经济型的数控铣床改造_毕业设计(编辑修改稿)

经济型的数控铣床改造_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

机作为伺服驱动元件，步进电机达不到功率要求。 例如， 200BF001 反应式步进电机，最大静转距 运行频率为 11000step/s，步距角为 1/6 度，若取最高频率下的工作扭距为静扭距的 1/4，则高速下的功率 为 )(1 3 4 )( 3 41 8 061 1 0 0   因此，如果选用步进电机，必须相应的降低机床的某些性能，主要是快速性，另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激震荡，而且激震频率很可能落如洗削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成工件超差。 此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭距下降很多，容易丢步，大功率步进电机的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。 若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度较大，调试和维修困难很多，造价也高，闭环控制可达到很好的机床精 度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响，一般用于要求高的数控设备中，由于所改造的数控铣床工件的加工精度不十分高， 7 采用闭环系统的必要性不大。 若直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间，由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机的开环控制；反馈环节不包括大部分机械元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以闭环容易实现。 但是采用闭环控制，调试要比开环控制的步进电机要困难些设计上也有自身的特点。 在直流和交流伺服电机之间进行比较 时，交流调速逐渐扩大了其使用范围，似乎有取代直流伺服电机的优势。 但交流伺服的控制结构复杂，技术难度高，普及不广，而且价格高，直流伺服电机原理接近于直流电机，控制系统技术也较成熟，普及广。 控制部分的设计 要能控制三个坐标轴的运动，根据工件加工要求，至少要控制两轴联动完成圆弧插补，为了在加工中使用不同尺寸的刀具，数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能，以便数控加工中按轮廓编制程序而能适应刀具尺寸的变化。 综上所述 整个改造方案如下图所示 8 第 3 章 数控系统硬件电路设计 数控系统基本硬 件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。 硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。 有了硬件，软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 (1)中央处理单元 CPU (2)总线。 包括数据总线（ DB）、地址总线（ AB）和控制总线（ CB）。 (3)存贮器。 包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 (4)I/O 输入 /输出接口电路。 其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。 存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。 I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。 总线则是 CPU与存贮器、 31 数控系统硬件框图I/O接口CPU外设存储器RAMROM控制信号信号变换接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 数控系统硬件框图如 3— 1所示。 由于 MCS— 51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。 C6140数控改造以 8031CPU 组成的单板机为数控控制系统。 也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置，如南京 大方数控设备公司生产的 JWK系列数控产品。 单板机控制系统的设计 9 1. 硬件配置 存贮器选用 1片 4K 8的 2732EPROM 和 1 片 8K 8 位的 6234RAM。 监控程序固化在 2732EPROM 内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM内。 1片 6234RAM做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。 I/O 接口芯片选用 8155 可编程 I/O 扩展接口，它的 A口做为 X、 Y进给系统步进脉冲的输出口，其中 PA0~PA2为 X向的输出口， PA3~PA5为 Y向输出口。 B口为为位控方式，其中 PB4~PB7为 Y、 +Y、 X、 +X的行程越位信号输入。 显示由 8 位 LED 构成，具有 24 键的键盘。 2. 存贮器空间分配 单板机可寻址范围是 64K字节，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以备扩展使用。 其存贮空间分配如下。 0000H~07FFH 2KB EPROM 放监控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 调试 程序 2020H~27FFH 2KB RAM 测试程序等 3. I/O 口地址分配 单板机设置 I/O 口地址为 80~9FH共 32个口地址，分配如下。 80H~83H MCS— 51 8031 84H~87H 字形锁存 88H~8BH 字位锁存 8CH~8FH 读键值 90H~9FH 用户使用 4. 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中 ，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。 由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。 轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。 所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。 步进电机控制程序设计 MCS51单片机数控系统的步进电机驱动系统，可以用软件来代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，对步进电机进行控制。 用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活的改变步进电机的控制方案，驱动功 10 率放大功能仍由硬件完成。 