毕业设计（论文）-车床的数控改造技术设计.doc

目 录 1 引言 1 2 普通机床的数控改造 2 2 1 设计的内容及任务 2 2 2 数控车床工作原理及组成 2 2 2 1 数控机床工作原理 2 2 2 2 数控机床的组成 2 3 总体方案的拟定和论证 3 3 1 总体设计方案的拟定 3 3 1 1 主传动系数的设计改造 3 3 1 2 数控系统的选择设计 3 3 1 3 自动转位刀架选择设计 3 3 1 4 进给驱动系统的设计改造 3 3 2 可行性分析 4 3 3 总体方案的确定 4 4 主传动部分改造与设计 6 4 1 主传动部分改造方案拟定和设计的内容 6 4 2 主轴部分改造设计计算 6 4 2 1 切削力参数的确定 6 4 2 2 确定变速级数 z 和公比 7 4 2 3 主轴参数计算 7 5 伺服进给结构设计 8 5 1 伺服系统的组成原理及要求 8 5 1 1 伺服系统的组成原理 8 5 1 2 伺服系统的要求 9 5 2 伺服进给系统的设计内容和设计计算 9 5 2 1 纵向进给系统的设计 9 5 2 2 纵向进给系统的设计计算 14 5 3 步进电机的选择 18 5 3 1 CA6140 纵向进给系统步进电机确定 18 5 3 2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 19 5 4 伺服系统说明 19 5 4 1 机床进给系统的结构及工作原理 19 5 4 2 步进电机 19 5 4 3 步进电机的驱动电源 20 5 4 4 滚珠丝杠副 20 5 4 5 机床导轨 21 6 自动转位刀架 22 6 1 数控车床刀架的基本要求 22 6 2 车床刀架结构 22 6 3 工作原理 22 6 4 刀架的安装 23 7 经济型数控系统中常用软件模块设计 24 7 1 插补原理及其程序设计 24 7 1 1 插补方法概述 24 7 1 2 逐点插补原理 24 7 1 3 插补控制软件 24 7 1 4 程序诊断 29 7 2 接口电路设计 30 7 2 1 单片机和主机 PC 机 的连接 30 7 2 28031 单片机接口的扩展 31 7 2 3 键盘 显示器接口芯片 8279 31 7 2 4 中断优先电路 32 7 2 5 光电隔离电路 32 7 3 伺服电路 32 7 3 1 系统的组成 32 7 3 2 接口电路 32 7 3 3 位置和速度接口 33 7 3 4 步进电机控制程序设计 33 7 3 5 单片机控制的自动换刀程序设计 37 8 总结 39 谢辞 40 参考文献 41 附录 42 外文资料 43 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 1 1 引言 由于现代工业的飞速发展 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 如果设备全部更新换代 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 所以最经济的方法就是进行普通车 床的数控改造 这样既可以提高生产率 改善加工工艺 还可以减少资金投入 采用此方法对中 小企业来说是十分理想的选择 目前 各企业一般都有不少普通车床 完全用数控车床加以替换根本不可 能 解决这个问题 必须走普通车床数控改造之路 日本大企业中有 26 的机 床经过数控化改造 而中小企业则占 74 美国有许多数控专业化公司为用户 提供数控改造服务 我国拥有 300 万台机床 其中大量的是通用车床 因此普 通车床的数控改造 大有可为 数控改造一般是指对普通车床某些部件作一定的改造 配上数控装置 从 而使车床具有数控加工能力 本设计是集我们一组的同学共同设计的 在设计中大家各有分工 本人主 要设计的是伺服进给系统 所以对主传动部分以及程序设计只进行了简单的描 写 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 2 2 普通机床的数控改造 2 1 设计的内容及任务 普通车床 CA6140 的数控改造设计内容包括 总体方案的确定和验证 机械再造部分的设计计算 伺服进给机构设计 自动转位刀架的选择和设计 主运动变速原理 部分系统控制软件设计 本设计任务是对 CA6140 卧式车床进行数控化改造 实现微机对车床的数控 化控制 利用微机对车床的纵向 横向进给系统进行数字控制 并要达到纵向 最小运动单位 0 01mm 脉冲 横向最小运动单位 0 005mm 脉冲 主运动要实现 自动变速 刀架要改造成自动控制的自动转位刀架 要能自动的切削螺纹 并 能减少经济成本 2 2 数控车床工作原理及组成 2 2 1 数控机床工作原理 数控机床加工零件时 首先应编制另加的加工程序 这是数控机床的工作 指令 将加工程序输入到数控装置 再由数控装置控制机床主运动变化 起停 进给运动的方向 速度和位移量以及其它从而加工出符合要求的零件 2 2 2 数控机床的组成 数控机床主要由控制介质 数控装置 伺服系统和车床本体等四部分组成 图 2 1 数控车床的组成图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 3 3 总体方案的拟定和论证 数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 很好地解决了现代机械制造 中结构较复杂 精密 批量小 多变零件的加工问题 且能稳定产品的加工质 量 大幅度的提高生产效率 但从目前我国企业面临的情况看 因数控机床价 格较贵 一次性投资较大使企业心有余而力不足 作为机械加工大国 对普通 机床数控化改造不失为一种较好的良策 3 1 总体设计方案的拟定 3 1 1 主传动系数的设计改造 对普通车床进行数控改造时 一般可保留原有的主传动系统和变速操作机 构 以减少改造量 但本设计中为了提高机床的自动化程度 以便于在加工过 程中实现自动变换切削速度 对其作了相应的简化改造 