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c616纵向数控改造
第一章绪论
一、问题的提出
数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题,且能稳定产品的加工质量,大幅度地提高生产效率。
但从目前企业面临的情况看,因数控机床价格较贵,一次性投资较大使企业心有余而力不足。
我国作为机床大国,对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。
二、改造的意义
2.1节省资金
机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用,大型及特殊设备尤为明显。
一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。
即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用,并可以利用现有地基。
2.2性能稳定可靠
因原机床各基础件经过长期时效,几乎不会产生应力变形而影响精度。
2.3提高生产效率
机床经改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。
对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。
且可以不用或少用工装,不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。
第二章总体方案确定
2.1改造方案的确定
在进给传动系统中,数控系统对纵向进给系统进行开环控制,驱动元件采用步进电动机。
纵向采用步进电动机—减速齿轮—滚珠丝杆螺母副—床鞍的传动方式。
2.2机械部分改造的设计
1.纵向进给机构的改造
滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置,两端采用原固定方式,这样可减小改装现场,并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠,从而使纵向进给整体刚性略优于以前。
2.纵向进给系统的设计。
经济型数控车床的改造,一般是步进电动机经减速后驱动丝杠,螺母固定在溜板箱上,带动刀架左右移动。
步进电动机的布局可放置在丝杠的一端,对车床改造来说,外观不必像产品设计要求那麽高,而从改造方便实用方便来考虑。
一般都把步进电动机放在纵向滚珠丝杠的左端。
2.3纵向进给系统的设计计算
已知条件是
工作台重力:
W=800N时间常数:
T=25ms
滚珠丝杠基本导程:
L=6mm
脉冲当量:
δ=0.01mm/step
步距角:
а=0.75°/step快速进给速度:
V=2m/min
1. 切削力的计算:
由《机床设计手册》可知切削功率
Nc=NηK
式中 N-------电动机功率,查机床说明书,N=4Kw
η――-主传动总效率,一般为0.6~0.7,取0.65
K--------进给系统功率系数,取为K=0.96
则 Nc=(4X0.65X0.96)KW
又因为 Nc=Fzv/6120
Fz=6120Nc/V.
式中V------切削线速度,取V=100m/min.主切削力为
Fz=(6120X2.496/100)kgf=152.76kgf=1527.6N
由《金属切削原理》可知,主切削力
Fz=CFzаpfyFzKpz
查表得 CFz=188kgf/mm2=1880MPa
XFz=1 yFz=0.75 Kpz=1
则可计算Fz=1520N时,切削深度ap=2mm,进给f=0.3mm,以此参数作为下面计算的依据。
从《机床设计手册》中可知,在一般外圆的车削时
ap/mm
2
2
2
3
3
3
f/mm
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
Fz/mm
1125
1524
1891
1687
2287
2837
Fx=(0.1-0.6)Fz Fz=(0.15~0.7)Fz
取 Fx=0.5Fz=(0.5X1527.6)N=763.8N
Fy=0.6Fz=(0.6X1527.6)N=916.5N
2. 滚珠丝杠设计计算.综合导轨车床丝杠的轴向力
P=KFx+f(Fz+W)
式中 K=1.15,f=0.15~0.18, 取为0.16
P=1.15X763.8+0.16X(1527.6+800)
=1250.8N
强度计算 寿命值
L1=60n1Ti/106
n1=n主f/L0=1000vf/3.14DL0
取工件直径D=80mm,查表得T1=15000h.
则 n1=1000X100X0.3/3.14X80X6=20r/min
Li=60X20X15000/106=18
最大动负载 Q=L1/3PfwfH
查表得运转系数fw=1.2 硬度系数fH=1
则 Q=181/3X1.2X1X1250.8=3933.6N
根据最大动负荷Q的值,可选择滚珠丝杠的型号。
例如,滚珠
丝杠可以参照南京工艺装备厂的产品样本选取用于数控改造滚珠丝杠副FFZL3206LH-3,其额定动载荷是10689N,所以强度足够用。
效率计算:
根据《机械原理》的公式。
丝杠螺母的传动效率,η为
η=tanγ/tan(γ+φ)
式中 摩擦角φ=10′,螺旋升角γ=3°25′.
