精品文檔 四川工程職業技術學院 畢 業 論 文 題 目 CK5116A 立式車床數控設計 專 業 數控維修 年 級 2008 級 姓 名 指導教師 完成時間 2011 年 5 月 8 日 精品文檔 CK5116A 立式車床數控的數控化改造 摘摘 要要 針對現有常規 CK5116A 立式車床數控的缺點提出數控改裝方案和單片 機系統設計 提高加工精度和擴大機床使用范圍 并提高生產率 本論 文說明了普通車床的數控化改造的設計過程 較詳盡地介紹了 CK5116A 機械改造部分的設計及數控系統部分的設計 采用以8031 為 CPU 的控制系統對信號進行處理 由I O 接口輸出步進脈沖 經 一級齒輪傳動減速后 帶動滾動絲杠轉動 從而實現縱向 橫向的進給 運動 改造過程如下 1 機械部分的改造 包括縱向進給方向的改 造和橫向進給方向的改造 主要包括對滾珠絲杠螺母副及反應式步進電 機的計算選擇及縱向 橫向機構裝配圖方案的制定 2 電氣控制 部分的設計 主要包括 MCS 51 系列單片機及擴展芯片的選用 和電氣 控制圖的設計 關關鍵鍵詞詞 數控 單片機 步進電機 滾珠絲杠 改造 精品文檔 ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather CK5116A a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine s usage and to improve production rate This paper presents the process of designing numerical control reform and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal and output the step pulse through the I O interface After transmitting and slowing down by force 1 gear the step pulses drive the leading screw to roll Thus achieve the verticalmovement and the crosswise movement Reform process as follows 1 The reformation of machine part include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways horizontal organization assemble diagram project 2 The reformation of electricity part mainly include the choice of MCS 51 family single chip and expand chip and the design of electric control chart Key words numerical control single chip stepping motor ball screw haft reform 精品文檔 目目錄錄 摘摘 要要 I ABSTRACT II 引言 1 第 1 章 總體方案的設計 3 1 1 設計任務 3 1 2 總體方案的論證 3 1 2 1 機械部分的改造設計 5 1 2 2 伺服進給系統的改造設計 7 1 2 3 數控系統的硬件電路設計 7 1 3 總體方案的確定 7 第 2 章 機械部分的改造設計 9 2 1 縱向進給系統的改造設計 9 2 1 1 縱向滾珠絲杠副的選用 10 2 1 2 步進電機的選用 15 2 2 橫向進給系統的改造設計 18 2 2 1 橫向進給系統滾珠絲杠螺母副的選用 19 2 2 2 橫向步進電機的選用 24 2 3 齒輪傳動間隙的調整 26 第 3 章 電氣控制部分的設計 29 3 1 單片機的選擇 29 3 2 步進電機的驅動 30 3 2 1 環形脈沖分配器的選擇 30 精品文檔 3 2 2 功率放大器的選用 32 3 3 步進電機的微機控制 35 結論 37 參考文獻 38 致謝 39 精品文檔 引言 畢業設計是機械設計制造及其自動化專業教學計劃的一個重要組成部分 是各教學環節的繼續深化和檢驗 其實踐性和綜合性是其他教學環節所不能 替代的 通過畢業設計使學生獲得綜合訓練 對培養學生的實際工作能力具 有十分重要的作用 畢業設計還是高等學校工科學院學生畢業前進行的全面綜合訓練 是培 養學生綜合運用所學知識與技能解決實際問題的教學環節 是學生在校獲得 的最后訓練機會 也是對學生在校期間所獲得知識的體驗 這次設計的題目是 CK5116A 立式車床數控的數控化改造 現代工業技術的發展 特別是能源部門的需求 使高溫高壓水廣泛 應用于相關的領域中 對國民生產和人民生活起著越來越重要的作用 例如 機床作為機械制造業的重要基礎裝備 它的發展一直引起人們的關注 由 于計算機技術的興起 促使機床的控制信息出現了質的突破 導致了應用數 字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床 數控機床的誕生和發展 計算 機的出現和應用 為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段 隨著計算機的發展 數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用 同時使人們 對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變 數控機床以其優異的性 能和精度 靈捷而多樣化的功能引起世人矚目 并開創機械產品向機電一體 化發展的先河 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品 它把刀具 和工件之間的相對位置 機床電機的啟動和停止 主軸變速 工件松開和夾 緊 刀具的選擇 冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數 字記錄在控制介質上 然后將數字信息送入數控裝置或計算機 經過譯碼 運算 發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件 加工出所需的工 件 數控機床與普通機床相比 其主要有以下的優點 1 適應性強 適合加工單件或小批量的復雜工件 在數控機床上改 變加工工件時 只需重新編制新工件的加工程序 就能實現新工件加工 2 加工精度高 精品文檔 3 生產效率高 4 減輕勞動強度 改善勞動條件 5 良好的經濟效益 6 有利于生產管理的現代化 數控機床已成為我國市場需求的主流產品 需求量逐年激增 我國數控 機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步 特別是在機床的高 速化 多軸化 復合化 精密化方面進步很大 但是 國產數控機床與先進 國家的同類產品相比 還存在差距 還不能滿足國家建設的需要 我國是一個機床大國 有三百多萬臺普通機床 但機床的素質差 性能 落后 單臺機床的平均產值只有先進工業國家的1 10 左右 差 距太大 急待改造 舊機床的數控化改造 顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置 使其具有一定的自動化能力 以實現預定的加工工藝目標 隨著數控 機床越來越多的普及應用 數控機床的技術經濟效益為大家所理解 在國內 工廠的技術改造中 機床的微機數控化改造已成為重要方面 許多工廠一面 購置數控機床一面利用數控 數顯 PC 技術改造普通機床 并取得了良好 的經濟效益 我國經濟資源有限 國家大 機床需要量大 因此不可能拿出 相當大的資金去購買新型的數控機床 而我國的舊機床很多 用經濟型數控 系統改造普通機床 在投資少的情況下 使其既能滿足加工的需要 又能提 高機床的自動化程度 比較符合我國的國情 1984 年 我國開始生產經 濟型數控系統 并用于改造舊機床 到目前為止 已有很多廠家生產經濟型 數控系統 可以預料 今后 機床的經濟型數控化改造將迅速發展和普及 所以說 本畢業設計實例具有典型性和實用性 精品文檔 第1章 總體方案的設計 1 1 設計任務 本設計任務是對 CK5116A 普通車床進行數控改造 利用 單片機對縱 橫向進給系統進行控制 縱向 Z 向 脈沖當量為 0 01mm 脈沖 橫向 X 向 脈沖當量為 0 005mm 脈沖 驅動元件采用步進電機 傳動系統采 用滾珠絲杠副 1 2 總體方案的論證 對于普通機床的經濟型數控改造 在確定總體設計方案時 應考慮在滿 足設計要求的前提下 對機床的改動應盡可能少 以降低成本 一般數控系統應包括以下五大要素和功能 其圖如下 動力設備 運轉 傳感器 檢測 微機 控制 執行機構 驅動 機械主體 加工 此五個要素的工作結構示意圖如下 精品文檔 控 制 設 備 伺服 系統 輔助控制 裝置 測量反饋裝 置 機械傳動部 1 輸入 輸出設備 主要作用 編制程序 輸入數據 程序輸出 顯示器 2 微機控制設備 可先用專用計算機 PC PLC 或者單片機 功能 完成零件的測量及精度的保證 產生脈沖信號 在我國 普通機床數控改造方面應用較普遍的是Z80CPU 和 MCS 51 系列單片機 主要是因為它們的配套芯片便宜 普及性 通用性強 制 造和維修方便 完全能滿足經濟型數控機床的改造需要 本設計中是以 MCS 51 系列單片機 51 系列相對 48 系列指令更豐富 相對 96 系列價格 更便宜 51 系列中 是無 ROM 的 8051 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051 目前 工控機中應用最多的是8031 單片機 本設計以 8031 芯 片為核心 增加存儲器擴展電路 接口和面板操作開關組成的控制系統 3 伺服系統 包括 伺服電機 伺服控制系統線路 驅動電路 執行機構 功能 將微機控制設備產生的脈沖信號轉化為電機執行機構的速度和 位移 輸入 輸出 設備 精品文檔 伺服電機有 功率步進電機 直流伺服電機 交流電機 本設計選 用 步進電機作拖動元件 因為數控系統發出的指令僅使床鞍運動而沒有位置 檢測和信號反饋 故實際移動值和系統指令如果有差別就會造成加工誤差 4 測量反饋裝置 測量系統有接觸觸發式測頭 信號傳輸系統和數據采集系統組成 是 數控機床在線檢測系統的關鍵部分 直接影響著在線檢測的精度 其中關鍵 部件為測頭 使用測頭可在加工過程中進行尺寸測量 將執行機構的速度 位置信號測量出來反饋到控制裝置中 根據測量結果修改加工程序 改善 加工精度 使得數控機床既是加工設備 又兼具測量機的某種功能 我的這次車床的改造 因為是簡易的改造 我們這次改造就沒有使用 測量反饋裝置 5 機械傳動 包括傳動機構 工作臺 床身 支柱等 6 輔助控制 手動 點動 限位 緊急停車的實現 1 2 1 機械部分的改造設計 數控機床的機械部分在剛度 精度 速度 摩擦磨損等方面較普通機床 有更高的要求 因此 不能簡單地認為將數控裝置與普通機床連接在一起就 達到了機床數控改造的目的 而是應該從機床自身的價值考慮 分析改造要 達到的目標和所需投入 從該機床在本單位產品制造中的地位和重要程度來 分析改造價值 對被改造機床的結構 性能 精度等技術現狀作全面分析 其中包括機床原來的結構設計是否符合改造要求 部件結構是否仍然完好 各坐標軸的機械傳動結構及導軌副的形式等是否適用 各項精度是否滿足要 求 機床在加工中是否存在故障和歷史上有無出現過重大故障 從該機床的 投入產出率估算 確定最終改造方案 為了實現機床所要求的分辨率 采 用步進電機 經齒輪減速再傳動絲杠 為了保證一定的傳動精度和平穩性 精品文檔 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲杠螺母副 同時 為了提高傳動剛度和消除間 隙 采用有預加負載荷的結構 傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構 此 