CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計【33頁】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 寧XX大學(xué) 機電一體化綜合作業(yè)(論文) CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 年 月 日 目 錄 目 錄 II 第1章 緒 論 4 1.1 課題研究的意義 4 1.2 本課題研究的參數(shù)要求 4 第2章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 2.1 確定脈沖當(dāng)量 6 2.2 切削力的計算 6 2.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 7 2.2.1 精度的選擇 7 2.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 7 2.2.3 最大工作載荷的計算 7 2.2.4 最大動載荷的計算 8 2.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 8 2.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 9 2.3.3 傳動效率的計算 9 2.2.8 剛度的驗算 9 2.2.9 穩(wěn)定性校核 10 2.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 11 2.4 齒輪傳動的計算 11 2.5 伺服電機的選擇 12 2.6導(dǎo)軌的特點 15 2.7 導(dǎo)軌的設(shè)計 16 第3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 20 3.1硬件電路設(shè)計 20 3.1.1 電氣系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 20 3.1.2 電氣系統(tǒng)硬件電路的功能 21 3.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 21 3.2.關(guān)于電路原理圖的一些說明 22 第4章 數(shù)控機床的加工程序編制 25 4.1 零件圖數(shù)控加工工藝分析 25 4.2 零件圖分析 25 4.3 確定加工方法 25 4.4 確定加工方案 26 4.5 定位基準(zhǔn)的選擇 26 4.6　裝夾方式的選擇 26 4.7 選擇數(shù)控刀具的原則 27 4.8 選擇數(shù)控車削用刀具 27 4.9 典型軸類零件加工工藝 28 4.10 編程 30 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 33 33 第1章 緒 論 1.1 課題研究的意義 機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。電氣機床是一種高效率、高精度，能保證加工質(zhì)量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設(shè)備。自五十年代末世界上第一臺電氣機床在美國研制成功的半個多世紀(jì)以來，電氣技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，他們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，正處在黃金時代，由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機床改造是個永恒的課題。在國內(nèi)，機床的電氣化改造是發(fā)展我國電氣設(shè)備的一個重要方面。 車床是金屬切削加工最常用的一類機床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車床由于造價低廉在我國運用十分廣泛，但是因為其進(jìn)給軸不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對普通車床的電氣化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用單片機控制的并能獨立運動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用電氣裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。 1.2 本課題研究的參數(shù)要求 一、題目: CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計。 二、設(shè)計任務(wù)： 1.根據(jù)機床總體布局,確定機械傳動系統(tǒng)方案,確定微機控制系統(tǒng)方案； 2.進(jìn)行機械傳動系統(tǒng)機構(gòu)的設(shè)計計算，繪制機械裝配圖一張及其兩個零件圖（三視圖）分別一張; 3.進(jìn)行微機控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)技術(shù)分析，設(shè)計微機擴展和接口電路，繪制控制系統(tǒng)原理圖一張； 3.分析下圖所示零件的數(shù)控加工工藝，編制數(shù)控加工程序; 5.撰寫設(shè)計說明書一份（8000字以上）。 三、給定條件： 1.縱向移動部件總重量 200kg; 2.縱向運動分辨率 優(yōu)于0.01mm; 3.最大移動速度(快進(jìn)) 3500mm/min; 3.最大進(jìn)給速度(工進(jìn)) 500mm/min; 5.橫向進(jìn)給切削力(X向) 1600N; 6.垂直切削力(Y向) 4000N； 7.縱向切削力（Z向） 1100N； 四、設(shè)計要求： 1.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，原理正確，制圖符合國家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔； 2.