η=tan3°25′/tan(3°25′+10′)=0.953
刚度验算:
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
ΔL1=±PL0/EF
式中:
L0=6mm=0.6cm;E=20.6X166N/cm2。
滚珠丝杠截面积
F=3.14X(d/2)=(2.8031)2X3.14mm2
则ΔL1=±PL0/EF=±(1250.8X0.6/20.6X106X(2.8031/2)2X3.14)
=±5.9X10-6cm
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL2很小,可忽略,即:
ΔL1.所以导程变形总误差厶为
Δ=ΔLX100/L0=(100/0.6X5.9X10-6)=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为15μm/m,故刚度足够。
稳定性验算:
由于机床原丝杠直径声30mm,现选用的滚珠丝杠
直径为声32mm,支承方式不变,所以稳定性不存在问题。
③齿轮及转矩的有关计算。
有关齿轮计算:
传动比为
i=φL0/360δp=0.75X6/360X0.01=1.25
故取 Z1=32 Z2=40
m=2mm b=20mm а=20°
d1=mz=2X32mm=64mm
d2=mz2=2X40mm=80mm
da1=d1+2ha=68mm
da2=d2+2ha=84mm
a=(d1+d2)/2=(64+80)/2=72mm
转动惯量计算:
工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量
J1=(180p/3.14φ)2W=(180X0.01/3.14X0.75)2X80=0.468kg.cm2
丝杠的转动惯量
Js=7.8X10-4D4L1=7.8X10-4X3.24X140.3=11.475kg.cm2
齿轮的转动惯量
J21=7.8X10-4X6.44X2=2.617kg.cm2
J22=7.8X10-4X84X2=6.39kg.cm2
电动机转动惯量很小可忽略
因此,总的转动惯量:
J=1/i2(Js+J22)+J21+J1
=1/1.252(11.475+6.39)+2.617+0.463
=14.519kg.cm2
所需转动力矩计算:
快速空载起动时所需力矩
M=Mamax+Mf+M0
最大切削负载时所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mi
快速进给时所需力矩
M=Mf+M0
式中 Mamax一——空载起动时折算到电动机轴上的加速度力矩;
Mf——折算到电动机轴上的摩擦力矩;
M0——由于丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;
Mat——切削时折算到电动机轴上的加速度力矩;
Mi——折算到电动机轴上的切削负载力矩。
Ma=10-4Jn/9.6T
当n=nmax时,Mamax=Ma。
Nmax=vmaxi/L0=200X1.25/6
=416.7r/min
Mamax=14.519X416.7X10-4/9.6X0.025
=2.52N.m
ni=n0if1/L=1000X100X0.3X1.25/3.14X80X6=24.88r/min
Mat=14.519X24.88X10-4/2X3.14X0.8X1.25=0.1505N.m
Mf=F0L0/2X3.14Xη2=fWL。
/2X3.14Xηi
当η=0.8 f=0.16 则
Mf=0.16X80X0.6/2X3.14X0.8X1.25=12.23N.cm
M0=P0L0(1-η02)/2X3.14Xηi
当η0=0.9时,预加载荷P0=FX/3,则
M0=FXL0(1-η02)/6.X3.14Xηi
=76.38X0.6X(1-0.92)/6X3.14X0.8X1.25
=4.62N*cm
Mi=FxL0/2X3.14Xη2
=76.38X0.6/2X3.14X0.8X1.25=72.97N*cm
所以,快速空载起动所需力矩
M=Mamax+Mf+M0
=(25.72+1.223+0.462)
=274.05N*cm
切削时所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mi
=(1.536+1.223+0.462+7.297)
=105.18N*cm
快速进给时所需力矩
M=Mf+M0
=(1.223+0.462)
=16.85N*cm
由以上分析计算可知:
所需最大力矩Mmax发生在快速起动时
Mmax=274.05N*cm
纵向进给机构采用了一级齿轮减速,并用双片齿轮错齿法消除间隙,双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙,因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。
