CA6140型车床的经济型数控改造设计横向.doc
联接套A4_me.dwg
(CAD图纸)
联接支架A3_me.dwg
(CAD图纸)
螺母座A3_me.dwg
(CAD图纸)
任务书.doc
透盖A3_me.dwg
(CAD图纸)
英文摘要.doc
摘 要.doc
轴6A3_me.dwg
(CAD图纸)
装配图A0.dwg
(CAD图纸)
采用以为的控制系统对信号进行处理,由接口输出步进脉冲,经级齿轮传动减速后,带动滚动丝杠转动,从而实现纵向横向的进给运动。
改造过程如下机械部分的改造,包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。
主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向横向机构装配图方案的制定。
电气控制部分的设计,主要包括系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。
关键词数控,单片机,步进电机,滚珠丝杠,改目录摘要Ⅰ英文摘要Ⅱ目录Ⅲ第章前言第二章总体方案设计.机械部分改造.数控系统部分设计第三章机械部分改造设计.横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计横向进给系统的设计计算步进电机的选择.数控车床的传动装置设计螺旋传动轴的结构设计透盖的结构设计螺母座的结构设计.自动转位刀架的设计第四章微机数控系统设计.概述.数控系统的硬件电路设计微机机型和扩展存储器的选择确定接口键盘接口设计显示电路设计.软件设计插补原理及其程序设计步进电机的控制及其程序设计间隙补偿功能键盘的诊断自动换刀程序设计结论参考文献前言国外利用数字计算机进行控制加工是从年代开始的。
年美国麻省理工学院在台立式铣床上装了套试验性的数控系统,成功地实现同时控制三轴的运动,它成了世界上第台数控机床。
此后,从年代开始,其他些工业国家如德国日本等陆续地开发生产及使用数控机床。
年微处理机直接用于数控机床,进步促进了数控机床的普及应用和大力发展。
随着数控机床的功能越来越完善,可靠性和性能越来越高,它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。
我国数控机床的研制是从年开始的,经历了几十年的发展,直至年代后引进了日本美国西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后,我国的数控技术才有质的飞跃,应用面逐渐铺开,数控技术产业才逐步形成规模。
由于现代工业的飞速发展,市场需求变的越来越多样化,多品种中小批量甚至单件生产占有相当大的比重,普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。
如果设备全部更新替换,不仅资金投入太大,成本太高,而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。
如今科学技术发展很快,特别是微电子技术和计算机技术的发展更快,应用到数控系统上,它既能提高机床的自动化程度,又能提高加工精度,所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。
这样既可以提高加工生产率,改善加工工艺,还可以减少资金投入,减轻工人的劳动强度,缩短订购新的数控机床的交货周期时间。
实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值,为此,在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。
本课题来源于生产实践。
将型普通车床改造成经济型数控车床,应能实现车床原有功能,在机床的精度性能等方面除保持原来状况外还有所提高。
在整个设计过程中满足以下几点要求.横向向进给脉冲当量为.脉冲.进给速度范围向无级调速快进速度向内任意设定.原车床的主传动系统予以保留,横向进给系统由微机实现开环控制,两轴联动.刀架采用自动转位刀架,具有切削螺纹的功能.改造方便,成本低。
该设计的总体思路是采用以单片机为核心的数控装置控制加工过程。
微机通过接口发出驱动脉冲,经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路,驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号,并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电断电的信号,使步进电机运转。
步进电机的转子带动滚珠丝杠转动,从而使工作台产生移动,实现纵向横向的进给运动。
由于步进电机需要的驱动电压较高,电流较大,如果将输出信号直接与功率放大器相连,将会引起强电干扰,轻则影响单片机程序运行,重则导致单片机接口电路的损坏,所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路,实现电气隔离。
总体方案设计由于该设计是经济型数控改造,在考虑具体方案时,应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下,对机床的改动尽可能少,以降低成本。
.机械部分改造横向进给机构的改造拆掉原手动刀架和小拖板,安装上数控刀架拆掉普通丝杆光杆进给箱和溜板箱,换上滚珠丝杠螺母副保留原手动机构,用于调整操作,原有的支撑结构也保留,采用级齿轮减速,步进电机齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
.数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统点位直线控制系统连续轮廓控制系统根据设计要求,车床要加工复杂零件轮廓,其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。
根据设计要求,本微机数控系统采用连续控制系统。
采用以步进电机驱动的开环控制。
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。
开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。
采用简易数控装置,以步进电机为驱动机构,实现在微机控制下的自动加工。
其工作原理是根据加工零件的图样与工艺方案,用规定的代码和程序格式编写加工程序,通过数控装置上的键盘输入微机,微机在监控程序的管理下工作,并通过专用控制程序,把用户加工程序转化成定频率和数量的脉冲信号,经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动,通过机械接口传动丝杠实现刀架纵横两个方向的频率。
自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令,由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开抬起旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。
该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。
