资源描述
第一章 设计任务及总体方案的确定将CA1650普通车床改造成cs-51系列单片机控制的经济型数控机床。要求该机床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能，在纵向和横向有直线和圆弧插补功能，系统分辨率纵向0.001mm。横向0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上：360mm在床面上：210mm最大加工长度： 快进速度：最大切削进给速度：启动加速时间：30ms机床定位精度：最小指令值：自动升降性能：有系统的伺服系统与与运动方式的选择由于改造后的数控经济型车床应具有定位，直线插补顺圆和逆圆插补，暂停和循环加工。公英制螺纹加工工艺功能。故应选择连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。计算机系统根据机床要求，采用8位微机，由于MSC51系列单片机具有集成度高。可靠度好，功能强速度快，抗干扰能力强。性能价格比等特点，决定采用MSC-51系列的8031单片机扩展系统。机械传动方式为了实现机床所需求的分辨率，采用步进电动机，经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的精度和平稳性，减小摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加紧负荷齿轮传动，也要采用消除齿侧间隙的结构。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算，内容包括确定系统的负载确定系统的脉冲当量，运动部分惯性计算空载启动及切削力矩的计算，确定伺服电动机传动及单向元件的设计计算及运用，绘制机械部分装配图及零件工作图等第一节 确定系统脉冲当量一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称机床最小设定单位，脉冲当量衡量机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.010.005每脉冲，经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.0020.001每脉冲，在本设计中，根据机床精度要求确定其脉冲当量纵向0.01mm/step,横向：0.005mm/step。第二节 切削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件选用伺服电动机等需要利用到切削力，下面就以切削力，用三种方法计算，并取其平均值做主切削力。一、 用经验公式计算切削力：max1.纵切外圆： Fz式中：D max-车床床身加工的最大直径（mm） Fz360)N =4576N求出切削力Fz后，在按照下比例分别求出Fx和FYFz：FxFx=45760.25=1144NFY=45760.4=1830N2.横切断面：主切削力Dz可取横切削力的1/2Fz、= Dz1/2=2280N此时走刀抗力为Fy、（N），吃刀抗力的Fx、（N）仍按上述比例粗略计算：Fz、： Fx、： Fy、Fx、=22880.25=572NFy、=22880.4=915 N二按切削力计算切削力下面介绍的按经验公式按求计算切削力的方法是比较简单而使用的，但对于不同的专用机床来说，计算结果不一定准确。所以对某一指定了专门用途的数控机床，应该根据具体加工条件，不同的工况选用合理的切削用量。用切削力计算公式来计算切削力。 Fz=9.8/( FzaPDz fzfz fz(60v)n FzKFz Fx =9.8/( FxaPx fx fx fx(60v) n F xKFx FY =9.8/( FYaPy fy fy fy (60) n FYKFY式中; Fz、 Fx、 FY主切削力进给抗力切削抗力（N）aP切削深度(mm)V切削速度（m/s）f进给量（mm/v）KFz、 KFx、KFY总修正系数包括由于工件材料强度、硬度的改变，刀具材料的改变。刀具几何角度不同等因素，对切削力的修正系数。三按照机床主电机的功率计算：上面介绍了切削量计算切切削力虽然比较准确，但只能是用于加工某种工件的专用机床，对于普通机床的数控化改造或涉及通用的经济型数控机床来说，切削用量的范围较大，这样就导致了切削力计算结果差别很大，这里介绍的三种方式，就是按照需要进行数控及改造设计的普通车床的主电动机功率来计算切削力，其具体方法如下：Pe：PY式中： Pe切削功率（KW） P机床主传动功率 Y主传动系统的机械功率，可近似取以下数值大型机床：Y=0.70.88Mn=9550Pe/n式中Mn 主轴传递的扭矩（Nm） N 主轴转矩（r/min）是主轴传递全部功率是的最低转速 Ft FzMn/d103式中：Fz 主切削力（N） d 工件直径可采用床鞍上的最大直径主切削力，求出以后再按比例求出Fx 、FY 。