CA6140普通车床设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 CA6140 普通车床设计 二级学院 直属学部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称 评阅教师姓名 职称 2014 年 11 月 常州工学院毕业设计 摘 要 近 20 年来 我国数控技术和数控机床走过了引进技术 消化吸收和实现产业化的 历程 目前 数控机床己经成为机床行业的新的经济增长点 发展迅速 正方兴未艾 应用数控技术对 CA6140 普通车床进行自动化和精密化的改装 改装技术主要为 在车床上附加数控装置和执行元件 选择合适的机床伺服系统和计算机系统等 结果表 明 经改造后的机床完全能实现加工外圆 锥度 螺纹 端面等的自动控制 提高了原 机床的生产效率 降低了劳动强度采用数控技术改造的有效途径 术对企业原有机床进 行改造 即发展经济型的数控机床是当前工矿企业的成功之路 关键词 CA6140 车床 数控技术 技术改造 CA6140 普通车床设计 目 录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 机床数控改造的目的 2 1 3 数控系统的产生和发展 2 1 3 1 数控系统的出现和发展 2 1 3 2 数控系统的发展趋势 2 1 4 数控改造的必要性 3 1 5 数控机床改造的优点 4 1 6 数控机床改造的设计步骤 4 1 7 CA6140 的数控改造 5 1 7 1 数控系统的选择 5 1 7 2 CPU 和存储器 6 1 7 3 I O 接口电路 7 1 7 4 其它部件的选择 7 2 数据参数的选择及其计算 9 2 1 纵向进给系统得设计计算 装配图 2 9 2 1 1 选择脉冲当量 9 2 1 2 计算切削力 9 2 1 3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 10 2 1 4 齿轮及转距的有关计算 11 2 2 横向进给系统的设计计算 13 2 2 1 切削力计算 14 2 2 2 滚珠丝杠设计计算 14 2 2 3 齿轮及设计的有关计算 15 2 2 3 步进电机的选择 16 2 3 自动刀架的设计 18 2 3 1 刀架的抬起 18 2 3 2 刀架的回转和选位 19 2 3 2 刀架的下降定位和压紧 19 2 3 3 减速机构的设计计算 20 2 3 3 蜗杆传动的设计计算 23 2 3 4 螺旋升降装置得设计计算 26 致 谢 31 参考文献 32 常州工学院毕业设计 1 1 绪论 1 1 引言 提高数控车床的可靠性已成为当前数控车床制造企业自身生存和发展的关键 在 市场竞争日趋激烈的情况下 只有那些可靠性高的数控车床才能受到用户的青睐 数控 车床是否可靠成为广大用户选购数控车床的重要标准 我国数控机床近年来在生产和 应用领域都有较快的发展 但与工业发达国家相比 仍存在较大差距 数控技术是现代制 造技术中最关键的环节之一 我国数控技术的研究应用水平还很低 严重制约着我国制 造水平的提高 发展民族数控事业是迫在眉睫的大事 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品的性能和质量不断提高 产品的 更新换代也不断加速 因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率 而且应能迅速 地适应产品零件的变换 生产的需要促使了数控机床的产生 随着电子技术 特别是 计算机技术的发展 数控机床迅速的发展起来 从第一台数控机床 1952 年 美国 问世至今 机床的数控化率在不断的提高 世 界各工业国家已普遍生产和应用 日本生产机床的数控化率在 1988 年就已达到 70 我国从开放搞活以来 加快了数控机床技术的引进 促使我国的机床数控技术的 普及和发展 当前普遍应用的微型计算机数控机床 它综合了电子技术 计算机技术 自动化技术 测量技术和机械制造等方面的最新成果 是一种灵活高效的自动化机床 是机电一体化的典型产品之一 各大企业不断设置数控机床扩大再生产和替换陈旧设 备 数控机床的普及率不断提高 这种情况下 普通机床的数控改造是否必要可从以 下几点说明 数控机床可以较好地解决形状复杂 精密 小批多变零件的加工问题 能够 稳定的加工质量和提高生产效率 但是应用数控机床还是受到其他条件的限制 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大 对中小企业常是力不从心 目前各企业都有大量的普通机床 完全用数控机床替换根本不可能 而且 替代的机床闲置起来又造成浪费 国内订购新数控机床的交货周期一般较长 往往不能满足生产需要 通过数控机床对具体生产有多余功能 要较好地解决上述问题 应走普通车床数控改造之路 从一些工业化国的经验者 机床的数控改造也必不可少 数控改造机床占有较大比例 如 日本的大企业中有近 30 的机床经过数控改造 中小企业则是 70 以上 在美国有许多数控专业化公司为世 界各地提供机床数控改造服务 我国作为机床大国 为了提高机床的数控化率对普通机 床进行数控改造不失为一种良策 一些发达国家如德国 美国 日本等就非常重视对 旧机床的改造 而且已形成了一个完善的产学研结合的改造体系 由于技术的不断 进步 机床改造已成为一个永恒的课题 我国应在这方面加大宣传力度 走出一条 适合我国国情的机床的数控改造之路 机床数控改造节省资金 同购置新机床相比一 般可节省 60 80 的费用 大型及特殊设备尤为明显 一般大型机床改造只需花新机 床购置费的 1 3 即使将原机床的结构进行彻底改造升级 也只需花费购买新机床 60 的费用 并可以利用现有地基 性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时 CA6140 普通车床设计 2 效 几乎不会产生应力变形而影响精度 机床经数控改造后 即可实现加工的自动化 效率可比传统机床提高 3 7 倍 对复杂零件而言 难度越高 功效提高得越多 且 可以不用或少用工装 不仅节约了费用 而且可以缩短生产准备周期 因此 普通机 床的数控不但存在的必要 而且大有可为 