微机通过接口发出驱动脉冲,经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路,驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号,并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电断电的信号,使步进电机运转。
步进电机的转子带动滚珠丝杠传动,丝杠转动使工作台产生移动。
图车床数控改造的总体方案示意图综上所述,本设计改造的总体方案为采用单片机对数据进行计算处理,由接口输出步进脉冲,步进电机经级齿轮减速后,带动滚动丝杠转动,从而实现纵向横向的进给运动。
数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度,达到快速调整且仍能保持车床的通用性,而且提高了原车床的功能,利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。
机械部分改造设计.横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来,以保证同轴度,提高传动精度。
横向进给系统的设计计算已知条件工作台重根据图纸粗略计算时间常数滚珠丝杠基本导程左旋行程脉冲当量.步距角.快速进给速度ν.切削力计算查参考文献可得知,横向进给量为纵向的,取,则切削力约为纵向的.在切断工件时滚珠丝杠设计计算.强度计算对于燕尾型导轨取则寿命值.最大动负载根据最大动负荷的值,可选择滚珠丝杠的型号。
查参考文献可知,选用型号为.左,其额定动负荷为,所以强度足够用。
.效率计算螺旋升角,摩擦角则传动效率η刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程的变化量.滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小,可忽略,即。
所以,导程变形总误差为查表知级精度丝杠允许的螺距误差长为,故刚度足够。
.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同,而支承方式由原来的端固定端悬空,变为端固定,端径向支承,所以稳定性增强,故不用验算。
.齿轮及转矩有关计算.有关齿轮计算传动比故取.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠转动惯量齿轮的转动惯量.电机转动惯量很小可忽略,因此,总的转动惯量所需转动力矩计算所以,快速空载启动所需转矩切削时所需力矩快速进给时所需力矩从以上计算可知最大转矩发生在快速启动时,步进电机的选择横向进给系统步进电机的确定电动机选用三相六拍工作方式,查参考文献表知所以,步进电机最大静转矩为步进电机最高工作频率为了便于设计和计算,选用型三相六拍步进电机,能满足使用要求。
.数控车床的传动装置设计数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。
包括丝杠螺母副导轨工作台等。
在数控机床数字调节技术领域,传动装置是伺服系统中的个重要环节。
因此,数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别,它的设计与普通车床传动装置的设计不同。
数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外,还应具有良好的动态特性,即系统跟踪指令信号的响应要快,稳定性要好。
为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性,在设计机械传动装置时,通常提出了无间隙低摩擦高刚度等要求。
为了达到这些要求,采取主要措施如下.尽量采用低摩擦的传动,以减少摩擦力.链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度.量消除传动间隙,减少反向死区误差。
螺旋传动.概述螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动,或把直线运动变为旋转运动。
其中,有以传递能量为主的传力螺旋,有以传递运动为主,并要求有较高传动精度的传动螺旋,还有调整零件相互位置的调整螺旋。
螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。
在经济型数控车床的进给系统中,螺旋传动主要用来实现精密进给运动,并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。
滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。
这些滚珠作为中间传动件,使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的种传动装置。
它由丝杠螺母滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。
当螺杆转动螺母移动时,滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动,在螺杆上滚动数圈后,滚珠从滚道的端滚出并沿返回装置返回另端,重新进入滚道,从而构成闭和回路。
.滚珠丝杠副传动的特点.传动效率高,摩擦损失小。
.给予适当预紧,可消除丝杠和螺母的螺纹间隙,反向时就可以消除空程死区,定位精度高,刚度好。
.启动力矩小,运动平稳,无爬行现象,传动精度高,同步性好。
.有可逆性,可以从旋转运动转换为直线运动,也可以从直线运动转换为旋转运动,即丝杠和螺母都可以作为主动件。
.磨损小,使用寿命长,精度保持性好。
.制造工艺复杂。
滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度值别别小,故制造成本高。
.不能自锁。
特别是对于垂直丝杠,由于中立的作用,下降时当传动切断后,不能立刻停止运动,所以需要添加制动装置。
.滚珠丝杠副的支承方式为了满足高精度高刚度进给系统的需要,必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。
.端固定端自由丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。
结构简单轴向刚度小适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装.两端铰支结构简单轴向刚度小适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装对丝杠的热伸长较敏感适用于中等回转速度.端固定端铰支丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高,适用于中等回转速度结构稍复杂轴向刚度大适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装推力球轴承应安置在离热源步进电机较远的端.两端固定丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高,适用于高速回转结构复杂,两端轴承均调整预紧,丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力轴向刚度最
