CA6140普通車床數(shù)控化改造

目 錄 摘要 Abstract 緒論 1 第一章 CA6140 車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬訂 3 1 1 總體方案確定 3 1 2 設(shè)計(jì) X Y 數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng) 4 第二章 CA6140 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 5 2 1 脈沖當(dāng)量的選擇 5 2 2 切削力的計(jì)算 5 2 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 6 2 4 齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算 14 2 5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 15 2 6 設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 19 第三章 CA6140 車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 20 3 1 單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 20 3 2 MCS 51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 21 3 3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) 28 3 4 I O 接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 37 3 5 典型零件加工程序設(shè)計(jì) 46 總結(jié) 49 參考文獻(xiàn) 50 致謝 51 外文資料及中文翻譯 52 1 緒 論 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜 且需頻繁改型 普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求 數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生 這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng) 加 工精度高 加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn) 它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī) 自動(dòng)控制 伺服驅(qū)動(dòng) 精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果 是今后機(jī)床控制的發(fā)展方 向 一 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床最早是從美國(guó)開(kāi)始研制的 1948 年 美國(guó)帕森斯公司在研制加工直升機(jī) 槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí) 提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想 1949 年 帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作 開(kāi)始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作 并 于 1952 年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī) 這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理 的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床 經(jīng)過(guò)三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究 于 1955 年進(jìn)入實(shí)用 階段 一直到 20 世紀(jì) 50 年代末 由于價(jià)格和技術(shù)原因 品種多為連續(xù)控制系統(tǒng) 到 了 60 年代 由于晶體管的應(yīng)用 數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開(kāi)始下降 一些民用工 業(yè)開(kāi)始發(fā)展數(shù)控機(jī)床 其中多數(shù)是鉆床 沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床 數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī) 床上得到實(shí)際應(yīng)用 而且逐步推廣到焊接機(jī) 火焰切割機(jī)等 使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展 應(yīng)用范圍 二 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 自 1952 年 美國(guó)研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái) 隨著電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 自 動(dòng)控制和精密測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代 先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段 第一代數(shù)控 1952 1959 年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置 第二代數(shù)控 從 1959 年開(kāi)始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng) 第三代數(shù)控 從 1965 年開(kāi)始采用小 中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng) 第四代數(shù)控 從 1970 年開(kāi)始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系 統(tǒng) 第五代數(shù)控 從 1974 年開(kāi)始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng) 目前 第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng) 形成了現(xiàn)代數(shù)控 系統(tǒng) 它采用微型處理器及大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路 具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和 控制功能 這些控制功能是由一系列控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的 這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng) 幾乎只需改變軟件 就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求 具有很大的柔性 隨著集 成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大 光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中 使其體積日益縮小 價(jià)格 逐年下降 可靠性顯著提高 功能也更加完善 近年來(lái) 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟 它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的 各個(gè)領(lǐng)域中 先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 