用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統(tǒng)

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1、 準考證號：010611300019 本科生畢業(yè)論文（設計） 用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統(tǒng) 學 院： 江西科技學院 專 業(yè)： 機電一體化工程 班 級： 10機電四（1）班 學生姓名： 指導老師： 完

2、成日期： 2013-11-5 本科論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文（設計）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。 學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日

3、 本科論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權江西科技學院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 學位論文作者簽名（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 指 導

4、 教 師 評 語 建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導教師簽字： 年 月 日 最終評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格 系主任簽字： 年 月 日 目 錄 緒論

5、 4 一、數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 5 二、機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 5 1、設計參數(shù) 5 2、進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 6 （1） 確定系統(tǒng)的脈沖當量 6 （2）．計算切削力 6 3、滾珠絲杠螺母副的計算及選型 7 （1）縱向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 7 （2）橫向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 10 4、輪進給齒輪箱傳動比計算 14 （1）縱向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) 14 (2）橫向進給齒輪箱傳動比計算 15 5、步進電機的計算和選型 16 （1）縱向步進電機的計算和選型 16 （2）橫向步進電機的計算和選型 20 三、數(shù)控機床零件加工程

6、序 25 四、總結 27 主要參考文獻 28 緒論 接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數(shù)和結構，然后再分別對機械部分和電器部分、現(xiàn)已機電一體化的典型產(chǎn)品——數(shù)控機床為例,分析總體方案擬定的基本內(nèi)容。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 一、數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計方案的擬定 普通車床是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床

7、刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。 對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自

8、動車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。 二、機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算 2．1設計參數(shù) 用微機數(shù)控技術 改造最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統(tǒng) 最大 加工直徑（mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260 最大加工長度（mm）： 7501000 溜板及刀架重量（N）： 橫向：550 縱向：1100 刀架快移速度（m/min）： 橫向：1 縱向：2 最大進給速度（m/min）： 橫向：0.3 縱向：0.6 最小分辨率 （mm）： 橫向

9、：0.005 縱向：0.01 定位精度（mm）： 0.025 主電機功率（KW）： 5.5 啟動加速時間（ms）： 30 2、 進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算 （1） 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，縱向常采用的脈沖當量為0.01mm/step。 （2） 計算切削力 1）縱車外圓 主切削力(N) 按經(jīng)驗公式估算： = 按切削力各分

10、力比例： 得：=1873(N) =2996(N) 2）.橫切端面 主切削力 =3745.5(N) 按切削力各分力比例： =936(N) =1498(N) 3、滾珠絲杠螺母副的計算及選型 （1）縱向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力(N) 按縱向進給為綜合型導軌 式中K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15 —滑動導軌摩擦系數(shù)0.15～0.

11、18 初選0.16 G—溜板及刀架重力1100N 則=1.151873+0.16（7491+1100）=3528.51（N） 2）計算最大動負載Q n=10000.5/ 式中 L 為絲杠壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取1.2～1.5； 初選1.2 最大切削力條件下的進給速度，可取最大進給速度的1/2～1/3；此處=0.6mm T 使用壽命，按15000h； 為絲杠的基本導程，初選=6mm； n=10000.5/=10000.50.6/6=50（m/min） Q==1.23528.51=15061 C=1506.

12、1 3）滾珠絲杠副的選型 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷C；查閱《數(shù)控設計》指導書得到：采用外循環(huán)螺紋調(diào)整的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，額定動載荷16400N，精度等級按表2-12選為1級。 4）傳動效率計算 式中為的螺旋升角，； 為摩擦角取滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004； 5）縱向滾珠絲杠剛度驗算 畫出縱向進給滾珠絲杠的支撐方式圖2-1，根據(jù)最大軸向力2532N，支撐間距L=1500mm。絲杠螺母副及軸承均進行預緊，預緊為最大軸向負荷的。 圖2-1 縱向進給滾珠絲杠的支撐方式 a: 絲杠的拉

13、伸或壓縮變形 已知=3528.51N，D=40mm，=6mm，=35.984mm， 式中 是在工作載作用下引起每一導程的變化量； 工作負載，即進給牽引力；滾珠絲杠的導程； 材料彈性摸數(shù)，對鋼；滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）；“+”用于拉深，“”用于壓縮； 絲杠有效截面A= 絲杠導程的變化量=== 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 b: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 由=3.969mm，=253kgf 承載滾珠數(shù)量 (個) 由于對滾珠絲杠副施加預緊力，且預緊力Fp為軸向負載的,則變形 :定位誤差 根據(jù)經(jīng)驗公式可得：

14、 縱向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表2.1 滾珠絲杠幾何參數(shù) 名 稱 符號 計算公式 螺 紋 滾 道 公稱直徑 40 導程 6 接觸角 鋼球直徑（mm） 3.969 滾道法面半徑 2.064 偏心距 0.056 螺旋升角 螺 桿 螺桿外徑 24.3 螺桿內(nèi)徑 21.78 螺桿接觸直徑 21.83 螺 母 螺母螺紋直徑 28.22 螺母內(nèi)徑 25.73 6）穩(wěn)定性校核 滾珠

