CA6140车床主轴箱的数控化改造

毕毕 业业 设设 计计 题题 目 目 CA6140CA6140 车床主传动变速箱的数车床主传动变速箱的数 控改造设控改造设计 系系 别 别 机电工程学院机电工程学院 班班 级 级 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 职职 称 称 工工 程程 师师 日日 期 期 20072007 年年 5 5 月月 1616 日日 2 目目 录录 前言前言 2 摘要摘要 3 设计任务及要求设计任务及要求 4 一一 车床主传动变速箱结构分析车床主传动变速箱结构分析 5 二二 数控车床头箱结构分析数控车床头箱结构分析 6 2 12 1 主传动系统主传动系统 2 22 2 进给传动系统进给传动系统 2 32 3 自动回转刀架自动回转刀架 2 42 4 机床尾座机床尾座 三三 伺服系统及步进电动机的设计和计算伺服系统及步进电动机的设计和计算 7 3 13 1 伺服系统结构改造设计方案伺服系统结构改造设计方案 3 23 2 进给伺服机构机械部分的设计计算进给伺服机构机械部分的设计计算 四四 同步带传动设计同步带传动设计 14 4 14 1 同步齿形带的选择和校核同步齿形带的选择和校核 4 24 2 主轴组件的设计主轴组件的设计 五五 数控系统驱动的电路设计数控系统驱动的电路设计 19 5 15 1 硬件电路的基本组成硬件电路的基本组成 5 25 2 控制系统的功能控制系统的功能 六六 润滑系统的改造润滑系统的改造 22 体会体会 23 参考文献参考文献 23 3 前前 言言 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造 以步进电机驱动横向进给运 动 纵向进给运动以及刀架的快速换刀 使传动系统变得十分简单 传动链大大 缩短 传动件数减少 从而提高机床的精度 设计中 我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍 刊物进行大量阅读 收 集了很多资料 了解了数控机床的基本概念 数控机床的发展概况 数控机床的 组成及其工作原理 扩大了我们的知识面 随着科学技术的发展 现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进 对 零件的加工质量的要求也越来越高 随着社会对产品多样化要求的增强 产品 品种增多 产品更新换代加速 数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的 趋势 同时 数控机床将向着更高的速度 精度 可靠性及完善性的功能发展 机床作为机械制造业的重要基础装备 它的发展一直引起人们的关注 由 于计算机技术的兴起 促使机床的控制信息出现了质的突破 导致了应用数字 化技术进行柔性自动化控制的新一代机床 数控机床的诞生和发展 计算机的 出现和应用 为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段 随着计 算机的发展 数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用 同时使人们对传统的 机床传动及结构的概念发生了根本的转变 数控机床以其优异的性能和精度 灵捷而多样化的功能引起世人瞩目 并开创机械产品向机电一体化发展的先河 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品 它把刀具和 工件之间的相对位置 机床电机的启动和停止 主轴变速 工件松开和夹紧 刀具的选择 冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录 在控制介质上 然后将数字信息送入数控装置或计算机 经过译码 运算 发 出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件 加工出所需的工件 数控机床与普通机床相比 其主要有以下的优点 1 1 适应性强 适合加工单件或小批量的复杂工件 在数控机床上改变加工 工件时 只需重新编制新工件的加工程序 就能实现新工件加工 2 2 加工精度高 3 3 生产效率高 4 4 减轻劳动强度 改善劳动条件 5 5 良好的经济效益 6 6 有利于生产管理的现代化 数控机床已成为我国市场需求的主流产品 需求量逐年激增 我国数控机机床 近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步 特别是在机床的高速化 多 轴化 复合化 精密化方面进步很大 但是 国产数控机床与先进国家的同类 产品相比 还存在差距 还不能满足国家建设的需要 我国是一个机床大国 有三百多万台普通机床 但机床的素质差 性能落后 单台机床的平均产值只 有先进工业国家的 1 10 左右 差距太大 急待改造 4 CA6140CA6140 型车床主轴箱的数控化改造设计型车床主轴箱的数控化改造设计 摘要摘要 了解数控机床的概念 所谓数字控制是按照含有机床 刀具 运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程 而计算机数控机 床就是数控机床在计算机监控下进行工作 它的优点很多 可以在同 一机我国现床上一次装夹可完成多个操作 生产率显著提高等优点 但它的价格昂贵 由于在使用的机床大多数为普通车床 自动化程 度低 要更新现有机床需要很多资金 纵向进给机构的改造 拆去原 机床的溜板箱 光杠与丝杠以及安装座 