范例：CA6140車床橫向進給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計說明書

CA6140 車床數(shù)控改造設(shè)計說明書目錄1. 緒論 12. 設(shè)計要求 32.1 總體方案設(shè)計要求 32.2 設(shè)計參數(shù) 42.3 .其它要求 43. 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 83. 1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計93.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 103.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 103.3.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 143.3.4 齒輪有關(guān)計算 163.3.4 (2) 橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算204. 步進電動機的計算與選型 234.1 步進電動機選用的基本原則 234.2 步進電動機的選折 245. 主軸交流伺服電機 245.1 機床主運動電機的確定265.2 主軸的變速范圍 265.3 初選主軸電機的型號 275.4 主軸電機的校核276. 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 286.1 控制系統(tǒng)的功能要求 286.2 硬件電路的組成 286.3 設(shè)計說明 317安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題 316.4 滾珠絲杠副的特點 316.5 滾珠絲杠螺母副的選擇 326.6 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整 326.7 聯(lián)軸器的安裝 326.8 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 32結(jié)論35參考文獻 36緒論數(shù)控機床與普通機床相比 ,增加了功能,提高了性能,簡化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復(fù)雜、 精密、 小批量及形狀多變零件的加工問題。 能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制： （ 1）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足； （ 2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機床， 完全用數(shù)控機床替換根本不可能， 而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費；（ 3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（ 4）通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。要較好的解決上述問題， 應(yīng)走通用機床數(shù)控改造之路。 普通機床的改造就是在普通機床上增加微機數(shù)控裝置， 使其具有一定的自動化能力， 以實現(xiàn)額定的加工工藝目標。機床數(shù)控化改造的優(yōu)點： （ 1） 改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率； （ 2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)； （ 3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產(chǎn)效率高； （ 4） 降低對工人的操作水平的要求；（ 5） 數(shù)控改造費用低、 經(jīng)濟性好；（ 6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間， 現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、 市場、 效益， 影響企業(yè)的生存和發(fā)展， 所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。普通車床 （如 C616， C618， CA6140） 等是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來， 通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好， 改變參數(shù)時要停車進行操作。 刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。對普通車床進行數(shù)控化改造， 主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置， 車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進行切削加工。 由于加工過程中的切削參數(shù)， 切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換， 再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能， 數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件， 并能實現(xiàn)多工序自動車削， 從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度， 也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。2 設(shè)計要求2.1 總體方案設(shè)計要求總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。（ 1） 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、 縱向和橫向的直線插補、 圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（ 2） 車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床， 在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（ 3） 據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在8 位微機中，MCS51 系列單片機具有集成度高、 可靠性好、 功能強、 速度快、 抗干擾能力強、 具有很高的性價比， 因此，可選 MCS 51 系列單片機擴展系統(tǒng)。（ 4） 據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器， 擴展數(shù)據(jù)存儲器、 I/O 接口電路； 包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器， 包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（ 5） 計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（ 6） 向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。