尤其对一些中小企业更是如此 1 2 机床数控改造的目的 设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础 设备的技术性能 和技术状态不但直接影响产品质量 还关系工时 材料和能源的有效利用 同时 对企业的经济效益也会产生深远影响 设备的技术改造和更新直接影响企业的技术进 步 产品开发和市场开拓 因此 从企业产品更新替代 发展品种 提高质量 降低 能耗 提高劳动生产率和经济效益的实际出发 进行充分的技术分析 有针对性的用 新技术改造和更新现有设备 是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法 据全国工业普查的统计资料介绍 截止到 2000 年底 数量较多涉及面较宽的金属 加工机床的拥有量约为 384 万台 其中役龄在 6 15 年约为 153 2 万台 约占 39 9 役龄在 16a 以上约为 133 7 万台 约占 34 8 这表明我国工业制造业的装备 乃至各行各业的设备仍有相当大数量比较落后 有待改造或更新 鉴于此 采用数控 技术对普通机床进行数控改造 尤其适合我国机床拥有量大 生产规模小的具体国情 1 3 数控系统的产生和发展 1 3 1 数控系统的出现和发展 第二次世界大战后 美国为革新飞机制造业中用于仿形机床的靠模和样件的加工 设备 开始研制新型机床 1952 年 美国帕森斯公司 Parsons Co 与麻省理工学院 伺服机构实验室 Serve Mechanics Laboratory of TheMassachusetts Institute of Technology 合作 研制成功第一代数控系统 用于三坐标立式铣床 其插补装置采用 脉冲乘法器 整个控制装置由真空管组成 1959 年 晶体管元件问世 数控系统中广 泛采用晶体管和印制板电路 从此数控系统进入第二代 1965 年 出现了小规模集成 电路 由于其体积较小 功耗低 抗干扰能力较强 使数控系统的可靠性得到进一步 提高 数控系统发展到第三代 上述三代数控系统均为硬接线数控系统 称为普通数 控系统 NC o 随着计算机技术的发展 出现了以小型计算机替代专用硬接线装置 以控制软件实现数控功能的计算机数控系统 CNC 使数控系统进入第四代 1970 年前后 美国英特尔 Intel 公司首先开发和使用了四位微处理器 1974 年美 日等 国首先研制出以微处理器为核心的数控系统 由于中 大规模集成电路的集成度和可 靠性高 价格低廉 所以微处理器数控系统得到了广泛应用 这就是微机数控系统 从而使数控系统进入了第五代 现代数控系统为了进一步扩展功能 增强实时控制能 力和可靠性 常采用多微处理器结构 如 SIEMENS 公司的 SINUMERIK 840D 和日本 FANUC 公司 FANUC of 系列等 由多个微处理器构成功能模块 各功能模块之间的互 连与通信 或采用共享总线结构 或采用共享存贮器结构 1 3 2 数控系统的发展趋势 1 向高速度 高精度发展 常州工学院毕业设计 3 现代机床数控系统多采用 32 位 CPU 和多 CPU 并行技术 使运算速度得了很大的 提高 与高性能数控系统相配合 现代数控机床采用了交流数字伺服系统 伺服电机 的位置 速度和电流环都实现了数字化 数控系统的联动轴数多达 9 个 使机床可以 加工较复杂的空间线型或型面 2 可靠性的提高 由于现代数控系统的模块化 通用化和标准化 便于组织批量生产 故可保证产 品质量 现代数控系统大量采用大规模集成电路 采用专用芯片及混合式集成电路 提高了集成度 减少了元器件数量 提高了可靠性 3 采用自动程序编制技术 现代数控系统利用其自身很强的存贮及运算能力 如 SINUMERIK 840DCPU 采 用 Pent iumIII 处理器 把很多自动编程功能植入数控系统 在一些新型的数控系统中 还装入了小型工艺数据库 使得数控系统不仅具有在线零件程序编制功能 而且可以 在零件程序编制过程中 根据机床性能 工件材料及零件加工要求 自动选择最佳刀 具及切削用量 4 具有更高的通信功能 为了适应自动技术的进一步发展 适应工厂自动化的规模越来越大的要求 为了 满足不同厂家不同类型数控系统的联网需要 现代机床数控系统的通信功能不断加强 不少系统具有远程诊断功能和 Ethernet interface 接口 实现远程通讯功能 美国通用汽 车公司在 1983 年提出的制造自动化协议 MAP Manufacture Automation Protocol 是众多通信标准中发展最快的一个 MAP 的主要特点是提供以开放性为基础的局部网 络 使来自许多厂房的设备可以通过相同的通信协议而相互连接 由于 MAP 的出现 推动了通信标准化的进程 1 4 数控改造的必要性 数控机床可以较好地解决形状复杂 精密 小批及多变零件的加工问题 能够稳 定加工和提高生产率 但是数控机床的应用也受到其他条件的限制 1 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大 对中小企业常是心有余而力不足 2 目前 个企业都是大量的普通机床 完全用数控机床替换根本不可能 而且替 代下的机床闲置起来有会造成浪费 3 在国内 订购新数控机床的交货周期一般较长 往往不能满足生产急需 4 通用数控机床对具体生产有多余功能 要较好地解决上述问题 应走普通车床数控改造之路 在国外已发展成为一个新 兴的工业部门 早在 60 年代已经开始迅速发展 并有专门企业经营这们业务 从美国 日本等工业化国家的经验看 机床的数控改造也必不可少 数控改造机床占有较大比 例 如日本的大企业中有 26 的机床经过数控改造 中小企业则是 74 在美国有许 多数控专业化公司为世界各地提供数控改造业务 我国是拥有 300 万台机床的国家 而这些机床又大量是多年累计生产的通用机床 自动化程度低 要想在近几年内用自 动化和精密设备更新现有机床 不论是资金还是我国机床制造厂的能力都是办不到的 CA6140 普通车床设计 4 因此 普通机床的数控改造 大有可为 它适合我国的经济水平 教育水平和生产水 平 已成为我国设备技术改造主要方向之一 1 5 数控机床改造的优点 数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造 