C616纵向进给系统数控改造设计说明书含cad图纸.doc

1、xxx 理工学院毕业设计 xx 学院毕业设计 C616纵向进给系统数控化改造设计 说 明 书 学员： 学号： 姓名： 班级： 日期： xxx 理工学院毕业设计 目录 1.绪论 . 1 2.机械部分设计 . 2 2.1 设计框图及机械结构改进设计 . 2 2.2 转动惯量的计算 . 3 2.3 转动矩计算 . 4 2.4 步进电机的选择 . 6 2.5 纵向进给系统的设计与计算 . 7 2.5.1 系统的脉冲当量 . 8 2.6 切削力的计算 . 8 2.7 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 9 2.7.1 计算进给牵引力 mF . 9 2.7.2 计算最大动载荷 C . 9 2.8 传动效率的计

2、荷 . 11 2.9 刚度验算 . 13 2.10 齿转传动比的计算 . 13 2.10.1 齿轮传动间隙的消除 . 14 2.11 轴的设计与校核 . 16 2.12 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器 . 16 2.12.1. 轴的结构设计 . 17 2.12.3 按弯矩合成强度校核轴的强度 . 18 2.12.4 按疲劳强度安全系数校核轴的强度 . 21 3.机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计 . 23 3.1 电气控制系统方案的确定 . 23 3.1.1 步进电动机与丝杠的联接 . 23 3.1.2 8051 单片机的选择 . 24 3.2 步进电动机开环控制系统设计 . 24 3.

3、2.1 脉冲分配器 . 25 3.2.2 光隔离电路 . 28 3.2.3 步进电动机驱动电路 . 29 3.3 8255 可编程控制芯片的扩展 . 30 3.3.1 8255 芯片的介绍 . 30 3.3.2 58051 单片机与 8255 接口电路的设计 . 30 xxx 理工学院毕业设计 3.3.3 8255 芯片在设计电路中的控制功能 . 31 3.4 6264 芯片的扩展 . 32 3.5 辅助电路的设计 . 32 3.5.1 8051 单片机的时钟电路 . 32 3.5.2 复位电路 . 33 3.5.3 越界报警电路 . 33 3.6 操作面板设计的简要介绍 . 34 致谢 .

4、35 参 考 文 献 . 36 xxx 理工学院毕业设计 第 1 页 共 39 页 1.绪论 根据社会调查针对 C616 车床的使用情况，车床 产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通车床已不能适应这些要求，数控车床应运而生。 我国大多数企业中存在大量的 C616 车床，由于 C616 车床机械部分采用滑动丝杠传动， 精度低、质量不稳定，生产效率低，劳动轻度大、劳动条件差；在电气部分，采用交流电机，这已经不能满足现在制造业发展要求，在机械制造业中，数控车床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更 新改造现有普通车床，通过为普通车床添加数控装置，将普通车床改造成数控车床，

5、这是许多中小型企业面临的重要技改措施。 改造后的 C616 数控车床比普通 C616 车床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “修配 “。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能， 因而可实现长时间无人看管加工。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。发展趋势一片看好，可以说数控技术已经成为制造业自动化的核心技

6、术和基础技术。 在美国、日本和德国等发达国家，数控车床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于车床以及技术的不断进步，车床改造是个 “永恒 “的课题。我国的车床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造车床和生产线具有广阔的市场，已形成了车床和生产线数控改造的新的行业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三 机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 数控车床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通

7、车床，利用较先进的数控系统，对现有普通车床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有更重要意义。根据我国 车 床拥有量大，生产规模小的具体国情，将普通车床通过数控化改造为经济型数控车床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企 业所面临的情况看，因数控车床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，对普通 车 床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样车床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 本论文主要解决了利用微机将进给伺服系统，改造成开环控制伺服进给系统

8、。拆除原机床的进给箱，利用原 车 床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两xxx 理工学院毕业设计 第 2 页 共 39 页 端采用原固定方式，这样可减小改装现场，由于滚珠丝擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。 2.机械 部分设计 2.1 设计框图及机械结构改进设计 图 2.1 经济性数控车床进给伺服系统总体方案框图 本次改造的主要部件有：挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等，改造方案不是惟一。 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。 图 2.2 车床传动系统图 xxx 理工学院毕业设计 第 3 页 共 39 页 进给箱部分：全部

9、拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱组成。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，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按 钮。 横溜板部分：将原溜板中的丝杠、螺母拆除，改装横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。 2.2 转动惯量的计算 选择步进电动机时必须根据机械传动设置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的力矩，再根据步进电动机最大转矩和起动运行频率特性选择合适的步进电动

10、机。 刚体的转动惯量是由质量、质量分布、转轴位置三个因素决定的。 同一刚体对不同转轴的转动不同 ,凡是提到转动惯量 ,必须指明它是对哪个轴的 才有意义。选择步进电动机时 ,负载惯量是驱动系统的主要参数之一 ,它对选择步进电动机 ,设计传动比等都有十分重要的意义 ,如果该惯量与电动机的匹配不当 ,系统就得不到快速反应 ,甚至失效 .所以我们在进行转动惯量计算时，一定要进行多方面的考虑，选择合适的电机是很重要的一步设计，它直接决定设计的成败。 表 2.1 转动惯量的计算 计算项目 设计计算与说明 计算结果 1）工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 1J ( )( )221cm1 5 2 6.0

