c620普通车床z向改进说明书解读

1、越规都摩院CHENGDUCHENGDU UNIVERSITYUNIVERSITY方向课程设计说明书设计题目 C620数控进给系统（Z向）改造学 院_专 业 机械设计制造及其自动化 _学生姓名_王 吉 鹏 _学 号 201210111219 年级 2012 级指导教师 张跃华 职称 教授2015年7月机械工程学院机械系摘要】机床作为机械制造业的重要基础装备， 它的发展一直引起人们的关注， 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、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

2、的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资 较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，拥有大量的普通机床。因此，对普通 机床数控化改造不失为一种较好的选 择。【关键词】机电一体化 车床纵向进给系统设计 滚珠丝杠螺母副 步进电动机【 Abstract 】An important basis for machine tool manufacturing industry as a mechanical equipment, its development has aroused peoples attention, CNC machine tools as a typical mechatroni

3、c products, in mechanical manufacturing industry plays a huge role, well solve the modern machinery manufacturing complex structure, high precision, small batch, changeable machining problem and can stabilize the product processing quality, greatly improve production efficiency. But from the current

4、 situation of enterprises face, because the price of CNC machine tools is more expensive, one-time investment is more than the ambassador of the enterprise. China as a big country, with a large number of ordinary machine tool. Therefore, it is a good choice for the general machine tool numerical con

5、trol transformation.【Key words 】Mechanical and electrical integration design of vertical feed system of lathe ball screw nut pair stepping motor45.5目录绪论.第 1 章 机电一体化设计任务总体简介1.1题目 .1.2设计计算内容概括 .1.3 C620 机床原始数据及主要技术参数 .51.4 执行机构传动方式的确定 .6第二章 进给系统机械传动部分的设计计算 .62 .1 确定系统的脉冲当量的设计 .62.2计算切削力 .62.3 计算丝杠的进给牵

6、引力 .62.4 计算丝杠的最大动载荷 .72.5 滚珠丝杠的选型 .82.6 传动效率计算 .92.7 刚度验算 .92.8 稳定性校核 .12第 3 章 机床进给系统步进电机的设计计算与选择 .123.1 减速器传动比的计算 .123.2 负载的等效换算 .133.3 步进电机性能校核 .17第 4 章 机械传动机构的调整和结构的简要说明 .174.1 丝杠进给速度的调节 .174.2 轴向的预紧力的调整及定位 .17结论部分 .18设计体会 .18参考文献 .19绪论机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们 的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的 突破，

7、导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床 数控机床的诞生和发展。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而 多样化的功能引起世人瞩目， 并开创机械产品向机电一体化发展的 先河。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1)适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床 上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2)加工精度高；3)生产效率高；4)减轻劳动强度，改善劳动条件；5)良好的经济效益；6)有利于生产管理的现代化。机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制 装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的

8、普及应用， 数控机床的技术经济效益为大 家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成 为重要方面。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不 可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床， 而我国的旧机床很 多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既 能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的 国情。普通车床数控改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要 内容。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，这次设计是在学 习完“机电一体化系统设计”等专业课程之后进行的一个重要的实 践性教学环节。通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、微机 等知识，进行一次机

9、电结合的全面训练，以培养独立分析问题，解 决问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。 此设计过程为期两 个星期， 在张跃华老师的指导下， 对普通车床进行纵向进给的改造。由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错 误，望老师及同学指点赐教。第一章 机电一体化设计任务总体简介1.1 题目本设计任务是对C620普通车床进行数控改造，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝 杠副。1.2设计计算内容概括：确定进给系统所受的载荷、系统的脉冲当量、运动部件的等效负 载转动惯量及等效负载转矩的计算，滚珠丝杠的选择、各传动零部件 的设计计算、导程的设计、电机

10、的选择、绘制进给系统机械传动部分 的装配图、零件图等1.3C620 机床原始数据及主要技术参数最大共建回转直径：在床身上D=400毫米在床鞍上 D=210毫米最大工件长度 1000 毫米主电动机功率 7.5 千瓦；转速 1450 转/ 分最大进给速度1.0 米/ 分最大快移速度4米/分起动加速时间30毫秒移动部件重量80公斤机床定位精度一 0.015毫米1.4执行机构传动方式的确定由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、 暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠 丝杠螺母副。同时，若直接将电机与滚珠丝杠联

11、必会引起丝杠温度过 高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一使 丝杠速度降低，二则消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有效 减少反向运动死区现象，消隙齿轮箱与丝杠可采用联轴器形式连接， 这样便确定了如下图2-1所示的传动方案。图2-1执行机构传动方案第二章进给系统机械传动部分的设计计算2.1确定系统的脉冲当量的设计一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，是评价数控加工精度的一个技术参数，本次设计任务给出：Z方向（纵向）是0.01mm/脉7中2.2计算切削力切削力的计算方法有多种，既可以根据切屑用量计算，也可以根据主传动功率计算或根据经验公式计算：主切削力FZ(N

