CA6140车床数控化改造—纵向进给单元设计（全套含CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 I 宁学 机电一体化综合作业 (论文 ) 床数控化改造 纵向进给单元设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 录 目 录 . 1 章 绪 论 . 4 题研究的意义 . 4 课题研究的参数要求 . 4 第 2 章 微机数控系统总体设计方案的拟定 . 6 体方案设计的内容 . 6 控系统总体设计方案的拟定 . 6 给伺服系统机械部分设计计算 . 6 机控制系统的设计 . 6 控加工程序的编制 . 6 体设计方案的确定 . 7 统运动方式的确定 . 7 服系统的选择 . 7 行机构运动方式的确定 . 8 算机的选用 . 8 济型数控车床纵向伺服单元框图 . 9 第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计 . 9 定脉冲当量 . 9 削力的计算 . 9 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 10 度的选择 . 10 杠导程的确定 . 10 大工作载荷的计算 . 11 大动载荷的计算 . 11 珠丝杠螺母副的选型 . 12 珠丝杠副的支承方式 . 12 动效率的计算 . 13 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 刚度的验算 . 13 定性校核 . 14 界转速的验证 . 14 齿轮传动的 计算 . 15 服电机的选择 . 15 轨的特点 . 19 轨的设计 . 20 第 4 章 电气控制系统设计 . 23 片机数控系统硬件电路设计内容 . 23 ， Q 号交流 197216396 或 11970985 4 第 1 章 绪 论 题研究的意义 机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。电气机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台电气机床在美国研制成功的半个多世纪以来，电气技术正在发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不 断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的电气化改造是发展我国电气设备的一个重要方面。 车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的电气化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用单片机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用电气装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。 课题 研究的参数要求 一、题目 : 床数控化改造 纵向进给单元设计。 二、设计任务： 确定机械传动系统方案 ,确定微机控制系统方案； 制机械装配图一张及其两个零件图（三视图）分别一张 ; 计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图一张； 制数控加工程序 ; 8000 字以上）。 三、给定条件： 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 5 250率 优于 快进 ) 4000mm/工进 ) 400mm/X 向 ) 1600N; Y 向 ) 4000N； Z 向） 1000N； 四、设计要求： 理正确，制图符合国家标准，图面整洁； 括微机部分，人机交互部分和电机控制部分；微机部分扩展 16K 程序存储器容量， 16K 数据存储器；人机交互部分的数据和程序输入采用 4行 8 列的行列式键盘，状态和信息显示采用 8 位 8 段 码限管； 2 个行程限位信号及工作方式采用开关量信号输入，电机控制部分采用软环分和高低压驱动； 算无误，数值明确，引用公式及资料有出处。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 6 第 2 章 微机数控系统总体设计方案的拟定 体方案设计的内容 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。具体包括： 控系统总体设计方案的拟定 （ 1）系统运动方式的确定。 （ 2）伺服 系统的选择。 （ 3）执行机构的传动方式确定。 （ 4）计算机的选择。 应根据设计任务和要求，参考现有同类型数控机床，进行综合分析、比较和论证，确定以上内容。 给伺服系统机械部分设计计算 （ 1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。 （ 2）确定脉冲当量。 （ 3）滚珠丝杠螺母副的计算和选型。 （ 4）导轨的计算和选型。 （ 5）进给伺服系统传动计算。 （ 6）步进电动机的计算和选用。 （ 7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。 机控制系统的设计 （ 1）控制系统方案的确定及框图绘制。 （ 2） 列单片机及扩展芯片的选用。 （ 3） I/O 接口电路及译码电路的设计。 （ 4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。 控加工程序的编制 （ 1）零件工艺分析及确定工艺路线。 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 7 （ 2）选择数控机床设备。 （ 3）确定工件装夹方法及对刀点。 （ 4）选择刀具。 （ 5）确定切削用量。 （ 6）编制零件加工程序。 体设计方案的确定 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位 /直线系统和连续控制系统。 如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制 系统。例如数控钻床，在工作台移动过程中不进行钻孔加工，因此可选用点位控制系统。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。 若要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，则为连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。 还有一些采用点位控制的数控机床，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫 点位 /直线控制系统。 根据综合作业任务书的要求，对 床的纵向伺服系统进行数控化改造。依据车床的加工特点，应该选用连续控制系统。 服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统 的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 8 件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 由于开环控制有许多优点，所以目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环控制系统。根据任务书的要求，这次对车床纵向进给伺服单元进行数控化改造应采用开环控制系统。 行机构运动方式的确定 为确保 数控系统的传动精度和运动平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： （ 1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 （ 2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。 （ 3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 算机的选用 微机数控系统由 储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服 电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机要进行双字长或三字长的运算，就会影响速度。