車床-CA6140車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì),車床,ca6140,傳動(dòng)系統(tǒng),數(shù)控,改造,設(shè)計(jì) 紹 興 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)論文 (2012 屆） CA6140 車床傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 陳紅 學(xué) 號(hào) 083010101 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 指導(dǎo)教師 蔡曉霞 完成日期 2011.4.25 目錄 引言 ..........................................................................1 1 CA6140 車床主傳動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)分析 .............................................3 2 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 ........................................................4 2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng) ................................................................4 2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) ..............................................................4 2.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 ..............................................................5 3 伺服系統(tǒng)及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 ............................................5 3.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 ..................................................5 3.1.1 縱向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 ................................................5 3.1.2 橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 ................................................5 3.2 進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................6 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 ............................................................6 3.2.2 計(jì)算切削力 ..............................................................6 3.2.3 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 ..............................................6 3.2.4 傳動(dòng)比計(jì)算 ..............................................................9 3.2.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 ...................................................10 結(jié)論 .........................................................................15 致謝 .........................................................................15 參考文獻(xiàn) .....................................................................15 1 CA6140 車床傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造機(jī)械部分設(shè)計(jì) 083010101 陳紅 浙江勝達(dá)機(jī)械廠生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)部 工程師 章魏 紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 指導(dǎo)教師：蔡曉霞 摘要:了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動(dòng)信息程序所指定的順序自動(dòng)執(zhí)行 操作的過(guò)程。而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,可以在同一機(jī) 我國(guó)現(xiàn)床上一次裝夾可完成多個(gè)操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，但它的價(jià)格昂貴。由于在使用的機(jī)床 大多數(shù)為普通車床，自動(dòng)化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床 的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安 裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電機(jī)帶 動(dòng)。 總體設(shè)計(jì)方案:CA6140 車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的手動(dòng)變速功能。車床的縱向和橫向 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。最后,根據(jù)已知條件對(duì)縱向橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。 關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造 引言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及 刀架的快速換刀,使傳動(dòng)系統(tǒng)變得十分簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈大大縮短,傳動(dòng)件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度。 設(shè)計(jì)中，我們對(duì)有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了很多資料,了解 了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識(shí)面。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件的加工質(zhì)量的要求 也越來(lái)越高。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機(jī)床代替普 通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個(gè)必然的趨勢(shì)。 同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的 重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了 質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算 2 機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控 機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。 數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化 發(fā)展的先河。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置， 機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序 動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)譯碼， 運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制 新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件； 5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國(guó)數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和 產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但 是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。我國(guó)是一 個(gè)機(jī)床大國(guó)，有三百多萬(wàn)臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工 業(yè)國(guó)家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 3 1 CA6140 車床主傳動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)分析 機(jī)床主軸箱是一個(gè)比較復(fù)雜的傳動(dòng)件.表達(dá)主軸箱各傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系時(shí)常用展開圖.