機械畢業(yè)設(shè)計論文—普通車床的數(shù)控化改造

畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 1 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 題目：普通車床的數(shù)控化改造 專 業(yè)： 機械制造及其自動化 學(xué) 號： 班 級 ： 姓 名： 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 2 普通車床的數(shù)控化改造 目 錄 一 、問題的提出 4 二 、機床數(shù)控改造的意義 4 2.1 節(jié)省資金 4 2.2 性能穩(wěn)定可靠 4 2.3 提高生產(chǎn)效率 4 三 、設(shè)計任務(wù)與總體方案的確定 5 3.1、改造方案的確定 5 3.2、車床的改造確定的總體改造方案 5 3.3、機械部分改造的設(shè)計 6 3.4、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 8 3.5、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 13 四 、步進電動機選擇 19 五 、總結(jié) 20 六 、致謝詞 21 七、參考文獻 22 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 3 摘 要 本設(shè)計說明書包括：概論、總體設(shè)計方案的擬定和驗證、主傳動部分的改造設(shè)計、伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇設(shè)計。改造后的機車，主運動實現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控控制，并要求達到縱向最小運動單位為 0.01 /脈沖，橫向最小運動單位 0.005 /脈沖，刀架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動切削螺紋。 關(guān)鍵字 ： 數(shù)控改造 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 4 一、 問 題的提出 數(shù)控機床 作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床 價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。 二 、 改造的意義 2.1 節(jié)省資金 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購買新機床 60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。 2.2 性能穩(wěn)定可靠 因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 2.3 提高生產(chǎn)效率 機床經(jīng)改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 至 5 倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 5 三 、 設(shè)計 任務(wù)與總體方案確定 3.1 改造 方案的確定 （ 1） 設(shè)計任務(wù)書 C616 普通車床數(shù)控化改造，利用微機對縱向、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為 0.005/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用四工位電動自動轉(zhuǎn)位刀架。 C616 車床 主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機床應(yīng)完成的工作內(nèi) 容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С?。這些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。 由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造，所以在考慮 具體方案 時，基本原則在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。 3.2 車床的改造確定的總體改造方案： 對機床的改造部位是：拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進給箱、溜板箱，換上滾 珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用； 數(shù)控系統(tǒng)選用江蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的 NIM-9702 數(shù)控系統(tǒng)； 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本。 總體改造如圖 1 所示 : 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 6 圖 1 C616 車床 總體改造圖 3.3 機械部分 改造的 設(shè) 擠 1.縱向進給機構(gòu)的改造 縱向進給運動是由伺服電動機通過安全離合器直接驅(qū)動有預(yù)加載荷的滾珠絲杠，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)槭至锇宓目v向（ Z 向）運動 . 縱向的改造： 拆除原機床的進給箱，利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝 齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛性略優(yōu)于以前。 2.縱向進給 系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造，一般是步進電動機經(jīng)減速后驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進電動機的布局 可放畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 7 置在絲杠的一端，對車床改造來說，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計要求那麼高，而從改造方便實用方便來考慮。