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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及總體方案的確定</p><p><b> 1.設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p> 將CA1650普通車(chē)床改造成cs-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。要求該機(jī)床有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架,具有切削螺紋的功能,在縱向和橫向有直線和圓弧插補(bǔ)功能,系統(tǒng)分辨率縱向0.001mm。橫向0.005mm。</p><p>&
2、lt;b> 設(shè)計(jì)參數(shù)如下:</b></p><p><b> 最大加工直徑:</b></p><p> 在床面上:360mm</p><p> 在床面上:210mm</p><p><b> 最大加工長(zhǎng)度:</b></p><p><b>
3、; 快進(jìn)速度:</b></p><p> 縱向: 2.4m/min</p><p> 橫向: 1.2m/min</p><p><b> 最大切削進(jìn)給速度:</b></p><p> 縱向:0.5m/min</p><p> 橫向:0.3m/min</p>&
4、lt;p> 主電機(jī)功率:7.5kw</p><p> 啟動(dòng)加速時(shí)間:30ms</p><p> 機(jī)床定位精度:±0.015mm</p><p><b> 最小指令值:</b></p><p> 縱向:0.1mm/脈沖</p><p> 橫向:0.005mm/脈沖<
5、/p><p><b> 自動(dòng)升降性能:有</b></p><p><b> 2.總體方案的確定</b></p><p> ①系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)與與運(yùn)動(dòng)方式的選擇</p><p> 由于改造后的數(shù)控經(jīng)濟(jì)型車(chē)床應(yīng)具有定位,直線插補(bǔ)順圓和逆圓插補(bǔ),暫停和循環(huán)加工。公英制螺紋加工工藝功能。故應(yīng)選擇連續(xù)控制系
6、統(tǒng)??紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本,采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b> ?、谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)</b></p><p> 根據(jù)機(jī)床要求,采用8位微機(jī),由于MSC—51系列單片機(jī)具有集成度高??煽慷群?,功能強(qiáng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)。性能價(jià)格比等特點(diǎn),決定采用MSC-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。</p><
7、p><b> ③機(jī)械傳動(dòng)方式</b></p><p> 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所需求的分辨率,采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī),經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定的精度和平穩(wěn)性,減小摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙,采用有預(yù)加緊負(fù)荷齒輪傳動(dòng),也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p> 第二章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算</p><
8、;p> 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算,內(nèi)容包括確定系統(tǒng)的負(fù)載確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量,運(yùn)動(dòng)部分慣性計(jì)算空載啟動(dòng)及切削力矩的計(jì)算,確定伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)及單向元件的設(shè)計(jì)計(jì)算及運(yùn)用,繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等</p><p> 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量</p><p> 一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當(dāng)量,也稱機(jī)床最小設(shè)定單位,脈沖當(dāng)量衡量機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)
9、濟(jì)型數(shù)控車(chē)床采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005每脈沖,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床常采用的脈沖當(dāng)量是0.002~0.001每脈沖,在本設(shè)計(jì)中,根據(jù)機(jī)床精度要求確定其脈沖當(dāng)量縱向0.01mm/step,橫向:0.005mm/step。</p><p> 第二節(jié) 切削力的計(jì)算</p><p> 在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí),計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件選用伺服電動(dòng)機(jī)等需要利用到切削力,下面就以切削力,用三種方法計(jì)算
10、,并取其平均值做主切削力。</p><p> 用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力:</p><p><b> 1.縱切外圓:</b></p><p><b> Fz=0.67D</b></p><p> 式中:D max---車(chē)床床身加工的最大直徑(mm)</p><p> Fz
11、=(0.67×3601.5)N</p><p><b> =4576N</b></p><p> 求出切削力Fz后,在按照下比例分別求出Fx和FY</p><p> Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4</p><p> Fx=4576×0.25=1144N</p><p
