毕业设计(论文)-CK6132数控车床总体及进给驱动部件设计(全套图纸) .doc
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1、1 CK6132 数控车床总体及进给驱动部件设计 姓 名: 专 业:机械设计制造及其自动化 指导教师 摘摘要要 随着机械制造业的飞速发展,为进一步提高教学生产类中小型数控车床的 性价比,提高主轴转速,增加机床刚性,对原有的数控车床作了一定的结构改进 设计,使之不仅能满足教学用途外还能用于生产实际上半精、精加工。 设计的内容为主要介绍了数控机床的现状及发展趋势,数控机床的概述和分 类等,主要设计为 CK6132 车床总体及驱动部件设计,首先是主要动力参数的确 定,主运动功率确定和切削量的选择,切削功率的选择等,进给驱动部件的设计, 滚珠丝杠的选用,之后对其进行校核,介绍了导轨、导轨架及床身的设计
2、。对导轨 架的尺寸进行了估算。 完成了进给驱动的相关设计问题,能满足教学生产类中小型数控车床加工相 关零件的要求,同时该机床也有较好的性价比,有一定的应用价值 关关键键词词 数控车床 床身 滚珠丝杠 全全套套图图纸纸, ,加加 153893706 2 Ck6132 lathe to drive and the overall design of component Name:Lizilong Major:Mechanical Design E P 15 CM p切削功率,单位为 kW; 主传动链的总效率,一般在通用机床上可取0.700.85。当结构 简单,转速较低时取大值。 切削功率的确定应该
3、在加工工艺的基础上来进行分析。通用机床应该选择对 切削功率有决定性影响的若干加工情况;专用机床应该要按典型工件的加工情况 来考虑,然后根据选用的切削用量来计算切削功率。本次设计的 CK6132 数控车 床是通用型的小型数控车床,所以它的切削功率有决定性的影响着若干的加工情 况。 查阅机械制造技术公式(211)可得切削功率的计算公式: (公式 6)kW vF P cc c 3 1060 所以机床的切削功率为: (公式 7)kW vF P cc c 78 . 3 1060 5 . 1652 .1370 1060 33 由于本次设计的 CK6132 数控车床中主电机与主轴之间的连接是通过 V 带 传
4、动来实现的,通过查阅实用机床设计手册表 1.1-10 可以查得 V 带的传动效 率,因此主运动电机的功率为:96 . 0 (公式 8)kW kWP P c E 94 . 3 96 . 0 78 . 3 按照上面计算的结果,可以确定选择额定功率为 4kW 的三相变频电动机是 完全能够满足本次设计的 CK6132 数控车床的正常运行的。查阅网上资料,选用 上海森力玛 YPNC 系列主轴变频专用电机 YPNC-33.3-4-B。 3 3. .2 2 进给驱动部件传动功率的计算 进给系统机械传动结构是伺服进给系统的主要组成部分,主要由传动机构、 运动变换机构、导向机构、执行件组成,它是实现成形加工运动
5、所需的运动及动 力的执行机构。由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象,被加工工件的 最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。 3 3. .2 2. .1 1 数数控控机机床床进进给给传传动动系系统统要要求求 为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性,在设计机械传动 装置时,应注意以下要求。 (1) 提高传动精度和刚度。数控机床本身的精度,尤其是进给传动装置的传 动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用,是数控机床的特征指标。 为此,首先要保证各个传动件的加工精度,尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给 系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外,
6、在进给传动链中加入减速齿轮 以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离),从系统 16 设计的角度分析,也可以提高传动精度;通过预紧传动滚珠丝杠,消除齿轮、蜗轮 等传动件的间隙等办法,来提高传动精度和刚度。 (2)减少各运动零件的惯量。传动件的惯量对进给传动系统的启动和制动特 性都有影响,尤其是高速运转的零件,其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚 度的前提下,尽可能减小执行部件的质量,减小旋转零件的直径和质量,以减少 运动部件的惯量。 (3) 减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力,主要来自丝杠螺母 副和导轨。在数控机床进给传动系统中,为了减小摩擦阻力,消除低速进给爬