目前一些高档的 统，已普遍使用 32 位微机，主机频率由 5高到20 30的采用多 统，减轻主 负担，进一步提高控制速度。标准型的 统多使用 16 位微机，经济型 统则采用 8 位微机。可采用 列单片机或 板机组成的应用系统。 由于 列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点，所以本次设计决定采用 列的 8031 单片机扩展系统。 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 9 济型数控车床纵向伺服单元框图 车床纵向伺服单元框图 第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计 定脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量电气机床加工精度的一个基本技术 参数。冲。 而本设计脉冲当量已给出，要优于 据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 冲。 削力的计算 切削力 是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力 ，或 通俗的讲 是 在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。 车削外圆时的切削力如图 3示。主切削力 切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力向力加工精度的影响较大。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 10 图 3车削力分析 根据课题条件可知： 横向进给切削力 (X 向 ) 1600N; 垂直切削力 (Y 向 ) 4000N； 纵向切削力（ Z 向） 1000N； 珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通 道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 度的选择 滚珠丝杠副的精度直接影响电气机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300程变动量300 1/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 1 3 级（ 1 级精度最高）， Z 轴为 2 5 级，考 虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级， Z 轴为 4 级。 杠导程的确定 选 择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在： 4、 5、 6、 8、 10、 12、 20买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 11 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度） ，本设计中初选纵向丝杠导程为 8大工作载荷的计算 最大工作载荷的最大轴向力，也叫进给牵引力 ,其实验计算公式如表 3示。 表 3导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 )( 尾导轨 )2( 合或三角导轨 )( 8 表中 K 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数； 为滑动导轨摩擦系数； G 为移动部件总重量。 G=2500 N（纵向移动部件总重量 250 查表 3择综合导轨， K 取 取 为 2000N ； 算 得 )( =1600+ 1000+2500） =2470 )(N 大动载荷的计算 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。 对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷 式中： L 滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 610 r， 610/60 （ T 为使用寿命，普通机床 T 取 5000气机床 T 取 15000h； n 为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取 设计取 硬度 系数（ 58 时取 等于 55 时取 于 取 于 50 时取 于 45 时取 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 12 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度 a x mV j （题设条件最大进给速度 (工进 ) 400mm/;,初选丝杠基本导程 ，则丝杠转速m 0/1000 m a x 。取滚珠丝杠使用寿命 5000 ，带入 610/60 得L =45；取 2.1 1入 ，求得 ： 珠丝杠螺母副的选型 初选滚 珠丝杆副时应使其额定动载荷 C , 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下10( 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷 C )32( 。 根据计算出的最大动载荷 选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的 用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3示。 表 3滚珠丝杠相关参数 公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷 /接触刚度 / 1 02d 0 8 6 31 珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推 简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 13 动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率 一般在 间，其计算公式如下： =) 式中： 螺距升角，d,可得 =2 91； 摩擦角，一般取 =10。 算得： =)01192192 =度的验算 滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形 1 、丝杠与螺母间滚道的接触变形 2 、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形3。 因转矩和丝杠 以 2 、3可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为： 1 = （“ +”号代表拉伸，“ -”代表压缩） 式中：丝杠的最大工作载荷，单位为 N ； 丝杠纵向最大有效行程，单位为 E 丝杠材料的弹性模量，钢 ； S 丝杠的横截面面积，单位 2丝杠螺纹的底径2 根据前面的设计，6652算得： 1 =25 ) 6 3 3 = ( m 查表 3知， m 361 ,所以刚度足够。 表 3有效行程程公差精度等级 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 14 1 2 3 4 5 大于 至 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 定性校核 由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳 时的临界载荷 该满足： 22式中：丝杠支承系数，双推 2，其他方式如表 3示； K 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 4，垂直安装时取最小值，本设计取 4； a 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为 本设计中该值为 2500 （其中工件加工长度为 2000，留 500 的两端余量） I 按丝杠底径 2d 确定的截面惯性矩（6442 ，单位为 4 ,本设 中将 代入算出 I = 由以上数据可以算出： 2 0 0 02 0 0 04 2 0 5 5 1 = )( N 临界载荷 大于工作载荷2398N），故丝杠不会失稳。 