CA6140车床纵向系统设计说明书

1、. . . . 综合作业姓名：尚浪专业：机电一体化指导老师：黄新燕设计题目：普通车床数控化改造2011年 5月 5 日目录摘要与关键词3正文4前言部分4本论部分5第1章绪论51.1机床机电一体化改造总体方案的设计51.2开环伺服进给系统机械部分设计5第2章机床机电一体化改造总体方案的设计62.1 课程设计任务书62.2 总体方案设计7第3章开环伺服进给系统机械部分设计93.1 确定系统脉冲当量93.2 计算切削力93.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）93.4 齿轮传动比计算143.5 步进电动机的计算和选型14第4章 机械传动机构的调整和结构的简要说明194.1 丝杠进给速度的调节

2、194.2 轴向的预紧力的调整与定位19结论部分19设计体会20参考文献21摘要与关键词摘要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 开环控制纵向进给系统设计 滚珠丝杠螺母副 步进电动机正文前言部分计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数

3、控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率和投入成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。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容。作为机械设计制造与其自动化专业的学生，这次设计是本人在学习完“机电一体化系统设计”、“数控机床”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。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，望各位老师与同学指点赐教。不胜感激。计 算 与 说 明结果本论部分第1章绪论1.1机床机

4、电一体化改造总体方案的设计1.1.1课程设计任务书（1）题目（2）原始数据（3）主要技术参数（4）课程设计的容与要求1.1.2总体方案设计（1）系统的运动方式的确定（2）伺服系统的选择（3）执行机构传动方式的确定（4）数控系统的选择1.2开环伺服进给系统机械部分设计1.2.1确定系统脉冲当量1.2.2计算切削力1.2.3滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）（1）计算进给牵引力（2）计算最大动负载（3）滚珠丝杠螺母副的选型（4）传动效率计算（5）刚度计算（6）稳定性校核计 算 与 说 明结果1.2.4齿轮传动比计算1.2.5步进电动机的计算和选型（1）等效转动惯量的计算（2）电机力矩计算（3

5、）计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率1.2.6设计绘制伺服进给系统机械装配图第2章机床机电一体化改造总体方案的设计2.1 课程设计任务书2.1.1题目：普通车床的机电一体化改造开环控制纵向进给系统设计2.1.2原始数据：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2.1.3主要技术参数（均为纵向）：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0.015毫米2.1.4课程设计的容与要求：对CK6150型普通车床纵向进给系统进行数控改造，主要设

6、计容与要求如下：（1）采用开环控制，选择合适的数控系统并确定伺服传动系统方案；（2）设计改造后数控车床纵向伺服进给系统原理框图；计 算 与 说 明结果（3）设计绘制改造后数控车床纵向伺服进给系统装配图（0号图纸一）；（4）设计绘制主要零件图一;（5）撰写设计计算说明书一份，正文字数不少于5000字，设计说明书应包含如下容：设计任务书；目录；摘要与关键词；前言；正文：包括方案设计与比较论证、理论分析计算、主要机构设计说明与简图等；小结；参考文献。设计说明书语言要流畅，书写要工整。2.2总体方案设计2.2.1系统的运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

7、、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。2.2.2伺服系统的选择应任务书的要求，采用步进电机开环控制系统。2.2.3执行机构传动方式的确定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。电机消隙齿轮箱滚珠丝杠螺母副工作台图2-1 执行机构传动方案计 算 与 说 明结果2.2.4数控系统的选择根据机床要求，本

8、着经济耐用的原则，确定采用8位机。MCS51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。由于MCS51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，故对于简单的应用场合，MCS51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足开环控制的要求。8031单片机含4kb EEPROM 程序存储器，具有功耗低、抗干扰能力强的特点，数据存储器WM0016DRH是一种多功能非易失性SRAM，8031单片机高速高抗干扰自保持，不怕掉电，上下电百万次数据无丢失，断电保护，既可高速连续读写，也可任意地址单字节操作，无需拼凑页面，随机读写不需等待，立即有效，输入输出TTL/CMOS兼

9、容，上电复位输出，掉电保护，置看门狗，电源监测，不用外加电路和电池，且引脚与标准SRAM兼容。8031单片机价格低，使用灵活，其特点具具体如下：（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2）片有时钟发生电路（6MH或12MH）；（3）片具有128字节的RAM；（4）具有21个特殊寄存器。（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；（6）具有4个I/O口，32根I/O线；（7）具有2个16位定时器/计数器；（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可看出这种8031芯片集成度高、功能强，

