课程设计CA6140普通车床纵向进给系统的数控化改造(经济型).pdf
《课程设计CA6140普通车床纵向进给系统的数控化改造(经济型).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《课程设计CA6140普通车床纵向进给系统的数控化改造(经济型).pdf(26页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 课程设计-CA6140 普通车床纵向进给系统的数控化改造(经济型)2 目录 目录.2 一、设计任务书.4 二、设计要求.5 2.1 总体方案设计要求.5 三、机械部分的改造设计和计算.7 3.1 进给系统机械结构改造设计.7 3.2 纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型.8 3.2.1、传动计算.8 3.2.2、切削力计算.8 3.2.3、滚珠丝杠设计计算.9 3.2.4、步进电机的选择.10 四、单片机型数控系统硬件电路设计.12 4.1 设计内容.12 4.2 控制系统的功能要求.12 4.3 硬件电路的组成:.13 4.4 选择电气元件及电路设计.13 4.4.1 微机机型和扩展存储器
2、的选择.13 4.4.2 确定 I/O 接口.15 4.4.3 键盘接口设计.15 3 4.4.4 步进电机驱动电路设计.16 4.4.5 其它辅助电路设计.16 五、系统控制软件的设计.17 5.1 系统控制软件的主要内容.17 5.2 软件设计.17 5.2.1 系统控制功能分析.17 5.2.2 系统管理程序控制.18 5.2.3 步进电机控制子程序设计.18 5.2.4 编语言程序设计.21 六、心得体会.25 七、参考文献.26 4 一、设计任务书 课程设计题目 CA6140 普通车床纵向进给系统的数控化改造(经济型)学院 机械工程学院 专业 机械制造及其自动化 年级 2010 已知
3、参数和设计要求:1.工作台重量:W800N(粗估)2.滚珠丝杆导程:T6mm(供参考)3.行程:S640mm 4.脉冲当量:0.01mm 5.快速进给速度:min/3mV 快 6.快速进给速度:min/1mV 进 7.时间常数:t100ms 学生应完成的工作: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。3.数控系统电气原理图 A1 图纸 1 张。5 目前资料收集情况(含指定参考资料):1.机床设计图册 哈工大 华中纺织工业大学 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
4、设计参考书 5.现代机械设计师手册 机械工业出版社 课程设计的工作计划:1.方案论证 1.5 天 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.准备答辩及答辩 1 天 任务下达日期 2013 年 12 月 23 日 完成日期 年 月 日 指导教师 林利红 (签名)学 生 (签名)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,计算机的选择,以及传动方式和执行机构的选择等。(1)普通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,还要求能暂停,进行循环加工和螺纹加工
5、等,因此,数控系统选连续控制系统。6(2)车床数控化改装后属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本,因此,进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。(3)根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求,经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中,MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比,因此,可选 MCS51 系列单片机扩展系统。(4)根据系统的功能要求,微机数控系统中除了 CPU 外,还包括扩展程序存储器,扩展数据存储器、I/O 接口电路;包括能输入加工程序和控制命令的键盘,能显示加工数据和机床
6、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,系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。(5)设计自动回转刀架及其控制电路。(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,其传动比应满足机床所要求的分辨率。(7)为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性,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,以提高传动刚度和消除间隙,齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。(8)采用贴塑导轨,以减小导轨的摩擦力。(9)原机床的主要结构布局基本不变,尽量减少改动量,以降低成本 缩短改造周期。(10)机械结构改装部分应注意装配的工艺性,考虑正确的
7、装配顺序,保正 安装、调试、拆卸方便,需经常调整的部位调整应方便。Y 向 X 向 微 机 机光电隔离功率放大步进电机光电隔离功率放大步进电机上下 7 经济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计算 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一的。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来装
8、轴承座的部分。溜板箱部分:全部拆除,在原来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。8 3.2 纵向进给伺服系统机械部分的计算与选型 进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括:计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。已知条件:1.工作台重量:W800N(粗估)2.滚珠丝杆导程:T6mm(供参考)3.行程:S640mm 4.脉冲当量:0.01mm 5.快速进给速度:
9、min/3mV 快 6.切削进给速度:min/1mV 进 7.时间常数:t100ms 3.2.1、传动计算 uT360 其中:步距角(本设计取 0.75),脉冲当量(本设计是 0.005mm)T丝杠螺距(本设计取 5mm)。所以 96.0575.036001.0360Tu 确定齿轮参数:取 Z1=48,Z2=50,m=1.5mm 则 d1=mZ1=1.548mm=72mm d2=mZ2=1.550mm=75mm b=25mm 3.2.2、切削力计算 主切削力:NfaFpC7.18643.05.21840184075.075.0 切深抗力:NFFFccp35.9327.18645.05.0)6.
