數(shù)控車床橫向進(jìn)給

精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上該次畢業(yè)設(shè)計中,我很有幸分在“數(shù)控車床小組”,我所設(shè)計的課題為“數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計 (經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控機(jī)床)”。進(jìn)行這一設(shè)計主要是為了進(jìn)一步地提高數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度、重復(fù)定位精度以及改造手動進(jìn)給裝置以使其能夠可靠地運行。而且,通過這次畢業(yè)設(shè)計也可以檢驗自己的學(xué)習(xí)情況,鍛煉自己,對今后的學(xué)習(xí)和工作也有一定程度上的幫助。信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化到各方面的技術(shù)已越來越受關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。主要有全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運動控制卡（Motion Controlling Board）等幾項具有代表性的新技術(shù)。數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、精密測量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С獭?數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)包括橫向進(jìn)給系統(tǒng)(X軸)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)(Y軸),它們是由伺服電機(jī)經(jīng)同步齒形帶傳動,驅(qū)動滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu),來實現(xiàn)刀架的運動。根據(jù)GB/T16462-1996數(shù)控臥式車床精度檢驗,機(jī)床的位置精度包括重復(fù)定位精度、反向偏差和定位精度。當(dāng)機(jī)床的中心距DC=3000mm時,其重復(fù)定位精度X軸0.007mm,Z軸0.020mm;反向偏差X軸為0.006mm,Z軸為0.012mm;定位精度X軸為0.016mm,Z軸為0.050mm。可以看出,進(jìn)給軸設(shè)計與主軸設(shè)計相比,具有相同的重要性。因而,進(jìn)給軸的設(shè)計應(yīng)從動、靜兩方面充分考慮,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。 對于X軸，由于其位置誤差值復(fù)映在零件加工尺寸上為直徑值，故放大了2倍，X軸移動質(zhì)量不大，要求的快移速度較低，因而要求X軸應(yīng)有更高的位置精度。因X軸滾珠杠直徑比Z軸小，長度短，并且采用降速傳動，使得折算在X軸電機(jī)上的轉(zhuǎn)動慣量減小。因此，X軸的設(shè)計應(yīng)著重以達(dá)到所要求的位置精度為主要矛盾進(jìn)行設(shè)計，而選用的電機(jī)扭矩比Z軸小些。為了達(dá)到這目標(biāo)，X軸應(yīng)從提高重復(fù)定位精度、反向偏差及定位精度三個方面，從設(shè)計上解決。在數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計中,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求,不同移動質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等特點,分別解決設(shè)計中的主要矛盾。以期望設(shè)計結(jié)果能滿足各項性能指標(biāo)的要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,即滿足設(shè)計任務(wù)書的要求。限于編者水平，書中錯誤和不妥之處在所難免，殷切期望讀者批評指正。 1、 總體設(shè)計方案1.1總體設(shè)計方案論證與普通機(jī)床相比,數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計要求除了具有較高的定位精度外,還具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。