X502型立式铣床数控化改造硬件电路图C语言源程序.docx
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X502型立式铣床数控化改造硬件电路图C语言源程序.docx
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X502型立式铣床数控化改造硬件电路图C语言源程序
课程设计说明书
题目X502型立铣数控化改造设计
机械工程学院
专业机械电子工程班级0901学号
学生姓名
指导老师
完成日期2012年12月22日
题目:
X502立铣数控化改造设计
姓名:
学院:
专业:
班级:
学号:
指导老师:
教研室主任:
一、基本任务及要求:
1.设计任务:
(1)硬件X502立铣控制电路设计
PLC或单片机控制;启动、停止、正转、反转、复位按键;状态指示灯;伺服放大、X轴、Z轴步进电机,能完成机床启动、停止、回零、描述直线、圆弧等控制要求。
(2)软件设计部分数控系统控制程序:
直线、圆弧插补程序;启动、停止、复位开关控制
程序;演示程序(20ms);变频无极调速程序。
(3)机械机构设计设计并绘制改造部分装配图。
设计参数:
脉冲当量:
0.01mm/step;
运动范围:
X、Y:
0-100mm;v:
0-1m/s;α:
0-0.1m/s2;定位、重复定位精度:
10μm。
2要求
(1)绘制硬件接线框图;系统控制流程框图;改造部分机械结构图,并保留手动操作功能。
(2)撰写设计说明书(5千字),并附程序清单及其功能注释。
(3)控制程序必须调试通过;机械改造部分须做必要的设计计算。
二、进度安排及完成时间:
1.设计时间三周(从2012年12月3日至2012年12月21日);
2.进度安排:
第1周:
布置设计任务;补充相关知识;查阅资料;撰写绪论,确定系统组成方案。
第2周:
机械结构设计。
绘制工作台改造部分的装配图、主要零件图。
硬件电路设计。
选择电气元件,绘制系统组成框图、外部接线图
第3周:
软件设计编写主程序、功能子程序;调试主要功能子程序;并记录存在的问题和解决的方
法整理设计资料;按格式撰写设计说明书;上交设计作业(打印稿及电子文档),并参加答辩。
注:
程序设计2-4人;硬件电路设计2-3人;机械结构设计2人
附录b硬件电路图
第1章绪论
1.1引言
数字控制(numericalcontrol——NC)简称数控,是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。
数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品,综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就,是一种高效自动化机床。
数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序,还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。
由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向,所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备,且成为计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。
该课题来源于生产实践的需要,利用大量闲置旧机床,对其进行数控化改造后,成为一种高效的、多功能的经济型数控机床,是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法,是低成本自动化的必由之路。
数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术,对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品:
数控机床;其技术范围涉及很多领域:
机械制造技术;信息处理技术;自动控制技术;伺服驱动技术;传感器技术;软件技术等。
数控未来发展的趋势:
1、往高精,高速,高柔性化及高复合化加工方向。
2、集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。
3、高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化。
4、内装高智能PLC,多媒体技术的应用。
5、应用自适应控制技术,引入专家系统指导加工,引入故障诊断专家系统。
1.2X502型立铣数控化改造设计的背景和意义
数控铣床是当今制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。
本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上,通过对国内外数控系统的比较,遵从性价比高、综合成本低的原则,最后确定采用SIEMENS802S数控系统。
针对SIEMENS802S系统的特点和旧机床的要求,进行了电气系统的数控化改造设计、数控系统、电气伺服驱动系统的设计。
电气部分分别对强电和弱电进行了改造,应用变频器对主轴电机进行控制,实现宽的调速范围,进给部分增加步进驱动器及步进驱动电机,实现数控化控制。
通过对机床数控伺服驱动系统的接口匹配与连接,各项参数的设定和单片机程序编写,实现机床电气控制。
并且,对所编写的单片机程序进行了仿真。
最后阐述了改造后机床的精度和性能以及今后尚需完善之处。
数控机床是一种典型的机电一体化产品,它集精密,柔性,和集成与一身,它可以较好的解决形状复杂,精密,小批多变的零件加工问题,能够稳定加工质量和提高生产效率,是一种高度自动化机床。
其造价较低,改造周期短,可靠性高,改造技术也日趋成熟,加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高,产品的更新和完善的进度不断的加快,产量不断的提高,故有广阔的前景,其必要性还体现在:
1.由于数控改造费用低,可充分利用原有的设备和闲置设备,把它们改造成数使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用,提高了机床的使用价值。
2.易于对现有机床实现自动化,而且针对性强,即可针对新加工的零件类型及机床来进行改造,改造后机床没有多余的功能。
3.改造后的机床加工精度得到提高,工人的劳动强度得到降低。
4.减少了辅助加工时间,可提高机床的生产效率。
