毕业设计_尚慧

毕业设计说明书设计题目：普通车床的数控化改造 学 生 尚慧 班 级 2009级 学 号 095006306061 指导教师 胡世军 继 续 教 育 学 院二零一一年十月毕业设计任务书设计题目：普通车床的数控化改造 学 生 尚慧 班 级 09级 学 号 095006306061 指导教师 胡世军 继 续 教 育 学 院二零一一年十月兰 州 理 工 大 学毕 业 设 计 任 务 书 学 生 指导教师 胡世军 班 级 09级机电一体化 职 称 副教授 一 毕业设计题目CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计CM6132型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6140型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6140型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6140型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6140型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6140型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6150型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计C6143型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计C6143型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计C6143型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计C6143型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计C6143型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及液压尾座设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及四方回转刀架设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及六角回转刀架设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及纵向进给设计CW6163型卧式车床数控化改造总体设计及横向进给设计二、主要设计参数及技术指标1、 X轴(横向)、Z轴(纵向)改为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动。其中X轴(横向)脉冲当量：0.005mm/脉冲，Z轴(纵向)脉冲当量：0.010mm/脉冲。2、 实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工3、 操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止4、 采用回转刀架及液压尾座5、 其余参数见原机床三、毕业设计内容及工作量（一） 设计计算说明书 一份0.81.0万字（二）、图纸部分 1、普通车床数控化改造总体方案图 A0一张2、机床尺寸联系图 A0一张3、主要部件装配图（主轴箱等） A0一张4、数控机床硬件电路图 A0一张（选做）四 毕业设计的基本要求： 能按时独立完成毕业设计规定的全部内容，方案选择正确，论据充分，对设计中的主要问题分析深入，解决合理，有独立见解，能很好运用所学理论和提供的资料解决设计中的问题，能独立查阅和正确引用中外文参考资料，说明书文字通顺、清楚、选用数据论证合理、计算准确，图面整洁。五、 进程安排序号主 要 任 务时间备注1查阅文献、调研、收集资料、实习0.5周2总体方案图 1.0周3机床尺寸联系图2.5周4主要部件装配图 2.5周5编写设计计算说明书1.0周6准备答辩0.5周六.主要参考文献数控机床设计 陈婵娟主编 化学工业出版社经济型数控机床系统设计张新义主编 机械工业出版社新编机床数控技术 任玉田主编 北京理工大学出版社机床设计图册 上海纺织工学院等主编 上海科学技术出版社机械设计手册 成大先主编 化学工业出版社7、 设计书的装订及格式 装订必须采用横向翻页方式。内容顺序为：封面，任务书，目录，中文摘要，中文关键词，引言，正文，结论（计算结果），参考文献，致谢。目录摘要.7前言1 概述 一 数控系统发展及趋势 .7 1、数控机床运行原理简述 2、数控机床的优点 3、国内旧机床的数控化改造趋势 2 C6140普通车床数改的总体方案 一、总体方案的设计 1、 设计任务 2、总体方案的论证与确定 3、具体改造方案的论述4、数控系统的选用二、 对C6140型机床机械总体分析 1 、C6140型机床原电路的分析 2、 C6140型机床机械实物的分析 3 数控化C6140自动刀架设计一、 刀架 4 数控化C6140车床传动装置设计一、 主传动的数控化改造 二、 进给传动的数控化改造 三、 进给传动链 四、 接口箱内减速齿轮的齿数比 五、 传动滚珠丝杠副 5 数控系统硬件电路设计 一 、数控系统基本硬件组成 二 、单板机控制系统的设计6 数控化C6140步进电机的设计 一、机械调试 二、 机电联动调试 三、 主轴控制7 车床进给系统数控改造中滚珠丝杠副的选型和计算 一 C6140 车床改造方案 二 纵向进给系统的设计计算 三 结语8 机床数控改造的必要性与意义 一、机床进行数控化改造的必要性 二、改造的意义结论 参考文献摘要 随着世界上工业先进国家的机械制造业的迅猛发展，我国的机械制造业已经落后于世界水平了。