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  1、 方向课程设计说明书设计题目 C620数控进给系统(Z向)改造 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 王 吉 鹏 学 号 9 年级 2012级 指导教师 张 跃 华 职称 教授 2015年 7 月机械工程学院机械系【摘要】机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，数字控制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，很好地解决了现代机械制造中结构较为复杂、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。但从目前企业面临的情况看，因数字控制机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国

  6、7刚度验算.92.8稳定性校核.12第3章 机床进给系统步进电机的设计计算与选择.12 3.1 减速器传动比的计算.12 3.2 负载的等效换算.13 3.3 步进电机性能校核.17第4章 物理运动机构的调整和结构的简要说明.174.1 丝杠进给速度的调节.174.2 轴向的预紧力的调整及定位.17结论部分.18设计体会.18参考文献.193绪论机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数字控制机床的诞生和发展。数字控制机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，

  7、并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数字控制机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1）适应能力强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数字控制机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2） 加工精度高； 3） 生产效率高； 4） 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5） 良好的经济效益； 6） 有利于生产管理的现代化。机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数字控制机床慢慢的变多的普及应用，数字控制机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。我们国家的经济资源有限，国家

  8、大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。普通车床数控改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，这次设计是在学习完“机电一体化系统模块设计”等专业课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、微机等知识，进行一次机电结合的全面训练，以培养独立分析问题，处理问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。此设计过程为期两个星期，在张跃华老师的指导下，对普通车床进行纵向进给的

  9、改造。由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错误，望老师及同学指点赐教。第1章 机电一体化设计任务总体简介1.1 题目本设计任务是对C620普通车床进行数控改造，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。1.2 设计计算内容概括：确定进给系统所受的载荷、系统的脉冲当量、运动部件的等效负载转动惯量及等效负载转矩的计算，滚珠丝杠的选择、各传动零部件的设计计算、导程的设计、电机的选择、绘制进给系统物理运动部分的装配图、零件图等1.3 C620机床原始数据及主要技术参数最大共建回转直径：在床身上D=400毫米在床鞍上 D=210 毫米最大工件长

  10、度 1000毫米主电动机功率 7.5千瓦；转速1450转/分 最大进给速度 1.0米/分最大快移速度 4米/分起动加速时间 30毫秒移动部件重量 80公斤 机床定位精度 0.015毫米1.4执行机构传动方式的确定由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。为了能够更好的保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一使丝杠速度降低，二则消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有实际效果的减少反向运动死区现象，消隙齿轮箱与丝杠

  11、可采用联轴器形式连接，这样便确定了如下图2-1所示的传动方案。电机消隙齿轮箱滚珠丝杠螺母副工作台图2-1 执行机构传动方案第二章 进给系统物理运动部分的设计计算2.1确定系统的脉冲当量的设计一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，是评价数控加工精度的一个技术参数，本次设计任务给出：Z方向（纵向）是0.01mm/脉冲2.2计算切削力切削力的计算方式有多种，既能够准确的通过切屑用量计算，也能够准确的通过主传动功率计算或根据经验公式计算：主切削力按经验公式估算：在机床床身上工件的最大回转直径（m）根据经验公式按切削力各分力比例：取：2.3计算进给牵引力纵向进给采用综合型导轨，丝杠的进给牵引力为： 式

  12、中考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取；滑动导轨摩擦系数：溜板及刀架重力：2.4计算最大动负载式中滚珠丝杠导程，初选L0=5mm； 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（），此处取；常规使用的寿命，按；运转系数，按一般运转取； 寿命，以转为1单位。初选L0=5mm，带入上式得：2.5滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。根据计算的丝杠的最大

  13、动载荷，查产品样本，纵向滚珠丝杠副可采用G2505-4内循环固定反相器双螺母滚珠丝杠副，圈数，其额定动负载为11825N，额定静载荷为47148N。滚珠丝杠副的额定动载荷大于其最大动载荷，满足承载能力的要求。2.6 传动效率计算滚珠丝杠副的效率为式中螺旋升角，摩擦角，取，滚动摩擦系数f=2.7 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3-1所示，纵向滚珠丝杠副的两端均采用向心推力球轴承，且丝杠进行预拉伸。最大牵引力为2456N，支承间距，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。图3-1 纵向进给系统计算简图2.7.1丝杠的拉伸或压缩变形量受工作载荷Fm作用引起的导程变化量为：

