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哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 學(xué)生姓名 關(guān)睿 學(xué)號(hào) 0930060107 學(xué) 院 榮成學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 任務(wù)起止時(shí)間 2013 年 02 月 25 日至 2013 年 06 月 21 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 X6132 銑床數(shù)控改造 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容 1 實(shí)際調(diào)研 收集相關(guān)資料 完成開題報(bào)告 1 3 周 2 結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 對(duì) X6132 銑床數(shù)控改造 3 設(shè)計(jì) X6132 銑床數(shù)控改造原理圖 4 7 周 4 設(shè)計(jì) X6132 銑床車床數(shù)控改造縱向 橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu) 8 11 周 5 設(shè)計(jì)相關(guān)零件圖 12 13 周 6 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 準(zhǔn)備答辯 14 16 周 注 要求全部用計(jì)算機(jī)繪圖和打印文稿 交打印件和電子稿 資料 1 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 2 非標(biāo)設(shè)計(jì)手冊(cè) 3 金屬切削用量手冊(cè) 4 相關(guān)的技術(shù)資料 指導(dǎo)教師意見 簽名 系主任意見 簽名 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 2013 年 2 月 24 日 2013 年 2 月 25 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 X6132 銑床數(shù)控改造 院 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 關(guān) 睿 指導(dǎo)教師 張 寶 海 系 主 任 陶 福 春 2013 年 03 月 01 日 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 X6132 銑床數(shù)控改造 摘 要 本文提供了一種 X6132 銑床的數(shù)控化改造方案 改造的主要模塊有 機(jī)械部分和數(shù)字控制電路部分 機(jī)械部分主要是對(duì)絲杠 驅(qū)動(dòng)元件的改造 改造后的系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)使 系統(tǒng)能夠控制進(jìn)給軸的轉(zhuǎn)速 并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺(tái) 實(shí)現(xiàn)其縱 橫 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 以 8031 型單片機(jī)為控制處理芯片 通過(guò)鍵盤輸入加工程序 控制 X6132 銑床數(shù)控化改造后是升降臺(tái)式的 使得改造后的機(jī)床能加工除 了銑削鍵槽 平面及孔等簡(jiǎn)單的零件外 還能加工形狀復(fù)雜 如加工圓弧 面 斜面及凸輪等 的零件 改造后的數(shù)控機(jī)床具有高精 高效及加工產(chǎn) 品范圍廣等特點(diǎn) 隨著制造技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 工序集約化和新的功能部件使機(jī)床的加工范圍 動(dòng)態(tài)性能 加工精度和可 靠性有了極大的提高 關(guān)鍵詞 數(shù)控改造 X6132 開環(huán)控制 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I X6132 Transformation NC Abstract In this paper in base of our country s eco mimic condition and the expensive CNC in order to extend machining scope high accuracy small batch and has a good condition in excitedly complicities market So the memorization rebuilding of X6132is so necessary and feasible This paper provides a way of how to implement the synchronized mo tion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open loop control which use stepping motors as actuators on a X6132 mill and the microcomputer is 8031 the memorization rebuilding of X6132 milling machine not only is used for machining keyway plane and hole etc but also it can ma unfitting complicated ship and the accuracy is high The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing in dustry With the development of manufacturing technology modern CNC machine tools with modern design techniques process intensification and new features to make machine tools machining range dynamic performance machining accuracy and reliability has improved greatly Key Words numerization rebuilding X6132 open loop control 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II 目錄 摘要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的背景必要性 1 1 2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展簡(jiǎn)史 1 1 3 數(shù)控機(jī)床組成 2 1 4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 3 1 5 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 3 1 5 1 從微觀上看 3 1 5 2 從宏觀上看 4 1 6 本章小結(jié) 5 第 2 章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 6 2 1 數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)總體要求和內(nèi)容 6 2 2 數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定及框圖 6 2 2 1 系統(tǒng)總體方案的確定 6 2 2 2 系統(tǒng)總體方案框圖 7 2 3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算包括的內(nèi)容 8 2 4 本章小結(jié) 8 第 3 章 銑床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3 1 數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù) 9 3 2 工藝數(shù)據(jù) 9 3 3 數(shù)控改造的縱向方向 X 軸 的設(shè)計(jì) 10 3 3 1 切削力的計(jì)算 10 3 3 2 絲杠工作時(shí)軸向壓力 F 軸的計(jì)算 11 3 3 3 滾珠絲杠副工作負(fù)荷的計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選擇 11 3 3 4 滾珠絲杠副軸向剛度 Kz 的計(jì)算 16 3 3 5 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 18 3 4 關(guān)于滾珠絲杠副性能的分析 18 3 5 橫向 Y 軸 的設(shè)計(jì) 19 3 6 軸承的選擇 20 3 6 1 軸承的壽命計(jì)算 20 3 6 2 軸承布局 21 3 6 3 軸承裝置的設(shè)計(jì) 21 3 6 4 軸承的配置 21 3 6 5 軸承的配合 22 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 3 6 6 軸承的潤(rùn)滑 23 3 7 本章小結(jié) 24 結(jié)論 25 致謝 26 參考文獻(xiàn) 27 附錄 28 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 0 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的背景必要性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密 復(fù)雜 而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周 期短 改型頻繁 這不僅對(duì)機(jī)床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性 