环形分 配器逻辑序列的产生可用循环移动和查表法实现，本次数控改造采用 JBF 系列三相六拍步进电动机，因此，脉冲分配采用三相六拍分配方式。 以 X 向步进电机为例，其环形分配器的输出状态表如下： 环形分配器的输出状态 节拍序号 地址 代码 C相 B 相 A 相 通电顺序 0 0700H 01H 0 0 1 001 1 0701H 03H 0 1 1 011 2 0702H 02H 0 1 0 010 3 0703H 06H 1 1 0 110 4 0704H 04H 1 0 0 100 5 0705H 05H 1 0 1 101 将上述步进电机所需的环形分配器输出状态表存入 EPROM 中，根据加工程序的需要，依次取出表地址至 PA口，驱动 X 向步进电机。 按以上顺序进行通电，电机正传，反之电机反转。 X 向电机与 X 向相同，其脉冲输出状态表略。 控制步进电机的速度，实际上是改变输出状态码之间的间隔时间，通过调用软件延时子程序，或者用微机定时器，通过设定时间常数加以控制，数控系统发出不同频率的时钟脉冲，实现不同的电机转速。 本系统，采取调用软件延时子程序的方法。 在数控系 统中，专门将一些寄存器作为步进电机的控制寄存器。 控制字FCW 用来控制电机转动，通过控制寄存器中的状态，使步进电机按确定的运行方式工作。 在 FCW 控制字中，对步进电机的方向控制位，转动控制位以及停止控制位。 分别进行定义。 FCW 中各个控制位含义如下： D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且 D0X 向转停控制位（ 1转动； 0停止）； D1X向方向位（ 1正转； 0反转）； D2Y向转停控制位（ 1转动； 0停止）； D3Y向方向位（ 1正转； 0反转）。 11 第 4 章 机械部分改造与计算 原始数 据分析 1. 原 XA5032铣床的数据进给电机 ， 1400r/min，最大水平拖动力1500kg=1500N，进给最大速度纵、横向 ，工件最大重量，500Kg=5000N，机动范围 纵向 680mm、横向 240mm 2. 工艺数据 工件加工余粮：最大铣削宽度 7mm，最大铣削深度 40mm。 刀具数据：高速钢圆柱铣刀，直径 32 40 mm，斜刀齿数 34。 工艺数据：主 轴转速 150190r/min，走刀速度 4060mm/min，每齿切厚为 ，取 计算。 3. 机床进给部件重量估计 轴向（ X轴）工作台，长 ，约重 220kg=2200N 纵向（ Z轴）工作台约为 450kg=4500N 为防止升降台自行下划，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器，而且为了保证工件可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按 12KN 计算。 滚珠丝杠螺母副的选用设计（ X 向） 铣床工作台的进给运动，由进电机的转动，然后带动铣床丝杠传动。 在数控铣床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。 原因是普通丝杠传动摩擦系数大，效率低，传动中有间隙。 虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正，但总是不太稳定。 所以，在数控铣床上要采用滚珠丝杠传动。 滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控机床的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和 滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动－角位移，变换成数控车床工作台的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 12 滚珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽 ,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道 ,在滚道内装有许多滚珠 .当丝杠旋转时 ,滚珠相对于螺母上的滚道滚动 ,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦 .为防止滚珠从螺母中吊出来 ,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住 ,并设有 回路滚道是他的两端连接起来 .使滚珠从滚道的一端滚出后 ,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端 ,可以循环进行不断地滚动 . 滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副的优点是 :传动效率高 ,因为它是滚动摩擦 ,传动效率可达,比普通的丝杠传动提高 34倍 .由此带来了一系列的优点 ,如功率损耗小 ,传动平稳 ,磨损小 ,无爬行现象等等 .除此而外还有两个特点 ,一是 :一般的丝杠传动总是有间隙 ,而滚珠丝杠可以消除间隙 ,所以当丝杠转动反向时 ,可以没有空程 ,提高了反向的定位精度 ,也增强了传动刚度 .二是 :一般的丝杠传动 只能使旋转运动转变为直线运动 ,而滚小 ,所以既能把旋转运动转变为直线运动 ,也可以从直线运动转变为螺旋运动 ,珠丝杠副由于传动的摩擦系数具有传动的可逆性 ,因此可以作为主动件 ,也可以作为从动件 . 它也有缺点 ,主要是元件的精度要求高 ,光洁度要求也高 ,所以制造工艺很复杂 ,成本也高 .对于丝杠和螺母上的螺旋槽 ,一般要求磨削成型 ,因而制造困难 ,也限制了使用 . 又由于传动的可逆性 ,所以不能自锁 ,当应用在垂直传动装置时 ,由于自重和惯性的关系 ,在下降过程中不能立刻停止 ,因此还需要备有制动装置 . 滚珠丝杠副的结构与调整 滚 珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚道的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 (1)螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图 4－ 1所示。 滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（  ）。 13 （ a） (b) 图 4－ 1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 （ a）单圆弧； （ b）双圆弧 （ 2） 单 圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。 对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。 实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。 （ 3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。 在偏心距（ e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。 这些空隙虽然能容纳一些脏。