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C6140車床數(shù)控化改造課程設(shè)計

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C6140車床數(shù)控化改造課程設(shè)計

C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計前 言我國目前機(jī)床總量為380萬余臺,而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺,這說明我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床,而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點,因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭了,這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機(jī)床的數(shù)控化率。對于我國的實際情況,大批量的購置數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟(jì)的,只有對現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機(jī)床來說,能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力,改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)點,由于數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)有很高的運算能力,可以準(zhǔn)確的計算出每個坐標(biāo)軸的運動量,加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計算機(jī)有記憶和存儲能力,可以將輸入的程序記憶和存儲下來,然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行,從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序,就可以實現(xiàn)另一工件的加工,從而實現(xiàn)“柔性自動化”。改造后的機(jī)床不象購買新機(jī)那樣,要重新了解機(jī)床操作和維修,也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計算出機(jī)床的加工能力,另外,由于多年使用,操作者對機(jī)床的特性早已了解,操作和維修方面培訓(xùn)時間短,見效快。另外,數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基,不必像購入新機(jī)那樣需要重新構(gòu)筑地基,還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度,及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和檔次,將機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ),不但技術(shù)上具有先進(jìn)性,同時在應(yīng)用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性,且投入費用低,用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一,也為我國傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過渡的主要內(nèi)容之一。目 錄第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)31.1題目:31.2 任務(wù)3第二節(jié) 總體方案的確定4第三節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案53.1主軸系統(tǒng)的改造方案53.2安裝電動卡盤53.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架53.4螺紋編碼器的安裝方案63.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案6第四節(jié) 進(jìn)給傳動部件的計算和選型74.1脈沖當(dāng)量的確定74.2切削力的計算74.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型84.4同步帶減速箱的設(shè)計104.5步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型124.6同步帶傳遞效率的校核16第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖16第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計17第七節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用19第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計19參考文獻(xiàn)26第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)1.1題目:C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計1.2 任務(wù)將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1) 床身上最大加工直徑;(2) 最大加工長度;(3) X方向(橫向)的脈沖當(dāng)量,Z方向(縱向);(4) X方向最快移動速度,Z方向為;(5) X方向最快工進(jìn)速度,Z方向為;(6) X方向定位精度,Z方向;(7) 可以車削柱面、平面、錐面與球面等;(8) 安裝螺紋編碼器,可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋,最大導(dǎo)程;(9) 安裝四工位立式電動刀架,系統(tǒng)控制自動選刀;(10) 自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止,并可輸出主軸有級變速與無級變速信號;(11) 自動控制冷卻泵的啟/停;(12) 安裝電動卡盤,系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開;(13) 縱、橫向安裝限位開關(guān);(14) 數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信;(15) 顯示界面采用LED數(shù)碼管,編程采用ISO數(shù)控代碼。第二節(jié) 總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇,以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。1 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位,兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此,數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。2 普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床,在保證一定加工精度的前提下,應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化,降低成本。