所有這些高級(jí)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ) 它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的 發(fā)展趨勢(shì) 三 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國(guó)從 1958 年由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床 并試制成功第 2 一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床 從 1965 年開(kāi)始 研制晶體管數(shù)控系統(tǒng) 直到 60 年代末和 70 年 代初 研制的劈錐數(shù)控銑床 非圓錐插齒機(jī)等獲得成功 與此同時(shí) 還開(kāi)展了數(shù)控加 工平面零件自動(dòng)編程的研究 1972 1979 年是數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和使用階段 例如 清華 大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控技術(shù)在車 銑 鏜 磨 齒輪加工 電加工等 領(lǐng)域開(kāi)始研究與應(yīng)用 數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功 數(shù)控升降臺(tái)銑床和數(shù)控齒輪加工 機(jī)床開(kāi)始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng) 從 80 年代初開(kāi)始 隨著我國(guó)開(kāi)放政策的實(shí)施 先后從日 本 美國(guó) 德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù) 上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó) GE 公司的 MTC 1 數(shù)控系統(tǒng)等 在引進(jìn) 消化 吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上 北京機(jī)床研究所又開(kāi)發(fā)出 BSO3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和 BSO4 全功能數(shù)控系統(tǒng) 航空航天部 706 所研制出 MNC864 數(shù)控 系統(tǒng)等 進(jìn)而推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在品種上 性能上以及水 平上均有了新的飛躍 我國(guó)的數(shù)控機(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段 四 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看 高精度 高速度 高柔性 多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī) 床的重要發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)單臺(tái)主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度 還要求具有進(jìn)入 更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力 在數(shù)控系統(tǒng)方面 目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家 諸如日本的 FANCU 德國(guó)的 SIEMENS 和美國(guó)的 A B 公司 產(chǎn)品都向系列化 模塊化 高性能和成套性方向 發(fā)展 它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微機(jī)處理機(jī) 標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬 件模塊結(jié)構(gòu) 內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1MB 以上 機(jī)床分辨率可達(dá) 0 1 微米 高速進(jìn)給可達(dá) 100m min 控制軸數(shù)可達(dá) 16 個(gè) 并采用先進(jìn)的電裝工藝 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面 交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速 交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā) 展 以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所 取代 從而克服了零點(diǎn)漂移 溫度漂移等弱點(diǎn) 五 數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國(guó)外已發(fā)展成一個(gè)新興的工業(yè)部門 早在 60 年代已經(jīng)開(kāi)始迅速發(fā) 展 其發(fā)展的原因是多方面的 主要有技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 市場(chǎng)和生產(chǎn)上的原因 我國(guó)是擁 有 300 多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的國(guó)家 而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床 不論資金 和我國(guó)機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的 因此 盡快將我國(guó)現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化和精密化改裝 是我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題 用數(shù)控技術(shù)改 造機(jī)床 正是適應(yīng)了這一要求 它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ) 上 在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用 不但技術(shù)上具有先進(jìn)性 同時(shí) 在應(yīng)用上比其它 傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案 有較大的通用性與可調(diào)性 而且所投入的改造費(fèi)用低 一套 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的 1 3 至 1 5 用戶承擔(dān)的起 從若干單位 成功應(yīng)用的實(shí)例可以證明 投入使用后 確實(shí)成倍地提高了生產(chǎn)效率 減少了廢品率 取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 因此 我國(guó)提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的 基礎(chǔ)上 再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路 適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平 教育水平和生產(chǎn)水 平 已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一 同時(shí) 它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng) 用的準(zhǔn)備階段 為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床 培養(yǎng)人才 積累維護(hù) 使用經(jīng)驗(yàn) 而且 也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過(guò)渡的主要內(nèi)容之一 3 第一章 CA6140CA6140 車床車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 