用微机数控技术改造最大加工直径为500毫米普通车床的进给系统

1 准考证号： 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用微机数控技术改造最大加工直径为 500 毫米普通车床的进给系统 学 院： 江西科技学院 专 业： 机电一体化工程 班 级： 学生姓名： 指导老 师： 何晖晖 完成日期： 2015 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 2 本科论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 本科论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 江西科技学院 可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名（手写 ）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 3 目 录 绪论 . 4 第 1 章 数控机床系统总体设计方案的拟定 . 5 第 2 章 机床进给系统机械部分设计计算 . 6 计参数 . 6 2,2 进给伺服系统运动及动力计算 . 6 定系统的脉冲当量 . 6 算切削力 . 6 珠丝杠螺母副的计算及选型 . 7 向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 . 7 向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 . 11 进给齿轮箱传动比计算 . 14 向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数 . 14 向进给齿轮箱传动比计算 . 15 进电机的计算和选型 . 16 向步进电机的计算和选型 . 16 向步进电机的计算和选型 . 20 第 3 章 数控机床零件加工程序 . 25 第 4 章 总结 . 27 主要参考文献 . 28 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 4 绪论 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电器部分、现已机电一体化的典型产品 数控机床为例 ,分析总体方案拟定的基本内容。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 5 第 1 章 数控机床系统总体设计方案的拟定 普通车床是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进 给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先 输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 6 第 2 章 机床进给系统机械部分设计计算 计参数 用微机数控技术 改造最大加工直径为 500毫米普通车床的进给系统 最大 加工直径（ 在床身上： 500 在床鞍上： 260 最大加工长度（ 750 1000 溜板及刀架重量（ N）： 横向： 550 纵向： 1100 刀架快移速度（ m/ 横向： 1 纵向： 2 最大进给速度（ m/ 横向： 纵向： 小分辨率 （ 横向： 纵向： 位精度（ 电机功率（ 动加速时间（ 30 2,2 进给伺服系统运动及动力计算 定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此 ,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，纵向常采用的脉冲当量为 算切削力 1）纵车外圆 主切削力 N) 按经验公式估算： )(m a x 按切削力各分力比例： 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 7 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F 得：873(N) 996(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 936(N) 1498(N) 珠丝杠螺母副的计算及选型 向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 1）计算进给轴向力) 按纵向进给为综合型导轨 ()m x zF k F f F G 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=f 滑动导轨摩擦系数 f 初选 溜板及刀架重力 1100N 则1873+ 7491+1100） =N） 2）计算最大动负载 Q 66 0 / 1 0L n T n=1000 610 转为 1单位。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 8 f 运转系数，按一般运转取 f 初选 1.2 取最大进给速度的 1/2 1/3；此处 使用寿命， 按 15000h； 0选0L=6 n=1000 L=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 f 45 5061 C=3）滚珠丝杠副的选型 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷 C；查阅数控设计指导书得到：采用1 40061列 定动载荷 16400N，精度等级按表 2级。 4）传动效率计算 () 式中 为1 40062 44 ； 为摩擦角取 10 滚动摩擦系数 2 4 4 0 . 9 4( ) ( 2 4 4 1 0 )t g t gt g t g 5）纵向滚珠丝杠刚度验算 画出纵向进给滚珠丝杠的支撑方式图 据最大轴向力 2532N，支撑间距L=1500杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧为最大轴向负荷的 13。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 9 图 向进给滚珠丝杠的支撑方式 a: 丝杠的拉伸或压缩变形 1 已知D=40L=6d=42 0 0E 2/N 式中 L 是在工作载 N 工作负载，即进给牵引力； 0L 滚珠丝杠的导程； E 材料弹性摸数，对钢 42 0 0E ； F 滚珠丝杠截面积（按内径确定）；“ +”用于拉深，“ ”用于压缩； 丝杠有效截面 A= 221 3 5 . 9 8( ) ( ) 1 0 1 6 . 