普通车床C616的数控改造.doc

1 摘摘要要 本文主要是将传统的 C616 车床的电气控制系统改造成为数字控制的开环控制系 统 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高 对机械加工设备的加工精密程度 也要求越来越高 而在中国的机械加工设备的车床中 普通车床占了很大比例 这已 经越来越制约着当今工业的发展 而数控机床由于价格昂贵 且需要较高技术的加工 工人 所以对普通机床进行数控改造具有很大的意义 本人在搜索 查阅和研究大量有关资料的基础上 对机床 的数控改造技术进行 了研究和分析 并描述了机床控制系统的设计 整个改造过程主要对车床纵 横向进 给系统进行了改造 选用自动转位刀架 由脉冲发生器来加工所需要的螺纹 整个控 制系统以 8031 型号的单片机为中心 通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所 需要的加工程度 关关键键词词 C616 车床 数控改造 8031 单片机 步进电机 2 目目录录 摘要摘要 1 1 ABSTRACTABSTRACT 2 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 普通机床数控化改造概述 1 1 2 机床数控化改造的意义 1 1 2 1 微观看改造的必要性 1 1 2 2 宏观看改造的必要性 2 1 3 国内外机床改造业的发展概况 2 1 3 1 国外机床改造业的发展 2 1 3 2 国内机床改造业的发展 3 1 4 数控机床未来的发展方向 4 第第 2 2 章章 C616C616 普通车床数控改造总体方案的设计普通车床数控改造总体方案的设计 5 5 2 1 本毕业设计的选题及主要任务 5 2 2 总体方案设计 5 第第 3 3 章章 机械部分改造机械部分改造 7 7 3 1 纵向 Z 向 进给系统的设计 7 3 2 横向 X 向进给系统的计算与设计 13 3 3 机床导轨改造 17 3 4 自动刀架的选择 18 3 5 主轴脉冲发生器 18 第第 4 4 章章 电气系统控制部分改造电气系统控制部分改造 2020 4 1 步进电机的选择 20 4 1 1 步进电机选用的基本原则 20 3 4 1 2 C616 纵向进给系统步进电机的确定 21 4 1 3 C616 横向进给系统步进电机的确定 21 4 2 数控装置硬件设计 21 4 2 1 数控系统硬件组成 21 4 2 2 单片机的选择 22 4 2 3 存储器的选择 23 4 2 4 I O 接口电路 23 4 2 5 步进电机驱动电路 24 4 3 数控系统软件设计 25 总结总结 2727 致谢致谢 2828 参考文献参考文献 2929 1 第第 1 章章 绪绪论论 1 1 普通机床数控化改造概述普通机床数控化改造概述 随着机电一体化技术的迅猛发展 数控机床的应用已日趋普及 机械制造业正在 越来越多地采用数控技术来改善其生产加工方式 用以解决现代机械制造中结构复杂 紧密 批量小 多变零件的加工问题 能够稳定加工质量和提高生产率 但是数控机 床的应用也受到其他条件的限制 首先 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大 中小 企业常是心有余而力不足 目前 各企业都有大量的普通机床 完全用数控机床替换 根本不可能 而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费 在国内 订购新数控机床 的交货周期一般较长 往往不能满足生产急需 通用数控机床对具体生产存在冗余功 能 要较好的解决上述问题 应走普通机床数控改造之路 低成本普通车床数控化改 造是一项适合我国实际情况的先进适用技术 也是一项提升我国机床数控化率的有效 途径 机床的数控改造 就是在普通机床上增加计算机控制装置 使其具有一定的自动 化能力 以实现预定的加工工艺目标 数控化改造的优点 1 减少投资额 交货期短 2 机械性能稳定可靠 结构受限 3 熟悉了解设备 便于操作维修 4 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基 不必重新构筑地基 5 可以采用最新的控制技术 1 2 机床数控化改造的意义机床数控化改造的意义 1 2 1 微观看改造的必要性微观看改造的必要性 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 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 3 7 倍 2 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运 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 由以上五条派生的好处 比如 降低了工人的劳动强度 节省了劳动力 一个人 可以看管多台机床 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 求做出快速反应等等 