10、只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。故应选用8031单片机。选用8031单片机计 算 与 说 明结果第3章开环伺服进给系统机械部分设计3.1确定系统脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向0.005mm/步。3.2计算切削力确定切削力（纵车外圆）：主切削力按经验公式估算：按切削力各分力比例：取：3.3滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）3.3.1计算进给牵引力纵向进给为综合型导轨式中考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取；滑动导轨摩擦系数：溜板与刀架重力：3.3.2计算最大动负载计 算 与 说 明结果式中滚珠丝杠导程，初选；最大切削力下的进给速度，可

11、取最大进给速度的（），此处取；使用寿命，按；运转系数，按一般运转取；寿命，以转为1单位。3.3.3滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录A表A-2，可采用外循环螺纹调整浴巾的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为164000N，进度等级按表4-6选为3级（大致相当于老标准E级）。3.3.4传动效率计算式中螺旋升角，摩擦角，取，滚动摩擦系数计 算 与 说 明结果3.3.5刚度计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。最大牵引力为2530N，支承间距，丝杠螺母与轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。图3-1 纵向进给系统计算简图（1）丝杠的拉伸或压缩变形量查综合作业指导书P50，图

12、3-17,根据，查出，可算出由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为：mm（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书P50，W系列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量，因进行预紧，。计 算 与 说 明结果（3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用51107（旧代号为8107）型推力球轴承，滚动体直径，滚动体数量z=18。注：此公式中的单位应为kgf。因施加预紧力，故据以上计算：3.3.6 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。3.3.7纵向滚珠丝杠副的几何参数，如下表3-1。表3-1 滚珠丝杠的几何参数名称符

13、号参数螺纹滚道公称直径40导程6接触角钢球直径(mm)3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺纹升角螺杆螺杆外径39螺杆径35.984螺杆接触直径36.0355螺母螺母螺纹直径44.016螺母径40.7938计 算 与 说 明结果3.4齿轮传动比计算已取得纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电动机步距角。可计算出传动比可选定齿轮齿数为：故，取，模数取2.5。有关参数表3-2。表3-2 传动齿轮的几何参数齿 轮 编 号齿数363624分度圆909060齿顶圆959560齿根圆83.7583.7553.75齿宽252525中心距90703.5步进电动机的计算和选型3.5.1等效转动惯

14、量计算计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：计算与说明结果3.5.2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：将前面的数据带入，式中各符号意义同前。起动加速时间折算到电机轴上的摩擦力矩：附加摩擦力矩：计 算 与 说 明结果上述三项合计：（2）快速移动时所需力矩（3）最大切削负载时所需力矩从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，此项作为初选步进电动机的依据。从综合作业指导书P56，当步进电动机为三相六拍时，。最大静力矩。按此最大静转矩

15、从下表3-3（由网址 和 sihaidj./Production/StepMotion/350/110.asp）查出，110BYG3503型最大静转矩为。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性。 如下表3-3所示。计 算 与 说 明结果3.5.3计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率从上表3-3查出110BYG3503型步进电动机空载起动频率为，图3-2（hx-motor./docc/product2.htm）查出运行频率为，且根据下图3-2）蓝色背景区所示可知其运行距频特性。表3-3110BYG350系列电机的技术参数型 号步距角相数

16、电压线电流静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量机身长单 位度VAN.mKHZKHZ（kg.cm2)（mm)110BYG35010.63110-2205121600=3011144110BYG35020.63110-2205161600=3015182110BYG35030.63110-2205201600=3018261图3-2 110BYG3503型步进电动机矩频特性计 算 与 说 明结果从图3-2看出，当步进电动机起动时，若，则，能满足此机床所要求的空载起动力矩可直接起动。当快速运动和切削进给时，根据图3-2，步进电动机运行矩频特性知，时，左右，大于，完全可以满足要求。第4章 机械传动机

17、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与定位由装配图可知，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（图01）和零件图（图02）。该改造设计相对普通车床来说，提高了自

18、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，经验寒酸，时间紧迫，设计与图纸中难免有不妥甚至是重大错误，望老师和同学指正。设计体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次课程设计，我感慨颇多。在整整三星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是总体来讲，效果还是很好的，不仅巩固了以前所学的知识，还学到了很多在书本上无法学到的知识。整个设计过程不能说是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，和第一次课程设计相比，力不从心的感觉不再那么强烈，但在设计的过程中还是发现了自己许多不足之处，使自己认识到对以前所学知识理解得不够