（ 7） 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性， 選用摩擦小、 傳動效率高的滾珠絲杠螺母副， 并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)， 以提高傳動剛度和消除間隙， 齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。（ 8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。2.2 設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)?，F(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：技術(shù)參數(shù)名稱在床身上400mm工件最大直徑I在刀架上頂尖間最大距離宋制螺紋 mm加工螺紋范圍 ,英制螺紋 t/m模數(shù)螺紋 mm<徑節(jié)螺紋 t/m,最大通過直徑孔錐度主軸,正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù),反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍縱向級數(shù) 進給量I縱向范圍橫向級數(shù)L橫向范圍滑板行程f 橫向1縱向,最大行程刀架 < 最大回轉(zhuǎn)角刀杠支承面至中心的距離210mm650;900;1400;1900mm1-12（20 種）2-24（20 種）0.25-3（11 種）7-96（24 種）48mm莫氏6#2410 1400r/min1214-1580r/min640.028-6.33mm/r640.014-3.16mm/r320mm650;900;1400;1900mm140mm9026mm25X 25mmI刀杠截面BXH頂尖套莫氏錐度尾座 橫向最大移動量外形尺寸長X寬X高圓度工作精度,圓柱度平面度I表面粗糙度Ra5#士 10mm2418X1000X 1267mm0.01mm200:0.020.02/小 300mm1.6-3.2m,主電動機7.5kw電動機功率，I總功率7.84kw改造設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑J在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工長度1000mm快進速度j縱向2.4m/minL 橫向1.2m/min最大切削進給速度縱向0.5m/min:橫向0.25m/min溜板及刀架重力f 縱向800N橫向600N代碼制ISO脈沖分配方式逐點比較法輸入方式增量值、絕對值通用脈沖當量縱向橫向0.01mm/脈沖0.005mm/脈沖機床定位精度 0.015mm刀具補償量0mm99.99mm進給傳動鏈間隙補償量縱向0.15mm橫向0.075mm控制坐標數(shù)自動升降速性能有2.3 .其它要求(1)原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量，以降低成本縮短改造周期。(2)機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。3進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝 在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操 作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺 母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相 連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。 計算簡圖如下圖所示：ffl S）進給系統(tǒng)L箕管圖3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量，它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此，脈沖當量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對 經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當量fp為0.01mm/step。橫向脈沖當量為fp=0.005mm/step。3.2.2 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟(1)型號選擇1 )最大工作載荷計算由于導(dǎo)向為貼塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f =0.05,F1為工作臺進給方向載荷，F(xiàn)l=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作載荷：Fm=kF1+(Fv+2Fc+G)=1.4X 2144+0.05(5360+2 義 1340+9.8 義 75)=3440.4N2)最大動載荷的計算V 橫=1400r/min x 0.79mm/r=1106mm/minn 橫絲=vx 1/2/L?？v=1106X 1/2/4=138.25r/minL=60nt/=60義 138.25 義 15000/106=124.43C= vLfmFm =VT244TX 1.5 X 3440.4=25763.7N初選滾珠絲杠型號為：CD50< 6-3.5-E其基本參數(shù)為 Dw=3.969mm入=2o11,L0=6mm,dm=50mm|數(shù) X 列數(shù) x 3.5X1(2)橫向滾珠絲杠的校核1 )傳動效率”計算4=tg 入 /tg(入 + 小)=tg2 o11 7tg(211 +10)=93%2)剛度驗算1 .絲杠的拉壓變形量 1 = FrriX L/EA= 3440.4 X 320/20.6 X 104X 九義 252= 0.0027mmFm2 .滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量6 2=0.0013 X3MDwFyjZ ”=0.0013 義3440.4一3 .3440.4V3.969 .X._X 145.36=0.0070mm在這里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118NZ=兀 dm/Dw=3.14X 50/3.969=39.56Z 12=39.56X3.5 乂 1=138.48絲杠的總變形量6=6 1 + 6 2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm查表知E級精度允許的螺距誤差為0.015mm故所選絲杠合格3.2.3齒輪有關(guān)計算 （1）縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：工作臺重量：W=80kgf=800N根據(jù)圖紙粗略計算）滾珠絲杠的導(dǎo)程：Lo=12mm步品E角:a =0.75 /step脈沖當量：6 p=0.01mm/step快速進給速度：Vmax=2m/min所以，變速箱內(nèi)齒輪的傳動比.Z2i=一=Z1(j)L0 0.75 X 12360 8 p 360 X 0.01=2.5(3-9)齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下：Zi=32 , Z2=40 ，模數(shù) m=2mm齒寬b=20mm壓力角a =20齒輪的直徑 d 產(chǎn)mz=2X 32=64mmd2=mz=2 x 40=80mm*2=di+2ha=68mmd2=d2+2ha*=84mm兩齒輪的中心矩 a= W264+80 rc-二72mm2）轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J80SP2180X0.01 212J i=W) = (375)X80X 同=0.467kg.cm(3-10)對材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算：J=7.8 