為了確保數(shù)控機(jī)床的傳動精度和工作平穩(wěn)性,在設(shè)計機(jī)械了機(jī)構(gòu)時,通常還應(yīng)提出無間隙、低摩擦、高剛度以及有適宜的阻尼比要求等。為了達(dá)到這些要求,在機(jī)械傳動設(shè)計中,主要采取如下措施:1、盡量采用低摩擦的傳動副;2、選用最佳的降速比;3、盡量縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動系統(tǒng)的剛度;4、盡量消除傳動間隙,減少反向行程誤差。數(shù)控車床的總體總體設(shè)計方案示意圖如下圖所示：本設(shè)計數(shù)控車床要求設(shè)計為中檔精度機(jī)床,為此提出以下兩種設(shè)計方案:設(shè)計方案一:該方案的進(jìn)給裝置及動作原理如下:機(jī)床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由：床鞍，滾珠絲杠副，螺母座，滑板，連接套，步進(jìn)電機(jī)等部分組成。由步進(jìn)電機(jī)通過連接套帶動滾珠絲杠副至螺母座，實現(xiàn)滑板的橫向機(jī)動進(jìn)給。在滾珠絲杠的前端加一螺孔，用內(nèi)六角螺釘及套與之連接，這樣用內(nèi)六角扳手可實現(xiàn)滑板的橫向手動進(jìn)給運動。設(shè)計方案二:該方案的進(jìn)給裝置及動作原理如下:車床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由床鞍4,滾珠絲杠副5,螺母座6,橫滑板7,同步帶輪12、19,交流伺服電機(jī)64等部分組成,見設(shè)計裝配圖001。由交流伺服電機(jī)64經(jīng)同步齒形帶傳動,驅(qū)動滾珠絲杠副5至螺母座6,實現(xiàn)橫滑板7的橫向機(jī)動進(jìn)給,來實現(xiàn)刀架的運動。在該方案中,在滾珠絲杠的前端加了一個固定銷46,床鞍上改進(jìn)了支座3,增加了滾花手柄2,在滾花手柄2的前端用一個開口槽及內(nèi)孔與滾珠絲杠相連, 支座3下用一個開槽平端緊定螺釘45與滾花手柄2上的兩圓槽相連作定位作用。當(dāng)需手動進(jìn)給時, 滾花手柄2的開口槽就插到滾珠絲杠的固定銷46中,將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,這樣轉(zhuǎn)動滾花手柄2就可帶動滾珠絲杠實現(xiàn)手動進(jìn)給。當(dāng)不用手動進(jìn)給時,松開螺釘45,將滾花手柄2出,使開口槽與滾珠絲杠的固定銷分開,再將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,此時手柄2與滾珠絲杠脫開了。在方案一中,由于在機(jī)動進(jìn)給時,套8仍在轉(zhuǎn)動,不安全。用內(nèi)六角扳手時,在作螺紋的反向運動時,會使內(nèi)六角螺釘松動,而不能使手動進(jìn)給可靠進(jìn)行。在方案二中,在機(jī)動進(jìn)給時, 滾花手柄不再轉(zhuǎn)動,使車床的安全可靠性得以加強(qiáng)。同時,這樣做也使得在車床檢驗后的工作過程中,不至于被他人轉(zhuǎn)動手柄而破壞現(xiàn)場工作狀態(tài)。在方案一中,采用步進(jìn)電機(jī),起精度受到一定程度上的限制。因為本設(shè)計要求中檔精度,所以在方案二中改用交流伺服電機(jī),以提高相應(yīng)的精度。并且在方案二中以同步帶傳動代替方案一中的連接套,其益處在參考文獻(xiàn)4106-107頁中可以見到,這里就不再重復(fù)了。1.2總體設(shè)計方案的確定經(jīng)總體設(shè)計方案的比較和論證后,確定的經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計的總體方案示意圖如裝配圖001所示。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)既可以進(jìn)行機(jī)動進(jìn)給,也可以進(jìn)行手動進(jìn)給。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動, 經(jīng)同步齒形帶傳動,驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)數(shù)控車床的橫向進(jìn)給運動。刀架采用LD-1型列電動刀架。2橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計與計算的主要內(nèi)容有: 滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選型、同步帶的設(shè)計計算與選型、同步帶輪的選擇、交流伺服電機(jī)的計算及選型、導(dǎo)軌副的選擇、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇。繪制橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的裝配圖以及各零件圖等。2.1已知條件(1)、床身上最大回轉(zhuǎn)直徑:400mm；(2)、加工最大工件長度:1000mm；(3)、快移速度:X軸 4m/min,Z軸 8m/min；(4)、定位精度:X軸 0.035mm, Z軸 0.04mm； (5)、重復(fù)定位精度:X軸 0.0075mm, Z軸 0.01mm；(6)、數(shù)控車床工作臺質(zhì)量W:根據(jù)圖形尺寸粗略計算W=60Kg；(7)、橫向進(jìn)給切削力Fx的確定:根據(jù)參考文獻(xiàn)5查出: Pdf/ Pa =35%5 11式中: Pdf進(jìn)給系統(tǒng)所需電機(jī)功率; Pa主傳動電機(jī)功率。已知Pa為5.5Kw,取比例系數(shù)為5%,則由公式11可得： Pdf= Pa×5%=5.5×5%=0.275Kw 根據(jù)參考文獻(xiàn)查出: F=61200f·Pdf/Vf5 12式中: f進(jìn)給系統(tǒng)效率,其范圍為0.150.20,取f=0.20; Vf進(jìn)給速度,m/min;查出: Vf=(1/21/3)Vixmax5 13 取Vf=1/3 Vixmax 由公式12： Fx=61200×0.20×0.275/(4·1/3) =2524.5(w) 為了安全起見,取安全系數(shù)為1.85,則:Fx=2524.5×1.854680N 2.2滾珠絲杠副的設(shè)計滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。一般情況下,設(shè)計滾珠絲杠時,已知條件為:最大工作負(fù)載Fd(或平均工作負(fù)載Fm)作用下的使用壽命,絲杠的工作長度(或螺母的有效行程),絲杠的轉(zhuǎn)速(或平均轉(zhuǎn)速),滾道的硬度及絲杠的運轉(zhuǎn)情況。2.2.1 設(shè)計步驟通常的設(shè)計步驟為:A、計算作用在滾珠絲杠上的最大動載荷;B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動負(fù)載的近似值,并初選幾個型號;C、根據(jù)具體工作要求，對于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動效率等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號；D、根據(jù)所選的型號,列出或計算出其主要參數(shù)的數(shù)值,計算傳動效率,并驗算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號,再作上述計算和驗算,直至滿足要求為止。2.2.2 設(shè)計計算簡況選用CPG系列滾珠絲杠副。A、 CPG系列滾珠絲杠副主要參數(shù)的確定:按預(yù)期壽命Ln及軸向載荷Fa進(jìn)行選擇: Ln=(Ca/Fa)×106(轉(zhuǎn))11 21式中: Ca額定動載荷; 一般情況下Fa可以用平均軸向載荷Fm予以代替:Fm=(2Fmax+Fmin)/3 11 22式中: Fmax最大軸向載荷;Fmin最小軸向載荷。Fmax=mg+F11 23=60×9.8+4680=5268N Fmin=mg=60×9.8=588N 所以：Fm=(2Fmax+Fmin)/3=3078N 對于機(jī)車和精密機(jī)械通常取Ln=20×106(轉(zhuǎn)) 11則:： Ca=(20)1/3Fm=2.71Fm11=8341.38N 24 計算出Ca,可通過查表得到對應(yīng)的滾珠絲杠副的尺寸,選取2505-4型號滾珠絲杠副,基本直徑為25mm,大徑位24.5mm,絲杠導(dǎo)程L0為5mm, 滾珠直徑為3.175mm, 滾珠列數(shù)為四列。B、對選用的滾珠絲杠副的參數(shù)進(jìn)行核算a、軸向壓縮載荷F:對各種支承條件下所支承的最大軸向載荷,是否會超過臨界載荷而失去穩(wěn)定性,造成穩(wěn)定失效,因此對保持絲杠不失去穩(wěn)定性的軸向壓縮載荷進(jìn)行驗算。