机电一体化系统(数控机床CA6140)伺服和传动部分课程设计说明书[1]

1机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目：CA6140型车床纵向进给系统数控改装2前言我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。在过去的几十年，虽然金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的发展，要求制造业向自动化和精密化方向发展，而刀具材料和电子技术的进步，特别是微电子技术、电子计算机的技术进步，运用到控制系统中，既能帮助机床的自动化，又能提高加工精度。这些都要求对旧机床进行改造。另外，在经济方面，用机床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新需要，因此更显示出机床数控改造的必要性。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。3CA6140普通车床微机数控改造设计任务书一、设计任务将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型的数控车床，要求该车床纵向有直线和圆弧插补功能。系统分辨率为：0.01mm/puls。二、给定参数最大加工直径：400mm(在床面上)最大加工长度：1000mm丝杠纵向长度：1300~1500mm原车床丝杠纵向直径：22mm纵向导轨类型：综合性导轨主轴转速范围：正转（24级）10~1400rpm反转（12级）14~1580rpm溜板及刀架纵向重力：800N刀架纵向快移速度：2.4m/min最大纵向切削进给速度：0.6m/min主电机功率：735kW/1450rpm启动加速时间：30ms机床定位精度：±0.015mm三、设计要求1．改装后数控车床应具有性能：数控代码制：ISO脉冲分配方式：逐点比较法输入方式：增量值、绝对值通用同时控制坐标轴数：2坐标轴（纵向Z，横向X）纵向脉冲当量值：0.01mm/puls刀具补偿量：0~99.99mm进给传动链纵向间隙补偿量：0.15mm自动升降速性能：有2．改装后数控车床的工艺范围：具有快速定位，直线插补，顺、逆圆插补，暂停，循环加工。3．对微机数控系统的要求：微机控制系统要有可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点。控制系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。四、设计工作量1．一张纵向进给机构的结构改装图（A1）；2．一张驱动电路原理图（A2）43．一份设计说明书包括以下内容：1）前言（数控改装的意义、用途及目的等）；2）设计的主要思路：系统总体方案的确定、机械系统方案设计、控制系统方案设计；3）机械部分改装设计计算：（1）滚珠丝杠螺母副的确定；（2）传动齿轮的传动比和齿数的确定；（3）步进电机的选择。4）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；5）步进电机接口及驱动电路设计；6）总结及结束语5第一章系统总体方案的分析与拟订一、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机车，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机车的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部分；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通过采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制系统。起结果简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入脉冲的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输入一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。二、机械传动系统的改造方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿数的确定，原有丝杠导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副是丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。微机CPU存储器扩展I/O口扩展驱动器光电隔离功率放大电路电机电机（车刀）回转刀架纵横等轴限位主轴脉冲发生器急停第I条STOP清零等功能键继电器刀架控制电路电机刀架6对CA6140车床的纵向（Z向）进给运动进行数控改造，此时可将开喝螺母合上，离合器M5脱开，使主运动与进给运动脱开，此时，将脱落螺杆等横向自动进给机构调至空挡（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则可以由微机控制自动换刀具，否则仍由手动转动刀架。如需加工螺纹，则要在主轴外端或其他适合位置安装一个脉冲发生器来检测主轴转位，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系。这种改造方案成本较低。但是，为了保证加工精度，还需根据实际情况进行检修，才能保证控制精度。原有机床运动部件（包括导轨、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力和阻力矩的大小，应尽量减少阻力（力矩），以提高步进电机驱动力矩的效率。对丝杠及轴要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用贴塑导轨。