  14、式中：进给牵引力：查出刚才的弹性模量，滚珠丝杠的底径截面积，带入式子得：由于丝杠采用了预拉伸，其拉压强度能大大的提升4倍，故实际变形量为2.7.2滚珠与螺纹滚道间接触变形有预紧时式中：轴向工作载荷，滚珠数量每一圈的滚珠数Z圈数列数=2342=184。带入表达式得：2.7.3支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用向心推力球轴承时总变形量查第3章表300mm行程允许的变形量是0.016，故刚好满足规定的要求。2.8稳定性校核根据临界载荷式中： 支承方式系数,截面惯性矩将数据带入式中得远大于稳定性安全系数,故不会失稳。第3章 机床进给系统步进电机的设计计算与选择3.1 纵向进给减速箱传动比的计算为了使工作台达到4

  15、m/min的速度，所需丝杠的转速为；若步进电机的步距角为，为使工作台达到4m/min的速度，所需的电动机转速为因此，为满足脉冲当量的设计的基本要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，在步进电动机与丝杠之间采用一级齿轮机构进行降速转动。设传动比为i,初步选择步进电机的步距角为，则：选定齿轮的齿数：参考同类型机床，取齿轮的模数2mm.其他参数如下。也能选用同步带轮，即电机轴与丝杠之间采用一级同步带传动。3.2负载的等效换算3.2.1负载等效转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：式中步进电机转子转动惯量、齿轮、的转动惯量滚珠丝杠转动惯量。参考同类型机床，初

  16、选反应式步进电机，其转子惯量 式中、齿轮、的分度圆直径； 、齿轮、的齿宽。代入上式：验算步进电机与传动系统惯量匹配问题。满足惯量匹配的要求。3.2.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：将前面的数据带入，式中各符号意义同前。折算到电机轴上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 上述三项合计得最大切削负载时所需力矩施加在电机轴上的最大等效负载转矩为从上面计算能够准确的看出，三种工况下，以最大切削负载时所需力矩最大，此项作为初选步进电动机的依据。3.3步进电机性能校核3.3.1校核启动转矩110BY

  17、G3503型最大静转矩为。采用三相六拍根据表4-1，步进电机的启动转矩为，满足规定的要求。3.3.2校核运行频率计算空载运行频率为：计算切削时的运行频率为3.3.3校核启动频率根据前面的计算，电机轴上的总转动惯量，电机转子的转动惯量，查产品杨电机的空载启动频率1600HZ.虽然满足不了带载直接启动的要求，需要采用升降控制，以保证电机启动时不产生失步现象。进给系统改造的装配图第4章 物理运动机构的调整和结构的简要说明4.1 丝杠进给速度的调节由于系统为开环系统，故采用脉冲信号的变化来控制步进电机的转速，进而通过齿轮箱到丝杠轴，对大托板的纵向进给速度来控制。4.2 轴向的预紧力的调整及定位由装配图可知

  18、，在丝杠轴的两端各装有一对锁紧螺母（预紧螺母），可有这对螺母对丝杠轴的轴向预紧做调整，并起到定位作用。每组支承部件的另一端，即与锁紧螺母对应的那端采用端盖定位。在丝杠副的一端也采用端盖定位，另一端为锁紧螺母，既预紧又定位。结论部分经过计算、校核、设计，表明改造任务的初步设计合理，数据准确，现改造方案已设计成图纸见装配图。该改造设计相对普通车床来说，提高了自动化程度，加入了计算机控制，操作、结构简单化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是设计者由于能力有限，经验寒酸，时间紧迫，设计及图纸中难免有不妥甚至是重大错误，望老师和同学指正。设计体会课程设计是培育学生综合运用所学知识，发现、提出、分析

  19、和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际在做的工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次课程设计，我感慨颇多。在这两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是总体来讲，效果还是很好的，不仅巩固了以前所学的知识，还学到了很多在书本上无法学到的知识。整个设计过程不能说是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，和第一次课程设计相比，力不从心的感觉不再那么强烈，但在设计的过程中还是发现了自己许多不足之处，使自己认识到对以前所学知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，箱体壁厚取值太小，电机无法固定，并出现设计太随意，尺寸随意取，以至于设计的具体方案难以加工。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有

  20、理论知识是远远不足的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，来提升自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，虽然很累，但看到张老师每天都来给我们指导。是他让我学到了很多书本上无法学到的知识，在此，对他孜孜不倦的指导和和蔼可亲的态度表示真挚的感谢！参考文献查阅的图书如下：机电一体化系统模块设计课程设计指导书赵洪兵主编，西安石油大学出版。机电一体化系统设计朱林主编，石油工业出版社出版。机械零件手册（第五版）周开勤主编，高等教育出版社出版。机床设计手册机械工业出版社出版。机床设计图册机械工业出版社出版。机械设计手册机械工业出版社出版。机械制图（第五版）高等教育出版社出版。机械设计濮良贵、纪名刚主编，高等教育出版社出版几何量公差与检测甘永立主编，上海科学技术出版社出版。查阅的网站如下：http:/

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