CA6140數(shù)控改造計算說明書

1、科學技術(shù)學院畢業(yè)設計論文題目CA6140普通車床進給系統(tǒng)數(shù)控化改造學科部：理工學科咅E專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：學號：姓名：指導教師：填表日期：2016年4月8目錄第1章 摘要和要求1.1摘要11.2改造要求1第2章機床進給伺服系統(tǒng)的設計和計算2.1脈沖當量的確定12.2切削力的計算12.2.1 Z軸切削力的計算1222X軸切削力的計算22.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型22.3.1 Z軸進給絲杠螺母副的選型22.3.2 X軸進給絲杠螺母副的選型52.4齒輪傳動比的計算82.4.1 Z軸進給齒輪箱傳動比的計算82.4.2 X軸進給齒輪箱傳動比的計算92.5步進電機的計算和選型92.5.1

2、 Z軸進給步進電機的選型92.5.2 X軸進給步進電機的選型142.6電動刀架的選型17第1章任務和要求將一臺CA6140普通車床改造成經(jīng)濟型微機數(shù)控車床，采用MCS-51系列單片 機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能。其主要設計參數(shù)如 下：加工最大直徑：在床面上 在床鞍上 400mm 210mm加工最大長度：500mm溜板及刀架重量：縱向1000N橫向500N刀架快速移動速度：縱向2m/min橫向1m/min最大進給速度：縱向1.6m/min橫向0.8m/min主電機功率：3kW機床定位精度：0.02242.12.2l 60000 x Pc Fz 二Vc60000 2.551

3、00N =1530N第2章 機床進給伺服系統(tǒng)的設計和計算選擇脈沖當量，根據(jù)車床精度要求為0.02，可選擇脈沖單量為縱向：p =0.01mm/step橫向：p =0.005m/step計算切削力Z軸切削力的計算主切削力Fz N按電機功率計算如下：Pc = 3kw 0.85 = 2.55kw其中Pc 切削功率（kw）；p額一機床主傳動額定功率（kW;VC 切削速度：90 100m/min 取 100m/mi n；主傳動系統(tǒng)總的機械效率，這里=0.85精密機床=0.80.85中型機床=0.750.8大型機床=0.70.85切削力的分力：Fx = 0.5Fz = 765NFy =0.6Fz =918N

4、a)車外圓X軸切削力的計算主切削力Fz N取Z軸切削力的1F z =0.5Fz =765N此時走刀抗力為Fy (N)，吃刀抗力為Fx (N):Fy =0.5Fx =382.5N2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型一、Z軸進給絲杠螺母副型號的選擇1. 計算進給牽引力Fm NZ軸進給為綜合型導軌Fm =KFxf(Fz G)= 1.15 765 0.16 (1530 1000) N = 1284.55N式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合型導軌取 K=1.15f滑動導軌摩擦系數(shù)：0.150.18取0.16G溜板及刀架重力，這里為1000N2. 計算最大動負載CC = 3LfwFm60nT101000

5、VsL0式中L0滾珠絲杠導程，初選 6mm1 1 Vs 最大切削力下的進給速度， 最大進給速度;2 3T使用壽命，按15000h;Fw 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)1.21.5,取1.2 ;L壽命,以106轉(zhuǎn)為1單位。1vs1.6m/ min= 0.8m/mins 21000vsL01000 0.8 r/min =133.33r/min60nT106601333315000 = 1201066C = 3 LfwFm = 3 120 1.2 1284.55N 二 7602.5N3.滾珠絲杠螺母副的選型直徑公稱 導程 PhJO絲杠 外徑直徑絲杠屯循環(huán) 圈數(shù)基本 輙定負荷岡嵯KcN/pm螺母妄裝炷接尺寸動載

