C616数控改造课程设计论文

课 设 论 文 通车床纵向进给系统数控改造 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师： 完成时间： 目 录 绪论 . - 1 - 第一章 设计内容 . 3 程设计 务书 . 3 传动系统改 . .进给系统的改装 . 4 第二章 通车床数控改造总体方案的设计 . 4 题及主要任务 . 4 计参数 . 4 总体设计方案的确定 . 5 第三 章 纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型 . 6 向进给系统的设计 . 6 向进给系统的设计计算 . 6 冲当量的确定 . 6 珠丝杠设计计算 . 7 轮及转距的有关计算 . 10 关齿轮计算传动比 . 10 需转动力矩计算 . 11 第四 章 步进电机的选择 . 13 进电机的选择的基本原则 . 13 度 . 13 矩 . 13 动频率 . 14 进电机的选择 . 14 第五章 机床导轨改造 . 15 第六章 控制系统硬件电路设计 . 16 现功能及要求 . 16 计说明 . 16 参考文献 . 20 绪论 经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降 低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。 利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。 进行数控机床的改造是非常有必 要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。 数控机床与普通机床相比 ,增加了功能 ,提高了性能 ,简化了结构 密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（ 1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（ 2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（ 3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（ 4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。 机床数控化改造的优点：（ 1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新 增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（ 2）适应多品种、小批量零件生产；（ 3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（ 4）降低对工人的操作水平的要求；（ 5）数控改造费用低、经济性好；（ 6）数控改造的周期短，可满足生产急需。 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大 力提高机床的数控化率。 普通车床等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加 工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 第一章 设计内容 程设计 务书 班级： 姓名： 学号 ： 题目： 通车床纵向进给系统数控改造（ 单片机控制 ） 要求 1、对 2、对 纵向 控制系统进行开环控制； 3、脉冲当量： 冲； 4、主控单元采用 求有数字显示功能 ； 时间 ： 2011 年 11 月 21 日至 2011 年 12 月 30 日共 6 周 具体任务： 1、总体方案确定； 2、机械部分设计及计算，要求数据具有科学性； 3、绘制装配图及其零件图若干张； 4、控制部分包括硬件和软件（流程）设计； 5、编写设计说明书（不少于 1万字）。 传动系统改装 为提高机床的自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原 取消原变速箱，将主电机换成步进电动机 ；保留原主轴箱内的背轮机构。 通过微机控制多速电机变速和手动控制背轮机构变速，使主轴获得高、低两档共 8级转速，其中每档有四级转速可以在机床加工过程中自动变换。 进给系统的改装 改装后为保证较高的传动精度和传动效率，采用结构简单、步距均匀、连续性好且易于数控的步进电机，经齿轮传动驱动滚珠丝杠实现进给。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式、精度选 F 级。 为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙、可调拉簧式结构。 616 的数控系统 采用南 京微分电机厂生产的 数控系统。该系统由 板机、驱动电源装置及 110、 110功率步进电机等组成开环控制系统。 主要技术特性 : 可控制车削端面、内外圆、任意锥面、螺纹、球面以及用球面逼近的任意曲面 ;有直线、圆弧插补功能，程序中可给出一定延时；有自动循环，间隙补偿、程序暂停、点动、报警功能，还具有对自动刀架转位及主轴正、反转、变速、停止等装置的控制功能。 第二章 通车床数控改造总体方案的设计 题及主要任务 616普通车床进行数控 改造， 冲； 求有数字显示功能； 计参数 机床外形尺寸 2340工件最大回转直径 在床面上 320毫米 在床鞍上 175毫米 工件最大加工长度 700毫米 主轴孔径 30毫米 总体设计方案的确定 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，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减少，以降低成本。 床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速，刀架能实现纵向进给运动，加工螺纹时应保证主轴转一转，刀架移动 1 个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作就是数控化改造数控系统控制的对象。 