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数控立式车铣床结构设计与研究

  本课题主要对XKA5750数控立式铣床升降台横向进给、垂直进给系统进行了结构设计、原理分析、零件尺寸计算及强度较核,基本上实现了升降台的正常运行,主要工作包括横向进给、垂直进给系统内部传动系统的设计,进给系统驱动电机的选择,滚珠丝杠的选择计算,传动齿轮的选取计算,以及相应的重点部件如轴、轴承的强度校核,确保可靠性设计。
 
  数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。数控铣床作为初加工设备,主要用于材料切割下料。从适用行业及企业来看,数控铣床重点发展高速、精密数控铣床和高速、高精度数控铣床及高速、高精度立卧式加工中心等。
 
数控立式车铣床
 
  1 方案确定
 
  本文以XKA5750数控立式铣床为例,工作台的垂直方向进给传动系统,是由交流伺服电动机通过速比为1:2的一对梯形齿形同步带轮,将运动传到轴,再将运动传动至导程为6mm的滚珠丝杠,带动升降台运动。垂直方向通过制动器带动轴上的锥齿轮从而实现滚珠丝杠的减速和停止。
 
  横向进给是由交流伺服电动机通过速比为1:2的一对梯形齿形同步带轮,将运动传动至导程为5mm的滚珠丝杠从而带动工作台运动。根据XKA5750数控立式铣床的技术参数,机床外形尺寸(长×宽×高)、工作台面积(宽×长) 、工作台纵向行程、滑枕横向行程、工作台垂直行程、主轴端面到工作台面距离、主轴中心线到床身立导轨面距离、主轴转速、工作台的行程、进给速度、快速移动速度和电动机功率,确定了垂直进给的系统传动方案和横向进给的系统传动方案。
 
  2 垂直进给传动系统的设计
 
  根据伺服电机切削负载转矩,不得超过电机的额定转矩等选用要求,选择垂直方向伺服电机为1FT5-102-0AA01,重量为31kg,惯性矩J=131*10-4kg.m2额定转速nN=1200r/min,静扭矩M0=27N.m。
 
  根据选用的电机参数,对铣床垂直进给系统进行了传动比的分配、滚珠丝杠的设计和安装设计,垂直进给丝杠所受轴向载荷分析、滚珠丝杠尺寸计算、切削力计算、载荷Fmax计算、垂直方向导轨摩擦力计算、滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算和垂直方向导轨摩擦力计算,设计出丝杠的安装及装配图。
 
数控立式车铣床
 
  通过对传动系统的运动和运动参数计算、传动系统的运动和运动参数计算,梯形同步带参数计算,进行了梯形同步带的设计。通过锥齿轮的参数选择,按齿面接触强度设计、几何尺寸计算、按齿面接触强度校核,按齿根抗弯强度校核进行了锥齿轮的设计,并对交流伺服电机进行了校核和传动轴的设计。最后,进行轴承的校核和制动器的设计之后,将所有零件装配,设计得到垂直进给系统三维传动装配图,如图1所示。
 
  本节主要内容是垂直进给系统中各个零部件基本结构、基本尺寸进行了详细的设计、计算,并利用Pro/E对数控铣床的结构进行三维建模。
 
  此设计实现了XKA5750铣床升降台垂直进给系统的传动路线,使用高效率的梯形同步带和锥齿轮传动,但是方案还是有待改善,可以使用联轴器将传动轴与交流伺服电机相连,实现更准确更有效的传动。
 
  3 横向进给传动系统的设计
 
  通过对横向进给系统主切削力计算、各切削分力计算、导轨摩擦力计算、滚珠丝杆螺母副的轴向负载力计算、丝杠导程及长度计算、作用在丝杠上的动负荷Ca计算、滚珠丝杠的稳压校核、刚度的验算和效率计算等参数计算,设计出滚珠丝杆螺母副的轴向载荷图。
 
  最后M行了伺服驱动电机的选择和梯形同步带的设计,设计出如图2所示横向进给传动系统丝杠的三维装配图。本节主要内容是横向进给系统中各个零部件的参数设计和校核,最后使用CAD与Pro/E制图软件画出了零件图和装配图,并对图形进行了分析。缺点在于使用了梯形同步带进行过渡传动,可以直接将滚珠丝杠与交流伺服电机轴相连,提高传动效率,同时降低成本,也使XKA5750的横向进给的传动更合理。
 