这些优越性是前人想象不到的 是一个极为重大的突破 1 2 2 宏观看改造的必要性宏观看改造的必要性 宏观上看 工业发达国家的军 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 其本质是 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 FMC FMS 外 还包括在产品开发 中推行 CAD CAE CAM 虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS 管理信息系统 CIMS 等等 以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用 民用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 1 9 而日本在 1994 年已达 20 8 因此每年都有大量机电产品 进口 此外 机床数控化还是推行 FMC 柔性制造单元 FMS 柔性制造系统 以 及 CIMS 计算机集成制造系统 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 这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性 1 3 国内外机床改造业的发展概况国内外机床改造业的发展概况 1 3 1 国外机床改造业的发展国外机床改造业的发展 在美国 日本和德国等发达国家 它们的机床改造作为新的经济增长行业 生意 盎然 正处在黄金时代 由于机床以及技术的不断进步 机床改造是个 永恒 的课 题 在美国 日本 德国 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场 已形成了 机床和生产线数控改造的新的行业 在美国 机床改造业称为机床再生 3 Remanufacturing 业 从事再生业的著名公司有 Bertsche 工程公司 ayton 机 床公司 Devlieg Bullavd 得宝 服务集团 US 设备公司等 美国得宝公司已在中 国开办公司 在日本 机床改造业称为机床改装 Retrofitting 业 从事改装业的著 名公司有 大隈工程集团 岗三机械公司 千代田工机公司 野崎工程公司 滨田工 程公司 山本工程公司等 在德国 机床改造业已经成为一个新兴的工业部门 在不太景气的机床市场上 二手机床的销售相当红火 据统计 早在 1998 年德国二手机床销售额就达到 25 亿 马克 德国在机床数控化改造方面 不仅考虑了如何通过机床的数控化改造来适应生 产技术的发展 劳动组织的变革 而且还全面地考虑了如何充分利用技术工人现有的 经验知识 因此 在德国除了企业从事机床改造工作外 还有一些高校 研究机构等 也参与了机床改造的研究与指导工作 对机床改造过程中的生产技术 劳动组织和人 员素质之间的相互关系进行了全面 系统地研究 联邦政府和州政府专门拨款支持该 领域的研究工作 在德国可以将改造后的旧机床的质量和性能做得与新机床差不多 而且 改造后 的二手机床的用户也同样能够得到供应商或改造厂提供的配套服务 这样 可以消除 二手机床用户的后顾之忧 他们也就更乐意改造本厂原有的旧机床或者从市场上购买 改造过的二手机床 从而更有力地推动了机床改造行业的发展 1 3 2 国内机床改造业的发展国内机床改造业的发展 目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大变化 我国的机床改造业 也从老 的行业进入到以数控技术为主的新的行业 数控机床 特别是普及型数控机床将逐步 成为市场需求的主体 自改革开放以来 很多企业从国外引进技术 机床设备和生产线进行技术改造 据不完全统计 从 1979 1988 年 全国引进技术改造项目就有 18446 项 大约 165 8 亿美元 这些项目中 大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用 然而 有一些设备 生产线从国外引进后 由于消化吸收不好 备件不全 维护不当 结果 运转不良 还有一些项目只注意引进设备 仪器 生产线 忽视软件 工艺 管理等 造成项目不完整 设备潜力不能发挥 有的甚至不能启动运行 没有发挥应有的作用 这些引进项目不仅没有创造财富 反而消耗着财富 这些不能使用的设备 生产线是个包袱 也是一批很大的存量资产 修好了就是 4 财富 只要找出主要的技术难点 解决关键技术问题 就可以最小的投资盘活最大的 存量资产 争取到最大的经济效益和社会效益 这也是一个极大的改造市场 2005 年 我国数控金属切削机床生产 59639 台 进口 30746 台 除部分出口外 总消费数量约 85000 台 在生产的数控金属切削机床中 经济型数控机床约占 60 以上 生产的数控车床中经济型数控车床占 89 90 中档以上的数控金属切削 机床不足 40 2006 年 我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度 其 中数控金属切削机床产量快速增长 全年生产 85756 台 同比增长 