机电一体化普通车床改造毕业论文.doc

综 合 作 业（ 论 文 ）（专 科）课题名称 将普通车床改造成经济型数控车床（横向） 床鞍上最大加工直径400毫米的普通车床 系 别 机械电子工程系 专 业 机电一体化 姓 名 准考证号 指导老师 邢 军 2010年4月10日 南昌指 导 教 师 评 语 建议成绩：优 良 中 及格 不及格指导教师签字： 年 月 日 最终评定成绩：优 良 中 及格 不及格系主任签字： 年 月 日 目 录 第一章 绪论第二章 总体方案的设计与选择第三章 经济型数控车床横向进给系统设计计算3.1确定系统的脉冲当量3.2计算切削力3.3横向滚珠丝杠螺母副的选择4.4 稳定性的校核第四章 齿轮进给齿轮箱传动比计算4.1横向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数第五章 步进电机的计算和选型5.1等效转动惯量计算5.2 电机力矩计算5.3 计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率第六章 数控车床零件加工编制程序第七章 横向进给伺服机械装配图与数控车床电路原理图第八章 总结第九章 主要参考文献第一章 绪论普通车床是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。本设计说明书共分九章，小组成员丁伟、魏骞骞、彭泽 参与了本综合作业的设计与计算，得到了邢军老师的大力支持与帮助，在此表示真诚的感谢。由于时间仓促，小组成员水平有限，作业中错误和不足之处在所难免，希望老师和同学们给予批评指正。 第二章 总体方案的设计与选择2.1 设计任务1）课程设计的目的课程设计是一个实践性很强的环节,是诸多实践教学环节的最后一环,是培养学生理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤。机电一体化专业课程设计是以机电一体化的典型产品-数控机床的应用与设计为主线,进行一次所学机、电知识有机结合的全面训练。从而培养学生具有加工编程能力、绘图能力、机械传动机构设计计算能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。2）课程设计的题目及主要技术参数用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的进给系统最大加工直径（mm）： 在床身上：500 在床鞍上：210最大加工长度（mm）： 850 溜板及刀架重量（N）： 横向：500 刀架快移速度（m/min）： 横向：1 最大进给速度（m/min）： 横向：0.3 最小分辨率 （mm）： 横向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 4 起动加速时间（ms）： 30第三章 机床进给伺服系统的设计3.1 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C616的技术参数中，要求横向脉冲当量为=0.005mm/step。3.2 计算切削力车削外圆时的切削抗力有，主切削力、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。进给抗力与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统时要用它。1） 纵切外圆车床的主切削力Fz根据经验公式计算： 2） 横切端面车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，横切端面时作用在进给托板的载荷和与车刀所受到的车削抗力有对应关系：；与上述成比例即： =1019.46(N)=0.25=254.86(N)=0.4=407.78(N)3.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型1)最大工作载荷：=1.4×407.78+0.2(1019.46+2×254.86+500) =976.72(N) 对于综合型导轨=1.4, 燕尾型导轨摩擦系数=0.2；是横向溜板箱和刀架的重量500(N)2) 最大动载荷C的计算 式中 为丝杠寿命，以1000000为单位； 为运转系数，按一般运转取1.21.5，此外取=1.4； 为丝杠转速； 为最大切削力条件下进给速度，取最大进给速度的（1/21/3），此外=0.1 m/min； 为丝杠的基本导程，初选=4mm；=1000×0.1/4=25（m/min）=60×25×15000/1000000=22.5 =2.82×1.4×976.72=3856.11(N)3）滚珠丝杠副的选型初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；查阅综合作业设计指导书得到：采用外循环螺纹调整的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷8800N，精度等级按表4-15选为1级.4) 传动效率计算式中为的螺旋升角，；为摩擦角取滚动摩擦系数0.0030.004； 即：传动效率=96.55)横向滚珠丝杠刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，滚珠与螺纹滚道间的接触变形，滚珠丝杠轴承的轴向接触变形和丝杠的扭转变形引起导程的变化量等。横向进给丝杠支承如图所示，最大轴向力=967.72N，支承间距=600 mm，因丝杆长度较短，不需要预紧。丝杆的拉伸或压缩变形量，,由于，所以（2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形 对于一般情况而言：对滚珠丝杆副施加预紧力F为轴负载的，刚度直径 取；：支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形；采用8107型推理球轴承：，滚动体直径，滚动体数目此时的变形量： 定位误差为： 定位精度为： 定位误差：结果定位误差大于定位精度，不满足要求，应采取相应的修改措施，对相应的参数进行修改，因横向滑板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，还有滑板唯有采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小轴向力，即f的值减小，试将取0.1. 变形量： 总变形量 故无需再计算还是不符合要求，需要进行重新修改，从而再次减少的值。的试取为0.004，再次进行计算。 重新计算变形量： 还是需要再进一步减小的值，试将的值取为 计算得：因此，符合精度要求，可知，设计的过程中必须反复修改参数，才能达到设计的要求和满意的结果。