第三节 滚珠丝杆螺母副的设计计算和选型滚珠丝杆螺母副的设计者首先要选择结构类型，去定螺母循环方式，结构类型确定之后，用于确定和计算其他参数，包括公称直径d或四缸外径d导程L，滚珠丝杆工作圈数J,列数k精度等级等。滚珠丝杠循环方式可分为外循环方式或内循环两类，本设计中选用是外循环双螺母滚珠丝杆，其滚珠丝杆副的预紧方式。滚珠丝杆副的计算步骤如下：一、计算进给牵引力Fm作用在丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动的件重量以及切削力在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小和导轨的形式有关。纵向进给作用力综合型导轨，其进给牵引力Fm（N）的计算公式如下：Fm=kFx+f、(Fz+U)（4576+1500）=2288（N）式中：k f U 溜板极刀架重力需1500N。二、计算最大动荷载选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下。丝杠在回转100万转（106转）后，在它的轨道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值，即称为该丝杠能承受的最大负载，可用下试计算：C=3L fwFmL=60nt/106n=1000Vs/ Lo式中：Lo滚珠丝杠导程选6mm N丝杠转速（r/min） Vs T使用寿命按1500h fw L寿命以106转为一个单位n=1000Vs/ Lo=1000L=60nT106=606C=3LfwFm=32288=9191N三、滚珠丝杆螺母的选型查表可采用WoLr4006外循环螺母调整预紧力的双螺母滚珠丝杠副，例2.5圈其预定动荷载为16400N。等级精度选3级。四、传动效率计算=tanr/tan（r+）式中：r螺旋升高 WL4006=2q44 =tanr/tan（r+） =tan2q44/tan（2o44+10）五、刚度验算横向进给丝杆支撑方式如下图，最大牵引力为2063N,支撑间距L=350mm。因丝杠长度较短，不需要预紧，螺母及支撑预紧。车床横向进给丝杆计算图1（mm)查图根据Fm、=2785(N) D=20mm， 查出fL/L010-5可算出f1=fL/L010-510-2mm Lf2m因进行了预紧 f2m3采用8102推力球轴承dQ=4.763 、 Z=12 、 d=15mmfc3Fm2/dQZ2327852考虑到预紧，故：f3=1/2fc=1/2综合以上几项变形量之和：f=f1显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施，修改设计。因横向溜板设计限制，不易再加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨，减小摩擦力，从而减小最大牵引力，从新计算如下：Fm、+f、（Fz+2Fx+、)9.15+0.004(4576+2572+800) =1594N式中：f、轴套与轴架以及主轴的键上摩擦系数f、取0.004 从图中差：Fm、=1594N时，fL/L010-5f1=fL/L010-5由于采用了贴塑导轨，减小了最大牵引力Fm、所以需要从新计算或查表确定f2和f3查表图得fQm因进行了预紧,故:f2=1/2fQmfc3Fm2/dQmf3=1/2fc则：f=f1+f2+f3横向进给定位精度应为纵向进给定位的1/2，应力此时变形量已能满足定位精度要求。如果变形量仍大于定位精度的要求，可将滚珠丝杆的直径加大到25mm也可将滚珠丝杆再经过预紧拉伸，刚度还可以提高四倍。则变形量可控制在要求的范围内。从上面的设计中可以查出设计的过程要经过反复修该系数，反复计算，才能达到满意的结果。六、稳定性校核对于已选尺寸的丝杆在给定的条件下，承受最大轴向负载时，没有产生纵向弯曲（失稳)的危险。FK=f22E/L2式中：E材料弹性模量（N/cm2106N/cm2 I截面惯性矩对于丝杆为d14/64(d1为丝杆半径） L丝杆两支承端离 f2丝杆支撑方式系数，从表中查出一端固定，一端简支f2为200I=d14/64=4FK=f22E/L2=221062=7821Nnk=FK/Fm、【nk】一般【nk】=2.54，所以该滚珠丝杆不会产生失稳。（三）纵向及横向滚珠丝杆副几何参数其几何参数见下表，各部分几何参数是在确定了滚珠丝杆副的公称直径和导程L以后，才进行计算出来的。WL4006及WL2005丝杆几何参数 单位（mm）参数名称符号关系式WL 4006WL 2005滚珠滚道公称直径d04020导程L065螺杆螺母接触角2o44、4o33钢球直径d03969滚道法面半径R偏心径ee=(R-dg/2)sin螺纹升角y=arctanL0/D02o44、4o33外径dd=d0-(0.2-0.25)dg39内径d1d1=d0+2e-2R接角直径d2d2=d0-dgcos螺纹直径DD=d0-2e-2R内径D1D1=d0-(0.2-0.25)d0第四节 齿轮的传动比一、纵向进给齿轮箱传动比的计算0=6mm.