CA6140车床数控化改造

CA6140车床数控化改造内容摘要车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目。我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新。由于资金受限，相比于添置新的数控车床，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。车床的数控化改造具有针对性强、大大节约原材料和资金以及扩大机床应用范围等优点，主要内容包括总体设计方案的确定、对车床导轨进行改造设计和自动回转刀架的选型与安装等。关键词: 车床 改造 数控化 节约AbstractCNC lathe transformation research is to improve the level of technical equipment of our important projects. Extended active duty in our country now has a large number of obsolete machines and technology that need to be updated. Because of limited funds, compared to procure new CNC lathe, the CNC lathe for transformation is a savings, Express launched an effective way. CNC lathe has targeted transformation, substantial savings in raw materials and capital and to expand the scope of application advantages such as machine tools, including the main contents of the program to determine the overall design of the lathe guide the design and automatically transform the rotary tool holder of the Selection and Installation and so on.Keywords: CNC Lathe saving目录第一章 绪论51.1 数控机床的发展史51.2 机床数控化改造的意义51.3 数控化改造后机床的优越性51.4 机床数控化改造的内容6第二章设计要求8 2.1总体方案设计要求8 2.2 设计参数8 2.3 其他要求9第三章车床改造的结构特点103.1 滚珠丝杆10 3.2 导轨副10 3.3 安装电动卡盘10 3.4 脉冲发生器10第四章 设计进给系统 第一节 设计纵向进给系统9 第二节 设计横向进给系统3五主轴交流伺服电机145.1 机床主运动电机的确定145.2 主轴的变速范围145.3 初选主轴电机的型号145.4 主轴电机的校核15六.微机控制系统硬件电路设计166.1 控制系统的功能要求166.2 硬件电路的组成166.3 设计说明16七.安装调整中应注意的问题197.1滚珠丝杠副的特点197.2 滚珠丝杠螺母副的选择197.3 滚珠丝杠螺母副的调整197.4 联轴器的安装197.5 主轴脉冲发生器的安装19致谢21参考文献22一绪论1.1 数控机床的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。1.2 机床数控化改造的意义机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，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。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.3 数控化改造后机床的优越性1) 机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。2) 机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。3) 机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高37倍。4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。6) 数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。1.4 机床数控化改造的内容1) 精度恢复和机械传动部分的改进。随着机床使用的役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不用程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。2) 选定数控系统和伺服系统。根据要求进行数控化改造机床的控制功能要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择是，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠性。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求决定。3) 数控机床辅助装置的选取。辅助装置指的是数控机床的一些必须的配套部件。如冷却系统、空气过滤器、自动换刀装置、排屑装置等。4) 电控柜的设计和制作。在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。5) 整机联接调试。旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进行联机调试阶段。经数控化改造的机床就成为了数控机床，具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，主要有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度和加工性能；机床原有的结构形式限制了改造后机床的加工范围和数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机床的速度和精度。随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性能也提高很多，对数控化改造中机床速度和精度的提高都非常有利。二设计要求2.1总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。2.2 设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。改造CA6140机床设计参数如下：最大加工直径： 在床面上400mm 在横刀架以上210mm最大加工长度： 1000mm快进速度： 纵向2.4m/min 横向1.2m/min最大切削进给速度： 纵向0.5m/min 横向0.25m/min溜板及刀架重力： 纵向800N 横向600N主电机功率： 7.5KW控制坐标数： 2最小指令值（脉冲当量）： 纵向 0.01mm/脉冲 横向0.005mm/脉冲进给传动链间隙补偿量： 纵向0.15mm 横向0.075mm2.3 其他要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。三车床改造的结构特点3.1 滚珠丝杆滚珠丝杆必须采用三点支承形式。步进电动机的布置可放在丝杠的任一端，由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿轮，也可在滚珠丝杆的左端设计一个专用轴承支承座，而在丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。3.2 导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，滑板和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带3.3 安装电动卡盘为了提高经济型数控机床的加工效率，还可考虑用电动三爪自定心卡盘装置，这种装置也可与数控装置的信号电路相配合，实现自动夹紧、松开，提高加工过程的自动化程。3.4 脉冲发生器改造后的简易数控车床需要自动化加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件，目的是用来检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给数控装置，使其能按照所加工螺纹的螺距值进行处理。四步进电动机的计算与选型4.1 步进电动机的选用原则选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。1)首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。2) 其次，对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。3) 第三，步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括：起动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线。4) 第四，步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。在这两种情况下，对转距和进给速度有不同的要求。若要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转距为 ,最大切削进给速度为v,在快速进给时的转距为 ，最大快速进给速度为 。