2022年完整word版,CA普通车床横向进给系统的数控化改造设计说明书解析.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 一、设计任务书课程设计题目CA6140 一般车床横向进给系统的数控化改造(经济型)年级2022 学院机械工程学院专业机械制造及其自动化已知参数和设计要求:1.工作台重量: W300N(粗估)2.滚珠丝杆导程:T 4mm(供参考)3.行程: S190mm4.脉冲当量:0.005mm5.快速进给速度:V 快.1 m / min6.快速进给速度:V 0 . 5 m / min7.时间常数: t100ms同学应完成的工作:1.机械结构装配图 A1 图纸 2 张,要求视图基本完整、符合标准;2.数控系统组成框图 或画在设计说明书里面 A2 图纸 1 张;
2、3.数控系统电气原理图 A1 图纸 1 张;4.软件框图 或画在设计说明书里面 A2 图纸 1 张目前资料收集情形(含指定参考资料) :1.机床设计图册 哈工大 华中纺织工业高校2.机床设计手册 机械工业出版社3.机械设计手册 化学工业出版社4.微机接口设计参考书课程设计的工作方案:1.方案论证1.5 天完成日期年月日2.机械部分设计6.5 天3.电气部分设计3.5 天4.软件设计1.5 天5.编写说明书1 天(约 8000 字)6.预备答辩及答辩1 天任务下达日期 2022 年 12 月 23 日指导老师(签名)学生(签名)1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 21 页
3、精选学习资料 - - - - - - - - - 二、设计要求2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型,运算机的挑选,以及传动方式和执行机构的挑选等;(1)一般车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、 圆弧插补功能,仍要求能暂停,进行循环加工和螺纹加工等,因此,数控系统选连续掌握系 统;(2)车床数控化改装后属于经济型数控机床,在保证肯定加工精度的前提下应简化结构、降低成本,因此,进给伺服系统采纳步进电机开环掌握系统;(3)依据一般车床最大的加工尺寸、加工精度、掌握速度以及经济性要求,经济型数控机床一般采纳8 位微机;在 8 位微机中, MCS51 系列单片机具有
4、集成度高、牢靠性好、 功能强、速度快、 抗干扰才能强、 具有很高的性价比, 因此,可选 MCS51 系列单片机扩展系统;(4)依据系统的功能要求,微机数控系统中除了CPU 外,仍包括扩展程序存储器,扩展数据储备器、 I/O 接口电路; 包括能输入加工程序和掌握命令的键盘,能显示加工数据和机床状态信息的显示器,包括光电隔离电路和步进电机驱动电路,此外,系统中仍应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他帮助电路;(5)设计自动回转刀架及其掌握电路;(6)纵向和横向进给是两套独立的传动链,它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成,其传动比应满意机床所要求的辨论率;(7)为了保证进给伺服系统的传动精度和平
5、稳性,选用摩擦小、 传动效率高的滚珠丝杠螺母副, 并应有预紧机构, 以提高传动刚度和排除间隙,齿轮副也应有排除齿侧间隙的机构;(8)采纳贴塑导轨,以减小导轨的摩擦力;(9) 原机床的主要结构布局基本不变,尽量削减改动量缩短改造周期;,以降低成本(10)机械结构改装部分应留意装配的工艺性,考虑正确的装配次序,保正 安装、调试、拆卸便利,需常常调整的部位调整应便利;机 Y功 率 放 大向上拖板光 电 隔 离步 进 电 机微名师归纳总结 机光 电 隔 离 X功 率 放 大2 向下拖板第 2 页,共 21 页步 进 电 机- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 经济
6、型数控车床总体方案框图数控车床改造的总体方案示意图三、机械部分的改造设计和运算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯独的;以下是其中的一种方案:挂轮架系统:全部拆除,在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器;进给箱部分:全部拆除,在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成 丝杠、光杠和操作杠拆去, 齿轮箱连接滚珠丝杠, 滚珠丝杠的另一端支承座安装 在车床尾座端原先装轴承座的部分;溜板箱部分: 全部拆除, 在原先安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操 作按钮;横溜板箱部分: 将原横溜板的丝杠的、 螺母拆除, 改装横向进给
