《機械自動化專業(yè) 普通車床進行數控改造》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機械自動化專業(yè) 普通車床進行數控改造（34頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 摘要 隨著市場競爭日益復雜激烈，普通機床已經難以滿足企業(yè)的新產品開發(fā)對成本、效率以及質量等方面的要求。本文主要對普通車床的數控改造過程進行了介紹，同時以C620普通車床作為例子，在對傳統的缺點研究基礎上提出了針對性的的改造方案，特別是機床設計的機械轉換與電氣控制。其對數控機床CPU的合理利用以及對齒輪轉動利用滾珠絲桿的設計等，提高數控化程度，實現進給運動的橫縱兼具。對普通車床C620的數控方案和單片機系統改造將大大提升其性能，拓寬其適用范圍并降低工作者的勞動強度。 關鍵詞:數字控制 單片 步進電機 滾珠絲桿 目 錄 第一章 總體方案的設計 5 1.1 設計任務

2、5 1.2 總體方案的論證 5 1.2.1 機械部分的改造設計 5 1.2.2 伺服進給系統的改造設計 5 1.2.3數控系統的硬件電路設計 6 1.3 總體方案的確定 6 第二章 機械部分的改造設計 7 2.1 縱向進給系統的改造設計 7 2.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用 7 2.2.1.1 確定系統的脈沖當量 7 2.1.1.2車削力的計算 7 2.1.1.3滾珠絲杠副的設計、計算和選用 7 2.1.2 縱向步進電機的選用 9 2.1.2.1 脈沖量的計算 9 2.1.2.2 等效負載轉矩的計算 10 2.1.2.3 等效轉動慣量

3、的計算 10 2.1.2.4 步進電機型號的選擇 10 2.2 橫向進給系統得改造設計 12 2.2.1 橫向滾珠絲杠副的選用 12 2.2.1.1 確定系統的脈沖當量 12 2.2.1.2 車削力的計算 12 2.2.1.3滾珠絲杠副的設計、計算和選用 13 2.2.2 橫向步進電機的選用 15 2.2.2.1 脈沖量的計算 15 2.2.2.2 等效負載轉矩的計算 15 2.2.2.3 等效轉動慣量的計算 15 2.2.2.4 步進電機型號的選擇 16 2.3 齒輪傳動間隙的調整 17  第三章 電氣控制部分的設計 22 3

4、.1 單片機的選擇 22 3.2 步進電機的驅動 23 3.2.1 環(huán)形脈沖分配器的選擇 23 3.2.2 功率放大器的選用 25 3.3 步進電機的微機控制 26 結論 28 參考文獻 29 致謝 30  4 第一章 總體方案的設計 1.1 設計任務 本次設計任務主要為對普通車床C620進行觸控化程度的提高。包括對伺服進給系統、數控系統的硬件電路等的優(yōu)化設計。 1.2 總體方案的論證 在滿足總體設計要求進行數控化改造的前提下，盡量節(jié)約資金成本，提高普通車床使用性能與效率。 1.2.1 機械部分的改造設計 普通車床往往在經歷多次大修

5、之后會出現零部件之間連接尺寸加大的問題，其精確度與分辨率機等仍然難以保障，數控機床改造則是以提高機床運行穩(wěn)定性、提升精密程度為目的的，故而在此過程中為降低摩擦系數與提高傳動剛度，考慮步進電機以及滾珠絲杠用哪種最為合理十分重要。 車床傳動系統改進后其布局合理，摩擦阻力降低，運動進度提高，具體如圖1-1所示： 圖1-1 改進后的車床傳動系統： 1.2.2 伺服進給系統的改造設計 設計高性能的伺服進給系統是數控機床改造過程中的重要環(huán)節(jié)

