Φ500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及橫向進給設(shè)計[2]【含CAD高清圖紙】
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畢業(yè)設(shè)計(論文)500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計及橫向進給設(shè)計所在學(xué)院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指導(dǎo)老師年 月 日摘 要全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計特點,論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核,并進行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則,系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。關(guān)鍵詞:車床,數(shù)控,伺服電機,滾珠絲杠IIIAbstractComprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.This paper emphasizes on the ball screw principle and selection principle, system of ball screw production, application etc were introduced. Including the type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key words: lathe, numerical control, servo motor, the ball screw目 錄摘 要IIAbstractIII目 錄IV第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述11.1數(shù)控機床及其特點11.2數(shù)控車床的主要功能及加工對象11.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析21.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題21.3.2 數(shù)控機床選購的策略21.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向4第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較52.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容52.1.1系統(tǒng)運動方式的確定52.1.2控制方式的選擇62.2 總體方案確定62.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇62.2.2 數(shù)控系統(tǒng)62.2.3 機械傳動方式6第3章 確定切削用量及選擇刀具73.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具73.1.1選擇數(shù)控刀具的原則73.1.2選擇數(shù)控車削用刀具83.2 設(shè)置刀點和換刀點83.3 確定切削用量93.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速93.3.2確定進給速度93.3.3 確定背吃刀量9第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計104.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定104.1.1動力參數(shù)的確定104.1.2主運動調(diào)速范圍的確定114.1.3主軸計算轉(zhuǎn)速的確定124.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計124.2.1確定傳動方案124.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定134.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖14第5章 橫向進給系統(tǒng)設(shè)計計算165.1 選擇脈沖當(dāng)量165.2 計算切削力165.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型175.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算255.5 步進電機的計算和選型26第6章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計306.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要306.1.1 硬件電路設(shè)計306.1.2 軟件電路設(shè)計316.2 8031單片機及其擴展316.2.1 8031單片機的簡介316.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展326.2.3 存儲器擴展346.2.4 I/O口的擴展366.2.5 步進電機驅(qū)動電路376.2.6 脈沖分配器(環(huán)行分配器)386.2.7 光電隔離電路386.2.8 功率放大器386.2.9 其他輔助電路39結(jié) 論41致 謝42參考文獻4343第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述1.1數(shù)控機床及其特點數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令),控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床,簡稱數(shù)控機床。數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性,加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令;加工性能比一般自動機床高,可以精確加工復(fù)雜型面,因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件,并能獲得良好的經(jīng)濟效果。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多,有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上,由程序讀入裝置接收,或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化,具備完善的自診斷功能;可靠性也大大提高;數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化,多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多;激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上,從而擴大多工序集中的工藝范圍;數(shù)控機床的自動化程度更加提高,并具有多種監(jiān)控功能,從而形成一個柔性制造單元,更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。1.2數(shù)控車床的主要功能及加工對象數(shù)控車床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控車床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控車床在增加了某些特殊裝置或附件后,分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。在使用數(shù)控車床加工工件時,只要充分利用數(shù)控車床的各種功能,就可以加工許多普通車床難加工的工件。數(shù)控車床的主要加工對象有:平面類零件;變斜角類零件;曲面類(立體類)零件。1、直線插補:數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一,一般情況下分為直線插補和空間直線插補等一些插補方式2、圓弧插補:這也是數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一,一般情況下可分為平面圓弧插補以及逼近圓弧插補等。3、固定循環(huán):固定循環(huán)是指通過各種參數(shù)使用不同的加工要求,主要用于實現(xiàn)一些魚油經(jīng)典型的需要多次重復(fù)的工作,這樣使用固定循環(huán)是可以有效的簡化程序的編制。1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析近幾年,隨著國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展,我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境,有了長足進展,這其中領(lǐng)先當(dāng)今機械制造技術(shù)水平的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)更勝一籌。 