配上滚珠丝杠及相应的安装 装置 纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾 不占据丝杠 空间 横向进给机构的改造 拆除横向丝杠换上滚珠丝杠 由步进电 机带动 总体设计方案 CA6140 车床主轴转速部分保留原机床的手 动变速功能 车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动 最后 根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算 关键词关键词 数控 车床 改造 Abstract Numerical Control NC is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement When Numerical Control is performed under computer supervision it is called Computer Numerical Control CNC CNC machines have many advantages over conventional machines For example there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased One of its disadvantages is that they are quite expensive In our country conventional machine is used widely So if the machines are replaced there is going to need a large money The reformation of the vertical mechanism we demolish the current smooth leading leading screw and installing 5 stand Then replace the ball leaking to the relevant position The reformation of the horizontal mechanism we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw And Stepper motor drives the screw The overall master design the spindle s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw which is drove by the Stepper motors The last we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers Key word Numerical Control machining information CA6140CA6140 普通车床主轴箱数控化改造设计的任务及设计要求普通车床主轴箱数控化改造设计的任务及设计要求 一 设计任务 1 主要内容 对 CA6140 车床主传动变速箱进行数控改造 研究内容包括 CA6140 车床主 传动变速箱结构分析 数控车床头箱结构分析 步进电机选择 主轴结构设计 齿形带传动设计 驱动方案和驱动电路设计等 2 技术指标 1 主轴调速范围 0 2000r min 2 步进电机开环控制 二 设计要求 1 毕业设计 论文 一份 有 200 字左右的中英文摘要 正文后有 5 篇左 右的参考文献 正文中要引用 3 篇以上文献 并注明文献出处 论文字数 在 8000 字以上 2 主轴零部件图 驱动方案框图 驱动电路图等相关图纸 三 总体方案的确定 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的 其精度 和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求 因此将普通机床改造为全功 能的数控机床 一味追求先进指标则会得不偿失 所以确定总体方案的原则应 当是在满足生产需要的前提下 对原机床尽可能减少机械部分的改动量 选择 简单易用的数控系统 达到合理的性价比 本次改造设计要求就是根据这一原 则提出的 根据设计要求 依据设计参数及机床数控改造的理解 总体方案确 定如下 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机床应具有定位 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 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 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 6 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 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 为保证一定的传动精度和平稳度 尽量减少摩擦量力 选用滚珠丝杆螺母 副 同时 为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 一 