6、與關鍵技術，考慮本此設計為經濟性數控改造，且開環(huán)設計的結構簡單，工作精度較強，有較好的負載能力，故而選用開環(huán)伺服方式。 1.2.3 數控系統的硬件電路設計 CPU在數控系統中起到關鍵作用，因此在NC裝置在設計的過程中不得不重視CPU技術，所需考慮的因素包括以下三個方面： 1. 高速高精算法與物體的移動速度緊密切合； 2. 應用軟件的升級，包括儲存容量的拓展應考慮數控功能的強弱； 3. 指令系統及 I/O擴展能力與單片機外部儲存之間有著十分密切的相關性。 1.3 總體方案的確定 在總體方案設計完成后，普通車床C620的經濟模型的確定成為工作重點。首先是關于主軸變

7、速箱，為降低費用，只針對手工變速作以修改，輸入相應的程序，使之服從相應的指令；其次是對滑動絲杠的改變，原機的普通滑動絲杠是很難滿足企業(yè)現代化生產要求的，將其改為滾珠絲杠，這將大大減少摩擦，提高運行效率，同時驅動步進電機的使用也將推車床橫向與縱向雙向運動的實現。 第二章 機械部分的改造設計 2.1 縱向進給系統的改造設計 2.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用 滾珠螺旋傳動，顧名思義，是指對滾珠進行利用使得在運動過程螺紋能夠產生滾動摩擦。 滾珠絲桿傳動的與眾不同主要體現在以下三個方面： 1.滾動動作向滑動動作轉變，傳轉運動為直線式而非旋轉式，故而其摩擦系數較低，提高了傳動效率； 2.由

8、于有著較低的發(fā)熱，故而其壽命普遍較長，且結構相對簡單，便于維修； 3.在垂直傳輸上有較大的缺陷，需要用到自鎖或者制動裝置。 在數控機床，脈沖的軸線位移稱為脈沖當量，也被稱為最小單元。該設計中心C620脈沖當量為：縱向/脈沖脈沖當量0.01毫米，脈沖當量橫向0.005毫米/脈沖。 2.1.1.1 確定系統的脈沖當量 縱向為0.005毫米/脈沖 2.1.1.2 車削力的計算 數控機床設計過程中對車削力的考慮不可或缺，結合各種影響因素，筆者將采用經驗公式對切削力進行計算，具體如下： 車床的主切削力可用下式計算： 車床刀架的最大直徑是毫米。 故： 按以下比例分別求出分力和，

9、則：， 2.1.1.3 滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型 最初滾珠絲杠螺母副采用的是機構類型的設計——預緊方式循環(huán)。確定該循環(huán)類型后，家下來進行參數的選取確定以及詳細計算。參數主要包括：、、、、精度等級等。 (1)對進給率牽引力的計算 涉及到滾柱絲杠子在運動過程中給進速度的牽引力，零部件的阻力、轉移重量以及摩擦等都應給予考慮。計算公式如下： 縱向進給導軌為三角形，則： 三角形導軌選取參數： (2)計算最大動負荷 使用滾珠螺桿對的直徑，必須的作用下必須具有的軸向載荷，螺桿后反向百萬轉，在不會發(fā)生其滾動路徑點蝕。計算： 絲杠轉速其中= 壽命（） 最大動負荷

10、 (3)計算最大靜負荷 在滾珠絲杠副的狀態(tài)為靜止或者低速（）狀態(tài)下，其容易造成的損傷主要是滾珠軸承接觸表面變形的時候可能產生的塑性變形程度過大所帶來的損害，關于塑料變形的球的要求一般是不超過滾珠軸承接觸表面變形1 / 10000。在靜態(tài)安全系數= 2的時候，滾珠絲杠的最大靜載荷是： （——產生塑性變形的荷載過大時最大允許的靜荷載） (5)傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副傳動率為 參數如下表2-1所示： 表2-1滾珠絲杠副參數 型號 公稱直徑 基本導程

11、 螺旋升 角 絲杠外徑 絲杠內徑 額定動載荷 絲杠長度 額定靜載荷 4006-3.5 (6)剛度校核 該工作主要檢查滾珠絲杠在工作載荷和扭矩下，每一個引線的變形與絲杠的要求是否相一致。 每導程變形量可按以下公式計算 選取 其中： 則： 查表時，選擇螺桿的精度等級，允許誤差滿足要求。 (7) 穩(wěn)定性校核 不容忽視的穩(wěn)定性安全系數印在允許的范圍之內，只有這樣，滾珠絲杠才是處于一個安全的狀態(tài)。 其中是指穩(wěn)定性安全系數（通常取值范圍在2.5～4）。 　——絲杠失穩(wěn)時的臨界負載，