6、荷CiCKN)靜載荷 Coa(KN)D2陽)Bh%LiFFZB2505-32S524.53.521.2310.223.66574040106G11535.810e46M630開FF2B400S-340e39.9435.9315.143 eion60601U941S75915a74M648101查表2.3-1 ,可選用FFZD4006-3內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊螺母式滾珠絲杠副, 其額定動負載為15KN 3圈1列,3級精度。4. 傳動效率計算n _ tan 7tan式中丫 螺旋升角,FFZD4006-3的=arcta n(L0二 d。)=arctan(;)=2 4440 二摩擦角取10tantan

7、2 44=0.94tan 廣恥i； tan 2 44 105. 剛度驗算Z軸進給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示。其最大牽引力為1284.55N。絲杠總長為Ls = 1000mm,支承間距L=800,絲杠螺母及軸承均進行預緊。計算如下：（1）絲杠的拉伸變形量y根據(jù) Fm=1284.55N,底徑 D。=35.9mm,丄=旦EA式中丄在工作負載Fm作用下引起每以導程的變化量（mr）Fm 工作負載，即進給牽引力（N）；L0滾珠絲杠的導程（mr）E材料彈性模數(shù)（N/mm）,鋼為20.6 x 104N/mrA滾珠絲杠截面積（m。.丄二 FmLoEA1284.55 6上2 mm 二 3.7 10 mm435

8、.9220.6 104437 800mm “005mm6由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉伸剛 度可以提高4倍。所以實際變形量（mm為：11.0.005mm = 0.00125mm44(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形22=0.00028Fm3dFYZfZ=ZX圈數(shù)X列數(shù):衛(wèi)一3 do其中 Fm軸向工作負載(N)；F預一一預緊力(N)，取最大軸向負荷的1/3 ；d0絲杠滾珠直徑(mr)Zv 絲杠滾珠數(shù)量；Z絲杠一圈的滾珠數(shù)量;D絲杠公稱直徑；二 Dd-3=二 404-3=28Zt = Z圈數(shù)列數(shù)=28 3 1 =84“00028.00028 匯1284.55因進行了預緊，

9、2 =0.52 =0.5 0.00157mm =0.00079mm(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形：-3采用8105型推力球軸承，內(nèi)徑d =25mm滾珠直徑dQ= 6.3mm滾珠數(shù)量Z=14200052心-0.000523 1284.552 * 4 6.3 142mm 二 0.0057 mm因施加了預緊力，所以3 = 05門3 = 0.5 0.0057 二 0.00285mm根據(jù)以上計算:二. 二23 =(.001250.000790.00285)mm=0.0049mm定位精度6. 穩(wěn)定性校核二、X軸進給絲杠1. 計算進給牽引力FmX軸導軌為燕尾形導軌，計算如下：F m = 1. 843

10、 FX f F Z 2FY G= 1.4 4590.2765 2 382.5 500 N= 1048.6N2. 計算最大動負載C1000 Vs 1000 0.8 0.5 , . “r ,. n ；r / min = 66.7 r / minL。660 n T60 66.7 1500010106=60C=1284.55 2、LfwFm 二 3 60 1.2 1048.6 N=4926N3. 選擇滾珠絲杠螺母副從表2.3-1中查出，F(xiàn)FZD2505-3內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為10.2kNC4.926KN可滿足要求，3圈1列,3級精度。4. 傳動效率計算；二arctan占r) =

11、arctan()=3 38兀 d025= 0.95tan *= tan3 乜8tan 廣； 廠 tan 3 38； 10；5. 剛度驗算X軸進給絲杠支承方式如下圖所示，最大牽引力為1048.6N，絲杠總長為Ls=600mm,支承間距L=500mm因絲杠長度較短，無需預緊。只對螺母及軸承預緊圖b計算如下：(1) 絲杠的拉伸變形量門mm根據(jù) Fm=1048.6N,底徑 D=21.9mmL=EA1048.6 5420.6 10 二21.9245mm=6.76 10 mmL t 6.76 10-5-3= L=500mm=6.76 103mmL。5(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形譏 : D0do-3=二

