机电一体化数控车床纵向进给系统设计毕业论文.doc

数控车床纵向进给系统设计数控车床纵向进给系统设计 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 由于我国现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 为了解决这个问题 也为了适应多品种中 小批量零件加工我 们选择机床经济型数控改造 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 CJK6140 车床主轴转速部分保留圆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 运动信息 滚珠丝杠 步进电机 CJK6140 NC Lathes Vertical Feed System Design ABSTRACT Numerical Control NC is any machining process in which the operations are executed automatically 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 In order to agree with the development of our economy we can reform the conventional machines The reformation of the tool movement we demolish the current smooth leading leading screw and installing 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 WORDS tool movement conventional machines Stepper motor 目 录 CJK6140 数控车床纵向进给系统设计 I 摘 要 I ABSTRACT II 第一部分 绪 论 1 第二部分 设计方案的确定 3 2 1 数控系统运动方式的确定 3 2 2 伺服进给系统的改造设计 3 2 3 数控系统的硬件电路设计 4 2 4 纵向进给系统的设计 5 第三部分 机 械 设 计 6 3 1 纵向进给系统的设计 6 3 2 切削力的计算 6 3 3 滚珠丝杠的设计计算 7 3 3 1 求轴向力 7 3 3 2 计算丝杠动载荷 Cj 7 3 3 3 丝杠效率计算 8 3 3 4 校核 8 3 4 齿轮箱减速器设计部分 9 3 4 1 传动比 i 9 3 4 2 齿面接触强度设计计算 9 3 4 3 齿根弯曲强度设计 11 3 4 4 设计计算 12 3 5 其他机械设计部分 12 3 5 1 减速箱最小输出轴的计算 12 3 5 2 轴承的选择 13 3 6 步进电机的选择 13 3 6 1 计算减速器的传动比 I 13 3 6 2 计算系统转动惯量 13 3 6 3 确定步进电机动力参数 14 第四部分 数控设计 17 4 1 数控系统硬件电路 17 4 1 1 基本硬件组成 17 4 1 2 硬件配套及基本结构 17 4 1 3 接口线路 18 4 1 4 光电隔离电路 19 4 1 5 功率放大器 19 4 1 6 辅助电路 19 4 2 软件设计 19 第五部分 使用说明 25 5 1 概述 25 5 2 主要技术参数 25 5 3 主要功能 25 5 4 安装调整步骤 25 5 5 机床使用步骤简述 25 5 6 维护和保养 26 第六部分 结束语 27 参 考 文 献 28 第一部分 绪 论 随着微电子 计算机和信息技术的飞速发展与应用 精密机械技术与这些前沿学 科的相互渗透 使机械系统向着高技术集成系统的方向发展 这是当今机械科学技术 发展的重要趋势 机械工程学科正朝着机电一体化方向发展 而数控机床便是此领域 中的一个典型发展方向 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品的性能和质 量不断提高 改行频繁 目前 机械零件加工中单件 小批量加工约占 80 因此对 加工设备不仅要求具有高的加工精度和生产效率 而且还要具备有相当的 柔性 既 灵活 通用 能迅速适应加工零件的变更 数控机床较好地解决了形状复杂 精密 小批 多变的零件的加工问题 它具有适应性强 较高的加工精度 稳定的加工质量 和高生产效率的特点和优点 所以 数控机床是一种灵活而高效的自动化机床 随着 电子 自动化 计算机和精密测试等技术的发展 数控机床在机械制造业中的地位将 变得越来越重要了 数控机床经济型改造 实质是机械工程技术与微电子技术的结合 经改造后的机床 加工的精度 效率 速度都有了很明显的提高 适合我国现在经济水平的发展要求 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 机床计算机系统是本世纪 70 年代发展起来的机床控制新技术 它综合了计算机 自动控制 