的擬定 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心 是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 網(wǎng)絡(luò)化 柔性化 集成 化的基礎(chǔ) 數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 伺服系統(tǒng)的選 擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案 進(jìn)行綜合分析 比較和論證 最 后確定一個(gè)可行的總體方案 1 11 1 總體方案確定總體方案確定 一 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇一 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位 直線插補(bǔ) 順 逆圓插補(bǔ) 暫停 循 環(huán)加工 公英制螺紋加工等功能 由于在銑削加工中 要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸 運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系 即刀具以給定的速率相對(duì)于工件沿加工路徑運(yùn)動(dòng) 所以不能 選用點(diǎn)位系統(tǒng) 因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削 因此 應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng) X52K 型銑床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 加工精度要求不高 為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低 成本 采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機(jī)床設(shè)計(jì) 且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴 二 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求 采用 8 位微機(jī) 由于 MCS 51 系列單片機(jī)具有集成度高 可靠性好 功能強(qiáng) 速度快 抗干擾能力強(qiáng) 具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn) 因此采用 MCS 51 系 列的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進(jìn)電機(jī)功率放 大電路等組成 系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn) 顯示器采用數(shù)碼管顯 示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息 三 機(jī)械傳動(dòng)方式三 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率 采用步進(jìn)電機(jī)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠 為保證一定的 傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲杠螺母副以及滾動(dòng)導(dǎo)軌 同時(shí) 為 提高傳動(dòng)剛度和消除間隙 采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu) 齒輪傳動(dòng)也 要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu) 4 1 2 設(shè)計(jì) X Y 數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng) 計(jì)任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書(shū)中已經(jīng)給出 系統(tǒng)總體方案見(jiàn)圖 1 1 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求 采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 這樣可使控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉 調(diào)試和維修都比較容易 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和 工作平穩(wěn)性 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件 此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾 動(dòng)導(dǎo)軌 為盡量消除傳動(dòng)間隙 可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙 計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價(jià)格比的 MCS 51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng) Y 向 X 向 圖 1 1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖 微 機(jī) 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 上拖板 下拖板 5 第二章 CA6140CA6140 車床車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計(jì)計(jì)算 一臺(tái) CA6140 普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床 采用 MCS 51 系列單片機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制 具有直線和圓弧插補(bǔ)功能 具有升降速控制功能 其主要設(shè)計(jì)參 數(shù)如下 加工最大直徑 在床面上 400 在床鞍上 210 加工最大長(zhǎng)度 1000 溜板及刀架重力 縱向 1000N 橫向 600N 刀架快速速度 縱向 2 4m min 橫向 1 2m min 最大進(jìn)給速度 縱向 0 6m min 橫向 0 3m min 主電機(jī)功率 7 5Kw 起動(dòng)加速時(shí)間 30ms 機(jī)床定位精度 0 015mm 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括 確定系統(tǒng)的負(fù)載 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 運(yùn) 動(dòng)部件慣量計(jì)算 空載起動(dòng)及切削力計(jì)算 確定伺服電機(jī) 傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì) 計(jì)算及選用 繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖 現(xiàn)分述如下 2 1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 一個(gè)進(jìn)給脈沖 使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量 也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位 脈沖 當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈 沖當(dāng)量是 0 01 0 005mm 脈沖 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 縱向 0 01mm 脈沖 橫向 0 005mm 脈沖 2 2 切的計(jì)算削力 在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí) 