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C6140卧式车床数控化改造设计(进给伺服系统机械部分计算)

目录

第 1 章 绪论................................................2

1.1 问题提出

2

1.2 普通机床数控化改造经济性评价

4

1.3 普通机床数控化改造市场

5

第 2 章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求............6

2.1 总体方案

6

2.2 设计要求

7

2.3 主传动系统和进给系统的改造

8

第 3 章 进给伺服系统机械部分设计与计算.......................9

3.1 进给系统机械结构改造设计

9

3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型

9

3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤

14

3.4 滚珠丝杠螺母副的精度等级

18

3.5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法

18

3.6 进给系统传动齿轮间隙的消除

20

3.7 自动回转刀架的选型

21

参考文献....................................................22

1

第一章 绪论
1.1 问题提出
数控车床作为机电液气一体化的典型产品,是现代机械制造业中不可缺少的加工设 备,在机械制造业中发挥着重要的作用,能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、 零件多变的加工问题,且产品加工质量稳定,生产效率较高。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的 质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造 周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高,很多工厂在短时间 内都无法有那么多的资金,这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐;同时目前大 多数企业还有数量众多,而且还具有较长使用寿命的普通机床,由于普通机床加工精度 相对较低、不能批量生产,生产的自动化程度不高,生产自适应性差,但考虑投资成本, 产业的连续性和转型周期,又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数 控系统,把普通机床改装成数控机床,是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法, 也是提高机床数控化率的一条有效途径,不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量, 提高生产效率的捷径,使企业提升竞争力,在我国成为世界制造业中心及制造强国的进 程中,占有一席之地。
1.1.1 国内外数控系统发展概况
机床作为机械制造业的重要基础装备,它的发展一直引起人们的关注,由于计算 机技术的兴起,促使机床的控制信息出现了质的突破,导致了应用数字化技术进行柔性 自动化控制的新一代机床-数控机床的诞生和发展。
随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投 入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中, 数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技 术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成 化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭 式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控 系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、 神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动 修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上, CAD/CAM 与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC 只能作为非智能的机 床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工 前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没
2

有反馈控制环节,整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境 以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、 切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实 时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量,因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭 式体系结构,限制了 CNC 向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程, 因此,对数控技术实行变革势在必行。
1.1.2 数控技术发展趋势
(1) 性能发展方向 ① 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯
片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统, 同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。
② 柔性化 包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可 裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产 流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效 能。 ③ 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向 发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转 主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴,西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 ④ 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任 务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技 术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现 实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了 实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个 主要分支发展:自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学*控制、前馈控 制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具 自动管理及补偿等自适应调节系统,在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预 算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控 系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。
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1.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统
当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一 代 PCNC 数控系统已成为可能。
智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服 控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,形 成严密的制造过程闭环控制体系。
1.2 普通机床数控化改造经济性评价
根据对市场的调研,目前新的经济数控车床,8.5 万/台,普通新车床 CA6140,售 价 3.8 万/台,使用寿命 8-10 年,而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140,估价 0.5 万/台, 通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每台数控化改造所需价格大约 3 万,数控 加工的生产率可提高 20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。
设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验,适应生产的需要,改变现 有设备的结构(包括更换新部件、新装置、新附件等),改善现有设备的技术性能,使 之全部或局部达到新设备的性能。
1.2.1 微观看改造的必要性
从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数 控系统所包含的计算机的威力。
(1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的 运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高 3~7 倍。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规 定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工 件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了"柔性自动化"。 (3) 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要"修配"。 (4) 可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运。 (5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人 看管加工。 由以上五条派生的优点:①降低了工人的劳动强度;②)节省了劳动力(一个人可 以看管多台机床);③减少了工装;缩短了新产品试制周期和生产周期;④可对市场需 求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。此外,机床数控化还 是推行 FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及 CIMS(计算机集成制造系统) 等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
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1.2.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在 70 年代末、80 年代初已开始大规
模应用数控机床。其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技 术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外,还包括在产品开发中推行 CAD、 CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS(管理信息系统)、CIMS 等等。以 及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外 军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民 品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到 1995 年只有 1.9%,而日本 在 1994 年已达 20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床 数控化改造的必要性。
1.3 普通机床数控化改造市场
我国目前机床总量 380 余万台,而其中数控机床总数只有 11.34 万台,即我国机床 数控化率不到 3%。* 10 年来,我国数控机床年产量约为 0.6~0.8 万台,年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上;10 年 以下的机床中,自动/半自动机床不到 20%,FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数(美 国和日本自动和半自动机床占 60%以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、 加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装 备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、 国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益。所以必须大力提高机 床的数控化率。
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第二章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求
2.1 总体方案
总体方案设计应考虑机床数控系统的类型,计算机的选择,以及传动方式和执行机 构的选择等。
(1)普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能, 还要求能暂停,进行循环加工和螺纹加工等,因此,数控系统选连续控制系统。
(2)车床数控化改装后属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下应简化 结构、降低成本,因此,进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
(3)根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求,经济型 数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中,MCS—51 系列单片机具有集成度高、可靠 性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比,因此,可选 MCS—51 系列 单片机扩展系统。
(4)根据系统的功能要求,微机数控系统中除了 CPU 外,还包括扩展程序存储器, 扩展数据存储器、I/O 接口电路;包括能输入加工程序和控制命令的键盘,能显示加工 数据和机床状态信息的显示器,包括光电隔离电路和步进电机驱动电路,此外,系统中 还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。
(5)设计自动回转刀架及其控制电路。 (6)纵向和横向进给是两套独立的传动链,它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副 组成,其传动比应满足机床所要求的分辨率。 (7)为了保证进给伺服系统的传动精度和*稳性,选用摩擦小、传动效率高的滚珠 丝杠螺母副,并应有预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙,齿轮副也应有消除齿侧间 隙的机构。 (8)采用贴塑导轨,以减小导轨的摩擦力。 (9) 原机床的主要结构布局基本不变,尽量减少改动量 ,以降低成本缩短改造周 期。 (10)机械结构改装部分应注意装配的工艺性,考虑正确的装配顺序,保正安装、 调试、拆卸方便,需经常调整的部位调整应方便。 总体方案设计图如 2.1 图所示
6

