X502型立式铣床微机数控改装机电一体化课程设计完整版【含CAD图纸】
I前言一、机床数控化改造的意义与传统机床相比,数控机床具有以下明显突出的优越性。1、通过计算机所具有的高超运算能力,瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面使数控机床能够加工出传统机床加工不出的曲线、曲面等复杂零件。2、通过计算机的的记忆和存储能力,将输入的程序进行记忆和存储,实现加工的柔性自动化,从而大大的提高加工效率。3、数控机床的加工工序较为集中,能够节省因零件工序分散而损耗的时间,缩短生产周期,并且可以提高零件的加工精度,从而减小误差,也有助于提高装配效率。4、数控机床具有较强的自动化能力,可以实现加工过程中的自动监控、自动报警、自动补偿等多种功能。5、加工过程自动化,使一个工人就能够同时看管多台机床,并且大大减轻工人劳动强度,节省了劳动力,降低了生产成本,提高企业的经济效益,实现良性的循环。6、数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术,数控机床的普及,以及使用数控机床进行加工制造,对提高劳动生产率具有重要意义。二、机床数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点:1、恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;2、NC 化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成 NC 机床、CNC 机床;3、翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,II对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新;4、技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。三、机床数控化改造的优缺点1、减少投资额、交货期短同购置新机床相比,一般可以节省 6080的费用,改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造,只花新机床购置费用的 1/3,交货期短。2、机械性能稳定可靠,结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改造。3、熟悉了解设备、 便于操作维修购买新设备时,不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然,可以精确地计算出机床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短,见效快。4、可在原有的基础上,充分利用现有的条件,达到很好的经济性,如充分利用现有地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5、可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备的自动化水平和效率,提高设备质量和档次,将旧机床改成当今水平的机床。III前言 I第一章 系统总体改造方案的确定 11.1 系统总体改造方案的确定 11.2 机械系统设计方案的确定 21.3 微机控制系统方案的确定 4第二章 机床进给伺服系统机械部分改装(横向)设计计算 52.1 工作载荷的分析及计算 52.2 滚珠丝杠副的选型与校核 82.3 脉冲当量和传动比的确定 172.4 进给伺服系统传动计算 18第三章 微机控制部分的设计 253.1 微机控制系统概述 253.2 微机系统的扩展 263.3 步进电机的控制 273.4 其他接口电路的设计 32第四章 微机控制系统软件设计 344.1 各功能模块组成 344.2 缓冲区设置 344.3 中断优先级 344.4 各模块说明及流程图 35第五章 成本估算 375.1 机械部分 37IV5.2 微机部分 385.3 步进电机驱动电路 38第六章 设计小结 39主要参考文献 411第一章 系统总体改造方案的确定1.1 系统总体改造方案的确定目前,在机械加工工业中,绝大多数是旧式机床,如果改用微机控制,实现机电一体化的改造,会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工,不但提高加工精度和生产率,而且成本低、周期短,适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种:一种是以微机为中心设计控制部件;另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需重新设计控制系统,比较复杂;后者选用国内标准化的微机数控系统,比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制,如图 1-1 所示,其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算,产生进给,由软件或硬件实现脉冲分配,输出一系列脉冲,经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机,实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快,可以让单片机每完成一次插补、进给,就执行一次延时程序,由延时程序控制进给速度。2图 1-1 开 环 控 制 系 统 框 图1.1.1 功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如,普通车床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制车床的运动,提高车床的加工精度和自动化水平,满足多品种小批量零件加工的功能要求。设计任务提出了纵向走刀,横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多技术参数。并且,要求能够进行人机对话,编程及操作方便,诊断功能和纠错功能强,具有显示和通信功能,缩短非生产准备时间,提高生产率。1.1.2 原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。