因此,進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。3 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度,以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求,決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點。4 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等,還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。5 為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求,縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副;為了消除傳動間隙提高傳動剛度,滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。6 計算選擇步進(jìn)電動機(jī),為了圓整脈沖當(dāng)量,可能需要減速齒輪副,且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。7 選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤,選擇螺紋編碼器等。第三節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案3.1主軸系統(tǒng)的改造方案 對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造時,一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu),這樣可以減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動化程度,需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速,可用24速的多速電動機(jī)代替原有的單速主電動機(jī);當(dāng)多速電動機(jī)仍不能滿足要求時,可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī),以實現(xiàn)無級變速(工廠使用情況表明,使用變頻器時,若工作頻率低于,原來的電動機(jī)可以不更換,但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機(jī)大)。 改造C6140車床時,若采用有級變速,可選用浙江超力有限公司生產(chǎn)的YD系列變級多速三相異步電動機(jī),實現(xiàn)檔變速;若采用無級變速,應(yīng)加裝交流變頻器,推薦型號為:F100-G0075T3B,適配電動機(jī),生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。3.2安裝電動卡盤為了提高加工效率,工件的夾緊與松開采用電動卡盤,選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系。3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度,實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序,將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架,選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路,由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.4螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時,需要配置主軸脈沖發(fā)生器,作為車床主軸信號的反饋元件,它與車床主軸同步。改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是,Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是,所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于??紤]到編碼器的輸出有相位差的A、B相信號,可用A、B異或后獲得個脈沖(一轉(zhuǎn)內(nèi)),這樣編碼器的線數(shù)可降到線(A、B信號)。另外,為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣,編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z?;谏鲜鲆螅x擇螺紋編碼器的型號為:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V,每轉(zhuǎn)輸出個A/B脈沖與1個Z脈沖,信號為電壓輸出,軸頭直徑,生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式:同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端,與主軸同軸,這種方式結(jié)構(gòu)簡單,但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端,一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸,如果找不到同步軸,可將編碼器通過一對傳動比為的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是,編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接,且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。3.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案(1) 拆除掛輪架所有齒輪,在此主軸的同步軸,安裝螺紋編碼器。(2) 拆除進(jìn)給箱總成,在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與同步帶減速箱總成。(3) 拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條,在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。(4) 拆除四方刀架與上溜板總成,在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。(5) 拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副,將滑動絲桿靠刻度盤一段(長,見圖一)鋸斷保留,拆掉刻度盤上的手柄,保留刻度盤附近的兩個推力軸承,換上滾珠絲杠副。(6) 將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上,并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。(7) 拆去三桿(絲桿、光桿與操縱桿),更換絲桿的右支承。(8) 改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。第四節(jié) 進(jìn)給傳動部件的計算和選型 縱、橫向進(jìn)給傳動部件的計算和選型主要包括:確定脈沖當(dāng)量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進(jìn)電動機(jī)等。4.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求,X方向(橫向)的脈沖當(dāng)量為,Z方向(縱向)為。