机电一体化C616车床纵轴数控化改造课程设计.docx

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1、课程设计设计题目：C616 型一般车床改造为经济型数控车床学校：河北联合大学轻工学院 专业：机械设计制造及其自动化班级：姓名： 学号：指导教师：王丰 玄兆燕完成时间：2023.01.11序言面对日趋猛烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的产品，才能保持其旺盛的生命力，而 与有高周密，柔性化，高效率的特点的现代自动化制造系统是企业开发和创产品的保证。我国是一 个工业化相对落后的地区，虽拥有大量的机械加工设备，但不能适应制造业多品种、小批量的生产方 式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所亲睐，但不菲的价格成为企业创的瓶颈。目前最经济的方法就是对我国现有车床进展数控改造，这样不但会大

2、大转变现状而且本钱低，而且周 期短有利于加工工业的进展。设计题目：用微机数控系统改造 C616 车床设计内容：1、设计承受步进电机伺服机构的开环机床数控系统，把握对象为机床进给系统的x、z 向工作台。2、总体方案包括机械、电机、微机局部的选择与设计。3、对纵向进给系统进展机械构造设计并画出纵向进给系统装配图。4、设计一个步进电机驱动电路包括环形安排器的选择、设计、光电耦合器和功放电路的设计及其与微机的接口电路，画出驱动电路图。5、软件设计。机床改造构造示意图机械设计局部一、机电一体化对机械局部的要求：1、低摩擦导轨滚动摩擦周密丝杠滚珠丝杠。2、无传动间隙用丝杠螺母副消退间隙。3、高刚度4、高谐

3、振频率5、地惯性以提高稳定性和响应特性。二、设计条件：1:、工作台重量W=800N2、起重动加速时间T=50ms 3、脉冲当量 =0.01mm/step4、快速进给速度Vmax=2m/min 5、工作台行程L=640mm.6、滚珠丝杠根本导程l=6mm7、步进电机步距角 =0.75/step三、机械设计计算：(1) 切削计算由机床设计手册可知，切削功率Nc=NK式中 N-电机功率，查机床说明书，N=4KW； -主传动系统总效率，一般为 0.70.85 取 =0.75； K-进给系统功率系数，取为K=0.96。则：Nc=40.750.96=2.88KW由金属切削原理可知，切削功率：F Nf Nc

4、 = FV +fw 10-3z c1000式中括号内其次项消耗的功率与第一项相比一般小于1%可无视不计。因此可认为：N= FV10-3假设单位制取： Fz-主切削力N Vc-切削线速度m/min则：cz cFVP =zc60c 10-3一般车床加工工件时，当承受硬质合金工具时，其最小和最大切削速度分别为 100m/min 和 600m/min。取 Vc=100m/min。则：F= 60000NCZvC= 60000 2.88 = 1728N 100当 Kr=45 s=0 ro15时，各分力之间的近似关系为Fx=0.10.6Fz Fy=0.30.4FzFx=FfFy=Fp取：Ff=0.5FZ=0

5、.51728=864N Fp=0.4FZ=0.41728=691.2N(2) 滚珠丝杠设计计算1） 最大工作载荷Fm 的计算综合导轨车床丝杠的轴向力：Fm = kFf +，Fc+G式中 Ff、Fc切削分力G移动部件的重量 ，-导轨上的摩擦系数K考虑颠覆力矩影响的试验系数对于综合导轨式中 K=1.15， ，=0.150.18，取为 0.16。则Fm=1.15864+0.16(1728+800)=1398.08N2） 最大动载荷F 的计算Q由机床设计手册可知 丝杠寿命式中n-丝杠转速丝L =60nT/10 60T使用寿命时数数控机床取T=15000h丝杠转速n= n主 f= 1000vf丝Lp D

6、L00式中n-主运动转速主v切削速度n=1000r/min主f-进给量f=0.3mm/rD被切削工件直径D=80mmL -丝杠导程0L =6mm0则n= 1000 100 0.3 =20r/min丝3.14 80 6L= 60 20 15000 =18106由机械设计手册可知最大动载荷FQ= 3 L f fF0 w Hm式中 L0-滚珠丝杠副的寿命 单位为106rf-载荷系数 由平稳或轻度冲击 取f=1.2wwf-硬度系数 由 HRC 58 取f=1HHF -滚珠丝杠副的最大工作载荷m则3） 规格型号的初选F =1.211398.08=4396.8N3 18Q初选滚珠丝杠副的规格，应使其额定动