而本课题所做的把普通经济型机床改造成数控机床，就是利用所学的数控知识把已经落后的普通机床稍加改造转变成先进的数控机床。普通机床经过数控改造后，可以大大地提高传动进给精度，从而提高原机床的加工精度。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。 针对现有常规C6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了C6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。C6140车床主轴转速部分保留原车床的手动变速功能，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给（纵向）伺服系统设计计算。阐述了C6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造。 本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。述了C6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造关键词:普通车床，数控改造，数控机床，单片机数控系统，改装设计，纵向进给系统; 滚珠丝杠副前言 制造自动化是先进制造技术的重要组成部分，其核心技术是数控技术。随着数控技术的发展。我国的机械制造行业发生了日新月异的变化，国内数控机床的用量迅速增加。因此，需要培养一批熟悉并掌握数控机床编程、数控加工工艺、操作和维护的应用型高级技术人员。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。为适应现代化生产,对C6140车床进行了数控化改造。第一章 概述一、数控系统发展及趋势随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。现在，数控系统正沿着开放式体系结构、软数控、控制性能向智能化、高可靠性、网络化、复合化、多轴联动化七大方向发展。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步，现代制造业正在迎来一场新的技术革命。1、 数控机床运行原理简述数控机床的工作原理是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。2、 数控机床的优点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，采用数控机床有以下几方面的好处： 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定； 提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率5-10倍； 可加工形状复杂的零件； 减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。3、国内旧机床的数控化改造趋势本毕业设计实随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。目前，数控机床已成为市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，例具有典型性和实用性。第二章C6140普通车床数改的总体方案一、总体方案的设计1、设计任务从机械和电气两方面详细阐述数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后,使其运行稳定,加工精度明显提高,取得更大的经济效益。本设计任务是对C6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。2总体方案的论证与确定（一）、机械与电气改造（1）数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求C6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。（3）数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： 1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2.可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以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，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。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组成的控制系统。由于电机起动或其它原因可能造成车间电网电压的波动,而这种波动可能引起正在运转中的机床突然停止,造成不必要的麻烦。为了避免这种情况的发生，同时也要将原电路的控制电路部分加以改进。（二）、总体方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C6140车床经济型数控改造示意图如图所示。C6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O 接口送给微机。