简易木工车床设计（三维建模CAD图纸）

简易木工车床设计（三维建模CAD图纸） 简易木工车床设计(三维建模CAD图纸) 简易木工车床设计 作 者 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 专业技术职务 摘 要 木工车床,它由床身、安装在床身的导轨尾部的尾座、安装在床身 的导轨中部的刀架、安装在床身头部的床头箱、安装在床头箱上的主轴 及其上的卡盘、安装在床头箱上的电机、安装在电机轴和主轴及床头箱 上的变速传动装置所构成,其特征在于所说的变速传动装置由固定在主 轴端部的从动变速三角带轮的固定半轮、套装在主轴上且与固定半轮插 合的从动变速三角带轮的可动半轮、以轴承安装在可动半轮端部的推拉 臂、安装在推拉臂和床头箱之间的压簧、固定在推拉臂上与主轴平行并 可在床头箱的孔中滑动的齿条、与齿条啮合端部穿过床头箱的齿轮轴、 以小轴安装在齿轮轴端部的开口槽中且带有手柄的偏心轮、安装在电机 轴或其连接轴上的主动变速三角带轮的可动半轮和固定半轮、安装在可 动半轮和电机轴或其连接轴端部的挡圈之间的压簧以及安装在主动和 从动变速三角带轮上的三角皮带所构成。 [1] 用木工车刀加工木料旋转 表面或复杂外形面的木工机床。木工车床分为普通木工车床、仿形木工 车床和圆棒机等。 普通木工车床 工件装夹在卡盘内,或支承在主轴及尾架两顶尖之 间作旋转运动( [普通木工车床])。车刀装在刀架上,由溜板箱带动 作纵向或横向进给运动,也可手持车刀靠在托架上进给。普通木工车床 用于车外圆、车端面(见车削)、切槽和镗孔(见镗削)等加工。 ABSTRACT? The? NC? machine? plays? a? very? great? role? in? mechanical? engineering.Although? the? investment?needs?a?great?deal?of?money,it? is?a? good?way?to?try?digital?modification?for?ordinary?lathe.The?spindle?speed?of? CA6140?remains?the?manual?function?of?shifting?gears.?The?alteration?is?easy? and?it?can?reduce?labor?intensity? and? improve? productive? efficiency.? but? the?NC?Machine? larger? one?time? investment,?NC?machine?tools?for?the?transformation?of?a?good?after?all.?The? design? of? the? device? using? NC? Lathe? CA6140? control,? part? of? the? main? transmission? system? using? AC? spindle? motor? and? graded? by? the? pulley? driven? spindle? gearbox,? through? the? inverter? and? gearbox? to? achieve? subFeed? System? used? by? stepper? motor? driven? ball? screw? slowdown? after? campaign?vertical? feed? system?through?a?gear? after? the?ball? screw?drive,? in? the? horizontal? feed? system? through? two? gear?driven? ball? screwTool? to? automatically?transfer?tool?carrier?4?position,?thus?achieving?automatic?tool? change??by?MCS?51?series?8051?data?to?be?dealt?with.?from?the?I?/?O?interface? stepper?pulse?output?signal?to?control?the?feed?rate?and?itineraries??In?order? to? maintain? the? function? of? cutting? thread,? to? the? outer? end? of? spindle? or? other? appropriate? location? loaded? pulse? generatorLathe? will? be transformed?into?Tailstock?manually?controlled?electric?Tailstock.?The?design? of? the? NC? transformation? of? the? economy? the? application,? transforming? simple,?can?reduce?labor?intensity,?improve?production?efficiency .?Introduced? a? major? economic? NC? machine? tool? servo? system? designExpounded? the? CA6140? ordinary? NC? lathe? spindle? system? improvements? and? vertical? machine,?horizontal?feed?system?of?the?design?and?calculationKeywords:CA6140?lathe;digital?modification;ball?screw;stepping?motor? 