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卧式车床进给系统的数控化改造CAD软件设计

第12卷 第2期 2002 年6月 2期 第

黄桂琴等

洛阳工业高等专科学校学报 Journal of Luoyang Technology College CAD软件设计 卧式车床进给系统的数控化改造

Vol.12 No.2 June 2002 35

卧式车床进给系统的数控化改造CAD软件设计
黄桂琴,邹 武
(洛阳工业高等专科学校 机械工程系,河南 洛阳 471003) 摘 要:介绍卧式车床的改造思想。通过计算机程序完成设计参数的确定,选择丝杠、电机型号和性

能参数、齿轮的设计参数等。调用AutoCAD,根据选出的参数画出机床改造后的装配图及零件图。 关键词:数控;开环;进给系统 中图分类号:TP202 文献标识码:A 文章编号:1008-8814(2002)02-0033-03

1 机床数控化改造的主要内容
在普通机床上加数控系统或数显装置,以提高 精度、效率和自动化程度。这里讨论机械部分进给 系统改造中的一些问题。由于伺服系统不同,进给 系统机械结构也不全相同,开环系统的伺服驱动装 置主要是使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杠 副驱动执行部件。这种系统不需要将所测得的实际 位置和速度反馈到输入端,其位移精度主要决定于 步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动节距精 度,所以系统的位移精度较低。闭环和半闭环数控 系统的伺服驱动装置主要是使伺服电机转动,通过 滚珠丝杠副驱动执行部件。其进给系统在结构上比 开环进给系统复杂,成本也高,对环境室温要求 严,设计和调试都比开环系统难。[1]所以对于加工 精度要求不是很高的中小型数控机床采用开环系统 结构简单,调试维修方便,工作可靠,成本低,易 改装成功。在企业内使用较多的是这种经济型数控 机床。 在此类机床改造过程中,开环系统用于工作台 的位置控制,其结构原理如图 1 ,改造的主要工作 是对丝杠的设计计算与验算选型、电机的计算选 型、齿轮的设计计算等工作,都需要花费大量的人 力物力去计算、校验等。为解决此问题,针对卧式 车床设计相应的软件。该软件可根据改造机床本身 的一些参数,如最大加工直径、最大纵向及横向进 给量、加工精度、最大行程、工作台重量等来进行。 还要根据具体情况来确定一些参数,而对于各种情况 可建立数据库由用户选择。还可以通过这个软件来查 阅数据库中有关机床系列型号的资料、电机的相关资 料、设计所需的大部分资料。

2 选型计算
2.1 丝杠的设计选型原则和步骤
① 求出螺旋 传动的轴向载荷; ② 求出丝杠 的额定动载荷和 额定静载荷; ③ 考虑丝杠 图1 开环系统结构简图 的使用寿命,从 标准系列中选出相应的额定动载荷,初步确定丝杠 型号; ④验算丝杠的刚度和工作稳定性,看其是否 满足要求,如不满足则应另选其它型号并重新计算 和验算。 ⑴ 轴向载荷的计算 轴向力计算公式为:Fm=(2Fmax+Fmin)/3 计算切削力的公式如下: n x Fz = 9.18 × 60 Fz × C Fz × a p Fz × f
n
y Fz

×v

n Fz

× k Fz

Fy = 9.18× 60 Fy × CFy × a p xFy × f Fx = 9.18× 60 Fx × CFx × a p xFx × f
n

yFy

×v

nFy

× kFy

yFx

×v

nFx

× k Fx

式 中 ap为切削深度, f 为进给量, v为切削速 Fz Fz Fz Fy Fy Fy 度,CFz,、 CFy 、、CFx,x , y ,n , x , y ,n ,xFx,yFx,nFx都为切削力系数, kFz ,kFy ,kFx为修 正系数,都可根据加工材料和刀具材料查出[2]。 ⑵ 当量动载荷计算
C a ' = 10 ? 2 × f w × F m × 3 L n ≤ C a (以此选择丝
[3]

杠型号) Ln为丝杠预期工作寿命(单位:年),f w为载 荷系数。

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洛阳工业高等专科学校学报

第12卷

⑶ 静载荷计算

b小齿轮齿宽。 ⑷ 校核弯曲疲劳强度
σF = 2 KT 1 Y Fa Y Sa ≤ [σ bd 1 m

C 0 a ' = K F × K H × Fm ≤ C 0 a
KF为载荷系数、KH为硬度影响系数。 ⑷ 丝杠稳定性验算 临界载荷的计算∶ F cr = π
2

]F

I × E × a2 ?

