用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為530毫米普通車床的進給系統(tǒng)

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1 準考證號： 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （ 設 計 ） 用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為 530 毫米普通車床的進給系統(tǒng) 學 院： 江西科技學院 專 業(yè)： 機電一體化工程 班 級： 學生姓名： 指導老師： 何暉暉 完成日期： 2015 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 2 本科論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文（設計）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。 學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 本科論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 江西科技學院 可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 學位論文作者簽名（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 3 目 錄 緒論 . 4 第 1 章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 . 5 第 2 章 機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 . 6 計參數(shù) . 6 2,2 進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 . 6 定系統(tǒng)的脈沖當量 . 6 算切削力 . 6 珠絲杠螺 母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 11 進給齒輪箱傳動比計算 . 14 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) . 14 向進給齒輪箱傳動比計算 . 15 進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 20 第 3 章 數(shù)控機床零件加工程序 . 25 第 4 章 總結(jié) . 27 主要參考文獻 . 28 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 4 緒論 接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數(shù)和結(jié)構，然后再分別對機械部分和電器部分、現(xiàn)已機電一體化的典型產(chǎn)品 數(shù)控機床為例 ,分析總體方案擬定的基本內(nèi)容。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結(jié)構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 5 第 1 章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 普通車床是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進 給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。 對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加 工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 6 第 2 章 機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 計參數(shù) 用微機數(shù)控技術 改造最大加工直徑為 500毫米普通車床的進給系統(tǒng) 最大 加工直徑（ 在床身上： 530 在床鞍上： 270 最大加工長度（ 750 1000 溜板及刀架重量（ N）： 橫向： 550 縱向： 1100 刀架快移速度（ m/ 橫向： 1 縱向： 2 最大進給速度（ m/ 橫向： 縱向： 小分辨率 （ 橫向： 縱向： 位精度（ 電機功率（ 動加速時間（ 30 2,2 進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量 ,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此 ,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，縱向常采用的脈沖當量為 算切削力 1）縱車外圓 主切削力 N) 按經(jīng)驗公式估算： )(8 1 7 55 3 m a x 按切削力各分力比例： 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 7 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F 得：) 270(N) 2） 主切削力 F 21 =) 按切削力各分力比例： : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F ) 1635(N) 珠絲杠螺母副的計算及選型 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力) 按縱向進給為綜合型導軌 ()m x zF k F f F G 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=f 滑動導軌摩擦 系數(shù) f 初選 溜板及刀架重力 1100N 則 8175+1100） =N） 2）計算最大動負載 Q 66 0 / 1 0L n T n=1000 0L 式中 610 轉(zhuǎn)為 1單位。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 8 f 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 f 初選 1.2 最大切削力條件下的進給速度，可取最大進給速度的 1/2 1/3；此處 使用壽命，按 15000h； 0L 為絲杠的基本導程，初選 0L =6 n=1000 0L =1000 =50（ m/ 66 0 / 1 0 6 0 5 0 1 5 0 0 0 / 1 0 0 0 0 0 0 4 5L n T Q=3L f45 ) C=3）滾珠絲杠副的選型 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷 C；查閱數(shù)控設計指導書得到：采用1 40061列 定動載荷 16400N，精度等級按表 2級。 4）傳動效率計算 () 式中 為1 40062 44 ； 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數(shù) () =）縱向滾珠絲杠剛度驗算 畫出縱向進給滾珠絲杠的支撐方式圖 據(jù)最大軸向力 2532N，支撐間距L=1500杠螺母副及軸承均進行預緊，預緊為最大軸向負荷的 13。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 9 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 a: 絲杠的拉伸或壓縮變形 1 已知D=45L=6d=42 0 0E 2/N 式中 L 是在工作載 N 工作負載，即進給牽引力； 0L 滾珠絲杠的導程； E 材料彈性摸數(shù)，對鋼 42 0 0E ； F 滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）；“ +”用于拉深，“ ”用于壓縮； 絲杠有效截面 A= 21)2d( = 2 杠導程的變化量 L =4 4 = 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 : b: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2 由 83載 滾珠數(shù)量 （個） 預緊力 3,則變形33 c :定位誤差 根據(jù)經(jīng)驗公式可得： 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 10 2 9 3213 縱向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表 5081珠絲杠幾何參數(shù) 名 稱 符號 計算公式 45081螺 紋 滾 道 公稱直徑 0程 0L 6 接觸角 143 鋼球直徑（ 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 143 螺 桿 螺桿外徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d桿內(nèi)徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內(nèi)徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d）穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 11 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力 )2( m 按橫向進給為燕尾形導軌： 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，燕尾形導軌取 ； f 滑動導軌摩擦系數(shù)： f = G 溜板及刀架重力， G =550N。 