數控車床橫向進給系統的設計

數控機床橫向進給設計安徽工業(yè)大學畢 業(yè) 設 計年級：大四 系部：自動化 專業(yè)：機電工程課題名稱：數控機床橫向進給設計 學生姓名：戴海濤指導教師：馮本秀教師職稱：講師2010年6月20日摘 要數控機床集中了傳統的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數控機床橫向進給技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性的改善以及功能的擴大，為此數控機床對進給伺服系統的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。數車床改造是指以機械位置作為控制對象的自動控制系統。在數控機床中，伺服系統主要指各坐標軸進給驅動的位置橫向進給控制系統。伺服系統接受來自CNC裝置的進給脈沖，經變換和放大，再驅動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，使刀具相對于工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。橫向進給系統是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯系環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機(早期產品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復雜的控制系統。橫向進給的確是一個相當復雜的任務。提高伺服系統的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。關鍵詞：橫向進給 數控化 車床改造AbstractNumerical control lathe have following outstanding superiority than traditional lathe include:Can process out complicated parts, such as the Landscape orientation curve coming out in traditional machine tooling, curved surface etc; Because computer have superb operation ability is can instantaneous to calculate out each coordinate axis instantaneous amount of exercise that should move accurate, Landscape orientation compound into the complicated curve or curved realize automation automatically etc; Therefore can realize that nobody guards and processes for a long time.Numerical control lathe reform system, should reach in the design: There is high quiet dynamic rigidity; The coefficient of friction between the vice sport is little, the transmission has no interval ; Landscape orientation to operate and maintenance. Lathe numerical control should try one's best and reach and require while being above-mentioned when the transformation. Can't think and link numerical control device and ordinary lathe together and reach numerical control request of lathe, Also should carry on to main part corresponding transformation enable their reaching certain designing requirement, Purpose of transforming that could be expectedLandscape orientation the numerical control of lathe transforms the key step: The technology of the transformation I Whether the technology lay, circuit move towards and be regular, adjust components and parts position, seal and not essential to decorate etc. At last debugging it.Key words: landscape orientation numerical control lathe reform 目 錄摘 要.2Abstract.3目 錄4第一章 引 言51.1 設計目的及方法51.2 進給系統概述6第二章 進給傳動設計72.1 主切削力計算及技術參數72.2 滾珠絲杠螺母副的選擇與計算92.2.1滾珠絲杠螺母副的選擇92.2.2絲杠螺母副的計算102.2.3滾珠絲杠螺母副的校核12第三章 動力計算173.1 支撐軸承的設計173.2 伺服電機的選擇17結 論18致謝語19參考文獻20第一章 引言1.1 設計目的及方法設計的目的是培養(yǎng)綜合運用基礎知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，提高綜合素質和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練，使工程繪圖、數據處理、外文文獻閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能得到訓練和提高，培養(yǎng)正確的設計思想、嚴肅認真的科學態(tài)度，加強團隊合作精神。在設計中，先通過參觀及查閱等了解有關系統的工作原理，作用及結構特點。選擇合適的算法，根據計算結果查閱手冊，得出相關的結構或零件。在圖紙的繪制中，充分利用軟件的先進性。最后，完成硬件連接設計，編制典型零件的車削程序，撰寫說明書。機床結構可以布置成臥式、立式、倒立式及斜置式等，根據設計任務加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，采用臥式斜床身形式。