CA6140卧式车床数控化改造设计毕业设计说明书.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 I 页 CA6140CA6140 卧式车床数控化改造设计卧式车床数控化改造设计 专业 数控设备应用与维护 姓名 何波 指导教师 杨金鹏 鲁亚莉 摘要 企业要在当前市场需求多变 竞争激烈的环境中生存和发展就需 要迅速地更新和开发出新产品 以最低价格 最好的质量 最短的时间去 满足市场需求的不断变化 而普通机床已不适应多品种 大批量生产要求 数控机床则综合了数控技术 微电子技术 自动检测技术等先进技术 最 适宜加工大批量 高精度 形状复杂 生产周期要求短的零件 当变更加 工对象时只需要换零件加工程序 无需对机床作任何调整 因此能很好地 满足产品频繁变化的加工要求 如果将机床设备全部更新换代 不仅资金投入太大 成本太高 而且 原有设备的闲置又将造成极大的浪费 所以最经济的办法就是进行普通机 床的数控改造 采用数控改造技术 不但可以使改造后的机床满足了技术 发展的需要 提高了生产率和产品精度 增大了设备适应能力和型面加工 范围 还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足 所以采用此方法 对中 小型企业来说是十分理想的选择 本设计采用的 GSK980TA1 进行的 数控化改造 GSK980TA1 系统具有性能良好 结构先进 操作轻便等特点 在我国 机械制造行业中使用非常广泛 本设计说明书包括 绪论 总体设计方案 的拟定 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 装等部分的结构设计 关键词关键词 CA6140 车床 数控化改造 进给系统 自动刀架 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 I 页 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 本文选题的背景及意义 1 1 2 数控机床的优越性 1 1 3 数控机床在我国的发展现状 1 1 4 机床数控化改造的必要性 3 第 2 章 总体设计方案的拟定 4 2 1 设计参数 4 2 2 总体方案的确定 4 2 3 改造后机床的特点 7 第 3 章 数控系统软 硬件的设计 8 3 1 数控系统的特点 8 3 2 硬件设计 9 3 3 软件功能 10 3 3 1 显示 11 3 3 2 PMC 控制 11 3 3 3 进给伺服驱动 12 3 3 4 主轴驱动 12 3 3 5 RS 232C 口及数据通讯 13 3 3 6 调机 维护与故障诊断 14 3 3 7 系统的功能 15 第 4 章 机床的电气改 造 16 4 1 数控系统电气控制线的连接 16 4 2 数控系统内部总线上数据信息的传输 16 4 2 1 数控系统与进给控制模块间信息传输 17 4 2 2 数控系统与输入输出模块间信息传输 17 第 5 章 进给伺服系统的设计计 算 18 5 1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算 18 5 2 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算 26 第 6 章 主运动传动系统总体方案的设 计 34 6 1 主运动传动系统的设计 34 6 1 1 无级变速传动系统 34 6 1 2 有级变速传动系统 35 6 1 3 固定传动比的传动系统 35 6 2 电动机的选择 36 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 II 页 6 2 1 电动机工作方式的确定 36 6 2 2 电动机类型的确定 36 6 2 3 电动机型号的选择 36 6 3 箱体的结构设计 36 6 4 主轴脉冲发生器的安装 37 第 7 章 刀架的选 型 38 第 8 章 设计小 结 40 8 1 优缺点分析 40 8 2 设计的改进及扩展 40 总 结 41 致 谢 42 附 录 43 参考文献 46 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 第 1 章 绪论 1 1 本文选题的背景及意义 金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器 他 是制造机器的机器 所以又被称为 工业母机 或 工具机 机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位 机床工业为各种类型 的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备 促进机械制造 工业的生产能力和工艺水平的提高 机械制造工业肩负着为国民经济各部 门提供现代化技术装备的任务 即为工业 农业 交通运输业 科研和国 防等部门提供各种机器 仪器和工具 为适应现代化建设的需要 必须大 力发展机械制造工业 可见 机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的 基础 而机床则是机械制造工业的基础 一个国际机床工业的技术水平在 很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平 1 2 数控机床的优越性 数控机床是综合应用计算机 自动控制 自动检测及精密机械等高新 技术的产物 是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备 它与普通机床相比 其优越性是显而易见的 不仅零件加工精度高 产品质 量稳定 且自动化程度极高 可减轻工人的体力劳动强度 大大提高了生产 效率 