24-CK6134型数控车床的设计——纵向进给机械结构设计

三明学院机电一体化系统设计课程设计说明书学生姓名：徐周辉学号：20080663124班级：机械设计制造及其自动化题目：CK6134型数控车床的设计—纵向进给机械结构设计2011年11月11日2目录摘要…………………………………………………………………………2前言……………………………………………………………………………3第一节原始参数……………………………………………………………………3第二节设计计算……………………………………………………………………41.确定脉冲当量………………………………………………………………42.计算纵向外圆切削力………………………………………………………43.滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）……………………………………54.同步减速器的设计…………………………………………………………75.步进电机的计算和选型（纵向）…………………………………………96.同步带传递功率的校核…………………………………………………13第三节绘制进给传动机构的装配图……………………………………………14第四节设计小结…………………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………143CK6134型数控车床的设计——纵向进给机械结构设计摘要针对现有常规普通车床CK6134的缺点提出数控改装方案，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产效率。由于时间限制本任务书只机械部分改造，主要是纵向进给方向机械结构的改造。主要包括对滚珠丝杆螺母副及反应式步进电机的设计选择及纵向机构装配图方案的制定。关键词：数控步进电机滚珠丝杠改造4前言在学完了机电一体化之后，对整体知识有一定的了解掌握，此次在老师的指导下，对普通机床进行数控机床改造，由于时间限制，本次仅进行进给传动系统设计计算，有关电机与带轮的选择设计，通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。第一节原始参数一、设计题目：CK6134型数控车床的设计——纵向进给机械结构设计二、设计原始资料：主轴转速：60~2000r/min(无级)最大回转直径；340mm最大加工长度：1000mm溜板及刀架重量：1400N刀架快速运动速度：纵向8m/min横向6m/min最大进给速度：纵向1.0m/min横向0.8m/min主电机功率：5.5kW机床定位精度：±0.015mm三、设计工作内容：（1）进给传动系统设计计算（2）纵向进给系统装配图A01张（3）综合课程设计说明书1份学生姓名徐周辉指导教师邱丽梅5第二节设计计算1、确定脉冲当量在进行机电一体化系统设计时，一般应根据伺服进给系统所要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于定位精度值。则纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。2、计算纵向外圆切削力设工件材料为碳素结构钢,选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角rk=60°，前角0r=10°，刃倾角0s5；切削用量为：背吃刀量pa=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度cv=105m/min。查表3-1[1]，得：cCF=2795,Fcx=1.0,Fcy=0.75,Fcn=-0.15；查表3-3[1]，得：主偏角Kr的修正系数Fckrk=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式（1）fffffPPPPPCCCCCFnFcyFxFpFfFnFcyFxFpFPFnFcyFxFpFcKvfaCFKvfaCFKvfaCF式中CFC、PFC、fFC---与被加工材料和切削条件相关的切削力系数CFx、CFy、CFn、PFx、PFy、PFn、fFx、fFy、fFn---分别为三个分力公式中，被吃刀量pa、进给量f和切削速度cv的指数CFK、PFK、fFK---当实际加工条件与经验公式的实验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，即FrFFFKMFkkkkksr0cv---切削速度，单位为m/min算得纵向主切削力cF=2673.4N，由经验公式pfcFFF::=1:0.35:0.4,纵向进给切(1)6削力fF=935.69N，背向力pF=1069.36N3、滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）3.1工作载荷Fm的计算)('GFfKFFzxm（2）纵向进给导轨为综合型导轨K取1.15查表3-29；滑动导轨摩擦系数0.15~0.18取16.0'f；溜板及刀架重力G=1400N；xF=fF=935.69N，yF=pF=1069.36N，zF=cF=2673.4N代入公式（2）得1.15935.690.16(2673.41400)1727.79mFN3.2计算最大动负载QF最大切削力下的纵向最大进给速度为1.0m/min,丝杠导程选mmPh6,则滚珠丝杠的平均速度为：hsPVn1000（3）数据代入公式（3）得10001167/min6nr滚珠丝杠的使用寿命T取15000h由61060nTL（4）代入公式（4）得66016715000150.310L（单位为610r）查表3-30得载荷系数wf一般运转取1.2~1.5，则wf=1.15再取硬度系数Hf=1mHWQFffLF3(5)代入公式（5）得10564QFN73.3滚珠丝杆螺母副的选型根据计算出的最大动载荷，查表3-33选择采用FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm,基本导程为6mm,双螺母滚珠总圈数为3×2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N3.4传动效率计算0'arctan/arctan6/3.1440273hPdtantan273'%%97.1%tan()tan(273'10')其中'103.5刚度验算（1）纵向滚珠丝杆副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力球轴承，面对面组配。