目 录 摘要 1.O 引言1? 1.1.1 木工车床的历史 1? 1.1.2 木工车床的发展 2? 1.1.3 市场分析 3? 1.1.4 生产分析3? 1.1.5 综合分析3? 1.2?木工车床的基本结 构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.4? 1.2.1?机床本 体„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4? 1.2.2?按加工工艺分 类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„?4? 1.2.3?木工车床按驱动装置的特点分 类„„„„„„„„„„„„„„„„„„?4? 1.2.4?木工车床的特 点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.4? 1.2.5?木工车床的应用范 围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.4? 第二章主传动系统设计5? 2.1 概述 5? 2.2 床主传动系统的特点 5? 2.2.1 主传动系统的配置方式. 6? 2.2.2 主传动系统的主轴电动机的选型6? 2.2.3 交流主轴电机的调速8 2.2.4 分级变速齿轮箱的传动系统设计 9? 3.2.5 主传动系统组件的结构形式 13? 第三章伺服进给系统的结构设计与计算13? 3.1 伺服进给传动系统概述 13? 3.2 步进电动机及开环进给控制. 14? 3.3 纵向进给系统的设计计算15? 3.3.1 设计参数15? 3.3.2 纵向进给切削力的确定 16? 3.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型. 16? 3.3.4 纵向进给减速齿轮的设计与校核19? 3.3.5 纵向进给步进电动机的计算和选型. 20? 3.4 横向进给系统的设计计算23? 3.4.1 横向进给切削力的确定 23? 3.4.2 横向进给切削力的确定 23? 3.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型. 24? 3.4.4 横向进给减速齿轮的设计与校核25? 3.4.5 横向进给步进电动机的计算和选型. 28? 3.5 滚珠丝杠的安装. 30? 3.5.1 滚珠丝杠的安装形式. 30? 4.5.2 滚珠丝杠轴承的校核. 31? 3.5.3 消除齿轮间隙的措施: 34? 第四章自动回转刀架的设计. 35? 4.1 自动回转刀架主要类型及特点 35? 4.2 自动回转刀架的设计计算36? 4.2.1 自动回转刀架步进电动机的选用36? 4.2.2 自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算. 36? 结论参考文献致谢. 40 第一章 概述 1.O 引言 木工车床,它由床身、安装在床身的导轨尾部的尾座、安装在床身的导轨中 部的刀架、 安装在床身头部的床头箱、 安装在床头箱上的主轴及其上的卡 盘、 安装在床头箱上的电机、安装在电机轴和主轴及床头箱上的变速传动装置所 构成,其特征在于所说的变速传动装置由固定在主轴端部的从动变速三角带 轮的固定半轮、套装在主轴上且与固定半轮插合的从动变速三角带轮的可动 半轮、以轴承安装在可动半轮端部的推拉臂、安装在推拉臂和床头箱之间的 压簧、固定在推拉臂上与主轴平行并可在床头箱的孔中滑动的齿条、与齿条 啮合端部穿过床头箱的齿轮轴、以小轴安装在齿轮轴端部的开口槽中且带有 手柄的偏心轮、安装在电机轴或其连接轴上的主动变速三角带轮的可动半轮 和固定半轮、安装在可动半轮和电机轴或其连接轴端部的挡圈之间的压簧以 及安装在主动和从动变速三角带轮上的三角皮带所构成 。 1.1.1 木工车床的历史 用于加工木材的车床出现较早。15世纪末,欧洲有了人力、畜力、 风力和水力驱动的简单木工锯机。1791年,英国的S.边沁先后发明了平 刨床、单轴木工铣床、镂铣机和木工钻床等。1805? 年,英国的M.I.布津 内尔发明圆锯机。1828年,美国的W.伍德沃思发明压刨机。1834年,美 国的G.佩奇和J.A.费伊分别发明榫槽机和开榫机。1880? 年 ,发明了框 锯机。1900年,发明了多联带锯机。此后随着电子技术和计算机技术的 发展,各种自动木工机床相继出现。? 1.1.2木工车床的发展 国内木工机械以山东青岛,广东伦教较为集中。 改革开放以来,以 前的老国有企业纷纷改制,转变经营理念,像哈尔滨木工机械,苏州福 马集团,山西榆次热压机厂,山东威海木工机械厂,青岛木工机械总公 司等等,都完全转变为市场经营体制。 砂光机以德国,意大利见长,台湾产砂光机在?50?80?年代占据了中 低端市场,近二十年来,大陆产砂光机异军突起,在大陆及世界各地运 转生产,但是质量仍然有待提高,质量及性价比上以青岛千川木业设备 有限公司的“千川”牌,青岛建成豪,新动力等市场占有率较高,目前在 国内山东临沂,菏泽,江苏邳州,浙江嘉善,南浔,福建莆田,广西, 四川等木业加工密集地区都有大量分布;目前我国的木工机械出口势头 甚猛,主要市场以第三世界国家为主,东南亚,南亚地区为主,有些质 量比较好的甚至出口到美洲,欧洲市场。 总之,我国的木工机械发展已经有了很大提高,但是质量上仍然亟 需提高才能在世界木机之林占有一席之地。 