C6140數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)設(shè)計

1、?？飘厴I(yè)論文（設(shè)計）題目_C6140數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)設(shè)計_ 學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 機電一體化 年 級 _08級_學(xué) 號 _姓 名 _譚永恒_指 導(dǎo) 教 師 _成 績 _ 年 月 日 目 錄摘 要2第一章 前言3第二章數(shù)控車床設(shè)計概述4第三章 進給伺服系統(tǒng)概述5第四章 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算94.1切削力的計算94.2滾動絲桿的設(shè)計計算94.2.1強度計算94.2.2效率計算104.2.3剛度計算104.2.4穩(wěn)定性計算114.2.5 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算124.2.6傳動慣量的選擇134.2.7所需轉(zhuǎn)動力矩的計算16第五章 步進電機的選擇185.1一步進電機的選用原則185.1.1

2、步距角195.1.2精度205.1.3轉(zhuǎn)矩215.1.4啟動頻率245.2步進電機的選型26總結(jié)與體會28致謝詞29參考文獻30摘 要本課題為設(shè)計一經(jīng)濟型數(shù)控車床。經(jīng)濟型數(shù)控車床就是指價格低廉、操作使用方便、比較適合我國國情的，動化的機床。采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。在設(shè)計的時候具體進行了詳細的各部件的選型和計算。比如：導(dǎo)軌的設(shè)計選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計算。還進行了進給傳動系統(tǒng)的剛度計算、進給傳動系統(tǒng)的誤差分析、驅(qū)動電機的選型計算、驅(qū)動電機與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅(qū)動電機與進給傳動

3、系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等?！娟P(guān)鍵詞】車床、數(shù)控、傳動系統(tǒng)1前言我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6。這些機床中,役齡10年以上的占60以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。

4、所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性：1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）

5、、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。本次設(shè)計的內(nèi)容是機床橫向伺服進給機構(gòu)的理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，并撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。設(shè)計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想、嚴肅認真的科學(xué)態(tài)度，加強團隊合作精神。在設(shè)計分析中，先通過參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理，作用及結(jié)構(gòu)特點。選擇合適的算法，根據(jù)計算結(jié)果查閱手冊，得

6、出相關(guān)的結(jié)構(gòu)或零件。2 數(shù)控車床設(shè)計概述用數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)將加工零件的幾何信息和工藝信息變成加工程序，由輸入部分送入數(shù)控裝置，經(jīng)過數(shù)控裝置的處理、運算，按各坐標(biāo)軸的分量送到各軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大進行伺服電動機的驅(qū)動，帶動各軸運動，并進行反饋控制，使刀具和工件及其他輔助裝置嚴格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)有條件不紊亂地作，從而加工出零件的全部輪廓。數(shù)控機床具有很好的柔性，當(dāng)加工對象變換時，只需重新編制加工程序即可，原來的程序可存儲備用，不必像組合機床那樣需要針對新加工零件重新設(shè)計機床，致使生產(chǎn)準備時間過長。經(jīng)濟型數(shù)控車床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠兩方面來

7、實現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度；二是機床本身的機械傳動精度。數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)，由于必須對進給位移的位置和速度同時實現(xiàn)自動控制。所以，數(shù)控車床與普通臥式車床相比應(yīng)具有有更好的精度以確保機械傳動系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性。數(shù)控改造對機械傳動系統(tǒng)的要求為：（1)盡量采用低摩擦的傳動副。如滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母副，以減小摩擦力。（2)選用最佳的降速比，為達到數(shù)控機床所要求的脈沖當(dāng)量，使運動位移盡可能加速達到跟蹤指今。（3)盡量縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。（4)盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動齒輪間隙的機構(gòu)等。（5)盡景滿足低振動和高可靠性方面的要

8、求。為此應(yīng)選擇間隙小、傳動精度高高、運動平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動元件。 從應(yīng)用的方面考慮，結(jié)合目前國內(nèi)大多數(shù)的情況，可采用更換滾珠絲杠來代替原機床上的T型絲杠。也可對原車床上T型絲杠加以修復(fù)，但此時必須相應(yīng)修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提高配合精度。般說來如原車床的工作性能良好精度尚未降低，則應(yīng)盡量保留機床的傳動系統(tǒng)。使改造后的數(shù)控車床同時具有微機控制和原機床操作的雙重功能。如原車床使用時間較長運動部件磨損嚴重除了對導(dǎo)軌精度進行修復(fù)外還應(yīng)將傳動部件拆除或更換，以確保改造后車床的傳動精度。數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床組成機床本體的各機械部件組成，如圖2.1：