32 8 增幅高 于金属切削机床产量增幅的 18 4 国产机床市场占有率进一步回升 由 2001 年的 39 3 提高到 2006 年的 44 8 2007 年 1 10 月我国进口金属加工机床 57 06 亿美元 其中金属切削机床进口达 41 98 亿美元 同比减少 8 18 所占比例为 73 57 成 形机床进口达 15 08 亿美元 同比增长 5 68 所占比例为 26 43 国内的机床制造企业在努力开拓高档数控机床市场的同时 一定要加速普及型数 控机床产业化的步伐 通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需 求 而且淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但造成了很大的浪费 而且会 因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺 造成 停产 所以 目前数控化改造是适应我国制造业迅猛发展 资金短缺 旧有机床所占 比例大的国情所需 1 4 数控机床未来的发展方向数控机床未来的发展方向 电子技术 信息技术 网络技术 模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水 平大大提高 促进了数控机床产业的蓬勃发展 也促进了现代制造技术的快速发展 数控机床性能在高速度 高精度 高可靠性和复合化 网络化 智能化 柔性化 绿 色化方面取得了长足的进步 现代制造业正在迎来一场新的技术革命 数控系统未来 分以下几个发展方向 1 数控系统向开放式体系结构发展 2 数控系统向软数控方向发展 3 数控系统控制性能向智能化方向发展 4 数控系统向网络化方向发展 5 数控系统向高可靠性方向发展 6 数控系统向复合化方向发展 5 7 数控系统向多轴联动化方向发展 第第 2 章章 C616 普普通通车车床床数数控控改改造造总总体体方方案案的的设设计计 2 1 本毕业设计的选题及主要任务本毕业设计的选题及主要任务 本设计是将一台 C616 普通车床改造成经济型数控车床 对 C616 普通车床进行数控化改造的车床能进行生产加工 纵向脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向脉冲当量为 0 005mm 脉冲 驱动元件采用步进电机 传动系统 采用滚珠丝杠副 刀架采用自动转位刀架 其加工质量和精度达到或超过改造前车床 出厂时的水平 接近同档次数控车床的水平 数控改造的车床其生产效率 安全性超 过改造前普通车床出厂时的水平 2 2 总体方案设计总体方案设计 由于是经济型数控改造 所以在考虑具体方案时 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减少 以降低成本 C616 车床主要用于对中小型轴类 盘类以 及螺纹零件的加工 这些零件加工工 艺要求机床应完成的工作 有 控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速 刀架能实现纵向和横向的进给运动 并 且具备在换刀点自动改变刀位 并完成选择刀 具 加工螺纹时应保证主轴转一转 刀架移动 1 个被加工螺纹的螺距或导程 这些 工作就是数控化改造数控系统控制的对象 根据 C616 车床有关资料以及数控车床的改造经验 确定总体方案为 采用单片 机对数据进行计算处理 由 I O 接口输出步进脉冲 经一级齿轮减速后 带动滚珠 丝杠转动 从而实现纵向 横向进给运动 对现有的普通车床进行数控改造 包括以下两个方面 机械部分改造 主传动系统不作变动 横向进给系统和纵向进给系统采用滚 珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杆副 由电动刀架代替普通刀架 电气控制系统改造 伺服控制采用开环控制 在机械部分改造完成后 采用 8031 单片机作为数控系统 控制步进电动机驱动纵向和横向进给运动 其系统框图 如图 2 2 6 图 2 2 系统框图 数控改造主要完成以下内容 用数控系统控制纵横两方向的步进电机 实现 X Z 两轴的进给运动 将手动刀架拆除换成电动刀架 拆除丝杠 光杠进给箱 溜板箱 换上滚珠丝杠螺母副 在主轴后端加一主轴编码器 以便加工螺纹 改造过程中 只保留机床导轨 主轴 溜板 尾座等部件 其余的全部撤除 带 之以滚珠丝杠和步进电机 用数控系统来驱动各轴的运动 总体改造如图 2 1 所示 图 2 1 C616 普通车床的数控改造 1 电动刀架 2 横向步进电机 3 横向滚珠丝杠 4 溜板 5 纵向滚珠丝杠 6 纵向步进电机 7 第第 3 章章 机机械械部部分分改改造造 C616 车床的主要运动是 主轴的旋转运动称为主运动 刀架的左右运动称为纵 向 Z 向 进给运动 刀架的前后运动称为横向 X 向 进给运动 C616 车床机械 部分主要改造部位是 纵向和横向进给用滚珠丝杠 副代替原来的丝杠和光杠 将原 来的手动刀架改造成电动刀架 在主轴后端加一编码器 又称脉冲发生器 以便加 工螺纹 3 1 纵向 纵向 Z 向 进给系统的设计向 进给系统的设计 纵向进给系统的改造 