【正文】 目目 錄 1一、 緒論 ........................................................ 3 1 選題目的及意義 ............................................... 3 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及總體方案的確定 .................................... 3 1二、 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) .......................................... 6 1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 ............................................. 6 22． 2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 ........................................ 6 2 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .............................................. 6 2 安裝防護(hù) .................................................... 6 2三、 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 .................................... 7 2 切削力的計(jì)算 ................................................ 7 2 滾珠絲杠 螺母副的計(jì)算與選型 ................................... 8 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 1 頁 共 40 頁 2 同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ......................................... 13 2四、 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 ......................................... 17 2 縱向直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 ................................. 18 2 同步帶傳動(dòng)功率的校核 ....................................... 22 2五、 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路設(shè)計(jì) ......................................... 22 35． 1 光電隔離電路 ............................................... 22 3 單極性可逆 PWM電路設(shè)計(jì) ..................................... 23 3六、 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................... 23 3 硬件電路設(shè)計(jì) ................................................ 24 3七、 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ........................................... 37 3總結(jié) ........................................................... 38 3致謝 ........................................................... 39 3參考文獻(xiàn) ....................................................... 40 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)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(jī)床， 當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過到家的縱向和橫向移動(dòng)， 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(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、床鞍以及中滑板產(chǎn)生移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時(shí)需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給 不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其 效率低下并且 無法加工復(fù)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(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)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(jìn)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(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動(dòng)進(jìn)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(fù)雜零件。 加工精度 高，尺寸分散度小，易于裝配。可以實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時(shí)減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，簡化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動(dòng)化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。 1． 2 設(shè)計(jì)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(jī) 半閉環(huán) 控制的經(jīng)濟(jì) 型數(shù)控車床，要求該車床進(jìn)給兩坐 標(biāo)聯(lián)動(dòng)并 且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ) 和圓弧插補(bǔ)并增配自動(dòng)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(jìn)給機(jī)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(jì)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(dǎo)軌 長 度： 2021mm ； 主電動(dòng)機(jī)功率： 11kW ； 冷卻泵電機(jī)功率： ； 主軸通孔直徑： 105mm ； 主軸轉(zhuǎn)速： 14 級(jí) ～ 1120 min/r ； 托板和刀架的總重力 G： 1500N ； 最大進(jìn)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(dāng)量 p? ： 縱向： /脈沖 ， 橫向： /脈沖 ； 定位精度：縱向： ， C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 4 頁 共 40 頁 橫向： ； 啟動(dòng)加速時(shí)間 0t ：縱向 ： 200ms ； 橫向： 100ms ； 電動(dòng)刀架 轉(zhuǎn)位數(shù)： 4 1． 2． 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （ 1） 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式：該車床改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線 /圓弧插補(bǔ)的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型 。 （ 2） 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型：按任務(wù)要求采用 步進(jìn)電機(jī)的開 環(huán)控制系統(tǒng)。 這樣改造后的車床屬于經(jīng)濟(jì)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(biāo)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(jì)性要求，決定選用 MCS51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。 MCS51系列 8 位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 （ 4） 根據(jù)系統(tǒng)的要求， 需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dá)到設(shè)計(jì)要求中的速度和精度，縱向與橫向 進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副 ；為了消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)剛度， 滾珠絲杠 的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)。 （ 8） 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了是傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量勁可能地減小，傳動(dòng)鏈中應(yīng)設(shè)有減速機(jī)構(gòu)。 減速機(jī)構(gòu)選則 同步帶 ，其 綜合 了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) ， 在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了齒輪傳動(dòng)和鏈傳 動(dòng)。 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 5 頁 共 40 頁 二 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 2． 1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí) ，為了減少工作量 ， 一般保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。 改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)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(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用 24速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無極變速。 采用交流變頻器 實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的無極變速， 本設(shè)計(jì)選用 F1000G0110T3C 型變頻器，該型號(hào)適配電機(jī) 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(jī)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(jìn)給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準(zhǔn)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(jì)型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)， 能夠吸收車床的部分振動(dòng)，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 2． 3 進(jìn)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(jī)床進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)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(jìn)給箱位置安裝縱向伺服電機(jī)與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機(jī)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(dòng)刀架。 2． 4 安裝防護(hù) C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)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(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時(shí)需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾 道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。 三 縱向 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 3． 1 切削力的計(jì)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(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)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(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力 xF 與進(jìn)給 方向平行且方向相反；背向力 yF 與進(jìn)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(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 7 頁 共 40 頁 ap=3mm，進(jìn)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(yàn)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(jìn)給切削力 fF = xF =， pF = yF = 珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)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(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。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(yù)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(jī)床的定位精度 ，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300mm行程變動(dòng)量 300V 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度 值 的 1/3～ 1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。 對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí) X軸為 1～ 3級(jí)（ 1 級(jí)精度最高）， Z軸為 2～ 5 級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇 X 軸精度等級(jí)為 3 級(jí)， Z軸為 4 級(jí)。 3． 2． 2 絲杠導(dǎo)程的確定 選 擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在： 1 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 8 頁