数控车床的进给传动机构及数控系统标准设计终版.docx
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1、机电一体化课程设计(论文)题目: 数控车床进给传动机构及数控系统设计学生姓名 专 业_机械设计制造及其自动化 学 号_ 班 级_ 指导老师 谭为民 成 绩_ 工程技术学院 6月机电一体化课程设计任务书学生姓名专业年级设计题目: 数控车床进给传动机构及数控系统设计设计要求:1、 能用键盘输入命令控制工作台运动方向2、 能实时显示目前运动位置3、 含有越程指示报警及停止功效设计参数1、 系统分辨率纵向为0.01mm,横向为0.005mm;2、 最大加工直径:在床面上为400mm,在床鞍上为210mm;3、 最大加工长度为1000mm;4、 快进速度:纵向为2400mm/min,横向为2400mm/
2、min;5、 最大切削进给速度:纵向为500mm/min,横向为500mm/min;6、 脉冲当量:纵向为0.01mm/脉冲,横向为0.01mm/脉冲;7、 X方向定位精度0.01mm,Z方向定位精度0.02mm;8、 纵、横向安装限位开关;9、 显示界面采取5个8位LED数码管;设计工作量:编写设计说明书1份指导老师署名: 年 月 日目录1系统总体方案设计11.1数控系统运动方式的确定11.2伺服进给系统的选择11.3执行机构传动方式的确定21.4控制系统的选择21.5总体设计方案的确定32机械系统设计32.1系统脉冲当量选择42.2切削力计算42.3滚动螺旋副选型计算与验算42.3.1纵向
3、进给丝杠52.3.2 滚珠丝杠副几何参数72.4齿轮传动比计算72.5步进电机的计算与选型82.5.1等效转动惯量计算82.5.2电机力矩计算82.5.3 步进电机性能验算102.5.4步进电机型号确定及主要参数列表103 控制系统设计113.1数控系统硬件电路设计113.1.1主控制器CPU的选择113.1.2存储器扩展电路设计113.1.3步进电机驱动电路设计133.1.4 其它辅助电路设计133.1.5 机床数控系统硬件电路设计143.3绘制控制系统原理图17总结18参考文献18数控车床进给传动机构及数控系统设计西南大学工程技术学院,重庆 400716摘要:数控车床进给系统是指能分别沿着
4、X向和Y向做进给运动系统,是很多机电一体化设备基础部件。本设计是对数控车床进给传动机构和数控系统进行相关设计。在设计时候具体进行了各部件选型和计算。比如:导轨设计选型、滚珠丝杠螺母副选型和计算,还进行了进给传动系统刚度计算、进给传动系统误差分析、驱动电机选型计算、驱动电机和滚珠丝杠联接、驱动电机和进给传动系统动态特征分析等,最终选择单片机对其做数控系统设计。关键词: 数控车床 进给传动机构 数控系统设计1系统总体方案设计对于数控车床进给传动机构及数控系统设计,在考虑总体方案时应遵行基础标准是:在满足设计要求前提下,对机床改造应尽可能少,以降低成本。数控系统总体方案设计内容包含:系统运动方法确实
5、定;伺服系统选择;实施机构传动方法确实定;控制系统选择等内容。应依据设计任务和要求提出系统总体方案,对方案进行分析、比较、论证,最终确定总体方案并绘制系统总体方案框图1。1.1数控系统运动方法确实定数控系统按运动方法可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。因为要求车床加工复杂轮廓零件,所以本微机控制(MNC)系统采取连续控制系统。1.2伺服进给系统选择数控机床进给系统有开环、半闭环、闭环之分。采取直流或交流伺服电机驱动闭环控制方案优点是能够达成很好机床精度,能赔偿机械传动系统中多种误差、传动间隙及干扰等对加工精度影响。但她结构复杂,技术难度大,调试和维修困难,造价高。本设计精度要求不
6、是很高,采取闭环控制系统必需性不大。采取直流或交流伺服电机驱动半闭环控制,其性能介于开环和闭环之间。因为调速范围宽过载能力强,有含有反馈控制,所以性能远优于以步进电机驱动开环控制。因为反馈步骤不包含大部分机械传动元件,调试比闭环简单,系统稳定性轻易确保,所以比闭环轻易实现。不过采取半闭环控制调试比开环控制要复杂,设计上有其本身特点,技术难度较大。本设计任务要求不高,通常情况下均采取以步进电机驱动开环控制。因为开环控制含有结构简单,设计制作轻易,控制精度很好,轻易调试,价格廉价,使用维修方便等优点;缺点是步进电机没有过载能力,开启频率低,工作频率也不高等。开环控制多用于负载改变不大或要求不高经济
7、型数控设备中。经过上述比较,决定采取开环控制系统。1.3实施机构传动方法确实定为确保数控系统传动精度和工作平稳性,在设计机械传动装置时,通常提出低摩擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振和有适宜阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点:(1)尽可能采取低摩擦传动和导向元件。如采取滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、铁塑导轨等。(2)尽可能消除传动间隙,提升传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧,而传动齿轮通常采取消除间隙结构。(3)尽可能提升传动刚度。传动刚度是传动元件之间接触刚度,接触面越多刚度越低,传动误差越大,故应尽可能缩短传动链。通常,在简易数控系统中,只要能够确保步进电机步距角和运动末端实施件脉冲
8、当量正确匹配,只采取一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载,不仅能够提升系统传动精度也能够提升系统传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠和丝杠轴向固定轴成全部带有预紧装置,方便随时调整预紧力1。1.4控制系统选择计算机数控系统通常由主机CPU、存放器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。微机是数控系统关键。数控系统功效直接和所选微机相关。数控系统对微机要求是多方面,但关键是字长和速度。字长不仅影响系统最大加工尺寸,而且影响加工精度和运算精度。而字长短计算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。现在,高级数控系统普遍采取32位机,主频已达20-30MHz;标准
