简易木工车床设计说明书毕业设计.docx
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简易木工车床设计说明书毕业设计
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简易木工车床设计
作者姓名
专业机械设计制造及其自动化
指导教师姓名
专业技术职务教授
摘要
木工车床,它由床身、安装在床身的导轨尾部的尾座、安装在床身的导轨中部的刀架、安装在床身头部的床头箱、安装在床头箱上的主轴及其上的卡盘、安装在床头箱上的电机、安装在电机轴和主轴及床头箱上的变速传动装置所构成,其特征在于所说的变速传动装置由固定在主轴端部的从动变速三角带轮的固定半轮、套装在主轴上且与固定半轮插合的从动变速三角带轮的可动半轮、以轴承安装在可动半轮端部的推拉臂、安装在推拉臂和床头箱之间的压簧、固定在推拉臂上与主轴平行并可在床头箱的孔中滑动的齿条、与齿条啮合端部穿过床头箱的齿轮轴、以小轴安装在齿轮轴端部的开口槽中且带有手柄的偏心轮、安装在电机轴或其连接轴上的主动变速三角带轮的可动半轮和固定半轮、安装在可动半轮和电机轴或其连接轴端部的挡圈之间的压簧以及安装在主动和从动变速三角带轮上的三角皮带所构成。
[1]用木工车刀加工木料旋转表面或复杂外形面的木工机床。
木工车床分为普通木工车床、仿形木工车床和圆棒机等。
普通木工车床工件装夹在卡盘内,或支承在主轴及尾架两顶尖之间作旋转运动([普通木工车床])。
车刀装在刀架上,由溜板箱带动作纵向或横向进给运动,也可手持车刀靠在托架上进给。
普通木工车床用于车外圆、车端面(见车削)、切槽和镗孔(见镗削)等加工。
ABSTRACT
TheNCmachineplaysaverygreatroleinmechanicalengineering.Althoughtheinvestmentneedsagreatdealofmoney,itisagoodwaytotrydigitalmodificationforordinarylathe.ThespindlespeedofCA6140remainsthemanualfunctionofshiftinggears.Thealterationiseasyanditcanreducelaborintensity
andimproveproductiveefficiency.buttheNCMachinelargerone-timeinvestment,NCmachinetoolsforthetransformationofagoodafterall.ThedesignofthedeviceusingNCLatheCA6140control,partofthemaintransmissionsystemusingACspindlemotorandgradedbythepulleydrivenspindlegearbox,throughtheinverterandgearboxtoachievesub;FeedSystemusedbysteppermotordrivenballscrewslowdownaftercampaignverticalfeedsystemthroughagearaftertheballscrewdrive,intheballscrew;Tooltoautomaticallytransfertoolcarrier(4-position),thusachievingautomatictoolchange;byMCS-51series8051datatobedealtwith.fromtheIOinterfacestepperpulseoutputsignaltocontrolthefeedrateanditineraries;Inordertomaintainthefunctionofcuttingthread,totheouterendofspindleorotherappropriatelocationloadedpulsegenerator;LathewillbetransformedintoTailstockmanuallycontrolledelectricTailstock.ThedesignoftheNCtransformationoftheeconomy-theapplication,transformingsimple,canreducelaborintensity,improveproductionefficiency.IntroducedamajoreconomicNCmachinetoolservosystemdesign.ExpoundedtheCA6140ordinaryNClathespindlesystemimprovementsandverticalmachine,andcalculation.
