C623普通车床的经济数控化改造设计

目录摘要3前言3第一节 原始参数4第二节 设计计算41. 确定脉冲当量 42. 计算纵向外圆切削力 43. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）54. 同步减速器的设计 75. 步进电机的计算和选型（纵向） 106. 同步带传递功率的校核 13第三节 绘制进给传动机构的装配图 15第四节 设计小结 16参考文献 162C623 普通车床的经济数控化改造设计 纵向进给机械结构设计摘 要针对现有常规 C623 普通车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产效率。改造过程如下：机械部分改造，主要是纵向进给方向机械结构的改造。主要包括对滚珠丝杆螺母副及反应式步进电机的设计选择及纵向机构装配图方案的制定。关键词：数控 步进电机 滚珠丝杠 改造3前言机电一体化系统设计课程设计是在我们学完了机电一体化之后进行的，这次通过设计让我们获得综合运用过去所学过知识，独立进行一次机电结合的设计训练，学会了进给传动系统设计计算，并且通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。第一节 原始参数一、设计题目： C623普通车床的经济数控化改造设计纵向进给机械结构设计二、设计原始资料：主轴转速： 302240r/min(无级 )最大回转直径； 460mm最大加工长度： 1000mm溜板及刀架重量： 2000N刀架快速运动速度：纵向 8m/min 横向 6m/min最大进给速度： 纵向 60mm/r 横向 45mm/r主电机功率： 7.5kW机床定位精度： 0.015mm三、设计工作内容：（ 1）进给传动系统设计计算（ 2）纵向进给系统装配图 A0 1张（ 3）综合课程设计说明书 1份第二节 设计计算1、确定脉冲当量在进行机电一体化系统设计时，一般应根据伺服进给系统所要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于定位精度4值 【1】 。则纵向的脉冲当量取 0.01mm/脉冲。 2、计算纵向外圆切削力设工件材料为碳素结构钢,选用刀具材料为硬质合金 YT15；刀具几何参数为：主偏角 =60，前角 =10，刃倾 角 ；切削用量为：背吃刀量rk0r0s5=3mm，进给量 f=0.6mm/r，切削速度 =105m/min。查表 3-11，得：pa cv=2795, =1.0, =0.75, =-0.15；cCFFcxFcyFn查表 3-31，得：主偏角 Kr 的修正系数 =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧Fckr半径的修正系数值均为 1.0。由经验公式（1） fffff PPP CCCFncyFxpFf FncyFxpFc Kvaf式中 、 、 -与被加工材料和切削条件相关的切CPf削力系数、 、 、 、 、 、 、 、 -分别为三个分力公式中，CFxCyFnPxFyPnfFxfyfFn被吃刀量 、进给量 f 和切削速度pa的指数cv、 、 -当实际加工条件与经验公式的实验CFKPfF条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，即 FrFKMkksr0-切削速度，单位为 m/mincv算得纵向主切削力 =2673.4N，由经验公式 =1:0.35:0.4,纵向进给cFpfc:切削力 =935.69N，背向力 =1069.36Nf p3、滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）3.1 工作载荷 Fm 的计算(1)5（2）)(GFfKzxm纵向进给导轨为综合型导轨 K 取 1.15 查表 3-29；滑动导轨摩擦系数 0.150.18 取 ；16.0f溜板及刀架重力 G=2000N；= =935.69N， = =1069.36N， = =2673.4NxFf yFpzFc代入公式（2）得 1.593.601(273.40)1823.m N3.2 计算最大动负载 QF最大切削力下的纵向最大进给速度为 60mm/min,丝杠导程选 ,则滚mPh6珠丝杠的平均速度为：（3）hsPVn10数据代入公式（3）得 10.610/minnr滚珠丝杠的使用寿命 T 取 15000h由 （4）610nL代入公式（4）得 60159rL查表 3-301得载荷系数 一般运转取 1.21.5，则 =1.2 wf wf再取硬度系数 =1H(5)mWQFfL3代入公式（5）得 391.283.452.N3.3 滚珠丝杆螺母副的选型根据计算出的最大动载荷，查表 3-331选择采用 FL4006 型滚珠丝杠副。其公称直径为 40mm ,基本导程为 6mm,双螺母滚珠总圈数为 32 圈=6 圈，精度等级取 4 级，额定动载荷为 13200N63.4 传动效率计算0arctn/arctn6/3.14273hPd其中27%9.%t()t(0) 103.5 刚度验算（1）纵向滚珠丝杆副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力球轴承，面对面组配。左右支撑丝杆的间距 a=1497mm；钢的弹性模量 ；查表 3-331得滚珠直径 ，算52.10EMPa mDw968.3得丝杆底径 =36.0312mm，则丝杆的截面积WD滚 珠 直 径公 称 直 径 dd，即算得丝杆在工作载荷 作用222 64.19/3.64./ mS mF下产生的拉/压变形量;51/()18.7/(.0.)0.18mFaE（2）根据公式（6）3)/(0wDdZ代入公式（6）得单圈滚珠数目 Z=29，该型号丝杆为双螺母，滚珠总圈数32=6，则滚珠总数量 ;丝杆及轴承均必须进行预紧，预紧力174629Z为最大轴向负荷的 1/3,即 ,则由公式（7）/358.yjmFN（7）2 230.1*/10mWyjDZ得 ， 因为丝杆加有预紧力，且为轴向的 1/3，所以实际2.9变形量可减少一半，取 2.59m（3）将以上算出的 代入 ，求得丝杆的总变形量1和 21总0.12895m总由表 3-271知，4 级精度滚珠丝杆任意 300mm 轴向行程内的行程变动量允许 ，而对于跨度为 1497mm 的滚珠丝杆，总的变形量为 0.012895mm,故丝6杆的刚度足够了。3.6 压杆稳定性校核 7根据公式 (8)mkFKaEIf2其中压杆稳定安全系数 K=3(丝杆卧式水平安装)查表 3-341， 取支承系数 ，由丝杆底径 d2=36.0312mm，得2kf，代入公式（8）得4442 15.8736/031.6/dI,由于该临界载荷远大于工作载荷 （ 1759.8N）,故丝杆不会失稳。