机械机床毕业设计207用微机数控系统改造C6132型车床的设计.doc
机械机床毕业设计207用微机数控系统改造C6132型车床的设计
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机械机床毕业设计207用微机数控系统改造C6132型车床的设计,机械毕业设计论文
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届毕业设计说明书 用微机数控系统改造 C6132 型车床 设计 系 、 部： 机械工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机 班 完成时间： 摘 要 nts 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控 机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，结构简单，系统的定位精度较高。 普通车床 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，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。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 进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样， 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。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和 横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。 关键词 ： 微机控制；伺服系统；回转刀架；自动车削 ABSTRACT nts The numerical control engine bed is more and more widespread in machine-finishing profession application. Numerical control engine bed development, on the one hand is the entire function, the high performance; On the other hand is the simple practical economy numerical control engine bed, has the automatic processing the basic function, the operation service is convenient. The economy numerical control system passes commonly used is the split-ring step-by-steps the control system, the power step-by-steps the electrical machinery for to actuate the part, does not have the examination feedback organization, the system pointing accuracy is high. Knife rest vertical to enter, give sport and horizontal to stock for sport to can be linked, cut order by artificial control even.Carry on the numerical control transformation to the ordinary lathe. Mainly vertical and horizontal enter give system transform into by what computer control.The knife rest is transformed into the gyration knife rest that can be changed one hundred sheets automatically. Introduces the engine bed the microcomputer numerical control system the transformation to be possible to enhance the engine bed the operational performance,Reduces the production cost,Obtains the high economic efficiency with the few funds investmentTake the C6132 lathe numerical control transformation as the example,In line with are as far as possible few to the lathe modification,Control section anti-jamming,Transformation cost low principle,Carries on the numerical control transformation to the lathe. Lathe for the NC transformation is mainly vertical and horizontal feed system into a computer-controlled, The independence movement can feed system can transform Tool Automatic Tool Change of Rotary Tool. Thus, the use of NC devices, lathe can be imported at a pre-processing machining instructions. As the cutting process of cutting parameters, priorities and cutting tool will automatically by operation, regulation and replacement, coupled with the vertical and horizontal linkage functions, CNC lathe after the conversion can be processed into various shapes review the rotating parts, and multiple processes can be automatically processed turning, thus enhancing the efficiency of production and processing accuracy, also suitable for small batch multiple types of review parts of the processing. C6132 lathe belongs to economic numerical control lathes transformation of transformation, mainly in the numerical control system by using nc system transformation, of transverse and longitudinal feeding system, open loop control by ntsstepping motor driver components, lathe, through the stepper motor driving ball screw rotation. Key words： the computer controls; servo system; turn the knife rest round; automatic turning 目 录 nts1 前 言 . 1 2 设计方案 . 3 2.1 总体方案的确定 . 3 2.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 . 3 2.1.2 计算机系统 . 3 2.1.3 机械传动方式 . 3 2.2 系统运动方式的确定 . 3 2.3 伺服系统的选择 . 3 2.4 执行机构传动方式的确定 . 4 2.5 计算机的选择 . 4 2.6 总体方案框图绘制 . 4 3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核 . 