数控技术在普通车床改造上的应用论文

数控技术在普通车床改造上的应用 目 录 1 机床的数控改造 床数控改造的必要性 控化改造的特点 2 改造整体方案的确定 3 机械部分的设计计算 向进给系统的设计计算 削力计算 珠丝杠设计计算 轮及步进电机的相关计算 进电机的选择 向进给系统的设计计算 削力计算 珠丝杠设计计算 4 数控系统硬件电路设计 控系统基本硬件组成 板机控制系统设计 要技术特性及硬件配置 储器空间分配 ： 本文分析了国内外数控机床发摘的动向及数控改造普通机床的必要性。文中结合实际对 床的原有结构进行了大量的改动，利用微机对纵、横进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为 脉冲，横向脉冲当量为 冲。驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杆。针对实际情况，选用 件设计采用模块化设计，重要 包括主模块，子程序模块和定时中断模块。 关键词： 普通车床 数控改造 结构设计 控制系统 1 机床的数控改造 床数控化改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬间准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以符合成复杂的曲线或曲面。 2)可以实现加工的自动化。而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37 倍。由于计算机有记忆和 存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬动。 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6)由以上 5条派生出的好处。如：降低了工人的劳动强度，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期 ，可对市场需求作出快速反映等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 从宏观上看，工业发呆国家的军、民机械工业，在 70年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其实质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 ，还包括在产品开发中推行 拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 而日本在 1994 年已达到 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 控化改造 的特点 1)减少投资额、交货期短。同购置新机床相比，一般可省下 60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤为明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50%左右。 2)机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的车床、立株等基础条件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种接焊构件，改造后的机床女性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制 ，不宜做突破性的改造。 3)熟悉设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求，改造则不然。可以精确地计算出机床的加工能力：另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 4)分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 5)以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 2 改造整体 方案的确定 在我国设备数控改造时，较多采用步给电机作为私服驱动元件。步给电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件，当激磁绕组按一定规律获得分配比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。 步进电机结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，实际制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，机电时间常数小，反应快。但步给点饥也有缺点，主要 是容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频率振动大，冲击大，有时还有自激振荡。补给电机没有过载能力，当工作条件变动时，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不高的经济型简易型数控设备中。 微 机 光电隔离 光电隔离 功率放大 功率放大 步进电 机 步进电 机 横向工作台 采用直流或交流伺服闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动 系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度影响，一般应用与要求高的数控设备中。另外，由于闭环控制使机械传动得各个环节都综合作用于反馈信号，因此对系统得稳定性造成影响因素都严格控制把关。由于改造数控车床的目标工件加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。 采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步给电机开环控制：反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制，调试比 开环控制步给要困难些，设计上也要有其自身的特点；另外反馈环节外的传动元件将会直接影响机床精度和加工精度，因此在设计也必须重视。 查看了 车床改造后拟加工的零件要求，确定数控系统的选用步进电机拖动的开环系统，纵向脉冲当量为 冲，横向脉冲当量为 冲。该系统的伺服驱动装置主要是步给电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使不给电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通 电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步给电机角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构单调，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。 数控改造中主要机械部件改装，一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上任要求。不恩能够认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数 控机床的要求，还应对主要部件进行相与的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切削及硬砂粒进入渠道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取列，即外插管变螺距型滚珠丝杠副。其优点是螺母的轴向尺寸小，切已经预加载荷消除间隙。 纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱和溜板箱，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安置在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，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度只可能增加。 横向进给机构改造。保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零的操作，原有的支承结构也保留。步给电机 了便于安装滚珠丝杠，丝杠轴不是整体的，而采用分移式，然后用套筒刚性联接。 纵、横向进给机构都采用一级齿轮减速，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。当负载变大时，弹簧力显小，起不到消除间隙的目的；当负载小时，弹簧力有显大，则加速齿轮的磨损。应次，采用定期人工调整、螺钉紧固的方法消 除间隙。 拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。在溜板箱上安装纵、横向快速进给按钮和急停按纽。 3 机械部分的设计计算 向进给系统的设计计算 工作台的重量：根据图纸进行粗略计算 W=80间常数： T=25珠丝杠导程： S=6程： L=640冲当量： p=距角： =速进给速度： m/削力计算 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，为 4 主传动系统总效率，一般为 0。 65； K 进给系统功率系数，取 则 又因为 所以 120 式中： V 切削线速度，取 100m/ 主切削力 =金属切削原理可知，主切削力 表得 881 则可计算如表 1 所示。 表 1 Ap(2 2 2 3 3 3 F(Z=( 52，切削深度 刀量 f=参数作为下边计算的依据。 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车剖时 z=z=珠丝杠设计计算 由机床数控系统一书得知，综合导轨车床丝杠的轴向力 P=k f(F z +W) 式中： k =f= 强度计算 寿命值： L=60n nt=n 主 =1000 取工件直径 D=80表得 T=15000h,则 00010006 =20r/=602015000106 =18 最大动负载 Q=3 L fw 表得 ,运转系数 度系数 ,则 Q=18 1 780N 根据汉江机床厂滚珠丝杠产品样本 ,选取滚珠丝杠公称直径为 32,选用的型号为6额定动载荷是 10689N,所以强度足够用。 效率计算 = + ) 式中：摩擦角 =10 ;螺旋升角 =3 25。 则 = 525+10 ) =刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 0的变化量 L 0 =106N/=(2=( )2则 - 10 6 210珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 可忽略 ,所以 = =10m=m 查表知 5刚度足够 . 定性计算 由于机床原丝杠直径为 30选用的丝杠直径为 32承方式不变 ,所以稳定性不存在问题 ,故不在计算 . 轮及步进电机的相关计算 设计计算公式均来自机床设计手册。 有关齿轮计算 传动比 i= p= 360取 2 0 m=2 b=20 a=20 d1=4 d2=0mm 8 4mm 9 5mm a=d 1+d 22 =72 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 180 2M=180 80=杠的转动惯量 1010轮的转动惯量 102=1084 2=机转动惯量很小可忽略 1221 = 2 = 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=f+大切削负载耐所需力矩 M=f+t 快速进给对所需力矩 M=0 式中 : 折算到电机轴上的附加摩擦力矩 , 10m 当 n= =2000= 10m=当 n=t=n 主 =1000100010004806 = 10m= 0i =fi 当 = f = 0 0i ( 0=加载荷 3 ( =所以 ,快速空载启动所需力矩 M=f+切削时所需力矩 M=f+t=快速进给时所需力矩 M= 0=从以上数据 分析 ,所需最大力矩 进电机的选择 步进电机的最高工作频率 : p= 200060进电机的选择 对于工作方式为三相六拍的步进电机 =31.6 查表选用 110支流步进电机 ,其最大静转距是 800N81.6 向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似 ,所用到的公式不再详细说明 . 工作台重量 :根据图纸粗略计算 W=30间常数 : T=25珠丝杠导程： 4旋 行程： 190冲当量 : p=距角 : = 1/3，取 1/2。则切削力约为纵向的 1/2 2 切断工件时 珠丝杠设计计算 强度计算 对于燕尾型导轨 P=f () 取 k=f = P=0)=命值 L=60n =60 15 15000106 =大动负载 据汉江机床厂滚珠丝杠产品样本 ,选取滚珠丝杠公称直径为 20,选用型号是6 ,其额定动载荷为 5303N,所以强度足够用 . 效 率计算 螺旋升角 =3 38 ,摩擦角 =10 = + ) = 838+10 ) =刚度计算 滚珠丝杠受工作负载 0的变化量 2 0014 Y 26 滚珠丝杠受扭距引起的导程变化量 忽略。则 0108 0 0 601 由于 5刚度足够。 稳定性计算 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，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增大，故不再验算。 4 数控系统硬件电路设计 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。硬件组成系统的基础，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。机床数控系统硬件电路概括起来由以下四部分组成。 (1)中央处理单元 (2)总线，包括 数据总线 (地址总线 (控制总线 ( (3)存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器 。 (4)I/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备部分电路协调工作。 存储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/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁，三总线则是 存储器、接口以及其他转换电路联接的纽带，是 部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 由于 我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强 ，制造和维修较方便。因设计的是简易型经济数控车床，其性能完全满足需要，所以选用 成的单板机作为数控控制系统。 存储器 板机控制系统设计 要技术特性及硬件配置 中央处理器为 统始终为 1。 9968体频率为 3。 9936 存储器选用 3 片 2k8 位的 2761片 2K 8位的 506116的读写周期小于 200时钟周期是 500以在 搭配上符合要求。 监控程序固化在一片 2716，各功能模块程序存放在另一片2716，剩下的一片 片用语存放常用零件的加工程序。这样安排的好处是更换零件加工程序时，只需更换一块芯片即可。 2 片 6116为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。 I/O 接口芯片选用 的 A 口做为 X、 Y 进给系统步进脉冲的输出口，其中 X 向的输出口 , Y 向输出口 ,B 口为位控方式 ,其中 +X、 -、 +Y、 行程越位信号输入， 急停信号 输入， 警信号输出。 数器 /定时器芯片一片，它的 4 个通道中 0#和 3#在应用程序中使用，其余监控程序使用。 显示由 6 位 成。 具有 31 个