x 10-4D4Lkg.cm 2(3-11)式中D-圓柱形零件的直徑，cmL-零件的軸向長度，cm所以，絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：J 1=7.8 X 10-4+D4L1=7.8 X 10-4x 3.2 4X 140.3=11.475 kg.cm 2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：%=7.8 X10-4x 6.44 X 2=2.617 kg.cm 2a1 =7.8 X 10-4X84X 2=6.39 kg.cm 2 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小，可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J=(1/i 2) (Js+Jz2) +Jz1+J1=(1/2.5 2) (11.475+6.39 ) +2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2 3)所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩M=Mamax+Mf+Mo 最大切削負載時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速進給時所需力矩M=Mf+Mo式中，Mamax-空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩；Ma-折算到電動機軸上的加速度力矩；Mf-折算到電動機軸上的摩擦力矩；Mo-由絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機軸上的附加摩擦力矩；Mat-切削時折算到電動機軸上的加速力矩；Mt-折算到電動機軸上的切削負載力矩；Ma=? x 10-4N.m(3-12)9.6T式中，J-轉(zhuǎn)動慣量，kg.cm2n-絲杠轉(zhuǎn)速,r/minT-時間常數(shù)，s當n=nmax時M a=M amaxVmaxI 2000 x 2.5nmax= Lo12一=416.7 r/min一5.942 X 416.7、，/4 八 /八M amax=_9.6 X 0.02510 =2.49N.m當 n=nt 時，Ma=matntF1000V r.+ fin王f 冗dL01000 x 100 x 0.3 x 2.5C-,3.14 x 80X 12 =24.88 r/minM at=59.42 X 24.889.6 X 0.25X10-4=0.0616N.mMf=FoLo2兀4iN.cm(3-13)式中f-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)nt-切削加工時的轉(zhuǎn)速，r/min;w-移動不見的重量，N;Lo-絲杠導(dǎo)程，cm;i-傳動比;“-傳動效率。4=0.8f=0.16 時,Mf=0.16 X 800 X 1.22X 3.14 x 0.8 x 2.512.23N.cmMo=FoLo2兀4i(1-(3-14)式中,o-絲杠未預(yù)緊時的效率，取0.9Fo-預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1 / 3,即Fp/ 3FpLo(1- T1 2)1340 X 1.22o= 6- o =6X314XO8X及(1-0.92)=8.108N.cm6 兀 r i6 X 3.14 X 0.8 X 2.5Mt=-FxL-2兀4i1340 X 1.22X 3.14 x 0.8 x 2.5-128N.cm所以,快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速進給時所需力矩M=M f+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動時Mmax=123.338 N.cm(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知：工作臺重量：W=30kgf=300N根據(jù)圖紙粗略計算）滾珠絲杠的導(dǎo)程：Lo=4mm步距角:= =0.75 /step脈沖當量：6 p=0.005mm/step快速進給速度：Vmax=1m/min所以，變速箱內(nèi)齒輪的傳動比Z2 (j)L0 0.75 X4 5Z?= 360 8 p =360 X 0.005 . 3 =1.67齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下：Zi=18 , Z2=30，模數(shù) m=2mm齒寬b=20mm壓力角a =20d二36mmd2=60mmda1 =40mmda2=64mm a=48mm 2）轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，180 p、2180 0.005212J 1=W*) = ( 5)X30X1=0.0439 kg.cm絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：J s=7.8 x 10-4X 24X50=0.624 kg.cm 2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：a1=7.8 X 10-4X3.6 4X2=0.262 kg.cm 2% =7.8 X 10-4X 64X 2=2.022 kg.cm 2電動機轉(zhuǎn)動慣量很小，可忽略。因此，折算到步進電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J=(1/i 2) (Js+Jz2) +Jz1+J1=(3)2 ( 0.624+2.022 ) +0.262+0.0439=1.2585/kg.cm2=12.58N. cm2 3）所需轉(zhuǎn)動力矩計算VmaxI 10005nmax=B=丁 x3=416.7 r/minM amax= 1.258 * 416.7x 10-4=0 2184Nm=2 18kgfcm9.6 x 0.025v.jn主f ntF1000Vfi兀DL01000 X 100 X 0.15 X5=33 173.14 x 60 x 4X3 "J r/minMat=" Hx 10-4=0.0174Mm=0.174 kgf.cmMf=FoLo f wLo22 3.140 x04 =0.287kgf.cm=0.028Mm2FpLo(1- “ )214.4 X 0.4X3 2 .Mo=6兀 i o =6X314 X08 3。-。.硝=0.649kgf.cm =0.065N.m6 兀4 i6X 3.14 X 0.8 X)i一 FyL0 214.4 x 0.4 X3 / 八八r/ cc ,Mt=2X314 xo8 =10.242kgf.cm =1.024 N.m2兀412A3.14 A 0.8 XjJ所以，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速進給時所需力矩M=M f+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm4步進電動機的計算與選型4.1 步進電動機選用的基本原則合理選用步進電動機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電動機在整個系統(tǒng)中的實 際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹 如下：4.1.1 步距角a步距角應(yīng)滿足 a 0一（4-1）式中，i-傳動比a min-系統(tǒng)對步進電動機所驅(qū)動部件要求的最小轉(zhuǎn)角4.1.2 精度步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從 任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)滿足： 9 m<i 9 S（4-2）式中， 0 m -步進電動機的累積誤差。 