CA6140普通車床數(shù)控化改造

目 錄 摘要 Abstract 緒論 1 第一章 CA6140 車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬訂 3 1 1 總體方案確定 3 1 2 設(shè)計 X Y 數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng) 4 第二章 CA6140 車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 5 2 1 脈沖當量的選擇 5 2 2 切削力的計算 5 2 3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 6 2 4 齒輪傳動比的計算 14 2 5 步進電機的計算與選型 15 2 6 設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖 19 第三章 CA6140 車床微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 20 3 1 單片機微機數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計內(nèi)容 20 3 2 MCS 51 系列單片機簡介 21 3 3 存儲器擴展電路的設(shè)計 28 3 4 I O 接口電路及輔助電路設(shè)計 37 3 5 典型零件加工程序設(shè)計 46 總結(jié) 49 參考文獻 50 致謝 51 外文資料及中文翻譯 52 1 緒 論 隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展 機械產(chǎn)品日趨精密復雜 且需頻繁改型 普通機床已不能適應這些要求 數(shù)控機床應運而生 這種新型機床具有適應性強 加 工精度高 加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點 它綜合應用了電子計算機 自動控制 伺服驅(qū)動 精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果 是今后機床控制的發(fā)展方 向 一 數(shù)控機床的產(chǎn)生 數(shù)控機床最早是從美國開始研制的 1948 年 美國帕森斯公司在研制加工直升機 槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時 提出了研制數(shù)控機床的初始設(shè)想 1949 年 帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室合作 開始從事數(shù)控機床的研制工作 并 于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機 這是一臺采用脈沖乘法器原理 的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床 經(jīng)過三年改進和自動編程研究 于 1955 年進入實用 階段 一直到 20 世紀 50 年代末 由于價格和技術(shù)原因 品種多為連續(xù)控制系統(tǒng) 到 了 60 年代 由于晶體管的應用 數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降 一些民用工 業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床 其中多數(shù)是鉆床 沖床等點位控制的機床 數(shù)控技術(shù)不僅在機 床上得到實際應用 而且逐步推廣到焊接機 火焰切割機等 使數(shù)控技術(shù)不斷的擴展 應用范圍 二 數(shù)控機床的發(fā)展 自 1952 年 美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來 隨著電子技術(shù) 計算機技術(shù) 自 動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控機床也在迅速地發(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 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng) 第三代數(shù)控 從 1965 年開始采用小 中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng) 第四代數(shù)控 從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系 統(tǒng) 第五代數(shù)控 從 1974 年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng) 目前 第五代微機數(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)?；虺笠?guī)模集成電路 具有很強的程序存儲能力和 控制功能 這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的 這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強 幾乎只需改變軟件 就可以適應不同類型機床的控制要求 具有很大的柔性 隨著集 成電路規(guī)模的日益擴大 光纜通信技術(shù)應用于數(shù)控裝置中 使其體積日益縮小 價格 逐年下降 可靠性顯著提高 功能也更加完善 近年來 微電子和計算機技術(shù)的日益成熟 它的成果正在不斷滲透到機械制造的 各個領(lǐng)域中 先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng) 所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎(chǔ) 它們代表著數(shù)控機床今后的 發(fā)展趨勢 三 我國數(shù)控機床的發(fā)展概況 我國從 1958 年由北京機床研究所和清華大學等首先研制數(shù)控機床 并試制成功第 2 一臺電子管數(shù)控機床 從 1965 年開始 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 非圓錐插齒機等獲得成功 與此同時 還開展了數(shù)控加 工平面零件自動編程的研究 1972 1979 年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段 例如 清華 大學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)域開始研究與應用 數(shù)控加工中心機床研制成功 數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工 機床開始小批生產(chǎn)供應市場 從 80 年代初開始 隨著我國開放政策的實施 先后從日 本 美國 德國等國家引進先進的數(shù)控技術(shù) 上海機床研究所引進美國 GE 公司的 MTC 1 數(shù)控系統(tǒng)等 在引進 消化 吸收國外先進技術(shù)基礎(chǔ)上 北京機床研究所又開發(fā)出 BSO3 經(jīng)濟型數(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 進而推動了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 使我國數(shù)控機床在品種上 性能上以及水 平上均有了新的飛躍 我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段 四 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機床技術(shù)水平看 高精度 高速度 高柔性 多功能和高自動化是數(shù)控機 床的重要發(fā)展趨勢 對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度 還要求具有進入 更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力 在數(shù)控系統(tǒng)方面 