根据阻力（力矩），切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与之相匹配的步进电机。对加工精度要求较高的机床，其进给丝杠应换成滚珠丝杠副。三、微机控制系统方案的确定1、机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51系列的单片机控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的价格低，功能强，比较适合于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储器及I/O扩展芯片才可以成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/O扩展芯片和I/O通道的个数来确定。2、软硬件任务合理分配主要是控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。三者都可以用专用硬件芯片或软件编程实现。用硬件实现，编程简单，但增加硬件成本及故障源。用软件实现，节省芯片，降低成本，但增加编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，根据自我经验和能力来确定。7第二章机车进给伺服系统机械部分设计计算计算与说明主要结果§1系统负载的确定一、确定系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机车加工精度的一个基本技术参数。经济型数车床采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲，此次改造的CA6140车床在纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。二、切削力计算用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切：Fz=0.67Dmax1.5(N)Dmax——车床床身上加工最大直径(mm)Fz=0.67×(400)1.5=5360(N)按比例分别求出分力Fx和Fy由Fz:Fx:Fy＝1:0.25:0.4Fx——走刀方向的切削力(N)Fy——垂直走刀方向的切削力(N)得：Fx=0.25FzFy=0.4Fz=0.25×5360=0.4×5360=1340(N)=2144(N)§2滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型一、计算进给率引力Fm(最大工作载荷)Fm=KFx+f(Fz+G)查表3-4选综合导轨，其K=1.15,摩擦系数f=0.15~0.18取f=0.165工作台重量G=800(N)Fm=1.15×1340+0.15×（5360+800）=2456(N)二、计算最大动载荷CC=3LfWfHFmL——寿命L=610nT60Fz=5360(N)Fx=1340(N)Fy=2144(N)Fm=2456(N)8n——丝杠转速(r/min),n=osLV1000Vs——最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的21~31现取最高进给速度的的31Lo——丝杠的导程(mm)T——使用寿命(h),对于数控机车T=15000hfw——运转系数查表得运转系数fw=1.2，取硬度为60HRC，查表得硬度系数fH=1.0。则最大动载荷CC=3LfWfHFm=3Lo60610×15000×31×0.6×1000××1.2×1×2456=3Lo1×16640.53①选基本导程Lo=4(mm)则最大动载荷C=341×16640.53=10482.88（N）查表无法找到满足要求的内循环滚珠丝杠②选基本导程Lo=6(mm)则最大动载荷C=361×16640.53=9157.64(N)③选基本导程Lo=8(mm)C=381×16640.53=8320.265(N)由CCa查江汉机床厂C1型滚珠丝杠。其公称直径Do=50(mm),时Lo=6(mm)Lo=8(mm)都满足CCaLo=4(mm)C=10482.88（N）Lo=6(mm)C=9157.64(N)Lo=8(mm)C=8320.265(N)Do=50(mm)9（1）当Lo=6(mm)时：㈠传动效率计算传动效率η=φ)+tg(γtgγ=ηγ——丝杠螺旋升角φ——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,取f=0.0035,则摩擦角φ=arctg0.003=0.17o丝杠螺旋升角γ=ooπdLarctg＝053.146arctg=2.18o滚珠丝杠副的摩擦角φ=arctg0.0035=0.17oη=)0.17+tg(2.18tg2.18ooo=0.9246η0.9满足要求㈡刚度验算⑴丝杠的拉伸或压缩变形量δ1ΔL=EFLF±omΔL——在工作负载在工作负载作用下引起的每一导程的变化量(mm)Fm——工作负载，即进给率引力(N)Lo——滚珠丝杠的导程(mm)E——材料的弹性模数，对钢E=20.6×104(N/mm2)F——滚珠丝杠的截面积(mm2)Do——丝杠的公称直径e——偏心距R——螺纹滚道半径初选公称直径为40mm的丝杠验算：基本导程为8mm的丝杠：滚道法面半径R=0.52do=0.52×4.763=2.4767(mm)η=0.924610偏心距e=(R-2do)sinβ=(2.064-24.763)sin45o=0.0673(mm)螺纹内径d1=d0+2e-2R=40+2×0.0673-2×2.4767=35.1812(mm)滚珠丝杠截面积F=4πd21=435.1812×3.142=972(mm2)弹性模量E=20.6×104(N/mm2)则：ΔL=±EFLFom=±972×10×20.68×24564=±9.85×10-5(mm)则滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩变形量δ1为：δ1=L×LΔLo=±1300