C6140卧式车床横向进给系统.doc

1 课 程 设计说 明 书 课程名称 课程名称 机械制造自动化技术 设计题目设计题目 C6140 卧式车床横向进给系统 数控化改造设计 专专 业 业 机械设计制造及其自动化 班级 班级 0804 学生姓名学生姓名 罗巍 学学 号号 0812110432 指导教师指导教师 吴吉平 湖南工业大学科技学院教务部 制 2011 年 12 月 19 日 2 数控系统课程设计数控系统课程设计 C6140C6140 普通卧式车床数控化改造之横向进给系统 普通卧式车床数控化改造之横向进给系统 X X 轴设计 轴设计 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 3 1 1 数控机床的产生 3 1 2 数控机床的发展 3 1 3 我国数控机床的发展概况 4 1 4 数控机床的发展趋势 4 1 5 数控机床改造的意义 4 第二章 车床横向进给系统存在的问题分析第二章 车床横向进给系统存在的问题分析 6 2 1 常见改进方案及存在问题 6 第三章 机械系统的改造设计方案第三章 机械系统的改造设计方案 7 3 1 主传动系统的改造方案 7 3 2 安装电动卡盘 7 3 3 进给系统的改造与设计方案 8 第四章 进给传动部件的计算和选型第四章 进给传动部件的计算和选型 9 4 1 脉冲当量的确定 9 4 2 切削力的计算 9 4 3 滚珠丝杠螺母副的的计算和选型 横向 9 第五章 绘制进给传动机构的装配图第五章 绘制进给传动机构的装配图 14 第六章 控制系统硬件电路设计第六章 控制系统硬件电路设计 15 第七章 步进电动机驱动电源的选用第七章 步进电动机驱动电源的选用 17 第八章 控制系统的部分软件设计第八章 控制系统的部分软件设计 18 第九章 结论第九章 结论 24 第十章第十章 心得体会心得体会 25 第十一章第十一章 参考资料参考资料 27 3 第一章第一章 绪论绪论 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 1 1 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 1 2 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 4 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 1 3 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 1 4 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 5 1 5 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 6 第二章 车床横向进给系统存在的问题分析第二章 车床横向进给系统存在的问题分析 C6140 车床横向进给系统在连续的使用过程中 由于磨损等原因 使丝杠 与丝母间隙过大 产生轴向窜动 影响进给精度 通过调整可消除丝杠与丝母 间的间隙 但实践证明 这种调整方法只消除了丝母的磨损间隙 而没有消除 丝杠的磨损间隙 如果按丝杠磨损较大部位调整丝母 则在丝杠磨损较小部位 可能因间隙过小而使进给手柄转动太沉 经过长期的观察和实践 发现几乎所有的机床都在很大程度上存在着进给 机构精度因磨损而严重下降的问题 普通车床的横向进给机构因其使用频繁且 承受很大的切削力 所以 磨损程度较其它机床严重 如果能够有效地解决车 床的进给精度问题对其它类似的机构都有指导意义 几十年来 国内外车床一直采用上述的传统结构 操作者在使用过程中必 须经常进行调整 并把这项工作列入一级保养内容 因此 增加了工人的劳动 强度 降低了设备的利用率 即使这样也不能很好地保证设备的精度 2 1 常见改进方案及存在问题 针对普通车床横向进给机构的进给精度问题国内外专家多采用以下三种解 决方案 1 在中修或项修过程中 更换新的横向进给丝母 必要时 对横向进 给丝杠进行修复 然后再配作丝母 这种办法并没有从根本上解决横向定位精 度问题 机床只是在修复后最初阶段能够保障横向进给精度 数月后就进人反 复调整阶段 而且加大了维修成本 2 有的专家试图用改进横向进给丝杠支承结构或减小丝杠变形的方法来解 决问题 这种方案仅提高了丝杠的刚度 虽然能够间接地减缓丝杠和丝母的磨 损 但仍然没有从实质上解决问题 这种方法的缺点是改造的成本和维修费用 很大 3 80 年代中期 随着电子技术的进步与发展 国内外的专家们纷纷采用数 控或数显技术对机床进行改造 采用数控技术改善机床进给机构精度 尤其是 采用闭环控制 很好地解决了进给精度问题 但是这种技术改造成本太高 一 般企业无法承受 采用数显技术改善机床进给精度的实例在国内比较多 虽然 这种方案比数控技术改造投资小 但考虑到投资收益比 也不适合普通车床这 类造价较低的设备改造 一般企业仅把这项技术应用于精 大 稀设备的改造 最常见的是造价几十万元的镗铣床改造 7 第三章 