12、)按经验公式估算：FZ = 0.67Dm；二 0.67 4001 5360N FZ -5360NDmax 在机床床身上工件的最大回转直径(m)根据经验公式按切削力各分力比例：Fz : Fx: Fy = 1:0.25:0.4取：F 5360 0.25= 1340NF 5360 0.4=2144N2.3计算进给牵引力Fm(N)纵向进给采用综合型导轨，丝杠的进给牵引力为：Fm(NKFx f(Fz G)=1.15 1340 0.15 (5360 800)二 2456N式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K二1.15；f滑动导轨摩擦系数：0.150.18G 溜板及刀架重力：G二m g二80kg

13、10,二800N2.4计算最大动负载Cc = 3 I fw fh Fm,60 n T1000vsL01000 0.5683.37 min60 nT 60 88.3150075.01051(!1000vsn =Lo式中-滚珠丝杠导程，初选 L0=5mmVs -最大切削力下的进给速度， 可取最大进给速度的 （12L 13），此处取 vs =1.0r.min 0.5 = 0.5r min ；T 使用寿命，按15000h ；fw运转系数，按一般运转取fw =1.2 ；L 寿命，以106转为1单位。c = 3 L fw. fh.Fm60 1000 0.6 115000-6 31.2 1 2456L0 1

14、06二 3 1L016640.53初选L0=5mm带入上式得:c =5 16640.53= 9731.5N2.5滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数， 包括：公称直径d、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数k、精度等级等。本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠 副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。4图2-1双螺母螺纹调隙式结构1、2-单螺母3-平键4-调整螺母根据计算的丝杠的最大动载荷，查产品样本，纵向滚珠丝杠副可采用G2505-4内循环固定反相器双螺母滚珠丝杠副，圈数4

15、2，其额定动负载为11825N,额定静载荷为47148N。滚珠丝杠副的额定动载荷大 于其最大动载荷，满足承载能力的要求。2.6传动效率计算滚珠丝杠副的效率为tan( )式中螺旋升角，二arctanLO,(：dO)摩擦角，取10，滚动摩擦系数f= 0.003L 0.004ntan?tan 3.64tan( )tan(3.64 10 60)二 95.6%2.7刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3-1所示，纵向滚珠丝杠副的两端均采用向心推力球轴承，且丝杠进行预拉伸。最大牵 引力为2456N,支承间距L M300MM，丝杠螺母及轴承均进行预紧，1010i0i0=L / L0 L =1.6

16、04 10 1300=0.0417mm预紧力为最大轴向负荷的13图3-1纵向进给系统计算简图2.7.1丝杠的拉伸或压缩变形量受工作载荷Fm作用引起的导程变化量 厶L为:一 Fm L0LL =式中：进给牵引力 Fm二2456 N ,L0二5mm :查出刚才的弹性模量E = 20.6 1 04(N/mm2)，滚珠丝杠的底径截面积2 2d1 3.14 21.76 = 371.7mm2，带入式子得:Fm L02456 5E A 20.6 104 371.7=1.604 10_4mm由于丝杠采用了预拉伸，其拉压强度可以提高4倍，故实际变形量为0.01042mm2.7.2滚珠与螺纹滚道间接触变形2V5 5

17、or ”AO 匸0P0PXZ.J有预紧时Fm= 0.0013： _ 2Vd0Fg2 0.001310 3 0.6 5 818.7 1842 10Fm223= 0.0024 3VdQ Z式中：轴向工作载荷Fg = Fm 3二24563 = 818.7N ,滚珠数量Z二每一圈的滚珠数Z圈数列数=23 4 2=184带入-2表达式得:2456二 0.001582.7.3支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形；3采用向心推力球轴承时2456= 0.00243厂 0.0028mm232总变形量二 123 二 0.01042 0.00158 0.0028二 0.0148mm查第3章表300mm亍程允许的变形量是

18、0.016，故刚好满足要求。42 20.16 106 11005413002二 5295976Nn smaxUskL。4 10005二 800 r min2.8稳定性校核根据临界载荷式中：支承方式系数fz二4,截面惯性矩529597汕 1785 Fm246将数据带入式中得 =二d24 64 二2；76 = 11005.4mm4Fc5295976 K1cNFm246远大于稳定性安全系数nk = 2.5 - 4,故不会失稳。第三章机床进给系统步进电机的设计计算与选择3.1纵向进给减速箱传动比的计算为了使工作台达到4m/min的速度，所需丝杠的转速为;若步进电机的步距角为0.75。，为使工作台达到4