微機控制系統(tǒng)功能完備，包括微機部分，人機交互部分和電機控制部分；微機部分?jǐn)U展16K程序存儲器容量，16K數(shù)據(jù)存儲器；人機交互部分的數(shù)據(jù)和程序輸入采用4行8列的行列式鍵盤，狀態(tài)和信息顯示采用8位8段LED數(shù)碼限管；2個行程限位信號及工作方式采用開關(guān)量信號輸入，電機控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動； 3.設(shè)計說明書論述清楚，計算無誤，數(shù)值明確，引用公式及資料有出處。 第2章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 確定脈沖當(dāng)量 一個進(jìn)給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量電氣機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖。 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖。 2.2 切削力的計算 切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力。車削外圓時的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計算車床主軸電動機切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對加工精度的影響較大。 圖3-1 車削力分析 根據(jù)課題條件可知： 橫向進(jìn)給切削力(X向)=1600N; 垂直切削力(Y向) =4000N； 縱向切削力（Z向） =1100N； 2.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。 2.2.1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響電氣機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性，選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。 2.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 選擇導(dǎo)程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8 2.2.3 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實驗計算公式如表3-1所示。 表3-1 實驗計算公式及參考系數(shù) 導(dǎo)軌類型 實驗公式 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 綜合或三角導(dǎo)軌 1.15 0.15-0.18 表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。G=2000 N（縱向移動部件總重量200kg） 查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為2000； 算得=1.15×1600+0.18×（1100+2000） =2398 2.2.4 最大動載荷的計算 載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。 對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下： 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機床T取5000-10000h，電氣機床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； —載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計取1.2； —硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）； —滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 本設(shè)計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度（題設(shè)條件最大進(jìn)給速度(工進(jìn)) 500mm/min）;,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。 2.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時應(yīng)使其額定動載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應(yīng)使額定靜載荷。 根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直徑/ 導(dǎo)程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度 / 1897 50 8 3.763 48.6 43.24 66 31 2.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。考慮到縱向絲杠長度較大，本設(shè)計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 2.3.3 傳動效率的計算 滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下： = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′； —摩擦角，一般取=10′。 算得： ==96.67% 2.2.8 剛度的驗算 滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。 因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為： =（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —絲杠縱向最大有效行程，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。 