1 準考證號： 本 科 生 畢 業 論 文 （ 設 計 ） 用微機數控技術改造最大加工直徑為 500 毫米普通車床的進給系統 學 院： 江西科技學院 專 業： 機電一體化工程 班 級： 學生姓名： 指導老 師： 何暉暉 完成日期： 2015 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 2 本科論文原創性申明 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容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經發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 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容編入有關數據庫進行檢索，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 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 3 目 錄 緒論 . 4 第 1 章 數控機床系統總體設計方案的擬定 . 5 第 2 章 機床進給系統機械部分設計計算 . 6 計參數 . 6 2,2 進給伺服系統運動及動力計算 . 6 定系統的脈沖當量 . 6 算切削力 . 6 珠絲杠螺母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 7 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 . 11 進給齒輪箱傳動比計算 . 14 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數 . 14 向進給齒輪箱傳動比計算 . 15 進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 16 向步進電機的計算和選型 . 20 第 3 章 數控機床零件加工程序 . 25 第 4 章 總結 . 27 主要參考文獻 . 28 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 4 緒論 接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統總體框圖，才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電器部分、現已機電一體化的典型產品 數控機床為例 ,分析總體方案擬定的基本內容。 機床數控系統總體方案的擬定包括以下內容：系統運動方式的確定，伺服系統的選擇、執行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統的選擇等內容。一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 5 第 1 章 數控機床系統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。普通機床刀架的縱向和橫向進 給運動是由主軸回轉運動經掛輪傳遞而來，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。進給參數要靠手工預先調整好，改變參數時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯動，切削次序也由人工控制。 對普通車床進行數控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數控裝置，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，切削次序和刀具都會按程序自動調節和更換，再加上縱向和橫向進給聯動的功能，數控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動車削，從而提高了生產效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 6 第 2 章 機床進給系統機械部分設計計算 計參數 用微機數控技術 改造最大加工直徑為 500毫米普通車床的進給系統 最大 加工直徑（ 在床身上： 500 在床鞍上： 260 最大加工長度（ 750 1000 溜板及刀架重量（ N）： 橫向： 550 縱向： 1100 刀架快移速度（ m/ 橫向： 1 縱向： 2 最大進給速度（ m/ 橫向： 縱向： 小分辨率 （ 橫向： 縱向： 位精度（ 電機功率（ 動加速時間（ 30 2,2 進給伺服系統運動及動力計算 定系統的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執行部件產生的進給量 ,它是衡量數控機床加工精度的一個基本參數。因此 ,脈沖當量應根據機床精度的要求來確定。對經濟型數控機床來說，縱向常采用的脈沖當量為 算切削力 1）縱車外圓 主切削力 N) 按經驗公式估算： )(m a x 按切削力各分力比例： 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 7 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F 得：873(N) 996(N) 2） 主切削力 F 21 =) 按切削力各分力比例： : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x F 936(N) 1498(N) 珠絲杠螺母副的計算及選型 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力) 按縱向進給為綜合型導軌 ()m x zF k F f F G 式中 K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取 K=f 滑動導軌摩擦系數 f 初選 溜板及刀架重力 1100N 則1873+ 7491+1100） =N） 2）計算最大動負載 Q 66 0 / 1 0L n T n=1000 610 轉為 1單位。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 8 f 運轉系數，按一般運轉取 f 初選 1.2 取最大進給速度的 1/2 1/3；此處 使用壽命， 按 15000h； 0選0L=6 n=1000 L=1000 =50（ m/ 66 0 / 1 0 6 0 5 0 1 5 0 0 0 / 1 0 0 0 0 0 0 4 5L n T Q=3L f 45 5061 C=3）滾珠絲杠副的選型 初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷 C；查閱數控設計指導書得到：采用1 40061列 定動載荷 16400N，精度等級按表 2級。 4）傳動效率計算 () 式中 為1 40062 44 ； 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數 2 4 4 0 . 