3、具体改造方案的论述数控化改造设计时,在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件,因此确定总体改造方案如下: (1) 拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮,用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠,将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上,纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副,丝杠采用分体式,用套筒联轴器实现刚性联接;(2) 横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者) ,纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端,靠近尾座的位置;(3) 要实现自动换刀,需拆除原手动刀架,在小拖板上安装数控转位刀架; (4) 为了使改造后的车床能够加工螺纹,需要加装主轴脉冲编码器,以实现对主轴转速的同步检测,编码器安装在挂轮箱内;(5) 为使加工过程中不超程,纵横向要安装行程限位开关;(6) 为实现回参考点的动作,必须在纵横向安装接近开关;(7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩,以防脏物、油污和切屑等进入,机床整体也要加装防护罩,以防止加工过程中的切屑飞溅伤人; (8) 考虑到改造的成本,尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。4、数控系统的选用选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要在应用PLC 进行设计过程中,运用了2 个辅助继电器,用来简化程序的设计。在编制程序的过程中,充分考虑了系统的安全性,运用了有互锁功能的设计,如分别串联上了Y002、Y004 常闭触点,用来完成对KM2、KM3 的保护控制,从而提高了整个机床控制系统运行的可靠性。在程序设计中,将不同控制方式的程序分别编写,根据工作方式选择开关决定执行哪行程序,这样使程序结构清晰,编程方便。二、对C6140型机床总体分析1 、C6140型机床原电路的分析根据C6140型机床的电器原理图所示,我们对原理图进行分析如下。1.1、主电路分析主电路有三台电动机,M1为主轴电动机,采用直接起动,由接触器KM1控制,热继电器FR1为过载保护,短路保护由电源断路器实现。冷却泵电动机M2由接触器KM2控制起动,熔断器FU1作短路保护,热继电器FR2为过载保护。刀架快速移动电动机M3由接触器KM3控制起动,熔断器FU1作短路保护。1.2、控制电路分析控制变压器TC二次输出110V电压作为控制电路电源。(a)主轴电动机控制,先用钥匙向右转动电源开关锁,再合上电源开关QF,为起动作准备,按下起动按钮SB2,接触器KM1线圈得电吸合,主触点闭合,主电动机起动,并由辅助常开触点闭合自锁。按停止按钮SB1,接触器KM1线圈失电,其主触点和辅助触点断开(复位),主轴电动机停转。(b)冷却电动机的控制,当接触器KM1吸合,主电动机M1起动后,旋转开关SA2闭合,接触器KM2得电吸合,冷却泵电动机M2才能起动。(c)刀架快速移动电动机的控制,由SB3点动控制。按下SB2,KM3线圈得电,KM3主触点吸合,M3起动。松开SB2,KM3线圈失电, KM3主触点复位,M3停转。构成的比较电路就会输出低电位,控制驱动电路使继电器K2常开触点断开,接触器KM5不工作,断开蓄电池与充电机主回路的连接。蓄电池过电压保护,充电机在充电过程中,电路发生故障,单体蓄电池电压上升到3V时,由SF358另一个运算放大器构成的比较电路输出高电位,控制驱动电路使继电器K1吸合,K2释放,接触器KM5释放,电路过电压保护,自动切断充电直流电源,停止工作,并同时过电压指示灯亮。蓄电池经过第一阶段大电流充电,单体电压上升到2.4V时,通过另一路SF358双运算放大器构成的上、下比较电路使555时基电路输出低电位,继电器K3动作,常闭触点打开, 接触器KM2释放,断开一半电容降压恒流装置,充电机自动转入第二阶段小电流充电。2、C6140型机床机械实物的分析2.1、 机床基础件有足够的刚性数控机床属于高精度机床,工件移动或刀具移动的位置精度要求很高,必须在0001001mm之间,高的定位精度和运动精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。本次用于改造的C6140车床自购进后一直保养良好,机床基础件刚性满足要求。22、 系统配置及主要技术规格该车床控制系统的软件部分采用VC6.0编写。其功能主要有读取零件的加工G代码，编辑和编译G代码，仿真加工（包括加工前仿真和与加工同步仿真，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M功能等多种加工信息。该软件的操作平台是Windows98。该软件的操作过程是首先读入*.NC或*.TXT的G代码文件；然后进行编译，编译器能给出不符合本软件的语法错误提示；有错误可也立即修改；然后按照毛胚的实际尺寸输入，软件进行加工前仿真。在确认没有因G代码引起的加工错误的情况下，可以开始机床加工。加工前得首先对刀，对刀的意义在于建立起工件坐标与车床坐标之间得关系。加工过程中，软件界面的状态栏还显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。该系统由SIEMENS 802S系统、接口电路、驱动线路及步进电机等组成,另外还配有自动转塔刀架、主轴变频调速器及主轴编码器等,系统属开环控制系统。其主要技术性能和参数如下:(1)系统控制部分。采用SIEMENS 802S系统,键盘和显示部分装在面板上。(2)系统软件具有若干指令。