普通车床数控化改造设计

1毕业设计说明书课题名称：普通车床数控化改造设计学生姓名：陈燊学号：01320131Y19 院系：机械系专业：数控技术班级：13gz 数控 1 班指导老师：马丽起讫时间：2016 年 4 月 1 日 至 2016 年 5 月 10 日2CA6132 型普通车床数控化改造陈燊摘 要 目前鉴于机械制造行业对于加工精度与加工效率的要求不断提升，普通车床已难以承担以上重任。但基于普通车床基数大数控车床价格昂贵的前提，普通车床数控化改造势在必行。改造完成的新型机床具有适应性较强、加工精度较高、生产效率较高和加工质量相对稳定等优点。它综合地应用了计算机应用、自动控制、伺服驱动、高精度测量和创新的机械结构等多方面的前沿技术，是今后机床控制的明确发展方向之一。关键词：普通车床 CA6132；数控化改造；伺服系统；滚珠丝杠3目 录摘要.2绪论.4第 1 章 CA6132 车床数控系统总体设计方案的拟订.7 1-1 总体方案.71-2 设计 XY 数控工作台及其控制系统 .8 第 2 章 CA6132 车床进给伺服系统机械部分设计计算.92-1 脉冲当量选择.92-2 切削力计算.92-3 滚珠丝杠螺母副计算和选型.102-4 齿轮传动比计算.152-5 步进电机计算与选型.16第 3 章 CA6132 电气部分改造.22总结.23参考文献.4绪 论随着社会生产力和科学技术的迅速发展，机械产品越来越精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，所以数控机床应运而生。但随之而来的是普通机床的安置问题，单纯地弃之不用对于企业来说太过浪费；另一方面，数控车床价格较之普通车床太过昂贵。因此，市场对普通机床的数控化改造的呼吁之声，日益高涨。一 数控机床的产生美国最 早开始研制数 控机床。1948 年，在美国帕森 斯公司研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机 床任务时，首先提出了研制数 控机床的设想。1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺 服机构实验室建立合作，开始从事数控机床的研制工作。并在 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验样机（这是一台采用了脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床）。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价 格和技 术原因，品种多为连续控制系 统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可 靠性且机床的价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术的发展不仅仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到其它机械设备的升级上，因此使数控技术不断扩展应用的范围直至今天。二 数控机床的发展从美国研制第一台数 控机床以来，随着与数控相关技术的不断发展发展，数控机床也在迅速地发展和更新换代，先后经过了五个阶段。第一代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路控制的数控系统。第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路控制的数控系统。第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的数控系统。第五代数控：从 1974 年开始采用微机控制的数控系统。第五代微机数控系统基本上代替了以往的绝大多数的普通数控系统，形成了现代化的数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，只需改变相应的输入软件，就可以适应不同类型不同功能机床的控制要求，具有很大的适应性。随着集成 电 路规模的日益扩大，5光缆通信技术广泛应用于数 控装置中，使其体积日益变小，价格逐年降低，可靠性显著提高，功能也更加完善和稳定。近年来，微型电子和计算机技术的日益进步，它的成果正在不断扩张到机械制造的各个领域中以及随之出现的计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产控制系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展前景。三 我国数控机床的发展概况我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先开始研制数控机床，并研制了成功第一台电子管数控机床。从 1965 年开始，研制晶体管数控系统，直到 60 年代末和 70 年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979 年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从 80 年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国 GE 公司的 MTC-1 数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出 BSO3 经济型数控系统和 BSO4 全功能数控系统，航空航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，借此我国数控机床的发展在品种上、性能上以及技术上均有了质的变化。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高适应性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有更高要求的柔性制造系统和计算机集成自动化制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的 SIEMENS 和美国的 A-B 公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16 位以及 32 位微机处理器、数据总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到 1MB 以上，机床分辨率精度高达 0.1 微米，高速进给速度高达 100m/min,控制轴数高达 16 个轴，并采用非常先进的电装工艺等等。至于驱动系统，交流驱动系统也发展得非常迅速。交流传动已由模拟向数字方向发展，以运放器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字6集成电路所取代，从而解决了零点漂移、温度漂移等干扰精度的因素。五 数控机床改造的意义数控机床改造在西方各国已发展成一个新兴的行业，早在 60 年代已经开始便已诞生，其发展的原因是多方面因素导致的，主要有技术、经济、市场和生产上的众多因素。我国是拥有 300 多万台机床的机械制造大国。而这些机床又大多是使用多年的老旧机床，全部替换为数控机床以我国机床制造厂的经济实力是无法承受的。因此，尽快将我国现有普通机床实现数控化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求处理的难题。数控化改造是建立在微电子控制技术与传统技术相结合的基础上的。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，而且在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的推广性与适应性。而且改造费用较低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的百分之三十左右（具体视情况而定），用户可以承受。从相关成功应用的事例可以证明，投入使用后，成倍地提高了生产效率，减少了废品率，获得了显著的经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的机械加工环境，普通机床的数控化改造已成为我国机械设备技术改造主要方向。同时，它还可以成为全功能数控机床换代的准备时期，为今后使用全功能数控机床，培养技术人才，积累维护经验、熟练使用经验，而且实现了我国传统的机械制造技术向机电一体化制造技术发展。7第一章 CA6132 车床数控系统总体设计方案的拟定1-1 总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定 位、直 线插补、顺、逆时 针插补、暂 停、循 环加工、公英制螺 纹加工等功能，并且在车削加工中，要求刀具沿 X Y 轴运动有确 定的函 数关系（即：刀具以给定的速 率相对于工件沿加工路径运动）， 所以不能选用点位 控制系统，因为点位 控制系统 要求工件相对 于刀 具移动过程中 不进行切削。因此，改造后的机床 应选用连续控制系统。CA6132 型 车床改造属 于 经济型数控机床 ，加工精度 要求不高，为了简化结 构，降低 成本，采用步进电 机开 环控 制系统，因为闭 环控制系统适 用于精 度 要求 较高的机床设计，且闭环 控制系统的造价昂贵。二、控制系统根据机床要求，采用 PLC 控制。由于 PLC 控制系统具有稳定性好，工作环境 不挑剔，易于检修等特点，且对 PIC 系统较为熟悉，因此采用 PLC 控制系统系统。 三、机械传动方式为实现机 床所要求的分 辨率，采用步进电机经过齿轮减速再传向传动杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，所以选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。 同时，为提高传动刚度和消除齿间间隙，所以采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。 齿轮传动也采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。81-2 设计 X-Y 数控工作台及其控制系统设计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图 1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件以避免上述不利因素的产生。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用 AT89S51 系列单片机扩展系统。Z 向X 向图 1-1 CA经济型数控车床总体方案框图PLC光电隔离 功率放大 步进电机上拖板下拖板光电隔离 功率放大 步进电机9第二章 CA6140 车床进给伺服系统机械部分设计计算一台 CA6132 普通车床改造成数控车床，采用 PLC 控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 320加工最大长度：700溜板及刀架重力： 纵向 960N横向 600N刀架快速速度: 纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大进给速度: 纵向 0.8m/min横向 0.4m/min主电机功率 5.4Kw起动加速时间 25ms机床定位精度: 0.01mm伺服系统机械部分设计：确定系统的负 载、确定系统脉 冲当量，运动部件惯 量计算，空 载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导 向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：2-1 系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，也称为机床的最小设定单位（脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个最基本技术参数）。经济型数控车床车床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求调研确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲102-2 切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要根据切削力计算，以下是数控车床中的切削力的计算。1.纵车外圆主切削力 F (N)按齿轮传动的