配上数控装置 从而 使机床具有数控加工能力 其改造的优点有 1 从提高资本效率出发 改造闲置设备 能发挥机床的原有功能和改造后的新增 功能 提高机床的使用价值 2 适应多品种 小批量零件生产 3 自动化程度高 专业性强 加工精度高 生产效率高 4 降低对工人技术水平的要求 5 数控改造费用低 经济性好 6 数控改造的周期短 可满足生产急需 1 6 数控机床改造的设计步骤 将普通机床改造为数控机床 是一项技术性很强的工作 必须根据加工对象的要 求和工厂实际情况 确定切实可行的技术改造方案 搞好机床的改造设计 其改造设 计的一般工程如下 1 对加工对象进行工艺分析 确定工艺方案 被加工工件既是机床改造的依据 又是机床改造后加工的对象 不同形状 不同技术要求工件 其加工方法就不同 对 机床的要求也不相同 例如 对于圆柱形状的零件可用车削 外圆磨等方法加工 而 平面则一般用铣削 平面磨等方法加工 对精度 表面粗糙度要求一般的外圆柱表面 常用车削加工 而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆磨床上加工 在工艺分析 基础上 绘制工序图 初步选定切削用量 刀具运动路线 计算生产率 然后计算切 削力及切削功率 从而计算出进给系统需要的功率和力矩等 这是选择方案及驱动部 件的依据 目前多用类比法或测定法完成 2 分析被改造机床 确定被改造机床类型 改造机床和设计机床是不同的 机 床设计是根据设计任务书 对机床的整机进行设计 然后将机床的各组成零 部件逐 一地制造 最后装成机床 而机床改造则是围绕某台机床进行工作 不仅要考虑机床 本身结构的改造 还要考虑工艺系统中的刀具 夹具及其它辅具的改进 以满足生产 的需要 在制定机床改造方案时 可先根据指定的工艺方案 初步选定被改造机床的 类型 然后对被选定的机床进行认真分析 了解被改造机床的技术规格 技术状况 各部联系尺寸等 分析机床强度和刚度 分析被改造机床能否适应改造要求以及经济 性等 最后确定被改造机床的型号 3 拟定技术措施 制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况 拟定应采取的措施 指定出机床的改造方案 选用外购件时 一定要保证质量 在拟 定技术措施 指定改造方案的过程中 应充分进行技术经济分析 力求改造的机床不 仅能满足技术性能的要求 还要获得最佳的经济效益 使技术的先进性与经济性较好 地统一起来 常州工学院毕业设计 5 4 设计或选用数控装置 在满足加工零件要求的同时 尽量使设计的数控装置功 能强 稳定可靠 通用性好 价格低 或选用国内生产较好的专用数控装置 5 进行机床改造的技术设计 6 绘制机床改造的工作图 7 整机安装调试 数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 但数控机床一次性投资较大 对机床进 行数控化改造不失为一良策 阐述了 CA6140 普通数控车床的主轴系统的改进及机床 控制系统的改造 主要介绍了对 CA6 14 0 车床进行经济型数控改造 主要包括纵向 横向进给系统及刀架的改造 CA6 14 0 车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能 改造简单易行 可降低劳动强度 提高生产效率 1 7 CA6140 的数控改造 本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造 利用微机数控系统改造纵 横 向进给系统 进行开环控制 纵向脉冲当量 0 01mm 脉冲 横向为 0 005mm 脉冲 驱 动元件采用直流步进电机 传动系统采用滚珠丝杠 1 7 1 数控系统的选择 数控系统是机床的核心 在选择时 要对其性能 经济性及维修服务等进行综 合考虑 尽量选用名牌产品 根据被改机床的结构 性能及被加工零件的精度来选 择数控系统 既要功能相匹配 又要尽量减少过剩的数控功能 这样一方面可避免 资金浪费 另一方面也可避免因数控系统复杂而增加的故障率 目前数控系统主要有三种类型 步进电机拖动的开环系统 异步电机或直流电机 拖动光栅测量反馈的闭环数控系统 交 直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控 系统 其中步进电机拖动的开环系统 其伺服驱动装置主要是步进电机 功率步进 电机 电液脉冲马达等 该系统位移精度较低 但结构简单 调试维修方便 质量 稳定可靠 成本低 抗干扰性能强 对环境室温要求不高 易改装成功 适用于精 度要求一般的中小型机床的改造 也是目前数控改造中应用最为广泛的一种 异步电 机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统控制精度高 但在结构上比开环进给 系统复杂 工作量大 成本也高 调试困难 一般不采用 交 直流伺服电机拖 动编码器反馈的半闭环数控系统 其精度介于前二者之间 结构与调试都较闭环系统 简单 适用于控制精度要求较高的大 中型机床的改造 总体方案确定为用一个完全缓冲的 8088 微处理器对数据进行计算处理 由 I O 接 口输出步进脉冲 经一级齿轮减速 带动滚珠丝杠转动 从而实现纵横向进给运动 示意图如图 1 所示 CA6140 普通车床设计 6 图 1 1 总体方案 在一个大的系统中 总线必须经过缓冲 这是因为 8086 8088 微处理器只能驱动 10 个负载 而大系统常常有更多的负载 由于设计的是经济型车床的改造 所以在考 虑具体的方案时 其本原则是在满足需要的前提下 对于机床尽可能减少改动量 以 降低成本 8088 微处理器在数控改造应用较普通 各种应用软件较多 系统开发较容易 且 其价格低廉 抗干扰性强 可靠性高 速度快 指令系统的效率高 体积小 最适宜 用来开发简易和小型专用的数控装置 1 7 2 CPU 和存储器 由于 8088 微处理器是无片内程序存储器 需要扩展外部程序存储器 同时 8088 微处 理器内部只有 128 字节的数据存储器 也不能满足控制系统的要求 故扩展了两片 2764 的程序存储器和一片 6264 数据存储器 8088 微处理器的 A0 A19 和 D0 D7 用来传送 外部存储器的地址和数据 一个经过完全缓冲的 