特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加 工的复杂曲面的零件加工 因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显 得重要 1 3 数控机床在我国的发展现状 我国是世界上机床产量最多的国家 但在国际市场竞争中仍处于较低 水平 即国内市场也面临着严峻的形势 一方面国内市场对各类机床产品 特别是数控机床有大量的需求 而另一方面却有不少国产机床滞销积压 国 外机床产品充斥市场 90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15 左 右 而 95 年已达 77 严重影响我国数控机床自主发展的势头 这种现象的出现 除了有经营上 产品制造质量上和促销手段上等原 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 因外 一个主要的原因是我国生产的数控机床品种 性能和结构不够先进 新产品 包括基型 变型和专用机床 的开发周期长 从而不能及时针对用 户的需求提供满意的产品 具体地说 这个问题反映在下列五个方面 1 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 15 18 个月 其中设计时间 约为 5 8 个月 占总周期的 40 左右 而国外一些先进机床厂同类基型产 品的开发周期为 6 9 个月 其中设计约 1 5 2 个月 只占 25 因此无论 是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的 差距 2 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具 如分析和评价软件 整机结 构有限元分析方法以及机床性能测试装置等 自行开发的新产品大多基于 直观经验和类比设计 使设计一次成功的把握性降低 往往需要反复试制才 能定型 从而可能错过新产品推向市场的良机 3 用户根据使用需要 在订货时往往提出一些特殊要求 甚至在产品即将 投产时有的用户临时提出一些要求 这就需要迅速变型设计和修改相应的 图纸及技术文件 在国外 这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天 至一周 而在我国机床厂用手工操作就至少需 1 2 个月 且由于这些图纸 和文件涉及多个部门 常会出现漏改和失误的现象 影响了产品的质量和交 货期 4 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数 他们的专业知识和实际 经验不足 又担负着开发的重任 5 由于长期以来形成的设计 工艺和制造部门分立 缺乏有效的协同开发 的模式 不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见 容易造成产品的反 复修改 延长了开发的周期 为解决这些问题 必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术 发展优化和仿真技术 提高产品结构性能 并建立起基于并行工程 Concurrent Engineering 的使设计 工艺和制造人员协同工作和知识共 享的产品虚拟开发环境 使用相应的产品虚拟开发软件 这样才能有效地 解决产品开发的落后局面 使企业取得良好的经济效益 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 1 4 机床数控化改造的必要性 我国目前机床总量 380 余万台 而其中数控机床总数只有 11 34 万台 即我国机床数控化率不到 3 近 10 年来 我国数控机床年产量约为 0 6 0 8 万台 年产值约为 18 亿元 机床的年产量数控化率为 6 我国 机床役龄 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的机床中 自动 半自动机床 不到 20 FMC FMS 等自动化生产线更屈指可数 美国和日本自动和半自 动机床占 60 以上 可见我们的大多数制造行业和企业的生产 加工装备 绝大数是传统的机床 而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床 用这 种装备加工出来的产品普遍存在质量差 品种少 档次低 成本高 供货 期长 从而在国际 国内市场上缺乏竞争力 直接影响一个企业的产品 市场 效益 影响企业的生存和发展 所以必须大力提高机床的数控化率 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性 实用性和稳 定性 所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床 这种做法具 有投资少 见效快的特点 事实证明 用较少的资金 将普通机床改造升 级为数控机床 可以为企业带来可观的经济效益 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 4 页 第 2 章 总体设计方案的拟定 要求将 CA6140 卧式车床改造成用广数系统控制的经济型数控机床 采用伺服电动机半闭环控制 纵向和横向均具有直线和圆弧查补功能 要 求该车床增配自动回转刀架和主轴编码器 具有螺纹切削的功能 系统横 向分辨率达 0 005mm 2 1 设计参数 1 机床最大加工直径 在床身上 400mm 在床鞍上 210mm 2 最大加工长度 100mm 3 拖板及刀架重力 纵向 1000N 横向 600N 4 刀架快移速度 纵向 2m min 横向 1m min max v 5 最大进给速度 纵向 0 6m min 横向 0 3m min 6 定位精度 0 015mm 7 主轴电机功率 7 5KW 8 启动加速时间 30ms 