12、> FY=4576×0.4=1830N</p><p><b> 2.橫切斷面:</b></p><p> 主切削力Dz可取橫切削力的1/2</p><p> Fz、= Dz×1/2=2280N</p><p> 此時(shí)走刀抗力為Fy、(N),吃刀抗力的Fx、(N)仍按上述比例粗略計(jì)算:
13、</p><p> Fz、: Fx、: Fy、=1:0.25:0.4</p><p> Fx、=2288×0.25=572N</p><p> Fy、=2288×0.4=915 N</p><p> 二.按切削力計(jì)算切削力</p><p> 下面介紹的按經(jīng)驗(yàn)公式按求計(jì)算切削力的方法是比較簡(jiǎn)
14、單而使用的,但對(duì)于不同的專用機(jī)床來(lái)說(shuō),計(jì)算結(jié)果不一定準(zhǔn)確。所以對(duì)某一指定了專門(mén)用途的數(shù)控機(jī)床,應(yīng)該根據(jù)具體加工條件,不同的工況選用合理的切削用量。用切削力計(jì)算公式來(lái)計(jì)算切削力。</p><p> 1.外圓車(chē)削切削力的計(jì)算</p><p> Fz=9.8/( Fz-aPDz fzfz fz(60v)n FzKFz </p><p> Fx =9.8/( Fx-a
15、Px fx fx fx(60v) n F xKFx</p><p> FY =9.8/( FY-aPy fy fy fy (60) n FYKFY</p><p> 式中; Fz、 Fx、 FY——主切削力進(jìn)給抗力切削抗力(N)</p><p> aP——切削深度(mm)</p><p> V——切削速度(m/s)</p>
16、<p> f——進(jìn)給量(mm/v)</p><p> KFz、 KFx、KFY——總修正系數(shù)包括由于工件材料強(qiáng)度、硬度的改變,刀具材料的改變。刀具幾何角度不同等因素,對(duì)切削力的修正系數(shù)。</p><p> 三.按照機(jī)床主電機(jī)的功率計(jì)算:</p><p> 上面介紹了切削量計(jì)算切切削力雖然比較準(zhǔn)確,但只能是用于加工某種工件的專用機(jī)床,對(duì)于普通機(jī)床
17、的數(shù)控化改造或涉及通用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō),切削用量的范圍較大,這樣就導(dǎo)致了切削力計(jì)算結(jié)果差別很大,這里介紹的三種方式,就是按照需要進(jìn)行數(shù)控及改造設(shè)計(jì)的普通車(chē)床的主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)計(jì)算切削力,其具體方法如下:</p><p><b> Pe:PY</b></p><p> 式中: Pe——切削功率(KW)</p><p> P——機(jī)床主傳動(dòng)功
18、率</p><p> Y——主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械功率,可近似取以下數(shù)值</p><p> 精密機(jī)床:Y=0.8~0.85</p><p> 大型機(jī)床:Y=0.7~0.88</p><p> 中型機(jī)床:Y=0.75~0.8</p><p> Mn=9550Pe/n</p><p> 式中
19、Mn ——主軸傳遞的扭矩(Nm)</p><p> N ——主軸轉(zhuǎn)矩(r/min)是主軸傳遞全部功率是的最低轉(zhuǎn)速</p><p> Ft ——FzMn/d×103</p><p> 式中:Fz ——主切削力(N)</p><p> d ——工件直徑可采用床鞍上的最大直徑主切削力,求出以后再按比例求出Fx 、FY 。</
20、p><p> 第三節(jié) 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型</p><p> 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)者首先要選擇結(jié)構(gòu)類型,去定螺母循環(huán)方式,結(jié)構(gòu)類型確定之后,用于確定和計(jì)算其他參數(shù),包括公稱直徑d或四缸外徑d導(dǎo)程L,滾珠絲桿工作圈數(shù)J,列數(shù)k精度等級(jí)等。</p><p> 滾珠絲杠循環(huán)方式可分為外循環(huán)方式或內(nèi)循環(huán)兩類,本設(shè)計(jì)中選用是外循環(huán)雙螺母滾珠絲桿,其滾珠絲桿副的預(yù)緊
21、方式。</p><p> 滾珠絲桿副的計(jì)算步驟如下:</p><p> 一、計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm</p><p> 作用在絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)的件重量以及切削力在導(dǎo)軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)??v向進(jìn)給作用力綜合型導(dǎo)軌,其進(jìn)給牽引力Fm(N)的計(jì)算公式如下:</p><p> Fm=k
22、183;Fx+f、(Fz+U)</p><p> =[1.15×1144+0.16×(4576++1500)]</p><p><b> =2288(N)</b></p><p> 式中:k ——考慮顛覆力矩實(shí)驗(yàn)系數(shù)綜合導(dǎo)軌取k=1.15</p><p> f‘ ——調(diào)整導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15
23、~0.18</p><p> U ——溜板極刀架重力需1500N。</p><p><b> 二、計(jì)算最大動(dòng)荷載</b></p><p> 選用滾珠絲桿副的直徑do時(shí),必須保證在一定軸向負(fù)載作用下。絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)(106轉(zhuǎn))后,在它的軌道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值,即稱為該絲杠能承受的最大負(fù)載,可用下試計(jì)算:</p
24、><p> C=3√L fwFm</p><p> L=60nt/106</p><p> n=1000Vs/ Lo</p><p> 式中:Lo——滾珠絲杠導(dǎo)程選6mm</p><p> N——絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)</p><p> Vs——最大進(jìn)給力下的進(jìn)給速度的1/2~1/3此外
25、Vs為0.5m/min</p><p> T——使用壽命按1500h</p><p> fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2~1.5</p><p> L——壽命以106轉(zhuǎn)為一個(gè)單位</p><p> n=1000Vs/ Lo=1000×0.5×0.5/0.6=41.67r/min</p><p&
26、gt; L=60nT106=60×41.67/106×1500=37.5</p><p> C=3√LfwFm=3√37.5×1.2×2288=9191N</p><p> 三、滾珠絲桿螺母的選型</p><p> 查表可采用WoLr4006外循環(huán)螺母調(diào)整預(yù)緊力的雙螺母滾珠絲杠副,例2.5圈其預(yù)定動(dòng)荷載為16400N。