一般都把步進電動機方在縱向滾珠絲杠的右端如 下 圖： 3.4 縱向進給系12 縱向結(jié)構(gòu)圖1-滾珠絲杠副 2-步進電動機畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 8 統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件是 工作臺重力： W=800N 時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L 6mm 脈沖當(dāng)量： 0.01mm/step 步距角： 0.75 /step 快速進給速度 ： V 2m/min 1. 切削力的計算：由機床設(shè)計手冊可知切削功率 Nc=N K 式中 N-電動機功率，查機床說明書， N=4Kw 主傳動總效率，一般為 0.6 0.7，取 0.65 K-進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96 則 Nc=(4X0.65X0.96)KW 又因為 Nc=Fzv/6120 Fz=6120Nc/V. 式中 V-切削線速度，取 V=100m/min.主切削力為 Fz=(6120X2.496/100)kgf=152.76kgf=1527.6N 由金屬切削原理可知，主切削力 Fz=CFz pfyFzKpz 查表得 CFz 188kgf/mm2=1880MPa XFz=1 yFz=0.75 Kpz=1 則可計算 Fz 1520N 時，切削深度 ap 2mm，進給 f 0.3mm，以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù)。 從機床設(shè)計手冊中可知，在一般外圓的車削時 ap/mm 2 2 2 3 3 3 f/mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 Fz/mm 1125 1524 1891 1687 2287 2837 Fx=(0.1-0.6)Fz Fz=(0.150.7)Fz 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 9 取 Fx=0.5Fz=(0.5X1527.6)N=763.8N Fy=0.6Fz=(0.6X1527.6)N=916.5N 2. 滾珠絲杠設(shè)計計算 .綜合導(dǎo)軌車床絲杠的 軸向力 P=KFx+f(Fz+W) 式中 K=1.15,f=0.150.18, 取為 0.16 P=1.15X763.8+0.16X(1527.6+800) =1250.8N 強度計算 壽命值 L1=60n1Ti/106 n1=n 主 f/L0 =1000vf/3.14DL0 取工件直徑 D=80mm,查表得 T1=15000h. 則 n1=1000X100X0.3/3.14X80X6=20r/min Li=60X20X15000/106 =18 最大動負(fù)載 Q=L1/3PfwfH 查表得運轉(zhuǎn)系數(shù) fw=1.2 硬度系數(shù) fH=1 則 Q=181/3X1.2X1X1250.8=3933.6N 根據(jù)最大動負(fù)荷 Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠 絲杠可以參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品樣本選取用于數(shù)控改造滾珠絲杠副FFZL3206LH-3，其額定動載荷是 10689N，所以強度足夠用。 效率計算：根據(jù)機械原理的公式。絲杠螺母的傳動效率， 為 tan/tan(+) 式中 摩擦角 =10, 螺旋升角 =325. =tan325/tan(325+10)=0.953 剛度驗算：滾珠絲杠受工作 負(fù)載 P引起的導(dǎo)程的變化量 L1= PL0/EF 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 10 式中： L0=6mm=0.6cm； E=20.6X166N cm2。 滾珠絲杠截面積 F=3.14X(d/2)=(2.8031)2X3 14mm2 則 L1 = PL0/EF= (1250.8X0.6/20.6X106X(2.8031/2)2X3.14) = 5.9X10-6cm 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L2很小，可忽略，即： L1.所以導(dǎo)程變形總誤差厶為 = LX100/L0=(100/0.6X5.9X10-6)=9.8 m/m 查表知 E級精度絲杠允許的螺距誤差 (1m長 )為 15 m/m，故剛度足夠。 穩(wěn)定性驗算：由于機床原絲杠直徑聲 30mm，現(xiàn)選用的滾珠絲杠 直徑為聲 32mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題。 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算。有關(guān)齒輪計算：傳動比為 i= L0/360 p=0.75X6/360X0.01=1.25 故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=20mm =20 d1=mz=2X32mm=64mm d2=mz2=2X40mm=80mm da1= d1+2ha=68 mm da2= d2+2ha=84 mm a= (d1+d2)/2=(64+80)/2=72 mm 轉(zhuǎn)動慣量計算：工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 11 J1=(180p/3.14 )2W=(180X0.01/3.14X0.75)2X80=0.468kg.cm2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 JS=7.8X10-4D4 L1=7.8X10-4X3.24X140.3=11.475 kg.cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J21=7.8X10-4X6.44 X2=2.617 kg.cm2 J22=7.8X10-4X84 X2=6.39 kg.cm2 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此 ,總的轉(zhuǎn)動慣量 : J=1/i2(JS+ J22)+ J21+ J1 =1/1.252（ 11.475+6.39） +2.617+0.463 14.519 kg.cm2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算：快速空載起動時所需力矩 M Mamax+Mf+M0 最大切削負(fù)載時所需力矩 M Matf+ Mf+M0+Mi 快速進給時所需力矩 M Mf+M0 式中 Mamax一 空載起動時折算到電動機軸上的加速度力矩； Mf 折算到電動機軸上的摩擦力矩； M。 