比如,普通车床车削螺纹时为了防止乱扣,进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系,改变螺纹的螺距就需要改变挂轮。数控改造后,省掉了挂轮,要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到:主轴转一转,车刀精确移动一个螺距;螺纹加工不能一次切削完成时,每次进刀的位置必须相同。有了原理性构思,还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行的技术途径来保障,好的原理性构思就成为空想。1.1.3 拟定总体方案功能原理构思和技术路线确定后,对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个,经过技术和经济评价后,选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如,普通车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下,尽可能对普通车床作较少的改动,这样可以降低改造成本。1.2 机械系统设计方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后,根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择,减速比的确定,齿轮模数及齿数的确定,原有丝杠及导轨是否要重新更换,改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定,导轨的设计方法等。X502 型铣床的外形如图 1-2 所示。工件装在机床的工作台上,铣刀装在转3动的刀杆上,铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。机床的传动系统见图 1-3。图 1-2 X502 型铣床外形图 图 1-3 X502 型铣床传动系统1.2.1 传动系统由四部分组成:(1)主轴旋转运动由转速为 1450r/min,功率为 2.2kW 的电动机经过带轮 1 通过三根皮带传到 I 轴,经过齿轮 6、8 传到 II 轴,通过交换齿轮 10、11 将动力传到 III 轴,经过滑移齿轮 12(或 14)和 15(或 16)啮合动力传到 IV 轴,再经过齿轮 15 和55 动力传到 IX 轴上,通过伞齿轮 56、57 动力传到主轴上使主轴回转,从而使装在主轴上的铣刀转动进行加工,可使主轴获得 8 种不同的转速。(2)工作台纵向运动工作台纵向运动,由轴 II 通过齿轮 9 与 19 啮合,动力传到 V 轴,再经过齿轮 20(19)与 21(22)啮合,使轴 VI 转动,再经过齿轮 23 和 24 动力传到VII 轴,经过万向接头 26 传到 VIII 轴,经过换向齿轮箱内伞齿轮 29、30 及齿轮 33、34 到伞齿轮 35、36,通过凸瓣离合器 37 与凸瓣离合器套 39 啮合使动力传到丝杠 40 上,丝杠再与工作台相固联的螺母中转动,使丝杠带动工作台纵向移动,当离合器脱开,可用手轮 43 使工作台手摇移动。(3)工作台横向运动工作台和工作台底座,一起再升降台导轨上作横向移动。用装在升降台内4横向行程丝杠 45 传动,横向丝杠螺母 46 固定装在工作台底座上,所以当 44 传动 45 时,螺母 46 跟工作台及工作台底座一起在升降台上横向移动。只能由手动进给。(4)工作台的升降运动只能手动。用套在升降轴 48 上的手柄 44 转动伞齿轮 49 和 50,使升降丝杠 52 转动,升降螺母 53 固定在底座上,从而得到升降移动。根据设计要求可对机械部分进行如下改动:保留原机床的主轴旋转运动;保留原机床纵向进给的机动部分,将离合器脱开,去掉手轮 43,将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相联,用步进电机数控系统控制纵向工作台的移动;工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相联的数控系统控制,工作台的升降移动仍用手动。为了保证精度要求,横向及纵向工作台的丝杠换为滚珠丝杠副传动。1.3 微机控制系统方案的确定1.3.1 微机控制系统的总体组成数控部分采用 MCS-51 系列的单片机控制,其典型代表有8031、8051、8075 等,其中 8031 的价格低,功能强,使用灵活等特点,比较适用于一般机床的数控改造,但由于其无内存,必须外接存储及 I/O 扩展芯片才可成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及 CPU 的字长,I/O 扩展芯片的个数根据整个系统需要的 I/O 通道的个数来确定。1.3.2 软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有:控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配;数码显示的字符发生;键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现,也可用软件编程实现。用硬件实现,编程时较简单,但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现,可节省芯片,降低成本,但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时,应统筹兼顾,同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。5第二章 机床进给伺服系统机械部分改装(横向)设计计算2.1 工作载荷的分析及计算根据课程设计指导书的分析,可知对于数控铣床来说,其切削力的计算方法有两种,即一种方法是按切削用量计算切削力法,另一种是按主电机功率法计算切削力计算切削力法。一般来说,对于经济型数控铣床,可采用按主电机功率计算切削力法来计算其切削力。2.1.1 铣床的铣削抗力分析铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向上缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给) 。铣刀的类型很多,但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看作车刀头部的演变,铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀,它的切削基本规律与车削相似,所不同的是铣刀回转,刀齿数多。