c616数控改造

摘 要 数控技术是 20 世纪机械工程领域的重大成就之一，是一个综合了计算机技术、自动控制技术、信息技术、检测技术和机械加工技术的交叉和综合技术领域。数控技术以及以数控技术为基础的先进制造技术正在推动、并将继续推动着机械工程技术的飞速发展。 我国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状 ,对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展方向。本课题是对 车床进行数控化改造。 把 车床改造成数控机床，我们主要从三方面来进行：首先是机械部分改造 (纵横向进给系统的计算与设计 )；其次是电气部分改造 (纵横向步进电机的选择 )；第三是数控系统的硬件电路设计。 关键词： 数控技术；数控化改造；数控机床；数控系统；进给系统 2 目 录 摘要 1、 课题背景及意义 1 控设备与技术 现状 1 控机床发展概况 3 文的选题及主要研究内容 11 2. 设计方案的确定 3、 机械部分改造 11 向进给系统的设计与计算 11 向进给 系统的设计与计算 12 4、 电气部分改造 24 进电机选用的基本原则 24 进电机的选择 25 控系统的硬件电路设计 26 电隔离电路 31 率放大电路 31 参考文献 34 致谢 3 控设备与技术现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001 年，我国机床工业产值已进入世界第 5 名，机 床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 美元，仅次于美国的 美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势， 2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 美元，比上年增长 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。 装备工业的技术水平和现代化程度决定 着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列 为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域： 4 （ 1）机械制造技术； （ 2）信息处理、加工、传输技术； （ 3）自动控制技术； （ 4）伺服驱动技术； （ 5）传感器技术； （ 6）软件技术等。 控机床发展概况 1949 年，美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益复杂的飞机叶片的自动加工，于是，帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。在半个世纪里，数控技术经历了电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统到微型计算机数控系统（ 个阶段。 现代数控技术是 20 世纪 70 年代发展起来的机床控制新技术，它综合了微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术和机械制造技术，是先进制造技术的核 心。而采用数控技术的典型产品 数控机床是机电工业的重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业现代化的重要手段。 从 20世纪 80 年代开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到 1995年底，我国数控机床的可供品种已超过 300种，其中数控车床占 40%以上。 文的选题及主要研究内容 本文主要针 对普通车床 行数字改造，为达到改造要求，我们提出了以 下两种改造方案： 步进电机为驱动元件，传动系统采用滚珠丝杠副，刀 架采用自动转位刀架，对 通车床进行技术改造就可以组成一个经济型数控车床，实现微机控制下的自动加工。改造后的车床把车床的主运动和进给运动分离开来。主电机的作用仅仅是带动工件旋转，而刀架的进给运动则是由步进电机直接带动车床的纵横丝杠来实现。 床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工 5 工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；冷却泵的启停这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看 床及有关资料，并且参照数控车床的改造经 验，确定总体改造设计方案为：确定车床采用 床传动系统改造设计、 件的设计。 6 2、 设计方案的确定 利用 单片机控制系统 对纵横进给系统进行开环控制， 冲，横向脉冲当量为 冲， 以步进电机为驱动元件，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，对 通车床进行技术改造就可以组成一个经济型数控车床，实现微机控制下的自动加工。改造后的车床把车床的主运动和进给运动分离开来。主电机的作 用仅仅是带动工件旋转，而刀架的进给运动则是由步进电机直接带动车床的纵横丝杠来实现。其改造后结构原理示意图如图 1示。 单片微型机接口接口接口光 电 耦 合光 电 耦 合主 轴 脉 冲 发 生 器功 率放 大器纵 向 步 进 电 机横 向 步 进 电 机变 速 箱变 速 箱滚 珠 丝 杆滚 珠 丝 杆功 率 放 大 交 流 控 制 电 动 机 电 动 刀 架图 1操作时，根据零件的加工工艺，按数控系统的规定的方式编制零件的加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机对加工程序处理后发出一系列脉冲信号，经过功率放大器放大后驱动 2 台步进电机，按规定的方向、速度和位移量，完成刀架纵横两个方向的进给，使车刀实现直线或圆弧的切削。在加工螺纹时，通过 主轴脉冲发生器发生进给运动，从而加工出各种标准螺纹。换刀时，微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构，将上刀体上升至一定位置，带动刀体旋转到所选刀位，然后定位，完成换刀动作。 7 3、 进给系统的设计计算 向进给系统的设计计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。 已知条件： 工作台重量： W=800N(根据图纸粗略计算 ) 时间常数： T=25珠丝杠基本导程： 程： S=640冲当量： p=距角： =： mm/ 切削计算 由机床设计手册可知，切削功率 K 式中 N 电机功率，查机床说明书， N=4 主传动系统总效率，一般为 K 进给系统功率系数，取为 K= 则： 因为 120 式中 v 切削线速度，取 v=100m/ 8 主切削力 ) 由金属切削原理可知，主切削力 z 表得： 88 则可计算 表（ 1）所示： 表（ 1） ap(2 2 2 8 8 8 f(Z(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 520N 时，切削深度 走刀量 f=此参数做为下面计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： （ ： Z=Y=Z= 滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杠的轴向力： P=f () 式中 K=f =为 则 P=(00)=) 强度计算： 寿命值 11060 01000 9 取工件直径 D=80 表得 T I=15000h 则： =20r/1=610150002060 =18 最大动负载 Q=Hw 查表得： 运转系数 硬度系数 则 Q=318 1 据最大动负载 可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 珠丝杠直径为 32号为 6 5 额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。 2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： =)( 摩擦角 =10 螺旋升角 =3 25 则 =)10253( 253 tg 度验算：滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 E=166N/ 滚珠丝杠截面积 F=(2d)2 =（2 8 0 3 5 026 = 10 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 可忽略 ,即： L= 以： 导程变形总误差为 = 0100=10m/m 查表知 1 15 m/m，故刚度足够。 