电器控制 测量技术 机械制造等领域的最新成就 使机器工具发展到新 的水平 计算机数控机床具有精度高 加工周期短 适应性强等一系列的优点 特别对于 中小批生产的精密复杂零件加工尤为合适 因而在机械 航空 造船 动力等行业中 得到了广泛地运用 此外 数控技术也在绘图机械 坐标测量机 激光于火焰切割机等机械设备中得 到了广泛的应用 特别是相续出现的自动换刀数控机床 即加工中心 Machining Center 直接数字控制系统 即计算器群控系统 DCN Direct Numerical Control 自 适应控制系统 AC Adaptive Control 柔性控制系统 FMS Flexible Manufacturing System 计算器集成 综合 制造系统 CIMS Computer Integrated Manufacturing System 等 进一步说明 数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统 实现设计 CAD 制造 CAM 检验 CAT 于生产管理等全部生产过程自动化的基本设备 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 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 加工精度高 3 生产效率高 4 减轻劳动强度 改善劳动条件 5 良好的经济效益 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 旧机床的数控化改造 顾名思义就是在普通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 随着数控机床越来 越多的普及应用 数控机床的技术经济效益为大家所理解 在国内工厂的技术改造中 机床的微机数控化改造已成为重要方面 许多工厂一面购置数控机床一面利用数控 数显 PC 技术改造普通机床 并取得了良好的经济效益 我国经济资源有限 国家大 机床需要量大 因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床 而我国的旧机 床很多 用经济型数控系统改造普通机床 在投资少的情况下 使其既能满足加工的 需要 又能提高机床的自动化程度 比较符合我国的国情 1984 年 我国开始生产经 济型数控系统 并用于改造旧机床 到目前为止 已有很多厂家生产经济型数控系统 可以预料 今后 机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及 所以说 本毕业设计 实例具有典型性和实用性 第二部分 设计方案的确定 利用微机对纵 横向进给系统进行开环控制 纵向 Z 向 脉冲当量为 0 01mm 脉 冲 驱动元件采用步进电机 传动系统采用滚珠丝杠副 刀架采用自动转位刀架 总 体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造 在确定总体设计方案时 应考虑在 满足设计要求的前提下 对机床的改动应尽可能少 以降低成本 2 1 数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统 点位直线控制系统 连续控制系统 由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件 所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制 系统 数控系统是一种位置控制系统 其本质是根据输入的数据进行插补 从而得到较 理想的运动轨迹 然后输入到执行部件 加工出所需的零件 按照这一原理 数控系 统可分为开环数控和闭环系统 所谓闭环控制系统 即指对所加工的零件随时进行检 测并输入 反馈 到控制系统 用以调节加工时所带来的误差 其主要采用反馈检测 装置及交流变频控制 因此功率较大 精密很高 但也由于采用交流变频伺服系统和 反馈检测装置 因而其造价十分高 结构也十分复杂 其稳定性也不十分理想 由于 以上特点 闭环控制系统常用于要求精密加工机床 单件生产 即整机生产之中 其 控制系统框图如下图所示 速 度 反馈 伺服 电 机 位 置反 馈 位 置比较 电路 指 令 速 度控 制 电 路 图 1 1 控制系统框图 2 2 伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环 半闭环和闭环之分 开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统 根据数据指令 经过控制运算发出 脉冲信号 输送到步进电机 使伺服装置转过相应的角度 然后经过减速齿轮和丝杆 螺母机构 转换为移动部件的直线位移 因为开环控制具有结构简单 设计制造容易 控制精度较好 容易调试 价格便 宜 使用维修方便等优点 与闭环控制系统相比 步进电机开环伺服系统没有外部的位置反馈回路及速度反 馈回路 因此不必使用位置速度测量装置 