CK514立式数控车床X向进给传动系统设计.doc
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CK514立式数控车床X向进给传动系统设计.doc
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CK514立式数控车床X向进给传动系统设计
摘要随着世界科技进步和机床工业的发展,数控机床作为机床工业的主流产品,已成为实现装备制造业现代化的关键设备,是国防军工装备发展的战略物资。
数控机床的拥有量及其性能水平的高低,是衡量一个国家综合实力的重要标志,所以发展数控机床的水平是现时代赋予我们机械类人员的使命。
本课题是关于CK514立式数控车床X向进给传动系统的设计,设计内容包括:
确定系统的负载,确定系统脉冲当量,运动部件惯量计算,空载起动及切削力矩计算,确定伺服电机,绘制机械部分装配图及零件工作图等。
设计从传动方案的确定,传动结构的选择,以及传动部件的选型等等方面逐一开展。
进给传动伺服系统可分为三种:
开环、半闭环和闭环伺服系统。
通过比较,按照使用要求选用半闭环伺服系统。
机械传动结构选用同步齿形带连接伺服电动机和丝杠,这种结构简单,传动扭矩大,并且传动误差小,经济性能好,符合设计要求。
传动部件的选择包括导轨类型的选择及其使用要求,滚珠丝杠螺母副选型和伺服电动机的选择。
关键词:
数控车床进给系统导轨丝杠
X-axisfeedingsystemdesignofCK514CNClathe
AbstractAlongwiththeworldadvanceintechnologyandmachinetoolindustry'sdevelopment,thenumerically-controlledmachinetooltakesthemachinetoolindustrythemainstreamproduct,hasbecomerealizestheequipmentmanufacturingindustrymodernizationkeyequipment,isthenationaldefensewarindustryequipsthedevelopmentthestrategicresources.CNCmachinetool'scapacityandperformancecapability'sheight,isweighsanationalsynthesisstrengththeimportantsymbol,thereforethedevelopmentnumerically-controlledmachinetool'slevelisthepresenttimeentrustswithusthemachinerypersonnel'smission.
ThistopicisabouttheCK514verticalnumericalcontrollatheXfeedtransmissionsystem'sdesign,thedesigncontentincludes:
Definitesystem'sload,definitesystempulseequivalent,movingpartinertiacomputation,idlingstartingandcuttingmomentofforcemachinecomputation,definiteservoelectricalmachinery,planmachinepartassemblydrawingandcomponentsshopdrawingandsoon.Thedesignfromthetransmissionplan'sdetermination,thetransmissionstructure'schoice,aswellastransmissionpart'sshapingandsoonaspectsdevelopsonebyone.Tofeedtransmissionservermaydivideintothreekinds:
Split-ring,halfclosedloopandclosedloopserver.Throughthecomparison,selectsthesemi-closureaccordingtotheoperationrequirementstolieinwaitfromallsidestheclothingsystem.Themechanicaldrivestructureselectstheshaftcouplingdirectconnectionservomotorandtheguidescrew,thiskindofstructureissimple,thetransmissiontorqueisbig,andthetransmissionerrorissmall,theeconomicalperformanceisgood,meetsthedesignrequirements.Transmissionpart'schoiceincludingguiderailtypechoiceandoperationrequirements,ballbearingguidescrewnutvice-shapingandservomotor'schoice.