7、载荷C FaQminC 10 r当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 n长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷C 23Fmoa查机械设计手册选丝杠型号：2506-2.5 CDM 外循环性相关参数：d= 25mm公称直径： 01外径： d = 24.5mmK = 459 N mm刚度： cl = 6mm导程： 0D= 3.969mm滚珠直径： wC= 11939N额定动载荷： aoa额定静载荷： C= 26192N4） 效率计算：依据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为：tgv = tg(v +y )式中摩擦角 =10(P螺旋升角 =n则/p d0)，由算得： g = 422”h =tg 422

8、= 0.963tg (422 + 10)3)刚度验算1丝杠的拉伸或压缩变形量d 1ES1dF aMa2= m 2p IE式中 F-丝杠最大工作载荷ma-丝杠两端支承间距E-丝杠材料的弹性模量，取E = 2.1105MPaS-丝杠按底径确定的截面积M-转矩I-丝杠按底径确定的截面惯性矩I = p d 4 / 641F ad由于转矩M 一般较小，原式可变为：= m1ESD3.969W2d= d-10内径d= 25 -223= 23mmS = p 1 2 = 3.14 2 = 415.27mm 222F a1398.08 300d= m= = 4.8095 10-3 mm1ES2.1105 415.

9、27丝杠拉伸取“+“，压缩取“-“ 所以2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量d2d =4.81有预紧时：d= 0.0013F2m/103 DF Ze /10Wxj式中：Dw-滚珠直径，单位为mmZ -滚珠总数量，圈数列数Ze = 20 2 2.5 = 100eZ-单圈滚珠数，外循环Z = pdD0w= p 25 = 20 3.969Fxj-预紧力，单位为N滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力， Fxj= F/ 3 = 466.03Nm得d= 0.0013F2m/10= 0.8017 10-3 mm3 DF Ze /10Wxj丝杠有预紧力且预紧力达轴向工作载荷的1/3 时 实际变形可削减 1/2d= 0.40

10、0910-32总变形量：d = d +d12= 5.2mm查机床设计手册知：任意 300mm 内累计螺距公差允许到16m m则：4.8mm Fmk4 7752满足稳定性要求。(3) 齿轮(薄片齿轮轴向拉簧错齿调整法)传动比al0i = 360odp式中a -步进电机步距角l -滚珠丝杠导程0d-纵向进给脉冲当量p取a =0.75/step取l =6mm0取d=0.01mm/stepp得aldi =0=1.25360op取Z1=28mmZ2=35m=2.5mm b= 28mmb21= b + 5 = 33mm2=20d1=mZ1=2.528=70mm d2=mZ2=2.535=87.5mmd=d

11、1+2ha*=70+22.5=75mma1d=d2+2ha*=87.5+22.5=92.5mma 2(4) 电机 1等效转动惯量计算齿轮选用 45 钢，近似看做圆柱体齿轮的转动惯量：JZ1=7.8104 7.04 3.3=6.18 kg cm2 =6.18104kg m2JZ2=7.8104 8.7542.8=15.99 kg cm2 =12.80104kg m2丝杠的转动惯量：JS=7.8104 d 4 L10-4 =7.8104 2.54 120 10-4 =3.6610-4 kg m2依据动能守恒知，等效转动惯量： 电机转动惯量很小可以无视。因此,总的转动惯量：() w 2 v 2J m

12、 = J+ J+ J2 + m 11化简得：eqZ 1Z 2 l2 1Sw w J m = J+ J+ J+ m0 eqZ 1Z 2S 2p i2 6 10-3 2 1= 6.18 10-4 + 12.80 10-4 + 3.66 10-4 + 80 解得：2p 1.2522） 所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩Jm = 17.182 10-4 kg m2 eqM = M+ M+ Ma maxf0最大切削负载时所需力矩M = M+ M+ M+ Matf0t快速进给时所需力矩M=MfM0式中 Mamax-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； Mf-折算到电机轴上的摩擦力矩；M0-由于丝杠预

13、紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； Mat-切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt-折算到电机轴上的切削负载力矩。Jn当 n=nmax 时 Mamax=MaMa= 9.6T10 -4 Nmvi2023 1.25nmax=max=L6=416.7r/min0Mamax= 17.182 10-4 416.7 = 149.16N cm9.6 0.05当 n=nt 时1000vnfp DfiMa=Mat1000 100 0.3 1.25n = 主 i=24.88r/mintLL00Jn3.14 80 617.182 10-4 24.88M=t= 8.9N cmat9.6T9.6 0.05摩擦力矩