根據(jù)前面的設(shè)計，為3233.36，取1665，為43.24，算得： ==±0.01597=±13.97 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動量 有效行程 精度等級 1 2 3 4 5 大于 至 — 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 2.2.9 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足： = 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設(shè)計取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計中該值為2000； （其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量） —按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè) 中將代入算出=205512.36。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：== 臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2398N），故絲杠不會失穩(wěn)。 表3-4 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 4 2 1 0.25 2.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示； —臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為2300； —絲杠內(nèi)徑，單位； —安全系數(shù)，可取=0.8 表3-5 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 27.4 18.9 12.1 3.3 經(jīng)過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 2.4 齒輪傳動的計算 有關(guān)齒輪計算 傳動比 故取 ； ； ； ； ； 2.5 伺服電機的選擇 （1）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度。 則 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。 因此，總轉(zhuǎn)動慣量 （2）所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 最大切削負(fù)載時所需力矩 快速進(jìn)給時所需力矩 式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩。 當(dāng)時 當(dāng)時 當(dāng)時， 時 當(dāng)時預(yù)加載荷，則 所以，快速空載啟動所需力矩 切削時所需力矩 快速進(jìn)給時所需力矩 由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時： （3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機的確定 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知 所以，伺服電機最大靜轉(zhuǎn)距為 伺服電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用130SZ01型伺服電動機，能滿足要求[7-12]。 2.6導(dǎo)軌的特點 滑動導(dǎo)軌的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。 為了提高耐磨性，國內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動導(dǎo)軌和塑料滑動導(dǎo)軌。 滑動導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。 1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機械性能； 鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達(dá)HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長上同時淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。 2．鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。 3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。 4．塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。 導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長時期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。 2.7 導(dǎo)軌的設(shè)計 一．作用力合作用點位置，作用力方向和作用點的位置唏噓合理安置。一邊導(dǎo)軌傾斜的力矩盡量小。否則會使導(dǎo)軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度。嚴(yán)重時甚至還可能卡死，不能正常工作。 作用在運動件上的推力有三種情況： 1.推力通過運動件在軸線 2.推力作用點在運動件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角 2.