9 4( ) ( 2 4 4 1 0 )t g t gt g t g 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 據最大軸向力 2532N，支撐間距L=1500杠螺母副及軸承均進行預緊，預緊為最大軸向負荷的 13。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 9 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 a: 絲杠的拉伸或壓縮變形 1 已知D=40L=6d=42 0 0E 2/N 式中 L 是在工作載 N 工作負載，即進給牽引力； 0L 滾珠絲杠的導程； E 材料彈性摸數，對鋼 42 0 0E ； F 滾珠絲杠截面積（按內徑確定）；“ +”用于拉深，“ ”用于壓縮； 絲杠有效截面 A= 221 3 5 . 9 8( ) ( ) 1 0 1 6 . 722d 絲杠導程的變化量 L = 4 = 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 : 0 06 b: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2 由 53載滾珠數量 402 . 5 2 . 5 7 9 . 1 53 . 9 6 9DZ (個 ) 由于對滾珠絲杠副施加預緊力，且預緊力 3,則變形33 23 22 c :定位誤差 根據經驗公式可得： 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 10 0 3213 縱向滾珠絲杠副幾何參數 表 4006名 稱 符號 計算公式 1 4006紋 滾 道 公稱直徑 0程 0觸角 244 鋼球直徑（ 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 244 螺 桿 螺桿外徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d :桿內徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d :）穩定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產生失穩現象故不需作穩定性校核。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 11 向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力 )2( m 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，燕尾形導軌取 ； f 滑動導軌摩擦系數： f = G 溜板及刀架重力， G =550N。 則 : )2( ) )( 2）計算最大動負載 Q 3 66 0 / 1 0L n T vn s 式中 0程，初選 0 取最大進給速度的 1/2 1/3，此處 T 使用壽命，按 15000h； f 運轉系數，按一般運轉取 f 初選 1.2 n 為絲杠轉速 vn s ； L 為絲杠壽命，以 610 轉為 1單位； 305 L vn s 2710 1 5 0 0 030601060 66 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 12 3）滾珠絲杠副的選型 橫向滾珠絲杠副幾何參數： 表 1名 稱 符號 計算公式 紋 滾 道 公稱直徑 0程 0觸角 334 鋼球直徑（ 道法面半徑 R 心距 e ( / 2 ) s i d 旋升角 00tg d 73 螺 桿 螺桿外徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 5 ) qd d d :34 螺桿內徑 1d e R 桿接觸直徑 c o d d 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R 母內徑 1 0 . 2 0 . 5 ) qD d d :35794 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 13 初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的額定動載荷 不得小于最大動載荷 C；查閱數控設計指導書得到：采用 1列 定動載荷 15400N，精度等級為 1級。 4）傳動效率計算 () 式中 為 35061螺旋升角， 73 ； 為摩擦角取 10 滾動摩擦系數 073t a n ( 73t a n)t a n (t a n 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 據最大軸向力 ，支撐間距 L=750絲杠長度較短， 不需預緊，螺母及軸承預緊。 圖 向進給滾珠絲杠的支撐方式 b: 絲杠的拉深或壓縮變形 )(1 已知 ， D=35L=59 8 42 0 0E 2/N 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 14 式中 L 是在工作載 用下引起每一導程的變化量； N 工作負載，即進給牽引力； 0 E 材料彈性摸數，對鋼 42 0 0E ； F 滾珠絲杠截面積（按內徑確定）；“ +”用于拉深，“ ”用于壓縮； 2221 2( 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 FL m 440 05 c: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 )(2 由 承載滾珠數量 5 Z(個 ) 3 23 22 d: 定位誤差： 根據經驗公式得： 8 3213 滾珠絲杠允許的誤差為 )(025.0 所選絲杠合格。 6） 壓桿穩定性校 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產生失穩現象故不需作穩定性校核。 進給齒輪箱傳動比計算 向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數 縱向進給脈沖當量 ；滾珠絲杠導程0 6L ； 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 15 可得：03 6 0 / ( ) 3 6 0 0 . 0 1 / ( 0 . 7 5 6 ) 0 . 8 可選齒數為： 4032252012 或 1Z 取 40 322取Z 表 動齒輪幾何參數 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 0 ；初選步進電機步 ；可得： 0 03 6 00 可選齒數為： 4024252053543412 數取 2 24,40,20,25 4321 齒數 32 40 20 25 分度圓 d 64 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m68 84 44 54 齒根圓 2 1 . 