CK6140数控卧式车床纵向进给机构设计

1第2章CK6140数控卧式车床纵向进给机构设计纵向进给传动系统主要由纵向滑板和纵向滚珠丝杠组成。其纵向滑板安装在床身的导轨上，它可以沿床身导轨纵向移动。导轨的截面形状是三角形导轨和平面导轨的组合。在滑动导轨上图一层特殊的塑料层，动静摩擦系数相接近，摩擦系数小。为了防止由于切削力作用而使滑板颠覆，纵向滑板的前后装有压板，压板与床身接触部分的表面上也涂有塑料层。在滑板导轨部分的端面上装有橡胶挡板，它用钢板和螺钉固定，当纵向滑板运动时，将床身导轨表面上的切屑、灰尘物刮掉，不使杂物进入到导轨表面之间，以减少导轨的磨损。2.1ck6140数控卧式车床结构1.通用机床的规格和类型有系列型作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。（1）机床本体数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。(2）数控装置数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。（3）输入/输出设备键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串联通信的方式输入。(4）伺服单元伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接受指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟伺服单元按电源种类又可分为直流伺服和交流伺服。（5）驱动装置驱动装置把经过发大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工2出图纸所要求的零件和伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实践。所以伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于数控装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：32～1600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。2.2ck6140数控卧式车床纵向进给机构设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板、刀架等改造方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：原有挂轮架全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：原有进给箱全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：将原有滚珠丝杠的螺母拆除，改装滚珠丝杠螺母副、将进给步进电机与齿轮减速箱组装安装在溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。2.2.1对进给系统的要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。1.普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统应选连续控制系统。2.车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。3.根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电3路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。4.纵向进给是套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。5.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。6.采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。2.2.2进给系统的组成及特点数控机床的进给系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。数控机床进给系统中的机械传动装置和器件具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力等特点。目前，数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置有以下几种：滚珠丝杠副、静压蜗杆、蜗母一条、预加载荷双齿轮齿条及直线电动机。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。在重型数控机床的短行程进给系统中也常被采用。4第3章纵向进给机构设计计算3.1机构参数设计3.1.1减速系统设计对减速器的要求是：制动迅速、平稳、结构简单、紧凑、维修和调整方便。本次设计采用一级齿轮传动减速。3.1.2传动方案拟定单级圆柱齿轮减速器(1).工作条件：使用年限5年，工作为一班工作制，载荷平稳，环境清洁。(2).假设滚珠丝杆圆周力F=2200N；3.1.3电动机选择(1).