铣床Y向进给机构设计.doc
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1、铣床Y向进给机构设计摘 要本文提供了一铣床的经济型数控化 设计方案, 设计的主要模块有:机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的 设计。 设计后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统,控制系统使系统能够控制进给轴的转速,并实现其正反转控制工作台,实现其纵、横向进给运动,控制冷却和润滑,以MCS-51型单片机为控制处理芯片,通过键盘输入加工程序控制Y进给向机构是升降台式的。使得 设计后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外,还能加工形状复杂(如加工圆弧面、斜面及凸轮等)的零件。 设计后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。关键词: 铣床,
2、Y向进给,单片机全套图纸加V信153893706或扣 3346389411 THE TRANSFORMATION OF MILLING MACHINESABSTRACTIn this paper ,in base of our countrys eco- mimic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitedly complicities market .So, the m
3、emorization rebuilding of is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronized motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a mill,and the microcomputer is MCS-51.the memorizatio
4、n rebuilding of milling machine not only is used for machining keyway, plane and hole etc,but also, it can ma- unfitting complicated ship and the accuracy is high。The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing industry.KEY WORDS: mill,memorization,rebuilding singl
5、e,chip computer目 录前 言1第1章 整体设计方案31.1设计方案:31.1.1 实现的目标31.1.2 机床 设计的方案31.2 机构和电气控制的 设计:41.2.1 Y向进给机构的设计要求41.2.2 进给机构的设计51.2.3 电气控制部分的设计51.3设计后的布局6第2章 机构部分与控制部分的设计72.1 横向(Y轴)的设计212.2 控制部分设计222.2.1 主控制器(CPU)232.2.2 存储器扩展电路242.2.3 扩展I/O接口242.2.4 步进电机驱动电路252.2.5 行程控制262.2.6 键盘与显示272.2.7 复位电路272.2.8 紧急停车27
6、结 论28谢 辞30参 考 文 献31外文资料翻译3225第1章 整体设计方案1.1设计方案:1.1.1 实现的目标在论文中主要讨论在对铣床Y向进给机构设计,通过控制系统使系统能够控制进给轴的转速,并实现其正反转控制工作台,实现其纵、横向进给运动,控制冷却和润滑。通过键盘输入加工程序控制 铣床数控化 设计后是升降台式的。 立式铣床是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床,它没有准确可靠的定位装置,铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证,故其加工精度低于数控机床。由于普通铣床的柔性差,不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化 设计后系统采用步进电机为驱动执行
7、元件的开环系统,并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台,即采用以MCS-51单片机为控制系统,实现两坐标联动 设计,使得 设计后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外,还能加工形状复杂(如加工圆弧面、斜面及凸轮等)的零件,且加工精度高、效率高,满足市场的需求,且价格较廉,增加了市场的竞争力。1.1.2 机床设计的方案方案:床身的上部内装进给轴传动系统为进给轴变速系统,这部分采用原机床的进给轴传动系统即保留原机床的电动机等等,还有添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座,数控系统显示器及按键位于操作者的右边,便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统,床身
8、左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED,用以显示输入的程序,机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时,显示器可作为数字读出装置使用。数控系统采用为两坐标开环控制,由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用系列单片机组成微机控制系统,它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作,适应能力较好,且功能强,速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能,自诊断功能,可进行自动加、减速,并具有备用电池,停电时可做存储已编程序的电极。采用微机对数据进行计算处理,由I/O接口输出脉冲信号,经光电隔离电路,功率放大再传给步进电机,步进电动机驱动滚珠丝杠转动,从