滾珠絲杠受壓力作用后在彈性范圍內(nèi)的臨界穩(wěn)定載荷Fc由下式計算:Fc=m(d0-db)4/Ls2 11 25式中:m為支承系數(shù);G-J形式:m=20×104(N/mm2);d0為公稱直徑(mm);db為滾珠直徑(mm);Ls為絲杠軸的支承距離(mm)。所以: Fc=20×104×(25-3.175)4/5552 =1.47×105 N則: Fc/F=1.47×105/5268n 式中: n為許用穩(wěn)定安全系數(shù),當(dāng)絲杠垂直安置時n=2.5,水平安置時n=4; F為最大軸向壓縮載荷。由以上計算可知條件滿足。a、 極限轉(zhuǎn)速的計算: 為使絲杠副在高速運轉(zhuǎn)時不發(fā)生共振現(xiàn)象,應(yīng)對其極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算。當(dāng)絲杠發(fā)生共振時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速,以Nc表示: Nc=121×106(d0-db)·K1/2/L2 11 26式中: d0為公稱直徑(mm); db為滾珠直徑(mm); K為支承結(jié)構(gòu)系數(shù), G-J形式: K=2.5。 極限轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足: n0.8 Nc11=0.8×1.36×104=1.08×104r/min 27 n0=v/(2) 11 28=4000/(2)=6.4×102r/min 因為 n0n,所以條件滿足。b、滾珠絲杠副的預(yù)加負(fù)載:為了消除螺母與絲杠間的軸向間隙,提高滾珠絲杠副的剛度與定位精度,在絲杠和螺母間施加負(fù)載Fp,其預(yù)加負(fù)載的大小為:Fp= Ca/1011=834Nc、 臨界轉(zhuǎn)速的核算:絲杠的名義直徑：d0=25mm；nmax=vmax/L05=200r/min 29查參考文獻(xiàn)5圖5.7-91,支承為“固定-固定”支承長度L=1568mm, 查參考文獻(xiàn)5圖5.7-91, L與n的交線點在d0=25mm左側(cè),所以安全。d、 效率計算:查參考文獻(xiàn)：=tan/tan(+) 5 210 式中: 螺紋的螺旋升角,可參考文獻(xiàn)55.7-41表,取=3o3; 摩擦角, tan=0.0030.004。所以: =1345則: =tan3o3/ tan(3o3+1345)=93% e、 剛度檢驗:查參考文獻(xiàn):=100F/(EA)+50T/(GJc), 5m/m 211 式中: E彈性摸量,E=2.1×102GPa;F工作負(fù)載, F=4680 N ; A滾珠絲杠橫截面積, A=/4·（d0-db）2=（25-3.175）2=3.37cm2;db滾珠直徑(mm);G切變摸量，G=8.4×10GPa;Jc滾珠絲杠截面慣性矩，Jc=2.27×10-7m4;代入公式211得： =10.3m/m查參考文獻(xiàn)5表5-10和表5-17，B級精度為40m/300mm，七級精度=15m，八級精度=30m，所以2005-5型絲杠的剛度是足夠的。由于選用滾珠絲杠的直徑為25mm,支承方式為G-J型，所以穩(wěn)定性不成問題。2.3同步帶的設(shè)計計算2.3.1 設(shè)計計算簡況A、根據(jù)同步帶傳動的工作條件確定傳動的設(shè)計功率:Pd=KPm4 212 K=1.41.5取K=1.6則代入公式212得： Pd=1.6×1.5=2.4KwB、確定帶的型號和節(jié)距，根據(jù)設(shè)計功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由同步帶選型圖中確定所需采用帶的型號和節(jié)距分別為L型，節(jié)距=9.525mm。同步帶選型圖選自美國同步帶傳動標(biāo)準(zhǔn)ANS11RMA IP-24-1983,如參考文獻(xiàn)4圖6-2所示。 C、選擇帶輪齒數(shù)Z1和Z2:根據(jù)型號及小帶輪轉(zhuǎn)速n1，查參考文獻(xiàn)4表6-1所列帶輪最小許用齒數(shù)，確定一帶輪齒數(shù)為：Z1=32，另一帶輪齒數(shù)為：Z2=1×32=32。D、帶輪節(jié)圓直徑： d1=TbZ1/4 213=9.525×32/=97 d2=TbZ2/4 214=9.525×32/=97 E、確定同步帶的節(jié)線長度帶的節(jié)線長度Lp可根據(jù)帶圍繞兩帶輪的周長計算得出：Lp=2Acos+(d1+d2)/2+(d1-d2)/3604 215 =2×125cos0+·97=554。58mm 圓整為554。式中：A為兩傳動輪的中心距；如參考文獻(xiàn)4圖6-3所示。F、計算同步帶齒數(shù)Zb：專心-專注-專業(yè)