設計過程主要是縱向進給和橫向進給的改造 關鍵是步進電機和滾珠絲杠的 選用 改進后的車床簡易傳動系統如圖1 1 圖 1 1 改進后的車床傳動系統 1 小刀架 2 橫向步進電動機 3 橫向滾珠絲桿 4 大拖板 5 縱向滾珠絲桿 6 縱向步進電動機 精品文檔 1 2 2 伺服進給系統的改造設計 伺服系統是數控機床的重要組成部分 它既是數控系統CNC 系統與 刀具 主軸間的信息傳遞環節 又是能量放大與傳遞的環節 它的性能在很 大程度上決定了數控機床的性能 例如 數控機床的最高移動速度 跟蹤精 度 定位精度等重要指標均取決于伺服系統的動態和靜態性能 數控機 床的伺服系統按控制方式分為開環控制系統 半閉環控制系統和閉環控制系 統三類 因為開環控制具有結構簡單 設計制造容易 控制精度較好 容 易調試 價格便宜 使用維修方便等優點 所以 本設計決定采用開環控制 系統 1 2 3 數控系統的硬件電路設計 任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成 硬件是數控系統的基礎 性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能 有了硬件 軟件才能有效地 運行 在設計的數控裝置中 CPU 的選擇是關鍵 選擇 CPU 應考慮以下要素 1 時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關 2 可擴展存儲器的容量與數控功能的強弱相關 3 I O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關 在我國 普通機床數控改造方面應用較普遍的是Z80CPU 和 MCS 51 系 列單片機 主要是因為它們的配套芯片便宜 普及性 通用性強 制造和維 修方便 完全能滿足經濟型數控機床的改造需要 本設計以8031 芯片為 核心 增加存儲器擴展電路 接口和面板操作開關組成的控制系統 1 3 總體方案的確定 經總體設計方案的論證后 確定CK5116A 車床經濟型數控改造 方案 精品文檔 CK5116A 車床的主軸轉速部分保留原機床的功能 即手動變速 車床的縱向 Z 軸 和橫向 X 軸 進給運動采用步進電機驅動 將原來機床的普通 絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力 并將8031 單片機組成 的微機作為數控 裝置的核心 由 I O 接口 環形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉 動 經齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動 從而實現車床的縱向 橫向進給運動 精品文檔 第2章 機械部分的改造設計 2 1 縱向進給系統的改造設計 在對進給傳動系統進行改造時 一般都應該把原來的進給變速傳動裝置 及操縱機構全部拆除 而每個方向的進給傳動都改由各自獨立的功率步進電 機 經減速齒輪直接與帶動滑板移動的絲杠連接 分別實現各坐標方向的運 動 進行各坐標的控制 例如普通機床的簡易化數控改裝 通常都是把原來 由主軸箱到進給箱的傳動路線切斷 且將溜板箱拆除 直接把齒輪減速箱和 功率步進電機安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端 在對機床進給傳動 系統改裝的同時 也要對此傳動系統中的傳動裝置元件進行相應的改造 具 體如下 1 絲杠 絲杠是將回轉運動轉換為直線運動的傳動裝置 改造時 為 了滿足數控機床上較高精度零件的加工要求 應該用滾珠絲杠螺母副替換原 普通機床上的梯形絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副把傳動絲杠與螺母之間的滑 動摩擦變為了滾動摩擦 使摩擦損失減小 精度保持性 傳動平穩性 傳動 效率等都得以提高 其傳動效率可達到92 98 是普通絲杠螺母副的 3 4 倍 2 機床導軌 為了使改造后的機床有較高的開動率和精度保持性 應 充分考慮機床導軌的耐磨性 當前國內普通機床床身等大件多采用普通鑄鐵 其摩擦系數較大 改造中 在對達不到預定要求的原機床導軌進行修磨 刮 研后 要在上面貼上耐磨 吸振的聚四氟飛烯軟帶 3 拖板 拖板是數控系統直接控制的對象 不論是點位控制 直線 控制 還是輪廓控制 被加工零件的最終坐標精度都將受到拖板運動精度 靈敏度和穩定性的影響 除拖板及相配件精度要高外 由驅動電機到絲杠間 的傳動齒輪也要采用間隙消除結構 以滿足傳動精度和靈敏度的要求 常用 的消隙方法有剛度調整法和柔性調整法兩種 剛性調整法傳動剛度較好 結 構簡單 但調整起來很費時 柔性調整法 一般用彈簧彈力自動消除齒側間 精品文檔 隙 傳動剛度較低 傳動平穩性差 結構復雜 改造中 可根據機床加工目 標選用 具體選用可參考有關資料 2 1 1 縱向滾珠絲杠副的選用 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠 使螺紋間產生 滾動摩擦 絲杠轉動時 帶動滾珠沿螺紋滾道滾動 螺母上設有返向器 與 螺紋滾道構成滾珠的循環通道 為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過 盈配合 可設置預緊裝置 為延長工作壽命 可設置潤滑件和密封件 滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運動副相比 有下列特點 1 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達90 95 耗費能 量僅為滑動絲桿的 1 3 2 運動平穩 滾動摩擦系數接近常數 啟動與工作摩擦力矩差別很 小 啟動時無沖擊 預緊后可消除間隙產生過盈 提高接觸剛度和傳動精度 3 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 HRC58 62 高精度 具有較長的工作壽命和精度保持性 壽命約為滑動絲桿副的 