1.1.3 市场分析 据国内资料统计,订购新的木工车床的交货周期一般较长,往往不能满 足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 1.1.4 生产分析 在现代木材制造工业中,多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的 比重。若要完成这些生产任务,不外乎选择通用机床、专用机床或木工车床, 其中木工车床是最能适应这种生产需要的。 1.1.5 综合分析 木工机电一体化技术的新成果不断涌现, 木工机械从纯粹机械产品想机 电一体化技术过渡,数控机械的普及率大大提高,加强数控数控技术在木工 机床上的应用,重视和发展数控车床,以适应多品种小批量生产需要的木工 机械,发展木材加工机械的新产品 。1.2?木工车床的基本结构 1.2.1 机床本体 木工车床的机床本体与传统机床相似, 由主轴传动装置、 进给传动装置、 床身、工作台以及辅助运动装置 1.2.2 按加工工艺方法分类 木材切削类木工车床 有木工车床、刨床、钻床、磨床等。 1.3.3 木工车床按驱动装置的特点分类 1.开环控制木工车床 控制系统不带反馈装置,使用功率步进电动机为伺服执行机构。 开环控制系统结构简单,成本低。但是不能进行误差校正,步进电动机的失 步、步距角误差、齿轮与丝杠等的传动误差将影响被加工零件的精度。开环 系统仅适用于加工精度要求不是很高的中小型木工车床,特别是简易小型经 济型木工车床。 2.半闭环控制木工车床 半闭环控制木工车床的特点是,在伺服电动机的轴或木工车床的传动丝 杠上装有角度检测的装置(如光电编码器等),通过检测丝杠的转角间接地 检测移动部件的实际位移,然后反馈到数控装置中去,对误差进行修正。半 闭环数控系统的调试比较方便,且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测 装置和伺服电动机设计成一体,并使结构更加紧凑。 3.闭环控制木工车床 闭环控制木工车床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测 装置,将测量的实际位移值反馈到数控装置中,与输入的指令位移值进行比 较,用差值对机床进行控制,且使移动部件 1.4 木工车床的特点 1.对加工对象的适应性强 在木工车床上改变加工零件时,只需重新编制(更换)程序,输入新的 程序就能实现新零件的加工。 2.生产效率高 木工车床能有效的减少机动时间和辅助时间,每一道工序都能选用最有 利的切削用量,选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和 定位的时间比手工少得多 3.加工精度高 木工车床加工精度高,比手工加工精度高,适合对工件尺寸要求高的生 产 4.良好的经济效益 在单件、小批量生产的情况下,可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、 生产管理费用及降低废品率,从而能够获得良好的经济效益。 1.4.2 木工车床的应用范围 木工车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的 运行,可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切 削加工,并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹 中完成多个工序的加工,提高加工精度和生产效率,尤其适合于复杂形状回 转类零件的加工。 第二章主传动系统设计? 2.1?概述 主传动系统是实现机床主运动的传动系统,它具有一定的转速和一定的变速 范围,能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。 主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件,相比普通车床的主传动系统 结构上比较简单,因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担,省去了复 齿轮变速机构,只有二级或三级齿轮变速系统以扩大电动机无级调速的变速 范围。 2.1.1 木工车床主传动系统的特点 与普通机床比较,木工车床主传动系统具有下列特点: 1 转速高、功率大。使木工车床能进行大功率切削和高速切削,实 现高效率加工。 2 变速范围宽。一般 Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用 量,获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 3 主轴变速迅速可靠。木工车床的变速是按照控制指令自动进行 的,因此变速机构必须适应自动操作的要求。 主轴组件的耐磨性高,使传动系统具有良好的精度保持性。 2.1.2 木工车床主传动系统的设计要求 1 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数,以实现运动 的开停、变速、换向和和制动。 2 主电动机具有足够的功率,机构和元件具有足够的强度和刚度, 以满足机床的动力要求。 3 主传动的有关结构,主轴组件要有足够高的精度、抗振性,热变 形和噪声小,传动效率高,以满足机床的工作性能要求。 4 操纵灵活可靠,调整维修方便,润滑密封好,从而足机床的使用 要求。 5 结构简单紧凑,工艺性好,成本低,满足经济性要求。 2.2 主传动系统的配置 2.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型 木工车床的调速是按照控制指令自动执行的,因此变速机构必须适应自 动操作的要求。主传动系统中,多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无 级调速系统。