9 最小分辨率 纵向 0 01mm 横向 0 005mm 2 2 总体方案的确定 1 系统的运动方式和伺服控制系统的选择 由于改造后的经济型数 控车床应具有定位 直线插补 圆弧插补 暂停 循环加工 米 英制螺 纹加工等功能 故选择连续控制系统 根据设计要求 采用伺服电机半闭 环控制系统 2 计算机控制系统的选择 根据设计要求控制系统采用 GSK980TA1 系统 GSK980TA1 是 GSK980 系列的最新产品之一 采用了 32 位嵌入式 CPU 和超大规模可编程器件 FPGA 运用实时多任务控制技术和硬件插补技 术 实现 m 级精度的运动控制 确保高速 高效率加工 在保持 980 系 列外形尺寸及接口不变的前提下 采用 7 英寸彩色宽屏 LCD 及更友好的显 示界面 加工轨迹实时跟踪显示 增加了系统时钟及报警日志 在操作编 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 5 页 程方面 采用 ISO 国际标准数控 G 代码 同时兼容日本发那科 FANUC 数控系统 国内主流的编程方式 方便操作者更快 更容易使用本系统 GSK980TA1 以最高的集成度 简易的操作 简单的编程命令 实现高速 高精及高可靠性 可匹配手脉 电子手轮 及手持单元 伺服主轴 六鑫 刀架 带就近换刀 等 具有中高性能数控系统的性能和经济型数控系统 的价格 是经济型数控车床的最佳选择 其特点如下 程序预读功能实现了切削速度最佳的加 减速控制 系统预测控制可预读多个加工程序段 实现了切削速度最佳的加 减 速控制 从而有效地减少了工件形状的转角处或小半径圆弧的伺服跟踪误 差 并有效地提高加工速度和加工精度 彩色宽屏 LCD 有更大的视觉范围 更丰富的显示内容 车载视频彩色 LCD 的采用 使显示界面更丰富 更友好 视觉范围更 大 在较强光线的环境下仍能清晰看到系统显示的内容 倒角 倒圆角 在程序中直接指令倒角长度或倒圆角的半径等尺寸 简化了部件加工 程序的编制 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 6 页 具有辅助轴功能 可控制伺服电机进行定位 匹配伺服主轴 GSK DAP03 时通过速度或位置模式的转换 可实现主轴 的高速旋转及对主轴的精确定位与分度 加工轨迹图形显示功能 反映工件坐标和刀具补偿的刀尖轨迹 进行跟踪显示 超大容量存储器 超大容量存储器 26M 的存储空间 最大 500 个加工 程序 满足多品种 多规格产品的加工需求 一般数控系统的存储空间 100K 程序数量 100 个 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 7 页 3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率 采用齿轮丝杠的减 速方法 为保证一定的传动精度和平稳性 尽量减少摩擦力 选用滚珠丝 杠螺母副取代原车床丝杠 为提高传动刚度和消除间隙 采用有预加载荷 的结构 齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构 经济型数控车床总体结构 框图如图 2 1 所示 光电 隔离 功率 放大 光电 隔离 功率 放大 微 机 伺服 电动机 Z 向 伺服 电动机 X 向 床鞍及拖板 中滑板 图 2 1 经济型数控车床总体结构框图 2 3 改造后机床的特点 1 具有与原机床一致的刚度与强度 2 具有与原机床一致的加工范围 3 纵向进给直线度与原机床一样 其运动精度则有数控系统和纵向电机 滚珠丝杠的精度保证 4 横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证 5 可充分利用机床床身部分的已加工表面作为改造部分的定位和测量基 准 6 改造后的机床外型将类似于国产经济型数控车床 整体较美观 大方 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 8 页 第 3 章 数控系统软 硬件的设计 由于本车床经改造后成为一台专用数控车床 专用于加工车削轴类 盘类零件 因而用广数 GSK980TA1 控制系统实现本数控系统功能 3 1 数控系统的特点 机床数控系统 CNC 系统 是数控机床的控制核心 随着机床数控技术 的不断发展与进步 提高了数控机床的整体性能 尤其是它的加工精度和 生产效率提高得更为显著 现在 数控机床已在机械工业生产中得到广泛 应用 目前市场上流行的数控系统 如 FANUC 西门子 GSK980 等都配置有 车床数控系统 能够胜任车 削加工的大部分工作 并具有价格低廉 可 靠性强 功能强大等特点 在对多家数控系统进行比较后 选择了 GSK980TA1 型数控系统 数控机床应能长期连续加工 其数控系统必须能 够长期无故降连续运行 为保证机床长期可靠地运行 数控系统必须有抵 抗恶劣环境的高可靠运行特性 常年的工作考脸证明 GSK980TA1 系统是可靠的数控系统之一 它能在 一般车间环境下运行 其工作场地的室温为 0 45 相对湿度 75 短时 可达 95 抗震为 0 5 电网电压波动为 10 15 经对使用中系统的实g 际统计 GSK980TA1 系统的故障率为 0 008 比较好地满足了我国市场的 要求 GSK980TA1 系统之所以有非常高的可靠性 主要源自以下因素 1 可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺 2 大规模及超大规模的专用集成电路芯片 GSK980TA1 系统采用了许多由 富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片 3 全自动化工厂生产制造 多层印刷板的制板 元件的插装 焊接 印 刷板的检查 系统的组装 电机投料 冲片 精铸 机械加工 装配 成 