C616型普通车床改造为经济型数控车床

1一、设计任务设计题目C616型普通车床改造为经济型数控车床。1.1设计要求由于是对原有机床进行经济型数控机床改造，因而在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，降低成本。根据C616车床有关资料，确定总体方案。采用控制器进行控制，控制选择电机的输出经齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。图1C616车床1.2主要设计参数及技术指标主要设计参数及技术指标如下。机械部分：工作台重量：W=960N时间常数：T=30ms滚珠丝杆基本导程：L0=9mm行程：X=660mmY=320mm脉冲当量：δp=5μm/step2步进角：a=0.850/step步进电机通电方式：四相八拍快速进给速度：Vmax=2m/min控制部分：采用单片机轨迹控制采用数字积分法（DDA）步进电机的控制二、总体方案设计2.1数控系统运动控制方式的确定按照完成的加工制造任务，数控系统可分为点控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。于由要求C616车床能加工复杂轮廓零件，所以数控系统应该设计成连续路径控制型。2.2伺服进给系统的选择数控机床的伺服进给系统有开环、闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。图2开环控制系统2.3控制器的选择由于C616普通数控机床经数控化改造后，实现控制性能的要求的控制算法不是很复杂。所以以MCS-51系列的8位单片机作为控制器，外扩存储器、D/A转换器、I/O接口电路、键盘、显示器等组成改造后机床的控制系统。2.4进给传动机构纵向进给机构的改造:拆去原有机床的溜板箱、光杠、丝杠以及安装机座，选用摩擦力小、传动效率和传动精度高的滚珠丝杠副，且由步进电机驱动。横向进给也是换以步进电机驱动的滚珠丝杠副。2.5主传动系统保留主传动系统，即保留原有的主传动机构和变速操纵机构。但是主轴的正3转、反转和停止由计算机控制。为了使机床能够加工螺纹，需要安装能够检测主轴位置的编码器。编码器既可以与主轴同轴安装，即安装在主轴的后端，也可以通过1:1的同步带轮与主轴连接。三、机械部分设计与计算3.1纵向进给系统的设计计算纵向进给已知参数：工作台重量：W=960N时间常数：T=30ms滚珠丝杠基本导程：L0=9mm行程：S=640mm脉冲当量：δp=5stepm/=0.005mm/step步进角：α=0.85°/step快速进给速度：Vmax=2mm/min3.1.1切削力计算由《机床设计手册》和相关资料可知，切削功率KNN0式中N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65；K——进给系统功率系数，取为K=0.96。则：2.496kW0.960.654N0又因为ZF0N所以vN0ZF式中v——切削线速度，取v=100m/min,即v=1.67m/s,有4主切削力1495(N)67.110964.2F30ZvN由《机床设计手册》中可知，在一般外圆车削时：FX=（0.1～0.6）FZFY=(0.15～0.7)FZ取：748N1495N0.5F0.5FZX897N1495N0.6F0.6FZY3.1.2滚珠丝杠设计计算计算进给率引力（mF）综合导轨车床丝杠的轴向力:W)(F'kFFZXmf式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。则1254N0)69(14950.167481.15Fm计算最大动载荷负荷C滚珠丝杠导程初选mm90L；取min/2sm；T按15000h计算；取2.1wf，1hf；L以610转为一单位。寿命值2.222min/921000min/10000rrLvns20010150002.22260106066nTL最大动负荷为NFffLCmw8800125412.12003h3滚珠丝杠螺母的选型根据滚珠丝杠的相关数据，可采用30051LW外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，其额定动载荷为10700N，精度取3级，公称直径32mm，所以强度足够用。其结构如图3所示。5图3滚珠丝杠螺母结构传动效率计算传动效率按式)tan(ant计算，取'393；摩擦角取10’,滚动摩擦因数一般为0.003~0.004，则带入数据计算得953.0)'1039'3tan(39'3an)tan(antt刚度验算丝杠的拉伸或压缩变形量1。滚珠丝杠受工作负载引起的导程0L的变化量按式EALF0mL计算，式中NF1254m，mmL90，24cm/106.20NE，mm301.28d取A为22/d）（，带入数据计算得mmEALF5260m1088.814.3)2/031.28(106.2091254L滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量2L很小，可以忽略。6有效行程为mm660L，所以mLL51.6mm1051.696601088.86603-501由于两端采用推力球轴承，丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高四倍，其实际变形量引起丝杠总的变形量m63.14'11滚珠与螺纹滚道间接触变形2。查阅资料可知，30051LW外循环螺纹，1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量为m2.72，因进行了预紧，有m60.32'22支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3。