采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机 以实现无级调 速 并简化原来传动系统 以达到多档调速范围的确定 3 1 2 数控系统的选择设计 计算机数控装置 CNC 即控制装置是数控机床的中心环节 它通过对加工 程序的运行处理 发出控制信号 实现对加工过程的自动控制 3 1 3 自动转位刀架选择设计 数控机床的刀架是机床的重要组成部分 其结构直接影响车床的切削性能 和效率 卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动转位 刀架 本设计决定采用常州宏达数控设备厂生产的 LD4 四工位螺旋转位刀架 3 1 4 进给驱动系统的设计改造 由于改造设计的是简易型经济数控 所以在考虑具体方案时 基本原则是 在满足需要的前提下 对于机床尽可能减小改动量 以降低成本 由于半闭环 系统结构简单 调整方便 在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多 故 本设计采用半闭环系统 其中包括伺服进给机构的改造 步进电动机的选用 丝杠螺母副和机床导轨改造 1 伺服进给机构的改造 纵向进给机构的改造 拆除原来机床的溜板箱 光杠与丝杠以及安装座 装上滚珠丝杠及其相应的安装装置 纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠 的右端 采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度 横向进给机构的改造 拆除原来横向进给的丝杠 换上滚珠丝杠 保留原来 的横向手柄机构 横向步进电机和减速箱安装在机床后侧 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 4 2 步进电动机的选用 选用步进电动机 通常希望步进电动机的输出转矩大 启动频率和运行频 率高 步距误差小 但是 增大转矩与快速运行存在一定的矛盾 高性能与低 成本相矛盾 因此在实际选用步进电动机时 要考虑各方面因素 首先要保证机床的定位精度 而脉冲当量直接影响机床的定位精度 脉冲 当量越小 机床的定位精度越高 但机床快速进给速度就越小 为兼顾精度与 速度的要求 应在满足精度的条件下 选择尽可能大的脉冲当量 脉冲当量确 定后 以此为依据选择步进电动机步距角和传动机构的传动比 3 丝杠螺母副 卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠 即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦 由于滑动丝杠螺母副的摩擦大 转动效率低 在精度要求不高的情况下 可以 仍用原机床的滑动丝杠 考虑本设计的设计要求 选用滚珠丝杠螺母副代替原 机床的滑动丝杠螺母副 4 机床导轨改造 卧式机床上的运动部件 如刀架 工作台都是沿着机床的导轨面运动的 导轨的作用就是支承和导向 即支承运动部件 并保证运动部件在外力的作用 下 能准确的沿着一定方向运动 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精度要求 支承能力和使用性能 数控改造时根据 原机床导轨的磨损程度和加工精度要求 来确定导轨的结构形式 一般是将原机床导轨进行休整后贴塑 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 具有良好的自润滑性和抗振性 工艺简单 成 本低 3 2 可行性分析 可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析 报告 是上级主管部门审定和批准立项的基本依据 同样 在进行普通车床的 经济型数控改造之前进行合理的 科学的可行性论证是必要的 根据传统的论证方法 普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下 几个方面进行 即从企业生产经营目标 改造的基础条件 目标 技术方案 投资概算 效益分析 改造后车床的实施计划 结论等 由于原因限制 设计者只能就再造的投资概算做一简要的可行性论证 本改造设计是对普通车床 CA6140 进行经济型数控改造 在改造设计中 采 用的是苏东方数控新技术公司生产的 NIM 9720 型数控系统 常州宏达机床数控 设备厂的 LD4 CA6140 电动刀架 加上两台伺服电机 一台交流调速电动机和齿 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 5 轮减速机构 两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副 贴塑导轨等零件 3 3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后 确定的 CA6140 车床的主轴转速部分采用了变频 调速交流异步电机 车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动 经步进电机 驱动 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 刀架改 成微机控制 经电机驱动的自动转位刀架 为保持切削螺纹的功能 需要安装 主轴脉冲发生器 图 3 1 总体方案设计图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 6 4 主传动部分改造与设计 4 1 主传动部分改造方案拟定和设计的内容 改换主轴电动机 换成调速电动机 通过对电动机的变频调速控制再加以 简单的齿轮调速来实现自动变速 齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合 主轴方式的选择 主轴电机的选择 齿轮传动系数的设计计算 绘制主传 动系统结构图 数控机床主轴变速方式主要有无级调速 