推力平行于運動件的軸線上 對于第一種情況，導(dǎo)軌鎮(zhèn)南關(guān)的摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不會產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結(jié)構(gòu)上的限制，實際的結(jié)構(gòu)中往往出項第二第三中情況。為了保證導(dǎo)軌的靈活性，要對導(dǎo)軌進(jìn)行驗算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。 推力F與運動件軸線組成夾角a,如圖所示 推力F的作用將使運動件產(chǎn)生傾斜，從而使運動件與承導(dǎo)體的倆點處壓緊， 設(shè)正壓力分別為 .，相應(yīng)摩擦力，，作用間的距離為L，軸向阻力為 根據(jù)靜力平衡條件,運動件的直徑較小時，上式中含有d的各項可以略去?？? 解得： 欲推動運動件，則必須使 若要保證不卡死的條件是： 由此，可得到當(dāng)推力F與運動件有一夾角a時，運動件正常工作的條件是 為當(dāng)量摩擦系數(shù) 在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中: --滑動摩擦系數(shù) --眼尾輪廓角與三角底角 二．選與運動件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件 解得： 推動運動件則必須： 保證運動件不卡死條件 即： 為了保證運動靈活，可取值 當(dāng)取f=0.25時，則有： 對圓柱形導(dǎo)軌： 對矩形導(dǎo)軌： 對燕尾形或三角形導(dǎo)軌： 在本設(shè)計的導(dǎo)軌中：h=200mm L=360 因此： 符合相關(guān)要求. 第3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 電氣系統(tǒng)是電氣機床的“大腦”，其設(shè)計也是電氣機床的核心工程，對機床而言，電氣系統(tǒng)通過對輸入的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運算后，輸出控制信號，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)，同時接受從機床反饋來的各種信息，對機床控制進(jìn)行調(diào)整。任何一個電氣系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對要完成的任務(wù)是等價的，硬件處理速度快，線路復(fù)雜，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代電氣已越來越傾向于軟件控制。 電氣系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運算是插補運算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補償。位置控制的實質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實際位置進(jìn)行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插補運算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點，通過一定的運算法則實時獲得位置指令；刀具補償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。 3.1硬件電路設(shè)計 3.1.1 電氣系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 電氣系統(tǒng)根據(jù)其使用單片機結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。單微處理器電氣系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型電氣系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。多微處理器電氣系統(tǒng)可以滿足當(dāng)今電氣機床高速度、高精度和許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今電氣發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，本設(shè)計將采用較經(jīng)濟的單微處理器電氣結(jié)構(gòu)，對于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實際要求。 電氣機床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來有以下幾個部分組成： （1）中央處理單元CPU； （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； （3）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器； （4）輸入輸出接口電路； （5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。 3.1.2 電氣系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設(shè)計要求，確定電氣系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能： 讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)； 讀取操作面板開關(guān)及按鈕信號； 讀取螺紋/光電編碼器信號 ； 讀取電動刀架刀位信號； 接受車床行程開關(guān)信號； 控制LED顯示； 控制電動刀架自動選刀； 控制縱向、橫向電動機驅(qū)動； 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； (10) 控制交流變頻器； (11) 控制冷卻泵啟停； (12) 可與PC進(jìn)行串行通信。 