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C6150普通車床數(shù)控改造 第一章 總體方案設(shè)計(jì) 1-1設(shè)計(jì)目的： 本設(shè)計(jì)是針對CA6150普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。 對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 1-2總體方案確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，車床的橫向、縱向（Z軸）進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪、滾珠絲杠副、滑板的傳動方式。由8031單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向進(jìn)給運(yùn)動。 1-3機(jī)械改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用 ，齒輪減速機(jī)構(gòu)的計(jì)算與選擇，進(jìn)給系統(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選擇 第二章 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用 2-1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī) 床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6150的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量pf為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為 pf=0.005mm/step。 2-2縱向進(jìn)給系統(tǒng)切削力與滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件 工作臺重量：W=80kg=800N 時(shí)間常量： T=25ms 行 程： s=950mm 步 距 角： 2=0.75o/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=0.5m/ms 脈沖當(dāng)量： pf=0.01mm/step（縱向） 1、切削力的計(jì)算 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊可知，切削功率 Pc=Pk 主電機(jī)功率 : p= 5.5 kw 主傳動系統(tǒng)總效率：=0.8 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)：K=0.96 Pc=Pk=5.50.80.96=4.224kw 縱車外圓： 計(jì)算切削力F Fz——主切削力； V——切削速度； 由Pc=Fz v0.001/60 可知 Fz=1267.2N 按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy =1：0.5：0.6 Fx=0.5Fz=0.51267.2=633.6N Fy =0.6Fz =0.61267.2=760.32N G=800N 2、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與選擇 （1）、計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型號有關(guān)。 縱向進(jìn)給的綜合導(dǎo)軌 Fm =KFx +f′(Fz +G)=1.15633.6+0.16(1267.2+800)= 1059.392N 式中K－考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； f’－滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0.18，f’=0.16； G－溜板幾倒架重力：G=800N Fx、Fz—切削分力 FQ=fwfhFp n=vf 1000/DL0 式中 L0－滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=6mm; T－使用壽命，按15000h； fw－運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2～1.5； L-壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位 n - 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 當(dāng)機(jī)床以線速度v=150，進(jìn)給量f=0.2mm/r，車削直徑 D=100mm的外圓時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為 n=vf 1000/DL0 =1500.21000/3.146100=15.92r/min = 6015.9215000/1000000=14.33萬r 根據(jù)工作負(fù)載Fp、壽命L計(jì)算出滾珠絲杠承受的最大動負(fù)荷取 fw=1.5，fh=1 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N （2） 滾珠絲杠杠螺母副的選型 由計(jì)算出的C在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5 已確定得型號：FFZD 公稱直徑：40，導(dǎo)程：5 螺紋長度1290，絲杠長度1410 P類3級精度 所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P3/14101290 （3）傳動效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：η= 式中 —螺旋升角, =339′ --摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004 將各數(shù)據(jù)帶入上式得：η== （4）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計(jì)算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不作計(jì)算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為2559 N.軸承支撐間距=1500㎜，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。 式中E為彈性模量，鋼E=20.610 N/c㎡ S為滾珠絲杠截面積，(按絲杠螺紋底徑確定，d1=2.77cm) —代表：+表示拉伸，-表示壓縮 滾珠絲杠一米長度上導(dǎo)程變形總誤差 3級精度絲杠允許的螺距誤差為15um/1m，故剛度足夠。 2-3橫向進(jìn)給系統(tǒng)切削力與滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）橫切端面切削力的計(jì)算： 主切削力可取縱切的0.5： =0.5Fz=0.51267.2=633.6N 此時(shí)走刀抗力，吃刀抗力。 按照：：=1：0.5：0.6 計(jì)算=633.60.5=316.8N； =633.60.6=380.6N （2）橫向進(jìn)給絲杠 1.計(jì)算進(jìn)給牽引力 橫向?qū)к墳檠辔残?計(jì)算如下: 由前所知：=633.6 =730.32N =1267.2 N = 600 =0.16 得：=1.4+(+2+) =1.4730.32+0.16(1267.2+2633.6+600)2023N ===30 ===27 FQ=fwfhFp=1.511267.2=6329.45N 2-4 齒輪傳動比計(jì)算 1.縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=6㎜，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75?？捎?jì)算出傳動比 ===0.8 可選定齒輪齒數(shù)為: ==或 2.橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005 ,滾珠絲杠導(dǎo)程=6㎜,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75可計(jì)算傳動比 ===0.4 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速: === =16、=40、=20、=25 因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關(guān)參數(shù)如下: 齒數(shù) 32 40 16 40 20 25 分度圓 64 80 32 80 40 50 齒頂圓 68 84 36 84 44 54 齒根圓 59 75 27 75 35 45 齒寬 （6~10） 20 20 20 20 20 20 中心距 72 64 45 2-5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計(jì)算各種工況下所需的等效力矩，在根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。 一、縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 1.等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 計(jì)算見圖2-1，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的慣量（㎏㎝）可由下式計(jì)算： =++ 式中 ---步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（㎏㎝）; 、---齒輪、的傳動慣量（㎏㎝）; ---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（㎏㎝）。 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=10㎏㎝。 =0.7810=0.78106.42=2.62㎏㎝ =0.7810=0.78*1082=6.39㎏㎝ =0.78104150=29.952㎏㎝ =1000 N 代入上式： =++ =10+2.62+ =36.474㎏㎝ 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 /=10/36.474=0.274 基本滿足匹配的要求。 2.電機(jī)力矩的計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個(gè)階段計(jì)算： （1） 快速空載起動力矩起 。 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 起 =++ = ==10= 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 ===500 。 起動加速時(shí)間 =30 ==36.47410=636.6 N㎝ 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩： ====94 N㎝ 附加摩擦力矩： == ==805.30.19=153 N㎝ 上述三項(xiàng)合計(jì)：起 =++ =636.6+94+153=881.5 N㎝ （2）快速移動時(shí)所需力矩快 快=+=94+153=247 N㎝ （3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩切 切=++=++ =94+153+=94+153+127.96=375 N㎝ 從上面的計(jì)算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以次作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，==0.951。 最大靜力矩=881.5/0.951=927 N㎝ 。 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出，型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72 N㎝ 。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動距頻特性和運(yùn)行距頻特性。 3.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時(shí)的工作頻率 ===4000 HZ ===1000 HZ 2-6 滾珠絲杠的安裝與使用 (1)潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種 1、潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，我廠滾珠絲杠副出廠時(shí)在螺母內(nèi)部已加注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； 2、潤滑油 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表16所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。 (2)防塵 滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置（折皺保護(hù)罩、絲杠護(hù)套等），將絲杠軸完全保護(hù)起來。另外，如沒有異物，但有浮塵時(shí)可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根據(jù)需要按編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。 (3)使用 滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 1、滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動，必要時(shí)要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 2、滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時(shí)，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒捎梦佪單仐U傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。 (4)安裝 1)滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)應(yīng)注意： 1、絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機(jī)床的兩端軸 承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線。 安裝螺母時(shí)，盡量靠近支撐軸承； 同樣安裝支撐軸承時(shí)，盡量靠近螺母安裝部位。 2、滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)，請不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時(shí)，要使用輔助套，否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落。螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： 輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1～0.2mm. 輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩。 裝卸時(shí)，不可使過大力以免螺母損壞。 裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心。