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機軸上的附加摩擦力矩； Mat 切削時折算到電動機軸上的加速度力矩； Mi 折算到電動機軸上的切削負(fù)載力矩。 Ma=10-4Jn/9.6T 當(dāng) n=nmax時， Mamax=Ma。 nmax=vmaxi/ L。 =200X1.25/6 =416.7r/min 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 12 Mamax=14.519X416.7X10-4/9.6X0.025 =2.52N.m ni=n0if1/ L=1000X100X0.3X1.25/3.14X80X6=24.88r/min Mat=14.519X24.88X10-4/2X3.14X0.8X1.25=0.1505N.m Mf= F0 L0/2X3.14X 2=fW L。 /2X3.14X i 當(dāng) =0.8 f=0.16 則 Mf=0.16X80X0.6/2X3.14X0.8X1.25=12.23 N.cm M0= P0 L0（ 1- 02） /2X3.14X i 當(dāng) 0=0.9 時，預(yù)加載荷 P0=FX/3，則 M0= FX L0（ 1- 02） /6.X3.14X i =76.38X0.6X（ 1-0.92） /6X3.14X0.8X1.25 =4.62 N.cm Mi=Fx L0/2X3.14X 2 =76.38X0.6/2X3.14X0.8X1.25 =72.97 N.cm 所以，快速空載起動所需力矩 M Mamax+ Mf+M0 =（ 25.72+1.223+0.462） =274.05 N.cm 切削時所需力矩 M Mat+ Mf+M0+Mi =（ 1.536+1.223+0.462+7.297） =105.18 N.cm 快速進給時所需力矩 M Mf+M0 =（ 1.223+0.462） =16.85 N.cm 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 13 由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速起動時 Mmax=274.05 N.cm 3.5 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 1.橫向進給運動是由伺服電動機 帶輪齒數(shù)均為 24 的同步帶傳動 通過安全離合器直接驅(qū)動有預(yù)加載荷的滾珠絲杠，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)?十字溜板的橫向（ X 向）運動 。 2.橫向進給機構(gòu)改造 保留原手動機構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，步進電機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)。 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進 電機安裝在床鞍上，用法蘭盤或聯(lián)接套將步進電動機的機床床鞍聯(lián)接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度 3 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算。由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，所用到的公式不再詳細(xì)說明，只計算結(jié)果。 已知條件是 工作臺重： W=300N 時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=4mm左旋 行程： S=190mm 脈沖當(dāng)量： P=0.005mm/step 步距角： 0.75 /step 快速進給速度： Vmax 1m/min 切削力計算。橫向進給量為縱向的 1/21/3，取 1/2，則切削力約為縱向的1/2。 Fz=1/2X152.76=763.8N 在切斷工件時 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 14 FY=0.5Fz=0.5X76.38=381.9N 1. 滾珠絲杠設(shè)計計算。強度計算：對于燕尾形導(dǎo)軌 P=KFY+f（ FZ+W） 取 K=1.4 f=0.2 則 P=（ 1.4X38.19+0.2（ 76.38+30） =747.4N 強度計算 壽命值 L1=60n1T1/106 =60X15X15000/106 =13.5 最大動負(fù)載 Q=L1/3PfwfHP= 13.51/3X12X1X74.74=2135.5N 根據(jù)最大動載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠可以參照漢江機床的產(chǎn)品樣本選取 FC1B 系列，滾珠絲杠公稱直徑為 20mm，型號為 FC1B20X4-5-E 左，其額定動負(fù)荷為 5393N, 所以強度足夠用。 效率計算： 螺旋升角 =338. 摩擦角 =10 則傳動效率 tan/tan(+) tan338/ tan(338.+ 10) 0.956 剛度驗算：滾珠絲杠受工作負(fù)載 P引起的 導(dǎo)程變化量 L1=PL0/EF（ 74.74x10x0.4x4/3.14X20.6X106X1.76192） =5.96X10-8cm 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L2很少，可忽略， 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 15 即 L L1 所以，導(dǎo)程變形總誤差為 100L/ L0 5.96x10-6x100/0.4 14.9 m/m 查表知 E級精度絲杠的允許的螺距誤差（ 1m長）為 15 m/m 故剛度足 夠 穩(wěn)定性驗算：由于選用滾 珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支撐方式由原來一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑?