CA6140车床数控化改造Word下载.docx
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China'
sactualconditionsandeconomicCNClatheisfromtheordinarytothelatheandNClatheimportantdevelopmentstage.Useofexistingordinarylathe,NCtransformationisitslowcostandhighlyefficientway.CNClatheasatypicalelectromechanicalintegrationproducts,machinerymanufacturingplaysanenormousrole,goodsolutiontothestructuralcomplexityofmodernmachinery,precision,smallbatches,changeablepartsprocessing,abletostabilizethequalityoftheprocessingproducts,asignificantincreaseinproductionefficiency.Asthebigmachine,CNCmachinetoolswaslessthan3.0%share.However,inEuropeandtheUnitedStatesandotherdevelopedcountriestoachievethe36%shareoftheCNCmachinemoreIcanseefromthefiguresoverEuropeandtheUnitedStatesandotherdevelopedcountriesthereisstillaconsiderabledistance.ThemainreasonforthehigherpricesofCNClathe,aone-timeinvestmenttofilllargerenterprises.CNCtransformationoftheordinarywouldbeabetterprocess.Latheinthemetalprocessingindustryaccountsforthelargestproportionofallprocessingequipment,forexample,themostcommonshaft.Papersfromthemachiningcostisthepresentstatusofdomesticenterprises.SimpleCA6140madetothegeneraleconomicNClatheideasanddesignmethods.
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目录
第一章总体方案……………………………………………………………………4
第二章进给伺服系统机械部分设计与计算…………………………………………6
第三章控制系统的设计…………………………………………………………10
第四章第一象限直线插补框图和软件流程............................................................16
结 语………………………………………………………………………………19
做毕业设计的心得…………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………………21
第一章总体方案设计
CA6140车床结构示意图
(一)控制系统设计总方案:
(1)本设计PC机采用MCS-51系列中的8031单片机扩展系统,计算机控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成,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。
(2)系统的硬件由中央处理单元(CPU)、三总线(地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB)、存储器(程序存储器ROM、数据存储器RAM)及接口(I/O)4部分组成。
(二)机械部分设计总方案:
(1)主传动系统,保留原有的主传动系统和变速机构,这样既保留了机床原有的功能,又降低了改造工作量,如果要自动改变切削速度,可采用交流变频调速,这样改造成本较高,本次改造主传动系统不做任何改动。
(2)进给传动系统改造纵、横向传动全部用滚珠丝杠(传动效率高,达到90%)。
(拆除原有的挂轮系统、进给箱、溜板箱、光杆),在溜板下加装滚珠丝杠螺母托架,在滚珠丝杠的头、尾部加装接套、接杆及支承。
(3)刀架部分不做改动,一次裝夹一把刀,不能自动换刀。
机床本体是由CA6140改造而来,拆除原来的丝杆,溜板箱,变速箱等,保留原来的三爪卡盘等。
各种限位开关,减速开关,回零开关均安装在机床本体上,限位开关是起这硬件硬限位的作用,当车床加工工件超出加工范围时,车床自动停止加工。
减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时,减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。
考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。
本车床的X,Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆的传动方案。
拆除原来的丝杆,增加少量的机械附件,就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。
(三)伺服系统的选择:
(1)
数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
所以系统采用功率步进电机作为驱动元件,整个系统为开环步进系统,结构简单,成本较低且能满足工作要求。
(2)步进电机及其驱动器是采用驱动器的输入电压式45V,考虑步进电机的步距角和丝杆的螺距,本系统X轴的脉冲当量是0.05,Z轴的脉冲当量是0.05。
完全能够达到0.05mm的加工精度要求。
第二章进给伺服系统机械部分设计与计算
(一)导轨的参数计算以及选择
(二)伺服电机的计算以及选择
将一台CA6140普通数控车床改造成数控车床,采用MCS—51系列单片机控制系统,步进电机开环控制,具有直线和圆弧插补功能,具有升降速控制功能,其主要设计参数如下:
1.最大加工直径:
在床面上;
D400MM
2.在床鞍上D210MM
3.最大加工长度:
1000MM
4.溜版以及刀架重力:
纵向:
800N,横向600N,
5.刀架最快速度:
2.4M/MIN,横向:
1.2M/MIN
6.最大进给速度:
纵向0.6M/MIN,横向,0.3M/MIN
7.主电动机功率:
7.5KW
8.起动加速时间:
30MS
9.机床定位精度:
0.015MM
10.附电气安装图:
此机床进给伺服系统运动以及动力计算如下:
一.脉冲当量选择0.05
二.计算切削力
主切削力Fs(N)安经验公式估算:
Fx=0.67Dmax=0.67x400=5360
按切削力个分力比例:
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4
Fx=5360x0.25=1340
Fy=5360*0.4=2144
三.横切端面
主切削力Fx(1N)可以取纵向切削力的1/2
Fx
(1)=(1/2)*Fx=2680
此时走刀的抗力Fy(1N),吃刀力为Fx(1N)。
仍然按上述比例粗率计算:
Fx
(1):
Fy
(1):
Fx
(1)=1:
Fy
(1)=2680*0.25=670
Fx
(1)=2680*0.4=1072
四.滚珠丝杠螺母副的计算和选型
一)纵向进给丝杠
1.计算进给率引力Fm(N)
纵向进给为综合性导轨
Fm=KFx+f
(1)(Fz+G)
式子中
K:
考虑到颠覆力矩影响的实现系数,综合捣鬼取K=1.15
F:
(1)滑动导轨摩擦系数:
0.15—0.16
G:
溜板以及刀架重力。
G=800N
2.计算最大动负荷C
选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万(106)转后,在它的滚道上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C,计算如下:
C=LfF(m)
L=(60*n*T)/1000000
n=1000v/Lv
其中Lv:
滚珠丝杠导程,初选为6MM:
v:
最大切削力写的进给速度,可取最高进给速度的(1/2—1/3),此处取0.6M/MIN
T:
使用寿命,按15000H
f:
运转系数,按一般运转取。
1.2—1.5
L:
寿命,以1000000转为一个单位
求得:
n=(1000*0.6*0.5)/6=50r/min
L=(60*50*15000)/1000000=45
C=10798.7N
3.滚珠丝杠螺母副的选型
查表得到,可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副
4.传动效率计算
η=tanγ/tan(γ+φ)
式中.螺旋升角,W1L4006
γ=2°
44′
φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003~0.004
η=tanγ/tan(γ+φ)
=tan2°
44′/tan(2°
44′+10′)=0.94
5.刚度演算
6.最大牵引力为2530N,支撑间距L=1500mm,丝杠螺母以及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负荷的1/3
(1)丝杠的拉伸或者压缩变形量§
查表得到,根据Pm=2530N,Do=40mm,查出§
L/L=1.2*0.00001
§
(1)=1.2*0.00001*1500=0.018mm
由于两端都是采用向心推力球轴承,并且丝杠又进行了预拉伸,所以拉伸刚度可以提高四倍
所以实际变形量为0.0045
(2).滚珠与螺纹道间接触变形
查表得到W系列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量:
因为进行了预紧所以为6.4/2=3.2微米。
(3).支撑滚珠丝杠的轴方向接触变形
采用8107型号的推力球轴承,D1=35MM,滚动体直径为6.35MM,滚动体的数量为18,
可以求出接触变形为:
1/2*0.0075=0.0038MM
根据以上的计算:
求出§
=0.0045+0.00320+0038=0.0115<
定位精度
7.稳定性校核
1.
(1)滚珠丝杠两端推力轴承,不会产生不稳定现象,不需要作稳定性核准。
(2)横向进给丝杠
(3)横向导轨为燕尾形,计算如下:
F(1m)=1.4*670+0.2(2680+2*1072+600)=2032N
2.计算最大负荷c
n=1000*0.3*0.5/5=30
L=60*30*15000/1000000=27
C=3*1.2*2030=7283N
选择滚珠丝杠螺母副
从表中可以查处,W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚丝副,额定动载荷为8800N。
可以满足要求,选定精度等级为3
(三)传动效率计算,通过计算得到传动效率为0.965
(四)刚度演算
横向进给丝杠支撑方式。
最大的牵引力为2425N,支撑间距为450M。
因为丝杠的长度比较短,不需要预紧,螺母以及轴承预紧。
计算如下:
(一)丝杠的拉伸或者是压缩变形的量
查图,根据F(1m)=2023,D0=20mm,查出§
/L=0.00005,可以计算出变形量为=4.2*0.00001*450=0.0189mm
(二)滚珠与螺纹滚道间接触变形
查表得到为8.5微米
因为进行了预紧所以变形量为4.25微米
(三)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形
采用8102推力轴承,Dq=4.763,z=12,d=15mm
可以求出变形量为0.0094mm
考虑到进行了预紧,所以变形为0.0047mm
综合以上及格变形量之和:
总的变形量为0.0189+0.0043+0.0047=0.0279mm,显然此变形量已经大过定位精度的要求,应该采用相应的措施修改设计,因为横向的溜板空间的限制,不应该再加大滚珠丝杠的直径,所以应该采用贴塑导轨减小摩擦力,可以减小最大的牵引力,重新计算如下:
F(1m)=1.4*670+0.04(2680+2*1072+600)=1155N
查表可以得到当为1155的时候,轴向的变形量为0.0108,其他两个的变形量不变。
总的变形量可以求出为1/4*0.0108+0.0043+0.0047=0.0117mm。
检验可以得到这样才符合要求
(五)稳定性校核
计算临界负荷Fk(N),
I=0.3899
Fk=78214N
Nk=67.7
所以滚珠丝杠不会产生不稳定的情况。
五:
步进电动机的计算和选择
纵向步进电动机的计算.