4 10 倍以上 4 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小 溫升小 無爬行 無間隙 通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹 因此可達到較高的定 位精度和重復定位精度 5 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部 件 可得到較好的同步運動 6 可靠性高 潤滑密封裝置結構簡單 維修方便 7 不能自鎖 用于垂直傳動時 必須在系統中附加自鎖或制動裝置 精品文檔 8 制造工藝復雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要 求高 故制造成本較高 2 1 1 1 確定系統的脈沖當量 在數控機床中 一個脈沖所產生的坐標軸位移量叫做脈沖當量 通常用 表示 也稱機床的最小設定單位 脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一 個基本技術參數 按機床設計的加工精度選定 本設計所要求的 CK5116A 的脈沖當量為 縱向 Z 向 脈沖當量為 0 01mm 脈沖 橫向 X 向 脈沖當量為 0 005mm 脈沖 2 1 1 2 車削力的計算 在設計機床進給伺服系統時 計算傳動和導向元件 選用伺服電機等都 要用到切削力 現我們利用經驗公式計算主切削力 車床的主切削力可用下式計算 NFZ 5 1 max 67 0 DFZ 式中 車床床身加工的最大直徑單位為mm max D 因 CK5116A 床身加工的最大直徑 410mm 則 NFZ 3 556241067 0 5 1 按以下比例分別求出分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 則 NFx1391 NFy2226 2 1 1 3 滾珠絲杠螺母副的設計 計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇機構類型 確定滾軸循環方式 滾珠 絲杠副的預緊方式 結構類型確定后 再計算和確定其他參數 包括 公稱 直徑 導程 滾珠的工作圈數 列數 精度等級等 d 0 Ljk 本設計中選擇滾珠循環方式為內循環方式中的固定式 滾珠絲杠副的預 緊方法選擇雙螺母螺紋預緊 精品文檔 圖2 1 雙螺母螺紋調隙式結構 1 2 單螺母 3 平鍵 4 調整螺母 1 23 4 1 計算進給率牽引力 m F 作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移 動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力 因而其數值大小和導軌的形 式有關 的計算公式如下 m F 縱向進給導軌為三角形 則 GFfKFF zxm N 800 3 5562 15 0139115 1 N2554 三角形導軌選取參數 NGfK800 15 0 15 1 2 計算最大動負荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時 必須保證在一定軸向負載作用下 絲杠 0 d 在回轉 100 萬轉后 在它的滾道上不產生點蝕現象 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荷 計算步驟如下 C 絲杠轉速其中 0 1000 L n s s min75 0m6 0 L min125 6 75 0 1000 rn 壽命 6 10 60Tn L r 6 1025 11 10 150012560 6 最大動負荷 NFjLC Mw 13 858425545 125 11 33 精品文檔 3 計算最大靜負荷 當滾珠絲杠副在靜態或低速 情況下工作時 滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生變形 當塑性變形超過一定限度就 會破壞滾珠絲杠副的正常工作 一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬 分之一 產生大的塑性變形量的負載稱為允許的最大靜負荷 選取靜 0 C 態安全系數 2 滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜 s f 2254 maxm FF 負荷為 510825542 max0 FfC s 4 選擇滾珠絲杠副 見表 2 1 5 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 943 0 0506 0 0477 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2 1滾珠絲杠副參數 型號 公稱 直徑 mm 基本導 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 mm 絲杠內 徑 mm 額定動 載荷 N 絲杠長 度 mm 額定靜載荷 N 5 34006 406 442o2 3998 3524100120082400 6 剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變 m F 形量是否符合絲杠精度要求 L 每導程變形量可按以下公式計算L 2 00 21 L EF LF LLL m 精品文檔 GJ TL0 選取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 88 1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 7 88 101710 6 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 2 2 1028 2 6 2 其中 444 1 102 