机电一体化课程设计-C6140卧式车床数控化改造设计

C6140卧式车床数控化改造设计

3进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1进给系统机械结构改造设计

进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板 刀架等。改造的方案如下：

挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。

横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。

3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型

进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。 3.2.1确定系统的脉冲当量

纵向： 0.02mm/脉冲 由设计要求可知：脉冲当量

横向： 0.01mm/脉冲

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 （1）切削力的计算

由《机床设计手册》得 Nc=Ndηk 其中 Nc— 为传动件的额定功率

Nd—主电机的额定功率， Nd=7.5 kw

η—主传动系统总功率，一般为0.6~0.7，取η=0.65 k—进给系统功率系数，取k=0.95

则：Nc=7.5×0.65×0.95＝4.63kw

Fz?VsFz?Vs又因为：Nc=×9.8 ≈

612060?103式中Vs ——切削速度，取Vs=100m/min

6

C6140卧式车床数控化改造设计

主切削力Fz=

4.63?6120 =283.356（kgf）=2833.56N

100xFz

yFz

由《机电一体化系统设计课程设计指导书》可知主切削力

Fz=CFzap×f×KFz 对于一般切削情况：

xfz=1，yFz=0.75 ，KFz=1，CFz=188kg/㎜2=1880Mpa F2的计算结果如下：

ap

3

(㎜)

f(

0.2

㎜) Fz(N)

1614.98

2188.94

2716.06

2153.3

2918.59

3621.41

0.3

0.4

0.2

0.3

0.4

3

3

4

4

4

为便于计算,所以取Fz=2833.56N,以切削深度ap=4㎜，走刀量f=0.3㎜，为以下计算以此为依据。

由《机床设计手册》得，在一般外圆车削时，Fx≈（0.1～0.6）FZ Fy≈(0.15～0.7)Fz

取Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz ∴Fx=0.5×2833.56=1416.78(N) Fy=0.6×2833.56=1700.14(N) （2）滚珠丝杠的设计计算 由《经济型数控机床总设计》，综合车床导轨丝杠的轴向力得

P=KFx+f′（Fz+W） 其中K=1.15 , f′=0.15～0.18 取f′=0.16 P=1.15×1416.78+0.16×(2833.56+800)=2210.67(N) 1强度计算 ○寿命值Li=

ni=

60niTi 106

1000vf D?L0由《机床设计手册》得Ti=15000h, L0=12mm， D=80㎜

7

C6140卧式车床数控化改造设计

1000?100?0.3≈10(r/min)

80?12?3.1460?10?15000Li==9 610ni=

最大动负 Q=3LiPfwfH 其中 运载系数fw=1.2

硬度系数Fh=1

Q=39×1.2×2210.67×1=5518.05(N)

根据最大动力负载荷Q的值，查表选择滚珠丝杠的型号为FFZ5012—4，查表得数控车床的纵向精度为E级，即型号为FFZ5012—4—E—1800×640，其额定载荷是44400N 2效率计算 ○

根据《机械原理》得，丝杠螺母副传动效率为 η=由《机械原理》得?一般为8′～12′取?=10′ 即：摩擦角?=10′，螺旋升角（中径处）r=3O25′

tgr

tg(r??)tg3025?则η= =0.953 0tg(325??10?)3 刚度验算 ○

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量

PLo△L1=±

EF其中 LO=12㎜=1.2㎝

E=20.6×106N/㎝2

滚珠丝杠横截面积

d482

F=()π=（）×3.14=18.09(㎝2)（d为滚珠丝杠外径）

222210.67?1.2-6

则△L1=?=7.12×10≈7.12um 620.6?10?18.09查《机床设计手册》，E级精度丝杠允许的螺距误差（1800㎜螺丝长度）为15um/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。 ④稳定性验算

由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ50㎜，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。 （3）齿轮及转矩的相关计算 1）有关齿轮的计算

8

C6140卧式车床数控化改造设计

传动比i=

?L 360?zO其中?表示步驱角，?z表示脉冲当量

0.75?12=1.25

360?0.02取齿数Z1=32, Z2=40

模数m=2mm 啮合角为200 齿轮齿宽b=20㎜

i=

d1=mz1=2×32=64mm d2=mz2=2×40=80mm

da1 =2×(32+2)=68mm da2=2×(40+2)=84mm

a=

d1?d264?80==72

222）转动惯量的选择

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J1=(

180??z??)2W=(

180?0.022

)×80= 1.859kg.㎝2=18.69N.cm2

3.14?0.75丝杠的转动惯量

Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×54×180=87.75kg.㎝2=877.5N.cm2 齿轮的转动惯量

JZ1=7.8×10-4×(6.4)4×2=2.617kg.㎝2=26.17N.cm2 JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39kg.㎝2=63.9N.cm2 由于电机的转动惯量很小，一般可忽略不记 所以总的转动惯量为

1 J总=2×(Js+ JZ2)+ JZ1+ J1

i =

1?1.25?2×(87.75+6.39)+2.617+1.869=64.7356kg.㎝2=647.356N.㎝2

3）所需转动力矩的计算

快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+MO

最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt 快速进给时所需力矩 M=Mf+MO 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。

MO —— 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。 JnMa=×10-4（N.m）其中T=0.025

9.6?T9

C6140卧式车床数控化改造设计

当n=nmax时，Mamax=Ma

Vmaxi730?1.25nmax===76.0(r/min)

lo1264.7356?76Mamax=×10-4=2.05N.m=20.5kgf.cm

9.6?0.0251000Vfi1000?0.3?1.25nt=D?==12.44r/min

3.14?80?12lo12.44?64.7356Mat=×10-4=0.3355N.cm=3.355kgf.cm

9.6?0.025Mf=

FoLof?WLo= 2??i2??i当?=0.8，f′=0.16时， 0.16?80?1.2Mf==2.446kgf.cm=24.46N.cm

2?3.14?0.8?1.25MO=

PoLo(1-?o2) 6??i1当?=0.9时，预加荷PO=Fx

311FxLo(1???2)?141.678?1.2?(1?0.92)MO=3=3=1.715kgf.cm=17.15N.cm

2???2?3.14?0.8?1.2511FxLo?141.678?1.233Mt===9.024kgf.cm=90.24N.cm 2??i2?3.14?0.8?1.25所以，快速空载启动所需力矩

M快空=Mamax+Mf+MO=20.5+2.446+1.715=24.661kgf.cm=246.61N.cm 切削时所需力矩

M切= Mat+Mf+MO+Mt=3.355+2.446+9.024+1.715=16.54kgf.cm=165.4N.cm 快速进给时所需力矩

M快速=Mf+MO=2.446+1.715=4.161kgf.cm=41.61N.cm 由以上计算可得

所需最大力矩Mamax发生快速启动时 Mamax=M快空=246.61N.cm

3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 （1）切削力的计算

111横向进给量约为纵向的～,取横向切削力约为纵向切削力的

23211∴Fz=F纵z=×2833.56=1416.78N

2210