5 3.1 计算切削力 . 5 3.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 . 5 3.2.1 计算进给牵引力 . 5 3.2.2 计算最大动负载 C. 6 3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型 . 6 3.2.4 传动效率计算 . 7 3.2.5 刚度验算 . 7 3.2.6 稳定性校核 . 8 3.2.7 横向滚珠丝杆副的几何参数 . 9 3.3 齿轮传动比计算 . 10 3.4 横向步进电机计算和选型 . 11 3.4.1 初选步进电机 . 11 3.4.2 校核步进电机转矩 . 12 3.5 横向进给伺服系统机械部分结构设计 . 17 3.5.1 横向进给伺服系统总图设计 . 17 3.5.2 进给伺服系统的装配图 . 18 4 纵向进给伺服系统机械部分计算与校核 . 20 4.1 计算切削 . 20 4.2 滚珠丝杆螺母副的计算和造型 . 20 nts4.2.1 计算进给牵引力 . 20 4.2.2计算最大动负载 C. 21 4.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型 . 21 4.2.4 传功效率计算： . 21 4.2.5 刚度验算 . 22 4.2.6 稳定性校核 . 23 4.2.7纵向滚珠丝杆副几何参数 . 23 4.3 齿轮传动比计算 . 24 4.3.1 进给齿轮 箱传比计算 . 24 4.4 步进进电机的计算和选型 . 25 4.4.1 初选步进电机 . 25 4.4.2 校核步进电机转矩 . 27 4.5 纵向进给伺服系统机械部分结构设计 . 31 4.5.1 纵向进给伺服系统总图设计 . 32 4.5.2进给伺服系统的装配图 . 32 5 微机数控系统硬件电路的设计 . 34 5.1硬件电路一般要求 . 34 5.2控制系统的组成及功能 . 34 5.2.1 CPU、存储器、 I/O接口电路扩展 . 34 5.2.2控制系统的功能 . 36 5.3步进电机控制电路 . 36 5.3.1步进电机开环驱动原理 . 36 5.3.2脉冲分配 . 37 5.3.3驱动电路 . 37 5.3.4其他辅助电路 . 38 6 微机控制系统的软件设计 . 39 6.1 监控程序 . 39 6.2 直线圆弧插补程序设计 . 39 6.3升降速处理软件 . 41 6. 4步进电机的软件控制及转程序设计 . 43 7 机床 的加工程序编制 . 46 nts致 谢 . 49 参考文献 . 50 附 录 . 51 nts 1 1 前 言 经济型数控是我国 80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国 “ 七五 ” 、 “ 八五 ”重点推广的新技术之一。 数控机床与通用机床相比，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、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。 （ 1） 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。 （ 2） 目前，各企业都有 大量的通用机床，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，往往不能满足生产需要。 （ 4） 通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。通用机床的数控化改造就在通用机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。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%的机床经过数控改造，中小企业则多达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内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，通用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主要方向之一。 十几年来，随着科学技术的发展， 经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更 稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80年nts 2 代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 CA6132 是金属切 削机床加工中 比较 常用的一类机床 。 属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机， 车床 通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。 当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工 出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等，借助于成型刀具，还能加工 各种回转表面 。普通车床 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，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。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 进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样，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。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和 横向 联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查 的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。 本说明书介绍了此次设计 的 任务 ， 将普通卧式车床（ C6132）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定 及框图、进给伺服系 统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制 。 nts 3 2 设计方案 2.1 总体方案的确定 2.1.1 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车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到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 。 2.1.2 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、性能价格比高等特点，决定采用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。 2.1.3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 2.2 系统运动方式的确定 数控系统运动方式可分为点位控制系统、点位 /直线系统和连续控制系统 。 2.3 伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。 指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电nts 4 机或位流伺服电机驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工 作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 2.4 执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑 导轨等。 尽量消 除传动间隙。例如采用 间 隙齿轮等。 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误 差。