电动机类型和结构的选择：选择Y系列三相异步电动机，此系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。(2).电动机容量选择：电动机所需工作功率为：式（1）：Ｐd＝ＰＷ／ηa(KW)（3-1）由式(2)：ＰW＝ＦV/1000(KW)（3-2）因此Pd=FV/1000ηa(KW)由电动机至运输带的传动总效率为：η总=η１×η２３×η３×η４×η5（3-3）式中：η1、η2、η3、η4、η5分别为带传动、轴承、齿轮传动、联轴器和卷筒的传动效率。取η１=0.96，η２＝0.98，η３＝0.97，η４＝０.９７则：η总=0.96×0.98３×0.97×0.99×0.96=0.83所以：电机所需的工作功率：Pd=FV/1000η总=(2200×1.7)/(1000×0.83)=4.5(kw)(3).确定电动机转速5滚珠丝杠工作转速为：n滚珠丝杠＝60×1000·V/（π·D）（3-4）=(60×1000×1.7)/（４2０·π）=77.3r/min根据手册Ｐ7表１推荐的传动比合理范围，取圆柱齿轮传动一级减速器传动比范围Ｉ’=3～6。则传动比理论范围为：Ｉa’＝6～24。故电动机转速的可选范为N’d=I’a×n滚珠丝杠（3-5）=(16～24)×77.3=463.8～1855.2r/min则符合这一范围的同步转速有：750、1000和1500r/min根据容量和转速，由相关手册查出三种适用的电动机型号：（如下表）电动机型号表3-1方案电动机型号额定功率电动机转速(r/min)电动机重量N参考价格传动装置传动比同步转速满载转速总传动比V带传动减速器1Y132S-45.515001440650120018.63.55.322Y132M2-65.51000960800150012.422.84.443Y160M2-85.5750720124021009.312.53.72综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、减速器传动比，可见第2方案比较适合。此选定电动机型号为Y132M2-6。3.1.4确定传动装置的总传动比和分配级传动比：由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速n（1）.可得传动装置总传动比为：ia=nm/n=nm/n滚珠丝杠（3-6）=960/77.3=12.42总传动比等于各传动比的乘积（2）.各级传动装置传动比：根据指导书P7表1，取i0=2.86因为：ia＝i0×i所以：i＝ia／i0＝12.42/2.＝4.443.1.5传动装置的运动和动力设计：将传动装置各轴由高速至低速依次定为Ⅰ轴，Ⅱ轴等等i0,i1，......为相邻两轴间的传动比η01,η12，......为相邻两轴的传动效率PⅠ，PⅡ，......为各轴的输入功率（KW）TⅡ，TⅡ，......为各轴的输入转矩（N·m）nⅠ,nⅡ,......为各轴的输入转矩（r/min）可按电动机轴至工作运动传递路线推算，得到各轴的运动和动力参数（1).运动参数及动力参数的计算1).计算各轴的转数：Ⅰ轴：nⅠ=nm/i0=960/2.8=342.86（r/min）Ⅱ轴：nⅡ=nⅠ/i1=324.86/4.44=77.22r/min滚珠丝杠：nⅢ=nⅡ2).计算各轴的功率：Ⅰ轴：PⅠ=Pd×η01=Pd×η1=4.5×0.96=4.32（KW）Ⅱ轴：PⅡ=PⅠ×η12=PⅠ×η2×η3=4.32×0.98×0.97=4.11（KW）滚珠丝杠：PⅢ=PⅡ·η23=PⅡ·η2·η4=4.11×0.98×0.99=4.07（KW）计算各轴的输入转矩：电动机轴输出转矩为：Td=9550·Pd/nm=9550×4.5/960（3-8）=44.77N·mⅠ轴：TⅠ=Td·i0·η01=Td·i0·η1=44.77×2.8×0.96=120.33N·m7Ⅱ轴：TⅡ=TⅠ·i1·η12=TⅠ·i1·η2·η4=120.33×4.44×0.98×0.99=518.34N·m滚珠丝杠输入轴转矩：TⅢ=TⅡ·η2·η4=502.90N·m计算各轴的输出功率：由于Ⅰ～Ⅱ轴的输出功率分别为输入功率乘以轴承效率：故：P’Ⅰ=PⅠ×η轴承=4.32×0.98=4.23KWP’Ⅱ=PⅡ×η轴承=4.23×0.98=4.02KW计算各轴的输出转矩：由于Ⅰ～Ⅱ轴的输出功率分别为输入功率乘以轴承效率：则：T’Ⅰ=TⅠ×η轴承=120.33×0.98=117.92N·mT’Ⅱ=TⅡ×η轴承=518.34×0.98=507.9综合以上数据，得表如下：表3-2功率表轴名效率P（KW）转矩T（N·m）转速nr/min传动比i效率η输入输出输入输出电动机轴4.544.779602.80.96Ⅰ轴4.324.23120.33117.92342.864.440.95Ⅱ轴4.114.02518.34507.9777.221.000.97卷筒轴4.073.99502.90492.8477.223.1.6联轴器的设计（1）类型选择由于两轴相对位移很小，运转平稳，且结构简单，对缓冲要求不高，故选用弹性柱销联。（2）载荷计算计算转矩TC=KA×TⅡ=1.3×518.34=673.84Nm，其中KA为工况系数，由课本表14-1得KA=1.3（3）型号选择8根据TC，轴径d，轴的转速n，查标准GB/T5014—2003，选用LXZ2型弹性柱销联，其额定转矩[T]=1250Nm,许用转速[n]=3750r/m,故符合要求。3.1.7齿轮传动的设计：(1)选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级。小齿轮选硬齿面，大齿轮选软齿