分段无级调速和内置 电机变速等 在本设计中采用分段无级调速 无级调速能够选用最合理的切削 用量 可在运转中变速 操作方便 简化机械结构 无级调速主要是利用直流 和交流调速电动机 考虑本设计机床的要求 采取交流变频电动机和有级变速 箱配合的方案 即分段无级变速 主轴的正反转和制动停止 通过数控指令直 接控制电机来实现 4 2 主轴部分改造设计计算 根据机床要求粗选车床主轴变速范围 Ra 100 2500r min 25r min max n min n 粗步估算电动机功率 根据统计分析法 kw 4 54 1 5 36DKp d 1 D 取 400mm 根据车床说明书 D 机床的最大加工直径 为工作余量 这里取 0 8 d K 图 4 1 主轴变频调速系统原理图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 7 所以 KWp12 7 4 08 0 5 36 54 1 4 2 1 切削力参数的确定 切削力 FZ zfzyfz xfz pFZ KvfaCF 81 9 2 4 2 据 实用机床设计手册 以后若无说明则源于 实用机床设计手册 根据计算选用 11kw 的电动机 YD160L 4 其最高转速 nmax 3500r min 额定转速 n 1460r min 4 2 2 确定变速级数 z 和公比 根据以下计算 主轴计算转速 nmin 4 nnc 3 主轴恒功率变速范围 RP 4 4 电动机恒功率变速范围 RDP 4 5 公比 z 1 4 6 得出 nc 99 5 r min Rp 25 12 RDP 2 40 z 1 14 7 齿轮变速级通常为 2 4 这里取 z 4 时 这时 2 37 此时 P0为 11 14 kw 符合机床功率要求 4 2 3 主轴参数计算 根据 实用机床设计手册 知 当 RDP 时 在变速箱的每档内会使一 部分低转速的传动功率下降 按恒转矩方式变速 在 P n 曲线上会出现 缺口 曲线上的缺口则称为功率降低区 当 RDP 时可保证主轴在计算转速 c n 至最高转速 范围内全部为恒功率 P n 曲线上无 缺口 可以充分利 max n 用电动机的功率 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的原件 它便于实现自动操作 2 max mix n n c n nmax c n nmax DP P R R 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 8 能简化变速系统 给途中齿轮装上电磁离合器 通过传动轴上的离合器吸合和 分离的不同组合来改变齿轮的传动路线 实现自动变速 5 伺服进给结构设计 伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分 如果说 CNC 系统是数控机床的 大脑 是发布 命令 的指挥机构 那么 伺服驱动系统 便是数控机床的 四肢 是执行机构 它忠实而准确的执行由 CNC 系统发来的 运动命令 伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽 其性能是影响数控机 床的精度 稳定性 可靠性 加工效率等方面的重要因素 5 1 伺服系统的组成原理及要求 5 1 1 伺服系统的组成原理 机床进给伺服系统主要由伺服驱动系统与机床进给机械传动机构两大部分 组成 机床进给机械传动系统通常由减速齿轮 滚珠丝杠 机床导轨和工作台 拖板等组成 对于开环伺服系统 按其反馈信号的有无 分为开环和闭环两种 控制方式 对于开环伺服系统只能由步进电机驱动 它由步进电机驱动电源和 电动机组成 闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式 并 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 9 且是双闭 环系统 内环是速度环 外环是位置环 速度环中用作速度反馈的检测装置为 测速发电机 脉冲编辑器等 速度控制单元是一个独立的单元部件 它由速度 调节器 电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成 位置环是由 CNC 装置中 的位置控制模块 速度控制单元 位置检测以及反馈控制等部分组成 半闭环 采用转角位置检测装置 安装于滚珠丝杠端部 或直接与伺服电动机转子后端 相连 对于全闭环系统需要采用直接位置检测装置 安装于机床导轨与工作台 拖板之间 5 1 2 伺服系统的要求 伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构 为确保机床的加 工质量和效率 机床对其伺服系统有 稳 准 快 宽 足 五个要求 它反 映了伺服驱动系统的五项性能指标 除了上述五项主要性能指标外 也要求温 升低 噪声小 效率高 体积小 价格低 控制方便 线性度好 可靠性高 维修保养方便 对温度 湿度等环境要求宽等等 5 2 伺服进给系统的设计内容和设计计算 5 2 1 纵向进给系统的设计 普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠 螺母固定溜 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 从改 造方便 实用方面来考虑 一般都把步进电机放在丝杠的右端 即尾架部位 已知条件 工作台重量 W 100kgf 1000N 根据图纸粗略计算 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 L 6mm 行程 S 600mm 脉冲当量 p 0 01mm step 步距角 0 75 step 最大进给速度 2m min max v 1 切削力计算 由 实用机床设计手册 可知 切削效率 Nc N k 5 1 N 电机功率 N 11kw 主传动链的总效率 取 0 90 图 5 