c616纵向数控改造

第一章 绪论一、问题的提出 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因 数控机床 价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。 二、改造的意义 省资金 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 高生产效率 机床经改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 第二章 总体方案确定 造方案的确定 在 进给传动系统中，数控系统对纵向 进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机。纵向采用 步进电动机 减速齿轮 滚珠丝杆螺母副 床鞍的传动方式。 械部分改造的设 计 滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。 济型数控车床的改造，一般是步进电动机经减速后驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电动机的布局可放置在丝杠的一端，对车床改造来说，外观不必像产品设计要求那麽高，而从改造方便实用方便来考虑。一般都把步进电动机 放 在纵向滚珠丝 杠的 左 端 。 纵向进给系统的设计计算 已知条件是 工作台重力： W=800N 时间常数： T=25珠丝杠基本导程： L 6冲当量： 距角： 快速进给速度： V 2m/. 切削力的计算：由机床设计手册可知切削功率 K 式中 机床说明书， N=4 主传动总效率，一般为 ，取为 K= W 又因为 120 120. 式中 V=100m/00)金属切削原理可知，主切削力 表得 188880 则可计算 1520N 时，切削深度 2给 f 此参数作为下面计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般外圆的车削时 ap/ 2 2 3 3 3 f/z/125 1524 1891 1687 2287 2837 z z 取 =y=. 滚珠丝杠设计计算 P=f() 式中 K=f= 取为 =00) =度计算 寿命值 006 n1=n 主 f/1000 取工件直径 D=80表得 5000h. 则 0r/i=6006 =18 最大动负载 Q=表得运转系数 硬度系数 则 Q=181/据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠 丝杠可以参照南京工艺装备厂的产品样本选取用于数控改造滚珠丝杠副 额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。 效率计算：根据机械原理的公式。 丝杠螺母的传动效率，为 +) 式中 摩擦角 =10,螺旋升角 =325. =5/25+10)=度验算：滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 F 式中： E= 滚珠丝杠截面积 F=d/2)=(14则 F=()=珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 忽略，即： =0=(100/m 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 (1m 长 )为 15m/m，故刚度足够。 稳定性验算：由于机床原丝杠直径声 30选用的滚珠丝杠 直径为声 32承方式不变，所以稳定性不存在问题。 齿轮及转矩的有关计算。有关齿轮计算：传动比为 i=60p=取 2 0 m=2 b=20 =20 d1=4mm d2=0 8 mm 4 a= (d1+2=(64+80)/2=72 动惯量计算：工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 180p/W=(5)2杠的转动惯量 1=轮的转动惯量 4 22=2=动机转动惯量很小可忽略 因此 ,总的转动惯量 : J=1/s+ 1/+ 需转动力矩计算：快速空载起动时所需力矩 M f+大切削负载时所需力矩 M 0+速进给时所需力矩 M 0 式中 空载起动时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算到电动机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算 到电动机轴上的切削负载力矩。 0 n=a。 =25 =m ni=L=m 0/。 / = f=则 （ 1，预加载荷 X/3，则 0（ 1（ *i=0/*以，快速空载起动所需力矩 M 0 =（ =*削时所需力矩 M 0+（ =*速进给时所需力矩 M 0 =（ =*以上分析计算可知：所需最大力矩 *向进给机构采用了一级 齿轮 减速，并用双片 齿轮 错齿法消除间隙，双片 齿轮 间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速 齿轮 的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。 刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。 进给传动链为 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 纵向 齿轮 箱和丝杠全部加防护罩，以保持防尘和机床整体美观。 机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁 铸铁或铸铁 淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易 产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。 贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且 有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。 目前应用较多的聚四氟乙稀（ 塑软带，如美国生产的 带材料，次、此种软带厚度为 、 、 等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为 宜。 贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 3 4 ，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。 进电动机的选择 摩擦力矩 式中 导轨的摩擦力 f (G) T 丝杠导程（ i=z2/速进给时所需力矩 M 快 =0 即 M 快 =0=0N* 最大切削负载时所需力矩 M 切 =f+8=58 即 M 其、 经过上述计算后，在 M 快 、 M 切 两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，负载力矩又大于加速力矩，所以 M 切 作为选择步进电机的依据。 目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机，因此在本设计中采用反应式步进电机。 首先根据最大静转矩 选电机型号，由于步进电机的切削 转矩 M 切 与最大静转矩 式中 的取 值又有如下关系： M 切 / 进电机 相数 三相 四相 五相 六相 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 m 本设计中横向采用四相八拍的反应式步进电机，纵向采用五相十拍步进电机 j 619 5 8m a x 切 若 不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为 M= 取安全系数为 67N*=61/03 N* 步进电机最高工作频率 最大空载频率： 最快进给速度， mV z 。为了保证不失步，采取降速措施。 m m a x 0F 最大切削频率： 以根据以上数据，纵向选取一个 90步进电机，电机的的相关参数如下： 由于只靠最大静转矩来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求 。 通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性 的分析，电机的转矩大于总转矩，并且 2以选择的这 个电机符合本设计要求 。 第三章 控制系统硬件、软件设计 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）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进给运动 。 本系统选用 8031为数控系统的中央处理机。外界 2764号 主要技术参数 外形尺寸 (重量(N) 步 距 角 最大静转矩 （ ） 最高空载启动频率（ 相 数 电压(V) 电流(A) 外径 长度 轴径 90800 5 80 7 90 145 9 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6264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 74码器完成此功能。 8279 作为系统出入输出口扩展，分别接键盘的出入、输出显示， 8255 接步进电机的环形分配器，分别并行控制 X 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。各引脚功能简要介绍如下： 引脚 源接地端。 +5v 电源端。 入 /输出（ I/O）口线 8031 单片机有 个端口，每个端口 8 根 I/O 线。当系统扩展外部存储器时， 用来输出低 8 为并行数据， 用来输出高 8 为地址， 除可作为一个 8 位准双向并行口外，还具有第二功能。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置 1。 号控制线 复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。 高电平且 小于 0 行内部程序存储器中的程序。当 低电平时， 执行外部程序存储器中的程序。 荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； 荡器的反响放大器输出，使用外部振荡器时，接受外围震荡信号； 8255A 可编程并行 I/O 口扩展芯片 8255，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、中断传送方式完成 外围设备之间的信息交换。 8255A 的结构及引脚功能： 8255 的结构 8255 的内部结构包括三个 8 为并行数据 I/O 口，两个工 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 分功能介绍如图 4示： 三个 8 位并行 I/O 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 /缓存器和一个 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 /缓存器和一个 8 位输入缓冲器，C 口可分为两个 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。 工作方式控制电路 A、 B 两组控制电路把三个端口分别分成 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 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。 