27、等級(jí)精度選3級(jí)。</p><p><b> 四、傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p> η=tanr/tan(r+φ)</p><p> 式中:r——螺旋升高 WL·4006=2q44ˋ</p><p> Φ——摩擦力取10`,滾動(dòng)摩擦力系數(shù)0.003~0.004</p><p>
28、; η=tanr/tan(r+φ)</p><p> =tan2q44ˋ/tan(2o44ˋ+10ˋ)</p><p><b> =0.94</b></p><p><b> 五、剛度驗(yàn)算</b></p><p> 橫向進(jìn)給絲桿支撐方式如下圖,最大牽引力為2063N,支撐間距L=350mm
29、。因絲杠長(zhǎng)度較短,不需要預(yù)緊,螺母及支撐預(yù)緊。</p><p> 車(chē)床橫向進(jìn)給絲桿計(jì)算圖</p><p> 1.絲桿拉伸或壓縮變形量f1(mm)</p><p> 查圖根據(jù)Fm、=2785(N) D=20mm, 查出fL/L0=4.2×10-5可算出f1=fL/L0×Z=14.2×10-5×350=1.47
30、×10-2mm</p><p> 2.滾珠與螺紋道間接觸變性f2</p><p> 查圖FQ=8.5μm</p><p> 因進(jìn)行了預(yù)緊 f2=1/2fQ=4.25μm</p><p> 3.支撐滾珠絲桿的軸承的軸向變形f3</p><p> 采用8102推力球軸承dQ=4.763 、 Z=12
31、、 d=15mm</p><p> fc=0.00523√Fm2/dQZ2=0.00523√27852/4=0.0117</p><p><b> 考慮到預(yù)緊,故:</b></p><p> f3=1/2fc=1/2×0.0117=0.0585</p><p> 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和:</p&g
32、t;<p> f=f1+f2+f3=0.0147+0.0043+0.0585=0.02485mm</p><p> 顯然,此變形量已大于定位精度的要求,應(yīng)該采取相應(yīng)的措施,修改設(shè)計(jì)。因橫向溜板設(shè)計(jì)限制,不易再加大滾珠絲桿直徑,故采用貼塑導(dǎo)軌,減小摩擦力,從而減小最大牽引力,從新計(jì)算如下:</p><p> Fm、=1.4Fg、+f、(Fz+2Fx+μ、)</p&g
33、t;<p> =1.4×9.15+0.004(4576+2×572+800)</p><p><b> =1594N</b></p><p> 式中:f、——軸套與軸架以及主軸的鍵上摩擦系數(shù)</p><p> f、取0.004 從圖中差:Fm、=1594N時(shí),</p><p>
34、 fL/L0=2.4×10-5</p><p> f1=fL/L0×L=2.4×10-5×350=0.0084mm</p><p> 由于采用了貼塑導(dǎo)軌,減小了最大牽引力Fm、所以需要從新計(jì)算或查表確定f2和f3</p><p> 查表圖得fQ=5.4μm</p><p><b> 因
35、進(jìn)行了預(yù)緊,故:</b></p><p> f2=1/2fQ=2.7μm</p><p> fc=0.00523√Fm2/dQ=0.0052×15.46=0.0080μm</p><p> f3=1/2fc=0.004mm</p><p> 則:f=f1+f2+f3=0.0084+0.0027+0.004=0.0
36、15mm</p><p> 橫向進(jìn)給定位精度應(yīng)為縱向進(jìn)給定位的1/2,應(yīng)力此時(shí)變形量已能滿足定位精度要求。如果變形量仍大于定位精度的要求,可將滾珠絲桿的直徑加大到25mm也可將滾珠絲桿再經(jīng)過(guò)預(yù)緊拉伸,剛度還可以提高四倍。則變形量可控制在要求的范圍內(nèi)。從上面的設(shè)計(jì)中可以查出設(shè)計(jì)的過(guò)程要經(jīng)過(guò)反復(fù)修該系數(shù),反復(fù)計(jì)算,才能達(dá)到滿意的結(jié)果。</p><p><b> 六、穩(wěn)定性校核
37、</b></p><p> 對(duì)于已選尺寸的絲桿在給定的條件下,承受最大軸向負(fù)載時(shí),沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))的危險(xiǎn)。</p><p> FK=f2π2E/L2</p><p> 式中:E——材料彈性模量(N/cm2)剛為20.6×106N/cm2</p><p> I——截面慣性矩對(duì)于絲桿為πd14/64(d1為絲
38、桿半徑)</p><p> L——絲桿兩支承端離</p><p> f2——絲桿支撐方式系數(shù),從表中查出一端固定,一端簡(jiǎn)支f2為200</p><p> I=πd14/64=π1.67884/64=0.3899cm</p><p> FK=f2π2E/L2=2×3.142×20.6×106×0
39、.3899/452=7821N</p><p> nk=FK/Fm、=78214/1155=57.7≥【nk】</p><p> 一般【nk】=2.5~4,所以該滾珠絲桿不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。</p><p> ?。ㄈ┛v向及橫向滾珠絲桿副幾何參數(shù)</p><p> 其幾何參數(shù)見(jiàn)下表,各部分幾何參數(shù)是在確定了滾珠絲桿副的公稱直徑和導(dǎo)程L以后,才
40、進(jìn)行計(jì)算出來(lái)的。</p><p> WL4006及WL2005絲桿幾何參數(shù)</p><p><b> 單位(mm)</b></p><p> 第四節(jié) 齒輪的傳動(dòng)比</p><p> 一、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比的計(jì)算</p><p> 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量fp=0.001.滾珠絲桿導(dǎo)程L0
41、=6mm.初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為0.75,可計(jì)算傳動(dòng)比為i=360fp/Q2L0=360×0.01/0.75×6=0.8</p><p><b> 可選定齒輪數(shù)為:</b></p><p> i=Z1/Z2=32/40或20/25</p><p> Z1=32 Z2=40 或Z1=20 Z2=25</p>
42、<p> 二、橫向進(jìn)給齒輪傳動(dòng)比計(jì)算</p><p> 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量fp=0.005,滾珠絲桿導(dǎo)程L0=5mm初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角0.75,可計(jì)算出傳動(dòng)比i為</p><p> i=360fp/Q2L0=360×0.005/0.75×5=0.48</p><p> 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因,不能是齒輪直徑太大,以免影響到橫
