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东北大学自考毕业论文

目录 1 绪论 ............................................................................................................... 3 2 设计要求 ....................................................................................................... 7 2.1 总体方案设计要求 ................................................................................ 7 2.2 设计参数 .............................................................................................. 10 2.3.其它要求 .............................................................................................. 13 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 ......................................................... 14 3.1 进给系统机械结构改造设计 .............................................................. 14 3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 .............................................. 14 3.2.1 确定系统的脉冲当量 ................................................................... 16 3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 ................... 16 3.2.3

横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 ........................ 21

3.2.4 齿轮有关计算 ............................................................................... 23 4 步进电动机的计算与选型 ........................................................................ 32 4.1 步进电动机选用的基本原则 .................................................................. 32 4.1.1 步距角α ....................................................................................... 32 4.1.2 精度 ............................................................................................... 32 4.1.3 转矩 ............................................................................................... 33 4.1.4 启动频率 ....................................................................................... 33 4.2 步进电动机的选折 .............................................................................. 34 4.2.1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 ..................................... 34 4.2.2CA6140 横向进给系统步进电机的确定 ...................................... 34 5 主轴交流伺服电机 ..................................................................................... 35 5.1 主轴的变速范围 .................................................................................. 35 5.2 初选主轴电机的型号 .......................................................................... 36

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5.3 主轴电机的校核 .................................................................................. 36 6 微机控制系统硬件电路设计 ..................................................................... 36 6.1 控制系统的功能要求 .......................................................................... 36 6.2 硬件电路的组成: .............................................................................. 37 6.3 设计说明 .............................................................................................. 37 7.CA6140 数控车床电气控制设计 .............................................................. 40 7.1 CA6140 车床电气控制 ........................................................................ 40 7.1.1 CA6140 车床运动形式[11] .......................................................... 40 7.2 CA6140 数控车床电气控制设计 ........................................................ 41 7.2.1 CA6140 数控车床主电路设计 ..................................................... 41 8 车床改造的结构特点 ................................................................................. 42 8.1 滚珠丝杆 .............................................................................................. 42 8.2 导轨副 .................................................................................................. 43 8.3 安装电动卡盘 ...................................................................................... 43 8.4 脉冲发生器 .......................................................................................... 43 9 安装调整中应注意的问题 ......................................................................... 43 9.1 滚珠丝杠螺母副的选择: ...................................................................... 43 滚珠丝杠螺母副的选择: 9.2 滚珠丝杠螺母副的调整: .................................................................. 44 9.3 联轴器的安装: .................................................................................. 44 9.4 主轴脉冲发生器的安装: .................................................................. 44 结论 ................................................................................................................ 44

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1 绪论
数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好 地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定 的加工质量和提高生产率,其应用越来越广泛,但是数控的应用也受到其 他条件限制: (1)数控机床价格昂贵,一次性投资巨大,中小企业常是心 有力而力不足; (2)目前,各·企业都有大量的普通机床,完全用数控机 床替换根本不可能,而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费; (3)在国 内,订购新数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足生产急需; (4) 通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好的解决上述问题,应走通用机床数控改造之路。普通机床的改 造就是在普通机床上增加微机数控装置,使其具有一定的自动化能力,以 实现额定的加工工艺目标。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经在开始迅速 发展,并有专门企业经营这门业务。目前,国外已发展成为一个新兴产业 部门,从美国、日本等工业化国家的经验看,机床的数控化改造也必不可 少, 如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化改造, 中小企业则达 74%。 在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥 有 300 多万台机床的国家,其中大部分是多年积累生产的普通机床,自动 化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床,不论是资金还 是中国机床制造厂的能力都是办不到的,因此,普通机床的数控化改造大 有可为,它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平,已成为中国设备 技术改造的主要方向之一。 机床数控化改造的优点: (1)改造闲置设备,能发挥机床原有的功能和改 造后的新增功能, 提高了机床的使用价值, 可以提高固定资产的使用效率; (2)适应多品种、小批量零件生产; (3)自动化程度提高、专业性强、加 工精度高、生产效率高; (4)降低对工人的操作水平的要求; (5)数控改 造费用低、经济性好; (6)数控改造的周期短,可满足生产急需。因此, 我们必须走数控改造之路。 普通车床(如 C616,C618,CA6140)等是金属切削加工最常用的一类 机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递 而来,通过进给箱变速后,由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移 动。进给参数要靠手工预先调整好,改变参数时要停车进行操作。刀架的 纵向进给运动和横向进给运动不能联动,切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向进给系统改为用微 机控制的、能独立运动的进给伺服系统;刀架改造成为能自动换刀的回转 第 3 页 共 51 页

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刀架。这样,利用数控装置,车床就可以按预先输入的加工指令进行切削 加工。由于加工过程中的切削参数,切削次序和刀具都会按程序自动调节 和更换,再加上纵向和横向进给联动的功能,数控改装后的车床就可以加 工出各种形状复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而提高了生 产效率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 普通机床数控化改造经济性评价[1] 根据对市场的调研,目前新的经济数控车床,8.5 万/台,普通新车床 CA6140,售价 3.8 万/台,使用寿命 8-10 年,而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140,估价 0.5 万/台,通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每 台数控化改造所需价格大约 3 万,数控加工的生产率可提高 20-30%。因此 需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用 现代技术成就和先进经验,适应生产的需要,改变现有设备的结构(包括 更换新部件、新装置、新附件等) ,改善现有设备的技术性能,使之全部或 局部达到新设备的性能。 设备现代化改造是广义设备更新的一种方式,因此,研究现代化改造 的经济性与设备更新的其他方式相比较。一般情况下,与现代化改造并存 的可行方案有: 继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更新新设备。决策 的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。各种方 案的设备使用总成本,根据参考文献[1],机械工程手册的经济分析,选用下 列公式计算:

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由以上计算结果,比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果 设备只使用 3 年,以继续使用原设备方案为最佳;如果使用 4-6 年,则对 原设备进行大修理的方案为佳;如果设备使用 6 年以上到 8 年,则最佳方 案是将原旧机床改装为数控化机床;如果使用 9 年以上,则可更将普通机 床更换为全新数控机床为最佳方案。 因此通过以上经济性评价,对使用 6-8 年的普通车床,将其改造为数 控化车床是比较经济和可行的。

2 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等,因此,数控系 统选连续控制系统。 (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。 第 7 页 共 51 页

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(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,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、具有 很高的性价比,因此,可选 MCS—51 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。 总体方案设计图如下图(2)所示: 进给伺服系统总体方案方框图如图(3)所示

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加 工 形 工 件 状

编 程

手 输 工 入

计 机 算

磁 带

步 电 进 机 变 箱 速 工 件

控 计 机 制 算

功 放 器 率 大 车 床

变 箱 速

步 电 进 机

图 2) 控 床 造 总 方 示 图 ( 数 车 改 的 体 案 意

床 及 板 鞍 拖 Z向 光 电 隔 离 光 电 隔 离 功 率 放 大 功 率 放 大 步 进 电 机 X向 步 进 电 机 中 板 拖

微 机

图 3) 济 数 车 进 伺 系 方 框 ( 经 性 控 床 给 服 统 案 图

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2.2 设计参数
设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的 参数。 现列出 CA6140 卧式车床的技术数据: 名称 在床身上 工件最大直径 在刀架上 210mm 顶尖间最大距离 650;900;1400;1900mm 宋制螺纹 英制螺纹 mm t/m 1---12(20 种加工螺纹 2---24(20 种) 0.25---3(11 种) 7---96(24 种) 技术参数 400mm

模数螺纹 mm 径节螺纹 t/m

最大通过直径 孔锥度 莫氏 6# 正转转速级数 轴 主

48mm

24

正转转速范围 10—1400r/min 反转转速级数 反转转速范围 纵向级数 进给纵向范围 横向级数 横向范围 12 14---1580r/min 64 0.028---6.33mm/r 64 0.014---3.16mm/r

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滑板行程

横向 纵向

320mm 650;900;1400;1900mm

最大行程 140mm 刀架 最大回转角 ±90°

刀杠支承面至中心的距离 26mm 刀杠截面 B×H 25×25mm

顶尖套莫氏锥度 5# 尾座 横向最大移动量 ±10mm

外形尺寸

长×宽×高

2418×1000×1267mm

圆度 工作精度 平面度 表面粗糙度 R 圆柱度 0.02/φ300m

0.01mm 200:0.02

1.6---3.2μm

电动机功

主电动 总功率 第 11 页

7.5kw 7.84kw 共 51 页

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改造设计参数如下:

最大加工直径 在床鞍上 最大加工长度

在床面上 210mm 1000mm

400mm

快进速度 横向 纵向 横向 溜板及刀架重力

纵向

2.4m/min 1.2m/min 最大切削进给速度 0.5m/min 0.25m/min 纵向 横向 800N 600N

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

脉冲当量

纵向 横向

0.01mm/脉冲 0.005mm/脉冲

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机床定位精度

±0.015mm

刀具补偿量

0mm---99.99mm

进给传动链间隙补偿量 横向

纵向 0.075mm

0.15mm

自动升降速性能



2.3.其它要求 其它要求
(1) 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。 (2)机械结构改装部分应注意装配的工艺性,考虑正确的装配顺序, 保正安装、调试、拆卸方便,需经常调整的部位调整应方便。

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3 进给伺服系统机械部分设计 与计算
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。

3.2 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:确定脉冲当量、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。计算简图如下图所示: 第 14 页 共 51 页

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图 4-1 纵向和横向进给系统图

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3.2.1 确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量 数控机 床加工精度的一个基本参数。 因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来 确定。对经济型数控机床来说,常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中,要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 fp=0.005mm/step。

3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择 雨校核步骤
(1)最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷 Fm(N)是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠 丝 杠所承受的轴向力,也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力 及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 第 16 页 共 51 页

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由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨, 则用公式 3-1 计算 工作载荷的大小。 Fm=KFL+f’(Fv+G) 1)车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 Fx﹑Fy﹑Fz, 主切削力 Fz 与主切削速度方向 一致 垂直向下,是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直,影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方 向平行且相反指向,设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时,车床的主切削力 Fz 可以用下式计算: Fz=CFzαPXFzfyFzVnFz KFz =5360(N) 由《金属切削原理》知: Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内,车刀受到的车削抗力将传递到进给 拖板和导轨上,车削作业时作用在进给托板的载荷 F1﹑Fv 和 Fc 与车刀所 受到的车削抗力有对应关系。 因此,作用在进给托板上的载荷可以按下式求出: 托板上的进给方向载荷 托板上的垂直方向载荷 托板上的横向载荷 因此,最大工作载荷 F1=Fx=1340(N) Fv=Fz=5360(N) Fc=Fy=2144(N) (3-3) (3-2) (3-1)