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 2 102 8824 62554 則 21 LLL 45 102 2103 7 mm 4 1093 2 mmmL L 000293 0 6 100100 1 mmm 0049 0 查表所得 所選用的級絲杠精度允許誤差為 滿足要求 Dmm 10 7 穩定性校核 機床在進給時滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿 若軸向力過大 將使絲杠失去穩定而產生翹曲 所以選用時必須進行穩定性校核 如果滿足 穩定性安全系數大于許用穩定性安全系數 則絲杠安全 不會失穩 k n k n k m k k n F p n 式中 許用穩定性安全系數 一般取2 5 4 k n 絲杠失穩時的臨界負載 由 k p 2 l EJ pk 式中 絲杠長度 l 精品文檔 絲杠軸端系數 由支承條件定 截面慣性矩 對實心圓 J 4 1 64 dJ 對于水平絲杠要考慮自重影響可取 4 k n 將相關數據代入上式中可得 Npk115776 12001 102 810 6 20 2 462 45 2554 115776 kk nn 絲杠不會失穩 2 1 2 步進電機的選用 CK5116A 型普通車床數控化改造 采用了一種比較簡單但是較為典型的 改裝方案 改造后的車床進給運動由步進電機A 和 B 驅動 它們分別安裝 在床頭箱內 或床身尾部 和拖板后方 通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動車 床的縱橫進給運動 為使改造后的車床能充分發揮數控車床的效能 縱橫向 絲杠螺母副一般需要調換成滾珠絲杠螺母副 當利用原絲杠螺母副時 為了 減少改造工作量 縱向驅動電機及減速箱一般裝在床身尾部 這時連接車床 原傳動系統 主軸系統 和縱向絲杠傳動的離合器尚未拆除 工作時應使處 于脫開位置 同理 脫落蝸桿等原橫向自動進給機構若未拆除 工作時也應 使其處于空檔 空擋 位置 改造后的進給脈沖當量的量值靠步進電機步距 角 減速齒輪比 絲杠導程三者協調確定 三者之間換算關系可以以下式表 示 360 ac bd T 式中 步進電機步聚角 度 T 所驅動絲杠導程 mm a b c d 齒輪齒數 當單級減數時 令c d 等于 1 脈沖當量值 mm 精品文檔 步進電機的參數根據阻力矩及切屑用量的大小和機床型號來選擇 普通 車床 如 C6140 CK5116A 等 的數控改造中多采用 0 08 0 15 N m 靜力矩的步進電機 本設計選 0 08 N m 的作為橫向進給 電機 選 0 15 N m 的作為縱向進給電機 2 1 2 1 脈沖量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為 當三相六拍 1 2 00 5 175 0 相勵磁 運行時 步距角其妹轉脈沖數 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 脈沖當量 由此可得中間齒輪傳動比為pmm01 0 i 25 1 48001 0 6 S L i 2 1 2 2 等效負載轉矩計算 1 空載時的摩擦轉矩 LF T m i L T s LF 046 0 25 1 8 02 006 0 80006 0 2 2 車削加工時的負載轉矩 L T m LFWF T Si yx L 5 1 25 1 8 02 006 0 222680006 0 1391 2 2 1 2 3 等效轉動慣量的計算 1 滾珠絲杠的轉動慣量 S J 2 344 0 00237 0 32 1085 7 2 104 0 32 m ld JS 2 拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉動慣量 J 精品文檔 m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 4 25 1 1 2 006 0 8 9 8001 2 3 大齒輪的轉動慣量 2g J 選取大齒輪齒數 小齒輪齒數 模數 45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 0 32 1085 7 01 0 09 0 32 m bd Jg 4 小齒輪的轉動慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 0 32 1085 7 02 0 072 0 32 m bd Jg 換算到電動機軸上的總慣性負載 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023 0 25 1 00237 0 0005056 0 0000476 00004142 0 m 2 1 2 4 步進電動機型號的選擇 已知 初選步進電機型號為 110BF003 mTL 5 1 23 103 2mJL 步距角三相六拍 其中最大靜扭矩 轉子慣量 0 75 0 mT 8 max 由此可得 23 10 8 36mkgJm 5 018 0 8 5 1 max T TL 2 3 3 25 0 10 8 36 103 2 m L J J 1 4 1 max T JL 經驗算可知電動機合格 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖如圖2 2 精品文檔 外型圖 圖 2 2 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖 2 2 橫向進給系統的改造設計 1 橫向進給系統的設計 經濟性數控改造的橫向進給系統的設計比較簡單 般是步進電機經減速 后驅動滾珠絲杠 使刀架橫向運動 步進電機安裝在大拖板上 用法蘭將步 進電機和機床大拖板連接起來 以保證其同軸度 提高傳動精度 其結構示 意圖見圖 2 3 所示 圖 2 3 車床縱向傳動的支承結構 1 步進電機 2 床身 3 左支架 4 齒輪副 5 右支架 6 絲杠左支承 7 手輪 8 軸套 9 絲杠右支承 10 螺母座架 11 