拆掉原机床的进给箱和溜板箱 利用原机床进给箱的安装 孔和销钉孔安装内有步进电机和一对齿轮的箱体 将原来的普通丝杠改换成滚珠丝杠 螺母副 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 3 1 所示 加工工件图纸程序编制手工输入控制计算机 功率放大器 步进电机 变速箱 变速箱 步进电机 变速箱 图 3 1 数控改造的总体方案示意图 8 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 0 L 行程 S 700mm 脉冲当量 p 0 01mm step 步距角 0 75 step 快速进给速度 2 5m min max V 1 切削力计算 由 机床设计手册 可知 切削功率 3 1 KNNc 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 6 0 7 取 65 0 K 进给系统功率系数 取为 K 0 96 则 4 0 65 0 96 2 496 kW c N 又因为 3 2 6120 vFN zc 所以 vNF cz 6120 式中 v 切削线速度 取 v 100m min 主切削力 6120 2 496 100 152 76 kg f 1527 6 N z F 由 金属切削原理 可知 主切削力 3 3 Z Z F Z F Z F YX pFz KfCF 查表得 188kgf 1880MPa Z F C 1 0 75 1 Z F X Z F Y Z F K 9 则可计算如表 3 1 所示 Z F 表 3 1 计算结果 Z F mmp 222333 f mm 0 20 30 40 20 30 4 NFZ 112515241891168722872837 当 1520N 时 切削深度 2mm 走刀量 0 3mm 以此参数作为下面计算的 Z F p f 依据 从 机床设计手册 中可得知 在一般外圆车削时 0 1 0 6 0 15 0 7 3 4 X F Z F Y F Z F 取 0 5Fz 0 5 1527 6 763 8N X F 0 6Fz 0 6 1527 6 916 5N Y F 2 滚珠丝杠设计及计算 综合导轨车床丝杠的轴向力 3 5 WFfKFP ZX 式中 K 1 15 0 15 0 18 取为 0 16 f 则 P 1 15 763 8 0 16 1527 6 800 1250 8N 1 强度计算 寿命值 3 6 6 60 10 iii LnT 3 7 1000 ioo nn fLvfDL 主 10 取工件直径 D 80mm 查表得 15000h i T 则 1000 100 0 3 3 14 80 6 20r min i n 60 20 15000 18 i L 6 10 最大动负载 Q 3 8 HWi fPfL 3 查表得 运转系数 1 2 硬度系数 1 W f H f 则 Q 1 2 1 1250 8 3933 6N 3 18 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 FB32 6 1 C 1 C 5 其额定动载荷是 10689N 所以强度足够用 2 E 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 3 9 tgtg 式中 摩擦角 10 螺旋升角 3 25 则 0 953 01523 523 tgtg 3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 3 10 EFPLL 01 式中 6mm 0 6cm 0 L E 20 6 6 10 2 cmN 滚珠丝杠截面积 22 22 8031 23 14Fd 则 cmL 626 1 109 514 3 2 8031 2 10 6 20 6 0 8 1250 11 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小 可忽略 即 2 L 1 LL 所以 导程变形总误差 为 mmLL 8 96 0 109 5100 100 6 0 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 15 m 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 不再验算 3 齿轮及转矩的有关计算 1 有关齿轮计算 传动比 3600 75 6 360 0 011 25 op iL 故取 32 40 1 Z 2 Z m 2mm b 20mm 20 mmmZd64322 11 mmmZd80402 22 mmhdd aa 682 11 mmhdd aa 842 22 2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 cmNcmkgWJ p 67 4 467 0 8075 0 14 3 01 0 180 180 222 1 丝杠的转动惯量 224444 789 81 1789 81002 3108 7108 7cmNcmkgLDJs 齿轮的转动惯量 