Keywords:
CA6140lathe;digitalmodification;ballscrew;steppingmotor
目录
摘要
1.O引言1
1.1.1木工车床的历史1
1.1.2木工车床的发展2
1.1.3市场分析3
1.1.4生产分析3
1.1.5综合分析3
1.2木工车床的基本结构……………………………………………………………….4
1.2.1机床本体………………………………………………………………..…………4
1.2.2按加工工艺分类…………………………………………………………………4
1.2.3木工车床按驱动装置的特点分类………………………………………………4
1.2.4木工车床的特点………………………………………………………………….4
1.2.5木工车床的应用范围…………………………………………………………….4
第二章主传动系统设计5
2.1概述5
2.2床主传动系统的特点5
2.2.1主传动系统的配置方式6
2.2.2主传动系统的主轴电动机的选型6
2.2.3交流主轴电机的调速8
2.2.4分级变速齿轮箱的传动系统设计9
3.2.5主传动系统组件的结构形式13
第三章伺服进给系统的结构设计与计算13
3.1伺服进给传动系统概述13
3.2步进电动机及开环进给控制14
3.3纵向进给系统的设计计算15
3.3.1设计参数15
3.3.2纵向进给切削力的确定16
3.3.3纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型16
3.3.4纵向进给减速齿轮的设计与校核19
3.3.5纵向进给步进电动机的计算和选型20
3.4横向进给系统的设计计算23
3.4.1横向进给切削力的确定23
3.4.2横向进给切削力的确定23
3.4.3横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型24
3.4.4横向进给减速齿轮的设计与校核25
3.4.5横向进给步进电动机的计算和选型28
3.5滚珠丝杠的安装30
3.5.1滚珠丝杠的安装形式30
4.5.2滚珠丝杠轴承的校核31
3.5.3消除齿轮间隙的措施:
34
第四章自动回转刀架的设计35
4.1自动回转刀架主要类型及特点35
4.2自动回转刀架的设计计算36
4.2.1自动回转刀架步进电动机的选用36
4.2.2自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算36
结论参考文献
致谢40
第一章概述
1.O引言
木工车床,它由床身、安装在床身的导轨尾部的尾座、安装在床身的导轨中部的刀架、安装在床身头部的床头箱、安装在床头箱上的主轴及其上的卡盘、安装在床头箱上的电机、安装在电机轴和主轴及床头箱上的变速传动装置所构成,其特征在于所说的变速传动装置由固定在主轴端部的从动变速三角带轮的固定半轮、套装在主轴上且与固定半轮插合的从动变速三角带轮的可动半轮、以轴承安装在可动半轮端部的推拉臂、安装在推拉臂和床头箱之间的压簧、固定在推拉臂上与主轴平行并可在床头箱的孔中滑动的齿条、与齿条啮合端部穿过床头箱的齿轮轴、以小轴安装在齿轮轴端部的开口槽中且带有手柄的偏心轮、安装在电机轴或其连接轴上的主动变速三角带轮的可动半轮和固定半轮、安装在可动半轮和电机轴或其连接轴端部的挡圈之间的压簧以及安装在主动和从动变速三角带轮上的三角皮带所构成
。
1.1.1木工车床的历史
用于加工木材的车床出现较早。
15世纪末,欧洲有了人力、畜力、风力和水力驱动的简单木工锯机。
1791年,英国的S.边沁先后发明了平刨床、单轴木工铣床、镂铣机和木工钻床等。
1805年,英国的M.I.布津内尔发明圆锯机。
1828年,美国的W.伍德沃思发明压刨机。
1834年,美国的G.佩奇和J.A.费伊分别发明榫槽机和开榫机。
1880年,发明了框锯机。
1900年,发明了多联带锯机。
此后随着电子技术和计算机技术的发展,各种自动木工机床相继出现。
1.1.2木工车床的发展
国内木工机械以山东青岛,广东伦教较为集中。
改革开放以来,以前的老国有企业纷纷改制,转变经营理念,像哈尔滨木工机械,苏州福马集团,山西榆次热压机厂,山东威海木工机械厂,青岛木工机械总公司等等,都完全转变为市场经营体制。
砂光机以德国,意大利见长,台湾产砂光机在50-80年代占据了中低端市场,近二十年来,大陆产砂光机异军突起,在大陆及世界各地运转生产,但是质量仍然有待提高,质量及性价比上以青岛千川木业设备有限公司的“千川”牌,青岛建成豪,新动力等市场占有率较高,目前在国内山东临沂,菏泽,江苏邳州,浙江嘉善,南浔,福建莆田,广西,四川等木业加工密集地区都有大量分布;目前我国的木工机械出口势头甚猛,主要市场以第三世界国家为主,东南亚,南亚地区为主,有些质量比较好的甚至出口到美洲,欧洲市场。
