JC01-089@普通CA6140车床的经济型数控改造
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机械毕业设计全套
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JC01-089@普通CA6140车床的经济型数控改造,机械毕业设计全套
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徐州工程学院毕业论文 第 1 页 共 29 页 1 绪论 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 .较好地 解决形状复杂、精密、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。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门， 从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化 改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务 。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通 机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控 化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。 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。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如 C616， C618， CA6140）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，nts徐州工程学院毕业论文 第 2 页 共 29 页 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。 nts徐州工程学院毕业论文 第 3 页 共 29 页 2 设计要求 2.1 总体方案设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的 选择， 以及传动方式和执行机构的选择 等。 （ 1） 普通车床数控化改造 后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （ 2） 车床数控化改装后属于经济型数控机床 ，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （ 3） 根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中， 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 性价比，因此，可选 MCS 51 系列单片机扩展系统。 （ 4） 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、 I/O 接口电路；包括能输入 加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （ 5） 设计自动回转刀架及其控制电路。 （ 6） 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝 杠 螺母副组成，其 传动比应满足机床所要求的分辨率。 （ 7） 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦 小、传动 效率高的滚珠丝 杠 螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 （ 8） 采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 总体方案设计图如下 图（ 2）所示： 进给伺服系统总体方案方框图如图（ 3）所示： nts徐州工程学院毕业论文 第 4 页 共 29 页 加 工 工 件 形 状编程手 工 输 入 计算机 磁带控制计算机功率放大器车床步进电机变速箱变速箱步进电机工件图 （ 2 ） 数 控 车 床 改 造 的 总 体 方 案 示 意 图微机光电隔离光电隔离功率放大功率放大Z向步进电机步进电机X向床鞍及拖板中拖板图 （ 3 ） 经 济 性 数 控 车 床 进 给 伺 服 系 统 方 案 框 图2.2 设计参数 设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。 现列出 CA6140 卧式车床的技术数据： 名称 技术参数 在床身上 400mm 工件最大直径 在刀架上 210mm nts徐州工程学院毕业论文 第 5 页 共 29 页 顶尖间最大距 离 650;900;1400;1900mm 宋制螺纹 mm 1-12(20 种 ) 加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 2-24(20 种 ) 模数螺纹 mm 0.25-3(11 种 ) 径节螺纹 t/m 7-96(24 种 ) 最大通过直径 48mm 孔锥度 莫氏 6# 主轴 正转转速级数 24 正转转速范围 101400r/min 反转转速级数 12 反转转速范围 14-1580r/min 纵向级数 64 进给量 纵向范围 0.028-6.33mm/r 横向级数 64 横向范围 0.014-3.16mm/r 滑板行程 横向 320mm 纵向 650;900;1400;1900mm 最大行程 140mm 刀架 最大回转角 90 刀 杠 支承面至中心的距离 26mm 刀 杠 截面 B H 25 25mm 顶尖套莫氏锥度 5# 尾座 横向最大移动量 10mm nts徐州工程学院毕业论文 第 6 页 共 29 页 外形尺寸 长宽高 2418 1000 1267mm 圆度 0.01mm 工作精度 圆柱度 200:0.02 平面度 0.02/ 300mm 表面粗糙度 Ra 1.6-3.2 m 主电动机 7.5kw 电动机功率 总功率 7.84kw 改造设计参数如下 : 最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工长度 1000mm 快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速 度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 代码制 ISO nts徐州工程学院毕业论文 第 7 页 共 29 页 脉冲分配方式 逐点 比较法 输入方式 增量值、绝对值通用 控制坐标数 2 脉冲当量 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲 机床定位精度 0.015mm 刀具补偿量 0mm-99.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm 自动升降速性能 有 2.3.其它要求 （ 1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本 缩短改造周期。 （ 2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正 安装、调试、拆卸方便， 需经常调整的部位调整应方便。 