4422 1 7 8 106 422 617 26 17 Z Jkg cmN cm 4422 2 7 8 10826 39 63 9 Z Jkg cmN cm 电机转动惯量很小可忽略 因此 总的转动惯量 12 467 0 617 2 39 6 1789 8 25 1 1 1 2 112 2 JJJJiJ ZZS 22 08 124 408 12cmNcmkg 3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 maxa MM f M o M 最大切削负载时所需力矩 at MM f M o M t M 快速进给时所需力矩 f MM o M 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速力矩 maxa M 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 由于丝杠预紧所引起 折算到电机轴上的附加摩擦力矩 o M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 at M 折算到电机轴上的切削负载力矩 t M 3 11 TJnMa6 9 10 4 当时 max nn aa MM max min 7 4166 25 1 2000 0maxmax rLivn cmkgfmNMa 5 21 15 2 025 0 6 9 10 7 416408 12 4 max 当时 t nn ata MM 68014 3 25 1 3 01001000 100 00 DLvfiLfinnt 主 24 88 minr 12 408 24 88 9 6 0 025 0 1286 N m 1 286kgf cm at M 4 10 iWLfiLFM f 2 2 000 13 当 0 8 0 16 时 f 0 16 80 0 6 2 3 14 0 8 1 25 f M 1 223 12 23cmkgf cmN 当 0 9 时预加载荷 Po 1 3则 0 X F 25 1 8 014 3 6 9 016 038 766 1 2 2 000 iLFM X mNcmkgf 62 4 462 0 76 3 0 6 2 3 14 0 8 1 25 7 297kgf cm 72 97N cm 2 txo MF Li 所以 快速空载启动所需力矩 maxafO MMMM 21 5 1 223 0 462 23 185kgf cm 231 85N cm 切削时所需力矩 atfot MMMMM 1 286 1 223 0 462 7 297 10 268kgf cm 102 68N cm 快速进给时所需力矩 fo MMM 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Mmax发生在快速启动时 cmNcmkgfM 85 231 185 23 max 3 2 横向 横向 X 向进给系统的计算与 向进给系统的计算与设计设计 横向进给机构改造 保留原手动机构 用于调整操作 原有的支撑结构也保留 步进电机 齿轮箱体安装在中拖板的后侧 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 14 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 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 0 L 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 max V 1 切削力计算 横向进给量为纵向的 1 2 1 3 取 1 2 则切削力约为纵向的 1 2 1 2 152 76 76 38kgf 763 8N Z F 在切断工件时 NcmkgfFF Zy 9 381 19 3838 765 05 0 2 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨 3 12 WFfKFP ZY 取 K 1 4 0 2 f 则 P 1 4 38 19 0 2 76 38 30 74 74kgf 747 4N 寿命值 5 131060 66 iii TnL 最大动负载 15 Q NkgfPffL HWi 5 213555 21374 7412 1 5 13 3 3 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BFC1 20 4 5 E2 左 其额定动负荷为 5393N 所以强度足够用 BFC1 2 效率计算 螺旋升角 3 38 摩擦角 10 则传动效率由公式 2 9 得 956 0 01833 833 tgtg 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 74 10 0 4 4 3 14 20 6 5 96 cm 1 L 6 10 2 1 7619 6 10 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 