总之,我国的木工机械发展已经有了很大提高,但是质量上仍然亟需提高才能在世界木机之林占有一席之地。
1.1.3市场分析
据国内资料统计,订购新的木工车床的交货周期一般较长,往往不能满足用户需要。
因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
1.1.4生产分析
在现代木材制造工业中,多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。
若要完成这些生产任务,不外乎选择通用机床、专用机床或木工车床,其中木工车床是最能适应这种生产需要的。
1.1.5综合分析
木工机电一体化技术的新成果不断涌现,木工机械从纯粹机械产品想机电一体化技术过渡,数控机械的普及率大大提高,加强数控数控技术在木工机床上的应用,重视和发展数控车床,以适应多品种小批量生产需要的木工机械,发展木材加工机械的新产品
。
1.2木工车床的基本结构
1.2.1机床本体
木工车床的机床本体与传统机床相似,由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置
1.2.2按加工工艺方法分类
木材切削类木工车床
有木工车床、刨床、钻床、磨床等。
1.3.3木工车床按驱动装置的特点分类
1.开环控制木工车床
控制系统不带反馈装置,使用功率步进电动机为伺服执行机构。
开环控制系统结构简单,成本低。
但是不能进行误差校正,步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等的传动误差将影响被加工零件的精度。
开环系统仅适用于加工精度要求不是很高的中小型木工车床,特别是简易小型经济型木工车床。
2.半闭环控制木工车床
半闭环控制木工车床的特点是,在伺服电动机的轴或木工车床的传动丝杠上装有角度检测的装置(如光电编码器等),通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移,然后反馈到数控装置中去,对误差进行修正。
半闭环数控系统的调试比较方便,且具有很好的稳定性。
目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体,并使结构更加紧凑。
3.闭环控制木工车床
闭环控制木工车床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置,将测量的实际位移值反馈到数控装置中,与输入的指令位移值进行比较,用差值对机床进行控制,且使移动部件
1.4木工车床的特点
1.对加工对象的适应性强
在木工车床上改变加工零件时,只需重新编制(更换)程序,输入新的程序就能实现新零件的加工。
2.生产效率高
木工车床能有效的减少机动时间和辅助时间,每一道工序都能选用最有利的切削用量,选用了很高的空行程运动时间。
因而消耗在快进、快退、和定位的时间比手工少得多
3.加工精度高
木工车床加工精度高,比手工加工精度高,适合对工件尺寸要求高的生产
4.良好的经济效益
在单件、小批量生产的情况下,可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率,从而能够获得良好的经济效益。
1.4.2木工车床的应用范围
木工车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。
通过数控加工程序的运行,可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工,并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。
车削中心可在一次装夹中完成多个工序的加工,提高加工精度和生产效率,尤其适合于复杂形状回转类零件的加工。
第二章主传动系统设计
2.1概述
主传动系统是实现机床主运动的传动系统,它具有一定的转速和一定的变速范围,能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。
主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件,相比普通车床的主传动系统结构上比较简单,因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担,省去了复齿轮变速机构,只有二级或三级齿轮变速系统以扩大电动机无级调速的变速范围。
2.1.1木工车床主传动系统的特点
与普通机床比较,木工车床主传动系统具有下列特点:
1)转速高、功率大。
使木工车床能进行大功率切削和高速切削,实现高效率加工。
2)变速范围宽。
一般Rn>100,以保证加工时能选用合理的切削用量,获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