其中加工指令有：直线、斜线、螺纹、锥螺纹和圆弧等5条指令。可实现车削外圆、端面、台阶、割槽、锥度、倒角、螺纹、顺圆弧和逆圆弧等操作。控制指令有结束循环、暂停、延时、延时换刀、编码换刀、通讯等,与加工指令配合,可加工出各种较复杂的零件。(3)系统环境工作条件。温度-10+40;湿度为40% 80%。(4)输入电网电压。交流(22022)V;频率为50Hz;电流为15A。(5)步进电机。BYG550C-2型电机两台,驱动电压为110V;相电流为25A;步距角为036/步;静力距为12Nm。第三章 数控化C6140自动刀架设计一、 刀架由于本车床刀架改装以后，只能安装两把刀具，一把用于车削普通柱，锥面及端面，一把用于加工螺纹，故没有采用旋转式刀架，刀具是被安装在刀架的前后两端，采用X轴前后走刀以实现自动换刀。根据需要,拆除原方刀架,安装620型四方刀架。该刀架由120W的三相交流异步电机正转驱动,使刀架正转选刀,到预定刀位时,电机则反转,使刀架夹紧。换刀方式有手控和机控两种。机控时当零件在加工过程中需要换刀时,数控系统发出预先编制好的换刀控制指令,控制器接到换刀指令时,立即驱动刀架回转。手控时,按动面板上的按钮,刀架能转一个刀位(90),也可连续按动按钮,直至任一刀位。第四章 数控化C6140车床传动装置设计一、 主传动的数控化改造机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴,使工件以不同的速度运动,主传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性,可乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。针对机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴脉冲发生器,如图1所示。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转,即主轴转一周,主轴脉冲发生器也转一周。改装时,主轴传动必须经过原有C6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现11)传递到原有C6140车床的挂轮轴X,拆除挂轮留出空间,安装脉冲发生器,并用法兰盘固定。二、 进给传动的数控化改造进给传动的作用是接受数控系统的指令,驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动,加工出符合要求的零件,对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用步进电机驱动系统实现开环。进给传动系统控制,这样结构简单,安装调试和维修都非常方便。三、 进给传动链普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱。四、 接口箱内减速齿轮的齿数比该车床要求的控制精度为: Z向0005mm, X向为00025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为036,每周步距数为360/036=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为00025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0005mm。按公式主动轮齿数从动轮齿数=步/周脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=100025/4000=5/8Z向:Z主/Z从=10005/6000=5/6五、 传动滚珠丝杠副数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行,采用滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中,用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动变换为直线运动。滚珠丝杠螺母副安装时需预紧,通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙,提高传动刚度。预紧的方法是采用双螺母齿差调隙式结构。通过改变两个螺母的轴向相对位置,使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现的。一般需要几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除间隙,又能灵活运转。第五章 数控系统硬件电路设计一 、数控系统基本硬件组成微机数控系统硬件电路总体方案设计本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片 6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。二 、单板机控制系统的设计 8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。 ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号。它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。 ：外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。VPP：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。 XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号。片外三总线结构单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式： 地址总线AB，地址总线宽度为16位。因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址（A7A0），P2口直接提供高 8位地址（A15A8）。 数据总线DB 数据总线宽度为8位，由P0口提供。 控制总线CB 控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。8255A可编程并行I/O口扩展芯片 8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能： 1、8255A的结构中包括三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下： （1）三个8位并行I/O端口A、B、C， A口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/ 缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。 （2）工作方式控制电路A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。（3）读/写控制逻辑电路它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。 （4）数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。第六章 数控化C6140步进电机的设计一、机械调试丝杠上,侧母线和横、纵导轨的平行度误差控制在001mm/全长之内;转动丝杠,丝杠轴向窜动在001mm之内;丝杠螺母同轴度误差控制在001mm之内。二、 机电联动调试1、单坐标点动,主要调试其有无动作,运动方向是否符合要求,机械传动是否正常,有无不正常响声等。1上刀体 2活动销 3反靠盘 4定轴 5蜗轮 6下刀体 7螺杆 8离合器盘 9霍尔元件 10磁钢2、点动合格后,做连续运动。反复多次,若出现故障或异常,排除后方可继续进行。3、先试Z坐标方向,后试X坐标方向,这是因为Z坐标方向调试方便。4、测量两坐标重复定位精度。在Z向坐标做连续移动时,若发现与丝杠相联的齿额定转速: 2000r/min额定输出功率: 2kW编码器:绝对位置检测方式,分辨率1000000p/r 轴端形式:锥轴伺服放大器采用与电机配套的SJV2系列20型,其驱动能力为2kW。对于2kW电机,也可采用SJV2系列的10型放大器,但此时的输出扭矩要比20型减少1/3,不利于大功率切削。I/O设备选用型号为HR341的基本I/O单元,主要用于机床操作面板及与机床间的输入输出控制。另外附加一个远程I/ODX110,主要用于教学功能的“故障模拟设置”的输入输出。伺服及I/O单元连接原理图如图1所示。三、主轴控制拆除了原来的主轴变速箱，采用变频器皮带主轴编码器。该系统的主轴速度也是有级调速，共7级，速度可以从40rpm到1200rpm，不过每一档的速度可以根据需要通过设置变频器来实现。利用变频器的五个端子，可以用数字量控制电机的正，反转，停止及各档速度。本变频器是松下产品，其中七档频率在A20A26中设置，端口应该由端口控制器（A1）控制。本系统没有采用手工机械调速，所有的速度均由G代码中的S命令来控制。软件可以读取G代码，自动控制主轴电机转速。主轴电机采用交流变频控制电机,由变频器进行控制,转速范围606000r/min。模拟量由基本I/O单元的A0端口输出010V的直流电压,变频器根据输入的电压变化而输出相应的转速。由于模拟主轴电机没有编码器,因此在发出转速命令后,系统无法检测到主轴的是否运行。为解决这一问题,我们利用变频器上的功能端子,将其通过参数设置成“到达指令频率闭合”状态,并通过PLC检测此信号,从而实现对电机的运转进行监控。第七章 C6140 车床进给系统数控改造中滚珠丝杠副的选型和计算一 C6140 车床改造方案将C6140 车床改造为经济型数控车床,原机床的进给系统全部拆除,纵向和横向均采用步进电动机降速齿轮滚珠丝杠副溜板的传动方式。滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副,是回转运动与直线运动相互转换的传动元件。滚珠丝杠副具有传动效率高、摩擦力小、可预紧、使用寿命长等优点,所以在各类中、小型数控机床的直线进给系统中得到普遍应用。C6140 车床数控改造技术参数最大工件直径/mm 400最大工件长度/mm 1 500溜板及刀架重力/N纵向( z 轴) 800 ;横向( x 轴) 600刀架快速移动速度m/min 纵向2. 4 ;横向1. 2最大进给速度m/min 纵向0. 6 ;横向0. 3定位精度mm 0. 015主电机功率/kW 7. 5启动加速时间/ms 30支承间距l = 1 500 mm ,支承滚珠丝杠的轴承为8107 型推力球轴承,几何参数为d1 = 35 mm ,滚动体直径dQ = 6.35 mm ,滚动体数量zQ = 18。滚珠丝杠副及轴承均进行预紧。现以纵向进给系统改造为例,介绍滚珠丝杠副的选型与验算。二 纵向进给系统的设计计算2. 1 切削力计算最大切削功率Pq = Pz= 6 kW式中Pz 主电动机功率,C6140 车床Pz = 7.5kW;主传动系统的总效率,一般为0. 70.85 ,取= 0.8。切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩) 和最大切削速度(或转速) 来计算,即PQ =Fc v10 - 3/60式中Fc 主切削力, Fc =60 PQ 103/v= 3 600 N;v 最大切削速度,按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取v = 100 m/min。