12、由： 式中　——絲杠長度 　　　——絲杠軸端系數，由支承條件定。 　　　——截面慣性矩，對實心圓 對于鉛螺絲的水平，考慮的影響的重量的理想()4。 絲杠不會失穩(wěn)。 2.1.2 縱向步進電機的選用 2.1.2.1 脈沖量的選擇 電動機的步距角在三相步進運動模式中的步距角為，而在三相六拍運動過程中所選用的步距角為。 轉脈沖數： 當脈沖當量：由此產生的中間齒輪傳動比i是： 2.1.2.2 等效負載轉矩計算 1.空載時的摩擦轉矩 2.車削加工時的負載轉矩 2.1.2.3 等效轉動慣量的計算 1.滾珠絲杠的轉動慣量 2.拖板運動慣量換算到電動機軸

13、上的轉動慣量 3.大齒輪的轉動慣量 采用的是大齒輪齒數，小齒輪齒數，模數。 4.小齒輪的轉動慣量 換算到電動機軸上的 2.1.2.4 步進電動機型號的選擇 筆者選用的主要類型110bf003步進電機，其步距角為，最大靜轉矩，轉子慣量，可： , 由驗算結果可知電動機合格。 步進電機的外觀圖如下圖2-1所示，步進電機的矩頻特征的局部如下圖2-2所示。 步進電機的矩頻特征的局部圖2-2： 2.2 橫向進給系統的改造設計 2.2.1 橫向進給系統滾珠絲杠螺母副的選用 橫向進給方向與縱向進給方向的設計過程是一致的。 2.2.1.

14、1 確定系統的脈沖當量 橫向為0.005毫米/脈沖 2.2.1.2 車削力的計算 車床的主切削力可用下式計算： 車床刀架的最大直徑是毫米。 因C620床本身加工的最大是210mm，由此： 按以下比例分別求出分力和， 則:， 2.2.1.3 滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選用 滾珠絲杠副的設計類型：確定滾子循環(huán)法。在確定了滾珠絲杠副的設計類型后，則需要進行相關參數的選擇以及參數的計算。所選用的參數包括：、、、、精度等級等。 (1)計算進給率牽引力 涉及到滾柱絲杠子在運動過程中給進速度的牽引力，零部件（如切削刀）的阻力、轉移重量以及摩擦等都應給予考慮。因此，數值與導軌的形式有關

15、。計算公式如下： 橫向進給導軌為燕尾形，則： 燕尾形導軌選取參數： (2)計算最大動負荷 滾珠絲杠的最大動載荷計算如下： 絲杠轉速其中= 壽命（） 最大動負荷 (3)計算最大靜負荷 在滾珠絲杠的狀態(tài)為靜止或者低速（）狀態(tài)下，其失效模式與容易造成的損傷主要是滾珠軸承接觸表面變形的時候可能產生的塑性變形程度過大所帶來的損害，關于塑料變形的球的要求一般是不超過滾珠軸承接觸表面變形1 / 10000。 （此時靜態(tài)安全系數= 2） (4)選擇滾珠絲杠 滾珠絲杠副參數如下表2-2所示： 表2-2 滾珠絲杠副參數 型號 公稱直徑 基本導程 螺旋升角 絲

16、杠外徑 絲杠內徑 額定動載荷 絲杠長度 額定靜載荷 2005-2.5 (5)傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副傳動效率 (6)剛度校核 該工作主要檢查滾珠絲杠在工作載荷和扭矩下，每一個引線的變形與絲杠的要求是否相一致。 每導程變形量為： 選取 其中： 則 檢查說明書，選擇分級螺桿的精度允許誤差來滿足要求。 (7) 穩(wěn)定性校核 不容忽視的穩(wěn)定性安全系數印在允許的范圍之內，只有這樣，滾珠絲杠才是處于一個安全的狀態(tài)。 其中中代表穩(wěn)定性安全系數。 ——絲杠失穩(wěn)時的臨界負