由于數(shù)控設(shè)備的先進性、復(fù)雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設(shè)備的復(fù)雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產(chǎn)品中選擇適用的設(shè)備, 成為中小型企業(yè)十分關(guān)心的問題。1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題 目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設(shè)備的使用經(jīng)驗和掌握數(shù)控加工技術(shù)的人才,在數(shù)控機床選購中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面: 1.決策者對數(shù)控機床的認識有誤區(qū),部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)認為配置高精度數(shù)控設(shè)備是企業(yè)檔次的象征。選型時不考慮投資效益,忽略性價比,盲目追求進口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來的使用過程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機床選型混亂, 數(shù)控機床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產(chǎn)品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數(shù)控機床時只重視主機性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個附件或刀具而影響整個主機的運行。4.對企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品變化預(yù)測不足, 所購設(shè)備的功能的發(fā)揮受到制約。 1.3.2 數(shù)控機床選購的策略 1.實用性。選購數(shù)控機床時,企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點,首先考慮的是數(shù)控機床的實用性。 (1)數(shù)控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數(shù)控機床時,首先應(yīng)確定數(shù)控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍;零件關(guān)鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標(biāo)較多,因數(shù)控機床類別而異,但共有的關(guān)鍵項目是定位精度、重復(fù)定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關(guān),反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標(biāo)既反映了伺服機構(gòu)的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質(zhì)量。重復(fù)定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點的穩(wěn)定性,傳動鏈剛性直接影響重復(fù)定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時應(yīng)避免盲目追求高精度,注意機床精度與工件精度相匹配。 (2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價格也相差數(shù)倍,所以要根據(jù)加工要求和機床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅(qū)動形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來衡量, 合理地選擇適合機床的可選功能,放棄可有可無或不實用的可選功能。比如,自動換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征,ATC裝置的投資往往占整機的30%50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的ATC, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應(yīng)當(dāng)注意,單獨簽訂合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價,應(yīng)盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是指選用的數(shù)控機床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟性往往是和實用性緊密相連的, 機床選得實用、經(jīng)濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復(fù)雜的數(shù)控機床,避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。 數(shù)控機床的設(shè)計使用壽命一般為7年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數(shù)控設(shè)備說明是旺銷產(chǎn)品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質(zhì)量問題。 選購數(shù)控機床應(yīng)考慮投資回報, 能夠在短期內(nèi)收回投資的機床才是好機床。因為數(shù)控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集中,從而提高生產(chǎn)率和加工精度,所以數(shù)控機床既適于單件小批生產(chǎn),又適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機床用于批量生產(chǎn),因為批量生產(chǎn)不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間,提高機床利用率;而且對操作者的技術(shù)要求不高,人工費用也相對較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機床投資回報較快。少數(shù)產(chǎn)品附加值高,具有一定經(jīng)濟實力的企業(yè),為了生產(chǎn)組織方便而購買用于單件生產(chǎn)的數(shù)控機床。機床利用率較低時,不僅要考慮設(shè)備的使用費用,比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等,還要計算設(shè)備折舊。另外一個不可忽視的因素是設(shè)備的貶值,數(shù)控機床的升級、更新較快,同配置的一臺機床,現(xiàn)在售價40萬,三年后可能降至35萬,這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的中小型企業(yè),在購置貴重數(shù)控設(shè)備之前,一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向,甚至已經(jīng)接到訂單,選購機床時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓(xùn)工人,即所謂“交鑰匙”工程,這是投資數(shù)控機床最理想的情況。 3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設(shè)備的可靠性是廣大數(shù)控設(shè)備用戶必須關(guān)心的焦點問題, 因此在選用數(shù)控設(shè)備時應(yīng)注意生產(chǎn)廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認其產(chǎn)品是否達到國家規(guī)定的平均無故障時間標(biāo)準(規(guī)定為500h)。目前多數(shù)機床廠都采購成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內(nèi)應(yīng)用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多,而床身中的直線導(dǎo)軌、主軸又分別來自德國和臺灣等地。所以機床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的,需要重點考察的是數(shù)控機床組裝企業(yè)的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是否健全,服務(wù)隊伍的素質(zhì)是否能勝任工作,服務(wù)能否及時,是否能履行承諾等。1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向數(shù)控機床是由美國發(fā)明家約翰帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代,其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段,具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。