目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家 諸如日本的 FANCU 德國的 SIEMENS 和美國的 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 位微機處理機 標準總線及軟件模塊和硬 件模塊結(jié)構(gòu) 內(nèi)存容量擴大到 1MB 以上 機床分辨率可達 0 1 微米 高速進給可達 100m min 控制軸數(shù)可達 16 個 并采用先進的電裝工藝 在驅(qū)動系統(tǒng)方面 交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速 交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā) 展 以運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 從而克服了零點漂移 溫度漂移等弱點 五 數(shù)控機床改造的意義 數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門 早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā) 展 其發(fā)展的原因是多方面的 主要有技術(shù) 經(jīng)濟 市場和生產(chǎn)上的原因 我國是擁 有 300 多萬臺機床的國家 而這些機床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機床 不論資金 和我國機床制造廠的能力都是辦不到的 因此 盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn) 自動化和精密化改裝 是我國現(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 造機床 正是適應了這一要求 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 在機床改造中引入微機的應用 不但技術(shù)上具有先進性 同時 在應用上比其它 傳統(tǒng)的自動化改裝方案 有較大的通用性與可調(diào)性 而且所投入的改造費用低 一套 經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的 1 3 至 1 5 用戶承擔的起 從若干單位 成功應用的實例可以證明 投入使用后 確實成倍地提高了生產(chǎn)效率 減少了廢品率 取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益 因此 我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(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 適合我國的經(jīng)濟水平 教育水平和生產(chǎn)水 平 已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一 同時 它還可以作為全功能數(shù)控機床應 用的準備階段 為今后使用全功能數(shù)控機床 培養(yǎng)人才 積累維護 使用經(jīng)驗 而且 也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)朝機電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一 3 第一章 CA6140CA6140 車床車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案 的擬定 數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心 是制造業(yè)實現(xiàn)自動化 網(wǎng)絡化 柔性化 集成 化的基礎(chǔ) 數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內(nèi)容 系統(tǒng)運動方式的確定 伺服系統(tǒng)的選 擇 執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定 計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容 一般應根據(jù)設(shè)計任務和要求提出數(shù)個總體方案 進行綜合分析 比較和論證 最 后確定一個可行的總體方案 1 11 1 總體方案確定總體方案確定 一 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇一 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應具有定位 直線插補 順 逆圓插補 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 要求工作臺或刀具沿各坐標軸 運動有確定的函數(shù)關(guān)系 即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運動 所以不能 選用點位系統(tǒng) 因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進行切削 因此 應選用連續(xù)控制系統(tǒng) X52K 型銑床改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床 加工精度要求不高 為了簡化結(jié)構(gòu) 降低 成本 采用步進電機開環(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床設(shè)計 且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價昂貴 二 計算機系統(tǒng)二 計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求 采用 8 位微機 由于 MCS 51 系列單片機具有集成度高 可靠性好 功能強 速度快 抗干擾能力強 具有很高的性能價格比等特點 因此采用 MCS 51 系 列的 8031 單片機擴展系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由微機部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進電機功率放 大電路等組成 系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn) 顯示器采用數(shù)碼管顯 示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息 三 機械傳動方式三 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率 采用步進電機齒輪減速再傳動絲杠 為保證一定的 傳動精度和平穩(wěn)性 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導軌 同時 為 提高傳動剛度和消除間隙 采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副機構(gòu) 齒輪傳動也 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 X Y 數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng) 計任務及參數(shù)在任務書中已經(jīng)給出 系統(tǒng)總體方案見圖 1 1 根據(jù)設(shè)計任務的要求 采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進電機開環(huán)控制系統(tǒng) 這樣可使控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 成本低廉 調(diào)試和維修都比較容易 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和 工作平穩(wěn)性 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件 