为了扩大调速范围,适应低速大转矩的要求,经常应用齿轮有 级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。此处选用交流主轴电动机配以 齿轮变速箱实现分级无级调速。 交流调速电机体积小,转动惯性小,动态响应快,没有电刷,达到的最 高转速比同功率的直流电动机高, 磨损和故障也少。 中小功率领域已占优 势, 故本次设计选用交流调速电动机。通过调节供电频率的办法调速。功率特性 见下图: 主轴电动机额定转速时输出全部功率和最大转矩,随着转速的变化,功 率.转矩将发生变化。在额定转速到最低转速为恒转矩速度范围,在额定转 速至最高转速为恒功率速度范围时。恒功率的速度范围只有 1:3 速度比。 当电动机速度超过某一定值之后,功率??速度曲线又会向下倾斜,不能保 持恒功率。 2.2.2 车床交流主轴电机的调速 交流主轴电动机是交流感应电动机,当定子三相绕组通上交流电时,将 建立旋转磁场,其主磁通Φm的空间转速即同步转速,其值为 n0 60f1/p r/min 式中 f1--定子供电电源频率(HZ) p?旋转磁场极对数 感应电动机转子的转数 n为 n n0(1-s)60f1(1-s)/p 式中 s?转差数,s n0-n / n0 由上式可知, 调速方法大致可分为两类。 第一类改变同步转数 n0 的调速, 它分为两种方法,一种是改变电动机极对数 p。由于 p 是整数,所以只能得 到级差很大的有级调速,不能满足一般木工车床的要求;另一种是改变电动 机的供电频率 f1。可得到平滑的无级调速,是一种高效型的交流调速,范围 宽,精度高。第二种是不改变同步转速的调速,一般的有调压调速和电磁调 速。由于转差功率损耗,效率低,特性软,不适合木工车床的调速。 在实际调速时,单纯改变电源频率是不行的,由“电动机学”可知,旋 转磁场以 n0 速度切割定绕组,在每相绕组感应电势为 E14.44f1k1w1Φm?u1 式中 k1w1?-定子每相绕组等效匝数; Φm?每极磁通量; u1?定子相电压 所以 Φm u1/4.44f1k1w1 由上式可知,如在变频调速中,保持定子电压 u1 不变,主磁通大小将会 发生变化。如频率从工频往下调节,则上升,导致铁心过热,功率因数下降, 电动机带负载能力降低。所以,必须在降低频率的同时,降低电压,以保持 不变。这就是恒磁通变频调速中的“调速控制”。 只用变频调速,并且是有效方法。变频调速主要环节是为交流电机提 供变频、变压电源的变频器,变频器有: ?交?直?交变频器分为电压型和电流型。电压型先将电网交流电经 整流器变为直流,经逆变器变为频率和电压可变的交流电压。电流型是切换 一串方波,方波电流供电,用于大功率。 ?交?交变频器该变频器没有中间环节,是直接将电网的交流电变为 频率和电压都可变的交流电。 目前对于中小功率电机,用最多的是电压型交?直?交变频器。 2.2.3 车床分级变速齿轮箱的传动系统设计 设计木工车床主传动时,须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 由于主轴要求的恒功率变速范围(Rnp)远大于电动机恒功率范围 Rdp,所以 在主轴之间要串联一个分级变速箱,从而扩大其恒功率变速范围,以满足低 速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。 先设定主轴的最高转速为 4000r/min,最低转速为了 30r/min,计算转速 为 150r/min,最大切削功率为 5.5KW,交流主轴电机额定转速为 1500r/min, 最高转速为 4500r/min主轴要求的恒功率变速范围 Rnp4000/15026.7 电动机的恒功率变速范围 Rdp4500/15003 主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围, 故必须配以分级变速箱。 变速箱的公比Φf等于电动机的恒功率变速范围 Rdp, 即ΦfRdp3,功 率特性图是连续的,无缺口无重合的。变速箱的变速级数为 Z,则主轴的恒 功率变速范围 Rnp 等于 RnpΦf Z-1 RdpΦf Z 故变速箱的变速级数 ZlgRnp/lgΦf2.99 取 Z3 变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数,齿数分别为:高速级 Z1:Z2112:58;中速级 Z1:Z268:102;低速大转矩级 Z1:Z230:140 利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴,车床图册,两轴的中心距为 170mm。因所选用电机与原电机功率相同,轴不必另行校核。 三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下: 已知电动机输出功率为7.5KW,额定转速为1500r/min,则经同步带传 动,第三根轴的转速为 750r/min。经 Z1:Z230/140 传动后,主轴转速为 160r/min大、小齿轮均采用 45 钢并进行调质处理,选小齿轮硬度 HBS260~ 290,大齿轮硬度 HBS220~ 250,精度选 6 级。 m2mm,a20? ,齿宽 b20mm,ha*1,c*0.25,齿轮传动效率η0.98 齿轮几何尺寸计算: d1z1m60mm, d2z2m280mm, da1z1+2m64mm, da2z2+2m284mm, df1z1-2.5m55mm, df2z2-2.5m275mm, az1+z2m/2170mm 齿轮校核: 1 小齿轮转矩? 9550* * *? 1 91.2? 750? P? T Nm h h P??电动机的输出功率 η??