3)主轴变速迅速可靠。
木工车床的变速是按照控制指令自动进行的,因此变速机构必须适应自动操作的要求。
主轴组件的耐磨性高,使传动系统具有良好的精度保持性。
2.1.2木工车床主传动系统的设计要求
1)主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数,以实现运动的开停、变速、换向和和制动。
2)主电动机具有足够的功率,机构和元件具有足够的强度和刚度,以满足机床的动力要求。
3)主传动的有关结构,主轴组件要有足够高的精度、抗振性,热变形和噪声小,传动效率高,以满足机床的工作性能要求。
4)操纵灵活可靠,调整维修方便,润滑密封好,从而足机床的使用要求。
5)结构简单紧凑,工艺性好,成本低,满足经济性要求。
2.2主传动系统的配置
2.2.1主传动系统的主轴电动机的选型
木工车床的调速是按照控制指令自动执行的,因此变速机构必须适应自动操作的要求。
主传动系统中,多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。
为了扩大调速范围,适应低速大转矩的要求,经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。
此处选用交流主轴电动机配以齿轮变速箱实现分级无级调速。
交流调速电机体积小,转动惯性小,动态响应快,没有电刷,达到的最高转速比同功率的直流电动机高,磨损和故障也少。
中小功率领域已占优势,故本次设计选用交流调速电动机。
通过调节供电频率的办法调速。
功率特性见下图:
主轴电动机额定转速时输出全部功率和最大转矩,随着转速的变化,功率.转矩将发生变化。
在额定转速到最低转速为恒转矩速度范围,在额定转速至最高转速为恒功率速度范围时。
恒功率的速度范围只有1:
3速度比。
当电动机速度超过某一定值之后,功率——速度曲线又会向下倾斜,不能保持恒功率。
2.2.2车床交流主轴电机的调速
交流主轴电动机是交流感应电动机,当定子三相绕组通上交流电时,将建立旋转磁场,其主磁通Φm的空间转速即同步转速,其值为
n0=60f1p(rmin)
式中f1--定子供电电源频率(HZ)
p—旋转磁场极对数
感应电动机转子的转数n为
n=n0(1-s)=60f1(1-s)p
式中s—转差数,s=n0-nn0
由上式可知,调速方法大致可分为两类。
第一类改变同步转数n0的调速,它分为两种方法,一种是改变电动机极对数p。
由于p是整数,所以只能得到级差很大的有级调速,不能满足一般木工车床的要求;另一种是改变电动机的供电频率f1。
可得到平滑的无级调速,是一种高效型的交流调速,范围宽,精度高。
第二种是不改变同步转速的调速,一般的有调压调速和电磁调速。
由于转差功率损耗,效率低,特性软,不适合木工车床的调速。
在实际调速时,单纯改变电源频率是不行的,由“电动机学”可知,旋转磁场以n0速度切割定绕组,在每相绕组感应电势为
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中k1w1—-定子每相绕组等效匝数;
Φm—每极磁通量;
u1—定子相电压
所以
Φm=u14.44f1k1w1
由上式可知,如在变频调速中,保持定子电压u1不变,主磁通大小将会发生变化。
如频率从工频往下调节,则上升,导致铁心过热,功率因数下降,电动机带负载能力降低。
所以,必须在降低频率的同时,降低电压,以保持不变。
这就是恒磁通变频调速中的“调速控制”。
只用变频调速,并且是有效方法。
变频调速主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器,变频器有:
·交–直–交变频器分为电压型和电流型。
电压型先将电网交流电经整流器变为直流,经逆变器变为频率和电压可变的交流电压。
电流型是切换一串方波,方波电流供电,用于大功率。
·交–交变频器该变频器没有中间环节,是直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。
目前对于中小功率电机,用最多的是电压型交–直–交变频器。
2.2.3车床分级变速齿轮箱的传动系统设计
设计木工车床主传动时,须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。
由于主轴要求的恒功率变速范围(Rnp)远大于电动机恒功率范围Rdp,所以在主轴之间要串联一个分级变速箱,从而扩大其恒功率变速范围,以满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。
先设定主轴的最高转速为4000rmin,最低转速为了30rmin,计算转速为150rmin,最大切削功率为5.5KW,交流主轴电机额定转速为1500rmin,最高转速为4500rmin.
