CA6140普通车床的数控技术改造.doc

抚州职业技术学机电系2011届 机电一体化及数控技术专业 毕业论文CA6140普通车床的数控技术改造（机械部分）姓名：邱顺军学号：08321414专业：数控技术班级：08级（083214）指导老师：王良生2011年5月1.3.1 主要研究内容1.机械部分改造2.电气部分改造3.软件设计（编程）2 机械部分改造2.1 设计方案的确定利用数控装置对纵横进给系统进行开环控制，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CA6140普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2-1所示。图2-1 CA6140型车床的数控化改造结构原理图操作时，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。202.2机械部分改造42.2.1纵向进给系统的计算与设计1. 纵向进给系统的设计 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，外观不必像产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，如图2-2所示。 图2-2 数控改造的总体方案示意图2. 纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=750N 时间常数： T=28ms 滚珠丝杠基本导程： =8mm 行程： S =700mm 脉冲当量: p=0.02mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =2.5m/min (1) 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （2-1） 式中 N电机功率，查机床说明书，N=4kW； 主传动系统总效率，一般为0.60.7取K进给系统功率系数，取为K=0.96。 则： =40.650.96=2.496 kW 又因为 （2-2） 所以 式中 v切削线速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） 由金属切削原理可知，主切削力 （2-3）查表得： =188kgf/=1880MPa =1 =0.75 =1则可计算如表2-1所示： 表2-1 计算结果222333f（mm）0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 当=1520N时，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此参数作为下面计算的依据。 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： =（0.10.6） =（0.150.7） （2-4）取： =0.5Fz=0.51527.6=763.8N =0.6Fz=0.61527.6=916.5N(2) 滚珠丝杠设计计算 A.滚珠丝杠副传动的特点：1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为=0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍（滑动丝杠效率为0.20.4）。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/41/3。2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。3) 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。4) 有可逆性，可以从旋转运动换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主传动。5)磨损小，使用寿命长，精度保持好。6) 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。B.滚珠丝杠副的精度与代号根据机械工业部标准滚珠丝杠副精度的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为六个等级，即C,D,E,F,G,H级，C级精度最高，其余一次逐级降低各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度的要求如表2-2表2-2 滚珠丝杠 副精度要求表机 床 种 类坐 标 方 向XYZW开环系统数控压力机标准级标准级数控绘图机标准级标准级数控车床标准级精密级标准级数控磨机精密级精密级数控线切割机精密级精密级数控钻床标准级普通级标准级数控铣床标准级标准级标准级数控镗床精密级精密级精密级标准级数控坐标镗床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级自动换刀数控机床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级标准级坐标镗床、螺纹磨床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级普通机床、通用机床普通级普通级普通级 滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差，丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动，丝杠和螺母表面粗糙度，由预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动，有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠公称直径尺寸变动量等。在开环数控机床和其他精度机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定，因此传动精度始终是滚珠丝杠的最重要的质量指标。 C.综合导轨车床丝杠的轴向力： （2-5）式中 K=1.15， =0.150.18，取为0.16。则 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N1) 强度计算： 寿命值 （2-6） （2-7） 取工件直径 D=80mm，查表得 =15000h 则： =10001000.3/3.14806=20r/min =602015000/=18最大动负载 Q= （2-8）查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1则 Q=1.211250.8=3933.6N 根据最大动负载Q的值，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FB系列，滚珠丝杠直径选为32mm，型号为FB326-5-，其额定动载荷是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： （2-9）式中 摩擦角=10 螺旋升角=325则 =0.9533) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 （2-10）式中 =6mm=0.6cm； E=20.6滚珠丝杠截面积 则 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。