17、載，由： 式中——絲杠長度 ——絲杠軸端系數，由支承條件定。 ——截面慣性矩，對實心圓 對于鉛螺絲的水平，考慮的影響的重量的理想()4。 絲杠不會失穩(wěn)。 2.2.2 橫向步進電機的選用 2.2.2.1 脈沖量的選擇 電動機的步距角在三相步進運動模式中的步距角為，而在三相六拍運動過程中所選用的步距角為。 轉脈沖數： 主脈沖當量：由此產生的中間齒輪傳動比： 2.2.2.2 等效負載轉矩計算 1.空載時的摩擦轉矩 2.車削加工時的負載轉矩 2.2.2.3 等效轉動慣量的計算 1.滾動絲杠的轉動慣量 2.拖板運動慣量應用到電動機軸上的轉動慣量

18、 3.大齒輪的轉動慣量 采用大齒輪齒數，小齒輪齒數，模數。 4.小齒輪的轉動慣量 換算為 2.2.2.4 步進電動機型號的選擇 筆者選取90bf002步進電機，其步距角為。最大靜轉矩，轉子慣量，可： , 由驗算結果可知電動機合格。 電動機外觀圖2-4： 步進電機矩頻特征圖2-5： 2.3 齒輪傳動間隙的調整 直齒輪傳動間隙的調整方法多種多樣，最為常見的包括以下三種： 1.偏心套（軸）調整方法：該方法的使用有著節(jié)省成本以及簡化加工難度的有點，其主要工作原理為——在安裝電機2的同時，將一對齒輪嚙合齒輪4應用于點送機

19、的輸出軸上，這樣在加入偏心套后，就可以利用其進行中心距離的調整，也可以對兩齒輪間的側隙進行一定程度的消除，從而減少加工或者裝配過程中的誤差。（具體如圖2-6所示） 圖2-6 偏心套式間隙消除機構 2.墊片的軸向調整方法：軸承軸向間隙的調整墊片法是通過軸承之間進行一些軟材料的墊片，墊片的厚度則根據需要進行調節(jié)。具體調整方法為——在齒輪1和2嚙合時，齒輪2由于齒輪齒厚沿軸線有一定斜度故而能沿軸向移動，在須征得過程中將墊片3放置在齒輪1和2之間，縮小其間隙。（具體如圖2-7所示） 圖2-7圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機構 1—小齒輪 2—大齒輪 3—墊片 3.采用消除齒側

20、間隙的手段是指對雙齒齒側間隙的齒側間隙的消除或者是由2塊薄齒輪結合的齒側間隙的消除。具體的工作方法為——在薄片齒輪2和薄片齒輪4安裝幾圈圓弧槽，其中彈簧2 的拉力必須要滿足克服驅動轉矩的要求。（具體見圖2-7所示） 圖2-7 薄片齒輪周向拉簧錯齒調隙機構 1—齒輪 2—齒輪 3—凸耳 4—彈簧 如圖2-8所示在兩片齒輪1和2耳3耳的是可調張力彈簧式在一端的彈簧鉤。對于螺釘7擴展長度張力的調節(jié)可以在鎖緊螺母6后通過對螺母5的調節(jié)。見圖2-8所示： 本文齒輪故障可調彈簧式雙片調整方法的設計。 圖2-8 可調拉簧式調隙 1—齒輪 2—齒輪 3—凸耳 4—彈簧 5—螺

21、母 6—螺母 7—螺釘 第三章 電氣控制部分的設計 在對本次總體設計目標和要求的考慮基礎上，筆者采用的是MCS控制系統相對來說較為便宜的48系列以及51系列單片機控制，目前，最廣泛使用的工業(yè)機器是8031，其是通過增加開關面板的儲存器以進行電路的擴展，實現接口和操作系統的設計。 3.1 單片機的選擇 （1）I/O口線 P0,P1,P2,P3共4個八位口。如下圖3-1所示： 圖3-1 8031引腳圖 （2）電源和時鐘。 8031最小應用系統。8031里面沒有ROM，必要的外部EEPROM成為外部程序存儲器。如圖3-2。 圖3-2 系統存儲器 3.2 步進電機的驅