技術(shù)發(fā)展趨勢:高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢,近幾年來,在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在: 1.機床復(fù)合技術(shù)進一步擴展隨著數(shù)控機床技術(shù)進步,復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟,包括車-車復(fù)合、車車復(fù)合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復(fù)合,車磨復(fù)合,成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等,復(fù)合加工的精度和效率大大提高?!耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,復(fù)合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2數(shù)控機床的智能化技術(shù)有新的突破,在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如:自動調(diào)整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段,智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。 3機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用,使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車車復(fù)合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。 4精密加工技術(shù)有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前 的微米級(0.001mm),有些品種已達到0.05m左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工,精度可穩(wěn)定達到0.05m左右,形狀精度可達 0.01m左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達到納米級(0.001m)。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù),提高機床加工的幾何精度,降低形位誤差、表面粗糙度等,從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展,并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置,高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機、直線電機,高性能的直線滾動組件,高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用,極大的提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后,必須首先擬定總體方案,繪制系統(tǒng)總體框圖,才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu),然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定,計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案,進行綜合分析、比較和論證,最后確定一個可行的總體方案。2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中,沒有檢測反饋裝置,數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的,也正是由于信號的單向流程,它對機床移動部件的實際位置不做檢測,所以機床加工精度要求不太高,其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定,反應(yīng)迅速,調(diào)試和維修都比較簡單。2.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位,直線插補,順、逆圓弧插補,暫停,循環(huán)加工,公英制螺紋加工等功能,故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)??紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高,為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本,采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機床要求,采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高,可靠性好,功能強,速度快,抗干擾性強,具有很高的性能價格比等特點,決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成,系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn),顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。2.2.3 機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率,采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿,為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性,盡量減少摩擦力,選用滾珠絲桿螺母副。同時,為提高傳動剛度和消除間隙,采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框圖如下: 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖第3章 確定切削用量及選擇刀具3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時,應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命,而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種,前者根據(jù)單件工時最少的目標(biāo)確定,后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定. 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時 間短,為了充分發(fā)揮其切削性能,提高生產(chǎn)效率,刀具壽命可選得低些,一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具,刀具壽命應(yīng)選得高些,尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時,該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時,刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時,為保證至少完成一次走刀,避免切削時中途換刀,刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比,數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求,不僅需要岡牲好、精度高,而且要求尺寸穩(wěn)定,耐用度高,斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整 方便,這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具在數(shù)控加工中,車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀,該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin,一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp,電動機直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求,因此需要串聯(lián)一個有級變速箱,以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。(5)確定轉(zhuǎn)速級數(shù)取,則對于數(shù)控車床,為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求,應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù),故取Z=2(6)擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖擬定傳動系統(tǒng)的原則是:在保證機床的運動和使用要求的前提下,運動傳動鏈要盡可能的短而簡單;傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題,考慮結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn):如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑,大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等;其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理,如布置是否緊湊,操縱是否方便等。