CA6140普通车床数控化改造.doc

目 录摘要 Abstract 绪论 1第一章 CA6140车床微机数控系统总体设计方案的拟订31-1 总体方案确定 31-2 设计XY数控工作台及其控制系统 4第二章 CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算 52-1 脉冲当量的选择 52-2 切削力的计算 52-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 62-4 齿轮传动比的计算142-5 步进电机的计算与选型152-6 设计绘制进给伺服系统机械装配图19第三章 CA6140 车床微机数控系统硬件电路的设计203-1 单片机微机数控系统电路设计内容203-2 MCS-51 系列单片机简介213-3 存储器扩展电路的设计283-4 I/O 接口电路及辅助电路设计373-5 典型零件加工程序设计46总结49参考文献50致谢51外文资料及中文翻译52绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。三、我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，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。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。第一章 CA6140车床微机数控系统总体设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。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。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。1-1 总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。二、计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系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、具有很高的性能价格比等特点，因此采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。三、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。1-2 设计X-Y数控工作台及其控制系统计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。 微 机机 Y向步进电机功率放大光电隔离上拖板 X向步进电机光电隔离功率放大下拖板 图1-1 经济型数控车床总体方案框图第二章 CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算一台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 400 在床鞍上 210加工最大长度：1000溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N刀架快速速度: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min最大进给速度: 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min主电机功率 7.5Kw起动加速时间 30ms机床定位精度: 0.015mm伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：2-1 系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。2-2 切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。1.纵车外圆主切削力F (N)按经验公式估算: =0.67D=0.67400=5360 按切削力各分力比例： =53600.25=1340 =53600.4=2144 2.横切端面主切削力可取纵切的1/2. 此时走刀抗力为(N),吃刀抗力为.仍按上述比例粗略计算: :=1:0.25:0.4 =26800.25=670 =26800.4=10722-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图4-4所示。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。一、纵向进给丝杠1.计算进给率引力(N)作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。纵向进给为综合型导轨由前所知： =1340 N=5360 N=1000 N=1.15=0.16 得：(N)= +(+G) =1.151340+0.16(5360+1000)=2559 N式中 考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15; -滑动导轨摩擦系数:0.150.18;-溜板及刀架重力: =1000 N.2.计算最大动负载利用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可以用下式计算： = = 式中 -滚珠丝杠导程,初选=6; -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(),此处=0.6m/min -使用寿命,按15000h; -运转系数，按一般运转取=1.21.5; -寿命，以10转为1个单位。将数据分别带入上式得： =50r/min=45=1.22559=10799 N3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录表3,可采用WL3506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400 N,精确等级按表4-15选为3级(大致相当于老标准级).4.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：=式中 螺旋升角, WL3506 =339-摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004将各数据带入上式得： =5.刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2-1所示。最大牵引力为2559 N.轴承支撑间距=1500，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。 图2-1（1）丝杠的拉伸或压缩变形量查图4-6，根据=2559 N，=35，*查出=1.2*10，可算出： 1500=1.6101500=2.410（）.由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高4倍。其实际变形量()为:=0.610(2)滚珠与螺纹滚道接触变形查图4-7, 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: =7.1m因进行了预紧, =7.1=3.35m(3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8107型推力球轴承，=35,滚珠体直径=6.35,滚动体数量=18, =0.0024 =0.0024 0.0075()注意,此公式中单位应为 因施加预紧力,故 =0.0076=0.0038根据以上计算:=+=0.006+0.00355+0.0038 =0.01335(一般=2.54)此滚珠丝杠不会产生失稳。