一 CA6140CA6140 车床主传动变速箱结构分析车床主传动变速箱结构分析 主轴箱的结构分析主轴箱的结构分析 机床主轴箱是一个比较复杂的传动件 表达主轴箱各传动件的结构和 装配关系时常用展开图 展开图基本上 是按各传动链传递运动的先后顺序 沿轴 心线剖开 并展开在一个平面上的装配图 如图 1 7 图 1 1 花键套 2 带轮 3 法兰 4 箱体 5 钢球 6 齿轮 7 销 8 9 螺母 10 齿轮 11 滑套 12 元宝销 13 制动盘 14 制动带 15 齿条 16 拉杆 17 拨叉 18 齿扇 19 圆键 1 CA6140 型车床主轴箱展开图如上图所示 该图是沿轴 IV 一 I 一 II 一 III V 一 VI 一 XI 一 X 的轴线剖切面展 开的 展开图把立体展开在一个平面上 因而 其中有些轴之间的距离拉开了 如轴 IV 画得 III 与轴 V 较远 因而使原来相互啮合的齿轮副分开了 读展开图 时 首先应弄清楚传动关系 1 卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴 I 左端的带轮 2 见图 1 的左上 部分 带轮 2 与花键套 1 用螺钉连接成一体 支承在法兰 3 内的两个深沟球 轴承上 法兰 3 固定在主轴箱体 4 上 这样带轮 2 可通过花键 1 带动轴 I 旋转 皮带 的拉力则经轴承和法兰 3 传至箱体 4 轴 I 的花键部分只传递转距 从而 可避免因皮带拉力而使轴 I 产生弯曲变 形 这种带轮是卸荷的 既把径向载荷 卸给箱体 二 数控车床头箱结构分析二 数控车床头箱结构分析 数控车床的典型结构 1 主传动系统 数控车床主运动要求速度在一定范围内可调 有足够的驱动功率 主轴回 转轴心线的位置准确稳定 并有足够的刚性与抗振性 如下图所示为济南第一机床厂生产的 MJ 50 型数控车床的传动系统图 8 2 进给传动系统 数控车床进给传动系统是用数字控制 X Z 坐标轴的直接对象 工件最后的 尺寸精度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度 灵敏度和稳定性的影响 为此 数控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙以及减少运动件的惯量等 为使全功能型数控车床进给传动系统要求高精度 快速响应 低速大转矩 一般采用交 直流伺服进给驱动装置 通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动 刀 架的快速移动和进给移动为同一条传动路线 如图 3 3 所示 MJ 50 数控车床的进给传动系统分为 X 轴进给传动和 Z 轴进 给传动 3 自动回转刀架 数控车床的刀架是机床的重要组成部分 其结构直接影响机床的切削性能 和工作效率 回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具 通过回转头的旋转 分度和定位 实现机床的自动换刀 回转刀架分度准确 定位可靠 重复定位精度高 转位速度快 夹紧性好 可以保证数控车床的高 精度和高效率 按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置 可分为立式和卧式回转刀 架 1 立式回转刀架 2 卧式回转刀架 4 机床尾座 如右图所示为 MJ 50 数控车床出厂时配置的标准尾座结构简图 从它上面我们可以看出 对 CA6140 车床的改造的方向 三三 机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算 9 一 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 1 纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像 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 为了提高支承刚度 采用向心推力球轴承对加止推 轴承支承方式 齿轮间隙采用双薄片调隙方式 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体 滚珠丝杆仍安置在原 来的位置 两端仍采用原固定方式 这样可减少改装工作量 并由于滚珠丝杠 的摩擦系数小于原丝杠 且外径比原先的大 从而使纵向进给整体刚度只可能 增大 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速 双片齿轮间没有加弹簧自动消除间 隙 因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况 当负载大时 弹簧弹力显小 起不到消除间隙之目的 当负载小时 弹簧弹力又显大 则加速齿轮的磨损 因此 采用定期人工调整 螺钉紧固的办法消除间隙 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩 以保持机床原外观 起到美化机床的效果 在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮 以适应机床调整时的操作需要和 遇到意外情况时的急停处理需要 2 横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆 安装滚珠丝杆副 为提高横向进给系统刚度 支承方 式采用两端装止推轴承 步进电机 齿轮箱安装于机床后侧 