此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾 動導軌 為盡量消除傳動間隙 可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙 計算 機系統(tǒng)仍采用高性能價格比的 MCS 51 系列單片機擴展系統(tǒng) Y 向 X 向 圖 1 1 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖 微 機 機 光電隔離 功率放大 步進電機 光電隔離 功率放大 步進電機 上拖板 下拖板 5 第二章 CA6140CA6140 車床車床進給伺服系統(tǒng)機械部分 設(shè)計計算 一臺 CA6140 普通車床改造成微機數(shù)控車床 采用 MCS 51 系列單片機控制系統(tǒng) 步進電機開環(huán)控制 具有直線和圓弧插補功能 具有升降速控制功能 其主要設(shè)計參 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 最大進給速度 縱向 0 6m min 橫向 0 3m min 主電機功率 7 5Kw 起動加速時間 30ms 機床定位精度 0 015mm 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括 確定系統(tǒng)的負載 確定系統(tǒng)脈沖當量 運 動部件慣量計算 空載起動及切削力計算 確定伺服電機 傳動及導向元件的設(shè)計 計算及選用 繪制機械部分裝配圖及零件工作圖 現(xiàn)分述如下 2 1 系統(tǒng)脈沖當量的選擇 一個進給脈沖 使機床運動部件產(chǎn)生位移量 也稱為機床的最小設(shè)定單位 脈沖 當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù) 經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈 沖當量是 0 01 0 005mm 脈沖 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量 縱向 0 01mm 脈沖 橫向 0 005mm 脈沖 2 2 切的計算削力 在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時 計算傳動和導向元件 選用伺服電機等都需要用到 6 切削力 下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算 1 1 縱車外圓縱車外圓 主切削力 F N 按經(jīng)驗公式估算 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 此時走刀抗力為 N 吃刀抗力為 仍按上述比例粗略計算 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算和選型滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型 確定滾珠循環(huán)方式 滾珠絲杠副的 預緊方式 結(jié)構(gòu)類型確定之后 再計算和確定其他技術(shù)參數(shù) 包括 公稱直徑 d0 絲 杠外徑 d 導程 L0 滾珠的工作圈數(shù) j 列數(shù) K 精度等級等 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 1 中的圖 4 4 所示 我們在此選用螺旋槽式外循環(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 引導滾珠進入通孔 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)點是 工藝簡單 螺母外徑尺 7 寸較小 缺點是 螺旋槽同通孔不易連接準確 擋珠器鋼性差 耐磨性差 滾珠絲杠副的預緊方法有 雙螺母墊片式預緊 雙螺母螺紋式預緊 雙螺母齒差 式預緊 單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等 本設(shè)計采用雙螺母螺紋式預緊結(jié)構(gòu) 它通過調(diào)整端部的圓螺母 使螺母產(chǎn)生軸向 位移 其特點是結(jié)構(gòu)較緊湊 工作可靠 滾道磨損時可隨時調(diào)整 預緊量不很準確 應用較普遍 一 縱向進給絲杠一 縱向進給絲杠 1 1 計算進給率引力計算進給率引力 N N m F 作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動部件的重量 和切削分力作用在導軌上的摩擦力 因而其數(shù)值大小和導軌的型式有關(guān) 縱向進給為綜合型導軌 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 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 綜合導軌取 K 1 15 K 滑動導軌摩擦系數(shù) 0 15 0 18 f 溜板及刀架重力 1000 N GG 2 2 計算最大動負載計算最大動負載c 利用滾珠絲杠副的直徑 d0時 必須保證在一定軸向負載作用下 絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn) 106轉(zhuǎn) 后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象 這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠 絲杠能承受的最大動負載 C 可以用下式計算 c mwF fL 3 L 6 10 60Tn 8 0 1000 L u n s 式中 滾珠絲杠導程 初選 6 0 L 0 L 最大切削力下的進給速度 可取最高進給速度的 此處 s u 2 1 3 1 0 6m min s u 使用壽命 按 15000h T 運轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運轉(zhuǎn)取 1 2 1 5 w f w f 壽命 以 10 轉(zhuǎn)為 1 個單位 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)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副 1 列A 1 2 5 圈 其額定動負載為 16400 N 精確等級按表 4 15 選為 3 級 大致相當于老標準級 E 4 4 傳動效率計算傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 tg tg 式中 螺旋升角 W L3506 3 39 1 摩擦角取 10 滾動摩擦系數(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 剛度驗算剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應考慮以 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 算較為困難 一般根據(jù)其精度要求 在結(jié)構(gòu)上盡量增強其剛度而不作計算 因此滾珠絲杠副剛度的驗算 主要是前三種變形量 他們的和應不大于機床精度 要求允許變形量的一半 否則 應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副 先畫出縱向進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行預緊 預緊力為最大軸向負荷的 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 且絲杠又進行了預拉伸 故其剛度可以提高 4 倍 其實際變形量 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 因進行了預緊 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 此公式中單位應為 m Fkgf 因施加預緊力 故 0 0076 0 0038 3 2 1 c 2 1 根據(jù)以上計算 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 公式 3506 1L W2005 1L W 公稱直徑 35 20 0 d 導程 