本次設(shè)計在采用8031作為主控芯片,采用兩片2764程序存儲器之外還擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器,用一片74LS373鎖存P0口傳遞低8位地址,地址譯碼采用74LS138C3~8譯碼器;采用全地址碼,采用二個8155芯片,完成對執(zhí)行元件的控制。此外,還設(shè)有越界報警急停處理電路. 3.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 8031芯片的P 和P用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù), P口送的是8位地址, P口傳送低八位地址和數(shù)據(jù),故采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為首選通信號,當(dāng)ALE為高電位,鎖存器的輸入輸出速度,即輸入的低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?出現(xiàn)下降沿時,低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng)ACE這樣POD共組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線, A~A低8位安74L373芯片的輸出,A~A按8031芯片的P~P系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764新片選信號CE分別按74LS138譯碼器的和,系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000H~開始執(zhí)行,6264芯片的片選信號CE地址按74LS138的,單片機的擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址,8031芯片控制信號PSEN按2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別按6264芯片內(nèi)部沿有ROM,始終要選片外程序存儲器,故按EA地址 由于8031只有P口和P口的部分能提供用戶作I/O接口使用,不能滿足輸入輸出口的需要,因此比喻擴展輸入輸出擴展電路.系統(tǒng)擴展3片8155可編程I/O接口芯片,8155(1)的片選信號按74LS138的端74LS138譯碼器有3個輸入A B C 分別按8031的 P P P8個輸出,低電平有效. 對應(yīng)輸出A B C DE 000至111 8種現(xiàn)合.其中對應(yīng)A B C 為111.74LS138有3個使能端,其中2個為低電平使能端,另一個為高電平使能端.只有當(dāng)使能端均處于有效電平是,輸出才能產(chǎn)生,否則輸出才能處在高電平無效. I/O接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的.8155芯片PA作為顯示器段選信號, 輸出PA~P為顯示器的位選信號,輸出PC0~PC4 5根線是鍵盤輸入.8155芯片的20個引腳按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口時P2.0為高電平.8155(2),按X Z 向伺服電機硬件環(huán)形分配器為輸出,系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及I/O接口芯片.X向Z向伺服電機硬件環(huán)形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,時鐘輸入端CP按8155芯片的TIME007用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率,為實現(xiàn)插補時不同的進(jìn)給的速度,可給8155芯片定時/計數(shù)器中設(shè)置不同的常數(shù). 3.2.關(guān)于電路原理圖的一些說明 在此電路圖中,還有其他功能電路,如報警電路,急停電路,復(fù)位電路,隔離電路,功效電路等,此外還有對自動回轉(zhuǎn)刀架,螺紋加工進(jìn)行控制. 1、 復(fù)位電路 通常8031的復(fù)位有自動復(fù)位,和人工按鈕復(fù)位兩種,下面將分別顯示電路結(jié)構(gòu) （A）(A)上電復(fù)位電路 （B）開關(guān)復(fù)位電路 2、時鐘電路 時鐘電路如圖所示,XTAL和XTAL2為內(nèi)振蕩電路輸入線,這兩個端口用來外接石英晶體和微調(diào)電器,用來聯(lián)接8031片內(nèi)OSC的定時反饋回路. 3、 光電隔離電路 在伺服電機驅(qū)動電路,脈沖分配器輸出的信號經(jīng)過放大后,控制伺服電機的勵磁繞組.由于伺服電機需要的驅(qū)動電壓數(shù)高,電流也較大,如果將I/O口輸出信號直接與功率放大電路相連,將引起電路干擾,輕則影響計數(shù)機程序的正常運行,重則導(dǎo)致接口電路的破壞.因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路,實行電氣隔離使用最多的是光電耦合器.如下圖 光電耦合器是以發(fā)光二級管和光敏二級管組成,為輸入信號的輸入端時,發(fā)光二級管導(dǎo)通激發(fā)紅外光,受光三極管照射后,由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流。通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為信號的輸出，輸入端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路，當(dāng)開關(guān)斷開，發(fā)光二級管不通，光敏三級管截止，輸出+5V高電平，當(dāng)閉合，發(fā)光二級管導(dǎo)通，激勵輸出三級管導(dǎo)通。適當(dāng)選擇電阻R，可使輸出三級管飽和，輸出0.3左右的TTL低電平。 隨著運行頻率的增高，伺服電機輸出力矩C帶動負(fù)載的能力，這一產(chǎn)生的原因，作為功率放大器負(fù)載的伺服電機是電感負(fù)載。當(dāng)改變通電時，電流從零逐漸增大，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升。 4、鍵盤顯示 本次設(shè)計中，采用PC~~~PC 作為掃描口信號反向放大器按顯示器公共級，8031P口作為片選數(shù)據(jù)口。