KeywordsNumericallycontrolledlatheFeedingsystemGuiderailGuidescrew
目录
引言…………………………………………………………………………………………1第一章概述………………………………………………………………………………1
1.1数控车床的概述…………………………………………………………………1
1.1.1数控车床的分类………………………………………………………………1
1.1.2数控车床的结构特点…………………………………………………………2
1.2CK514立式数控车床的简介……………………………………………………2
1.2.1CK514立式数控车床的功能…………………………………………………2
1.2.2CK514立式数控车床的结构特点……………………………………………2
1.2.3CK514立式数控车床的技术参数……………………………………………3
第二章车床进给传动系统的总体设计……………………………………………3
2.1数控机床进给伺服系统概述……………………………………………………3
2.2进给伺服系统种类介绍及选择…………………………………………………3
2.3电机与丝杠联结方式的选择……………………………………………………5
第三章车床进给系统传动部件的选择……………………………………………5
3.1进给系统的机械传动结构要求…………………………………………………5
3.2滚珠丝杠螺母副的选型…………………………………………………………5
3.2.1滚珠丝杠的工作原理及选用要求……………………………………………5
3.2.2滚珠丝杠螺母副的计算和选用型号…………………………………………6
3.2.3滚珠丝杠的安装、润滑和防护………………………………………………8
3.3同步齿形带设计…………………………………………………………………9
3.3.1同步齿形带特点………………………………………………………………9
3.3.2同步齿形带设计计算…………………………………………………………9
3.4导轨的类型及选取………………………………………………………………10
第四章进给系统电动机的选择………………………………………………………11
4.1电动机类型的确定………………………………………………………………11
4.2电动机的选择……………………………………………………………………12
4.2.1电动机选型的要求……………………………………………………………12
4.2.2伺服电动机的选型……………………………………………………………12
结论…………………………………………………………………………………………13
致谢…………………………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………………15
引言
本设计题目是CK514立式数控车床X向进给传动系统的设计,这是我在大学学习阶段最后一次设计,也是最重要的一次设计。
通过这次设计,使我学会了很多东西。
他培养我综合运用所学的基础理论,基本知识和基本技能,提高分析解决实际问题的能力,检验我的综合素质与实践能力,是学生毕业的重要依据,为我们就业和进入社会作好准备。
随着世界科技进步和机床工业的发展,数控机床作为机床工业的主流产品,已成为实现装备制造业现代化的关键设备,是国防军工装备发展的战略物资。
数控机床的拥有量及其性能水平的高低,是衡量一个国家综合实力的重要标志。
我国是制造业大国,制造业在国民经济发展中占重要地位,所以我们要重点发展数控技术,使我国数控机床制造水平站在世界前列。
数控车床主传动系统和进给系统是其最重要的部分,它们制造水平的高低直接影响机床的性能,这也是本课题研究的目的。
第一章概述
1.1数控车床的概述
1.1.1数控车床的分类
数控车床种类繁多、归格不一,可按如下方法进行分类。
1.按数控车床的档次分类:
(1)简易数控车床:
简易数控车床一般用单扳机或单片机进行控制,属于第档次数控车床。
(2)经济行数控车床:
经济型数控车床一般有单显CRT、程序储存和编辑功能,属于中档次数控车床。
(3)全功能数控车床:
全功能数控车床主轴一般采用能调速的直流或交流主轴控制单元来驱动。
(4)高精度数控车床:
高精度数控车床主要用于加工类似磁鼓、磁盘的合金铝基板等需要镜面加工,并且形状、尺寸精度都要求很高的零部件,可以代替后续的磨削加工;这种车床的主轴采用超精密空气轴承,进给采用朝精密空气静压导向面,主轴与驱动电动机之间采用磁性联轴器连接等。
(5)高效率数控车床:
高效率年数控车床主要有一个主轴两个回转刀架及两个主轴两个回转刀架等形式,两个主轴和来年感个回转刀架同时工作,提高了机床的工作效率。
(6)车削中心:
在数控车床上增加刀库和C轴控制后,除了能车削、镗削外,还能对端面和圆周面任意进行钻、铣、攻螺纹等加工;而且在具有插补的情况下,还能铣削曲面,这样就构成了车削中心。
(7)FMC车床:
FMC车床实际上是一个有数控车床、机器人等构成的一个柔性加工单元,它出来具备车削中心的功能外,还能实现工件的搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。
2.按加工零件的基本类型分类:
卡盘式数控车床和顶尖式数控车床。
3.按数控车床主轴位置分类:
立式数控车床和卧式数控车床。
1.1.2数控车床的结构特点
数控车床是由主轴箱、刀架、进给系统、床身以及液压、冷却、润滑系统等部分组成,数控车床的进给系统与普通车床的进给系统在结构上有本质的区别。
普通车床的进给运动是经过交换齿轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向和横向进给运动的,而数控车床上采用伺服电动机将滚珠丝杠传到滑板和刀架,实现Z(纵)向和X(横)向进给运动,其结构较普通车床大为简化。
数控车床的机械结构特点如下:
1.采用高性能的主轴部件,具有传递功率大、刚度高、抗震性好及热变形小等优点。
2.进给伺服传动一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等高性能传动件,具有传动链短、结果简单、传动精度高等特点。
3.高档数控车床,具有较完善的刀具总动交换和管理系统。
工件在车床上一次安装后,能总动地完成工件多道加工工序。
1.2CK514立式数控车床的简介
