CA6140型车床的经济型数控改造设计（横向）说明书.doc

盐城工学院本科生毕业设计说明书11前言.12总体方案设计.22.1机械部分改造.22.2数控系统部分设计.33机械部分改造设计.43.1横向进给系统的设计与计算.43.1.1横向进给系统的设计.43.1.2横向进给系统的设计计算.43.1.3步进电机的选择.73.2数控车床的传动装置设计.73.2.1螺旋传动.73.2.2轴的结构设计.93.2.3透盖的结构设计.103.2.4螺母座的结构设计.113.3自动转位刀架的设计.124微机数控系统设计.144.1概述.144.2数控系统的硬件电路设计.154.2.1微机机型和扩展存储器的选择.154.2.2确定I/O接口.174.2.3键盘接口设计.184.2.4显示电路设计.194.3软件设计.204.3.1插补原理及其程序设计.214.3.2步进电机的控制及其程序设计.235结论.35参考文献.36附录.371前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才CA6140型车床的经济型数控改造设计(横向)2有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：a横向（X向）进给脉冲当量为0.005mm/脉冲；b进给速度范围：向31000mm/min（无级调速）快进速度：X向10003000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2总体方案设计由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操盐城工学院本科生毕业设计说明书3作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。2.2数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。图2-1CA6140车床数控改造的总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。光电隔离微机功率放大步进电机横向工作台xxCA6140型车床的经济型数控改造设计(横向)43机械部分改造设计3.1横向进给系统的设计与计算3.1.1横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。3.1.2横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）W=30kgf=300N时间常数T=25ms滚珠丝杠基本导程L=4mm左旋行程S=230mm脉冲当量p=0.005mm/step步距角=0.75°/step快速进给速度max=1mm/minA.切削力计算查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2Fz=(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N（3-1）在切断工件时：Fz=0.5Fz=0.50×76.38=38.19kgf=381.9N（3-2）B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W)（3-3）取K=1.4f=0.2则P=1.4×38.19+0.2×（76.38+30）=74.74kgf=747.4N（3-4）寿命值Li=61060Tini=610150001560=13.5（3-5）