机械设计制造及其自动化--课程设计

i机械制造及其自动化专业（本科）课程设计课程设计题目：普通车床C6132数控化改造学生姓名：学生学号：1分校（教学点）：指导教师姓名：课程设计开始时间：2015年9月课程设计提交日期：2015年10月20日ii电大开放教育2011级（春）专业（本科）课程设计成绩评定表分校：工作站：直属班级代号：姓名专业课程名称设计时间机械制造及自动化传感器与测试技术2015.9-10设计题目普通车床C6132数控化改造指导教师评语及评分签字（盖章）：年月日设计小组评价意见及评分签字（盖章）年月日分校集中实践环节指导小组意见签字（盖章）年月日省电大集中实践环节指导委员会审核意见签字（盖章）年月日说明：1.答辩小组应填写评价意见，小组成员均应签名（盖章）。答辩小组不应少于3人。2.此表附于封面之后。3.此表由分校、工作站自行复制。iii目录一、绪论...............................................................1二、设计任务与总体方案确定.............................................11、设计任务............................................................12、总体设计方案确定....................................................13、CA6140车床数控改造..................................................2三、数控系统的硬件设计.................................................41、用户加工程序存储器、串口电路的设计...................................42、键盘/显示子系统的设计...............................................43、I/O接口的设计.......................................................54、电动刀架控制接口....................................................65、限位保护控制接口....................................................66、可编程序控制器......................................................6四、数控系统的软件设计.................................................71、数控系统监控程序的设计..............................................72、步进电机的速度控制和升/降速控制.....................................7五、结束语............................................................10参考文献.............................................................11iv摘要机械产品的性能和质量不断提高，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，耐用、灵活、通用，还能迅速适应加工零件的变换。为了节约资金，充分利用现有设备，普通机床的数控化改造十分必要,经改造后的车床不仅提高了加工精度而且提高了工作效率，为机械加工制造创造了有利的条件。本文将普通机床改造为数控机床的技术从设计任务与总体方案确定、数控系统的硬件设计、数控系统的软件设计三个方面进行了阐述。从设计理念到设计思想，从设计方案到设计图，从理论数据到具体数据，从理论到实践，从硬件设计到软件设计，都进行了反复的推理论证，在实验过程来看，基本上达到了设计改造的要求。不仅提高了加工精度，而且操作方便，大大将低了工人的劳动强度。为普通车床在再利用找到了途径。关键词：车床；数控化；改造；设计1普通车床C6132数控化改造一、绪论我国工业化进程加快，社会生产和科学技术迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，耐用、灵活、通用，还能迅速适应加工零件的变换。为此，数控机床这种灵活而高效的自动化机床应运而生，并随电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展在机械制造业中得到越来越广泛的应用。近年来，我国实行改革开放，从国外引进了数控机床技术，并加强数控技术的开发、生产及使用，越来越多的企业希望利用数控机床生产，更新设备。为了节约资金，充分利用现有设备，普通机床的数控化改造十分必要，其必要性主要有下面几个方面：1、数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小型企业是心有余而力不足。2、目前各企业均有大量普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，一是耗资巨大，二是现有机床被替换后闲置造成浪费。因此，普通机床的数控化改造十分必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。二、设计任务与总体方案确定1、设计任务利用微机对纵、横进给系统进行开环控制。本设计任务是对CA6132普通车床进行数控改造。其横向最小单位设定量为0.005mm，纵向最小单位设定量为0.01mm。即横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲。改造后具有外圆端面加工，具有警停、暂停、单步及连续加工等操作功能，可以实现两坐标联动、自动换刀，且改造后的各项加工精度不低于原机床的加工精度。驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。2、总体设计方案确定CA6132型普通车床适用于各种车削加工工作，如车削内外圆柱面、圆锥面、端面及其它旋转面，车削各种螺纹——公制、英制、模数和径节，并能进行钻孔、铰孔和切槽等工作。2主电动机功率：4KW机床的工作精度：0.01mm精车端面平面度：0.025/400mm表面粗糙度：Ra2.5~1.25um一般数控车床的基本组成部分如图一所示。