與靈活的要求 特別是航空 造船 武器 模具生產(chǎn)等精密加工的零件具 有精度高 形狀復(fù)雜 經(jīng)常變動(dòng)的特點(diǎn) 因此機(jī)械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設(shè)備機(jī) 床也相應(yīng)的提出了高性能 高精度化的要求 利用計(jì)算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工使得零件的加工變得十分的方便 快速 很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用 使得工業(yè)自動(dòng)化程度更高 但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時(shí)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床 這樣制 約了生產(chǎn)率的提高 不利于自動(dòng)化程度的提高 因此各種機(jī)床的數(shù)控改造 開發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的 1 并且目前在機(jī)械行業(yè)中 隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 產(chǎn)品更新周期越來(lái)越 短 中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來(lái)越大 對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要 求也在不斷地提高與推進(jìn) 所以普通機(jī)床越來(lái)越難以滿足加工的要求 同 時(shí)由于技術(shù)水平的提高 數(shù)控機(jī)床的價(jià)格在不斷下降 因此 數(shù)控機(jī)床在 機(jī)械行業(yè)中的使用將越來(lái)越普遍 而對(duì)原有普通機(jī)床數(shù)控化改造也應(yīng)是越 來(lái)越廣泛 依照設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)對(duì) X6132 立式銑床進(jìn)行了數(shù) 控化改造 2 1 2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展簡(jiǎn)史 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越合理 其性能 精度和 效率日趨提高 因此對(duì)加工機(jī)械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備 機(jī)床也相應(yīng)地 提出了高性能 高精度與高自動(dòng)化的要求 在機(jī)械產(chǎn)品中 單位與小批量產(chǎn)品占到 70 80 這類產(chǎn)品一般都 采用通用機(jī)床加工 當(dāng)產(chǎn)品改變時(shí) 機(jī)床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和 調(diào)整 而且通用機(jī)床的自動(dòng)化程度不高 基本上需要人工操作 難以提高 生產(chǎn)效率和保證生產(chǎn)質(zhì)量 特別是一些有曲線 曲面輪廓組成的復(fù)雜零件 只能借助靠模和仿形機(jī)床 或者借助劃線和樣板手工操作的方法來(lái)加工 加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制 數(shù)字控制機(jī)床就是為了解決單位 小批量 特別是復(fù)雜型面零件加工 的自動(dòng)化 并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史 在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后 可劃分為兩個(gè)階段 第一階段 數(shù)控階段 1952 1970 年 早期采用數(shù)字邏輯電路組合 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 成一臺(tái)機(jī)床 專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng) 被稱為硬件連接數(shù)控 簡(jiǎn)稱為數(shù) 控 第二階段 計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 階段 1970 年 現(xiàn)在 到 1970 年 通用小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控階段 1 3 數(shù)控機(jī)床組成 數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 兩者的加工工藝相同 結(jié)構(gòu)也有些相似 但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動(dòng)加工機(jī)床 所以其結(jié)構(gòu) 也與普通銑床有較大區(qū)別 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng) 主傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 冷卻潤(rùn)滑系 統(tǒng)等幾大部分組成 1 主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具 旋轉(zhuǎn) 主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接影響 2 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成 按照程序設(shè)定的 進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 3 控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制的中心 執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床 進(jìn)行加工 4 輔助裝置 如液壓 氣動(dòng) 冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)和排屑 防護(hù)等裝置 5 機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座 立柱 橫梁等 它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ) 和框架 3 數(shù)控銑床加工過(guò)程示意圖 1 1 如下 圖 1 1 數(shù)控銑床加工過(guò)程示意圖 1 4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 它集精密 柔性和集成與一 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 身 它可以較好的解決形狀復(fù)雜 精密 小批多變的零件加工問題 能夠 穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率 是一種高度自動(dòng)化機(jī)床 其造價(jià)較低 改 造周期短 可靠性高 改造技術(shù)也日趨成熟 加之我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用產(chǎn) 品 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置 的技術(shù)指標(biāo)不斷的提高 產(chǎn)品的更新和完善的進(jìn)度不 斷的加快 產(chǎn)量不斷的提高 故有廣闊的前景 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍 民機(jī) 械工業(yè)已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床 其本質(zhì)是 采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 進(jìn)行改造 而我國(guó)在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家落后約 20 年 隨著我國(guó)現(xiàn)代化制造的不斷推進(jìn) 每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口 這說(shuō)明了 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 4 1 5 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 舊機(jī)床數(shù)控化系統(tǒng)改造具有多方面的意義 首先 對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行升 級(jí)改造 使機(jī)床 起死回生 增加了機(jī)床的使用壽命 拓展了機(jī)床的適 用范圍 提高了機(jī)床的加工性能 再有 由于是對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行的改造 使企業(yè)節(jié)省了成本 減少了機(jī)床廢棄的浪費(fèi) 使本企業(yè)的原有操作人員更 容易加快熟悉其全部的操作流程 由此可見 對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造 對(duì)資金和技術(shù)要求相對(duì)較低 對(duì)像我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家的企業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義 1 5 1 從微觀上看 數(shù)控機(jī)床相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床有如下突出的優(yōu)越性 