齿轮传动效率 取 0.96 2 动载荷系数? A V?K K K K K b a × × × KA??使用系数取 1 Kv??动载荷系数取 1.15 KB??齿向载荷系数取 1.15 Ka??齿向载荷分配系数 由? 1 2? 1 1? [1.88 3.2 ]cos 1.758? Z Z g a e e b - + 查表并插值得 Kα1.179 K1*1.15*1.15*1.1791.56 3 许用弯曲应力? F Flim?[ ] /?N X F?Y Y S s s? Flim s ??弯曲疲劳极限;? Flim1 s 460N/mm 2? Flim2 s 390N/mm 2? N?Y? ??弯曲寿命系数? 1?N?Y ? 2? 1?N?Y YX??尺寸系数取 1 SF??安全系数取 1.3? 2? F1 Flim1?[ ] / 353.85 /?N X F?Y Y S N mm s s 2? F2 Flim2?[ ] / 300 /?N X F?Y Y S N mm s s 4 齿要弯曲疲劳强度校核计算? F 1 Fa Sa 1 F?2KTY Y Y /bd m [ ] e s s Fa?Y? ??齿形系数? Fa1?Y? 2.4? Fa2?Y? 2.25? Sa?Y? ??应力修正系数? Sa1?Y? 1.653? Sa2?Y? 1.75? Y e ??重合度系数? Y 0.25 0.75 / 0.677 e g e + 则? F1 1 Fa Sa 1 F? 2*1.56*91600? 2KTY Y Y /bd m *2.4*1.653*0.677319.82 [ ]? 20*60*2 e s s F2 1 Fa Sa 2 F? 2*1.56*91600? 2KTY Y Y /bd m *2.25*1.75*0.67768.93 [ ]? 20*280*2 e s s 故齿根弯曲强度足够,满足要求。 传动系统图见下图 转速图见下图 主轴转速 4000r/min 至 145r/min 由 AB、BC、CD 在段连接而成,在电动 机的恒功率区,从 145r/min 降至 30r/min 上图中的 CD段为恒转矩区。取 总 效率 η0.75,则电动机功率 P5.5/0.757.3KW。可用北京数控设备厂的 BESK-8 型交流主轴电动机,额定输出功率为 7.5KW。 2.2.4 主传动系统组件的结构形式 在原有主轴轴承完好、运转正常的前提下保留原有主轴支撑方式。 保留原机床的主轴手动变速,改造后使其主/运动和进给运动分离,主 电机的作用为带动主轴旋转。增加一只电磁离合器,接收数控系统的停机制 动信号从而控制原制动装置制动停车。 在加工螺纹时,保证主轴每转一转,刀具准确移动一个导程,须主轴脉 冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装,橡胶管 柔性联接,在实现角位移信号传递的同时,能吸收车床主轴的部分振动,从 而使主轴脉冲发生器转动平.稳,传递信号准确。 木工车床主轴带传动变速常常用多楔带和同步带。同步带又称为同步 齿形带,按齿形不同可分为梯形齿同步带圆弧齿同步带两种。其中梯形 齿多用在转速不高和小功率动力传动中,圆弧齿多用在数控加工中心等 要求较高木工车床主运动传动系统中。选用 H 型梯形齿同步带。 查阅手册选两梯形齿同步带用带轮为 Z1:Z222:44,带宽为 50.8mm,小 带轮节圆为 80mm, 大带轮节圆为 194mm。带高 4.3mm 齿高 2.29mm 节距 12.7mm。 第三章车床伺服进给系统的结构设计与计算 3.1 车床伺服进给传动系统概述 木工车床的伺服进给系统是由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动 机构及执行等部件组成。它作用是接收数控系统发出进给速度和位移指令信 号,由伺服驱动电路作转换和放大后,经由伺服驱动装置(直流、交流伺服 电动机、功率步进电机、电液脉冲马达)和机械传动机构,驱动机床的工作 台、主轴刀架等执行部件从而实现工作进给和快速运动。木工车床的伺服进 给系统与一般机床的进给系统有本质上的差别,它能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置,几个执行部件按一定规律运动所合成的运动 轨迹。 伺服进给系统的基本要求: 1 精度要求 伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低 档型数控系统,驱动控制精度一般为 0.01mm;而对于高性能数控系 统,驱动控制精度为 1um 甚至为 0.1um。 2 响应速度 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度, 除了要 求有较高的定位精度外,要有良好的快速响应特性,即要求跟踪指 令信号的响应要快。 3 调整范围 调整范围 Rn 指生产机械要求电动机能提供的最高转 速 n 和最低转速 nmin 之比。保证在任何情况下都能得到最佳切 削条件,就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。 4 低速、大转矩 机床的加工特点,经常在低速下进行重切削,在 低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 伺服系统实现位置伺服控制包括开环、闭环、半闭环三种方式。开环控 制的伺服系统存在着控制精度不高问题,步进电机具有角位移与输入脉冲的 严格对应关系,使步距误差不会积累。步进电机的转速输入脉冲频率也有严 格的对应关系,具有在负载能力范围内不随电流、电压、负载、环境条件的 波动而变化的特点。步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的 问题,结构比较简单,方便控制系统的实现与调试。