2 L 1 LL 变形总误差为 100 L Lo 100 5 96 0 4 14 9 m m 6 10 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 15 m 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 67 1 3 5005 0 360 475 0 360 0 P Li 故取 1 18Z 2 30Z 20 2mmm 20bmm 1 36dmm 2 60dmm 1 40 a dmm 2 64 a dmm 48mm 16 2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222 180 180 0 005 3 14 0 75 30 1 1000 0439 tp JWkg cm 丝杠的转动惯量 442 7 8 102500 624 s Jkg cm 齿轮的转动惯量 442 1 442 2 7 8 103 620 262 7 8 10622 022 Z Z Jkg cm Jkg cm 电机转动惯量很小可忽略 因此 总的惯量 222 21 1 3 5 0 6242 022 0 2620 04391 258 SZZt JiJJJJkg cm 3 所需转动力矩计算 maxmax 1000 5 3 4416 7 min o nvi Lr 44 maxmax 10 9 61 258 416 7 10 9 6 0 0250 2184 2 23 a MJnTN mkgf cm 1000 1000 100 0 15 5 3 14 60 4 333 17 min tioo nn fLvfiDLr 主 4 1 258 33 17 10 9 6 0 0250 0174 0 1775 at MN mkgf cm mNcmkgf iWLfiLFM f 028 0 287 0 58 014 3 2 34 0302 02 2 000 22 1 638 19 0 4 3 1 0 9 6 3 14 0 8 50 116 0 011 ovoo MF Likgf cmN m 238 19 0 4 3 2 3 14 0 8 51 824 0 179 tyo MF Likgf cmN m 所以 快速空载启动所需转矩 maxaf MMMM 2 23 0 287 0 116 2 633kgf cm 26 33N cm 17 切削时所需力矩 atfot MMMMM 0 1774 0 287 0 116 1 824 2 40kgf cm 24 04N cm 快速进给时所需转矩 fo MMM 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 max 2 633 26 33 a Mkgf cmN m 3 3 机床导轨改造机床导轨改造 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 PTEE 贴塑软带 如美国生产的 Twrcite B 和我 国生产的 TSF 软带材料 此种软带厚度为 0 8 1 6 3 2 等几种规格 考虑到 承载变形 宜选用厚度小的规格 如果考虑到加工余量 选用厚度为 1 6 为宜 18 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 3 4 自动刀架的选择自动刀架的选择 自动刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键 而由数控系统控制的 电 动刀架 具有重复定位精度高 工件刚性好 性能可靠 使用寿命长以及工艺性能 好等优点 经济型数控车床的自动刀架 在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产 的系列刀架 具有重复定位精度高 工作刚性好 使用寿命长 工艺性能好等优点达 到国内先进水平 在生产中大量使用 现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4 工型系列四工位自动刀架作为 C616 的适配刀架 刀架技术参数如下 刀位数 4 电动功率 60W 电机转速 1400r min 夹紧力 1t 上刀体尺寸 152 152 下刀体尺寸 161 171 技术指标 重复定位精度 0 005 工作可靠性 30000 次 换刀时间 90 180 270 2 9s 3 4s 3 9s 3 5 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器 主轴脉冲发生器也叫光电编码器 其作用是当数控机床加工螺纹时 用主轴脉 冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件 它应与车床主轴同步转动 并发出主 19 轴转角位置变化信号 输送给计算机 计算机按所需加工的螺距进行处理 控制机 床纵向或横向步进电动机运转 实现加工螺纹的目的 其加工螺距为 6 5 3 5 3 2 5 2 1 75 1 5 1 25 1 0 75 等十八种 在使用主轴脉冲发生器时 