1.2.1CK514立式数控车床的功能
CK514立式数控车床,它主要用于盘类、短轴零件的加工,可完成车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等工序,适合于中小批量的轮番加工,也可正、倒结合,组成生产线大批生产。
1.2.2CK514立式数控车床的结构特点
CK514数控立式车床,机床采用组合式防护,造型新颖美观,具有时代感,安装、维修方便,安全性高;机床布置正、倒两种形式,并配有自动输料装置,可自动装夹工件进行加工,机床可根据加工工艺需要,选择单机或正倒、正正、倒倒等,组成自动线,正倒组合,工件连线加工,无需正、反需翻转。
电气控制采用SIEMENS半闭环控制系统,机床工艺适应性强,加工效率高,废品率低,成品一致性好,对工人技术熟练程度的要求低,且编程容易,操作简单,机床性价比高。
1.2.3CK514立式数控车床的技术参数
最大回转直径mm520
最大切削直径mm400
最大切削高度mm250
主轴转速范围r/min50-2000(无级)
最大扭矩N·m550
刀架工作行程X/Zmm2410.5/450
刀架快移速度X/Zm/min15/15
刀台形式卧式八工位
刀具尺寸φ40
加工精度IT6
表面粗造度Ra1.6
主电机功率kw28.8
第二章 车床进给传动系统的总体设计
2.1数控机床进给伺服系统概述
数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件(如工作台)的位置和速度作为控制量的自动控制系统,也就是位置随动系统。
它的作用是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件生成的进给脉冲,经变换、放大将其转化为数控机床移动部件的位移,并保证动作的快速和准确。
伺服系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能,如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。
伺服系统由执行元件和驱动控制电路构成。
伺服系统的基本要求主要是稳定性好、精确度高以及快速响应性。
2.2进给伺服系统种类介绍及选择
伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
1.开环伺服系统
开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统,执行元件一般为步进电机,其控制原理如图1所示。
开环进给伺服系统的精度较低,速度也受到步进电动机性能的限制。
但由于其结构简单,易于调整,在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。
图1开环控制系统
2.闭环控制系统
因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求,所以为了保证精度,最根本的办法是采用闭环控制方式。
闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统,其控制原理见图2。
图2闭环控制系统
3.半闭环控制系统
采用旋转型角度测量元件(脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等)和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统,称作半闭环控制系统,其控制原理见图3。
半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式:
一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端;另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。
图3半闭环控制系统
由上述三种方式对比,考虑使用要求和经济性要求,本设计选用半闭环控制系统。
2.3电机与丝杠联接方式的选择
滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种:
1.联轴器直联接这是一种最简单的连接型式。
这种结构型式的优点是具有最大的扭转刚度;传动机构本身无间隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便,适用于像中小型号的数控车床。
联轴器采用挠性联轴器,这是数控机床上广泛采用的一种联轴器,它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象。
采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接,不仅可以简化结构,减少噪声,而且可以消除传动间隙,能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。
2.通过齿轮联接这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合;但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差,一般用于精度要求低的机床中。
3.通过同步齿形带联接同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。
并且传动不打滑、不需要大的张紧力;但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。
在满足机床要求的前提下,通过对比本课题采用通过同步齿形带联接电机与丝杠副,这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度,制造成本低,传动精度高,而且结构简单,安装调整方便。
第三章车床进给系统传动部件的选择
3.1进给系统的机械传动结构要求
进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性,将直接影响工件的加工精度。
为此,数控机床的进给传动系统必须满足:
1.传动精度高;2.摩擦阻力小;3.运动部件惯量小。
3.2滚珠丝杠螺母副的选型
3.2.1滚珠丝杠的工作原理及选用要求