1 伺服进给机构总设计方案 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 10 k 进给系统的功率因数 取 k 0 96 则 Nc 11 0 90 0 96 9 504 kw 又因为 Nc 5 2 则 Fz 5 3 V 切削线速度 取 V 100m min 所以 Fz 581 64 kgf 5700 N 由 金属切削原理 知 主切削力 Fz 9 81 Z FZ FZ Z F Y x p F KfaC 查表得 CFz 188kgf mm2 XFz 1 YFz 0 75 KFz 1 当 FZ 1495 2N 时 切削深度 ap 2mm 走刀量 f 0 3mm 以此参数作为下面计算的依据 从 实用机床设计手册 中知 在一般外 圆切削时 Fx 0 1 0 6 Fz Fy 0 15 0 7 Fz Fx 0 5Fz 0 5 5700 2850 N Fy 0 6Fz 0 6 5700 3420 N 2 滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化 因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的 选择 综合车床导轨丝杠的轴向力 P KFx Fz W 5 4 f 式中由于以上选用的是矩形的导轨 根据 机床设计手册 查出 K 1 1 0 15 f 则 P 1 1 2850 0 15 5700 1176 4166 4 N 强度计算 寿命值 Li 5 5 所以 ni 5 6 取工件直径 D 80mm 查表得 Ti 15000h 自动控制机床及机床通常的取值 所以 ni 6120 FcV v Nc6120 6 10 60 iiT n 0 L f 中 n 0 1000vf DL min r20 68014 3 3 01001000 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 11 Li 最大动载荷 Q pfwfh 5 7 3 f L 表 4 2 运转系数值表 运转状态运转系数 fw 无冲击的圆滑运转1 0 1 2 一般运转1 2 1 5 有冲击的运转1 5 2 5 查硬度系数表 运转系数 fw 1 2 硬度系数 fn 1 Q 4377 66 1 2 1 13767 26 N 3 18 根据最大运载荷 Q 的值和原机床参数 选择滚珠丝杠的型号 FFZD4006 5 B 即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副 公称直径为 40mm 导 程为 6mm 滚珠列数为 5 列 精度等级为 B 级 一般数控机床精度等级为 B 级 额定动载荷为 26000N 因为 26000N 13767 26N 所以强度不成问题 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 5 8 式中摩擦角 10 35 2 0 953 刚度校验 滚珠丝杠受工作负载 引起导程的变化量 L0 5 9 式中 L0 6mm 0 6cm E 20 6 106N m 滚珠丝杠面积 F 1256 2 cm EF PL0 18 10 150002060 6 tg tg 01523 523 tg tg 2 2 d 26 1056 1210 6 20 6 066 4377 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 12 则 L0 10 15 10 cm 8 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小 可以忽略 即 L L1 所以导程变形总误差 为 100 L L 5 10 即 10 15 10 16 92 m m 8 查表知 B 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 25 m m 故刚度足够 稳定性校验 根据公式 EI KL F 5 11 K F k f 22 max 式中 Fk 2 E 20 6 10pa I 4 12 56 cm 44 K 4 L Ls 35d 35 4 140cm Ls 为丝杆长度 1 F 2 3 142 2 06 107 12 56 4 1402 88577 Fmax 6286 5 k 故稳定性也没有问题 3 齿轮及转矩的有关计算 有关齿轮计算 传动比 i 5 12 则 i 1 25 故取齿轮齿数 z1 32 z2 40 模数 m 2mm b 20mm 20 分度圆直径 d1 mz1 2 32 64 mm D2 mz1 2 40 80 mm 齿顶圆 da1 d1 2ha1 68 mm da1 d2 2ha2 68 mm a d1 d2 2 64 80 2 72 mm 转动惯量计算 工作台拆算到电机轴上的转动惯量 6 0 100 64 P L 360 0 01 0 360 675 0 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 13 J1 W 5 13 即 J1 0 468 kg cm 4 68 N cm 22 丝杠的转动惯量 Js 7 8 10 4D4L1 5 14 式中 D 丝杠的名义直径 D 4 0cm L1 丝杠两固定端的间距 L1 150cm 所以 Js 7 8 10 4 44 150 29 925 kg cm2 299 52 N cm2 齿轮的转动惯量 Jz 7 8 10 4 2 J 7 8 10 4 6 44 2 617 kg cm2 26 17 N cm2 1z J 7 8 10 4 84 2 6 39 kg cm2 63 9 N cm2 2z 电机转动惯量很小可以忽略 因此 总的转动惯量 J 26 343 kg cm 263 43 N cm 22 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M Mamax