9 s-系統(tǒng)對步進電動機驅(qū)動部分允許的角度誤差。4.1.3 轉(zhuǎn)矩為了使步進電動機正常運轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件a.起動力矩。一般選取為Mq>MLo/0.3-0.5（4-3）式中，Mq電動機起動力矩MLo-電動機靜負載力矩根據(jù)步進電動機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（4）所示，表中Mjm為 步進電動機的最大靜載矩，是步進電動機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。運行 方式相數(shù)334455663648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（4）步進電動機相數(shù)、拍數(shù)啟動力矩表在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與 電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。4.1.4 啟動頻率由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：Ft>fopm（4-4）式中，ft-極限啟動頻率，fopm-要求步進電動機最高啟動頻率。4.2 步進電動機的選折4.2.1 CA6140橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定Mq=ML00.425.320.4=63.3 N.cm電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm為：Mq 63.3Mjm=06 =蒜66=73.09 N.cm步進電動機最高工作頻率:fmax=Vmax60 sp100060 x 0.005=3333.3 Hz為了便于設(shè)計和采購，仍選用90BF002型直流電動機，能滿足使用要求5主軸交流伺服電機5.1 主軸的變速范圍主軸能實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍Rn,即Rn=nmax/nmin,數(shù)控機床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化 很大，所以主軸變速范圍很寬。由于 Nmax=1800 nmax=14Nmax/nj=2nj/min(5-1)貝j nj=v/180(2>< 14 =113r/min這里nj為電動機的額定轉(zhuǎn)速該機床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍Rn為：Rn= nmax /nj=1800/113=15.9(5-2)主軸電機的功率是：7.5kw5.2 初選主軸電機的型號選主軸電機的型號為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)型號為 1HP6167-4CB4,連續(xù)負載 PH/KW=14.5,間隙負載(60%) /kw=17.5kw,短時負 載(20min) /kw=19.25kw,額定負載 n/r.min-1=5000，最大轉(zhuǎn)速 nmax/ r/min=8000, 額定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m2晶體管PWM變頻器型號為6SC6058-4AA02 5.3主軸電機的校核電動機恒恒功率調(diào)速范圍：Rn= nmax/nmin=8000/5000 =16所以所選電動機型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。6微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計6.1 控制系統(tǒng)的功能要求(1) z向和x向進給伺服運動控制(2)自動回轉(zhuǎn)刀架控制(3)螺紋加工控制(4)行程控制(5)鍵盤及顯示(6)面板管理(7)其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復(fù)位。6.2 硬件電路的組成：后面所畫大圖采用 MCS-51 系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。 電 路的組成如下：（1） CPU采用8031芯片；（ 2）擴展程序存儲器2764 兩片， 6264一片；（ 3）擴展可編程接口芯片8155 兩片；（ 4）地址鎖存器，譯碼器個一個；（ 5）鍵盤電路，顯示電路；（ 6）光電隔離電路，功率放大功率；（ 7）越程報警電路，急停電路，復(fù)位電路；（ 8）面板管理電路。6.3 設(shè)計說明（1） CPUS用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器2764 兩片（16KB） ，數(shù)據(jù)存儲器6264（ 8KB）一片。 8031 的 I/O 口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴展了兩片 8155 可編程接口芯片。（2）采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號。2764 （1）、2764（2） 、 6264、 8155（1） 和 8155（2） 的片選信號分別接到譯碼器的 Y0Y4,74LS 138 的輸入A、 B、 C 分別接 8031 的 P2.5 、 P2.6 、 P2.7 。（3）由于2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線，A0A7低8位接 74LS373芯片的輸出。A8A12接8031芯片的P2.0P2A 74LS373地址鎖存器 在選通信號ALE在高電平時直接傳送8031P0 口低8位地址，當ALE在高電平變 低電平的下降沿時， 低 8 位地址鎖存器， 此時，P0 口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。（ 4）接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接及設(shè)計說明如下：8155（ 2） PA.0PA.7 輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向步進電機的共八相繞組。 在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進電機的每一相繞組需和一個I/O 接口相連， 以便與控制寄存器中某一指定相位對應(yīng)，因此，占用的 I/O 口數(shù)量較多。8155 （2）的PC.0PC.5作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由8031的P1.0P1.7發(fā)出，8155的PB.0PB.3是鍵盤掃描輸入。行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X 分別通過 8155（2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中斷請求， 根據(jù)不同的中斷口可以直接識別行程的方向， 此時相應(yīng)的紅燈報 警。8155小的PC.0PC.3接自動回轉(zhuǎn)刀架 （四方刀架） ， 自動回轉(zhuǎn)刀架需要換刀時，由PC.0PC.3發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機回轉(zhuǎn)，到達指定 的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進行切削加 工。換刀回答信號經(jīng)8155 (1)的PB.5輸入計算機，控制刀架開始進給。8155 (1) Pa.0Pa.5接控制面板上的控制開關(guān)，設(shè)有編輯空運行、自動、手 工(I)、手工(II)、回零等選著方式。