且随着电子技术和计算 机控制技术的发展, 改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。 因 此, 在一定范围内,这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统足以满 足加工要求,适宜于在精度要求不很高的数控系统中应用。 虽闭环、半闭环控制为实现高精度位置伺服控制提供了可能,但是在系 统中增加了位置检测、反馈比较以及伺服放大等环节,除给安装调试增加了 工作量和复杂性外,从控制理论角度看,实现闭环系统的良好稳态和动态性 能,难度也将大为提高。此次设计精度要求不是很高,为了简化结构,降低 成本,我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统。 3.2 步进电动机及开环进给控制 步进电机,是把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件,是一种 用脉冲信号来控制的电动机,也称脉冲电动机,在负载能力及动态特性范围 内,步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出,电动机角位移与控制脉冲 数成正比,转速与控制脉冲频率为正比。对每一个电脉冲,步进电机都会产 生一个恒定的步进角位移,每一个脉冲每步的转角称步进电机的步距角θb, θb 取为 0.75。每个脉冲代表电机一定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝 杠副使工作台移动一定距离"每个脉冲所对应的执行件的移距,称为脉冲当 量或分辨率根据机床精度要求确定脉冲当量δp,纵向:0.01mm/步;横向: 0.005 mm/step。步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的 脉冲变化频率。 步进电动机的优点是以开环驱动而无需反馈,无稳定性问题,无累积定 位误差,响应数字信号,适合于数字计算机控制,机械结构简单,很少需要维 护,不易受污染,可重复地堵转并且不会损坏,相当坚固耐用。步进电动机缺 点是运动的增量和步距是固定的,在步进分辩率上缺乏灵活性,承受大惯性 负载的能力有限供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。 步进电动机的种类很多,分为三种类型:反应式、永磁式.混合式。反 应式步进电动机是采用磁阻转矩使转子转动的,是国内现在使用最广泛的步 进电动机形式。 3.3 纵向进给系统的设计计算 3.3.1 设计参数 加工最大直径:在床面上Φ400mm,在床鞍上Φ210 mm; 加工最大长度:1 000 mm; 溜板及刀架重力:纵向800 N; 刀架快速速度:纵向2.4m/min; 最大进给速度:纵向O.8 m/min; 主电动机功率:P主7,5 kW; 起动加速时间:30 ms; 机床定位精度:?0.015 mm。 根据机床精度要求确定脉冲当量δp,纵向:0.01mm/步;横向:0.005 mm /步。 3.3.2 纵向进给切削力的确定 P主?Pm/ηmFzV*10 -3 /ηm 式中ηm 0.75~0.85; V--主轴传递全部功率时的最低速度 主切削力Fz按经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 估算: Fz0.67D 1.5 5360N 式中D为车床床面上加工的最大直径 按切削力各分力比Fz:Fx :Fy 1:0.25:0.4 Fx5360×0.251340N Fy5360×O.402144N 4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠工作原理及特点: 滚珠丝杠螺母机构是回转运动和直线运动相互转换的传动装置,是木工 车床伺服系统中使用广泛的传动装置。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺 旋槽,这两个圆弧形槽合起来形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠。当丝杠 相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,使二者发生轴向相对位移。为了 防止滚珠从螺母中滚出来, 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。滚珠的存在,丝杠与螺母之间是滚 动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构有下列特点。 1 摩擦损失小、且传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达 0.92~0.96是普通滑动丝杠螺母机构的3~4倍,驱动转矩仅为滑动 丝杠螺母机构的四分之一。 2 运动平稳,摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行.由于主要存在的是 滚动摩擦,不仅动、静摩擦因数小,而且其差值也很小,因而启动 转矩小,动作灵敏,即使是在低速情况下也不会出现爬行现象。 3 轴向刚度高、反向定位精度高,由于可以完全消除丝杠与螺母之间 的间隙实现滚珠的预紧,因而轴向刚度,反向时无空行程,定位精 度高。 4 磨损小、寿命长、和维护简单,使用寿命是普通滑动丝杠的4~10 倍。 5 传动具有可逆性、不能自锁,因为摩擦因数小,不能自锁因而该机 构的传动具有可逆性,不仅可以把旋转运动转化为直线运动,而且 还可把直线运动转化为旋转运动。 