Mf M0 5 15 最大切削负载时所需力矩 M Mat Mf M0 Mt 5 16 快速进给时所需力矩 M Mf M0 5 17 式中 M 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩 ma M 折算到电动机轴上的摩擦力矩 f M 由于丝杠预紧所引起 折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 M 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩 at Mt 折算到电动机轴上的切削负载力矩 M 10 N m 5 18 4 式中 T 为时间常数 T 25 10S 3 当 n n时 M Ma maxmax 2 180 p p 100 75 0 14 3 01 0 180 2 112 2 1 JJJJ i ZZS 468 0 617 2 39 6 252 29 25 1 1 2 T jn 6 9 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 14 5 19 n 416 47 r min m M ma 45 736 N m 457 36 kgf cm 当 n n 时 M M i t n 5 20 i n 24 88 r min i M 2 73 kgf cm at M 5 f 21 当 0 8 0 16 时 f M f 1 529 kgf cm 15 29 kgf N M 5 0 22 当 0 9 时预加载荷 P 00S M 0 1 724 kgf cm 17 24 kgf N M 5 23 t 即 M 27 25 kgf cm 272 5 N cm t 6 25 12000 3 10256 9 67 416343 26 0 i L f 中 n 0 1000 DL vfi 68014 3 25 1 3 01001000 3 10256 9 88 24343 26 i WLf i LF 22 000 25 1 8 014 32 6 010016 0 2 0 00 1 2 i LP F 3 1 2 0 0 1 6 i LFx 25 1 8 014 3 6 9 016 0285 2 i LFx 2 0 25 18 014 32 6 0285 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 15 所以 快速空载启动所需力矩 M M M M max f0 45 736 1 529 1 742 48 898 kgf cm 48 898 N cm 切削时所需力矩 M M M M Mat f0i 45 763 1 529 1 724 27 25 76 239 kgf cm 762 39 N cm 快速进给时所需力矩 M M M f0 1 529 1 724 3 253 kgf cm 48 898 N cm 由以上分析计算可知 所需最大力矩 M发生在快速启动 max M 457 36 kgf cm 457 36 N cm max 5 2 2 纵向进给系统的设计计算 普通机床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单 一般是步 进电机经减速后驱动滚珠丝杠 使刀架横向运动 步进电机安装在大托板上 用法兰盘将步进电机和机车大托板连接起来 以保证其同轴度 提高传动精度 由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似 所用到的公式不详细 说明 只计算结果 已知条件 工作台重量 根据图纸粗略计算 W 40kgf 400N 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 L 4mm 0 行程 S 190mm 脉冲当量 0 005mm step p 步距角 a 0 75 step 快速进给速度 v 1m min max 1 切削力计算 横向进给量为纵向的 1 2 1 3 取 1 2 则切削力约为纵向的 1 2 5700 285 kgf cm 2850 N Z F 在切断工件时 y F 285 142 5 kgf cm 1425 N Z F 2 滚珠丝杠的设计计算 2 1 2 1 2 1 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 16 强度计算 对于矩形导轨 P K y F WFf z 取 k 1 1 0 15 f 则 P 1 1 142 5 0 15 285 30 204 kgf cm 2040 N 取工件直径 D 80mm 走刀量 f 0 15mm i n 15 r min 寿命值 13 5 i L 最大负荷 Q PffL Hwi 3 1 2 1 204 582 89 kgf cm 5829 9 N 3 5 13 根据最大动负荷 Q 值 选择滚珠丝杠的型号额为 FFZDB3204 5 B 左 其直 径为 32mm 导程为 4mm 滚珠列数为 5 列 精度为 B 级 额定动载荷是 1300N 所以其强度符合要求 效率计算 摩擦角 10 螺旋升角 833 则传动效率 0 956 刚度计算 滚珠丝杠截面积 F 3 14 7 056 10 cm 2 2 滚珠丝杠受工作负载 P 引起导程的变化量 L 1 5 61 cm 8 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小 可忽略 即 所 2 L i LL 以 0 1000 DL vf 48014 3 15 01001000 tg tg 01833 8330 tg tg 2 2 d 2 2 3 EF PL0 26 10065 710 6 20 4 0204 18 181027 7 0 4 100 L 100 8 0 L 6 10 60 iiT n 6 10 150001560 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 