根据 床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为 采用单片机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。 对现有的 普通车床进行数控改造，包括以下两个方面： 机械部分改造： 主传动系统不作变动，纵向进给系统采用滚珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杆副。 电气控制系统改造： 伺服控制采用开环控制，在机械部分改造完成后，根据技术指标中的最大尺寸，最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定采用 51 系列的 80318 位单片机作为数控系统 制步进电动机驱动纵向和横向进给运动， 8031 具有功能多，速度快，抗干扰能力强，性价比高等优点。其系统框图如图。 第三 章 纵向进给伺服系统机 械部分的计算与选型 向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。 向进给系统的设计计算 按照导轨上面移动部件的重量进行估算。包括工作平台，电机，减速箱，滚珠丝杠副，直线滚动导轨副，导轨座等，估计重量 W=80f=800N(根据图纸粗略计算 ) 冲当量的确定 根据设计任务的要求， p=冲 削力的计算 由机床设计手册可知，切削功率 K 式中 N 电机功率，查机床说明书， N=4 主传动系统总效率，一般为 K 进给系统功率系数，取为 K= 则： 因为 120 FZ= 式中 v 切削线速度，取 v=100m/ 主切削力 N 由金属切削原理可知，主切削力 z 表得： 88 则可计算 表 示 表 ap(2 2 2 8 8 8 f(Z(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 520N 时，切削深度 走刀量 f=此参数做为下面计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： （ ： Z=Y=Z= 滚珠丝杠设计计算 m 的计算 已知移动部件的总重 G=800N Z=选用矩形 三角形组合滑动导轨，查表 3 29，取 K=u=入： FX+u() 式中 K=f =为 则 (00)= 设本车床 Z 向在承受最大切削力条件下最快的进给速度 v=选丝杠基本导程 寿命值 11060 01000 取工件直径 D=40 表得 T I=15000h 则： =1=610150002060 =18 最大动负载 w 查表得： 运转系数 硬度系数 则 18 1 根据最大动负载 值，可选择滚珠丝杠的型号。，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 珠丝杠直径为 32号为 6 5 额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。 据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：将公称直径 d=32本导程 入 =h/(得丝杠螺旋升角 =3 25代入 摩擦角 =10至 =)( =)10253( 253 tg 珠丝杠受到工作负载 E=166N/ e 刚度验算 纵向滚珠丝杠副的支承，采取一端固定，一端简支的方式，固定端采 用异地推力角接触球轴承面对面组配，丝杠加上两端接杆后，左右支撑中心距离约a=1479的弹性模量 E=查表得滚珠直径 算丝杠底径为 F=(2d)2 =（2 8 0 3 5 026 = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 可忽略 ,即： L= 以： 导程变形总误差为 = 0100=10m/m 查表知 1 15 m/m，故刚度足够。 稳定性验算：由于机床原丝杠直径为 30选用的滚珠丝杠直径为 32 承方式不变，所以稳定性不存在问题。 轮及转距的有关计算 关齿轮计算传动比 i=3600=取 2 0 m=2 b=20 =20 d1=m 32=64mm m 40=80mm =268mm =84 =2 21 =28064=72 动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 2W=()2 80= 2 = 2 丝杠的转动惯量： 1010 2= 2 齿轮的转动惯量： 102= 2= 2 1084 2= 2= 2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此 ,总的转动惯量： J=21i ( 2= 2 需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=大切削负载时所需力矩 M=速进给时所需力矩 M= 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。 10m 当 n= Ma 6 =4 10m= f 当 n= at 01000i = 01 0 0 0 = 10m=f 2 00=2 0 当 0= f = =f =2 0(12) 当 0=0=31 M0=6)1( 200 = 6 2 =f = Mt=2 00=6 = f = 所以 , 快速空载启动时所需力矩： M=f = 切削时所需力矩： M= f = 快速进给时所需力矩： M= f = 由以上分析计算可知： 所需最大力矩 f = 第四 章 步进电机的选择 进电机的选择的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：步距角 步距角应满足： 中 i 传动比 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 度 步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用不进电机应满足 Q i s 式中 Q 步进电机的积累误差； s 系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。 