机电一体化课程C6140数控车床纵向进给传动机构综述

1、C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计设计说明书一、绪论31. 机床数控改造的意义32. 数控改造的主要内容33. 车床数控改造的必要性与可行性4二、课题任务及要求41.题目：C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计42 .主要技术要求4三、进给系统的改造与设计方案5四、纵向进给系统的设计计算51. 脉冲当量的确定52. 切削力的计算53. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型64. 同步带减速箱的设计75. 步进电机的计算与选型96. 同步带传递功率的校核13五、绘制进给系统的装配图13六、控制系统的硬件电路设计14七、步进电机驱动电源选用1719八、总结、绪论1. 机床数控改造的意义普通卧

2、式车床应用广泛，约占车床类总数的 65%卧式车床主轴转速和进给 量的调整范围大，工艺范围广，能进行多种表面的加工。但其结构也有不足之处， 如刚度低，抗震性差，传动件间存在间隙，精度不足，且受操作人员技能的限制 较大。而数控机床作为机电一体化的典型产品， 在机械制造业中发挥着巨大的作 用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、尺寸多变零件的加 工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临 的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大而使中小型企业心有余而力不 足。而机床的数控化改造由于其投资少、周期短，改造后能满足企业生产的需要， 并且能有效地利用机床的剩余

3、价值，成为中小型企业的首选。a. 节省资金机床的数控改造同购置新机床费相比， 一般可节省40%60%的费用，大 型及特殊设备尤为明显。一般机床改造只需花新机床购置费的 1/3，即使将原机 床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用 车间现有的基础。b. 性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。c. 提高生产效率机床经数控改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高 37 倍。对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不 仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。2. 数控改造的主要内容对卧式车床进行改造，

4、主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能 独立运动的进给伺服系统；将手动的刀架换成能自动换刀的电动刀架。 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、切削次序和刀具都可以按程序自动进行调节和更换， 再加上纵、横 向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的的回转零 件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。3. 车床数控改造的必要性与可行性数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现 代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国 企业机械制造整体水平与发达国家

5、相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另 外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分 进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不 能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%,各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为 节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。二、课题任务及要求1. 题目:C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计2 主要技术要求：床身最大

6、加工直径为400mm最大加工长度1000mmZ向脉冲当量 6z=0.01mm/脉冲；Z方向最快移动速度 vmax=6000mm/min；Z方向最快工作速度 vmaxf=800mm/min；Z方向定位精度+-0.02mm；可以车削柱面、平面、锥面与球面等；安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信 号;(11) 自动控制冷却泵的起/停;(12) 安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；(13) 纵、横向安装限位开关；(14) 数控系统可与PC机串行通信；(15)

7、显示界面采用LED数码管，。三、进给系统的改造与设计方案1 拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。2 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速总 成。3 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杆 的螺母座与螺母座托架。4. 拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。5 拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘附近的两个推 力轴承，换上滚珠丝杆副。6 将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚 珠丝杠的轴头相联。7.拆去三杠(丝杠、光杠与操纵杠)，列换丝杠的右支承。四、纵向进给系统的设计计算纵

8、向传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。1. 脉冲当量的确定根据设计任务的要求，Z方向(纵向)为z=0.01mm/脉冲。2. 切削力的计算设工件为碳素结构钢，-b=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15 ;刀具 几何参数为：主偏角=60 ,前角。=10 ,刃倾角=-5 ；切削用量为：背吃 刀量 ap=3mm 进给量 f=0.6mm/r,切削速度 Vc=105m/min。查表得：Cfc=2795,x fc=1.0,y fc=0.75,n fc=-0.15.查表得：主偏角修正系数kr的修正系数kkrFc =0.94 ；刃倾角

9、、前角和刀尖 圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式，算得主切削力 Fc=5673.4N。由经验公式Fc：Ff：Fp=1:0.35:0.4, 算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力Fp=1069.36。3. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型工作载荷 Fm的计算 已知移动部件总重 G=1300N车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N，根据Fz=FC,Fy=Fp,Fx=Ff 的对应关系，可得：Fz=2673.4N,Fy=1069.36N,Fx=935.69N。选用矩形三角形组合滑动导轨，查表 得，取 K=1.15,心0.16，代入 Fm=K+%Fx+G),得工作载荷 Fm 171