所以：导程变形总误差为 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。4）稳定性验算： 由于机床原丝杠直径为32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不在验算。(3) 齿轮及转矩的有关计算1) 有关齿轮计算传动比 故取 =32 =40m=2mm b=20mm =20 2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 丝杠的转动惯量： 齿轮的转动惯量：电机转动惯量很小可忽略。因此，总的转动惯量： =3) 所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩 +最大切削负载时所需力矩 +快速进给时所需力矩 + 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速力矩； 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。 （2-11）当时 当时 =12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm当=0.8 =0.16时 =1.223=12.23当=0.9时预加载荷Po=1/3则： =76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm所以，快速空载启动所需力矩 =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm切削时所需力矩： =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm快速进给时所需力矩 =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩发生在快速启动时，2.2.2 横向进给系统的计算与设计1. 横向进给系统的设计 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，提高转动精度，如图2-2所示。2. 横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，所用到的公式不在详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重量： W=30kgf=300N时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： =4mm左旋行程： S =190mm脉冲当量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =1m/min(1) 切削力计算 横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。=1/2152.76=76.38kgf=763.8N在切断工件时： （2）滚珠丝杠设计计算1)强度计算： 对于燕尾型导轨： （2-12）取K=1.4 =0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N寿命值 最大动负载Q=根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠公称直径为20mm，型号为204-5-E2左，其额定动负荷为5393N，所以强度足够用。2) 效率计算： 螺旋升角=338，摩擦角=10则传动效率由公式（2-9）得 3) 刚度验算：由公式（2-10）得滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 =74.74100.44/3.1420.6=5.96cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：所以，导程变形总误差为=100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/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。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，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。(3) 齿轮及转矩有关计算1)有关齿轮计算传动比 故取 =20 2)转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 丝杠的转动惯量 齿轮的转动惯量电机转动惯量很小可忽略，因此，总的惯量 3) 所需转动力矩计算 所以，快速空载启动所需转矩 =2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm切削时所需力矩： =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm快速进给时所需转矩： =0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时3 电气部分改造3.1步进电机选用的基本原则4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： 1.步矩角 步矩角应满足： 式中 传动比；系统对步进电机所驱动部件的最小转角。2.精度 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。所选用的步进电机应满足 式中 步进电机的积累误差；系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。3.转矩 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： 式中 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1-2所示。为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。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。4.启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：极限启动频率要求步进电机最高启动频率。3.2步进电机的选择43.2.1 纵向进给系统步进电机的确定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： 所以，步进电机最大静转矩为： 步进电机最高工作频率 综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。