)給系統(tǒng)機械部分改裝設(shè)計，繪制改裝后一個坐標(biāo)軸的機械傳動機構(gòu)的裝配圖及指定零件圖（A0圖紙兩張、A3圖紙一張）。（3）編寫設(shè)計說明書一份（8千字左右）。（4）進(jìn)給系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機驅(qū)動。（5）設(shè)計計算、圖紙、零件程序應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。1.3 設(shè)計要求:總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式，伺服系統(tǒng)的類型，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。銑床數(shù)控化改裝設(shè)計后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機開環(huán)控制系統(tǒng)。為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用磨擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。設(shè)計參數(shù)包括銑床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)，采用X5032升降臺萬能銑床進(jìn)行數(shù)控化改裝。原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量，以降低成本，縮短改造周期。機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試、拆卸方便；需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。1.4 選擇脈沖當(dāng)量根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，X向：0.01mm/步，Y向：0.01mm/步（半徑）1.5 計算銑削力Fc： （1.1）根據(jù)機床手冊式中Cf系數(shù)見表7.1-28Cf=68 e銑削接觸弧深（寬度）e =8.5 f每齒進(jìn)給量（切厚）f =0.1 do銑刀直徑do =35 p銑削深度p =32 z銑刀齒數(shù)z=33613N因此最大水平拖力1500kg（以下按15KN）計，可以滿足最大切削力要求。二 滾珠絲桿螺母副的計算和選型2.1 X向（縱向）進(jìn)給絲桿2.1.1計算進(jìn)給牽引力：X向（縱向）進(jìn)給為燕尾型導(dǎo)軌則 （2.1）式中 Fx、Fy、Fz一切削分力（N）G移動部件重量G=2000N導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) =0.2K考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)K=1.4對圓柱銑刀加工，各切削分力有,取中間值,，則 2.2）而插補平面內(nèi)合力 （2.3）在一周的切削過程中取平均切削力為 （2.4）2.1.2 計算最大動負(fù)載C選用滾珠絲桿副的直徑do時，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲桿在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕的現(xiàn)象，這個軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲桿能承受的最大動負(fù)載C，可用下式計算： （2.5）式中 L壽命,以106轉(zhuǎn)為一單位 （2.6）n絲桿轉(zhuǎn)速，（/min），用下式計算 （2.7）Vs最大切削條件下的進(jìn)給速度（m/min）Vs =0.40.6m/min,取Vs =0.5m/minL0絲桿導(dǎo)程（mm）,L0=6mmT使用壽命（h），對于數(shù)控機床T=15000h運用系數(shù)見表4-12取=1.22.1.3 滾珠絲桿螺母副的選擇可采用W1L4000外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，2.5圈1列，其額定動負(fù)載24800N，精度等級按4-5選為3級。2.1.4 傳動效率計算 （2.8）式中：螺旋升角,磨擦角取10滾動磨擦系數(shù)0.0030.0042.1.5 剛度計算圖2.1 縱向計算進(jìn)給簡圖如圖2.1所示縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式，最大牽引力為4482N，支承間距L=1250mm，計算如下：(1) 絲桿的拉伸或壓縮變形量1 （2.9） 在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm） 工作負(fù)載 滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）E 材料彈性模數(shù)，鋼E=20.6104（N/mm2）A 滾珠絲杠橫截面積（按內(nèi)徑確定）mm2“+” 用于拉伸，“-” 用于壓縮 （2.10） （2.11） （2.12）R=0.52 =4.763故R=0.524.763=2.48=35+20.0056-22.48=30.05mm= （2.13）由于采用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量1（mm）為=1/4=1/43.835=0.958mm （2.14）(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形W系列1列3.5圈滾珠和螺紋滾道的接觸變形量Q=6.4m固進(jìn)行了預(yù)緊拉伸，故其拉壓剛度可以提高2倍。