4.1.1步距角步距角应满足： （4-1）式中， i-传动比 -系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.2精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积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，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s （4-2）式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件：a. 起动力矩。一般选取为 MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，Mq-电动机起动力矩 MLo-电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（41）所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（41）步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内，电动机运行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。4.1.4启动频率由于步进电动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： Ftfopm (4-4)式中，ft-极限启动频率， fopm-要求步进电动机最高启动频率。4.2步进电动机的选折4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定 Mq= =308.35 Ncm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm= =356.06 Ncm步进电动机最高工作频率： fmax= =3333.3 HZ综合考虑，查步进电机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2 CA6140横向进给系统步进电机的确定 Mq= =63.3 Ncm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为： Mjm= =73.09 Ncm步进电动机最高工作频率： fmax= =3333.3 HZ为了便于设计和采购，仍选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。五主轴交流伺服电机5.1 机床主运动电机的确定伺服电动机是根据负载条件来选取的。加在电动机轴上的负载主要有两种：负载转矩和负载惯量，其中负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。负载转矩应小于所选择电动机的额定转矩，负载转矩与加速转矩之和应等于所选择电动机的最大转矩。加速转矩应考虑负载惯量和电动机惯量的匹配，同时还应考虑连续过载时间在所选电动机的允许范围内，负载快速运动时所需的电动机转速应在电动机的最高转速之内。这样可使电动机在机床的伺服系统中工作性能得以充分发挥。5.2 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn, 即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。由于 Nmax=1800 nmin=14Nmax/nj=2nj/nmin （5-1）则 nj= =113r/min这里nj为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：Rn=nmax/nj （5-2） =1800/113=15.9主轴电机的功率是：7.5kw5.3 初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min =5000，最大转速nmax/r/min=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA025.4 主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：Rn=nmax/nmin=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范六.微机控制系统硬件电路设计6.1 控制系统的功能要求（1）z向和x向进给伺服运动控制（2）自动回转刀架控制（3）螺纹加工控制（4）行程控制（5）键盘及显示（6）面板管理（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。6.2 硬件电路的组成：数控车床硬件电路图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：（1）CPU采用8031芯片；（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片；（3）扩展可编程接口芯片8155两片；（4）地址锁存器，译码器个一个；（5）键盘电路，显示电路；（6）光电隔离电路，功率放大功率；（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；（8）面板管理电路。6.3 设计说明（1）CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片（16KB），数据存储器6264（8KB）一片。8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。（2）采用74LS138三-八译码器的输出作为片选信号。2764（1）、2764（2）、6264、8155（1）和8155（2）的片选信号分别接到译码器的Y0Y4,74LS138的输入A、B、C分别接8031的P2.5、P2.6、P2.7。（3）由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线，A0A7低8位接74LS373芯片的输出。A8A12接8031芯片的P2.0P2.A，74LS373地址锁存器在选通信号ALE在高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址锁存器，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。（4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下： 8155（2）PA.0PA.7输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机的共八相绕组。在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单，由于步进电机的每一相绕组需和一个I/O接口相连，以便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的I/O口数量较多。8155（2）的PC.0PC.5作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由8031的P1.0P1.7发出，8155的PB.0PB.3是键盘扫描输入。行程限位报警信号+Z,-Z,+X,-X分别通过8155（2）的PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中断请求，根据不同的中断口可以直接识别行程的方向，此时相应的红灯报警。8155小的PC.0PC.3接自动回转刀架（四方刀架），自动回转刀架需要换刀时，由PC.0PC.3发出换位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，到达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表示已完成换刀过程，可以进行切削加工。换刀回答信号经8155（1）的PB.5输入计算机，控制刀架开始进给。8155（1）PA.0PA.5接控制面板上的控制开关，设有编辑空运行、自动、手工（I）、手工（II）、回零等选着方式。8155（1）PB.0PB.4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、单段运行、连续运行、急停等操作功能。加工螺纹时，与车床主轴相连的光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号，螺纹加工信号送入8031的T0，通过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不同螺距的螺纹，零位螺纹信号送入8155（1）的PB6,用来防止多次走刀时螺纹乱扣。（5）系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片地址编码见表（5）（6）操作面板设计方案之一见图（5）芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元（字节）地址编码2746（1）Y0000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH2746（2）Y1001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH6264Y2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH8155（1）RAMY30111 1110 XXXX XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FFDH8155（2）RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9EFFHI/OY41001 1111 1111 1XXX69FF8H9FFDH表(5)芯片地址编七.安装调整中应注意的问题7.1滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。传动效率高、 定位精度高、 传动可逆性、 使用寿命长、同步性能好7.2 滚珠丝杠螺母副的选择滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定