且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù) 控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力 1 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由 于計(jì)算機(jī)可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量 這就可以 復(fù)合成復(fù)雜的曲線與曲面 2 可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化 且是柔性自動(dòng)化 從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床 提高 3 7 倍 由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力 可以將輸入的程序記住和存 儲(chǔ)下來(lái) 然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行 而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 傳統(tǒng)機(jī)床可 以靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 稱之為剛性自動(dòng)化 但凸輪制造 調(diào)整很 費(fèi)時(shí) 只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)才經(jīng)濟(jì)合理 而數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序 就可實(shí)現(xiàn)另一個(gè)工件加工的自動(dòng)化 從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化 稱之為 柔性自動(dòng)化 以適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)方式 3 加工出零件的精度高 尺寸的一致性好 分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 加工過(guò)程自動(dòng)化 不受人的情緒高低和疲勞的影響 計(jì) 算機(jī)還可以自動(dòng)進(jìn)行刀具壽命管理 不會(huì)因刀具磨損而影響工件精度和其 一致性 數(shù)控系統(tǒng)中增加了機(jī)床誤差 加工誤差修正補(bǔ)償?shù)墓δ?使加工 精度得到進(jìn)一步提高 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 4 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中 減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)自動(dòng)化帶來(lái) 的效果 可以自動(dòng)更換刀具 如加工中心 在工件裝夾好后 可實(shí)現(xiàn)鉆 銑 鏜 攻絲 擴(kuò)孔等多工序的加工 現(xiàn)已出現(xiàn)其它工序集中的機(jī)床 如 車削中心 車銑中心 磨削中心等 5 擁有自動(dòng)報(bào)警 自動(dòng)監(jiān)控 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能 因而可實(shí) 現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管在配備多種傳感器的條件下 計(jì)算機(jī)威力的體現(xiàn)可以實(shí) 現(xiàn)白班有人看管和作好充分準(zhǔn)備工作 使得二班 三班在無(wú)人看管條件下 進(jìn)行自動(dòng)加工 工人只工作 8 小時(shí) 而機(jī)床可工作 24 小時(shí) 因而帶來(lái)的 勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的 此外 機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC 柔性制造單元 FMS 柔性制造 系統(tǒng) CIMS 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 5 1 5 2 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍 民機(jī)械工業(yè)在上世紀(jì) 70 年代末 80 年代初即以 開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床 其本質(zhì)是 采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改 造 除采用數(shù)控機(jī)床外 還包括推行 CAD CAE CAM MIS 管理信 息系統(tǒng) CIMS 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 等等 以及在其產(chǎn)品中增加信息 技術(shù) 包括人工智能等含量 由于采用信息技術(shù)對(duì)其軍 民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行 深入改造 最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍 民品市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng) 而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年 因此每年 都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口 這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 和緊迫性 近年來(lái) 全國(guó)約改造了兩萬(wàn)多臺(tái)普通機(jī)床為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 主要是 車床和銑床 隨國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功研發(fā) 我國(guó)又成功地用國(guó)產(chǎn)數(shù) 控系統(tǒng)將普通機(jī)床改造為普及型和高級(jí)型數(shù)控機(jī)床 還用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口 的技術(shù)老化數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改造 使其起死回生 例如 華中數(shù)控公司把東 方電機(jī)廠的 10 臺(tái)重型機(jī)床 包括 2 5m 3 4m 6 3m 立車 和中型機(jī)床 包 括臥車 立銑 及其它企業(yè)總共約 50 臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備 改造為普及型和高 級(jí)型數(shù)控機(jī)床 若購(gòu)置一臺(tái)新的數(shù)苦惱感機(jī)床 進(jìn)口的要上千萬(wàn) 國(guó)產(chǎn)的 也要幾百萬(wàn)元人民幣 而數(shù)控化改造一臺(tái)只需幾十萬(wàn)元就夠了 所以比起 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造來(lái)說(shuō) 經(jīng)濟(jì)效益極為顯著 內(nèi)蒙一機(jī)集團(tuán)近年來(lái)也加大了 普通機(jī)床的數(shù)控化改造 由西南自動(dòng)化研究所對(duì)部分機(jī)床 臥車 銑床等 進(jìn)行數(shù)控化改造 使用效果明顯 又用西門子系統(tǒng)對(duì)特大型進(jìn)口關(guān)鍵設(shè)備 進(jìn)行數(shù)控改造 使其煥發(fā)了青春 1 6 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及數(shù)控機(jī)床在未來(lái)的發(fā)展 機(jī) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 床的數(shù)控改造具有效率高 柔性化 減少工人強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn) 在信息時(shí)代的 今天 數(shù)控機(jī)床的改造已經(jīng)日益普遍 成為發(fā)展的趨勢(shì) 第 2 章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 2 1 數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)總體要求和內(nèi)容 X6132 立式銑床的原傳動(dòng)系統(tǒng)為其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)經(jīng)齒輪變速驅(qū)動(dòng) 其主軸的升降用手柄經(jīng)錐齒輪副 絲杠手動(dòng)操作 工作臺(tái)的 x 軸和 y 軸分 別通過(guò)離合器和離合器 由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪變速驅(qū)動(dòng)絲杠副和實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)進(jìn)給 工作臺(tái)的升降有電動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器將運(yùn)動(dòng)傳給絲杠副來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì) X6132 立式銑床進(jìn)行機(jī)械部分改造 數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)該比同 類普通機(jī)床高 50 應(yīng)盡量提高機(jī)床的抗振性 通常機(jī)床的振動(dòng)包括強(qiáng)迫 振動(dòng)和受迫振動(dòng) 