9、而实现X、Y 两个方向的进给运动,加工零件。总体设计如图1.1所示: 信号分配及放大电路工作台(X轴)信号分配及放大电路步进电动机工作台(Y轴)控制部分步进电动机图1-1 无反馈控制电路1.2 机构和电气控制设计:1.2.1 Y向进给机构的设计要求进给伺服系统 设计后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了 设计设计要求:(1)提高传动部件的刚度,减小传动部件的惯量;(2)减小传动部件的间隙,并减小系统的摩擦阻力;(3)高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。(4)稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下,能在短暂的调节后,达到新的或者恢复到原来
10、的平衡状态。(5)快速响应,无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标,反映了系统的跟踪精度。(6)低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此,要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。(7)调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中,由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件,就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。1.2.2 进给机构的设计考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈电路,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本铣床的X,Y两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠
11、丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆,增加少量的机械附件,就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。机构的主要特点:(1)结构简单,操作方便,自动化程度高;(2)广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品;(3)具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件;(4)对机械结构、零部件的要求高。主传动系统不变,还是采用原有的电动机(7.5KW)。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副,以提高机床运行精度和传动效率。考虑到 设计的目标及成本的原因,决定 铣床的主轴支承仍采用滚动轴承支承,导轨仍使用动压导轨。1.2.3 电气控制部分的 设计1. 由于是将 铣床 设计成为经济型的开环控制的数控铣床,机床
12、加工的零件多属中小型,且加工精度要求不是很高,原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2. 控制系统设计的总体考虑:(1)确定功能指标;(2)明确硬件分工(3)重视接口设计;(4)认真选择微机。本系统采用MCS-51系列单片机芯片为控制器,片的作为程序存储器扩展芯片;数据存储器扩展芯片用片的;而选用片可编程并行接口芯片作为系统扩展的口,对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使X、Y 工作台联动,并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用;片作为键盘显示器接口,识别键盘按键信号,
13、对显示器自动扫描,完成键盘输入和显示控制功能;采用做为统一地址译码器寻址,并用为地址锁存器,并由对各步进电机脉冲信号进行环形分配,如图1.2所示。 图1-2 数控系统硬件结构框图为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率很小,故用功率放大器对输出的脉冲信号放大,以驱动步进电机工作。1.3 设计后的布局 设计后的Y向装配图、数控电气原理图见附录CAD图。第2章 机构与电气控制部分的设计2.1 横向(Y轴)的设计机床的主要技术规格:如下表所示表2-1 基本技术规格主轴端面到工作台的距离 400mm 30mm主轴轴线到床身垂直导轨面的距离350mm面积:
14、宽长3201250mm最大X向行程手动(机动) 750mm最大Y向行程手动(机动)300mm最大升降行程手动(机动)370mm进给级数 18级进级量范围 纵向:23.5 1200mm/min横向:15 786mm/min垂直:8 394mm/min 孔径 29mm主轴孔锥度7:24刀杆公称直径32 50 mm转速级数 18级转速范围30 1500r/min轴向调整距离70 mm主轴电动机功率7.5KW工作台进给电动机功率1.5KW最大工件质量 150 Kg机床进给部件重量Y向4000N X向 2200NY轴方向步进电动机的选择:Y轴铣削圆周力: =1500N则有Y向丝杠牵引力:= +1.414
15、f=1500+1.41444100.01=1562N则有电机轴负载力矩: T = 其中:-导轨摩擦系数,取0.1-步进电机步矩角为0.75-Y向丝杠牵引力 f-当量摩擦系数取0.01若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩为: 可取安全系数极限值0.3,则有:=对于工作方式为无相十拍的五相步进电机最大启动力矩: 电机最大工作频率:综合以上可选取步进电机型号为:110BF004反应式步进电动机。步进电机110BF004的外型尺寸为:,轴径为。 Y轴的丝杠选择与X轴一样为FFZD5008,内循环浮动返向器Y轴的齿轮副设计也与X轴相同,这里不再累赘。2.3 控制部分设计本系统以单片机为控制核心,