图 2.1 数控车床改造的总体方案示意图

2.2 设计要求

将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能,纵

向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向:0.01mm,横向:0.005mm。

设计参数如下:

最大加工直径:

在床面上

400mm

在床鞍上

210mm

最大加工长度:

1000mm

快进速度

纵向

2.4m/min

横行

1.2m/min

最大切削进给速度

纵向

0.5m/min

横行

0.25m/min

代码制

ISO

脉冲分配方式

逐点比较法

输入方式

增量值、绝对值通用

控制坐标数

2

最小指令值

纵向

0.01mm/pulse

横行

0.005mm/pulse

刀具补偿量

0~99.99mm

进给传动链间隙补偿量

纵向

0.15mm

横行

0.075mm

自动升降速性能



7

2.3 主传动系统和进给系统的改造
CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制,而改造后的车床则 把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制,但是为保证车 床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系,所以在拆掉进给系统的同时,必须在 主轴*沧耙桓雎龀宸⑸鳎词迪种髦岽徒硕涞牧怠M保颂岣 机床的精度和效率,用滚珠丝杠来代替原机床的光杠,并且采用单独的步进电机来控制。 这样不仅提高了机床的性能和精度,还提高了机床的使用性能。
(1) 机械部分的改造 首先拆去进给箱、溜板箱;还要对车床的床鞍进行部分的改造,拆去纵向小*濉 横向*澹扛芑怀晒鲋樗扛埽⑶矣梢欢饲牟浇缁纯刂啤 (2) 刀架的改造 CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以,必须要换成 数控自动刀架。
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第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算
3.1 进给系统机械结构改造设计
进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改 造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案:
挂轮架系统:全部拆除,在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分:全部拆除,在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光 杠和操作杠拆去,齿轮箱连接滚珠丝杠,滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原 来装轴承座的部分。 溜板箱部分:全部拆除,在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。 横溜板箱部分:将原横溜板的丝杠的、螺母拆除,改装横向进给滚珠丝杠螺母副、 横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架:拆除原刀架,改装自动回转四方刀架总成。
3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括:确定脉冲当量、计算切削力 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算 简图如下图所示:
图 3.1 纵向进给
图 3.2 进给系统计算简图
3.2.1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机
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床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型 数控机床来说,常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参 数中,要求纵向脉冲当量 f p 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 f p =0.005mm/step。
3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤
(1)滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的结构
原理示意图如图所示,它可将旋转运动转变为直线运动,或者将直线运动转变为旋转运 动。因此,滚珠丝杠副既是传动元件,也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。