展開 圖基本上 是按各傳動(dòng)鏈傳遞運(yùn)動(dòng)的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個(gè)平面上的裝配圖(如圖 1) ： 圖 1 1——花鍵套；2——帶輪；3——法蘭；4——箱體；5——鋼球；6——齒輪；7——銷；8、9—— 螺母；10——齒輪；11——滑套；12——元寶銷；13——制動(dòng)盤；14——制動(dòng)帶；15——齒條；16— —拉桿；17——撥叉；18——齒扇；19——圓鍵 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開 在一個(gè)平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠(yuǎn)，因而使原來(lái)相互 4 嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時(shí) ，首先應(yīng)弄清楚傳動(dòng)關(guān)系。 卸荷帶輪電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶將運(yùn)動(dòng)傳至軸 I 左端的帶輪 2（見(jiàn)圖 1 的左上部分） 。帶輪 2 與花鍵套 1 用 螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內(nèi)的兩個(gè)深溝球軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱體 4 上，這樣帶輪 2 可 通過(guò)花鍵 1 帶動(dòng)軸 I 旋轉(zhuǎn)，皮帶 的拉力則經(jīng)軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉(zhuǎn)距， 從而可避免因皮帶拉力而使軸 I 產(chǎn)生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給箱體） 。 2 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控車床主運(yùn)動(dòng)要求速度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，有足夠的驅(qū)動(dòng)功率，主軸回轉(zhuǎn)軸心線的位置準(zhǔn)確穩(wěn) 定，并有足夠的剛性與抗振性。 如下圖所示為濟(jì)南第一機(jī)床廠生產(chǎn)的 MJ-50 型數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。 2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是用數(shù)字控制 X、Z 坐標(biāo)軸的直接對(duì)象，工件最后的尺寸精度和輪廓精度都 5 直接受進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)充分注意減 少摩擦力，提高傳動(dòng)精度和剛度，消除傳動(dòng)間隙以及減少運(yùn)動(dòng)件的慣量等。 為使全功能型數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)要求高精度、快速響應(yīng)、低速大轉(zhuǎn)矩，一般采用步進(jìn)電機(jī)， 通過(guò)滾珠絲杠螺母副帶動(dòng)刀架移動(dòng)。刀架的快速移動(dòng)和進(jìn)給移動(dòng)為同一條傳動(dòng)路線。 如圖 3-3 所示，MJ-50 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)分為 X 軸進(jìn)給傳動(dòng)和 Z 軸進(jìn)給傳動(dòng)。 2.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和工作效率。回轉(zhuǎn)式刀 架上回轉(zhuǎn)頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具，通過(guò)回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)﹑分度和定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)床 的自動(dòng)換刀?；剞D(zhuǎn)刀架分度準(zhǔn)確，定位可靠，重復(fù)定位精度高，轉(zhuǎn)位速度快，夾緊性好，可以保證數(shù) 控車床的高精度和高效率。 按照回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸相對(duì)于機(jī)床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉(zhuǎn)刀架。 從它上面我們可以看出，對(duì) CA6140 車床的改造的方向。 3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 3.1.1 縱向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原機(jī)床的進(jìn)給像、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等，裝上步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母 副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對(duì)加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。 利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來(lái)的位置，兩端仍采用 原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大， 從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增大。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速。雙片齒輪間沒(méi)有加彈簧自動(dòng)消除間隙。因?yàn)閺椈傻膹椓?難適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時(shí)，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)載小時(shí)，彈簧彈 力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機(jī)床原外觀，起到美化機(jī)床的效果，在溜板箱上安裝了縱 向快速進(jìn)給和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇到意外情況時(shí)的急停處理需要。 6 3.1.2.橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。 步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè)，為了使減速機(jī)構(gòu)不影響走刀，同時(shí)消除傳動(dòng)過(guò)程的沖擊，減速機(jī) 構(gòu)采用二級(jí)傳動(dòng)，從動(dòng)輪采用雙薄片錯(cuò)位消除間隙。 3.2 進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量， 縱向：0.01mm/步， 橫向：0.005mm/步（半徑） 3.2.2 計(jì)算切削力 1）縱車外圓 主切削力 FZ（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=2144 2）橫切端面 主切削力 FˊZ（N）可取縱切的 0.5 FˊZ=0.5FZ=2680 此時(shí)走刀抗力為 FˊY（N） ，吃刀抗力為 Fˊx（N） 。仍按上述比例粗略計(jì)算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FˊY=2680×0.25=670 FˊX=2680×0.4=1072 3.2.3 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 1）縱向進(jìn)給絲桿的選型 計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fm（N）： 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 Fm=KFx+fˊ（Fz+G） 7 =1.158×1340+0.16×（5360+800） =2530 式中 K—考慮顛復(fù)力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15； fˊ—滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷 C： C=3√LfWFM L=60×n×t/106 N=1000×Vs/Lo 式中 Lo—滾珠絲桿導(dǎo)程，初選 L=6mm； Vs—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2—1/3） ，此處 Vs=0.6m/min T—使用壽命，按 15000h； fw—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 F=1.2—1.5； L—壽命、以 106 為一單位。 n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45 C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N 滾珠絲桿螺母副的選型： 查閱表，可用 W1L400b 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額定動(dòng)負(fù)載為 16400N，精度等級(jí)按表 4-15 選為 3 級(jí)（大致相當(dāng)老標(biāo)準(zhǔn) E 級(jí)） 。 傳動(dòng)效率計(jì)算： η=tgγ/tg(γ+φ) 試中 γ—螺旋升角，W1L400bγ=2o44ˊ φ—摩擦角 10ˊ滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) =tg2o44ˊ/tg(2o44+10ˊ)=0.94 3.1.5 剛度驗(yàn)算 最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ1 根據(jù) Pm=2530N，D0=40mm，查出 ΔL/L=1.2×10-5 8 可算出： δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2 由于兩端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(shí)際變 形量 δ1(mm)為： δˊ1=0.25×10-2 B．滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δq W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δq ： δq=6.4μm 因進(jìn)行了預(yù)緊， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2μm C．