机械系统的改造设计方案第三章 机械系统的改造设计方案 3 1 主传动系统的改造方案 卧式车床进行数控化改造时 一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机 构 这样减少改造的工作量 主轴的正转 反转和停止可由数控系统来控制 提高车床的自动化程度 需要在加工中自动变换转速 可用 2 4 速的多速 电机和单速主电动机 当多速电动机仍不能满足要求时 可用交流变频器来控 制主轴实现无级变速 工厂使用情况表明 使用变频器时 若工作频率低于 70Hz 原频率可以不更换 但所选变频器得功能应比电动机大 其中 当采用有级变速时 可选用浙超力电机有限公司生产的 YD 系列 7 5KW 的三湘异步电动机 实现 2 4 档变速 当采用无级变速时 应加装交流 变频器 推动 F1000 G0075T3B 适配 7 5KW 电动机 生产厂家为烟台惠 丰电子有限公司 3 2 安装电动卡盘 为了提高加工效率 工件的夹紧与松开采用电动卡盘 选用呼和浩特机床 附件总厂生产的电动三爪自定心卡盘 卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制 安装自动回转刀架 为了提高加工精度 实现一次装夹完成多道工序 将车床原有的手动刀架 换成自动回转 选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的 LD4B CK6140 型四工位立式电动机 自动换刀需要配置相应的电路 由数控系统完 成 螺纹编码器的安装方法 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅 数控车床加工螺纹时 需要配 置主轴脉冲发生器为车床主轴位置信号的反馈元件 它与车床主轴同步转动 当中 改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 24mm Z 向的进给脉冲 当量是半脉冲 所以螺纹编码器每转 传输出的脉冲数应不少于 24mm 0 01mm 脉冲 2400 脉冲 考虑到编码器的输出有相位差为 90 的 A B 相信号 可将 A B 经逻辑运算获得 2400 个脉冲 一转内 这样编码器 的线数可降到 1200 线 A B 信号 另外 为了重复车削同一螺旋槽时不乱 扣 编码器还需要输出每转一个得零位脉冲 Z 基于上述要例选择螺纹编码器的型号为 ZLF 1200Z 05VO 15 CT 电源 电压 5V 每转输出 1200 个 A B 脉冲与一个 Z 脉冲 信号为电压输出 轴头直 8 径 15mm 生产厂家为长春光机数显技术有限公司 螺纹编码器同常有两种安装形式 同轴安装和异轴安装 同轴安装是指 将编码器直接安装在主轴后端 与主轴同轴 这种方式结构简单 但它堵住了 主轴的通孔 异轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端 一般尽量装在与主 轴同步旋转的输出轴 如果找不到同步轴 可将编码器通过一对传动比为 1 1 的同步齿形带与主轴连接起来 需要注意的是编码器的轴头与安装轴之间必须 采用无间隙柔性联结 且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转 速 3 3 进给系统的改造与设计方案 1 拆除挂轮架所有齿轮 在此寻找主轴的同步轴 安装螺纹的编码器 2 拆除进给箱总成 在此位置安装纵向进给步进电机与同步带减速箱总 成 3 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条 在床鞍的下面安装纵向滚珠丝 杠的螺母座与螺母座托架 4 拆除四方刀架与小滑板总成 在中滑板上方安装四工式电动刀架 5 拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副 将滑动丝杠靠刻度盘一段 长 216mm 见书后插页图 6 2 锯断保留 拆掉刻度盘附近的两个推力轴承 换上滚珠 丝杠副 6 将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上 并与滚 珠丝杠的轴头相连 7 拆去三杠 丝杠 光杠与操作杠 更换丝杠的右支承 改造后的横向进给系统如后插页 6 2 9 第四章 进给传动部件的计算和选型第四章 进给传动部件的计算和选型 纵 横向进给的计算和选型主要包括 确定脉冲当量 计算切削力 选择 滚珠丝杠螺母副 设计减速箱 选择步进电动机等 以下详细介绍横向进给机 构 4 1 脉冲当量的确定 根据设计任务的要求 X 方向 横向 的脉冲当量为脉冲为 x 0 005mm 脉冲 4 2 切削力的计算 以下是横向切削力的详细计算过程 设工件材料为碳素结构钢 b 650MPa 选用刀具材料为硬质合金 YT15 刀具几何参数为 主偏角 kr 60 前角 ro 10 刃倾角 s 5 切削用量 为 背吃刀量 ap 3mm 进给量 f 0 6mm r 切削速度 vc 105m min 查表 得 CFC 2795 XFC 1 0 yFC 