左右支撑丝杆的间距a=1497mm；钢的弹性模量52.110EMPa；查表3-33得滚珠直径mmDw9688.3，算得丝杆底径W02D滚珠直径公称直径dd=36.0312mm，则丝杆的截面积222264.10194/0312.3614.34/mmdS，即算得丝杆在工作载荷mF作用下产生的拉/压变形量：51/()1823.81497/(2.1101019.64)0.0128mFaESmm;（2）根据公式3)/(0wDdZ（6）代入公式（6）得单圈滚珠数目Z=29，该型号丝杆为双螺母，滚珠总圈数3×2=6，则滚珠总数量174629Z;丝杆及轴承均必须进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3,即/3575.93yjmFFN,则由公式（3-27）2230.001310*/10mWyjFDFZ（7）得20.01208mm，因为丝杆加有预紧力，且为轴向的1/3，所以实际变形量可减少一半，取20.000565m（3）将以上算出的21和代入21总，求得丝杆的总变形量0.012363mm总8由表3-27知，4级精度滚珠丝杆任意300mm轴向行程内的行程变动量允许m16，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杆，总的变形量为0.012363mm,故丝杆的刚度足够了。3.6压杆稳定性校核根据公式mkkFKaEIfF22(8)其中压杆稳定安全系数K=3(丝杆卧式水平安装)查表3-34[1]，取支承系数2kf，由丝杆底径d2=36.0312mm，得444215.8273464/031.3614.364/mmdI，代入公式（8）得NFk50959,由于该临界载荷远大于工作载荷（1727.79N）,故丝杆不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。4、同步减速器的设计为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。4.1确定传动比滚珠丝杠的导程为6mm，刀架纵向最快运动速度8m/minV=nhP（9）i=1n/n（10）式中n——丝杆转速hP——滚珠丝杠导程1n——电机最高转速代入数据得1.5i4.2主动轮最高转速原始资料给出主动轮的最高转速为2000r/min4.3确定带的设计功率由设计要求得电机的输出功率5.5OUTPKW，查表3-18得工作情况系数K=1.2,则带的设计功率1.25.56.6daOUTPKPKWKW4.4选择带型和节距根据带的设计功率6.6dPKW和主动轮最高转速12000/minnr由图3-14中选择同步带及表3-20选择节距，型号为H，其节距12.700bPmm。4.5确定小轮1Z和小带轮节圆直径1d9取201Z，则小带轮节圆直径1112.72080.893.14bPZdmm。当达到最高转速2000r/min时，同步带的速度为113.1480.8920008.47/601000601000dnvms，没有超过H型带的极限转速35m/s。4.6确定大带轮1Z和大带轮节圆直径2d大带轮的齿数211.52030ZiZ,节圆直径211.580.89121.34didmm。4.7初选中心距0a、带的节线长度pL0、带的齿数bZ初选中心距0121.1()222.45addmm，圆整后取0a=222mm。则带的节线长度为22100120()2()24pddLadda（11）0pL763.34mm查表3-13，选取最接近的标准节线长度762pLmm。4.8计算实际中心距a实际中心距0222.342popLLaamm4.9校验带与小带轮的啮合齿数mZ1121222012.720()(3020)722223.14222.34bmPZZZentZZenta啮合齿数比6大，满足要求。此处ent表示取整。4.10基准额定功率0P1000)(20vmvTPa(12)式中aT——带宽为0sb的许用工作拉应力，查表3-21得2100.85aTNm——带宽为0sb时的单位长度的质量，查表3-21得0.448/mKgmv——为同步带的带速，8.47/vms10即202100.850.4488.478.4717.521000PKW4.11确定所需同步带宽度sb14.1/100PKPbbzdss（13）式中0sb——选定型号的基准宽度，查表3-21得076.2sbmmzK——小带轮啮合齿数系数，查表3-22得1zK即32.36sbmm再根据表3-11选定最接近的带宽mmbs1.384.12带的工作能力验算根据式（13），计算同步带额定功率P的精确值。32010vmvbbTKKPssawz(14)式中14.1/10/sswbbK代入数据得7.938PKW由于6.6dPPKW，因此带的工作能力合格。5、步进电机的计算和选型（纵向）目前在伺服驱动系统中常用的是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等设备。在此次改造设计中选用步进电机作为伺服驱动设备，它与其他设备相比有如下优点：①步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及波形的影响。②可以开环控制，也可闭环控制，控制灵活。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便的控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。③输出转角（步距角）没有长期积累误差。每转一圈，积累误差会自动消除。④启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并具有定位转矩。选用步进电机主要考虑三个问题：一、是步距角要满足系统脉冲当量的要求；二、是