15、絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核 （2）橫向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力 按橫向進給為燕尾形導軌： 式中 K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，燕尾形導軌?。? —滑動導軌摩擦系數(shù)：=0.2； —溜板及刀架重力，=550N。 則: 2）計算最大動負載Q 式中 為絲杠的基本導程，初選 最大切削力條件下的進給速度，可取最大進給速度的1/2～1/3，此處=0.3m/min； 使用壽命，按15000h； 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取1.2～1.5； 初選1.2 為絲杠

16、轉(zhuǎn)速； 為絲杠壽命，以轉(zhuǎn)為1單位； 3）滾珠絲杠副的選型 橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)： W1L3506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名 稱 符號 計算公式 W1L3506 螺 紋 滾 道 公稱直徑 35 導程 6 接觸角 鋼球直徑（mm） 3.969 滾道法面半徑 2.064 偏心距 0.056 螺旋升角 螺 桿 螺桿外徑 34 螺桿內(nèi)徑 30.984 螺桿接觸直徑 31.042 螺 母

17、 螺母螺紋直徑 39.016 螺母內(nèi)徑 35794 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷C；查閱《數(shù)控設計》指導書得到：采用W1L3506型外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，1列2.5圈，額定動載荷15400N，精度等級為1級。 4）傳動效率計算 式中為的螺旋升角，； 為摩擦角取滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004； 5）橫向滾珠絲杠剛度驗算 a: 畫出橫向進給滾珠絲杠的支撐方式圖2-2，根據(jù)最大軸向力，支撐間距 L=750mm。因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。 圖2-2，橫向進給滾珠絲杠的支撐方式

18、 b: 絲杠的拉深或壓縮變形 已知，D=35mm，=5mm，， 式中 是在工作載作用下引起每一導程的變化量； 工作負載，即進給牽引力； 滾珠絲杠的導程； 材料彈性摸數(shù)，對鋼；滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）；“+”用于拉深，“”用于壓縮； 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 c: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 由=3.969mm， 承載滾珠數(shù)量(個) d: 定位誤差： 根據(jù)經(jīng)驗公式得： 滾珠絲杠允許的誤差為；所選絲杠合格。 6） 壓桿穩(wěn)定性校 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作

19、穩(wěn)定性校核 4、輪進給齒輪箱傳動比計算 （1）縱向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數(shù) 縱向進給脈沖當量；滾珠絲杠導程；初選步進電機步距；可得： ； 可選齒數(shù)為： ； 齒數(shù) 32 40 20 25 分度圓 64 80 40 50 齒頂圓 68 84 44 54 齒根圓 59 75 35 45 齒寬 20 20 20 20 中心距 72 45 (2）橫向進給齒輪箱傳動比計算 橫向進給脈沖當量；滾珠絲杠導程；初選步進電機步距角；可得

20、： ； 可選齒數(shù)為： 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2 2.傳動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) 24 40 20 25 分度圓 48 80 40 50 齒頂圓 52 84 44 54 齒根圓 42 75 35 45 齒寬 20 20 20 20 中心距 64 45 5、步進電機的計算和選型 （1）縱向步進電機的計算和選型 1） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 算簡圖見前面，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 為： 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量； 為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；

21、 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量； 所選電機為150BF002反應式步進電機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量： ； 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式：； 則： 代入上式： 2）電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算： 快速空載起動力矩： 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，其計算公式為： ； ； ； 式中 為快速空載起動力矩； 為空載起動時折算到電機軸上的加速力矩； 為折算到電機軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 其它符號意義同前。 ； 起動加速時間；

22、 折算到電機軸上的摩擦力矩： ； 式中 為導軌的摩擦力，；其它參數(shù)含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取，這里?。? ； 附加摩擦力矩： ； 式中 滾珠絲杠預加負荷，一般取； 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般??； 其它符號含義取值同上。 ； 將數(shù)據(jù)代入公式： ； 快速移動時所需力矩： ； 最大切削負載時所需力矩： ； 式中折算到電機軸上的切削負載力矩；參數(shù)說明同上 ； 從上面可以看出，三種工作情況下，以快速空載起動力矩最大，以此作為初選步進電動機的依據(jù) 查得當步進電機為五相十拍時；

23、最大靜力矩； 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從附表查出150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72 大大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機啟動矩頻特性和運行矩 ， 3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 空載啟動時 切削時工作頻率 可查出150BF002型步進電機允許的最高空載頻率為2800運行頻率為800，再從圖2-4看出，當步進電機起動時，時，，遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩；直接使用

24、則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz左右時，起動力矩可提高588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 圖2-3，150BF002運行矩頻特性 圖2-4，150BF002起動矩頻特性 當快速運動和切削進給時，從圖2-3中看出150BF002型步進電機運行矩頻特性完全滿足要求 （2）橫向步進電機的計算和選型 1） 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見前面，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量為： 式中 為步進電機轉(zhuǎn)子