3.2.2 横向进给系统步进电机的确定仍选用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步进电机最大静转矩为： 步进电机最高工作频率 为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。3.3 数控系统的硬件电路设计3.3.1 数控系统基本硬件组成4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。1.中央处理单元CPU。2.总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。3.存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。4.I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，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/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如图3-1所示。存储器RAMROMCPUI/O接口信号变换控制对象外设图3-1 数控系统硬件框图由于Z80CPU以及MCS-51系列单片机在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，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。CA6140数控改造以Z80CPU组成的单板机作为数控控制系统。也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JWK系列数控产品。3.3.2 单片机控制系统的设计11 考虑到通用性及普遍性，选择MCS-51系列中的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（8K8），一片静态存贮器6264（8K8）、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74LS373和两片译码器74LS138等组成。1. 单片机的选择8031属8位单片机，它是集CPU、I/O端口及部分RAM等为一体的控制器，具有价格低、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RAM，内部地址为00H7FH，CPU对片内数据存贮器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行访问。这128个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器。但应用片内的RAM往往不够，故外接6264芯便来扩展8031的RAM存贮器。8031是一个无ROM/EPROM的单片机，必须扩展程序存贮器，存放控制程序，所以外接了一片2764芯片。8031本身提供给用户使用的输入、输出口线不够，只有口和部分口线用来与外部设备连接，但若处设较多时，不能满足需要，所以在该应用系统中还要在8031外接一片8155芯片以扩展I/O口。8031为40引脚的双列直插式器件，有4个双向8位I/O口。口和作为地址总线使用。16位地址总线由口经地址锁存器74LS373提供低8位（）。高8位（）由口直接提供。8位数据总线由口提供。这样数据总线与地址总线共用，SLE为地址锁存允许，当送低8位地址时，使ALE有效并锁存到74LS373，当送数据时使ALE无效。图3-2 8031控制的数控系统设计原理图2. 存储器芯片的选择 在选择存储器时，要考虑到CPU与存储器的时序匹配，若不匹配，进行读写操作的数据就不可靠。为解决时间匹配问题，应尽量选用高速存储器芯片。另外，还要考虑最大的读取速度、工作温度及存储容量。2764芯片是一种高速、容量为8KB8的EPROM存储器电路，读取时间为250ns，而8031选用晶振频率为6MHz，则读取时间为480ns，都满足要求。2764为28脚器件，其中，为13位地址线，为8位数据线。CE为片选信号，低电平有效。6264芯片是8KB8的RAM存储器，集成度很高，读芯片读取时间为200ns，也为28脚器件，其中为13位地址线，为8位数据线。由于2764和6264芯片都是8KB8，需要13根地址线。低8位接任何硬件逻辑，是单片机应用系统中广泛使用的一种芯片，其中A口作为控制纵横向步进电机接口，B口控制主轴正反转、进给速度调整，C口控制回转刀架等。 8279芯片是一种可编程的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘扫描输入和LED显示控制两种功能，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下键的键号，这样可充分提高CPU的工作效率，大大减少软件工作量。3.4光电隔离电路4在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏，所以一般在接口电路与功率驱动器之间都要接上隔离电路，光电耦合电路如图3-3所示：图3-3 光电耦合电路3.5 功率放大电路4功率放大电路分为单电源和双电源型.单电源型线路简单,但效率不高,所以选用双电源型.双电源型采用高低压供电电路,如图3-4所示图3-4 功率放大电路在功率放大器导通初始,V1,V3,V4全导通,并使脉冲变压器B的副边产生一定宽的脉冲电流,使V2导通,高压电源通过V2, V1为步进电机某一相绕组供电,使其电上升沿变陡,同时VD处于反向偏置,将低压Ea与绕组L4切断。经过时间后脉冲电流消失,使V2截止,高压电源与绕组之间被切断 。通过VD, V1为绕组L4供电,提供所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和R4可改变高压供电的时间宽度。以上只是从原理上分析说明,由于我国目前步进电机的功率放大器已由生产厂家出系列化产品,在设计数控机床控制电路时只需根据步进电机的容量大小进行选择,所以不再进行计算。4 总结数控机床是自动化加工必不可少的组成部分,根据我国的国情对旧机床进行数控化改造不失为一条经济有效的途径。我国拥有机床300万台,其中大部分为通用机床,特别是地方中小型企业,普通设备拥有量巨大,数控改造的前景相当大。在对CA6140车床的数控化改造设计中,用单片机作为中央微处理器较好。改造后大大提高原有机床的自动化程度和生产率,其成本仅为全功能数控机床的1/31/4。改造CA6140车床充分考虑到其实用性，操作方便，技术参数设置合理，极大地提高了加工效率。另外，该技术也可以用于其它车床，只需要根据相应机床的切削功率的大小，改变相应的驱动系统，就可以用于其它不同型号的普通车床，所以具有很好的推广前景。本次毕业论文，在指导教师的精心指导下，掌握了设备数控化改造的主要技术关键环节，对数控设备、数控技术有了更进一步的了解和掌握，了解了数控设备、数控技术的发展趋势，指明了以后的发展方向，必将为以后的学习和工作起到了很大的作用。附 录5 软件编程一 、如图4-1所示编写零件加工程序。图4-1（1） 绝对编程N01 G00 F2500 ； 快速定位N02 G92 X48 Z60 ； 建立工件坐标系N03 G00 X18 ；A B 直径变成2X=1