数控机床系统设计说明书Word文件下载.docx
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稀导轨板;
3、对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施,并对滚珠丝杠进行预拉伸;
4、采用步进电机进行驱动;
5、采用联轴器将步进电机与滚珠丝杠直连。
6、采用单片机对数据进行计算处理,由I/O接口输出步进脉冲,经一齿轮
减速后,带动滚珠丝杆转动,从而实现纵向、横向进给运动。
二、机械部分改造设计与计算
1、纵向进给系统的设计与计算:
已知条件:
工作台重量:
W=800N
T=25ms时间常数:
滚珠丝杆基本导程:
L0=6mm
行程:
S=320mm
脉冲当量:
步进角:
快速进给速度:
电机功率:
N=1.5kw
工作台快速移动速度:
(1)、切削力计算:
由《机床设计手册》可知,切削功率
查机床说明书,得电机功率N=1.5kw;
系统总效率5;
系统功率系数
K=0.96;
则:
;
式中--切削线速度V=100m/min
主切削:
由《金属切削原理》可知,主切削力:
则可计算出FZ如下所示:
查表,可知当FZ=562.3N时,切削力深度mm,走刀量
从《机械设计手册》中可知,在一般外圆车削时;
即:
(2)、滚珠丝杆设计计算:
对于矩形槽,综合导轨丝杠的轴向力:
取:
K=1.15,摩擦系数f'
=0.16
1)、强度计算:
寿命值:
T1=15000h查表,D=80mm取工件直径:
最大动负载:
查表得:
运转系数;
硬度系数
根据Q选择滚珠丝杆型号:
CMD2504-2.5-E其额定动载荷Q=14462N,所以强度足够用;
d1=22.5mm。
螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+2×
16=423mm.
2)、效率计算:
根据《机械原理》,丝杆螺母副的传动效率:
其中摩擦角,螺旋升角
因此:
3)、刚度验算:
受工作负载P引起导程变化量:
L0=6mm=0.6cm,E=20.6×
106N/cm2
滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小,可忽略。
即
寻程变形总误差为:
查表知E级精度丝杆允许的螺距误差(1m长)为故刚度足够。
4)、稳定性验算:
由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同,而支承方式不存在问题,故
不验算。
(3)、齿轮及转矩的有关计算
1)、有关齿轮计算:
取Z1=30,Z2=47,m=2,b=20mm,
2)、传动惯量计算:
工作台质量折算到电机轴上的传动惯量:
丝杠的转动惯量:
齿轮的转动惯量:
因电机的转动惯量很小,可以忽略;
所以总的转动惯量为:
3)、所需转动力矩计算:
1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩:
2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩:
3、折算电机轴上的摩擦力矩:
当,时:
4、由于丝杠预紧所引起,折算到电机轴上的附加摩擦力矩:
当时,预加载荷,则:
5、折算到电机轴上的切削负载力矩:
所以,快速空载启动所需力矩
切削时进给所需力矩:
快速进给所需力矩:
由以上分析可知:
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时:
2、横向进给系统的设计与计算
经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单,一般是步进电机经减速后
驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进
电机和机床大拖板连接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。
W=300N
L0=6mm
S=200mm
1)、切削力计算:
横向进给为纵向的1/2~1/3,取1/2,则切削力为纵向的1/2
切断工件时:
取K=1.15,
滚动摩擦系数为
则
CMD2004-2.5-E其额定动载荷Q=5862N,所以强度足够用。
d1=17.5mm。
螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度l=200+72+2×
16=304mm.
滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小,可忽略。
5)、齿轮及转矩的有关计算
1、有关齿轮计算:
传动比:
故取:
,,
,
2、传动惯量计算:
电机的转动惯量很小可以忽略。
3、所需转动力矩计算:
2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩:
当,滚动摩擦系数时:
由以上分析可知,所需最大力矩Mmax发生在快速启动时:
3、步进电机的先择
一般情况下,对于步进电机的选型,主要考虑三方面的问题:
步进电机的
步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求;
步进电机的最大静扭矩要满足进
给运动系统的空载快速启动力拒要求;
步进电机的启动矩频率特性和工作矩频
率特性必须满足进给传动系统对启动扭矩与启动频率、工作运行扭矩与运行频
率的要求。
初步选择步进电机主要是选择电机的类型和步距角。
目前,步进电机有三
种类型可供选择:
一是反应式步进电机,步距角小,运行频率高,价格较低,
胆功耗较大;
二是永磁式步进电机,功耗较小,断电后仍有制动力拒,但步距
角较大,启动和运行频率较低;
三是混合式步进电机,它具备了上述两种电机
的优点,但是价格较高。
各种步进电机的产品样本中都给出了步进电机的通电
方式及步距角等主要技术参数以供选用。
1)、纵向进给系统的电机的确定
根据启动力矩的选择
--电机静负载力矩--电机启动力矩;
;
为满足最小步角要求,电机选用三相六拍工作方式,查表知:
所以,步进电机最大静转距为:
进电机最高工作频率:
综合考虑,查表选用110BF003型直流步进电机,能满足使用要求。
2)、横向进给系统步进电机的确定:
步进电机最高工作频率:
综合考虑,仍选用110BF003型直流步进电机,能满足使用要求。
4、滚动导轨的选择
导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。
在导轨副钟,运
动的一方称为动导轨,不动的一方为支承导轨。
动导轨相对于支承导轨运动,
通常作直线运动和回转运动。
导轨的几何精度综合反映了在静止或低俗下导轨
的导向精度。
因此对导轨的精度要求比较高。
影响导轨精度的主要因素有导轨
的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和
热变形,还有装配质量。
导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性,因此耐用的
导轨就必须要求耐磨性好。
同时要有足够的刚度,因为足够的刚度保证导轨在
载荷作用下不产生过大的变形,从而保证各部件的相对位置和导向精度。
此外,
还要求导轨在低速运动时有好的平稳性和制造的工艺性好。
综合考虑机床的基本额定载荷及其它方面的因素,选取HTSD--WAA(宽幅
矩型滑块)的滚珠导轨。
初步选用4滑块,工作台大小400×
300,工作台自重300N,外载荷
700N。
1)、摩擦力计算:
摩擦力计算公试.
式中为滚动摩擦系数取,P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4,f为
密封件阻力,取f=0.5N.
纵向F=0.003×
349.2+0.5=1.55N
横向F=0.003×
229.4+0.5=1.19N
2)、寿命计算:
纵向行程为0.32m
目标寿命L=0.32×
2×
5×
60×
8×
300×
10-3=2304km
选择HTSD-LG20WAA型导轨,额定动载Ca为10.28W,根据计算可知,满
足强度要求。
横向行程为0.2m,
目标寿命L=0.2×
10-3=1440km
选择HTSD-LG20WAA型导轨。
额定动载Ca为4.51W.
第三章控制系统设计及编程
数控机床控制系统由硬件和软件两大部分组成。
控制系统在使用中的控制
对象各不相同,但其硬件的基本组成是一致的。
如下图所示:
图1控制系统示意图
以单片机为核心的控制系统大多数采用MCS-51系列单片机,经过扩展
存储器、接口和面板操作开关等,组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系
统。
一、设计步进电机工作台第一象限直线插补控制(逐点比较法)方案。
原理:
逐点比较法是一种代数算法,其特点是能逐点计算和判别运动偏差,
并逐点纠正以逼迫理论轨迹。
逐点比较法的理论误差是一个脉冲当量。
在整个
插补过程中走一步均需完成四个工作节拍是:
1、偏差判别,判别刀具的实际位置对规定图形的偏离位置,以决定进给方
向;
2、进给控制,沿减少偏差的方向进给一步,以向规定图形靠拢;
3、新偏差计算,计算刀具在新位置上对给定图形的偏差,作为下一步偏差
判别的依据;
4、终点判别,判断是否到达终点。
若未到终点,回到1后继续不断地重复
上述循环过程,若到达终点,发出运算完成信号,就能实现平面上直线和圆弧
插补。
二、步进电机的单片机控制
步进电机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电机的单片机控制中,控
制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下:
1)、控制换相顺序。
步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方
式进行。
通常把他通电换相这一过程称为脉冲分配。
2)、控制步进电机的转向。
如果按给定的工作方式正序通电换相,步进电
机就正转;
如果按反序通电换相,则电动机反转。
3)、控制步进电机的速度。
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,
再发一个,它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短,步进电机转得就越快。
因此,脉冲的频率决定了步进电机的转速,调整单片机发出脉冲的频率,就可
以对步进电机进行调速。
三、硬件控制示意图
实现脉冲分配(通电换相控制)的方法有两种:
软件法和硬件法。
这里主
要用的是软件法。
软件法是完全用软件的方式,按照给定的通电换相顺序,通
过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。
如下图所示,利用8051系列单片
条线,向两个三相步进电机传送控制信号。
6这P1.5~P1.0机的.