图 3.3 滚珠丝杠螺母副的结构原理图

组成:主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道(回珠器)、螺母座等组成。 工作原理:在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽,当它们套装在一起时便形成螺旋滚 道,并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动,并经回珠管作周而复始的循环运动。 回珠管两端还起挡珠的作用,以防滚珠沿滚道掉出。 特点:①传动效率高:机械效率可高达 92%~98%。 ②摩擦力小:主要是用滚珠的滚 动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 ③轴向间隙可消除:也是由于滚珠的作用,提高了 系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 ④使用寿命长、制造成本高:主要采用优质合金 材料,表面经热处理后获得高的硬度。
(1)最大工作荷载计算

滚珠丝杠的工作载荷 Fm (N)是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受

的轴向力,也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作 用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨,则用公式 2-1 计算 工作载荷的大小。

Fm ? KFL ? f ?(Fv ? G)

(3-1)

10

①车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx ﹑ Fy ﹑ Fz ,主切削力 Fz 与主切削速度方向一致 垂直向下,是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直,影 响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向*行且相反指向,设计或校核进 给系统是要用它。

图 3.4 切削时总切削力的分解

纵切外圆时,车床的主切削力 Fz 可以用下式计算:

根据公式:

Fz

? CFz apxFz

f

V K yFz nFz Fz

=5360(N)

Fz : Fx : Fy =1:0.25:0.4

(3-2) (3-3)

得 Fx =1340(N)

Fy =2144(N) 因为车刀装夹在*迳系牡都苣冢档妒艿降某迪骺沽莸浇*搴偷脊焐希 削作业时作用在进给托板的载荷 F1 ﹑ Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有对应关系。

11

因此,作用在进给托板上的载荷可以按下式求出: 托板上的进给方向载荷 F1 = Fx =1340(N)

托板上的垂直方向载荷 Fv = Fz =5360(N)

托板上的横向载荷

Fc = Fy =2144(N)

因此,最大工作载荷

Fm ? KFL ? f ?(Fv ? G) =1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8) =1790.68(N)

对于三角形导轨 K=1.15, f ? =0.03~0.05,选 f ? =0.04(因为是贴塑导轨),G 是

纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量,选纵向﹑横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. ②最大动载荷 C 的计算
滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用,可用式 3-4 计算:

C ? 3 L fmFm

(3-4)

L 为工作寿命,单位为 10r,L=60nt/10;n 为丝杠转速(r/min),n=1000v/L0;v 为 最 大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的 1/2~1/3;L0 为丝杠的基

本导程,查资料得 L0=12mm; fm 为运转状态系数,因为此时有冲击振动,所以取 fm =1.5.

V 纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min n 纵向=v 纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min ∴ L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5

则 C ? 3 L fmFm = 3 83.5 ×1.5×1790.68=11740(N) 初选滚珠丝杠副的尺寸规格,相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C;因此有 Ca>C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载,那么还需考虑其另一
种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa 是否充分地
超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa =2~3. Fm
初选滚珠丝杠为:外循环,因为内循环较外循环丝杠贵,并且较难安装。考虑到简 易经济改装,所以采用外循环。
因此初选滚珠丝杠的型号为型 FL2004-330/410 型,主要参数为
Dw =4.763mm, L0 =8mm, dm =63mm, ? =2o19 ’,圈数×列数 3.5×1
③纵向滚珠丝杠的校核

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1)传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率为?

? ? tan ? tan(? ? ?) ? tan 2o19? tan(2o19? ?10?) ? 92%

(3-5)

2)刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化,从而影响其定位精度和运动*稳

性,滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形,丝杠和螺母之间滚道的接触变形,丝

杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。

1 丝杠的拉压变形量?1

?1 ? ?Fml EA

(3-6)

=±1790.68×2280/20.6×10×π ×(31.5)2 =0.0064mm

2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量? 2

采用有预紧的方式, 因此用公式

? ? 2 =0.0013×

Fm

3 Dw Fyj Z

2

=0.0028mm

在这里 Fyj =1/3 Fm =1/3×1790.68=597N

Z ? ? dm Dw ? 3.14×63/4.763=41.53 Z ? ? 41.53×3.5×1=145.36

(3-7)

丝杠的总变形量? =?1 +? 2 =0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm
查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 0.015mm,故所选丝杠合格。 3)压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作负载过大,将使丝杠失

去稳定而产生纵向屈曲,即失稳。失稳时的临界载荷为 Fk

Fk ? fz2EI L2

(3-8)