Fm=KFL+f’(Fv+G) =1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8) =1790.68(N)

对于三角形导轨 K=1.15, f’=0.03~0.05,选 f’=0.04(因为是贴塑导轨),G 第 17 页 共 51 页

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是 纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量, 选纵向﹑横向溜板箱的重量为 75kg, 刀架重量为 15kg. (2)最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用,可用式 3-4 计算:

C=错误!未找到引用源。fmm 错误!未找到引用源。 错误 (3-4)

L 为工作寿命, 单位为 10r, L=60nt/10;n 为丝杠转速 (r/min) ,n=1000v /L0;v 为 最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的 因 1/2~1/3;L0 为丝杠的基本导程, 查资料得 L0=12mm;fm 为运转状态系数, 为此时有冲击振动,所以取 fm=1.5. V 纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min n 纵向=v 纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min ∴ L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5

则 C=错误!未找到引用源。fmFm =错误!未找到引用源?!?.5× 错误! 错误! 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。 1790.68=11740(N) 初选滚珠丝杠副的尺寸规格,相应的额定动载荷 Ca 不得小于最 大载荷 C;因此有 Ca>C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载,那么还 需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。 即要考虑滚珠丝杠的 额定静载荷 Coa 是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=2~3. 初选滚珠丝杠为:外循环,因为内循环较外循环丝杠贵,并且较难安 装??悸堑郊蛞拙酶淖?,所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD63×8-3.5-E 型,主要参数为 Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2o19 ’,圈数×列数 3.5×1 第 18 页 共 51 页

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(3)纵向滚珠丝杠的校核 1)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为η η=tgλ/tg(λ+φ)=tg2o19 ’/tg(2o19 ’+10’)=92(3-5)

2)刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化,从而影响其定位 精度和运动平稳性,滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形,丝杠和 螺母之间滚道的接触变形,丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的 变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 丝杠的拉压变形量δ1 δ1=±Fml/EA (3-6)

=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2 =0.0064mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2 采用有预紧的方式, 因此用公式 δ2=0.0013×错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 (3-7) 错误

=0.0013×错误!未找到引用源。2 错误!未找到引用源。 错误 =0.0028mm 在这里 Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68=597N Z=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53 Z∑=41.53×3.5×1=145.36 丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 0.015mm,故所选丝杠合格。 第 19 页 共 51 页

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3)压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作负载过大,将使丝 杠失 去稳定而产生纵向屈曲,即失稳。失稳时的临界载荷为 Fk Fk=fz2EI/L2 (3-8)

式中: 为丝杠材料弹性模量, E 对钢 E=20.6×104Mpa; 为截面惯性矩, I 4 4 对丝杠圆截面 I=πdl /64(mm )(dl 为丝杠的底径);L 为丝杠的最大工作长度 (mm) 为丝杠的支撑方式系数由表 3-1 查得。 ;fz 表 3-1: 方 式 Fz 两端端自由 0.25 一端固定一端自由 2.0 两端 固定 4.0 两端 简支 1.0

由 Fk=fzπ2EI/L2 且 fz==2.0, E=20.6×104Mpa, dl4/64mm4,L=2800mm 为丝杠的长度 由于 I=πdl4/64 =π(63-5.953)4/64 =3.14×57.0474/64 =519614mm Fk=2×3.142×20.6×104×519614/28002 =276276 Nk=276276/1875 =149>>4 所以丝杠很稳定。

I=π

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3.2.3 校核步骤

横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与

(1)型号选择 1)最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨,则:k=1.4 f’=0.05,F1 为工作台进给方向载荷, Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作载荷:Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G) =1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75) =3440.4N 2)最大动载荷的计算 V 横=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/min n 横丝=v 横×1/2/L0 纵=1106×1/2/4=138.25r/min L=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43 C=错误!未找到引用源。fmFm =错误!未找到引用源?!?.5× 错误!未找到引用源。 错误! 错误 错误 未找到引用源。 3440.4=25763.7N ∴初选滚珠丝杠型号为:CD50×6-3.5-E 其基本参数为 Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈数×列数 ×3.5×1

(2) 横向滚珠丝杠的校核 1)传动效率η计算 η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2o11 ’/tg(2o11 ’+10’)=93%

2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 第 21 页 共 51 页

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δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 δ2=0.0013×错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误 =0.0013×错误!未找到引用源。2 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误

=0.0070mm 在这里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56 Z∑=39.56×3.5×1=138.48 丝杠的总变形量 δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm 查表知 E 级精度允许的螺距误差为 0.015mm,故所选丝杠合格 (3)滚珠丝杠螺母副的精度等级: 数控机床根据定位精度的要求通常选用 1---5 级精度的滚珠丝杠, 1---5 级 度丝杠的行程公差数值如表(2)所示: 表(2)滚珠丝杠行程公差/μm 符 号 有效 行程 lm/mm < 315 315~ 目标行程公差 e p 400~ 500 8 1 0 5 1 20 2 7 400 精度等级 1 6 2 8 3 1 2 1 3 4 16 5 2 3 2 5