8088 微处理器 有 8 个地址引脚 A15 A8 使用的是 74LS244 八缓冲器 8 个数据总线引脚 D7 D0 使用的是 74LS245 双向 总线缓冲器 控制总线信号 IO M RD WR 使用的是 74LS244 缓冲器 一个经过完 全缓冲的 8088 系统 需要两片 74LS244 一片 74LS245 和两片 74LS373 74LS245 的 方向由 DT R 信号控制 由 DEN 信号允许和禁止 8088 微处理器的 A8 A15 和 74LS373 送出的八位地址共同组成 16 位地址 2764 和 6264 芯片都是 8KB 需要 13 根地 址线 A0 A12 接 8088 微处理器的 13 根地址总线 系统采用全地址译码 两片 2764 芯片 片选信号 CE 分别接 74LS138 译码器的 Y0 和 Y1 系统复位后程序从 0000H 开始执行 6264 的片选信号 CE 也接 74LS138 译码器的 Y2 8088 微处理器控制信号 M IO 接 2764 的 OE 引脚 读写控制信号 WR 和 RD 分别接 6264 芯片的 WE 和 OE 以实现外部数 据存储器的读写 常州工学院毕业设计 7 1 7 3 I O 接口电路 由于 8088 微处理器的 I O 接口使用不能满足输入输出口的需求 因而系统扩展了 两片 8155 可编程输入输出接口电路 8155 的片选信号 CE 分别接 74LS138 的 Y3 和 Y4 74LS138 译码器的三个输入端 A B C 分别接到 8088 微处理器的 A13 A14 A15 I O 接口与外设的联接是这样安排的 8155 1 芯片的 PA0 PA5 为 面板上的选择开关 PB0 PB7 是各种运行的点动控制 PC0 PC3 发出刀位信号 控制刀架 电机回转 到达指定的刀位 刀架夹紧之后 发出换刀回答信号 经 8155 1 的 PB5 输入 计算机 控制刀架开始进给 8155 2 芯片的 PA0 PA7 为 Z X 向电机输出驱动脉冲 PB0 PB3 是键盘扫描输入 PB4 PB7 的输出是 X Y 向的限位控制 PC0 PC5 是显示器的 位选信号 显示器的段选信号由 8088 微处理器的 D0 D7 控制 1 7 4 其它部件的选择 直流步进电动机参照 金属切削机床设计简明手册 选取 滚珠丝杠选取 FC 系列 江汉机床厂的产品样本 为内循环双螺母垫片预进 其优点是结构简单 装卸方便 刚度高 纵向进给机构的改造 拆除原机床的进给箱和溜板箱 在原机床进给箱处安装齿 轮箱体 滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置 采用原固定方式 横向进给机构改造 拆除原手动机构 用于微进给和机床刀具对零件操作 原有 的支承结构也保留 步进电机 齿轮箱体安装在机床后侧 纵横向进给机构都采用了一级齿轮 调隙齿轮传动 减速 调隙齿轮 可调拉弹 簧式 用于消除齿轮传动中的间隙 以提高数控机床进给系统的驱动精度 在原溜板箱处安装纵 横向快速进给按钮和急停按钮 以适应机床调整时的操作 需要和遇到意外情况时的紧急处理需要 CA6140 数控改造的总体方案示意图 CA6140 普通车床设计 8 加 工 工 件 图 纸 数 控 程 序 的 编 制手 工 输 入 计 算 机磁 带控 制 计 算 机功 率 放 大 器步 进 电 机 变 速 箱 步 进 电 机 变 速 箱车 床 尾 座工 件 或 图 1 2 普通车床数控改造的总体方案 常州工学院毕业设计 9 2 数据参数的选择及其计算 2 1 纵向进给系统得设计计算 装配图 2 工作台重量 80kg 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠导程 S 6mm 行程 L 1200 mm 脉冲当量 0 018mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 2m minmaxV 加工最大直径 400 mm 加工最大长度 1000 mm 溜板及力架重力 800N 刀架快段速度 2 4 m min 最大进给速度 0 6 m min 主电机功率 7 5KW 起动加速时间 30 ms 机床定位精度 0 015 mm 2 1 1 选择脉冲当量 根据机床精度要求确定 纵向 0 01mm 步 2 1 2 计算切削力 纵车外圆 由文献可知切削功率 N k 式中 cN N 电动机功率 7 5KW 主动系统总功率一般为 0 6 0 7 取 0 65 K 进给系统功率系数 取 0 96 N K 7 5 0 65 0 96 4 68Kwc 又因 有 61206120VFzzVNc 式中 V 切削速度取 100m min 主切削力 6120 4 68 100 286 416kgf 2806 88Nz 由参考文献三可知 主切削力 ZZFYxpFz KfaC 查表 188kgf mm XFz 1 YFZ 0 75 KTfz 1 则可计算如下表 pa mm 2 2 2 3 3 3 CA6140 普通车床设计 10 F mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 Fz kgf 112 5 152 4 189 1 168 7 228 7 283 7 当 283 7 kgf 时 切削深度 3mm 走刀量 f 0 4 mm 此参数作为下边计算z pa 用 由参考文献三得一般外圆车削时 0 1 0 6 0 15 0 7 xzFy zF 0 5 0 5 286 416 143 208 kgf 1403 44 N Fz 0 6 0 6 286 416 171 8496 kgf 1684 1 Ny 横切端面 主切削力 kgf 可取纵切的 1 2z 1 2 143 208 kgf 1403 44 Nz 取 0 6 0 6 143 208 85 9248 kgf 842 06 NxFz 0 5 0 5 143 208 71 604 kgf 701 72 Ny 2 1 3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 纵向进给丝杠 计算进给率引力 N mF 纵向进给为综合导轨 K f G xz 