等效惯量计算
参考同类的机床,初选反映式步进电动机150BF,其转子的惯量是10
运动件的转动惯量J∑可由下式计算:
J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]
式中
J1,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量(kg·
cm2)
Js—滚珠丝杠转动惯量(kg·
计算得到J
(1)=0.00078*6.4*6.4*6.4*6.4*2=2.6
J
(2)=0.00078*8*8*8*8*2=6.39
J(3)=0.00078*4*4*4*4*150=29.952
带入到折算到电动机上的计算公式得到电动机的转动惯量为36.355。
1.1)计算步进电机负载转矩Tm
Tm=(360δpFm)/(2πθbη)
=(360×
0.01×
1775)/(2×
3.14×
0.75×
0.98×
0.99×
0.99)N·
mm=141.26N·
cm
式中:
δp—脉冲当量(mm/step);
Fm—进给牵引力(N);
θb—步距角,初选双拍制为0.75°
;
η—电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积,分别为0.98,0.99,0.99;
2).估算步进电机起动转矩Tq
Tq=Tm/(0.3~0.5)
=1412.5/0.3N·
mm=4708.6N·
mm=470.8N·
3).计算最大静转矩Tjmax
Tjmax=Tq/0.951=4951.3N·
mm=495.13N·
2.电机的力矩计算
机床在不同的工作情况之下,他的所需要转矩也是不同的,下面分别按照阶段进行计算:
(
一)T负1=Tf+To+T惯
折算到电机轴上的摩擦转矩Tf
Tf=FoLo/2πηi=[f′(FY+G)×
Lo]/[2πη(Z1/Z2)]
=634.5N·
附加摩擦转矩To
To=[FpoLo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)Fm×
Lo(1-ηo2)i]/(2πη)
=94N.cm
T负1=634.5+94+153=881.5N·
(二)快速移动时所需转矩T负2
T负2=T摩=Tf+To=94+153N·
cm=247N·
(三)最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩T负
T负4=T切+T摩+T惯
=94+153+127.96N·
cm=375N·
从上面计算可以看出T负1,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.
从表中可以查出,当步进电动机为五相十拍时的最大静力矩是927N。
CM
按照这个最大静转力矩从表中查出,150BF002型号的最大静转力矩是13.72N.M大于所需要的最大力矩,可以作为初选型号。
3.计算步进电机空载时候的启动频率和切削时候的工作频率
启动时候的频率为(1000*2.4)/(60*0.01)=4000HZ
工作时候的频率为(1000*0.6)/(60*0.01)=1000HZ
从表中可以查出150BF002型号的步进电动机启动频率特性和运行时候的频率特性曲线看出,当步进电动机启动时候频率是2500HZ,M=100N.CM远远的不能满足机床空载启动时候的力矩要求。
直接使用会产生失步现象。
所以可以利用软件实现升降速度的控制,启动频率降低到1000HZ的时候,启动力矩可以提高到588.4N.CM当快速运动和切削进给的时候,150BF002型号的步进电机完全可以满足要求。
车床进给图KC-1
第三章控制系统的设计
MCS-51系列单片机是于1980年Intel公司退出的,它的集成度很高是集片内储存器,片内输入/输出部件和CPU于一体的优良单片机系统,经过20几年的发展单片机控制技术已走向成熟,所以在此次CA6140车床数控化改造过程中MCS-51系列单片机扩展系统
MCS-51系列单片机有三种型号:
8031.8051.和8751。
三种型号的引脚完全相同,仅在内部结构上有少数差异。
8031片内无ROM,适用于需扩展ROM,可在现场修改和更新程序存储器的应用场合,其价格低,使用灵活,非常适合在我国使用。
所以在对CA6140车床数控化改造中控制系统采用MCS-51系列8031型单片机扩展系统
一块8031的功能几乎相当于一块280CPU,一块RAM,一块280ctc,两块280PIO和一块280IO所组成的微机系统,只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。
8031芯片引脚及其功能:
8031芯片具有40根引脚,
40根引脚按其功能可以分为四类:
1.电源线2根。
Vcc:
编程和正常操作时的电源电压,接+5V。
Vss:
地电平。
2.晶体振荡器2根。
XTAL1:
振荡器的反向放大器输入。
使用外部振荡器时必须接地。
XTAL2:
振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。
当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。
3.I/O口共有P0、P1、P2、P3四个8位口,32根I/O线,其功能如下:
(1)P0.0—P0.7(AD0—AD7)
是I/O端口0的引脚。
端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。
在存取外部存储器时,该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口(在此时内部上拉电阻有效)。
(2)P1.0—P1.7
端口1的引脚,是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道,专供用户使用。
(3)P2.0—P2.7(A8—A15)
端口2的引脚。
端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,在访问外部存储器时,它输出高8位地址A8—A15。
(4)P3.0—P3.7
端口3的引脚。
端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。
作为第一功能使用时,口的结构与P1操作与口完全相同,第二功能如下所示:
口引脚
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