2 5fd d m 59 75 35 45 齒寬 (6 10)m: 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d72 45 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 16 表 動齒輪幾何參數 齒數 24 40 20 25 分度圓 d 48 80 40 50 齒頂圓 0 2d d m52 84 44 54 齒根圓 2 1 . 2 5fd d m 42 75 35 45 齒寬 (6 10)m: 20 20 20 20 中心距 12( ) / 2A d d64 45 進電機的計算和選型 向步進電機的計算和選型 1） 等效轉動慣量計算 算簡圖見前面，傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣 量 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 式中 為步進電機轉子轉動慣量 )( 2； 21 為齒輪 21 的轉動慣量 )( 2； ( 2； 所選電機為 150應式步進電機，其轉子轉動慣量： 210MJ kg ； 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 17 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉動慣量計算公式： )(304 ； 則： 23431411 23432422 23434 100 代入上式： 22 01122( ) ( ) ( ) 2Z J J 2 )3240(2 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： 快速空載起動力矩起M： 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： m a x 0 M M 起 2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t m a x m a x / ( 3 6 0 ) o 式中 起( ； ( ； ( ； 0( ； 其它符號意義同前。 m 60(m a xm a x 起動加速時間 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 18 )60(102 2m a xm a x aa 1 0 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F G 式中 0)(0 z ；其它參數含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取 ，這里取 ； 2)(2 000 1 0 07 4 9 1(附加 摩擦力矩0M： 00 200(1 )2 i 式中0般取 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取 ； 其它符號含義取值同上。 p 2 2 831)1(2 220000 將數據代入公式： 0a m a x f 起 0f 快 最大切削負載時所需力矩切M： 0 M M 切 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 19 式中( ；2 0參數說明同上。 382 00 切從上面可以看出，切快起 和、 快速空載起動力矩最大，以此作為初選步進電動機的依據 。 查得當步進電機為五相十拍時 9 5 最大靜力矩 A X 按此最大靜轉矩從附表查出 150最大靜轉矩為 大大于所需最大靜轉矩，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 1000601000 m a x 切削時工作頻率 可查出 150步進電機允許的最高空載頻率為 2800行頻率為800再從圖 出，當步進電機起動時， f 起時， 100 ，遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩；直接使用則會產生失步現象，必須采用升降速控制（用軟件實現），將起動頻率降到 1000右時，起動力矩可提高588.4 。 然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 20 圖 50圖 50動矩頻特性 當快速運動和切削進給時，從圖 50 向步進電機的計算和選型 1） 等效轉動慣量計算 計算簡圖見前面，傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 2()J kg 為： )2()()()()( 204243322211 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 21 式中 ()kg ； 12齒輪12轉動慣量 2()kg ； ()kg ； 所選電機為 150應式步進電機，其轉子轉動慣量： 210 對于 齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉動慣量計算公式： 04131 J 則： )(431 )(432 )(433 )(434 )(43 s 50 代入上式： )2()()()()( 204243322211 ) 2 )2440() (2025( 65 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： m a x 0 M M 起2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t 江西科技學院本科生畢業論文（設計） 22 m a x m a x / ( 3 6 0 ) )N ； 速力矩 ()N ； )N ； 0)N ； 其它符號意義同前。 m (0m a xm a x 起動加速時間 30at )(2 2m a xm a x 折算到電機軸上的摩擦力矩 0 0 0()22 f F W 式中 00 ()zF f F G；其它參數含義及取值同前： 為傳動鏈總效率，一般 可取 0 : ，這里取 f 4 5(2 000附加摩擦力矩0M： 00 200(1 )2 i 式中 0般取 13 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0 ； 其它符號含義取值同上。 )1(231)1(2 20020000 33031 2 上述三項合計： )(a x 起江西科技學院本科生畢業論文（設計） 23 快速移動時所需力矩 )(1 7 8 f 快 最大切削負載時所需力矩 切式中)N ；02 LM i參數說明同上 2 0切)(3 5 0 從上面可以看出， M M 、 和三種工作情況下，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， 9 5 1.0/m M，最大靜力矩 a x。 按此最大靜 轉距從附表查出 150，大于所需最大靜轉距。可作為初選型號。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1000601000 m a x 切削時工作頻率 可查出 150步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800行頻率為8000從圖表查出 150500大靜轉矩為 須采用升降速控制（用軟件實現），把起動頻率降到 1000右時起動力矩可提高