[σ] F为许用弯曲应力: [σ]F =σFlimY N/SF,σFlim 为齿轮材料的弯曲疲劳极限,Y N 为弯曲疲劳强度寿 命系数,SF为弯曲疲劳强度最小安全系数。YFa为齿 形系数、YSa为应力修正系数, ⑸ 计算齿高 齿根高hf =m,齿顶高ha =1.25 m,全齿高h=2.25m 。[5]

E为材料弹性模量,Ia 为丝杠危险截面的转动 惯量 Ia=πd14/64,d1 为丝杠内径,μ为长度系数。 当 Fcr /Fm >2.5(安全系数)时,稳定性才能满 足要求。 ⑸ 刚度验算 形变量: δS =
16 × T 1 × s 2
2 π × G × d1 4

3.3 步进电机的选择
① 由脉冲当量来选定步距角,根据步距角初
+ 4× F ×s π × E × d1
2

选电机型号。 ② 计算电机轴上的总惯量Jt 。 ③ 计算电机的启动转矩与最大静转矩,确定 电机的运行频率;据此数据判断电机是否合适,如 若不适,重新选择电机计算。 ⑴ 工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的总 惯量Jt
Jt = J0 + J1 + 1 ? ? (J i2 ? ?
2 2 G ? s ? ? ? ? ? g ? 2π ? ? ?

Tan (r + ρ ) 式中 T1 = Fm × d 0 × 。 2 d0为丝杠公称直径,r为螺旋升角,ρ 为当量 摩擦角,s为螺距,G为工作台重量,每米螺纹上的 弹性形变量:Ts =δS / L,当Ts 小于标准值时才能满 足要求,若不满足,重新选择再验算。[4]

3.2 齿轮的计算
① 根据加工精度确定脉冲当量,初步确定步距角。 ② 计算传动比u = (θ × s ) / (360 × δp)。 δp为脉冲当量,θ为步距角,s为丝杠螺距。 ③ 先初选参数z1,确定出主要尺寸,然后再进 行精确校核计算。 齿轮的设计主要是根据接触疲劳强度和弯曲疲 劳强度来进行设计和计算的。 ⑴ 按接触疲劳强度计算小齿轮分度圆直径
d 1t ≥
3

+ J

s

)+

启动力矩计算公式: M = M a + M f + M t
Mt = Pt × s × 10 2 πη i
?2

,M

f

=

? Gs × 10 ? 2 2 πη i

Ma =

( J m + J t ) × n × 1 .02 × 10 ? 2
T

2 KT

+ 1)? Z H Z E ? ? [ φdu ? σ ]H
1

(u

? ? ? ?

2

K为载荷系数、ZH为节点区域系数、ZE为弹性 系数、Φd为齿宽系数、可查表得出,[ σ]H为许用接 触应力:[ σ]H =σHlimZN/SN,σHlim为齿轮材料的接触 疲劳极限,ZN 为接触疲劳强度寿命系数,SN为接触 疲劳强度最小安全系数。 T1为小齿轮转矩:T1 = 9550 ×P / (u × N) , P为小齿轮传递 功率,N为小 -3 齿轮转速,P=Fz×v×10 (KW)。 ⑵ 按实际载荷系数校正d1
d 1 = d 1t 3 K / K t

式中μ为导轨摩擦系数J1、J2为齿轮惯量、Js为 丝杠惯量、J0为电机轴的惯量、Ma为电动机启动加 速力矩、n为电机达到的转速、T为电机升速时间、 Mf为导轨摩擦折算至电机的转距、η为传递效率Mt 为切削力折算至电机的转距、Pt为最大切削力。[6] ⑵ 最大静转矩的计算 计算公式:Tjm =Tq /R (R可查出) ⑶ 定步进电机最高运行频率 计算公式 fmax=1000vmax /δp 根据算得的最大静转矩、最高运行频率、步距 角验证选出的电机型号是否合适,如若不适,重新 选择计算。

