X502型立式铣床横向进给系统数控改造PLC控制资料.docx
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X502型立式铣床横向进给系统数控改造PLC控制资料
X502型立式铣床横向进给系统数控改造(PLC控制)
一.总体方案的确定
首先先查出X502的参数如下表:
X520立式铣床
主要参数
[机床用途]:
X502型立式铣床适用于加工中、小型零件的平面或成形表面,其使用范围如下:
(1)加工与主轴中心线平行的平面
(2)加工与主轴中心线垂直的平面
(3)利用主轴头的回转,加工具有一定斜度的平面(在±45度范围内)
(4)加工成形表面
(5)铣切沟槽
[机床特点]:
结构简单,有足够的强度和刚性,保险装置较完善,并有较多的主体运动速度和进刀速度,主要适合中、小型零件的加工,如采用某些附件或夹具,使用范围广泛。
[技术参数]
主轴端面到工作台面的距离
最大330mm最小30mm
主轴中心线到床身垂直导轨的距离
工作台的侧边到床身垂直导轨的距离
最大195mm最小45mm
工作台台面尺寸(长×宽)
750×225
工作台最大移动距离
纵向(手动或机动) 450mm横向(手动) 150mm升降(手动)300mm
刻度盘一格的移动量
纵向0.05mm横向及垂直0.05mm
刻度盘每转移动量
纵向6mm横向4mm垂直3mm
工作台上的T型槽数目
3个
T型槽宽度
14mm
主轴锥孔锥度
7:
24
主轴孔直径
24mm
主轴头最大回转角度
±45度
主轴头回转盘上的刻度值
1度
机床外形尺寸(长×宽×高)
1200×1135×1630mm
机床重量
约1010kg
主轴变速数
8
主轴转速
47.5/67/95/132/190/265/375/530转/分
主轴驱动功率
1.45kw
工作台纵向进刀数目
8
工作台纵向进刀量
26/38/54/77/117/169/240/347mm/分
进刀机构容许最大抗力
1010kg
主电机
型号JO2-31-4型功率2.2kw转数1430r/min电压220/380v
冷却泵电机
功率0.125kw转数2800r/min电压220/380v
将一台X502立式铣床改装成微机数控铣床,要求原机床的改动尽量少,以降低成本,提高性价比,根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵向进给的机动部分。
改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及,因此采用步进电机作为伺服元件,用来驱动纵横向工作台的进给运动。
拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母机构,改用步进电机和一对减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。
下面为横向进给机构的机械部分改装设计。
X502铣床传动系统图
二.机械部分设计计算
2.1.工作台横向进给部分改造设计
2.1.1.脉冲当量、步距角和降速比的选择
脉冲当量δ,步距角α,丝杠螺距t和降速比i之间的关系为
δ=αt/i360°
一般数控铣床δ取为0.01mm,α=1.5°,t=4mm,则减速比i为
i=αt/δ360°=1.5°×4/﹙360°×0.01﹚=1.67
2.1.2.切削力的估算
切削力由刀具的材料、铣削工具的材料、切削用量等许多因素决定。
设计机床时从计算铣削力开始估算电动机的功率。
对于现有机床的改造设计可以从已知机床的电动机功率和主轴上传递的功率反推出工作台进给时的铣削力。
该机床的主运动和进给运动均用一个电动机。
进给传动的功率较小,可以在主传动功率上乘以一个系数k,由机床设计手册查的铣床的k为0.85.
主传动功率包括切削功率Pc,空载功率Pm0,附加功率Pmc三部分,即总功率
P=Pc+Pm0+Pmc
空载功率是机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率,对于一般的轻载、高速的中小机床,可达总功率的50%,现取Pm0=0.5P。
附加功率Pmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率,它直接与载荷大小有关。
可用下式计算,即Pmc=(1-η)Pc,所以总功率为
P=Pc+0.5P+(1-η)Pc
则Pc=0.5P/(2-η)
在进给传动中的切削功率Pct=k0.5P/(2-η)
主轴上的传动功率为1.45kW,电动机功率为2.2kw,则
η=1.45/2.2=0.66
Pct=0.85×0.5×2.2/(2-0.66)=0.698(kw)
切削时主轴上的转矩为
Tn=955000Pct/n(N·cm)
主轴上的转速有8种,现有最低转速n=47.5r/min代入,则主轴上最大转矩为
Tn=955000×0.698/47.5=14033(N·cm)
铣刀的最大直径为32mm,主切削力Fz=14033/3.2=4385﹙N﹚
2.1.3.计算各切削分力
依据《数控技术课程设计》中表2-1工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值知:
铣削条件为立铣时,逆铣状态下F1/FZ=(1.00~1.20)、Fv/FZ=(0.20~0.30)、Fc/Fz=(0.35~0.40)
故可得工作台横向切削力Fc、纵向切削力F1和垂向切削力Fv分别为
Fc=0.35Fz=0.35×4385=1535N
F1=1.00Fz=1.00×4385=4385N
Fv=0.20Fz=0.20×4385=877N
2.2.滚珠丝杠设计计算和选择
依据《机电一体化系统设计》中滚珠丝杠副的选择方法:
在选用滚珠丝杠副时,必须知道实际的工作条件:
最大的工作载荷Fmax(或平均工作载荷Fcp)(N)作用下的使用寿命T(h)、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)l(mm)、丝杠的转速n(或平均转速ncp)(r/mim)、滚道的硬度HRC及丝杠的工况,然后按下列步骤进行选择。
2.2.1承载能力的选择
计算作用于丝杠轴向最大动载荷FQ(N),然后根据FQ值选择丝杠的型号。
FQ=
fHfWFmax
式中L:
滚珠丝杠寿命系数(单位为106转,如1.5则为150万转),L=60nT/106(其中T为使用寿命时间,h),普通机械为5000~10000、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000、航空机械为1000;
fW:
载荷系数(平稳或轻度冲击时为1.0~1.2,中等冲击时为1.2~1.5,较大冲击或振动时为1.5~2.5);
fH:
硬度系数(HRC
58时为1.0,等于55时为1.11,等于52.5时为1.35,等于50时为1.56,等于45时为2.40)。
首先进行工作载荷的计算,对矩形导轨工作时的轴向力:
Fμ=μ(W+fg+Fv+F1)N
式中:
W——坐标轴上移动部件的全部重量(包括机床夹具和工件的重量,N);
μ——摩擦系数,随导轨形式不同而不同,对于贴塑导轨,μ=0.15;对于滚动直线导轨,μ=0.01;
fg——镶条紧固力(N),其推荐值可查表2—3.依据导轨形式和主电机功率2.2kW贴塑导轨选定fg为500
对于W值由于工作台质量约为100kg,其余未给定,故只能大概给定W=1000N.则
Fμ=μ(W+fg+Fv+F1)
=0.15×(1000+500+4385+877)
=1014.3N
计算最大轴向负载力Fmax。
Fmax=Fc+Fμ=(1535+1014.3)N=2549.3N
故其寿命值
其中:
使用寿命时间T取15000小时,
进给速度V值的选取V=0.4m/min.