該機床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組,采用窄式排列結(jié)構(gòu),使機床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現(xiàn),需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后,齒輪3和齒輪6才能開始進入嚙合,所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度(齒輪2與齒輪寬度之和),一般b+, =14 mm。 綜合考慮個因素,擬訂傳動系統(tǒng)圖。第5章 橫向進給系統(tǒng)設(shè)計計算5.1 選擇脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/step。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量:縱向:0.01mm/step, 橫向:0.005mm/step(半徑)5.2 計算切削力用車床經(jīng)驗公式F=D來計算主切削力式中D指車床身上最大加工直徑(mm)。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。F:F:F=1 :0.25 :0.5式中 F:指走刀方向的切削力(N); F:指垂直走刀方向的切削力(N)。 下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。圖2縱切和橫切時切削力的示意圖1、 縱車外圓主切削力F(N)按經(jīng)驗公式估計算: F=D= (N)按切削力各分力比例: F:F:F=1 :0.25 :0.4 F(N)F(N)2、 橫切端面主切削力(N)可取縱切的1/2。 (N) (N) (N)5.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型(一) 縱向進給絲杠1、 計算進給軸向力F(N)縱向進給這里為三角形導(dǎo)軌:F式中K:指顛覆力矩影響的實驗系數(shù),綜合導(dǎo)軌取K=1.15;:指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.150.18之間的值;G:指流板及刀架重力,G=1100N。則 F=(N)2、 計算最大動負載Q考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響,則最大動負載Q的計算公式為:Q L n式中 :指滾珠絲杠導(dǎo)程,初選=8; n:指絲杠轉(zhuǎn)速,(r/min); :指最大切削力條件下的進給速度(m/min),可取最高進給速度的1/21/3,此處取=0.3; :指使用壽命時間(h),對于數(shù)控機床取T=15000h.。L:指壽命,以10轉(zhuǎn)為一單位;:指運動系數(shù),見表1,選=1.3。表1運轉(zhuǎn)系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn)1.01.2一般運轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn)1.5-2.5則 n( r/min)L Q(N)3、 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型,選用時應(yīng)滿足Q C的條件。查表:可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,2.5圈1列,其額定動負載為23400N,符合Q C的條件。精度等級按表 2,選為1級。Vmm表 2滾珠絲杠行程公差項目符號有效行程(mm)精度等級12345目標(biāo)行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程變動量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm內(nèi)行程變動量V681216232弧度內(nèi)行程變動量V456784、傳動效率計算 式中 :指螺旋升角,=255 :指摩擦角,滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角,約等于。則 5、剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖3所示,最大軸向力為N,支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3。圖3進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下:(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量(mm) F=N, L=8mm, EN/mm(材料彈性模數(shù),對鋼來說是等于這個值),mm, R=2.477, e=0.068mm則 d( mm)A(mm) (A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積)絲杠導(dǎo)程L的變化量為: 總長度L=1500mm,絲杠上的變形量,由于兩端均采用推力球軸承,則值: (mm)(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形(mm)由d=4.763mm, F=kgf,承載滾珠數(shù)量 ZZ 由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力,且預(yù)應(yīng)力F為軸向負載的1/3,則變形 =0.0013 (mm)(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變(mm)這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 查機械設(shè)計手冊中表6-2-82,采用51109型推力球軸承,其d=45mm,滾動體直徑D=3.969mm, 滾動體數(shù)量Z=22, (mm)則定位誤差 =0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,故不需作穩(wěn)定性校核。(二) 橫向進給絲杠1、 計算進給軸向力 橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢?由于是燕尾形導(dǎo)軌式中: K=1.4,=0.2則 N2、計算最大動負載Q n( r/min)L Q(N)查表:可采用WL2506外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,2.5圈1列,其額定動負載為13100N,符合Q C的條件。精度等級按表 2滾珠絲杠行程公差表,選為1級。 Vmm4、傳動效率計算5、剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示,最大軸向力為2759N,支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短,不需要預(yù)緊。圖4橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下:(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量(mm)根據(jù) N, D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) (mm)(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形(mm)對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負載的1/3。由 mm, kgf承載滾珠數(shù)量 ZZ =0.0013 (mm)(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變(mm)這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 查機械設(shè)計手冊中表6-2-82,采用51104型推力球軸承,其d=20mm,滾動體直徑D=3.175mm, 滾動體數(shù)量Z=14, (mm)則定位誤差 =0.03682 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度(),應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改,因橫向溜板空間限制,不宜加大滾珠絲杠直徑,故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力,從而減少軸向力,采用貼塑導(dǎo)軌=0.030.05。重新計算如下: NQ(N)由此可知:滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。此時的變形量為:(mm)=0.0013 (mm) (mm)定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù),如果,則壓桿穩(wěn)定,為許用穩(wěn)定性安全系數(shù),一般=2.54。