7、行 现象,提高整个伺服进给系统稳定性,广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导 轨和静压导轨等。 (4)响应速度快。所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应 速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能,反映了 系统的跟踪精度。工件加工过程中,工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确 地跟踪指令,在运行时不出现丢步和多步现象。进给传动系统响应速度的大小不 仅影响到机床的加工效率,而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动机 构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值,以提高伺服进给系统的 快速响应性。 (5) 较强的过载能力。由于电动机频繁换向,且加减速度很快,
8、电动机可能在 过载条件下工作,这就要求电动机有较强的过载能力,一般要求在数分钟内过载 46 倍而不损坏。 (6) 稳定性好,寿命长。稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件, 特别是在低速进给情况下不产生爬行,并能适应外加负载的变化而不发生共振。 稳定性与系统的惯性、刚度、阻尼及增益等都有关系,适当选择的各项参数,并能 达到最佳的工作性能,是伺服进给系统设计的目标。所谓伺服进给传动系统的寿 命,主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短,即各传动部件保持 其原来制造精度的能力。为此,应合理选择各传动部件的材料、热处理方法及加 工工艺,并采用适当的润滑方式和防护措施,以延长其寿命。 (
9、7)使用维护方便。数控机床属于高精度自动控制机床,主要用于单件、中小 批量、高精度及复杂的生产加工,机床的开机率相应就高,因而进给传动系统的 结构设计应便于维护和保养,最大限度地减少维修工作量,以提高机床的利用率。 3 3. .2 2. .2 2 计计算算进进给给部部件件传传动动功功率率的的相相关关公公式式及及原原理理 在进给传动和主传动共用一个电机的通用机床上,如普通车床和钻床,由于 进给传动所消耗的功率与主运动相比是很小的,因此在一般情况下是可以忽略进 给所需要的功率的。在进给运动与空行程传动共用一个电机的机床上,如升降台 17 铣床,也不必单独考虑进给所需要的功率,因为使升降台快速移动所
10、需要的空行 程传动功率比进给传动带来的功率要大的多。 对于进给方向的传动采用单独电动机驱动的机床,都需要确定进给传动所需 要的传动功率,因此在本次设计的 CK6132 数控车床中在进给驱动的 Z 轴和 X 轴 方向是通过采用两个单独的电机来驱动的,所以对于这次设计的进给传动系统是 需要进行传动功率的计算的。 通过实用机床设计手册10第 P497 页的内容可以知道,进给方向的传动功 率是由进给牵引力、进给速度和机械效率来决定,则三者之间 NQmin/mvf f 的关系为: ( 公式kW Qv P f f f 60000 9) 进给牵引力是与导轨有关系的,对于导轨的选择在这里不进行详细的叙述, 这
11、方面的内容会在后面进行详细的讲解,因此这里只使用现成的结果。 CK6132 数控车床采用滑动导轨,横向导轨采用矩形三角形导轨,径向导轨选 用燕尾槽形。 通过机床设计手册第三部 部件、机构及总体设计 表 6.2-34 水平导轨的 反力和牵引力计算可知: 矩形三角形导轨牵引力的计算公式为: (公式 10) NGFfkFQ cf 燕尾形导轨牵引力的计算公式为: (公式 11) NGFFfkFQ pcf 2 式中: G移动部件的重力,单位为 N; 当量摩擦系数; f 考虑倾覆力矩影响系数;k 、切削分力,单位为 N,其中为沿进给方向的分力; c F p F f F f F 在正常润滑的情况下,k 和
12、f可取如下的数值: 矩形三角形: k=1.11.15 ; f=0.150.18 ; 燕尾槽形: k=1.4 ; f=0.2 ; 18 3 3. .2 2. .3 3 进进给给驱驱动动部部件件的的功功率率和和扭扭矩矩的的计计算算 要计算出 Z 轴和 X 轴进给驱动功率,首先要初步估算出 Z 轴和 X 轴两方向 的步进电动机所需要带动的移动部件的重力,Z 轴和 X 轴两个方向需要带动的部 件主要分为四个部分:大拖板、小拖板、X 轴的步进电动机、电机的联接座以及转 塔刀架部分。 根据公式计算牵引力的时候,切削分力在前面一节中已经算出来了,当量摩 擦系数和倾覆力矩影响系数也已经在根据相关的资料查到了,