43、向溜板的有效行程。故此處可采用兩級(jí)齒輪減速;</p><p> i=Z1/Z2×Z3/Z4=3/5×4/5=24/40×20/25</p><p> Z1=24 Z2=40 Z3=20 Z4=25</p><p> 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大,模數(shù)m取2,有關(guān)參數(shù)參照下表</p><p>&l
44、t;b> 齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)</b></p><p> 為了消除齒輪側(cè)隙,可采用雙片齒輪,這樣齒寬可加大到(6~10mm)</p><p> 第五節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和使用</p><p> 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí),應(yīng)首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載在折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效傳動(dòng)慣量包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)慣量,分別計(jì)算各種工況下所需的等效
45、力矩,再根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的量最大靜載負(fù)載和起動(dòng)運(yùn)行頻率特征選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),但在初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之前,不僅未畫(huà)出機(jī)械機(jī)構(gòu)草圖,而且無(wú)法確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,因而必須先根據(jù)一些估數(shù)據(jù)初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào),再按上述方法進(jìn)行驗(yàn)算。</p><p> 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作的特點(diǎn)是脈沖走一步,每一步都有一個(gè)加速過(guò)程,因而對(duì)負(fù)載慣量很敏感,為了滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求,同時(shí)也要滿足一定的脈沖當(dāng)量,常采用齒輪降速
46、傳動(dòng)。</p><p> 一、初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角θ</p><p> 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就用轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度,叫做步距角,電動(dòng)機(jī)的總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖數(shù)成正比,而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則正比于輸入脈沖的頻率,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小,意味著它能達(dá)到的位置精度越高,通常步距角是30、1.50、0.750,步距角的大小跟通電方式機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān),在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中θ是以分?jǐn)?shù)形式給出
47、的兩個(gè)數(shù),其中分子所表示的步距角的通電方式是雙向的,分母表示的步距角是單向的。150BF002步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為1.50或0.750,其0.750是五相十拍,1.50是五相五拍。</p><p><b> 二、初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)</b></p><p> 〈一〉縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm</p><p> 根據(jù)滾珠絲桿副所承受的進(jìn)給牽引力F
48、m,計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm(N·cm)</p><p> Tm=3600fpFm/2yθ0π</p><p> 式中:fp=脈沖當(dāng)量(mm/step)</p><p> Fm——進(jìn)給牽引力(N)</p><p> θ0——步距角初選雙拍列為0.750</p><p> y——電機(jī)絲桿的傳動(dòng)頻率,
49、為齒輪軸承絲桿效率之積,分別為0.98、0.99和0.94</p><p> Tm=3600fpFm/2yθ0π</p><p> =3600×0.001×2288/2π×0.75×0.98×0.99×0.94</p><p> =193.69N·cm</p><p>
50、; 估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq</p><p> Tq=Tm/0.3~0.5</p><p> =193.69/0.3</p><p> =645.6N·cm</p><p> 3.計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩Timax</p><p> 查表如取五相十拍時(shí),則:</p><p> T
51、imax=Tq/0.951</p><p> =645.6/0.951</p><p> =678.9N·cm</p><p> 4.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率fe和最高啟動(dòng)頻率fk</p><p> fe=100VS/60fp</p><p> fk=1000Vmax/60fp</p>&
52、lt;p> =1000×2.4/60×0.01HZ</p><p><b> =4000HZ</b></p><p> 式中:VS——最大切削進(jìn)給速度(mm/min)</p><p> Vmax——最大位移速度(m/min)</p><p> fp——脈沖當(dāng)量取0.001mm/step