螺母座 12 絲杠 13 蓋 14 軸承 滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上 為了便于手動 與對刀 在絲杠的右端設有手輪 使用時安裝上 不用即卸下 以防造成傷 害 原機床拖板予以保留 并設有 螺母座架 安裝在拖板上 以實現絲 杠螺母與拖板之間的聯接 步進電機安裝在絲杠的左端原進給箱的位置上 由電機上的止口定位 靠四個螺釘和二個定位銷與床體相連 絲杠左右 精品文檔 端分別用支架與軸承支承 左端用向心球軸承 右端用推力球軸承支承 2 橫向滾珠絲杠 橫向滾珠絲杠也采用三點支承形式 保留原手動機械 用子手動與對刀 步進電機安裝在床鞍的后部 靠近操作者 端 布置 根支承短軸 通過 個聯軸套與滾珠絲杠連接起來 利用原機床滑動軸承作為徑向支承 并對 原支承處進行適當改裝 布置 對推力球軸承 以實現軸向支承 在遠離 操作者 端 用 個聯軸套和 根連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連 接起來 與縱向進給 樣 絲杠螺母與橫向拖板間仍用 螺母座聯接 橫 向進給機構改造設計如圖 2 4 所示 1 步進電機 2 消隙減速箱 3 支承架 4 5 8 聯軸套 于螺母座 7 滾珠絲杠螺母副 于支承短軸 圖 2 4 車床橫向傳動的支承結構 2 2 1 橫向進給系統滾珠絲杠螺母副的選用 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠 使螺紋間產生 滾動摩擦 絲杠轉動時 帶動滾珠沿螺紋滾道滾動 螺母上設有返向器 與 螺紋滾道構成滾珠的循環通道 為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過 盈配合 可設置預緊裝置 為延長工作壽命 可設置潤滑件和密封件 滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運動副相比 有下列特點 1 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達90 95 耗費能 量僅為滑動絲桿的 1 3 2 運動平穩 滾動摩擦系數接近常數 啟動與工作摩擦力矩差別很 精品文檔 小 啟動時無沖擊 預緊后可消除間隙產生過盈 提高接觸剛度和傳動精度 3 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 HRC58 62 高精度 具有較長的工作壽命和精度保持性 壽命約為滑動絲桿副的 4 10 倍以上 4 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小 溫升小 無爬行 無間隙 通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹 因此可達到較高的定 位精度和重復定位精度 5 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部 件 可得到較好的同步運動 6 可靠性高 潤滑密封裝置結構簡單 維修方便 7 不能自鎖 用于垂直傳動時 必須在系統中附加自鎖或制動裝置 8 制造工藝復雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要求 高 故制造成本較高 2 2 1 1 確定系統的脈沖當量 橫向 X 向 脈沖當量為 0 005mm 脈沖 2 2 1 2 車削力的計算 車床的主切削力可用下式計算 NFZ 5 1 max 67 0DFZ 式中 車床刀架加工的最大直徑單位為mm max D 因 CK5116A 床身加工的最大直徑 210mm 則 NFZ203921067 0 5 1 按以下比例分別求出分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 則 NFx510 NFy6 815 精品文檔 2 2 1 3 滾珠絲杠螺母副的設計 計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇機構類型 確定滾軸循環方式 滾珠 絲杠副的預緊方式 結構類型確定后 再計算和確定其他參數 包括 公稱 直徑 導程 滾珠的工作圈數 列數 精度等級等 d 0 Ljk 本設計中選擇滾珠循環方式為內循環方式中的固定式 滾珠絲杠副 的預緊方法選擇雙螺母螺紋預緊 1 計算進給率牽引力 m F 作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移 動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力 因而其數值大小和導軌的形 式有關 的計算公式如下 m F 橫向進給導軌為燕尾形 則 2 GFFfKFF xzym N 6 1873 60051022039 2 0 6 8154 1 燕尾形導軌選取參數 NGfK600 2 0 4 1 2 計算最大動負荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時 必須保證在一定軸向負載作用下 絲杠 0 d 在回轉 100 萬轉后 在它的滾道上不產生點蝕現象 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荷 計算步驟如下 C 絲杠轉速其中 0 1000 L n s s min6 0m5 0 L min120 5 6 01000 rn 壽命 6 10 60Tn L r 6 10 8 10 10 150012060 6 最大動負荷 MwF fLC 3 6212 6 18735 1 8 10 3 精品文檔 3 計算最大靜負荷 當滾珠絲杠副在靜態或低速 情況下工作時 滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生變形 當塑性變形超過一定限度就 會破壞滾珠絲杠副的正常工作 