CA6140普通车床的数控化改造设计毕业设计

目

录一、课程设计的目的和要…二、总体方案的设计…………3三、机械部分设……………………四、数控系统设……………………五、总结与参考……………………第章

课设的的要一课程设计的目的机床数控系统课程设计是机械类专业机电一体化课程的重要实践性教学环节之一.是综合运用所学过的机械、电子和计算机知识而进行的一项机电结合的基本训练。其目的是：能够正确运用机床数控技术等课程的基本理论和有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算。通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法以及正确的结构设计方法。通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单数控系统硬件及软件设计的基本方法。通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养分析问题和解决问题的能力。提应用手册、标准及编写文件等资料的能力。二．课程设计的内容完成一台普通车床的数控化改造。利用微机对纵、横进给系统进开环控制，纵向脉冲当量，向脉冲当量0.005mm刀架采用电动自动转位刀架，主轴变速采用电磁离合器有极变速。具体内容如下：总体方案的分析、比较、论证。机械部分设计。重点是进给传动系统机构的结构设计及伺服电机的选择计算。数控系统设计。硬件部分完成微机控制系统电气原理图设计；软件部分包括主要程序框图和部分汇编程序设计。编写课程设计说明书说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件及其参数的说明，软件设计及其说明等。图机械结构装配图A1图2张要求视图基本完整、符合标准。其中应有一个坐标轴的完整剖视图。数控系统组成框图A2图数控系统电气原理图A1图1张1（4软件框图图课设计时间分配建议本课程设计用3周间成，各部分所占时间分配大致如下：（1方案论证

天（2机械部分设计天（3电气部分设计天（4软件设计

天编写说明书1天准备答辩及答辩天第章总方的定普通机床的数控化改造。一般是将普通机床配置上经济型数控系统。并对机床的某些部分作一定的改造床有数控加工能力提高机床的自动化程度、和加工精度和生产效率。一、机部分的改造机械结构的改造，主要包括进给传动系统的改造、主传动系统的改造及刀架结构的改造三部分。其中，进给传动系统是机床数控化改造的核心部分。进系统改造方案的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，对进给系统通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在进给系统的改造设计中应考虑一下几点：（1尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母副、滚动导轨或塑料导轨等。

尽量消除传动间隙。包括丝杠、齿轮的传动间隙，轴承游隙及键联接的间隙等。缩短传动链。缩短传动链不仅可以减小传动误差，还可以提高系统的传动刚度。此外，滚动副预紧也是提高系统传动刚度的常用方法，例如用加预载荷的滚珠丝杠副和滚动导轨及滚动轴承等杠支撑设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等也可提高传动刚度。主速系统的改造方案主变速系统的改造有几种方案可供选择：（1手动变速在自动化程度要求不高，加工对象较固定且变速较少的场合，机床主轴变速部分可不作改动，仍采用原手动变速机构，数控系统仅控制主轴电机的起、停和正、反转。这种方案可大大降低改造成本。（2有极自动变速是普通车床数控化改造较常用的方案。滑移齿轮与电磁离合器或液压拨叉结合科实现自动变档。如果采用双速电机，可进一步增加变速级数。（3变频变速对于加工精度和自动化程度要求较高，经常要变速且要求变速特性较2好的场合，可采用交流异步电机变频调速系统，实现连续变速。刀改造刀架是车床的一个重要组成部分刀用于夹持切削刀具其结构直接影响机床切削性能和效率床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架，并由数控系统控制。自动转位刀架由专业厂生产，可直接选用。二、伺系统的选择开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。三、计机系统的选择计算机数控系统一般由微处理器、存贮器、外设接口电路、机床辅助控制接口电路及伺服驱动电路等几部分组成。在经济型数控系统中采用微处理器的微型计算机采用或McS-51单机组成的微机应用系统。3第三章械设计部分机械部分的改造设计重点是进给系统的结构改造设计。改造内容：进给系统改进设计——采用伺服驱动（位置控制）主传动系统改进设计——采用自动变速（速度控制）刀架系统改进设计——采用自动转位刀架具体分解为（1）减速器及电机部分（2）珠丝杠副及支撑部分（平轨及滑台部分（基本保留原结构，改进摩擦特性，要正确绘出导轨结构，间隙调整）一、横向进给系统的设计计算工作台重量W=300N（估）滚珠丝杠导程T=4mm（供参考）行程脉冲当量

