用微机数控技术改造直径为500毫米普通车床的进给系统

目 录（绪论）一、数控机床系统总体设计方案的拟定二、机床进给系统机械部分设计计算1、设计参数2、进给伺服系统运动及动力计算3、滚珠丝杠螺母副的计算及选型（1）纵向进给丝杆螺母副的计算及选型（2）横向进给丝杆螺母副的计算及选型4、轮进给齿轮箱传动比计算（1)纵向进给齿轮箱齿轮传动比计算（2）横向进给齿轮箱齿轮传动比计算5、步进电动机的计算及选型（1）纵向进给步进电动机的计算及选型（2）横向进给步进电动机的计算及选型三、数控机床零件加工程序四、绘制进给伺服系统机械装配图五、绘制微机数控系统硬件电路图总结主要参考文献江西科技学院本科生毕业论文（设计）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）1、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）二、机床进给系统机械部分设计计算1、设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（mm ）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工长度（mm ）： 7501000溜板及刀架重量（N）： 横向：550 纵向： 1100刀架快移速度（m/min）： 横向：1 纵向： 2最大进给速度（m/min）： 横向：0.3 纵向： 0.6最小分辨率 （mm ）： 横向：0.005 纵向：0.01定位精度（mm ）： 0.025主电机功率（KW）： 5.52、进给伺服系统运动及动力计算纵向：（1） 确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 0.01mm/step。（2） 计算切削力1）纵车外圆主切削力 (N)按经验公式估算： FZ=0.67D1.5max=0.67*5001.5=7 491 zF按切削力各分力比例：江西科技学院本科生毕业论文（设计）:1:0.254zxyF得： =1873(N)=2996(N)y2）.横切端面主切削力ZF=3745.5(N)1zz按切削力各分力比例：:1:0.254zxyF=936(N)=1498(N) y横向：（1） 确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，常采用的脉冲当量为 0.005mm/step。（2） 计算切削力1）纵车外圆主切削力 (N)按经验公式估算：zFmDZ2609.280)6(7.ax5.15.1ax按切削力个分力比例：4.:51:zyxF=702.225(N)x=1123.56(N)y2）横切端面主切削力 可取纵切的zF21江西科技学院本科生毕业论文（设计） 45.10)26(7.0125.zz F此时走刀抗力 (N)，吃刀抗力 (N)，仍按上述比例粗略计算：yxF4.:xz=351.11(N)F=561.78(N)y3、滚珠丝杠螺母副的计算及选型（1）纵向滚珠丝杠螺母副的计算及选型1）计算进给轴向力 (N)mF按纵向进给为综合型导轨 ()xzkfFG式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15滑动导轨摩擦系数 0.150.18fG溜板及刀架重力 1000N则 mF1.5340.16(530)=256N2）计算最大动负载 Qm60/1LnT0sv式中 L 为丝杠寿命，以 转为 1 单位。6运转系数，按一般运转取 1.21.5；f最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的 1/21/3；此sv处 =0.6mmT 使用寿命，按 15000h；为丝杠的基本导程，初选 =6mm；0L0L江西科技学院本科生毕业论文（设计）（m/min）011/.6/502snvL6 4T3345.73.127mCfFNkgf3）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 外循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杠副，1406WL1 列 2.5 圈，额定动载荷 16400N，精度等级按表 2-12 选为 1 级。4）传动效率计算 ()tg式中 为 的螺旋升角， ；1406WL24为摩擦角取 滚动摩擦系数 0.0030.004； 0.9()(241)tgt5）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，根据最大轴向力 2532N，支撑间距L=1500mm。丝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）a: 丝杠的拉伸或压缩变形 已知 =2532N，D=40mm， =6mm， =35.984mm，mF0L1d420.61E2/Nm式中 是在工作载 作用下引起每一导程的变化量；LmF工作负载，即进给牵引力； 滚珠丝杠的导程；N0材料弹性摸数，对钢 ； 滚珠丝杠截面积（按内径确E42.61EF定） ；“+”用于拉深， “ ”用于压缩；丝杠有效截面 A= 22135.98()()016.7dm丝杠导程的变化量 504.6.mFLEA滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量5 21017.210.314Lb: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形由 