CA6140车床进给系统的数控化改造.doc
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CA6140车床进给系统的数控化改造.doc
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目录
序言-----------------------------------------------------------------------------------2
一、 设计方案的确定-----------------------------------------------------------3
(一) 设计任务--------------------------------------------------------------------3
(二) 总体设计方案的确定-----------------------------------------------------3
二、机械部分改造与设计--------------------------------------------------------4
(一) 纵向进给系统的设计与计算--------------------------------------------4
(二) 横向进给系统的设计与计算--------------------------------------------10
三、步进电机的选择---------------------------------------------------------------13
(一)步进电机选用的基本原则------------------------------------------------13
(二)步进电机的选择------------------------------------------------------------14
四、机床导轨改造------------------------------------------------------------------15
五、自动转位刀架的选用---------------------------------------------------------16
六、小结------------------------------------------------------------------------------17
七、参考文献------------------------------------------------------------------------17
序言
数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题,且能稳定产品的加工质量,大幅度地提高生产效率。
但从目前企业面临的情况看,因数控机床价格较贵,一次性投资较大使企业心有余而力不足。
我国作为机床大国,对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。
中小型企业为了发展生产,常希望对原有旧机床进行改造,实现数控化、自动化。
目前机床数控化改造就是结合生产实际和我国国情,在满足实际加工需求的前提下,尽可能降低成本。
经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。
因此特别适合在生产设备中普通机床占有较大比重的企业,适合在生产第一线大面积推广。
数控机床由机床主体、主轴传动、伺服进给、数控装置、辅助装置等组成。
所以机床数控化改造的主要内容有主轴传动改造、进给系统改造、加装数控装置等。
其中进给系统改造对机床的改动最多,是机床数控化改造中最重要的环节,它直接影响到改造后的机床的加工精度。
可见进给系统改造是机床数控化改造成功的关键所在。
本设计题目主要围绕机床进给系统的数控化改造而展开,其改造的机床是针对普通车床。
CA6140型车床是一种加工效率高,操作性能好,社会拥有量大的普通车床。
实践证明,把此类车床改造为数控车床,已经得到了良好的经济效果。
C6140车床进给系统的数控化改造主要内容如下:
普通车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动,走刀运动是经进给箱传动丝杠到溜板箱,获得不同的工件螺距即Z轴运动;走刀运动是经进给箱传动光杆到溜板箱,获得不同的进刀量即Z轴运动和X轴运动。
车床进给系统数控化改造要拆除进给箱总成、溜板箱总成,改用进给伺服(或步进)传动链分别代替。
具体体现为:
Z轴:
纵向电机→减速箱(或联轴器)→纵向滚珠丝杠→溜板箱,纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。
X轴:
横向电机→减速箱(或联轴器)→横向滚珠丝杠→横滑板,横向按数控指令获得不同的走刀量。
改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下,与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。
一、设计方案的确定
(一)设计任务
本设计任务是CA6140型普通车床进行系统数控化改造。
利用微机对纵横进给系统进行开环控制,纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向脉冲当量为0.005mm/脉冲,驱动元件采用步进电机,传动系统采用滚珠丝杠副,刀架采用自动转位刀架。
进给系统的机械改造设计。
根据机床的运动精度,改动尽量少,且保证加工精度的要求,运动的平稳。
(二)总体设计方案的确定
考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。
本车床的纵向、横向两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机+减速箱(或联轴器)+滚珠丝杆的传动方案。
拆除原来的进给箱、丝杆等,增加少量的机械附件,就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。
二、机械部分改造与设计
(一)纵向进给系统的设计与计算
1、纵向进给系统的设计
车床的纵向进给改造设计一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,螺母固定在溜板箱上,带动刀架台左右移动。
步进电机的布置,可放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说,外观不必象产品设计要求那么高,而从改造方便、实用方面来考虑,现把步进电机放在纵向丝杠的左端,即进给箱部位。
2、纵向进给系统的设计计算
已知条件:
工作台重量:
W=90kgf=900N(根据图纸粗略计算)
时间常数:
T=25ms
滚珠丝杠基本导程:
L0=6mm
行程:
S=1130mm
脉冲当量:
δp=0.01mm/step
步距角:
α=0.75°/step
快速进给速度:
Vmax=2m/min
(1)切削力计算
由〈〈实用机床设计手册〉〉可知:
切削功率:
Nc=NηK
式中N—电机功率,查机床说明书,N=7.5KW
η—主传动系统总效率,一般为0.75~0.85取η=0.8
K—进给系统功率系数,取K=0.96。
则:
Nc=7.5×0.8×0.96=5.76KW
又因为:
NC=
则:
FZ=
式中v—切削线速度,取v=100m/min
所以:
FZ=352.512(kgf)=3525.12(N)
由〈〈金属切削原理〉〉可知:
主切削力FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得:
CFz=188kgf/mm2XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表
(1)所示:
表
(1)FZ计算结果
ap(mm)
2
2
2
8
8
8
f(mm)
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ(N)
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时,切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm,以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈实用机床设计手册〉〉中可知,在一般外圆车削时:
FX=(0.1~0.6)FZ
FZ=(0.15~0.7)FZ
取:
FX=0.5FZ=0.5×3525=1762.5N
FY=0.6FZ=0.6×3525=2115N
(2)滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠副已经标准化,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。
综合车床导轨丝杠的轴向力:
P=KFX+f′(FZ+W)
式中由于使用的是矩形导轨,根据《机床设计手册》查出
K=1.15,f′=0.15~0.18,取为0.16。
则:
P=1.15×1762.5+0.16×(3525.12+900)=2734.9N
强度计算
寿命值:
L1=
所以:
n1==
取工件直径:
D=80mm,
查表得:
TI=15000h(自动控制机床及机床通常的取值)
所以:
n1==20r/min
L1==18
最大动负载:
Q=
运转系数值表
查表取:
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
则:
Q=×2734.9×1.2×1=8598.5N
根据最大动负载Q的值和原机床参数,可选择滚珠丝杠的型号。
例如,滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列,选择型号为FC1B32×6—5—B的滚珠丝杠,公称直径为φ32mm,导程为6mm,滚珠列数为5列,额定动载荷是10689N,所以强度够用。
效率计算
根据〈〈机械原理〉〉的公式,丝杠螺母副的传动效率η为:
η=
式中:
摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°25′
tg===0.0597
则:
η==0.96
刚度验算
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中:
L0=6mm=0.6cmE=20.6×166N/cm2。
滚珠丝杠截面积:
F=()2π=()2×3.14
则:
△L1=±=±1.3×10-5㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略,即:
△L=△L1。
所以:
导程变形总误差△为
△==×1.3×10-5㎝=21.67μm/m
查表知B级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为25μm/m,故刚度足够。
稳定性验算
由于机床原丝杠直径为φ32mm,现选用的滚珠丝杠直径为φ32mm,支承方式不变,所以稳定性不存在问题。
(3)齿轮及转距的有关计算
有关齿轮计算
传动比:
i===1.25
故取齿轮齿数:
Z1=32Z2=40
模数:
m=2mmb=20mmα=20°
分度圆直径:
d1=mZ1=2×32=64mm
d2=mZ2=2×40=80mm
齿顶圆直径:
dα1=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
中心距:
同步带轮XL型,设计中心距α=112mm
转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:
J1=()2W=()2×90=0.526㎏·㎝2=5.26N·㎝2
丝杠的转动惯量:
J
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- CA6140 车床 进给 系统 数控 改造