=0.005mm快速进给速度

V快

m

min切削进给速度

V0.5进

m

min时间常数t《100ms横向运动的导轨形式常为导轨，其轴向实验公式为：FKFa传计算

(F)

，系数K=1.4摩擦系数的值见纵向导轨。

a360

，式中

——脉冲当量

a步距角T—丝杠螺距u齿轮传动比360*0.005*切力计算本设计采取

ammfmmp

并取

F0.5FFp,fc

，横向进41212给量为纵向进给量的，切力也约为纵向的由《金属切削原理》知，车削时（外圆车削、横车、内孔车削）主切削力

F0.5*1840afc

=0.5**2.5*

0.75

切深抗力

F0.5*~0.6)Fpc

=0.5*.66*0.5=466.17N走刀抗力

F0.5*(0.150.7)Ffc

=0.5*.66*0.5=466.17N滚丝杠设计计算原机床横向进给丝杠直径为19mm所以选择滚珠丝杆的直径为19mm初选型号为横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨，FKFa

(F)

（）（1疲劳强度计算滚珠丝杠的当量动负荷

为C

m

LffFQa

，其中L为作寿命，L=

60nT60*150*5000=10106

=45

1000V1000*0.75nT5

r

min

f

w为载荷系数时选择1.5~2.5.此次计算取2

f

为精度系数、级取1.1所以

m

LffF45*27986.36Na所选择的型的滚珠丝杠的额定动载荷是所疲劳强度符合要求。（2刚度验算滚珠丝杠的刚度按下式校核

*10l

3r其中——丝杠拉压弹性位移，滚珠丝杠按一端固，一端自由或简支的丝杠：

1

*la

，为轴向载荷，A是丝杠内径截面积，a是弹性模量的E=2.1*

mm

是母至轴固定端的最远距离。

——是丝杠副内滚珠与滚道的接变形。

Fr

，

a

是预紧力为额定载荷

13

时的接触刚度，55.7982m5.7982m

3

1——滚动轴承的接触变形球轴承0.52()*Z2

（

m

，是动体数目，

w

是滚动体直径，

a

是轴向载荷的

13

。

：A=

*(193.5)

2

mm

，

1

1020.6*l1*2.1*10

5所以

*10l

*106*l*2.1*10*l

6.44

m

F1020.61.33um770r

3

：

w

，

Z=12

10.52(*FZ2

所

以*10l

1.3310.669mr所以所选择的滚珠丝杠符合3级的弹性变形允许的行程误差3级允许的行程误差为12（3滚珠丝杠的支持方式端轴向固定一端自由．步进电机的规格选择计算加在电机上的总转矩M由下几部分组成：

MMl0

负载转矩

M

l

Ml

180*a

(.)，从电机到丝杠的总传动效率，

0.82

，

为

步

距

角，

为

脉

冲

当

量。l

0.005*1020.6**

0.4757.滚丝杠副预紧引起的附加转矩

0

M0

K*0

（F为杠0螺母的预紧力，为预紧螺母内部的摩擦系数60101M0

180

*

1*0.005**1020.63

0.026N加速度矩

M

(0

f10t

)J(N

f

为电机工作频率进给时

f

按最高进给速度计算，快速运动时

f

按空行程速度计算；

0

为突跳起动频率，取t为速时间，取为传动系统折到电机轴上的等效转动惯量于级齿轮传动系统JJ)1

ZZ

)JJ)()3

，J

0

是电机转子惯量，

~

分别是齿轮

~

的转动惯量，是丝杠转动惯3量，是作台总质量，\步角和脉冲当量。切削进给时快速运动时

ff

1进1快

*V进60*V快60

*0.560*0.00560*0.005

1167HZ对于盘类零件：

J

32

D

L

，L为轮宽度，

L1

d

1

mmL19J

32

*48

**

.