项目

7

9

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500~ 630 < 315 315~ 行程变动量公差 V mp 500 500~ 630 任意 300mm 内行程变 动量 2πrad 内行程变动量 V 300p V 2πp 400 400~

9

1 1 8 6

1

22

3 0 2 3 2 5 2 6 2 9 2 3 8

6

1 2 1 2 1 3

16

6

8 1 0 1 1 8

17

7

19

7

1 4 1 2 6

21

6

16

4

5

7

3.2.4 齿轮有关计算
(1)纵向齿轮及转矩的有关计算 1)有关齿轮计算,由前面的条件可知: 工作台重量:W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算) 滚珠丝杠的导程: Lo=12mm 步距角: 脉冲当量: α=0.75°/step δp=0.01mm/step

快速进给速度:Vmax=2m/min 所以,变速箱内齿轮的传动比 i=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误 错误 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误! 错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=2.5 (3-9)

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齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模数 m=2mm 压力角α=20°

齿宽 b=20mm 齿轮的直径

d1=mz1=2×32=64mm

d2=mz1=2×40=80mm dα2=d1+2ha*=68mm dα2=d2+2ha*=84mm 两齿轮的中心矩 源。 =72mm 2)转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W 错误!未找到引用源。(错误!未找到引用源。错误!未找 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 错误! 2 错误! 错误! 找到引用源。 到引用源。 错误 未找到引用源。 错误 到引用源。) =错误!未找到引用源。 (错误!未找到引用源。 )2 ×80× 2 错误!未找到引用源。 (3-10) 错误!未找到引用源。=0.467kg.cm 对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算: J=7.8×10-4D4L 式中 kg.cm2 (3-11) a= 错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用 错误!未找到引用源。 错误!

D---圆柱形零件的直径,cm L---零件的轴向长度,cm

所以,丝杠的转动惯量: J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475 kg.cm2 齿轮的转动惯量: 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=7.8×10-4×6.44×2=2.617 kg.cm2 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=7.8×10-4×84×2=6.39 电动机转动惯量很小,可忽略。 因此,折算到步进电机轴上的总的转动惯量 J=(1/i2)错误!未找到引用源。 S+Jz2)+Jz1+J1=(错误!未找到引用源。) 错误! (J 错误! 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。 第 24 页 共 51 页 kg.cm2

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(11.475+6.39)+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2

表(3)滚珠丝杠的转动惯量 丝杠名 义直径/mm 导程 /mm 4 20 5 5 25 6 5 30 6 5 35 6 8 5 40 6 8 6 45 8 10 6 50 8 3)所需转动力矩计算 第 25 页 共 51 页 37.64 4.47 9.26 8.72 8.30 80 16.29 15.45 90 15.18 26.13 24.54 22.63 39.75 120 24 1144.60 100 12 12 16 20 20 392.75 649.56 615.16 562.44 1233.93 12 10 255.84 420.31 70 8 10 12 10 157.35 150.47 145.13 263.49 2.00 4.91 60 10 12 78.02 74.96 0.84 2.24 1m 长丝 杠的转动惯 量 kg.cm2 0.94 50 12 8 31.98 81.58 丝杠名 义直径/mm 导程 /mm 10 1m 长丝 杠的转动惯 量 kg.cm2 35.76

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快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo 式中, Mamax---空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma---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; Mo---由丝杠预紧所引起,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力矩; Mt---折算到电动机轴上的切削负载力矩; Ma=错误!未找到引用源?!?0-4N.m 错误!未找到引用源。 错误 (3-12) 式中, J---转动惯量, kg.cm2 n---丝杠转速,r/min T---时间常数,s 当 n=nmax 时 Ma=Mamax

错误! 错误! nmax=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 引用源。 引用源。=416.7 r/min Mamax=错误! 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 错误 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 ×10-4=2.49N.m 当 n=nt 时, Ma=mat nt=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引用 错误! 错误! 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 错误! 源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=24.88 r/min 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 Mat=错误! 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 ×10-4=0.0616N.mMf= 错误 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。N.cm 第 26 页 共 51 页

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(3-13) 式中 f’---导轨上的摩擦系数 nt---切削加工时的转速,r/min; w---移动不见的重量,N; Lo---丝杠导程,cm; i---传动比; η--- 传动效率。 当 η=0.8 f’=0.16 时,

Mf=错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。= 12.23 N.cmMo= 错误! 错误 未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。 错误! 错误!未找到引用源。(1-错误!未找到引用源。) (3-14) 式中, ηo---丝杠未预紧时的效率,取 0.9 FO---预加载荷,一般为最大轴向载荷的 1 / 3,即 FP / 3 则 Mo=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源?!?1-0.92) 错误! 错误! 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。 错误! 错误! 未找到引用源。 ! 未找到引用源。 错误! 错误 未找到引用源。 ! 未找到引用源。 错误! 错误 未找到引用源。 未找到引用源。 =8.108N.cm Mt=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找 错误! 错误! 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 到引用源。 到引用源。=128 N.cm 所以,快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm 由以上分析计算可知:所需最大力矩 Mamax 发生在快速启动时 Mmax=123.338 N.cm (2)横向齿轮及转矩的有关计算 第 27 页 共 51 页