53、</p><p> 5.初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)</p><p> 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax,在表中查出130BF001的最大靜轉(zhuǎn)矩是1097.9N·cm>Timax,可以滿足條件,考慮到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床有可能使用較大的切削用量,應(yīng)選擇大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電6:43 下午機(jī),以留下一定的余量,另一方面,與同類型機(jī)床進(jìn)行類比,決定利用150BF002步進(jìn)電機(jī),但從表中查出,150BFF0
54、02步進(jìn)電機(jī)最高空轉(zhuǎn)起動(dòng)頻率2800HZ,不能滿足fk(4000HZ)的要求,此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮,可以采用軟件升降速程序來(lái)解決。 </p><p><b> 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩</b></p><p> 初選出步進(jìn)電機(jī)型號(hào),并繪制私服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)草圖之后,就可以按下面步驟計(jì)算私服系統(tǒng)折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的系統(tǒng)流動(dòng)慣量及等效轉(zhuǎn)矩,進(jìn)行校核。</p>&l
55、t;p><b> 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 </b></p><p> ?。?)齒輪軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算</p><p> 圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·㎡)計(jì)算公式如下:</p><p><b> J=MD2/f</b></p><p> 對(duì)于鋼材:J=0.78×D2L×
56、;10-3</p><p> 式中:M——圓柱體質(zhì)量(kg)</p><p> D——圓柱體直徑(cm)</p><p> L——圓柱體長(zhǎng)度或圓度(cm)</p><p> 鋼材的密度為7.8×10-5 kg/cm3</p><p> 所以J1=0.78×10-3×d14L1&l
57、t;/p><p> (0.78×10-3×6.844×2)kg·cm2=2.62kg·cm2</p><p> J2=0.78×10-3d24l2</p><p> =(0.78×10-3×84×2)kg·cm2</p><p> =6.3
58、9kg·cm2</p><p> J3=(0.78×10-3×44×150)kg·cm2</p><p> 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p> 參考同類型機(jī)床,初選反應(yīng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)150BF其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=10kg·cm2</p><p> 傳動(dòng)系數(shù)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)
59、動(dòng)慣量可由下式計(jì)算出來(lái)</p><p> Jε=Jm+J1+(Z1/Z2)2·[(J2+J3)+G/g·(L0/2π)2]</p><p> 式中:Jm——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·cm2)</p><p> J1、J2——齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·cm2)</p><p> J3——
60、滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量(kg·cm2)</p><p><b> 代入數(shù)據(jù)計(jì)算則:</b></p><p> Jε=Jm+J1+(Z1/Z2)2·[(J2+J3)+G/g·(L0/2π)2]4</p><p> =10+2.62+(32/40)2×[(6.39+29.52)+1500×0.62
61、/(9.8×4π2)]</p><p> =39.452kg·cm2</p><p> 必須注意:在上式中根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),傳動(dòng)系統(tǒng)慣量J和轉(zhuǎn)子慣量Jm之間,有一個(gè)慣量的匹配問(wèn)題,Jm/J的比值不能太小,否則機(jī)床動(dòng)態(tài)特型將會(huì)有很大的區(qū)別,并且很容易受切削力、摩擦力干擾的影響,但Jm/J太小,也是很不經(jīng)濟(jì)的。</p><p> 考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳
62、動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配的問(wèn)題:</p><p> Jm/Jε=10/39.452=0.253</p><p> 基本滿足慣量匹配的要求</p><p><b> 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)算</b></p><p> 電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在各種情況下是不同的,下面分快速空載,起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩,快速進(jìn)給時(shí),轉(zhuǎn)矩最大切削負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩等分級(jí)部分組成
63、,介紹其計(jì)算方法:</p><p><b> 快速空在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩M</b></p><p> 在快速空在啟動(dòng)階段,加速轉(zhuǎn)矩占得比例比較大,具體計(jì)算公式如下:</p><p> M=Mmax+Mf+M0</p><p> 式中:M——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N·m)</p><p> M
64、max——空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)軸上的加速轉(zhuǎn)矩</p><p> Mf——折算到摩擦軸上的摩擦軸轉(zhuǎn)矩</p><p> M0——由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸的復(fù)合摩擦轉(zhuǎn)矩</p><p><b> Mmax=Jε·ε</b></p><p> =(Jε·2πnmax/60ta)·10-2
65、</p><p> nmax=(μmax/fp)·(Q0/3600)</p><p> 將前面數(shù)據(jù)代入,式中符號(hào)意義同前:</p><p> nmax=(μmax/fp)·(Q0/3600)</p><p> =(2400/0.01)·(0.75/3600)</p><p><