三、 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。其几何参数如下:名称 符号 公式 公称直径 35 20导程 6 5接触角 37 433钢球直径() 3.969 3.175滚道法面半径 2.064 1.651偏心距 0.056 0.045螺纹升角 37 433螺杆外径 34 19.4螺杆内径 30.984 16.78螺杆纹接触直径 31.258 16.835螺母螺纹直径 39.365 23.212螺母内径 36.125 20.6352-4 齿轮传动比计算1.纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程=6，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比 =0.8可选定齿轮齿数为: =或2.横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量=0.005 ,滚珠丝杠导程=5,初选步进电机步距角0.75可计算传动比 : =0.48考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速: = =24、=40、=20、=25因进给运动齿轮受力不大，模数取2。有关参数如下:表2-1齿数324024402025分度圆648048804050齿顶圆688452844454齿根圆597543753545齿宽（610）202020202020中心距7264452-5 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。一、纵向进给步进电机计算1.等效转动惯量计算计算见图2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量（）可由下式计算： =+式中 -步进电机转子转动惯量（）;、-齿轮、的传动惯量（）;-滚珠丝杠转动惯量（）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，起转子转动惯量=10。 =0.7810=0.78106.42=2.62=0.7810=0.78*1082=6.39=0.78104150=29.952=1000 N代入上式： =+=10+2.62+=36.474考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 /=10/36.474=0.274基本满足匹配的要求。2.电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：（1） 快速空载起动力矩起 。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 起 =+ =10= =将前面数据代入，式中各符号意义同前。 =500 。起动加速时间 =30 =36.47410=636.6 N折算到电机轴上的摩擦力矩： = =94 N附加摩擦力矩： = =805.30.19=153 N上述三项合计：起 =+ =636.6+94+153=881.5 N（2）快速移动时所需力矩快 快=+=94+153=247 N（3）最大切削负载时所需力矩切 切=+=+ =94+153+=94+153+127.96 =375 N从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时，=0.951。最大静力矩=881.5/0.951=927 N 。按此最大静转距从表查出，型最大静转距为13.72 N 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 =4000 HZ=1000 HZ从表中查出 型步进电机允许的最高空载起动频率为2800 HZ运行频率为8000 HZ ， 130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz时，M=100，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（881.5）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率将到1000Hz时，起动力矩可增到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。二、横向进给步进电机计算和选型电机选为计算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。2-6设计绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画出机械装配图。图见0号大图。从图中可以看出，纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滚动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。总 结经过三个多月的工作，毕业设计到此已经完成。在此，我衷心感谢我的老师和同学们，没有老师的细心指导和同学的热情帮助，设计是很难顺利完成的。最后，我对这次设计做一简单的总结。 刚开始设计三周内，我先通过图书馆和上网查阅了大量的资料，以全面、深入地了解与自己设计题目相关的知识，并且完成了外文资料的翻译工作。在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了解，并在此基础上确定了总体设计方案，而且学会了如何在网上获得自己所需资源。此后便开始了对伺服系统机械部分的计算与设计。此过程也就是综合这四年来所学到的知识，选择合适、安全的机械零件，其中设计计算内容主要包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件图等。 通过这次设计，我对普通车床的改造有了系统性的认识和基础性的把握；熟悉了其设计原理及流程；并对传动系统和伺服系统进行了针对性的学习。而且使我具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇见的机、电方面技术的能力。当然设计中还存在很多不足，有待于改进，我会在以后的实际工作中不断弥补不足、创新进取。参考文献1 陈粤初、窦振中.单片机应用系统设计与实践.北京：航空航天大学出版社，19912 方元青.金属切削机床.中国矿业大学出版社，19903 陈绍廉.数控机床改造技术.航空工业出版社，19894 许兆丰.数控铣床编程与操作.中国劳动出版社，19945 廖为献.数控铣床加工中心自动编程.国防工业出版社，20026 谢筑森.单片机开发与典型应用设计.中国科学技术大学出版社，19977 郝忠军.数控机床原理及编程.西安：陕西机械学院，19868 范俊广.数控机床及其应用.北京：机械工业出版社，19939 王修才、刘祖望.单片机接口技术.复旦大学出版社，199510 王爱玲.现代数控机床实用操作技术.北京：国防工业出版社，200211 张秀琼.微型机算机原理及接口.北京：北京科学技术出版社，199212 周航慈.单片机应用程序设计技术.北京：航天航空大学出版社，199113 王树勋.MCS-51单片微型计算及原理与开发.机械工业出版社，199014 李忠杰.步进电机应用技术.北京：机械工业出版社，198815 杨俊.机床数控系统课程设计指导书.北京：中国科学技术出版社，