10、2N最大载荷FQ的计算设本机床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min,初选丝杆基本导程 Ph=6mm则此时丝杆转速n=1000v/Ph 133r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入Lc=60nT/106,得丝杆寿命系数Lo=119.7 (单位为:106r )。查表知，取载荷系数fw=1.15，再取硬度系数，fH=1,求得最大动载荷为FcF3L)f Wf HFm 9730N。初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表知，选择启东润泽机床附件有限 公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。其公称直径为 40mm基本导程为6mm双螺 母滚珠总圈数为3X 2圈=6圈，精

11、度等级取4级，额定动载荷为13200N,满足要 求。传动效率耳的计算 将公称直径do=40mm基本导程PH=6mm 代入-=arctanPh/( n d。)，得丝杆螺旋升角=2 44 。将摩擦角=10，代入=tan /tan( + ),得传动效率=94.2%刚度的验算 纵向滚珠丝杆的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一 对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端固定后，左、右支承的中心距 离约为a=1479mm钢的弹性模量为E=2.1 X 105MPa查表知，滚珠直径D=3.9688mm算得丝杆底径d2%称直径dO-滚珠直径d=36.0312mm则丝杆载 面积 S=n d22

12、/4=1019.64mm。算得丝杆在工作载荷Fm乍用下产生的拉/压变形量：i=Fm/（ES） 0.01197mm 根据公式Z=（ n d0/Dw）-3，求得单圈滚珠数目Z=29;该型号丝杠为双螺母， 滚珠总圈数为3X 2=6,则滚珠总数量为Z =29X 6=174。滚珠丝杆预紧时，取轴 向预紧力Fyj=F/3571N,由相关公式计算，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 在0.00117mm因为丝杆有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形是可减小一产，=取、2=0.000585mm 将以上计算出的；1和：2代入:.总=1 + 2，求得丝杆总变形量（对应跨度1497mm 抵、=0.012555m

13、m=12.555m。查表知，4级精度滚珠丝杆任意300mm由向行程内的变动量允许16m,而对于 跨度为1497mm勺滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555可见丝杆刚度足够。压杆稳定性的校核 根据相关公式计算失稳时的临界载荷 Fk。查表知，取支 撑系数fk=2;由丝杠底径d2=36.0312mm 求得载面惯性矩 匸n d24/64 82734.15mm；压杆稳定安全系数取 K=3 （丝杆卧式水平安装）：滚动螺母轴向固 定处的距离a取最大值1497mm代入相关公式，得临界载荷 Fk - 51012N，远大 于在工作载荷Fm （1712N，故丝杆不会失稳。综上述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.

14、同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的转动惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动。设计同步带减速箱需要的数据有：带输送的功率P;主动轮转速m和传动比i ; 传动系统位置和工作条件等。根据改造经验，CA6140车床纵向步进电动机的最大静转矩约在15-25N m之间选择。今初选电动机型号为 130BYG5501五相混合式，最大静转矩为20Nm十拍驱动时步距角为0.72 。传动比i的确定已知电动机的步距角为：=0.72 ,脉冲当量.z=0.01mm脉冲，滚珠丝杆导程Ph=6mm据相关公式算得传动比为i=1.2。主动轮最高转速ni由纵向床鞍的最快移动速度 vz

15、max=6000mm/min可以算 出主动轮最高转速 ni=(vzmax/ -z) x ： /360=1200r/min。确定带的设计功率Pd预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为 fmax=1200x 360/ (60X ) =1200x 360/ (60x 0.72 ) Hz=10000Hz查表得：当脉动冲当量为10000Hz时，电动机的输出转矩为3.8N m对应的输出功率为 Put=m/9.55=1200 x 3.8/9.55W 478W 今取 P=0.478Kw,查表取工作情况系数KA=1.2,则由相关计算公式，求得带的设计功率Pd=K,P=1.2x 0.4

16、78Kw=0.574kw。选择带型和节距 Pb根据带的设计功率 Pd=0.574kw和主动轮最高转速n1=1200r/min，根据相关数据选择同步带，型号为L型节距R=9.525mm确定小带轮齿数Z1和小速轮节圆直径d1取乙=15，则小带轮节圆直径d1=FbZ1/ n =45.48。当 m达最高转速1200r/min 时，同步带的速度为 v= n dm1/60 x 1000=2.86m/s，没有超过L型带的极限速度35m/s。确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数z2=iz 1=18,节圆直径 d2=id 1=54.57mm初选中心距ao、带的节线长度lop、带的齿数Zb初选中心距a