模数转换器及高增益放大器等高性能器件 因此 使设备投资显著降低 系统简单可靠 与机床间的组配也十分方便 即结构简 单 使用维护方便 可靠性高 制造成本低等一系列优点 在中小型机床的速度 精 度要求不十分高的场合 得到了广泛的应用 下面是开环控制系统框图 开环控制框图 开环伺服系统在负载不大的情况下多采下步进电机作为伺服电机 所以 本设计 决定采用开环控制系统 2 3 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 硬件是数控系统的基础 性能的 好坏直接影响整体数控系统的工作性能 有了硬件 软件才能有效地运行 在设计的数控装置中 CPU 的选择是关键 选择 CPU 应考虑以下要素 1 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关 2 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关 3 I O 口扩展的能力 控制系统采用单 CPU 形式分为处理数据 CPU 采用 8031 芯片使用广泛 功能强 大 性能好 价格便宜 它包括一个微处理器 一个 128 字节的片内数据存储器 4 个 8 位的 I O 接口 其中 P1 P2 P3 是准双向口 P0 是三态双向口 另外还为用户 留一个扩展区 控制系统的总体结构如下 8031 通过 I O 口扩展一片 8255 接口芯片实现空运转 自动 手动转换 回零 换 刀 超程的按键功能 还通过 P0 口和 P2 口及一块 74LS373 地址锁存器扩展了两片 16K 的 ROM 接口 两片 16K 的 RAM 来作为开发程序的存储器 8031 通过 P0 口扩展 了一片 8279 接口芯片来实现键盘输入和电路显示的功能 通过 P1 口经过光耦合隔离 电路 TLP521 4 来消除电路干扰 并实现 X Z 向正反转及连续启动的功能 通过功率 放大电路实现 S T M 等备用功能 两步进电机经 一块 74LS373 直接与 P0 口相连 软件设计采用模块化设计 主要包括主模块 子程序模块和定时中断模块 主模 块主要完成初始化和监控 初始化包括 PIO CTC 的初始化 监控主要包括键盘的管 理和显示管理 可调用原监控程序中的键盘管理和显示管理子程序 功能子模块包括 X X Z Z 及 STOP 功能子模块 并可调用圆监控程序中的许多子程序 中断 模块包括急停中断模块 报警中断模块等 2 4 纵向进给系统的设计 进给系统的传动原理 步进电机通过 消 隙 齿轮箱将转矩输出同时放大 以带动 滚珠丝杠转动 丝杠转动 使丝杠螺和丝杠螺母座 水平移动 由于丝杠螺母座与工作 台通过拖板固联 因而丝杠螺母座 水平 移动也迫使工作台沿机床导轨水平移动 通过对步进电机在工作时所需要的最大静转矩和最高启动频率的计算 并参照反 应式步进电机技术指示表 选择所用的步进电机为 110BF 1 型 由于脉冲当量 0 01mm 脉冲与滚珠丝杠基本导程之间满足关系 I 其中 I 为电机输出 p 0 L P L 360 轴与丝杠之间的传动比 为电动机的步矩角 计算出 I 是不等于 1 的 I 为齿轮的啮 合 同时电机输出的转矩无法直接带动丝杠工作 因此对其放大 这是加齿轮箱的一 个目的 为了使机床的结构简单 紧凑 齿轮箱采用一级传动 通过计算和校核 选 择齿轮箱的主动小齿轮的齿数 32 从动件的齿数为 40 其模数为 2 0mm 为了防 1 Z 止进给系统在正常工作时出现齿轮被卡死和空转现象 进一步提高传动的精度 则必 须对齿轮箱进行消隙 其方法是 采用双片齿轮错齿法 将从动轮做成两片 其中一 片固定在轴上 另外一片为动片 两者之间装上周向弹簧 弹簧力使两片齿轮的轮廓 分别与主动轮的轮廓贴紧 从而消除了齿轮间的间隙 避免了卡死与空转的现象出现 通过对丝杠的设计计算和对刚度 强度 压杆稳定性的校核 选择丝杠的公称直径 为 25mm 基本导程为 6mm 精度为 3 级 滚珠丝杠的预加负载方式为变位导程单螺母 自预紧 可实现螺母的拉伸或压缩的受力方式 其调整方法是 取下滚珠螺母 精确 测量原装钢球的直径 然后根据螺母的力的需要 从新更换装入若干大数微米的钢球 它具有结构简单 尺寸简单的特点 并能避免双螺母形位误差的影响 对于螺母副我 们采用了调整垫片的方法进行预紧 我们通过改变垫片的厚度 使螺母产生轴向位移 消除它们之间的间隙和施加预紧力 在工作中不能随意的去调整 加工过程中 为了保护丝杠不受铁屑的磨损和冷却液的腐蚀 加防护板 同时 为了防止灰尘和铁屑碎片等杂物进入滚珠丝杠的轨道中 避免出现滚珠卡死或传动精 度大大降低的现象 我们采用防尘护罩的保护形式 机床导轨与矩形导轨的综合形式 这种导轨的优点有 接触刚度大 不易磨损以 及承载能力强 运行平稳等 第三部分 机 械 设 计 3 1 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠 螺母固定在溜板箱上 带动刀架左右移动滚珠丝杠采用外插管变螺距型滚珠丝杠副 他的优点是螺母的轴向 尺寸小 而预加载荷消除间隙 