读 /写逻辑电路 他接受来自 地址信号及一些控制信号，控制各个口德工作状态。 数据总线缓冲器 它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据中线直接相连，以实现 8255 之间信息的传送，如图 4示。 引脚功能 8255 为双列直插式 40 引脚封装芯片。 态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。 口、 B 口及 C 口的输入 /输出线。 选信号线，低电平有效。 出信号线，低电平有效。 入信号线，低电平有效，控制数据的写入。 口选择信号，用来寻址控制端口和 I/O 端口。 位信号线，高电平有效。有效时，控制寄存器的内部都被清零，三个 I/O 端口都被置成输入方式。 V 电源。 地。 8255 端口的 寻址 一块 8255 芯片内， 组控制电路各有一个控制寄存器，由 。两个控制寄存器一起构成控制端口，占用一个端口地址。同时 8255 芯片内有 A、 B、 C 三个 I/O 端口，各须占用一个端口地址。这四个端口地址用 个端口选择信号选择。 作方式 8255 有三种工作方式：即基本输入 /输出方式 、选通输入 /输出方式 、双向输入 /输出工作方式 （只有 A 口可以选择这种工作方式）。 8255 的控制字 8255A 在投入工作前必须 设定工作方式，工作方式由初始化程序对8255 的控制寄存器写入控制字来决定，控制字有两种。分别是工作方式控制字和 C 口德按位置 /复位控制字。两种控制字写入的控制端口相同。由于两种控制字都有特征位，因此写入顺序可以任意。在工作中，随时可以根据需要对 C 口 的 某位置 1 或清 0。 可编程键盘，显示器接口 1）、 8279 内部结构： 数据缓冲器及 I/O 控制逻辑 数据缓冲器是一个双向缓冲器，它连接内部总线和外部总线，用于传送 8279 之间的命令，数据和状态。 2）、控制与定时寄存器以及 定时与控制电路 8279 为一个可编程芯片，其工作方式等通过写入一些命令来设置。控制与定时寄存器用来寄存操作命令字，通过对命令字译码产生相应的控制信号，控制 8279 的各个部件的协调工作，完成相应的功能。 3）、扫描计数器 扫描计数器有两种工作方式。一种为外部译码方式。计数器以二进制方式计数， 4 为计数状态从扫描结 出，经外部译码后的 16 位扫描信号：另一种为内部译码方式。 部分硬件接口电路及辅助电路设计 本系统接口电路包括程序存储器扩展电路、数据存储器扩展电路、键盘显示接口电路和步进电机 接口电路，辅助电路包括时钟电路、复位电路、计数电路和警报电指示路。 部 路 片 28 引脚，其主要有 16 根地址线， 8 跟数据线，片选端（ ,输出允许端（ 。 由于 般不含有地址锁存器，因此 8031 的 要经过机制锁存器 74 8 位地址端相连， 与 2764 高 8 为地址端相 连 ,如图 3示。 数据线有 8031 的 直接与 2764 的 8 位数据端相连。 控制线的链接。 2764 的 与 8031 的 连。 74C 端相连。由于扩展了一片 8K 的 此 2764 片选端（ 接地，同时 8031 的 应接地。该芯片的地址范围 0000H 扩 路 片为 28 引脚，主要有 15 个地址端（ 14）、 8 个双向三态数据端、片选端 (读选通端（ 写允许端（ 。 地址连接： 8031 的低八位地址经 通过 74 6264 的低八位地址端相连高位地址线只用 7 根与 6264 的高 7 为地址端相连。 在数据线链接上，同 2764 芯片一样， 直接与 6264 数 据端相连。 控制端链接，片选端应接 8031 的 ， 别于 8031 的相连接来控制 6264 的读写。该芯片的地址范围是 0000H7 图 4部 路 图 4展 2764进电机驱动接口电路 由前面总体设计可知，步进电机的脉冲发生采用硬件实现，设计给定的条件要求电机采用 4 相 8 拍， 本设计所采用的芯片为 相 8 拍环形分配器。 为了防止强电干扰及其他干扰信号通过 I/O 控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信 号的产生，然后采用光电隔离的办法使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成。 报警电路设计 报警电路的作用是当数控机床出现故障或工作台超程时亮灯警报，当机床工作正常时，其绿灯亮，显示正常工作状态。 数控系统软件设计 数控机床的进给速度与加工精度、表面光洁度和生产率有密切关系 。要就进给速度稳定、有一定的调节范围、启动快、停车准。在 用软件或软件与接口配合实现进给速度的控制。常见的方法有程序计时法、时钟中断法及 V/积分器法等。在这里选用时钟中断法。时钟中断法只要求一种时钟频率，用软件控制每个时钟周期内的插补次数，以达到控制速度的目的，进给速度可以每分钟毫米给定。时钟频率选择：根据最插补进给速度要求，并结合计算机换算方式，可取一特殊的 F（ mm/使该速度下每个时钟周期进行一次插补。 输入处理程序的任务是接收用户的零件加工程序，并将它转换为便于在加工过程中处理的 数据形式。这样，在加工过程中只做实时性强的插补运算和控制调节等工作，从而提高系统的速度和精度。 输入处理程序的任务是接收用户的零件加工程序，并将它装换便于在加工过程中处理的数据形式。这样，在加工过程中只要做实时性强的插补运算和控制调节等工作，从而提高系统的速度和精度。 输入处理程序将数控程序有键盘输入，逐行存入内存中。这个存储区叫源程序区，一个字母存于一个字节中，每一个数都占一个字节。在加工时，控制软件将数控语句从 N 到 程序段读入到控制软件的工作区，工作区内各单元都对应一个代码和坐标单元，并且在读入程序 过程中对数据进行十翻二处理。 结 论 论文介绍了经济型数控车床改造的内容，在此过程中我不仅运用了以前所学的各个学科方面的知识，而且学到了课本以外的