为了使减速机构 不影响走刀 同时消除传动过程的冲击 减速机构采用二级传动 从动轮采用 双薄片错位消除间隙 二 进给伺服机构机械部分的设计计算 1 选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向 0 01mm 步 横向 0 005mm 步 半径 2 计算切削力 2 1 纵车外圆 主切削力 FZ N 按经验公式估算 FZ 0 67Dmax1 5 0 67 4001 5 5360 按切削力各分力比例 FZ FX FY 1 0 25 0 4 F X 5360 0 25 1340 FY 5360 0 4 2144 2 2 横切端面 主切削力 F Z N 可取纵切的 0 5 F Z 0 5FZ 2680 此时走刀抗力为 F Y N 吃刀抗力为 F x N 仍按上述比例粗略计 算 FZ FX FY 1 0 25 0 4 F Y 2680 0 25 670 F X 2680 0 4 1072 3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 3 1 纵向进给丝杆 10 3 1 1 计算进给牵引力 Fm N 纵向进给为综合型导轨 Fm KFx f Fz G 1 158 1340 0 16 5360 800 2530 式中 K 考虑颠复力距影响的实验系数 综合导轨取 K 1 15 f 滑动导轨摩擦系数 0 15 0 18 G 溜板及刀架重力 G 800N 3 1 2 计算最大动负荷 C C 3 LfWFM L 60 n t 106 N 1000 Vs Lo 式中 Lo 滚珠丝杆导程 初选 L 6mm Vs 最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1 2 1 3 此 处 Vs 0 6m min T 使用寿命 按 15000h fw 运转系数 按一般运转取 F 1 2 1 5 L 寿命 以 106为一单位 n 1000Vs Lo 1000 0 6 0 5 6 50r min L 60 N T 106 60 60 15000 106 45 C 3 LfwFm 3 45 1 2 2530 10798 7N 3 1 3 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表 可用 W1L400b 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副 1 列 2 5 圈 其额定动负载为 16400N 精度等级按表 4 15 选为 3 级 大致相当老标准 E 级 3 1 4 传动效率计算 tg tg 试中 螺旋升角 W1L400b 2 44 摩擦角 10 滚动摩擦系数 0 003 0 004 tg tg tg2 44 tg 2 44 10 0 94 3 1 5 刚度验算 最大牵引力为 2530N 支撑间距 L 1500mm 螺母及轴承均进行预紧 预紧力 为最大轴向负荷的 1 3 A 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 Pm 2530N D0 40mm 查出 L L 1 2 10 5 可算出 1 L L 1500 1 2 10 5 1500 1 8 10 2 由于两端采用向心推力球轴承 且丝杆又进行了预拉伸 故其拉压刚度 可以提高 4 倍 其实际变形量 1 mm 为 1 0 25 10 2 B 滚珠与螺纹滚道间接触变形 q W 系列 1 列 2 5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 q q 6 4 m 11 因进行了预紧 2 0 5 q 0 5 6 4 3 2 m C 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 采用 8107 型推力球轴承 d1 35mm 滚动体直径 dq 6 34mm 滚动体 数量 Z 18 c 0 0024 3 Fm2 dq Z2 0 0024 3 2532 6 35 182 注意 此公式中 Fm单位为 kgf 应施加预紧力 故 3 0 5 0 5 0 0075 0 0038mm 根据以上计算 1 2 3 0 0045 0 0032 0 0038 0 0115mm 定位精度 3 1 6 稳定性校核 滚珠丝杆两端推力轴承 不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核 3 2 横向进给丝杆 3 2 1 计算进给牵引力 F m 横向导轨为燕尾形 计算如下 F m 1 4 F y f Fz 2F x G 1 4 670 0 2 2680 2 1072 600 2023N 3 2 2 计算最大动负荷 C n 1000 V3 L0 1000 0 3 0 5 5 30 L 60 n T 106 60 30 15000 106 C 3 LfwF m 3 27 1 2 2030 7283N 3 2 3 选择滚珠丝杠螺母副 从附录 A 表 3 中查出 W1L20051 列 2 5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副 额 定动载荷为 8800N 可满足要求 选定精度为 3 级 3 2 4 传动效率计算 tg tg tg4 33 tg 4 33 10 0 965 3 2 5 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如 