他仍安装在原丝杠的位置 采用固定 由于滚珠丝杠 的磨擦系数小 从而使纵向进给刚度增大 纵向进给的减速机构采用齿轮减速 并用 双片齿轮消齿法消除间隙 纵向齿轮和溜板箱上均加外罩 以保证机床原外观 得到 美化机床的外观 在溜板箱上装上了纵向快速进给及急停按钮 以适应机床调整时的 操作需要和遇到以外情况时紧急处理需要 已知条件 最大回转直径 400mm 最大车削直径 400mm 最大工件长度 1000mm 工作台量 W 80kgf 时间常数为 T 25ms 滚珠丝杠的导程 L0 6mm 行程 S 1000mm 脉冲当量 0 01mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 Vmax 5m min 主功率 P 7 5KW 最大切削直径 D 80mm 3 2 切削力的计算 由 机床设计手册 可知 切削功率 Nc n k 式中 N 电动机功率 有同类型 C6140 车床可知 N 为 7 5kw 主传动系统总功率 一般为 0 6 0 7 取 0 65 k 进给系统功率系数 取 k 0 96 则 Nc 7 5 0 65 0 96 4 68 kw 又因为 Nc Fzv 6120 所以 Fz 6120Nc v 取切削速度 V 100m min 则 Fz 2864 16N 由 机床设计手册 可知 车外圆时 FX 0 1 0 6 z F Fy 0 15 0 7 z F 取 FX 0 5 Fz 1432 08N Fy 1718 58 N Fz 为主切削力 Fx 为走刀抗力 Fy 为吃刀抗力 3 3 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠在工作 过程中受轴向负载使滚珠和滚道面间产生接触应力 对于滚道型 面的一点是交变接触应力 在这种交变接触应力的作用下 经常一定的应力循环次数 后 使 其产生疲劳损伤 这是它的主要破坏形式 因此在设计时必须保证它在一定的 轴向力作用下回转 10 度转后滚道上虽然受滚珠压力但不发生点 a 先确定最大动载荷 Q b 由 Q 在滚珠丝杠设计标准中选出相应尺寸系列的最大动载荷 Q 近似值 初 选几个型号 c 由工作要求 结构尺寸 循环方式等条件下选出合适的 d l0 R 等一型号 d 然后列出主要参数 计算传动效率 刚度验算稳定性 3 3 1 求轴向力 由 机械设计手册 可知 P K Fx fw Fz W 式中 K 1 15 fw 0 15 0 18 取 0 16 W 为工作台的重量 由图初估取 800N 则 P 1 15 132 9 0 16 2864 16 800 2233 16N 3 3 2 计算丝杠动载荷 Cj a 强度计算 寿命值 Li 60 Ni Ti 106 Ni 1000vf D L0 取工件直径 D 100 丝杠导程 L0 6 Ni 丝杠转速为 15 92r min 由 知 使用寿命系数 T 一般取 15000h 因此 Li 60 Ni Ti 106 14 3 b 求 Cj 由 6 16 式可知 Cj 3 L Kf kh P 其中 Kf 载荷系数 一般取 1 2 1 5 取 1 2 Kh 硬度系数 取 1 0 则 Cj 7154 3N 根据 Cj 选取滚珠丝杠 考虑其功能选汉江机床厂 2506 3 型 特性参数 公称直径外径导程导程角精度系数动载量 25mm24 5mm6mm4 22 3 级11670N 因为 6512 1N 11670N 所以 丝杆强度足够 3 3 3 丝杠效率计算 由 公式知 S tm tm 4 S 螺旋升角 4 22 摩擦角 10 所以 经计算得 S 0 965 3 3 4 校核 刚度校核 滚珠丝杆受工作载荷 P 的作用而引起导程 L0的变化是 L1 其值按 式 6 19 计算 L1 EA PL0 其中 E 弹性模量 取 21 10 6N cm2 A 滚珠丝杆截面积 A d0 2 2 4 71 则 L1 12 6 10cm 4 7110 21 6 0 2 2071 6 6 滚珠丝杆受扭矩引起导程变化 L2很小 可以忽略 即 L0 L1 导程变形的总误差 为 L 21 10m m 0 100 L 6 查 表 12 1 19 知 3 级精度 1m 长的丝杠的螺距为 21 10 6 m 故 刚度足够 稳定校核 由 中的欧拉公式知 FK 2EI l2 式中 FK 长压杆临界失稳时的临界负载 E 弹性模量 取 21 10 6N cm2 I 截面惯性矩 单位 cm4 对实心圆柱体 I 1 77cm2 d 4 1 l 工作长度取 1m 丝杠轴端系数 1 2 3 取 1 则经计算 得 FK 36648N Nk FK p 36648 2071 2 17 69 一般 Nk 2 5 4 对于水平丝杠考虑重量影响 Nk 取 4 Nk Nk 因此 丝杠稳定 3 4 齿轮箱减速器设计部分 3 4 1 传动比 i i 361 L 式中 步距角 取 0 75 0 p 脉冲当量 取 0 01 脉冲 i 1 25 01 0 361 675 0 闭式齿轮传动一般转速较高 为了提高传动的平稳性 减小冲击振动 以齿数多一些 为好 小齿轮的齿数可取 Z 20 