nts徐州工程学院毕业论文 第 8 页 共 29 页 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 3.1 进给系统机械结构改造设计 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、 进给箱、溜板 箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机 与齿轮减速箱总成 丝 杠 、光 杠 和操作 杠 拆去，齿轮箱连接滚珠丝 杠 ，滚珠丝 杠 的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝 杠 中间支撑架和螺母以及部分操 作按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝 杠 的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝 杠 螺 母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝 杠 相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 进给 伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力 滚珠丝 杠 螺母副的设计、计算与选型、齿轮 传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示： nts徐州工程学院毕业论文 第 9 页 共 29 页 3.2.1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机 床加工精度的 一个基本参数。因此 ,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。 3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 （ 1） 最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷 Fm（ N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝 杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3-1 计算 工 作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （ 3-1） 1） 车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx Fy Fz，主切削力 Fz与主切削速度方向一致 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力 Fz可以用下式计算： Fz=CFz PXFzfyFzVnFz KFz （ 3-2） =5360(N) 由金属切削原理知： Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （ 3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨nts徐州工程学院毕业论文 第 10 页 共 29 页 上 ，车削作业时作用在进给托板的载荷 F1 Fv和 Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f(Fv+G) =1.15 1340+0.04 (5360+90 9.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, f=0.03 0.05,选 f=0.04(因为是贴塑导轨 )， G是 纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. （ 2） 最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca选用，可用式 3-4计算： C= fmm （ 3-4） L为工作寿命，单位为 10r， L=60nt 10;n为丝杠转速（ r min） ,n=1000v L0;v为 最大切削力条件下的进给速度（ m min） ,可取最高进给速度的 1/2 1/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm;fm 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取 fm=1.5. V纵向 =1.59mm/r 1400r/min=2226mm/min n纵向 =v纵向 1/2/L0=2226 1/2/12=92.75r/min L=60nt/106=60 92.75 15000/106=83.5 则 C= fmFm = 1.5 1790.68=11740（ N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C;因此有 Ca C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式 -滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是 否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=2 3. 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD63 8-3.5-E型 ，主要参数为 Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm, =2o19 ， 圈数列数 3.5 1 （ 3） 纵向滚珠丝杠的校核 1） 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg /tg( + )=tg2o19 /tg(2o19 +10)=92% （ 3-5） nts徐州工程学院毕业论文 第 11 页 共 29 页 2） 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚 珠丝杠轴承的轴向接触变形。 1 丝杠的拉压变形量 1 1= Fml/EA （ 3-6） = 1790.68 2280/20.6 10 (31.5)2 =0.0064mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采 用有预紧的方式， 因此用公式 2=0.0013 （ 3-7） =0.0013 2 =0.0028mm 在这里 Fyj =1/3Fm=1/3 1790.68=597N Z= dm/Dw=3.14 63/4.763=41.53 Z =41.53 3.5 1=145.36 丝杠的总变形量 = 1+ 2=0.0064+0.0028=0.0092mm4 所以丝杠很稳定。 