机械设计课程设计说明书-C616车床经济型数控化的改造.doc

课程设计说明书 设计题目：c616车床经济型数控化的改造 学 院：河北理工大学机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 指导教师： 2011年1月14日目 录一、序言3二、设计题目4三、机械设计部分5四、电气部分13五、课程设计小结30六、参考文献31序言面对日趋激烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的新产品，才能保持其旺盛的生命力，而具有高精密、柔性化、高效率的特点的现代化自动化制造系统是企业开发和创新产品的保证。我国是一个工业化相对落后的地区。虽拥有大量的机械加工设备，但还不能适应制造业的多品种、小批量的生产方式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所青睐，但不菲的价格成为企业创新的瓶颈。目前，在机械加工工业中，绝大多数是日式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种复杂零件的加工，不但能提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情，有利于我国加工业的发展。设计题目：c616车床经济型数控化的改造设计内容：1. 设计采用步进点击伺服机构的开环机床数控系统，控制对象为机床进给系统的x、z向工作台。2. 总体方案设计包括机械、电器、微机部分的选择与设计。3. 机械部分：对纵向进给系统进行机械结构设计，并画出纵向进给系统的装配图。4. 设计一步进电机驱动电路包括环形分配程序设计，光电耦合器和功放电路的设计及其与微机的接口电路。画出驱动电路图。5. 软件设计。机械部分设计一机电一体化对接卸部分的要求1低摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杆）。2无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙）。3高刚度。4高谐振频率。5低惯量（以提高稳定性和响应特性）。二设计已知条件1工作台质量 w=800n2启动加速时间 50ms3脉冲当量 =0.01mm/step4快速进给速度 =2m/min5工作台行程 640mm6滚珠丝杠基本导程 =6mm7步进电机步距角 =0.75/step三机械设计计算1切削力计算有金属切削原理可知，v的单位用m/min，而fz的单位用kgf，pm可按下式计算：pm=fzv/6120(kw)fx消耗在进给运动中的功率，相对与fz所消耗的功率来说一般很小，1%2%，因此可忽略。又，因为 pm=pepe：机床电机功率，查机床书说明可知 pe=4kw：电机到主轴传动机构的机械效率：取0.75则 pm=4*0.75=3kw普通车床加工工件时，当采用硬质合金刀具时，其最小和最大切削速度为100m/min和600m/min，取v=100m/min。则fz=6120pm/v=6120*3/100=183.6kgf=1800n当刀具kr=45，忍倾角=0，前角=15时，fz、fx、fy之间有以下近似关系：fy=（0.40.5）fz fx=（0.30.4）fz取 fx=0.4fz=0.41800=720n fy=0.5fz=0.51800=900n2丝杠所受轴向力的计算：查机电一体化系统设计手册知：对于三角形综合导轨的车床丝杠的轴向工作负载fa=kfx+（fz+g）式中：fx、fz切削分力g移动部件的重量导轨上的摩擦系数k考虑颠覆力矩影响的实验系数其中，对于三角形或综合导轨k=1.15，=0.150.181丝杠所受轴向力fa=kfx+（fz+g） =1.15720+0.16（1800+800）（1） 强度计算：寿命值 l=60t/式中：丝杠转速，t：使用寿命系数，对于数控机床 t=15000h=20r/min式中：为主运动转速， v=1000m/min 切削速度。f=0.3mm/r 为进给量。 d=80mm为被切削工件直径。=6mm 为丝杠导程则：l=60t/=602015000/=18最大动载荷，由机电一体化系统设计查得：=寿命值 l=18载荷系数 =1.2（平稳或轻度冲击）硬度系数 =1（hrc58）则最大动载荷=n查机电一体化技术手册丝杠型号：2506-2.5有关参数：中径=25mm 大径d=24.5mm 导程=6mm 螺旋角=422 滚珠直径=3.175mm 螺母长度=86mm额定动载荷=9610n易知，则 强度符合要求。（2） 刚度验算：因扭矩m引起的导程变形量很小可忽略，故据公式 =f工作负载； 滚珠丝杠的基本导程；e弹性模量对于刚e=2.1n/； s丝杠的横截面积。内径：=23.4125mm2.34cm s=3.14=4.3则=8.27cm丝杠受拉伸，取=8.27cm任意300mm行程中丝杠的变形量为=30=4.14cm=4.14um查机械设计手册可知任意300mm内累积螺距公差为15um。4.1415，故，刚度满足要求。（3）稳定性验算丝杠螺纹长度=工作台行程+螺母长度+2余程。