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1)有关齿轮计算,由前面的条件可知: 工作台重量:W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算) 滚珠丝杠的导程: Lo=4mm 步距角: 脉冲当量: α=0.75°/step δp=0.005mm/step

快速进给速度:Vmax=1m/min 所以,变速箱内齿轮的传动比 i=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。 错误! 错误 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误! 错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错 未找到引用源。 误!未找到引用源。=1.67 齿轮的有关参数选取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模数 m=2mm 压力角α=20°

齿宽 b=20mm d1=36mm da1 =40mm d2=60mm da2=64mm

a=48mm

2)转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W 错误!未找到引用源。(错误!未找到引用源。错误!未找 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 错误! 2 到引用源。 错误 未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误! 错误! 错误! 到引用源。) =错误!未找到引用源。 (错误!未找到引用源。错误!未找 2 到引用源。 错误! 到引用源。 ) ×30×错误!未找到引用源。=0.0439 kg.cm2 错误 未找到引用源。 丝杠的转动惯量: Js=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2 齿轮的转动惯量: 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=7.8×10-4×3.64×2=0.262 kg.cm2 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=7.8×10-4×64×2=2.022 kg.cm2 电动机转动惯量很小,可忽略。 第 28 页 共 51 页

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因此,折算到步进电机轴上的总的转动惯量 J=(1/i2)错误! 错误! 未找到引用源。 (J +Jz1+J1=(错误! 错误! 未找到引用源。 2 ) 错误 未找到引用源。 S+Jz2) 错误 未找到引用源。 2 2 (0.624+2.022)+0.262+0.0439=1.258 kg.cm =12.58N. cm 3)所需转动力矩计算 nmax=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引 错误! 引用源。 错误! 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源。错误! 用源。错误!未找到引用源。 用源。错误!未找到引用源。=416.7 r/min Mamax=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误!未找 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误! -4 到引用源。 到引用源?!?0 =0.2184N.m=2.18kgf.cm nt=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=错误!未找到引用 错误! 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误! 源。错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。=33.17 r/min Mat=错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。错误!未找到引用 错误! 错误 未找到引用源。 错误!未找到引用源。错误! 源?!?0-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm Mf=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。 错误! 错误!未找到引用源。 错误 未找到引用源。 错误!未找到引用源。 =0.287kgf.cm=0.028N.m Mo=错误! 错误! 未找到引用源。错误! =错误 未找到引用源。 未找到引用源。 ×(1-0.92) =0.649kgf.cm 错误 未找到引用源。错误! 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 =0.065N.m 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 Mt=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=错误!未找到引用 错误! 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 错误 =10.242kgf.cm 错误! 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 =1.024 N.m 源。 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 所以,快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm 由以上分析计算可知:所需最大力矩 Mamax 发生在快速启动时 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm 第 29 页 共 51 页

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(3)绘制进给伺服系统的机械装配图 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型,完成齿轮传动比计算 后 可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。 在绘制机械装配图时,除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给 机构 与原机床的联系外, 还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 1) 了解原机床的详细结构, 从有关资料中查阅床身、 纵溜板、 横溜板、 刀架等的结构尺寸。 2) 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号, 轴承座的 结构以及轴承预紧和调节方式,确定齿轮轴支承轴承的型号。 3)减速齿轮的参数和结构尺寸计算,确定齿轮侧隙的调整方法,在满 足装配工艺的前提下,合理设计齿轮箱结构。 4) 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如,应保证丝杠两端 支承与滚珠丝杠螺母同轴,保证丝杠与机床导轨平行,考虑螺母座。轴承 座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮 箱上的联接与定位等。 5)考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如,丝杠螺母的润 滑、防尘、防铁屑?;?、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限 位?;ぷ爸玫?。 6)在进行各零部件结构设计时,应注意装配的工艺性,考虑正确的装 配顺序,保证安装、调试和拆卸的方便。 此外,注意绘制装配图时的一些基本要求。例如,制图标准、视图布 置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的 标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。

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4 步进电动机的计算与选型 4.1 步进电动机选用的基本原 则
合理选用步进电动机是比较复杂的问题,需要根据电动机在整个系统 中的实际工作情况,经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基 本的原则介绍如下:

4.1.1 步距角α 步距角α
步距角应满足 α ≤错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。 错误 (4-1) 式中, i---传动比 αmin---系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角

4.1.2 精度
步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量, 累积误差是指转 子从任意位置开始,经过任意步后,转子的实际转角与理论转角之差的最 大值,用累积误差衡量精度比较实用,所选用的步进电动机应满足: △θm≤i [△θs] (4-2) 式中, △θm ---步进电动机的累积误差。 [△θs]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。

4.1.3 转矩
为了使步进电动机正常运转(不失步,不越步)正常启动并满足对转 速的要求,必须考虑以下条件 第 31 页 共 51 页

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起动力矩。一般选取为 Mq≥MLo/0.3-0.5 (4-3) 式中,Mq---电动机起动力矩 MLo---电动机静负载力矩 根据步进电动机的相数和拍数,启动力矩选取如表(4)所示,表中 MJM 为步进电动机的最大静载矩,是步进电动机技术数据中给出的。 表(4)步进电动机相数、拍数启动力矩表 相 运 行方式 数 拍 数 Mg/Mjm 3 3 4 4 5 5 6 6

3 0. 5 866

6 0. 707

4 0. 707

8 0. 809

5 0. 951

10 0. 866

6 0. 866

12 0.