(Kt=1.2~2.0)

3 软件设计
程序的设*缑媸褂肰isual Basic6.0来设计其流 程图如图2。

⑶ 确定主要参数 m= d1/z1,d2=mz2,b=φdd1 。 m模数、d2大齿轮分度圆直径、φd齿宽系数、

4 结束语

第2期

黄桂琴等

卧式车床进给系统的数控化改造CAD软件设计

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该软件能够完成以下任务: 1) 交互式输入初始参数或选择相关系数;
开 始 齿 轮 传 动 比i 的 计 算 请 输 入 车 床 型 号 , 确 定 床 身 最 大 加 工 直 径 、 进 刀 量 、 切 削 深 度 、 及 切 削 速 度V 、 工 作 台 重 量 等 数 据 齿 轮 中 心 距 、 分 度 圆 直 径 、 模 数 的 计 算

2) 滚珠丝杠螺母副的选型计算及刚度及稳定性 验算; 3) 一级齿轮传动有关齿轮参数的计算; 4) 步进电机的选型; 5) 根据以上选型计算确定所选滚珠丝杠、齿 轮、步进电机的参数; 6) 调用 AutoCAD 绘图软件完成机械装配图及 零件图的绘制;
参 考 文 献: [1] 毕毓杰机床数控技术 . [M]. 北京机械工业出版社 : ,1996,5-6. [2] 李洪.机械加工工艺手册[M].北京出版社,1990.12. 527. [3] 成大先机械设计手册第三版第五卷 . [M].北京化学工业出 : 版社,1994.4.22-591. [4] 蔡春源. 机械零件设计手册第三版( 上)[M]. 北京冶金工业 : 出版社, 1990.12.1099-1115. [5] 张莹.机械设计基础(下册)[M]. 北京: 机械工业出版社,1997. 7. 258-277. [6] 毕毓杰机床数控技术 . [M]. 北京机械工业出版社 : ,1996.214.

选 择 脉 冲 当 量 、 刀 具 材 料

初 选 步 进 电 机 型 号 转 动 惯 量 、 电 机 启 动 转 矩 、 工 作 频 率 的 计 算

滚 珠 丝 杠 额 定 动 静 载 荷C m的 计 算

根 据Ca 选 滚 珠 丝 杠 型 号 刚 度 稳 定 性 校 核

满 足 ?
丝 杠 、 电 机 型 号 及 齿 轮 参 数 的 输 出

满 足 ?
初 选 电 机 步 距 角 α

调 用A U T O C A D画 图 结  束

图2 机床辅助设计流程图

收稿日期:2002-01-23

Designed CAD Software in Transform Center Lather of Feed System to CNC HUANG Gui-qin,ZHOU Wu (Dept.of Mechanical Eng., Luoyang Technology College, Luoyang 471003 ,China) Abstract: Here is the introduction to the transformation for horizontal lathes, by means of computer programs, design parameter is completed, and threaded shaft, electrode model and gear of performance data are selected. Both the part drawing and the assemble drawing after the transformation of machine tool, according to the parameters selected, are made by useing AutoCAD Key words: CNC; Open loop Control; Feed system (上接第24页) Using SCM to Design the Experimental System for Baseband Transporting in Data Traffic LIU Qing-wei, XU Qing-gong, FU Chun-xian (Luoyang Technology College, Luoyang 471003, China) Abstract:The thesis is only for the need of Conspectus of Communications ,the two experiments are designed by the SCM and existed equipment. It solves the problems preliminarily that the two theories of DPCM and disordering and decoding are difficult to understand and lack of practice in the DPCM and synchronization transmission of the course. Key words:Communications ; DPCM; Disordering and decoding ; SCM
(上接第32页)

The Design of Multimicro-omher 1 2 SONG Wei-wen ,ZHOU Yi-fei (1.Hangzhou Shuangfeng Electronics Co. Ltd., Hangzhou 310007,China; 2.Zhejiang University of Technology, Hangzhou 300014, China)

Abstract: This paper deals with the design of a high accuracy and digital measuring instrument of multimicroohmer. It analyses in detail the principle of multimicro-ohmer, invariablenes stream power supply, and amplifier of multimicro-ohmerl in detail. Key words: Micro-ohmer; High accuracy




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