17、o=1.1(d1+d2) =110.46mm圆整后取 ao=110mm则带的节线长度为 Lop2ao+n(d1+cb)+(d2-d 1)/4a 0=377.33mm查表，选取接近的标准节线长度 Lp=381mm, 相应齿数Zb=40。计算实际中心距 a 实际中心距aao+(Lp-Lop)/2=111.835mm。2校验带与小带轮的齿合齿数 zm z m=entz1/2-p bZi x (z2-zi)/2 n a=7 ,啮合齿数比6大，满足要求。此处ent表示取整。计算基准额定功率P0(所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定2功率)：P 0= (Ta-mv) v/1000式中T a带宽为bs

18、0时的许用工作拉力，查表知 Ta=244.46N;M 带宽为bs0时的单位长度的质量，查表得 m=0.095kg/m；V同步带的带速，由知，v=2.86m/s。算得 Pc=0.697kWA(11) 确定实际所需同步带宽度bs1/1.14bsbs0(P d/KzR)式中bso选定型号的基准宽度，查表得 bso=25.4mmK z小带轮子啮合齿数系数，查表得 Kz=1。由上式算得bs兰21.42mm再查表选定最接近的带宽 bs=25.4mm(12) 带的工作能力验算根据相关公式，计算同步带额定功率 P的精确值：2-3P=(KzKWTa-bsmv/b so)v x 10式中Kw为齿宽系数：Kw=1。

19、经计算得P=0.697Kw,而Pd=0.574Kw,满足P Pd。因此带的工作能力合格。5. 步进电机的计算与选型计算加在步进电机电动轴转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杆的公称直径为do=40mm总长(带接杆)l=1560mm 导程 Ph=6mm材料密度P=7.85 x3310 kg/cm ;纵向移动总重量 G=1300N同步带减速箱大带轮宽度28mm节径54.57mm孔径30mm轮毂外径42mm宽度14mm小带轮宽度28mm节径45.48mm,孔径19mm轮毂处径29mm宽度12mm传动比i=1.2 。查表知，可以算得各个零部件的转动惯量得如下，具体的计算过程如下(具体2的计算过程略)：

20、滚珠丝杆的转动惯量为 Js=30.78kg/cm ;床鞍折算到丝杆上的2 2转动惯量为Jw=1.21 kg/ cm ;小带轮的转动惯量为 Jzi=0.95 kg/ cm ;大带轮的2转动惯量为Jz2=1.99 kg/ cm 。在设计减速箱时，初选的纵向步进电动的型号为2130BYG5501查表得知该型号电动机转子的转动惯量Jm=33 kg/ cm。则加在步进电动机的总惯量为：2 2Jeq=Jm+Jzi+(J z2+Jw+Js)/i=57.55 kg/ cm计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载和承受最大工作负载两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所需承受的负载转矩Teq

21、l由相关公式知，Teql包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速度Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 Tf、滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的 附加摩擦转矩T。因为滚珠丝杆副传动效率很高，根据相关公式知，T0相对于Tamax和 Tf很小，可以忽略不计。则有：Teql =Tamax+Tf根据相关公式，考虑纵向传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：Tama=2 n Jeq nn/60t a式中nm对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/mi n ；t a步进电机同静止到加速至 nm转速所用的时间，单位为s。其中：N=V

22、naQ/360 6式中：vmax纵向空载移动最快速度，任务书指定为6000mm/mir;a纵向步进电动机步距角，为 0.72 ;:.纵向脉冲当量，=0.01mm脉冲。将以上各值代入得，N=1200r/min。设步进电动机由静止到加速至 nm转速所需要的时间为ta=0.4s，纵向传动链总效率=0.7 ;则由相关公式可以得：-4Tama=2n X 57.55 X 10 X 1200/60 X 0.4 X 0.7N m 2.58N m由相关公式得，移动件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf=P(F c+G)Fh/2 n 叫式中卩一一导轨的摩擦因数，滑动导轨取 0.16 ;Fc垂直方向的工作负