722d 丝杠导程的变化量 L = 4 = 滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量 : 0 06 b: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 由 53载滚珠数量 402 . 5 2 . 5 7 9 . 1 53 . 9 6 9DZ (个 ) 由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力 3,则变形33 23 22 c :定位误差 根据经验公式可得： 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 10 0 3213 纵向滚珠丝杠副几何参数 表 4006名 称 符号 计算公式 1 4006纹 滚 道 公称直径 0程 0触角 244 钢球直径（ 道法面半径 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 244 螺 杆 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d :杆内径 1d e R 杆接触直径 c o d d 母 螺母螺纹直径 D 0 22D d e R 母内径 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d :）稳定性校核 滚珠丝杠两端面推理轴承不会产生失稳现象故不需作稳定性校核。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 11 向滚珠丝杠螺母副的计算及选型 1）计算进给轴向力 )2( m 按横向进给为燕尾形导轨： 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取 ； f 滑动导轨摩擦系数： f = G 溜板及刀架重力， G =550N。 则 : )2( ) )( 2）计算最大动负载 Q 3 66 0 / 1 0L n T vn s 式中 0程，初选 0 取最大进给速度的 1/2 1/3，此处 T 使用寿命，按 15000h； f 运转系数，按一般运转取 f 初选 1.2 n 为丝杠转速 vn s ； L 为丝杠寿命，以 610 转为 1单位； 305 L vn s 2710 1 5 0 0 030601060 66 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 12 3）滚珠丝杠副的选型 横向滚珠丝杠副几何参数： 表 1名 称 符号 计算公式 纹 滚 道 公称直径 0程 0触角 334 钢球直径（ 道法面半径 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 73 螺 杆 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d :34 螺杆内径 1d e R 杆接触直径 c o d d 母 螺母螺纹直径 D 0 22D d e R 母内径 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d :35794 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 13 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 不得小于最大动载荷 C；查阅数控设计指导书得到：采用 1列 定动载荷 15400N，精度等级为 1级。 4）传动效率计算 () 式中 为 35061螺旋升角， 73 ； 为摩擦角取 10 滚动摩擦系数 073t a n ( 73t a n)t a n (t a n 5）横向滚珠丝杠刚度验算 a: 画出横向进给滚珠丝杠的支撑方式图 据最大轴向力 ，支撑间距 L=750丝杠长度较短， 不需预紧，螺母及轴承预紧。 图 向进给滚珠丝杠的支撑方式 b: 丝杠的拉深或压缩变形 )(1 已知 ， D=35L=59 8 42 0 0E 2/N 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 14 式中 L 是在工作载 用下引起每一导程的变化量； N 工作负载，即进给牵引力； 0 E 材料弹性摸数，对钢 42 0 0E ； F 滚珠丝杠截面积（按内径确定）；“ +”用于拉深，“ ”用于压缩； 2221 2( 滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量 FL m 440 05 c: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 )(2 由 承载滚珠数量 5 Z(个 ) 3 23 22 d: 定位误差： 根据经验公式得： 8 3213 滚珠丝杠允许的误差为 )(025.0 所选丝杠合格。 6） 压杆稳定性校 滚珠丝杠两端面推理轴承不会产生失稳现象故不需作稳定性校核。 进给齿轮箱传动比计算 向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数 纵向进给脉冲当量 ；滚珠丝杠导程0 6L ； 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 15 可得：03 6 0 / ( ) 3 6 0 0 . 0 1 / ( 0 . 7 5 6 ) 0 . 8 可选齿数为： 4032252012 或 1Z 取 40 322取Z 表 动齿轮几何参数 向进给齿轮箱传动比计算 横向进给脉冲当量 ；滚珠丝杠导程 0 ；初选步进电机步 ；可得： 0 03 6 00 可选齿数为： 4024252053543412 数取 2 24,40,20,25 4321 齿数 32 40 20 25 分度圆 d 64 80 40 50 齿顶圆 0 2d d m68 84 44 54 齿根圆 2 1 . 2 5fd d m 59 75 35 45 齿宽 (6 10)m: 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d72 45 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 16 表 动齿轮几何参数 齿数 24 40 20 25 分度圆 d 48 80 40 50 齿顶圆 0 2d d m52 84 44 54 齿根圆 2 1 . 