C618经济型数控机床横(纵)向改造.doc
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湖南工学院毕业设计说明书
目录
毕业设计任务书·························2
前言·························5
设计课题
1要求·························6
2设计参数·························6
3工作量·························7
4设计依据·························7
第一章经济型数控机床进给伺服系统机械部分计算
1切削力的计算·························8
2滚珠丝杆螺母副的计算和选型·························8
3齿轮传动比的计算·························12
4步进进电机的计算和选型·······················16
第二章进给伺服系统机械部分结构设计
························17
第三章经济型数控车床数控系统设计及硬件电路图
························19
第四章机床的加工程序编
························22
设计体会························24
参考文献························25
毕业设计(论文)任务书
一、设计题目:
C618经济型数控机床横(纵)向改造
二、设计依据及主要技术指标:
设计依据:
在C618原有车床基础上进行数控化改造,主要是滚珠丝杠副、步进电动机、数控系统的选择设计。
1)根据切削力大小计算滚珠丝杠副应承受的最大动载荷,从而选择滚珠丝杠副;
2)由减速齿轮Z1、Z2及滚珠丝杠的转动惯量,求得步进电动机的转动惯量、转矩,据此选择步进电动机;
3)依据机床的受控动作,设计数控系统,将机械行动的进给和手动控制的刀架转位改成由单片机控制的自动进给和刀架的自动转位,实现自动加工。
主要技术参数:
1)开环控制,两轴联动;
2)纵向脉冲当量0.01mm/脉冲,横向脉冲当量0.005mm/脉冲;
3)ISO国际数控标准格式代码编程;
4)故障自诊断功能,能与PC机通信。
三、设计基本要求:
(包括:
技术要求、工作要求、图纸要求、写作要求等)
工作要求:
1)车床X、Z坐标机械伺服机构的设计计算及装配图;
2)数控系统框图及硬件接线图的绘制;
3)环形分配子程序和直线插补子程序的框图设计与程序编写。
图纸要求:
两张以上A0纸,表达清楚,无明显结构错误,打印。
写作要求:
设计说明书要求叙述清楚,打印。
四、重点研究和解决的问题或指定的专题:
1)滚珠丝杠副、步进电动机的选择计算;
2)机床导轨的贴塑处理;
3)数控系统硬件原理图的设计;
4)环形分配子程序程序编写;
五、应搜集的资料数据及参考文献:
资料:
1)数控机床的发展概述;
2)C618卧式车床的技术参数;
3)滚珠丝杠副、步进电动机的技术参数;
4)部分芯片的使用资料;
参考文献:
[1]C618型卧式车床说明书
[2]林俊;机床数控系统课程设计指导书;北京:
中国科学技术出版社;1991.9
[3]赵长德;微机原理与接口技术;北京:
中国科学技术出版社;1990.9
[4]周鹏翔刘振魁主编,《工程制图》第二版,高等教育出版社,2000年5月
[5]唐增宝刘元俊主编,《机械设计课程设计》(修订版),华中理工大学出版社,1995年1月
[6]《机械设计手册》编写组编,《机床设计手册2》,机械工业出版社,1980年8月
[7]《机械设计手册》编写组编,《机床设计手册3》,机械工业出,1986年12月
[8]东北大学《机械零件设计手册》编写组编,《机床零件设计手册》第三版,冶金工业出版社,1994年5月
[9]华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编,《机床设计图册》,上海科学技术出版社,1979年6月
[10]雷晓玲主编,《综合作业指导书》,机械工业出版社,2000年11月
六、设计完成时应提交的文件:
1、毕业设计说明书或论文
2、毕业设计装配图
3、毕业设计(论文)任务书
4、读书(论文)笔记
七、进度计划安排:
1)方案论证及机械部分计算 1.5周
2)设计绘制机械总图及装配图 2.5周
