C616型普通车床改造为经济型数控车床
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一、设计任务
设计题目
C616型普通车床改造为经济型数控车床。
1.1 设计要求
由于是对原有机床进行经济型数控机床改造,因而在考虑具体方案时,基本原则是在满足使用要求的前提下,降低成本。根据C616车床有关资料,确定总体方案。
采用控制器进行控制,控制选择电机的输出经齿轮减速后,带动滚珠丝杆转动,从而实现纵向、横向进给运动。
图1 C616车床
1.2 主要设计参数及技术指标
主要设计参数及技术指标如下。
机械部分:
工作台重量:W=960N
时间常数:T=30ms
=9mm
滚珠丝杆基本导程:L
行程:X=660mm Y=320mm
=5μm/step
脉冲当量:δ
p
步进角:a=0.850/step
步进电机通电方式:四相八拍
快速进给速度:Vmax=2m/min
控制部分:
采用单片机
轨迹控制采用数字积分法(DDA)
步进电机的控制
二、总体方案设计
2.1 数控系统运动控制方式的确定
按照完成的加工制造任务,数控系统可分为点控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。于由要求C616车床能加工复杂轮廓零件,所以数控系统应该设计成连续路径控制型。
2.2 伺服进给系统的选择
数控机床的伺服进给系统有开环、闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以,本设计决定采用开环控制系统。
图2 开环控制系统
2.3 控制器的选择
由于C616普通数控机床经数控化改造后,实现控制性能的要求的控制算法不是很复杂。所以以MCS-51系列的8位单片机作为控制器,外扩存储器、D/A转换器、I/O接口电路、键盘、显示器等组成改造后机床的控制系统。
2.4 进给传动机构
纵向进给机构的改造:拆去原有机床的溜板箱、光杠、丝杠以及安装机座,选用摩擦力小、传动效率和传动精度高的滚珠丝杠副,且由步进电机驱动。横向进给也是换以步进电机驱动的滚珠丝杠副。
2.5 主传动系统
保留主传动系统,即保留原有的主传动机构和变速操纵机构。但是主轴的正
转、反转和停止由计算机控制。为了使机床能够加工螺纹,需要安装能够检测主轴位置的编码器。编码器既可以与主轴同轴安装,即安装在主轴的后端,也可以通过1:1的同步带轮与主轴连接。
三、机械部分设计与计算
3.1纵向进给系统的设计计算 纵向进给已知参数:
工作台重量: W=960N
时间常数: T=30ms 滚珠丝杠基本导程: L 0=9mm 行程: S=640mm
脉冲当量: δp =5step m /μ=0.005mm/step 步进角: α=0.85°/step 快速进给速度: V max =2mm/min
3.1.1切削力计算
由《机床设计手册》和相关资料可知,切削功率
K N N 0η=
式中 N ——电机功率,查机床说明书,N=4KW ;
η——主传动系统总效率,一般为0.6~0.7取η=0.65; K ——进给系统功率系数,取为K=0.96。 则:
2.496kW 0.960.654N 0=⨯⨯= 又因为
νZ F =0N 所以 v
N 0
Z F =
式中 v ——切削线速度,取v=100m/min,即v=1.67m/s,有
主切削力
1495(N)67
.110964.2 F 3
0Z =⨯==v N 由《机床设计手册》中可知,在一般外圆车削时: F X =(0.1~0.6)F Z F Y =(0.15~0.7) F Z 取:
748N 1495N 0.5F 0.5F Z X =⨯== 897N 1495N 0.6F 0.6F Z Y =⨯== 3.1.2 滚珠丝杠设计计算
计算进给率引力(m F )综合导轨车床丝杠的轴向力: W)(F 'kF F Z X m
++=f
式中 K=1.15,f ′=0.15~0.18,取为0.16。 则
1254N 0)69(14950.167481.15F m
=+⨯+⨯=
计算最大动载荷负荷C 滚珠丝杠导程初选mm 90=L ;取min /2s m =ν;T 按15000h 计算;取2.1=w f ,1=h f ;L 以610转为一单位。
寿命值 2.222min /9
21000min /10000=⨯==
r r L v n s 20010
150002.2226010606
6≈⨯⨯==
nT L 最大动负荷为 N F f f L C
m w 8800125412.12003h 3=⨯⨯⨯==
滚珠丝杠螺母的选型
根据滚珠丝杠的相关数据,可采用30051L W 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈,其额定动载荷为10700N ,精度取3级,公称直径32mm ,所以强度足够用。其结构如图3所示。
图3 滚珠丝杠螺母结构
传动效率计算 传动效率按式)
tan(an φγγ
η+=
t 计算,取'393︒=γ;φ摩擦角取10’,滚动摩擦因数
一般为0.003~0.004,则带入数据计算得 953.0)
'1039'3tan(39'
3an )tan(an =+︒︒=+=
t t φγγη
刚度验算
丝杠的拉伸或压缩变形量1δ。滚珠丝杠受工作负载引起的导程0L 的变化量按式
EA
L F 0
m L ±
=∆计算,式中N F 1254m =,mm L 90=,24cm /106.20N E ⨯=,mm 301.28d =取A 为
π2
2/d )(,带入数据计算得 mm EA L F 5
2
60m 1088.814
.3)2/031.28(106.2091254L -⨯±=⨯⨯⨯⨯±=±
=∆ 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量2L ∆很小,可以忽略。