经济型数控立式车床电气控制系统设计

河南工业职业技术学院1河南工业职业技术学院HenanPolytechnicInstitute毕业设计（论文）题目经济型数控车床数控装置接口硬件设计班级机电0705姓名李浩宇指导教师田林红河南工业职业技术学院2绪论随着我国生产技术进步，在机械制造业中，经济型数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成经济型数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。河南工业职业技术学院31机械部分改造的设计及计算1.1课题的来源与意义及总体方案的确定1.1.1课题的来源与意义：社会发展的今天，现代工业发展非常迅速突出，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代不仅资金投入大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大浪费。所以最简易经济的办法就是进行数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.1.2总体方案的确定：根据改造设计内容确定方案。有设计内容可知，该CW6132车床的改造设计是将原机床中手动进给装置改装成有步进电动机驱动，采用微机控制步进电动机来完成数据的处理运动控制。由此可见改造设计以后的车床具有一定的数控机床功能和特点，大大提高了车床的数控化程度和生产效率，是一种经济型的数控机床。翻阅查看CW6132车床是一种小型的车床，床身最大工件回转直径320mm加工工件最大长度750mm，主要用于加工中小型类零件。根据我们的设计内容要求参考数控机床的改造设计经验，我们设计确定如图1-11-2所示总体改造方案。河南工业职业技术学院4图1—2CW6132普通车床的数控改造方案图1.纵向滚珠丝杠2.横向滚珠丝杠3.步进电动机4.减速齿轮5.减速齿轮6.步进电动机该方案中以步进电动机作为驱动元件，采用开环伺服控制，无检测反馈机构，具有结简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列的优点。从设计题目中可知，我们改造设计的是基于CW6132车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计。所以针对横向进给机构进行如下改造：①拆除原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱，②拆除原丝杠安装滚珠丝杠并仍然安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可以减小装配现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而是横向进给整体的刚性提高，优胜于以前的，③横向进给机构采用二级齿轮减速，并用双片齿轮销齿法消除间隙。其余部分的改造设计尽量按照原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改装的部位，以降低生产成本，节约改造生产时间，提高生产效率。1.2滚珠丝杠副的计算和选型进给伺服系统机械部分的计算与选型的内容包括:运动参数、动力参数的计算、传动比的分配、转动惯量、等效转矩等计算.计算简图如图1-3:河南工业职业技术学院5图1—3进给伺服系统机械部分的计算1.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使车床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数.因此脉冲当量应根据机床精度来确定.对于经济车床来说横向采用的脉冲当量为0.005mm/脉冲1.2.2切削力计算在进给系统的传动的计算过程中,选用步进电动机时都需要用到切削力(机床的主要负载),则可用公式计算出车床切削力最大切削功率(或转矩)=P主η式中P主.......主电动机的功率,CW6132车床P主=8kwη.......主传动系统的总功率一般为0.7～0.85取η=0.8则P切=(8ｘ0.8)kw=6.4kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速度(或转矩)来计算,即:P主=cFν310-/60式中cF——主切削力(N)ν——最大切削速度(m/min).按用硬质合金刀具半精车河南工业职业技术学院6钢件是的速度取ν=100m/mincF=606.4310/100=3840(N)在一般情况外圆车削时,fF=(0.1~0.55)cFpF=(0.15~0.65)cF取fF=0.48cF=1843.2NpF=0.58cF=2227.2N滚珠丝杠副的选择和性能验算,横向进给为综合型导轨,由公式可得丝杠轴向进行切削,其中k=1.15,'f=0.16则:mF=kfF+'f(cF+W)式中cF.fF.pF——切削分力(N)W——移动部件的重量(N)'f——导轨上的摩擦系数,随导轨型式不同而不同K——考虑颠覆力矩影响的实验系数即mF=[1.151843.2+0.16(3840+200)]N=2766.08N最大切削力下的进给速度sv可取最高进给速度的1/2～1/5,取为1/2.横向进给速度为2m/min,丝杠导程选取6mm,则丝杠转速为:n=1000sv/0L=10002/6=333.33r/min丝杠使用的寿命时间取为T=15000h,则丝杠的计算寿命L为:L=60nt/610=60333.3315000/610=300(610)根据工作负载mF、寿命L,按公式计算滚珠丝杠副承受的最大的动载荷mC取wf=1.2af=1mC=3LmFwf/af=33001.22766.08=22220N河南工业职业技术学院7由当量载荷mC,从手册或样本的滚珠丝杠系列表中初选滚珠丝杠的型号和有关参数.