40 本设计选择 Z 32 11 I Z i Z 32 1 25 40 1 2 Z Z 21 即 Z 32 Z 40 12 选择材料为 45 钢 调质 六级精度 3 4 2 齿面接触强度设计计算 由设计计算公式 10 9a 进行计算 即 d 2 32 t 1 3 2 2 1 1 H Et d ZTK 1 确定公式内各计算数值 1 选择载荷系数 K 1 3 T 2 计算小齿轮传递的转矩 T1 T 95 5 10 1 5 1 1 n P P N 4 32KW 1c n 1041 7R min 1 0 max L iV 6 25 1 5000 则 T 3 96 10 Nmm 1 6 3 由表 10 7 选取齿轮宽度系数 d 0 5 1 取的规定值 0 60d 1 d b d a 0 5 1 1 25 0 60 0 675d 4 由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 Z 189 8MP 锻钢 Ea 2 1 5 由图 10 21d 按齿面硬度查得 小齿轮的接触疲劳强度极限 600 MP 1lim a 大齿轮的接触疲劳强度极限 550 MP 2lim a 6 由式 10 13 计算应力循环次数 N1 60n1j1Lh 60 1041 7 1 2 8 300 10 3 0 10 9 n1 小齿轮的转速 j1 齿轮每转一圈时同一齿面啮合的次数 取 1 Lh 齿轮的工作寿命 单位为 h 取 15000 设计的齿轮的工作寿命为 10 年 一年工作 300 天 一天工作 8 小时 2 班制 j 0 8 则 2 N1 60 n j L 60 1041 7 0 8 2 8 300 10 2 4 10 9 22h 7 由图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 0 88 0 9 1HN2HN 8 计算接触疲劳强度的许用应力 取失效率为 1 安全系数 S 1 由式 10 12 得 528MpH 1 S K HLIMHN11 1 60088 0 495MpH 2 S KHLIM LIM22 1 5509 0 2 计算 1 计算小齿轮分度圆直径 d 代入 H 中较小的值 则 t 1 d 2 32 63 t 1 3 2 2 1 1 H Et d ZTK 2 计算圆周速度 V V 3 43m s 100060 11 nd t 3 计算齿宽 b b d d 0 675 63 42 525 t 1 4 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 m 2 t 1 1 z d t 32 63 齿高 h 2 25 mt 2 25 2 4 5 b h 9 45 5 4 525 42 5 计算载荷系数 根据 V 3 43m s 6 级精度 由图 10 8 查得动载荷系数 K 1 06 V 由表 10 3 查得 K K 1 0 由表 10 2 查得使用系数 K 1 H FA 由表 10 4 查得 6 级精度 小齿轮相对支承非对称分布时 K 1 12 0 18 1 0 6 0 23 10b H 2 d 2 d 3 0 675 b 42 525 d K 1 234 b h 9 45 查得 10 13 K 1 1 7 所以载荷系数 H F K K K KK 1 308 AV H H 按照实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径 由式 10 10a d d 63 13 1t 1 3 t K K 6 计算模数 M M 1 97 1 1 z d t 3 4 3 齿根弯曲强度设计 由式 10 5 得弯曲强度设计的公式为 M M 1 97 1 1 z d t 1 由图 10 20 查得小齿轮的弯曲疲劳极限 1FE 500Mpa 2FE 380Mpa 2 由图 10 18 查得弯曲疲劳寿命系数 K 1FN K 2FN K 1FN 0 85 K 2FN 0 88 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 303 57Mpa F 1 S K FEFN11 2 238 83Mpa F S K FEFN22 4 计算载荷系数 K K K K KK 1 1 06 1 1 17 1 2402 AV F F 5 查取齿形系数 由表 10 5 可查得 Y 2 52 Y 2 40 1Fa2Fa 6 查取应力校正系数 由表 10 5 可查得 Y 1 625 Y 1 67 1Sa2Sa 7 计算大 小齿轮的 并且加以比较 F SaFaY Y 小齿轮 0 01349 F SaFaY Y 57 303 625 1 52 2 大齿轮 0 01678 F SaFaY Y 86 238 17 1 40 2 大齿轮的数值大 取大值 3 4 4 设计计算 M 1 33mm01678 0 32675 0 1096 3 2402 1 2 2 4 对比计算结果 由齿面的接触疲劳强度计算的模数 大于齿根弯曲疲劳强度计算 的模数 由于齿轮模数的大小主要是弯曲疲劳强度所决定的承载能力 