数控立式车铣床
 
  (1)电控方面:指令控制异常;测速发电机异常;
 
  (2)机械传动链:立式车床主轴传动带过松;测速发电机连接松动打滑;导致速度跟随不良,造成主轴转速波动。
 
  在实际维修中,我们首先检查了立式车床传动链的连接,排除了这方面可能造成的故障。
 
  1)开环数控回转工作台
 
  立式车床采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动。
 
  通常消除间隙有两种方法:一是采用双导程变齿厚蜗杆,它能够始终保持正确的啮合关系,且结构简单,调整方便。
 
  二是采用双蜗杆传动,这种方法可以正确的啮合关系和完全的齿面接触,但制造成本高,传动效率低;
 
  (2)分度工作台
 
  数控立式车床的分度工作台与数控回转工作台不同,它只能完成分度运动。它不能实现圆周进给,也就是说在切削过程中不能转动,只是非切削状态下将工件进行转位换面,以实现在一次装卡下完成多个面的多工序加工。数控立式车床它分为定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。
 
  1)鼠齿盘式分度工作台
 
  工作过程分为三步:①工作台抬起;②工作台回转分度;③工作台下降并定位锁紧。
 
  2)定位销式分度工作台
 
  定位销式分度工作台的结构图。数控立式车床工作过程分为三步:①工作台松开并抬起;②工作台回转分度;③工作台下降并锁紧。
 
数控立式车铣床
 
  在切削速度和加工质量之间,各种切削参数的选择,都将遵循切削理论所揭示的规律。在超过极限值或在更高的主轴转速下进行加工,会引起切削温度的升高,工件的离心力更大,也可能会引发机床的振动。主轴转速越高,从旋转轴产生的向外拉伸零件的力(离心力)越大,尤其在精加工中,离心力对主轴轴承影响更加大。
 
  数控立式车床的加工切削速度固定值为,要确保其加工零件精度,控制机床主轴转速,可通过控制系统中的命令G96,实现恒定的切削速度。该程序是通过控制直流电动机或者变频三相电动机的转速来执行恒速指令。随着加工直径减小,在理论上,切削转速可无限增大,但高转速时,因工件产生的径向力过大,会导致夹具受力剧增,造成夹具与立车本体损坏等事故。
 
  在加工零件时,当圆周切削速度恒定时,可使立式车床削后工件表面的粗糙度保持一致,也能提高刀具的使用寿命。在设置恒定切削速度后,在被加工件的不同直径处主轴的转速是变化的。在切削工件的大直径处时,主轴转速较低。在切削工件的小直径处,主轴转速较高。如果主轴转速太高,工件就会有飞出的危险,所以需要限制主轴的极限转速。
 
  立式车床轴半坐标控制.如果要在圆锥体上加工一条螺旋槽,除要求刀具旋转外,6150数控车床进给坐标每时每刻都必须进行协调运动,称为三坐标联动控制。
 
  在6150数控车床加工中心上加工箱体类零件时,应注意:
 
  1。当6150数控车床先有面又有孔时,应先铣面,后加工孔;
 
  2.待所有孔系全都完成6150数控车床粗加工后,再进行精加工;
 
  3.通常情况下,直径不小于由30mm的孔都应预制出毛坯孔。在普通6150数控车床上先完成毛坯粗加工,预留余量4--6mm,再由加工中心进行半精加工和精加工。直径小于由30mm的孔可以直接由加工中心来完成;
 
  4。6150数控立式车床加工中,应先加工大孔,后加工小孔。
 
  4 结论
 
  本次设计实现了XKA5750铣床升降台的垂直进给和横向进给传动。创新之处是使用了滚珠丝杠副,摒弃了以往的滑动丝杠副的传动,具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点,但是由于滚珠丝杠不能自锁,具有传动的可逆性,所以在垂直传动系统的设计中使用了制动器。垂直进给方向中可以不使用梯形同步带,而使用联轴器将传动轴与交流伺服电机相连,这个方案更经济,效率更高。横向进给方向中也可以去掉梯形同步带部分,直接将滚珠丝杠与交流伺服电机相连,同样可以将交流伺服电机改为步进电机,更经济,更合理,效率更高。
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