基于单片机的普通车床自动化改造——机械部分设计

基于单片机的普通车床自动化改造——机械部分设计内容摘要：

根据机床精度的要求来确定。 对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 ,在CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为。 横向脉冲当量为fp=。 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 （ 1）最大工作荷载计算 滚珠 丝杠的工作载荷 Fm（ N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝 杠所承受的轴向力（进给牵引力）。 它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式计算 工作载荷的大小。 Fm=KFL+f’ (Fv+G) （ 1） 1）车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx﹑ Fy﹑ Fz，主切削力 Fz 与主切削速度方向一致 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。 切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面 质量。 进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算： Fz=CFzα PXFzfyFzVnFz KFz =5360(N) （ 2） 由《金属切削原理》知： Fz:Fx:Fy=1:: 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因为 车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷 F1﹑ Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有对应关系。 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f’ (Fv+G) = 1340+ (5360+90 ) =(N) 对于三角形导轨 K=, f’ =～ ,选 f’ =(因为是贴塑导轨 )， G是纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量，选纵向﹑横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. （ 2）最大动载荷 C的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca选用，计算： C=3L fmm （ 3） L为工作寿命，单位为 10r， L=60nt／ 10。 n 为丝杠转速（ r／ min） ,n=1000v／ L0。 v为 最大切削力条件下的进给速度（ m／ min） ,可取最高进给速度的 1/2～ 1/3。 L0为丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm。 fm 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取 fm=. V 纵向 = 1400r/min=2226mm/min n 纵向 =v纵向 1/2/L0=2226 1/2/12=∴ L=60nt/106=60 15000/106= 则 C=3L fmFm =3 =11740（ N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C。 因此有 Ca＞ C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式 滚珠接触面上的塑性变形。 即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa 是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=2～ 3. 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。 考虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝 杠的型号为型 CD63 型，主要参数为 Dw=,Lo=8mm,dm=63mm,λ =2o19 ’，圈数列数 1 （ 3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为η η =tgλ /tg(λ +φ )=tg2o19 ’ /tg(2o19 ’ +10’ )=92% （ 4） 2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 1 . 丝杠的拉压变形量δ 1 δ 1=177。 Fml/EA （ 5） =177。 2280/ 10π ()2 = 2 . 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ 2 采用有预紧的方式，因此用 公式δ 2=3 200  Dw FyjZFm （ 6） = 3  = 在这里 Fyj =1/3Fm=1/3 =597N Z=π dm/Dw= 63/= Z∑ = 1= 丝杠的总变形量δ =δ 1+δ 2=+= 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 ，故所选丝 杠合格。 3）压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失 去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。 失稳时的临界载荷为 Fk Fk=fz2EI/L2 式中： E 为丝杠材料弹性模量，对钢 E= 104Mpa； I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 I=π dl4/64(mm4)(dl 为丝杠的底径 )； L 为丝杠的最大工作长度（ mm）； fz为丝杠的支撑方式系数由表 1查得。 表 1 丝杠的支撑方式系数 方式 两端端自由 一端固定一端自由 两端固 定 两端简 支 Fz 由 Fk=fzπ 2EI/L2 且 fz==, E= 104Mpa, I=π dl4/64mm4,L=2800mm 为丝杠的长度 由于 I=π dl4/64 （ 7） =π ()4/64 = =519614mm Fk=2 104 519614/28002 =276276 Nk=276276/1875 =1494 所以丝杠很稳定。 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 （ 1）选择型号 1）最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： k= f’ =,F1 为工作台进给方向载荷， Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作载荷： Fm=kF1+f’ (Fv+2Fc+G) = 2144+(5360+2 1340+ 75) = 2）最大动载荷的计算 V横 =1400r/min n横丝 =v 横 1/2/L0纵 =1106 1/2/4= L=60nt/=60 15000/106= C=3L fmFm =3 = 初选滚珠丝杠型号为： CD50 其基本参数为 Dw=,λ =2o11’ ,L0=6mm,dm=50mm,圈数 列数 1 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率η计算 η ==tgλ /tg(λ +φ )=tg2o11 ’ /tg(2o11 ’ +10’ )=93% 2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 δ 1=177。 Fm L/EA=177。 320/ 104π 252=177。 3 200  Dw F yjZFm 3 400  = 在这里 Fyj=Fm/3= Z=π dm/Dw= 50/= Z∑ = 1= 丝杠的总变形量 δ =δ 1+δ 2=+= 查表知 E 级精度允许的螺距误差为 ，故所选丝杠合格 （ 3）滚珠丝杠螺母副的精度等级： 数控机床根据定位精度的要求通常选用 15 级精度的滚珠丝杠， 15级 度丝杠的行程公差数值如表２所示： 表 2 滚珠丝杠行程公差 /μ m 项目 符号 有效行程 lm/mm 精度等级 1 2 3 4 5 目标行程公差 ep ＜ 315 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程变动量公差 Vmp ＜ 315 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意 300mm 内行程变动量 V300p。