5.数控改造可在企业技术人员参加下开发,所以他们可熟悉,掌握改造后的机床性能,操作等,为以后的生产,维护,修理打下基础。
机床改造后,显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性,加工精度和生产率有较大提高,是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。
第2章改造方案
2.1机械结构改造方案
一台新的数控机床,在设计上要达到有高的静态、动态刚度;运动副之间的摩擦因数小,传动无间隙;功率大;便于操作和维修。
机床数控的改造时应尽量达到上述要求,不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求,还应对主要部件进行相应的改造,使其达到一定的设计要求,才能获得预期的改造目的。
图2.1X502型立式铣床外形及传动系统
2.1.1主传动的数控改造
许多机床在数控化改造时,主传动部分不作太大的变动,这是因为机床改造的功能通常要求不高,尽管原机床的普通交流异步电动机开环驱动方式在电网电压或切削力矩变化时,电动机转速会随之波动,影响零件加工表面的粗糙度。
且由于变速仍采用复杂的变速箱换挡,体积庞大,高速运行时振动和噪音都较大,对零件加工精度会产生不良影响。
但是主轴改为闭环驱动方式的成本太高,因此,除有特俗要求,通常主轴传动链保留不变,主轴箱内的变速机构也不改动,原电气系统不变。
2.1.2进给传动的数控改造
(1)导轨副
普通机床的导轨多采用铸铁-铸铁或铸铁-淬火钢滑动导轨,其静摩擦因数大,动静摩擦因数相差较大,低速时易出现爬行,影响运动的平稳性和定位的精度,力矩损失大。
在进行数控改造时采用的是在原导轨上粘接聚四佛乙烯软带的方法。
这种方法实现比较简便,费用低,动静摩擦因数相差小,耐磨性和抗咬力强,具有良好的自润滑性和抗震性,进给运动无爬行,运动平稳。
(2)进给箱
普通机床的进给箱为齿轮箱。
齿轮箱传动链长,机构复杂,反响间隙累计增大,大大降低了传动精度。
进给箱部分的改造就是要取消原齿轮箱,换为具有消隙装置的一级减速机构传动副,以减少传动间隙,提高精度。
在机床改造中,步进电动机与丝杠传动副之间有减速机构,通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩。
通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。
齿轮减速机构结构简单,传动功率大,寿命长,成本低,所以在传动功率要求较大的场合较多采用。
同步齿形带传动是一种新型的带传动,其利用同步带的齿形与带轮的轮齿传递运动,无相对滑移,无噪声,无需润滑,传动精度和效率高。
(3)移动元件
普通机床通常采用滑动丝杠实现旋转运动到直线运动的转换,其精度相对较低,摩擦因数大,传动效率低,因此在要求较高的场合应将其更改为滚珠丝杠。
滚珠丝杠的传动效率高,无爬行,预紧后可消除间隙,精度高,在改造中得到广泛使用。
2.1.3机械结构方案确定
根据改造目的,如图2.1,需将纵向和横向进给运动改为微机控制。
纵向进给系统需作以下改造:
将离合器脱开,把手轮改为可拆卸式的,将手轮轴通过一对减速齿轮与步进电动机相连,由步进电动机驱动纵向工作台移动;工作台横向改为既能手动进给,又能由步进电动机通过齿轮传动副将运动传给传动轴来实现。
2.2控制部分的改造方案
在控制部分,本方案采用单片机作为主控制芯片,电气部分分别对强电和弱电进行了改造,应用电磁继电器对主轴电机进行控制,实现电机启动、停止、正转、反转、复位,进给部分增加步进驱动器及步进驱动电机,实现数控化控制。
通过对机床数控伺服驱动系统的接口匹配与连接,各项参数的设定和单片机程序编写,实现机床电气控制,并且,对所编写的单片机程序进行了仿真。
图2.2控制部分整体设计图
第3章机械改造部分的设计计算
3.1工作载荷的计算
工作载荷分析及计算根据指导书的分析,对于数控铣床来说,可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。
一般来说,对于经济型数控铣床,可采用按主电机功率计算切削力法。
通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。
设刀齿受到的切削抗力的合力为F,将F分解为三个互相垂直的分立,则分别为背向力FP,垂直切削力Fcn和主切铣削力Fc。
主切铣削力Fc是沿铣刀主运动方向的分力,即沿铣刀外圆切线方向上的分立,因此,主切铣削力Fc可按铣削功Pm(kw)或主电机功率Pe(kw)算出。
对于现有的机床的改装设计,可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。
若该机床的主传动和进给传动均用一个电机,进给传动的功率较小,可在主传动功率上乘以一个系数。
由<<机床设计手册>>查得铣床传动系数k=0.85。
主传动功率P包括切削功率Pc、空载功率Pmo、附加功率Pmc三部分,
即:
P=Pc+Pmo+Pmc。
空载功率Pmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率,对于一般轻载高速的中、小型机床,可达总功率的50%,现取Pmo=0.5N,附加功率Pmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率,它直接与载荷大小有关。
可以用下式
计算,Pmc=(1–η)Pc,所以总功率为:
P=Pc+0.5P+(1–η)Pc(KW)则:
Pc=0.5P/(2-η)(KW)
在进给传动中切削功率:
Pct=kPc=k0.5P/(2-η)(KW)上式中,k----铣床的传动系数,查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P17公式3—8。
得k=0.85,η为传动效率,可由下式计算η=主轴上的传动功率/主电机的功率
由题设给定的已知条件可知,主轴上的传动功率P=1.45KW,
主电机的功率:
P电机=2.2KW
则η=1.45/2.2=0.6591
所以:
Pct=0.85x0.5x2.2/(2-0.6591)=0.698(KW)
切削时在主轴上的扭矩为:
Mn=955000Pct/n=955000x0.698/47.5=14033(N·cm)
上式中n----主轴的最小转速,由题设条件知n=47.5(r/min)
切向切削力Fz=Mn/d=14033/3.2=4385.3(N)
上式中d----铣刀的最大直径(cm),由题设条件知d
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- X502 立式 铣床 数控 改造 硬件 电路图 语言 源程序