通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上,如图 2-1所示。设刀齿上受到的切削抗力的合力为 F,将 F 沿铣刀轴线、径向和切向进行分解,则分别为轴向铣削力 Fx,径向铣削力 Fy 和切向铣削力 Fz。切向铣削力 Fz 是沿铣刀主运动方向的分力,它消耗铣床主电机功率(即铣削功率)最多,因此,切向铣削力 Fz 可按铣削功率 Pm(kW)或主电机功率 PE(kW )算出。6图 2-1 铣 削 力 及 工 作 台 上 的 载 荷对于现有机床的改装设计,可以从已知机床的电机功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机,进给传动的功率较小,可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查铣床传动系数 k=0.85。主传动功率 N 包括切削功率 Nc、空载功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部分,即: N=Nc + Nmo + Nmc。空载功率 Nmo 是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率,对于一般轻载高速的中、小型机床,可达总功率的 50%,现取 Nmo = 0.5N,附加功率 Nmc 是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率,它直接与载荷大小有关。可以用下式计算,Nmc = (1)Nc,所以总功率为:N=Nc + 0.5N + (1)Nc (KW)则: 0.52CNk在进给传动中切削功率 0.52ctkk7上式中 k-铣床的传动系数,查机床设计手册得 k=0.85 为传动效率,可由下式计算 主 轴 上 的 传 动 功 率主 电 机 的 功 率由所给设计任务书给定的已知条件可知,主轴上的传动功率 N=1.45 KW,主电机的功率 = 2.2 KW。则N电 机= =0.65911.452所以: 0.514.8.5962ctNkW切削时作用在主轴上的扭矩为: 0.459695092.37897ctnMNcm上式中 n-主轴的最小转速,由设计任务书给定条件知 n = 47.5 (r/min)切向切削力: 9240.378.614nzMFNd上式中 d-铣刀的最大直径 (cm),由设计任务书给定条件知 d = 3.2 cm2.1.2 计算进给工作台工作载荷 、 、LFVC作用在进给工作台上的合力 F与铣刀刀齿上受到的铣削抗力的合力 F 大小相同,方向相反,如图 2-1 所示。合力 F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷,它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力:工作台纵向8进给方向载荷 FL,工作台横向进给方向载荷 和工作台垂直进给方向载荷 FV。CF由课程设计指导书表 3-1“铣削加工的主切削力与其它切削分力的比值”可知,工作台工作载荷 FL, Fc 和 FV 与铣刀的切向铣削力 Fz 之间有一定的经验比值。因此,求出 Fz 后,即可计算出进给工作台的如下五组工作载荷 FL,F c 和FV。第(1)组:端铣 对称铣削=0.35 Fz=0.35 =1010.67(N)L6184.27=0.9 Fz=0.9 =2598.86 (N)VF=0.52 Fz=0.52 =1501.56 (N)C.第(2)组:端铣 逆铣=0.75 Fz=0.75 =2165.71 (N)LF6184.27=0.55 Fz=0.55 =1588.19 (N)V=0.52 Fz=0.52 =1501.56 (N)C.第(3)组:端铣顺铣=0.22 Fz=0.22 =635.28 (N)LF6184.27=0.95 Fz=0.95 =2743.24 (N)V=0.52 Fz=0.52 =1501.56 (N)C.第(4)组:周铣逆铣=1.0Fz=1.0 =2887.62 (N)LF6184.27=0.25 Fz=0.25 =721.90 (N)V=0.37 Fz=0.37 =1068.42 (N)C.第(5)组:周铣顺铣=0.85 Fz=0.85 =2454.48 (N)LF614.287=0.75 Fz=0.75 =2165.71 (N)V9=0.4 Fz=0.4 =1155.05 (N)CF6184.272.2 滚珠丝杠副的选型与校核2.2.1 滚珠丝杠螺母副结构类型的选择滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来,滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性:传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。滚珠丝杠螺母副一般由专业厂生产并成套供货,且都附有使用说明书,其中除列有型号、规格、螺母安装面的结构等外,还附有允许负载、预加负载、刚度、典型支撑方式、驱动力矩和功率等指导性材料供设计时参考。滚珠丝杠螺母副的设要选择结构类型:确定滚珠循环方式、滚珠丝杠副的预紧方式;结构类型确定之后,再计算和确定其它技术参数,包括:公称直径、导程、滚计首先珠的工作圈数和列数、精度等级等。因为所要改装的铣床为普通铣床,精度要求并不是很高,在使用过程中不需要调整,并且加工过程中运动平稳。根据上述实际条件,并考虑到经济成本问题,通过查课程设计指导书第三章表 32 和表 33 以及机电液设计手册P669 页表 15-27,可以初步选用“FFZ 型内循环浮动式返向器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有循环滚珠链最短,螺母外径比外循环小,结构紧凑,反向装置刚性好,寿命长,扁圆形反向器的轴向尺寸短, ,承载能力较高;刚度高,预紧可靠,不易松弛等优点。它主要适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统,是目前应用得较广泛的结构。2.2.2 滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤1、计算最大工作载荷10由设计任务书给定已知条件,可知铣床导轨的类型为综合导轨。