則 : )2( ) )( 2）計算最大動負載 Q 3 66 0 / 1 0L n T vn s 式中 0L 為絲杠的基本導程，初選 0 最大切削力條件下的進給速度，可取最大進給速度的 1/2 1/3，此處 T 使用壽命，按 15000h； f 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 f 初選 1.2 n 為絲杠轉(zhuǎn)速 vn s ； L 為絲杠壽命，以 610 轉(zhuǎn)為 1單位； 305 0 01 0 0 00 L vn s 2710 1 50 0 030601060 66 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 12 0 1 1 N) 3）滾珠絲杠副的選型 橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)： 表 1名 稱 符號 計算公式 紋 滾 道 公稱直徑 0程 0L 6 接觸角 334 鋼球直徑（ 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 73 螺 桿 螺桿外 徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d34 螺桿內(nèi)徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內(nèi)徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d35794 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 13 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷 C；查閱數(shù)控設計指導書得到：采用 1列 定動載荷 15400N，精度等級為 1級。 4）傳動效率計算 () 式中 為 35061螺旋升角， 73 ； 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數(shù) 073t a n ( 73t a n)t a n (t a n 5）橫向滾珠絲杠剛度驗算 a: 畫出橫向進給滾珠絲杠的支撐方式圖 據(jù)最大軸向力 ，支撐間距 L=750絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 b: 絲杠的拉深或壓縮變形 )(1 已知 ， D=35L=59 8 42 0 0E 2/N 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 14 式中 L 是在工作載 用下引起每一導程的變化量； N 工作負載，即進給牽引力； 0 E 材料彈性摸數(shù)，對鋼 42 0 0E ； F 滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）；“ +”用于拉深，“ ”用于壓縮； 2221 2( 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 FL m 440 1 5 c: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 )(2 由 承載滾珠數(shù)量 5 Z(個 ) 3 23 22 d: 定位誤差： 根據(jù)經(jīng)驗公式得： 2 9 3213 滾珠絲杠允 許的誤差為 )(025.0 所選絲杠合格。 6） 壓桿穩(wěn)定性校 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核。 進給齒輪箱傳動比計算 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) 縱向進給脈沖當量 ；滾珠絲杠導程0 6L ； 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 15 可得：03 6 0 / ( ) 3 6 0 0 . 0 1 / ( 0 . 7 5 6 ) 0 . 8 可選齒數(shù)為： 4032252012 或 1Z 取 40 322取Z 表 動齒輪幾何參 數(shù) 向進給齒輪箱傳動比計算 橫向進給脈沖當量 ；滾珠絲杠導程 0 ； ；可得： 可選齒數(shù)為： 4024252053543412 數(shù)取 2 24,40,20,25 4321 齒數(shù) 32 40 20 25 分度圓 d 64 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m68 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m 59 75 35 45 齒寬 (6 10)m 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d72 45 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 16 表 動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) 24 40 20 25 分度圓 d 48 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m52 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m 42 75 35 45 齒寬 (6 10)m 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d64 45 進電機的計算和選型 向步進電機的計算和選型 1） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 算簡圖見前面，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 )( 2； 21 為齒輪 21 的轉(zhuǎn)動慣量 )( 2； ( 2； 所選電機為 150應式步進電機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量： 210MJ kg ； 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 17 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式： )(304 ； 則： 23431411 3 8 23432422 6 1 23434 100 代入上式： 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 2 )3240(2 2）電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算： 快速空載起動力矩起M： 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較 大，其計算公式為： m a x 0 M M 起 2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t m a x m a x / ( 3 6 0 ) 式中 起( ； )( ； ( ； 0( ； 其它符號意義同前。 