0 75 nFC 0 15 查表 得 主偏角 Kr的修正系数 KKrFC 0 94 刃倾角 前角和刀尖圆弧半 径的修正系数值均为 1 0 由经验公式 4 1 Fc nF c yFc XF Pc kvfCF cC 算得主切削力 FC 2673 4N 有经验公式 FC FF FP 1 0 35 0 4 算得横向进给切削力 FF 935 69 N 背向力 FP 1069 36 N 4 3 滚珠丝杠螺母副的的计算和选型 横向 1 计算进给率引力 m F 横向导轨为燕尾型 计算如下 4 2 1 4 2 myxX FFfFFG 1 4 6700 2 26802 1072600 2023N 2 计算最大动负载 C 4 3 0 66 33 10001000 0 3 0 5 30 min 5 6060 30 15000 27 1010 27 1 2 20237283 s wm v nr L n T L CL f FN 3 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅 机电一体化设计手册 可选用 WL20051 列 2 5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副 额定动载荷为 8800N 可满足 要求 选定精度为 3 级 4 传动效率 的计算 10 4 4 0 0 tantan4 33 0 965 tan tan 4 3310 5 刚度的验算 先画出此横向进给滚珠丝杆支撑方式草图 最大进给率引力为 2023 支撑 间距 L 450mm 丝杆螺母及轴承均进行预紧 预紧力为最大轴向负荷的 1 3 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 根据 2023N 查出 1 m F 0 20Dmm 可算出 5 4 2 10 L L 4 5 52 1 1 4504 2 104501 89 10 mm L 由于两端均采用向心推力球轴承 且丝杆又进行了预拉紧 故其拉压刚度 可以提高 4 倍 其实际变形量 2 1 1 0 47 10 4 y mm 2 滚珠与螺纹滚道间接触变形 查 机电一体化设计手册 相关图表 2 W 系列 1 列 2 5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q 3 8 5 10 Q mm 因为进行了预紧 故 33 2 11 8 5 104 25 10 22 Q mm 3 支撑滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 因为施加预紧力 故 33 3 11 9 4 104 7 10 22 e mm 综合以上几项变量之和 4 6 3 123 4 74 254 7 10 0 001365mm 显然此变形量已大于定位精度要求 应该采用相应的措施修改设计 但因 横向溜板受空间限制 不宜再加大滚珠丝杆直径 故采用贴塑导轨减小摩擦力 从而减小最大牵引力 重新计算如下 4 7 1 4 2 myzx FFfFFG 1155N 6 压杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷 Fk 4 8 2 2 Z K fEI F l 式中 E 丝杆材料弹性模量 对刚 E 6 20 6 10 I 截面惯性矩 丝杆截面惯性矩 I 4 1 64 d l 丝杆两支撑端距离 丝杆的支撑方式系数 查表知 2 00 z f z f 对于本设计 I 4 9 4 1 64 d 44 3 14 1 67880 3899 64 cm 11 78214N 4 10 2 2 Z K fEI F l 4 11 67 7 K k m F n F 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 不会产生失稳 4 4 步进电动机的计算与选型 横向 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知 滚珠丝杆的公 eq j 称直径 总长 带接杆 导程 材料密度mmd40 0 mml1560 mmph6 横向移动部件总重量 G 1300N 同步带减速箱大带轮 33 1085 7 cmkgp 宽带 28mm 节径 54 57mm 孔径 30mm 轮毂外景 42mm 宽度 14mm 小带 轮宽度 28mm 结晶 45 48mm 孔径 19mm 轮毂外径 29mm 宽度 12mm 传 动比 可以算得各个零部件的转动惯量如下 具体计算过程从略 滚2 1 i 珠丝杆的转动惯量 床鞍折算到丝杆上的转动惯量 2 78 30cmkgjs 小带轮的转动惯量 大带轮的转动惯量 2 21 1 cmkgjw 2 1 95 0 cmkgjz 在设计减速箱时 初选的横向步进电动机型号 2 2 99 1 cmkgjs 130BYG5501 从表中查得该型号电动机转自的转动惯量 2 33cmkgjm 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 4 