受到步进电动机频率的限制 如采用 1000Hz 工作频 率 加工 3mm 螺距的螺纹时 步进电动机频率为 300Hz 而主轴脉冲发生器频率为 1000 x60Hz 60000Hz 所以车床主轴转速 n 1000 x60 300r min 200r min 即车床主 轴转速不得超过 200r min 如果主轴脉冲发生器的频率提高到 2000Hz 转速也仅达到 400r min 由此可知 当螺距越大时 允许的车床主轴转速也就越低 在经济型数控系统改造卧式车床 多采用同轴方式安装 因为同轴安装的结构简 单 联接方便 须要注意的是 主轴脉冲发生器属精密光学元件 安装时应格外小心 以免损坏 光栅盘 另外 在使用中还应注意最高许用转速 使用时车床主轴不能超过此转速 最后做到使用时可将其装上 不使用时将其脱开 以延长其使用寿命 20 第第 4 章章 电电气气系系统统控控制制部部分分改改造造 4 1 步进电机的选择步进电机的选择 4 1 1 步步进进电电机机选选用用的的基基本本原原则则 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 i mn 式中 i 传动比 mn 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 sm iQ 式中 步进电机的积累误差 m Q 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差 s 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 启动力矩 一般启动力矩选取为 5 0 3 0 0 Lq MM 式中 电动机启动力矩 q M 电动机静负载力矩 0 L M 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 21 top m ff 极限启动频率 t f 要求步进电机最高启动频率 op m f 4 1 2 C616 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 cmNMM Lq 625 5794 0 10185 234 0 0 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 866 0 imq MM cmNMM aim 31 669866 0 625 579866 0 步进电机最高工作频率 maxmax 60 2000 60 0 013333 3 p fvHz 综合考虑 查表选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 4 1 3 C616 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 0 42 633 10 0 465 825 qLo MMN cm 仍选用三相六拍工作方式 查表知 0 866 qim MM 所以 步进电机最大静转矩为 0 86665 825 0 86676 01 ima MMN cm 步进电机最高工作频率 maxmax 60 1000 60 0 0053333 3 p fvHz 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 4 2 数控装置硬件设计数控装置硬件设计 4 2 1 数控系统硬件组成数控系统硬件组成 任何一个数控系统都是由硬件电路和软件程序两部分组成 硬件主要由单片机 车床以及辅助电路构成 硬件是数控系统的基础 其控制性能的好坏 直接影响整个 22 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 ROM 和随机读写存贮器 RAM 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 4 1 所示 图 4 1 数控系统硬件框图 4 2 2 单片机的选择单片机的选择 MCS 51 系列单片微机是美国 Intel 公司在 MCS 48 系列单片微机基础上推出的 产品 它的集成度很高 是集片内存储器 片内输入 输出部件和 CPU 于一体的优良 的单片机系统 其配置芯片价廉普及性 通用性强 制造和维修方便 完全能够满足 数控车床的需要 所以用 MCS 51 组成的中央处理器作为 C616 改造后的数控系统 在 MCS 51 系列单片机产品型号中 8031 芯片内无 ROM 适用于需扩展 ROM 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 23 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 适用于可在现场修理和更新程序存储器的应用场合 其价格比 8051 8751 低 非 常适合在我国使用 8031 芯片内部具有 128 个字节的数据存贮器 RAM 内部地址为 00H 7FH 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 