当负载较大时,弹簧弹力显得小,起不到自动消除间隙的作用;当负载较小时,弹簧弹力又显得大,则加速齿轮的磨损。
为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。
刀架的改造。
拆除原刀架和小拖板,换上数控刀架。
进给传动链为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。
刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱
纵向齿轮箱和丝杠全部加防护罩,以保持防尘和机床整体美观。
2.4.机床导轨改造
卧式车床上的运动部件,如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。
导轨就是支承和导向,即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下,能准确的沿着一定的方向运动。
导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性,直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。
数控机床上,常使用滑动导轨和滚动导轨。
滚动导轨摩擦系数小,动静摩擦系数接近,因而运动灵活轻便,低速运行时不易产生爬行现象。
精度高,但价格贵。
经济型数控一般不使用滚动导轨,尤其是数控改造,若使用滚动导轨,将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。
因此,数控改造一般仍使用滑动导轨。
滑动导轨具有结构简单,刚性好,抗振性强等优点。
普通机床的导轨一般是铸铁—铸铁或铸铁—淬火钢导轨。
这种导轨的缺点是静摩擦系数大,且动摩擦系数随速度的变化而变化,低速时易产生爬行现象,影响行动平稳性和定位精度,为克服滑动导轨的上述缺点,数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑,使其成为贴塑导轨。
贴塑导轨摩擦系数小,且动静摩擦系数差很小,能防止低速爬行现象;耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定,且有良好的自润滑性和抗振性,加工简单,成本低。
目前应用较多的聚四氟乙稀(PTEE)贴塑软带,如美国生产的Twrcite—B和我国生产的TSF软带材料,次、此种软带厚度为0.8㎜、1.6㎜、3.2㎜等几种规格。
考虑承载变形,宜厚度小的规格,如果考虑到加工余量,选用厚度为1.6㎜为宜。
贴塑软带粘贴工艺非常简单,可直接粘结在原有的滑动导轨面上,不受导轨形式的限制,各种组合形式的滑动导轨均可粘结。
粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。
根据导轨尺寸长度放大3~4㎜,切下贴塑软带。
金属粘结面与软带结面应清洗干净,用特殊配制的粘合剂粘结,加压固化,待其完全固化后进行修整加工。
作为导轨面的表面,根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工,以满足装配要求。
2.5步进电动机的选择
摩擦力矩
Mf=FT/2πni
式中——导轨的摩擦力F0=f'(Fm+G)T——丝杠导程(cm);
i=z2/z1
快速进给时所需力矩M快=MF+M0
即M快=Mf+M0=8.1+1.9=10N*cm
最大切削负载时所需力矩M切=M0+Mf+Mt=1.9+8.1+48=58
即M其、
经过上述计算后,在M快、M切两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。
对于数控机床来说,因为要保证一定的动态性能,负载力矩又大于加速力矩,所以M切作为选择步进电机的依据。
3.6.2步进电机的选择
目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机,因此在本设计中采用反应式步进电机。
首先根据最大静转矩MJMAX初选电机型号,由于步进电机的切削
转矩M切与最大静转矩MJMAX有如下关系:
式中
的取值又有如下关系:
M切/
≤MJMAX
步进电机
相数
三相
四相
五相
六相
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
在本设计中横向采用四相八拍的反应式步进电机,纵向采用五相十拍步进电机
若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩为
M=MJMAX/0.3
0.5
取安全系数为0.3,则Mq=50.07/0.3=167N*cmMq′=61/0.3=203N*cm