式中:E 为丝杠材料弹性模量,对钢 E=20.6×104Mpa;I 为截面惯性矩,对丝杠圆

13

截面 I ? ? dl4 64(mm4 ) ( dl 为丝杠的底径);L 为丝杠的最大工作长度(mm); fz 为丝杠

的支撑方式系数由表 3.1 查得。

表 3.1

方式

两端端自由 一端固定一端 两端固定

两端简支

自由

0.25

2.0

4.0

1.0

Fz

由 Fk ? fz? 2EI L2 且 f z =2.0, E= 20.6?104 Mpa, I ? ? dl4 64(mm4 ) ,L=2800mm 为丝杠的 长度
由于 I=519614mm

Fk ? 2? 3.142 ? 20.6?104 ? 519614 28002 =276276

Nk

?

276276 1875

? 149 ??

4

所以丝杠很稳定。

3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤

经济型数控改造的横向进给的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝 杠,使刀架横向运动。步进电机安装在大*迳希梅ɡ寂探浇缁突泊笸*辶 接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。 3.3.1 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,所用到的公式不再详细说明,只计算结 果。

电机初步估算转速为 1500r/min,进给速度Vmax =2 m / min 。 根据公式:

则:

Ph

?

Vmax nmaxi



Vmax ? 2000 ? 1.07mm ; nmaxi 1500 ?1.25

根据资料可查到滚珠丝杠的标准系列,初选 Ph ? 4mm 。 已知条件如下:
工作台重量:W ? 300N ;

14

脉冲当量:? ? 0.005mm / step ;

步距角: a ? 0.75? / step ;

进给速度:Vmax ? 2m / min ;

滚珠丝杠基本导程: L0 ? 4mm ;

滚珠丝杠行程: S ? 650mm;

(1) 削力计算

横向进给量为纵向的 1 ~ 1 ,取 1 ,则切削力约为纵向的 1 :

23 2

2

FZ

?

1 ?1 2

9

0

9

.

?4 4

9 5N4;. 7 2

在切断工件时:

Fy ? 0.5FZ ? 0.5? 954.72 ? 477.36N ;
3.3.2 滚珠丝杠设计计算 (1) 强度计算 对于燕尾型导轨:

P ? KFy ? f ?(FZ ? W ) ;

取 K=1.4, f ? =0.2;

则:

P ?1.4?477.36 ? 0.2??954.72 ? 300? ? 919.248N ;

寿命值:

Li

?

60niTi 106



由以上条件,可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比:

i ? ?L0 ? 0.75? 4 ? 1.67 ; 360? p 360? 0.005

由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动

则:

nm

a

x?

1 i V电max

?

3 5

?1500

?

900r

/

min

;

由资料可知,当量转速Vm 在Vmax与Vmin 之间变化时:

Vm

?

Vm

a

x? V 2

m ;i n

15

取Vmin 为1r / min 时,Vm ? 450.5r / min ;取Vm ? 450r / min ;

因此:

Li

?

60niTi 106

?

60 ?

450 ?15000 106

?

405 ;

根据资料可知,最大动负载为:

Q ? 3 Li PfW fH ? 3 405 ?919.248?1?1.2 ? 8161.42N 。
根据最大负载 Q 值,可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚 珠丝杠,型号为 2004—2.5—3 左,其中额定动载荷为 14200N,所以强度够用。
(2) 效率计算

经计算螺旋升角 ? ? 2?30? ,摩擦角? ? 10?;

则:

?

?

tg? tg(? ?

?)

?

tg 2?30? tg(2?30? ?10?)

?

0.926



(3) 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量:

?L1

??

PL0 EF

?

919.248? 0.4? 4 20.6?106 ? 3.14? (2.8964)2

?

?2.71?10?6 cm ;

滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小,即: ?L ? ?L1 。所以,导程变形总误

差为:

? ? 100 ? 2.71?10?6 ? 6.78?m / m ; 0.4

查表可知 3 级精度丝杠允许的螺距误差(1m)为 15 ?m / m ,故刚度足够。

(4) 稳定性 由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同,而支承方式由原来的一端固定,一端 悬空,变为一端固定,一端径向支承,所以稳定性增强,故不再验算。 3.3.3 齿轮及转矩有关计算 (1) 有关齿轮计算 传动比:

故取:

i ? ? L0 3 6 ?0 p

?

0 . 7?5 3 6? 0

4 0.

? 00

51? 5

.