支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 δ3 采用 8107 型推力球軸承，d1=35mm，滾動(dòng)體直徑 dq=6.34mm，滾動(dòng)體 數(shù)量 Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2) =0.0024×3√2532/(6.35×182) 注意，此公式中 Fm 單位為 kgf 應(yīng)施加預(yù)緊力，故 δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計(jì)算：δ= δ1+δ2+δ3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm＜定位精度 穩(wěn)定性校核： 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 2）橫向進(jìn)給絲桿 計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fˊm： 橫向?qū)к墳檠辔残危?jì)算如下： Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ) =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷 C： n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×T/106=60×30×15000/106 C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N 選擇滾珠絲杠螺母副： 9 從附錄 A 表 3 中查出，W1L20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額 定動(dòng)載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級(jí)。 傳動(dòng)效率計(jì)算： η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4o33ˊ/tg(4o33ˊ+10ˊ)=0.965 剛度驗(yàn)算： 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距 L=450mm，因絲杠長(zhǎng)度較短， 不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 計(jì)算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ1(mm) 查圖 4-6，根據(jù) Fˊm=2032N，D0=20MM，查出 δL/L=5×10ˉ5 可算出 δ1= δL /L×L=4.2×10‐5 ×450=1.89×10‐2mm 顯然系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸，以提高剛度 故 δˊ=0.25δ1=4.7×10—3 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（《機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]．1 版》 ， ） 。 δq=8.5μm 因進(jìn)行了預(yù)緊 δ2=0.5δq=0.5×8.5=4.25μm C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用 8103 型推力球軸承，dq=5 Z=13 d=17mm δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2) =0.00243√202.3/5×132=1.3×10ˉ3 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故 δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4 綜合以上幾次變形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10ˉ3+4.25×10ˉ3/+ =0.0096＜0.015（定位精度 ） 穩(wěn)定性校核： 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 10 3.2.4.傳動(dòng)比計(jì)算 1)縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 δp =0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=6mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 0.75。可計(jì)算 出傳動(dòng)比 i i=360δp / θbL 0 =390×0.01/0.75×6=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=25 2)橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 δp =0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=5mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 0.75o?？捎?jì) 算出傳動(dòng)比 i I=360δp / θbL 0=360×0.005/0.75×5=0.48 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩 級(jí)齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)參照下表： 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂數(shù) da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根數(shù) df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒寬 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 3.2.5.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 1)縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 等效傳動(dòng)慣量計(jì)算: 方法計(jì)算如下，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量 JΣ(kg?cm2)可有下式計(jì)算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg?cm2) J1，J2—齒輪 Z1、Z2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg?cm2) 11 Js—滾珠絲杠傳動(dòng)慣量(kg?cm2) 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=10(kg?cm2) J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×6.42×2=2.6 kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×10-3×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕 =36.355 kg?cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題。 Jm/JΣ=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 電機(jī)力矩計(jì)算: 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計(jì)算： A.快速空載啟動(dòng)力矩 M 起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) nmax=νmax·θb/δp·360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 nmax=νmax·θb/δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min 啟動(dòng)加速時(shí)間 ta=30ms Mamax=JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) =36.355×2π×500×10-2/(60×0.03) =634.5N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2πηi=f1(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1) =0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm 附加摩擦力距 M0 12 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Ft×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2π×0.8×1.25) =805.3×0.19=15.3N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25) =94+15.3+127.96 =237.26N·cm 從上面計(jì)算可以看出，M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng) 作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從有關(guān)手冊(cè)[《[機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]》]查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí) λ=Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782N·cm 按此最大靜力矩從有關(guān)手冊(cè)中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)矩為 13.72N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩， 可作為初選型號(hào)，但還需進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率: Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 從下表中查出 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為 2800Hz 運(yùn)行頻率為 8000Hz,再?gòu)?