一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬 分之一 產生大的塑性變形量的負載稱為允許的最大靜負荷 選取靜 0 C 態安全系數 2 滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜 s f 6 1873 maxm FF 負荷為 2 3747 6 18732 max0 FfC s 4 選擇滾珠絲杠副 表 2 2 滾珠絲杠副參數 型號 公稱 直徑 mm 基本導 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 mm 絲杠內 徑 mm 額定動 載荷 N 絲杠長 度 mm 額定靜載荷 N 5 22005 205 334 3 192 171265028031600 5 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 965 0 0825 0 0796 0 434tan 334tan tan tan 0 0 6 剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變 m F 形量是否符合絲杠精度要求 L 每導程變形量可按以下公式計算L 精品文檔 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 選取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 23 232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 2 23 232106 20 5 6 1873 mm L L 3 3 0 2 101 2 2 1064 2 5 2 其中 434 1 103 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 2 43 0 10 4 82 5 6 1873 則 21 LLL 34 101 2100 2 mm 3 103 2 mmmL L 0023 0 5 100100 1 mmm 046 0 查手冊所得 所選用的級絲杠精度允許誤差為 滿足要求 Gmm 60 7 穩定性校核 機床在進給時滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿 若軸向力過大 將使 絲杠失去穩定而產生翹曲 所以選用時必須進行穩定性校核 如果滿足穩定 性安全系數大于許用穩定性安全系數 則絲杠安全 不會失穩 k n k n k m k k n F p n 式中 許用穩定性安全系數 一般取2 5 4 k n 精品文檔 絲杠失穩時的臨界負載 由 k p 2 l EJ pk 式中 絲杠長度l 絲杠軸端系數 由支承條件定 截面慣性矩 對實心圓J 4 1 64 dJ 對于水平絲杠要考慮自重影響可取 4 k n 將相關數據代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 1 2801 103 410 6 20 6000 6 1873 1012 1 7 kk nn 絲杠不會失穩 2 2 2 橫向步進電機的選用 電動機工作時會發熱 它不僅取決于負載的大小 也和負載持續的 時間的長短密切相關 這是選擇額定功率時必須考慮的 按電動機的不 同發熱情況 可以分為三種工作方式 或稱工作制 即連續工作方式 短時工作方式和斷續周期性工作方式 CK5116A 車床其工作時間一 般較長 溫升可以達到穩定值 電機的負載可能是恒定或大小基本恒定 的常值負載或變化負載 因此屬于連續工作方式 由于電動機為連 續工作方式 負載平穩 且經常啟動 制動和正反轉 因此因優先采用 鼠籠式異步電動機 2 2 2 1 脈沖量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為 當三相六拍 1 2 相勵 00 5 175 0 精品文檔 磁 運行時 步距角其妹轉脈沖數 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 初選脈沖當量 由此可得中間齒輪傳動比為pmm005 0 i 08 2 480005 0 5 S L i 2 2 2 2 等效負載轉矩計算 1 空載時的摩擦轉矩 LF T m Li T s LF 017 0 8 02 48 0 005 0 60006 0 2 2 車削加工時的負載轉矩 L T m LiFWF T S yx L 29 0 8 02 48 0 005 0 6 81580006 0 510 2 2 2 2 3 等效轉動慣量的計算 1 滾動絲杠的轉動慣量 S J 2 344 0 000034 0 32 28 0 1085 7 02 0 32 m ld JS 2 拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉動慣量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 0 48 0 2 005 0 8 9 600 2 3 大齒輪的轉動慣量 2g J 選取大齒輪齒數 小齒輪齒數 模數 50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 0 32 1085 7 01 0 1 0 32 m bd Jg 4 小齒輪的轉動慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 0 32 1085 7 02 0 048 0 32 m bd Jg 精品文檔 換算到電動機軸上的總慣性負載 L J 2 21 iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 0 48 0 000034 0 00077 0 0000089 0 000082 0 m 2 2 2 4 步進電動機型號的選擇 已知 初選步進電mTL 29 0 2524 1082 2 1076 2 