主軸水平安裝，橫向成45°布置。根據縱橫向長度定外觀總長度，布局圖如附錄1.1所示。數控機床的伺服系統是連接數控系統和機床主體的重要部分，在設計中，在伺服方式上選擇最廣泛應用的半閉環(huán)方式。采用螺旋傳動，計算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進行絲杠的校核并進行精度等驗算，根據計算的扭矩選擇伺服電機圖1.1 伺服系統結構圖 1.2 進給系統概述從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直 伺服電機要求在數分鐘內過載4-6倍而不損壞。 為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內從靜止啟動到額定轉速。 電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數控機床的伺服系統已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數字化、軟件處理數字PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高4。第二章 進給傳動設計2.1 主切削力計算及技術參數切削力的大小可用各種測力儀測得，也可用實驗得出的近似公式計算： (2.1) (2.2) (2.3)式中 系數。決定于工件材料和加工方法，在一定的切削條件（v、s、t固定）下，為一常數。大表示工件材料的加工性差；小表示工件材料的加工性好。 k總的修正系數。決定于工件材料、切削用量和刀具幾何形狀等。Error! No bookmark name given.分別為工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨損限度對P的修正系數。、指數。一般情況下>。這說明吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對切削力的影響大。下表所列為的系數、指數和修正系數。這些系數在下列條件下制定：刀片材料為硬質合金，工件材料為碳素結構鋼，后刀面磨損限度，切削時不用冷卻液，車削外圓。它們的系數、指數和修正系數之值也各有不同，可從有關手冊中查得。表 2.1系 數 及 指 數工件材料結構鋼1671.00.75修 正 系 數工 件材 料4050506060707080809090100=0.840.900.951.01.041.09切 削速 度v=50100200300400500=1.00.900.820.770.740.71主 偏角=30°45°60°70°90°=1.081.00.940.940.89前 角=+20°+10°0°-10°-20°=0.901.01.11.21.3后刀面磨損限度h=0.91.21.52.0=1.01.05切削功率是切削時在切削區(qū)內消耗的功率。當切削速度為已知時，切削功率可用下式計算： (2.4)在校驗機床選用的電動機功率時應使 (2.5)式中 機床電動機名義功率（千瓦）； 機床效率（一般齒輪機床=0.70.8）； 電動機超載時容許的系數（一般=1.25） 57。如表1.3，取其中各參數的最大值進行估算：取 =167， =1.0， ，=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9取 切深t=5mm，進給量s=0.3mm/r則由公式(1.3.3)： (2.6)切削功率：取切削速度為105m/min，由公式(1.3.4)(1.3.5)得: 取 已知技術參數：橫向最大行程（X軸）180 mm； 工作進給速度為8000mm/min；橫向快速進給速度：8 m/min；刀架估計質量：150kg；滑板的估計尺寸（長寬高）：400mm200mm80mm；材料選為HT200。2.2滾珠絲杠螺母副的選擇與計算2.2.1滾珠絲杠螺母副的選擇由文獻7,8可知，查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預緊導珠管埋入型，型號： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為32mm，基本導程，其額定動載荷，額定靜載荷，圈數列數=1.52，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑27. 9mm，螺母長度為112mm，取絲杠的精度為3級。在本設計中采用雙螺母墊片預緊。兩邊軸承分別為20mm和25mm。本設計中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承：軸承特點：1. 剛性大。由于采用特殊設計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數，且接觸角為60°軸向剛性大。2. 不需要預調整。對每種組合形式，生產廠家已作好了能得到最佳預緊力的間隙，故用戶在裝配時不需要再調整，只要按廠家作出的裝置序列符號（）排列后，裝緊即可。3. 起動力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動力矩小。2.2.2滾珠絲杠螺母副的計算1) 絲杠導程的確定在本設計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為，設電機的最高工作轉速為，則絲杠導程為： （2.7），取 2）確定絲杠的等效轉速 (2.8)由公式(2.2),最大進給速度時絲杠的轉速：最小進給速度時絲杠的轉速：絲杠等效轉速：（取 ） (2.9)，轉速，作用下的時間(s)。3) 估計工作臺質量及工作臺承重刀架質量：滑板：總質量：4) 確定絲杠的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.11.5，現取為1.1，則絲杠所受的力為（如圖2.1所示）： (2.10)其等效負載可按下式估算（取 ， ）：t1，t2軸向載荷，作用下的時間(s)。n1，n2軸向載荷，作用下的轉速(r/min)。 5) 確定絲杠所受的最大動載荷 圖2.1 受力分析 (2.11)fw負荷性質系數；（查表：當一般運轉時，fw 為1.21.5，取fw=1.5。）ft溫度系數；（查表：）fh硬度系數；（查表：滾道實際硬度HRC58時，fh=1。）fa精度系數；（查表：當精度等級為3時，fa=1.0。）fk可靠性系數；(查表：可靠性為90%時，fk =1.00。)Fm等效負荷(N)；nm等效轉速(r/min)；Tn工作壽命(h)。（查表得：數控機床：Th=15000。）由公式(2.6) 2.2.3滾珠絲杠螺母副的校核1）臨界壓縮負荷絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設計中采用兩端固定的支承方式9。