普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計

普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計,普通,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計 目錄 一．任務(wù)書 ————————3 二.總體方案設(shè)計 ————————— 5 三.設(shè)計參數(shù) ————————— 5 四.實施方案 ————————— 6 五.橫向進給傳動鏈的設(shè)計計算 ————————— 7 六.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗————————— 9 七.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 —————————10 八.驅(qū)動電動機的選型計算 —————————12 九.機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 —————————15 十.機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析—————————15 十一.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號———16 十二.數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 ——————————17 十三.參考書目 ——————————23 一.任務(wù)書 1.設(shè)計目的 數(shù)控機床課程設(shè)計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學生學完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計是以機電一體化的典型課題——數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，使學生能夠綜合應(yīng)用所學過的機械、電子和微機方面的知識，進行一次機電結(jié)合的全方面訓練，從而培養(yǎng)學生具有初步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。 2.設(shè)計要求 課程設(shè)計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓練。如精密執(zhí)行機的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動設(shè)計計算以及機械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。 該課程設(shè)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下： 1) 采用微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。 2) 選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用，考慮電機選擇及驅(qū)動力矩的計算，控制電機電路的設(shè)計。 3) 精密執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機構(gòu)或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進行力矩、負載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。 4) 學會使用手冊及圖表資料，計算機I/O接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。 二.總體方案設(shè)計 1.系統(tǒng)運動方式： 普通車床數(shù)控化改造應(yīng)具有定位?？焖龠M給，直線插補，圓弧插補，暫停，循環(huán)加工和螺紋加工等功能。因此，普通車床數(shù)控化改造所選用的數(shù)控化系統(tǒng)應(yīng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。如：德國西門子公司的SIEMNS8025型系統(tǒng)。華中數(shù)控的“世紀星”21/22型系統(tǒng)。 2.伺服系統(tǒng)的確定： 普通車床數(shù)控化改造后一般為經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證具有一定加工精度的前提下，從改造的成本考慮，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用以步進電動機為驅(qū)動裝置的開環(huán)系統(tǒng)為宜。 3.功能部件的選擇： 主要是滾珠絲杠及其支承方式的選擇，電動回轉(zhuǎn)刀架的選擇等。 4.結(jié)構(gòu)設(shè)計與電氣設(shè)計： 這主要是縱向進給傳動系統(tǒng)，橫向進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計和機床導軌的維護。一般采用貼塑導軌以減小摩擦力，機床電氣設(shè)計包括機床原理圖設(shè)計和PLC梯形圖設(shè)計。 三.設(shè)計參數(shù) 1.最大加工直徑：320mm 2.最大加工長度：700mm 3.行程：縱向700mm，橫向200mm 4.刀架快速進給速度：縱向2400mm/min，橫向1200mm/min 5.最大進給速度：縱向800mm/min，橫向400mm/min 6.溜板及刀架重力：縱向800N，橫向500N 7.主電動機功率：4.5kw 8.定位精度：0.02mm/全行程 9.程序輸入方式：增量值，絕對值通用 10.控制座標數(shù)：2 11.脈沖當量：縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖 四.實施方案 進給系統(tǒng)數(shù)控化改造的主要部位有：掛輪架，進給箱，溜板箱，溜板，刀架。 1.掛輪架系統(tǒng)： 全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖編碼器。 2.進給箱部分: 全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電動機與齒輪減速箱總成。絲杠，光桿和操縱杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位。 3.溜板箱部分： 全部拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座。絲杠螺母固定在其上，在該處還可以安裝部分操作按鈕。 4.橫溜板部分： 將原橫溜板中的滾珠絲杠，螺母拆除。在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副，橫向進給步進電動機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 5.刀架部分： 拆除原刀架，在該處安裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 五.橫向進給傳動鏈的設(shè)計計算 1.主切削力及其切削分力計算 （1）計算主切削力Fz 已知：主電動機功率Pm為4. 5kw，最大工作直徑D=320mm。 主軸計算轉(zhuǎn)速：n=85r/min，在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率。則刀具的切削速度為：。 取機床的機械效率η=0.8，則主切削力=。 （2）計算各切削分力 由公式Fz:Fx:Fy=1：0.25：0.4，得：走到方向切削分力Fx和垂直方向切削分力Fy分別為：Fx=0.25Fz=633.8N，F(xiàn)y=0.4Fz=1014.08N。 2.導軌摩擦力計算 ①由公式：Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）N，計算在切削狀態(tài)下導軌摩擦力Fμ。此時導軌受到的垂向切削分力Fv=Fz=2535.21N，橫向切削分力為Fc=Fx=633.8N。移動部件的全部重力為W=500N，查表由差值法，得：fg=1500N。取導軌動摩擦系數(shù)μ=0.15，則Fμ=μ（W+fg+Fv+Fc）=0.15×(500+1500+2535.21+633.8)=775.35N。 ②由公式：Fμ=μ（W+fg）N，計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力Fμ和F，則：Fμ=μ（W+fg）=0.15×（500+1500）=300N，F(xiàn)=μ（W+fg）=0.2×（500+1500）=400N。 