而齿面接触疲 劳强度所决定的承载能力 仅与齿轮的直径有关 可取由弯曲强度算得的模数 M 1 97 并就近圆整为标准值 M 2 0 按照接触强度算得分度圆直径 d1 63 13 Z 31 565 32 1 1 1 m d 0 2 13 63 Z i Z 32 1 25 40 21 这样设计的齿轮传动 既满足了齿面接触疲劳强度 又满足了齿根弯曲疲劳强度 并做到结构紧凑 避免浪费 齿轮参数取值如下 参数Zmbad外圆直径 大齿轮40220208084 小齿轮32220206468 3 5 其他机械设计部分 3 5 1 减速箱最小输出轴的计算 取每级齿轮传动效率 包括轴承效率在内 c 0 97 则 PZ P c 4 32 0 97 4 19KW n 833 4 R min Z i n1 25 1 7 1041 由式 15 2 得 d A 0 3 z Z n P 即 d A min0 3 z Z n P 由 机械手册 查表 15 3 得 45 钢 调质淬火后 A0取 112 经过计算 得 d 112 19mm min 3 4 833 19 4 输出选取 d 19mm 即可 min 3 5 2 轴承的选择 已知丝杠的动载荷 C j 7154N 7 154KN 所以选择轴承如下 名称型号国标号C j 0 C 角接触轴承36204 型GB292 8311 2KN7 46KN 圆锥滚子轴承7204E 型GB297 8426 8KN18 2KN 所以以上的两种类型 动 静载荷均大于 7 154KN 故所选轴承符合要求 3 6 步进电机的选择 参考文献 机电系统设计 选择过程分以下几个小节介绍 3 6 1 计算减速器的传动比 I I p p 360 步进电机步距角 0 75 P 丝杠导程 P 6mm p 工作台脉冲当量 p 0 01mm 经计算 得 I 1 25 3 6 2 计算系统转动惯量 齿轮 丝杠等的转动惯量计算不易精确计算 可将其等效成圆柱体来近似计算 圆柱体的转动惯量 J Kg cm2 的计算公式 J 5 7 32 4l d 其中 材料密度 kg cm3 取 7 8 103kg m3 d 传动件的等效直径 m l 传动件轴向长度 m 总当量负载转动惯量 Je Kg m2 Je Jz1 W 2 2 i JsJz 4 180 p 2 其中 Jz1 Jz2 电机轴和丝杠轴上齿轮的转动惯量 Kg m2 Js 丝杠转动惯量 Kg m2 m 工作台质量 Kg 按公式 5 7 首先分别计算各传动件的转动惯量 其中齿轮的等效直径取分度圆直径 d1 80mm d2 64mm 丝杠的等效直径为 24 5mm Jz1 6 3 10 Kg 32 02 0 08 0 108 7 43 4 m 2 Jz2 5 04 Kg 32 02 0 064 0 108 7 43 4 10 m 2 Js 2 76 Kg 32 1 0245 0 108 7 43 4 10 m 2 按公式 5 8 得总当量负载转动惯量 Je Jz1 W g 11 759 10 Kg 2 2 i JsJz p180 2 4 m 2 3 6 3 确定步进电机动力参数 1 电机的负载转矩的计算 作用在步进电机轴上的总负载转矩 T 按照下式公式计算 公式计算 T J J me i FFP wu 2 i PF 2 1 2 00 其中 J 电机轴自身转动惯量 Kg m m 2 电机启动或制动时的角速度 rad s 2 F 作用在工作台上的摩擦力 N u F 作用在工作台上的其它外力 N W 伺服传动链的总效率 F 滚动丝杠螺母副的预紧力 N 0 滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率 一般取 0 9 0 初选 J 1 0 10 Kg 0 2 导轨摩擦因数 最大轴向力为 m 3 m 2 F 2071 2N maxw 并要求空载启动时间 t 30ms 最大进给速度为 V 5m min max 则步进电机轴上的总惯量 J J J J 1 0 10 1 1759 10 2 1759 10 Kg e m 3 3 3 m 2 空载启动时 电机轴上的惯量转矩为 T T J J 3 95 N m j t V max tL iV 0 max 2 设 F F 3 207 2 3 690 4N 0maxw 则电机轴上的摩擦转矩为 T T 0 125 N m i PF 2 1 2 00 25 18 014 3 2 9 01 4 690006 0 2 工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩 T W T 1 98 N m W i PFw 2 max 25 1 8 014 3 2 2 2071006 0 于是空载时电动机上的总负载转矩 Tq T T T T 3 95 0 125 0 08 4 155 N m qj 0 其中 T 0 08 N m 0 i FP 6 1 2 0 25 1 8 014 36 9 01 006 0 96 1321 2 2 电机最大的静转矩确定 初选步进电机采用三相六节拍通电控制方式 表 5 1 T