694523601毕业设计C618经济型数控机床横(纵)向改造.doc
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1、目 录毕业设计任务书 2前言 5设计课题 1 要求 62 设计参数 63 工作量 74 设计依据 7第一章 经济型数控机床进给伺服系统机械部分计算1 切削力的计算 82 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 83 齿轮传动比的计算 124 步进进电机的计算和选型 16第二章 进给伺服系统机械部分结构设计 17第三章 经济型数控车床数控系统设计及硬件电路图 19第四章 机床的加工程序编 22设计体会 24参考文献 25毕 业 设 计(论文) 任 务 书一、 设计题目:C618经济型数控机床横(纵)向改造二、 设计依据及主要技术指标:设计依据: 在C618原有车床基础上进行数控化改造,主要是滚珠丝杠副、步进
2、电动机、数控系统的选择设计。1) 根据切削力大小计算滚珠丝杠副应承受的最大动载荷,从而选择滚珠丝杠副;2) 由减速齿轮Z1、Z2及滚珠丝杠的转动惯量,求得步进电动机的转动惯量、转矩,据此选择步进电动机;3) 依据机床的受控动作,设计数控系统,将机械行动的进给和手动控制的刀架转位改成由单片机控制的自动进给和刀架的自动转位,实现自动加工。主要技术参数:1) 开环控制,两轴联动;2) 纵向脉冲当量0.01mm/脉冲,横向脉冲当量0.005mm/脉冲;3) ISO国际数控标准格式代码编程;4) 故障自诊断功能,能与PC机通信。三、 设计基本要求:(包括:技术要求、工作要求、图纸要求、写作要求等)工作要
3、求:1) 车床X、Z坐标机械伺服机构的设计计算及装配图;2) 数控系统框图及硬件接线图的绘制;3) 环形分配子程序和直线插补子程序的框图设计与程序编写。图纸要求:两张以上A0纸,表达清楚,无明显结构错误,打印。写作要求:设计说明书要求叙述清楚,打印。四、 重点研究和解决的问题或指定的专题:1) 滚珠丝杠副、步进电动机的选择计算;2) 机床导轨的贴塑处理;3) 数控系统硬件原理图的设计;4) 环形分配子程序程序编写;五、 应搜集的资料数据及参考文献:资料:1) 数控机床的发展概述;2) C618卧式车床的技术参数;3) 滚珠丝杠副、步进电动机的技术参数;4) 部分芯片的使用资料;参考文献:1C6
4、18型卧式车床说明书2林俊;机床数控系统课程设计指导书;北京:中国科学技术出版社;1991.93赵长德;微机原理与接口技术;北京:中国科学技术出版社;1990.9 4周鹏翔 刘振魁主编,工程制图第二版,高等教育出版社,2000年5月 5唐增宝 刘元俊主编,机械设计课程设计(修订版),华中理工大学出版社, 1995年1月6机械设计手册编写组编,机床设计手册2,机械工业出版社,1980年8月7机械设计手册编写组编,机床设计手册3,机械工业出,1986年12月8东北大学机械零件设计手册编写组编,机床零件设计手册第三版,冶金工业出版社,1994年5月9华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编,机床
5、设计图册,上海科学技术出版社,1979年6月10雷晓玲主编,综合作业指导书,机械工业出版社,2000年11月六、 设计完成时应提交的文件:1、 毕业设计说明书或论文2、 毕业设计装配图3、 毕业设计(论文)任务书4、 读书(论文)笔记七、 进度计划安排:1)方案论证及机械部分计算 1.5周2)设计绘制机械总图及装配图2.5周3)设计绘制电路原理图1周4)绘制加工程序及整理说明 1周前 言经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜,价格便宜,用它来改造车床,投资少、见效快,成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来,随着科学技术的发展,经济型数控技术也在不断进
6、步,数控系统产品不断改进完善,并且有了阶段性的突破,使新的经济型数控系统功能更强,可靠性更稳定,功率增大,结构简单,维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力,根据我国国情,该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床,特别是80年代末期改造的设备,由于种种原因闲置的很多,浪费很大;在用的设备使用至今也十几年了,同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平,大大提高生产效率,创造更大的经济效益。毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节,也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的培养学生综合运用所学专业和基础理论知识,独立解
7、决本专业一般工程技术问题能力,树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容,方法和步骤,而且还反映了学生的文理修养和作风本书在编写过程中,得到了指导老师刘吉兆教授和各位老师及同学的大力支持和热心帮助,在此表示谢意。本设计在编写过程中,由于本人水平有限,说明书中有一些错误和欠妥之处, 欢迎各位老师及同学提出意见和建议。设计课题1要求:将C618车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架,具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向:0.01mm. 横向:0.005mm2、设计参数:最大加工直径:在床面上:360
8、mm 在床鞍上:200mm最大加工长度:750mm快进速度:纵向:2.0m/min 横向:1.0m/min最大进给速度:纵向:0.5m/min 横向:0.25m/min代码制:ISO脉冲分配方式:逐点比较法输入方式:增量值. 绝对值通用。控制坐标数:2最小指令值:纵向: 0.01mm/step 横向: 0.005mm/step刀具补偿量:099.99mm进给传动链间隙补偿量:纵向: 0.15mm 横向: 0.075mm自动升降速性能: 有3、工作量:(1)、机床改造总图;(2)、进给伺服系统一个坐标轴(纵向或横向)的机械装配图:(3)、单片机控制系统电路原理图;(4)、设计计算说明书。 1、控
9、制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 2、机械部分设计计算及结构设计说明 3、硬件电路部分设计说明 4、加工程序控制及说明4、设计依据(1)系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高,为了简化结构、降低成本,采用步进电机开环控制系统。(2)计算机系统根据机床要求,采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高,可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点,决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键
10、盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。机功率放(3)机械传动方式为实现机床所要求的分辨率,采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性,尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时,为了提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。第一章 经济型数控机床进给伺服系机械部分计算1 计算切削力(1)横切端面主切削力F(N)按经验公式估算: 查综合作业指导书P13走刀方向的切削分力(N)车床身上加工最大直径(mm)=360mm车床身上加工最大直
11、径横切端面时主切削力可取纵切时Z的=0.673601.5=4576.45(N) =4576.45=2288.2(N) :=1:0.25:0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=572.06(N)=0.4=915.19(N)2 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 计算作用在丝杠上的最大动载荷(N)对于燕尾型导轨。参考表6.22,6.23两表机床设计手册.3查书综合作业指导书P22在正常情况下:考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15滑动导轨磨擦系数0.150.18溜板及刀架重力查综合作业指导书表11,取=800N=1.15572.06+0.16(2288.2+800)=1121.