17 导程变形总误差为 m m 查表 B 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 25 m m 故刚度足够 稳定性校验 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同 而支撑方式由原来的一端固 定 一端悬空 变为一端固定 一端径向支撑 所以稳定性增强 3 齿轮及转矩有关计算 有关齿轮计算 传动比 i 故取 18 1 z30 z m 2mm b 20mm 90 1 d 36mm 120mm 2 d 1a d 40mm 64mm a 48mm 2a d 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 丝杠转动惯量 1 4 107 8DLJS 7 8 224 624 0 50210cmkg 齿轮的转动惯量 244 1 262 0 26 3108 7cmkgJz 244 2 022 2 26108 7cmkgJz 电机转动惯量很小可以忽略 因此总的转动惯量 J 所需转动力矩计算 3 5 005 0 360 475 0 3600 0 P L W p J p 2 1 180 2 2 0284 0 100 1 40 75 1014 3 005 0 180 cmkgf 112 1 JJJJ i zzs 2 2 242 1 0248 0 262 0 022 2 626 0 5 3 cmkg min 4 416 4 3 5 1000 0 max max r L iv n cmkgf68 2 m268 0 10 6 9 4max max N T Jn Ma 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 18 cmkgfmN 129 0 0129 0 当 0 8 0 2 时 f 0 3822 kg fcm 3 822 N cm 当时 9 0 0 0 4132 kg fcm 4 312 N cm 所以 快速轻载启动所需力矩 0max MMMM fa 2 268 0 3822 0 4312 3 063 kg fcm 3 063 N cm 切削时所需力矩 tfat MMMMM 0 0 0129 0 3822 0 4312 6 807 7 633 kg fcm 76 33 N cm 快速进给时所需转矩 0 MMM f 0 3822 0 4312 0 8134 kg fcm 8 314 N cm 从以上计算可知 最大转矩发生在快速启动时 max M 3 063 kg fcm 30 63 N cm 00 DL vfi1000 L f 中 n ni min 88 24 48014 3 3 5 15 0 1001000 r 4 10 025 0 6 9 88 24242 1 at M i WLf i LF M f 22 000 8 0 3 5 14 3 2 4 0402 0 2 0 0 1 6 i LF M y 2 9 01 3 5 8 014 3 6 4 0 5 142 i LF M y t 2 0 cmN07 68cm807 6 3 5 8 014 3 2 4 0 5 142 kgf 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 19 5 3 步进电机的选择 5 3 1 CA6140 纵向进给系统步进电机确定 启动力矩 5 24 所以 为满足最小步距要求 电动机选用三相六拍工作方式 查步进电动机相数 拍数 启动力矩表 查表知 所以 步进电动机最大静转矩866 0 jw MM 为 5 25 相数33445566运行方 式拍数3648510612 jw MM 0 50 8660 7070 7070 8090 9510 8660 866 即 步进电机最高工作频率 5 26 即 综合考虑 查表选用 150BF003 型步进电机 能满足使用要求 5 3 2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 电机仍选用三相六拍工作方式 查表知 0 866 所以 步进电机 jw MM 最大静转矩为 jw M 步进电机最高工作频率 为了便于购买和设计 选用 110BF004 型直流步进电动机 能满足使用要求 5 4 伺服系统说明 5 03 0 0 L M M mN M M L 45 1222 4 0 98 488 4 0 0 866 0 M cmNM jw 61 1411 866 0 45 1222 60 max max v f cmN M M L 58 76 4 0 63 30 4 0 0 cmN M M jw 39 87 866 0 68 75 866 0 HZ v f33 3333 005 060 1000 60 max max HZf33 3333 01 0 60 2000 max 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 20 5 4 1 机床进给系统的结构及工作原理 进给系统结构说明 拆除原机床的机械传动机构 用步进电动机经齿轮减速机构驱动丝杠 带 动刀沿 x 轴 z 轴移动 如图 4 27 采用减速机构 可达到所需要的脉冲当量 还可满足结构要求和增大转矩 检测元件装在齿轮减速器上 通过检测齿轮转 动方向和齿数 输入到数控单元 ENC 通过其运算得出进给的方向距离 达到 半闭环控制的目的 5 4 2 步进电机 步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移 或线位移 的电磁装置 其 转子的转角 或位移 与输入的脉冲数成正比 而运动方向是步进电动机的各 相通电顺序来决定 并且保持电动机各相通电状态就能使电动机自锁 因而 步进电动机具有控制简单 运行可靠 惯性小等优点 但其缺点是调速范围窄 升降速反应慢 转矩频率特性软 输出力矩受限 步进电动机按力矩产生的原 理可分为反应式 