6 3

;7

Z1 ? 18 , Z2 ? 30 , m ? 2 , b ? 20mm, a ? 20? , d1 ? 36mm ,

16

d2 ? 60mm , da1 ? 40mm , da2 ? 64mm , a ? 48mm 。

(2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量:

J1

?

? 180? p

? ?

??

2
? ?W ?

?

? 180? 0.005 ?2 ?? 3.14? 0.75 ??

? 30

?

0.0439kg ? cm2 ;

丝杠转动惯量:

Js ? 7.8?10?4 ? 3.24 ? 60 ? 4.907kg ? cm2 ; 齿轮的转动惯量:

JZ1 ? 7.8?10?4 ? 3.64 ? 2 ? 0.262kg ? cm2 ;

JZ 2 ? 7.8?10?4 ? 64 ? 2 ? 2.022kg ? cm2 ;

电机转动惯量很小可忽略,因此转动惯量为:

(3) 所需转动力矩计算

J

?

1 i2

?Js

?

JZ2

?

?

JZ1

?

J1

?

? ??

3 5

2
? ??

? ? 4.907

?

2.022?

?

0.262

?

0.0439

?

2.801kg

? cm2

nmax

?

Vmax ? L0

5 3

?

2000? 5 4?3

?

833.333r

/ min ;

M a max

?

Jnmax 9.6T

?10?4

?

2.801?833.33 ?10?4 9.6? 0.025

?

9.73N

? cm

nt

?

n主 fi ? DL0

? 1000 ?150? 0.15? 5 3.14? 60 ? 4? 3

?

49.76r

/ min



M at

?

2.801? 49.76 ?10?4 9.6? 0.025

?

0.58N

? cm



Mf ? F0L0 ? f W? L0 ? 0.2? 30? 0.4? 3 ? 0.0287N ? cm 2??i 2??i 2?3.14? 0.8? 5

? ? ? ? M0

?

FY L0 60??i

1??2

? 47.736? 0.4?3 1? 0.92 60?3.14? 0.8?5

? 0.0144N ? cm

Mt

?

FY L0 2??i

?

47.736? 0.4?3 2?3.14? 0.8?5

?

0.228N

?m

所以,快速空*舳枳兀

M ? M amax ? M f ? M 0 ? 9.73 ? 0.287 ? 0.144 ? 101.61N ? cm 切削时需力矩:

17

M ? Mat ? M0 ? Mt ? 0.58 ? 0.287 ? 0.144 ? 2.28 ? 32.91N ? cm 快速进给时所需力矩:
M ? M f ? M 0 ? 0.287 ? 0.144 ? 4.31N ? cm 。
从上计算可,最大转矩发生在快速进给启动时: M max ? 101.61N ? cm
3.4 滚珠丝杠螺母副的精度等级:
数控机床根据定位精度的要求通常选用 1---5 级精度的滚珠丝杠,1---5 级 度丝杠的行程公差数值如表 3.2 所示:
表 3.2 行程公差数值表

项目

有效行

精度等级

符号

程 lm/mm 1 2 3

4

5

<315 6 8 12 16 23

315~400 7 9 13 18 25

目标行程公差

ep 400~500 8 10 15 20 27

500~630 9 11 16 22 30

<315 6 8 12 16 23

行程变动量公差

315~400 6 8 12 17 25 Vmp
400~500 7 10 13 19 26

500~630 7 11 14 21 29

任意 300mm 内行程变动 V300p


6 8 12 16 23

2π rad 内行程变动量 V2π p

456

7

8

3.5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法
滚珠丝杠副的轴向间隙,是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母 位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精 度,尤其是反向传动精度。因此,滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要 求外,对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧,通常采用双 螺母预紧方式,其结构型式有三种。基本原理是使两个螺母间产生轴向位移,以达到消 除间隙和产生预紧力的目的。
(1)垫片调隙式 图 3.5 所示结构。是通过改变垫片的厚度,使螺母产生轴向位移。这种结构简单可
18

靠、刚性好,但调整费时,且不能在工作中随意调整。
图 3.5 双螺母垫片式结构图
(2)双螺母调隙式 图 3—6 所示为利用螺帽来实现预紧的结构,两个螺母以*键与外套相联,键可限 制螺母在外套内移动,其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽 1、2 能 使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑,工作又可靠,调整也方便,故应用较广。 但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑,工作又可靠,调整也方便,帮应用较广。 但调整位移量不易精确控制,因此,预紧力也不能准确控制。
图 3.6 双螺母帽式结构图
图 3.7 双螺母齿差式结构图
(3)齿差调隙式 图 3.7 所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为 Z1、Z2 的齿轮,
19

而且 Z1、Z2 与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上,预紧时脱开内齿圈,使 两个螺母同向转过相同的齿数,然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从 而实现间隙的调整和施加预紧力。如果其中一个螺母转过 n 个齿时则其轴向位移量为

s

?

n Z1

Ph (Ph

为丝杠导程,Z1 为齿轮齿数)。如两齿轮沿同方向各转过

n

个齿时,其两

螺母间相对轴向位移量

s

?