mkgmJL 機型號為 90BF002 步距角三相六拍 其中最大靜扭矩 0 75 0 轉子慣量 由此可得 mT 92 3 max 25 1064 17mkgJm 5 0074 0 92 3 29 0 max T TL 2 5 5 25 0 1064 17 1082 2 m L J J 1 4 1 max T JL 經驗算可知電動機合格 電動機外形圖及矩頻圖如圖2 5 圖 2 5 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖 2 3 齒輪傳動間隙的調整 在橫向進給和縱向進給的步進電機和滾珠絲杠間都是通過一對減速直齒 輪傳動的 這就要求我們對齒輪的傳動間隙進行調整 常用的直齒輪調整齒側間隙的方法有以下幾種 1 偏心套 軸 調整法 如圖 2 6 所示 將相互嚙合的一對齒輪中的 精品文檔 一個齒輪 4 裝在電機輸出軸上 并將電機2 安裝在偏心套 1 或偏心軸 上 通過轉動偏心套 偏心軸 的轉角 就可調節兩嚙合齒輪的中心距 從而消 除圓柱齒輪正 反轉時的齒側間隙 特點是結構簡單 但其側隙不能自動補 償 圖 2 6 偏心套式間隙消除機構 1 偏心套 2 電動機 3 減速箱 4 5 減速齒輪 2 軸向墊片調整法 如圖 2 7 所示 齒輪 1 和 2 相嚙合 其分度圓 弧齒厚沿軸線方向略有錐度 這樣就可以用軸向墊片3 使齒輪 2 沿軸向 移動 從而消除兩齒輪的齒側間隙 裝配時軸向墊片3 的厚度應使得齒輪 1 和 2 之間既齒側間隙小 運轉又靈活 特點同偏心套 軸 調整法 圖 2 7 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機構 精品文檔 3 雙片薄齒輪錯齒調整法 這種消除齒側間隙的方法是將其中一個 做成寬齒輪 另一個用兩片薄齒輪組成 采取措施使一個薄齒輪的左齒側和 另一個薄齒輪的右齒側分別緊貼在寬齒輪齒槽的左 右兩側 以消除齒側間 隙 反向時不會出現死區 具體調整措施如下 周向彈簧式 圖 2 8 在兩個薄片齒輪 2 和 4 上各開了幾條周向圓弧 槽 并在齒輪 3 和 4 的端面上有安裝彈簧 2 的短柱 1 在彈簧 2 的作用下 使薄片齒輪 3 和 4 錯位而消除齒側間隙 這種結構形式中的彈簧2 的拉 力必須足以克服驅動轉矩才能起作用 因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸 限制 故僅適用于讀數裝置而不適用于驅動裝置 可調拉簧式 圖 2 9 在兩個薄片齒輪 1 和 2 上裝有凸耳 3 彈簧的 一端鉤在凸耳 3 上 另一端鉤在螺釘 7 上 彈簧 4 的拉力大小可用螺母 5 調節螺釘 7 的伸出長度 調整好后再用螺母6 鎖緊 本設計所選用的是雙片薄齒輪錯齒調整法中的可調拉簧式 由此就可以 將縱向及橫向進給系統的裝配圖設計并畫出 具體請見圖紙 圖 2 8 薄片齒輪周向拉簧錯齒調隙機構 圖 2 9 可調拉簧式調隙 精品文檔 第3章 電氣控制部分的設計 在這一部分我們采用 MCS 51 系列單片機控制主控系統 51 系列相對 48 系列指令更豐富 相對 96 系列價格更便宜 51 系列中 是無 ROM 的 8051 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051 目前 工控機中應用最多的是 8031 單片機 本設計以 8031 芯片為核心 增加存儲器擴展電路 接口和 面板操作開關組成的控制系統 3 1 單片機的選擇 圖 3 1 8031 引腳圖 本設計選用 8031 芯片 片內無 ROM 或者 EPROM 使用時必須配置外 部的程序存儲器 EPROM 本設計選用了 27128 擴展其空間 8031 的引腳 分 3 大功能 1 I O 口線 P0 P1 P2 P3共 4 個八位口 2 控制口線 PSEN 片外取指控制 ALE 地址鎖存控制 EA 片外存 儲器選擇 RESET 復位控制 精品文檔 3 電源和時鐘 8031 最小應用系統 8031 內部不帶 ROM 需要外接 EPROM 作為外部 程序存儲器 又因為 8031 在外接程序存儲器或數據存儲器時地址的低8 位信息和數據信息分時送出 故還需要采用一片6264 數據存儲器儲存數 據 這樣 一片 27128EPROM 和一片 6264 組成了一個最小的計算機應用系 統 圖 3 2 系統存儲器 3 2 步進電機的驅動 步進電機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切關系 驅動電源由脈 沖分配器 功率放大器組成 驅動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方 向信號按要求的配電方式自動的循環供給電機各組繞組 以驅動電機轉子正 反向旋轉 精品文檔 3 2 1 環形脈沖分配器的選擇 步進電機的各組繞組必須按一定的順序通電才能正常工作 這種使電機 繞組的通電順序按一定規律變化的部分稱為脈沖分配器 又稱環形脈沖分配 器 所以不同相的電機應選用不同的環形分配器 本設計中所選用的電機 縱向部分為 110BF003 三相反應式步進電機 與其相配的環形脈沖分配器為 CH250 其管腳圖見圖 3 3 圖 3 3 CH250 管腳圖 CH250 有 A B C 三個輸出端 當輸入端 CL 或 EN 加上時鐘脈沖后 輸出波形將符合三相反應式步進電機的要求 輸出電流能力為0 5mA 經 推動級 驅動級放大后即可驅動電動機繞組 CH250 在供三相六拍步進電機工作時 線路中的接線見圖3 4 圖 3 4 三相六拍時 CH250 接線圖 精品文檔 橫向部分為 90BF002 五相反應式步進電機 與其相配的環形脈沖分配 器為 PMM8714 其管腳圖見圖 3 5 3 2 2 功率放大器的選用 從計算機輸出口或從環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安 不能直接驅動步進電機 必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大 使其增