品的包装出厂全部为自动化 这就使得在生产过程中避免了外界 人 的不 稳定因素的干预 所以产品的一致性好 增加了可靠性 4 良好的控制软件设计 GSK980TA1 系统经过在国内各地数年的运行 积 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 9 页 累了丰富的数据 因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况 加 入了许多保护和提高可靠性的措施 如开机和状态切换时的层层检侧 过 压 过流 反馈断线等报警 使得机床运行中出现故障时 系统能及时处 理 从而避免了元部件的损坏 5 数字式进给伺服和数字式主轴驱动 数字控制 数据的串行传输大大 提高了运行的可靠性 主轴控制信号的传送使用光缆 使信号减少受外界 来的干扰 3 2 硬件设计 采用 CISC 超大规模集成电路 技术的 GSP 主板 主板上连接可插接 分离的 小模板 对于数控系统 由于其是弱电电路 如果采用 24VDC 为 电源输入 可以大大降低其热源和不稳定因素 用户可以把 24V 稳压电源 放在电气柜内 从而大大提高了整个数控系统的可命性能 GSK980TA1 系统的可靠性好 性能 价格比高 在全国各地己销售 10 余万台 随着大规棋集成电路芯片的发展 GSK980TA1 系统的破件结构已 经改进过多次 目前销售的 TA1 和 TD 其硬件结构基本一样 只是控制轴 数不同 所配置的进给轴驱动电机不同 GSK980TA1 系统的 CNC 单元为大板结构 基本配置有主板 存储器板 I O 板 伺服轴控制板和电源 各板插在主板上 与 CPU 的总线相连 1 主板 主 CPU 在该板上 主 CPU 用于系统主控 原来用 80386 从 1998 年起 改用 80486 DX2 此外 显示的 CRT 控制也在该板上 2 存储器板 该板上有 系统的控制软件 ROM 共 5 片 GSK980TA1 系统可控制 车床 不同类型的机床控制软件不同 伺服控制软件 ROM 1 片 PMC L 的 ROM 芯片 2 片 用于存储机床的强电控制逻辑程序 RAM 芯片 用 于寄存 CPU 的中间运算数据 根据需安装 COMSRAM 用于存储系统和 机床参数 零件加工程序 根据用户要求配置 最大可为 128K 字节 CMOSRAM 与 4 5V 电池相连 关机时保存信息 3 I O 板 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 10 页 该板是 CNC 单元与机床强电柜的接口 接收或输出 24V 直流信号 由 PMC 实施输入 输出控制 I O 点数可根据机床的复杂程度选择 标准配置 为 104 个输入点 72 个输出点 4 进给伺服控制板 GSK980TA1 系统全部用数字式交流伺服控制 其控制板装在 CNC 单元 内 插在主板上 即 CNC 单元与进给伺服为一体化设计 伺服板上有 2 个 CPU TMS320 用于伺服的数字控制 每个 CPU 控制 2 个轴 一块板可控 制 4 个轴 该板接受主 CPU 分配的伺服控制指令 输出 6 个相位各差 60 的脉宽调制信号 每轴 加于各轴的伺服驱动的功率放大器上 TD 系统为 4 轴 最大配里 控制 2 轴联动 只用一块伺服板 5 电源 主要有 5V 直流电 用于各板的供电 24V 直流电 用于单元内各继电 器控制 除上述这些板外 还有图形控制板 PMC M 板 远程缓冲器 REMOTE BUFFER 板 这些板用户可根据自身要求选订 6 PLC 功能的内部集成 PLC 功能的内部集成化 提高了 PLC 和 CNC 的内部通讯能力 增强了 机床的逻辑控制 PLC 的 32 输入和 24 输出模块 可以和外围的电路相连 接 而这种模块 通过阳 M 提供的电缆和刚 M 数控系统连接 这就提高了 整个机床的可靠性 同时又提高了数控系统的保护 如果有间题 只能损 坏这种模块 不会对数控系统造成破坏 光纤技术的通讯 可以扩展 PLC 输入输出点 通过光纤进行连接 简化和线路的连接 7 轴转接模块 GSK980TA1 提供了轴转接模块 机床的编码器和到伺服的线路可以直 接联到此模块 通过它再和数控系统的轴板进行连接 提高了数控系统的 可靠性 如果机床的轴有问题 可以直接把轴模块上的插头相对换 就能 很快的查出问题所在 系统内部或外部 3 3 软件功能 1 CNC 功能 系统软件的开放性和友好界面 帮助性的编程方式 定义的固定循环 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 11 页 并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环 用户集成的 G 代码功能 M 功能和 PLC 功能的调用子程序 E 参数 用户可以通过 E 参 数来读取或改变 CNC 的数值 强大的通讯功能 RS232IRS4221RS485 边加工边传输功能 提高了计算机的 CAD CAM 程序的加工能力 完善的丝 杠螺距补偿 GSK 的螺距补偿为线性补偿 补偿中仅把相应的拐点坐标值 输入即可 并且没有固定的距离和补偿值的限制 2 PLC 功能 梯形图的 PLC 程序 多任务的 PLC 程序的编程结构 提高了 PLC 程序 的编写和可读性 梯形图 PLC 程序在屏幕上的动态显示 方便了最终用户 的维修 丰富的 PLC 和 CNC 交换信息量 PLC 图形界面的管理 3 强大的编程软件 GSKCC 软件 Windows 环境下并运行在 PC 计算机上 PLC 程序的编写 工具 方便的机床程序管理 简便的通讯能力 PCIONC 间为主从关系 所 有操作均在 PC 侧完成 动态的 PLC 程序显示 PC 侧 GSKCC 软件 Windows 环境并运行在 PC 计算机 调整 NC 的机床参数和 伺服系统 图形的动态响应 强大的优化功能 方便地调整系统参数 