13、现在主要求的是各 移动部件的重力。在计算重力的时,要考虑到各移动部件的密度、体积 V、还有 计算重力时的一个惯用常数 g。 在机床上,大拖板和小拖板都是铸件,因此它们所使用的材料是灰铸铁;由于 转塔刀架、X 轴步进电动机和电动机联接座是装配件,其材料和构成的结构都是 比较复杂的,因此为了保险起见假设它们的材料是碳钢,因为碳钢具有较高的强 度、屈强比和足够的塑性、韧性;良好的焊接性和冷塑性加工性;具有一定的耐蚀 性。较低的冷脆转化温度和低的时效敏感性。 查阅实用机床设计手册10表 1.1-3 可知各材料的密度,灰铸铁的密度 ;碳钢的密度。 3 3 /100 . 7mkg 33 /1085. 7m
14、kg 在计算的过程中,数据都是参考车间里的数控机床的,因为车间里的数控机 床和我这次设计的数控机床都是同一种机床的类型数控车床,不一样的只是 我所设计的车床比车间里的小一个型号,下面我们来进行各移动部件的重力估算: 小拖板: 3 1 00186 . 0 04 . 0 3 . 015 . 0 mV NgVG 2 . 1301000186 . 0 100 . 7 3 11 大拖板: 3 2 00845 . 0 079 . 0 078. 0349 . 0 39 . 0 0935. 029. 0mV NgVG5 .5911000845 . 0 100 . 7 3 22 转塔刀架: 3 3 00461
15、. 0 180 . 0 16. 016 . 0 mV NgVG3621000461 . 0 1085 . 7 3 33 电动机及联接座: 32 4 00231 . 0 051 . 0 279 . 0 mV NgVG1811000231 . 0 1085. 7 3 44 式中: G移动部件的重力,单位为 N; 19 V移动部件的体积,单位为 3 m g常数,一般情况为了计算的方便,取 10; Z 轴方向的步进电机带动的是以上四个移动部件,故它的重力为以上四个移 动部件的重力之和,即: NGGGGGz 7 . 1264181362 5 . 591 2 . 130 4321 X 轴方向的步进电动机带
16、动的是两个移动部件,即刀架和小拖板,故它的重 力为两移动部件的重力之和,即: NGGGx 2 . 492362 2 . 130 31 3.2.3.1 Z 轴进给方向的牵引力及电动机所需要的转矩的计算 Z 轴方向是采用矩形三角形导轨的,由上面的计算公式得知 Z 轴方向的牵引 力,取 k1.15,0.18,则: f (公式 zcfz GFfkFQ 12) N7 .1197 7 . 1264 6 . 133818 . 0 63415. 1 Z 轴和 X 轴方向的丝杠为滚珠丝杠副,详细的选择在后面会说到的,这里应 用的是结果。通过实用机床设计手册10表 3.7-22 可知,由于数控车床在 Z 轴 和
17、X 轴方向上的丝杠精度等级分别推荐为 2、3、4 级和 3、4、5 级,所以在本次的 设计中 Z 轴和 X 轴方向的滚珠丝杠同时选用 3 级精度。 根据实用机床设计手册10表 1.1-10 可知,滚珠丝杠副的机械传动效率为 0.850.95,所以这里取一个中间数,即为。9 . 0 Z 轴方向的进给速度与进给量和主轴转速有关,则三者的关系为: (公式min/25 . 0 min/2505005 . 0mmmnfvf 13) 式中: n主轴转速,单位为 m/min; f进给量,单位为 mm/r; 根据上面传动功率的公式可以计算出 Z 轴的进给功率为: (公式 14) f fz f vQ P 600
18、00 kW0055. 0 9 . 060000 25 . 0 7 . 1197 根据实用机床设计手册第 P513 页可以知道转矩的公式为: (公式 15)mN n P T 9550 20 式中: T转矩,单位为;mN P传动功率,单位为 kW; n电动机的转速,单位为;min/r 按照典型工况中计算出来的转速和 Z 轴方向滚珠丝杠的导程,可以计算出 Z 轴方向步进电动机的转速为: (公式 16)min/67.41 6 250 r p v n f 式中: p滚珠丝杠的导程; 由此可以计算出步进电动机的转矩,为: (公式 17)mN n P T26 . 1 67.41 0055 . 0 95509
19、550 根据上面计算出来的转矩,Z 轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司 提供的型号为:90BC340AH。这种类型的电动机的矩频特性,在电动机的工作范 围之内,矩频特性的曲线远大于所需要的转矩,因此所选用的电机完全符合这次 设计的要求。 3.2.3.2 X 轴进给方向的牵引力和电动机所需要的转矩的计算 X 轴方向采用的是燕尾形导轨,由上面的计算公式可以计算出 X 轴方向的牵 引力,取 k=1.4, f=0.2,则: (公式 18) xpcfx GFFfkFQ2 N92.1358 2 . 492 9 . 26226 .13382 . 06344 . 1 与上面一样,同理可得: X 轴进给方