在要求的运行频率范围内,电动机运行运行力矩应大于电动机的静载 力矩与电动机转动惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。

4.1.4 启动频率
由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低, 因此,相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足: Ft≥[fop]m 式中,ft---极限启动频率, [fop]m---要求步进电动机最高启动频率。 (4-4

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4.2 步进电动机的选折 4.2.1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定
Mq=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=308.35 N.cm 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 为满足最小步距要求,电动机选用三相六拍工作方式,查表知: Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩 Mjm 为: Mjm=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。=356.06 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 N.cm 步进电动机最高工作频率: fmax=错误! 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 =3333.3 HZ 错误 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 综合考虑,查步进电机技术数据表选用 90BF002 型直流电动机,能满 足使用要求。

4.2.2CA6140 横向进给系统步进电机的确定
Mq=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 未找到引用源。 误!未找到引用源。=63.3 N.cm 电动机仍选用三相六拍工作方式,查表知: Mq/Mjm=0.866 所以步进电动机最大静转矩 Mjm 为: Mjm=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 未找到引用源。 误!未找到引用源。=73.09 N.cm 步进电动机最高工作频率: fmax=错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错 错误! 错误 未找到引用源。错误!未找到引用源。 未找到引用源。 误!未找到引用源。=3333.3 HZ 为了便于设计和采购,仍选用 90BF002 型直流电动机,能满足使用要 第 33 页 共 51 页

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求。

5 主轴交流伺服电机
5.1 主轴的变速范围
主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn, 即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽,切削速度与刀具,工件直 径变化 很大,所以主轴变速范围很宽。 由于 Nmax=1800 Nmax/nj=2nj/min 则 nj=错误!未找到引用源。=113r/min 错误! 错误 未找到引用源。 这里 nj 为电动机的额定转速 该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为: Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2) 主轴电机的功率是:7.5kw nmax=14 (5-1)

5.2 初选主轴电机的型号 初选主轴电机的型号
选主轴电机的型号为:SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为 1HP6167-4CB4,连续负载 PH/KW=14.5,间隙负载(60%)/kw=17.5kw,短时 负载(20min)/kw=19.25kw,额定负载 n/r.min-1=5000,最大转速 nmax/ r/min=8000,额定转矩 277N.m,惯性矩 0.206/kg.m2 晶体管 PWM 变频器型 号为 6SC6058-4AA02

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5.3 主轴电机的校核
电动机恒恒功率调速范围: Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16 所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。

6 微机控制系统硬件电路设计
6.1 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。

6.2 硬件电路的组成: 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; (2)扩展程序存储器 2764 两片,6264 一片; 第 35 页 共 51 页

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(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。

6.3 设计说明
(1)CPU 采用 8031 芯片,由于片内无程序存储器,数据存储器也只 有 128 字节,因此,扩展外部程序存储器 2764 两片(16KB) ,数据存储器 6264(8KB)一片。8031 的 I/O 口也不能满足输入输出口的要求,本系统 也扩展了两片 8155 可编程接口芯片。 (2)采用 74LS138 三--—八译码器的输出作为片选信号。2764(1) 、 2764(2) 、6264、8155(1)和 8155(2)的片选信号分别接到译码器的 Y0~Y4,74LS138 的输入 A、B、C 分别接 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。 (3)由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址线,A0~A7 低 8 位接 74LS373 芯片的输出。A8~A12 接 8031 芯片的 P2.0~P2.A,74LS373 地 址锁存器在选通信号 ALE 在高电平时直接传送 8031P0 口低 8 位地址,当 ALE 在高电平变低电平的下降沿时,低 8 位地址锁存器,此时,P0 口可用 来向片外传送读写数据。 (4)接口芯片与外设的联接及设计说明如下: 8155(2)PA.0~PA.7 输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大 电路直接驱动纵向和横向步进电机的共八相绕组。在本系统中采用软件环 形分配器方式,虽然运行速度慢一些,但可以省去两个硬件环形分配器, 电路比较简单,由于步进电机的每一相绕组需和一个 I/O 接口相连,以便 与控制寄存器中某一指定相位对应,因此,占用的 I/O 口数量较多。 8155(2)的 PC.0~PC.5 作为显示器位选信号,显示器的段选信号则由 8031 的 P1.0~P1.7 发出,8155 的 PB.0~PB.3 是键盘扫描输入。 行程限位报警信号+Z,-Z,+X,-X 分别通过 8155 (2) PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 的 提出中断请求,根据不同的中断口可以直接识别行程的方向,此时相应的 第 36 页 共 51 页

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红灯报警。 8155 小的 PC.0~PC..3 接自动回转刀架(四方刀架) ,自动回转刀架需 要换刀时,由 PC.0~PC..3 发出换位信号,经交流控制箱控制刀架电机回转, 到达指定的刀位。刀架夹紧后,即发出回答信号,表示已完成换刀过程, 可以进行切削加工?;坏痘卮鹦藕啪?8155(1)的 PB.5 输入计算机,控制 刀架开始进给。 8155(1)PA.0~PA.5 接控制面板上的控制开关,设有编辑空运行、自动、 手工(I) 、手工(II) 、回零等选着方式。 8155(1)PB.0~PB.4 接控制面板上的按钮开关,设有启动、暂停、单段 运行、连续运行、急停等操作功能。 加工螺纹时,与车床主轴相连的光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号 和零位螺纹信号,螺纹加工信号送入 8031 的 T0,通过设置不同的时间常 数,可以改变主轴每转时的纵向进给量,从而加工出不同螺距的螺纹,零 位螺纹信号送入 8155(1)的 PB6,用来防止多次走刀时螺纹乱扣。 (5)系统各芯片采用全地址译码,各存储器及 I/O 接口芯片地址编码 见表(5) (6)操作面板设计方案之一见图(5) : 表(5)芯片地址编码 接 74LS138 引脚 片 内地址 单元(字 节) 8K