8155 (1) Pb.oPb.4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動、暫停、單段運行、 連續(xù)運行、急停等操作功能。加工螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位 螺紋信號，螺紋加工信號送入 8031的T0,通過設(shè)置不同的時間常數(shù)，可以改變 主軸每轉(zhuǎn)時的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號送入8155 (1)的PB6,用來防止多次走刀時螺紋亂扣。(5)系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片地址編碼見表(5) (6)操作面板設(shè)計方案之一見表(5):-H- UL 心片接74LS138 引腳地址選擇線片內(nèi)地 址單元 (字 節(jié))地址編碼2746 (1)Yo000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH2746 (2)Y1001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH6264Y2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH8155(DRAMY30111 1110 XXXX XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FFDH8155(2)RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9EFFHI/OY41001 111111111XXX69FF8H9FFDH表(5)芯片地址編碼7車床改造的結(jié)構(gòu)特點7.1 .滾珠絲桿滾珠絲桿必須采用三點支承形式。步進電動機的布置可放在絲杠的任一端， 由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在滾珠絲桿的左端設(shè)計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進電動機和減速 箱。7.2 導(dǎo)軌副為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移動部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶7.3 安裝電動卡盤為了提高經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號電路相配合，實現(xiàn)自動夾緊、松開，提高加工過程的自動化程。7.4 脈沖發(fā)生器改造后的簡易數(shù)控車床需要自動化加工螺紋時， 可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器， 作為主軸位置的信號反饋元件， 目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置， 并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置， 使其能按照所加工螺紋的螺距值進行處理。8 安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題8.1 滾珠絲杠螺母副的選擇：滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高， 加工工藝比較復(fù)雜。 都是由專業(yè)工廠按系列化進行生產(chǎn)。 因此在進行設(shè)備改造時， 要按廠家生產(chǎn)標準進行選擇。 選擇合適以后再決定被改造設(shè)備的 其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。8.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整：利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時， 應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的 預(yù)緊力為絲杠副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于0.01mm,而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此作為螺母間隙調(diào)整裝置預(yù)緊的判斷標準。8.3 聯(lián)軸器的安裝：傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。 這是因為同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時， 往往會引起軸線的直線度誤差增大， 從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大， 產(chǎn)生傳動附加載荷， 影響絲杠副的傳動性能。8.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝：主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例 1： 1 無間隙柔性連接傳動，連接后應(yīng)保證兩者都有很好的同步性， 安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件， 不能隨意敲打碰撞，使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。結(jié)論這次課題設(shè)計總計費時兩個星期， 剛開始時不知從何下手， 在老師的指導(dǎo)下到圖書館查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計資料，終于知道了該怎么做。 接下來篩選出一系列有價值的資料， 與同組同學(xué)不斷的討論、向老師請教，終于完成了設(shè)計。在做設(shè)計的過程中， 不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過的知識點， 還學(xué)到了新的知識， 同時將所學(xué)到的知識充分的運用起來， 做到了學(xué)以致用， 還學(xué)會了查資料， 除此之外，我還懂得了團結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。同時， 做設(shè)計也是磨練決心與毅力的過程， 面對復(fù)雜冗長的數(shù)據(jù)， 打印長篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有一種 豁然開朗的感覺，內(nèi)心激動無比，經(jīng)過了這次設(shè)計以后，我有信心，我也堅信只 要努力、堅持，我們就能走好人生的每一步。參考文獻1. 吳振彪主編 . 機電綜合設(shè)計指導(dǎo) . 中國人民大學(xué)社.2000.2. 余英良主編 . 機床數(shù)控改造設(shè)計與實例 . 機械工業(yè)出版社.19973. 機床設(shè)計手冊編寫組編 . 機床設(shè)計手冊第一，三，四冊 . 械工業(yè)出版社 .1998.4. 明興祖主編 . 數(shù)控加工技術(shù). 化學(xué)工業(yè)出版社.2001.5. 胡占齊，楊莉主編. 機床數(shù)控技術(shù). 機械工業(yè)出版社.1999.6. 王先逵主編 . 機械制造工藝學(xué) . 機械工業(yè)出版社.2002.7. 邱宣懷主編. 機械設(shè)計 . 高等教育出版社.20028. 黃調(diào)，趙松年主編 . 機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 . 機械工業(yè)出版社.1999.