滚珠丝杠螺母副是目前中、小型数控机床使用最为广泛的传动型式。
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动的传动装置,在数控机床进给系统中是使用最为广泛的传动装置,其工作时在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠。
当丝杠相对于螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,迫使二者发生轴向相对位移。
当丝杠固定时,螺母即可以产生相对直线运动,从而带动工作台做直线运动。
为了防止滚珠从螺母中滚出,在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭和回路。
由于滚珠的存在,丝杠与螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。
因此传动效率很高。
由于摩擦系数小,不能自锁,因而使该机构的传动具有可逆性,而且滚珠丝杠螺母副有专业厂生产,选用配套方便。
以下几点是其选择要求。
1.滚珠丝杠传动的优点
传动效率高,以极小的滚动摩擦代替了传统的滑动摩擦,大大减小的摩擦使滚珠丝杠副的传动效率获得极大地提高,传动效率达90%以上。
进而,整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠副的1/3左右。
因此,滚珠丝杠能够顺滑地实现两种传动方式--将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动。
传动精度高,由于滚珠丝杠副传动效率达到90%以上,因而发热率大大降低,热变形就小,若使用的丝杠螺母预紧后,可以完全消除间隙,使设备获得很高的定位精度和重复定位精度。
摩擦阻力小,几乎与运动速度无关,动静摩擦力之差极小,能保证运动平稳,不易产生低速爬行现象;磨损小、寿命长。
滚珠丝杠副中的主要零件,均经热处理,具有很高的硬度及表面光洁度,再加上滚动摩擦的摩损很小,因而具有良好的耐磨性,实际寿命往往大于理论寿命。
2.滚珠丝杠的选择
滚珠丝杠已经标准化,所选择的滚珠丝杠是根据《金属切削机床设计简明手册》类比所得。
3.滚珠丝杠副及预紧方式的选择
滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种,根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。
由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边,所以很容易损坏而出现卡死现象,而内循环式的回珠器在螺母副内部,不存在卡死和脱落现象。
由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便,而且其传动刚性比单螺母也好。
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。
所以在本设计中,采用双螺母内循环的形式,用双螺母垫片预紧。
3.2.2滚珠丝杠螺母副的计算和选用型号
1.计算丝杠最大载荷Fmax(N)
丝杠最大载荷,为切削时的最大进给力加摩擦力。
最大切削力Fc等于最大扭矩比最小切削半径,计算可知为5500N。
作为粗略的估计,最大进给力Ff=0.5Fc=2750N;最大背向力Fp=0.5Fc=1375N。
可知丝杠最大载荷为
Fmax=KFc+f(Fc+Fp+G)=[1.1×2750+0.04(5500+1375+800×9.8)]N
=3614N
式中K—考虑颠复力矩影响的实验系数,取K=1.1;
f—滑动导轨摩擦系数,取0.04;
G—溜板及刀架最大重力,取800gN。
2.计算最大动负载C
丝杠的最小载荷为摩擦力
Fmin=Fg=0.04×800×9.8=314N
平均载荷为Fm=(2Fmax+Fmin)/3=2514N
由已知可得丝杠的平均转速
n=1350r/min
用下面公式可求的其最大动载荷C
C=(3-1)
L=(3-2)
式中T—使用寿命,按15000h;
—运转系数,按一般运转取1.2~1.5;
L—寿命以百万转为单位。
L=(60×1350×15000)/1000000=1215
C==40239N
根据计算出的最大动负载,查阅〈〈机械设计手册〉〉,可采用FFZD4010-5-1内循环螺纹滚珠丝杠。
额定动载荷为56KN,符合要求。
丝杠直径40mm,钢珠直径7.144mm导程0.5mm,浮动反向器内循环。
每个螺母滚珠有5列,双螺母垫片预紧。
丝杠副精度等级选P1级。
3.2.3滚珠丝杠的安装、润滑和防护
1.滚珠丝杠的安装
数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外,滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。
螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。
滚珠丝杠螺母副安装不正确以及支承刚度不足,还会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。
常见的丝杠安装有以下几种形式
(1)一端固定,一端自由
(2)两端游动(3)一端固定,一端游动(4)两端固定。
有时为了补偿丝杠的热变形和保持预紧力,可在丝杠的一端安装碟形弹簧和调整螺母,这种支承形式刚度最高,只要轴承无间隙,丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍,安装时需保持螺母与两端支承同轴,丝杠一般不会受压,固有频率比一端固定要高,可以预拉伸,预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀,要进行预拉伸的丝杠,其目标行程应略小于公称行程,丝杠的支撑轴承采用滚珠丝杠专用轴承,这是一种特殊的向心推力球轴承,其接触角增大到60度,增加了滚珠数目并相应减少了滚珠直径,使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍。
该轴承一般是成套
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