14、：F Lf W LMf= 00 =ph 02ph i2i式中 F0hi-摩擦力由工作台重量引起-进给系统的效率 中型机为 0.750.8 取hi=0.8f -轨道摩擦系数取 f =0.160.16 800 0.6附加摩擦力矩：M f = 2 3.14 0.8 1.25= 12.23N 当h=0.9 时预加载荷0P L2=0M p0 h0 i1(1-h )0P =Fx则：FM=X l003= 864 0.6(1 - 0.92 ) = 5.23N 06ph i6 3.14 0.8 1.25FM=X l0 =864 0.6= 82.54 N t2ph i2 3.14 0.8 1.25所以,快速空载启

15、动时所需力矩：M = M+ M+ Ma maxf0=149.1612.235.23=166.62N切削时所需力矩：M = M+ M+ M+ Matf0t=8.912.235.2382.54=108.9N快速进给时所需力矩：M=MfM0=12.235.23=17.46N由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax 发生在快速启动时Mmax=166.62N=1.6662N.m3） 步进电机选择启动力矩一般启动力矩选取为：M=M1.6662a max= 4.1655N mq式中 Mq-电动机启动力矩； Mmax-电动机最大力矩。0.3 - 0.50.4电机承受三相六拍式，查机电一体化系统设计表MM= 0

16、.87qjmaxMjmax=qM0.87= 4.16550.87= 4.79N m由机电一体化系统设计表可知： 选 110BF003 电机相关参数：外径： 110mm 长度：160mm 轴颈 11mm 步距角：0.75/step电气局部设计微型计算机的应用已经深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数控是承受八位微机系统与步进电机驱动系统租场开环两坐标进给的简易数控系统。电气局部设计包括硬件电路的设计和软件设计两局部。一、数控系统的硬件电路设计硬件是数控系统的根底，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能，有了硬件软件才能有效地 进展。数控系统的根本硬件电路由以下几局部组成：把握器、存储器

17、、接口电路、光电隔离电路、功率放大器。1、把握器：本系统选用 8088cpu 系统作为数控系统的把握器件。一般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。8088 一般有cpu、I/O 电路、存储器三局部组成。时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素，8088cpu 的时钟频率为 10MHZ。2、存储器20 位的地址在CPU 内可寻址，1M 字节的内存空间，而机构内的存储器是 16 位的，只能寻址 64k 字节，8088 系统把 1M 存储空间系统分成 16 个规律段，每个规律段允许在存储空间浮动，即段与段之间可以局部重叠、完全重叠、连续排列、断续排列格外灵敏。在整个存储空间中可以设置

18、假设干个规律段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个规律段内，也可以包含在多个相互重叠的规律段 内，只要有段地址和段内偏移地址就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。在 8088 存储空间中，把 16k 字节的存储空间成为一节，为简化操作，要求各个规律段从节的整数边界开头，也就是说段首地址第四位应当是“0”，因此，应当把段首地址的高 16 位称为段基址，存放在受存放器中，段间偏移地址存放在 IP 或 SP 中，DS、CS、SS、ES 的段基址分别为 2058H、250AH、8FFBH 和 EFFOH。3、光电耦合电路光电耦合在微机系统中具有格外重要的作用，其通过发光二极管的光辉推动光敏三

19、极管导通，从而实现通信系统中的光电隔离。光电耦合器左右：隔离功能使微机与现场隔离，防止现场信号进入微机，从而保证微机牢靠工作。实现信号电平转换可以将来自微机的输出信号电平很便利地转换为执行机构所需的信号电平或者将来自生产现场的信号电平转换为危机所需的信号电平。负载驱动达林顿管可将电流放大很多，具有较强的负载驱动力气8255 输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动三极管驱动发光管。迟疑 8255 在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平。4、功率放大器功率放大电路分为单电源和双电源，单电源线路简洁，但效率不高，所以选用双电源型

20、。双电源承受凹凸压供电路，如以以以下图。工作原理：无脉冲输入时VT1VT2VT3VT4 均截止，电动机绕组W 无电流通过，电动机不转。有脉冲输入时，VT1VT2VT4 饱和导通，在VT2 由截止到饱和期间，其集电极电流，也就是脉冲变压 TI 的一次电流急剧增加，在变压器三次侧感生一个电压，使 VT3 导通，80V 的高压经高压管VT3 加到绕组W 上，使电流快速上升，当VT2 进入稳定状态后，TI 一次侧电流临时恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为零，VT3 截止。这时，12V 低压电源经VD1 加到电动机绕组W 上并维持绕组中的电流，输入脉冲完毕后，VT1VT2VT3VT4 又都截止，存储