7、滚珠丝杠螺 母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相 连;刀架:拆除原刀架,改装自动回转四方刀架总成;3.2 横向进给伺服系统机械部分的运算与选型进给伺服系统机械部分的运算与选型内容包括:运算切削力、 滚珠丝杠螺母副的设计、运算与选型、齿轮传动运算、步进电机的运算和选型等;3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 已知条件:1.工作台重量: W300N(粗估)2.滚珠丝杆导程: T4mm(供参考)3.行程: S190mm4.脉冲当量:0.005mm5.快速进给速度:V 快1 . 5 m /
8、min6.切削进给速度:V 0 . 5 m / min7.时间常数: t100ms 3.2.1 、传动运算360uT0.75),表示脉冲当量(本设计是0.005mm)其中 表示步距角(本设计取所以u3600 . 48T3.2.2 、切削力运算主切削力 F C 1840 a p f 0 . 751840 2 5. 0 . 15 0 . 751108 7. N切深抗力 F p 0 . 1 0 6. F c 0 5. F c 0 . 5 1108 . 7 554 . 4 N走刀抗力 F f 0 . 15 0 7. F c 0 5. F c 0 5. 1108 . 7 554 . 4 N式中 a 表示
9、切削深度,f 表示进给量,本设计取 a =2.5mm, f =0.15mm;3.2.3 、滚珠丝杠设计运算横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨,其轴向力的试验公式为:F mKFfF c2FpW式中,系数 K 为 1.4 ,摩擦系数取 0.05 所以F mKFfF c2FpW1 .4554.40.05 1108.72554.4300902N(1)疲惫强度运算滚珠丝杠的当量动载荷C 为: , n 为丝杠转速, T 为有用时间寿命,数控机床C m3LF wF QF mL60nT 6 10式中, L 为工作寿命,4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 21 页精选学习资料 - - -
10、- - - - - - 取T15000 h,故L60 nT60V 快1000 T135 10 6转6 102 T g6 10wf 为载荷系数,取 1.3 ;Qf 为精度系数,取 1 因此 C m 3 L F w F Q F m 3 135 1 . 2 1 1. 902 6107 . 9 N由上述当量动载荷,且使用条件为横向进给,故挑选丝杠 FFB2205;(2)刚度验算滚珠丝杠的刚度依据下式校核:123丝杠的支撑方式:一端固定,一端简支;丝杠拉压弹性位移1Fml 1(20490245019 . 04103mmAE-3 . 5)2.25 10丝杠副內滚珠与滚道的接触变形2F m9021 .77m
11、,k2 是预紧力为额定载荷k2510的 1/3 时的接触刚度,查手册得k2=510. 3Fm2/3, 初 选 推 力 球 轴 承滚 动 轴 承 的 接 触 变 形30. 52(D121 /)wZ51104,Dw5.56,Z14,代入上式得,34 .72m;又由于轴承存在预紧力,所以111.2 26m ,.2120 . 89m ,3132 . 36m4220.122416,丝杠精度取 4 级;123453.2.4 、确定齿轮参数由于360uT,所以u36020 . 48,取Z124,Z250,齿轮模数m2 5. mmT因此d1mZ 122448mm ,dmZ2250100mm,轴向长度l116m
12、m ,l214mm3.2.5 、步进电机的挑选(1)负载转矩ML5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - ML180Fm式中,为电机到丝杠的总传递效率查机械设计手册取齿轮传递效率为 器 0.99 滚珠丝杠的效率运算:0.98 ,滚动轴承 0.99 ,推力轴承 0.99 ,联轴导程角:tan1stan15;4 . 5500.2 Hzd20效率:tantan4 . 5500.965tantan4.55010因此总效率:总0.980.9940.9650 .908故ML180F m1800 .0051039020. 379Nm