选用是要注意公称直径0d和导程0L应用优先组合，同时还需要满足数控系统和伺服系统对导承的要求。同时还受最大静载荷的影响和限制，因当滚珠丝杠在静态或低速(n≤10r/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道型面在接触点上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠副无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。此时的轴向负载oaC称为额定静载荷。选用时应将相应的滚珠丝杠的额定静载荷oaC满足以下条件：maxF=foaC/sf式中maxF——滚珠丝杠的最大轴向工作载荷；sf——静态安全系数。一般sf≤1～2,有冲击时sf=2～3由mC参照表查出该滚珠丝杠型号为W5006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副。1列3圈，其额定动负载为24000N，强度足够应，精度选用5级，其几何参数如下：公称直径0d=50mm，导承0L=6mm，螺纹升角v=arctg0L/π0d=2°11′繭钢球直径为3.969mm，螺杆内径为45.88mm。滚道半径R为：R=0.523.969=2.06388mm偏心距为：e=0.07（R-0d/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6310mm螺杆内径：1d=0d+2e-2R=5025.6310-22.06388=45.88mm1.2.3传动效率滚动丝杠副的传动效率可用下式计算。η=tgr/tg（r+Φ）式中r——丝杠的螺旋升角°Φ——摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数因数河南工业职业技术学院8f=0.003--0.004，摩擦角约等于10′即η=tg2°11′/tg(2°11′+10′)≈0.927横向进给滚珠丝扛支承方式如前图所示，支承间距L=400mm，丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力的最大轴向负载荷的1/3，丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面积按丝杠螺纹的底径确定A=π/445.882mm2=1653.24mm工作载荷mF引起导程0L的变化量Δ0L可用下式计算Δ0L=±mF0L/EA=2766.086/201041653.24=0.487410mm式中E——丝杠材料的弹性模量，对钢E=2.061011N/2m则丝杠的拉伸或压缩变形量1：1=Δ0L/0LL=0.487410/61500=1.22210mm由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为1'=1/41=0.305210mm滚珠与螺纹通道间接触变形2=0.0013mF/23oydFZ=0.0072mm式中mF——轴向工作载荷（N）；yF——预紧力（N）wd——滚珠直径（mm）；Z——滚珠数量，Z=Zjk其中j为圈数，k为列数，Z每圈螺纹滚道内的滚珠数：外循环时Z=π0d/wd；内循环时Z≈π0d/wd-30d——滚珠丝杠公称直径（mm）；河南工业职业技术学院9因丝杠加有预紧力；且预紧力为轴向最大负载的1/3时,2可减少一半，因此实际变形量为：2′=0.0072/2=0.036210mm支承滚珠丝杠的轴承为8209型推力球轴承，几何参数为1d=45mm，滚动体直径Qd=7.06mm，滚动体数量QZ=20轴承的轴向接触变形3为：3=0.024232mQQFdz式中mF——轴承所受轴向载荷（N）；Qz——轴承的滚动体数目；Qd——轴承的滚动体直径；即3=0.024232mQQFdz=0.0242322766.087.0620=0.03346mm注意：此公式mF的单位为Kgf因施加预紧力故实际变形量3′=1/23=1/20.03346mm=0.0167mm根据以上计算总变形量为：δ=1′+2′+3′=（0.00305+0.0036+0.0167）mm=0.0234mm五级精度丝杠允许逻辑误差为27μm/m，故刚度足够因为滚珠丝杠的两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核1.3步进电动机的选择。1.3.1传动比的计算根据给定的横向进给的脉冲当量0.005mm，滚珠丝杠导程0L=6mm，及初选的步进电机步距角0.75˚，可计算出传动比i：¡=360δ/θ0L河南工业职业技术学院10式中δ——脉冲当量（mm/步）；0L——滚珠丝杠导程（mm）；θ——步进电机步距角（˚）；减速齿轮考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程故采用两级齿轮降速，根据传动比，即i=360δ/θ0L选齿轮Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一级降速传动比为0.5二级降速传动比为0.8初选步进电动机型为150BF002,因为进给伺服系统传递功率不大,一般选模数取m=1～2，本次设计选用m=21.3.2转动惯量的计算选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30齿轮1,2,3,4ZZZZ的转动惯量1234,,,JJJJ。341111032JdL