普通车床de数控化改造设计

第一部分 一、 设计目的 : 通过本课程设计的训练 ,使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及课程之后 ,能够运用所学的知识独立完成数控车 ,数控铣和加工中心的进给系统的自动控制系统设计 ,从而使学生进一步加深和巩固对所学的知识的理解和掌握 ,并提高学生的实际操作能力 。 运用所学的理论知识 ,进行数控系统设计的初步训练 ,培养学生的综合设计能力 ； 掌握三相反应式步进电机进给驱动的原理和控制方法 ； 掌握 制系统设计的基本技能 ,具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力； 基本掌握编写技术的能 力。 二、 设计内容和要求： 参考课程设计指导书 1，对于普通车床数控化改造设计，纵向进给驱动由三相感应式步进电机实现，完成其选型计算， 用 4 位拨动开关设定转动速度， 并设计其启动停止、正反转、加减速和步数控制系统，数控系统的脉冲当量为 冲。 三、设计工作任务及工作量的要求 ： 设计任务 制程序设计 设计工作量要求： 形图及其对应的程序清单； 少于 10 页） 三个同学分为一组，同学们之间可以互相讨论研究工作内容和设计方法，但每位同学的设计任务必须各有侧重独立完成，不能有雷同现象。 四、 设计参数 ： 设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟实施数控化改造所需要的参数 。以 设计参数如下： 最大加工直径：在床面上 ,400床鞍上 , 210 最大加工长度： 1000 行程：纵向 ,1000 快速进给：纵向 ,2400大切削进给速度：纵向 ,500板及刀架质量： 纵向 ,电动机功率： 位精度： 行程 重复定位精度： 行程 程序输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数： 2 脉冲当量：纵向 ,冲 第二部分 一、 步进电机选型计算： （一）纵向进给传动链的设计计算 1、主切削力及其切削分力计算 计算主切削里 已知机床主电动机的额定功率大工件直径 D=400轴计算转速 n=85r 此转速下 ,主轴具有最大扭矩和功率 ,刀具的切削速度为 5104 0 取机床的机械效率 ,则由式 (2 10 33 计算各切削分力 走刀方向的切削分力2出： 7 4 7 2、 导轨摩擦力的计算 由式 (2算在切削状态下的导轨摩擦力F。此时 ,导轨受到的垂向切削分力 ,纵向切削分力 ,移动部件的全部质量 m=表 2镶条紧固力 000,取导轨动摩擦系数 ,则 )21( =(400+2000+ = 按式 (2算在不切削状态下的导轨摩擦力0 g 360)2000400(1(0 g 480)2000400(1(00 3、 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 按式 (2算最大轴向负载力 4 0) 4 8(m a x 按式 (2算最小轴向负载力a 3600m 4、 确定进给传动链的传动比 i 和传动级数 取步进电动机的步距角 ,滚珠丝杠的基本导程0 6L 进给传动链的脉冲当量 0 . 0 1 /p 脉 冲,则由式 (2 0 1 . 5 6 2 . 53 6 0 0 . 0 1 按最小惯量条件 ,从图 2图 2查得该减速器应采用 2 级传动 ,传动比可以分别取121 1 。 根据结构需要 , 确定各传动齿轮的齿数分别为1 2 3 42 0 , 2 8 , 2 0 , 3 2 , 2 , 2 0z z z z m m m 模 数 齿 宽。 5、 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷5000 滚珠丝杠的 当量载荷m a x 2 3 4 0 . 3 4 , N查表 2 ,载荷系数 1.3;查表 2 ,初步选择滚珠丝杠的精度等级为 3 级精度 ,取精度系数 1； 查表 2 ,可靠性系数 1。 取滚珠丝杠的当量转速已知m a x 0 . 2 5 / m i n ,珠丝杠的基本导程0 6L 则 m a xm a 0 0 0 0 . 2 5 / m i n 4 1 . 6 7 / m i r 由式 (2 33 2 3 4 0 . 3 4 1 . 36 0 6 0 4 1 . 6 7 1 5 0 0 0 1 0 1 8 3 . 8 31 0 0 1 0 0 1 1m m n L N 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2 已知本车床纵向进给系统的定位精度为 40 m ,重复定位精度为 16 m ,则由式(2 得 m a x 1 11( ) 1 6 5 . 3 3 832 m a x 2 11( ) 4 0 8 1 054 取上述计算结果的较小值 ,即m a x 5 m。 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2一端游动支承方式 ,滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 02( 1 . 2 1 . 4 ) ( 2 5 3 0 ) 行 程 安 全 行 程 余 程 螺 母 长 度 支 承 长 度行 程取 01 . 4 3 0 ( 1 . 2 1 0 0 0 2 5 6 ) 1 3 5 0L L m m m m 行 程由式 (2 02m a 0 1 3 5 00 . 0 7 8 0 . 0 7 8 2 7 . 25 . 3 3m m m m 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据以上计算所得的02,am 初步选择型号为 其公称直径0d、 基本导程0L、 额定动载荷 0d=32 0L=6mm 3000Nd=满足要求 。 （二）驱动电动机的选型与计算 1、计算折算在电动机轴上的负荷惯量 （ 1）计算滚珠丝杠的转动惯量 已知滚珠丝杠的密度 - 3 3= 7 . 8 1 0 k g / c m ，则 由式（ 2 3413 4 4 4 220 . 7 8 1 00 . 7 8 1 0 2 . 5 1 0 3 . 2 3 6 2 . 5 1 2 . 53 . 6 3nr j Lk g c mk g c m （ 2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量m=杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=由式（ 2 22220 . 6m 8 1 . 6 3 0 . 7 52 2 3 . 1 4L LJ k g c m k g c m （ 3）计算各齿轮的转动惯量。 