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毕业设计好的.(3000字)
第一章设计任务及总体方案的确定
1.设计任务
将CA6150普通车床改造成MSC-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:
纵向:
2.4m/min
横向:
1.2m/min
最大切削进给速度:
纵向:
0.5m/min
横向:
0.3m/min
主电机功率:
7.5kw
启动加速时间:
30ms
机床定位精度:
±0.015mm
最小指令值:
纵向:
0.1mm/脉冲
横向:
0.005mm/脉冲
自动升降性能:
有
2.总体方案的确定
①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。
②计算机系统
根据机床要求,采用8位微机,由于MSC-51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。
③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0.01~0.005每脉冲,经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.002~0.001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:
1.纵切外圆:
Fz
式中:
Dmax---mm)
Fz=(0.67×3601.5)N
=4576N
求出切削力Fz后,在按照下比例分别求出Fx和FY
Fz:
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4
Fx=4576×0.25=1144N
FY=4576×0.4=1830N
2.横切断面:
主切削力Dz可取横切削力的1/2
Fz、=Dz×1/2=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、=1:
0.25:
0.4
Fx、=2288×0.25=572N
Fy、=2288×0.4=915N
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。
1.外圆车削切削力的计算
Fz=9.8/(Fz-aPDzfzfzfz(60v)nFzKFz
Fx=9.8/(Fx-aPxfxfxfx(60v)nFxKFx
FY=9.8/(FY-aPyfyfyfy(60)nFYKFY
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
精密机床:
Y=0.8~0.85
大型机床:
Y=0.7~0.88
中型机床:
Y=0.75~0.8
Mn=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/d×103
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=k·Fx+f、(Fz+U)
=[1.15×1144+0.16×(4576++1500)]=2288(N)
式中:
k——考虑颠覆力矩实验系数综合导轨取k=1.15f‘——调整导轨摩擦系数取0.15~0.18
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=3√LfwFm
L=60nt/106n=1000Vs/Lo
式中:
Lo——滚珠丝杠导程选6mmN——丝杠转速(r/min)
Vs——最大进给力下的进给速度的1/2~1/3此外Vs为0.5m/minT——使用寿命按1500h
fw——运转系数按一般运转取1.2~1.5L——寿命以106转为一个单位n=1000Vs/Lo=1000×0.5×0.5/0.6=41.67r/minL=60nT106=60×41.67/106×1500=37.5C=3√LfwFm=3√37.5×1.2×2288=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
η=tanr/tan(r+φ)
式中:
r——螺旋升高WL·4006=2q44ˋ
Φ——摩擦力取10`,滚动摩擦力系数0.003~0.004η=tanr/tan(r+φ)
=tan2q44ˋ/tan(2o44ˋ+10ˋ)=0.94五、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.丝杆拉伸或压缩变形量f1(mm)
查图根据Fm、=2785(N)D=20mm,查出fL/L0=4.2×10-5可算出f1=fL/L0×Z=14.2×10-5×350=1.47×10-2mm
2.滚珠与螺纹道间接触变性f2
查图FQ=8.5μm
因进行了预紧f2=1/2fQ=4.25μm3.支撑滚珠丝杆的轴承的轴向变形f3
采用8102推力球轴承dQ=4.763、Z=12、d=15mmfc=0.00523√Fm2/dQZ2=0.00523√27852/4=0.0117考虑到预紧,故:
f3=1/2fc=1/2×0.0117=0.0585
综合以上几项变形量之和:
f=f1+f2+f3=0.0147+0.0043+0.0585=0.02485mm
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、=1.4Fg、+f、(Fz+2Fx+μ、)
=1.4×9.15+0.004(4576+2×572+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从图中查:
Fm、=1594N时,fL/L0=2.4×10-5
f1=fL/L0×L=2.4×10-5×350=0.0084mm
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fQ=5.4μm因进行了预紧,故:
f2=1/2fQ=2.7μm
fc=0.00523√Fm2/dQ=0.0052×15.46=0.0080μmf3=1/2fc=0.004mm
则:
f=f1+f2+f3=0.0084+0.0027+0.004=0.015mm
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=f2π2E/L2
式中:
E——材料弹性模量(N/cm2)刚为20.6×106N/cm2I——截面惯性矩对于丝杆为πd14/64(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200
I=πd14/64=π1.67884/64=0.3899cm
FK=f2π2E/L2=2×3.142×20.6×106×0.3899/452=7821Nnk=FK/Fm、=78214/1155=57.7≥【nk】
一般【nk】=2.5~4,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WL201X丝杆几何参数
单位(mm)
第四节齿轮的传动比
一、纵向进给齿轮箱传动比的计算
已确定纵向进给脉冲当量fp=0.001.滚珠丝杆导程L0=6mm.初选步进电动机步距角为0.75,可计算传动比为i=360fp/Q2L0=360×0.01/0.75×6=0.8可选定齿轮数为:
i=Z1/Z2=32/40或20/25Z1=32Z2=40或Z1=20Z2=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=360×0.005/0.75×5=0.48
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/Z2×Z3/Z4=3/5×4/5=24/40×20/25Z1=24Z2=40Z3=20Z4=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