dp=3.969mm， =253kgfmF承载滚珠数量 (个) 42.52.579.136DZdp由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力 Fp 为轴向负载的 ,则变形1334 4 32 323 2.51.7601.760.018mpFmdZ 纵向滚珠丝杠副几何参数滚珠丝杠几何参数1406WL江西科技学院本科生毕业论文（设计）名 称 符号 计算公式 1406WL公称直径 0d40导程 L6接触角 24钢球直径（mm） qd3.969滚道法面半径 R0.52qd2.064偏心距 e(/)sin0.056螺纹滚道螺旋升角 0arcLtgd24螺杆外径 d0(.25)q:24.3螺杆内径 11eR21.78螺杆螺杆接触直径 zd0coszqd21.83螺母螺纹直径 D2e28.22螺母 螺母内径 10(.5)qdd:25.73c: 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用 8 型推力球轴承 =35mm；滚动体31直径 =6.35；滚动体数量 Z=180d4 4 33 323 2.51.761.760.501mpF mZ 又 定位误差 13=dV= 333.50. .=0.0156 0.02mm江西科技学院本科生毕业论文（设计）6）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（2）横向滚珠丝杠螺母副的计算及选型1）计算进给轴向力 )2(mGFfKFxzy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 ；.41K滑动导轨摩擦系数： =0.2；f fG溜板及刀架重力，G=550N。则: )2(mGFfFxzy)(82.137)50.3245.10(.78564.1 N2）计算最大动负载 Q3mwFfLQ60/1nT0sv式中 为丝杠的基本导程，初选 =6mm；0L0L最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的 1/21/3，此处s=0.3m/min；sv使用寿命，按 15000h；T运转系数，按一般运转取 1.21.5；f为丝杠转速 ；n01/snvL江西科技学院本科生毕业论文（设计）为丝杠寿命，以 转为 1 单位；L6035.10vns 270366T15.48.1.273mwFfLQ3）滚珠丝杠副的选型纵向滚珠丝杠副几何参数：W1L3506 滚珠丝杠几何参数名 称 符号 计算公式 W1L3506公称直径 0d35导程 L6接触角 34钢球直径（mm） pd3.969滚道法面半径 R0.52qd2.064偏心距 e(/)sin0.056螺纹滚道螺旋升角 0arcLtgd73螺杆外径 d0(.25)q:34螺杆 螺杆内径 110deR30.984江西科技学院本科生毕业论文（设计）螺杆接触直径 zd0coszqd31.042螺母螺纹直径 D2eR39.016螺母 螺母内径 10(.5)qdd:35794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 W1L3506 型外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，1 列2.5 圈，额定动载荷 15400N，精度等级为 1 级， mVp330164）传动效率计算 ()tg式中 为 W1L2005 的螺旋升角， ；73为摩擦角取 滚动摩擦系数 0.0030.004；100.964()(37)tgt5）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，根据最大轴向力 1317.82N，支撑间距 L=750mm。因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。b: 丝杠的拉深或压缩变形 )(1m已知 =1317.82N，D=35mm ， =5mm， ，mF0L1230.984deR江西科技学院本科生毕业论文（设计）420.61E2/Nm式中 是在工作载 作用下引起每一导程的变化量；LmF工作负载，即进给牵引力；滚珠丝杠的导程；0材料弹性摸数，对钢 ； 滚珠丝杠截面积（按内径确E420.61EF定） ；“+”用于拉深， “ ”用于压缩；221.754)98.30(mA滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量 )(103.6751.406.283m01 mLEFc: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 )(2由 pd=3.969mm， 1317.82Nm承载滚珠数量 (个) 3.6915.9.3Z 323 27.80.18.410.61/369.m d: 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 )(m采用 8107 型推力球轴承 d1=35mm滚动体直径 dQ=4.763mm,滚动体数目 Z=12(个） )(104.3/82.13776.4107. 3323 m 定位误差：)(104.26104.3.8106.4v 2-33-3-p3021 所以定位误差小于定位精度 即=0.02410.025滚珠丝杠允许的误差为 ；所选丝杠合格。)