計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件 選用伺服電機(jī)等都需要用到 6 切削力 下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計(jì)算 1 1 縱車外圓縱車外圓 主切削力 F N 按經(jīng)驗(yàn)公式估算 z 0 67D Z F 5 1 max 0 67 400 5360 5 1 按切削力各分力比例 4 0 25 0 1 YXZ FFF 5360 0 25 1340 X F 5360 0 4 2144 Y F 2 2 橫切端面橫切端面 主切削力可取縱切的 1 2 NFZ 2680 2 1 ZZ FF 此時(shí)走刀抗力為 N 吃刀抗力為 仍按上述比例粗略計(jì)算 Y F NFZ 1 0 25 0 4 Z F Y F X F 2680 0 25 670 Y F 2680 0 4 1072 X F 2 32 3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型 確定滾珠循環(huán)方式 滾珠絲杠副的 預(yù)緊方式 結(jié)構(gòu)類型確定之后 再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù) 包括 公稱直徑 d0 絲 杠外徑 d 導(dǎo)程 L0 滾珠的工作圈數(shù) j 列數(shù) K 精度等級(jí)等 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類 外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式 如參考書(shū) 1 中的圖 4 4 所示 我們?cè)诖诉x用螺旋槽式外循環(huán) 在螺母外圓上銑出螺旋 槽 槽的兩端鉆出通孔 同螺母的螺紋滾道相切 形成滾珠返回通道 為防止?jié)L珠脫 落 螺旋槽用鋼套蓋住 在通孔口設(shè)有擋珠器 引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔 擋珠器用圓鋼彎 成弧形桿 并焊上螺栓 用螺帽固定在螺母上 它的優(yōu)點(diǎn)是 工藝簡(jiǎn)單 螺母外徑尺 7 寸較小 缺點(diǎn)是 螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確 擋珠器鋼性差 耐磨性差 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有 雙螺母墊片式預(yù)緊 雙螺母螺紋式預(yù)緊 雙螺母齒差 式預(yù)緊 單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等 本設(shè)計(jì)采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu) 它通過(guò)調(diào)整端部的圓螺母 使螺母產(chǎn)生軸向 位移 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊 工作可靠 滾道磨損時(shí)可隨時(shí)調(diào)整 預(yù)緊量不很準(zhǔn)確 應(yīng)用較普遍 一 縱向進(jìn)給絲杠一 縱向進(jìn)給絲杠 1 1 計(jì)算進(jìn)給率引力計(jì)算進(jìn)給率引力 N N m F 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)部件的重量 和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力 因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān) 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 由前所知 1340 N X F 5360 N Z F 1000 NG 1 15K 0 16 f 得 N G m FK X F f Z F 1 15 1340 0 16 5360 1000 2559 N 式中 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 綜合導(dǎo)軌取 K 1 15 K 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 0 15 0 18 f 溜板及刀架重力 1000 N GG 2 2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c 利用滾珠絲杠副的直徑 d0時(shí) 必須保證在一定軸向負(fù)載作用下 絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬(wàn)轉(zhuǎn) 106轉(zhuǎn) 后在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象 這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠 絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 C 可以用下式計(jì)算 c mwF fL 3 L 6 10 60Tn 8 0 1000 L u n s 式中 滾珠絲杠導(dǎo)程 初選 6 0 L 0 L 最大切削力下的進(jìn)給速度 可取最高進(jìn)給速度的 此處 s u 2 1 3 1 0 6m min s u 使用壽命 按 15000h T 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 1 2 1 5 w f w f 壽命 以 10 轉(zhuǎn)為 1 個(gè)單位 L 6 將數(shù)據(jù)分別帶入上式得 50r min 0 1000 L u n s 6 5 06 01000 45L 6 10 60Tn 6 10 150005060 1 2 2559 10799 N c mwF fL 33 45 3 3 滾珠絲杠螺母副的選型滾珠絲杠螺母副的選型 查閱附錄表 3 可采用 W L3506 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 1 列A 1 2 5 圈 其額定動(dòng)負(fù)載為 16400 N 精確等級(jí)按表 4 15 選為 3 級(jí) 大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)級(jí) E 4 4 傳動(dòng)效率計(jì)算傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 tg tg 式中 螺旋升角 W L3506 3 39 1 摩擦角取 10 滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0 003 0 004 將各數(shù)據(jù)帶入上式得 tg tg 949 0 10 73 73 0 tg tg o 9 5 5 剛度驗(yàn)算剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以 下引起軸向變形的因素 絲杠的拉伸或壓縮變形量 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量 和螺 母座及軸承支座的變形 最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié) 但變形量計(jì) 算較為困難 一般根據(jù)其精度要求 在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不作計(jì)算 因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 主要是前三種變形量 他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度 要求允許變形量的一半 否則 應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副 先畫(huà)出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖 2 1 所示 最大牽引力為 2559 N 軸承 支撐間距 1500 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊 預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 L 3 1 圖 2 1 1 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查圖 4 