X502数控铣床机械部分的设计.doc
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1、第三章 X502型铣床机械部分的改装设计X502型铣床机械部分的改装设计在工作台纵向进给手柄轴上安装圆锥销型联轴器,使工作台纵向进给手柄轴与步进电机联在一起。用微机数控系统控制纵向进给运动。加工时将离合器脱开使原来的机床进给运动停止工作。一、步进电机的选择步进电机又称脉冲电机。它是将脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步,即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过相应的一个步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向,很容易用微机实现数
2、字控制。1 步进电机的特点:1)步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响,只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作;2)步进电动机的步距角有误差,转子转过一定步数以后也会出现累积误差,但转子转过一转以后,其累积误差为“零”,不会长期累积;3)控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。因此,步进电动机被广泛应用于开环结构的机电一体化系统,使系统简化,并可靠地获得较高的位置精度。2 脉冲当量p,步距角b和降速比的选择脉冲当量p,步距角b,丝杠螺距t和降速比i之间的关系为:p=bt /360i一般数控机床的脉冲当量p取为0.01mm/step, 步距角b=1.
3、5/step,t=6mm, 则减速比i为i=bt/360p=1.56/3600.01=2.53 铣刀铣削力的估算铣削力是由刀具的材料,铣削工件的材料,切削用量等许多因素决定的。设计机床是从计算铣削力开始估算电动机的功率的。对于现有的机床的改装设计,可以从已知机床的电动机的功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。该机床的主传动和进给传动均采用一个电动机。进给传动的功率较小,可以在主传动上乘以一个系数k。有机床设计手册查得铣床的k为0.85。主传动功率包括切屑功率Nc,空载功率Nm0.附加功率Nmc三部分,即N=Nc+ Nm0+Nme。空载功率Nm0是当机床无切削负载时主传动系统空载所消
4、耗的功率,对于一般轻载高速的中,小型机床,可达总功率的50,现取Nm0=0.5N。附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率,它直接与载荷的大小有关。可以用下式计算,Nmc=(1-)Nc,所以总功率为:N=Nc+0.5N+(1-)Nc,则 Nc=0.5N/(2-)在进给传动中的切削功率为:Nct=(k0.5N)/(2-)主轴上传动功率为1.45kw,电机功率为2.2kw,则=1.45/2.2=0.66, Nct=0.850.52.2/(2-0.66)=0.698(kw) 切削时在主轴上的扭矩为 Mn=974000 Nct/n (N.cm)主轴上转速有8种,现用n=47.5r/mi
5、n代入,则主轴上的最大扭矩为:Mn=97400Nct/n ( 现用n=47.5r/min) Mn=9740000.698/47.5=14313(N.cm)铣刀的最大直径为32mm,主切削力Fc=14313/3.2=4473N。铣削加工时主切削力Fc与铣削进给抗力Fs之间的比值由机床设计手册查的:Fs/Fc=1.01.2,取Fs/Fc=1,则Fs=4473N,垂直分力与Fc的比值为0.750.8,取Fz/Fc=0.75,则:Fz=0.754473=3355(N)4 步进电动机功率的的估算(1)步进电机转轴上启动力矩的计算步进电机转轴上启动力矩的计算的公式为 Tq= (N.cm) 式中: q 脉冲
6、当量(mm/step);Fs- 铣削进给抗力(N);Fz 垂直分力(N);G- 工作台及工件夹具的总重量(N);取=0.6,=0.2,G=1500N,则 Tq=347(N.cm)(2) 确定步进电机的最高工作频率由步进电机的最高工作频率的公式查的其中=0.03(m/s) n=750(r/min) =3000(Hz) (3)步进电机的选择由步进电机的性能参数图表中查得:Tq/Tjm=0.866,步进电机的最大静转矩Tjm= Tq/0.866=401 (N.cm)经过计算的两个方向即纵向和横向的步进电机均选用110BF004步进电机步进电机的主要性能参数如下:(表3-1)相数 步距角 电压 相电流
7、 最大转矩 空载启动频率空载运行频率3 0.75 30v 4 4.9N/m 3000步/s 7000步/s电感 电阻 分配方式 外形尺寸 重量 转子转动惯量56.5 0.72 3相6拍 110110 5.5 34.3 表3-1 步进电机的主要性能参数由以上图可知电动机的转速为375转/分 5 步进电机的控制 步进电机的运行特性跟配套使用的驱动电路有关。驱动电源由脉冲分配器,功率放大器组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环更给电动机各相绕组,以驱动电动机的转子正反向旋转。变频信号源是可提更从几赫兹到几十万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此,只要控