22、動 驅動電源是必不可少的配備。驅動電源，根據供給馬達的周期的每個繞組的分布形式的請求由脈沖分配器和功率放大，驅動動力源是從可變頻率信號源的脈沖信號和方向，來驅動電動機轉子旋轉來回。 3.2.1 環(huán)形脈沖分配器的選擇 環(huán)形脈沖分配器是指點擊繞組的通電方式順序發(fā)生改變的局部。每個繞組必須遵循一定順序是步進電機正常工作的必然要求，故而不同的電機應針對其特點進行不同的環(huán)形分配器的選用，筆者此處選擇的為縱向為110 bf003的步進電機，具體如圖3-3所示： 圖3-3 CH250管腳圖 如圖，我們可以看出環(huán)形脈沖分配器CH250的輸出包括A，B，C三個，在一個時鐘脈沖期間進行CL或EN的輸

23、入，其相應的輸出波形則是與三相反應性步進電機相適應。在滿足0.5mA的輸出電流要求的情況下，CH250在供三相六拍步進電機運行時，路線中的接線見圖3-4： 圖3-4 三相六拍時CH250接線圖 該90bf002作為五相反應式步進電機的外部和環(huán)形脈沖分配器的匹配為PMM8714，該90bf002的管腳圖3-5： 圖PMM8714 3-5引腳圖 3.2.2 功率放大器的選用 功率放大器作為計算機能夠正常驅動的重要配件，其選用十分重要。計算機的在出入和輸出過程中所能承受的脈沖電流比較小，往往只有幾毫安，步進電機的直接驅動將對其造成損壞，故而對功率放大器的使用就必不可少了，可以通過功

24、率放大器將脈沖電流進行增加。 (1) 單電壓功率放大電路 單電壓功率放大電路的優(yōu)點在于其結構相對簡單，高頻性能較好，不足之處在與RC能耗以及電流脈沖前后沿陡峭會有缺陷。 (2) 高低電壓功率放大電路 高電壓電源U1，電源約80~U2，低電源電壓150V，約5~20V。脈沖的上升沿由VT1和VT2在蜿蜒的指令脈沖的時間。見圖3-6所示： 圖3-6 單電壓功率放大器 在二極管VD1的影響下，只有采用的高電壓U1的耦合繞組才能使的電流很快滿足規(guī)定要求，但其不足之處主要體現在高低壓銜接處有缺陷——電流波形在頂部有下凹現象，故其穩(wěn)定性難以滿足期待。詳見圖3-7所示： 圖3

25、-7 高低電壓功率放大電路 （3）斬波恒流功放電路 斬波恒流功放電路有著其獨特的特質——VIN輸入方波的階躍信號在工作過程中，在輸入電壓為“0”時，A2 輸出 VB，達林頓會截止，繞組W處則無電流通過。在電阻取樣為R3時，A1放大器的輸出則增大；A1放大器輸出高電平；當然，高電壓在輸入時，輸出的VB和A2也會增高。VT的傳導是由電源管理的，W繞組電流選用樣本電阻R3，出現在相應的反饋電壓VF，可以進行如下設定：電壓與反饋電壓去掉R1、R2的壓力抵抗，確定A1輸出水平，確定VIN，信號能否通過與門A2。見圖3-8所示： 圖3-8 斬波恒流功放電路 經過各方面的詳細比較，針對本次總體設

26、計的目的，筆者決定采用單電壓功率放大電路。同時，為了強電對弱點的干擾問題，擬加入一個光電隔離電路來進行解決，其放置在環(huán)形分配器和功率放大電路之間。 3.3步進電機的微機控制 步進電機的微機控制主要是由控制器來完成的，在設計過程中充分考慮步進電機的使用特點、生產運作流程的程序實際以及相關的規(guī)律經驗，借助單片機控制步進電機的串行控制與并行控制，使用簡單的程序代碼實現信號的傳遞，從而實現驅動電源的控制。控制方式具體如圖3-9所示： 圖3-9 串行控制示意圖 并行控制。微機系統中十分重要的就是在幾個借口出平行控制步進電機驅動電路。此系統可采用的方法多樣，包括純軟件方法，即能夠經過程序設計

