CA6163数控化改装进给伺服系统传动计算毕业论文.doc

机械设计及自动化方向 CA6163数控化改装进给伺服系统传动计算系 别专科机02专 业机电一体化班 级201005737174姓 名 指导教师 2012年 2月 10日摘要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。旧机床数控化改造范围大、潜力大、投资少、见效快，已经成为适合我国国情，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统改造车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对旧机床的分析，结合机床改造的总体思想，提出了数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案;针对旧机床的要求，进行了传动系统的重新设计，提高了传动的精度，还进行了电气系统的设计和调试，主要包括硬件设计和电气控制软件设计:简单介绍了单片机系统，并用单片机设计了数控车床的电气控制电路；重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。专题部分讨论了数控车床两种插补方式的原理，并设计了数控车床的插补程序。本机床改造后将会展示出强大的功能、稳定的性能，将完全符合机床的技术规格和精度标准，加工出合格的零件，大大提高了车床的性能，是一次有益的尝试。关键词：CA6163，机床，改造，数控系统，单片机 。AbstractThe modern Computer Numerical Control （CNC）machine is the foundation of the modern manufactory. The remaking of old machine for CNC is an efficient means to promote the progress of the manufactory, which is adapted to the circumstance for our country. Its range is wide, its cost is low and its period is short. Therefore, it is very important to study a remarking the lathe machine by using CNC system.This paper introduces the history and the development of CNC system. Based on its theory, through the analysis about the components of the old machine, presents the remaking transmission system to raise the precision of the lathe。Presents the remaking schemes of the CNC system. According to the old machine, the detail design and adjustment of the electric system have been completed, including the design of hardware and control software：Have introduced the one-chip computer system briefly, and has designed the electric control circuit of the numerical control lathe with the one-chip computer；And also redesign the control logic of the machine, through analyzing of the servo system, the main parameters of the machine have been confirmed and optimized also.Have discussed two kinds interpolation numerical control lathes with thematic part, and design the interpolation forms for the numerical control lathe.The remarked machine will show its powerful ability and high reliability, it conforms to the technical regulation and the accuracy standard of the machine.，and will process the qualified part, it has improved the performance of the lathe greatly, its a beneficial try.Keywords：CA6163, lathe, Remake, CNC system, One-chip computer. 第一章 进给伺服系统传动计算 1.1确定系统脉冲当量 11 1.2切削力的确定 12 1.3计算进给牵引力 12 1.4计算最大动负载 12 1.5传动效率计算13 1.6刚度计算14 1.7进给伺服系统传动计算14 1.7.1确定传动比 14 1.7.2齿轮参数的计算14 1.8步进电机的计算和选用15 1.8.1转动惯量的计算15 1.8.2电机力矩的计算16 1.9步进电机的选择19结论43 参考文献:45 致谢47 第一章 进给伺服系统传动计算CA6163机床主要技术参数如表3-1：表1-1 CA6163机床主要技术参数最大回转直径630mm电机功率10KWLmax2000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度纵向0.5m/min横向0.25m/min定位精度0.015mm移动部件重量纵向1200N横向800N加速时间30ms机床效率0.71.1确定系统脉冲当量车床纵向脉冲当量为0.01/mm脉冲；横向脉冲当量为0.005mm/脉冲。1.2切削力的确定 15 纵切端面时的主切削力FZ=0.67Dmax=10595(N)横切端面时的主切削力其中：1.3计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小与导轨的类型有关。 纵向采用三角形导轨：横向采用燕尾形导轨：式中：G为移动部件的重量（N）；为导轨上的摩擦系数，随导轨形势而不同；K为考虑颠覆力矩影响的实验系数。