其實際變形量：=1/2Q=3.2m （2.15）(3) 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形3采用8107推力球軸承d1=30，滾體直徑d0=6.35mm，滾體數(shù)量Z=18 （2.16）注意此公式中Fm單位為kgf因施加預(yù)緊力，故3=1/2c=1/20.01104=0.00552mm （2.17）綜合以上計算：=+=0.00783+0.0032+0.00552=0.01655定位精度故要采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力=3945N=L=2和3不變=1+2+3=0.00333+0.0032+0.00558=0.01211定位精度2.1.6 穩(wěn)定性校核計算臨界負(fù)載（N） （2.18）式中：E 材料彈性模量，鋼：E=；I 截面慣性矩（）絲杠：I=，為絲杠內(nèi)徑；L 絲杠兩支承端距離（cm） 絲杠支承方式系數(shù)，從表4-13中查出，一端固定，一端簡支=2 （2.19）=2.54故此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。2.2 Y向（橫向）進(jìn)給絲桿2.2.1 計算進(jìn)給牽引力綜合型導(dǎo)軌的牽引力為:其中=0.16, =5171N, = =2718N=1.152718+0.16(5171+3800)=4561N2.2.2 計算最大動負(fù)載C2.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型可采用W1L4508外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列3.5圈，其額定動負(fù)載為27700N, 精度選為3級2.2.4 傳動效率計算=0.951=95.1%2.2.5 剛度驗算圖2.1 橫向計算進(jìn)給簡圖如圖2.2所示縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式，最大牽引力為4653N，支承間距L=1000mm，計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量1 故 R=0.524.763=2.477e=(2.477-)sin=0.0048=35+20.0048-22.477=37.06A=(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形W系列1列3.5圈滾珠和螺紋滾道的接觸變形量Q=8.2m固進(jìn)行了預(yù)緊拉伸，故其拉壓剛度可以提高2倍。其實際變形量：2=1/2Q=4.1m (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形采用推力球軸承8108：D=40mm,滾動體直徑， 滾動體數(shù)量z=18=0.0024=0.0024=0.0013=0.0013=0.0007=0.005+0.0041+0.0007=0.0098=2.54此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。三 齒輪傳動比計算3.1 縱向進(jìn)給齒輪傳動比計算 （3.1）式中p脈沖當(dāng)量p=0.01mm/stepLo滾珠絲桿導(dǎo)程 Lo=6mm步進(jìn)電機步距角0.753.2 橫向進(jìn)給齒輪傳動比計算已知p=0.01 L0=5=0.75模數(shù)m取2，有關(guān)齒輪的參數(shù)如下表3.1所示：表3.1 齒輪傳動比參數(shù)(mm)齒數(shù)32402425分度圓d=mz64804850齒頂圓Da=d+2m68845254齒根圓Df=d-21.2559754335齒寬(610)m20202020中心距A=(d1+d2)/27249四 步進(jìn)電機的計算和選型4.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機計算4.1.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 （4.1）式中 Jm步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）； J2、J1齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）；Js滾球絲轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）。參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機150BF，其轉(zhuǎn)孖轉(zhuǎn)慣量Jm=10（kgcm2）。J1=0.7810-3=0.7810-36.442=2.62kgcm2J2=0.7810-3=0.7810-3842=6.39kgcm2Js=0.7810-354125=60.938kgcm2G=2000N代入上式 考慮步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題?；緷M足慣量匹配的要求。4.1.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：（1）快速空載起動力矩M起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：M起=Mamax+Mf+Mo （4.2） （4.3） （4.4）將數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。起動加速時間t=30ms （4.5） =992.62Ncm折算到電機軸的磨擦力矩Mf： （4.6） 附加磨擦力矩M0： （4.6） 上述三項合計：M起=Mamax+Mf+Mo =992.62+99.76+40.90=1133.28Ncm（2）快速移動時所需力矩M快M快=Mf+M0 （4.7）=99.76+40.90=140.66Ncm（3）最大切削負(fù)載時所需力矩M切 （4.8）從上面計算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進(jìn)電機的依據(jù)。