6 根據(jù) 2559 N 35 查出 1 2 10 可算出 m P O DLL 5 1500 1 6 10 1500 2 4 10 L L 1 5 2 由于兩斷均采用向心推力球軸承 且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸 故其剛度可以提高 4 倍 其實(shí)際變形量 為 1 0 6 10 1 2 1 1 2 2 滾珠與螺紋滾道接觸變形 2 10 查圖 4 7 系列 1 列 2 5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 W Q 7 1 m Q 因進(jìn)行了預(yù)緊 7 1 3 35 m 2 2 1 Q 2 1 3 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 2 采用 8107 型推力球軸承 35 滾珠體直徑 6 35 滾動(dòng)體數(shù)量 18 1 d Q dz 0 0024 0 0024 0 0075 c d3 2 2 Zd F Q m 3 2 2 1835 6 256 注意 此公式中單位應(yīng)為 m Fkgf 因施加預(yù)緊力 故 0 0076 0 0038 3 2 1 c 2 1 根據(jù)以上計(jì)算 0 006 0 00355 0 0038 1 2 3 0 01335 K n m K F F 1155 78214 K n 一般 2 5 4 K n 此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn) 三 三 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)如下 名稱 符號(hào) 公式 3506 1L W2005 1L W 公稱直徑 35 20 0 d 導(dǎo)程 6 5 0 L 接觸角 3 7 4 33 鋼球直徑 3 969 3 175 q d 滾道法面半徑 2 064 1 651R q dR52 0 14 偏心距 0 056 0 045e sin 2 q dRe 螺紋升角 3 7 4 33 0 0 d L arctg 螺桿外徑 34 19 4d q ddd 25 0 2 0 0 螺桿內(nèi)徑 30 984 16 78 1 d Redd22 01 螺桿紋接觸直徑 31 258 16 835 Z d cos 0qZ ddd 螺母螺紋直徑 39 365 23 212DRedD22 0 螺母內(nèi)徑 36 125 20 635 1 D q ddD 25 0 2 0 01 2 42 4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 1 1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 0 01 滾珠絲杠導(dǎo)程 6 初選步進(jìn)電機(jī)步距角 P 0 L 0 75 可計(jì)算出傳動(dòng)比 i 0 8i 0 360 L b p 675 0 01 0 360 可選定齒輪齒數(shù)為 或i 2 1 Z Z 40 32 25 20 2 2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 0 005 滾珠絲杠導(dǎo)程 5 初選步進(jìn)電機(jī)步距角 P 0 L 0 75 可計(jì)算傳動(dòng)比 i 0 48i 0 360 L b p 575 0 05 0 360 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因 不使大齒輪直徑太大 以免影響到橫向溜板的有效行程 故 此處可采用兩級(jí)齒輪降速 15 i 2 1 Z Z 4 3 Z Z 5 3 5 4 40 24 25 20 24 40 20 25 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大 模數(shù)取 2 有關(guān)參數(shù)如下 m 表 2 1 2 52 5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 選用步進(jìn)電機(jī)時(shí) 必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電 機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 分別計(jì)算各種工況下所需的等效力矩 在根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大 靜轉(zhuǎn)矩和起動(dòng) 運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī) 一 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算一 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 1 1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算見(jiàn)圖 2 1 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的慣量 可由下式計(jì)算 J 2 J M J 1 J 2 2 1 Z Z 2 0 2 2 L g G JJ S 式中 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 M J 2 齒數(shù)324024402025 分度圓mzd 648048804050 齒頂圓 mdda2 688452844454 齒根圓 mdd f 25 1 2 597543753545 齒寬 6 10 m202020202020 中心距2 21 ddA 726445 16 齒輪 的傳動(dòng)慣量 1 J 2 J 1 z 2 z 2 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 s J 2 參考同類型機(jī)床 初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 150BF 起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 10 M J 2 0 78 10 0 78 10 6 4 2 2 62 1 J 3 4 1 d 1 L 3 42 0 78 10 0 78 10 8 2 6 39 2 J 3 4 2 d 2 L 3 42 0 78 10 4 150 29 952 s J 3 42 1000 NG 代入上式 J M J 1 J 2 2 1 Z Z 2 0 2 2 L g G JJ S 10 2 62 2 40 32 2 2 6 0 8 9 1000 952 2939 6 36 474 2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題 10 36 474 0 274 M J J 基本滿足匹配的要求 2 2 電機(jī)力矩的計(jì)算電機(jī)力矩的計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下 其所需轉(zhuǎn)距不同 下面按個(gè)階段計(jì)算 1 快速空載起動(dòng)力矩起 M 在快速空載起動(dòng)階段 加速力矩占的比例較大 具體計(jì)算公式如下 起 M maxa M f M 0 M 10 maxa M J J a t n 2 60 max2 J a t n 60 102 2 max max n p v max 0 360 b 將前面數(shù)據(jù)代入 式中各符號(hào)意義同前 17 500 max n p v max 0 360 b 360 75 0 01 0 2400 minr 起動(dòng)加速時(shí)間 30 a tms 36 474 10 maxa M J a t n 60 2 max 03 0 60 500 2 2 636 6 N 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 f M f M i LF 2 00 12 0 2 zz LGPf Z 94 N 25 1 8 02 6 0 8005360 16 0 附加摩擦力矩 0 M 0 M 2 0 00 1 2 i LFp 12 0 2 3 1 zz LFm 2 0 1 805 3 0 19 153 N 9 01 25 1 8 02 6 02530 3 1 2 上述三項(xiàng)合計(jì) 起 M maxa M f M 0 M 636 6 94 153 881 5 N 2 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩快M 快 94 153 247 