CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)（橫向）說(shuō)明書.doc

鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書11前言.12總體方案設(shè)計(jì).22.1機(jī)械部分改造.22.2數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì).33機(jī)械部分改造設(shè)計(jì).43.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算.43.1.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì).43.1.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.43.1.3步進(jìn)電機(jī)的選擇.73.2數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì).73.2.1螺旋傳動(dòng).73.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).93.2.3透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).103.2.4螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).113.3自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì).124微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).144.1概述.144.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).154.2.1微機(jī)機(jī)型和擴(kuò)展存儲(chǔ)器的選擇.154.2.2確定I/O接口.174.2.3鍵盤接口設(shè)計(jì).184.2.4顯示電路設(shè)計(jì).194.3軟件設(shè)計(jì).204.3.1插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì).214.3.2步進(jìn)電機(jī)的控制及其程序設(shè)計(jì).235結(jié)論.35參考文獻(xiàn).36附錄.371前言國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從40年代開始的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來(lái)越重要的角色。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向)2有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐。將CA6140型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)CA6140車床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來(lái)狀況外還有所提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中滿足以下幾點(diǎn)要求：a橫向（X向）進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖；b進(jìn)給速度范圍：向31000mm/min（無(wú)級(jí)調(diào)速）快進(jìn)速度：X向10003000mm/min內(nèi)任意設(shè)定；c.原車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)予以保留，橫向進(jìn)給系統(tǒng)由微機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，兩軸聯(lián)動(dòng)；d.刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能；e.改造方便，成本低。該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以8031單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機(jī)通過I/O接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將I/O輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。2總體方案設(shè)計(jì)由于該設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。2.1機(jī)械部分改造橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆掉原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書3作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，采用一級(jí)齒輪減速，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)。2.2數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過I/O接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。圖2-1CA6140車床數(shù)控改造的總體方案示意圖綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電機(jī)橫向工作臺(tái)xxCA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向)43機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)3.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證同軸度，提高傳動(dòng)精度。3.1.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算）W=30kgf=300N時(shí)間常數(shù)T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程L=4mm左旋行程S=230mm脈沖當(dāng)量p=0.005mm/step步距角=0.75/step快速進(jìn)給速度max=1mm/minA.切削力計(jì)算查參考文獻(xiàn)1可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的1/21/3,取1/2,則切削力約為縱向的1/2Fz=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N（3-1）在切斷工件時(shí)：Fz=0.5Fz=0.5076.38=38