有關(guān)手冊(cè)中查出 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f 起 =2500 時(shí)，M=100N·cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（782N·cm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失 步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)） ，將起動(dòng)頻率降到 1000Hz 時(shí)，起動(dòng)力矩可增加到 5884N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。 2)縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 等效傳動(dòng)慣量計(jì)算: 橫向傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 J 可由下式計(jì)算 13 JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2{(J2+J3)+Z3/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)2〕} 式中各符號(hào)意義同前，其中 J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×4.82×2=0.83kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×84×2=6.4 kg?cm2 J3=0.78×10-3×d24·L3=0.78×10-3×44×2=0.4 kg?cm2 J4=0.78×10-3×d24·L4=0.78×10-3×54×2=0.98 kg?cm2 Js=0.78×10-3×24×45=0.56kg?cm2 G=600n Jm=4.7 （初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為 110BF） 代入上式為： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2{(J2+J3)+Z3/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)2〕} =4.7+0.83+(24/10)2{(6.4+0.4)+(20/25)2[(0.98+0.56)+600/10(0.5/2π)2]} =8.42kg·cm2 考慮到步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量的匹配問(wèn)題 Jm/JΣ=4.7/8.42=0. 558 基本滿足慣量匹配要求 電機(jī)力矩計(jì)算: A.快速空載起動(dòng)力矩 M M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) 式中： nmax=νmax·θb/δp·360 =1200×0.75/(0.005×360)=500r/min ta=30ms Mamax=JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) =8.42×2π×500×10-2/(60×0.03)=147N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2πηi=f1(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1) =0.2×(2680+600)×0.5×0.48/(2π×0.8) =31.3N·cm 附加摩擦力矩 M0 14 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Fˊt×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/3×2023×0.5×0.48×(1-0.92)/( 2π×0.8) =6.1N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cm B．快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cm C.最大切削福載時(shí)所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =37.4+1072×0.5×0.48/(2π×0.8) =88.6N·cm 由上面計(jì)算可以看出, M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，故以此項(xiàng) 作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Mq 與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 的關(guān)系可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相 六拍時(shí)：λ=Mq/Mjmax=0.866 最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213N·cm 查 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)得，110BF003 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 7.84N·m。大于所需最大 靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率: Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 由 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動(dòng)頻率為 1500Hz，運(yùn)行頻率為 7000Hz。根 據(jù) 110BF003 型電機(jī)的起動(dòng)距頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí) F=1500Hz，M=98N·cm，小于機(jī)床所需的起動(dòng)力矩（184.4N·cm） ，直接使用會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必 須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)） 。將起動(dòng)頻率將為 1000Hz 時(shí)，既可滿足要求。當(dāng)機(jī)床快速起動(dòng)和切 削進(jìn)給時(shí)，則完全滿足運(yùn)行矩頻要求。 15 結(jié)論 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)這門課程進(jìn)一步加深了理解，對(duì)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，機(jī)械制 造裝備設(shè)計(jì)和大部分專業(yè)課知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，加深了對(duì)專業(yè)課知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也深深感到自己初步 掌握的知識(shí)與實(shí)際需要還有相當(dāng)距離，還需在今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)踐。 在設(shè)計(jì)中，我通過(guò)查尋各種資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，在老師的指導(dǎo)下掌握了設(shè)計(jì)的過(guò)程方法，更加 深該了機(jī)械行業(yè)需要嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度的認(rèn)識(shí)，本次設(shè)計(jì)同樣為以后工作打下了基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)由于時(shí)間緊和對(duì)知識(shí)的掌握程度的限制，在設(shè)計(jì)上不很周詳，許多應(yīng)考慮進(jìn)去的方面，可 能沒(méi)在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)。 致謝 在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到輔導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和各方面的幫助，才使設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行，在此 要感謝我的指導(dǎo)老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我這樣的機(jī)會(huì)鍛煉。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我懂得 了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作 生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中的探索的艱難 和成功的喜悅。雖然這個(gè)項(xiàng)目還不是很完善，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大 收獲和財(cái)富，使我終身受益。 參考文獻(xiàn)： [1].《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》.機(jī)械工業(yè)出版社.第三卷 [2].《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》. 化學(xué)工業(yè)出版社.第三版.第三卷 [3].《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》. 機(jī)械工業(yè)出版社.第二卷 [4]. 隋明陽(yáng).《機(jī)械設(shè)計(jì)》.機(jī)械工業(yè)出版社 [5]. 中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編.《數(shù)控技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社 .2005 [6]. 中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編.《機(jī)械制造基礎(chǔ)》.機(jī)械工業(yè)出版社.2005 [7]. 丁樹模主編.《機(jī)械工程學(xué)》.機(jī)械工業(yè)出版社. 2005 [8]. 鄭曉峰主編.《數(shù)控原理與原理》.機(jī)械工業(yè)出版社.2003 [9]. 陳富安主編.《數(shù)控原理與原理》.人民 郵電出版社.2006 16 [10]. 李雪梅主編.《數(shù)控機(jī)床》.電子工業(yè)出版社.2005