主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围,故必须配以分级变速箱。
变速箱的公比Φf等于电动机的恒功率变速范围Rdp,即Φf=Rdp=3,功率特性图是连续的,无缺口无重合的。
变速箱的变速级数为Z,则主轴的恒功率变速范围Rnp等于Rnp=ΦfZ-1Rdp=ΦfZ
故变速箱的变速级数Z=lgRnplgΦf=2.99
取Z=3
变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数,齿数分别为:
高速级Z1:
Z2=112:
58;中速级Z1:
Z2=68:
102;低速大转矩级Z1:
Z2=30:
140
利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴,车床图册,两轴的中心距为170mm。
因所选用电机与原电机功率相同,轴不必另行校核。
三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。
校核如下:
<1>已知电动机输出功率为7.5KW,额定转速为1500rmin,则经同步带传动,第三根轴的转速为750rmin。
经Z1:
Z2=30140传动后,主轴转速为160rmin.
<2>大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260~290,大齿轮硬度HBS220~250,精度选6级。
m=2mm,a=20°,齿宽b=20mm,;
最大进给速度:
纵向O.8mmin;
主电动机功率:
P主=7,5kW;
起动加速时间:
30ms;
机床定位精度:
±0.015mm。
根据机床精度要求确定脉冲当量δp,纵向:
0.01mm步;横向:
0.005mm步。
3.3.2纵向进给切削力的确定
P主≥Pmηm=FzV*10-3ηm
式中ηm=0.75~0.85;
V--主轴传递全部功率时的最低速度
主切削力Fz按经验公式估算:
Fz=0.67Dmax1.5=5360N
式中Dmax为车床床面上加工的最大直径
按切削力各分力比Fz:
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4
Fx=5360×0.25=1340N
Fy=5360×O.40=2144N
4.3.3纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型
滚珠丝杠工作原理及特点:
滚珠丝杠螺母机构是回转运动和直线运动相互转换的传动装置,是木工车床伺服系统中使用广泛的传动装置。
在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧形槽合起来形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠。
当丝杠相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,使二者发生轴向相对位移。
为了防止滚珠从螺母中滚出来,螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。
滚珠的存在,丝杠与螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。
滚珠丝杠螺母机构有下列特点。
1)摩擦损失小、且传动效率高。
滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.92~0.96是普通滑动丝杠螺母机构的3~4倍,驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。
2)运动平稳,摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行.由于主要存在的是滚动摩擦,不仅动、静摩擦因数小,而且其差值也很小,因而启动转矩小,动作灵敏,即使是在低速情况下也不会出现爬行现象。
3)轴向刚度高、反向定位精度高,由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙实现滚珠的预紧,因而轴向刚度,反向时无空行程,定位精度高。
4)磨损小、寿命长、和维护简单,使用寿命是普通滑动丝杠的4~10倍。
5)传动具有可逆性、不能自锁,因为摩擦因数小,不能自锁因而该机构的传动具有可逆性,不仅可以把旋转运动转化为直线运动,而且还可把直线运动转化为旋转运动。
6)同步性好,用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件,可获得较好的同步性。
7)有专业工厂生产,选用配套方便,滚珠丝杠不仅广泛应用于木工车床,而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构,用于各种精密机床和精密装置。
(1)计算进给牵引力Fm
Fm=KFx+f′(Fz+G)
=1.15×1340+0.16(5360+800)=2530N
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,取:
0.15~0.18;
G——溜板及刀架重力,G=800N。
(2)计算最大动负载Cm=,
L=60nT106
n=1000VsL。
式中L——滚珠丝杠导程,初选L。
=8mm;
Vs——最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的(12~13),此处Vmax=0.8mmin;
T——使用寿命,木工车床用滚动丝杠寿命15000h;
fw——运转系数,按一般运转取1.2~1.5
L——寿命,以106r为1单位。
n=1000VsL。
=1000×0.8×0.58=50rmin,
Cm==C=
(3)纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型
滚珠丝杠副选择的依据是工作动负荷Cm(N)必须小于滚珠丝杠的额定动负荷Ca(N),即必须满足:
Cm 公称直径dm越大,承载能力和刚度越大,木工车床常用进给丝杠的公称直径dm为Φ30~80mm"取dm=Φ40mm"滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7、10,1级最高,依次降低一般选用4~7级,木工车床及精密机械可选2~3级,滚珠丝杠副的精度
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