可采用预紧的方法提高 系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 2.5 计算机的选择 微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 2.6 总体方案框图 绘制 微机步进电机 运动部件步进电机功率放大光隔离光隔离功率放大图 1总体方案框图 nts 5 3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核 3.1 计算切削力 根据数控机床精度要求确定脉冲当量 0.005mm/setp 横切端面 5.1max67.0 DFZ 查综合作业指导书 P13页 式中maxD 车床床身上加工最大直径 横切端面时主切削力 ZF 可取纵切时 ZF 的 21 NDF Z 30.3 8 3 53 2 067.067.0 35.1m a x 4.0:25.0:1:65.191730.383521yxzZFFFNF 式中 xF 走刀方向的切削力（ N） yF 垂直走刀方向的切削力（ N） NF x 41.4 7 965.1 9 1 725.0 NF y 06.7 6 765.1 9 1 74.0 3.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 3.2.1 计算进给牵引力 横向导轨为燕尾形， 参考机床设计手册 .2 6.2-2； 6.2-3 表 2 GFFfFKF yzxm 查阅综合作业指导书 P22 页 式中：xF，yF， zF 切削分力（） G 移动部件的重量（ N） 表 1-1 查得横向溜板及刀架重力 800N f 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 nts 6 K 考虑颠复力矩影响的实验系数 取 K=1.4 NGFFfFKFyzxm 97.9582 3.2.2 计算最大动负载 C 选用滚 珠丝杆导轨 参考机床设计手册 .3 P185-P210 osmwLVnnTLFfLC1000106063查阅综合作业指导书 P22 页 式中： L 寿命，以 610 转为一单位 n 丝杆转速（ r/min） sV 为最大切削条件下进给速度，可取最高进给 速度的1/2-1/3 取 min/4.0 mVs oL 丝杆导程（ mm） 初选oL=5mm T 为使用寿命（ h） ,对于数控机床取 15000h wf 运转系数，查表 3-14 一般取 1.2-1.5 m in )/(805 4.0100010000rn L v s 7210 1 5 0 0 080601060 66 nTL NFfLC mw 97.59 8 397.9585.17233 3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅综合作业指导书 附表 -2，可采用 WD2505 外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副， 1 列 2.5 圈，其额定动负载为 9700N,精度等级按表 3-17 选为 级。 nts 7 3.2.4 传动效率计算 tan tan式中： 螺旋升角， WD2505 933 摩擦角取 01 滚动摩擦系数 0.003-0.004 971.001933t a n 933t a nt a nt a n 3.2.5 刚度验算 横向进给丝杆支承方式图 2 所示，最大牵引力 958.97N,支承间距 L 350mm， 因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。 计算如下 : 丝杆的拉伸或压缩变形量 1 (mm) 查 阅综合作业指导书 图 3-4,根据mF 958.97N,D=25mm 查出5108.0 LL 可 算出： 图 2 横向进给丝杆支承方式 nts 8 mmLLL 351 108.2350108.0 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2 查图 3-5得系列列 2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量QmQ 5.4因进行了预紧 mQ 25.25.421212 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形3采用推力球轴承 8104查阅 机床设计手册 . 表 5.9-137,d=20mm,滚动体直径Qd=5.556mm,数 量 Z=13 mmZd FQmc 0 0 5.0135 5 6.597.9 5 80 0 0 5 2.00 0 0 5 2.0 3223 22 综合以上几项变形量之和： mm0 1 0 7 8.01073.525.28.2 3321 定位精度 3.2.6 稳定性校核 计算临界负载kF(N) 2LEIfF zk 式中 :E 材料弹性模量 ( 2/cmN ) I 截面惯性矩 ( 4cm ) L 丝杆两轴承端距离 (cm) zf 丝杆支承 方式系数，从表 3.15 中查出，一端固定，一端简支 zf 为2.00 )(124.11788.26464 4441 cmdI nts 9 NL EIfF zk 49.18263450 124.1106.202 2622 一般 kn=2.5-4.0,所以kF kn此滚珠丝杆不会产生失稳。 3.2.7 横向滚珠丝杆副的 几何参数 其参数如表 1 表 1 WD2505滚珠丝杠几何参数 参数名称 符号 关系式 WD2505 螺 纹 滚 道 公称直径 od 25 导程 OL 5 接触角 933 钢球直径 qd 3.175 滚道法面半径 R qdR 52.0 1.651 偏心距 e sin2qdRe 0.045 螺纹升角 oodL arctan933 螺 杆 外径 d qo ddd 25.02.0 24.365 内径 1d Redd o 221 21.788 接触直径 2d cos2 qo ddd 21.83 螺 母 螺纹直径 D RedD o 22 28.212 内径 1D qo ddD 25.02.01 25.635 nts 10 3.3 齿轮传动比计算 已确定横向脉冲当量 setpmmp 005.0，滚珠直径导程OL=5mm, 初选步进电动机步距角 75.0 可计算传动比 i : 43.0575.0005.0320320 obpLi 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有行程，故此处可采用两级齿轮降速。 25,20,40,2425204024545343214231ZZZZZZZZi 因进给运动齿轮受力不大，模数 m取 2， 有关参数参照表 2 表 2 传动齿轮几何参数 齿数 Z 24 40 20 25 分度圆 d=mz 48 80 40 50 齿顶圆 mdda 2 52 84 44 54 齿根圆 mdd f 25.12 43 75 35 45 齿宽 (6-10)m 20 中心距 2 21ddA 64 45 nts 11 3.4 横向步进电机计算和选型 3.4.1 初选步进电机 a 计算步进电机负载转矩mTbmpmFT236 查阅综合作业指导书 P22 页 式中 : p 脉冲当量，取 setpmmp 005.0mF 进给牵引力 (N) b 步距角，初选双拍制为 75.0 电机 丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为94.099.098.0 42 、 NFTbmpm 85.9394.099.098.075.0297.958005.03623642 b 估算步进电机起动转矩qT根据负载转矩mT除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩qT(N.cm) 5.03.0 mq TT一般横向进给伺服系统取 0.4-0.5 cmNTT mq .75.924.0 1.374.0 c 计算最大静转矩maxjT查表 3-22 如取五相十拍，则 951.0max jq TT cmNTT qj .53.979 5 1.0 75.929 5 1.0m a x nts 12 d 计算步进电机运行频率ef和最高启动频率kfpse Vf 601000pkVf601000 max 式中 : sV 最大切削进给速 度 maxV 最大快移速度 p 脉冲当量，取 setpmmp 005.0 HzVfpse 36.1333005.060 4.01000601000 HzVfpk 996.3999005.0602.11000601000 m a x e 初选步进电机型号 根据估算出的最大静转矩maxjT在表 3-23 中查出 90BF004 最大静转矩为245N.cm maxjT可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用 90BF004，但从 综合作业指导书 P24 页查出，步进电机最高空载启动频率为 4000Hz,满足空载时kf(3333.33Hz)的要求。 3.4.2 校核步进电机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。 等效转 动惯量计算 计算简图见图 2，根据表 3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 2cmkgJ 可由下式计算 : 242433222112 oSLgGJJ
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