要提高機(jī)床在低速進(jìn)給時(shí)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度 為實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜零件的自動(dòng)銑削加工 提出三種方案 第一種方案 工作臺(tái)升降 工作臺(tái) x 與 y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 第二種方案 主軸的升降和工作臺(tái)的 x y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 第三種方案 工作臺(tái)的 x y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改變?yōu)槲C(jī)控制 實(shí)現(xiàn)三軸或 二軸的開環(huán)同步控制或非同步控制 上述方案中的第一種由于工作臺(tái)較重 升降所需的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大 功率損失也大 改造成本較高 第二種方案較易實(shí)現(xiàn) 我們這里的設(shè)計(jì)要 求改造 x y 軸 z 軸作為預(yù)留 所以我們這里選擇第三種方案 為保留原機(jī)床的半自動(dòng)功能 應(yīng)對(duì)原系統(tǒng)作盡可能少的改動(dòng) 以免微 機(jī)控制系統(tǒng)出了問題 機(jī)床還可手動(dòng)加工 為此可進(jìn)行以下改動(dòng) 如圖 2 1 所示 1 保留原機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng) 2 保留機(jī)床工作臺(tái) x y 軸進(jìn)給系統(tǒng) 脫開離合器 6 7 去掉手輪 將 滑動(dòng)絲杠副換成滾珠絲杠副 并改裝減速齒輪箱 減速齒輪 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 6 7 2 2 數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定及框圖 2 2 1 系統(tǒng)總體方案的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求 決定采用點(diǎn)位控制 用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控 制系統(tǒng) 這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉 調(diào)試和維修都比較容易 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平衡性 采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件 此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和液動(dòng)導(dǎo)軌 為盡量消除傳動(dòng)間隙 可設(shè)法 調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用高性能價(jià)格比的 8031 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 12089756431數(shù) 控裝 置 圖 2 1 X6132 改后傳動(dòng)原理圖 1 3 4 傘齒輪 2 7 10 步進(jìn)電機(jī) 5 8 11 滾珠絲杠 6 9 12 滾 珠絲杠螺母 2 2 2 系統(tǒng)總體方案框圖 光電隔離 功率放大 步 進(jìn)電 機(jī)光電隔離 功率放大 步 進(jìn)電 機(jī)脈沖發(fā)生器 光電隔離 功率放大 步 進(jìn)電 機(jī) 橫 向 工 作 臺(tái)升 降 臺(tái)縱 向 工 作 臺(tái)整形電路整形電路 整形電路 圖 2 2 系統(tǒng)總體方案圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 2 3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算包括的內(nèi)容 X6132 銑床數(shù)控化改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì) 算 絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算 一些基本部件相關(guān)計(jì)算和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì) 算 1 基本部件相關(guān)計(jì)算主要有工作臺(tái)的外形尺寸及重量的計(jì)算 鉆銑 削力的計(jì)算以及滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)的計(jì)算等 2 絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算包括縱向 橫向絲杠螺母副的選用 3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括步進(jìn)電機(jī)選型計(jì)算 2 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案的確定 數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)總體 要求和內(nèi)容以及機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算包括的內(nèi)容 通過(guò)本 章的介紹確定了總體改造的框圖和方案 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 3 章 銑床機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù) 工作臺(tái)尺寸 長(zhǎng) 寬 1250mm 320mm 工作臺(tái)最大行程 縱向 800mm 橫向 300mm 垂直 400mm 快速移動(dòng)速度 10m min 工作臺(tái)定位精度 x y z 0 03mm 工作臺(tái)重復(fù)定位精度 x y z 0 02mm 縱向 橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制 采用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 滾珠絲杠傳動(dòng) 脈沖當(dāng)量 0 010mm 脈沖 電機(jī)功率 P 7 5KW 縱向快進(jìn)速度 2 3m min 橫向快進(jìn)速度 1 2m min 垂向快進(jìn)速度 0 77m min 縱向切削數(shù)據(jù) 0 06m min 橫向切削速度 0 06m min 垂向切削速度 0 06m min 定位精度 0 015mm 縱向移動(dòng)部件重量 220kg 橫向移動(dòng)部件重量 450kg 垂向移動(dòng)部件重量 1000kg 加速時(shí)間 30m s 機(jī)床效率 0 8 機(jī)動(dòng)范圍 680mm 240mm 300mm 3 2 工藝數(shù)據(jù) 通用機(jī)床由于工藝范圍廣 在同一臺(tái)機(jī)床上常用不同材料刀具對(duì)不同 材料和尺寸的工件進(jìn)行多種加工 故取具有代表性的典型加工條件為計(jì)算 依據(jù) 通常以加工量最大的鋼料或鑄件為工件材料 硬質(zhì)合金或高速鋼為 刀具材料 選取用該機(jī)床上用得最多的常用工序或極限加工工序及與此相 應(yīng)的切削用量 6 結(jié)合本次改造 選取加工材料為 HT200 的平板凸輪的加 工工藝 刀具 粗齒圓柱銑刀 孔徑 27mm 直徑 D 為 63mm L 取 63 前角 為 15 后角 為 12 螺旋角 為 45 齒數(shù) Z 為 6 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 切削用量 銑削鑄鐵銑削前深度 t 5 7mm 取 t 6mm 進(jìn)給量 粗齒圓柱銑刀 在加工鑄鐵裝夾系統(tǒng)剛性一般 機(jī)床功率 7 5kw 的條件下 取每齒進(jìn)給量 fz 0 01 0 15 毫米 齒 取 fz 0 15 毫米 齒 3 3 數(shù)控改造的縱向方向 X 軸 的設(shè)計(jì) 工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由一級(jí)消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副 帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng) 其中在縱向 X 軸 進(jìn)給系統(tǒng)的改造布置中 滾珠絲杠 軸承支架固定在工作臺(tái)上 隨工作臺(tái)移動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)降速齒輪和滾珠 絲杠的螺母固定在床鞍上 通過(guò)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)與床鞍之間 的相對(duì)移動(dòng) 7 滾珠絲杠螺母副 它的特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間 裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件 以減少摩擦 絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng) 摩擦 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)有 1 傳動(dòng)效率高 摩擦損失小 使用壽命長(zhǎng) 2 給予適當(dāng)預(yù)緊 可消除絲杠和螺母的螺紋間隙 反向時(shí)就可以消 除空程死區(qū) 防止失步 定位精度高 剛度好 3 有可逆性 絲杠和螺母都可以作為主運(yùn)動(dòng)件 故可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng) 也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 