19、m/min的速度，所需的电动机转速为nmmaxVmax2b360400 0.750.01 360.360i SL。选定齿轮的齿数：Z = 24, Z2 =参考同类型机床，取齿轮的模数367960.75 525.2mm其他参数如下。也可以选用同步因此，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 系统的负载惯量尽可能地减小，在步进电动机与丝杠之间采用一级齿 轮机构进行降速转动。设传动比为i,初步选择步进电机的步距角为O.750，贝y：带轮，即电机轴与丝杠之间采用一级同步带传动。3.2负载的等效换算3.2.1负载等效转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量jqkg cm2)可由

20、下式计算:J 厂 JMJ1 L)2(J2Js) G(T)2乙g 2汉式中J.步进电机转子转动惯量(kg cm2)J1、J2 -齿轮乙、Z2的转动惯量(kg cm2)JS-滚珠丝杠转动惯量(kg cm2)。JM J2冷JM二 2.33 4参考同类型机床，初选反应式步进电机 110BYG3503，其转子惯2量 JM - 15.8kg cmj厂 j2 = 0.78 10 4.84 3.14= 1.3kg cm2js = 0.78 1 02.54 1 30 二 3.961kg cm2G = 800N式中a、d2齿轮乙、Z2的分度圆直径;L2、L2-齿轮乙、Z2的齿宽代入上式:24 2JL 二 15.8

21、 1.3 ()2(1.3 3.961)16.155L25=36.836kg cm2验算步进电机与传动系统惯量匹配问题。满足惯量匹配的要求。3.2.2电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算: （1 ）快速空载起动力矩Teq1在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下:Teq1Tm maxTf0丁0TamaxJ LJ L 2 nmmax60ta10一2将前面的数据带入，式中各符号意义同前。JL 2nmmaxTamax60ta10，赵36283310-20.8 60 0.3133.89N cm折算到电机轴上的摩擦力矩Tf 0 :FoLof (FZ W)Lo

22、2 i 2Z1 Z20.16 (5360 800) 0.520.8 25 24二 94.17N.cm附加摩擦力矩T。:丁。=汁-。2)818.67 0.52 3.14 0.8 25 24(1 - 0.92)14.85n cm0-0.9上述三项合计得最大切削负载时所需力矩Teq2_ 1000Vmax60 p1000 4.060 0.01二 6666.7Hz 1600HzTT T Teq2f0fF1L0=Tf Tf 02 i1340 沃 0.5=102.86 17.53 -2 汉 3.14 沃 0.8 沃 2524二 236.98N cm施加在电机轴上的最大等效负载转矩为Teq厂 maxTeqi

23、eq2)= 242.91N.cm从上面计算可以看出，三种工况下，以最大切削负载时所需力矩最大， 此项作为初选步进电动机的依据。3.3步进电机性能校核 3.3.1校核启动转矩 110BYG3503型最大静转矩为20N m。采用三相六拍根据表4-1，步进电机的启动转矩Tq为2Tq =0.866 20 10 -1732N cmTa Teq，满足要求。3.3.2校核运行频率计算空载运行频率fk为:计算切削时的运行频率fg为lOOOVs60 p1OOO 0.460 0.01二 666.7Hz3.3.3校核启动频率根据前面的计算，电机轴上的总转动惯量J21.36kg cm ,电机转2子的转动惯量Jm 5.

24、8kg cm，查产品杨电机的空载启动频率1600HZ.876.61HZ.1 36.836 15.8虽然满足不了带载直接启动的要求，需要采用升降控制，以保证 电机启动时不产生失步现象。进给系统改造的装配图第4章 机械传动机构的调整和结构的简要说明4.1丝杠进给速度的调节由于系统为开环系统，故采用脉冲信号的变化来控制步进电机的 转速，进而通过齿轮箱到丝杠轴， 对大托板的纵向进给速度进行控制。4.2轴向的预紧力的调整及定位由装配图可知，在丝杠轴的两端各装有一对锁紧螺母 （预紧螺母）， 可有这对螺母对丝杠轴的轴向预紧进行调整，并起到定位作用。每组 支承部件的另一端，即与锁紧螺母对应的那端采用端盖定位。在丝杠 副的一端也采用端盖定位，另一端为锁紧螺母，既预紧又定位。结论部分经过计算、校核、设计，表明改造任务的初步设计合理，数据准 确，现改造方案已设计成图纸见装配图。该改造设计相对普通车床来说，提高了自动化程度，加入了计算 机控制，操作、结构简单化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。 但是设计者由于能力有限，经验寒