，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算。有關(guān)齒輪計算：傳動比為 i=L0/360 p=0.75X4/360X0.005=1.67 故取 Z1=18 Z2=30 m=2mm b=20mm =20 d1=mz=2X18mm=36mm d2=mz2=2X30mm=60mm da1= d1+2ha=40 mm da2= d2+2ha=64 mm a= (d1+d2)/2=(36+60)/2=48 mm 轉(zhuǎn)動慣量計算：工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 16 J1=(180p/3.14)2W =(180X0.005/3.14X0.75)2X80=0.0439kg.cm2 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 JS=7.8X10-4D4 L1=7.8X10-4X24X50=0.624 kg.cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J21=7.8X10-4X3.64 X2=0.262 kg.cm2 J22=7.8X10-4X64 X2=2.022 kg.cm2 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此 ,總的轉(zhuǎn)動慣量 : J=1/i2(JS+ J22)+ J21+ J1 =（ 3/5） 2（ 0.624+2.022） +0.262+0.0439 1.258kg.cm2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算： nmax vmaxi/ L0 1000x5/3/4 46.7 r/min Mama 10-4Jnmax/9.6T 1.258x416.7x10-4/9.6x0.025=0.2184N.m nt=nift/ L0=1000X100X0.15X5/3.14X2X0.8X5=0.028 N.m Mat=1.258X33.17X10-4/9.6X0.025=0.017 N.m Mf= F0 L0/2X3.14Xi=0.2X30X0.4X3/2X3.14X0.8X5 =0.028 N.m M0= FX L0（ 1- 02） /6.X3.14Xni=0.011 N.m Mt= Fr L0/2X3.14X i=38.19X0.4X3/2X3.14X0.8X5 =0.179 N.m 快 速空載起動時所需力矩 M Mamax+Mf+M0 =2.23+0.287+0.116 =26.33 N.m 切削時所需力矩 M Mat+ Mf+M0+Mt 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 17 =0.1774+0.287+0.116+1.824 =24.04 N.m 快速進給時所需力矩 M Mf+M0 =0.287+0.116 =4.03 N.m 從以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時 Mamax=26.33 N.m 縱、橫向進給機構(gòu)都采用了一級 齒輪 減速，并用雙片 齒輪 錯齒法消 除間隙，雙片 齒輪 間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載較大時，彈簧彈力顯得小，起不到自動消除間隙的作用；當(dāng)負(fù)載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速 齒輪 的磨損。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來消除間隙。 刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，換上數(shù)控刀架。 進給傳動鏈為普通車床改造后的進給傳動鏈 ,刀具縱向 (Z軸 )移動由步進電機 ,經(jīng)接口箱內(nèi)一對減速齒輪 ,轉(zhuǎn)動 縱向移動的絲桿而實現(xiàn)。刀具的徑向 (X 軸 )移動由步進電機 ,經(jīng)接口箱內(nèi)一對減 速齒輪 ,轉(zhuǎn)動橫向移動絲桿而實現(xiàn) ,該傳動鏈與原機床的傳動鏈相比 ,擺脫了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的進給箱和拖板箱 縱、橫向 齒輪 箱和絲杠全部加防護罩，以保持防塵和機床整體美觀。改造后的橫向進給系統(tǒng)如圖 2 所示。 畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 18 圖 2 橫向進給系統(tǒng)圖 12 橫向結(jié)構(gòu)圖1-步進電動機 2-滾珠絲杠副畢業(yè)設(shè)計論文 大全： /susuh15 19 四、 步進電動機的選擇 1. C616 縱向進 給系統(tǒng)步進電動機的確定 Mq=M10/0.4=27.405X10/0.4 =685.125 N.m 為滿足最小步距的要求，電動機選用三相六拍工作方式 ，查表 9-4 知：Mq/Mjm=0.866，所以，步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為 Mjm Mq/0.866 685.125/0.866 791.14 N.m 步進電動機最高工作頻率 fmax=Umax/60p=2000/60X0.01=3333.3Hz 綜合考慮 ，查表選用 110BF003 型直流步進電動機，能滿足使用需求 2. C616 橫向進給系統(tǒng)步進 電動機確定 Mq ML0/0.4=2.633X10/0.4=65.825 N.cm 查表 9-4 知； Mq/Mjm=0.866 所以 ，步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm 為 Mjm= Mq/0.866=65.825/0.866=70.01 N.cm 步進電動機最高工作頻率 fmax=Umax/60p=2000/60X0.01=3333.3Hz 為了便于設(shè)計和采購，仍選用 110BF003 型