初选步进电动机步距角为0.75，可计算传动比为i=360fp/Q2L0=36075可选定齿轮数为：i=Z1/Z2=32/40或20/25Z1=32 Z2=40 或Z1=20 Z2=25二、横向进给齿轮传动比计算已确定横向进给脉冲当量fp=0.005，滚珠丝杆导程L0=5mm初选步进电动机步距角0.75，可计算出传动比i为i=360fp/Q2L0=360考虑到结构上的原因，不能是齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程。故此处可采用两级齿轮减速；i=Z1/Z2Z3/Z4=3/54/5=24/4020/25Z1=24 Z2=40 Z3=20 Z4=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照下表齿轮传动几何参数齿数Z324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶数d=d+mz688452844454齿宽610202020202020中心距A=(d+d)/2726445齿根数597543753545为了消除齿轮侧隙，可采用双片齿轮，这样齿宽可加大到（610mm）第五节 步进电动机的计算和使用选用步进电动机时，应首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载在折算到电动机轴上的等效传动惯量包括步进电动机转子的传动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电动机的量最大静载负载和起动运行频率特征选择合适的步进电动机，但在初选步进电动机之前，不仅未画出机械机构草图，而且无法确定步进电动机的转子的转动惯量，因而必须先根据一些估数据初选步进电动机的型号，再按上述方法进行验算。由于步进电动机的工作的特点是脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感，为了满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。一、初选步进电动机步距角对步进电动机施加一个脉冲信号时，步进电动机就用转一个固定的角度，叫做步距角，电动机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率，步进电动机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高，通常步距角是3000，步距角的大小跟通电方式机转速有关，在步进电动机技术数据中0000是五相五拍。二、初选步进电动机一纵向进给步进电机负载转矩Tm1. 根据滚珠丝杆副所承受的进给牵引力Fm，计算步进电机的负载转矩Tm（Ncm）Tm=3600fpFm/2y0式中：fp=脉冲当量（mm/step)Fm进给牵引力（N)00yTm=3600fpFm/2y0=36002288/2cm2. 估算步进电动机起动转矩Tqcmimax 查表如取五相十拍时，则:Timax=Tqcmfe=100VS/60fpfk=1000Vmax/60fp =1000 =4000HZ式中：VS最大切削进给速度（mm/min) Vmax最大位移速度（m/min) fp根据估算出的最大静转矩TmaxcmTimax，可以满足条件，考虑到经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应选择大转矩的步进电6:43机，以留下一定的余量，另一方面，与同类型机床进行类比，决定利用150BF002步进电机，但从表中查出，150BFF002步进电机最高空转起动频率2800HZ，不能满足fk（4000HZ)的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。 (二） 校核步进电动机转矩初选出步进电机型号，并绘制私服系统结构草图之后，就可以按下面步骤计算私服系统折算到步进电机轴上的系统流动惯量及等效转矩，进行校核。1、 转动惯量计算 （1）齿轮轴、丝杠等圆柱体惯量计算 圆柱体转动惯量（kg）计算公式如下： J=MD2/fD2L10-3式中：M圆柱体质量（kg)D圆柱体直径（cm）L圆柱体长度或圆度（cm）10-5 kg/cm3所以J110-3d14L1 10-342)kgcm2cm2 J210-3d24l2 10-3842）kgcm2cm2 J310-344150）kgcm2（2） 步进电机转子转动惯量 参考同类型机床，初选反应时步进电机150BF其转子转动惯量Jm=10kgcm2（3） 传动系数折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算出来 J=Jm+J1+（Z1/Z2)2（J2+J3）+G/g（L0/2）2式中：Jm步进电动机转子转动惯量（kgcm2） J1、J2齿轮Z1、Z2的转动惯量（kgcm2） J3滚珠丝杆转动的惯量（kgcm2)代入数据计算则： J=Jm+J1+（Z1/Z2)2（J2+J3）+G/g（L0/2）24=10+2.62+（32/40）2(6.39+29.52)+1500242)cm2必须注意：在上式中根据实践经验，传动系统惯量J和转子惯量Jm之间，有一个惯量的匹配问题，Jm/J的比值不能太小，否则机床动态特型将会有很大的区别，并且很容易受切削力、摩擦力干扰的影响，但Jm/J太小，也是很不经济的。