12、2(N)计算最大动负载CC= 查书综合作业指导书P22 参考机床设计手册.3P185P210 选用滚珠丝杆导轨式中:滚珠丝杆导程。 初选为最大切削力条件下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3 取=0.8m/min使用寿命(h),对于数控机车取 =15000h 运转系数,按一般运转取1.21.5(查表314综合作业指导取为1.2硬度系数,取=1.0寿命以 转为1单位n丝杆转速r/min133.3312010rC=1.211121.2=6636.3(N)滚珠丝杆螺母副的选型查阅附录A表A2,可采用WD2505外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副,1列2.5圈,其额定功动负载为9700(N),精
13、度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级。传功效率计算:=式中:r螺旋升角,WD2505 r=磨擦角取滚动磨擦系数0.0030.004刚度验算 横向进给丝杠支承方式图1所示,最大牵引力1121.2N,支承间距L=350mm,因丝杠长度较短,不需预紧螺母及轴承预紧。 图1a.丝杠的拉伸或压缩变形量查综合作业指导书图3-4,根据=1121.2N, 查出10-5 可算出=(0.810-5350)mm=0.2810-2 mm由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杆进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量(mm)为=1/4=0.2810-2/2=0.1410-2mmb.滚珠与螺纹滚道间接触变形
14、查综合作业指导书图3-5,W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 =4.5m因进行预紧 =1/2=1/24.5=2.25mc.支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形采用8104型推力球轴承,=20mm,滚动体直径=5.566mm,滚动体数量Z=13, 注意此公式中单位应为N因施加预紧力,故 =1/2=1/20.00573=0.002865mm根据以上计算 =0.00140.00250.002865=0.006765定位精度因为查表达1-1综合作业指导书定位精度为0.01稳定性校核滚珠丝杆两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象不需作稳定性校核。横向滚珠丝杆副几何参数WD2505滚珠丝杆副几何参数参数名
15、称符号关系式WD2505螺纹滚道公称直径25导 程6接触角 钢球直径3.175滚道法面半径=0.521.651偏心距=(0.045螺纹升角=螺 杆外 径=-(0.20.25) 24.365内 径=2221.788接触直径=Cos21.83螺 母螺纹直径=2228.212内 径=(0.20.25) 25.6353. 齿轮传动比计算(1)进给齿轮箱传比计算已知横向进给脉冲当量=0.005mm/step,滚珠丝杆导程=6mm,初选步进电动机步距角,可计算出传动比: = 脉冲当量(mm/step)滚珠丝杆的基本导程(mm) 步进电机的步距角=因为可进定齿轮齿数为=/=45/18或40/16=45 ,=
16、18 或 =40,=16根据机械设计,又因进给给运动齿轮受力不大,模数m取2,则有关参数如下表所示: 传动齿轮几何参数齿 数1640分度圆=3280齿顶圆=23684齿根圆=221.25 2775齿 宽(610) 20 20中心距=()/2 58 (2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下公式估算 式中 D圆柱形零件的直径,cm; L零件的轴向长度, cm; 所以,丝杆转动惯量 齿轮的转动惯量 电动机转动惯量很小,可忽略。 因此,折算到步进电动机轴上总的转动惯量 电机转矩的计算机床在不同的公况下,其所需转矩是不同的,下面分别按个阶段计算
17、:a. 快速进给进所需转矩:=快速空载起动转矩空载起动时计算到电机轴上的加速转矩(N.cm)计算到电机轴上的磨擦转矩。由于丝杆预紧里计算到电机轴上的附加转矩(N.cm)将前面数据代入式中个符号意义同前=r/min起动加速时间 =25ms电机最大转速运动部件最大快进速度(mm/min)运动部件从停止起加速到最大快进速度所需时间(S)式中 J转动惯量, ; n丝杠转速, ; T时间常数, s。 当时 折算到电机轴上的磨擦转矩=式中 丝杆导程=6mm=0.6cm导轨的磨擦力(N)运动部件的总当量导轨摩擦系数,取=0.16齿轮降速比传动连总效率,一般可取0.70.85,取0.8 附加摩擦转矩:=滚珠丝
18、杆导程(cm): =0.6cm滚珠丝杆未预紧时的传动效率一般取0.9;垂直走刀方向的切削力=3.934 N.cm上述三项合计快速空载起动转矩:=+=3.934+60.9+26.79=91.624N.cmb. 快速进给时所需力矩:=+=91.624+3.934=95.588 (N.cm)最大的切削负载时所需转矩:=+折算到电机轴上的切削负载力矩=N.cm从上面计算可知,、和三种工况下,以快进空载起动所需力矩最大,即可以取=91.624 N.cm作为步进电机最大转矩4步进电动机的计算和选型a) 步进电机的选用的基本原则:.步进角 步进角应满足 式中 传动比; 系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转
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