在正常情况下，K及 可取如下数值：燕尾形导轨： K=1.4 三角形导轨： K=1.15 1.4计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，计算如下：纵向：初选丝杠基本导程查表选择FFZD2506,均为FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副（表3-2） 运转系数运转状态运转系数无冲击状态1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.51.5传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率其中：纵向： 横向： 1.6刚度计算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量：纵向：横向；1.7进给伺服系统传动计算1.7.1确定传动比确定当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定以后，可以先初选步进电机的步距角，计算伺服系统的降速比I纵向：横向：1.7.2齿轮参数的计算摸数m取2。计算如下：纵向：取小圆齿数为36，小齿轮：大齿轮：横向：取小圆齿数为18小齿轮： 大齿轮：1.8步进电机的计算和选用1.8.1转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（） 对于钢材： 式中：M圆柱体质量（）D圆柱体直径（）L圆柱体长度（）钢材的密度对于齿轮：D可取分度圆直径，L取齿轮宽度； 对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L取丝杠长度。具体计算如下：纵向：横向：（2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量步进电机经一对齿轮降速后传到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为：式中：具体计算如下：纵向：横向：1.8.2电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分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等几部分介绍其计算方法。（1） 快速空载起动时所需力矩式中：（2） 快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含，显然。（2） 最大切削负载时所需力矩式中：在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算式中：摩擦力矩 式中：附加摩擦力矩 式中：折算到电机轴上的切削负载力矩式中：具体计算：横向： 纵向：由上面计算知，在、三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，所以只需计算。1.9步进电机的选择目前，经济型数控车床中大多数采用反应式步进电机。1. 首先根据最大静转距从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 纵向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3500型最大静转矩转矩为8N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机起动频率 Hz最高工作频率 Hz从电机表中查出，110BYG3500型步进电机的空载起动频率为1600Hz，运行频率为30000Hz，满足要求。横向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，90BYGH3502型最大静转矩转矩为5N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机起动频率 Hz最高工作频率 Hz从电机表中查出，90BYGH3500型步进电机的空载起动频率为1800Hz，运行频率为30000Hz，满足要求。结论本文论述了CA6163型车床的数字化改造的方法和原理，通过计算和论证，设计了车床改造后的传动机构，提高了车床的加工精度，并利用单片机，实现车床电气控制的方案，并为改造后的车床编制了控制程序。 从车床数控改造，得到如下结论:1.改造后的数控车床采用开环控制系统直接通过驱动装置控制步进电机的运转，控制方便、结构简单、价格便宜，高精度的步进电机作为驱动装置，经过计算采用丝杠作为传动部件提高车床的加工精度。 2.数字控制系统硬件部分使用8031作为主控器，2764进行外部存贮器扩展，8155与三相电机直连，结构简单，控制达到要求。3.为改造后的车床编制了控制程序，包括直线和圆弧两种基本插补方式，可以完成车床的多种加工要求。总之，通过此课题的设计研究，本人收获甚大：1.本人对机床，特别是车床有了深刻地了解，对车床的工作原理、组成、结构等方面的知识有了一个系统而全面地认识2.系统学习了数控机床的相关知识，阅读了大量关于CNC系统、NC系统的说明书及相关资料，为今后从事控制系统的设计工作奠定了基础.3.学习了一些网络知识，训练了综合运用知识和电脑绘图的能力，锻炼了实践操作能力。本次设计改造的经验，使我对机械产生了更加浓厚的兴趣，同时对机械这门学科也有了比较具体的认识，这必将对我以后的学习和工作带来很大的好处。参考文献:1 蔡春源 雷天觉 任兴机，等. 机电液设计手册. 北京：机械工业出版社，1997.2 徐炳松，张秀艳，张茵麦，等. 画法几何及机械制图. 北京：高等教育出版社，1999.3 刘杰. 机电一体化技术基础与产品设计. 沈阳：东北大学出版社，2002，101-102.4 王仁德，赵春雨，张耀满. 机床数控技术. 沈阳：东北大学出版社，2002，57-73.5 蔡光起，原所先，高航. 机械制造技术基础. 沈阳：东北大学出版社，2002.6 宋宏远，杨天怡. 单片微型计算机原理及应用. 重庆：重庆大学出版社，1990，92-93.7 吕京建，韩长风. 单片微机与系统设计. 天津：能源出版社，1987.8 Mach inability Date Center. Machining Date Handbook.2nd Edition 1972.9 Bram G, Douns C. Machining technology. Macmillan Press Ltd,1975.10 丛福建. 基于通用PC机车床数控系统的研究与开发. 东南大学. 2002.11 王赓. 易用型数控系统的研究与实现. 西安交通大学. 2001.12 郑子文. 超精密机床伺服控制技术研究. 国防科学技术大学. 2001.13 纪海慧. 新一代CK1416高速精密数控车床建模与设计动态研究. 东南大学. 2003 . 致谢本文是在导师刘平的悉心指导下完成的。导师渊博的学识、严谨的治学态度和一丝不苟的科研作风给本人留下了深刻的印象，使本人受益匪浅，在此谨向导师表示崇高的敬意和衷心的致谢.也要感谢我的同学在本人设计过程中遇到困难时给予本人的热心帮助。