J

32

*

m

J

32

***10*10.m0

.

2所

以ZJJ)Z2180*0.005()*0.75

)(J)()2329.12*10.m

2

5.675

)

2

1.48*10

所

以，

切

削

进

给

时M

ff(1t

)J

*200()*9.12*10

0.1

N.m1

4快

速

进

给

时7M

f(1t

)J

*200()*9.12

0.3939.m所以

MMl0

计算出各部分的转矩及总转矩后，依据运行矩频特性选步进电机型号为。三、给传动齿轮间隙的消除进给传动齿轮的齿侧间隙不仅产生换向运动误差并影响步进伺服系统的运动平稳性，必须采用各种方法减少或消除齿轮传动间隙。本次设计采用柔性调整法中的双齿轮错位式消除间隙结构。如附图A1号装配图中弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，消除了齿侧间隙，采用这种结构由于正向和反向旋转时，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制，在设计时必须计算弹簧的拉力，使它能够克服最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用。8第四章

数控系统计一、数控系统的种类通用PC微机控制系专用型微机控制系统单片机扩展系统二、本次设计内容通用PC机，基于工PC机的机床数控接口电路板的设计，框图见附图A2，目前的机床数控系统已较普遍的采用了基于工业PC机系统体系结构，这种数控系统的计算机在功能上完全与标准的机样，各硬件模块板也均与PC机总线标准的PC机样各硬件模块板也均与PC机线标准兼容其的是利用PC机丰富的软件和硬件OEM源，提高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短新产品开发周期。工业PC与普通商用机结构上略有不同的是，从系统可靠性出发，采用了模块化设计，它的主板与系统总线是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板及其他模块则做成插卡形式。三、控制对象X向进电机，采用软件环形分配表，应使用三位控制Z向进电机刀架用异步电机控制正反转，至少使用两位控制工作报警指示灯一位显示字位、字形键盘扫描为了简化电路，键盘的行线及LED显示器的字位控制共用一个D是八段共阴极显示器，每个显示器由发光二极管组成。二极管的阴极连在一起，当某发光二极管阳极为高电平时此发光二极管点亮段显块中的七个发光二极管点亮后构成七笔字日发光二极管为1数键与显示共用一个口进行控制，在进行键盘巡回扫描时必须先关显示。本设计中采用键键盘的行线及LED显器的字位控制共用82554（）~0

担任，显示器的字形数据控制由82551）的PBo担，显示器的字形数据控制由8255（2的担任，字位控制高电平）有效，字形控制低电平（=0）有效。9、主正转、反转至少使用两位控制）另外，控制对象还包括有主轴变速、冷却、工件夹紧、照明排屑。四、检测对象、功选择：编辑\自动\手动回\空行手，如附图中所示，使用多波段开关选择。8255（）、回检测X、两，8255（）

\2

3、手：、+Z、-X、-Z，通过按钮由键盘控制、、程检测、+Z、-X、-Z接中断）、开按钮：启动暂停、停止、急停、单段选择、刀检测

013

（（1）

01

，（2）

\PB01

）螺纹加工（主轴脉冲，零脉冲8254CLK1）键盘扫描（4位）另外，检测对象还包括手动快进、跳段、机械锁定、手脉*1Z1\10\100um，切削倍率，快进倍率，冷却，夹紧，照明，排屑，润滑等。五、电气原理分析、步电机驱动电步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A|D或D|A换，可采用较为简单的开环控制而成为经济型数控机床最主要的一种伺服驱动元件，步进电机的驱动电路由以下四部分组成计算机接