L0前边已经选取4mm。
故
=1000×0.4/4=100r/min
则
=60×100×15000/106=90
因此FQ=
fHfWFmax可以计算,其中fH选择为1,fW选择为1.2故:
FQ=
fHfWFmax
=
×1×1.2×2549.3
=13709.3N
依据计算所得最大动载荷的值以及前边的基本导程查《数控技术课程设计》表A-3常用滚珠丝杠型号及参数表选取FFZD3204-5公称直径d0=32,基本导程L0=4,丝杠外径d1=31.1,钢球直径DW=3,丝杠底径d2=28.9,动载荷Ca=15kN,静载荷Coa=46.5kN,刚度K=1340(N/μm).
2.2.2.效率计算
滚珠丝杠副传动效率:
其中螺旋升角:
,其中
为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10'.
故
=
=0.93
满足滚珠丝杠副效率要求。
2.2.3.刚度验算
丝杠的拉压变形量
式中:
A-滚珠丝杠的截面面积,
=655.97mm2
Ph-丝杠导程,Ph=4mm;
E-弹性模量,
.
故
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量δ2很小,可忽略,因此导程变化总误差为
δ=
=
=18.5μm/m;
查表知选用F级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为30μm/m,故刚度足够。
2.2.4.稳定性验算
失稳时的临界载荷FK
式中:
E为丝杆材料弹性模量,对钢
I为截面惯性矩,对丝杆圆截面
为丝杆底径,
L为丝杆最大工作长度,横向查参数取L=150mm
为丝杆支承方式系数取
=2.0
则有:
稳定安全系数
:
则有
选丝杆稳定安全系数,故满足稳定性要求。
2.2.5.确定滚珠丝杠副支撑轴承
根据滚珠丝杠对轴承的要求,用于滚珠丝杠的轴承应具有较大的接触角。
600接触角推力角接触球轴承就是较好的与滚珠丝杠配套的专用轴承。
它的特点如下:
①接触角大,保持架用增强尼龙注塑成形,可容纳较多的钢球,因此轴向承载能力大,刚度高;
②既能承载轴向载荷,又能承受径向载荷,故支承结构可以简化;
③根据载荷情况,轴承可以进行各种组合;
④这种轴承是根据规定的预紧力组配好成组供应的,用户不需要自己调整;
⑤启动摩擦力矩小,可以降低滚珠丝杠副的驱动功率,提高进给系统的灵敏度。
推力角接触轴承的组配方式有多种。
基本的组配方式有三种:
背靠背,面对面和串联(同向)。
这里选择面对面组配即DB方式。
两端固定的支承形式,轴承内径d应略小于丝杆底径d2=28.9mm.故依据《数控技术课程设计》表A-2滚珠丝杠专用球轴承角接触球轴承选择760205TNI。
d=25,D=52,B=15.
2.2.6.确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度Ls
Ls=Lu+2Le+2Lc
式中:
Lu——有效行程(mm),Lu=行程+螺母长度;
Le——安全行程(mm),Le=5L0;
Lc——余程(mm),Lc=2L0。
故有
Ls=Lu+2Le+2Lc
=150+92+40+16
=298mm
2.2.7.确定滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离
L=行程+安全行程+2*余程+螺母长度+支承长度
≈
行程+
L0
取L=1.4*行程+30L0
=(1.4*150+30*4)mm
=330mm
2.3.步进电机设计计算和选择
2.3.1脉冲当量、步距角和降速比的选择
脉冲当量δ,步距角α,丝杠螺距t和降速比i之间的关系为
δ=αt/i360°
一般数控铣床δ取为0.01mm,α=1.5°,t=4mm,则减速比i为
i=αt/δ360°=1.5°×4/﹙360°×0.01﹚=1.67
2.3.2步进电动机转轴上启动力矩的计算
式中:
——脉冲当量,mm;0.
F
——铣削进给抗力,N;
μ——摩擦因数;
G——工作台及工件夹具总重力,N;
FfN——垂直分力,N;
——总机械效率。
取
=0.66,μ=0.2,G=1000N,则
=
=275.5
2.3.3.最大静转矩的计算
对于工作方式为三相六拍的步进电机,最大静转
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