12 22 1 55 57 cmkgijjjjj swzmeq 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和 eq T 承受最大工作负载两种情况进行计算 1 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 可知 包括三部 eql T eql T 分 快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 移动部件运 maxa T 动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴 f T 上的附加摩擦转矩 因为滚珠丝杠副传动效率很高 可知 相对于 0 T 0 T maxa T 和 很小 可以忽略不计 则有 f T 4 13 maxeqlaf TTT 根据式 4 13 考虑纵向传动链的总效率 计算快速空载起动时折算到 电动机转轴上的最大加速转矩 4 14 max 2 1 60 eqm a n J n T t 式中 对应横向空载最快移动速度的步进电机最高转速 单位为 m n r min 步进电机由静止到加速至所需要的时间 单位时间 s a t 其中 4 15 max 0 360 m v n 式中 横向空载最快移动速度 任务书指定为 3000mm min max v 12 横向步进电机步距角 为 72 横向脉冲当量 本例 0 005mm 脉冲 将以上各值代入式 4 15 算得 1200r min m n 设步进电机由静止到加速至转速所需时间 0 41s 横向传动链总效率 m n a t 0 7 则由式 4 14 求得 4 16 4 max 257 55 101200 2 58 60 0 4 0 7 a TN mN m 可知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 4 17 2 ch f FG P T i 式中 导轨的摩擦因素 滑动导轨取 0 06 垂直方向的工作负载 空载时取 0 c F 横向传动链总效率 取 0 7 则由式 17 得 4 18 0 16 0 1300 0 006 0 24 20 7 1 2 f TN mN m 最后由式 4 20 求得快速空载起动时电动机转矩所承受的负载转矩为 4 19 max 2 82 wqlaf TTTN m 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 可知 包 2eq T 2eq T 括三部分 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 移动部件运动时折算 t T 到电动机转轴上的摩擦转矩 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩 t T 擦转矩 相对于和很小 可以忽略不计 则有 0 T 0 T t T 4 20 2eqtf TTT 其中 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 T1 计算 本设计中在对 滚珠丝杠进行计算的时候 已知进给方向的最大工作载荷 F1 935 69N 则有 4 21 1 TmNmN i PF hf 06 1 2 17 02 006 0 69 935 2 再计算承受最大工作负载 Fe 2673 4N 情况下 移动部件运动时折算到电 动机转 轴上的摩擦转矩 mNmN i PGF T hC 72 0 2 17 02 006 0 1300 4 267316 0 2 1 4 22 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 4 23 mNTTT fteq 78 1 2 经过上述计算后 得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 4 24 mNTTT eqeqeq 82 2 max 21 3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的开环控制 当 电网电压降低时其输出转矩会下降 可能造成丢歩 甚至堵转 因此 根据 Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时 需要考虑安全系数 本设计中取安全 13 系数 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 25 mNmNTT eqj 28 11 82 2 44 max 对于前面预选的 130BYG5501 型步进电动机 由表可知 其最大静转 Tjmax 20N m 可见完全满足要求 4 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快工进速度 400mm min 脉冲当量 0 005mm 脉冲 求出电机对应的运行频率 f vmax 400 60 0 01 Hz 1333Hz 