图所示 最大牵引力为 2425N 支承间距 L 450mm 因丝杠长度较短 不需预紧 螺母及轴承预紧 计算如下 A 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 mm 查图 4 6 根据 F m 2032N D0 20MM 查出 L L 5 10 5 可算出 1 L L L 4 2 10 5 450 1 89 10 2mm 显然系统应进行预拉伸 以提高刚度 故 0 25 1 4 7 10 3 B 滚珠与螺纹滚道间接触变形 查资料 机床数控改造设计与实例 M 1 版 q 8 5 m 因进行了预紧 2 0 5 q 0 5 8 5 4 25 m C 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用 8103 型推力球轴承 dq 5 Z 13 12 d 17mm c 0 00243 Fm2 dq Z2 0 00243 202 3 5 132 1 3 10 3 考虑到进行了预紧 故 3 0 5 c 0 5 1 3 10 3 6 5 10 4 综合以上几次变形量之和得 1 2 3 4 7 10 3 4 25 10 3 0 0096 0 015 定位精度 3 2 6 稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承 不会产生失稳现象不需作稳定性校核 传动比计算 4 传动比计算 4 1 纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 p 0 01 滚珠丝杠导程 L0 6mm 初选步进电 机步距角 0 75 可计算出传动比 i i 360 p bL 0 390 0 01 0 75 6 0 8 可选定齿轮齿数为 I Z1 Z2 Z1 32 Z2 40 或 Z1 20 Z2 25 4 2 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 p 0 005 滚珠丝杠导程 L0 5mm 初选步进电 机步距角 0 75 可计算出传动比 i I 360 p bL 0 360 0 005 0 75 5 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 i Z1Z2 Z3Z4 3 4 5 5 24 20 40 25 Z1 24 Z2 40 Z3 20 Z4 25 因进给运动齿轮受力不大 模数 m 取 2 有关参数参照下表 齿数 32 40 24 40 20 25 分度圆 d mz64 80 48 80 40 50 齿顶数 da d 2m68 84 52 84 44 54 齿根数 df d 21 25m 59 75 43 75 35 45 齿宽 6 8 m20 20 20 20 20 20 中心距 A d1 d2 2726445 5 步进电机的计算和选型 5 1 纵向进给步进电机计算 5 1 1 等效传动惯量计算 方法计算如下 传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 J kg cm2 可有下 式计算 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 Js G g L0 2 2 式中 Jm 步进电机转子转动惯量 kg cm2 J1 J2 齿轮 Z1 Z2的转动惯量 kg cm2 Js 滚珠丝杠传动惯量 kg cm2 13 参考同类型机床 初选反应式步进电机 150BF 其转子转动惯量 Jm 10 kg cm2 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 6 42 2 2 6 kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 82 2 6 39 kg cm2 Js 0 78 10 3 44 150 29 952 kg cm2 G 800N 代入上式 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 Js G g L0 2 2 10 2 62 32 40 2 6 39 29 592 800 9 8 0 6 2 2 36 355 kg cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 Jm J 10 36 355 0 275 基本满足惯量匹配的要求 5 1 2 电机力矩计算 机床在不同的工况下 其所需转距不同 下面分别按各阶段计算 A 快速空载启动力矩 M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 M起 Mamax Mf Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta nmax max b p 360 将前面数据代入 式中各符号意义同前 nmax max b p 360 2400 0 75 0 01 360 500r min 启动加速时间 ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 36 355 2 500 10 2 60 0 03 634 5N cm 折算到电机轴上的摩擦力距 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 16 5360 800 0 6 2 0 