CA6140普通车床数控改装设计

I摘 要数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有：1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案；2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法；4.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图；5.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量；6.绘出相应的零件图和装备图；7给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。！所有下载了本文的注意：本论文附有 CAD 图纸和完整版 word 版说明书，凡下载了本文的读者请加 153893706，最后，希望此文能够帮到你！关键词：普通车床、数控、改造IIAbstractAs a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward.Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform目 录摘 要 .IIAbstract.III目 录 .IV第 1 章 绪 论.71.1 课题研究的意义 .71.2 数控机床的发展趋势和研究方向 .71.2.1 高速度、高精度化 .81.2.2 多功能化 .91.2.3 智能化 .101.2.4 数控系统小型化 .111.2.5 数控编程自动化 .111.2.6 更高的可靠性 .111.3 本课题研究的参数要求 .12第 2 章 总体设计方案.132.1 数控车床的总体任务 .132.2 运动系统方案确定 .132.2.1 伺服系统的选择 .132.2.2 传动方式的选择 .132.3 数控系统电路原理图设计 .142.4 数控系统硬件结构 .142.5 数控系统软件结构 .15第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计.163.1 确定脉冲当量 .163.2 切削力的计算 .163.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .173.3.1 精度的选择 .173.3.2 丝杠导程的确定 .17IV3.3.3 最大工作载荷的计算 .183.3.4 最大动载荷的计算 .183.3.5 滚珠丝杠螺母副的选型 .193.3.6 滚珠丝杠副的支承方式 .193.4.3 传动效率的计算 .193.3.8 刚度的验算 .203.3.9 稳定性校核 .213.3.10 临界转速的验证 .213.4 齿轮传动的计算 .223.5 步进电动机的选择 .223.6 导轨的特点 .254.3 导轨的设计 .26第 4 章 横向进给伺服进给结构设计.294.1 切削力的计算 .294.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .294.2.1 最大工作载荷的计算 .294.2.2 最大动载荷的计算 .294.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型 .304.2.4 滚珠丝杠副的支承方式 .304.2.5 传动效率的计算 .304.2.6 刚度的验算 .304.2.7 稳定性校核 .314.2.8 临界转速的验证 .314.3 进给伺服系统传动计算 .324.3.1 确定传动比 .324.3.2 齿轮参数的计算 .324.4.步进电机的计算和选用 .324.4.1 转动惯量的计算 .324.4.2 电机力矩的计算 .344.5 步进电机的选择 .36第 5 章 单片机控制应用系统电路设计.375.1 硬件电路设计 .375.1.1 数控系统的硬件结构 .375.1.2 数控系统硬件电路的功能 .375.2 关于各线路元件之间线路连接 .385.3.关于电路原理图的一些说明 .39参考文献.43致 谢.446第 1 章 绪 论1.1 课题研究的意义机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台数控机床在美国研制成功的半个多世纪以来，数控技术正在发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面。车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用单片机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。数控车床针对性高，专业性强，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。另外其改造成本同购置新机床相比，节省的费用十分可观，国产数控机床价格也要 48 万元，进口机床有的近 20 万元，而对普通车床进行数控化改造也能满足实际生产要求，其改造费用仅23 万元，非常符合我国国情。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着 FMS 的迅速发展和CMS 的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到 lum,0.lum, 0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措施和进行研究。（1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由 8 位 CPU 过渡到 16 位和 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 发展，频率已由原来的5MHz 提高到 16MHz, 20MHz 和 32MHzo 同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标， 特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为 F 时，其伺服系统的最终滞后位 F/G，这使得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。(5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔8性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴高速运转的要求。(9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称 PLC)。以提高 PLC 的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的 PLC 具有专用的 CPU，基本指令执行时间达 0. 2us/步，可编程步数可扩大到 16000 步以上。利用 PLC 的高速处理功能，将 CNC 与 PLC 之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2 多功能化(1) 数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减少设备台数和占地面积。为了进一步提高工效，现代数控机床采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多 CPU 结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和 CRT 进行零件加工的编制，并利用 CRT 进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3) 具有更高的通信功能。为了适应 FMC,F MS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求，一般的数控系统都具有 RS-232C 和 RS-422 高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的 DNC 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现 代 数 控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了 MAP 工业控制网络，现在已经实现了 MAP3.0 版本，为现代数控机床进入 FMS 和 C 工 MS 创造了条件。1.2.3 智能化(1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有 30 余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用 CNC 系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了 CRT 进行故障报警、提示发生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。10(4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。1.2.4 数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主