4.2切削力的計算(1)縱向切削力算設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼,;選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15;刀具幾何參數(shù)為:主偏角,前角,刃傾角;切削用量為:背吃刀量,進(jìn)給量,切削速度。查表得:,;主偏角的修正系數(shù);刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為。由經(jīng)驗公式:,算得主切削力;由經(jīng)驗公式:,算得縱向進(jìn)給切削力,背向力。(2)橫向切削力計算橫向主切削力為縱向的一半,所以橫向主切削力由經(jīng)驗公式,求得橫向進(jìn)給切削力,背向力。4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型1.縱向: (1) 工作載荷的計算已知移動部件總重量;車削力,。根據(jù),的對應(yīng)關(guān)系,可得:,。 選用矩形-三角形組合滑動導(dǎo)軌,查表,取,代入,得工作載荷.(2) 最大動載荷的計算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程,則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命,代入,得絲杠壽命系數(shù)。查表,取載荷系數(shù),再取硬度系數(shù),代入式,求得最大動載荷。(3) 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷,查表,選擇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為,基本導(dǎo)程為,雙螺母滾珠總?cè)?shù)為,精度等級取4級,額定動載荷為,滿足要求。(4) 傳動效率的計算將公稱直徑,基本導(dǎo)程,代入,得絲杠螺旋升角。將摩擦角,代入,得傳動效率。(5) 剛度的驗算 1) 縱向滾珠絲杠的支承,采取一端軸向固定,一端簡支的方式,見圖二。固定端采取一對推力角接觸軸承,面對面組配。絲杠加上兩端接桿后,左、右支承的中心距離約為;鋼的彈性模量;查表得滾珠直徑,算得絲杠底徑公稱直徑滾珠直徑。忽略式中的第二項,算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的變形量。2)根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)目,該型號絲杠為雙螺母,滾珠總?cè)?shù)為,則滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預(yù)緊時,取軸向預(yù)緊力。則由式,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠加有預(yù)緊力,且為軸向負(fù)載的,所以實際變形量可減小一半,取。3)將以上算出的和代入,求得絲杠總變形量(對應(yīng)跨度)。由表知,4級精度滾珠絲杠任意軸向行程內(nèi)行程的變動量允許,而對于跨度為的滾珠絲杠,總的變形量只有,可見絲杠剛度足夠。(6) 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)式計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表取支承系數(shù);由絲杠底徑,求得截面積慣性矩;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取3(絲杠臥式水平安裝);滾動螺母至軸向固定處的距離取最大值。代入式,得臨界載荷,遠(yuǎn)大于工作載荷,故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4同步帶減速箱的設(shè)計為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩,同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小,傳動鏈中常采用減速傳動。C6140車床縱向減速箱選用同步帶傳動。設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有:帶傳動的功率;主動輪轉(zhuǎn)速和傳動比;傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗,C6140車床縱向步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在之間選擇。初選電動機(jī)型號為130BYG5501,五相混合式,最大靜轉(zhuǎn)矩,十拍驅(qū)動時步距角為。(1) 傳動比的確定已知電動機(jī)的步距角,脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,代入式算得傳動比(2) 主動輪最高轉(zhuǎn)速 由縱向床鞍的最快移動速度,得出主動輪的最高轉(zhuǎn)速。(3) 確定帶的設(shè)計功率 預(yù)選的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為時,對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為。當(dāng)脈沖頻率為時,電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為,對應(yīng)的輸出功率為。取,,代入式,得出.(4) 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計功率和主動輪最高轉(zhuǎn)速,選取同步帶的型號為L型節(jié)距。(5) 確定小帶輪齒數(shù)和小帶輪節(jié)圓直徑 取,則小帶輪節(jié)圓直徑。當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時,同步帶速度為,沒有超過L型帶的極限速度。(6) 確定大帶輪齒數(shù)和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù),節(jié)圓直徑。(7) 初選中心距、帶的節(jié)線長度、帶的齒數(shù) 初選中心距,圓整后取。則帶的節(jié)線長度為。查表選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度,相應(yīng)齒數(shù)。(8) 計算實際中心距 實際中心距。(9) 校驗帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù) ,嚙合齒數(shù)比6大,滿足要求。此處表示取整。(10) 計算基準(zhǔn)額定功率 所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率:,式中 表示帶寬為時的許用工作壓力,查表得;表示帶寬為時的單位長度的質(zhì)量,查表得;表示同步帶的帶速,由上述(5)知。代入式子算得.(11) 確定實際所需同步帶寬度 ,式中表示選定型號的基準(zhǔn)寬度,查表得;表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù),查表得。由上式算得,再根據(jù)表選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬。(12) 帶的工作能力驗算根據(jù)式,計算同步帶額定功率的精確值:式中 為齒寬系數(shù):。經(jīng)計算得,而,滿足。因此,帶的工作能力合格。4.5步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型(1) 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知:滾珠絲杠的公稱直徑,總長(帶接桿),導(dǎo)程,材料密度;縱向移動部件總重量;同步帶減速箱大帶輪寬度,節(jié)徑,孔徑,輪轂外徑,寬度;小帶輪寬度,節(jié)徑,孔徑,輪轂外徑,寬度;傳動比。