采用51105型推力球轴承，滚动体直径mmdQ3.6，滚动体数量Z=14，轴向力NF1254m，由公式32230024.0ZdFQm可知，mF单位需换算成kgf,则kgf128mF，代入计算：mZdFQm68.5mm00568.00024.03223因施加预紧力，故m84.22'33根据以上计算：m07.8m84.260.363.1'''321已知精度等级为3级。行程为660mm,查表知，允许丝杠行程变动量偏差为15m，所以刚度足够。稳定性计算由于机床丝杠直径为30mm,现选用的丝杠直径为32mm,支承的方式不变，为一端固定、一端径向支承，丝杠固定端安装两个8105型推力球轴承和一个305型球轴承（外径要和原装配孔一致），支撑端安装一个3305型双列角接触球轴承，所以稳定性不存在问题，故不再验算。7通常还需适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时，常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增加刚度。3.1.3齿轮及转矩有关计算步矩角step/85.0b，导程mm90L，脉冲当量stepmmstepmp/005.0/5，齿轮传动比：00.8594.253603600.005bpLi可选定的齿数为241350454.252125zzizz取1z=21，2z=50，3z=25，4z=45表3-1齿轮传动参数（单位：mm）齿数z21502545模数m2齿宽b20分度圆mzd421005090齿顶圆md2da461045494齿根圆m25.12-dfd37955585中心距2/21ddA7170转动惯量计算224444skg639.11kg3.1422.3108.7108.7cmcmLDJ齿轮的转动惯量：442217.8104.22k0.485kJgcmgcm442227.810102k15.6kJgcmgcm8442237.81052k0.975kJgcmgcm442247.81092k10.235kJgcmgcm工作台质量折算到丝杠轴上的转动惯量：22220012.214.329.08.99602gcmkgcmkgLGJG电动机的转动惯量很小可以忽略。因此，总的转动惯量：223112332422()[()]0.4850.176[15.60.9750.30810.2350.64892.0124.100sGzzJJJJJJJzzkgcmkgcm所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩：famaxMM起最大切削负载时所需力矩：tMMM0f切快速进给时所需力矩：fMM快式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩；M0——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩。当nnmax，MMamaxa时，有r/min4.449925.42000n0maxmaxLiv22maxamaxa23.14944.4M104.1010135.0960300.03nJNcmNcmt当0.8，0.16'f时，有cmNcmNiLGFfiLFZ93.1425.48.014.329.0960125416.022M000f9当0.90时预加载荷xP0F31F，则：cm1.99NcmN25.48.014.36)9.01(9.07486)1()-(12M22002000p0iLFiLFX轴向最大切削力为XF向切削力，有cm53.31cm25.48.014.329.07482M0ttNNiLF所以，快速空载启动时所需力矩为amaxfMM135.0914.931.99cm152.01cmNN起最大切削负载时所需力矩为cm45.48cm53.3199.193.41MM0fNNt切快速进给时所需力矩为cm16.92NcmN99.193.14MMf快=16.85N·㎝由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时。3.2横向进给系统的设计计算横向进给已知参数工作台重量：W=960N时间常数：T=30ms滚珠丝杠基本导程：L0=9mm行程：S=320mm脉冲当量：δp=5stepm/=0.005mm/step步进角：α=0.85°/step快速进给速度：Vmax=2mm/min3.2.1切削力计算横向进给量为纵向的1/3~1/2，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。ZF(1495/2)N=748N按经验公式取：10XZF0.5F0.5748N374NYZF0.6F0.6748N449N3.2.2滚珠丝杠设计计算计算进给率引力（mF）燕尾导轨取K=1.4，f′取0.2，G=320N，代入数据计算得mF1.44490.2(7482374320)1047.8N计算最大动载荷负荷C滚珠丝杠导程初选mm90L；取min/2sm；T按15000h计算；取2.1wf，1hf；L以610转为一单位。代入数据计算得2.222min/921000min/10000rrLvns20010150002.22260106066nTL最大动负载为33h2001.211047.87359.4wmCLffFN滚珠丝杠螺母的选型跟据滚珠丝杠的相关数据，可采用12005WL外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，其额定动载荷为8800N，精度取3级，公称直径20mm。传动效率计算传动效率按式)tan(ant计算，取433'；摩擦角取10’,滚动摩擦因数一般为0.003~0.004，则带入数据计算得anan433'0.909tan()tan(43310')tt刚度验算丝杠的拉伸或压缩变形量1。滚珠丝杠受工作负载引起的导程