4 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 無(wú)爬行現(xiàn)象 傳動(dòng)精度高 3 3 1 切削力的計(jì)算 結(jié)合本次改造 3 1 FcozpFcz kzdaefC 式中 C c 銑削力系數(shù) 取 282 ap 銑削深度 即被加工表面的寬度 同時(shí)加工 5 個(gè)工件 每個(gè) 工件厚度為 10mm 故深度為 50mm fz 每齒進(jìn)給量 取 0 15mm z ae 銑削寬度 即被切削金屬層的深度 取 6mm do 銑刀公稱直徑 取 63mm Z 刀齒數(shù) 取 6 kFc 銑削力修正系數(shù)且 cccFmFk kmFc 工件材料系數(shù) 取 HB 190 0 55 k Fc 前角系數(shù) 取 0 92 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 故 Fz 282 50 0 150 65 200 83 63 0 83 6 200 190 0 55 0 92 故可求 出 Fz 9000N 垂向切削分力 Fy 按經(jīng)驗(yàn)公式 Fy Fz 0 80 求得 Fy 7200N 縱向切削分力 Fx 按經(jīng)驗(yàn)公式 Fx Fz 0 9 求得 Fx 8100N 橫向切削分力 Fz 按經(jīng)驗(yàn)公式 Fz Fz 0 4 求得 Fz 3600N 3 3 2 絲杠工作時(shí)軸向壓力 F 軸的計(jì)算 銑削條件下在插補(bǔ)平面內(nèi)合力 Fr Fr Fx Fy 2 3 2 銑削一周平均銑削力 Fav 取 2Fr 3 銑削時(shí)絲杠軸向壓力 F 軸 F 軸 Fav mg Fy 3 3 式中 考慮到顛覆力矩的影響系數(shù) 一般取 1 1 導(dǎo)軌當(dāng)量摩擦系數(shù) 取 0 18 m 移動(dòng)部件的質(zhì)量 估計(jì)為 1000Kg g 重力加速度 取 9 8m s2 Fz 3600N 求得 Fr 123 69N Fav 82 46N F 軸 3151N 3 3 3 滾珠絲杠副工作負(fù)荷的計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選擇 1 絲杠的轉(zhuǎn)速及電動(dòng)機(jī)的選擇 數(shù)控改造多半采用開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 本次改造也采用步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠 開環(huán)步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 1 脈沖當(dāng)量取 0 01mm 初選步進(jìn)電機(jī)的步距角 為 1 5 2 計(jì)算降速比 由于步進(jìn)電機(jī)工作的特點(diǎn)是一個(gè)脈沖走一步 每一 步均有一個(gè)加速過(guò)程 因而對(duì)負(fù)載慣量很敏感 為滿足負(fù)載慣量盡可能小 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 的要求 同時(shí)也為滿足要求的脈沖當(dāng)量 常采用齒輪降速傳動(dòng) 傳動(dòng)比 3 4 360si 式中 步距角 S 絲杠螺距 初取 6mm 脈沖當(dāng)量 確定齒輪傳動(dòng)比及模數(shù)和有關(guān)尺寸 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)中距角 1 5 滾珠絲桿螺距離 t 5mm 要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng) 量 0 01mm step 在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一級(jí)齒輪降速傳動(dòng) 降速傳動(dòng)比 i 0 4821Z65 30 選 Z 24 Z 502 因傳遞的扭矩較小 取模數(shù) m 2 齒輪有關(guān)尺寸如下表 表 3 1 齒輪的相關(guān)參數(shù) 3 根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 Jt 并計(jì)算電機(jī)力矩 再按步距角 電機(jī)力矩 允許的負(fù)載慣量等項(xiàng)要 求來(lái)選取合適的步進(jìn)電機(jī) 慣量計(jì)算 3 5 2 G g S J2 iJ iJ2 iJ s33211t 式中 J s 0 03715Kgf cm s 2 力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 3 6 Mfa mx 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 關(guān)系式 Z1 Z 2 Z 24 50 d mz 48 100 d d 2ma 52 104 d d 2 1 25f 43 95 B 3 6 mm 16 23 A 21 74 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 3 7 tfat M 0 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 f 式中 M amax 空載啟動(dòng)時(shí)折算到馬達(dá)軸上的加速力矩 M f 折算到馬達(dá)軸上的摩擦力矩 M0 由于絲杠預(yù)緊引起的折算到馬達(dá)軸上的附加摩擦力矩 M at 切削時(shí)折算到馬達(dá)軸上的加速力矩 Mt 折算到馬達(dá)軸上的切削負(fù)載力矩 絲杠傳動(dòng)時(shí) Ma Mf M 0 M t 計(jì)算公式 3 8 6 9mfKTJgra 式中 Jr 折算到馬達(dá)軸上的總慣量 T 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)表示線路在導(dǎo)通瞬間允許電流 值上升的速率 時(shí)間常數(shù)越小 線路導(dǎo)通后電流上升越快 達(dá)到近似穩(wěn)定 值的時(shí)間越短 反之則越長(zhǎng) n 電機(jī)轉(zhuǎn)速 當(dāng) n nmax 時(shí)計(jì)算 Mamax n nt 時(shí)計(jì)算 Mat nt 切削時(shí)的轉(zhuǎn)速 摩擦力矩 3 9 102 30mNSFMif 式中 F 導(dǎo)軌摩擦力 zxo S 絲杠螺距 齒輪降速比 h 傳動(dòng)鏈總效率 一般取 0 70 0 85 現(xiàn)取 0 8 求得 F 2106N M 1 00554Nm 附加摩擦力矩 M 3 10 3200 1 ioSP 式中 P 滾珠絲桿預(yù)加載荷 kgf m 為使預(yù)緊后的雙螺母機(jī)構(gòu)在正向傳動(dòng)鏈?zhǔn)芰\(yùn)行時(shí)其反向傳動(dòng)鏈仍保 證無(wú)間隙出現(xiàn) 要求預(yù)緊力的數(shù)值應(yīng)大于最大軸向載前的 1 3 倍 P 1 3 F 軸 1 3 3151 1050 3N 取 P 1200N S 絲桿螺距 傳動(dòng)鏈總效率 齒輪降速比 o 滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的效率 一般取 0 9 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 求得 M 0 0363Nm 切削力矩 Mt 3 11 102 3mNSPitt 式中 P t 進(jìn)給方向的最大切削力 S 絲機(jī)螺距 cm 傳動(dòng)鏈總效率 取 0 8 齒輪降速比 所以初選步進(jìn)電機(jī) 130BF001 五相十拍分配方式 檢驗(yàn)計(jì)算 3 12 2106 9 TnJMamt 式 中 Jm 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jt 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 T 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) s 加速時(shí)間 50m s 故 Mamax Jt Jm nmax 9 6 0 05 102 0 01545 7 102 1000 9 6 0 05 102 4 22Nm M Ma max Mf Mo M 5 26Nm M 9 31Nm 由于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) min 6rfn 式中 步進(jìn)電機(jī)步距角 取 1 5 f 電機(jī)脈沖頻率 取 16000Hz i 電機(jī)與絲杠間的降速比 取 5 n 80 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表查得選取步進(jìn)電機(jī) 130BF001 五相十拍分配方式 9 2 絲杠壽命系數(shù) L L 610nT 式中 T 絲杠預(yù)期壽命 取 15000h 求得 L 72 3 絲杠工作動(dòng)載荷 C 軸F213 式中 1 絲杠硬度系數(shù) 取 1 5 2 載荷性質(zhì)系數(shù) 取 1 4 求得 C 27528 25N 2 根據(jù) C Ca 原則 考慮絲杠導(dǎo)程初選滾珠絲杠型號(hào) 使選取的滾珠絲 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 杠的額定負(fù)載大于計(jì)算最大工作負(fù)載 如下表所示取滾珠絲杠直徑 d0 30 選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為 NL3005 型 單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊 表 3 2 滾珠絲杠螺母幾何參數(shù)計(jì)算 滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度驗(yàn)算 對(duì)于精密機(jī)床數(shù)控改造 應(yīng)對(duì)選取的滾珠的絲杠副傳動(dòng)剛度進(jìn)行校核 以保證機(jī)床的定位精度 傳動(dòng)精度 可靠性 絲杠工作時(shí) 受軸向力及扭 轉(zhuǎn)力矩作用 其變形為軸向壓縮變形和扭轉(zhuǎn)變形 