芯片

地址选择线

地址编码

2746(1)

Y0

000X XXXX XXXX XXXX

0000H~1F FFH 2000H~3F FFH 4000H~5F FFH 7E00H~7E FFH

2746(2)

Y1

001X XXXX XXXX XXXX

8K

6264 81 55(1) AM R

Y2

010X XXXX XXXX XXXX 0111 1110 XXXX XXXX

8K

Y3

256

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I/ O R 81 55(2) O AM I/

Y3

0111 1111 1111 1XXX

6

7FF8H~7FF DH 9E00H~9E FFH 9FF8H~9FF DH

Y4

1001 1110 XXXX XXXX

256

Y4

1001 1111

1111 1XXX

6

表(2)滚珠丝杠行程公差/μm 表(3)滚珠丝杠的转动惯量 表(4)步进电动机相数、拍数启动力矩表

7.CA6140 数控车床电气控制设 计
7.1 CA6140 车床电气控制 7.1.1 CA6140 车床运动形式 车床运动形式[11]
车床的主运动是主轴带动工件的旋转运动,主轴变速是由主轴电动机 经V带 传递到主轴变速箱实现的。 车床的进给运动是刀架带动刀具的直线运动。车床的辅助运动是车床 上除切 削运动以外的其它一切必需的运动。如尾架的纵向移动,工件的夹紧 第 38 页 共 51 页

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与放松等。 7.1.2 电力拖动特点和控制电路 主拖动电动机一般选用三相笼型异步电动机,不进行电气调速。采用 齿轮箱 进行机械有级调速。主轴正反转由主拖动电动机正反转或采用机械方 法实现。主 拖动电动机的起动、停止采用按钮操作。加工螺纹时,刀架移动和主 轴转动有固 定的比例关系。车削加工时,由于刀具及工件温度过高,因而应配有 冷却泵电动 机,且要求在主拖动电动机起动后,方可决定冷却泵开动与否,而当 主拖动电动 机停止时,冷却泵应立即停止。必须有过载、短路、欠压、失压?;?。 具有安全 的局部照明装置。CA6140 车床电路如图(六)所示。

图(六)CA6140 车床电路

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7.2 CA6140 数控车床电气控制设计
根据 CA6140 车床数控化改造方案,去掉现有车床进 给箱、溜板箱、刀架等,只保留主轴箱、床身导轨、溜板、尾座等。 进给运动变 为纵向、横向两台步进电机驱动,两台步进电机支撑件、联接件,两 丝杠支撑与 溜板联接件,电动刀架联接件、电气柜、防护等主要部件与制作,各 主要部件装 配、联接与调整。因此需从新设计它的电气控制电路。

7.2.1 CA6140 数控车床主电路设计
由图 6-1 可知 CA6140 车床主电路共有三台电动机: 为主轴电动机, M1 带动主轴旋转和刀架作进给运动;M2 为冷却泵电动机,用来输送切削液; M3 为刀架 快速移动电动机。主轴的正反转由电机的正反转来实现,而 CA6140 数控车床 主轴的正反转则由数控系统控制主轴电动机 M1 在交流接触器 KM1 和 KM2 的通 断状态下来实现正转反转,主轴电动机 M1 的制动由中间继电器 KA4 控制;去掉 电动机 M3,刀架快速移动由纵向进给步进电机完成;却泵电动机 M2 由中间继电 器 KA3 控制。见附件 5—车床改造电气原理图。 主电路的工作原理是将钥匙开关向右旋转,再扳动断路器 QF 以及空 气开关, 将三相电源引入。主轴电动机 M1 由接触器 KM1、KM2 控制,由数控 装置发出指 令,接触器 KM1 得电,主轴电动机 M1 正转,接触器 KM2 得电,主 第 40 页 共 51 页

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轴电动机 M1 反转;当数控装置发出指令,中间继电器 KA4 得电,主轴电动机 M1 制动,达到 快速停车,提高效率的目的。热继电器 FRl 作过载?;?,熔断器 FU 作 短路?;?。 冷却泵电动机 M2 由中间继电器 KM3 控制,与主轴电动机 M1 控制电 路构成顺序 控制,热继电器 FR2 作过载?;?。

8 车床改造的结构特点
8.1 滚珠丝杆 滚珠丝杆
滚珠丝杆必须采用三点支承形式。步进电动机的布置可放在丝杠的任 一端,由于拆除了进给箱,可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿 轮,也可在滚珠丝杆的左端设计一个专用轴承支承座,而在丝杠托架处布 置步进电动机和减速箱。

8.2 导轨副
为减少运动部件移动时的摩擦阻力,尤其是减少静摩擦阻力,滑板和 刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带