再查课程设计指导书第三章表 3-4 可知计算最大工作载荷 的公式为mFmLVFGcKf该式中:K = 1.15;取摩擦系数 f = 0.16(f =0.150.18) ;G 为工作台及夹具总重量的 1/2。由设计任务书给定已知条件可计算得 G = 800x N18042将以上数值以及先前计算所得五组工作载荷 FL,F c 和 FV 可得如下五组相应的最大工作载荷 Fm 值。(1)Fm=1.151010.67+0.16 (2598.86+1501.56+400)= 1882.34(N)(2)Fm=1.152165.71+0.16 (1588.19+1501.56+400)=3048.93(N)(3)Fm=1.15635.28+0.16 (2743.24+1501.56+400)= 1473.74(N)(4)Fm=1.152887.62+0.16 (721.90+1068.42+400)=3671.21(N)(5)Fm=1.152454.48+0.16 (2165.71+1155.05+400)= 3417.97(N)由以上计算数据可知,第(4)组算得的 值较大。故最大工作载荷为:mFFm=3671.21(N)2、计算最大动载荷 C查机电一体化系统设计P35 页可知:最大动载荷 C 的计算公式为最大动载荷 C 可由下式计算 3wHmCLfF上式中:各参数见机电一体化系统设计P35 页-硬度系数,选 1.0(HRC58)Hf Hf-运转系数,选 1.0(无冲击运转)wf wfL -寿命系数,由下式计算11601nTL上式中:T-使用寿命(h),对于数控机床 T=15000(h)n-丝杠转速(r/min),可由下式计算 01sVnL上式中: -最大切削力条件下的纵向进给速度(m/min),由设计任务书sV给定条件可知为 380(mm/min)可取最高切削进给速度的 1/21/3,现取 1/2,即= 0.38(m/min)=0.19(m/min)sV12-所选用丝杠的基本导程,考虑到传动精度的要求,可选基本导程为0L4、6、8 (mm)的丝杠。(1)基本导程为 L0=4 mm 时:= =60nTL10VS66150.1942.754C= =12836.74(N)342.75.37.2(2)基本导程为 L0=6 mm 时:= = =28.50601nTL01VS66150.19C= =11213.92(N)328.5.37.2(3)基本导程为 L0=8mm 时:= = =21.38 601nTL01VS66150.198C= =10188.52(N)32.8.37.212查机电液设计手册P669 表 15-27 FFZ 型内循环浮动式返向器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副可知,基本导程为 L0=4 mm 时,最大动载荷都不满足 C1)24J -各转动体的转动惯量(kg.cm )i 2n -各转动体的转速(r/min)in -电机的转速(r/min)KJ -电机的转动惯量(kg.cm )m24、电机的转动惯量的确定查课程设计指导书P30 页表 3-10,选用电机的工作方式为三相六拍,步距角为 ,故符合电机的是:110BF003 和 110BF004。电机的转动惯75.0b量分别为:110BF003(新)型步进电机: 522146.0.4.61()mJkgkgcm110BF004 型步进电机: 23.35、系统总的转动惯量110BF003(新)型步进电机: 211 19.86.409. ckgJmL 110BF004 型步进电机: 376.3mJ 2.4.2 步进电机的计算和选用1、电机力矩的计算步进电机能正常工作所需的力矩受到多方面的影响,主要包括快速空载起动时所需力矩 、快速进给时所需力矩 、最大切削负载时所需力矩 ,起M快M切M其中快速进给时所需力矩 较小,因此在 、 两种力矩中取其大者作为快 起 切选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说,因为要保证一定的动态性能,系统时间常数较小,而等效转动惯量又较大,故电机力矩主要是用来产生加速度的,而负载力矩往往小于加速力矩,故常常用快速空载起动力矩 作为选起择步进电机的依据。快速空载起动时所需力矩: cmNMfa0mx起最大切削负载时所需力矩:25cmNMft 0切电机的力矩主要是用来产生加速度,而负载力矩往往小于加速力矩,故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。(1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 maxcNtJM2a106namx=333.71(N.cm)式中: -传动系统折算到电机轴总的等效转动惯J 2kgcm-运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时间(s )约为 30msat-电机最大转速(r/min)maxn-运动部件最大快进速度,由设计任务书给定条件知axVmin/160maxVn = = =333.33( r/min) maxpaxb360v .75110BF003(新)型步进电机: cmNtaJM 89.2103.6219.806n22mx1amx 110BF004 型步进电机: cNtaJ 16.9803.62039.1760n2 22mx1amx (2)摩擦力矩 fM26)(20cmNiLGfMf 式中:G-运动部件的总重量(N)-导轨摩擦系数,取f 16.0f-齿轮总减速比i- 传动链总效率,一般可取 ,取85.78.0则: )(1.625.801420 cmNiLGfMf (3)附加摩擦力矩 0 ).(1(2200cNiLFMp式 中 : Fp0-滚 珠 丝 杠 预 加 负 载 ( N) , 一 般 取 最 大 工 作 载 荷1/3, Fmp 74.123.3610L0-滚 珠 丝 杠 导 程 ( cm) , 由 前 述 cmL6.00 0-滚 珠 丝 杠 未 预 紧 时 的 传 动 效 率 , 一 般 取 , 取9.095.则: cmNM37.895.012.80674130(4)折算到电机轴上的切削负载力 tM).(20cmNiLFtt-进 给 方 向 最 大 切 削 力 ( N) , 即 为 前 述 计 算 的 工 作 载 荷 、t LF
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