考虑步进电动机与传动系统惯量匹配的问题：Jm/J基本满足惯量匹配的要求2. 电机转动的计算电机的负载转矩在各种情况下是不同的，下面分快速空载，起动时所需转矩，快速进给时，转矩最大切削负载所需转矩等分级部分组成，介绍其计算方法:(1) 快速空在启动转矩M在快速空在启动阶段，加速转矩占得比例比较大，具体计算公式如下:M=Mmax+Mf+M0式中：M快速空载起动转矩（Nm）Mmax空载起动时折算到电动轴上的加速转矩Mf折算到摩擦轴上的摩擦轴转矩M0由于丝杆预紧时折算到电机轴的复合摩擦转矩Mmax=J=（J2nmax/60ta）10-2nmax=(max/fp)（Q0/3600）将前面数据代入，式中符号意义同前：nmax=(max/fp)（Q0/3600）=(2400/0.01）0)=500r/min起动加速时间：ta=30m/sMamax=（J2nmax/60ta）10-2cm折算到电机轴上的摩擦转矩MfMf=F0L0/2yi=f(Fz+G)L0/2yz2（4576+1500）0.6/(21.25)cm附和摩擦转矩m0m0=FD0L0(1-y02)/2yi=1/3FL0(1-y02)z1/2yz2=1/32288（1-0.92/（21.25）Ncmcm上述三项合计：M=Mamax+Mf+M0cm（2） 快速进给时转矩M、M、=Mf+M0=（92.8+12.46）Ncmcm（3） 最大切削负载时所需转矩M、 M、=Mf+M0+Mt式中：Mt折算到电机轴上的切削负载转矩在应用丝杠螺母副传动时，上述各转矩（Ncm）可采用下式计算：Mamax=J=J（2nmax/60ta）10-2Nmax=(Vmax/fp)Q0/3600式中J传动系统中折算到电机轴上的点等效转动惯量（kgcm2）点击最大角加速度（rad/s2）nmax电机转动速度（r/min）Vmax转动部件最大快速进度（mm/min）fp脉冲当量（mm/step)ta运动部件从停止期初加速度到最大快速速度所需时间（s）摩擦转矩公式: Mf=F0L0/2yi F0=f(FZ+G)式中:F0导轨的摩擦力（N）FZ垂直方向上的切削力（N）G运动部件的总重量（N）f导轨摩擦系数i齿轮降速比n传动链总效率，一般可取0.70.85.附加转矩摩擦公式：M0=FD0L0(1-n2)/2yi式中：FD0滚珠丝杆预加负载，一般可取1/3Fm，为进给率引力（N)L0滚珠丝杆导程y滚珠丝杆未预紧时的传动功率，一般可取 Mt=FtL0/2yi式中：Ft进给方向最大切削力 M、=Mf+M0+Mt =Mf+M0+fxL0/2yi =105.26+11440.6/（20.125） =214。56Ncm经过上述计算以后，在M、M、两种力矩中其中大者作为选择步进电动机的依据，对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机转矩主要用来产生加速的，而负载力矩往往小于加速转矩，故常用快速空载起动转矩，作为选择步进电动机的依据。从表中查出，当步进电动机为五相十拍时，=M0/Mamax=0.951，则最大静转矩为：Mjmax=(739.76+0.951)Ncmcm大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。3. 校核不禁电机效率特性前面所述根据最大静转矩，Mjmax初选的步进电动机型号一定满足实际工作要求，也就是所尽管最大静转矩Mjmax，数据能满足要求，但是并不能保证在快速空载负载时起动和空行时不失步，所以还必须用起动转矩频率特性和运行转矩频率特性，两条重要的特性曲线来验证，所选步进电动机的型号是否满足要求。前面已计算出此机床最大快移时需要步进电动机的最高起动频率为Fk=4000HZ，切削进给时所需步进电动机运行频率fe为833HZ。前面已计算机床最大快移时所需步进电动机运行频率为2800HZ,运行频率为8000HZ，再从图中查出150BF002步进电动机起动力矩频率特性和运行特性曲线如下图，看出步进电动机起动时f=2500HZ，M=100Ncm，根据在电路上采用高低驱动电路还可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。 起动矩频率特性 f/HZ0 0 200010002500 运动矩频特性 F/HZF/HZ1000500150BF002型步进电动机运行矩频特性当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电动机运行的矩频特性完全可以满足条件。三 横向进给步进电机横向进给步进电动机的计算和校核与纵行进给步进电动机相同，此处略。经过计算和类比设计，决定选用130BF001型步进电动机。