13、0. 750. 908(2)滚珠丝杠副预紧引起的附加转矩M0M0180KF 0式中,F 为丝杠螺母的预紧力, K 为预紧螺母内部的摩擦系数,取因此M0180KF m1800.20 .0051039020. 023Nm0 .755000(3)加速度转矩MmM m180f 1tf0J式中,1f 为电机工作频率,切削进给时,f1v 进10000.5100060600.0053快速进给时,f1v 快10001.510005000Hz60600 .005f0200Hz(突跳起动频率)t0 1. s(加速时间)JJ0J 1Z12J2J3m 1802Z2d式中,J 为电机转子惯量,初取4.7kgcm26 名
14、师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 对于材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式运算:J7 .8104D4L78.1044 .841 .60 .745kgcm2J178.104D 14L 1J278.104D24L278.1041041 .412.48kgcm 2J 37 . 8104D 34L 37 8.1042445.05616 kgcm 2因此JJ0J 1Z12J2J3m 1802101Z2d4 .70. 7450 .48212.480. 56163001800 .00598.0. 758.46104kgm2M
15、m 空180f 1tf0J0 . 75(1805000-200)8 .4610-40 .10.5316NmM m 进180f1tf0J0 . 75(1805000-2003).0 18 . 46-1040 .1624 Nm因此选取Mm空因此M总MLM0Mm(空).0 379.00230 . 53160;9336 Nm.9336 kgcm又由于M 电/ M1 .52, 取M电18. 672kgcm依据上述转矩,查表选电机型号为110BF003;四、单片机型数控系统硬件电路设计4.1 设计内容(1) 依据总统方案以及机械结构的掌握要求,确定硬件电路的方案,并绘制系统电气掌握的结构框图;(2) 挑选
16、运算机或中心处理单元的类型;7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - (3) 依据掌握系统的具体要求设计储备器扩展电路;( 4)依据掌握对象以及系统工作要求设计扩展接口电路,检测电路,转换电路以及驱动电路等;(5)挑选掌握电路中各器件及电气元件的参数和型号;( 6)绘制出一张清楚完整的电气原理图,图中要标明各器件的型号,管脚号及参数;( 7) 说明书中对电气原理图以及各有关电路进行具体的原理说明和方案论证;4.2 掌握系统的功能要求(1)z 向和 x 向进给伺服运动掌握(2)自动回转刀架掌握(3)螺纹加工掌握(4)行程
17、掌握(5)键盘及显示(6)面板治理(7)其他功能:光电隔离、功率放大、报警、急停、复位;4.3 硬件电路的组成:后面所画大图采纳MCS-51 系列单片机组成的掌握系统硬件电路原理图;电路的组成如下:(1)CPU 采纳 8031 芯片;(2)扩展程序储备器 2764 两片, 6264 一片;(3)扩展可编程接口芯片 8155 两片;(4)地址锁存器,译码器个一个;(5)键盘电路,显示电路;(6)光电隔离电路,功率放大功率;(7)越程报警电路,急停电路,复位电路;(8)面板治理电路;8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - -
18、 RAM ROM CPU I/O 接口光电功率步进隔 离放 大电 机外 设键盘、显示器数控系统结构框图4.4 挑选电气元件及电路设计4.4.1 微机机型和扩展储备器的挑选确定微机机型就是挑选CPU;单片机价格低、牢靠性较高,适用于掌握,挑选单片机做掌握器比较合适;依据总体方案的确定,微机采纳MCS-51 系列单片机; 51 系列有三种型号:8031 是无 ROM 的 8051;8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051;目前,工控机 中应用最多的是 8031 单片机;本设计就采纳 8031 单片机;8031 单片机是美国Intel 公司的产品 MCS51 系列单片机的一个型号,是目
19、前性能较高的 8 位单片微型运算机; 8031 单片机内部包含一个 8 位 CPU,128字节的 RAM ,两个 16 位定时器,四个八位并行口,一个全功能串行口,可扩展的外部程序储备器和数据储备器的容量为64K 字节,具有 5 个中断源并配有两个优先级,仍有 21 个特别功能寄存器;所以 8031 单片机是一种抱负的 泛的应用;A程序储备器的扩展 a选用 2732 芯片8 位微型运算机,在各种数控系统中的到广常用的 EPROM 储备器有 2716,2732,2764,27128,27256 等,容量分别 为 2K、4K、8K、16K,32K;由于车床数控系统包括系统掌握程序和加工程序,采纳
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