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数综合导轨取 K 1 15 f 滑动导轨摩擦系数 0 15 0 18 取 0 16 G 溜板及力架重力 800 N K f G 1 15 1403 44 0 16 2806 88 800 2191 06 NmFxzF 计算最大的负载 C C fw L1 3 其中 106nTl 01lvs 其中 L0 滚珠丝杠导轨 初选 L0 6 mm Vs 最大切削力 F 的进给速度可取最高进给速度的 1 2 1 3 此外 Vs 0 6m min T 使用寿命 按 15000h 运转系数 按一般运转取 f w 1 2 1 5 wf L 寿命以 106 转为 1 单位 N 1000Vs L0 1000 0 6 0 5 6 50r min L 60nT 10 60 50 15000 10 45 Q Fm fw L1 3 451 3 1 2 2191 06 9352 04 N 滚珠丝杠螺母副的选型 常州工学院毕业设计 11 根据最大动负荷 Q 的值 可选择滚珠丝杠的型号 例如 滚珠丝杠参照江汉 机床厂的产品样本选取 系列 滚珠丝杠直径选为 30mm 型号为BFC1 其额定动载荷是 10689N 所以强度足够用 2154 0EBFC 传动效率计算 螺旋升角 2 44 tan 0 94 104ta n 刚度计算 滚珠丝杠受工作负载 Fx 引起的导程 L0 的变化量 L1 Fm Fm E F 其中 在工作负载 Fx 作用下引起每一导程的变化量 mm 1L 工作负载即进给率引力 NmF 滚珠丝杠的导程 mm 0 E 材料弹性模数对钢 E 为 20 6 104 N mm 2 S 滚珠丝杠截面积 内径 mm 2 S d 2 2 d d0 2e 2Rs 36 3789 S d 2 2 36 379 2 2 3 14 10 38mm 其中 0 51 0 56 1 836SRwP e 0 707 0 025WD 故 L 2191 06 0 6 20 6 106 10 38 6 1428 10 6cmEFm0 滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 很小 忽略不计 所2L 2 0L 以 L 1 21 100 0 6 6 1428 10 6 10 238 m0L 查表知 E 纹精度丝杠允许误差 15 m 10 238 m 15 m 刚度够 稳定性校核 滚珠丝杠两端用推力球轴承 支承基本不变 稳定性不存在问题 2 1 4 齿轮及转距的有关计算 设计计算公式均来自参考文献三 纵向传动有关齿轮计算 传动比 i CA6140 普通车床设计 12 0 75 6 360 0 01 1 25pLi 360 滚珠丝杠导程 步距角 脉冲当量P 故取 32 40 m 2mm b 18 20 m 64mm1Z2 1dZ mZ2 80mm 2ha 68mm 84mmd1d2 d1 2hf 59mm 75mm d 2 72mm1f 2f 1 转动惯量的计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 180 p 2 W 180 0 001 3 14 0 75 2 80 0 468kgf cm21J 丝杠转动惯量 7 8 10 4 4 04 150 0 29 95kg cm22 齿轮的转动惯量 7 8 10 4 6 44 1 8 2 355kg cm23J 7 8 10 4 8 04 1 8 5 75kg cm24 电机转动惯量很小可以忽略 总的转动惯量为 J J 1 22 J2 J4 J1 J3 1 1 25 2 29 95 5 75 2 355 0 468 22 586kg cm 2 3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M 起 起MmaxF0 最大切削负载时所需力矩 M at0t 快速进给时所需力矩 M Mf 0 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩max 折算到电机轴上的摩擦力力矩FM 由于丝杠预紧所引起 折算到电机轴上的附加摩擦力力矩0 切削时折算到电机轴上的加速度力矩at 折算到电机轴上的切削负载力矩t J n 9 6T 10 4N ma 当 n 时 mxnaMax 2000 1 25 6 416 7r mina0Liv 常州工学院毕业设计 13 22 586 416 7 9 6 0 025 10 4 40 0138kgf cmmaxM 当 n 时 s 导程 6mmtnat 1000 100 0 4 1 25 3 14 80 6 33 17r min0lfit主 22 58 33 17 9 6 0 025 10 4 0 3112N m 3 175kgf cmat iWLfiFf 20 0 当 0 8 f 0 16 时 0 16 80 0 6 2 3 14 0 8 25 1 223kgf cmfM 1 2200 iLP 0 9 预加载荷 则0 xF3 143 208 0 6 1 0 9 2 6 3 14 0 8 1 25 0 866kgf cmiFx6 20 143 208 0 6 2 3 14 0 8 1 25 13 68kgf cmLMxt 所以 快速空载启动所需力矩 M 40 0138 1 223 0 866 42 10kgf cmmaxf0M 切削时所需力矩 M 3 175 1 223 0 866 13 68 18 95kgf cmatf0t 快速进给时所需力矩 M 1 223 0 866 2 089kgf cmf0 从以上数据分析 所需最大力矩 Mmax 发生在快速启动时 cmNckgfM 0421 1 42max 2 2 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似 所用的公式不在详细说明 工作台重量 30kg 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠导程 S 6mm 行程 L 226mm 脉冲当量 p 0 005mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 