在一般外圆车削时Fz = (0110155) Fc , Fx = (01150165) Fc取Fz = 0148 Fc = 1 728 N , Fx = 0158 Fc = 2 088 N式中Fz 、Fx 纵向、横向切削分力,N。2. 2 滚珠丝杠副的选型和验算滚珠丝杠副的选型和验算主要是型号的选择和性能验算。滚珠丝杠的选用设计,一般必须已知下列条件:丝杠的最大轴向载荷Fmax (或平均工作载荷Fm) 、使用寿命T、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程) 、丝杠的转速n (或平均转速) 、丝杠的运转状态等,以纵向为例,可按以下步骤计算:(1) 滚珠丝杠轴向进给切削力的计算纵向进给为综合型导轨,滚珠丝杠轴向进给切削力Fm = KFz + f( Fc + W) = 2 691. 2 N式中W 移动部件的重量,N ;f导轨上的摩擦因数,取f= 0116 ;K 考虑颠覆力矩影响的实验系数, K=1.15。(2) 滚珠丝杠平均转速的计算最大切削力下的进给速度vs ( rPmin) ,可取最高进给速度的1P21P3 (取为1P2) ,纵向最大进给速度为0. 6 mPmin ,丝杠导程选ph = 6 mm ,则滚珠丝杠平均转速n =1 000 vs/h= 50 r/min(3) 滚珠丝杠寿命的计算丝杠使用寿命取T = 20 000 h (2 班工作制10a) , 则丝杠的计算寿命L =60 nT/106 = 60 (106 r)(4) 滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷的计算根据工作负载Fm 、寿命L ,滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷Cm =3L Fmfw/f a= 12 642. 8 N式中fw 运转系数,取fw = 1.2 ;f a 精度系数,滚珠丝杠副精度取为3 级,则取f a = 1。(5) 从滚珠丝杠尺寸系列表(或产品样本) 中找出额定动载荷Ca 略大于当量动载荷Cm ,同时考虑刚度要求,初选滚珠丝杠副的型号及有关参数。(6) 根据机床结构和工作要求(即循环方式、预紧方式、传动精度、传动效率等方面) 从初选的几个型号中挑选比较合适的公称直径、导程、负荷滚珠列数和滚珠圈数,确定某一型号。参照山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的产品样本,C6140 纵向进给滚珠丝杠副的型号选为:CDM4006 - 2. 5 - P3 ,是外循环插管埋入式双螺母垫片预紧丝杠副,其额定动载荷为14 820 N ,强度足够,钢球循环列数为1 2. 5 2 ,精度等级选为3 级。其几何参数如下:公称直径d0 = 40 mm ,导程ph = 6mm ,钢球直径Dw = 3.969 mm ,丝杠底径d2 = 35.2mm ,预紧力Fy = 2 066 N。2. 3 刚度验算的计算滚珠丝杠副刚度的验算,主要是验算丝杠的拉伸或压缩变形量1 、滚珠与螺纹滚道接触变形量2和支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3 之和应不大于机床精度所允许变形量的1P2。否则,应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。滚珠丝杠的变形量计算步骤如下:(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 =ph/ph*l = 1.975 10- 2 mm式中ph 工作负载Fm 引起导程ph 的变化量,ph = Fm ph/EA= 0.790 10- 4 mm。由于两端均采用角接触球轴承,且丝杠又进行了预紧,故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为1 =1/41 = 0.494 10- 2 mm(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠丝杠副及轴承均进行预紧,滚珠与螺纹滚道接触变形2 = 0.001 3*Fm/3dw Fy z2= 0.005 9 mm式中z 滚珠数量, z = zjk ;j 圈数;k 列数;z 每圈螺纹滚道内的滚珠数。对于CDM4006 - 2. 5 , z = zjk =d0/dw215 2 =158.2 ,取整为158 个。因丝杠加有预紧力,2 可减少1P2 ,因此实际变形量2 = 0. 005 9/ 2 = 0. 295 10 - 2 mm(3) 支承滚珠丝杠的轴承轴向接触变形支承滚珠丝杠的轴承为8107 型推力球轴承,几何参数为d1 = 35 mm ,滚动体直径dQ = 6135 mm ,滚动体数量zQ = 18。轴承的轴向接触变形3 = 0. 002 43F2m/dQ z2Q= 0.007 8 mm因施加预紧力,故实际变形量3 =3/2= 0.003 9 mm根据以上计算,总变形量=1 +2 +311. 8m三级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为15m/m ,故刚度足够。因为滚珠丝杠两端都采用推力球轴承并预紧,因此不会产生失稳现象,故不需做稳定性校核。三 结语通过以上的计算,获得的CDM4006 - 2. 5 - P3纵向进给系统的滚珠丝杠副,在数控改造C6140 车床应用后,机床工作台运转平稳、灵活、精度高、噪音低,可以满足实际生产加工要求。第八章 机床数控改造的必要性与意义一、机床进行数控化改造的必要性