从 130BYG5501 的运行矩频特性图 6 4 可以 f fmax 看出 在此频率下 电动机的输出转矩 Tmaxf 17N m 远远大于最大工作负载 转矩 Teq2 1 78N m 满足要求 2 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定横向最快空载移动速 度 3000mm min 求出电机对应的运行频率 3000 60 0 005 max v f fmax Hz 10000Hz 查得 在此频率下 电动机的输出转矩 3 8N m 大于快 max T 速空载起动时的负载转矩 Teq1 2 82N m 满足要求 3 最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 Vmax 3000mm min 对应电动机的运行频率 max 10000Hz 查表可知 130BYG5501 的极限运行频率为 20000Hz 可见没有超出上限 4 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 57 55kg cm 电动 eq J 机转子自身的转动惯量 Jm 33kg cm 查表可知电动机转轴不带任何负载时的最 高空载起动频率 q 1800Hz 则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的起动 频率为 4 26 Hz JJ f f meq q L 1087 1 上式说明 要想保证步进电动机起动时不失歩 任何时候的起动频率都必 须小于 1087Hz 实际上 在采用软件升降频时 起动频率选的很低 通常只有 100Hz 即 100 脉冲 s 综上所述 本设计中横向进给系统选用 130BYG5501 步进电动机 可以满 足设计要求 14 第五章 绘制进给传动机构的装配图第五章 绘制进给传动机构的装配图 在完成滚珠丝杠螺母副 减速箱和步进电动机的计算 选型后 就可以着 手绘制进给传动机构的装配图了 在绘制装配图时 需要考虑以下问题 1 了解原车床的详细结构 从有关资料中查阅床身 床鞍 中滑板 刀架 等的结构尺寸 2 根据载荷特点和支承形式 确定丝杠两端轴承的型号 轴承座的结构 以及轴承的预紧和调节方式 3 考虑各部件之间的定位 连接和调整方式 例如 应保证丝杠两端支承 与螺母座同轴 保证丝杠与机床导轨平行 考虑螺母座 支承座在安装面上的 连接与定位 同步带减速箱的安装与定位 同步带的张紧力调节 步进电动机 的联接与定位等 4 考虑密封 防护 润滑以及安全机构等问题 例如 丝杠螺母的润滑 防尘防铁屑保护 轴承的润滑及密封 行程限位保护装置等 5 在进行各零部件设计时 应注意装配的工艺学 考虑装配的顺序 保证 安装 调试和拆卸的方便 6 注意绘制装配图时的一些基本要求 例如 制图标准 视图布置及图形 画法要求 重要的中心距 中心高 联系尺寸和轮廓尺寸的标注 重要配合尺 寸的标注 装配技术要求 标题栏等 15 第六章 控制系统硬件电路设计第六章 控制系统硬件电路设计 根据人任务书的要求 设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能 1 接收键盘数据 控制 LED 显示 2 接收控制面板的开关与按钮信号 3 接收车床限位开关信号 4 接收螺纹编码器信号 5 接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号 6 控制 X Z 向步进电动机的驱动器 7 控制主轴的正转 反转与停止 8 控制多速电动机 实现主轴有级变速 9 控制交流变频器 实现主轴无级变速 10 控制切削液泵起动 停止 11 控制电动卡盘的夹紧与松开 12 控制电动刀架的自动选刀 13 与 PC 机的串行通信 图 6 1 为控制系统的原理框图 CPU 选用 ATMEL 公司的 8 位单片机 AT89S52 由于 AT89S52 本身资源有限 所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存储器 存放系统底层程序 扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用作数据存储器 存放用户程序 键盘与 LED 显示采用 8279 来管理 输入 输 出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片 一些进 出的信号均做了隔离放大 模 拟电压的输出借助与 DAC0832 与 PC 机的串行通信经过 MAX233 芯片 16 晶振电 路 EPRO M 芯片 W27C 512 SRA M 芯片 6264 键盘与 显示口 芯 片 8279 串行接 口 芯片 MAX23 3 并行 接口 芯片 8255 CPU AT89S5 2 单片机 复合电 路 隔离放 大电路 隔离放 大 X 向步进电 动机 刀架电动 机隔离放 大电路隔离放 大隔离放 大隔离放 大电路隔离放 大 隔离放 大电路 Z 向步进电 动机 主轴电动 机卡盘电动 机切削液泵电 