8155的PB~~PB作為行線輸入?；竟ぷ髟砣缦拢? 鍵盤顯示口電路圖 當(dāng)鍵松開時，測試信號為 1，鍵閉合，測試信號為0 ，當(dāng)測試信號為1 則禁止，不能對鍵進(jìn)行識別。 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)陣列， 圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沿有閉和時，所有行線和列線都以斷開，行線PC~PCX是4根行線，PA0~PA7Ss是6 根列線，在行線與列線交叉點上安裝有鍵，PA口的6 根列線按一定的時間間隔輪流輸出低電平。當(dāng)掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖健＿@個低電平信號被計算機捕獲后，根據(jù)此間對應(yīng)的行線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，完成控制。 5、越界報警電路 X，Z方向的越界和急停信號經(jīng)過門引入8031的P中斷原LNT，采用硬件申請中斷軟件查詢的方法。這樣無論哪個方向都能引起中斷，當(dāng)X，Z等一越界，則相應(yīng)的紅燈亮報警。 第4章 數(shù)控機床的加工程序編制 4.1 零件圖數(shù)控加工工藝分析 圖4-4 典型軸類零件圖 4.2 零件圖分析 該零件表面由圓柱、順圓弧、逆圓弧、槽、螺紋等表面組成。所注尺寸詳細(xì)、正確。，選用毛坯為45#鋼，Φ65mm×120mm，無熱處理和硬度要求。符合數(shù)控加工工藝的特點。 4.3 確定加工方法 加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于獲得同一級精度及表面粗糙度的加工方法一般有許多，因而在實際選擇時，要結(jié)合零件的形狀、尺寸大小和形位公差要求等全面考慮。 圖上幾個精度要求較高的尺寸，因其公差值較小，所以編程時沒有取平均值，而取其基本尺寸。 通過以上數(shù)據(jù)分析，考慮加工的效率和加工的經(jīng)濟性，最理想的加工方式為車削，考慮該零件為大批量加工，故加工設(shè)備采用數(shù)控車床。 根據(jù)加工零件的外形和材料等條件，選用CJK6032數(shù)控機床。 4.4 確定加工方案 零件上比較精密表面的加工，常常是通過粗加工、半精加工和精加工逐步達(dá)到的。對這些表面僅僅根據(jù)質(zhì)量要求選擇相應(yīng)的最終加工方法是不夠的，還應(yīng)正確地確定從毛坯到最終成形的加工方案。 該典型軸加工順序為： 預(yù)備加工---車端面---粗車右端輪廓---精車右端輪廓---切槽- ---切退刀槽---粗車螺紋---精車螺紋。 4.5 定位基準(zhǔn)的選擇 在制定零件加工的工藝規(guī)程時，正確地選擇工件的定位基準(zhǔn)有著十分重要的意義。定位基準(zhǔn)選擇的好壞，不僅影響零件加工的位置精度，而且對零件各表面的加工順序也有很大的影響。合理選擇定位基準(zhǔn)是保證零件加工精度的前提，還能簡化加工工序，提高加工效率。 4.6　裝夾方式的選擇 為了工件不致于在切削力的作用下發(fā)生位移，使其在加工過程始終保持正確的位置，需將工件壓緊夾牢。合理的選擇夾緊方式十分重要，工件的裝夾不僅影響加工質(zhì)量，而且對生產(chǎn)率，加工成本及操作安全都有直接影響。 1）在三爪自定心卡盤上裝夾。三爪自定心卡盤的三個卡爪是同步運動的，能自動定心，一般不需要找正。該卡盤裝夾工件方便、省時，但夾緊力小，適用于裝夾外形規(guī)則的中、小型工件。 2）在兩頂尖之間裝夾。對于尺寸較大或加工工序較多的軸類工件，為了保證每次裝夾時的裝夾精度，可用兩頂尖裝夾。該裝夾方式適用于多序加工或精加工。 3）用卡盤和頂尖裝夾。當(dāng)車削質(zhì)量較大的工件時要一段用卡盤夾住，另一段用后頂尖支撐。這種方式比較安全，能承受較大的切削力，安裝剛性好，軸向定位準(zhǔn)確，應(yīng)用較廣泛。 4）用心軸裝夾。當(dāng)裝夾面為螺紋時再做個與之配合的螺紋進(jìn)行裝夾，叫心軸裝夾。這種方式比較安全，能承受較大的切削力，安裝剛性好，軸向定位準(zhǔn)確。 裝夾方法：先用三爪自定心卡盤毛坯左端，加工右端達(dá)到工件精度要求；再工件調(diào)頭，用三爪自定心卡盤毛坯右端Φ65，再加工左端達(dá)到工件精度要求。 4.7 選擇數(shù)控刀具的原則 刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。 4.8 選擇數(shù)控車削用刀具 數(shù)控車削車刀常用的一般分成型車刀、尖形車刀、圓弧形車刀以及三類。成型車刀也稱樣板車刀，其加工零件的輪廓形狀完全由車刀刀刃的形伏和尺寸決定。數(shù)控車削加工中，常見的成型車刀有小半徑圓弧車刀、非矩形車槽刀和螺紋刀等。在數(shù)控加工中，應(yīng)盡量少用或不用成型車刀。尖形車刀是以直線形切削刃為特征的車刀。這類車刀的刀尖由直線形的主副切削刃構(gòu)成，如90°內(nèi)外圓車刀、左右端面車刀、切槽(切斷)車刀及刀尖倒棱很小的各種外圓和內(nèi)孔車刀。尖形車刀幾何參數(shù)(主要是幾何角度)的選擇方法與普通車削時基本相同，但應(yīng)結(jié)合數(shù)控加工的特點(如加工路線、加工干涉等)進(jìn)行全面的考慮，并應(yīng)兼顧刀尖本身的強度。 設(shè)置刀點和換刀點 刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設(shè)置原則是:便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查，引起的加工誤差小。對刀點可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機床上，為了提高零件的加工精度，對刀點應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準(zhǔn)或工藝基誰上。實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準(zhǔn)點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點。