3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 （ 1）型号选择 1）最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： k=1.4 f=0.05,F1 为工作台进给方向载荷， Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作载荷： Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.4 2144+0.05(5360+2 1340+9.8 75) =3440.4N 2）最大动载荷的计算 V横 =1400r/min 0.79mm/r=1106mm/min n横丝 =v横 1/2/L0纵 =1106 1/2/4=138.25r/min L=60nt/=60 138.25 15000/106=124.43 C= fmFm = 1.5 3440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为： CD50 6-3.5-E 其基本参数为 Dw=3.969mm, =2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数 3.5 1 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率 计算 =tg /tg( + )=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93% 2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 1= Fm L/EA= 3440.4 320/20.6 104 252= 0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2=0.0013 =0.0013 2 =0.0070mm 在这里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z= dm/Dw=3.14 50/3.969=39.56 Z =39.56 3.5 1=138.48 丝杠的总变形量 nts徐州工程学院毕业论文 第 13 页 共 29 页 = 1+ 2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm 查表知 E级精度允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格 （ 3） 滚珠丝 杠 螺母副的精度等级： 数控机床根据定位精度的要求通常选用 1-5 级精度的滚珠丝 杠 ， 1-5 级 度丝 杠 的行程公差数值如表（ 2）所示： 项目 符号 有效行程lm/mm 精度等级 1 2 3 4 5 目标行程公差 ep 315 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 行程变动量公差 Vmp 315 6 8 12 16 23 315400 6 8 12 17 25 400500 7 10 13 19 26 500630 7 11 14 21 29 任意 300mm 内行程变动量 V300p 6 8 12 16 23 2 rad 内行程变动量 V2 p 4 5 6 7 8 表（ 2）滚珠丝 杠 行程公差 / m 3.2.4 齿轮有关计算 (1)纵向齿轮及转矩的有关计算 1） 有关齿轮计算，由前面的条件可知 ： 工作台重量： W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算 ) 滚珠丝 杠 的导程 : Lo=12mm 步距角 : =0.75 /step 脉冲当量 : p=0.01mm/step 快速进给速度： Vmax=2m/min 所以 ,变速箱内齿轮的传动比 i= = = =2.5 （ 3-9） 齿轮的有关参数选取如下 : Z1=32 , Z2=40 ,模数 m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角 =20 齿轮的直径 d1=mz1=2 32=64mm d2=mz1=2 40=80mm nts徐州工程学院毕业论文 第 14 页 共 29 页 d 2=d1+2ha*=68mm d 2=d2+2ha*=84mm 两齿轮的中心矩 a= = =72mm 2） 转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 : J1=W( )2= ( )2 80 =0.467kg.cm2 （ 3-10） 对材料为钢的圆柱形零件 ,其转动惯量可按下式估算 : J=7.8 10-4D4L kg.cm2 （ 3-11） 式中 D-圆柱形零件的直径 ,cm L-零件的轴向长度 ,cm 所以 ,丝 杠 的转动惯量 : J1=7.8 10-4+D4L1=7.8 10-4 3.24 140.3=11.475 kg.cm2 齿轮的转动惯量 : =7.8 10-4 6.44 2=2.617 kg.cm2 =7.8 10-4 84 2=6.39 kg.cm2 电动机转动惯量很小 ,可忽略。 因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量 J=(1/i2)（ JS+Jz2） +Jz1+J1=(1/2.52)（ 11.475+6.39） +2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2 丝 杠 名义直径 /mm 导程 /mm 1m 长丝 杠的转动惯量kg.cm2 丝 杠 名义直径 /mm 导程 /mm 1m 长丝 杠的转动惯量kg.cm2 20 4 0.94 50 10 35.76 5 0.84 12 31.98 nts徐州工程学院毕业论文 第 15 页 共 29 页 25 5 2.24 60 8 81.58 6 2.00 10 78.02 30 5 4.91 12 74.96 6 4.47 70 8 157.35 35 5 9.26 10 150.47 6 8.72 12 145.13 8 8.30 80 10 263.49 40 5 16.29 12 255.84 6 15.45 90 10 420.31 8 15.18 12 392.75 45 6 26.13 100 12 649.56 8 24.54 16 615.16 10 22.63 20 562.44 50 6 39.75 120 20 1233.93 8 37.64 24 1144.60 表 (3)滚珠丝杠的转动惯量 3） 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo 式中 , Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩 ; Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩 ; Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩 ; Mo-由丝杠预紧所引起 ,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 ; Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩 ; Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩 ; Ma= 10-4N.m （ 3-12） 式中 , J-转动惯量 , kg.cm2 n-丝杠转速 ,r/min T-时间常数 ,s nts徐州工程学院毕业论文 第 16 页 共 29 页 当 n=nmax 时 Ma=Mamax nmax= = =416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49N.m 当 n=nt 时 , Ma=mat nt= = = =24.88 r/min Mat= 10-4=0.0616N.mMf= = N.cm （ 3-13） 式中 f-导轨上的摩擦系数 nt-切削加工时的转速， r/min; w-移动不见的重量， N; Lo-丝杠导程， cm; i-传动比； - 传动效率。 