NFk509综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。4、同步减速器的设计为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。4.1 确定传动比由设计要求可知纵向进给系统的脉冲当量 ，滚珠丝杠的导程为 6mm。今初选的步进电机的型号为 130BYG5501，五相混合式，最大静力矩为 20 Nm ，步进角为 0.720 ，脉冲当量 =0.01mm/脉冲，滚珠丝杆导程 =6mm,由此可计算zhP传动比如下：（9）zhPi360式中 电动机步距角滚珠丝杠导程hZ 方向（纵向）的脉冲当量z代入公式得 0.7261.3i4.2 主动轮最高转速 根据公式（10）0max16/)/(zzVn床鞍的最快移动速度 ，代入公式（10）得max8/in0/minzV01(80/.).72536r4.3 确定带的设计功率 预选的步进电动机在转速为 500r/min 时，对应的步进脉冲频率为（11）/01maxnf8代入公式（11）得 0max(536)(.72)416.f Hz由图 当脉频率为 4166.7 时，电动机的输出转矩约为可得对应输出的14功率 1/9.08/9.5.0.942OUTPnWKW今取 ，查表 3-181得工作情况系数 K=1.2,则带的设计功率0.2dK.41.3a K4.4 选择带型和节距根据带的设计功率 和主动轮最高转速 .dPW150/minnr由图 3-141中选择同步带及表 3-20 选择节距，型号为 L，其节距。12.70bPm4.5 确定小轮 和小带轮节圆直径 1Z1d取 ，则小带轮节圆直径 。当达到最512.7560.34bPZm高转速 500r/min 时，同步带的速度为，没有超过 H 型带的极限转速13.460.751.8/60dnv ms35m/s。4.6 确定大带轮 和大带轮节圆直径 1Z2d大带轮的齿数 ,节圆直径21.58i。21.607.8di m4.7 初选中心距 、带的节线长度 、带的齿数 apL0bZ初选中心距 ，圆整后取 =147mm。则带的节线012.()46.8d0a长度为 查表 3-131，选取最接近210120253.pLama的标准节线长度 。508pm4.8 计算实际中心距 a 实际中心距 0503.4146.219.poL94.9 校验带与小带轮的啮合齿数 mZ1121 251.75() (185)722349.bmPZent enta 啮合齿数比 6 大，满足要求。此处 ent 表示取整。4.10 基准额定功率 0(12)1)(20vTPa式中 带宽为 的许用工作拉应力，查表 3-211得 a0sb20.85aTNm带宽为 时的单位长度的质量，查表 3-211得 0sb 0.48/mKgv 为同步带的带速， 1.58/vms即2021.8543.4PKW4.11 确定所需同步带宽度 sb（13）14./0PKbzds式中 选定型号的基准宽度，查表 3-211得s 076.2sbm小带轮啮合齿数系数，查表 3-221得z 1zK即 再根据表 3-111选定最接近的带宽29.51sbm s4.54.12 带的工作能力验算 根据式（13） ，计算同步带额定功率 P 的精确值。(14)3201vbTKPsawz式中 /4./s代入数据得 2325.10.80481.5.810.4P KW 由于 ，因此带的工作能力合格。.3dKW105、步进电机的计算和选型（纵向）目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点： 步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。 可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。 输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。 启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题：一、是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二、是满足最大静转矩的要求；三、是启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。5.1 在步进电动机转轴上的总转动惯量 eqj已知：滚珠丝杆的公称直径 ，总长 (带轴) ，导程md40ml1560，材料密度 ；纵向移动部件总重量 G=2000N；传6hpm33/185.7ckg动比 ；同步带减速箱大带轮宽度 28mm，节径 72.8mm，孔径 30mm，轮毂外1.2i径 42mm，宽度 14mm；小带轮宽度 28mm，节径 60.67mm，孔径 19mm，轮毂外径29mm，宽度 12mm。查机械设计表 34参照表 4-11可以算得各个零部件的转动惯量如下 ：滚珠丝杆的转动惯量 ；丝杆上的转动惯量278.0mkgjs 21.cmkgJW小带轮的转动惯量 大带轮的转动惯量 ，在设计195z29jz减速箱时，初选的纵向步进电动机型号 130BYG5501，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量 。23ckgjm由公式 2（15）(15)221/)(iJJswzzmkeq 11得 25.7cmkgJkeq5.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 eqT分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。5.2.1 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 eql由公式 (16)0max1TTfeq可知， 包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩l、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 、滚珠丝杠预紧后max fT折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。0T因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式（17）2001iPFThYJ式中 -滚珠丝杆的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷 的 1/3，单位为YJ mFN-滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 。