20、向的进给速度与切削深度和丝杠转速有关,则三者之间的关系为: mimmmmnav pf /1min/10005002 式中: n主轴转速,单位为;min/r 切削深度或背吃刀量,单位为 mm; p a 根据上面的传动功率的计算公式,可以计算出 X 轴方向的进给功率为: f fx f vQ P 60000 kW025. 0 9 . 060000 192.1358 根据金属切削手册10第 P513 页可以知道转矩的计算公式为: 21 mN n P T9550 式中: T转矩,单位为;mN P传动功率,单位为 kW; n电动机的转速,单位为;min/r 按照典型工况中计算出来的转速和 X 轴方向滚珠丝
21、杠的导程,可以计算出 X 轴方向步进电动机的转速为: min/250 4 1000 r p v n f 式中: p滚珠丝杠的导程; 由此可以计算出步进电动机的转矩,为: mN n P T955 . 0 250 025 . 0 95509550 根据上面计算出来的转矩,X 轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司 提供的型号为:75BF380。这种类型的电动机的矩频特性,在电动机的工作范围之 内,矩频特性的曲线远大于所需要的转矩,因此所选用的电机完全符合这次设计 的要求。 4 滚珠丝杠的选用及校核 4.1 滚珠丝杠福传动的概述 在丝杠螺母的传动中,它四种类型的丝杠螺母传动,即:滑动丝杠螺母传动、
22、 滚珠丝杠螺母传动、滚动丝杠螺母传动和液体静压丝杠螺母传动。在现在的机床 应用中用的最多的是滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动。 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置,是数控机床 伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。其工作原理如图 5-1 所示。在丝杠和 螺母上分别加工出圆弧形旋槽,这两个圆弧形旋槽合起来便形成了螺旋滚道,在 滚道内加入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,迫使二者发 生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来,在螺母的螺旋槽两端设有回程 引导装置,使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在,丝 杠与螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间
23、存在滑动摩擦。 22 图 4-1 滚珠丝杠螺母机构 Figure 4-1 ball screw nut 滚珠丝杠螺母副与滑动丝杠螺母副相比有以下的优点: (1) 摩擦小,效率高。一般情况下,它的机械效率在 90以上,约比滑动丝 杠传动的机械效率高 24 倍。因此,在同样负荷下,驱动扭矩较滑动丝杠减少 2/33/4。同时它的逆传动效率也很高,接近于正传动效率,因此它可以比较容易 地把直线运动转换成旋转运动。 (2) 由于是滚动摩擦,动、静摩擦系数相差极小,无论是静止还是高、低速时, 摩擦扭矩几乎不变,因此灵敏度高,传动平稳。 (3)磨损少,寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件,如丝杠、螺母、滚珠和滚珠
24、循 环返回装置中部分零件,均经热处理,并有很高的表面光洁度,再加上滚动摩擦 的磨损很少,因此具有很好的耐磨性。 (4) 可消除轴向间隙,提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其摩擦小、效率高,预紧 后仍能轻快的传动,因此它能通过预紧完全消除间隙,使反向时没有空行程,且 可通过预紧给予一定的预变形来提高轴向刚度。 (5) 使用可靠、润滑简单、维修方便。 (6)有专业厂生产,使用配套方便 上面是滚珠丝杠螺母传动的优点,任何的事物都是有两面性的,有优点就必 然也有缺点,因此滚珠丝杠螺母传动的缺点为: (1) 不自锁。因其逆传动效率很高,滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不允 许产生逆传动的地方,如横梁的升降系统等,
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