21、在 W 中的能通过 18 欧姆的电阻和 VD2 放电，该电路由于承受高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。二、数控系统的软件设计设计一个承受步进电机伺服机构的开环机床，数控系统把握对象为机床进给系统X、Z 工作台， 用逐点比较法，插补法加工直线，故主程序调出插补子程序，由 8255A 中断效劳子程序完成越界急停报警。1主程序功能8255A 的初始化，8259A 的初始化，调用插补加工子程序。28255A 的设置本设计承受 AD 的 8 根引线来把握 X、Z 电机，红灯，绿灯。其中红灯于警铃相连，红灯亮， 警铃响，作输出作业。其把握字D7D6D5D4D3

22、D2D1D010000000标志位端口AI 工作方式 0A 作输出把握字：1000 0000B=80H8255A 作为根本的输入、输出口、AD 工作方式为 0PA - PA02分别把握X 电机的 XXXA 、 B 、 C 相PA - PA46APA分别把握Z 电机的Z 、 ZZB、 C 相3 把握绿灯，绿灯亮，表示运行正常PA7 把握红灯，红灯亮，表示有紧急状况PAPAPAPAPAPAPAPA76543210相代码00001001A09H00001011AB0BH00001010BC0AH3 三项六拍环分器脉冲通电代码X 电机通电代码00001110BC0EH00001100C0CH00001

23、101CA0DHY 电机通电代码PAPAPAPAPAPAPAPA76543210相代码00011000A18H00111000AB38H00101000B28H01101000BC68H01001000C48H01011000CA58H中断时PAPAPAPAPAPAPAPA76543210代码1000000080H48259A 的设置8259A 可编程中断把握器，一共可接收8 个中断，本次设计共用 5 个中断口，分别用来把握+X、-X、+Z、-Z 方向的越界和急停按钮。8259A 的预置命令字的设置，其端口地址为偶地址076543210000010011A命令字为 13H承受边缘触发：单级使用

24、，需要设置ICW 4ICW的设置，其端口地址为奇地址2076543210101100000A命令字为 60HICW4的设置，其端口地址为奇地址076543210100000001A命令字为 01H承受非特别完全嵌套方式，非自动EOI 方式8259A 的操作命令字ICW的设置，其端口地址为奇地址1076543210111100000A命令字为 0E0HIR IR04都可引入中断OCW2076543210010100000A的设置，其端口地址为偶地址命令字为 0A0H 承受一般EOI 循环方式5. 用逐点比较法插补加工程序设计直线插补计算原理依据逐点比较法的原理，每走一步必需把动点的实际位置与给定

25、轨迹的抱负位置间的误差以“偏差” 形式计算出来，然后依据偏差的正负打算下一步的走向，已靠近给定轨迹。逐点比较插补加工中由四个环节组成a偏差判别通过偏差计算确定刀具的位置，当偏差 Fs 0 时，刀具在被加工斜线上方，当 Fs 0 时，刀具在被加工斜线下方b. 刀具进给由上一步偏差推断结果，确定刀具进给方向，由此订正偏差。假设F 0 向 X 方向移动，假设F 0 向 Z方向移动。c. 偏差计算Fi+1= F - | Zii|Fi+1= F + | X |iid. 终点判别判别刀具是否到达终点，到终点时则停顿，否则连续插补。6. 三相六拍环分子程序步进电机的各绕组必需按确定的挨次通电才能正常工作。环

26、形脉冲安排器可用硬件实现也可用软件实现。承受软件环分是利用查表或计算方法来进展脉冲的环形安排，通过正向挨次读取和反向挨次读取可把握电动机进展正反转，通过把握读取一次数据的时间间隔可把握电动机的转速。该法能充分利用 计算机软件资源以降低硬件本钱，尤其是对多相的脉冲安排具有更大的优点。7. 关心电路为防止机床行程越界，在机床上装有行程把握开关，为防止意外装有急停按钮。由于这些开关离把握箱较近，故简洁产生电器干扰，为避开这种状况发生，在电路和接口之间实行光电隔离：当绿灯亮时， 表示工作正常，当红灯亮时表示溜板箱已到极限位置。8. 把握系统的程序1主程序NAMEJGDATASEGMENT;定义数据段M