當(dāng)步進(jìn)電機為五相十拍時最大靜力矩按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表4-23查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72Nm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。4.1.3 計算步進(jìn)電機空載載起動頻率和切削時的工作步頻率 （4.9）150BF002型步進(jìn)電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz，運行頻率為8000Hz， 150BF002步進(jìn)電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖4.1所示。從圖4.1a看出，當(dāng)步進(jìn)電機起動時，時，M=100Ncm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（1138.28Ncm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動力矩可增加到588.4Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進(jìn)電機輸出力矩擴大一倍左右。 起動矩頻特性 運行矩頻特性 a b圖4.1150BF002型步進(jìn)電機矩頻特性當(dāng)快速運動和切削進(jìn)給時，150BF002型步進(jìn)電機運行矩頻特性（圖4.1）完全可以滿足要求。4.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機計算和選型4.2.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 （4.10）式中： 步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（）,初選反應(yīng)式步進(jìn)電機150BF，=10、齒輪、 的轉(zhuǎn)動慣量（） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（）考慮步進(jìn)電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題基本滿足慣量匹配的要求4.2.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：（1）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，具體如下：起動加速時間折算到電機軸上的摩擦力矩：附加摩擦力矩： 滾珠絲杠副未預(yù)緊時傳動效率上述三項合計：（2） 快速移動時所需力矩：（3） 最大切削負(fù)載時所需力矩：從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此作為初選步進(jìn)電機的依據(jù)：當(dāng)步進(jìn)電機為三相六拍時：最大靜力矩150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。4.2.3 計算步進(jìn)電機空載起動頻率和切削時的工作頻率綜合考慮，查表選用150BF002型直流步進(jìn)電機，能滿足使用要求。六 結(jié)論本課題的目的通過對X5032立式銑床的進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造來了解并掌握普通銑床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造，改造后的銑床基本上達(dá)到了設(shè)計的要求，提高了機床的縱向和橫向的精度，使分辨率達(dá)到了0.01mm，并能夠進(jìn)行特殊的零件加工和復(fù)雜的零件加工。提高加工效率，加工的零件精度變高，降低操作人員的勞動強度。 在做畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，針對這個課題，我查閱了大量資料，制定出了改造方案，按照老師的總體進(jìn)程安排，最后準(zhǔn)時的完成本次設(shè)計。在這次設(shè)計中碰到了種種困難，比如剛開始有些參考書籍不容易借到、再來是進(jìn)程安排的探索，怎樣的進(jìn)程安排才能及時的完成設(shè)計等等。在這次的設(shè)計中我學(xué)到了很多東西，我尤其感覺到細(xì)心的重要性，很多事都是由一件件小事組成，這就需要比較細(xì)心的去做事才能做好。由于知識、經(jīng)驗不足，在某些地方可能有些錯誤，希望各位老師能見諒。畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)的最后一門課程，我深感榮幸能夠遇到王仁德副教授如此負(fù)責(zé)認(rèn)真的老師來指導(dǎo)我完成這最后一課，為我的大學(xué)生活劃上一個完滿的句號。畢業(yè)設(shè)計期間，王老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度對我們的設(shè)計進(jìn)行嚴(yán)格的要求，以其淵博的知識為我們的設(shè)計解難釋疑，以其平易近人的態(tài)度來指導(dǎo)我們。從王老師那里我們學(xué)會如何設(shè)計，更學(xué)會了一絲不茍的學(xué)習(xí)精神，他的那種工作態(tài)度使我終身受益。在此，我對王老師的指導(dǎo)幫助表示非常的感謝，感謝王老師帶領(lǐng)我接觸學(xué)習(xí)了數(shù)控機床改造的設(shè)計，在我的腦海中形成了一種設(shè)計的思維。拓寬了我的知識面，也為我日后的工作學(xué)習(xí)提供了一個新的平臺新的