設(shè)絲杠副的軸向剛度為 Kz 導(dǎo)軌剛度為并將扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為軸向變形 則滾珠絲杠副 KN 傳動(dòng)時(shí)的軸向總變形量 zz 為 3102 NtzxKMF xz 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 mm 公稱直徑 d 0 30 螺距 t 6 接觸角 45 0 鋼球直徑 d q 3 969 螺紋滾道 螺紋滾道法面半徑 R 2 064 偏心距 e E R dq z sin 0 045 螺紋升角 arctg 3 2 0dt 螺桿直徑 d D d 0 2d 29 50q 螺桿內(nèi)徑 d1d d 2e 2R 26 81 螺桿 螺桿接觸直徑 dz d d d cos 27 8z0q 螺母螺紋外徑 D D 60螺母 螺母內(nèi)徑 D1 D1 50 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 式中 M 作用在絲杠上的扭矩 N m t 絲杠導(dǎo)程 mm 由剛度定義可知 滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度 K 與軸向剛度 扭轉(zhuǎn)剛度有如下關(guān) 系 3210 1 tnzK 則滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 K 為 zzt32 欲求 K 則只要求 Kz Kn 即可 9 3 3 4 滾珠絲杠副軸向剛度 Kz 的計(jì)算 滾珠絲珠副的軸向剛度取決于絲杠 螺母組件 支承軸承的軸向剛度 1 絲杠的軸向剛度 Ksz 絲杠的軸向剛度 Ksz與其安裝方式有關(guān) 本次改造設(shè)計(jì)中選取 雙推 式支撐方式 兩端推力軸承 此時(shí) 絲杠軸向最小剛度發(fā)生在載荷作用點(diǎn)處于支承 端距離一半 即 La 2 處 3 13 10 4 3mNLSEasz 式中 S 絲杠小徑截面積 mm 2 E 絲杠材料的彈性模量 MPa 鋼料的 E 為 2 1 106 Mpa La 載荷作用點(diǎn)距雙推軸承的最大長(zhǎng)度 mm 求得 Ksz 195N um 2 螺母組件的軸向剛度 Klz 螺母組件的軸向剛度是指滾珠絲杠 螺母螺紋形成的滾道間的軸向剛 度 據(jù)赫茲理論 滾珠與滾道之間在軸向載荷的作用下 彈性變形為 3 14 104 2 32umdgZSinFisxs 式中 s 滾珠的接觸角度 45 Zg 每圈承受載荷的滾珠個(gè)數(shù) dg 滾珠的直徑 查得 7 144mm Zg 按下式計(jì)算 sdgD co Z 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 式中 D 為螺母的公稱直徑 s 為絲杠螺紋螺旋升角 mz 76 23 3 15 mNsSindgFxZsSinKz 06 171042322 3 支撐軸承的軸向剛度 Kcz 支承軸承的軸向剛度也按赫茲理論接觸彈性位移理論求解 軸承類別 不同 剛度公式也不同 采用推力球軸承 選取 5102 3 16 mNdgFxZc cz 45 10 21322 螺母座的軸向剛度一般在螺母組件剛度計(jì)算時(shí)乘以 0 8 計(jì)入 不再單 獨(dú)計(jì)算 滾珠絲杠副的軸向剛度 Kz 3 17 KszclszKlcz 8 0 mN 746 由材料力學(xué)可知 xGJpn 式中 G 絲杠材料抗剪切彈性模量 MPa 鋼材的剪切彈性模量為 80GPa Jp 絲杠小徑截面慣性矩 mm 4 X La 兩支承端中心點(diǎn)距離 115mm Kn 392 10 3N um 將求得的 Kn Kz 代入滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度公式 便可求得 K 如果 剛度不足 可改變絲杠支承方式或重選滾珠絲杠副型號(hào) 3 18 KzPnK3210 K 32 56N um 各類機(jī)床滾珠絲杠副的推薦精等級(jí) 本次改造垂向滾珠絲杠傳動(dòng)精度 B 級(jí) 取傳動(dòng)精度 m1 0 故有如下關(guān)系式 n 故可靠性好 穩(wěn)定性好 3 4 關(guān)于滾珠絲扛副的性能分析 在升降臺(tái)銑床的垂向運(yùn)動(dòng)中 普遍存在著工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)搖動(dòng)力過(guò)大的 問題 因此 操作進(jìn)刀不便 絲杠螺母副易磨損 電磁離合器易燒壞 解 決這一問題的根本措施是將滑動(dòng)絲杠改為滾珠絲杠副 提高機(jī)械傳動(dòng)效率 當(dāng)采用滾珠絲杠副后 其矛盾就轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠副逆運(yùn)轉(zhuǎn)的自鎖上 垂向升降絲杠副的受力情況如下圖所示 P載 荷 Fm Nf 摩 擦 力正 壓 力 P載 荷 2 圖 3 1 升降滾珠絲杠受載示意圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖 采用滾珠絲杠后 因摩擦角小于螺旋升角而不能自鎖 在自重作用下 絲杠副產(chǎn)生逆轉(zhuǎn) 升降臺(tái)自動(dòng)下降 為防止其逆轉(zhuǎn) 必須滿足自鎖條件方 程 FFm 式中 F 向下分力 F kg f PoSin 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 Fm N f f kg f PoCs Fm 為防逆轉(zhuǎn)所需的附加摩擦力 但在絲杠向上搖動(dòng)時(shí)卻又不應(yīng)增加 阻力 這就是垂向滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn) 在機(jī)構(gòu)中一般用超越離合器實(shí)現(xiàn)單向加載的目的 假若在絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)中 附加單向摩擦載荷 Fm 此時(shí) 向上驅(qū)動(dòng)力矩 M 上 基本不變 而 M 下 由下 式確定 M 下 FmdoFmdo 22 若使 則 M 下 0 搖臂的手搖力 Q 下 0 但在實(shí)際 Fm 使用中總調(diào)整到 0 使其在不同載荷的變化狀態(tài)下 有較好的自 鎖可靠性 但 值又不宜過(guò)大 否則造成向下?lián)u動(dòng)力 Q 下 過(guò)大以 及超越離合器易磨損等弊端 這是考核垂向升降滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)是否合理 的重要指標(biāo) 所以從自鎖條件方程不分析 附加摩擦力 Fm 應(yīng)滿足上述 方程并有足夠的安全系數(shù)條件下取最小值 此外 為使實(shí)際使用時(shí)能取得最佳效果和磨損后的補(bǔ)償 Fm 應(yīng)能方 便地進(jìn)行調(diào)節(jié)和具有補(bǔ)償機(jī)能 這是垂向升降絲杠副能否得到廣泛應(yīng)用的 關(guān)鍵 本次改造中附加摩擦力可通過(guò)碟形彈簧調(diào)節(jié) 使之達(dá)到最佳自鎖狀 態(tài) 碟形彈簧能自動(dòng)補(bǔ)償磨損 因此 確保了自 鎖性和搖動(dòng)輕巧 同時(shí) 離合器通過(guò) 1 2 5 的傳動(dòng)減速比使離合器能以較小的阻尼去實(shí)現(xiàn)較大的控 制力 從而延長(zhǎng)使用壽命 由以上的分析可知 改造成后的 可調(diào)阻尼式 垂向滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī) 構(gòu) 結(jié)構(gòu)布局合理 具有搖動(dòng)輕巧 自鎖可靠 調(diào)節(jié)方便 壽命較長(zhǎng) 及 更新改裝方便等多方面的優(yōu)點(diǎn) 3 5 橫向 Y 軸 的設(shè)計(jì) Y 軸的絲杠選擇與 X 軸一樣為 NL6012 Y 軸的齒輪副設(shè)計(jì)也與 X 軸相同 這里不再累贅 Y 軸方向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 Y 軸銑削圓周力 1500NYOF 則有 Y 向絲杠牽引力 YofG14 1500 1 414 4410 0 01 1562N 則有電機(jī)軸負(fù)載力矩 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 mNuGFTYp 58 197 052416 03236 其中 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 取 0 1 步進(jìn)電機(jī)步矩角為 0 75 Y 向絲杠牽引力 當(dāng)量摩擦系數(shù)取 0 01 F 若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響 則啟動(dòng)力矩為 5 0 3 Tq 可取安全系數(shù)極限值 0 3 則有 mNTqq 4 91 27 max 對(duì)于工作方式為五相十拍的五相步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)力矩 qq 5 0951 ax 電機(jī)最大工作頻率 maxax1 6276pVf Hz 綜合以上可選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) 90BF001 的外型尺寸為 A13 A15 軸徑為 11 3 6 軸承的選擇 3 6 1 軸承的壽命計(jì)算 軸承在承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)時(shí) 由于套圈滾道面及滾動(dòng)體滾動(dòng)面不斷地受到 交變負(fù)荷的作用 即使在正常的使用條件下 也會(huì)因材料疲勞使?jié)L道面及 滾動(dòng)面出現(xiàn)疲勞損傷 出現(xiàn)這種滾動(dòng)疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的 疲勞 壽命 即使是結(jié)構(gòu) 尺寸 材料 加工方法等完全相同的軸承 在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時(shí) 軸承的 疲勞 壽命仍會(huì)出現(xiàn)較大的差異 這是因 為材料疲勞本身即具有離散性 