2 5fd d m 42 75 35 45 齿宽 (6 10)m: 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d64 45 进电机的计算和选型 向步进电机的计算和选型 1） 等效转动惯量计算 算简图见前面，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯 量 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 式中 为步进电机转子转动惯量 )( 2； 21 为齿轮 21 的转动惯量 )( 2； ( 2； 所选电机为 150应式步进电机，其转子转动惯量： 210MJ kg ； 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 17 对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式： )(304 ； 则： 23431411 23432422 23434 100 代入上式： 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 2 )3240(2 2）电机力矩计算 机床在不同的工况下，所需的力矩也不同，分别计算： 快速空载起动力矩起M： 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，其计算公式为： 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 ) o 式中 起( ； ( ； ( ； 0( ； 其它符号意义同前。 m 60(m a xm a x 起动加速时间 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 18 )60(102 2m a xm a x aa 1 0 折算到电机轴上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F G 式中 0)(0 z ；其它参数含义及取值同前， 为传动链总效率，一般可取 ，这里取 ； 2)(2 000 1 0 07 4 9 1(附加 摩擦力矩0M： 00 200(1 )2 i 式中0般取 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 ； 其它符号含义取值同上。 p 2 2 831)1(2 220000 将数据代入公式： 0a m a x f 起 0f 快 最大切削负载时所需力矩切M： 0 M M 切 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 19 式中( ；2 0参数说明同上。 382 00 切从上面可以看出，切快起 和、 快速空载起动力矩最大，以此作为初选步进电动机的依据 。 查得当步进电机为五相十拍时 9 5 最大静力矩 A X 按此最大静转矩从附表查出 150最大静转矩为 大大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩 。 3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率 空载启动时 1000601000 m a x 切削时工作频率 可查出 150步进电机允许的最高空载频率为 2800行频率为800再从图 出，当步进电机起动时， f 起时， 100 ，远不能满足此机床所要求的空载起动力矩；直接使用则会产生失步现象，必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到 1000右时，起动力矩可提高588.4 。 然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 20 图 50图 50动矩频特性 当快速运动和切削进给时，从图 50 向步进电机的计算和选型 1） 等效转动惯量计算 计算简图见前面，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 2()J kg 为： )2()()()()( 204243322211 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 21 式中 ()kg ； 12齿轮12转动惯量 2()kg ； ()kg ； 所选电机为 150应式步进电机，其转子转动惯量： 210 对于 齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式： 04131 J 则： )(431 )(432 )(433 )(434 )(43 s 50 代入上式： )2()()()()( 204243322211 ) 2 )2440() (2025( 65 2）电机力矩计算 机床在不同的工况下，所需的力矩也不同，分别计算： 快速空载起动力矩 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，其计算公式为： m a x 0 M M 起2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 22 m a x m a x / ( 3 6 0 ) )N ； 速力矩 ()N ； )N ； 0)N ； 其它符号意义同前。 m (0m a xm a x 起动加速时间 30at )(2 2m a xm a x 折算到电机轴上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F W 式中 00 ()zF f F G；其它参数含义及取值同前： 为传动链总效率，一般 可取 0 : ，这里取 f 4 5(2 000附加摩擦力矩0M： 00 200(1 )2 i 式中 0般取 13 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0 ； 其它符号含义取值同上。 )1(231)1(2 20020000 33031 2 上述三项合计： )(a x 起江西科技学院本科生毕业论文（设计） 23 快速移动时所需力矩 )(1 7 8 f 快 最大切削负载时所需力矩 切式中)N ；02 LM i参数说明同上 2 0切)(3 5 0 从上面可以看出， M M 、 和三种工作情况下，以最大切削负载时空载起动力矩最大，查表得：当步进电机为五相十拍时， 9 5 1.0/m M，最大静力矩 a x。 按此最大静 转距从附表查出 150，大于所需最大静转距。可作为初选型号。但还必须进一步考核步进电机起动短频特性和运行短频特性。 3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率。 空载启动时1000601000 m a x 切削时工作频率 可查出 150步进电机允许的最高空载起动频率为 2800行频率为8000从图表查出 150500大静转矩为 须采用升降速控制（用软件实现），把起动频率降到 1000右时起动力矩可提高