N M f M 0 M 3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩切M 切 M f M 0 M x M f M 0 M i LFx 2 0 94 153 94 153 127 96 25 1 8 02 6 01340 375 N 從上面的計(jì)算可以看出 起 快和切三種工況下 以快速空載起動(dòng)所需力MMM 矩最大 以次作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 從表中查出 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí) 0 951 maxjq MM 最大靜力矩 881 5 0 951 927 maxj M N 18 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出 型最大靜轉(zhuǎn)距為 13 72 N 大于所需002150BF 最大靜轉(zhuǎn)距 可作為初選型號(hào) 但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)距頻特性和運(yùn)行距 頻特性 3 3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 4000 HZ k f p v 60 1000 max 01 0 60 4 21000 1000 HZ e f p s v 60 1000 01 0 60 6 01000 從表中查出 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為 2800 HZ運(yùn)行頻率002150BF 為 8000 HZ 130BF001 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖 2 3 2 4 所示 可以看出 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí) f起 2500Hz 時(shí) M 100 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此cmN 機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩 881 5 直接使用將會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象 所以必須采cmN 取升降速控制 用軟件實(shí)現(xiàn) 將起動(dòng)頻率將到 1000Hz 時(shí) 起動(dòng)力矩可增到 588 4 然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路 還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍cmN 左右 19 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí) 130BF001 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性 圖 2 4 完全可 以滿足要求 二 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型二 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 電機(jī)選為計(jì)算步驟如上所述 經(jīng)計(jì)算滿足要求 此處計(jì)算略 00290BF 2 6 設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 在完成運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算后 已經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副 步進(jìn)電機(jī)規(guī)格型號(hào) 以 及齒輪齒數(shù) 模數(shù) 軸承型號(hào)之后 就可以畫(huà)出機(jī)械裝配圖 圖見(jiàn) 0 號(hào)大圖 從圖中可以看出 縱向進(jìn)給部分拆去原機(jī)床的進(jìn)給箱 溜板箱 滑動(dòng)絲杠 光杠 等 裝上步進(jìn)電機(jī) 齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副 橫向進(jìn)給部分也用滾珠絲杠代替 原來(lái)的滾動(dòng)絲杠 并在大溜板的后面安裝橫向齒輪減速箱和步進(jìn)電機(jī) 并把原來(lái)的方 刀架取掉 裝上自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架及微型電機(jī) 20 總 結(jié) 經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的工作 畢業(yè)設(shè)計(jì)到此已經(jīng)完成 在此 我衷心感謝我的老師和同 學(xué)們 沒(méi)有老師的細(xì)心指導(dǎo)和同學(xué)的熱情幫助 設(shè)計(jì)是很難順利完成的 最后 我對(duì) 這次設(shè)計(jì)做一簡(jiǎn)單的總結(jié) 剛開(kāi)始設(shè)計(jì)三周內(nèi) 我先通過(guò)圖書(shū)館和上網(wǎng)查閱了大量的資料 以全面 深入地 了解與自己設(shè)計(jì)題目相關(guān)的知識(shí) 并且完成了外文資料的翻譯工作 在此期間我不僅 對(duì)自己的設(shè)計(jì)題目有了深入的了解 并在此基礎(chǔ)上確定了總體設(shè)計(jì)方案 而且學(xué)會(huì)了 如何在網(wǎng)上獲得自己所需資源 此后便開(kāi)始了對(duì)伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與設(shè)計(jì) 此 過(guò)程也就是綜合這四年來(lái)所學(xué)到的知識(shí) 選擇合適 安全的機(jī)械零件 其中設(shè)計(jì)計(jì)算 內(nèi)容主要包括 確定系統(tǒng)的負(fù)載 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算 空載起動(dòng) 及切削力矩計(jì)算 確定伺服電機(jī) 傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì) 計(jì)算及選用 繪制機(jī)械部 分裝配圖及零件圖等 通過(guò)這次設(shè)計(jì) 我對(duì)普通車床的改造有了系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和基礎(chǔ)性的把握 熟悉了 其設(shè)計(jì)原理及流程 并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性的學(xué)習(xí) 而且使我具有初 步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇見(jiàn)的機(jī) 電方面技術(shù)的能力 當(dāng)然設(shè)計(jì) 中還存在很多不足 有待于改進(jìn) 我會(huì)在以后的實(shí)際工作中不斷彌補(bǔ)不足 創(chuàng)新進(jìn)取 21 參考文獻(xiàn) 1 陳粵初 竇振中 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 北京 航空航天大學(xué)出版社 1991 2 方元青 金屬切削機(jī)床 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社 1990 3 陳紹廉 數(shù)控機(jī)床改造技術(shù) 航空工業(yè)出版社 1989 4 許兆豐 數(shù)控銑床編程與操作 中國(guó)勞動(dòng)出版社 1994 5 廖為獻(xiàn) 數(shù)控銑床加工中心自動(dòng)編程 國(guó)防工業(yè)出版社 2002 6 謝筑森 單片機(jī)開(kāi)發(fā)與典型應(yīng)用設(shè)計(jì) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 1997 7 郝忠軍 數(shù)控機(jī)床原理及編程 西安 陜西機(jī)械學(xué)院 1986 8 范俊廣 數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1993 9 王修才 劉祖望 單片機(jī)接口技術(shù) 復(fù)旦大學(xué)出版社