4）稳定性验算：由于机床原丝杠直径为 30选用的滚珠丝杠直径为 32 承方式不变，所以稳定性不存在问题。 轮及转距的有关计算 1）有关齿轮计算 传动比 i=3600=取 2 0 m=2 b=20 =20 d1=m 32=64mm m 40=80mm =268mm =84 =2 21 =28064=72 2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 2W=()2 80= 2 = 2 丝杠的转动惯量： 1010 2= 2 齿轮的转动惯量： 102= 2= 2 1084 2= 2= 2 11 电机转动惯量很小可以忽略。 因此 ,总的转动惯量： J=21i ( 2= 2 3）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=大切削负载时所需力矩 M=速进给时 所需力矩 M= 中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的切削负载力矩。 10m 当 n= Ma =4 10m= f 当 n= at 01000i =10 00 = 10m=f 2 00=2 0 12 当 0= f = =f =2 0(12) 当 0=0=31 M0=6)1( 200 = 6 2 =f = Mt=2 00=6 = f = 所以 , 快速空载启动时所需力矩： M=f = 切削时所需力矩 ： M= f = 快速进给时所需力矩 ： M= f = 由以上分析计算可知： 所需最大力矩 f = 向进给系统的设计和计算 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单 ,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠 ,使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 已知 条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） W=30 f=300N 13 时间常数 T=25珠丝杠基本导程 左旋 行程 S=190 脉冲当量 p= /距角 = 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2 f=切断工件时： Z=f= 滚珠丝杠设计计算 1）强度计算：对于燕尾型导轨： P=f (W) 取 K= f = P=30) = f=命值 111060 610150001560 =大动负载 Q= = =f=据最大动负载 选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 列，滚珠丝杠公称直径为 20 ，型号为 4 5 额定动负载为 5393N，所以强度足够用。 2）效率计算：螺旋升角 =3 38，摩擦角 =10 则传动效率 =)( tg 01833( 383 tg ）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 14 26 = 10 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 忽略， 即： L= = 01 0 0 60 查表知 旋误差（ 1 15 m/m，故刚度足够。 4）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 轮及转矩有关计算 1）有关齿轮计算 传动比 i= 故取 8 0 m =2 b=20 =20 6 0 =40 =64 a=48 2)传动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 0 4 3 180( 22 2 丝杠的转动惯量： 101024 50= 2 齿轮的转动惯量： 102= 2 1064 2= 2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此，总的转动惯量： 15 J= 53()(1 21122 2 3）所需转动力矩计算 m 64351 0 0 00m a x 4m a x m=f 01 0 0 01 0 0 0001 DL vf iL 主 =41002 = m=f Mf=2 00=2 0 = f = m )(6 202 f = m f = m 所以，快速空载启动时所需转矩： M=f = 切削时所需力矩 ： M=f = 快速进给时所需力矩 ： M= f = 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， f = 16 进电机 选择的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 距角 步距角应满足：中 i 传动比 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 度 步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用不进电机应满足 Q i s 式中 Q 步进电机的积累误差； s 系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。 矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： 1）启动力矩 一般启动力矩选取为： 0 电动机启动力矩； 电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表（ 2）所示。 步进电机技术数据中给出的。 17 表 (2) 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行 方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 ）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 进电机的选择 向进给系统步进电机的确定 = 04 0 。 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 以步进电机最大静转矩 步进电机最高工作频率 3 0 060 m a x z 综合考虑，查表选用 110满足使用要求。 向进给系统步进电机的确定 = 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 以，步进电机最大静转矩 2 N 步进电机最高工作频率 18 m a x z 为了便于设计和采购，仍选用 110满足使用要求。 19 控系统基本硬件组成 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，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 括数据总线（ 地址总线（ 控制总线（ 括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 输入 /输出接口电路。 其中 数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/线则是 口以及其它转换电路联接的纽带，是 控系统硬件框图如图 4 图 4数控系统硬件框图 存 储 器，其配 套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。 80可直接购买国内较好的数控系统系列产品做作为数控装置，如南京大方数控设备公司生产的 列数控产品。 片机控制系统的设计 考虑到通用性及普遍性，选择 列中的 8031 芯片。如图所示为用8031单片机控制的数控系统设计的框图。该系统主要由中央处理器 8031单片机、一片只读存贮器 2764（ 8K 8），一片静态存贮器 6264（ 8K 8）、一片可编程接口芯片 8155、一片可编程键盘 /显示器接口芯片 8279、一片地址锁存器 744组成。 （ 1） 单片机的选择 8031属 8位单片机，它是集 I/O 端口及部分 有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富等特点。在国内的经济型数控系统中多数使用 8031单片机。 8031 芯便内部具有 128 个字节的数据存贮器 部地址为 00