16、扩展部件为外围器件,是比较经济的数控系统。既满足了机床的数控加工能力,又经济可靠。该系统是由数控单元和步进伺服单元组成。数控部分采用MCS-51系列的8031单片机,它和扩展系统以及电机驱动电源一起组成连续控制的数控系统。控制核心按照所输入的加工程序数据,经计算处理,发出所需要的脉冲信号,经驱动电路放大功率后,驱动补进电机,由步进电机带动滚珠丝杠副,从而使纵、横向工作台按零件加工所需的进给速度及方向移动,实现机床的开环自动控制。系统的定位精度由软件中适当的降频处理来保证,重复定位采用固定间隙来改善。最终使系统灵活性大 ,通用性强,数控功能丰富,可靠性高,且易于实现机电一体化,使用维护方便。控制
17、系统的主要功能 (1)手动暂停,手动快速返回坐标原点。(2)六个方向点动传给,手动快速进给。(3)间隙补偿功能,刀具补偿功能。(4)用户指令掉电保护功能。(5)具有程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。(6)用户指令编辑、修改、删除、清零功能。(7)错误操作诊断、错误操作显示功能。(8)可自行进行直线、斜线、圆弧的加工系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器CPU、存储器、键盘显示器、I/O接口和驱动电路等。部分可参照单片机原理书中所述。如图2-1所示 图2-1 数控系统硬件框图2.3.1 主控制器(CPU)CPU选用功能强、价格便宜的8031单片机。有4个8位的并行接口,一个串行接口,803
18、1的口作为分时服用的低8位地址/数据总线接口,口作为显示器的字型输出口,口作为高8位地址总线接口,口作为中断、定时、计数、读写控制等特殊功能口。CPU的时钟采用内部方式,晶振频率为6MHz。此芯片具有高集成度,应用广泛,有2 个16位的定时、计数器和一个处理功能很强的中央处理器。该芯片不易受干扰,容易实现屏蔽,可靠性高,能在较恶劣的环境下工作,功能强,速度高。指令执行时间短,且具备刀具长度偏移和半径补偿功能、自诊断功能,可以进行加、减速操作。2.3.2 存储器扩展电路1. 存储器芯片的选择。8031片内只有128KB的RAM,所以必须对其进行外部程序存储和数据存储器进行扩展。选择存储器应考虑的
19、主要因素是速度和容量。凡是工作时间小于8031的工作时间均可满足要求。这里选用1片容量为8K8的2764EPROM芯片作为程序存储器扩展芯片,用1片容量为8K8的6264静态RAM芯片作为数据存储器扩展芯片,并带有3.6V的备用电池,使存放的加工数据能长时间的保存。2. 存储器地址分配及接线。8031芯片所支持的存储系统,其程序存储器与数据存储器独立编址,因此,EPROM和RAM的地址分配比较自由,不必考虑是否冲突。由于复位后8031从0000H单元开始执行程序故8K EPROM的地址空间从0000H-1FFFH,8K RAM的地址空间也设为0000H-1FFFH。8031的地址锁存允许信号A
20、LE与地址锁存器74LS373的输入端G相连,从而将口输出的地址信息锁存在373中,2764需要13根地址线,低8 位与口相连,高5位分别与相连。8位数据线直接与口连,将2764的片选端接地,由于8031只能选通外部程序存储器,因而将8031的接地。RAM6264的数据线和地址线的连接方法与2764相同,其读写控制端与8031的对应端相连。由于6264的地址分配为0000H-1FFFH,故其片选端应与74LS138译码器相连。2.3.3 扩展I/O接口为了满足铣床数控系统的需要,选用可编程并行接口芯片8155作为I/O接口,各个端口的功能定义和地址分配如下表所示。8155的片选端与74LS13
21、8译码器的相连,地址空间为2000H-2FFFH,地址锁存控制端及读写控制分别与8031的控制线对应相接,8155的对应接至8031的口线。如表2-2所示 表2-2 138155I/O口功能定义和地址分配端口工作方式功能地址PA输出提供步进电机的控制信号及知识信号2001HPB输入键盘和行程控制2002HPC输出显示和键盘管理2003H用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口;用片作为键盘显示器接口,识别键盘按键信号,对显示器自动扫描,完成键盘输入和显示控制两种功能,为了增加数码管的亮度,可分别在字型口和字位口处增加7407 驱动器。2.3.4 步进电机驱动电路用步进电机作为执行元
22、件的数控系统,可采用较为简单的开环控制,因而成为经济型数控机床最为主要的一种驱动元件,步进电机的驱动电路一般由4部分组成:计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。本设计采用8155的口作为控制步进电机的接口,由该口的提供步进电机所需的控制信号。脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列,其实现方法有硬件和软件2种。为降低硬件的成本及故障源,本设计采用软件方法进行实现。步进电机驱动电路中,脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组,为防止强电干扰,在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。步进电机所需电流较大,必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进电机正常运转。步进电
23、机的驱动电路由三部分构成:环形分配器;光电耦合器;功率放大器。1. 环形分配器 环行分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令,转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号,电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。硬件环型分配器是有触发器和门电路构成的硬件逻辑电路(如型号YB015)。2. 光电耦合器 选用 GO102 型光电耦合器,其电路图如图2-2所示:图2-2 光电耦合电路图3. 功率放大器 因为输出的脉冲功率很小,电流只有几毫安,故需要进行功率放大,使脉冲电流达到110 A,才足以驱动步进电机正常工作。其电路图如图2-3所示: 图2-3 单电压供电功放电
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