3.計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 ①按公式：Famax=F+μ（W+fg+Fv+Fc）N，計算最大軸向負載力Famax。 則：Famax=Fy+Fμ=1014.08+775.35=1789.43N。 ②按公式：Famin= Fμ=μ（W+fg）N，得：最小軸向負載力Famin= Fμ=300N。 4.確定傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù) 取步進電動機的步距角為α=1.5度，滾動絲杠的基本導程L=6mm，進給傳動鏈的脈沖當量=0.005mm/脈沖，則由公式：得， ，按最小慣量條件，查圖可知應(yīng)采用二級傳動，傳動比分別?。?2，=2.5。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，各傳動齒輪的齒數(shù)分別為：，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。 5.滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 ①按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷Cam，已知數(shù)控機床的預期工作時間Lh=15000h，滾珠絲杠的當量載荷Fm=Famax=1789.43N,查表得：載荷系數(shù)fw=1.3，初選滾珠絲杠的精度等級為3級，取精度系數(shù)fa=1，可靠性系數(shù)fc=1，取滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速，又知：Vmax=0.4m/min，L=6mm。則：。 由公式：=N，得：=N。 ②按精度要求允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 ⑴根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形：已知本車床橫向進給的定位精度為20μm，重復定位精度為16μm，則由公式，得：=（1/3~1/2）×16μm=（5.33~8）μm，=（1/3~1/4）×20μm=（4~5）μm。取上述結(jié)果較小的值，即=4μm。 ⑵估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑，滾珠絲杠螺母副的安裝方式采用一端固定，一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為：L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度=（1.2~1.4）行程+（25~30）L， 則：L=1.4×行程+30 L=（1.4×200+30×6）=460mm。 由公式：≥0.078， 得： ≥0.078×mm。 ⑶初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格和型號 根據(jù)以上計算所得L，，和結(jié)構(gòu)需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為：FFZL2506-3，其公稱直徑，基本導程L，額定動載荷Ca和螺紋底徑如下：=25mm，L=6mm，Ca=11300N>=9107.15N，=21.9mm>=16.73mm，故滿足要求。 六.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷Fc的校驗 已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑=21.9mm，由圖可知：滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度L=313mm，絲杠水平安裝時，取=1/3，查表=2,則由公式Fc=，得：Fc==N，本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為：Famax=1789.43N，遠小于其臨界壓縮載荷Fc的值，故滿足要求。 2.滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速校驗 由圖可知：滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速計算長度L=337mm，其彈性模量E=，密度。則，滾珠絲杠的最小慣性矩為：I=。滾珠絲杠的最小截面積為：A=，取=0.8，查表，得：。由公式本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為：66.67r/min，遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 3.滾珠絲杠螺母副額定壽命校驗 查附錄表，得：滾珠絲杠額定動載荷Ca=11300N，已知其軸向載荷Fa=Famax=1789.43N，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)fw=1.2，則由公式：L=（）×，得：L=1.70×r，=L/60n=36498h。因為Lh=36498h遠大于15000h，故滿足要求。 七.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 1.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 ①計算滾珠絲杠的拉壓剛度Ks 本機床橫向進給傳動鏈的絲杠支承方式為一端固定，一端游動。絲杠的拉壓剛度Ks可按公式：Ks=計算。已知滾珠絲杠的彈性模量E=，底徑=21.9mm，當滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離a=Ly=313mm時，滾珠絲杠螺母副具有最小抗拉壓剛度Ksmin。由公式:，得：。當a=Ly=113mm時，滾珠絲杠螺母副具有最大抗拉壓剛度Ksmax，由公式，得：。 ②計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb 已知滾動體直徑，滾動體個數(shù)Z=15，軸承最大軸向工作載荷，則查表得：。 ③計算滾珠與滾道的接觸剛度Kc 查附錄，得：滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載荷Ca=11300N，已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷Famax=1789.43N。則由公式：，得：。 ④計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K 由公式：，得：進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為：。 由公式：，得：進給系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為：。 2.計算滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度 由圖知：扭矩作用點之間的距離，已知滾珠絲杠的剪切模量，底徑，則由公式，得：。 八.驅(qū)動電動機的選型計算 1.計算折算到電動機軸上的負載慣量 ①計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Jr 已知滾珠絲杠的密度，則由公式：②計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量 已知機床橫向進給系統(tǒng)的執(zhí)行部件的總質(zhì)量為51.02kg，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm，由公式：。 ③計算各齒輪轉(zhuǎn)動慣量 ； ； ； ④由公式，得：總負載轉(zhuǎn)動慣量。 2.計算折算到電動機軸上的負載力矩 ①計算折算到電動機軸上的切削力矩Tc 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力Fa=Famax=1789.43N，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件橫向移動距離L=6mm=0.006m，進給傳動比i=5，總效率，由公式，得：。 ②計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力，則由公式，得：。 ③計算由滾珠絲杠預緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩Tf 已知滾珠絲杠螺母副效率，則，則由公式：，得：。 ④折算到電動機軸上的負載力矩T的計算 ⑴空載時： ⑵切削時： 3.計算折算到電動機軸上的加速力矩 根據(jù)以上計算結(jié)果和查表，知：初選130BF001型反應(yīng)式步進電動機，其轉(zhuǎn)動慣量，而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量，對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間。當機床執(zhí)行部件以最快速度v=1200mm/min運動時，電動機的最高轉(zhuǎn)速，由公式： ，得：。 4.計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 ①按式，得： ②按式，得： ③按式，得： 5.電動機型號的選擇 ①選擇驅(qū)動電動機的型號 根據(jù)以上計算及查表知，選擇國產(chǎn)130BF001反應(yīng)式步進電動機，其主要參數(shù)如下：相數(shù)：5，步距角：0.75度/1.5度，最大靜轉(zhuǎn)矩：，轉(zhuǎn)動慣量：，最高空載啟動頻率：3000HZ，運行頻率：16000HZ，分配方式：五相十拍，質(zhì)量：9.2kg。 ②確定最大靜轉(zhuǎn)矩 查表，知：機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：，所以：。機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：。取和中較大者作為所需電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩，即：，本電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，所以可以在規(guī)定時間里正常啟動，故滿足要求。 ③驗算慣量匹配 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式: 0.25≦≦1。因為屬于0.25~1的區(qū)間范圍內(nèi)，故慣量匹配滿足要求。 九.機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 1.計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 滾動絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為m,ms，滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為：，已知m=51.02kg。則： 。 2.計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉(zhuǎn)動慣量為：，已知滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，則：。由此計算可知：絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率，扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高，一般按的要求設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 十.機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 1.計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)△ 已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導軌的靜摩擦力。由公式：△=。即：△=5.76<8，故滿足要求。 2.計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由公式：，故滿足要求。 3.計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 ①計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量 已知負載力矩，查圖可知，扭矩作用點之間的距離為，絲杠底徑。由公式，得：。 ②由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，由公式：，得：。 十一.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 1.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 本進給傳動采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求： =； ； 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為1級，查表可知：；； 。 故滿足設(shè)計要求。 2. 確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZL2506-3-P3/539400，具體參數(shù)如下：公稱直徑與導程：25mm，6mm；螺紋長度：400mm；絲杠長度：585mm；類型與精度：P類，1級精度。 十二.數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 1.硬件設(shè)計（硬件詳細接線圖見圖紙） 8031 ＋ 存儲器接口 輸入顯示 接口 MCX311 INT 限 位 X向編碼器控制 Y向編碼器控制 I/O 擴展 接口 光耦 功放 X向電機 光耦 功放 Y向電機 2.步進電機開環(huán)伺服原理 分配后的 脈沖信號 D C B A 脈沖 信號源 脈沖分配器YBO14 功率 放大 脈沖信號 放大后的 脈沖信號 3.步進電動機的控制框圖 N Y 設(shè)步長計數(shù)器 保護現(xiàn)場 轉(zhuǎn)向標志為1 置正轉(zhuǎn)控制字指針 輸出控制字 是結(jié)束標志 延時、控制字地址指針＋1 返回 恢復現(xiàn)場 總步數(shù)為零 置反轉(zhuǎn)控制字 4.軟件程序設(shè)計（逐點比較法直線插補） ①用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟： 偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。 坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。 偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。 終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器減1。若為零，表示到達終點停止插補；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點XE則停止。當XE=0？ Y方向進給 ＝＋X Y＝Y(jié)＋1 ＝—Y X＝X＋1 X＝？ Y＝？ 返 回 X方向進給 ②程序設(shè)計 設(shè)計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值XE，YE，動點坐標值X，Y，偏差FM。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。 插補程序所用的內(nèi)存單元如下： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H XE YE X Y FM 電機正反轉(zhuǎn)控制字 電機正反轉(zhuǎn)控制字為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。 第一象限直線插補的程序： ORG 2000H MAIN：MOV SP, #60H LP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2 LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28H LP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET 十三.參考書目 1.范超毅 趙天嬋 吳斌方《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計》華中科技大學出版社 2. 陳嬋娟 《數(shù)控車床設(shè)計》 化學工業(yè)出版社 3. 周開勤 《機械零件手冊》 高等教育出版社 4. 何立民 《單片機高級教程》 北京航空航天大學出版社 5. 鄭堤 唐可洪 《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》機械工業(yè)出版社