图2单片机的I/O口分配图
三相步进电机工作在六拍方式时,其通电换相的正序为:
A→AB→B→BC→C→CA→A,共6个通电状态。
如果P1口输出的控制信号中,0
代表使绕组通电,1代表使绕组断电,则可用6个控制字来对应这6个通电状
态,如下表所示:
表1X步进电机工作方式的控制字
表2Y步进电机工作方式的控制字
、主程序框图:
(一).
图3主程序框图
表3内存分配表
(二)、子程序框图
表4软环分表及X、Y电机带电状态码的内存分配表
电电
机状内存内存状态状态
00908000
81FEF791
AE792FC82
8393FDEF正
BC84H94HCFHF9H
CFBH85H95HDFH
CA96HFAH86HD7H
87H00H97H00H
转转
子程序框图4图
、程序清单(三)
;
MAIN:
PUSHA保护现场
设步长计数器R4,#NMOV
CCLR
R5,#80HMOV
R6,#90HMOV
ACLR位清零使表头表尾为0
80H,AMOV
87H,AMOV
90H,AMOV
97H,AMOV
电机状态码到内存MOV装R0,#81H;
X
@R0,#FEHMOV
R0INC
@R0,#FCHMOV
@R0,#FDHMOV
@R0,#F9HMOV
@R0,#FBHMOV
@R0,#FAHMOV
R1,#01H装Y电机状态码到内存MOV
@R1,#F7HMOV
R1INC
@R1,#E7HMOV
@R1,#EFHMOV
@R1,#CFHMOV
@R1,#DFHMOV
@R1,#D7HMOV
Xe98H,#0C8HLOR4:
MOV
YeMOV99H,#0C8H
XMOV9AH,#00H
YMOV9BH,#00H
FMOV9EH,#00H
电机初始状态A0H,#0AH;
口A;
LOP3:
MOVA,2EH偏差送到
转跳到JNZA,LOP1LOP1Y;
F<
0
A,A0HMOV
转;
P1.0=0,XP1.0CLR
不转SETBP1.3;
P1.3=1,Y
送控制字A0H,AMOV;
方向走一步;
XMOTRLCALL
A偏差送到A,9EHMOV;
F-YeSUBBA,99H
X+19AHINC
进行偏差判断LOP2LOP2AJMP;
跳转到
A,A0HLOP1:
转P1.3CLR;
P1.3=0,Y
不转;
P1.0=1,XSETBP1.0
送控制字MOVA0H,A;
LCALLMOTR;
Y方向走一步
MOVA,9EH;
偏差送到A
F+XeA,98HADD
Y+1INC9BH
将A的偏差送到9EH,ALOP2:
MOV9EH单元
A,98HMOV
Xe=X?
不等则转移A,9AH,LOP3CJNE
A,99HMOV
Ye=Y?
A,9BH,LOP1不等则转移CJNE
STAJMP
MOTR:
MOVA,70H子程序,查看控制字;
MOTR
P1.0=!
1,X)Y(Y转不转JNB,P1.0,Y则执行
P1.1=!
1,XXFP1.1,XFX:
JNB则执行不转,
XR5XZ:
INCR5+1正转地址指针
A指向的代码到MOVR5;
从代码表中取A,R5
R0,AMOV
A,@R0MOV
LP1,;
判断是否到表底不是则执行A,#00H,LP1CJNE
到表底则重新指向表首R5,#81HMOV;
A;
A,R5从代码表中取MOVR5指向的代码到
LP1:
MOVR7,#28H;
代码输出两行
@R7,AMOVX
R2,#10HMOV
延时两行LCALLYANS
RET
X正转地址指针XF:
DECR5R5-1
从代码表中取R5A,R5MOV指向的代码到A
CJNEA,#00H,LP2判断是否到表头,不是则执行LP2
到表头则重新指向表底R5,#86HMOV
从代码表中取R5指向的代码到AA,R5MOV
R7,#28HLP2:
MOV代码输出两行
YANS延时两行LCALL
不转,则执行P1.3,YFY:
JNBX(X转);
P1.3=!
1,Y
YZ:
INCR6;
Y正转地址指针R6+1
从代码表中取R5指向的代码到MOVA,R6A
判断是否到表底,不是则执行LP3CJNEA,#00H,LP3
R6,#91H到表底则重新指向表首MOV
从代码表中取R5MOVA,R6指向的代码到A
LP3:
MOVR7,#28H代码输出两行
LCALLYANS延时
;
YR6YF:
DEC正转地址指针R6-1
从代码表中取R6指向的代码到A,R6MOVA
判断是否到表头A,#00H,LP4CJNE,不是则执行LP4;
到表头则重新指向表底R6,#96HMOV
指向的代码到R5从代码表中取A,R6MOVA