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

在切断工件时

Fy=0.6 F纵z=0.6×1416.78=850.068N （2）滚珠丝杠的设计计算 1强度计算 ○

对于燕尾型导轨 P=KFy+f′（Fz+W） 其中K=1.4 , f′=0.2

P=1.4×850.068+0.2×(1416.78+300)=1533.45N

1000?100?0.3n= =12r/min

80?10?3.1460nTi60?12?15000寿命值Li===10.8 661010最大动负载Q=3LiPfwfh 其中 fw=1.2 fh=1

Q=310.8×1.2×1×1533.45=4067.48N

根据最大动负载荷的值,可选择滚珠丝杠的型号,其公称直径为40㎜,型号为

FFB4010-2-E，额定动负载荷为21100W，所以强度够用。 ○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=3O38′

tgr

tg(r??)tg3?38'则η= =0.956 0'tg(338?10?)○3刚度验算

滚珠丝杠受工作负载，P引起的导程变化量

1533.45?1pLO△L1=?=?

20.6?106?FEFd239.52

）? =（）×3.14=12.25 cm2（其中d为滚珠丝杠的外径）

221533.45?1△ L1 = ?=±6.08×10-6㎝=6.08um 620.6?10?12.25因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小可忽略不计，即△L=△L1，

100100即导程变化总误差为△=△L=×6.08×10. -6=6.08um/m

Lo1F=（

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查表知E级精度丝杠允许的螺矩误差为15um/n ，所以刚度足够。 ○4稳定性验算

由于原机床杠径为Φ30㎜，现选用的滚珠丝杠为Φ40㎜，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

?L传动比i=

360?xO其中?表示步驱角，?x表示脉冲当量

0.75?10=2.1

360?0.01取齿数Z1=30, Z2=63

模数m=2mm 啮合角为200 齿轮齿宽b=20㎜

i=

d1=mz1=2×30=60mm d2=mz2=2×63=126mm

da1 =2×(30+2)=64mm da2=2×(65+2)=130mm

a=

d1?d264?126==93

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??x??)2W=(

180?0.022

)×30= 0.1753kg.㎝2=1.753N.cm2

3.14?0.75丝杠的转动惯量

Js=7.8×10-4D4L=7.8×-4×44×64=12.78kg.㎝2 齿轮的转动惯量

JZ1=7.8×10-4×64×2=2.02kg.㎝2

JZ2=7.8×10-4×（12.6）4×2=39.32kg.㎝2

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?2.1?2×(12.78+39.32)+2.02+0.1753=14.01kg.㎝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。

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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?T当n=nmax时，Mamax=Ma

Vmaxi370?2.1nmax===77.7(r/min)

lo1014.01?77.7Mamax=×10-4=0.4536N.m=4.536kgf.cm

9.6?0.0251000Vfi1000?0.3?2.1nt=D?==25.08r/min

3.14?80?10lo25.08?14.01Mat=×10-4=0.1464N.m=1.464kgf.cm

9.6?0.025Mf=

FoLof?WLo= 2??i2??i当?=0.8，f′=0.2时， 0.2?80?1Mf==0.5687kgf.cm=0.05687N.m

2?3.14?0.8?2.1MO=

PoLo(1-?o2) 6??i1当?=0.9时，预加荷PO=Fy

311FyLo(1???2)?85.0068?1?(1?0.92)MO=3=3=0.17kgf.cm=0.017N. m

2???2?3.14?0.8?2.111FyLo?85.0068?13Mt==3=2.686kgf.cm=0.269N.m 2??i2?3.14?0.8?2.1所以，快速空载启动所需力矩

M快空=Mamax+Mf+MO=0.4536+0.05687+0.017=0.52747N.m=5.2747kgf.cm 切削时所需力矩

M切= Mat+Mf+MO+Mt=0.1464+0.05687+0.017+0.269=0.48927N.m=4.8927kgf.cm 快速进给时所需力矩

M快速=Mf+MO=0.05687+0.017=0.07387N.m=0.7387kgf.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=0.52747N.m

4步进电动机的计算与选型

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4.1步进电动机选用的基本原则

合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：

4.1.1步距角α 步距角应满足 α ≤式中 i—传动比

α

min—系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角

amin i4.1.2精度

步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：

△θm≤i [△θs] 式中， △θm ---步进电动机的累积误差。 4.1.3转矩

为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件

①启动力矩，一般启动力矩选取为 Mq≥

Ml0

0.3~0.5 [△θs]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。

式中 Mq——电机启动力矩

ML0——电机静负载力矩 ②在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量（包含负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 4.1.4启动频率

由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，

相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： ft≥[fop]m 式中 ft---极限启动频率，

[fop]m---要求步进电动机最高启动频率。

4.2步进电动机的选择

4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 Mq=

Ml0246.61==616.525 N.cm 0.40.414

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为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩Mjm为：Mjm=

616.525=711.92N.cm=7.12 N. m

0.8660.866Mq

=

步进电动机最高工作频率：fmax=

Vmax730==608.3HZ 60?z60?0.02综合考虑，查表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 Mq=

Ml00.52747==1.3187 N.m

0.40.4为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩Mjm为：Mjm=

1.3187=1.5227N. m

0.8660.866Mq

=

步进电动机最高工作频率：fmax=

Vmax370==616.7HZ 60?x60?0.01综合考虑，查表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。

5电动刀架的选择

自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。

电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要注意两点：

1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。

2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后

面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。 综合各方面因素，选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型系列四工位自动刀架。

机床型号 C6140 刀位数 4 电机功率（W） 7500 电机转速 1400r/min 夹紧力 1 切体尺寸 152×152 下刀体尺 161×171

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