表 3丝杠支承系数方式 双推 双推 单推 双推 4 2 1 0 临界转速的验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速求丝杠的最高转速： 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 15 722m a x 10 式中：丝杠支承系数，双推 值如表 3示； 临界转速计算长度，单位为 本设计中该值为 2300 2d 丝杠内径，单位 安全系数，可取 3丝杠支承系数双推 双推 单推 双推 过计算，得出 1293 r ，由已知 m ax ， 可以算出00m a x ，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。 齿轮传动的计算 有关齿轮计算 传动 比 i 0360 3 6 0 0 . 0 1 30 . 7 5 8 5 故取 1 24z ； 2 40z ； 2m ； 20 ； 20 ； 11 2 2 4 4 8 m md m Z 22 2 4 0 8 0 m md m Z 11 2 5 2 m d h 22 2 8 4 m d h 12 4 8 8 0 6 4 m 服电机的选择 （ 1） 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 16 丝杠的转动惯量 44 17 . 8 1 0 L 式中 D 滚珠丝杠的公称直径； 1L 丝杠长度。 则 齿轮的转动惯量 4 4 21 7 . 8 1 0 6 . 4 2 2 6 . 1 7 N g c 4 4 22 7 . 8 1 0 8 2 6 3 . 9 N g 电机的转动惯量很小可忽略。 因此，总转动惯量 2 1 122211 ( 2 9 9 . 5 2 6 3 . 9 ) 2 6 . 1 7 5 . 5 5 2 6 4 . 3 N g c 2 5s Z J J （ 2） 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 m a x 0 M M 最大切削负载时所需力矩 0a t f M M M 快速进给时所需力矩 0 M 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； 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 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。 41 0 N g 6a 当 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 17 m a xm a x 3 5 0 0 1 . 3 3 3 8 3 3 . 3 3 r / m i 4m a x 2 6 . 4 3 8 3 3 . 3 3 1 0 9 . 1 7 7 N g m 9 1 . 7 7 k g f g c 6 0 . 0 2 5 当 a 0010001 0 0 0 1 5 0 0 . 3 1 . 2 5 1 4 2 . 1 7 r / m i 1 4 2 1 6f i 42 6 . 4 3 1 4 2 . 1 7 1 0 1 . 5 7 1 5 . 7 k g f g c 6 0 . 0 2 5 g m 00 022f FL f W LM i h i 当 时， 时 0 . 1 6 9 5 0 . 6 1 . 4 5 2 2 k g f g c m 1 4 . 5 2 2 N g c . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 00 20012i 当0 时预加载荷 13则 220001 9 5 . 4 7 2 0 . 6 1 0 . 9 0 . 5 7 7 6 k g f g c m 5 . 7 7 6 N g c 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 0 9 5 . 4 7 2 0 . 6 9 . 1 2 k g f g c m 9 1 . 2 N g c 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5LM i 所以，快速空载启动所需力矩 m a x 0 9 1 7 . 7 1 4 . 5 2 2 5 . 7 7 6 7 3 8 . 0 0 0 N g c M M 切削时所需力矩 0 1 5 . 7 1 . 4 5 2 2 0 . 5 7 7 6 9 . 1 2 2 6 . 8 5 k g f g c m 2 6 8 . 5 N g c ma t M M 快速进给时所需力矩 0 1 . 4 5 2 2 0 . 5 7 7 6 2 . 0 2 9 8 k g f g c m 2 0 . 2 9 8 N g c M 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 18 由上分析计算可知，所需最大力矩 m a x 7 3 8 . 0 0 0 N g c （ 3） 纵向进给系统伺服电机的确定 0 9 3 8 . 0 7 8 1 8 7 6 . 1 6 N c 5 0 . 5M 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知 / 0 . 8 6 6q 所以，伺服电机最大静转距1 8 7 6 . 1 6 2 1 6 6 . 4 6 N c 8 6 6 0 . 8 6 6 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 伺服电机最高工作频率 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 综合考虑，查表选用 130满足要求 7 买文档就送您 纸 全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 19 轨的特点 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装 置减小导轨单位面积上的压力 (即比压 )等 。 滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。 1铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有： （ 1）灰铸铁 一般选择 于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在 上； （ 2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （ 3）合金铸铁 包括：含磷量高于 高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒 钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能； 铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为 度可达 高频感应淬火， 淬硬层为 23度可达 5，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。 2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有： 945、 40采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为 525820015 等渗碳淬火，渗碳淬硬至 566238C 采用氮化处理。 3有色金属 常用的有色金属有黄铜 青铜 青铜锌合金 硬铝 铝 ，其中以铝青铜较好。 4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好 (但略低于铝青铜 )，抗振性能好，工作温度适应范围广 (260 )，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数