3)设计绘制电路原理图 1周
4)绘制加工程序及整理说明1周
前言
经济型数控是我国80年代科技发展的产物。
这种数控系统由于功能适宜,价格便宜,用它来改造车床,投资少、见效快,成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。
十几年来,随着科学技术的发展,经济型数控技术也在不断进步,数控系统产品不断改进完善,并且有了阶段性的突破,使新的经济型数控系统功能更强,可靠性更稳定,功率增大,结构简单,维修方便。
由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力,根据我国国情,该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。
对于原有老的经济型数控车床,特别是80年代末期改造的设备,由于种种原因闲置的很多,浪费很大;在用的设备使用至今也十几年了,同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平,大大提高生产效率,创造更大的经济效益。
毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节,也是学生完成工程师基本训练的重要环节。
其目的培养学生综合运用所学专业和基础理论知识,独立解决本专业一般工程技术问题能力,树立正确的设计思想和工作作风。
毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容,方法和步骤,而且还反映了学生的文理修养和作风
本书在编写过程中,得到了指导老师刘吉兆教授和各位老师及同学的大力支持和热心帮助,在此表示谢意。
本设计在编写过程中,由于本人水平有限,说明书中有一些错误和欠妥之处,欢迎各位老师及同学提出意见和建议。
。
设计课题
1.要求:
将C618车床改造成用MCS—51系列单片机控制的经济型数控车床。
要求该车床有自动回转刀架,具有切削螺纹的功能。
在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。
系统分辨率纵向:
0.01mm.横向:
0.005mm
2、设计参数:
最大加工直径:
在床面上:
360mm
在床鞍上:
200mm
最大加工长度:
750mm
快进速度:
纵向:
2.0m/min
横向:
1.0m/min
最大进给速度:
纵向:
0.5m/min
横向:
0.25m/min
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。
控制坐标数:
2
最小指令值:
纵向:
0.01mm/step
横向:
0.005mm/step
刀具补偿量:
0~99.99mm
进给传动链间隙补偿量:
纵向:
0.15mm
横向:
0.075mm
自动升降速性能:
有
3、工作量:
(1)、机床改造总图;
(2)、进给伺服系统一个坐标轴(纵向或横向)的机械装配图:
(3)、单片机控制系统电路原理图;
(4)、设计计算说明书。
〈1〉、控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图
〈2〉、机械部分设计计算及结构设计说明
〈3〉、硬件电路部分设计说明
〈4〉、加工程序控制及说明
4、设计依据
(1)系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统。
考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高,为了简化结构、降低成本,采用步进电机开环控制系统。
(2)计算机系统
根据机床要求,采用8位微机。
由于MCS—51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、性能价格比高等特点,决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电大电路等组成。
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。
机功率放
(3)机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率,采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。