23、载，空载时取0;纵向传动链总效率，取0.7。则由相关公式得：Tf=0.16 X (0+1300) X 0.006/2 n X 0.7 X 1.2N m 0.24 N m最后可以得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq=Tamax+Tf =2.82N m 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由相关公式得，Te2包括3部分：折算到电动机转轴上最大工作负载转矩 Tt、移动部件运动时折算到 电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转 矩To。To相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq2=T +T7已知进给方向的最大工作载荷 Ff=93

24、5.69N,则有：FfPh/2 n W=1.06N m计算在承受最大工作负载(Fc=2673.4)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf =i(Fc+G)Ph/2 n i=0.72 N m最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的的负载转矩：Teq2= T t+ T f经过上述计算后，得到加在步进电动机上转轴上的最大等效负载转矩：Teq=max Teqi+ Teq2=2.82 N m步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安系数K=4,则步

25、进电机的最大静转矩应满足：Tjmax 4 Teq=11.28 N m对于前面预选的130BYG550型步进电动机，其最大静转矩 Tjmax=20N- m可以 满足要求。步进电动机的性能较核 最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给出纵向最快工进速度vmaxf=800mm/min脉冲当量=0.01mm/脉冲，由相关公式得求出电动机对应的运 行频率 f maxf=800/ (60 X 0.01 ) Hz=1333Hz 从 130BYG5501的运行频率图可知， 在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf17N- m远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78N m,满足要求。 最快空载移动时电动机输出转

26、矩校核任务书给出最快空载移动速度Vmax=6000r/min,求出电动机对应的运行频率 f ma)=6000X (60 X 0.01 ) Hz=10000Hz, 在此频率下，电动机的输出转矩Tma=3.8N m,大于空载起动时的负载转矩Teq1=2.82N m,满足要求。 最快空载移动时电动机运行频率较核最快空载移动速度Vna=6000r/min, 对应电动机运行频率fma=10000Hz=查表知130BYG5501型步进电动机的极限运行频率为20000Hz,所以，没有超出上限。2 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jep=57.55kg.cm ,电动机2转子自身的转动惯量Jm=33

27、kg.cm，查表知，电动机转轴不带任何负载时的最高 空载起动频率为fq=1800Hz,可以算出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL=1087Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都不得小于1087Hz实际上在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s ）。综上所述，纵向进给系统，选用130BYG550步进电机，可以满足设计要求。6. 同步带传递功率的校核分两种工作情况，分别进行较核。快速空载起动 电动机从静止到加速至nm=1200r/min，由相关公式得知，同 步带传递的负载转矩 Teq1=2.82N m,传递的功率为 P=nTeq1

28、/9.55=1200 X 2.82/9.55W 354.3W。最大工作负载、最快工作速度由相关公式可知，同步带传递的负载转矩Teq2=1.78N m任务书 给出最快工作 速度 vmaxf=800mm/min对应 电动机转速 nmaxf=（vmaxf/、z） ： /360=160r/min 。 传递的 功率为 P=rmaxfTeq2/9.55=160 X 1.78/9.55W 29.8W。可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697KW。因此，选择的同步带功率合格。五、绘制进给系统的装配图在完成滚珠丝杆螺母副、减速箱和步进电动机的计算和选型后，就要绘制进给传动系统机构的装配图

29、了。在绘制装配图时，应注意以下问题。1. 了解床身结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等结构尺寸。2. 根据载荷特点和支承形式，确定丝杆两端轴承型号、支承座的结构，以及轴承的预紧和调查节方式。3. 考虑各部件之间的定位、联结和调整方法。4. 考虑密封、防护、润滑及安全机构等问题。5. 在进行各零部件的设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。6. 注意绘制图纸的一些基本要求。附：纵向进给传动机构图六、控制系统的硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1. 接收键盘数据，控制LED显示；2. 接受操作面板的开关与按钮信号；3

30、. 接收车床限位开关信号；4. 接收螺纹编码器信号；5. 接收电动卡盘夹紧信号和电动刀架刀位信号；6. 控制X、Z向步进电动机的驱动器；7. 控制主轴的正转、反转与停止；8. 控制多速电机，实现主轴有级变速；9. 控制交流变频器，实现主轴无级变速；10. 控制切削液泵起动/停止；11. 控制电动卡盘的夹紧与松开；12. 近制电动刀架的自动选刀；13. 与PC机的串行通信。附：控制系统原理图下图为控制系统的原理框图。CPU选用ATME公司的8位单片机AT89S52 由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROMS片W27C51用做程序 存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM5片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用827