8 1 25 94N cm 附加摩擦力距 M0 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 Ft L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2530 0 6 1 0 92 2 0 8 1 25 805 3 0 19 15 3N cm 上述三项合计 M起 Mamax Mf Ma 634 5 94 15 3 743 8N cm B 快速移动时所需力矩 M快 M快 Mf M0 94 15 3 109 3N cm C 快速切削负载时所需力矩 M切 M切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 94 15 3 1340 0 6 2 0 8 1 25 94 15 3 127 96 237 26N cm 14 从上面计算可以看出 M起 M快和 M切三种工况下 以快速空载起动所需力 矩最大 以此项作为初选步进电机的依据 从有关手册 机床数控改造设计与实例 M 查出 当步进电机为五 相十拍时 Mq Mjmax 0 951 最大静力矩 Mjmax 743 8 0 951 782N cm 按此最大静力矩从有关手册中查出 150BF002 型最大静转矩为 13 72N m 大于所需最大静转矩 可作为初选型号 但还需进一步考核步进电 机起动矩频特性和运行矩频特性 5 1 3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk 1000Vmax 60 p 1000 2 4 60 0 01 4000Hz Fe 1000Vs 60 p 1000 0 6 60 0 01 1000Hz 从下表中查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800Hz 运 行频率为 8000Hz 再从有关手册中查出 150BF002 型步进电机起动矩频特性和运 行矩频特性曲线 当步进电机起动时 f起 2500 时 M 100N cm 远远不能满 足此机床所要求的空载起动力矩 782N cm 直接使用则会产生失步现象 所 以必须采用升降速控制 用软件实现 将起动频率降到 1000Hz 时 起动力矩 可增加到 5884N cm 然后在电路上再采用高低压驱动电路 还可将步进电机 输出力矩扩大一倍左右 当快速运动和切削进给时 150BF002 型步进电机运行矩频特性完全可以满 足要求 5 2 纵向进给步进电机计算 5 2 1 等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J 可由下式计算 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 式中各符号意义同前 其中 J1 0 78 10 3 d14 L1 0 78 10 3 4 82 2 0 83kg cm2 J2 0 78 10 3 d24 L2 0 78 10 3 84 2 6 4 kg cm2 J3 0 78 10 3 d24 L3 0 78 10 3 44 2 0 4 kg cm2 J4 0 78 10 3 d24 L4 0 78 10 3 54 2 0 98 kg cm2 Js 0 78 10 3 24 45 0 56kg cm2 G 600n Jm 4 7 初选反应式步进电机为 110BF 代入上式为 J Jm J1 Z1 Z2 2 J2 J3 Z3 Z J J G g L0 2 2 4 7 0 83 24 10 2 6 4 0 4 20 25 2 0 98 0 56 600 10 0 5 2 2 8 42kg cm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm J 4 7 8 42 0 558 基本满足惯量匹配要求 5 2 2 电机力矩计算 A 快速空载起动力矩 M M起 Mamax Mf Ma Mamax J J nnax 10 2 60 ta 2 J 2 nmax 10 2 60 ta 15 式中 nmax max b p 360 1200 0 75 0 005 360 500r min ta 30ms Mamax J 2 nmax 10 2 60 ta 8 42 2 500 10 2 60 0 03 147N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf Mf FOL0 2 i f Pz G L0 2 Z2 Z1 0 2 2680 600 0 5 0 48 2 0 8 31 3N cm 附加摩擦力矩 M0 MO FPOL0 1 02 2 i 1 3 F t L0 1 02 2 Z2 Z1 1 3 2023 0 5 0 48 1 0 92 2 0 8 6 1N cm 上述三项合计 M起 Mamax Mf Ma 147 31 3 6 1 184 4N cm B 快速移动时所需力矩 M快 M快 Mf M0 31 3 6 1 37 4N cm C 最大切削福载时所需力矩 M切 M切 Mf M0 Mt Mf M0 FOL0 2 i 37 4 1072 0 5 0 48 2 0 8 88 6N cm 由上面计算可以看出 M起 M快和 M切三种工况下 以快速空载起动所需力矩 最大 故以此项作为选择步进电机的依据 根据步进电机转矩 Mq与最大静转矩 Mjmax的关系可知 当步进电机为三相六拍时 Mq Mjmax 0 866 最大静力矩 Mjmax 