3 3 1 显示 GSK980TA1 系统的显示器 480 234 点阵 用彩色液晶显示器 LCD 标准为 5 7 GSK980TA1 系统有图形显示功能 对编制的加工程序进行加工前的 图形模拟 模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状 在加工过程中显 示刀尖的轨迹 使操作员能够监视切削过程 图形可局部放大 以便观察 细部 显示图形必须用图形控制板 该板为专用微机 CPU 用 80186 3 3 2 PMC 控制 PMC 就是可编程序机床控制器 是专门用于控制机床的 PLC GSK980TA1 系统的 PMC 只有 47 条指令 基本指令有 12 条 功能指令 有 35 条 基本指令为 2 进制位的逻辑运算 功能指令主要有数据定义 数据变换 译码和代数运算 GSK980TD 系统用梯形图编制 PMC 顺序逻辑程 序 由于有功能指令 使得 PMC 程序编制非常容易 简捷 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 12 页 梯形图可用下述两种方法编制 用专用的编辑卡利用 LCD 液晶显示 画面在系统上现场编制 在计算机上装入专用软件用计算机编制 然后 经 RS 232C 口将梯形图程序传送到数控系统 调试好的程序要用写入器写 入 EPROM GSK980TA1 系统 PMC 控制有 FMC L 和 PMC M2 种 PMC L 的处理机与主 机共用 其处理时间为 6 步 最大步数为 5000 步 PMC M 为专用处理机 徽处理器为 80186 专用一块板 插在主板上 处理时间为 2us 步 最大 步数为 8000 步 2 种 PMC 的扫描周期均为 I6ms 3 3 3 进给伺服驱动 GSK980TA1 系统进给轴的驱动使用交流同步电动机 目前为 a 系列 根据其负载特性和快速性分为 a 标准型 am 高加速特性 ac 经济型 和 aL 低惯量型 最大力矩为 400 0 C 配 a 型 0 D 配置 ac 型 mN am 加速特性好 从 0 至最高转速的启动过程为 24ms 故用于高速加工 电机轴上装有脉冲编码器 每转发出 65536 个脉冲 经电路倍频 用 做位置反馈和速度反馈 这种位置反馈 是间接测量工作台的直线位移 所以称为半闭环伺服系统 但是 只要设定相应的参数 GSK980TA1 系统可 以使用直线光栅尺 使系统接成全闭环 除此之外 还可接成双位置反馈 即同时具有上述 2 个闭环 这样 既可以提高系统的稳定性 还可以提高 系统的快逮性和加工精度 进给伺服单元的控制用前述的轴控制板 该板输出控制指令信号到功 率放大器 功率放大器为模块化结构 分为整流模块和逆变模块 使用 IPM 元件 LSI 是专用位置控制大规模集成电路芯片 ROM 中存储的控制程 序主要有同步电机的快速响应矢量控制 IP 调节器 速度和位里的反馈控 制 前馈和提前前馈控制和状态观测器 此外 还有许多非线性补偿与控 制 如单脉冲抑制 超调抑制 反向间隙加速补偿 机床的速度反馈等 还有运行过程的监测及保护 由于有这些控制 使 GSK980TA1 系统运行可 靠 快速 平稳 精度高 3 3 4 主轴驱动 GSK980TA1 系统可以同时控制 2 个主轴电动机 可以是 2 个数字式控 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 13 页 制的电机 也可以一个为数字式 另一个为模拟式控制电机 模拟控制指 令是 0 10V 的直流电压 该系统的主轴电机为异步电机 目前为 a 系列 有以下品种 a 标准型 恒功率调速范围 4 1 aP 恒功率宽调速范围型 8 1 aC 经济型 aT 与主轴直连型 主轴电机的最大功率为 37kW 最 高转速可达 15000r min 用数字式矢量控制 主轴驱动有速度控制和位置控制 2 种工作方式 普通加工为速度控制 主轴电机轴上装有圆型的磁性传感器 用做速度反馈 位置控制用于主轴 同步 主轴定向 刚性攻丝 Cs 轴轮廓控制 因此需要控制主轴的转角或 转位 轮廓控制时要与其它轴插补 此时需在机床的主轴上装位置编码器 位置编码器有光电式和磁性传感器 普通为每转发出 1024 个脉冲 高精 度的发出 360000 个脉冲 转 主轴控制用单独的 CPU 控制 处理器为 TMS 320 从 CNC 单元输出的 控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元 数据为串行传送 因此可靠性 比较高 3 3 5 RS 232C 口及数据通讯 GSK980TA1 系统有 2 个串口 RS 232C 分 4 个通道 用于系统与外部 设备的数据交换 交换的数据包括 系统及机床的设定参数 PMC 参数 零 件加工程序 刀具补偿值 设定的工件坐标系 丝杠的螺补值等 与计算 机相连时 计算机内必须装有数据传送软件 最快的传送速率为 9600bps 除上述的信息交换外 利用串行通讯还可实现下列方式的在线加工与 机床的 DNC 管理 1 纸带方式的加工 加工复杂零件时 加工程序非常长 CNC 的内存 容量不够用 可将程序存于外设 如计算机的软盘 用电缆将 PC 机与 CNC 经串口连接后 启动自动加工 CNC 预读 15 个程序段 开始加工 此后加 工一段读入一段 直至结束 2 远程缓冲 REMOTEBUFFER 上述方式虽然解决了长程序的存储问题 但由于数据的边读入 边处理 边加工 所以加工速度慢 对于小程序段 快速加工 走刀有停顿现象 为此 开发了 REMOTEBUFFER 功能 该功能 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 14 页 可实现数据块的传送 有 2 种工作方式 计算机存储的加工程序是通常 的加工代码指令方式 缓冲器接受后变为 2 进制 然后送到 CNC 执行 计算机存储的加工程序是按 