1m minmaxV CA6140 普通车床设计 14 加工最大直径 210mm 刀架快移速度 1 2m min 最大进给速度 0 3m min 主电机功率 7 5kw 2 2 1 切削力计算 横向进给量为纵向的 1 3 1 2 取 1 2 则切削力约为纵向的 1 2 1 2 286 416kgf 143 208kgfzF 在切断工件时 0 6 0 6 143 208 85 925kgfYz 0 5 0 5 143 208 71 604kgfx 2 2 2 滚珠丝杠设计计算 强度计算 对于燕尾型导轨 P k f W 2 xFzYF 取 k 1 4 f 0 2 则 Fm 1 4 71 604 0 2 143 2 30 2 85 925 169 26kgf n 1000 30r min0LVcs X 寿命值 L 60ntT 10 6 则 L 60 n T 106 60 30 15000 106 27 Q 271 3 1 2 169 26 609 33 5971 4N 根据最大动负荷 Q 的值 可选择滚珠丝杠的型号 例如 滚珠丝杠参照江汉 机床厂的产品样本选取 系列 滚珠丝杠直径选为 25mm 型号为BFC1 左 其额定动载荷是 7596N 所以强度足够用 2154 EBFC 效率计算 螺旋开角 r 3 39 摩擦角 10 tgr tg r tg3 39 tg 3 39 10 0 956 刚度验算 横向丝杠支撑方式如下图 4 最大牵引力为 169 25kgf 支撑间距 L 450mm 常州工学院毕业设计 15 图 2 1 横向丝杠支撑图 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 L0 的变化量为 d 2e 2 25 2 0 02 0 6 5 0 707 2 0 52 0 6 5 21 96mm0dsR 其中 L0 5mm E 20 6 106N cm2EFL1 F d 2 2 3 79cm2 169 25 9 8 0 5 20 6 106 3 79 10 62 10 61 滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小 可以忽略 故 21 3 m m1L 三级精度丝杠允许误差为 15 m 所以刚度不够 滚珠丝杠直径亦不加大 采用贴塑导轨减小摩擦力 从而减小牵引力 则 Q 1 4 71 6 0 04 143 208 30 2 85 925 114 5kgf L 114 05 9 8 0 5 20 6 10 6 3 79 7 16 10 6 7 16 10 6 0 5 14 32 m m 此时刚度够用 稳定性计算 由于选用的丝杠直径和以前机床的丝杠的直径相同 所以稳定性不存在问题 2 2 3 齿轮及设计的有关计算 传动比 i s 360 0 005 0 75 5 360 0 005 2 08 取 Z1 24 Z2 50 m 2mm b 20mm 20 d1 48mm d2 100mm d1 52mm d2 104mm df1 43mm df1 95mm d 74mm 1 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 180 0 005 3 14 0 75 2 30 0 0438kgf cm22J 丝杠转动惯量 CA6140 普通车床设计 16 7 8 4 2 54 45 1 37kg cm2SJ 齿轮的转动惯量 7 8 4 4 84 2 0 828 kg cm21z 7 8 4 104 2 15 6 kg cm22J 电动机转动惯量忽略 总转动惯量 J 1 22 JS JZ2 JZ1 JS 1 2 082 1 371 15 6 0 8281 0 0438 4 79kg cm2 2 所需转动力矩计算 1000 2 08 5 416r minmaxn5iv 4 79 416 10 4 9 6 0 025 0 83N m 8 47kgf cmMTJ6 9ax 1000 100 0 15 2 08 3 14 80 5 24 84 r min0Lftt主 01DVfi 4 79 24 84 10 4 9 6 0 025 0 0495 N m 0 506 kgf cmat F WS 2 i 0 2 30 0 5 2 3 14 0 8 2 08 0 287 kgf cmfiF 20 85 925 0 5 1 0 9 2 2 3 14 0 8 2 08 0 781 kgf cm 1 6200 LMY 85 925 0 5 2 3 14 0 8 2 08 4 111 kgf cmiyt 快速空载起动所需转矩 8 47 0 287 0 781 9 538 kgf cm启 maxf0 切削时所需转矩 M 0 506 0 287 0 781 4 111 5 685 kgf cm切Mat0tM 快速进给时所需转矩 0 287 0 781 1 068kgf cm快 0f 从以上计算可知 最大转矩发生在快速启动时 9 538kgf cm 95 38N cmmax 2 2 3 步进电机的选择 一 步进电机选用的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题 需要根据电机在整个系统中的实际工作 情况 经过分析才能正确选择 现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下 常州工学院毕业设计 17 1 步距角 a 步距角应满足 imn 式中 i 传动比 系统对步进电机所驱动部件的最小转角 mn 2 精度 步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量 积累误差是指转子从任 意位置开始 经过任意步后 转子的实际转角与理论转角之差的最大值 用积累误差 衡量精度比较实用 所选用的步进电机应满足 iQm 式中 步进电机的积累误差 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差 s 3 转距 为了使步进电机正常运行 不失步 不越步 正常启动并满足对转速 度的要求 必须考虑 1 启动力矩 一般启动力矩选取为 5 03 lqM 式中 电动机启动力矩 电动机静负载力矩 0L 