为了保证一定的传动精度跟平稳性,尽量减少摩擦力。
选用滚珠丝杆螺母副。
同时,为了提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负荷的结构。
齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
第一章经济型数控机床进给伺服系机械部分计算
1.计算切削力
(1)横切端面
主切削力F(N)按经验公式估算:
查《综合作业指导书》P13
—走刀方向的切削分力(N)
—车床身上加工最大直径(mm)=360mm
车床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时Z的
=0.673601.5=4576.45(N)
=4576.45=2288.2(N)
:
:
=1:
0.25:
0.4
—走刀方向的切削力
—垂直走刀方向的切削力
=0.25=572.06(N)
=0.4=915.19(N)
2.滚珠丝杆螺母副的计算和选型
①计算作用在丝杠上的最大动载荷(N)
对于燕尾型导轨。
参考表6.2—2,6.2—3两表〈〈机床设计手册.3〉〉
查书《综合作业指导书》P22
在正常情况下:
—考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15
—滑动导轨磨擦系数0.15~0.18
—溜板及刀架重力查《综合作业指导书》表1—1,取=800N
=1.15572.06+0.16(2288.2+800)=1121.2(N)
②计算最大动负载C
C=
查书《综合作业指导书》P22
参考《机床设计手册.3》P185~P210选用滚珠丝杆导轨
式中:
—滚珠丝杆导程。
初选
—为最大切削力条件下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3
取=0.8m/min
—使用寿命(h),对于数控机车取=15000h
—运转系数,按一般运转取1.2~1.5(查表3—14《综合作业指导》取为1.2
—硬度系数,取=1.0
—寿命以转为1单位
n—丝杆转速r/min
133.33
12010r
C==1.211121.2=6636.3(N)
③滚珠丝杆螺母副的选型
查阅附录A表A—2,可采用WD2505外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副,1列2.5圈,其额定功动负载为9700(N),精度等级按表《综合作业指导书》表3-17选为3级。
④传功效率计算:
=
式中:
r—螺旋升角,WD2505r=
—磨擦角取滚动磨擦系数0.003~0.004
⑤刚度验算
横向进给丝杠支承方式图1所示,最大牵引力1121.2N,支承间距L=350mm,因丝杠长度较短,不需预紧螺母及轴承预紧。
图1
a.丝杠的拉伸或压缩变形量
查《综合作业指导书》图3-4,根据
=1121.2N,
查出10-5可算出
==(0.8×10-5×350)mm=0.28×10-2mm
由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杆进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍。
其实际变形量(mm)为
=1/4=0.28×10-2/2=0.14×10-2mm
b.滚珠与螺纹滚道间接触变形
查《综合作业指导书》图3-5,W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量
=4.5μm
因进行预紧
=1/2=1/2×4.5=2.25μm
c.支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形
采用8104型推力球轴承,=20mm,滚动体直径=5.566mm,滚动体数量Z=13,
注意此公式中单位应为N
因施加预紧力,故
=1/2×=1/2×0.00573=0.002865mm
根据以上计算
=++=0.0014+0.0025+0.002865=0.006765<定位精度
因为查表达1-1《综合作业指导书》定位精度为±0.01
⑥稳定性校核
滚珠丝杆两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象不需作稳定性校核。
⑦横向滚珠丝杆副几何参数