臨界壓縮負荷按下式計算： (2.12)式中 E材料的彈性模量E鋼=2.1×1011(N/m2)； L0最大受壓長度(m)； K1安全系數，取K1=1/3； Fmax最大軸向工作負荷(N)； f1絲杠支承方式系數；(支承方式為雙推雙推時，見下圖，f1=4，f2=4.730) I絲杠最小截面慣性矩(m4)： (2.13)式中 d0絲杠公稱直徑(mm)； dw滾珠直徑(mm)。絲杠螺紋部分長度，取 支承跨距 ， 絲杠全長 由公式(2.7)可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。2）臨界轉速 (2.14)式中 A絲杠最小橫截面： 臨界轉速計算長度：取 ，安全系數，一般取 ；材料的密度：；絲杠支承方式系數，查表得，滿足要求。3） 絲杠拉壓振動與扭轉振動的固有頻率絲杠系統的軸向拉壓系統剛度Ke的計算公式：兩端固定： (2.15)式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統剛度(N/m)； KH螺母座的剛度(N/m)；Kc絲杠副內滾道的接觸剛度(N/m)；KS絲杠本身的拉壓剛度(N/m)；KB軸承的接觸剛度(N/m)。1) 絲杠副內滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。2) 軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本。3) 螺母座的剛度可近似估算為1000。4) 絲杠本身的拉壓剛度：對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： (2.16)式中 A絲杠最小橫截面，；E材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)；l兩支承間距(m)；a螺母至軸向固定處的距離(m)。已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計算）。螺母座剛度。絲杠系統軸向拉壓振動的固有頻率： (2.17)式中 m絲杠末端的運動部件與工件的質量和(N/m)；Ke絲杠系統的軸向拉壓系統剛度(N/m)。顯然，絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。4）絲杠扭轉剛度扭轉轉剛度按下式計算： (2.18)式中 絲杠平均直徑：L絲杠長度扭轉振動的固有頻率: (2.19)式中 JW運動部件質量換算到絲杠軸上的轉動慣量(kg·m2)； JZ絲杠上傳動件的轉動慣量(kg·m2)； JS絲杠的轉動慣量(kg·m2)。由文獻7，8得：平移物體的轉動慣量為絲杠轉動慣量：顯然，絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。5） 傳動精度計算滾珠絲杠的拉壓剛度 (2.20)導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為300mm和100mm。由于機械傳動裝置引起的定位誤差為 (2.21)對于3級滾珠絲杠，其任意300mm導程公差為 ，機床定位精度，所以，可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統的補償，定位精度能進一步提高10。第三章 動力計算3.1支承軸承的設計查軸承表：對于的軸承，其，對于的軸承，其，則 3.2 伺服電機的選擇根據文獻11，扭矩的計算為：1） 理論動態(tài)預緊轉矩查表知3級滾珠絲杠 ， 而 (3.20)2） 最大動態(tài)摩擦力矩對于3級滾珠絲杠， (3.21)3）電機的額定扭矩 4） 電機的選擇根據以上計算的扭矩及文獻12，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7N·m。結 論本次設計的是橫切向進給系統，完成了系統中的尺寸計算及結構設計，并對其進行一系列的校核，各項性能指標完全滿足要求，說明設計的結構是合理的。然后選擇軸承和電機，并設計了床身等。由于專業(yè)知識的限制，無法對復雜的數控系統進行設計，但是，通過選擇合適的數控系統，對數控原理有了一定的了解，并掌握了數控系統的一些連接方法。最后完成了典型零件的數控程序編制，對程序的代碼加深了印象，并對現代數控編程增進了了解。數控機床是促進國民經濟發(fā)展的巨大源動力，它給機械制造業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現代化的生產方式。隨著數控技術的發(fā)展，高品質，高可靠性，高性價比的CNC系統具有豐富的功能數控車床具有結構簡單、價格便宜、故障率低、維修簡單方便、效率高、操作編程簡單等諸多優(yōu)點，所以數控車床在很多加工行業(yè)都會成為應用的主體，隨著數控技術和機床行業(yè)的發(fā)展，數控車床將有著廣闊的發(fā)展前景?，F代科技的發(fā)展，為數控技術的發(fā)展提供了充足的物質技術條件。同時，也給數控機床的機械結構提出了更高的要求。因此，研究一臺數控車床對現代加工具有重要的意義。致 謝 語眨眼間，四年的大學生活就在本設計論文的完成之際即將宣告結束。由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有老師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 三年的不斷學習，不僅是為了今天的畢業(yè)設計，也是為今后走上工作崗位作了準備。在六個月的畢業(yè)設計中，在指導老師馮本秀講師的嚴格要求及悉心指導下，按時完成了設計任務，并在此過程中鞏固了本專業(yè)的知識，分析解決問題的能力也得到了進一步的提高。在此，謹向馮本秀講師表示衷心的感謝和崇高的敬意！此外，在畢業(yè)設計過程中，也得到了其他老師和同學的幫助，設計任務一直在很好的氛圍中進行，在這里，也向他們表示真誠的感謝！再次向設計中所有提供過幫助的人表示忠心的感謝！參考文獻1 王愛玲.現代數控原理及控制系統M.北京:國防工業(yè)出版社,2002.1.2 師鴻飛等.我國數控車床的現狀和發(fā)展趨勢N.現代制造,2002.3 周毅.數控車床在汽車制造業(yè)中的應用N.市場縱橫,2005.4 張建明主編機電一體華系統控制北京：高等教育出版社，20015 中華人民共和國機械工業(yè)部統編M.科學普及出版社.6 徐灝主編.新編機械設計師手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,1995.7 蔡樂安.數控車床滾珠絲杠副的研究設計N.農機化研究,2002.11.8 謝紅.數控機床機器人機械系統設計指導M.上海:同濟大學出版社,2004.8.9 SIEMENS公司.西門子(驅動系統和電機).2002.10 戴曙主編.金屬切削機床.北京:機械工業(yè)出版社.1995.10.11 機械工程手冊.機械工程手冊.機械工業(yè)出版社,190012 劉躍南主編.機床計算機數控及應用,北京:機械工業(yè)出版社,199720