12、 253.5-3=19Zt=ZX圈數(shù)X列數(shù)=19x 3X仁57=1 0.000282F1m = 0.000283 DwF預21048.6mm=0.00093mm3 3.51048.63572(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 r采用8104推力球軸承，軸承內(nèi)徑d=20mm滾動體直徑dQ=5.5mm滾動體數(shù)量Zq=1311c=0.00052322:.入2 二 0.00052 3 dQZQ 221048.62 = 0.0027 mm5.5 13綜合以上幾項變形量之和:、.=、+心2 + 3= 0.00676+0.0009+0.0027mm=0.01mm定位精度由于X軸絲杠支承距很短，不會發(fā)生

13、失穩(wěn)現(xiàn)象，所以不需要進行穩(wěn)定性校核。Z軸和X軸滾珠絲杠副幾何參數(shù)見表2.3-2表 2.3-2參數(shù)名稱符號關(guān)系式FFZD4006-3PFZD2505-3螺紋滾道公稱直徑4025導程65接觸角君44s3 3用鋼球直徑443.5滾道迭面半徑R2, 08L82偏心距ee=CR-dQ/2)sinP0.0050. 004螺紋升角7尸arctan 仏/;zd J4413e 3S1螺桿外徑dd=do-(0.2-0.也3924.125內(nèi)徑djdj 二禹+2已-2R35.8521. 37接觸直徑6ddn-dcos P3621.507螺母醐紋直徑Dd-do2eH-2R44.1528. 63內(nèi)徑DlD產(chǎn)4j+(0.

14、20- 25) d.412E. 875（單位：mm）2.4 齒輪傳動比的計算Z軸進給齒輪箱傳動比的計算已確定縱向進給脈沖當量p=0.01滾珠絲杠導程L=6mm初選步進電機步距角兀=0.9 ?？捎嬎愠鰝鲃颖萯360 p 3600.012i日bL00.9 辱 63可選定齒輪齒數(shù)為：.乙24i -=- Z2 36Z1=24, Z2=36X軸進給齒輪箱傳動比的計算已確定X軸進給脈沖當量6p =0.005，滾珠絲杠導程Lo=5mm初選步進電機步距角人=0.9?？捎嬎銈鲃颖萯 :.360 p 3600.005-i = ； ；0.-bL00.9 5可選定齒輪數(shù)為：Z1Z3142424i=Z2Z4254830

15、Z1 =24，Z2 = 48, Z3 = 24，Z4 = 30因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)見表2.4-1表2.4-1 傳動齒輪幾何參數(shù)齒數(shù)Z243624482430分度圓d = mz487248964860齒頂圓ds = d +2m5276521005264齒根圓df =d 2 O.25m436743914355齒寬(6 10)m202020202020中心距A= +d2)/26072542.5 步進電機的計算和選型一、Z軸進給步進電機的計算和選型1. 初選步進電機(1) 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩Tm36pFm2636 疋 0.0仆 1284.552二 0.9 0.98 0.99

16、0.99 0.94二 90.57NLcm電機 絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99、0.94 ;(2) 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩TqTqTm90.57 NLem 二 302Ncm0.3 0.50.3(3) 計算最大靜轉(zhuǎn)矩maxTjmaxTq = 90.57 一=0.707=427.2NLcm步進電機相數(shù)三相四相五相拍數(shù)3648510h=Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.951表5-1步表電機啟動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系查表2.5-1，如取四相八拍，則60.866(4) 計算步進電機運行頻率fe和最高起動頻率fkfe1000vS

17、60 p1000 1.660 0.01Hz 二 2666.7Hz1000Vmax60 p1000 260 0.01Hz 二 3333.3Hz表 2.5-2型號步距角相數(shù)驅(qū)動電 壓(V相電流(A)保持轉(zhuǎn) 矩(N M空載起 動頻率(步/秒)空載運行頻率 (千步 /秒)轉(zhuǎn)動慣 量(Kg -cm2)相電感(mH相電阻(Q)重量(Kg)90BYG45020.9/1.821004.561200 204.03.40.64.890BYG45010.9/1.8 21004.53.51200 202.53.00.73.0(5) 初選步進電機型號從表2.5-2中查出90BYG4502!大靜轉(zhuǎn)矩為600卷口=427.