球頭銑刀是球頭的球心，鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。加工過程中需要換刀時，應(yīng)規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時的位置，換刀點應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。 確定切削用量 數(shù)控編程時，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法，需要選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限度提高生產(chǎn)率，降低成本. 4.9 典型軸類零件加工工藝 （1）確定加工順序及進(jìn)給路線 加工順序按粗到精、由近到遠(yuǎn)（由右到左）的原則確定。工件右端加工：既先從右到左進(jìn)行外輪廓粗車（留0.5mm余量精車），然后從右到左進(jìn)行外輪廓精車，最后切槽；工件調(diào)頭，工件左端加工：粗加工外輪廓、精加工外輪廓，切退刀槽，最后螺紋粗加工、螺紋精加工。 （2）選擇刀具 1）車端面：選用硬質(zhì)合金45度車刀，粗、精車用一把刀完成。 2) 粗、精車外圓：（因為程序選用 G71循環(huán)所以粗、精車選用同一把刀）硬質(zhì)合金90度放型車刀，Kr=90度,Kr＇=60度;E=30度,（因為有圓弧輪廓）以防與工件輪廓發(fā)生干涉,如果有必要就用圖形來檢驗. 3)車槽: 選用硬質(zhì)合金車槽刀（刀長12mm，刀寬3mm） 4)車螺紋:選用60度硬質(zhì)合金外螺紋車刀. （3）選擇切削用量 表3-5切削用量選擇 主軸轉(zhuǎn)速s/(r/min) 進(jìn)給量f/(mm/r) 背吃刀量ap/mm 粗車外圓 800 0.1 1.5 精車外圓 800 0.05 0.2 粗車螺紋 70 1.5 0.4 精車螺紋 70 1.5 0.1 切槽 115 0.04 數(shù)控加工刀具卡片 表3-1 刀具卡片 產(chǎn)品名稱或代號 零件名稱 典型軸 零件圖號 序號 刀具號 刀具規(guī)格名稱 數(shù)量 加工表面 備注 1 T01 硬質(zhì)合金端面45度車刀 1 粗、精車端面 2 T02 硬質(zhì)合金90度放型車刀 1 粗、精車外輪廓 左偏刀 3 T03 硬質(zhì)合金車槽刀 1 切槽 4 T04 60度硬質(zhì)合金外螺紋車刀 1 粗、精車螺紋 用以上數(shù)據(jù)編制工藝卡如下： 表3-2 數(shù)控加工工藝卡 單位名稱 產(chǎn)品名稱或代號 零件名稱 零件圖號 典型軸 工序號 程序編號 夾具名稱 使用設(shè)備 車間 001 O1111 三爪自定心卡盤 Cjk6032 數(shù)控車間 工步號 工步內(nèi)容 刀具號 刀具規(guī)格 主軸轉(zhuǎn)速r/min 進(jìn)給速度mm/r 背吃刀量mm 備注 1 車端面 T01 45度刀 500 0.1 手動 2 粗車外輪廓 T02 90度防型刀 800 0.1 1.5 自動 3 精車外圓輪廓 T02 90度防型刀 800 0.05 0.2 自動 4 切槽 T03 切槽刀 115 0.04 自動 工序號 程序編號 夾具名稱 使用設(shè)備 車間 002 02222 三爪自定心卡盤 Cjk6032 數(shù)控車間 工步號 工步內(nèi)容 刀具號 刀具規(guī)格 主軸轉(zhuǎn)速r/min 進(jìn)給速度mm/r 背吃刀量mm 備注 1 車端面 T01 45度刀 500 0.1 手動 2 粗車外輪廓 T02 90度防型刀 800 0.1 1.5 自動 3 精車外圓輪廓 T02 90度防型刀 800 0.05 0.2 自動 4 切退刀槽 T03 切槽刀 115 0.04 自動 5 粗車螺紋 T04 60度外螺紋刀 70 1.5 0.4 自動 6 精車螺紋 T04 60度外螺紋刀 70 1.5 0.1 自動 編制 審核 批準(zhǔn) 年 月 日 共 頁 第頁 （3）選擇切削用量 表3-5切削用量選擇 主軸轉(zhuǎn)速s/(r/min) 進(jìn)給量f/(mm/r) 背吃刀量ap/mm 粗車外圓 800 0.1 1.5 精車外圓 800 0.05 0.2 粗車螺紋 70 1.5 0.4 精車螺紋 70 1.5 0.1 切槽 115 0.04 4.10 編程 O2222 T0202 M03 S800； 換2號外圓刀 主軸800r/min G00 X55 Z2； 刀具起切的安全點 G71 U1.5 R1 P01 Q02 X0.2 Z0.08 F80； 外徑粗精車循環(huán) N01 G00 X50 Z2； 精車循環(huán)開始 G01 X0 Z0 F40； 開始加工 G01 X24.7 Z0 C2； 倒角 G01 Z-33； 車 G01 X52 Z-33 C2； 倒角 N02 G01 Z-35； 精車循環(huán)結(jié)束 G00 X100 Z100； 換刀點 M05； 主軸停止 M30； 程序結(jié)束 T0303 M03 S115 ； 換3號切槽刀 G00 X30 Z2； 刀具起切的安全點 G00 Z-28； 切槽切入點 G01 X21 F5 ； 切槽 G01 X30 F20； 退刀 G00 X50 Z100； 回?fù)Q刀點 M05； 主軸停止 M30 ； 程序結(jié)束 T0404 M03 S70； 換4號螺紋刀 G00 X25 Z2 ； 刀具起始安全點 G76 C1 A60 X23.056 Z-26 K0.974 U0.1 V0.1 Q0.4 F1.5; 螺紋車削循環(huán),C為精車次數(shù),螺紋刀具角度,X為最終螺紋X軸小徑,Z為最終螺紋Z軸長度,,K為牙型高,U精加工余量,V最大加工量,Q第一刀最大背吃刀量,F為導(dǎo)程. G01 X40； 退刀 G00 X100 Z100； 回?fù)Q刀點 M05； 主軸停止 M30； 程序結(jié)束 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1]馮辛安主編.機械制造裝備設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，19991.0 [2]盛伯浩主編.機床的現(xiàn)狀與發(fā)展.北京：機械工業(yè)出版社，2003.1. 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