步进电机最高工作频率
最大空载频率:
——最快进给速度,
。
为了保证不失步,采取降速措施。
最大切削频率:
Vz=0.6m/minvmax=0.48*0.6=0.2886m/min
所以根据以上数据,纵向选取一个90BF002型步进电机,电机的的相关参数如下:
型号
主要技术参数
外形尺寸(mm)
重量(N)
步
距
角
最大静转矩
(
)
最高空载启动频率(Hz)
相
数
电压(V)
电流(A)
外径
长度
轴径
90BF002
1.5
3.92
3800
5
80
7
90
145
9
4.5
由于只靠最大静转矩来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求,也就是说,尽管最大静转矩数值能满足要求,但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。
所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。
通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性的分析,电机的转矩大于总转矩,并且
,所以选择的这个电机符合本设计要求。
第三章控制系统硬件、软件设计
C616车床的主轴转速部分保留原机床的功能,即手动变速。
车床的纵向(Z轴)进给运动采用步进电机驱动。
由8031单片机组成微机作为数控装置的核心,由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动,经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动,从而实现车床的纵向进给运动。
本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。
外界2764EPROM,作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。
再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。
采用译码法对扩展芯片进行寻址,采用74LS138译码器完成此功能。
8279作为系统出入输出口扩展,分别接键盘的出入、输出显示,8255接步进电机的环形分配器,分别并行控制X和Z轴的步进电机。
另外,还要考虑机床与单片机之间的光电隔离,功率放大电路等。
各引脚功能简要介绍如下:
4.1.1源引脚
Vss:
电源接地端。
Vcc:
+5v电源端。
4.1.2输入/输出(I/O)口线
8031单片机有P0、P1、P3、P4四个端口,每个端口8根I/O线。
当系统扩展外部存储器时,P0口用来输出低8为并行数据,P2口用来输出高8为地址,P3口除可作为一个8位准双向并行口外,还具有第二功能。
在进行第二功能操作前,对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。
3.1信号控制线
RST/VPD:
RST为复位信号线输入引脚,在时钟电路工作以后,该引脚上出现两个机器周期以上的高电平,完成一次复位操作。
Vpp:
当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。
当EA为低电平时,CPU仅执行外部程序存储器中的程序。
XTAL1:
振荡器的反相放大器输入,使用外部震荡器时必须接地;
XTAL2:
振荡器的反响放大器输出,使用外部振荡器时,接受外围震荡信号;
3.28255A可编程并行I/O口扩展芯片
8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接,它具有三个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送、中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。
8255A的结构及引脚功能:
3.2.18255的结构
8255的内部结构包括三个8为并行数据I/O口,两个工作方式控制电路,一个读写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器,各部
分功能介绍如图4-2所示:
三个8位并行I/O口A、B、C
A口:
具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器,可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。
B口:
具有一个8位数据输出锁存/缓存器和一个8位输入或输出寄存器,但不能双向输入/输出。
C口:
具有一个8位数据输出锁存/缓存器和一个8位输入缓冲器,C口可分为两个4位口,用于输入或输出,也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。