由机电一体化系统设计手册查得：余程=24mm则= =640mm+86mm224mm=774mm=77.4cm由机电一体化系统设计手册查知：丝杠实际承受载荷的能力：式中 =2 支撑方式选择双推简支e：刚的弹性模量 n/i丝杠内径的抗弯截面惯性矩（i=）k压杆稳定安全系数，取4. =25400nfa丝杠满足稳定性要求。3齿轮计算纵向进给脉冲当量：滚珠丝杠导程：=6mm步进电机的步距角：=0.75/step传动比计算：取=28 =35 m=2.5 =28mm 取20 4等效转动惯量计算：齿轮选用45钢，近似看作圆柱体齿轮1：齿轮2：丝杠转动惯量的近似计算：支撑跨距 =1200mm等效转动惯量：式中vi采用最不利于机床运动时的速度，这里选用快速进给速度=2m/min。则（电机）=工作台质量w=80kg 电机转动惯量 预选 则5所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩： 最大切削负载时所需力矩： 快速进给时所需力矩：式中： 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。折算到电机轴上的摩擦力矩。由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴的附加摩擦力矩。切削时折算到电机轴上的加速度力矩。折算到电机轴上的切削负载力矩。当时，当时，摩擦力矩 当=0.8 =0.16时 附加摩擦力矩 当=0.9时，预加载荷，则切削力矩 所以快速空载启动所需力矩：切削时所需力矩快速进给时所需力矩由以上分析可知：所需最大力矩发生在快速空载启动时，。6步进电机的选择启动力矩 电机采用三相六拍方式，查机电一体化系统设计表3-7知，由机电一体化系统设计表3-8知 选取110bf003电机参数： 外径：110mm 长度：160mm 轴径：11 步距角：0.75du6/step 重量：60n电气部分设计微型计算机的应用已深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数控采用八位微机系统与步进电机驱动系统组成开环两坐标进给的简易数控系统。电器部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分一 数控系统的硬件电路设计硬件是数控系统的组成，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行，数控系统的基本硬件电路由以下及部分组成：控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大电路。1 控制器本系统采用808cpu系统作为数控系统的控制器件。（1） 一般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。808一般由cpu、i/o电路、存储器三部分组成。（2） 时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素，808cpu的时钟频率为2 存储器20位的地址在cpu内可寻址1m字节的内存空间，而机构内的存储器是16位的，只能寻址64kb，808系统把1m存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量64kb，因此，1m存储器空间可分成16个逻辑段，每个逻辑段允许在存储器空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列，非常灵活，在整个存储空间中可设置若干个逻辑段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个逻辑段内，也可以包含在多个相互重叠的逻辑段内，只要有段基地址和段内偏移地址，就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。在808存储空间中，把16kb的存储空间称作为一节，为简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址的高16位称作段基址，存放在段寄存器内，段间偏移地址存放在ip或sp中。3 光电耦合电路光电耦合电路在微机系统中具有非常重要的作用，其通过发光二极管的光辉推动光敏三极管导通，从而实现通信系统中的光电隔离。光电耦合电路的作用：（1） 隔离功能：是微机与现场隔离，防止现场信号窜入微机，从而保证微机可靠工作。（2） 实现信号电平转换：将来自微机的输出信号电平很方便地转换为执行机构所需的信号电平或将来自生产现场的信号电平转换为微机所需要的信号电平。（3） 负载驱动：达林顿管可将电流放大很多，具有较强的负载驱动能力。8255a输出口的放出及吸入电流较大，故可直接用高电平来推动三极管驱动发光管，由于8255a在上电复位时，端口初置为输入状态即高阻状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平。4 功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源。