WD2505滚珠丝杆副几何参数
参数名称
符号
关系式
WD2505
螺
纹
滚
道
公称直径
25
导程
6
接触角
钢球直径
3.175
滚道法面半径
=0.52
1.651
偏心距
=(-
0.045
螺纹升角
=
螺
杆
外径
=-(0.2~0.25)
24.365
内径
=+2-2
21.788
接触直径
=-Cos
21.83
螺
母
螺纹直径
=-2+2
28.212
内径
=+(0.2~0.25)
25.635
3.齿轮传动比计算
(1)进给齿轮箱传比计算
已知横向进给脉冲当量=0.005mm/step,滚珠丝杆导程=6mm,初选步进电动机步距角,可计算出传动比:
=
—脉冲当量(mm/step)
—滚珠丝杆的基本导程(mm)
—步进电机的步距角
===
因为可进定齿轮齿数为
=/=45/18或40/16
=45,=18或=40,=16
根据《机械设计》,又因进给给运动齿轮受力不大,模数m取2,
则有关参数如下表所示:
传动齿轮几何参数
齿数
16
40
分度圆
=
32
80
齿顶圆
=+2
36
84
齿根圆
=-221.25
27
75
齿宽
(6~10)
20
20
中心距
=(+)/2
58
(2)转动惯量计算
工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量
对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下公式估算
式中D—圆柱形零件的直径,cm;
L—零件的轴向长度,cm;
所以,丝杆转动惯量
齿轮的转动惯量
电动机转动惯量很小,可忽略。
因此,折算到步进电动机轴上总的转动惯量
②电机转矩的计算
机床在不同的公况下,其所需转矩是不同的,下面分别按个阶段计算:
a.快速进给进所需转矩:
=++
—快速空载起动转矩
—空载起动时计算到电机轴上的加速转矩(N.cm)
—计算到电机轴上的磨擦转矩。
—由于丝杆预紧里计算到电机轴上的附加转矩(N.cm)
将前面数据代入式中个符号意义同前
=r/min
起动加速时间=25ms
—电机最大转速
—运动部件最大快进速度(mm/min)
—运动部件从停止起加速到最大快进速度所需时间(S)
式中J—转动惯量,;
n—丝杠转速,;
T—时间常数,s。
当时
折算到电机轴上的磨擦转矩
=
式中—丝杆导程=6mm=0.6cm
—导轨的磨擦力(N)
—运动部件的总当量
—导轨摩擦系数,取=0.16
—齿轮降速比
—传动连总效率,一般可取0.7~0.85,取0.8
附加摩擦转矩:
=
—滚珠丝杆导程(cm):
=0.6cm
—滚珠丝杆未预紧时的传动效率一般取0.9;
—垂直走刀方向的切削力
==
=
=3.934N.cm
上述三项合计快速空载起动转矩:
=++=3.934+60.9+26.79=91.624N.cm
b.快速进给时所需力矩:
=+=91.624+3.934=95.588(N.cm)
最大的切削负载时所需转矩:
=++
—折算到电机轴上的切削负载力矩
=N.cm
从上面计算可知,、和三种工况下,以快进空载起动所需力矩最大,即可以取=91.624N.cm作为步进电机最大转矩
4.步进电动机的计算和选型
a)步进电机的选用的基本原则:
Ⅰ.步进角
步进角应满足
式中—传动比;
—系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角。
Ⅱ.精度
式中—步进电动机的累积误差;
—系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。
Ⅲ.转矩
启动转矩
式中—电动机启动力矩;
—电动机静负载力矩。
Ⅳ.启动频率
式中—极限启动频率;
—要求步进电动机最高启动频率。
b)步进电动机的确定
为满足最小步矩要求,电动机选用三相六拍的工作方式,从《现代机床设备》查表10-2中知:
所以步进电动机最大静转矩为
步进电动机最高工作频率
综合考虑,查步进电动机技术数据表选用110BF003直流步进电动机,能满足使用要求。
第二章进给伺服系统机械部分结构设计
机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图,用以表达,设计者构思,设计特点及计算结果一。
进给伺服系统总图设计:
1.横向进给伺服系统总图设计:
在进行横向进给伺服系统结构设计之前,必须对整个机床的布局有所了解在附图中给出了经济型数控车床的总图,图中细实线所画为原机床未改造的部分,粗实线为改造设计部分。
