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X62W銑床的數控化改造
日期: 2009-01-10
 
      把X62W銑床改造成數控銑床,主要改造的部位是:在主電動機端面加一電磁離合器,以便用指令控制主軸停轉:把工作臺的縱橫向進給運動改造成用步進電動機來控制。垂直進給運動仍採用機動和手動方式。下面主要介紹橫向進給系統的改造和數控系統的硬體設計。
 
1 橫向進給系統設計
 
   在橫向進給系統的改造中,拆掉了原機床的絲杠螺母機構,更換上用步進電動機和一對齒輪驅動的滾珠絲杠螺母副。
 
1. 工作臺重量的估算
 
   縱向工作臺約重100kg,床鞍和回轉盤約重200kg,總重量G=100+200=300kg。
 
2. 切削力計算
 
   切削功率為
 
Nc=NhK (1)
 
式中:N——主電動機功率,7.5kW
h——主傳動系統總效率,一般為0. 6∼0. 7,取0.6
K——進給系統功率係數,取0.96
 
   根據式(1)可得:Nc=4.32kW。又因為Nc=FzV/6120,則Fz=6120Nc/V,V為切削線速度,取100mm/min,所以主切削力Fz=2.59kN。通常:縱向切削分力F縱=(0.6∼0.9)Fz,垂直切削分力F垂=(0.45∼0.7)Fz,橫向切削分力F橫=(0.5∼0.55)Fz。取F縱=0.6Fz=1.55kN,F垂=0.45Fz=1.165kN,F橫=0.5Fz=1.295kN。
 
3. 滾珠絲杠設計
 
    工作臺橫向進給絲杠的軸向力
 
F軸=KF橫+f'(F垂+W) (2)
 
式中:K——考慮顛覆力矩影響的實驗係數,K=1.1
F橫——橫向切削分力f'——導軌上的摩擦係數,f'=0.15
W——工作臺、床鞍和回轉盤重力,W?10G=3kN
 
根據式(2)可得:F軸=2.049kN。
 
1. 強度計算
 
    滾珠絲杠的轉速:n=Vf/p,其中,進給速度Vf=60mm/min,滾珠絲杠的螺距p=6mm,則得:n=Vf/p=10r/min。取壽命時間T=15000h,則壽命值L1=60nT/106=9。取運轉係數fw=1.2,硬度係數fH=1.1,則最大負載Q=(L)⅓1fwfHF軸=5.625kN。根據經驗,選取滾珠絲杠的型號ND3506-1×2/E左,即內迴圈,雙螺母墊片調隙式、公稱直徑為35mm、螺距為6mm、一圈二列、E級精度、左旋、滾珠直徑為3.969mm。其額定動負荷為12.847kN>Q,其強度夠用。
 
2. 效率計算
 
    由於所選滾珠絲杠的螺旋升角a=3°7',摩擦角f=10',則滾珠絲杠的傳動效率h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7'+10')=0.95。
 
縱向進給系統的設計與橫向進給系統的設計類似,計算從略。
 
2 步進電動機及齒輪的選用
 
1. 橫向步進電動機的選取
 
1. 確定步距角取系統的脈衝當量dp=0.01mm/脈衝,選用步距角qb=0.75°
 
2. 啟動力矩的計算
 
絲杠牽引力
 
Fs=F橫+1.414f當W (3)
 
式中f當——當量摩擦係數,f當=0.01
 
代入式(3)得
 
Fs=1.337kN
 
設步進電動機等效負載力矩為M,負載力為F負,根據能量守恆原理,電動機所作的功與負載所作的功相等,即Mfh=F負L,則
 
M=F負L/hf (4)
 
又F負=Fs+µ(W+F1),數控裝置發出一個脈衝後,工作臺的位移量L為一個脈衝當量0.001cm,這時電動機轉過的角度f=2pqb/360°,代入式(4)得
 
M=F負L/hf=360°dp[Fs+µ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm
 
式中:µ——機床導軌摩擦係數,取µ=0.18
F1——與重力方向一致,作用在移動部件上的負載力,F1=F垂=1.165kN
 
     如果不考慮啟動時的運動部件慣性的影響,則啟動力矩Mq=M/0.3∼0.5,取安全係數為0.3,Mq=556N·cm。對於工作方式為四相八拍的步進電動機,Mmax=Mq/0.707=786N·cm。
 
3. 步進電動機的最高頻率
 
    取橫向進給速度最大為Vmax=1m/min,則步進電動機的最高頻率為fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根據以上資料和經驗,選用110BFG型步進電動機較合適,該電動機步距角為0.75°/1.5°,最大靜轉距為800N·cm,最高空載啟動頻率為1800Hz。
 
2. 齒輪設計(橫向)
 
   據步距角qb、滾珠絲杠螺距p、脈衝當量dp,則在步進電動機與滾珠絲杠之間所加的一對齒輪的傳動比為:I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8,選Z1=48,Z2=60,根據經驗,齒輪模數取1.5mm。
 
3 數控系統硬體設計
 
   所用數控系統是我們最近開發的BKC2-Ⅷ型數控系統,主要由主控制系統和顯示系統兩部分組成。主控制系統用於控制鍵盤的輸入和輸出,工作臺在 X、Y方向上的超程,側門關閉,查詢,X和Y向步進電動機的相位及主軸正反轉等。顯示系統用於控制H716501液晶顯示器。這兩部分都採用了新型的單片機 GMS90C32作中央處理器,它可以與MCS-51系列單片機相容,具有快速脈衝編程演算法,採用了CMOS技術,最高工作頻率可達40MHz(本設計採用18MHz),有良好的性能價格比。
 
 
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