6 同步性好,用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件,可 获得较好的同步性。 7 有专业工厂生产,选用配套方便,滚珠丝杠不仅广泛应用于木工车 床,而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构,用于各种精密机床和 精密装置。 1计算进给牵引力Fm Fm KFx+f′Fz+G 1.15×1340+0.165360+8002530N 式中 K??考虑颠覆力矩影响的实验系数,综合导轨取K1.15; f′??滑动导轨摩擦系数,取:0.15~0.18; G??溜板及刀架重力,G800N。 2计算最大动负载Cm? fwFm?L?3? , L60nT/10 6 n1000Vs/L。 式中L??滚珠丝杠导程,初选L。8mm; Vs??最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3, 此处V0.8m/min; T??使用寿命,木工车床用滚动丝杠寿命15000h; fw??运转系数,按一般运转取1.2~1.5 L??寿命,以10 6 r为1单位。 n1000Vs/L。1000×0.8×0.5/850r/min, L60nT/10 6 L60*50*15000/10 6 45 Cm? fwFm?L?3? C? N?710798?2530?*?21?*?45?3 3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型 滚珠丝杠副选择的依据是工作动负荷Cm N必须小于滚珠丝杠的额定动 负荷CaN,即必须满足: Cm Ca。公称直径dm越大,承载能力和刚度越大,木 工车床常用进给丝杠的公称直径dm为Φ30~80mm"取dmΦ40mm"滚珠丝杠副 按其使用范围及要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7、10,1级最高, 依次降低一般选用4~7级,木工车床及精密机械可选2~3级,滚珠丝杠副的 精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度,故选择3级精度。查表可采 用 CDM4008-5外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。字母含意:C:外循 环插管 D:垫片预紧 M:插管埋入式。 其几何参数如下: 公称直径 do40mm 导 程 Lo8mm 钢球直径 Dw4.736mm 螺 旋 角 r3?38丝杠外径 d139mm 循环列圈数 2*2.5*2 额定动载荷 Ca31714N 额定静压载荷 Coa101702N 刚 度 1240N/um kc 4传动效率计算 丝杠副传动效率ηtgr/tgr+θO.956 式中y?? 螺旋升角CDM4008-5滚珠丝杠,y3?38?; θ? ? 摩擦角,θ10?。 滚动摩擦系数0.003?0.004。 5丝杠的刚度验算 工作时受轴向力和扭转力作用,因丝杠受扭时引起的导程变化很小,可 忽略不计,故工作负载引起的导程变化量ΔLFmLo/ES 式中: Lo- 丝杠导程0.8cm 进给牵引力Fm2530N E-弹性模量20.6*? 6? 10? N/cm 2 s-滚珠丝杠截面积(按外径d13.9cm确定s11.94cm 2 ) 则ΔLFmLo/ES8.229*10 -6 cm 丝杠1m长度上导程变形总误差ΔL总100ΔL/Lo10.286um/m 三级精度滚珠丝杠允许误差为 15um/m 故刚度足够。 6丝杠的稳定性计算 滚珠丝杠失稳时的临界负载 Pc? 2? 2? ? E I? u l p u?丝杠轴端系数,两端铰支取 u1 l?丝杠长度,取 2000mm E?丝杠弹性模量,对钢材质取 E20.6*? 6? 10? N/cm 2 I?丝杠截面惯性矩,对实心圆柱体 I? 4? 64? d p cm 4 Pcr ? 2? 2? ? EI? ul p 65KN 许用安全系数[nst]4 稳定性安全系数 n Pcr/Fm65000/253025.691?4 滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。 3.3.4 纵向进给减速齿轮的设计与校核 1 齿轮的设计 传动比的选定 对于步进电机,当脉冲当量δp 确定,并且滚珠丝杠导程的 L0 和电机步 距角θb选定后,该轴伺服传动系统的传动比 iθb?L0/360δp0.75*8/360*0.011.667 齿轮的设计 大、小齿轮采用 45 钢并进行调质处理,选小齿轮硬度 HBS260~290,大 齿轮硬度 HBS220~250,精度选 6 级。m2mm,a20?,z142,z270,齿宽 b17mm,ha*1,c*0.25,齿轮传动效率η0.98 齿轮几何尺寸计算: d1z1m84mm, d2z2m140mm, da1z1+2m88mm, da2z2+2m144mm, df1z1-2.5m79mm, df2z2-2.5m135mm, az1+z2m/2112mm 齿轮校核: 5 小齿轮转矩 T1T*K1 式中 T??电动机的输出功率 K1??J电动机效率 取 0.96 则 T19600Nmm 6 小齿轮的转速? ?1? 625 /min?360?y? v? n r q d × 7 小齿轮的圆周速度? 1 1?/ 60000 2.75 /?V d n m s p 8 动载荷系数? A V?K K K K K b a × × × 式中 KA??使用系数取 1 Kv??动载荷系数取 1.15 KB??齿向载荷系数取 1.15 Ka??齿向载荷分配系数 由? 1 2? 1 1? [1.88 3.2 ]cos 1.758? Z Z g a e e b - + 查表并插值得 Kα1.179 则 K1*1.15*1.15*1.1791.56 9 许用弯曲应力? F Flim?