矩 为了使步进电机正常运行（不失步、 不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： （ 1）启动力矩 一般启动力矩选取为： 0 电动机启动力矩； 电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 示。 步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。 表 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行 方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 动频率 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： m 式中 极限启动频率； m 要求步进电机最高启动频率。 进电机的选择 = 04 0 。 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 以步进电机最大静转矩 步进电机最高工作频率 m a x z 综合考虑，查表选用 110满足使用要求。 第五章 机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机 床导轨面运动的。导轨就 能起到支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性 强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁 铸铁或铸铁 淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。 贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且 有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。 目前应用较多的聚四氟乙稀（ 塑软带，如美国生产的 带 材料，次、此种软带厚度为 、 、 等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，宜。 贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 3 4 ，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要 求。 第六章 控制系统硬件电路设计 现功能及要求 根据任务书的要求，设计控制系统硬件电路是主要考虑一下功能 （ 1） 031 芯片； （ 2）扩展程序存储器 2764两片， 6264一片； （ 3）扩展可编程接口芯片 8155两片； （ 4）地址锁存器，译码器个一个； （ 5）键盘电路，显示电路； （ 6）光电隔离电路，功率放大功率； （ 7）越程报警电路，急停电路，复位电路； （ 8）面板管理电路。 计说明 （ 1） 031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有 128字节，因此，扩展外部程序存储器 2764两片（ 16数据存储器 6264（ 8片。 8031的 I/O 口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片 8155可编程接口芯片。 （ 2）采用 74 八译码器的输出作为片选信号。 2764（ 1）、 2764（ 2）、 6264、 8155（ 1）和 8155（ 2）的片选信号分别接到译码器的 4,74、 B、 031的 （ 3）由于 2764 和 6264芯片都是 8要 13根地址线， 7 低 8位接7412接 8031芯片的 74031低 8位地址，当 8位地址锁存器，此时， （ 4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下： 8155（ 2） 出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机的共 4相绕组。在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单，由于步进电机的每一相绕组需和一个 I/便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的 I/ 8155（ 2）的 为显示器位选信号，显示器的段选信号则由 8031的 8155的 行程限位报警信号 +Z,别通过 8155（ 2）的 出中断请求，根据不同的中断口可以直接识别行程的方向，此时相应的红灯报警。 8155（ 1） 有编辑空运行、自动、手工回零等选着方式 。 8155（ 1） 有启动、暂停、单段运行、连续运行、急停等操作功能。 加工螺纹时，与车床主轴相连的光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号，螺纹加工信号送入 8031的 过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不同螺距的螺纹，零位螺纹信号送入 8155（ 1）的 来防止多次走刀时螺纹乱扣。 （ 5）系统各芯片采用全地址译码，各存储器及 I/5） （ 6）操作面板设计方案之一见表（ 5）： 芯片 接74脚 地址选择线 片内地址单元（字节） 地址编码 2746（ 1） 00X K 0000H1746（ 2） 01X K 2000H3264 10X K 4000H5155（ 1） 3 0111 1110 56 77155（ 2） 4 1001 1110 56 99片机部分初始化程序 8255 芯片初始化子程序： #3 ；指向 8255 的控制口地址 A， #10001001B ； 输出， 输出， 输入，均为方 式 0 A ；控制字被写入 #3 ；指向 A， # ；预置 全“ 1” A ；输出全“ 1”到 #3 ；指向 A， # ；预置 全“ 1” A ；输出全“ 1”到 结 三年的大学学习，让我们对机械设计与制造方面的知识有了一个系统而又全新的的认识。课程设计是我们学习中一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的设计任务，它为我们以后从