m i 60(m a xm a x 起動加速時間 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 18 )60(102 2m a xm a x aa 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F G 式中 0)(0 z ；其它參數(shù)含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取 ，這里取 ； 2)(2 000 1008178(附加摩擦力矩0M： 00 200(1 )2 i 式中0般取 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取 ； 其它符號含義取值同上。 p 2 3 431)1(2 220000 將數(shù)據(jù)代入公式： 0a m a x f 起 7快速移動時所需力矩快M： 0f 快 1 最大切削負載時所需力矩切M： 0 M M 切 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 19 式中( ；2 0參數(shù)說明同上。 0 4 0 切從上面可以看出，切快起 和、 快速空載起動力矩最 大，以此作為初選步進電動機的依據(jù) 。 查得當步進電機為五相十拍時 9 5 J M A 最大靜力矩 A X 4 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從附表查出 150最大靜轉(zhuǎn)矩為 大大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機啟動矩頻特性和運行矩 。 3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 空載啟動時 3 1 0 0 0601 0 0 0 m a x 切削時工作頻率 0 0 0 0601 0 0 0 可查出 150步進電機允許的最高空載頻率為 2800行頻率為800再從圖 出，當步進電機起動時， f 起時， 100 ，遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩；直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到 1000右時，起動力矩可提高588.4 。 然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 20 圖 50圖 50動矩頻特性 當快速運動和切削進給時，從圖 50 向步進電機的計算和選型 1） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見前面，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 2()J kg 為： )2()()()()( 204243322211 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 21 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 12齒輪12轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 所選電機為 150應式步進電機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量： 210 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式： 04131 J 則： )(9 2 431 )(432 )(433 )(8 2 434 )( 43 s 50 代入上式： )2()()()()( 204243322211 ) 2 )2440() (2025( 65 2）電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算： 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，其計算公式為： m a x 0 M M 起2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 22 m a x m a x / ( 3 6 0 )式中 )N ； )N ； )N ； 0算到電機軸上的附加摩擦力矩 ()N ； 其它符號意義同前。 m i n )/(416360 0 0360 00m a xm a x 起動加速時間 30at )(1626560 m a xm a x 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F W 式中 0F 為導軌的摩擦力， 0 ()zF f F G；其它參數(shù)含義及取值同前： 為傳動鏈總效率，一般可取 0 ，這里取 f 2 000附加摩擦力矩 0M ： 00 200(1 )2 i 式中 0般取 13 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0 ； 其它符號含義取值同上。 )1(231)1(2 20020000 上述三項合計： )(a x 起江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 23 快速移動時所需力矩 )(f 快 最大切削負載時所需力矩 切式中 算到電機軸上的切削負載力矩 ()N ；02 LM i參數(shù)說明同上 2 0切)(5 6 9. 0 43178 從上面可以看出， M M 、 和三種工作情況下，以最大切削負載時空載起動力矩最大， 查表得：當步進電機為五相十拍時， 951.0/m a x M，最大靜力矩 4 79 5 8 6m a x。 按此最大靜轉(zhuǎn)距從附表查出 150，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距?？勺鳛槌踹x型號。但還必須進一步考核步進電機起動短頻特性和運行短頻特性。 3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 。 空載啟動時 3 30 0 1 0 0 0601 0 0 0 m a x 切削時工作頻率 0 0 0 0601 0 0 0 可查出 150步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800行頻率為8000從圖表查出 150500大靜轉(zhuǎn)矩為 求的空載起動力矩 須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），把起動頻率降到 1000右時起動力矩可提高 可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右，起動力矩可以滿足要求。 當快速運動和切削進給時，從圖 50滿足要求。 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 24 圖 50圖 50江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 25 第 3 章 數(shù)控機床零件加工程序 圖 控機床零件加 工圖 10； 03 10； 5； 10； 10； 10； 10； 2； 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 26 10； 602, 2 10； 10； 2； 10； 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 27 第 4 章 總結(jié) 通過這次課程設計，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè) 知識，并在設計中得以體現(xiàn)剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。參考了相關設計資料，終于知道了該怎么做。在做設計的過程中，不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用。 當然，在此過程中由于時間緊張也有許多不足之處，內(nèi)容涉及到多方面有知識要想發(fā)展成實際產(chǎn)品還需要反復的探討和論證。 本次課程設計一開始就得到老師的幫助，正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的課程設計順利完成。在此表示深深的感謝！ 江西科技學院本科生畢業(yè)論文（設計） 28 主要參考文獻 1 丁洪生 北京 :機械工業(yè)出版社 2 范超毅，趙天嬋 數(shù)控技術課程設計 中科技大學出版社 3 蔡懷崇，張克猛 ） 械工業(yè)出版社 4 林其駿 北京 :機械工業(yè)出版社 5 畢萬新 大連：大連理工出版社 6 王訓杰，丘映輝 機械設計基礎課程設計 連理工出版社 7 吳宗澤 北京：北京機械工業(yè)出版社 8 陳 立德 北京：北京教育出版社 9 數(shù)控設計指導書 2009 10 董霞，李天石，陳康寧 北京：機械工業(yè)出版社 11 彭冬明，韋友春 北京：北京理工大學出版社 12 董景新，趙長德 北京：機械工業(yè)出版社 13 鮑小南 杭州：浙江大學出版社 14 劉瑾 北京：機械工業(yè)出版社 15 劉海 濤 南昌：江西科技學院