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简易数控车床设计


  目录 1.前言 .........................................................................................................................................2 2.发展趋势 .................................................................................................................................2 2.1 高速、高精密化 ..............................................................................................................2 2.2 高可靠性 ..........................................................................................................................3 2.3 数控车床设计 CAD 化,结构设计模块化 .....................................................................3 3.设计任务 .................................................................................................................................3 4.总体方案 .................................................................................................................................4 4.1 床身设计 .........................................................................................................................4 4.2 系统运动方式与伺服系统 .............................................................................................4 4.3 计算机系统 ......................................................................................................................4 4.4 机械传动方式 ..................................................................................................................4 4.5 步进电机的选择 ..............................................................................................................4 4.6 齿轮传动比计算 ..............................................................................................................4 4.7 滚珠丝杆螺母副型号 .....................................................................................................4 5.优势分析 .................................................................................................................................5 6.总结 .........................................................................................................................................5 参考文献 ....................................................................................................................................5 1 简易数控车床设计 袁天印 指导老师:丁珠玉 西南大学工程技术学院 2013 级机械设计制造及其自动化 2 班 摘要:设计了一种简易数控车床,具有定位,直线插补,顺、逆圆插补,暂停循环加工等功 能。 以 8031 芯片为核心, 增加存储器扩展电路、 接口和面板操作开关, 以及光电隔离电路、 步进电机功率放大电路等组成控制系统, 再采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。 最后在实 际编程加工中验证该方法的可行性,同时也充分证明了该设计的实用性。 关键词:数控车床;8031 芯片;控制系统 1.前言 进入 21 世纪以来,随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计 民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。 目前数控技术的应用急需大量的技术人才, 数控技术应用人才是一种即应具备相 应的理论知识, 更应具备熟练的编程和操作及维修技能。为适应社会及企业对技 能人才的需求, 许多相关中等技术院校纷纷开设了数控加工专业,积极培养高技 能人才, 满足社会和企业的用人需求。 然而实际教学实践中, 机床设备配置昂贵, 一些中小型院校由于资金问题无法大量配备,出现人多车少的局面,学生人均操 作时间相对较少,学生的操作技能提高较慢。而且实习费用大,数控机床属高精 度设备,加工和维修成本都较高,学生的实习操作费用必然大。也就产生了较高 的实习成本。前期数控机床购买费用高,再加上后期的使用成本大,势必会加重 学校财政负担。因此,本文设计出一种性能良好,价格低廉的简易车床。 2.