66、;b> =500r/min</b></p><p><b> 起動(dòng)加速時(shí)間:</b></p><p><b> ta=30m/s</b></p><p> Mamax=(Jε·2πnmax/60ta)·10-2</p><p> =634.5N
67、3;cm</p><p> 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Mf</p><p> Mf=F0L0/2πyi</p><p> =f`(Fz+G)L0μ/2πyz2</p><p> =0.16×(4576+1500)×0.6/(2π×0.8×1.25)</p><p><
68、b> =92.8N·cm</b></p><p><b> 附和摩擦轉(zhuǎn)矩m0</b></p><p> m0=FD0L0(1-y02)/2πyi</p><p> =1/3FμL0(1-y02)z1/2πyz2</p><p> =[1/3·2288·0.6
69、83;(1-0.92/(2π·0.8·1.25)]N·cm</p><p> =12.46N·cm</p><p><b> 上述三項(xiàng)合計(jì):</b></p><p> M=Mamax+Mf+M0</p><p> =634.5+92.8+12.46</p>&
70、lt;p> =739.76N·cm</p><p><b> 快速進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)矩M、</b></p><p> M、=Mf+M0=(92.8+12.46)N·cm</p><p> =105.26N·cm</p><p> 最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M、、</p>&l
71、t;p> M、、=Mf+M0+Mt</p><p> 式中:Mt——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩在應(yīng)用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí),上述各轉(zhuǎn)矩(N·cm)</p><p><b> 可采用下式計(jì)算:</b></p><p> Mamax=Jε·ε=Jε·(2πnmax/60ta)·10-2</p&
72、gt;<p> Nmax=(Vmax/fp)·Q0/3600</p><p> 式中Jε——傳動(dòng)系統(tǒng)中折算到電機(jī)軸上的點(diǎn)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·cm2)</p><p> ε——點(diǎn)擊最大角加速度(rad/s2)</p><p> nmax——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度(r/min)</p><p> Vmax——轉(zhuǎn)動(dòng)
73、部件最大快速進(jìn)度(mm/min)</p><p> fp——脈沖當(dāng)量(mm/step)</p><p> ta——運(yùn)動(dòng)部件從停止期初加速度到最大快速速度所需時(shí)間(s)</p><p><b> 摩擦轉(zhuǎn)矩公式:</b></p><p> Mf=F0L0/2πyi</p><p> F0=
74、f`(FZ+G)</p><p> 式中:F0——導(dǎo)軌的摩擦力(N)</p><p> FZ——垂直方向上的切削力(N)</p><p> G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)</p><p> f`——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)</p><p><b> i——齒輪降速比</b></p>&l
75、t;p> n——傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.7~0.85.</p><p><b> 附加轉(zhuǎn)矩摩擦公式:</b></p><p> M0=FD0L0(1-n2)/2πyi</p><p> 式中:FD0——滾珠絲桿預(yù)加負(fù)載,一般可取1/3Fm,為進(jìn)給率引力(N)</p><p> L0——滾珠絲桿導(dǎo)程<
76、;/p><p> y——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)功率,一般可取≥0.9折算到電機(jī)軸的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p> Mt=FtL0/2πyi</p><p> 式中:Ft——進(jìn)給方向最大切削力</p><p> M、、=Mf+M0+Mt</p><p> =Mf+M0+fxL0/2πyi</p>&l
77、t;p> =105.26+1144·0.6/(2·3.14·0.8·0.125)</p><p> =214。56N·cm</p><p> 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算以后,在M、M、、兩種力矩中其中大者作為選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù),對(duì)于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō),因?yàn)橐WC一定的動(dòng)態(tài)性能,系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較小,而等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大,故電機(jī)轉(zhuǎn)矩主要用來(lái)產(chǎn)生加
78、速的,而負(fù)載力矩往往小于加速轉(zhuǎn)矩,故常用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,作為選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。從表中查出,當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為五相十拍時(shí),λ=M0/Mamax=0.951,則最大靜轉(zhuǎn)矩為:</p><p> Mjmax=(739.76+0.951)N·cm</p><p> 從表中查出150BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為13.72N·cm大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,可以滿足此項(xiàng)要求。&l