計算臨界負載(N): 式中 E:指絲杠材料彈性模量,對鋼E(N/mm); J:指截面慣性矩(mm),絲杠截面慣性矩J(為絲杠螺紋的底徑); :絲杠兩支承端距離(mm);:絲杠支承方式系數(shù),見表3,這里。表3滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00則 N 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。(三)縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見表:表4WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號WL5008WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑5025導(dǎo)程86接觸角鋼球直徑4.7633.969滾道法面半徑2.4772.064偏心距0.0680.056螺紋升角螺 桿絲杠外徑48.524絲杠內(nèi)徑45.18220.984螺桿接觸直徑40.42417.025螺 母螺母螺紋直徑54.81829.016螺母內(nèi)徑51.19025.9925.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,初選步進電機步距角,可計算出傳動比:可選定齒輪數(shù)為: 因進給運動齒輪受力不大,模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。表5傳動齒輪幾何參數(shù)所處位置縱 向橫 向齒數(shù)24401845分度圓直徑48803690齒頂圓直徑52844094齒根圓直徑43753185齒寬(610)m16161616中心距64635.5 步進電機的計算和選型1、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算:式中 :指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;、:指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量;:指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量;:指工件及工作臺重量(N);:指絲杠導(dǎo)程();參考同類型機床,初選反應(yīng)式步進電機150BF,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。(分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬) (分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬) (分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距) 把這些數(shù)據(jù)代入上式: 2、 電機力矩計算機床在不同的工況下,其所需轉(zhuǎn)矩不同,下面分別按個階段計算:(1)快速空載起動力矩 在快速空載起動階段,加速度所占的比例較大,具體計算公式如下:以上式中 :指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩(); :指折算到電機軸上的摩擦力矩();:指絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩();:指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量; :指電機最大角加速度(); :指電機最大轉(zhuǎn)速();:指運動部件最大進給速度();:指脈沖當(dāng)量();:指步進電機步距角();:指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間(s),這里是30ms;:指導(dǎo)程的摩擦力(N),;:指垂直方向的切削力(N);:指工件及工作臺重量(N);:指導(dǎo)軌摩擦系數(shù),;:指運動部件的總重量(N);:指齒輪降速比;按計算;:指傳動鏈總效率,一般可?。唬褐笣L珠絲杠預(yù)加負載,一般取/3,為進給軸向力(N);:指滾珠絲杠導(dǎo)程;:指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率,一般取。將以前計算所得數(shù)據(jù)代入: () ()()則 ()(2)快速移動時所需力矩 ()(3)最大切削負載時所需力矩 ()從上面計算可以看出,、和三種工況下,以快速空載起動所需力矩最大,以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表6得:當(dāng)步進電機為三相六拍時,則(N)。表6步進電機起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系步進電機相 數(shù)三 相四 相五 相六 相拍 數(shù)36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出,150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72,大于所需最大靜轉(zhuǎn)距,可作為初選型號,但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000,再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出,當(dāng)步進電機起動時,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩(800.77),直接使用則會出現(xiàn)失步,所以必須采用升降速控制(用軟件實現(xiàn)),半起動頻率降到1000,起動力矩可提高到588.4,然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路,還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當(dāng)快速運動和切削進給時,150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖5150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性第6章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計6.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要6.1.1 硬件電路設(shè)計硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編程的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容:1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求,確定硬件電路的總體方案,繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機床硬件電路由五部分組成:(1) 主控制器,即中央處理單元CPU;(2) 總線,包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線;(3) 存儲器,包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器;(4) 接口,即輸入/輸出接口電路;(5) 外圍設(shè)備,如鍵盤、顯示器等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示: 圖6機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖(開環(huán)系統(tǒng))2、 選擇中央處理單元CPU的類型根據(jù)設(shè)計要求,CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機。3、 存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。選擇EPROM作程序存儲器時,應(yīng)考慮:(1) 速度應(yīng)與CPU時鐘匹配;(2) 容量適中。4、 I/O接口電路設(shè)計設(shè)計內(nèi)容包括:據(jù)外部要求選用I/O接口芯片,步進電機伺服控制電路,鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(如復(fù)位、掉電保護等)。這部分設(shè)計要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時,系統(tǒng)工作不可靠。在存儲器擴展和I/O接口電路中,均涉及到地址譯碼問題。6.1.2 軟件電路設(shè)計軟件是硬件的補充。確定硬件電路后,根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計軟件。1、 軟件設(shè)計步驟軟件設(shè)計步驟分為以下幾步:(3) 據(jù)軟件要求實現(xiàn)的功能,制定出軟件技術(shù)要求;(4) 將整個軟件模塊化,確定個模塊的編制要求,包括個模塊功能,入口參數(shù),出口參數(shù);(5) 據(jù)硬件資源,合理分配好存儲單元;(6) 分別對個模塊編程,并調(diào)試;(7) 連接各模塊,進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化;(8) 固化到程序存儲器中。2、
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