为了消除齿轮侧隙,可采用双片齿轮,这样齿宽可加大到(6~10mm)
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θ
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30、1.50、0.750,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θ是以分数形式给出的两个数,其中分子所表示的步距角的通电方式是双向的,分母表示的步距角是单向的。
150BF002步进电动机步距角为1.50或0.750,其0.750是五相十拍,1.50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Tm
1.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(N·cm)
Tm=3600fpFm/2yθ0π
式中:
fp=脉冲当量(mm/step)Fm——进给牵引力(N)
θ0——步距角初选双拍列为0.750
y——电机丝杆的传动频率,为齿轮轴承丝杠效率之积,分别为0.98、0.99和0.94
Tm=3600fpFm/2yθ0π
=3600×0.001×2288/2π×0.75×0.98×0.99×0.94=193.69N·cm
2.估算步进电动机起动转矩TqTq=Tm/0.3~0.5
=193.69/0.3=645.6N·cm3.计算最大静转矩Timax
查表如取五相十拍时,则:
Timax=Tq/0.951=645.6/0.951=678.9N·cm
4.计算步进电机运行频率fe和最高启动频率fkfe=100VS/60fpfk=1000Vmax/60fp=1000×2.4/60×0.01HZ=4000HZ
式中:
VS——最大切削进给速度(mm/min)Vmax——最大位移速度(m/min)fp——脉冲当量取0.001mm/step5.初选步进电动机型号
根据估算出的最大静转矩Tmax,在表中查出130BF001的最大静转矩是1097.9N·cm>Timax,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·m2)计算公式如下:
J=MD2/f对于钢材:
J=0.78×D2L×10-3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)钢材的密度为7.8×10-5kg/cm3所以J1=0.78×10-3×d14L1
(0.78×10
-3
×6.844×2)kg·cm2=2.62kg·cm2
J2=0.78×10-3d24l2
-3
=(0.78×10
×84×2)kg·cm2
=6.39kg·cm2
J3=(0.78×10-3×44×150)kg·cm2
(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=10kg·cm2
(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Jε=Jm+J1+(Z1/Z2)2·[(J2+J3)+G/g·(L0/2π)2]式中:
Jm——步进电动机转子转动惯量(kg·cm2)J1、J2——齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg·cm2)J3——滚珠丝杆转动的惯量(kg·cm2)代入数据计算则:
Jε=Jm+J1+(Z1/Z2)2·[(J2+J3)+G/g·(L0/2π)2]4
=10+2.62+(32/40)2×[(6.39+29.52)+1500×0.62/(9.8×4π2)]=39.452kg·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/Jε=10/39.452=0.253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(N·m)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=Jε·ε
=(Jε·2πnmax/60ta)·10-2nmax=(μ
max
/fp)·(Q0/3600)
将前面数据代入,式中符号意义同前:
nmax=(μ
max
/fp)·(Q0/3600)
=(2400/0.01)·(0.75/3600)=500r/min起动加速时间:
ta=30m/s
Mamax=(Jε·2πnmax/60ta)·10-2=634.5N·cm
折算到电机轴上的摩擦转矩MfMf=F0L0/2πyi=f`(Fz+G)L0μ/2πyz2
=0.16×(4576+1500)×0.6/(2π×0.8×1.25)=92.8N·cm附和摩擦转矩m0
m0=FD0L0(1-y02)/2πyi=1/3FμL0(1-y02)z1/2πyz2
=[1/3·2288·0.6·(1-0.92/(2π·0.8·1.25)]N·cm=12.46N·cm上述三项合计:
M=Mamax+Mf+M0
=634.5+92.8+12.46=739.76N·cm
(2)快速进给时转矩M、M、=Mf+M0=(92.8+12.46)N·cm=105.26N·cm
、
(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(N·cm)可采用下式计算:
Mamax=Jε·ε=Jε·(2πnmax/60ta)·10-2Nmax=(Vmax/fp)·Q0/3600
式中Jε——传动系统中折算到电机轴上的点等效转动惯量(kg·cm2)ε——电机最大角加速度(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——运动部件从停止起初加速度到最大快速速度所需时间(s)摩擦转矩公式:
Mf=F0L0/2πyiF0=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0.7~0.85.附加转矩摩擦公式:
M0=FD0L0(1-n2)/2πηi
式中:
FD0——滚珠丝杆预加负载,一般可取1/3Fm,Fm为进给率引力(N)L0——滚珠丝杆导程
η——滚珠丝杆未预紧时的传动功率,一般可取≥0.9折算到电机轴的切削负载转矩
Mt=FtL0/2πyi式中:
Ft——进给方向最大切削力
、
M、=Mf+M0+Mt
=Mf+M0+fxL0/2πyi
=105.26+1144·0.6/(2·3.14·0.8·0.125)
=214。
56N·cm
、
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,λ=M0/Mamax=0.951,则最大静转矩为:
Mjmax=(739.76+0.951)N·cm
从表中查出150BF002型步进电动机最大转矩为13.72N·cm大于所需最大静转矩,可以满足此项要求。
3.校核步进电机效率特性
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,也就是说尽管最大静转矩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=100N·cm远远不能满足此机床所需要的空载起动力矩,直接使用则会产
生失步现象,所以必须采取升降速控制,起动转矩可增高到必须采取将起动频率降到100HZ,起动转矩可增高到588.4N·cm,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
运动矩频特性
150BF002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
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