根据以上资料和数控车床的改造经验，确定总体设计方案为：采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向的进给运动。VI（或XI）处装上一个脉冲发生器，用它发出脉冲使步进电机准确地配合主轴旋转产生进给运动实现螺纹加工功能（即主轴转一转，车刀移动一个被车工件的螺距）。将刀架换上一具自动转动刀架，以数控转换刀具进行切削加工，实现自动换刀要求。其总体布置见图纸3、CA6140车床数控改造纵向进给机构的改造。拆除原机床进给箱和溜板箱，利用原机床进箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式。由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，故纵向进给装置整体刚度增大。横向进给机构改造。保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零操作，原有的支承结构也保留。步进电机——齿轮箱体安装在拖板后方。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不是整体的，而采用分移式，然后用套筒刚性联接。纵、横向进给机构都采用一级齿轮减速，并采用22片齿轮错齿法消除间隙。双片齿轮错齿法这种消除齿侧隙的一对啮合齿轮中，其中一个是宽齿轮，另一具是把两薄片组成的齿轮，同时采取措施使一个薄片齿轮的齿左侧和另一个薄片齿轮的齿右侧，分别紧贴在宽齿轮的齿槽左、右两侧，这样错齿后就消除了齿侧隙，反向时不会出现死区，3采用的措施为可调拉簧式，弹簧所受张力大小可用螺母调节螺钉的伸出长度，调整好后再用螺母锁紧，从而消除间隙。这样提高了系统的传动精度，减小了转角误差。纵向齿轮箱和溜板箱，脉冲信号发生器均加外罩，以保持机床美观，在溜板箱上安装纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时紧急处理的需要。由此计算如表1所示。表1：ap(mm)2223334444f(mm)0.20.30.40.20.30.40.20.30.40.43Fz（Kgf）112.5152.4189.1168.7228.7283.7161.96219.38272.46286.4由表1数据与FZ=152.76kgf对照，得到时切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm。由于在一般外圆车削时：Fx=（0.1~0.6）FzFr=（0.15~0.7）Fz因此取Fx=0.5Fz=0.5×152.76=76.38kgfFy=0.6Fz=0.6×152.76=91.65kgf数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件,它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短,在扭矩的作用下将产生扭转,这将引起丝杠的导程发生变化,从而影响其传动精度及定位精度,因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。滚珠丝杠受工作负载FX引起的导程L0的变化量ΔL1=±0xFLEA式中：L0——基本导程，L0=0.6cm由下表可知，E级数度丝杠允差15µm/m，刚度足够。丝杠精度等级允许误差(µm/m)丝杠精度等级允许误差(µm/m)CDE51015FGH3060100由于机床原丝杠直径为Ф32mm，现选用的丝杠直径也为Ф32mm,支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不再验算。对于工作方式为三相六拍的步进电机，所以采用高低压功放电路，并在程序设计中4有速度控制程序，以免启停时发生失步现象。仍选用110BF003型直流步进电机，便于设计和采购，同时也采用高低压功放电路和速度控制子程序，防止丢步。三、数控系统的硬件设计数控系统是数控车床的核心部件,主要用来接收加工程序的各种信息,完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。然后,向伺服系统发出执行的命令。一般由计算机、输入输出接口及可编程序控制器等组成，其核心是计算机及其软件。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因此，我们选择单片机对此普通车床进行数控改造。1、用户加工程序存储器、串口电路的设计①考虑到数控系统的运行环境以及数控系统对加工程序数据掉电保护的要求，系统采用DALLAS公司生产的存储器芯片DS1243Y来存储用户加工程序。该芯片内含8KbNVRAM、内置式实时时钟、嵌入式锂电池和32768Hz晶振，它具有高可靠上电、掉电及强电磁冲击等数据保护功能，还具有读/写速度快、方式简单、次数无限的特点，并可为数控系统的运行提供实时时钟。该芯片引脚排列与一般的静态RAM6264完全兼容，可直接替代6264，因此，它与89C58的接口非常方便，具体接口电路如图纸。②数控系统与上机位（PC机）的串行通信由1片MAX232芯片完成。接口电路如图纸（四），其中89C58的TxD、RxD分别与MAX232的T2IN、R2OUT相连，而MAX232的T2OUT、R2IN接至PC机。③时钟、复位电路的设计。系统时钟由89C58内部振荡电路与外接晶振、电容共同产生，晶振频率12MHz。复位电路主要由IMP813L构成，其RST信号与步进电机限位保护输出信号进行或逻辑运算后接至89C58的RESET引脚，复位操作可由上电、按复位键、限位保护控制电路完成。2、键盘/显示子系统的设计系统采用图形点阵式液晶显示器MGLS-240128T，由于液晶显示器具有显示容量大的特点，因此，系统键盘监控管理可方便地设计成菜单驱动方式，从而实现编辑模块的全屏编辑功能。53、I/O接口的设计I/O接口是微处理器与外界联系的通路，完成必要的数据格式和信号形式的转换。因此，I/O模块以可编程并口芯片Intel8255为主体，通过8255实现89C58与电动刀架控制、步进电机控制及光电编码接口电路的连接。由于环形分配器的输出信号只有几十毫安,而步进电机的绕组电流通常需要数安培,因此,输出信号需要进行功率放大.步进电动机的绕组是铁心电感线圈,在每一电压脉冲期间,步进电动机的工作都是处于过渡过程状态,由于电感的影响,电流不能瞬时地跟随电压波形变化.频率越高,滞后就越严重,这就使力矩受到影响,造成失步。为