9、CNC系统通常采取16位机;经济型数控系统通常采取8位机,如采取Z80CPU或MCS-51单片机组成微机应用系统。在51系列机型中,因为RAM容量全部很小,所以必需扩展外RAM;又因为常见零件加工程序需要固化在EPROM中,而它们不宜和系统控制程序存放在同一存放区内,为方便同一考虑外ROM和外RAM扩展,故通常全部是采取8031单片机作主机1。本经济型数控车床采取MCS-51系列单片微机组成微机应用系统。主机是8031,接口选8279,采取步进电机开环控制,传动部件为滚珠丝杠。1.5总体设计方案确实定经以上论证后,确定数控车床进给传动机构总体方案图图所表示。车床纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运
10、动均采取步进电动机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置关键,由I/O接口、软环分配器和放大器控制功率步进电动机转动,经齿轮减速器后带动滚珠丝杠转动,从而实现车床纵向、横向进给运动。图1-1 系统总体方案图2机械系统设计 机械系统设计内容包含:系统脉冲当量确定;切削力计算;滚动螺旋副选型计算和验算;滚动导轨选型计算和验算;步进电机选型计算和验算;消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等多个关键部分。2.1系统脉冲当量选择脉冲当量是机床移动不见相对于每一个步进脉冲信号产生位移量。脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。脉冲当量是衡量数控机床
11、加工精度一个基础技术参数。数控车床通常采取脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。所以依据设计任务书确定脉冲当量:纵向为0.01mm/脉冲,横向为0.01mm/脉冲。因为脉冲当量相同,故以下只计算纵向进给相关参数,横向和纵向相同。2.2切削力计算设工件材料为碳素结构钢,b=650MPa;选择刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为:主偏角r=60,前角o=10,刃倾角s=-5;切削用量为:背吃刀量ap=3mm,进给量f=0.6mm/r,切削速度vc=105m/min。查表3-12,得: 查表3-32,得:主偏角r修正系数为0.94;刃倾角、前角和刀尖圆弧半
12、径修正系数均为1.0。由经验公式,得。由经验公式,得2.3滚动螺旋副选型计算和验算滚动螺旋副工作原理:滚动螺旋副是一个在丝杠和螺母之间放入滚动体 滚珠一个丝杠螺母副。因为放入滚珠,故,当丝杠相对螺母转动时,滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动,迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动,于是将丝杠旋转运动变为螺母直线运动或将螺母旋转运动变为丝杠直线运动。滚动螺旋副特点:优点:传动效率高,所需驱动转矩小;传动精度高,反向精度高,定位精度高;传动刚度高;传动平稳,快速响应好,无爬行; 磨损小,精度保持性好,寿命长;含有运动可逆性;缺点:制造成本高;不能自锁,铅垂进给时需加制动机构2。滚动螺旋副设计步骤是:计算
13、进给牵引力,预选关键尺寸参数,计算最大动负荷,计算最大静负荷,初选滚珠丝杠副型号及列表关键参数,绘制进给系统计算简图,验算轴向刚度,验算传动效率,确定滚珠丝杠副型号。2.3.1纵向进给丝杠(1)工作载荷Fm计算已知移动部件总重G=800N;依据对应关系,可得:纵向进给为综合型导轨,有式中:K考虑颠覆力矩时影响系数,综合型导轨取K=1.15;导轨摩擦系数,=0.150.18(取=0.16);G移动部件重量,G=800N代入公式计算得(2)滚珠丝杠副最大动负荷计算最大切削进给速度最大切削力条件下进给速度取,滚珠丝杠转速(其中:滚珠丝杠导程初选),则滚珠丝杠寿命值(其中使用寿命T=15000h) ,
14、则运转状态系数,按通常运转取,故(3)滚珠丝杠螺母副选型查阅机电一体化系统设计课程设计指导书,可采取W1L4006外循环螺纹调整预紧双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级选为3级。传动效率计算式中:丝杠螺母升角; 摩擦角,滚珠丝杠副滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10。本设计中:(4)刚度验算最大进给率引力为1631.79N,支承间距L=1500mm。丝杠螺母级轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向力1/3。丝杠拉伸或压缩变形量1。查机械设计手册,依据Fm=1631.79N,D0=40mm,查出L/L=1.210-5,可算出因为两端均采取向心推力球轴
15、承,且丝杠又进行了预拉伸,故其拉压刚度能够提升4倍。其实际变形量为:滚珠和螺纹滚道间接触变形。查机械设计手册相关图表,W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: 因进行了预紧,故 支承滚珠丝杠轴承轴向接触变形。采取8107型推力球轴承,滚动体直径,滚动体数量Z=18,故因施加预紧力,故依据以上计算轴向总变形量为: 即轴向总变形小于定位精度。(5)稳定性校核滚珠丝杠两端采取推力轴承并施加预紧,不会产生失稳现象,不需要进行稳定性校核。2.3.2 滚珠丝杠副几何参数表2-1 滚珠丝杠参数表名 称符号计算公式(mm)W1L4006螺纹滚道公称直径40导程(螺距)6接触角244钢球直径3.968螺纹滚
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