【正文】 目目 錄 1一、 緒論 ........................................................ 3 1 選題目的及意義 ............................................... 3 1 設(shè)計任務(wù)及總體方案的確定 .................................... 3 1二、 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計 .......................................... 6 1 主傳動系統(tǒng)的改造 ............................................. 6 22． 2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 ........................................ 6 2 進給系統(tǒng)的改造 .............................................. 6 2 安裝防護 .................................................... 6 2三、 進給傳動部件的計算與選型 .................................... 7 2 切削力的計算 ................................................ 7 2 滾珠絲杠 螺母副的計算與選型 ................................... 8 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 1 頁 共 40 頁 2 同步帶減速機構(gòu)設(shè)計 ......................................... 13 2四、 電動機的計算與選型 ......................................... 17 2 縱向直流電動機的計算與選型 ................................. 18 2 同步帶傳動功率的校核 ....................................... 22 2五、 電動機驅(qū)動電 路設(shè)計 ......................................... 22 35． 1 光電隔離電路 ............................................... 22 3 單極性可逆 PWM電路設(shè)計 ..................................... 23 3六、 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 ............................................... 23 3 硬件電路設(shè)計 ................................................ 24 3七、 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 ........................................... 37 3總結(jié) ........................................................... 38 3致謝 ........................................................... 39 3參考文獻 ....................................................... 40 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 2 頁 共 40 頁 一 緒論 1． 1 選題目的 及意義 車床是金屬切削加工最常用的一類機床， 當工件隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過到家的縱向和橫向移動， 能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等 ，借助成型刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面 。 臥式車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、床鞍以及中滑板產(chǎn)生移動。進給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停車。刀架的縱向進給和橫向進給 不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其 效率低下并且 無法加工復雜的回轉(zhuǎn)零件。 對普通車床的數(shù)控化改造，主要是 將縱向和橫向進給系統(tǒng)改成用微機控制的并能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預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)、切削順序和刀具都可按程序自動進行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動進給 功能，所以， 可以加工出普通車床加工不了的曲線、曲面等復雜零件。 加工精度 高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫崿F(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時減少被加工零件在機床間的頻繁搬運。擁有自動補償?shù)裙δ?，簡化了傳統(tǒng)機床加工工藝中的工序，機床利用率大幅度提高。由于采用自動化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動強度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。 1． 2 設(shè)計任務(wù) 與總體方案的確定 將 C6163 普通車床 （如圖 11 所示） 改造成 采 用 16 位單片機 半閉環(huán) 控制的經(jīng)濟 型數(shù)控車床，要求該車床進給兩坐 標聯(lián)動并 且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補 和圓弧插補并增配自動回轉(zhuǎn)刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車削螺紋。 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 3 頁 共 40 頁 圖 11 普通車床 C6163 已知 參數(shù) 及 設(shè)計參數(shù) 最大加工直徑： 630mm ； 床鞍上最大加工直徑： 350mm ； 最大 加工 長度： 1500mm ； 縱向 導軌 長 度： 2021mm ； 主電動機功率： 11kW ； 冷卻泵電機功率： ； 主軸通孔直徑： 105mm ； 主軸轉(zhuǎn)速： 14 級 ～ 1120 min/r ； 托板和刀架的總重力 G： 1500N ； 最大進給速度 maxjV ：縱向： min/ m ， 橫向： min/m ； 最大刀 架快移速度 maxV ：縱向： 6 min/m ， 橫向： 4 min/m ； 脈沖當量 p? ： 縱向： /脈沖 ， 橫向： /脈沖 ； 定位精度：縱向： ， C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 4 頁 共 40 頁 橫向： ； 啟動加速時間 0t ：縱向 ： 200ms ； 橫向： 100ms ； 電動刀架 轉(zhuǎn)位數(shù)： 4 1． 2． 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。 （ 1） 系統(tǒng)的運動方式：該車床改造后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線 /圓弧插補的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型 。 （ 2） 進給伺服系統(tǒng)的類型：按任務(wù)要求采用 步進電機的開 環(huán)控制系統(tǒng)。 這樣改造后的車床屬于經(jīng)濟型數(shù)控車床，在保證一定加工精度的前提下 ，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。 （ 3） 數(shù)控系統(tǒng) 處理器 的選擇： 依據(jù)技術(shù)指標中最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用 MCS51 系列的 8 位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。 MCS51系列 8 位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。 （ 4） 根據(jù)系統(tǒng)的要求， 需要擴展程序存儲器、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；還要選擇步進電動機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。 （ 5） 為了加工安全還需 安裝縱向和橫向限位開關(guān)。 （ 6） 主軸電動機的交流變頻器的選擇及主軸脈沖發(fā)生器的選擇。 （ 7） 為了達到設(shè)計要求中的速度和精度，縱向與橫向 進給傳動應(yīng)選用摩擦小、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)有預緊機構(gòu)。 （ 8） 為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了是傳動系統(tǒng)的負載慣量勁可能地減小，傳動鏈中應(yīng)設(shè)有減速機構(gòu)。 減速機構(gòu)選則 同步帶 ，其 綜合 了帶傳動、鏈條傳動以及齒輪傳動的優(yōu)點 ， 在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了齒輪傳動和鏈傳 動。 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 5 頁 共 40 頁 二 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計 2． 1 主傳動系統(tǒng)的改造 普通車床進行數(shù)控化改造時 ，為了減少工作量 ， 一般保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)。 改造后使其主運動和進給運動分離，主電機的作用僅為帶動主軸旋轉(zhuǎn)， 主軸的正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)和停止由數(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速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無極變速。 采用交流變頻器 實現(xiàn)主軸電機的無極變速， 本設(shè)計選用 F1000G0110T3C 型變頻器，該型號適配電機 11KW，額定輸出電流為 23A。 2． 2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，微機從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準確性。 主軸脈沖發(fā)生器的安裝通常有兩種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。一般經(jīng)濟型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計選用 1200 線 主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用 波紋管與主軸 柔性連接 ，該連接方式在實現(xiàn)角位移傳遞的同時， 能夠吸收車床的部分振動，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。 2． 3 進給系統(tǒng)的改造 拆除掛輪架所有齒輪并尋找主軸，安裝主軸脈沖發(fā)生器； 拆除 原機床進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光桿、操縱桿 、齒條 等； 在縱溜板 、橫溜板 的下面 絲杠 螺母座托架；在原進給箱位置安裝縱向伺服電機與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機與減速箱總成；拆除四方刀架及上溜板總成，在橫溜板上方安裝電動刀架。 2． 4 安裝防護 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 6 頁 共 40 頁 普通車床的數(shù)控化改造中應(yīng)根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的防護措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進入滾 道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護罩。大托板與導軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進入滑動導軌面損傷導軌。 三 縱向 進給傳動部件的計算和選型 3． 1 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 31 所示。 主切削力 zF 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)；進給力 xF 與進給 方向平行且方向相反；背向力 yF 與進給方向相垂直，對加工精度的影響較大。 圖 31 車削力分析 設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼 ，σ b=650MPa；選用刀具材料為硬質(zhì)合金 YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角 60176。，前角 10176。，刃傾角 5176。 ,；切削用量為：背吃刀量Fz Fx Fy C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 7 頁 共 40 頁 ap=3mm，進給量 f=，切削速度為 105m/min。 查表 31，得： FcC =2795 Fcx = Fcy = F = 查表 33，得主偏角的修正系數(shù) krFck =；刀傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)均為 . 由經(jīng)驗公式 F c F cync F c p c F cF C a f v k? 得： cF = 由 cF ： fF ： pF =1::，算得縱向進給切削力 fF = xF =， pF = yF = 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)置預緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。 3． 2． 1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度 ，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導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 300mm行程變動量 300V 應(yīng)小于目標設(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。 3． 2． 2 絲杠導程的確定 選 擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在： 1 C6163 車床縱向進給機構(gòu)數(shù)控化改造 第 8 頁