CA6140型车床的经济型数控改造设计（横向）.doc

1 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，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。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：a横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速）快进速度：X向 1000 3000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2 总体方案设计由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1 机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。2.2 数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。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。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。 光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx图 2-1 CA6140车床数控改造的总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。3 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.1 横向进给系统的设计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，以保证同轴度，提高传动精度。此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和CAD图纸等.请联系扣扣：二五一一三三四零八 另提供全套机械毕业设计下载！4.3.5自动换刀程序设计当数控程序中有T指令时,中央处理器经过判断就发出换刀命令,启动换刀电机正转,通过内部机构带动刀架转动到达指定位置后停止转动,而后开始反转。当反转使刀架紧固后停止反转,完成换刀过程。自动换刀程序根据换刀电机的控制电路设计。其换刀电路的设计思想是:采用一个输出口的二位信号线分别控制电机正、反转；用一个输入口的二位信号线分别检测电机正、反转时换刀到位和压紧状态。其程序设计的主要内容为:a.读入刀架当前所在位置；b.与输入指令所要求的刀具位置进行比较,确定是否换刀；要换刀则继续下面工作,否则记录刀具新位置号结束；c.转动刀架到达刀具新的位置后,延时以确保到位,反转压紧；求新刀位号,转b.继续判位。下面是控制自动换刀程序,说明如下:a.M表示输出口地址,D0为控制电机正转信号线,”1”有效；D2位控制电机反转信号线，”1”有效。b.N表示输入口地址,D1为检测正转(刀位)到位,”1”有效；Ds为检测反转夹紧状态，”1”有效。c.8031内部RAM中41H单元中存有现在刀具位置的代码；40H单元中存有本次需要换刀的刀位代码。开始初始化定义输入输出口关换刀电机设置刀位指针电机正转到指定刀位? Y N换刀结束刀架抬起继续转动旋转一个刀位? N停止正转延时1s Y 电机反转,刀架下落刀架夹紧? N记录刀位 YN刀架转一周? Y重新记录 图4-12自动换刀程序框图5 结论经过经济型数控改造后的CA6140型普通车床，采用以8031单片机为核心的数控装置对加工过程进行控制处理，其横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范围为 3 1000mm/min （无级调速），快进速度可以在1000 3000mm/min内任意设定。而且运行可靠，抗干扰能力强。改造后的经济型数控车床不但实现了CA6140型普通车床的原有功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高，利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度，给企业带来了巨大的经济效益。和选用新的数控车床相比，经济型数控车床为企业节约了大量的购买资金，还节约了订购新的数控车床的交货周期的时间，而且没有造成原有设备的闲置浪费。因此，它适合于中小企业的车床改造。 由于本人的水平有限，在数控系统设计方面还不尽满人意。尤其是软件这一部分，可以用C语言来编写源程序，然后通过Keil软件将其转化为单片机能识别的汇编语言。因为C语言逻辑性比较强，易理解，在以后的设计中可以改进。 参 考 文 献1张新义主编.经济型数控车床系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.2机床设计手册编写组编机床设计手册2零件设计（上册）M北京：机械工业出版社，1980.3成大先主编机械设计手册单行本联接与紧固J北京：化学工业出版社，2004.14徐灏主编.机械设计手册第二版第三卷M.北京：机械工业出版社,2000.65赵松年、戴志义主编.机电一体化数控系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.6赵松年、张奇鹏主编.机电一体化机械系统设计M.上海：同济大学出版社，1990.7黄家善主编.计算机数控技术M.北京：机械工业出版社，2004.1.8李善术主编.数控机床及其应用M.北京：机械工业出版社，2001.59国家教委高等教育司、北京市教育委员会编.高等学校毕业设计（论文）指导手册M.北京：高等教育出版社，1998.10丁原杰主编.单片微机原理及应用第二版M.北京：机械工业出版社，1999.8.11王宗荣主编、左晓名、鲁屏宇副主编.工程图学M.北京：机械工业出版社， 2001.8.12甘永立主编几何量公差与检测第五版M上海，上海科学技术出版社，2001.413成大先主编机械设计手册单行本机械传动M北京：化学工业出版社，2004.114朱晓春主编.数控技术M.北京：机械工业出版社,2001.515陈秀宁、施高义编.机械设计课程设计M.浙江.浙江大学出版社出版，1995.8.16李国农普通车床的经济型数控改造实例J水利电力机械：2001-8，23（4）：43-47.17龙世杰.CA6140车床的经济型数控改造J.机电一体化：1998，（5）：51-53.18石大光.普通车床的数控化改造J.中国钼业：2000-10，24（5）：38-40.19胡光耀.普通卧式车床的经济型数控改造J.贵州农机化：2001，（5）：42-43.20胡柳,龙源.微机在数控车床上的应用J.山东机械：2000，（6）：34-36.21曹凤.通用PC数控系统设计及其在机床数控化改造中的应用J.电讯技术：2002，（4）：42-44.22李耀光,路春光,段润宝.普通车床数控改造的结构设计J.改装与维修：1998，（1）：53.23王玉兴,曹金海,张杰.普通车床数控改造中机械部分的改装方法研究J.机械制造：1996，（3）：38-39.致 谢附 录1 CA6140型车床经济型数控改造（横向）装配图 CAJJX6140-02-00 A0 2 透盖 CAJJX6140-02-01 A3 4 联接套 CAJJX6140-02-03 A45 轴 CAJJX6140-02-04 A3