將上述數(shù)據(jù)代入公式,可得出:滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量;床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量;小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量,大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量。在設(shè)計減速箱時,初選的縱向步進(jìn)電動機(jī)型號為130BYG5501,查表得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為:。(2) 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。1) 快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式,可知包括三部分:快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高,根據(jù)式可知,相對于和很小,可以忽略不計。則有: (4-1)根據(jù)式,考慮縱向傳動鏈的總效率,計算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩: (4-2)式中 表示對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速,單位為;表示步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間,單位為。其中: (4-3) 式中 表示縱向空載最快移動速度,任務(wù)書指定為;表示縱向步進(jìn)電動機(jī)步距角。為;表示縱向脈沖當(dāng)量,為。將以上各值帶入式(4-3),算得。設(shè)表示步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間,縱向傳動鏈總效率;則由式(4-2)求得:,由式可知,移動部件運動時,折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為: (4-4)式中 表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù),滑動導(dǎo)軌取;表示垂直方向的工作載荷,空載時?。槐硎究v向傳動鏈總效率,取。則由式(4-4)得:,最后由式(4-1),求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為: (4-5)2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可知,包括三部分:折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。相對于和很小,可以忽略不計。則有: (4-6)其中,折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式計算,本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候,已知進(jìn)給方向的最大工作載荷,則有:再由式計算承受最大工作負(fù)載()情況下,移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩: 最后由式(4-6),求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承的負(fù)載轉(zhuǎn)矩: (4-7)經(jīng)上述計算后,得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩: (4-7)(3) 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的是開環(huán)控制,當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時,其輸出轉(zhuǎn)矩會下降,可能造成丟布,甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時,需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù),則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足: (4-8)對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動機(jī),查表可知,其最大靜轉(zhuǎn)矩,可見完全滿足式(4-8)要求。(4) 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1)最大工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度,脈沖當(dāng)量,由式求出電動機(jī)對應(yīng)的運行頻率。在此頻率下,電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩,滿足要求。2)最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空載移動速度,由式,求出電動機(jī)對應(yīng)的運行頻率。查表得,此頻率下,電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,大于快速空載起動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩,滿足要求。3)最快空載移動時電動機(jī)運行頻率校核最快空載移動速度,對應(yīng)的電動機(jī)運行頻率。查表可知130BYG550的極限運行頻率為,可見沒有超出上限。4)起動頻率的計算已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量,電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量,查表可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時最高空載起動頻率。由式,可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為:,上式說明,要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步,任何時候的起動頻率都必須小于。實際上,在采用軟件升降頻率時,起動頻率選得很低,通常只有(即)。綜上所述,縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG550步進(jìn)電動機(jī),可以滿足要求。4.6同步帶傳遞效率的校核分兩種工作情況,分別進(jìn)行校核。(1) 快速空載起動 電動機(jī)從靜止到加速至,由式(4-5)可知,同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,傳遞的功率為。(2) 最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度由式(4-7)可知,帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩,任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度,對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。傳遞的功率為??梢?,兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率。因此,選擇的同步帶功率合格。第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)的計算選型后可以著手繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖。在繪制機(jī)械裝配圖時,還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。(1) 了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu),從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。(2) 根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號,軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式,確定齒輪軸支承軸承的型號。(3) 考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等。(4) 考慮密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。(5) 在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)注意裝配的工藝性,考慮正確的裝配順序,保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求,設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能:1) 接收鍵盤數(shù)據(jù),控制LED顯示;2) 接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號;3) 接收車床限位開關(guān)信號;4) 接收螺紋編碼器信號;5) 接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號;6) 控制X、Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器;7) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止;8) 控制多速電動機(jī),實現(xiàn)主軸有級變速;9) 控制交流變頻器,實現(xiàn)主軸無級變速;10) 控制切削液泵起動停止;11) 控制電動卡盤的夾緊與松開;12) 控制電動刀架的自動選刀;13) 與PC機(jī)的串行通信。圖(2)為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52;由于AT89S52本身資源有限,所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器,存放系統(tǒng)底層程序;擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器,存放用戶程序;鍵盤與LED顯示采用8279來管理;輸入輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片,一些進(jìn)出的信號均做了隔離放大;模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖(1)所示。面板設(shè)置了48個微動按鈕,三個船形開關(guān),一只急停按鈕,顯示器包括1組數(shù)碼管和7只發(fā)光二極管。交流變頻器主軸電動機(jī)隔離放大X向步進(jìn)電動機(jī)隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大Z向步進(jìn)電動機(jī)刀架電動機(jī)主軸電動機(jī)卡盤電動機(jī)切削液泵電動機(jī)刀架刀位信號限位開關(guān)信號SRAM芯片6264復(fù)位電路晶振電路EPROM芯片W27C512CPUAT89S52單片機(jī)鍵盤與顯示接口芯片8279串行接口芯片MAX233并行接口芯片8255D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832螺紋光柵信號操作面板開關(guān)/按鈕信號圖(2)第七節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用本例中X向步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG5802,Z向步進(jìn)電動機(jī)的型號為30BYG5501。兩種電動機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外,電氣參數(shù)基本相同,均為5相混合式,5線輸出,電動機(jī)供電電壓,電流5安。這樣,兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此,選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器,型號為BD5A。第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計1. 存儲器與I/O芯片地址分配根據(jù)圖三中地址譯碼器U4(74LS138)的連接情況,可以算出主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配,如下表所示:器件名稱地址選擇線()片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼62648K8255482792DAC083212. 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換,分別是“編輯” 、“空刀” 、“自動” 、“手動1” 、“手動2” 、“手動3”和“回零” 。選中某一功能時,對應(yīng)的指示燈點亮,進(jìn)入相應(yīng)的功能處理??刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖(3)。系統(tǒng)上電復(fù)位CPU、8255、8279等初始化工作狀態(tài)選擇編輯?編輯處理回零?回零處理N自動?自動處理N手動?手動處理N空刀?空刀處理NN圖(3)3. 8255芯片初始化子程序B255: MOV DPTR,#3FFFH ;指向8255的控制口地址 MOV A,#10001001B ;PA口輸出,PB口輸出,PC口輸入,均為方式0 MOVX DPTR,A ;控制字被寫入 MOV DPTR,#3FFCH ;指向PA口 MOV A,#0FFH ;預(yù)置PA口全“1” MOVX DPTR,A ;輸出全“1”到PA口 MOV DPTR,#3FFDH ;指向PB口 MOV A,#0FFH ;預(yù)置PB口全“1” MOVX DPTR,A ;輸出全“1”到PB口 RET4. 8279芯片初始化子程序B279: MOV DPTR,#5FFFH ;指向8279的控制口地址 MOV A,#0CFH ;清除FIFO與顯示RAM命令 MOVX DPTR,A ;命令字被寫入WAIT: MOVX A,DPTR ;從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字 JB ACC.7,WAIT ;測試顯示RAM有沒有被清除完畢。只有狀態(tài)字的D7=0,清除才結(jié)束 MOV A,#08H ;編碼掃描,左入口,16位字符顯示,雙鍵互鎖 MOVX A,DPTR MOV A,#34H ;分頻系數(shù)取20 MOVX DPTR,A RET5. 8279控制LED顯示子程序設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH,系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下,需要顯示的字符段碼的編碼,事先存儲在CPU內(nèi)部的RAM的6BH73H這9個字節(jié)中。