(025.m江西科技学院本科生毕业论文（设计）6）压杆稳定性校核滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界负载 KF2zKfEIFL式中 为丝杠材料弹性模量，对钢 ；E 26/10.cmN为截面惯性矩，对丝杠圆截面 ， 为丝杠的内径；I 4Id1为丝杠两支承端距离（cm） ； 为丝杠的支撑方式系数由表 4-13Lzf查出，一端固定，一端简支 2.0444159836cmdI )(.120754.0.222 NlfEIFzk kmk nn6.8.13（一般 ） 此滚珠丝杠不会产生失稳。2.54kn:4、轮进给齿轮箱传动比计算（1）纵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 ；初选步进电机步距0.1p06Lm；可得：.75b；036/()361/(.).8piL可选齿数为：；12/0/52/4iZ或齿数 32 40 20 25江西科技学院本科生毕业论文（设计）2）横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 ；初选步进电机步距0.5pmL60角 ；可得：0.75b；48.360Lip可选齿数为： 40254321Zi因进给运动齿轮受力不大，模数取 212340,5,0Z2.传动齿轮几何参数齿数 24 40 20 25分度圆 dmz64 80 40 50齿顶圆 0268 84 44 54齿根圆 1.5fd59 75 35 45齿宽 (60)m:20 20 20 20中心距 12/Ad72 45江西科技学院本科生毕业论文（设计）分度圆dmz48 80 40 50齿顶圆0252 84 44 54齿根圆1.5fdm42 75 35 45齿宽 (60):20 20 20 20中心距12/Ad64 455、步进电机的计算和选型（1）纵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 为：2()Jkgcm2201()()MsLZGJJg式中 为步进电机转子转动惯量 ；2()kgcm为齿轮 的转动惯量 ；12J、 12Z、 2()为滚珠丝杠转动惯量 ；s kgc所选电机为 150BF002 反应式步进电机，其转子转动惯量： ；210MJkgcm对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式： ；430.781JDL2()kgcm江西科技学院本科生毕业论文（设计）则： 43432110.780.786210.67JdLkgcm22 8943432.5.580ssJ kc10GN代入上式： 2201()()MsLZGJJg2 231.60.67(.9.5()409.8=36.3552）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 ：M起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：；max0f起；2max1/(60)a aJnt；mx/(36)bpnv式中 为快速空载起动力矩 ；M起 ()Ncm为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 ；max ()c为折算到电机轴上的摩擦力矩 ；f ()c由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 ；0 ()Ncm其它符号意义同前。；max240.75/(36)0/in.136bpnv r起动加速时间 ；atms折2 2maxax 250/().31634.56.aMJnt Ncm 江西科技学院本科生毕业论文（设计）算到电机轴上的摩擦力矩 ：fM；00()2zfFLfGLMii式中 为导轨的摩擦力， ；其它参数含义及取值同前，00()zFfG为传动链总效率，一般可取 ，这里取 ；.785:0.8；00().16(30).69722.zfFLfGLMNcmii附加摩擦力矩 ：0；020(1)pLi式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取 ；0pF13mF滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 ；0 0.9其它符号含义取值同上。；02 2015320.6()(1.)5.168pLMNci将数据代入公式：；max04.97.4.f m起快速移动时所需力矩 ：M快；09715.62.()fMNc快最大切削负载时所需力矩 ：切；0ft切式中 折算到电机轴上的切削负载力矩 ； 参数说明同上tM()Ncm02xtFLMi；01340.62.64.1825xfFLci切江西科技学院本科生毕业论文（设计）从上面可以看出， 三种工作情况下，以快速空载起动力矩最大，M切起 快、 和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 ;/0.951JMAX起最大静力矩 ；746./095178.3JMAX按此最大静转矩从附表查出 150BF002 型最大静转矩为 13.72 大大于所需NM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 kFmax10023.6.1zpVH切削时工作频率60.se zp可查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载频率为 2800 运行频率为z800 Hz，再从图 2-7 看出，当步进电机起动时， 时，250fH起，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10MNcm步现象，必须采用升降速控制（用软件实现） ，将起动频率降到 1000Hz 左右时，起动力矩可提高 588.4 c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）当快速运动和切削进给时，从图中看出 150BF002 型步进电机运行矩频特性完全满足要求。