184 4 0 866 213N cm 查 BF 反应式步进电机技术参数得 110BF003 型步进电机最大静转矩为 7 84N m 大于所需最大静转矩 可作为初选型号 但必须进一步考核步进电 机起动矩频特性和运行矩频特性 5 2 3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk 1000Vmax 60 p 1000 2 4 60 0 01 4000Hz Fe 1000Vs 60 p 1000 0 6 60 0 01 1000Hz 由 110BF003 型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为 1500Hz 运行 频率为 7000Hz 根据 110BF003 型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可 以看出 当步进电机起动时 F 1500Hz M 98N cm 小于机床所需的起动力矩 184 4N cm 直接使用会产生失步现象 所以必须采用升降速控制 用软件 实现 将起动频率将为 1000Hz 时 既可满足要求 当机床快速起动和切削进 给时 则完全满足运行矩频要求 四 同步带传动设计四 同步带传动设计 1 同步齿形带的选择和校核 在车床改造时中 步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构 通过减速机 构可得到所需的脉冲当量和增大的驱动力矩 通常采用齿轮传动或同步齿形带 传动机构 同步齿形带传动是一种新型的带传动 其利用同步带的齿型与带轮 的轮齿传递运动 无相对滑动 无噪声 无需润滑 传动精度和效率高 同步 16 带传动的带速高达 40 80m s 传递功率可达 100KW 传动比可达 10 20 传动效 率 98 因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带来传递运动 同步带传动的设计步骤为 1 模数 根据表 1 12 m 41 6 6 510 4 cA PK P kw 2 齿数 1min ZZ 查表 1 3 选 1 30Z 21 30 1 545ZZ i A 3 带轮节圆直径为 11 22 4 30120 4 45180 dmzmm dmzmm 4 带速为 1 1 3000 60 100060 1000 Dn V 5 中心距为 则 210 a 600 取 a 500 1212 0 7 2 ddadd 6 带长为 2 1221 21473 24 dddd Lamm a 7 小带轮啮合齿数 则 21 1min 1 26 n dd ZZZ a minmin 2 4 2 6 mZmZ 1 14Z 8 带宽 10001000 10 4 0 9515 c zic P b k kpF 1 21 同步带模数的选择参考 机械设计 教材 1 22 同步带传动工作情况系数 A K 一天运转时间 h 载荷性质 16 载荷平稳 11 11 2 载荷变动小 1 21 41 6 载荷变动大 1 41 72 17 1 23 小带轮最小齿数 min Z 小带轮转速 n1 r min 模数 m mm 1 522 5 345710 30001618202224 1 24 传动比系数 k1 n1 n2 1 1 25 1 1 25 1 1 7 1 1 7 1 2 5 1 2 5 1 3 5 1 3 5 k110 950 90 850 8 1 25 聚氨酯同步带 强力层为钢丝绳 的质量和许用拉力 模数 m mm 1 522 5345 单位宽度每米长度的质量 182430354860 单位宽度的许用拉力 468101525 1 26 同步带的齿数 长度和宽度 齿数 z 模数 m 1 522 5345 名义长度 L 35164 9219 2274 9329 9 40188 5251 3314 2377502 7628 3 50235 6314 2392 7471 2628 3785 4 60282 7377471 2565 5754942 5 70329 9439 8549 8659 7879 71099 6 80377502 7628 37541005 31256 6 90424 1565 5706 9848 211311413 7 100471 2628 3784 4942 51256 61570 8 宽度 b8 3210 1512 6012 6016 8020 80 宽度系列8 10 12 16 20 25 32 40 50 60 80 2 主轴组件的设计 主轴在改造过程中还可以选用原来的主轴 因为主轴在精度 力学性能和 经济性上都能满足改造后的要求 轴的支撑轴颈 配合轴颈是轴类零件的主要 表面 它影响轴的旋转精度与工作状态 CA6140 车床主轴支撑轴颈和配合轴颈 的尺寸精度通常为 IT6 9 级公差 特别精密的轴颈为 IT5 级 甚至更高 在力 学性能上由于主轴在工作时 应力集中在主轴心部 而 CA6140 车床主轴采用空 心形状大大减小了应力的集中 使轴的刚度有很大提高 主轴支撑是主轴组件的重要组成部分 主轴支撑是指主轴轴承 支撑座及 其相关零件的组合体 其中核心元件是轴承 滚动轴承的主要优点是适应转速 18 和载荷变动的范围大 能在零间隙或负间隙条件下稳定运转 具有教高的旋转 精度和刚度 轴承润滑容易 维修 供应方便 摩擦因数小等 主轴悬伸量的确定 主轴悬伸量 a 是指主轴前支撑径向支反力的作用点到 主轴前端面之间的距离 它对主轴组件刚度影响较大 根据分析和试验 缩短 伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性 因此 设计时在满足结构要求的 前提下 尽量缩短悬伸量 a 前轴径 D1 115mm 后轴径 D2 80mm 根据结构定悬伸长 a 115mm 1 求轴承刚度 主轴最大输出转矩 Mn 9550 1260 6N m 6 6 n A 床身上最大加工直径约为最大回转直径 60 即 240mm 故半径为 0 12m FZ 10505N 1260 6 0 12 Fy 0 5 FZ 5252 5N 故总切削力为 F 11745N 22 FzFy 先暂取初值为 2 5 即暂取 L0 的初值为 l0 a 2 5 115 287mm 19 前后支撑支反力 PA 和 PB 分别为 PA F 11745N l0 a l0 345 120 15830 345 Pb F 11754N a l0120 3085 345 取前后支撑刚度为 KA 1530N m KB 1030 N m 2 求悬体跨距 1 495 KA KB 1530 1030 初算时可假设主轴当量外径 D 为前后轴颈的平均值 即 D 115 80 2 98mm 故惯性矩为 I 0 005 0 0984 0 0484 581 10 8 m4 20 则 118 363 2 1 10581 10 0 52 1530 100 115 A EI K a 查下图得 0 2 6 2 6 115300 o l a lmm a值与原假设值相近 符合要求 0 l 五 数控系统驱动的电路设计五 数控系统驱动的电路设计 一 硬件电路的基本组成 21 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 硬件组成系统的基础 其 性能的好坏 直接影响到系统的工作性能 有了硬件 软件才能有效地运行 是可工作的控制系统 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成 1 中央处理器 CPU 2 总线 包括数据总线 DB 地址总线 AB 和控制总线 CB 3 存储器 包括只读可编存储器和随机读写存储器 4 I O 输入 输出接口电路 其中 CPU 是数控系统的核心 是控制其它各部分协调工作的 大脑 其作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作 存储器用于存放系统 软件 应用程序 监控程序 和运行中所需的各种数据 I O 接口是系统与外 界进行信息交换的桥梁 三总线则是 CPU 与存储器 接口以及其它转换电路联 接的纽带 是 CPU 与外界进行信息交换和通讯的必由之路 数控系统硬件框图 如下所示 根据总体方案及机械结构的控制要求 确定硬件电路基本组成如下图 所示 1 系统的构成及工作原理 该系统是由 PC 机和自行开发的数控控制板两级控制组成 其组成如图 l 所 示 主要功能部件有 RAM ROM CPU I O 接口 光电 隔离 功率 放大器 步进 电机 外设 外设设 键盘 显示器 及其它 22 1 数控控制板 考虑到经济型数控改造的特点 数控板没有采用常见 的 ISA 总线插卡 而是结合本课题的具体情自行开发一块以 8031 单片机为核心 的数控控制板 它主要成实 EI 性任务 如机床状态检测 紧急情况处理 细插 补运算 脉冲分配等 PC 机利用标准并行打印口与 8031 进行通信 将预处理 后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控这种结构省去了打开机箱的 麻烦 方便安装和维护 为提靠性和处理速度 采用硬件环形分配器产生脉冲 控机的运转 为增强系统的抗干扰能力 输入输出信号要经电隔离 2 驱动电路 采用离低压驱动方式 自行设计步进电机驱动电路板 2 接口硬件设计 PC 机的标准并行打印口是一个具有 25 个引脚 3 个端址的控制接口 本系 统只需把 PC 机插补后的数据快速的下传 而上传的只是机床的少量状态信息 机床的动作主要由 8031 来控制完成 这种情况很适合打印机接口的通信特点 利用打印机接口在和数控控制板之间通信 不需增加额外硬件 只要把并行打 的 3 个端口根据数控加工的需要重新定义即可利用 尤其适于经济型数控改造 数控控制板的有关组成电路如图 2 所示 23 二 控制系统的功能 一 CPU 和存储器 CPU 采用 8031 芯片 8031 芯片內部具有 128 字节数据存储器 RAM 地址为佳 00H 7FH 用作工 作寄存器 堆栈 软件标志和数据缓冲器 CPU 对内部 RAM 有较为有效的操作 指令 另加有 128 字节的特殊功能寄存器 地址为 80H 7FH 是用于对片内 各功能模块进行管理 控制 监视等 8031 芯片内部虽然没有程序存储器 只 有 128 字节 ROM 在组成该系统时 RAM 不够用 现外接一片 6264 芯片来扩展 8031 的 RAM 存储器 8031 是一个无 ROM 的 CPU 单片机的 8031 不能满足设计 要求 不能够成完整的计算机 外接两片 2764 一片作为系统存储器 一片作 为加工程序存储器 8031 的输入 输出 I O 口线不多 不能满足设计要求 现外接两片 8155 芯片以扩展 I O 口 8031 芯片的 P0 和 P2 接口用来传送外部存储器的地址和数据 P0 口传送 高 8 位地址 P2 口传送低 8 位地址和数据 故要采用 74LS373 地址锁存器 锁 存底 8 位 ALE 作为选通信号 当 ALE 为高电平 锁存器的输入和输出 透明 既输入的低 8 位存储