发展趋势 总体而言,数控车床呈现以下三个发展趋势。 2.1 高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展,机电产 品更新换代速度加快, 对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足 2 这个复杂多变市场的需求, 当前机床正向高速切削、 干切削和准干切削方向发展, 加工精度也在不断地提高。另一方面,电主轴和直线电机的成功应用,陶瓷滚珠 轴承、 高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保 持器的直线导轨副等机床功能部件的面市,也为机床向高速、精密发展创造了条 件。 数控车床采用电主轴,取消了皮带、带轮和齿轮等环节,大大减少了主传动 的转动惯量, 提高了主轴动态响应速度和工作精度,彻底解决了主轴高速运转时 皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到 10000r/min 以上。 直线电机驱动速度高,加减速特性好,有优越的响应特性和跟随精度。用直 线电机作伺服驱动,省去了滚珠丝杠这一中间传动环节,消除了传动间隙(包括 反向间隙),运动惯量小,系统刚性好,在高速下能精密定位,从而极大地提高 了伺服精度。 直线滚动导轨副,由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦,磨损小, 发热可忽略不计, 有非常好的热稳定性, 提高了全程的定位精度和重复定位精度。 通过直线电机和直线滚动导轨副的应用,可使机床的快速移动速度由 10 ~ 20m/mim 提高到 60~80m/min,最高高达 120m/min。 2.2 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。 数控机床能否发 挥其高性能、 高精度和高效率, 并获得良好的效益, 关键取决于其可靠性的高低。 2.3 数控车床设计 CAD 化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及及软件技术的发展,CAD 技术得到了广泛发展。CAD 不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作, 更重要的是可以进行设计方案选择和大 件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计,可以对整机各工作部件进 行动态模拟仿真。 在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型 和逼真的色彩。采用 CAD,还可以大大提高工作效率,提高设计的一次成功率, 从而缩短试制周期,降低设计成本,提高市场竞争能力。 3.设计任务 设计一台简易数控 X—Z 车床,要求该车床在纵向和横向具有直线 补功能。系统分辨率纵向:0.01mm,横向 0.01mm。 4.总体方案 4.1 床身设计 床身长约 1200mm,宽约 700mm,总高约 100mm (具体尺寸也可以根据实际 情况做适当调整) 。床身骨架、面板、鞍床与托板的制作均采用不锈钢材料,贴 塑导轨。操作键盘,各种开关,按钮和显示部分装在面板上左侧。 4.2 系统运动方式与伺服系统 数控车床应具有定位,直线插补,顺、逆圆插补,暂停循环加工等功能。选 择连续控制系统。 伺服进给系统的设计, 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭 环和闭环之分。 4.3 计算机系统 在我国, Z80CPU 和 MCS-51 系列单片机的配套芯片便宜, 普及性、 通用性强, 制造和维修方便, 既然能满足经济型数控机床的改造需要,是普通机床数控改造 方面应用较普遍的控制系统。本设计中也采用 MCS-51 系列单片机。51 系列相对 48 系列指令更丰富,相对 96 系列价格更便宜,本设计以 8031 芯片为核心,增 加存储器扩展电路、接口和面板操作开关,以及光电隔离电路、步进电机功率放 大电路等组成控制系统。 4.4 机械传动方式 需要机床实现所需的分变率。 因此设计采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠, 为保证一定的传动精度和平稳性,尽量减小摩擦力,选用滚珠丝杠螺母副。 4.5 步进电机的选择 因为工作时近似于空载状态,选择步进电机时,不再进行转动惯量和电机力 矩的计算。Z—X 方向 都使用型号 45BF00 步进电机,步距角 1.5°,27V,分配 方式三相六拍,最高启动频率 3000Hz。 4.6 齿轮传动比计算 纵向和横向进给齿轮箱传动 i=360Lp/Lb,Lo=360×0.01/1.5×4=0.6。可 选定齿轮齿数:i=Z1/Z2=15/25,Z1=15,Z2=25,Lp 为纵向进给脉冲当量;Lb 为步 进电机步距角;Lo 为滚珠丝杠导程。 4.7 滚珠丝杠螺母副型号 4 可选 W2004 或 WD2004, 名义直径 20mm, 滚珠丝杠导程 4 mm。 丝杠外径 19.6mm, 额定动载 6100N。另外,还有主轴电机和主轴组件在数控车床模型上没有设计, 这可以根据实际情况进行添加。 5.优势分析 5.1 配置造价 机床造价低,成本小,可以较多配备,使学生上机操作时间增加。待到技能 提高后再转真机操作。学生操作技能可以得到较快提高。 5.2 实习成本 模型结构简单,维修方便,实习操作成本低。加上拆卸及安装简单,也有利 于学生观察和了解其结构以及工作原理。 5.3 画板分析 将刀架改装成向下可伸缩的自动铅笔,鞍床下面放置画板。可以把学生编制 的加工程序(定位、直线插补、顺、逆圆插补等)绘制在画板上能直观的分析、 判断加工程序编排的是否正确合理。教学过程中,还可以让学生编制较为复杂的 图案,利用简易数控车床绘制在画板上。既可以开展加工程序编程比赛,又可以 提高教学的趣味性,进而提高学生的学习积极性和主动性。 5.4 硬件要求 机床的重量轻,体积小,对场地要求不高,使用机动灵活。 6.总结 采用带编码器的伺服电机做进给装置的动力元件,不仅具有使用寿命长,输 出扭矩和带宽范围大, 而且可以很方便地构成闭环伺服控制系统。 采用伺服控制 卡做数控设备进给装置的控制元件,具有可靠性高,软件编程工作量小等优点。 采用滚珠丝杠作为机械进给装置的机元件,具有传动效率高、运动平稳、工作寿 命长等优点。 参考文献 [1] 周新卫.简易数控车床主轴箱传动系统的结构设计.内蒙古煤炭经济,2012 年 [2] 黄庆专.数控车削自动送料装置设计与控制.制造技术与机床,2014 年 [3]陈俊华,一种简易数控非圆截面的车削.组合机床与自动加工技术,2004 年 [4]汪英.简易数控车床的微机控制软件.计算机与自动化,2013 年 5

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