稳定性校核横向滚珠丝杠副几何参数：滚珠丝杠几何参数名 称符号计算公式螺纹滚道公称直径25导程5接触角钢球直径（mm）3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺旋升角螺杆螺杆外径23.81螺杆内径20.984螺杆接触直径21.032螺母螺母螺纹直径29.016螺母内径26.190待添加的隐藏文字内容1（3）压杆稳定性校核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。失稳时的临界负载式中 E 为丝杠材料弹性模量，对钢； 为截面惯性矩，对丝杠圆截面，为丝杠的内径； 为丝杠两支承端距离（cm）； 为丝杠的支撑方式系数由表4-13查出，一端固定，一端简支 （一般）此滚珠丝杠不会产生失稳。第四章 齿轮进给齿轮箱传动比计算4.1横向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数横向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距角；可得：；考虑结构上的原因，不能使大齿轮的直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处采用两级齿轮减速：；因进给运动齿轮受力不大，模数取2，有关参数见表：传动齿轮几何参数齿数40202535分度圆80405070齿顶圆84445474齿根圆75354565齿宽20202020中心距7264第五章 步进电机的计算和选型5.1横向进给步进电动机计算等效转动惯量计算计算简图见前面，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量为：；式中 为步进电机转子转动惯量； 为齿轮的转动惯量； 为滚珠丝杠转动惯量；所选电机为150BF反应式步进电机，其转子转动惯量： ；对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：；则：；代入上式：电机力矩计算机床在不同的工况下，所需的力矩也不同，分别计算：快速空载起动力矩：在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，其计算公式为：；式中 为快速空载起动力矩； 为空载起动时折算到电机轴上的加速力矩； 为折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；其它符号意义同前。 ；起动加速时间；折算到电机轴上的摩擦力矩： 式中导轨的摩擦力，；其它参数含义及取值同前，传动链总效率，一般可取，这里取；附加摩擦力矩：；式中滚珠丝杠预加负荷，一般取；滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取；其它符号含义取值同上。；将数据代入公式：； 快速移动时所需力矩：；最大切削负载时所需力矩=：；式中折算到电机轴上的切削负载力矩；参数说明同上；从上面可以看出，三种工作情况下，以快速空载启动时所需力矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。但还要进一步考核步进电动机启动矩频特性和运行矩频特性。3 计算步进电动机空载启动频率和切削时的工作频率须进一步考虑步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性。从电机手册中可以看出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为3800Hz，运行频率为16000Hz,从图中看出，当步进电机起动时，远不能满足此机床所要求的空载起动力矩169.295N.cm直接使用则会产生失步现象，必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到2500Hz左右时，起动力矩可以满足要求。当快速运动和切削进给时，从图中看出150BF002型步进电机运行矩频特性完全满足要求。第六章 数控车床零件加工程序O0004N010 G90G00G92X80,Z10;N020 M03S600;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 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,F2N270 G00X33.602;N280 X80,Z10;N290 X27.402,Z10;N300 G33Z-62,F2;N310 G00X33.402;N320 X80,Z10;N330 M05T0300;N340 T0100;N350 M02;第七章 横向进给伺服机械装配图与数控车床电路原理图1、进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图 A1 1张2、单片微机应用系统硬件电路原理图 A1 1张第八章 总结通过这次课程设计，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用。当然，在此过程中由于时间紧张也有许多不足之处，内容涉及到多方面有知识要想发展成实际产品还需要反复的探讨和论证。 本次课程设计一开始就得到老师的帮助，正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的课程设计顺利完成。在此表示深深的感谢！第九章 主要参考文献1. 罗永顺. 机床数控化改造技术. 北京：机械工业出版社，2007. 2. 范超毅，赵天婵，吴斌方. 数控技术课程设计. 武汉：华中科技大学出版社，2007.3. 张丽华，马立克. 数控遍程与加工技术. 大连：大连理工出版社，2006.4. 丘映辉. 机械原理与设计. 大连：大连理工出版社，2006.5. 毕万新. 单片机原理与接口技术. 大连：大连理工出版社，2005.6. 陈子音，陈为华. 数控机床结构原理与应用. 北京：北京理工大学出版社，20067. 王训杰，丘映辉. 机械设计/机械设计基础课程设计. 大连：大连理工出版社，2007.8. 吴宗泽. 机械零件设计手册. 北京：北京机械工业出版社，2004.9. 李海萍. 机械设计基础课程设计. 重庆：重庆大学出版社，2006.10. 陈立德. 机械设计基础课程设计. 北京：北京教育出版社，2006.11. 数控设计指导书. 蓝天学院京东校区机械电子工程系，2009. 此设计得到了邢老师的大力支持，在此深表感谢。由本组所有成员亲自设计。望邢老师在审核过程中能够给与提出宝贵意见，谢谢!