T之间的比例关系如 q1s 下 电机相数33445566 运行节拍3648510612 T q T1s 0 50 8660 7070 7070 8090 9510 8660 866 根据前面所得的 T T 按照表 5 1 空载启动时需要电动机最大静转矩T为 1sq1S T T 0 866 4 155 0 866 4 80 N 1Sq 最大负载下工作时所需要的最大静转矩 T 2S T T 0 3 0 5 0 125 0 08 1 98 0 3 0 5 7 28 4 37 N 2S1 T max T T S1S2S T 7 3 N S 3 步进电机最高工作频率 f max f 8333 3HZ max p V 60 max 01 0 60 5000 综合考虑 查 机械手册 选用 110BF003 型步进电机 能满足其需要 电机参数如下表 型号110BF003 相数 额定电压80V 额定电流6A 步距角0 75 0 最大静扭矩800 Nmm 运行频率7000Step S 空载启动频率1500Step S 回转直径110mm 长度160mm 轴径11mm 第四部分 数控设计 4 1 数控系统硬件电路 4 1 1 基本硬件组成 任何一个数控系统都是由硬件和软件两部分组成 硬件是数控系统的基础 有了 硬件才能有效的运行 硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标 其性能好 坏 直接影响整个系统的工作组成 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分 组成 主控器 即中央处理单元 CPU 总线 包括数据总线 DB 地址总线 AB 和控制总线 CB 存储器 包括只读可编程存储器和随机读写存储器 I O 口 即输入 输出接口电路 其中 CPU 是数控系统的核心 其作用是发布命令以协调各部分正常工作 存储用 于存放系统软件 即程序 以及运动过程中的各种数据 I O 接口是系统与外界进行信 息交换的桥梁 三总线则是 CPUI 与存储器 接口以及其它各种转换电路连接的纽带 是 CPU 与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路 除此之外 还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路 如下图 所示为数控系统硬件结构图 其中 CPU 存储器及 I O 接口是任何一个数控系统必不 可少的环节 其于部分并非所有数控系统都具备 其一类机床数控系统可能只包括其 中的一部分或几部分 通常 CPU 通过 I O 接口连接得人机交换外设是键盘 打印机 磁带记录仪等通讯接口 讯号变换电路是 A D 转换 D A 转换 光电隔离 功率放大 等 是实现微机与控制对象之间的讯号匹配与转换的中间电路 这两部分可根据控制 系统的要求选择 CPU 存储器 ROM RAM I O 接口信号变频 外设控制对象 由于 MCS 51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用普遍 其配套芯片廉价 普及通用性强 制造和维修方便 完全能够满足经济型数控车床改造的需要 本次 C6140 的改造以 MCS 51 系列单片机中的 6031 芯片作为中心控制系统 4 1 2 硬件配套及基本结构 本数控系统计算机是采用 8031 为 CPU 的 8 位微型专用计算机 它包括一个微处 理器 一个 123 字节的片内数据存储器 4 个 8 位的 I O 接口 其中 P1 P2 P3 是准 双向口 P0 是三态双向口 此外还有为用户留一个扩展区 8031 通过 I O 口扩展一片 8255 接口芯片实现空运转 自动 手动转换 回零 换刀超 程的按键功能 还通过 P0 口和 P2 口及一块 74LS373 地址所存器扩展了两片 16K 的 ROM 27128 两片 16K 的 RAM 62128 来作为开发程序的存储器 8031 通过 P0 口扩展了一片 8279 接口芯片来实现键盘输入和电路显示的功能 通过 P1 口经光耦和 隔离电路 TLP521 4 来消除电路干扰 并实现 X Z 向正反转及连续启动的功能 通过 功率放大电路实现 S T M 等备用功能 两步进电机经一块 74LS373 直接与 PO 口相 连 具体结构参考电路控制原理图 4 1 3 接口线路 微机与机床的连接如下图 微机与机床的连接 它通过光电隔离接口板将两者信号联系起来 光电隔离接口主要是为防止干扰及 电平相配合 机床拖板的运动是通过软件的插补控制及环形分配器 由 PIO 口的输出信号控制 X Z 向两个步进电机来实现 主轴起停 刀架转位等辅助动作都是通过译码后由 PIO 口输出相应的电信号执行 相应的动作 螺纹车削由主轴脉冲发生器产生的主轴脉冲及螺头脉冲分别输入 CTC 口 及 PIO 口来控制进给 4 1 4 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中 脉冲信号经过功率放大器后控制步进电机励磁绕组 由 