电磁式 永磁式 混合式等 按电动机结构可分为径向式 轴向式 绕组式 按适用场合或输出扭矩的大小可分为功率步进电动机和控制 步进电动机 按励磁相数可分为三相 四相 五相 六相和八相步进电动机 随着电子技术和相关技术的发展 步进电动机在速度 功率及效率等方面都有 很大的改进提高 因而目前在数控机床上仍有较多的被采用 尤其在我国经济 型数控机床上用的较多 5 4 3 步进电机的驱动电源 环形脉冲分配器输出的电流很小 毫安级 必须经过功率放大 步进电动 机的矩频特性中表明 随着频率增大 电动机带负载能力将下降 其主要原因 是电动机绕组电感 L 的影响 由于步进电动机绕组本身的直流电阻 Rd 很小 而 图 5 2 伺服进给机构改造示意图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 21 绕组电感 L 较大 所以当频率 增大时 其绕组的阻抗 Z Rd j L 也很快增大 从而使得绕组电流 I V Z 减小 即使输出力矩降低 1 功率放大电路 功率放大电路分为单电源和双电源型 单电源型线路简单 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 在功率放大器导通初始 V1V3V4 全导通 并使脉冲变压器 B 的副边产生一定宽度的脉冲电流 使 V2 导 通高压电源 EH 通过 V2 V1 为步进电动机某一相绕组通电 使其电流上升沿变 陡 同时 VD 处于反相偏置 将低压 En 与绕组 LA 切断 经过 Tb 时间后脉冲电 流消失 使 V2 截止 高压电源与绕组之间被切断 En 通过 VD V1 为绕组 LA 供电 提供所需要的额定电流 通过调整脉冲变压器的磁芯和 R4 可改变高压供 电时间 tb 以上只是从原理上分析说明 由于我国目前步进电动机的功率放大 器已由生产厂家生产出系列化产品 在设计数控机床控制电路时只需要根据步 进电动机的容量大小进行选择 所以不再进行计算 2 辅助电路 为防止机床行程越界 所以在机床上装有行程控制开关 为了防止意外 装有急停按钮 由于这些开关都安装在机床上 距控制箱比较近 容易产生电 气干扰 为了避免这种情况发生 在电路和接口之间实行光电隔离 为了报警 还设有报警电路 当绿色的光电二极管亮时表示工作正常 当红色的二极管亮 时 表示溜板箱已到极限位置 5 4 4 滚珠丝杠副 滚珠丝杠副能保证机床进给动作灵敏 装配效率和传动精度要求 在滚珠 丝杠副中是滚动摩擦 它具有以下特点 摩擦损失小 传动效率高 可达 90 96 采用双螺母预紧后 可以很好的消除间隙 提高传动刚度 摩擦阻力小 动静摩擦力之差极小 能保证运动平稳 不易产生低速爬 行现象 磨损小 寿命长 精度保持好 不能自锁 有可逆转性 既能将旋转运动转换为直线运动 或将直线运 动转换为旋转运动 因此丝杠立式使用时 应增加制动装置 运动速度受一定限制 传动速度过高 滚珠在其回路管道内易产生卡珠 现象 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法有垫片调隙式 螺母调隙式 齿 差调隙式 为保证反向传动精度和机构的轴向间隙 并应适当预紧 本设计采 用双螺母垫片式调隙法 图 5 3 所示为垫片式调整机构 修磨垫片 3 的厚度 使螺母 2 相对于螺母 1 产生轴向位移 从而消除轴向间隙并获得适当的预紧 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 22 5 4 5 机床导轨 滑动导轨具有结构简单 制造方便 接触刚度大的优点 但传统滑动导轨 摩擦阻力大 磨损快 动静摩擦系数差特别大 低速时易产生爬行现象 本设 计考虑到改造的方便性和经济性 采用贴塑导轨 将原机床导轨进行修正后贴 塑 使其成为贴塑导轨 采用的材料是我国生产的 TSF 软带材料 厚度有 0 8mm 1 6mm 3 2mm 等几种规格 考虑承载变形宜选用厚度小的规格 同时 考虑到加工余量 选用厚度为 1 6mm 的为宜 6 自动转位刀架 卧式车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架 自动转位刀架由数控系统控制 效率高 工艺性能可靠 根据所加工零件 的工艺要求及机床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型 6 1 数控车床刀架的基本要求 数控车床的刀架是机床的重要组成部分 刀架用于夹持切削用的刀具 在 一定程度上 刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平 所以有如 下要求 转位准确可靠 工作平稳安全 按最短线路就近选择 专为时间短 重复定位精度高 防水 防屑 密封性能优良 图 5 3 滚珠丝杆副预紧调整机构 1 螺母 2 螺母 3 调整螺母 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 23 夹紧刚性高 适宜重负荷切削 6 2 车床刀架结构 本设计采用的是常州宏达机床数控设备厂 LD4 CK6140 6 1 LD4 CK6410 参数 6 3 工作原理 自动转位刀架工作原理如图 6 1 所示 微电机经弹簧安全离合器至涡轮副 带动螺母旋转 螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离 随即带动 刀架旋转到位 然后发信号使电机反转锁紧 完成刀架换位后 再进行切削加 工 其具体过程是 当微机发出换刀信号后 刀架控制器中继电器动作 电动 机正转驱动涡轮杆减速机构 螺杆升降机构使上刀架上升 当上刀架上升到一 定高度时 离合转盘起作用 带动上刀体旋转 刀架上端的发信盘中对应每个 刀位都安装一个霍尔元件 当 1 电机 2 固定安装丝杠 3 安全离合器 4 刀 架 上刀体旋转到某一刀位时 该刀架上霍尔元件输出高电平 在上刀体旋转 过程中 发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号 