当 =0.8 f=0.16 时， Mf= = 12.23 N.cmMo= (1- ) （ 3-14） 式中， o-丝杠未预紧时的效率，取 0.9 FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1 / 3，即 FP / 3 则 Mo= = (1-0.92)=8.108N.cm Mt= = =128 N.cm 所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削时所需力矩 nts徐州工程学院毕业论文 第 17 页 共 29 页 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm 由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax 发生在快速启动时 Mmax=123.338 N.cm (2)横向齿轮及转矩的有关计算 1)有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量： W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算 ) 滚珠丝杠的导程 : Lo=4mm 步距角 : =0.75 /step 脉冲当量 : p=0.005mm/step 快速进给速度： Vmax=1m/min 所以 ,变速箱内齿轮的传动比 i= = = =1.67 齿轮的有关参数选取如下 : Z1=18 , Z2=30 ,模数 m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角 =20 d1=36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm 2)转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 : J1=W( )2= ( )2 30 =0.0439 kg.cm2 丝杠的转动惯量 : Js=7.8 10-4 24 50=0.624 kg.cm2 齿轮的转动惯量 : =7.8 10-4 3.64 2=0.262 kg.cm2 =7.8 10-4 64 2=2.022 kg.cm2 电动机转动惯量很小 ,可忽略。 nts徐州工程学院毕业论文 第 18 页 共 29 页 因此，折算到步进电机轴上的总的 转动惯量 J=(1/i2)（ JS+Jz2） +Jz1+J1=( )2（ 0.624+2.022） +0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2 3)所需转动力矩计算 nmax= = =416.7 r/min Mamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm nt= = = =33.17 r/min Mat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm Mf= = = =0.287kgf.cm=0.028N.m Mo= = (1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m Mt= = =10.242kgf.cm =1.024 N.m 所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm 由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax 发生在快速启动时 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm （ 3）绘制进给伺服系统的机械装配图 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后 可以着手绘制进给伺服系统的机械 装配图。 在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构 nts徐州工程学院毕业论文 第 19 页 共 29 页 与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 1） 了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、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支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。 3） 减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。 4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。 5） 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、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。 6） 在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 此外，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 准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。 4 步进电动机的计算与选型 4.1 步进电动机选用的基本原则 合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动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nts徐州工程学院毕业论文 第 20 页 共 29 页 如下： 4.1.1 步距角 步距角应满足 （ 4-1） 式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求 的最小转角 4.1.2 精度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积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，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： m i s （ 4-2） 式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3 转矩 为了使 步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件 a. 起动力矩。一般选取为 Mq MLo/0.3-0.5 （ 4-3） 式中， Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载力矩 根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（ 4）所示，表中 MJM 为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。 运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表（ 4）步进电动机相数、拍数启动力矩表 在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载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。 4.1.4 启动频率 由于步进电动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： Ft fopm (4-4) 式中， ft-极限启动频率， nts徐州工程学院毕业论文 第 21 页 共 29 页 fopm-要求步进电动机最高启动频率。 4.2 步进电动机的选折 4.2.1 CA6140 纵向 进给系统步进电机的确定 Mq= =308.35 N.cm 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩 Mjm 为： Mjm= =356.06 N.cm 步进电动机最高工作频率： fmax= =3333.3 HZ 综合考虑，查步进电机技术数据表选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。 