? ? ?

1 Z1

?

1 Z2

? ? ?

nPh

? ?Z2 ? Z1 ? nPh
Z1Z2

( Z2

为另一齿轮齿数)或

n

?

sZ1Z 2
? Z2 ? Z1 ?

Ph

。例如:当

n=1,Z1=99,Z2=100,

Ph

?

10 9900

? 1um ,即两个螺母在轴向产

生 1 um 的位移。这种调整方式的结构复杂,但调整准确可靠,精度较高。 除上述三种双螺母加预紧力的方式外,还有单螺母变导程自预紧和单螺母钢球过
盈预紧方式。

3.6 进给系统传动齿轮间隙的消除

3.6.1 采用减速箱的目的及注意事项 为了保证步进电机的启动性能,要特别考虑负载惯性矩。当所带负载的惯性矩增大
时,由于步进电机是按电磁铁吸力原理来动作,所以当惯性矩增大到某一值时,就会使 步进电机产生擅动就会产生启动不良效果,所以,使用步进电机时尽量选小的负载。在 本次设计过程中我们采用减速齿轮来联结滚珠丝杠和步进电机,以达到改变惯性矩的目 的。
同时,应该尽可能地消除配对齿轮之间的间隙,否则就会产生使运动滞后的指示信 号的误差,对加工件的精度就会产生很大的影响。 3.6.2 减少或消除空程的必要性和方法
(1)减少或消除空程的必要性 数控机床的传动精度,除了机床的几何精度、丝杆精度影响外,又受其本身因素的 影响,产生滞后现象而引起的间隙误差。在这次设计改造过程中只能采用开环系统,数 控系统不能对车床的误差进行修改,所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行 修改。 (2) 消除方法 本次设计采用双片齿轮来达到消隙的目的,通常将一对齿轮的从动齿制成两片,其 中一片固定在轴上,两片之间装有弹簧,弹簧力使两片齿轮的齿廓分别与主动齿轮的齿 廓贴紧,从而完全消除了齿侧间隙。

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3.7 自动回转刀架的选型
卧式车床数控化改造应将原车床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转 位刀架由数控系统控制,效率高,工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及车床控 制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。
3.7.1 数控车床刀架的基本要求
数控车床的刀架是车床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具,在一定程度 上,刀架的结构和性能体现了车床的设计和制造技术水*,所以有如下要求:
(1)转位准确可靠,工作*稳安全; (2)按最短线路就*选择,转位时间短; (3)重复定位精度高; (4)防水、防屑,密封性能优良; (5)夹紧刚性高,适宜重负荷切削。
3.7.2 自动回转刀架的工作原理
当数控系统发出换刀信号后,刀架控制器中继电器动作,电动机正转驱动涡轮蜗杆 减速机构转动,驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升,当上刀架上升到一定高度时,离 合转盘起作用,带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔传 感器元件,当(1-电动机;2-固定安装丝杠;3-安全离合器;4-刀架)上刀体旋转到某一 刀位时,该刀架上霍尔元件输出高电*。在上刀体旋转过程中,发信盘不断的向数控系 统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较,当两信号相同时, 说明上刀体已旋转到所选刀位。此时,数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转, 活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用下,螺杆带动上刀体下降,直至齿牙 盘啮合,完成精定位,并通过涡轮蜗杆锁紧螺母,使刀架紧固。向数控系统发出转位完 成信号,切断电源,电动机停转,完成选刀过程。
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参考文献
[1] 林宋主编.《现代数控机床》.北京:化学工业出版社,2003. [2] 方键主编.《机械结构设计》.北京:化学工业出版社,2006. [3] 濮良贵主编.《机械设计》.北京:高等教育出版社,2001. [4] 李洪.《实用机床设计手册》.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999. [5] 张俊生.《金属切削机床与数控机床》.北京:机械工业出版社,2000. [6] 熊光华.《数控机床》.北京:机械工业出版社,2003.
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