根据步进电机的相数和拍数 启动力矩选取如表 7 2 所示 为步进电机的最大imM 静转距 是步进电机技术数据中给出的 如表 7 3 表 7 4 表 7 5 所示 表在参考文 献三 347P 2 在要求的运行频率范围内 电动机运行力矩应大于电动机的静栽力矩与电 动机转动惯量 包括负载的转动惯量 引起的惯性距之和 4 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低 因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足 optf 式中 极限启动频率 t 要求步进电机最高启动频率 mpf 0 二 步进电机的选择 1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 cmNMIq 125684 0 527 0 CA6140 普通车床设计 18 为满足最小步距要求 电动机选用三相六拍工作方式 查表知 0 866 所以 步进电机最大静转距 为 imqM imM cNim 147986 025 步进电机最高工作频率 Hzvfp3 axa 综合考虑 查表选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 cmNMLq 82564 0132 电动机仍选用三相六拍工作方式 查表知 86 imq 所以 步进电机最大静转距 为 im cNMqi 01768 256 0 步进电机最高工作频率 HZvfp3 5 maxa 为了便于设计和采购 仍然选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 2 3 自动刀架的设计 经济型数控车床一般都配有四工位自动回转刀架 它是据微机数控系统改造传统机 床设备的需要 同时兼顾刀架机床上能够独立控制的需要而设计的 现有自动回转刀 其 结构主要有插销式和端齿盘式 由于刀架生产厂家无一标准 因此 结构 尺寸各异 由 于目前使用较多的是端齿盘式四工位自动刀架 所以就选用端齿盘式四工位自动刀架 从自动转位刀架的工作原理可知 这类刀架由控制系统直接控制 刀架能自动完 成抬起 回转 选位 下降定位和压紧这样一系列的动作 下面依次讨论刀架要完成 上述过程的设计原理 2 3 1 刀架的抬起 利用螺纹传动将旋转运动变成轴向直线运动 从而达到抬起刀架的目的 在这种 情况下完成这一功能的丝杠要竖直安放 在刀架的抬起过程中要防止刀架转动这可通 过设计一个带有斜面的粗定位销和定位销槽的配合来完成 并使斜面间摩擦力产生的 阻力矩 大于上述转动摩擦力矩 常州工学院毕业设计 19 2 3 2 刀架的回转和选位 刀架由一个微电机通过传动系统来带动刀架的转动 轴线是竖直的而转速比起微 电机来要慢的多 由于电机空间条件限制必须卧式安装 因此两者的转动轴线互相垂 直或异面垂直 蜗轮蜗杆传动比较适合于这场合刀架从抬起变成转动的动作原理是 当刀架抬起到特定位置时由一个正在旋转的拨块带动刀架转动 因此刀架的抬起运动 和转动由同一传动系统来先后完成 刀架转过一定角度后要选位看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求 这一 切是由于微机程序来实现具体的说当刀架转动此位置时程序自动地将改位置的编码与 所需刀具编码加以比较 若相同 该刀具就选定此位 否则再移动 重复上述过程 每次转过的角度大小 由刀架的面体数量来确定由于设计的四工位刀架 每次转 360 4 90 对于五方刀架 每次转 360 5 72 对于六方刀架 每次转 360 6 60 度 刀 架编码位数也各不相同 对于四方刀架 由两位二进制数即可表示完全 四个刀位编 码分别为 00 01 10 11 对于五方刀架 必须由三位二进制数表示 即 000 001 011 110 111 六方刀架编码为 000 001 011 100 110 111 刀架编 码信号的发出 是由于装在随刀架一起转动的微机电源开关来实现的 微机开关的触 头朝外 它的开头状态由一个内表面凸轮来控制 凸轮实际上是只有一定半径差的两 个内圈弧表面 微动开关触头与小半径差的两个内圆弧表面接触 开关便接通 与大 半径内圆弧表面接触 开关便中断与此对应的信号分别是 0 和 1 所需要的微动开关数 目 等于编码的位数 即四方刀架有两个微动开关 五方和六方刀架各有三个微动开 关 另外 刀架编码信号并非刀架转到此位置时才发出 而是提前发出的 刀具的选 位位置由一个粗定位开关来控制的 当刀架转到某个刀位时 粗定位开关发信号 停 转 微机进行编码比较 根据比较结果 或刀架选定此位 或继续转动 粗定位开关 的通断控制也是由一个类似于表面凸轮的定位槽来完成 2 3 2 刀架的下降定位和压紧 刀架选定位置后 斜面插入斜面槽中 使之粗定位 然后微机控制使微电机反转 由于斜面销的棘轮作用 刀架不跟随转 只是下降 再由精定位元件来精定位 精定位元件有若干中 常采用锥形定位销定位 但是 如果只用一个定位销定位 那么刀架的定位精度和定位刚度都不满足 若用多个定位销定位 定位销孔的位置精 度要求极高 加工难度较大 相比之下 端面齿盘定位的优点较为明显 端面齿盘来 精定位齿盘齿廓部分的形状精度可以从工艺上严加控制 再经过反复对研 即可得到 很高的精度 由于端面齿盘定位位多齿接触 接触面积大 因此它还有接触刚度好 定位尺寸稳定性好和寿命长等特点 此外 这种元件允许刀架下降时有一定角度误差 因此 转位刀架的精确定位最常用的是端齿盘结构方式 定位完毕 需要压紧刀架 才能安全可靠地工作 压紧力是由刀架下降到底后 微电机继续转动产生 压紧力大小应是切削力大小两倍以上 而且应能调整 当压紧 力达到调整数值时 使微电机停转 且始终能保持这一压力直到下一动作循环的开始 CA6140 普通车床设计 20 2 3 3 减速机构的设计计算 本减速机构设计成一级齿轮传动的一级直齿圆柱齿轮减速器 由 经济型机床数 控系统设计 张新义主编 北京 机械工业出版社 1994 7 第六章 P335 表 6 32 和 表 6 33 已知电机功率为 120w 电机转速为 1400r min 工作可靠 30000 次取为 40000 次换刀时间 270 为 3 9s 设传动比为 i 4 6 1 选择材料 刀架为一般工作器 