9、電動機的選擇 (1)根據(jù)機械的負載特性和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。(2)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機功率應(yīng)留有余量，負荷率一般取0.80.9。(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護措施，選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式。(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準和對功率因素的要求，確定電動機的電壓等級和類型。(5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機械減速機構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機額定轉(zhuǎn)

10、速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護等等因素。電動機類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準與實際使用需要是緊密相關(guān)的。總的來說，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進行對比、分析。表1.1 理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能項目內(nèi)容高性能低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩高旋轉(zhuǎn)精度高動態(tài)響應(yīng)高加減速,起制動能力具有強魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化高效率,低噪聲低價格低購買價格,低維護價格,低服務(wù)價

11、格通用要求耐用性,可維護性,安全可靠性感應(yīng)電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機床上。第三章 進給系統(tǒng)概述 進給系統(tǒng)的特點是速度低、消耗功率小，而速度越低越易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，一般的倒軌是由于受摩擦力下降的影響，很難滿足高精度的要求，特別是對于數(shù)控而言更不能適應(yīng)精度要求。而滾珠絲杠副基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小幾乎與運動速度完全無關(guān)，這樣就有效的保證了運動的平穩(wěn)性，克服了爬行現(xiàn)象、軸向剛度高、壽命長、維護簡單且具有傳動可逆性并反向精度高等優(yōu)點故而選用滾珠絲杠螺母副傳動。第四章 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算1、經(jīng)濟數(shù)控

12、車床的設(shè)計，采用步進電動驅(qū)動縱向進給，有兩種方案：一種是步進電機驅(qū)動絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機安裝在溜板箱上，驅(qū)動螺母傳動。對于車床的改造而言，采用第一種方案顯然簡單易行。所以步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實用等方面考慮，所以將步進電機放在絲杠的左端。2、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算，已知條件：工作臺重量：W=80kgf=800N時間常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驅(qū) 角： 2=0.75o/step快速進給速度：Vmax=2m/ms脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的計算由機床設(shè)計手冊得公式 No=Nd （公式一）其中 NO

13、 為傳動件的額定功率Nd主電機的額定功率，見使用說明書得：Nd=4.5 kw 從電機到所計算的傳動軸的傳動效率（不含軸承的效率）從電機到傳動軸經(jīng)過皮帶輪和齒輪兩種傳動件傳動，所以=n1×n2 由機床設(shè)計手冊得n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.96×0.99=0.9504 取 =0.95即N=4×0.95=3.8（kw）又因為主傳動系統(tǒng)效率一般為0.60.7 之間，所以取0.65所以NC（進給效率）=3.8×0.65=2.47（kw）由機械加工工藝手冊得Pm= ×9.8 （公式二）式中Vs 切削速度，設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速，工件直徑為中等時，

14、如D=40mm時，取Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N由機床設(shè)計手冊得主切削力FZ=CFzapxfx×fyfz×kfz(經(jīng)驗公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三)對于一般切削情況，切削力中的指數(shù)xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/2=1880MpaF2的計算結(jié)果如下：ap()222333f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)10515241891168122872837為便于計算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2走刀量f=0.3為以下計算以此為依據(jù)。由機械床設(shè)計手冊

15、得，在一般外圓車削時，F(xiàn)x（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.5×1511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.6×1511.7=907.0(N)（2）滾珠絲杠的設(shè)計計算由經(jīng)濟型數(shù)控機床總設(shè)計，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中R=1.15 , f=0.150.18 取f=0.16P=1.15×755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N)強度計算壽命值Li= （公式五）ni= （公式六）由機床設(shè)計手冊得Ti=15000h,原機床絲杠螺距為60，