27、，結合系統使用特質，實現軟件的相位序列撥號；另一種為硬件軟件兩者兼顧的方法，即是通過界面設計，使用代碼將步進電機的各個相關導體進行接通與關斷信號的控制，實現硬件的數控化。并行控制方案的詳細介紹如圖3-10： 圖3-10并行控制示意圖 當然，我們將會在此基礎上選取電線連接的組件并對其進行電氣控制的相關設計。  結論 經濟發(fā)展新態(tài)勢下，企業(yè)生產現代化程度不斷加深，對零件生產的效率與成本控制逐漸成為企業(yè)競爭力提升的重要因素，對數控機床的改造刻不容緩。本設計著重于對難以滿足當前企業(yè)生產需要的普通車床的進行了數控改造，對其缺點進行了優(yōu)化改進。 本次設計重點在于對數控機床改造過程中機械部

28、分和電氣控制部的詳細設計，主要是針對其硬件部分，經過對機床數控化程度的提高，將有利于數控機床在生產使用過程中降低維修成本、減少材料費用，并推動機床的性能穩(wěn)定、能夠大大提高工作效率，降低工作人員的負擔。當然，由于我自身經驗與專業(yè)知識等方面的局限，在設計過程中難免存在不做之處，希望老師與同學給予寶貴建議。 參考文獻 [1] 趙玉剛，宋現春主編.數控技術.機械工業(yè)出版社，2008 [2] 張建民主編.機電一體化系統設計.高考教育出版社,2006 [3] 李朝青主編.單片機原理及接口技術.北京航空航天大學出版社，2011 [4] 李云主編.機械制造工藝及設備設計指導手冊.機械工業(yè)出版社，20

29、07 [5] 王蘭美主編.畫法幾何及工程制圖.機械工業(yè)出版社，2012 [6] 蔡美琴，張為民等編.MCS-51 系列單片機系統及其應用.高等教育出版社，2010 [7] 張新義主編．經濟型數控機床系統設計．北京：機械工業(yè)出版社，2003 [8] 余英良主編．機床數控改造設計與實例．北京：機械工業(yè)出版社，2004 [9] 王貴明主編．數控實用技術．北京：機械工業(yè)出版社，2009 [10] 張建綱，胡大鋒主編．數控技術．武漢：華中科技大學出版社，2010 [11] 鄧星鐘主編．機電傳動控制．武漢：華中科技大學出版社，2009 [12] 王愛玲主編.現代數控機床結構與設計．北京：兵

30、器工業(yè)出版社，2008 [13] 卜云峰主編.機械工業(yè)及自動化簡明設計手冊上下冊．北京：機械工業(yè)出版社，2009 [14] 劉躍南主編.機床計算機數控及應用,北京:機械工業(yè)出版社,2010 [15] 李洪主編.實用機床設計手冊.沈陽:遼寧科學技術出版社,2009 [16] 李群芳，黃建等編.單片機微型計算機及接口技術．北京：電子工業(yè)出版社，2010 [17] 陶曉杰主編.伺服電機用于車床進給系統.制造業(yè)自動化,2008 致 謝 過幾個月的忙碌的工作，本次畢業(yè)論文設計已經接近尾聲，作為一個專科生的畢業(yè)論文，由于缺乏經驗，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有袁曉林老師的督促指導，以

31、及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。所以在這里真心的感謝袁曉林老師的精心指導。 在論文寫作過程中，得到了袁曉林老師的親切關懷和耐心的指導。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，袁曉林老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，袁曉林老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想上給我以無微不至的關懷，除了敬佩袁曉林老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向袁曉林老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們。 最后我還要忠心的感謝我的母校常州輕工職業(yè)技術學院及機械工程系三年來對我的栽培。 34