选常用材料及热处理 40cr 表面淬火齿面硬度 48 55HRC 取 中间值 52HRC 计算许用应力 选用齿面精度等级为 5 级精度 GB10095 58 初选小齿轮齿数 Z1 19 大齿轮 齿数 Z2 i Z1 4 6 19 87 4 取 Z2 88 实际齿数比 Z2 Z1 88 19 4 632 齿数比误差为 M 理 M 实 M 理 4 632 4 6 4 6 0 007 在允许范围内 2 按齿面接触疲劳强度设计 计算公式按式 6 6 d1t 2kT1 d u 1 u Ze Zh Z H 1 确定计算参数 T1 9 55 10 P1 n1 9 55 10 0 16 1400N mm 1 09 10 N mm 按齿数 z1 19 z2 88 查表 6 15 得 1 0 741 2 0 845 则 1 2 0 741 0 845 1 586 因是直齿轮 0 故 1 586 查表 6 7 假设 KaFt b 100N mm 取 K 1 3 据表 6 6 因为载荷稳定电机驱动 Ka 1 0 据表 6 9 悬臂布置 取齿宽系数 d 0 5 据图 6 11 查得 K 1 26 试选 Kvt 1 05 下标 t 表示试选 由式 6 2 K 1 1 05 1 26 1 3 1 72AVK 由表 6 8 查得 189 8MpaeZ 由表 6 10 查得齿轮接触疲劳强度极限 大小齿轮硬度相同 1500Mpalimh 计算应力循环次数 1400 60 4000 4 4 4 1 10 1N 4 1 10 4 632 8 9 10 2 由图 6 32 查得 1 6 不允许出现点蚀 1 6 不允许出现点蚀 1nZ2nZ 常州工学院毕业设计 21 由 6 11 取安全系数 1 50hS 由图 6 24 工作硬化系数 1 0wZ 许用接触应力 1500 1 6 1 1 5 1600mpa1 H lim1nhS 1500 1 6 1 1 5 1600mpa2li2Zw 因为 6 16 1600Mpa 所以 1600Mpa1 H H 由图 6 16 查得 Z 0 89 2 计算 d1t 2kT1 d u 1 u Ze Zh Z H 13 61 重新校核 动载荷系数 齿轮速度 V 13 41 1400 60 1000 0 98m s10 6nd VZ1 100 0 98 19 100 0 1562m s 查图 6 8 得 Kr 1 01 与假设相差较大 修正 d1 Kv Kvt d1t 1 01 1 05 13 41 13 24mm 模数 m d1 Z 13 24 19 0 7mm 按表 6 3 取标准模数 m 1mm 因此求得 m 1 19 19mm1dz m 1 88 88mm2Z b d d1 0 5 19 9 5 圆整取大齿轮宽度 b2 13mm 小齿轮宽度 b1 10mm 校核原设计 KA Ft b 100N mm 查表 6 7 Ft 2T1 d 2 10 9 10 19 1 15 10 N KA Ft b 1 0 115 13 38 3N m 100N mm 符合原设计 3 校核齿根弯曲疲劳强度 计算公式 F 2KT1 bd1m YF2 YS2 Y F CA6140 普通车床设计 22 查表 6 20 19 得齿形系数 YF 1 2 85 YF 2 2 22 查图 6 21 20 得应力修正系数 1 54 1 781SaY2Sa 查图 6 10 21 得弯曲疲劳强度极限 大小齿轮硬度相同 1000mpalimF 取 2 表 6 11 22 S Yx 1 由图 6 26 23 因 M 5 查图 6 25 24 2 521NY 1000 2 5 1 2 1250MPa1 F limFXS 1250Mpa2 比较 2 55 1 548 1250 0 0041 FY1 2 22 1 78 1250 0 00322 小齿轮较软应该按小齿轮校核弯曲疲劳强度查图 6 22 26 得重合度系数 0 71 Y 2 1 7199 10 914 10 10 19 1 2 22 1 782 F 1mTbdK2FaYS 0 71 55 43Mpa 1250Mpa1 F 所以弯曲疲劳强度足够 4 几何尺寸计算 按 金属切削机床设计简明手册 1 分度圆直径 m 1 19 19mmd1z m 1 88 88mm22 2 齿顶高 M 1 1 1mmah 3 齿根高 M 1 25 1 1 25mmf ac 4 齿高 h 1 1 25 2 25mmaf 5 齿顶圆半径 常州工学院毕业设计 23 2 19 2 21mm1adah 2 88 2 1 90mm 6 齿根圆半径 2 19 2 1 25 16 5mm1fdfh 2 88 2 1 25 85 5mm2ff 7 中心距 a 1 2 1 2 16 5 85 5 51mm1d2 8 齿宽 13 152b1 2 3 3 蜗杆传动的设计计算 已知电动功率为 120w 所设计的减速器齿轮的齿面精度为 5 级 传动效率为 98 5 以上取 99 蜗杆的应力循环系数为 601N 1 选择材料 蜗杆用 40Cr 表面淬火 硬度 45 55HRC 蜗轮用铸锡青铜 ZCUSN10P1 砂模铸造 2 确定蜗杆头数 及蜗杆齿数 i1Z i 30 取 1 则 i 1 30 30Z2 3 按蜗杆齿面接触疲劳强度进行设计计算 1 确定作用在蜗轮上的转距 按第三节推荐值 取 0 72T 9 55 106 2T2 P 9 55 106 0 16 0 7 0 99 30 4 6 69074N mm 2 确定载荷系数 K 在定载荷下工作未定载荷下工作有冲击 取 K 1 设蜗轮圆周速度为 3m s 取 1 05 2VV K 1 1 05 1 05 3 确定许用应力 查表 7 5 H 基本许用应力 200Mpa 应力循环次数 N 60n2tN V 设此蜗轮蜗杆每日工作 8 小时工作寿命 10 年 每年工作 260 天 则 N 60 1400 138 8 260 10 1 26 10 7 寿命系数 10 7 N 107 1 26 10 7 0 93nZ CA6140 普通车床设计 24 许用接触应力 ZH OH 0 97 200 194MpaH 4 计算模数 m 以及蜗杆分度圆直径 1d 铸锡青铜与蜗杆配对时 ZE 160 MPA 由式 7 9 得 m d1 9KT2 ZE Z2 H 9 1 05 7907