C6140车床改数控的横向进给系统设计【含CAD图纸和说明书】
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含CAD图纸和说明书
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1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 .31.1、数控机床的产生.31.2、数控机床的发展.31.3、我国数控机床的发展概况.41.4、数控机床的发展趋势.41.5、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 .62.1 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 .73.1、主传动系统的改造方案.73.2、安装电动卡盘.73.3、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 .94.1、脉冲当量的确定.94.2 切削力的计算.94.3、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 .272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3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。41.5、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。5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。 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 24 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 24 档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推动 F1000G0075T3B，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 LD4BCK6140 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7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。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）FcnFcyFcXFPckvfCFcC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 mF横向导轨为燕尾型，计算如下： (4-2)1.4(2)myxXFFfFFG=1.4 6700.2(26802 1072600) 2023N（2）计算最大动负载 C。 (4-3)0663310001000 0.3 0.530 /min56060 30 1500027101027 1.2 20237283swmvnrLn TLCL 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 ：9 (4-4)00tantan4 330.965tan()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1mF020Dmm，可算出：54.2 10LL (4-5)52114504.2 104501.89 10 mmL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 2110.47 104ymm2)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，2W 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q 38.5 10Qmm因为进行了预紧，故 332118.5 104.25 1022Qmm3）支撑滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3因为施加预紧力，故 333119.4 104.7 1022emm综合以上几项变量之和： (4-6)3123(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)myzxFFfFFG =1155N（6）压杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷 Fk (4-8)22ZKfEIFl式中：E-丝杆材料弹性模量，对刚 E=620.6 10 I-截面惯性矩，丝杆截面惯性矩 I=4164d l-丝杆两支撑端距离 -丝杆的支撑方式系数，查表知=2.00zfzf对于本设计： I=； (4-9)4164d443.141.67880.389964cm10 =78214N (4-10)22ZKfEIFl (4-11)67.7KkmFnF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eqj称直径，总长（带接杆），导程，材料密度mmd400mml1560mmph6；横向移动部件总重量 G=1300N；同步带减速箱大带轮33/1085. 7cmkgp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 . 1i珠丝杆的转动惯量；床鞍折算到丝杆上的转动惯量278.30cmkgjs小带轮的转动惯量；大带轮的转动惯量221. 1cmkgjw2195. 0cmkgjz。在设计减速箱时，初选的横向步进电动机型号2299. 1cmkgjs130BYG5501，从表中查得该型号电动机转自的转动惯量。233cmkgjm 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： （4-12）22155.57/cmkgijjjjjswzmeq（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eqT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eqlTeqlT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maxaT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fT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 0T0TmaxaT和 很小，可以忽略不计。则有：fT （4-13）maxeqlafTTT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）max2160eqmanJ nTt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mnr/min； 步进电机由静止到加速至所需要的时间，单位时间 s。at其中： （4-15）max0360mvn式中横向空载最快移动速度，任务书指定为 3000mm/min；maxv11 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。mn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mnat=0.7；则由式（4-14）求得： (4-16)4max257.55 101200.2.58 .60 0.4 0.7aTN 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） ()2chfFG PTi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；cF 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 1.2fTN 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）max2.82 .wqlafTTTN m2）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2eqT2eqT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tT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tT擦转矩.相对于和很小,可以忽略不计.则有:0T0TtT (4-20)2eqtfTTT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) 1TmNmNiPFhf06. 12 . 17 . 02006. 069.9352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： mNmNiPGFThC72. 02 . 17 . 02006. 013004 .267316. 021 (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）mNTTTfteq78. 12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）mNTTTeqeqeq82. 2,max213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12系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： (4-25)mNmNTTeqj28.1182. 244max 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fvmax=400/(600.01)Hz1333Hz。从 130BYG5501 的运行矩频特性图 6-4 可以ffmax看出，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmaxf17Nm,远远大于最大工作负载转矩 Teq2=1.78Nm,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/(600.005)maxvffmaxHz=10000Hz。查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.8Nm,大于快maxT速空载起动时的负载转矩 Teq1=2.82Nm,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eqJ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）HzJJffmeqqL10871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。13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。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。15晶振电路EPROM芯片W27C512SRAM芯片6264键盘与显示口芯片 8279串行接口芯片MAX233并行接口芯片8255CPUAT89S52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16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 DC120310V，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+5VX方向(PB4) L N保护接地PEX脉冲(PB5)M x220v+5V方向 A B C D E L N PE脉冲+5VX方向(PB6) L N保护接地PEX脉冲(PB7)M z220v图 7-1 BD5A 驱动器与控制系统连接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62640008k0000H1FFFH82550011，1111，1111，43FFCH3FFFH82790101,1111,1111,11125FFEH5FFFHDAC08320111,1111,1111,111117FFFH2.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18 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 RET8279 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 ; RET8279 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 6BH73H 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 1MOV 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19 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 0001 DB 0DAH DB 0BEH ; X 0203 DB 0E7H DB 0A3H ; Z 0405 DB 0CBH DB 0D1H ; U 0607 DB 0D3H DB 0DCH ; W 0809 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. 1920 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 6BH73H 这 9 个字节赋值，然后调用 DIR 子程序即可。例如，要显示“X1234.56” ，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 11H8279 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21 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 -KEY1NEXT0：CJNE A,#KEY2，NEXT2 JMP -KEY2NEXT2：7. 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 00H0FFHMOVX DPTR，A ；输出直流电压 010V8. 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22 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。23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。24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
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