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 0 30 0 PP 0 0 P 0 2 P 总线由口经地址锁存器 74LS373 提供低 8 位 高 8 位 由 0 0 P 70 AA 158 AA 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 ALE 为地 2 P 0 0 P 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 4 2 3 存储器的选择存储器的选择 CPU 部分采用 8031 芯片 由于 8031 片内无程序存储器 需要有外部程序存储 器的支持 外接一片 6264 8K 8 芯片来扩展 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 2 片 2764 8K 8 芯片 1 片 74LS373 地址锁存器和一片 74LS138 译码器 4 2 4 I O 接口电路接口电路 由于 8031 只有 P1 口和 P3 口部分能提供用户作为 I O 口使用 不能满足输入输 出口的需要 因而系统必须扩展输入输出接口电路 系统扩展了二片 8155 作为 I O 接口芯片 I O 接口芯片与外设的连接是这样安排的 8155 2 芯片 PA0 PA7 作为显 示器段选信号 是输出 PB0 PB7 是显示器的选为信号 是输出 PC0 PC5 6 根线 是键盘扫描输入 8155 1 芯片的 I O M 引脚 8031 芯片的 P2 0 因为使用 8155 1 的 I O 口 故 P2 0 为高电平 8155 1 芯片 PA0 PA5 为面板上的选择开关 设有编辑 空运行 自动 手动 回零等 PB0 PB7 为两个方向的点动及回零输入 急 停等 PC0 PC3 控制刀架的运动及转动 8031 本身提供给用户使用的输入 输出口线不够 只有 P1 口和部分 P3 口线用来与外部设备连接 但若外 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 24 4 2 5 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 步进电机是一种用脉冲信号控制的电机 在负载能力及动态特性范围内 步进 电机将来自数控装置的进给脉冲输出 电动机的角位移与控制脉冲数成正比 转速 与控制脉冲频率成正比 因此 步进电机已成为经济型数控机床中最主要的一种伺 服动力元件 数控装置送来的一系列连续脉冲通过环形分配器 按一定的顺序分配给步进电 机各相绕组 使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电 所谓环形分配器 其作用就是实现脉冲分配 通过逻辑电路实现 经环形分配器输出的脉冲未经放大时电流很小 而步进电机绕组需要的电流很 大 所以由分配器出来的脉冲还需进行功率放大才能驱动步进电机 图 4 3 为功率 放大电路 图 4 3 为功率放大电路 脉冲信号经功率放大器放大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 电流引起强电干扰 轻则影响计算机程序正常工作 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放大器之间都需要接上光电隔离电路 图 4 4 为光电隔离电路 25 图 4 4 光电隔离电路 因此 步进电机的驱动电路由下面 4 个部分组成 图 4 5 为步进电机的驱动电路 原理图 图 4 5 步进电机的驱动电路原理图 4 3 数控系统软件数控系统软件设计设计 数控系统软件一般由两个部分组成 即管理软件和控制软件 管理软件一般又称 为监控软件 其作用是进行监测系统状态并提供基本操作管理 控制软件的作用是根 据用户编制的加工程序 控制机床运行 软件是硬件的补充 确定硬件电路后 根 据系统功能要求设计软件 8031 单片机作为中央处理单元构成的数控系统 其软件设计主要包括 中央处 理单元 8155 芯片的 PA PB PC 接口 步进电机状态 有关寄存器等初始化程序 刀架补偿设置 直线插补计算 键盘处理 显示 报警 急停等功能程序 控制系统软件流程见图 4 7 系统启动之后 开始初始化操作 初始化包括 单 片机定时器 计数器初始化 8155 I O 接口初始化 键盘数据区初始化 显示缓冲区 初始化 各种软件标志初始化 等操作 然后根据输入信息 判别运行的方式 执行 计算机 接口 环形 分配器 隔离 电路 功率放大 电路 步进 电机 26 手动或自动功能 如果选择的是手动功能 则读取按键信息 检测输入的命令是否符合规范 若 不符合则输出报警显示 若符合则确定刀架位置 调用功能子程序执行不同的命令 最后根据程序执行停止或者继续运行命令 如果选择的是自动功能 则执行自动选刀命令 然后根据外部程序的命令调用功 能程序并且显示 如果遇到特殊情况需要急停 则程序停止运行 反之 程序会继续 循环运行直到最后结束 系统初始化 手动 读取按键信息输出报警显示 输入正确 手动选刀 调用功能程序并显示 停止 结束 调用功能