CA6140普通车床数控化改造中进给传动系统设计.doc
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1、摘 要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床,其加工精度较低、不能批量生产,自动化程度不高,自适应性差,但考虑投资成本,产业的连续性,又不能马上被淘汰,购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高,许多企业在短时间内无法实现,这严重阻碍企业设备更新的步伐。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统,把普通机床改装成数控机床,不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径,是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法,也是提高机床数控化率的
2、一条有效途径。改造后的车床属于开环控制。由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。因此,合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求,所以,改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件,与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点,在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果,出现了很多步进电机控制系统,其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上,主要针对中小型普通车床控制系统进行改造,用单
3、片机系统实现弱电控制强电机,改造了系统的切削工艺,提高了切削精度和效率,对旧车床的数控改造有一定的指导作用,是一种新的尝试,也必将有更加广阔的应用前景。关键词:数控化 自动控制 步进电机28 AbstractFor most businesses, a large number and a longer service life of general machine tools, machining accuracy can not be mass-produced, high degree of automation, from poor adaptability, but consider
4、 the cost of investment, the continuity of the industry, they can not immediatelyeliminated, purchase a new CNC machine tools is an important way to improve product quality and efficiency, but the cost is high, many companies can not be achieved in a short period of time, which seriously hindered th
5、e pace of business equipment updated. Enterprises to survive in the fierce market competition, to seek development in the shortest possible time with excellent quality, low cost manufacturing in line with the needs of the market, the right product performance. To this end the transformation of the e
6、xisting old machine, equipped with suitable numerical control system, converted into ordinary machine CNC machine tools, after all, a little investment, improve product quality and production efficiency shortcut, many updates of existing equipment updating of the preferred option, which is an effect
7、ive way to improve the rate of CNC machine tools. After transformation, the lathe is open-loop control. Inherent defects due to the open-loop system is not easy to ensure accuracy. Therefore, a reasonable choice servo system is a central element of the subject. The working principle characteristics
8、and practical applications of stepper motor fits this demand, therefore, the transformation of the system to select the stepper motor as a two-way feed drive motor. Stepper motor is a electrical pulse signal control phase winding current electromechanical components given angular rotation, compared
9、with other types of motor has an easy open-loop accurate control, no accumulated error, etc., and a wide range of applications in many fields . In order to get excellent performance of the control results, stepper motor control system, using SCM as the control core of the control system has been wid
10、ely applying the design in the original machine mechanics, performance, function on the basis of the full study , mainly for small and medium-sized ordinary lathe control system to transform microcontroller systems with weak control the strong motor, the transformation of the system of the cutting p
11、rocess, improved cutting accuracy and efficiency of the numerical transformation of the old lathe some guidance, is a try new things, but also will have broad application prospects.Key words : CNC (Computerized Numerical Control) automatic control stepping motor 目 录摘 要Abstract绪 论11 设计方案的确定21.1 计划任务2