（2）纵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 为：2()Jkgcm2201()()MsLZWJJg式中 为步进电机转子转动惯量 ；2()kgcm为齿轮 的转动惯量 ；12、 12、为滚珠丝杠转动惯量 ；sJ 2()所选电机为 150BF 反应式步进电机，其转子转动惯量： 2.10ckgJm对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：；04131d8.70LJ则： ).(2. 2431 cmkg9507802J江西科技学院本科生毕业论文（设计） ).(162508.4107. 23 cmkgJs NG5代入上式： 2201()()MsLZWJJg26.15.697.054.0)(2cmkg2）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 ：M起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：；max0f起；2max1/(60)a aJnt；x/(36)bpnv式中 为快速空载起动力矩 ；M起 ()Nc为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 ；max ()Ncm为折算到电机轴上的摩擦力矩 ；f ()由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 ；0 ()其它符号意义同前。；min)/(67.41305.1360max rvnbp 起动加速时间 ；ts ).(45.62.22axmax cNtnJM折算到电机轴上的摩擦力矩 ：fM；00()2zfFLfWLii江西科技学院本科生毕业论文（设计）式中 为导轨的摩擦力， ；其它参数含义及取值同前，0F0()zFfG为传动链总效率，一般可取 ，这里取 ；.7085:0.8；cmNZLWfZLMf 1432.196.2)4(./2)(/210,10 附加摩擦力矩 ：；020()pFi式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取 ；13mF滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 ；0 0.9其它符号含义取值同上。 )1(23)1(220200 iLFiLFMmP；.965.965.873cN上述三项合计：；).(570214.30max mf 起快速移动时所需力矩 ：M快；).(5214.30cNf 快最大切削负载时所需力矩 ：切；0ft切式中 折算到电机轴上的切削负载力矩 ； 参数说明同上tM()cm02xtFLMiiLFMxftf 200切；)(8.35.196.2314. N从上面可以看出， 三种工作情况下，以最大切削负载时空载切起 快、 和起动力矩最大，查表得：当步进电机为五相十拍时， ，最951.0/maxjqM大静力矩 cmNMj .17895.0/7max按此最大静转距从附表查出 150BF002 型最大静转距为 13.72 cN.，大于所江西科技学院本科生毕业论文（设计）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 kFHzvp305.6101max切削时工作频率 zpse.可查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800Hz，运行频率为 8000Hz,再从图表查出 150BF002 型步进电机起动短频特性和运行短频特性，从图中分析可知当电机起动时频率为 2500Hz,最大静转矩为 100N.cm 远不能满足此机床所要求的空载起动力矩 750.5N.cm 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） ，把起动频率降到 1000Hz 左右时起动力矩可提高588N.cm.然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右，起动力矩可以满足要求。当快速运动和切削进给时，从图中看出 150BF002 型步进电机运行矩频特性完全满足要求。江西科技学院本科生毕业论文（设计）三、数控机床零件加工程序O0321N010 G90G00G92X80,Z10;N020 M03S600;N030 G00X24.Z21;N040 G01X30,Z-2,F10;N050 X30,Z-64;N060 X32,Z-64;N070 X40,Z-120;江西科技学院本科生毕业论文（设计）N080 G02X40,Z-180.I51.96,K-30,F5;N090 G01X40,Z-200,F10;N100 G00X80,Z10;N110 M05T0100;N120 T0200;N130 M03