动机刀架刀位信 号限位开关信 号 D A 转换 芯 片 DAC0832 螺纹光栅信 号 操作面板开关 按钮 信号 交流变频 器 主轴电动 机 图 6 1 控制系统原理框图 17 第七章 步进电动机驱动电源的选用第七章 步进电动机驱动电源的选用 本例中 X 向步进电动机的型号为 110BYG5802 Z 向步进电动机的型号为 130BYG5501 生产厂家为常州宝马集团公司 这两种电动机除了外形尺寸 步距角和输出转矩不同外 电气参数基本相同 均为 5 相混合式 5 线输出 电动机供电电压 DC120 310V 电流 5A 这样 两台电动机的驱动电源可用同 一型号 在此 选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调 压型步进驱动器 型号为 BD5A 它与控制系统的连接如图 7 1 所示 5V 方向 A B C D E L N PE 脉冲 5V X方向 PB4 L N 保护接地PE X脉冲 PB5 M x 220v 5V 方向 A B C D E L N PE 脉冲 5V X方向 PB6 L N 保护接地PE X脉冲 PB7 M z 220v 图 7 1 BD5A 驱动器与控制系统连接 18 第八章 控制系统的部分软件设计第八章 控制系统的部分软件设计 1 存储器与 I O 芯片地址分配 根据地址译码器 U4 74LS138 的连接情况 可以算出主机板中存储器 与 I O 芯片的地址分配 如表 8 1 所示 表 8 1 主机板中存储器与 I O 芯片的地址分配 器件名称地址选择线 A15 A0 片内地 址单元数 地址编码 62640008k0000H 1FFFH 82550011 1111 1111 43FFCH 3FFFH 82790101 1111 1111 11125FFEH 5FFFH DAC08320111 1111 1111 111117FFFH 2 控制系统的监控管理程序 系统设有 7 档功能可以相互切换 分别是 编辑 空刀 自动 手 动 1 手动 2 手动 3 和 回零 选中某一功能时 对应的指示灯点亮 进入相应的功能处理 系统监控管理程序流程图如图 8 1 图 8 1 监控管理程序流程 3 8255 芯片初始化子程序 B255 MOV DPTR 3FFFH 指向 8255 的控制口地址 MOV A 10001001B PA 口输出 PB 口输出 PC 口输入 均为方式 0 MOVX DPTR A 控制字被写入 MOV DPTR 3FFCH 指向 PA 口 19 MOV A OFFH 预置 PA 口全 1 MOVX DPTR A 输出全 1 到 PA 口 MOV DPTR 3FFDH 指向 PB 口 MOV A OFFH 预置 PB 口全 1 MOVX DPTR A 输出全 1 到 PB 口 RET 8279 芯片初始化子程序 B270 MOV DPTR 5FFFH 指向 8279 的控制口地址 MOV A OCFH 清除 FIFO 与显示 RAM 命令 MOVX DPTR A 命令字被写入 WAIT MOVX A DPTR 从 8279 的控制口读取 8279 的状态字 JB ACC 7 WAIT 测试显示 RAM 有没有被清除完毕 只有状态字的 时 清除才结束 MOV A 08H 编码扫描 左入口 16 位字符显示 双键互锁 MOVX DPTR A MOV A 34H 分频系数取 20 MOVX DPTR A RET 8279 控制 LED 显示子程序 设显示缓冲区的首地址为 6BH 系统在指定的工作装态下 需要显示的字 符段码的编码 事先存储在 CPU 内部 RAM 的 6BH 73H 这 9 个字节中 已知 8279 的控制口地址为 5FFFH 数据口地址为 5FFEH 则显示程序如下 DIR MOV DPTR 5FFFH 指向 8279 的控制口地址 MOV A 90H 写 8279 显示 RAM 的命令 MOVX DPTR A 从显示 RAM 的 OOH 地址开始写 每写一次 显示 RAM 的地址自动加 1 MOV R0 6BH 显示缓冲区的首地址为 6BH MOV R7 09H 显示缓冲区的长度为 9 个字节 MOV DPTR 5FFEH 8279 的数据口地址 DIRO MOV A RO 从 CPU 的 RAM 中读取显示段码的 编码 20 ADD A 05H PC 与 DTAB 表格之间的偏移量 MOVC A A PC 查表 取出显示段码 MOVX DPTR A 送到 8279 显示 RAM 中指定的字节 INC RO 写 8279 的下一个显示 RAM DJNZ R7 DIRO 循环 9 次 写成 9 位显示 RET 段码 字符 编码 DTAB DB 6FH F 00 01 DB 0DAH DB 0BEH X 02 03 DB 0E7H DB 0A3H Z 04 05 DB 0CBH DB 0D1H U 06 07 DB 0D3H DB 0DCH W 08 09 DB 0CEH DB 0DFH 0A DB 21H 0 0B DB 7BH 1 0C DB 91H 2 0D DB 19H 3 0E DB 