應(yīng)從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)考慮 于是就將一批相 同的軸承在同樣條件下分別旋轉(zhuǎn)時(shí) 其中 90 的軸承不出現(xiàn)滾動(dòng)疲勞損傷 的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做 軸承的基本額定壽命 即可靠性為 90 的壽命 在以固 定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí) 也可用總旋轉(zhuǎn)時(shí)間表示 但在實(shí)際工作時(shí) 還會(huì)出現(xiàn)滾 動(dòng)疲勞損傷以外的損傷現(xiàn)象 這些損傷可以通過(guò)做好軸承的選擇 安裝和 潤(rùn)滑等加以避免 本次設(shè)計(jì)所以軸承的壽命符合要求 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 3 6 2 軸承布局 表 3 3 常用軸承布局方式 配置方式 可達(dá)到的轉(zhuǎn)速系數(shù) 0 85 0 80 0 75 0 65 0 72 為了適應(yīng)高速運(yùn)行同時(shí)保證一定的剛度 本次設(shè)計(jì)采用面對(duì)面設(shè)置 按軸承參數(shù)可知 軸承的極限轉(zhuǎn)速為 22000r min 配置選第五種 其速度系數(shù)為 0 65 則可得最高轉(zhuǎn)速為0 7215840 min inNmax r 所以完全可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為 4000r min 的設(shè)計(jì)要求 又因?yàn)檩S承支點(diǎn)跨距較大 溫升較高 所以本設(shè)計(jì)采用一端固定 一端游 動(dòng)的軸承固定方式 并且是三支承方式 3 6 3 軸承裝置的設(shè)計(jì) 要想保證軸承順利的工作 除了正確選擇軸承類型和尺寸外 還應(yīng) 該正確設(shè)計(jì)軸承的裝置 軸承裝置的設(shè)計(jì)主要是正確解決軸承的安裝 配 置 緊固 調(diào)節(jié) 潤(rùn)滑 密封等問題 下面提出一些設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn) 3 6 4 軸承的配置 一般來(lái)說(shuō) 一根軸需要兩個(gè)支點(diǎn) 每個(gè)支點(diǎn)可由一個(gè)或一個(gè)以上的軸 承組成 合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機(jī)器中有正確的位置 防止軸向竄動(dòng) 以及軸受熱膨脹后導(dǎo)致將軸承卡死等因素 常用的軸承配置方法有以下三種 1 雙支點(diǎn)單向固定 這種軸承配置常用兩個(gè)反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承 兩 個(gè)軸承各限制一個(gè)方向的軸向移動(dòng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 2 單支點(diǎn)雙向固定 對(duì)于跨距較大 如大于 350mm 且工作溫度較高的軸 其熱伸長(zhǎng)量大 應(yīng)采用一支點(diǎn)雙向固定 另一支點(diǎn)游動(dòng)的支承結(jié)構(gòu) 作為固定支承的軸承 應(yīng)能承受雙向軸向載荷 故內(nèi)外圈在軸向都要固定 作為補(bǔ)償軸的熱膨脹 的游動(dòng)支承 若使用的是內(nèi)外圈不可分離型軸承 只需固定內(nèi)圈 其外留 在座孔內(nèi)應(yīng)可以軸向游動(dòng) 3 兩端游動(dòng)支承 對(duì)于一對(duì)人字齒輪軸 由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用 它們 的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計(jì)成只保證其中一根軸相對(duì)機(jī)座有固定的軸 向位置 而另一根軸上的兩個(gè)軸承都必須是游動(dòng)的 以防止齒輪卡死或人 字齒的兩側(cè)受力不均勻 首先通過(guò) BT40 主軸的工作情況來(lái)說(shuō) 是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn) 外圈固定 BT40 主軸的轉(zhuǎn)速為 8000prm 額定轉(zhuǎn)矩為 42 屬于高速中載的工作條件 Nm 由于高速旋轉(zhuǎn) 軸承等安裝在軸上的零件會(huì)和軸有摩擦 并產(chǎn)生大量的熱 雖然水冷卻系統(tǒng)能帶走一部分熱能 但仍會(huì)導(dǎo)致因溫升而產(chǎn)生熱伸長(zhǎng) 因 此 必須采用 一支點(diǎn)雙向固定 另一支點(diǎn)游動(dòng) 的軸承配置形式 作為固 定支承的軸承 應(yīng)能承受雙向軸向載荷 內(nèi)外圈在軸上都要固定 而作為 補(bǔ)償軸的熱膨脹的游動(dòng)支承 固定內(nèi)圈 外圈在坐孔內(nèi)可以游動(dòng) 給軸的 熱膨脹留余空間 在本次設(shè)計(jì)中 受力不是很大 選取前三后二的支承方 式 3 6 5 軸承的配合 配合的目的是使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定 以免在相互 配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動(dòng) 這種不利的軸向滑動(dòng) 稱做蠕變 會(huì)引起 異常發(fā)熱 配合面磨損 進(jìn)而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部 以及振動(dòng)等問 題 使軸承不能充分發(fā)揮作用 因此對(duì)于軸承來(lái)說(shuō) 由于承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn) 一般必須讓套圈帶上過(guò)盈使之牢固地與軸或外殼固定 配合的選擇一般按下述原則進(jìn)行 根據(jù)作用于軸承的負(fù)荷方向 性質(zhì)及內(nèi)外圈的哪一方旋轉(zhuǎn) 則各套圈 所承受的負(fù)荷可分為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷 靜止負(fù)荷或不定向負(fù)荷 承受旋轉(zhuǎn)負(fù)荷及 不定向負(fù)荷的套圈應(yīng)取靜配合 過(guò)盈配合 承受靜止負(fù)荷的套圈 可取 過(guò)渡配合或動(dòng)配合 游隙配合 軸承負(fù)荷大或承受振動(dòng) 沖擊負(fù)荷時(shí) 其過(guò)盈須增大 采用空心軸 薄壁軸承箱或輕合金 塑料制軸承箱時(shí) 也 須增大過(guò)盈量 要求保持高旋轉(zhuǎn)時(shí) 須采用高精度軸承 并提高軸及軸承 箱的尺寸精度 避免過(guò)盈過(guò)大 如果過(guò)盈太大 可能使軸或軸承箱的幾何 形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀 從而損害軸承的旋轉(zhuǎn)精度 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 3 6 6 軸承的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑對(duì)于滾動(dòng)軸承具有重要意義 軸承中的潤(rùn)滑劑不僅可以降低摩擦 阻力 還可以起散熱 減小接觸應(yīng)力 吸收振動(dòng) 防止銹蝕等作用 所以 本次設(shè)計(jì)根據(jù)工作情況選用脂潤(rùn)滑 脂潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn) 潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高 能夠承受較大的載荷 不易流失 容 易密封 一次加脂可以維持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間 方便簡(jiǎn)單 表 3 4 使用于脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的 植界限 表值 dn410 3 7 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 即縱向和橫向兩個(gè)方 向 主要計(jì)算了切削力 絲杠工作時(shí)的軸向壓力 滾珠絲杠副工作負(fù)荷 滾珠絲扛副軸向剛度 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算以及電動(dòng)機(jī)的選取 軸承類型 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 油浴 滴油 循環(huán)油 噴 油 油霧 深溝球軸承 16 25 40 60 60 調(diào)心球軸承 16 25 40 50 角接觸球軸 承 16 25 40 60 60 圓柱滾子軸 承 12 25 40 60 60 圓錐滾子軸 承 10 16 23 30 調(diào)心滾子軸 承 8 12 20 25 推力球軸承 4 6 12 15 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 結(jié)論 依照我國(guó)目前的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r及我國(guó)的國(guó)情 對(duì)原有的普通機(jī)床 進(jìn)行數(shù)控化改造是符合當(dāng)前國(guó)情的 對(duì)普通立式銑床 X6132 改造為了擴(kuò)大 產(chǎn)品加工范圍和提高加工精度 效率 質(zhì)量 進(jìn)而滿足市場(chǎng)多變的要求 小批量 多品種 柔性化加工 改造后的 X6132 能夠完成加工鍵槽 平面 和孔等一般加工 還能加工復(fù)雜的零件 且精度高 在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里 針對(duì)普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的這個(gè) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 課題 我查閱了大量資料 制訂出了改造方案 