11、75.014.301.01 8 08.925.14 0 01 8 0=kgagiwj p21 1526.0 cmkgj = 2）对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 sJ 244108.7 cmkgLDJ 式中 D-圆柱形零件的直径（ cm） L-零件的轴的长度（ cm） 所以丝杠向转动惯量 2441444 7 5.113.1 4 02.3108.7108.7cmkgLDJ s=2475.11 cmkgJ s = xxx 理工学院毕业设计 第 4 页 共 39 页 3）齿转的转 动惯量 J 2441 617.22104.6108.7 cmkgJ z =2442 39.62108108

12、.7 cmkgJ z =电动机的转动惯量很小或忽略。因此折算到步进电机轴上的总的转动惯量 ( )( )2211222 0 3 2.141 5 2 6.0617.239.6475.1125.1 11cmkgJJJJiJ ZZS=+=+=22032.14 cmkgJ = 为 0.75/1.5，二种不同脉冲分配方式对应有二种步距角，步距角 b 及减速比 i 与脉冲当量b 和丝杠导程 0L 有关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i ，并满足 360 0i L 即 36025.1 75.0 (满足 ) 2.3 负载转动矩计算及最大静转矩选择 表 2.2 负载转矩计 计算项目 设计计算与说明 计算结果

13、1）加速力矩 kaM r /m in1 2 5 0 3 6 001.075.06 0 0 03 6 0 m a xm a x vn 式中 maxn 与运动部件最大进给速度对应的电机最大转速（ r/min）， maxV 运动部件最大快进转速（ mm/min） 210602 = tnJM ka 式中 J 传动系统各部件惯量折算到电机轴上的转动惯量 ， t 为转动部件从静止启动加速到最大快进速度所需时间s 2cmkg min/1250m ax rn cmN3 9 5 4.7 4 3ksM xxx 理工学院毕业设计 第 5 页 共 39 页 cmN3 9 5 4.7 4 31025.060 1 2 5

14、 014.322 0 3 2.14 2 kaM 2）折算到电动机轴上的空 载摩擦力矩 kfM 折算到电动机轴上的空载摩擦力矩 ( )mNiLGfM kf = 2 02 式中 f 导轨上的摩擦系数 G 为运动部件的总重力 i 为齿轮传动降速比 传动系统的总效率 一般 0.7 0.85 0L 滚珠丝杠的基本导程（ cm） 当 0.8 f 0.16 时 即 mN1 1 4 6.6 25.18.014.326.04 0 016.0= =kfM 3）附加摩擦 力矩 0M 附加摩擦力矩 ( )-12 20000 iLFM = 0 丝杠未预紧时的效率，取0.9 0F 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1/3.

15、即 3mF 即 ( )( )cmN5 6 7 6.025.18.014.369.0-16.04.1 7 8 2-122200= iLFM mcmN5676.00 =M xxx 理工学院毕业设计 第 6 页 共 39 页 计算项目 设计计算与说明 计算结果 4）切削负载 力矩 tM 切削负载力矩 tM iLFM tt 2 0=式中 xit FFF = （详见 7P 沿进给方向的负载） 即. c mN72.9125.18.014.326.096020= iLFM ttcmN72.91=tM 结论 （ 1）快速空载起动所需力矩 cmN0 7 7 6.7505 6 7 6.01 1 4 6.63 9

16、5 4.7430 MMMM kkakq （ 2）快速进给时所需力矩 cmN6822.65676.01146.60 MMM kfkj （ 3）最大切削负载时所需力矩 cmN40.9872.911 1 4 6.65 6 7 6.00=+=+= tkfGJ MMMM cmN0 7 7 6.7 5 0kqM cmN68.6=kjM cmN40.98=GJM 以上分析计算可知：所需最大力矩 maxM 发生在快速启动时， cmNM 0 7 7 6.7 5 0m a x 2.4 步进电机的选择 xxx 理工学院毕业设计 第 7 页 共 39 页 合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实

17、际工作情况，经分析后才能正确选择。 C616 纵向进给系统步进电机的选择 cm1875.1944.00776.7504.0 Lq MM式中 qM 电动机启动力矩， 0LM =电动机静负荷力矩 为了满足最小步距要求，选择三相六拍工作方式，有下表可知 表 2.3 步进电相数、拍数、启机动力矩 运行 方式 相数 3 4 5 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 maxjq MM0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 866.0/ m ax =jq MM 所以步进电机最大静转矩 maxjM 为 cmN3 5 1 0.2 1 6 58 6 6.

18、0/1 9 4.1 8 7 58 6 6.0/m a x qj MM 步进电机最高工作频率 HZ1000001.060 600060 m a xm a x pVf 综合考虑，查表选用 110BC3100 型反应式步进电机。 2.5 纵向进给系统的设计与计算 已知条件 工作台重量 G=400N（根据图纸粗略计算） 时间常数 T=25ms 滚珠丝杠基本导程 mmL 60 = 行程 S=820mm 步距角 075.0=a 因本次改造的是纵向进给系统，将原溜板箱中的丝杠，螺母拆除，改装成纵向进给滚珠丝杠螺母副。纵向步进电机与齿轮减速箱 总体安装在纵溜板左部并与滚珠丝杠相连，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位，为保证其同轴度，提高传动精度，使用法兰盘连接牢固。