79、t;/p><p> 校核不禁電機(jī)效率特性</p><p> 前面所述根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩,Mjmax初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)一定滿足實(shí)際工作要求,也就是所盡管最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax,數(shù)據(jù)能滿足要求,但是并不能保證在快速空載負(fù)載時(shí)起動(dòng)和空行時(shí)不失步,所以還必須用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率特性和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性,兩條重要的特性曲線來(lái)驗(yàn)證,所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)是否滿足要求。</p><p> 前
80、面已計(jì)算出此機(jī)床最大快移時(shí)需要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高起動(dòng)頻率為Fk=4000HZ,切削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fe為833HZ。</p><p> 前面已計(jì)算機(jī)床最大快移時(shí)所需步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為2800HZ,運(yùn)行頻率為8000HZ,再?gòu)膱D中查出150BF002步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩頻率特性和運(yùn)行特性曲線如下圖,看出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)f=2500HZ,</p><p> M=100N
81、83;cm遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所需要的空載起動(dòng)力矩,直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象,所以必須采取升降速控制,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到必須采取將起動(dòng)頻率降到100HZ,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N·cm,根據(jù)在電路上采用高低驅(qū)動(dòng)電路還可將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。</p><p><b> 起動(dòng)矩頻率特性</b></p><p> 運(yùn)動(dòng)矩頻特性
82、 </p><p> 150BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性</p><p> 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí),150BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的矩頻特性完全可以滿足條件。</p><p><b> 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)</b></p><p> 橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和校核與縱行進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同,此處略
83、。經(jīng)過(guò)計(jì)算和類比設(shè)計(jì),決定選用130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。</p><p> 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p> 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是畫(huà)出進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖,用以表達(dá)設(shè)計(jì)者的構(gòu)思,設(shè)計(jì)結(jié)果及特點(diǎn)是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要任務(wù),對(duì)于機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)員來(lái)說(shuō),是一項(xiàng)基本技能的重要訓(xùn)練,必須引起足夠的重視。</p><p> 在對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)
84、和動(dòng)力計(jì)算,已選定滾珠絲桿螺母副規(guī)格編號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào),降速齒輪的幾何參數(shù)選定以后,就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該先確定部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn),形式調(diào)整方式等,然后再動(dòng)手繪制裝配圖,最后在繪制正式裝配圖,下面分別敘述各項(xiàng)注意事項(xiàng)。</p><p> 微機(jī)數(shù)控化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意問(wèn)題</p><p> 盡量減小普通數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的改動(dòng)量</p><p> 對(duì)于普通數(shù)
85、控化改造設(shè)計(jì)時(shí),在滿足機(jī)床總體布局的前提下,應(yīng)盡可能利用原來(lái)的零件,盡量減小改動(dòng)量,尤其是機(jī)床較大的部件,例如機(jī)身、床鞍、拖板銑床的工作臺(tái)等,盡量利用原來(lái)的部件,只能少量加工改造這樣可以大大減少成本,縮短制造周期。</p><p> 在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí),雖然結(jié)構(gòu)尺寸不想改造那么嚴(yán)格設(shè)計(jì)改造,但也應(yīng)該參考同類型機(jī)床,在初步估算以后,在進(jìn)行類比,是結(jié)構(gòu)尺寸緊湊合理。</p><p>
86、 滾珠絲桿螺母副和消除齒輪安裝調(diào)整要方面</p><p> 滾珠絲桿螺母副和消除齒輪的調(diào)整對(duì)于進(jìn)行伺服系統(tǒng)是很關(guān)鍵的問(wèn)題,如果調(diào)整不好會(huì)出現(xiàn)反向死區(qū)和失步現(xiàn)象,影響數(shù)控機(jī)床的加工精度,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須注意,留出控制螺釘?shù)目谆蜃銐虻陌崾挚臻g。</p><p><b> 設(shè)計(jì)時(shí)注意裝配工藝</b></p><p> 在設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給私服系