3.2.2工作方式控制电路
A、B两组控制电路把三个端口分别分成A、B两组,A组控制A口各位和C口高四位,B组控制B口各位和C口低四位。
两组控制电路各有一个控制命令寄存器,用来接收由CPU写入的控制字,以决定两组端口的工作方式。
也可根据控制字的要求对C口按位清0或置1。
3.2.3读/写逻辑电路
他接受来自CPU的地址信号及一些控制信号,控制各个口德工作状态。
3.2.4数据总线缓冲器
它是一个三态双向缓冲器,用于和系统的数据中线直接相连,以实现CPU和8255之间信息的传送,如图4-3所示。
3.2.5引脚功能
8255为双列直插式40引脚封装芯片。
D7-D0三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。
PA7-PA0、PB7-PB0及PC7-PC0A口、B口及C口的输入/输出线。
CS片选信号线,低电平有效。
RD读出信号线,低电平有效。
WR写入信号线,低电平有效,控制数据的写入。
A1、A0端口选择信号,用来寻址控制端口和I/O端口。
RESET复位信号线,高电平有效。
有效时,控制寄存器的内部都被清零,三个I/O端口都被置成输入方式。
Vcc+5V电源。
GND接地。
3.38255端口的寻址
一块8255芯片内,AB两组控制电路各有一个控制寄存器,由CPU输入的控制字来决定三个I/O端口的工作方式。
两个控制寄存器一起构成控制端口,占用一个端口地址。
同时8255芯片内有A、B、C三个I/O端口,各须占用一个端口地址。
这四个端口地址用A1、A0两个端口选择信号选择。
3.3.1工作方式
8255有三种工作方式:
即基本输入/输出方式-方式0、选通输入/输出方式-方式1、双向输入/输出工作方式-方式2(只有A口可以选择这种工作方式)。
3.3.28255的控制字
8255A在投入工作前必须设定工作方式,工作方式由初始化程序对8255的控制寄存器写入控制字来决定,控制字有两种。
分别是工作方式控制字和C口德按位置/复位控制字。
两种控制字写入的控制端口相同。
由于两种控制字都有特征位,因此写入顺序可以任意。
在工作中,随时可以根据需要对C口的某位置1或清0。
3.3.3可编程键盘,显示器接口—Intel8279
1)、8279内部结构:
数据缓冲器及I/O控制逻辑
数据缓冲器是一个双向缓冲器,它连接内部总线和外部总线,用于传送CPU和8279之间的命令,数据和状态。
2)、控制与定时寄存器以及定时与控制电路
8279为一个可编程芯片,其工作方式等通过写入一些命令来设置。
控制与定时寄存器用来寄存操作命令字,通过对命令字译码产生相应的控制信号,控制8279的各个部件的协调工作,完成相应的功能。
3)、扫描计数器
扫描计数器有两种工作方式。
一种为外部译码方式。
计数器以二进制方式计数,4为计数状态从扫描结SL0~SL3输出,经外部译码后的16位扫描信号:
另一种为内部译码方式。
3.4部分硬件接口电路及辅助电路设计
本系统接口电路包括程序存储器扩展电路、数据存储器扩展电路、键盘显示接口电路和步进电机接口电路,辅助电路包括时钟电路、复位电路、计数电路和警报电指示路。
3.4.1外部EPROM电路
EPROM2764芯片28引脚,其主要有16根地址线,8跟数据线,片选端(CR),输出允许端(OE)等。
由于EPROM一般不含有地址锁存器,因此8031的P0口要经过机制锁存器74LS373与EPROM低8位地址端相连,P2口与2764高8为地址端相连,如图3-5所示。
数据线有8031的P0口直接与2764的8位数据端相连。
控制线的链接。
2764的OE端与8031的PSEN相连。
ALE与74LS373的OC端相连。
由于扩展了一片8K的EPROM,因此2764片选端(CE)应接地,同时8031的EA端应接地。
该芯片的地址范围0000H~FFFFH。
3.4.2外扩RAM电路
SPAM6264芯片为28引脚,主要有15个地址端(A0~A14)、8个双向三态数据端、片选端(CE)、读选通端(OE)、写允许端(CE)等。
地址连接:
8031的低八位地址经P0口通过74LS373与6264的低八位地址端相连高位地址线只用7根与6264的高7为地址端相连。
在数据线链接上,同2764芯片一样,P0口直接与6264数据端相连。
控制端链接,片选端应接8031的P2.7端,OE、WE分别于8031的RD、WE端相连接来控制6264的读写。
该芯片的地址范围是0000H~7FFF。
图4-5外部EPROM电路
图4-6扩展2764EPROM
步进电机驱动接口电路
由前面总体设计可知,步进电机的脉冲发生采用硬件实现,设计给定的条件要求电机采用4相8拍,本设计所采用的芯片为YB1044相8拍环形分配器。
为了防止强电干扰及其他干扰信号通过
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