0 9.0可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：0TmaxfT（18）eqlf根据公式（19） （19）ameqatnJT602mx考虑纵向传动链的总效率 ,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：（20）1602maxameqtnJT其中： 03vn12max 250m/inv纵 向 空 载 最 快 移 动 速 度 ， 任 务 书 指 定 为07.， 为纵 向 步 进 电 动 机 步 距 角0.1m/纵 向 脉 冲 当 量 ， 为 脉 冲 。经计算得 mn5r/in设步进电机由静止到加速至 转速所需时间 =0.4s，横向传动链总效率mat=0.7；则由公式（20）求得：4max257.106.71.08.T Nm移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：（21）()2chfFGPi式中 导轨的摩擦因素，滑动导轨取 0.16；垂直方向的工作负载，空载时取 0；cF横向传动链总效率，取 0.7。则由公式（21） ，得：0.16(0).6.292.7fTNm最后由公式（18） ，求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为：（22）1max.3eqfN5.2.2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT由公式 （23）02TTfteq可知， 包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 、移动部件t运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴fT上的附加摩擦转矩 。 相对于 和 很小,可以忽略不计 .则有:0Tt(24)2eqtf13其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 T1 本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷 Ff=935.69 N,则有：= 1T935.601.06NM27.2fhFPmi计算承受最大工作负载 =2673.4N情况下，移动部件运动时折算到电动C机转 轴上的摩擦转矩：10.16273.4160.0.78N2ChFGPT mi最后由式（24） ，求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：（25）21.84eqtfTNm经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 12ax,.84Meqeq5.2.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制，当电网电压降低时其输出转矩会下降，可能造成丢歩，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，eqT需要考虑安全系数。本设计中取安全系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：（26）max41.87.36jeqTNm对于前面预选的 130BYG5501 型步进电动机，由表可知，其最大静转Tjmax= 20N m,可见完全满足式（26）的要求。5.2.4 步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度 =500mm/min,脉冲当量 =0.01mm/脉冲，fvmax求出电机对应的运行频率 =500/(600.01)Hz=833.3Hz。从 130BYG5501 的fax运行矩频特性图 2 可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 18.5Nm,maxfT远远大于最大工作负载转矩 =1.84N m,满足要求。2eqT142)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速度 =2500mm/min,求出电机对应的运行maxv频率 =2500/(600.01)Hz=4166.7Hz。从图 6-41查得，在此频率下，电动maxf机的输出转矩 ,大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1=1.37 ,ax18TN mN满足要求。3)最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=2500mm/min, 对应电动机的运行频率 max=4166.7Hz。查表可知maxv130BYG5501 的极限运行频率为 20000Hz,可见没有超出上限。4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 =57.55.9kg cm,eqJ电动机转子自身的转动惯量 =33kg.cm,查表可知电动机转轴不带任何负载时mJ的最高空载起动频率 q=1800Hz。由公式 （27）meqLJff/1得步进电动机克服惯性负载的起动频率为：HzJffmeqL0871说明，要想保证步进电动机起动时不失歩，任何时候的起动频率都必须小于 1087HZ 实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz（即 100 脉冲/s） 。综上所述，本设计中纵向进给系统选用 130BYG5501 步进电动机，可以满足设计要求。6.同步带传递功率的校核分两种工作情况，分别进行校核。6.1 快速空载起动 电动机从静止到加速至 500r/min，由式（22）可知，同步带传递的负载转矩 ，传递的功率 。1.37eqTNm1/9.57.meqPnTW6.2 最大工作负载、最快工进速度 由式（25）可知，带需要传递的最大工作负载转矩 ，任务21.84eqTNm书给定最快工进速度 ，对应电动机转速max50/infv。传递的功率为maxax(/)361ffznvr15W。max2/9.510.84/951.3feqPnTw可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率 3.334kW。因