2 进制编制的 缓冲器收到后不经转换即送往 CNC 执行 这 2 种方式都比纸带方式的加工速度快 数据传送速率最快为 77900bps 最诀加工速度为 15m s 电缆最长可达 100m 无调制解调器时 3 DNC2 它可使 8 台 CNC 机床与主计算机远程相连 实现多台机床的 加工监控与管理 连接方式为点 点式 数据传输协议为 LVS2 传送速率 最高为 19200bps CNC 与主计算机交换的信息除了系统和机床的参数 加 工程序 加工的设定值外 还可传送机床的工作状态 如自动加工启动 停止 加工中暂停 报警等 DNC2 共设计了 60 多条指令 主计算机必须 根据这些指令格式编制相应的处理程序 编程语言用 C 为方便用户 可 提供宏指令库 3 3 6 调机 维护与故障诊断 1 伺服参数设定与调整 为了方便调机 系统的 CRT 有进给伺服参数 设定画面和调整画面 在参数的设定画面上 只需设定初始化位 电机代 码等参数即可设定好所用电机的标准参数 使电机稳定运行 其中的柔性 变速比可设定电机与滚珠丝杠及位置反馈传感器 脉冲编码器 之间的齿轮 传动比 该变比可以不为整数 在伺服调整画面上可以定量地读出机床工 作台移动时各轴的伺服增益 伺服误差及其变动情况 据此 可判断系统 运行是否稳定 有无爬行以及跟随精度等 根据情况进行适当的调整 有 故降时该画面还显示伺服的报警 2 主轴参数设定 输入主轴电机的代码及初始化位即可设定好主轴电 机的标准参数 电机即可稳定运行 主轴运行有监视画面 在该画面上可 读出主轴电机的转速 负载百分比及主轴的转速 从而可以省去通常的转 速表和负载表 3 加工程序错误显示 程序出错时 CRT 上显示报警号 根据报警号 可由说明书中查出错误原因 报警表是多年经验的积累 几乎所有的编程 错误都可从该表中查出 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 15 页 4 运行故障显示 CNC 控制软件的运行 硬件的各主要元件 伺服控 制 主轴控制等出现故障时 CRT 上均显示相应的报警号 GSK980TA1 系 统对这些故障有较好的保护 例如 伺服反馈断线形成大开环时 既不会 撞车 也不会损坏元件 5 I O 信号诊断 CRT 可显示梯形图 在该图上可以检查机床强电信 号的工作 CRT 还有诊断画面 通过该画面 根据信号的地址检查 0 1 状 态变化 可判断其是否正常工作 3 3 7 系统的功能 GSK980TA1 系统为全功能型 下列一些功能增加了系统的应用范围和 操作的方便 Cs 轴轮廓控制 可以省掉 Cf 轴 用主轴的转动作为回转坐标与其它 直线轴插补 加工轮廓曲线 刚性攻丝 Z 轴进给与主轴转动同步 不用 弹簧卡头实现攻丝 从而提高了螺纹的加工精度 PMC 轴控制 用梯形图 程序控制伺服进给轴 用于回转轴分度或定量位置进给 0 C 系统 PMC 可 控制 2 个进给轴 主轴双刀架 0 1um 分辨率 系统分辨率标准设定为 1urn 可用参数设定为其 1 10 加工程序的后台编辑 自动切削过程中可 以编辑新的程序 菜单编程 图形会话在线自动编程 有多种形式 最新的是符号指令形式 易学 易操作 有工艺参数语句 用户宏程序 一 种参量编程软件包 用来编制加工程序 适合于成组工艺 或者用其接口变 量编制 PMC 程序 控制 CNC 的运行状态 CNC 是本系统的核心部分 用以完成人机对话与通讯 解释机械加工 语言 分配加工任务 以及协调各功能模块的工作等 辅助控制部分包括 机床的冷却系统 润滑系统与主轴运动等方面的控制 同时在主轴箱内安 装编码器 以构成加工螺纹所需的主输系统 c 轴 选用 IOO Opmr 的编码 器 由于主轴大齿轮为 128 齿 m 5 故编码器前端齿轮选用 20 齿 其速 比为 6 4 1 则主轴每转一转 编码器将返回 6400 个脉冲 经四分频后 每转计数脉冲为 25600 分辨率为 50 625 秒 脉冲 完全满足数控系统对 C 轴的反馈精度要求 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 16 页 第 4 章 机床的电气改造 4 1 数控系统电气控制线的连接 原机床已有一个电控柜 里面放置了开关 继电器 接触器等 根据 改造后的电气原理图 设计制作电控柜 淘汰了原有的电控柜 GSK980TA1 数控系统外围接口棋块如下 1 RS 232 通讯接口 2 X 轴 Z 轴及主轴控制接口 用来控制 X 轴 Z 轴伺服电机的运动及 主轴的转速 3 编码器反馈信号接口 用于与主轴电机的编码器的连接 编码器的 作用是将转速信号转换为脉冲信号 从而实现了对主轴转速的检测 这在 螺纹加工的时候是不可缺少的 4 手摇脉冲发生器接口 实现手动 联动切削 5 开关量输入输出接口 输入信号主要用于 X Z 方向是否超程的检 测 刀架的位置检测 坐标原点位置检测等 输出信号主要用于主轴的转 速控制 主轴的正 反转或停止控制 主轴的冷却液的开 闭控制 刀架 正 反控制等 另外 输入模块除接受一般的 24VDC 开关量外 还可以接 三线式的接近传感器信号 这样对该机床的一些三线式接近开关 提供了 方便可靠的连接 6 机床操作面板接口 GSK980TA1 机床操作面板有多达 39 个自定义 键 面板与系统采用光纤连接 结合该机床控制操作的自身特点要求 在 机床立板上定义了一些操作键 完全满足了机床控制的要求 7 模拟输入输出及外部中断接口 此接口为机床提供了一个灵活的模 拟输出口 便于与其它模块相连 8 密集型面板接口 可通过密集型面板进行参数设定 输入零件加 工程序 实时跟踪加工情况 4 2 数控系统内部总线上数据信息的传输 数控系统与功能模块间的数据交换可方便地利用总线进行 系统中总 线上的数据信息传递是通过公共数据区进行的 如数控系统将数据写入进 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 