[ ] /?N X F?Y Y S s s 式中:? Flim s ??弯曲疲劳极限;? Flim1 s 1460N/mm 2? Flim2 s 2390N/mm 2? N?Y? ??弯曲寿命系数? 1?N?Y ? 2? 1?N?Y YX??尺寸系数取 1 SF??安全系数取 1.3 则? 2?F1 Flim1?[ ] / 353.85 /?N X F?Y Y S N mm s s ? 2? F2 Flim2?[ ] / 300 /?N X F?Y Y S N mm s s 10 齿要弯曲疲劳强度校核计算 由式? F 1 Fa Sa 1 F?2KTY Y Y /bd m [ ] e s s 式中? Fa?Y? ??齿形系数? Fa1?Y? 2.4? Fa2?Y? 2.25? Sa?Y? ??应力修正系数? Sa1?Y? 1.653? Sa2?Y? 1.75 Y e ??重合度系数? Y 0.25 0.75 / 0.677 e g e + 则? F1 1 Fa Sa 1 F? 2*1.56*9600? 2KTY Y Y /bd m *2.4*1.653*0.67723.942 [ ]? 20*84*2 e s s F2 1 Fa Sa 2 F? 2*1.56*9600? 2KTY Y Y /bd m *2.25*1.75*0.67721.734 [ ]? 20*84*2 e s s 故齿根弯曲强度足够,满足要求。 3.3.5 纵向进给步进电动机的计算和选型 1等效转动惯性量计算 传动系统算到电机轴上总的转动惯量:? 1 2?2? 2 2? M 1 S 0?JJ +J +Z /Z [?J +J +GL /2 /g] p 式中 JM?? 步进电机转子转动惯量kg/cm 2 , J1,J2 ? ?齿轮z1,z2的转动惯量kg/cm 2 Js ?? 滚珠丝杠转动惯量kg/cm 2 初选磁滞式反应式步进电机150BF,其转子转动惯量JM10 kg/cm 2 对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算:? 4 4?7.8*10?J D L - 式中 D?圆柱形零件直径 L?零件轴向长度 J17.8×10 -4 d 4 *1.7kg/cm 2 :J16.6 kg/cm 2 , J27.8×10 -4 d 4 *1.7kg/cm 2 :J250.94 kg/cm 2 , Js查表查出:1m长丝杠转动惯量为15.18 kg/cm 2 ,则Js15.18*230.36 kg/cm 2 G800 N,得? 2?0?GL /2 /g p 1.325 kg/cm 2 则总的转动惯量? 2?J10+6.6+42/70 [?50.94+30.36+1.325]46.345 kg/cm 2 2负载转矩计算及最大静转矩选择 a.快速空载起动时所需力矩MqMa+Mf+M0 式中 Mq----快速起动时所需力矩 Ma?快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-----折算到电动机轴的摩擦力矩 M0-----丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 当工作台快速移动时,电动机转速 nVθb /δy*3602400*0.75/0.01/360500r/min MaJ*2p *n/60T46.345*2p *500*10 -2 /60/0.03808.87 Ncm 折算到电动机轴上的摩擦力矩MfFoLo/2p ηi 式中 Fo----导轨的摩擦力Fof?Fz+G Fc----垂直方向切削力 η----主传动效率0.8 MfFoLo/2p ηi f?Fc+G Lo/2p ηi 0.16*5360+800*0.8/2p *0.8*1.66788.218 Ncm 附加摩擦力矩MoFpoLo1-ηs 2 /2p ηi28.980Ncm 式中 Fpo----滚珠丝杠预加负荷取1/3Fm2530/3843N ηs----滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9 MqMa+Mf+M0808.87+88.218+28.980926.07Ncm b. 快速移动时所需力矩 Mk Mf+M088.218+28.980117.198Ncm c. 最大切削负载时所需力矩 MQ Mf+M0+Mt 式中 Mt----折算到电动机轴上的切削负载力矩FxLo/2p ηi127.96 Ncm 则 MQ88.218+28.980+127.96245.158Ncm 从上面计算可以看出,Mq ,Mk ,MQ三种工况下,以快速空载起动所需 力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表,查表,当步进电机为五 相十拍时 λ Mq / Mj 0.951。 最大静力矩 Mj Mq/λ926.07/0.951973.786Ncm 按此最大静转矩,查表,150BF002型最大静转矩为1372 Ncm。大于所需最大 静力矩,可作为初选型号,但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运 行矩频特性。 3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 步进电动机的最高工作频率 F1000V/60δ1000*2.4/60/0.014000Hz 150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2 800 Hz,运行频率为 8 000 Hz。由150BF002步进电机起动矩频特性