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 齒輪傳動比計算齒輪傳動比計算 1 1 縱向進給齒輪箱傳動比計算縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 0 01 滾珠絲杠導程 6 初選步進電機步距角 P 0 L 0 75 可計算出傳動比 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 橫向進給齒輪箱傳動比計算橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進給脈沖當量 0 005 滾珠絲杠導程 5 初選步進電機步距角 P 0 L 0 75 可計算傳動比 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 因進給運動齒輪受力不大 模數(shù)取 2 有關(guān)參數(shù)如下 m 表 2 1 2 52 5 步進電機的計算和選型步進電機的計算和選型 選用步進電機時 必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電 機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 分別計算各種工況下所需的等效力矩 在根據(jù)步進電機最大 靜轉(zhuǎn)矩和起動 運行矩頻特性選擇合適的步進電機 一 縱向進給步進電機計算一 縱向進給步進電機計算 1 1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算見圖 2 1 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的慣量 可由下式計算 J 2 J M J 1 J 2 2 1 Z Z 2 0 2 2 L g G JJ S 式中 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 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 的傳動慣量 1 J 2 J 1 z 2 z 2 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 s J 2 參考同類型機床 初選反應式步進電機 150BF 起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 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 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 10 36 474 0 274 M J J 基本滿足匹配的要求 2 2 電機力矩的計算電機力矩的計算 機床在不同的工況下 其所需轉(zhuǎn)距不同 下面按個階段計算 1 快速空載起動力矩起 M 在快速空載起動階段 加速力矩占的比例較大 具體計算公式如下 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 式中各符號意義同前 17 500 max n p v max 0 360 b 360 75 0 01 0 2400 minr 起動加速時間 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 上述三項合計 起 M maxa M f M 0 M 636 6 94 153 881 5 N 2 快速移動時所需力矩快M 快 94 153 247 N M f M 0 M 3 最大切削負載時所需力矩切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 從上面的計算可以看出 起 快和切三種工況下 以快速空載起動所需力MMM 矩最大 以次作為初選步進電機的依據(jù) 從表中查出 當步進電機為五相十拍時 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 但還必須進一步考核步進電機起動距頻特性和運行距 頻特性 3 3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 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 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800 HZ運行頻率002150BF 為 8000 HZ 130BF001 步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖 2 3 2 4 所示 可以看出 當步進電機起動時 f起 2500Hz 時 M 100 遠遠不能滿足此cmN 機床所要求的空載起動力矩 881 5 直接使用將會產(chǎn)生失步現(xiàn)象 所以必須采cmN 取升降速控制 用軟件實現(xiàn) 將起動頻率將到 1000Hz 時 起動力矩可增到 588 4 然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路 還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍cmN 左右 19 當快速運動和切削進給時 130BF001 型步進電機運行矩頻特性 圖 2 4 完全可 以滿足要求 二 橫向進給步進電機計算和選型二 橫向進給步進電機計算和選型 電機選為計算步驟如上所述 經(jīng)計算滿足要求 此處計算略 00290BF 2 6 設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖 在完成運動及動力計算后 已經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副 步進電機規(guī)格型號 以 及齒輪齒數(shù) 模數(shù) 軸承型號之后 就可以畫出機械裝配圖 圖見 0 號大圖 從圖中可以看出 縱向進給部分拆去原機床的進給箱 溜板箱 滑動絲杠 光杠 等 裝上步進電機 齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副 橫向進給部分也用滾珠絲杠代替 原來的滾動絲杠 并在大溜板的后面安裝橫向齒輪減速箱和步進電機 并把原來的方 刀架取掉 裝上自動轉(zhuǎn)位刀架及微型電機 20 總 結(jié) 經(jīng)過三個多月的工作 畢業(yè)設(shè)計到此已經(jīng)完成 在此 我衷心感謝我的老師和同 學們 沒有老師的細心指導和同學的熱情幫助 設(shè)計是很難順利完成的 最后 我對 這次設(shè)計做一簡單的總結(jié) 剛開始設(shè)計三周內(nèi) 我先通過圖書館和上網(wǎng)查閱了大量的資料 以全面 深入地 了解與自己設(shè)計題目相關(guān)的知識 并且完成了外文資料的翻譯工作 在此期間我不僅 對自己的設(shè)計題目有了深入的了解 并在此基礎(chǔ)上確定了總體設(shè)計方案 而且學會了 如何在網(wǎng)上獲得自己所需資源 此后便開始了對伺服系統(tǒng)機械部分的計算與設(shè)計 此 過程也就是綜合這四年來所學到的知識 選擇合適 安全的機械零件 其中設(shè)計計算 內(nèi)容主要包括 確定系統(tǒng)的負載 確定系統(tǒng)脈沖當量 運動部件慣量計算 空載起動 及切削力矩計算 確定伺服電機 傳動及導向元件的設(shè)計 計算及選用 繪制機械部 分裝配圖及零件圖等 通過這次設(shè)計 我對普通車床的改造有了系統(tǒng)性的認識和基礎(chǔ)性的把握 熟悉了 其設(shè)計原理及流程 并對傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進行了針對性的學習 而且使我具有初 步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇見的機 電方面技術(shù)的能力 當然設(shè)計 中還存在很多不足 有待于改進 我會在以后的實際工作中不斷彌補不足 創(chuàng)新進取 21 參考文獻 1 陳粵初 竇振中 單片機應用系統(tǒng)設(shè)計與實踐 北京 航空航天大學出版社 1991 2 方元青 金屬切削機床 中國礦業(yè)大學出版社 1990 3 陳紹廉 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