4.2.2CA6140 横 向 进给系统步进电机的确定 Mq= =63.3 N.cm 电动机 仍 选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩 Mjm 为： Mjm= =73.09 N.cm 步进电动机最高工作频率： fmax= =3333.3 HZ 为了便于设计和采购，仍 选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。 5 主轴交流伺服电机 5.1 主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn， 即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化 很大，所以主轴变速范围很宽。 nts徐州工程学院毕业论文 第 22 页 共 29 页 由于 Nmax=1800 nmax=14 Nmax/nj=2nj/min (5-1) 则 nj= =113r/min 这里 nj 为电动机的额定转速 该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2) 主轴电机的功率是： 7.5kw 5.2 初选主轴电机的型号 选主轴电机的型号为： SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载 PH/KW=14.5，间隙负载（ 60%） /kw=17.5kw,短时负载（ 20min） /kw=19.25kw,额定负载 n/r.min-1=5000,最大转速 nmax/ r/min=8000，额定转矩 277N.m,惯性矩 0.206/kg.m2 晶体管 PWM 变频器型号为 6SC6058-4AA02 5.3 主轴电机的校核 电动机恒恒功率调速范围： Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16 所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。 6 微机控制系统硬件电路设计 6.1 控制系统的功能要求 （ 1） z 向和 x 向进给伺服运动控制 （ 2） 自动回转刀架控制 （ 3） 螺纹加工 控制 nts徐州工程学院毕业论文 第 23 页 共 29 页 （ 4） 行程控制 （ 5） 键盘及显示 （ 6） 面板管理 （ 7） 其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。 6.2 硬件电路的组成： 后面所画大图采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： （ 1） CPU 采用 8031 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。 6.3 设计说明 （ 1） CPU采用 8031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（ 16KB），数据存储器 6264（ 8KB）一片。 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 74LS138 三 - 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 Y0Y4,74LS138的输入 A、 B、 C分别接 8031的 P2.5、 P2.6、 P2.7。 （ 3） 由于 2764 和 6264芯片都是 8KB，需 要 13 根地址线， A0A7 低 8 位接74LS373芯 片的输出。 A8A12 接 8031 芯片的 P2.0P2.A， 74LS373地址锁存器在选通信号 ALE在高电 平时直接传送 8031P0 口低 8 位 地址，当 ALE在高电平变低电平的下降沿时，低 8位地址锁存器，此时， P0口可用来向片外传送读写数据。 （ 4） 接口芯片与外设的联接及设计说明如下： 8155（ 2） PA.0PA.7 输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八相绕组。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/O 接口相连，以便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的 I/O 口数量较多。 8155（ 2）的 PC.0PC.5 作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由 8031的 P1.0P1.7 发出， 8155 的 PB.0PB.3 是键盘扫描输入。 nts徐州工程学院毕业论文 第 24 页 共 29 页 行程限位报警信号 +Z,-Z,+X,-X 分别通过 8155（ 2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 提出中断请求，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 小的 PC.0PC.3 接自动回转刀架（四方刀架），自动回转刀架需要换刀时，由 PC.0PC.3 发出换位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，到达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表示已完成换刀过程，可以进行切削加工。换刀回答信号经 8155（ 1）的 PB.5 输入计算机，控制刀架开始进给。 8155（ 1） PA.0PA.5 接控制面板上的控制开关，设有编辑空运行、自动、手工（ I）、手工（ II）、回零等选着方式。 8155（ 1） PB.0PB.4 接控制面板上的按钮开关，设有启动、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 T0，通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 PB6,用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/O 接口芯片地址编码见表（ 5） （ 6）操作面板设计方案之一见图（ 5）： 芯片 接74LS138引脚 地址选择线 片内地址单元（字节） 地址编码 2746（ 1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H1FFFH 2746（ 2） Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H3FFFH 6264 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H5FFFH 8155 RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H7EFFH nts徐州工程学院毕业论文 第 25 页 共 29 页 （ 1） I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H7FFDH 8155（ 2） RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H9EFFH I/O Y4 1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H9FFDH 表 (5)芯片地址编码 nts徐州工程学院毕业论文 第 26 页 共 29 页 7 车床改造的结构特点 7.1.滚珠丝杆 滚
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