已知8279的控制口地址為5FFFH,數(shù)據(jù)口地址為5FFEH,則顯示程序如下:DIR: MOV DPTR,#5FFFH ;8279的控制口地址 MOV A,#90H ;寫8279顯示RAM的命令 MOVX DPTR,A ;從顯示RAM的00H地址開始寫,每寫一次,顯示RAM的地址自動加1 MOV R0,#6BH ;顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH MOV R7,#09H ;顯示緩沖區(qū)的長度為9個字節(jié) MOV DPTR,#5FFFH ;8279的數(shù)據(jù)口地址DIR0: MOV A,R0 ;從CPU的RAM中讀取顯示段碼的編碼 ADD A,#05H ;PC與DTAB表格之間的偏移量 MOVC A,A+PC ;查表,取出顯示段碼 MOVX DPTR,A ;送到8279顯示RAM中指定的字節(jié) INC R0 ; 寫8279的下一個顯示RAM DJNZ R7,DIR0 ;循環(huán)9次,完成9位顯示 RET; 段碼 字符 編碼DTAB: DB 6FH ;F 00-01DB 0DAH DB 0BEH ;X 02-03DB 0E7HDB 0A3H ;Z 04-05DB 0CBHDB 0D1H ;U 06-07DB 0D3H DB 0DCH ;W 08-09DB 0CEHDB 0DFH ;- 0ADB 21H ;0 0BDB 7BH ;1 0CDB 91H ;2 0DDB 19H ;3 0EDB 4BH ;4 0FDB 0DH ;5 10DB 05H ;6 11DB 69H ;7 12DB 01H ;8 13DB 09H ;9 14DB 20H ;0. 15DB 7AH ;1. 16DB 90H ;2. 17DB 18H ;3. 18DB 4AH ;4. 19DB 0CH ;5. 1ADB 04H ;6. 1BDB 68H ;7. 1CDB 00H ;8. 1DDB 08H ;9. 1E ;根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫當(dāng)需要顯示一組字符時,首先給顯示緩沖區(qū)的6BH73H這9 個字節(jié)賦值,然后調(diào)用DIR子程序即可。例如,要顯示“X-1234.56” ,程序如下: MOV 6BH,#02H ;“X”的一半 MOV 6CH,#03H ;“X”的另一半 MOV 6DH,#0AH ;- MOV 6E,#0CH ;1 MOV 6FH,#0DH ;2 MOV 70H,#0EH ;3 MOV 71H,#19H ;4. MOV 72H,#10H ;5 MOV 73H,#11H ;6 CALL DIR ;向8279的顯示RAM寫數(shù) 顯示緩沖區(qū)(CPU內(nèi)部RAM):(6BH)(6CH)(6DH) (6EH) (6FH) (70H) (71H) (72H) (73H) | | | | | | | | | 顯示字符: X - 1 2 3 4. 5 6 | | | | | | | | | 字符編碼: 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H6. 8279管理鍵盤子程序如圖三所示,當(dāng)矩陣鍵盤有鍵按下時,8279即向CPU的INT1申請中斷,CPU隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序,從8279的FIFO中讀取鍵值,程序如下: CLR EX1 ;關(guān)CPU的INT1中斷 MOV DPTR,#5FFFH ;指向8279控制口地址 MOV A,#01000000B ;準(zhǔn)備讀8279FIFO的命令 MOVX DPTR,A ;寫入8279控制口 MOV DPTR,#5FFFH ;指向8279數(shù)據(jù)口地址 MOVX A,DPTR ;讀出鍵值 CJNE A,#KEY0,NEXT0 ;依次進(jìn)行判別 JMP _KEY0 ;對應(yīng)鍵進(jìn)行處理NEXT0: CJNE A,#KEY1,NEXT1 JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A,#KEY2,NEXT2 JMP _KEY2NEXT2: 7. D/A電路輸出模擬電壓程序如圖三所示,當(dāng)CPU執(zhí)行寫命令時,只要選中7FFFH這個地址,DAC0832與741組成的D/A轉(zhuǎn)換電路即可輸出直流電壓。程序如下: MOV DPTR,#7FFFH ;指向DAC0832口地址 MOV A,#DATA ;準(zhǔn)備輸出的數(shù)字量00H0FFH MOVX DPTR,A ;輸出直流電壓010V8. 步進(jìn)電動機(jī)的運動控制程序9. 電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序10. 主軸、卡盤與切削液泵的控制程序車床主軸的控制,就是控制主電動機(jī)的正反停,以及自動變速;電動卡盤需要控制其夾緊與松開;切削液泵需要控制它的起停。這些程序都非常簡單,對于某個動作的控制,只要從輸出接口芯片的某個引腳輸出一個電平信號即可?,F(xiàn)以主軸正轉(zhuǎn)為例,從圖三可以看出,主軸的正轉(zhuǎn)由8255的PA0來控制,當(dāng)用低電平信號來控制主軸正轉(zhuǎn)時,程序如下: MOV DPTR,#3FFFH ;8255的PA口地址 MOVX A,DPTR ;讀出PA口鎖存器內(nèi)容 CLR ACC.0 ;修改 MOVX DPTR,A ;置PA0=0,直流繼電器K+閉合,主軸正轉(zhuǎn) 參考文獻(xiàn)1張新義主編經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19982余英良主編機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計與實例北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19943王貴明主編數(shù)控實用技術(shù)北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20014普通C6140車床的說明書 5張建明主編機(jī)電一體華系統(tǒng)控制北京:高等教育出版社,20016鄧星鐘主編機(jī)電傳動控制武漢:華中科技大學(xué)出版社,20017王愛玲主編現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計北京:兵器工業(yè)出版社,19998卜云峰主編機(jī)械工業(yè)及自動化簡明設(shè)計手冊上下冊北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19999世紀(jì)星數(shù)控裝置連接說明書武漢:武漢華中數(shù)控股份有限公司,200110李洪主編實用機(jī)床設(shè)計手冊.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,199911尹志強(qiáng)主編系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書合肥:機(jī)械工業(yè)出版社,200712陶曉杰主編伺服電機(jī)用于車床進(jìn)給系統(tǒng).制造業(yè)自動化,第22期,200013機(jī)床設(shè)計手冊編寫組,機(jī)床設(shè)計手冊(第三冊),機(jī)械工業(yè)出版社,198614李立強(qiáng)等主編數(shù)控車床自動轉(zhuǎn)位刀臺設(shè)計,制造技術(shù)與車床,200015黃玉美主編車床總體方案的創(chuàng)新設(shè)計,設(shè)備管理與維修,200016孫桓等主編機(jī)械原理,高等教育出版社,199517陶乾主編金屬切削原理,高等教育出版社,1957 18劉淑華淺談數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計.52668網(wǎng)路博覽會.產(chǎn)業(yè)頻道,200319楊波淺談機(jī)床數(shù)控改造.e-works,e-works論壇,200120大連理工大學(xué)工程畫教研室主編.機(jī)械制圖.北京:高等教育出版社,1993第 24 頁

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