27、DW4DUP(?)TDW?FDW0HSDB?CDB0HDDB0HXTDB09H.0BH.0AH.0EH.0CH.0DH;X 电机通电代码ZTDB18H.38H.28H.68H.48H.58H;Z 电机通电代码DATAENDSSTACKSEGMENTSTACKSTA STACKDW ENDS100DUP(?)CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASS:STACK,ES:DATA;存放器说明STAR:CLIMOV AX,00HMOV DS, AXMOV AX, SEG INTR MOV BX, OFFSET INTR MOV SI,60HMOV SI,BX MOV SI+

28、2,AX MOV AX,DATAMOV DS,AXMOV DX,2023HMOV AL,80HOUT DX,ALMOV DX,2800HMOVAL,13H OUT DX,ALMOV DX,2801HMOV AL,60HOUT DX,ALMOV AL,01HOUT DX,ALMOV AL,0E0H;中断向量的段基址送DS;取中断子程序的段基址;取中断子程序的偏移地址;中断类型码送SI;将中断偏移量送到SISI+1中;将中断段基址送到SISI+1中;恢复DS;初始化 8255A;定义 8259A ICW1;定义 8259A ICW2;定义 8259A ICW4;定义 8259A OCW1OUT D

29、X,ALMOV DX,MOV AL,2800H0A0H;定义 8259A OCWOUT DX,AL2STICALLCB HTL2直线插补子程序;中断翻开;调用插补程序CBPROCPUSHAXPUSHBXPUSHCXPUSHDXPUSHF;保护现场MOV AH,SAHF0H;标志位清零MOV AX,MOVMBX,M+2;取起点终点的X 坐标SUBBX,AX;取终点相对于起点横坐标确实定值XeJGEB1NEG BXB1:MOVMOVDX,AX,M+3M+1;取起点，终点的Z 坐标SUBDX,JGEB2AX;取终点相对于起点的Z 坐标确实定值YeNEGDXB2:ADDMOVCX,DX,DXBX;计算

30、总进给步数MOVAX,F;将偏差值送AXXH:CMPAX,00H;推断向哪个方向走JCB4;跳向 Z 向MOV5,CMPM+2,0HM;写 X 电机状态字(X/Z 正/反)JCB3OR5,00HB3:ORS,00HCALLHF;调用环分子程序，X 电机走一步SUBAX,DX;计算偏差值CALLTIMEJMEB6;调用延时程序B4:MOV5,CMPM+3,M+102H;写 Z 电机状态字(X/Z,正/反)JCB5ORS,00HB5:ORS,01HCALLHF;调用换分子程序，Z 电机走一步ADDAX,BX;计算偏差值CALLTIME;调用延时子程序B6:DECCXLOOPXH;总步数减 1POP

31、FPOPDX;出栈，恢复现场POPCXPOPBXPOPAXRETCBENDP3三相六拍环分子程序HFPROCPUSHAXPUSHBXPUSHDXPUSHF;压栈；保护现场MOVBL,ANDBL,CMPBL,S 01H0H;送电机操作字给BL;推断正反转JNZFRMOVBL,S;调转至反转;推断XZ 电机ANDBL,CMPBL,02H0HJNZZPZ XDZ:CMPC,JNZL0H;调转至 Z 电机正转;推断是否为第一次跳动LEASI,L1:MOVC,XT01H;送通电代码首地址给SIMOVBX,XT+5MOVDX,MOVAL,OUTDX,2023H SIAL;通过 8255A 给电机送通电代码

32、CMPSI,JZL2BX;推断通电代码是否用完INCSIJMPL9 L2:LEAJMPL9SI,XT;指针自增 1ZDZ:CMP D,0H;推断是否为第一次转动LEADI, L3:MOVMOVBX,D,ZT01H ZT+5;送通电代码首地址给DIMOVDX,MOVAL,OUTDX,2023H DIAL;通过 8255A 送通电代码给电机CMPDI,JZL4BX;推断通电代码是否用完INCDIJMPL9 L4:LEAJMPL9DZ,ZT;指针自增 1FR:AND CMPBL,JNEZDEBL,02H0H;推断用哪个电机XDF:CMP C,JNEL50H;推断是否为第一次转动LEASI, L5:MOVMOVBX,C,XT+501HXT;送通电代码末地址给SIMOVDX,MOVAL,OUTDX,2023H SIAL;通过 8255A 给电机送通电代码CMPSI,JZL6BX;推断通电代码是否用完DECSIJMPL9 L6:LEAJMPL9SI,XT+5;指针自减 1ZDF:CMP D,JNZL70H;推断是否为第一次转动LEADI,L7:MOVD,ZT+501H;送通电代码末地址给DIMOVBX,ZTMOVDX,2023H;