于步进电机需要的驱动电压较高 电流较大 如果输出信号与功率放大器直接相连 8031 单片机 光 电 隔 离 接 口 电 路 驱 动 放 大 驱 动 放 大 X 向步进电机 Y 向步进电机 主轴脉冲发生器 主动机 冷却系统 刀架 限位开关 将会引起强电流干扰 轻则影响计算机程序的正常运转工作 重则导致计算机和接口 电路的损坏 所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路 4 1 5 功率放大器 功率放大电路分为单电源和双电源型 单电源线路简单 但效率不高 所以选用 双电源型 双电源采用高低压供电电路 由于我国目前步进电机的功率放大器已经由 生产厂家生产出系列化产品 在设计数控机床电路时只需要步进电机的容量大小进行 选择 所以不在进行计算 4 1 6 辅助电路 为了防止机床行程越界 所以在机床上装有行程控制开关 为了防止意外 装有 急停按钮 由于这些开关都装在机床上 距控制箱较近 容易产生电器干扰 为了避 免这种情况的发生 在电路和接口之间实行光电隔离 4 2 软件设计 改造后的 CJK6140 数控机床 主要控制功能由软件实现 软件设计采用模块化设 计 主要包括主模块 子程序模块和定时中断模块 主模块主要完成初始化和监控 初始化包括 PIO CTC 的初始化 监控主要包括键盘管理和显示管理 均可调用原监控 程序中的子程序 功能子程序包括 X X Y Y 及 STOP 功能子程序 并可调用监控 程序中的子程序 中断模块包括急停中断模块 报警中断模块等 1 CJK6140 数控车床主要的技术参数及功能 数控装置 计算机型号 8031 插补方式 逐点比较法 插补坐标数 二坐标 数据形式 增量 绝对值及混合使用 输入方式 手动键盘输入或磁带机一次输入 Z 向脉冲当量 0 01 脉冲 X 向脉冲当量 直径上 0 01 脉冲 单行程段最大圆弧半径 5m 传动系统间隙补偿量 0 255 脉冲 程序段显示数 9999 数控装置机能设置 a 准备机能 G G00 快速进给 G01 直线插补 G02 圆弧插补 顺时针 G03 圆弧插补 逆时针 G04 延时 G32 切削圆柱螺纹 G33 切削锥螺纹 G50 坐标设定 G90 直线切削循环 G90 锥度切削循环 G92 圆柱切削螺纹循环 G93 锥螺纹切削循环 G94 1 4 凸圆循环 G95 1 4 凹圆循环 b 补助机能 M00 程序暂停 M02 程序终止 M03 主轴正转 M04 主轴反转 M05 主轴停止 M08 冷却液开 M09 冷却液关 C 刀具的选择机能 T T 后跟两位数 第一位为 1 4 表示刀号 第二位为 1 6 表示刀具补偿开关顺 序号 D 进给速度选择机能 F F 后面跟四位数 表示脉冲 转 E 坐标指令 X 横向绝对坐标值 Z纵向绝对坐标值 V 横向增量值 W 纵向增量值 I 圆弧起点相对于圆心在 X 向坐标值 K 圆弧起点相对于圆心在 Y 向坐标值 F 循环次数指令 J J 后跟的数码为自动循环次数可在 1 9 中选择 2 软件结构 加工零件的程序通过手动键盘输入或磁带输入 以固定的格式存入规定地址的存 储区 启动控制后 首选取第一段加工程序的指令并通过译码将各类指令分别存入相 应的单元 如 M T 等指令直接译码输出使机床执行各类辅助动作 G 指令或坐标指 令则分别存入相应的单元以备插补运算 用以控制 X 向和 Z 向的拖板运动 插补运算 结束依次取下一段加工程序 这样 直到加工零件程序取完 3 键盘管理模块的程序设计 键盘是数控机床最常用的输入设备 它由排列矩阵的一系列按键开关组成 键盘 有两种基本的类型 全编码键盘和非编码键盘 全编码键盘每按下一个键 其键盘功能由硬件逻辑自动提供被按键的代码 并能 产生一选通脉冲同志 CPU 但这种键盘的价格昂贵 一般系统很少应用 非编码键盘仅仅提供键盘的行和列矩阵 其他全部工作由软件来完成 所以非编 码键盘是最便宜的微机输入设备 本次车床改造就选用此种设备 要实现键盘的识别 产生与被按键对应的编码 消除键接触时的抖动干扰等功能 键盘程序必须依次执行以下步骤 1 扫描键盘 判断有无键合上 2 获取合上键的行 列信号 3 由行 列特征识别合上键的含义 4 根据键的特征进行分类 5 分类处理 考虑到大多数应用系统都采用 BCD 码输入数据 因此 只需要用 0 9 作为键即 可 而 A F 可设置为专门的命令键 程序框图见图纸 具体程序如下 KEYBD ORG0100H MOVA 00H 00H 为空格符 不显示 MOVR1 OFEH 段选码输出口地址送 R1 MOV R1 A 关闭显示器 MOVR1 OFDH 行信号输出口的地址送 R1 MOV R1 A 使行信号全为 MOVR1 OFBH 列信号输入口地址送 R1 MOVA R1 取列信号到累加器 XRLA OFFH 判断是否有键合上 JZKEYBD 无键合上 再检查 MOVRS OEH 有键合上 调延时程序 D15ms ACALLDIMS DJNZR5 D15MS MOVR2 OFEH 为扫描第一行作准备 MOVR0 OFDH 列信号输出口地址送 R0 MOVR1 OFBH 列信