单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源型采用高低压供电电路，如下图：工作原理：无脉冲输入时，vt1、vt2、vt3、vt4均截止，电动机绕阻w无电流通过，电动机不转：有脉冲输入时，vt1、vt2、vt4饱和导通，由vt2由截止到饱和期间，其集电极电流，也就是脉冲变压ti的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生成一个电压，使vt3导通，80v的高压经高压管vt3加到绕阻w上，使电流迅速上升，当vt2进入稳定状态后，ti一次侧电流暂时恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为零，vt3截止，这时12v低压电源经vd1加到电动机绕阻w上并维持绕阻中的电流，输入脉冲结束后，vt1、vt2、vt3、vt4有都截止，储存在w中的能量通过18欧姆的电阻和vd2放电，该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变徒，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。二 数控系统的软件设计设计一个采用步进电机伺服机构的开环机床，数控系统控制对象为机床进给系统x、z工作台，用逐点比较法直线插补加工已知直线，故主程序调用插补子程序，由8255a中断服务子程序完成越界急停报警。1主程序功能8255a初始化，8259a初始化，调用插补加工子程序28255a的设置本设计采用a口的8根引线来控制x、z电机、红灯、绿灯。其中红灯与警铃相连，红灯亮，警铃响，作输出用。控制字d7d6d5d4d3d2d1d010000000工作方式控制字： 10000000=80h8255作为基本的输入/出口，a口工作方式为0。pa0-pa2分别控制x点击的xa、xb、xc相。pa4-pa6分别控制z电机的za、zb、zc相。pa3控制绿灯，绿灯亮表示运行正常。pa7控制红灯，红灯亮表示有中断输入。3三相六拍环形分配器脉冲通电代码x电机通电代码相pa7pa6pa5pa4pa3pa2pa1pa0代码a0000100109hab000010110bhb000010100ahbc000011100ehc000011000chca000011010dhz电机通电代码相pa7pa6pa5pa4pa3pa2pa1pa0代码a0001100018hab0011100038hb0010100028hbc0110100068hc0100100048hca0101100058h中断时：pa7pa6pa5pa4pa3pa2pa1pa0代码1000000080h48259a的设置8259a可编程序中断控制器一共可以接受8个中断，本次设计共用5个中端口，分别用来控制+x,-x,+z,-z方向的越界和急停按钮。8259a预置命令字：icw1：其端口地址为偶地址a076543210命令字00001001113hicw2: 其端口地址为奇地址a076543210命令字10110000060h采用边缘触发、单极使用，需设置icw4，其端口地址为奇地址a076543210命令字10000000101h采用非特殊完全嵌套方式，非自动eoi方式8259a操作命令字ocw1：其端口地址为奇地址a076543210命令字1111000000e0hir0ir4都可以引入中断。ocw1：其端口地址为偶地址a076543210命令字0101000000a0h采用普通eoi循环方式5逐点比较法直线插补加工程序设计1）直线差不计算原理根据逐点比较法的原理，每走一步必须把动点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差以“偏差”形式计算出来，然后根据偏差的正负决定下一步的走向，以逼近给定轨迹。2）逐点比较查补加工中由四个环节组成a偏差判断通过偏差计算确定刀具的位置，当偏差f0时，加工刀具在被加工斜线上方，当f0时，刀具在被加工斜线下方。b刀具进给由上一步偏差判断结果，确定刀具进给方向，由此纠正偏差，若f0向x方向移动，若f0，沿z方向移动。c偏差计算d终点判别 判别刀具是否到达终点，到达终点时则停止，否则继续插补。6三相六拍环分子程序步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。环形脉冲分配器可用硬件实现也可用软件来实现。采用软环分是利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。通过正向顺序读取和方向吮吸读取可控制电动机正反转，通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相脉冲分配具有更大的优点。7辅助电路为防止机床程序越界，在机床上装有行程控制开关，为防止意外装有急停按钮，由于这些开关离控制箱较近，易产生电气干扰，为避免此种情况发生，在电路与接口之间实行光电隔离，当绿灯亮时，表示正常工作，当红灯亮时表示溜板箱已到极限位置。