10、01.0(走刀抗力:NFFFccf35.9327.18645.05.0)7.015.0(式中 pa切削深度,取pa=2.5mm 9 f进给量,取f=0.3mm/r。3.2.3、滚珠丝杠设计计算 三角形矩形综合导轨车床的轴向力按下列实验公式计算:NWFKFFcfm1205)8007.1864(05.035.93215.1)(式中 系数 K=1.15,摩擦系数按氟塑料导轨取 0.05。(1)疲劳强度计算 滚珠丝杠的当量动载荷mC为:mQwmFFFLC3 式中 L工作寿命,)10(90102100060106066g6转快TTVnTL。n为丝杠转速,T为实用时间寿命,数控机床取)(5000 hT。w
11、f载荷系数,取 1.2;Qf精度系数,取 1 因此滚珠丝杠的当量动负荷:NFFFLCmQwm7128120512.19033 由该当量动载荷应小于丝杠的额定动负荷,且使用条件为纵向进给,故选择丝杠 CMD2505-3。(2)刚度验算 滚珠丝杠的刚度按照下式校核:321 丝杠的支撑方式为一端固定,一端简支。故丝杠拉压弹性位移:mm1017101.2175.3-2541100120535211)(AElFm 丝杠副內滚珠与滚道的接触变形:m26001205kF2m2,其中 k2是预紧力为额定载荷的 1/3 时的接触刚度,查手册得 k2=600。滚动轴承的接触变形:10 3/23/12w3ZD152
12、.0mF)(,初选推力球轴承 51104,mmDw56.5,14Z,代入上式得,m72.53。又因为轴承存在预紧力,所以 mmm86.221,121,25.441332211 丝杠精度取 5 级,故 2324.1245.0321,合格。3.2.4、步进电机的选择(1)负载转矩LM mLFM180 式中 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 0.99,滚动轴承 0.99,推力轴承 0.99,联轴器 0.99 导程角:。550.4)205(tan)(tan11ds 效率:965.0)10550.4tan(550.4tan)tan(tan 因此总效率:908.0965.099.09
13、9.099.04总 故 mNFMmL845.0909.075.012051001.01801803(2)滚珠丝杠副预紧引起的附加转矩0M 00FK180M 式中 F0丝杠螺母的预紧力,NFFm7.401310,K 预紧螺母内部的摩擦系数,取 0.2 因此 mN 061.075.07.4011001.02.0180FK180M300(3)加速度转矩aM 11 JtffMa)(18001 式中 1f 电机工作频率。切削进给时:Hzvf166701.060100016010001进 空行程时:Hzvf500001.060100036010001快 0f突跳起动频率,Hzf2000。t 加速时间,st
14、1.0。J 传动系统折算到电机轴上的等效转动惯量。对于一级齿轮传动系 统,按下式计算:)180()()()(23222110dmJJZZJJJ 式中,0J为电机转子惯量,初取27.4cmkg;对于材料为钢的圆 柱形零件,其转动惯量可按下式计算:LDJ44108.7 齿轮转动惯量:234411032.15.26.9108.7mkgJ 234421056.15.210108.7mkgJ 丝杆转动惯量:244431037.11102108.7mkgJ 电机转子惯量很小,可以忽略 232343231093.2)75.01001.080.1(800)1037.11056.1()5048(1032.1mk
15、gJ 切削进给时:mNMa563.01093.2)1.02001667(18075.03 空行程时:mNMa84.11093.2)1.02005000(18075.03 故总转矩:cmkgmNM36.27746.284.1061.0845.0 综合考虑,查步进电动机技术数据表选用 110BF003 型直流电动机,能满足使用要求。12 四、单片机型数控系统硬件电路设计 4.1 设计内容(1)按照总统方案以及机械结构的控制要求,确定硬件电路的方案,并绘制系统电气控制的结构框图;(2)选择计算机或中央处理单元的类型;(3)根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路;(4)根据控制对象以及系统工作要求设
16、计扩展接口电路,检测电路,转换电路以及驱动电路等;(5)选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号;(6)绘制出一张清晰完整的电气原理图,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详细的原理说明和方案论证。4.2 控制系统的功能要求(1)z 向和 x 向进给伺服运动控制(2)自动回转刀架控制(3)螺纹加工控制(4)行程控制(5)键盘及显示(6)面板管理(7)其他功能:光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。13 4.3 硬件电路的组成:后面所画大图采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下:(1)CPU 采用 8031 芯片
17、;(2)扩展程序存储器 2732 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)面板管理电路。数控系统结构框图 4.4 选择电气元件及电路设计 4.4.1 微机机型和扩展存储器的选择 确定微机机型就是选择 CPU。单片机价格低、可靠性较高,适用于控制,选择单片机做控制器比较合适。根据总体方案的确定,微机采用 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 8
18、051。目前,工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计就采用 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CPI/O光功步RA外 键盘、14 目前性能较高的 8 位单片微型计算机。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,可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量为 64K 字节,具有 5 个中断源并配有两个优先级,还有 21 个特殊功能寄存器。所以 8031 单片机是一种理想的 8 位微型计算机,在各种数控系统中的到广泛的应用。A程序存储器的扩展 a
19、选用 2732 芯片 常用的 EPROM 存储器有 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控制程序和加工程序,采用 4KB8 的 2732 芯片。2732 芯片是一个有 24 根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有 13 根地址线 A0A12,8 根数据线 D0D7,其余的为控制线。2732 低八位地址线和 74LS373 的输出端连接,高六位地址线直接与 8031 的P2.0P2.5 连接。它的八位数据线直接与 8031 的 P0 口连接。b地址锁存器 74LS373 单片机规定 P0 口提供低 8 位
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 课程设计 CA6140 普通 车床 纵向 进给 系统 数控 改造 经济型
限制150内