17 页 给控制模块的公共数据区 供模块内 CPU 随时读取 同样进给控制模块 CPU 发出数据信息也要写入公共数据区 供数控系统随时读取 为了保证系统的高效运行 要求所传输的每个数据信息都应选用最有 效率的信息 即是必须传输的 意义准确完整的 和尽量选用使用频率高 的信息 这有助于提高系统的可靠性 运行效率和减少信息传输费用 以 下为机床数控系统内部总线上传输的各种信息 4 2 1 数控系统与进给控制模块间信息传输 数控系统发出 设定值 控制参数 PID 调节参数 行程极限 速度极限 控制字 进给控制运行 运行 停止等 进给控制给定 位置进给量 速度进给量 进给控制模块发出 运行状态 正常运行 加工受阻 停止加工 运行参数 实测位置 实测转速 4 2 2 数控系统与输入输出模块间信息传输 数控系统发出 主轴转速设定值 逻辑控制 控制刀架 冷却泵 冷却阀等 输入输出模块发出 实测主轴转速值 运动逻辑状态 刀具到位识别 液压卡盘夹紧 主轴超速 机床原点 越 位限制等 对上列数据信息 根据其表示方式与内容要求 在控制系统中 为它们各自分配存储空间 设计传输通道 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 第 5 章 进给伺服系统的设计计算 5 1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算 1 切削力的计算 由 机床设计手册 可知 切削功率 KPPc 式中 主轴电动机功率 PKWP5 7 主传动系统总效率 一般为 0 75 0 85 取 8 0 进给系统功率系数 取 K96 0 K 则 KWKWPc76 5 96 0 8 05 7 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转 速来计算 即 3 10 60 vF P Z c 式中 主切削力 N Z F 切削速度 m min v 按最大切削速度计算 取m min 则主切削力100 v NN v P F c Z 345610 100 76 5 60 10 60 33 由 机床设计手册 可知 在外圆车削时 ZX FF 55 0 1 0 ZY FF 65 0 15 0 取纵向切削分力 横向切削分力 则 ZX FF5 0 ZY FF6 0 NNFF ZX 172834565 05 0 NNFF ZY 6 207334566 06 0 2 滚珠丝杠设计计算 螺纹滚道型面的选择 单圆弧型面 双圆弧型面 要求 经济 易调试 稳定 方案 选用双圆弧型面 原因 双圆弧型面的接触角不变 双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些脏 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 19 页 物 这对滚珠丝杠有利而不致堵塞 滚珠循环方式 内循环 外循环 方案 选用外循环 原因 结构简单 工艺性优良 适合成批生产 经济实用 适用于重载荷 传动 高速驱动及精密定位系统 是目前应用最广泛的结构 轴向间隙的调整和预紧力的选择 垫片式 螺纹式 齿差式 要求 经济可靠 易拆装 刚度高 方案 选用双螺母垫片式预紧 原因 结构简单 装卸方便 刚度高 3 计算进给牵引力 N 可根据 机床设计手册 中进给牵引力的 m F 试验公式计算 纵向为三角形导轨 则 GFfKFF ZXm 式中 切削分力 N X F 颠覆力矩影响的试验系数 K15 1 K 滑动导轨摩擦因数 取 f18 0 15 0 f16 0 f 溜板及刀架重力 GNG1000 则 NNNFm16 2700 10003456 16 0 172815 1 4 计算最大动载荷 N C mHW FfftC 3 其中 6 10 60nT t 0 1000 P v n s 式中 寿命 以为 1 单位 t 6 10 丝杠转速 n 滚珠丝杠导程 0 P 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 20 页 最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1 3 1 2 s v 本机床取 1 2 运转系数 按一般运转 取 W f5 12 1 W f3 1 W f 硬度系数 为 60时 1 小于 60时 H fHRC H fHRC 1 本机床取 1 H f 使用寿命 按 15000h 计算 T 则 min 50min 6 5 06 010001000 0 rr P v n s rr nT t万万45 10 150005060 10 60 66 NNFfftC mHW 8 1248516 270013 145 33 5 选择滚珠丝杠螺母副 查 机械零件设计手册 根据 是丝杠的额定载荷 见表 5 1 的原则 使选取的滚珠丝杠 a CC a C 的额定动载荷大于计算的最大工作载荷 由上面初选丝杠导程及计算所得 的最大动载荷 选取丝杠型号为 CDM4006 5 的额定动载荷为 28771N 12485 8N 故强度足够 CDM4006 5 型号滚珠丝杠具体参数见 表 5 1 表 5 1 CDM4006 5 型号滚珠丝杠具体参数 公称直径 mm 导程 mm 钢球直径 mm 丝杠外径 mm 螺纹底径 mm 额定载荷 N 0 d 0 P W D 1 d 2 d a C a C0 接触刚 度 N um 4063 96939 535 128770959702191 螺母安装连接尺寸 mm D 1 D 3 D 4 DB 5 D 6 DhL 1 LCAM 71 110901591591385473M6 6 滚珠丝杠的验算 1 传动效率计算 根据 机械原理 丝杠螺母副的传动效率为 0 tan tan 0 式中 摩擦角 0 1 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 