8控制系统的程序1）主程序name jgdata segment ；定义数据段m dw 4 dupc?)t dw ?f dw ohs db ?c db ohd db ohxt db 09h,0bh,0ah,0eh,0ch,0dh ；x电机通电代码zt db 18h,38h,28h,68h,48h,58h ；z电机通电代码data endsstack segment stack ；设置堆栈段sta dw 100 dupc(?)stack endscode degmentassume cs:code , ds:data ；寄存器说明assume ss:stack, es:datastar: sli mov ax, 00h mov ds, ax ；中断向量表段基址送ds mov ax, seg intr ；取中断子程序的段基址 mov bx, offset intr ；去中断子程序的偏移地址 mov si, 60h ；中断类型码送simov si, bx ；将中断偏移量送si.，si+1中mov si+2, ax ；将中断段基址送到si+2，si+3中 mov ax, data mov ds, ax ；恢复ds mov dx, 2003h ；初始化8255a mov al,80h out dx,al mov dx,2800h ；定义8259a icw1 mov al, 13h out dx,al mov dx, 2801h ；定义8259a icw2 mov al, 60h vot dx, al mov al, 01h ；定义8259a icw4 out dx, al mov al, 0e0h ；定义8259a ocw1 out dx,al mov dx, 2800h ；定义8259a ocw2 mov al, 0a0h out dx, al sti ；中断打开 call cb ；调用插补程序 hlt2）直线插补子程序cb procpush axpush bxpush cxpush dxpushf ；保护现场mov ah, 0h ；标志位清零sahfmov ax,m ；取起点，终点的x坐标mov bx, m+2sub bx,ax ；取终点相对于起点横坐标的绝对值jge b1neg bxb1：mov ax, m+1 ；取起点，终点的z坐标mov dx, m+3sub dx, ax ；取终点相对于起点的z坐标的绝对值jge b2neg dxb2：add dx, bx ；计算纵进给步数mov cx,dxmov ax, f ；将偏差值送axxh：cmp ax, 00h ；判断走向jn2 b4 ；跳向z向mov s, 0h ；写x电机状态字（x/z，正/反）cmp m+2, mjc b3or s, 00hb3：or s, 01hcall hf ；调用环分子程序，x电机走一步sub ax, dx ；计算偏差值call time ；调用延时程序jmp b6b4：mov s, 02h ；写z电机状态字（x/z，正/反）cmp m+3, m+1jc b5or s, 00hb5：or s, 01hcall hf ；调用环分子程序，z电机走一步add ax, bx ；计算偏差值call time ；调用延时子程序b6：dec cx ；总步数减1loop xhpopf ；出栈，恢复现场pop dxpop cxpop bxpop axretcb endp3)三相六拍环分子程序hf procpush axpush bxpush dxpushf ；压栈，保护现场mov bl, s ；送电机操作字给bland bl, 01h ；判断正反转cmp bl, 0hjnz fr ；跳转到反转mov bl, s ；判断x、z电机and bl, 02hcmp bl, 0hjnz zdz ；跳转至z电机正转xdz：cmp c. 0h ；判断是否为第1次转动jnz l1lea si, xt ；送通电代码首地址给sil1：mov c, 01hmov bx, xt+5mov dx, 2000h ；通过8255a给电机送通电代码mov al, siout dx,alcmp si, bx ；判断通电代码是否用完jz l2inc si ；指针自增1jmp l9l2：lea si,xtjmp l9zdz：cmp d, 0h ；判断是否为第1次转动jnz l3lea di,zt ；送通电代码首地址给dil3：mov d,01hmov bx, zt+5mov dx, 2000h ；通过8255a送通电代码给电机mov al, diout dx,alcmp di, bx ；判断通电代码是否用完jz l4inc di ；指针自增1jmp l9l4：lea dz, ztjmp l9fr：and bl,02h ；判断用哪个电机cmp bl, 0hjnz zdfxdf：cmp c,0h ；判断是否为第1次转动jnz l5lea si, xt+5 ；送通电代码末地址给sil5：mov c, 01hmov bx, xtmov dx,2000h ；通过8255a给电机送通电代码mov al,siout dx, alcmp si, bx ；判断通电代码是否用完jz l6dec si ；指针自减1jmp l9l6：lea si,xt+5jmp l9zdf：cmp d, 0h ；判断是否为第1次转动jnz l7lea di,zt+5 ；送通电代码末地址给dil7：mov d, 01hmov bx, ztmov dx,2000h ；通过8255a给电机送通电代码 mov al, diout dx, alcmp di, bx ；判断通电代码是否用完jz l8dec di ；指针自减1jmp l9l8：les di, zt+5l9：popf ；出栈，恢复现场popdxpopbxpopaxrethf endp4）