使 X6132 普通立式銑床 達(dá)到數(shù)控銑床的要求 實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床的功能 是一種成本低 性能高的優(yōu) 選方案 利用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)做經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的核心 因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制功 能強(qiáng) 體積小 成本低 功耗小 使用方便 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展 尤其是 近幾年的突飛猛進(jìn) 單片機(jī)的擴(kuò)展功能大大增強(qiáng)原來(lái)很多機(jī)床改造用單片 機(jī)都用 8031 8031 單片機(jī)主要有集成度高 體積小 可靠性高 尋址范 圍大 處理功能強(qiáng) 運(yùn)算速度快等特點(diǎn) 致謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)很快結(jié)束了 在這段時(shí)間里 不僅僅感覺到的是忙碌 還有 忙碌后做完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無(wú)聲的喜悅 在寫致謝信的這個(gè)時(shí)候心里充滿著感激 想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的 種種困難 在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了 說(shuō)句實(shí)話 憑自己的 能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了 但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你 帶來(lái)驚喜 自己的能力畢竟有限 在面對(duì)別人無(wú)私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 分感激 帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的張寶海有問必答 有難必解 還親自回到家給 我取相關(guān)的資料 還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助 我非 常的感激 當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué) 在我有疑惑的時(shí)候總是不厭其煩 的給我解釋清楚 在我設(shè)計(jì)的時(shí)候 因?yàn)槲乙郧皬臎]接觸過(guò)的東西 一開 始很是迷茫 我的好幾位同學(xué)都在這時(shí)候一邊忙自己的事 一邊還要在我 有疑惑的時(shí)候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治?共同解決 最終自己終于完成了銑床的數(shù)控 改造的畢設(shè)要求 現(xiàn)在想起來(lái) 有時(shí)候最能讓自己感動(dòng)的事就發(fā)生在自己 的身邊 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)?lái)了知識(shí)上的收獲 在做人方面也教會(huì)了我 許多許多 在對(duì)待事情方面 尤其是有選擇的時(shí)候自己該放棄什么 該抓 住什么 什么是該自己作的 什么時(shí)候做 我明白了好多 在此 我對(duì)給我?guī)椭睦蠋?同學(xué)至以誠(chéng)摯的謝意和由衷的感激 感 謝您們對(duì)我的幫助 和教會(huì)我那些人生的道理 在論文即將完成之際 我的心情無(wú)法平靜 從開始進(jìn)入課題到論文的 順利完成 有多少可敬的師長(zhǎng) 同學(xué) 朋友給了我無(wú)言的幫助 在這里請(qǐng) 接受我誠(chéng)摯的謝意 參考文獻(xiàn) 1 張俊生 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 北京機(jī)械工業(yè)出版社 1994 25 43 2 謝家瀛 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè) 上海出版社 1979 6 44 73 3 明興祖 數(shù)控加工技術(shù) 北京化工出版社 2002 47 60 4 趙萬(wàn)昌 電機(jī)工程手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 1982 129 172 5 李福生 數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè) 北京出版社 1996 12 56 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 6 徐宏海 謝富春 數(shù)控銑床 北京化工出版社 2003 3 32 7 吳圣莊 金屬切削機(jī)床技術(shù) 北京機(jī)械工業(yè)出版社 1985 43 56 8 林其駿 機(jī)床數(shù)控制系統(tǒng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社 1991 9 12 46 9 孫承松 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 75 94 10 王愛玲 機(jī)床 北京出版社 1983 第 9 期 43 100 11 顧維邦 金屬切削機(jī)床概念 北京機(jī)械工業(yè)出版社 1996 158 189 12 趙月望 機(jī)械制造技術(shù)實(shí)踐 北京機(jī)械工業(yè)出版社 1993 43 90 13 趙長(zhǎng)德 微機(jī)原理與接口技術(shù) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社 1990 9 34 98 14 Gu L Z Wang d Xing L etc Computer simulation and optimization of metal cutting process for mild carbon steels Journal of Materials Processing Technology 129 2002 60 65 15 Didjanin L and Kovac P Fracture mechanisms in chip formation processes Materials Science and Technology 13 1997 439 444 附錄 CNC machine While the specific intention and application for CNC machines vary from one machine type to another all forms of CNC have common benefits Here are but a few of the more important benefits offered by CNC equipment The first benefit offered by all forms of CNC machine tools is improved automation The operator intervention related to producing workpieces can be reduced or eliminated Many CNC machines can run unattended during their 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 entire machining cycle freeing the operator to do other tasks This gives the CNC user several side benefits including reduced operator fatigue fewer mistakes caused by human error and consistent and predictable machining time for each workpiece Since the machine will be running under program control the skill level required of the CNC operator related to basic machining practice is also reduced as compared to a machinist producing workpieces with conventional machine tools The second major benefit of CNC technology is consistent and accurate workpieces Today s CNC machines boast almost unbelievable accuracy and repeatability specifications This means that once a program is verified two ten or one thousand identical workpieces can be easily produced with precision and consistency A third benefit offered by most forms of CNC machine tools is flexibility Since these machines are run from programs running a different workpiece is almost as easy as loading a different program Once a program has been verified and executed for one production run it can be easily recalled the next time the workpiece is to be run This leads to yet another benefit fast change over Si