87、統(tǒng)時(shí),應(yīng)注意裝配工藝性,考慮到正確的裝配順序,保證安裝調(diào)整,拆卸方便。</p><p> 第二節(jié) 繪制裝配圖應(yīng)注意的問(wèn)題</p><p> 確定了各種參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式以后,就可以動(dòng)手畫(huà)圖了,在標(biāo)準(zhǔn)圖副的圖紙上,用應(yīng)鉛筆輕輕地畫(huà)出裝配圖的各部分輪廓及重要的結(jié)構(gòu),不許畫(huà)剖面線和標(biāo)準(zhǔn)尺寸,經(jīng)過(guò)修改以后再加深,集成裝配圖,為保證畫(huà)圖質(zhì)量,畫(huà)地圖是線條必須很淺很細(xì),以便修改,下面在指出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)
88、:</p><p><b> 注意合理布置視圖</b></p><p> 主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖要求用A0或A號(hào)圖紙繪制出為了正確清楚地表達(dá)部分結(jié)構(gòu),必須選用足夠的視圖和局部視圖以達(dá)到視圖完整的要求。所謂視圖的完整是指能夠從裝配圖上拆繪出任一零件工作圖。</p><p> 根據(jù)各視圖及各局部視圖的大致輪廓尺寸,并考慮好零件的標(biāo)題欄,零件明細(xì)表,
89、零件編標(biāo),尺寸標(biāo)注,以及技術(shù)要求的文字說(shuō)明位置,就是進(jìn)行畫(huà)圖的合理布置,布置視圖對(duì)要注意的將主視圖布置在圖面上的主要位置,布置中還應(yīng)留有余地以免設(shè)計(jì)中補(bǔ)充其他圖形何必時(shí)的說(shuō)明。</p><p><b> 嚴(yán)格按比例畫(huà)圖</b></p><p> 必須嚴(yán)格按國(guó)際制圖規(guī)定的比例畫(huà)圖,主要是圖應(yīng)采用1:2或1:1繪圖局部視圖可采用與主視圖不同的比例,但必須在圖上標(biāo)明,絕
90、谷允許參照?qǐng)D樣任意的放大或縮小。</p><p><b> 必須按標(biāo)準(zhǔn)繪圖</b></p><p> 圖會(huì)上出現(xiàn)的螺釘、螺母、墊片、定位銷(xiāo)、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件必須按照最新的國(guó)際繪制。</p><p><b> 注意線條比例</b></p><p> 畫(huà)圖質(zhì)量的好壞與各部分線條的好壞有很大的關(guān)系,線
91、條的粗細(xì)也必須按照比例畫(huà),粗實(shí)線、細(xì)實(shí)線、虛線、點(diǎn)畫(huà)線都要區(qū)別清楚剖面線應(yīng)該畫(huà)成450,絲桿與螺紋底徑應(yīng)畫(huà)成細(xì)實(shí)線等。</p><p> 應(yīng)標(biāo)注必要的尺寸和公差配合</p><p> 裝配圖應(yīng)標(biāo)注最大形體尺寸特征尺寸,主要零件的配合尺寸影響運(yùn)轉(zhuǎn)特性與傳動(dòng)精度的配合尺寸與其他尺寸。</p><p><b> 結(jié)論</b></p>
92、<p> 通過(guò)本次機(jī)床微機(jī)數(shù)控化改造技術(shù),讓我更加懂得了畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要性,也讓我學(xué)會(huì)了怎樣去做一個(gè)設(shè)計(jì)的方法及設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)是應(yīng)該考慮的問(wèn)題。</p><p> 對(duì)于本次實(shí)習(xí)任務(wù),必須先擬定總體方案,繪制系統(tǒng)總體框圖,才能解決各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu),然后分機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p> 在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)裝配圖是一項(xiàng)重要的內(nèi)容,特別注意的是繪圖時(shí)一
93、些要求和注意的問(wèn)題,只有嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)繪圖,才能繪出質(zhì)量高的圖。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> 機(jī)械加工技術(shù) 北京機(jī)械工業(yè)出版社2003</p><p> 機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 北京機(jī)械工業(yè)出版社1999</p><p> 實(shí)用數(shù)控技術(shù) 北京兵器工業(yè)出版社1993</p>
94、<p> 實(shí)用數(shù)控技術(shù)手冊(cè) 北京機(jī)械工業(yè)出版社1993</p><p> 數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用 北京機(jī)械工業(yè)出版社1993</p><p> 數(shù)控加工工藝 北京化學(xué)工業(yè)出版社2004</p><p> 機(jī)械制造技術(shù) 北京高等教育出版社2000</p><p> 數(shù)控車(chē)床加工自動(dòng)化需求 北京國(guó)防工業(yè)出版社20
95、02</p><p> 機(jī)械加工工藝與裝備 北京清華大學(xué)出版社2007</p><p> 數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用 北京清華大學(xué)出版社2001</p><p> 數(shù)控機(jī)床性能分析及可靠性設(shè)計(jì)技術(shù) 北京機(jī)械工業(yè)出版社2011</p><p> 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京化學(xué)工業(yè)出版社2011</p><p> 數(shù)控銑床
96、與零件加工 北京化學(xué)工業(yè)出版社2011</p><p> 數(shù)控銑加工與實(shí)訓(xùn) 北京機(jī)械工業(yè)出版社2011</p><p> 數(shù)控加工及編程 北京機(jī)械工業(yè)出版社2011</p><p><b> 致謝</b></p><p> 感謝各位為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)而去操心的老師,感謝老師的精心指導(dǎo)和培養(yǎng),在各位老師的幫助下,
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