脉冲分配器

隔离电路

功率放大口步进电机、隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几千伏（几安到几十安如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则引起计算机和接口电路的损坏，所以一般在接口电路与功率放大器直接都要加上隔离电路现电气隔离常使用最多的是光电耦合器。光电耦合器由发光器件和受光器件组成，联接发光源的引线作为输入端，联接受光器件的引线作为输出端常光器件为发光二极管光件为光敏三极管，本次设计是使用的为4N25光电耦合器共集电极输出型接线图，此外，还有其发射极输出型。当输入信号加到输入端时，发光二极管导通，激发发出红外光，0受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。、码电路10在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连，单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送进行片选控制内多个字节单元时，还要进行片内地址选择。对于和Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采用全地址译码法，它将降低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址线用作片选线。通常可采用-８译码器（７４ＬＳ１３８输入端占用３根最高位地址线，

ＣＢＡＹ剩余的１３根地址线可作为片内地址线，因此，译码器的８根输出线分别对应８个８Ｋ字节地址空间。本设计７４ＬＳ１３８将CD地

０００００１０１０

0YY，地址线

\A23

连接输入端口A\B。

。输出线

Y\\Y012

作为输出线用作片选线，

１１１

7分别连接（1（8254、端。、系统线母板为总线结构的无源母板，它提供各模块板之间的互联的信号通路总线是IBMPC|XT个计算机采用的微机总线针微处理器设计的，包括位数据总线20地址总线6条断信号线条DMA控制线4条源线及其他控制线共条总线连接在母板的哥哥插槽上。各系统总线与芯片接口的连接如附图所示。、双向总线驱动器74LS245和向三态缓冲器74LS74要避免总线扩展槽引脚负载过重而产生的不正常后果坏元器件产生干扰信号等，一般来说，在同一扩展槽中，每一引脚的负载能力大部分为一TTL器件（如系器件）或约个器，如果口卡上与总线引脚直接相连的器件较多，就需要增加总线的输出负载能力，其方法是在总线上增加缓冲器或驱动器，使接口卡上的总线先经过缓冲器再和其他器件相连。一般的缓冲器可使负载能力提高一个数量级。典型的缓冲器或驱动器芯片有4ＬＳ２４４，７４ＬＳ２４５等，其中７４ＬＳ２４４是一单向三态缓冲器，７４ＬＳ２４５是８位双向的总线驱动器。对地址总线和控制总线，因为是单向的，所以可采用７４ＬＳ２４４作驱动器，对数据总线，因为是是双向的，所以应采用７４ＬＳ２５驱动器。如附电气原理图所示，将７４ＬＳ１４４DIR引与７４ＬＳ２４５

引脚相连，由ＲＤ信号控制DIR脚状态，从而控制７４ＬＳ２４４数据传输方向。DIR０ＡＢＩDIR１ＡＢOUT６、接口电路设计的地址译码开发一个新的接口电路，首先要为它分配一个或几个端口地址，这就用地址译码器电路来完成，也就是要解决接口电路与地址总线及部分控制线的连线问题。口地址译码方式灵活多样，从译码电路形式可分为固定式和可选式译码，从译码电路采用的元器件中，可分为门电路译码和译码器译码。11本设计选用开关式可选口地址译码电路，如附图所示，这样译码方式使接口电路的口地址可根据要求进行改变需改动线路使用了8位较器748688当输入

~07

的地址与设置端

Q0

的开关状态一致时输出为低。、可编程并行接口芯片组成的输入输出接口电路本设计采用两个8255芯片（ADBD为输出控制对象（CD~4

7

担任键盘列线，8255（）AD

~PA0

担任键盘的行线及LED示器的字位控制8255（2BD担显示器字形控制（1CD

~4

7

和8255（2）担任输入口。、可程是时计器每个8253内有三个独立的16位减法计数器，每个计数器都有三个引脚分别为脉冲输入端CLK门控输入端GTAE