21 页 螺旋升角 根据 可得 公称直径 螺距 14 3 tan 372 则 966 0 01372tan 372tan tan tan 0 2 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用 将引起导程的 0 P 变化 因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小 可忽略不计 所以工作 负载引起的导程变化量为 0 P EA PF P m0 0 式中 材料弹性模量 对于钢 EMPaE 4 10 6 20 26 10 6 20cmN 滚珠丝杠的截面积 按丝杠螺纹底径确定 即 Adcmd51 3 则 22 67 9 4 cmdA 滚珠丝杠导程 0 PcmmmP6 06 0 其中 用于拉伸时 用于压缩时 cm EA PF P m6 6 0 0 10133 8 67 9 10 6 20 6 016 2700 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化很小 可以忽略不计 即 P 所以导程变形总误差为 01 PP 总 P 0 0 P P P P 总 总 式中 纵向最大行程 由 机床说明书 可知 总 P 则cmmmP90900 总 mmP 2 1210133 8 6 0 90 6 总 由 机床说明书 可知 丝杠纵向有效行程为 900mm 且丝杠精度等 级为 3 级 查 机械零件设计手册 电子版 有效行程内的目标行程公 u l 差和行程变动量见表 5 2 纵向行程允许的行程变动量为 p e up V 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 22 页 17 CDM4006 5 的为 12 28824 4N 故强度足够 CDM2004 5 型号滚珠丝杠具体参数见 表 5 4 表 5 4 CDM2004 5 型号滚珠丝杠具体参数 公称直径 mm 导程 mm 钢球直径 mm 丝杠外径 mm 螺纹底径 mm 额定载荷 N 0 d 0 P W D 1 d 2 d a C a C0 接触刚 度 N um 2042 38119 717 010639287221178 螺母安装连接尺寸 mm D 1 D 3 D 4 DB 5 D 6 DhL 1 LCAM 40 6653115 81061003943M6 6 滚珠丝杠的验算 1 传动效率计算 根据 机械原理 丝杠螺母副的传动效率为 0 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 29 页 tan tan 0 式中 摩擦角 0 1 螺旋升角 根据 可得 公称直径 螺距 14 3 tan 463 则 972 0 01463tan 463tan tan tan 0 2 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用 将引起导程的 0 P 变化 因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小 可忽略不计 所以工作 负载引起的导程变化量为 0 P EA PF P m0 0 式中 材料弹性模量 对于钢 E 26 10 6 20cmNE 滚珠丝杠的截面积 按丝杠螺纹底径确定 即 Adcmd7 1 则 22 27 2 4 cmdA 滚珠丝杠导程 0 PcmmmP4 04 0 其中 用于拉伸时 用于压缩时 cm EA PF P m 6 6 0 0 1096 17 67 9 10 6 20 6 016 2700 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化很小 可以忽略不计 即 P 所以导程变形总误差为 01 PP 总 P 0 0 P P P P 总 总 式中 纵向最大行程 由 机床说明书 可知 总 P 则cmmmP24240 总 mmP 78 101096 17 4 0 24 6 总 由 机床说明书 可知 丝杠纵向有效行程为 900mm 且丝杠精度 等级为 3 级 查 机械零件设计手册 电子版 有效行程内的目标行程l u l 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 30 页 公差和行程变动量见表 5 5 纵向行程允许的行程变动量为 p e up V 12 CDM4006 5 的为 10 78 12 故刚度足够 m 总 P m m 表 5 5 有效行程内的目标行程公差和行程变动量 单位 u l p e up Vm 精度等级有效行程 mmlu 12345 大于至 p e up V p e up V p e up V p e up V p e up V 3156688121216162323 80010001191513211729254033 3 稳定性校核 要使滚珠丝杠不失稳的条件是 临界负载荷 根据公式 max FFk K L EIf F k k 2 2 式中 丝杠支承方式系数 查 机械零件设计手册 可知 k f 双推简支 0 2 k f 材料弹性模量 对于钢 EMPaE 6 10 6 20 丝杠两支承端距离 查 机械零件设计手册 可知 L CDM2004 5 丝杠两支承端距离为 600mm 60cm 滚珠丝杠的静安全系数 取 K4 1 K 截面惯性矩 I 其中 4 64 dI 2 1 0W Ddd 滚珠丝杠的公称直径 0 dcmmmd220 0 滚珠丝杠的滚珠直径 则 W DcmmmDW2381 0 381 2 444 41 0 2381 0 2 12 64 cmcmI NNFk11566 4 1 60 41 0 10 6 2014 3 0 2 2 62 7 确定齿轮传动比 可由式计算 其中 0 360 P i b p 步 005 0 mm p 参考 实用微电机手册 初选 则 b 75