从图中可以看出来,纵向进给机构,在原机床装进给箱的位置,将进给箱拆除,装伺服系统齿轮箱,在箱体的左面装步进电机,滚珠丝杆右端轴承座仍装在原机床滑动丝杆后轴承座处。
滚珠丝杆装有挡板,以防止切屑掉下损坏滚珠丝杠。
将C618的溜板箱拆除,在滚珠螺母座前面有控制板,装有急停,电源开关等几个按钮,便于工人操作。
总图上还必须画出此车床上加工螺纹的部件光电编码器在经济型数按车床上,利用光电编码器装在主轴或在主轴箱与主轴保持一定传动比的伸出轴上,当主轴旋转一圈时,光电编码器就发出一定数量的脉冲,输入计算中,经过计算的运算,控制步进电机,带功滚珠丝杠,使刀架进给一定的螺距。
而光电编码器用弯板装在主轴箱左端面,通过弹性联轴器与主轴箱中一伸出轴相连,因伸出轴不可能与弹性联轴器的尺寸完全一致,故中间还要设计一个中间过渡套。
2.进给伺服系统的装配图
经过计算,已知此横向进给系统采用110BF003步进电机,经过一对齿轮减速,齿轮系数=16。
=40。
模数m=2滚珠丝杆公称直径为=50mm。
滚珠丝杠螺母副先用的是外循环沟槽式垫片凋隙WD2505。
进行结构设计进,注意考虑以下问题:
(1)进行改造设计时,将原C618车床进给箱挤掉,利用原来的安装基面安装齿轮箱体45。
因而必须注意齿轮箱体螺钉中心距的尺寸,应保证箱的安装螺钉和销钉均在原来的安装基础面上,床尾的轴承座仍要装在原C618车床尾部轴承的加面上。
(2)为保证滚珠丝杠与导轨平行设计时,应注意使齿轮箱体的丝杠中心,与床尾轴承座中心线距安装基面尺寸一致以保证水平面的丝杠与导轨平行。
齿轮箱体在床身上的安装螺钉的位置与车尾轴承座螺钉在床身上的安装位置必须根据床身具体情况确定,以保证在垂直面内丝杆与导轨平行。
水平面内的平行度达不到要求可刮研齿轮箱体或床尾轴承座的安装基面,如垂直面内平行度达不到要求,可安装螺钉的过孔进行调整,调好后,插入定位销。
(3)保证滚珠丝杠转动平稳,轻快,必须使滚珠丝杆螺母座板定19与丝杠两端支承同轴,设计时,在螺母座与弯板之间设计垫片58,装调时可以修磨垫片来保证螺母座在平面内与两面端支承同轴,垂而直面内的同轴,靠螺钉地过孔来的调整,调好后,打入销钉。
(4)在水平面内应使丝杠中心线距轨的距离尽量小,否则将层产生颠复力矩,增大磨擦力,使运动不平稳,利用床身的凹面,使齿轮箱体背面比安装基面突出33mm。
就使丝杠中心距安装基面尺寸为42mm。
不用此床身的凹入面,因为110BF003型步进电机外圆直径为φ130,就会使丝杆中心距安装基面尺寸至少为645mm这样设计是不合理。
但是在的设计箱体外形时,必须根据床身的具体形状不可使箱身与床凹入之毛面干涉。
(5)步进电机装在箱体左侧,利用短圆柱面中,在箱体上定位,由于是定位面,一定要在图上标注出孔的尺寸及配合。
(6)设计中滚珠螺母副采用了垫片调整方式预紧,即用修磨垫片使滚珠丝杠滚珠与两个滚珠螺母挤紧,避免在反向失步:
a)消隙齿轮,是采用两个薄片齿轮,中间开有三个月芽形的槽放入压簧,并用三个内六角螺钉固定,这种消隙齿轮的装配顺序是:
首先将双片只轮相对转过一个齿轮,使双片尖轮的齿轮的矢对齐,弹簧38受压,上紧螺钉30装入箱体后,将螺钉30松开,弹簧38将双片齿轮沿用向错开,消除与齿轮的侧隙,此时财将螺钉30上紧,在设计时,箱壁上要留有可进伸入六角搬手孔,弹簧两端用削扁的销子39压住。
(7)当车床床鞍移动时,滚珠丝杠要受到轴向力,此轴向力由床身前端的两个止推轴承承受,向左的轴向力通过挡圈21。
止推轴承22,挡块23,传到齿轮箱体上,向右的轴向力则通螺母37,齿轮31,径向轴承28,轴套27,挡圈26。
到左边的止推轴承22,经挡块23传到端盖24上,此端盖与齿轮箱体用螺钉固连,绘图注意止推轴承22的动圈和不动圈的画法,与挡块23接触的一边是不动圈,其内孔和轴颈之间要画出间隙。
床尾部分的圆螺母2是用来对丝杠进行预拉伸,以增加丝杠的刚度,外侧的圆螺母是锁紧用的,由于旋转螺母2进行预拉伸时,端面磨擦力大,故要止推轴承5以上减小端面磨擦力。
第三章经济型数控车床数控系统设计及硬件电路图
硬件电路是用MCS—51系列单片机组成的控制系统,给系统采用8031作CPU。
扩展了两片2764芯片,一片6264芯片,两片8155可编程并行I/O
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- 关 键 词:
- C618 经济型 数控机床 改造