第三章 进给伺服系统机械部分结构设计机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图，用以表达设计者的构思，设计结果及特点是伺服系统设计的重要任务，对于机电一体化专业的学员来说，是一项基本技能的重要训练，必须引起足够的重视。在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杆螺母副规格编号。步进电动机的型号，降速齿轮的几何参数选定以后，就可以进行结构设计，结构设计应该先确定部分结构特点，形式调整方式等，然后再动手绘制装配图，最后在绘制正式装配图，下面分别叙述各项注意事项。第一节 微机数控化改进结构设计中注意问题尽量减小普通数控化改造设计的改动量对于普通数控化改造设计时，在满足机床总体布局的前提下，应尽可能利用原来的零件，尽量减小改动量，尤其是机床较大的部件，例如机身、床鞍、拖板铣床的工作台等，尽量利用原来的部件，只能少量加工改造这样可以大大减少成本，缩短制造周期。在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不想改造那么严格设计改造，但也应该参考同类型机床，在初步估算以后，在进行类比，是结构尺寸紧凑合理。1. 滚珠丝杆螺母副和消除齿轮安装调整要方面滚珠丝杆螺母副和消除齿轮的调整对于进行伺服系统是很关键的问题，如果调整不好会出现反向死区和失步现象，影响数控机床的加工精度，在进行结构设计时必须注意，留出控制螺钉的孔或足够的搬手空间。2. 设计时注意装配工艺在设计绘制进给私服系统时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装调整，拆卸方便。 第二节 绘制装配图应注意的问题确定了各种参数和结构形式以后，就可以动手画图了，在标准图副的图纸上，用应铅笔轻轻地画出装配图的各部分轮廓及重要的结构，不许画剖面线和标准尺寸，经过修改以后再加深，集成装配图，为保证画图质量，画地图是线条必须很浅很细，以便修改，下面在指出几点注意事项：1. 注意合理布置视图主要的机械结构图要求用A0或A号图纸绘制出为了正确清楚地表达部分结构，必须选用足够的视图和局部视图以达到视图完整的要求。所谓视图的完整是指能够从装配图上拆绘出任一零件工作图。根据各视图及各局部视图的大致轮廓尺寸，并考虑好零件的标题栏，零件明细表，零件编标，尺寸标注，以及技术要求的文字说明位置，就是进行画图的合理布置，布置视图对要注意的将主视图布置在图面上的主要位置，布置中还应留有余地以免设计中补充其他图形何必时的说明。2. 严格按比例画图必须严格按国际制图规定的比例画图，主要是图应采用1:2或1:1绘图局部视图可采用与主视图不同的比例，但必须在图上标明，绝谷允许参照图样任意的放大或缩小。3. 必须按标准绘图图会上出现的螺钉、螺母、垫片、定位销、轴承等标准件必须按照最新的国际绘制。4. 注意线条比例画图质量的好坏与各部分线条的好坏有很大的关系，线条的粗细也必须按照比例画，粗实线、细实线、虚线、点画线都要区别清楚剖面线应该画成450，丝杆与螺纹底径应画成细实线等。5. 应标注必要的尺寸和公差配合装配图应标注最大形体尺寸特征尺寸，主要零件的配合尺寸影响运转特性与传动精度的配合尺寸与其他尺寸。结论通过本次机床微机数控化改造技术，让我更加懂得了毕业设计的重要性，也让我学会了怎样去做一个设计的方法及设计者在设计是应该考虑的问题。对于本次实习任务，必须先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能解决各种设计参数和结构，然后分机械部分和电气部分进行设计计算。在设计中设计机械部分的结构装配图是一项重要的内容，特别注意的是绘图时一些要求和注意的问题，只有严格按标准绘图，才能绘出质量高的图。参考文献1. 机械加工技术 北京机械工业出版社20032. 机床夹具设计 北京机械工业出版社19993. 实用数控技术 北京兵器工业出版社19934. 实用数控技术手册 北京机械工业出版社19935. 数控机床及其应用 北京机械工业出版社19936. 数控加工工艺 北京化学工业出版社20047. 机械制造技术 北京高等教育出版社20008. 数控车床加工自动化需求 北京国防工业出版社20029. 机械加工工艺与装备 北京清华大学出版社200710. 数控机床及其应用 北京清华大学出版社200111. 数控机床性能分析及可靠性设计技术 北京机械工业出版社201112. 数控机床系统设计 北京化学工业出版社201113. 数控铣床与零件加工 北京化学工业出版社201114. 数控铣加工与实训 北京机械工业出版社201115. 数控加工及编程 北京机械工业出版社2011致谢感谢各位为我们的毕业设计而去操心的老师，感谢老师的精心指导和培养，在各位老师的帮助下，我运用大量的资料和机电一体化方面的知识，完成了这次毕业设计，桐沟这词毕业设计，我自主的思考，从设计的各个方面去研究合适的合理的问题的解决方法。通过本次毕业设计，我们的能力得到了提高，思想得到了锻炼，知识得到了巩固，为以后的事业打了基础。由我所学的知识及其他因素，在本次设计中难免有疏漏的地方，请诸位专业老师指导和改正。
展开阅读全文