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毕业设计

1、江西科技学院本科生毕业论文（设计） 准考证号：010610300531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： 09机电四（2）班 学生姓名： 张添胤 指导老师： 程宪文 完成日期： 2012年11月5号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

2、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 日指 导 教 师 评 语 建议成绩：优 良 中 及格 不及格指导教师签字： 年 月 日 最终评定成绩： 优 良 中 及格 不及格系主任签字： 年

3、月 日目 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

4、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。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

5、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。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

6、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。

7、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 按切削力各分力比例： 得：=1873(N)=2996(N)2）.横切端面主切削力=3745.5(N)按切削力各分力比例： =936(N)=1498(N) 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

8、）纵车外圆主切削力(N)按经验公式估算： 按切削力个分力比例： =702.225(N)=1123.56(N) 2）横切端面主切削力可取纵切的此时走刀抗力(N)，吃刀抗力(N)，仍按上述比例粗略计算： =351.11(N)=561.78(N)3、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)按纵向进给为综合型导轨式中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0.150.18G溜板及刀架重力1000N则 2）计算最大动负载Q 式中 L 为丝杠寿命，以转为1单位。 运转系数，按一般运转取1.21.5； 最大切削力条件下的进给速度，可

9、取最大进给速度的1/21/3；此处=0.6mmT 使用寿命，按15000h； 为丝杠的基本导程，初选=6mm；（m/min） 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：采用外循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷16400N，精度等级按表2-12选为1级。 4）传动效率计算式中为的螺旋升角，；为摩擦角取滚动摩擦系数0.0030.004； 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，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。a: 丝杠的拉伸或

10、压缩变形 已知=2532N，D=40mm，=6mm，=35.984mm，式中 是在工作载作用下引起每一导程的变化量； 工作负载，即进给牵引力；滚珠丝杠的导程； 材料弹性摸数，对钢；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=丝杠导程的变化量滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量 b: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形由dp=3.969mm，=253kgf承载滚珠数量 (个) 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 纵向滚珠丝杠副几何参数 滚珠丝杠几何参数名 称符号计算公式螺纹滚道公称直径40导程6接触角钢球直径（mm）3.969滚道法面半径2.064

11、偏心距0.056螺旋升角螺杆螺杆外径24.3螺杆内径21.78螺杆接触直径21.83螺母螺母螺纹直径28.22螺母内径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；滚动体直径=6.35；滚动体数量Z=18又 定位误差 = =0.01560.02mm 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；滑动导轨摩擦系数：=0.2；G溜板及刀架重力，G=550N。则: 2）计算最大动负载Q 式中 为丝杠的基本导程，初选

12、=6mm； 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=0.3m/min； 使用寿命，按15000h； 运转系数，按一般运转取1.21.5； 为丝杠转速； 为丝杠寿命，以转为1单位； 3）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螺纹滚道公称直径35导程6接触角钢球直径（mm）3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺旋升角螺杆螺杆外径34螺杆内径30.984螺杆接触直径31.042螺母螺母螺纹直径39.016螺母内径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

13、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，4）传动效率计算式中为W1L2005的螺旋升角，；为摩擦角取滚动摩擦系数0.0030.004；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，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 已知=1317.82N，D=35mm，=5mm，式中 是在工作载作用下引起每一导程的变化量； 工作负载，即进给牵引力； 滚珠丝杠的导程； 材料弹性摸数，对钢；滚珠丝杠截面积（按内径确定）；“+”用于拉深，

14、“”用于压缩；滚珠丝杠总长度上的拉深或压缩变形量c: 滚珠与螺纹滚道间的接触变形由=3.969mm，1317.82N承载滚珠数量(个) d: 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 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）定位误差： 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。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。失稳时的临界负载式中 为丝杠材料弹性模量，对钢； 为截面惯性矩，对丝杠圆截面，为丝杠的内径； 为丝杠两支承端距离（cm

15、）；为丝杠的支撑方式系数由表4-13查出，一端固定，一端简支 （一般） 此滚珠丝杠不会产生失稳。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；可得：； 可选齿数为：；齿数32402025分度圆64804050齿顶圆68844454齿根圆59753545齿宽20202020中心距7245 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；初选步进电机步距角；可得：；可选齿数为：因进给运动齿轮受力不大，模数取22.传动齿轮几何参数齿数24402025分度圆48804050齿顶圆52844454齿根圆42753545齿

16、宽20202020中心距64455、 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：式中 为步进电机转子转动惯量； 为齿轮的转动惯量； 为滚珠丝杠转动惯量；所选电机为150BF002反应式步进电机，其转子转动惯量： ；对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：；则：代入上式： =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：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：；式中 为快速空载起动力矩； 为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩； 为折算到电机

17、轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；其它符号意义同前。；起动加速时间；折算到电机轴上的摩擦力矩：；式中 为导轨的摩擦力，；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； ；附加摩擦力矩：；式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取； 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。；将数据代入公式：；快速移动时所需力矩：；最大切削负载时所需力矩：；式中折算到电机轴上的切削负载力矩；参数说明同上；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，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; 最大静力矩；按此最大静转矩从附表查出150BF0

18、02型最大静转矩为13.72 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切削时工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载频率为2800运行频率为800，再从图2-7看出，当步进电机起动时，时，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1000Hz左右时，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。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

19、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： 式中 为步进电机转子转动惯量； 为齿轮的转动惯量； 为滚珠丝杠转动惯量；所选电机为150BF反应式步进电机，其转子转动惯量： 对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：； 则：代入上式： 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：；式中 为快速空载起动力矩； 为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩； 为折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦

20、力矩；其它符号意义同前。；起动加速时间；折算到电机轴上的摩擦力矩：；式中 为导轨的摩擦力，；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； ；附加摩擦力矩：；式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取； 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。 ；上述三项合计：；快速移动时所需力矩：；最大切削负载时所需力矩：；式中折算到电机轴上的切削负载力矩；参数说明同上；从上面可以看出，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，最大静力矩按此最大静转距从附表查出150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距。可作为初选型号。但还必须进

21、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切削时工作频率可查出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

22、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。 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;N080 G02X40,Z-180.I51.96,K-30,F5;N090 G01X40,Z-200,F10;N100 G00X80,Z10;N110 M05T0100;N120 T0200;N130 M03S100;N140 G01X34,Z-64;N150 X26,Z-64;N160 G00X34,Z-64;N170 X80,Z10;N180 M05T0200;N190 T0300;N200 M03S50;N210 G00X28.402,Z10;N220 G33Z-64,F2;N230 G00X34.402;N240 X80,Z10;N259 X27,.602,Z10;N260 G33Z-62,F2N