12、1.1 总体方案的确定22 传动系统改造与设计22.1 纵向进给系统的设计与计算32.2 横向进给系统的设计与计算43 步进电机的选择43.1 步进电机的选择的基本原则53.2 步进电机的选择64 机床导轨改造65 四方刀架的选用66 结论67 致谢78 参考文献8绪 论数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备,在机械制造业中发挥着重要的作用,能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题,且产品加工质量稳定,生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期
13、的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高,很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金,这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐;同时目前大多数企业还有数量众多,而且还具有较长使用寿命的普通机床,由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产,生产的自动化程度不高,生产自适应性差,但考虑投资成本,产业的连续性和转型周期,又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统,把普通机床改装成数控机床,是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法,也是提高机床数控化率的一
14、条有效途径,不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量,提高生产效率的捷径,使企业提升竞争力,在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中,占有一席之地。对于本课题,既可以达到完成毕业设计的目的,又可以达到研制新成果,开阔科研门路的目的。 普通车床自动控制系统研制,是利用传统普通车床,结合计算机、电子科技知识,变动手为自动,由粗加工变精加工,实现“变废为宝”的最终目的,成品的主要用处为:既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件,又可以作为直观、实效的机电演示设备,结合理论教学最直接的实现由单一机械产品,经电子化改造变为以机电为动力最终实现精密机械加工的数控机床。1 设计方案的确定1.1 计划任务
15、本设计任务是CA6140型普通车床进行系统数控化改造。利用微机对纵横进给系统进行开环控制,纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向脉冲当量为0.005mm/脉冲,驱动元件采用步进电机,传动系统采用滚珠丝杠副,刀架采用四方刀架。进给系统的机械改造设计。根据机床的运动精度,改动尽量少,且保证加工精度的要求,运动的平稳。 1.2 总体方案的确定考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的纵向、横向两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机减速箱(或联轴器)滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的进给箱、丝杆等,增加少量的机械附件,就可安装步进电
16、机及滚珠丝杆螺母副。2 传动系统改造与设计2.1纵向进给系统的设计与计算1、纵向进给系统的设计车床的纵向进给改造设计一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,螺母固定在溜板箱上,带动刀架台左右移动。步进电机的布置,可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说,外观不必象产品设计要求那么高,而从改造方便、实用方面来考虑,现把步进电机放在纵向丝杠的左端,即进给箱部位。2、纵向进给系统的设计计算 已知条件: 工作台重量: W=90kgf=900N (根据图纸粗略计算)时间常数: T=25ms滚珠丝杠基本导程: L0=6mm行程: S=1130mm脉冲当量: p=0.01mm/step步距角: =0.75/step
17、快速进给速度: Vmax=2m/min(1)切削力计算 由实用机床设计手册可知:切削功率: Nc=NK 式中 N电机功率,查机床说明书,N=7.5KW 主传动系统总效率,一般为0.750.85 取=0.8 K进给系统功率系数,取K=0.96。则: Nc=7.50.80.96=5.76KW又因为: NC= 则: FZ= 式中 v切削线速度,取v=100m/min 所以: FZ =352.512(kgf)=3525.12(N)由金属切削原理可知:主切削力 FZ=CFz apx Fz fYFz KFz查表得: CFz=188kgf/mm2 XFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算FZ 如表(
18、1)所示: 表(1) FZ计算结果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4FZ(N)112515241891168722872837当FZ=1520N 时,切削深度ap=2mm, 走刀量f=0.3mm,以此参数做为下面计算的依据。从实用机床设计手册中可知,在一般外圆车削时: FX =(0.10.6)FZ FZ=(0.150.7) FZ取: FX=0.5 FZ=0.53525=1762.5N FY=0.6 FZ=0.63525=2115N(2)滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力: P=KFX
19、+f(FZ+W)式中 由于使用的是矩形导轨,根据机床设计手册查出K=1.15,f=0.150.18,取为0.16。则: P=1.151762.5+0.16(3525.12+900)=2734.9N强度计算寿命值: L1=所以: n1=取工件直径: D=80 mm,查表得: T I=15000h(自动控制机床及机床通常的取值)所以: n1=20r/minL1=18最大动负载: Q=运转系数值表查表取: 运转系数 fw=1.2 硬度系数 fH=1则: Q=2734.91.21=8598.5N根据最大动负载Q的值和原机床参数,可选择滚珠丝杠的型号。例如,滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系
20、列,选择型号为FC1B3265B 的滚珠丝杠,公称直径为32mm,导程为6 mm,滚珠列数为5列,额定动载荷是10689N,所以强度够用。效率计算根据机械原理的公式,丝杠螺母副的传动效率为: =式中: 摩擦角=10 螺旋升角=325 tg0.0597则: =0.96刚度验算滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量 L1=式中: L0=6mm=0.6cm E=20.6166N/ cm2。滚珠丝杠截面积: F=()2=()23.14则: L1=1.310-5滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小,可忽略,即:L=L1。所以: 导程变形总误差为 =1.310-5=21.67m/m查表知B级精度丝杠允
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