18、2“?可以滿 足要求。2. 計算步進電機轉(zhuǎn)矩(1)等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量(kg ?：m)可由下式計算：式中 JmJi、JiJ2步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，90BGY4502步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣2量 Jm =4kg2m;2J2齒輪 乙、Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kgCm）;2-滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量(kgm);= 0.78 10 dLL (0.78 10 4.84 2)kgLcm = 0.83kgLJcm2= 0.78 10 d：L2=(0.78 10 7.24 2)kg_cm = 4.19kgjcm234 |34|2|2Js =0.78 10 一 ds L =(0.78 10一 4100

19、)kg_hm =19.97kgcm代入上式:J、= J M J10丿.;g丿f24 廠1000.6 絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99、0.94 ；(2)估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩Tq怎二詈NLcmG/Lcm(3)計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax查表1.5-1，如取四相八拍，則T.i maxA73 94.-=104.58Nbcm0.707(4) 計算步進電機運行頻率fe和最高起動頻率fkfe1000vS60 p1000 0.860 0.005Hz 二 2666.7Hz1000Vmax60 p1000 160 0.005Hz 二 3333.3Hz式中Vs最大切削進給

20、速度（m/min）,這里為0.8m/min ;Vmax最大快移速度（m/min）,這里為1m/min；（5）初選步進電機型號從表2.5-2中查出90BYG450最大靜轉(zhuǎn)矩為350NCmTjmax =104.58 N 2m可以滿足要求。3. 校核步進電機轉(zhuǎn)矩（1）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見圖b。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量（kg ?：m）可由下式計算：J = JMJ1h+j心川其中中Jm 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量90BYG450步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量2Jm =2.5kg Cm；J、J 2 J3、J 4齒輪 Z、Z 2、Z 3、Z4的轉(zhuǎn)動慣量（kg?：m）；Js滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量(kg?：m);

21、J1 旳1匯 dL1LJ8280 -4 gm L =m 2J2 =7)0: d8(0U(9=25 -4 k mg_c =kgm 2J3 =7D0； c8LU 84=28)_舸 -亂2J4 切0” cTLd 6= 232-4 k mgjc =kgUcm2js 咽1 d80flsLe2=08- 4gm 2_ 舸=2 -代入上式:2 r12-彳(J2 +J3)+I1乙LJ = J M J12 1,GfL。)HJ4 JS / =2.5 0.83 kg Cm2磊g 0丿cm2(13.20.8 I ；(2.02 + 1.83)+=12.64kg |_cm2考慮到步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題JM J =2

22、.5/12.64 =0.20滿足慣量匹配的要求（0.20.4）（2）電機轉(zhuǎn)矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：1）快速空載起動轉(zhuǎn)矩M 在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算公式如下:M = M amax M f M 0Mamaxn max=J ； = Jmax 10 = J _;- -60ta2 二_22二 n max1060 tanmaxvmax將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。Vmax nmax丄=凹竺。如3600.005 360起動加速時間ta=30ms2二 nmax 102二 500 10 K1,M amax 二 J60 tamax - =12.59NLcm60903= 219.74NLcm折算到電機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩M ff Fx G -2 - Z2 J0.16765 5000.5N|_cmZiZ348 30x24 24= 8.05N|_cm附加摩擦轉(zhuǎn)矩M:Fp0L02心百r * 1一0)=2兀Z-F m L01-漢 1048.6 漢 0.5)Ncm (1 _0.9