3413 4 4 4 220 . 7 8 1 00 . 7 8 1 0 2 . 5 1 0 3 . 2 3 6 2 . 5 1 2 . 53 . 6 3nr j Lk g c mk g c m （ 4）由式（ 2算加在电动机轴上总负载转动惯量 1 2 3 422111( ) ( )d Z Z Z Z r J J J J 2110 . 4 1 . 5 0 . 4 2 . 6 3 . 6 3 0 . 7 51 . 9 6 6 . 2 5 k g c m 2、计算折算到电动机轴上的负载力矩 （ 1）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩 已知在切削状态下的轴向负载力m a x 2 3 4 0 . 3 4 N。丝杠每转一圈机床执行部件轴向移动距离 L=6给传动 系统的传动比 i=给传动系统的总效率 =由式（ 2 2 3 4 0 . 3 4 0 . 0 0 6 1 . 0 52 2 3 . 1 4 0 . 8 5 2 . 5 m N （ 2）计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩 T。 已知在不切削的状态下的轴向负载力0F=360N，则由式（ 2 T = 0 3 6 0 0 . 0 0 6 0 . 1 6 22 2 3 . 1 4 0 . 8 5 2 . 5 m N (3)计算由滚珠丝杠预紧力 产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩已知滚珠丝杠螺母副的效率0，滚珠丝杠螺母副的预紧力m a x 1 2 3 4 0 . 3 4 7 8 0 . 1 13 N N 则由式（ 2 0 202127 8 0 . 1 1 0 . 0 0 6 1 0 . 9 4 0 . 0 4 12 3 . 1 4 0 . 8 5 2 . 5m N m （ 4）折算到电动机轴上的负载力矩 T 的计算。 空载时（快进力矩），由式（ 2 e f 0 . 1 6 2 0 . 0 4 1 m 0 . 2 0 3 T N N 切削时（工进力矩），由式（ 2 1 . 0 5 0 . 0 4 1 1 . 0 9 1G J e T N m N m 3、计算折算到电动机轴上的加速力矩选 110反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量kg 对开环系统，一般侵权去加速时间机床执行部件一最快速度 v=2400mm/动时电动机的最高转速为 m a x 2400n = 2 . 5 r / m i n 1 0 0 0 r / m i 由式（ 2 m a xa p m i 9 8 0 . 1 4 2 . 5 1 0 0 0= 4 . 0 + 2 . 5 k g f c 9 8 0 0 . 0 5= 3 4 . 7 1 k g f c m = 3 . 4 N / 4、计算纵向进给系统所需的折算打电动机轴上的各种力矩 （ 1）按式（ 2算空载启动力矩 3 . 4 0 . 1 6 2 0 . 0 4 1 m 3 . 6 0 3 T N N （ 2）按式（ 2算快进力矩e f 0 . 1 6 2 0 . 0 4 1 m 0 . 2 0 3 T N N （ 3）按式（ 2算工进力矩 . 0 5 0 . 0 4 1 m 1 . 0 9 1 T N N 5、 选择驱动电动机的型号 ； （ 1）选择驱动电动机的型号。 根据以上计算和表 择国产 110反应式步进 电机为驱动电动机 ,其要技术参数如下：相数 ,3；步距角 , 最大静转矩 ,m； 转动惯量 ,42最高空载启动频率 ,1500运行频率 ,7000分配方式 ,三相六拍 ； 质量 ,6 （ 2）确定最大静转矩出的机械传动系统空载启动力矩矩11 3 . 6 0 3 4 . 1 60 . 8 6 6 0 . 8 6 6T N m N m 机械传动系统空载启动力矩2 1 . 0 9 1 3 . 6 40 . 3 0 . 3T N m N m 取1m 本电动机的最大静转矩为 m,大于m,可以在规定懂得时间里正常启动 ,故满足要求 。 （ 3）验算惯量匹配 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配 ,系统的负载惯量2即 0 1 因为 2 . 5 0 . 6 2 5 0 . 2 5 , 1 4 . 0 ,故满足惯量匹配要求 。 第三部分 序的设计 三相步进电机的控制 三相步进电机的控制要求为： 1、能对三相步进电机的转速、启动停止进行控制； 2、可实现三相 步进电机的正反转控制； 3、能对三相步进电机的步数进行控制。 一、系统配置 1、 台； 2、 110三相反应式步进电动机一台。 3、开关若干； 4、根据对三相步进电机控制的要求， I/O 配置及其接线图如图 1 所示。 二、程序设计 三相步进电机的转速分慢速、中速和快速三档，分别通过开关 择；正反转控制通过开关 择；步数控制分单步、 10 步和 100 步三档，分别通过按钮 7 选择。 图 1 1、转速控制 有脉冲发生器产生不同周期 T 的控制 脉冲，通过脉冲控制器的选择，在通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器 照单双六拍的方式接通，其接通顺序为 图 2 该过程对应于三相步进电机的通电顺序为 图 3 2、正反转控制 通过正反转驱动环节（调换相序），改变 1 和 通的顺序，以实现步进电机的正反转控制，即 图 4 图 5 3、步数控制 通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲，以 实现对步进电机步数的控制，三相步进电机控制的梯形图如图 6 所示。 三、程序设计及调试运行程序 将图 6 所示的梯形图换成程序写入 调试运行程序。 图 6 三相步进电机控制的梯形图 续图 6 1、转速控制 选择慢速挡（接通 接通启动开关 冲控制器产生周期为 1s 的控制脉冲，使状态向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使 照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始慢速步进运行。 2、正反转控制 先接通正反转 开关 重复上述转速控制操作。 3步数控制 先选择慢速挡（接通 在选择 10 步（接通 接通启动开关 拍时序脉冲、三相六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预订步数时，计数器动作，其常闭点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配