数控系统将反馈刀位信号与 指令刀位信号相比较 当两信号相同时 说明上刀体已旋转到所选刀位 此时 数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转 活动销反靠在反靠盘上初定 位 在活动销反靠作用下 螺杆带动上刀体下降 直至齿牙盘啮合 完成精定 位 并通过涡轮蜗杆锁紧螺母 使刀架紧固 向数控系统发出转位完成信号 切断电源 电机停转 完成选刀过程 图 6 1 自动转位刀架工作原理图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 24 6 4 刀架的安装 该刀架安装时 需拆除原电机床上的小拖板和原刀架 然后把电动刀架置 于中拖板上 此时 刀架高度应使车前刀面基本通过车床主轴轴心线 否则要 在刀架下面加垫板 调整其高度 然后 卸掉刀架电动机风扇罩壳 逆时针方 向转动电动机 使上刀体相当于下刀体转动 45 左右 电动刀架与系统的连线应如下安装 沿横向工作台右侧面先走线到车床后 面 再沿车床后导轨下方拉出一铁丝滑线 走线到系统 其好处在于 避免走 线杂乱无章 而使得加工时切削 切削液以及其他杂物磕碰电动刀架连线 7 经济型数控系统中常用软件模块设计 机床数控系统设计在应用工作中 软件设计是一个重要方面 实际设计与 硬件设计的不可分割的 二者必须结合 哪些能由硬件完成 哪些能由软件完 成 在硬件设计基本定型后 分工也就基本确定下来了 这时软件设计工作才 开始进行 软件设计工作 按其功能可分为二类 一是执行软件 另一类是监控软件 但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分 习惯上把键盘解释 程序作为监控程序 其它任务都分散在特定功能执行程序中 并由监控程序来 调用必要的功能模块 完成预定的任务 7 1 插补原理及其程序设计 7 1 1 插补方法概述 图 6 2 刀架的安装尺寸图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 25 经济型数控机床是用步进电动机或者伺服电机驱动执行机构 使刀具相对 工作沿着指定的路径运动 切削零件的轮廓 并保证切削过程中的每一点的精 度和表面粗糙度符合一定的要求 当加工具有与坐标方向一致的直线轮廓的工 件时 只要沿其坐标方向进给就能满足加工要求 每一方向的进给运动靠步进 电机驱动托板产生 而步进电机的运动则是靠数字脉冲来控制的 一个脉冲能 使托板产生的位移量称当量或者最小增量 常用 x y 表示 因而 知道了平 行于轴向的加工轮廓长度 就可以换算成步进电机控制脉冲数 从而完成零件 加工 脉冲当量是脉冲分配的基本单位 按加工精度选定 经济型数控机床通 常为 0 01mm 精度较高的为 0 005mm 7 1 2 逐点插补原理 原理是 计算机在控制加工轨迹过程当中 每当刀尖 托板 向某一方向 移动一步 就要进行一次偏差计算和偏差判断 就是比较加工点同要求加工轨 迹相应点的坐标之间的偏差程度 然后根据偏差的大小确定下一步的位移方向 使刀尖始终紧靠要求的加工轮廓运动 然后根据偏差的大小确定下一步的移动 方向 使刀尖始终紧靠要求的加工轮廓运动 起到步步逼近的效果 这种插补 方法的特点在于每控制刀尖位移一步时 都要完成四个工作节拍 7 1 3 插补控制软件 1 插补软件 插补是数控机床中一种脉冲分配计算 合理的分配计算能保证数控机床连 续的轨迹运动 下面只是以直线和圆弧为例来叙述逐点比较法的软件设计方法 1 直线插补 下面程序是四个子程序中第一象限的子程序 其它象限只需加以修改即可 所以在此没有给出 下面是插补程序清单 直 线插 补程 序 ORG 2300H MAIN MOV SP 60H 主程序开始 内存单元地址内存内容 28H终点坐标 SEZHI32 29H终点坐标 SEZHI32 2AH插补值 X 2BH偏差值 Y 2CH偏差值 A 70H控制电机正 反转的控制字 14H计数器 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 26 MOV R0 T8255 8255 初始化 MOV A 80H MOVX A R0A LOR4 MOV 28H 0C8H Xe MOV 29H 0C8H Ye MOV 2AH 00H X MOV 2BH 00H Y MOV 2EH 00H F MOV A 2EH LOP3 MOV A 2EA JB ACC 7 LOP1 MOV A 70H SETB ACC 0 CLR ACC 2 MOV 70H A 0B X LCALL MOTR 调环行分配器子程序 x 方向走一步 LCALL DELAG MOV A 2EH SUBB A 29H F Ye INC 2AH X 1 AJMP LOP2 LOP1 MOV A 70H SETB ACC 2 CLR ACC 2 MOV 70H A 0G Y LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A 2EH ADD A 28H F Xe INC 2BH Y 1 LOP2 MOV 2EH MOV A 28H CJNE A 2A LOP3 Xe X ST MOV R0 T8255 关 8255 MOV A 00H MOVX R0 A 图 7 1 直线插补程序框图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 27 LJMP ST 圆弧插补程序 与直线插补一样 这里第一象限逆圆的情况 其步骤为 偏差计算 进行 脉冲的分配 终点判别 下面是圆弧插补程序框图 程序清单如下 XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AH YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H MAIN MOV SP 60H MOV R