8.3 安装电动卡盘
为了提高经济型数控机床的加工效率,还可考虑用电动三爪自定心卡 盘装置,这种装置也可与数控装置的信号电路相配合,实现自动夹紧、松 开,提高加工过程的自动化程。

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8.4 脉冲发生器
改造后的简易数控车床需要自动化加工螺纹时,可以在主轴后端同轴 安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器,作为主轴位置的信号反馈元件, 目的是用来检测主轴转角的位置,并且将其变化情况输送给数控装置,使 其能按照所加工螺纹的螺距值进行处理。

9 安装调整中应注意的问题
9.1 滚珠丝杠螺母副的选择: 滚珠丝杠螺母副的选择:
滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高,加工工艺比较复杂。都是由专业 工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时,要按厂家生产标准进行 选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。

9.2 滚珠丝杠螺母副的调整: 滚珠丝杠螺母副的调整 螺母副的调整:
利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时,应使调整后产生的 预 紧力为丝杠副最大负载的 1 / 3 为宜。在 实际调整中,可以把车床处于最 大工作负载,使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于 0.01mm,而且运 转灵活,并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。

9.3 联轴器的安装: 联轴器的安装:
传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这 是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时,往往会引起轴线的 直线度误差增大,从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大,产生 传动附加载荷,影响丝杠副的传动性能。

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9.4 主轴脉冲发生器的安装: 主轴脉冲发生器的安装:
主轴脉冲发生器的的引出轴按比例 1: 无间隙柔性连接传动, 1 连 接后应保证两者都有很好的同步性,安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃 件,不能随意敲打碰撞,使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高 许用转速。

结论
将 CA6140 普通车床数控化改造成数控车床,首先要对改造前的 CA6140 普通车床进行经济性分析,论证改造的必要性,然后进行相关技术 的可行性研究,其次结合市场调研,确定改造方案,确定性能和精度指标。 (1)拆卸车床,对主传动系统的进行大修,对车床相关部件和参数进 行测绘、测量,为 CA6140 普通车床数控化改造提供原始数据。 (2)根据切削理论,进行进给系统的设计与计算,选择合适的滚珠丝 杠螺母副、步进电机的型号,设计具有强度、刚度和稳定性较好的支承形 式。 (3)根据改造的经济性和精度指标,选择性价比较优数控装置系统, 为同类改造提供了参考依据。 (4) 根据选择的数控装置系统, 结合 CA6140 普通车床电气控制系统, 设计出既经济有实用电气控制系统。 (5)利用现代光学等测试技术,检测整机的安装水平,通过不断调试 达到精度要求。数控车床的加工精度比改造前高。 车床改造后主要技术参数: Z 轴加工有效行程分别为 280、 mm, X、 760 最大移动速度 1500 mm/min,切削速度为 5-600mm/min,手动进给速度为 4.3-1262mm/min,手动快速进给为手动进给速度的 10%-150%倍率,车床 最小移动单位为 0.001mm。 将 CA6140 普通车床数控化改造成数控车床,除了可实现圆弧、斜线、 螺纹加工、自动换刀等功能,减少了辅助加工时间、降低了对工人技术等 级的要求外,还留有通信(网络)接口,不但可以离线编程加工,还可实 现多台车床连网形成网络化,构成 CIMS 系统,实现高速、较高精度、较 高效率、自动化、 第 43 页 共 51 页

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智能化加工等。 这次课题设计总计费时一个多月,刚开始时不知从何下手,在老师的 指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次,有参考了相 关设计资料,终于知道了该怎么做。接下来塞选出一系列有价值的资料, 与同组同学不断的讨论、向老师请教,终于完成了设计。 在做设计的过程中, 不但复习了所学过的知识点, 还学到了新的知识, 同时将所学到的知识充分的运用起来, 做到了学以致用, 还学会了查资料, 除此之外,我还懂得了团结合作的重要性,知道了集体的力量! 当然,在此过程中也有许多不足之处,例如:知识的不全面,所学的 还没有全部掌握,思维的狭隘等,让我在毕业前上了生动形象的一课。 同时,做设计也是磨练决心与毅力的过程,面对复杂冗长的数据,打 印长篇的论文,我也想过放弃,但想到它的意义我就又坚持了下来。做完 了后,有一种豁然开朗的感觉,内心激动无比,经过了这次设计以后,我 有信心,我也坚信只要努力、坚持,我们就能走好人生的每一步。 参考文献 1.吴振彪主编.机电综合设计指导.中国人民大学社.2000. 2.余英良主编.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社.1997 3.《机床设计手册》编写组编. 机床设计手册第一,三,四册. 械工业 出版社.1998. 4.明兴祖主编.数控加工技术.化学工业出版社.2001. 5.胡占齐,杨莉主编.机床数控技术. 机械工业出版社.1999. 6.王先逵主编.机械制造工艺学. 机械工业出版社.2002. 7.邱宣怀主编.《机械设计》.高等教育出版社.2002 8.黄调,赵松年主编.机电一体化技术基础及应用. 机械工业出版 社.1999. 附件: 1.普通车床数控改造方案Ⅰ简图。 2.普通车床数控改造方案Ⅱ简图。 3.车床改造 Z 轴丝杠组件装配图。 第 44 页 共 51 页

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4.车床改造 X 轴丝杠组件装配图。 5.车床改造电气控制原理图。

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