16、 D=80ni= =19.920(r/min)Li=18最大動負Q=PfwfH (公式七)其中 運載系數(shù)fw=1.2硬度系數(shù)Fh=1Q=×1.2×1239.2×1 =3897.1(N)根據(jù)最大動力負載荷Q的值，查表選擇滾珠絲杠的型號為W50103.5×1，查表得數(shù)控車床的縱向精度為B級，左旋即型號為W50103.5×1/B900×1000其額定載荷是3970N效率計算根據(jù)機械基礎(chǔ)得，絲杠螺母副傳動效率為= (公式八)由機床設(shè)計手冊得4一般為812取4=10即：摩擦角4=10，螺旋升角（中徑處）r=3O25則= =0.953 剛度驗算

17、滾珠絲杠受工作負載P引起的導(dǎo)程變化量L1=± (公式九)其中 LO=10=1E=20.6×106N/2滾珠絲杠橫截面積 F=() d為滾珠絲杠外徑 =（）2×3.14 =18.47(2) 則L1=3.256×10-63.27um查機床設(shè)計手冊，B級精度絲杠允許的螺距誤差（900螺絲長度）為25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。穩(wěn)定性驗算由于原機床杠徑為30，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為50，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問題，無需驗算。齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機器，沒有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的

18、原則出發(fā)，決定小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217255HBS。大齒輪選用45正火，齒面硬度169217 HBS。傳動比i=其中2表示步驅(qū)角，89表示脈沖當(dāng)量i=2.1取齒數(shù)z1=30, Z2=63 模數(shù)m=2mm, 嚙合角為200，小齒輪齒寬為25，大齒輪齒寬20。d1=mz1=2×30=30d2=mz2=2×63=126da1=m(z1+2)=2×(30+2)=64a=93齒輪傳動精度計算齒輪圓周速度VV=4.2(m/s)根據(jù)齒輪圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL傳動慣量的選擇工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J1

19、=()2W =()2×80 = 0.467kg. 2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=7.8×10-4D4L1=7.8×-4×(50)4×14.9 =7.26(kg. 2)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ1=7.8×10-4×(60)4×2=2.02(kg. 2)JZ1=7.8×10-4×(126)4×2=39.32(kg. 2)由于電機的傳動慣量很小，一般可忽略不記所以總的傳動慣量為 J總=×(Js+Jz2)+Jz1+J1 =×(7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(

20、kg. 2) =145.0(N. 2)所需轉(zhuǎn)動力矩的計算快速空載啟動時所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速進給時所需力矩 M=Mf+MO （公式十四）式中Mmamx 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩。 Mf 折算到電機軸上的磨擦力矩。 MO 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 Mat 切削時折算到電機軸上的加速度力矩。Mt 折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五)當(dāng)n=nmax時，Mamax=Ma nmax=400(r/min)Mam

21、at=×10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm)nt= =25.08(r/min)Mat=×10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm)Mf=當(dāng)=0.8，f=0.16時，Mf=1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm)MO=(1-o2)當(dāng)=0.9時，預(yù)加荷PO=FxMO= =0.40334.03(N.cm)Mt= =6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空載啟動所需力矩M快空= Mamax+Mf+MO 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm)切削時所需力矩M切= Mat+ Mf+ MO +M

22、t=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速進給時所需力矩M快速= Mf+MO =12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上計算可得所需最大力矩Mamax發(fā)生快速啟動時Mamax= M快速=257.86(N.cm)第五章 步進電機的選擇5.1 一步進電動機選用原則合理選用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確的選擇。 ，步距角應(yīng)滿足：=式中i傳動比amin系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角 精度步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最

23、大值，用積累誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電機應(yīng)滿足。QmiQs式中Qm步進電機的積累誤差。Qs系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差。 轉(zhuǎn)距為了使步進電機正常運行（不失步、不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮；啟動力矩，一般啟動力矩選取為Mq式中Mq電機啟動力矩ML0電機靜負載力矩在要求在運行頻率范圍內(nèi)，電機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機的轉(zhuǎn)動慣量（包含負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。 啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：fifopm其中fi極限啟動頻率fopm要求步進電機最高啟動頻率5.2 二步進電機的選型C6140縱向進給系流步進電機的確定Mq= 取參數(shù)為0.4=644.6（N.m）為了滿足最小步距要求