4BH 4 0F DB 0DH 5 10 DB 05H 6 11 DB 69H 7 12 DB 01H 8 13 DB 09H 9 14 DB 20H 0 15 DB 7AH 1 16 DB 90H 2 17 DB 18H 3 18 DB 4AH 4 19 21 DB 0CH 5 1A DB 04H 6 1B DB 68H 7 1C DB 00H 8 1D DB 08H 9 1E 根据系统需要编制字库 当需要显示一组字符时 首先给显示缓冲区的 6BH 73H 这 9 个字节赋 值 然后调用 DIR 子程序即可 例如 要显示 X 1234 56 程序如下 MOV 6BH 02H X 的一半 MOV 6CH 03H X 的另一半 MOV 6DH 0AH MOV 6EH 0CH 1 MOV 6FH 0DH 2 MOV 70H 0EH 3 MOV 71H 19H 4 MOV 72H 10H 5 MOV 73H 11H 6 CALL DIR 向 8279 的显示 RAM 写数 显示缓冲区 CPU 内部 RAM 6BH 6CH 6DH 6EH 6FH 70H 71H 72H 73H 显示字符 X 1 2 3 4 5 6 字符编码 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H 8279 管理键盘子程序 如插图所示 当矩阵键盘有键按下时 8279 既向 CPU 的 INT1 申请中断 CPU 随即执行中断服务程序 从 8279 的 FIFO 中读取键值 程序如下 CLR EX1 关 CPU 的 INT1 中断 22 MOV DPTR 5FFFH 指向 8279 控制口地址 MOV A 01000000B 准备读 8279FIFO 的命令 MOVX DPTR A 写入 8279 控制口 MOV DPTR 5FFEH 指向 8279 数据口地址 MOVX A DPTR 读出键值 CJNE A KEY0 NEXT0 依次进行判别 JMP KEY0 对应键进行处理 NEXT0 CJNE A KEY1 NEXT1 JMP KEY1 NEXT0 CJNE A KEY2 NEXT2 JMP KEY2 NEXT2 7 D A 电路输出模拟电压程序 如插图所示 当 CPU 执行写指令时 只要选中 7FFFH 这个地址 DAC0832 与 741 组成的 D A 转换电路即可输出直流电压 程序如下 MOV DPTR 7FFFH 指向 DAC0832 口地址 MOV A DATA 准备输出的数字量 00H 0FFH MOVX DPTR A 输出直流电压 0 10V 8 步进电动机的运动控制顺序 步进电动机的运动控制采用的是硬环分 其走步程序包括匀速与升降 速两种 详细的设计思路见第四张第四节 9 电动刀架的转位控制程序 电动刀架的转位包括控制刀架电动机的正转 反转与停止 以及 4 个刀位 信号的识别 具体程序参考本章第二节 10 主轴 卡盘与切削液泵的控制程序 车床主轴的控制 就是控制主电动机的正 反 停 以及自动变速 电动卡盘 需要控制其夹紧与松开 切削液泵需要控制它的起 停 这些程序都非常简单 对于某个动作的控制 只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可 现以主轴正转为例 从书后插页图 6 7 可以看出 主轴的正转由 8255 的 PA0 来控制 当用低电平信号来控制主轴正转时 程序如下 MOV DPTP 3FFCH 8255PA 口地址 MOVX A DPTR 读出 PA 口锁存器内容 23 CLR ACC 0 修改 MOVX DPTR A 置 PA0 0 直流继电器 K 闭合 主轴正转 控制系统的软件还包括两坐标直线和圆弧的插补程序 直螺纹和锥螺纹的 插补程序 另外还有串行通信程序等 由于这些软件的设计工作量都比较大 课程设计时一般不要求编制详细的程序清单 24 第九章 结论第九章 结论 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性 实用性和稳定性 其改造涉及到机械 电气 计算机等领域 是一项理论深 实践强的系统工程 在进行数控改造时 应该做好改造前的技术准备 改造过程中 机械修理与电 气改造相结合 先易后难 先局部后全局 25 第十章第十章 心得体会心得体会 这次课程设计中 我所从事设计的课题是经济型数控车床主传动机构设计 此类数控车床属于经济型中档精度机床 这类机床的传动要求采用手动与电控 双操纵方式 在一定范围内实现电控变速 总体的设计方案就是对传动方案进 行比较 绘出转速图 对箱体及内部结构进行设计 包括轴和齿轮的设计 校 核等 为什么要设计此类数控车床呢 因为随着我国国民经济的不断发展 我国 制造业领域涌现出了许多私营企业 这些企业的规模普遍不大 没有太多的资 本 一些全功能数控系统 其功能虽然丰富 但成本高 对于这些中小型企业 来说购置困难 但是中小型企业为了发展生产 希望对原有机床进行改造 进 行数控化 自动化 以提高生产效率 我国机床工业的发展现状是机床拥有量 大 工业生产规模小 突出的任务就是用较少的资金迅速改变