8、制输入电脉冲的数量和频率就可以精确控制步进电机的转角和速度。下面简单介绍一下它的控制元件:(1) 环形脉冲分配器步进电机的各项绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作,这种使电机的通电顺序按一定规律变化的部分称为环形脉冲分配器。它的主要功能是将数控装置送来的一串指令脉冲,按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端,以控制励磁绕组的通断,实现步进电机的运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时,其各相通、断的脉冲分配是一个循环。环形分配器的输出不仅是周期性的,又是可逆的。 环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现,分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。它实现环形脉冲分配的方法
9、有三种:1)用计算机软件,利用查表或计算的方法来进行脉冲的环形分配,我们采用的是三相六拍的分配状态,可将状态代码01H,03H,02H,06H,04H,05H列入程序数据表中,通过软件可顺序在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。通过正相顺序读取和反向顺序读取可控制电动机的正反转。通过控制读取一次的时间间隔可控制电动机的转速。2)用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器。这种方式灵活性很大,可搭接任意向任意通电顺序的环形分配器,同时在工作时不占用计算机的工作时间。 3)采用专用的环形脉冲分配器件 (2)功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几毫安,不能直接驱
10、动步进电动,必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大,使其增大到几至十几倍,从而驱动步进电机运转。功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电机的各相绕组。功率放大电路的控制方式很多,最早采用单电压驱动电路,后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管GTR,也可以是功率场效应晶体管MOSFET或可关断晶闸管GTO。二、滚珠丝杠的选择常用的机械传动部件有螺旋传动,齿轮传动,同步带等,其主要功能是传递转矩和转速。在本次毕业设计中由于使数控机床的改装,精度要求较高,我们采用螺旋传动,即采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠是
11、数控机床伺服驱动的重要部件之一,它的优点是摩擦系数小,传动精度高。下面我们将详细介绍一下滚珠丝杠传动的知识。1 滚珠丝杠副的组成部分及其特点滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来,滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性: (1) 传动效率高
12、在滚珠丝杠副中,自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式,因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上,整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右,发热率也因此得以大幅降低。 (2 ) 定位精度高 滚珠丝杠副发热率低,温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施,使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。 (3) 传动可逆性 滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦,消除了在传动过程中可能出现的爬行现象,滚珠丝杠副能够实现两种传动方式将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传
13、递动力 (4) 使用寿命长 由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制,滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠。 (5) 同步性能好 由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性,采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时,可获得很好的同步工作。2滚珠丝杠副的工作原理螺杆和螺母的螺纹滚道间置有滚动体,当螺杆或螺母转动时,滚动体在螺纹滚道内滚动,使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦,提高传动的效率和传动的精度。滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子两大类,本次毕业设计我们使用的是应用最广泛的以球为滚动体的滚珠丝杠副,随着机电一体化技术的发展,滚珠丝杠的使用的范围越来越广
14、泛,目前,我国有十几家专业工厂按国家标准GB/T17587-1998,专业标准JB/T3162.4-1993及JB/T9893-1999来组织生产。我们不必自行设计,可以根据使用的工况来选择某种结构类型的滚珠丝杠,再根据载荷,转速等条件来选择。3 滚珠丝杠的计算与选择(1) 最大动负荷Q的计算Q=(N)查表取1.3,取1.0。对于燕尾形导轨的机床 F=k(N) 其中:-X方向上的切削力(N);-Y方向上的切削力(N);G-工作台总重量(N). K=1.4,选用滚动导轨=0.02,=0,在传动过程中不考虑,G=0N,所以 F=0.02X450=9(N) L= 查表T=15000h N=625()
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