25、轉(zhuǎn)動慣量； 為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量； 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量； 所選電機為150BF反應式步進電機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量： 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式： ； 則： 代入上式： 2）電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算： 快速空載起動力矩： 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，其計算公式為： ； ； ； 式中 為快速空載起動力矩； 為空載起動時折算到電機軸上的加速力矩； 為折算到電機軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩

26、擦力矩； 其它符號意義同前。 ； 起動加速時間； 折算到電機軸上的摩擦力矩： ； 式中 為導軌的摩擦力，；其它參數(shù)含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取，這里?。? ； 附加摩擦力矩： ； 式中 滾珠絲杠預加負荷，一般?。? 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般??； 其它符號含義取值同上。 ； 上述三項合計： ； 快速移動時所需力矩： ； 最大切削負載時所需力矩： ； 式中折算到電機軸上的切削負載力矩；參數(shù)說明同上 ； 從上面可以看出，三種工作情況下

27、，以最大切削負載時空載起動力矩最大，查表得：當步進電機為五相十拍時，，最大靜力矩 按此最大靜轉(zhuǎn)距從附表查出150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距?？勺鳛槌踹x型號。但還必須進一步考核步進電機起動短頻特性和運行短頻特性。 3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率 空載啟動時 切削時工作頻率 可查出150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz，運行頻率為8000Hz,再從圖表查出150BF002型步進電機起動短頻特性和運行短頻特性，從圖2-6中分析可知當電機起動時頻率為2500Hz,最大靜轉(zhuǎn)矩為100N.cm遠不能滿足此機床所要求的

28、空載起動力矩750.5N.cm直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），把起動頻率降到1000Hz左右時起動力矩可提高588N.cm.然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右，起動力矩可以滿足要求。 當快速運動和切削進給時，從圖2-5中看出150BF002型步進電機運行矩頻特性完全滿足要求。 圖2-5，150BF002型運行矩頻特性 圖2-6，150BF002起動矩頻特性 三、數(shù)控機床零件加工程序 00321 圖2-7，數(shù)控機床零件加工圖 N010 G90G00G92X80,Z10； N020 M

29、03S600； N030 G00X24.Z21； N040 G01X30,Z-2,F10； N050 X30,Z-64； N060 X32,Z-64； N070 X40,Z-120； N080 G02X40,Z-180.I51.96,K-30,F5； N090 G01X40,Z-200,F10； N100 G00X80,Z10； N110 M05T0100； N120 T0200； N130 M03S100； N140 G01X34,Z-64； N150 X26,Z-64； N160

30、 G00X34,Z-64； N170 X80,Z10； N180 M05T0200； N190 T0300； N200 M03S50； N210 G00X28.402,Z10； N220 G33Z-64,F2； N230 G00X34.402； N240 X80,Z10； N259 X27,.602,Z10； N260 G33Z-62,F2 N270 G00X33.602； N280 X80,Z10； N290 X27.402,Z10； N300

31、 G33Z-62,F2； N310 G00X33.402； N320 X80,Z10； N330 M05T0300； N340 T0100； N350 M02； [1] 于果.對我院轉(zhuǎn)型期發(fā)展戰(zhàn)略的思考.江西藍天學院學報【J】.2006.（6）：1～6 [2] Wilfred J，Pandey V N，Nair C K K，et al．Risk sharing and industrial specialization：regi

32、onal and internatio 四、總結 通過這次課程設計，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。參考了相關設計資料，終于知道了該怎么做。在做設計的過程中，不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用。 當然，在此過程中由于時間緊張也有許多不足之處，內(nèi)容涉及到多方面有知識要想發(fā)展成實際產(chǎn)品還需要反復的探討和論證。 本次課程設計一開始就得到老師的幫助，正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的課程設計順利完成。在此表示深深的感謝！

33、 參考文獻 [1] 于果.對我院轉(zhuǎn)型期發(fā)展戰(zhàn)略的思考.江西藍天學院學報【J】.2006.（6）：1～6 [2] Wilfred J，Pandey V N，Nair C K K，et al．Risk sharing and industrial specialization：regional and international evidence. The Economic Journal，1998，Vol．108(11) :1149～1161 …… [1]丁洪生.機械設計基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2000. [1]范超毅，趙天嬋，吳斌方. 數(shù)控技術

34、課程設計. 武漢：華中科技大學出版社，2007. [1]蔡懷崇，張克猛. 工程力學（一）. 北京：機械工業(yè)出版社，2008. [1]林其駿. 數(shù)控技術及應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2001. [1]畢萬新. 單片機原理與接口技術. 大連：大連理工出版社，2005. [1]王訓杰，丘映輝. 機械設計/機械設計基礎課程設計. 大連：大連理工出版社，2007. [1]吳宗澤. 機械零件設計手冊. 北京：北京機械工業(yè)出版社，2004. [1]陳立德. 機械設計基礎課程設計. 北京：北京教育出版社，2006. [1]《數(shù)控設計》指導書. 藍天學院京東校區(qū)機電工程

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