CK6150车床的微机数控系统改造

1、毕业设计论文 第 31 页 共 31 页毕业设计南京理工大学设计题目：用微机数控系统改造ck6150车床的设计 姓 名： 专 业：机电一体化 指导老师：2011年 月 日目 录 摘要.4第一章 对车床数控化改造的必要性1.1 数控机床的概述.61.2 数控机床的工作原理和组成.71.3 数控车床的发展趋势.101.4 数控化改造的必要性.11第二章 确定总体设计方案 2.1 设计要求.122.2 方案论证.122.3 方案拟定 .132.4 选择系统 .14第三 章 参数确定及计算 3.1确定参数及计算 .15 3.2机床其他物理参数关系 .17第四章 数控系统的确定 4.1数控系统的组成 .

2、21 4.2控制系统的设计 .22 4.3控制电路.22 4.4程序设计.25第五章 结束语. 28 附：（1）nc零件加工程序 30（2）总体设计方案框图 （3）ck6150车床 纵向进给机构图 （4） 数控系统改硬件电路原理图摘 要据统计，我国现拥有机床达300多万台，是生产和使用机床最多的国家之一, 但大多数都已服役较长时间，其中大部分是多年来生产积累的通用机床，设备陈旧落后.柔性和自动化程度低。要想在短时期内大量地更新现有设备，无论从资金还是国内机床制造厂的生产能力都很难做到。对于机床进行数控化改造投资少，见效快，是机械制造厂挖掘技改的一条成功之路。 对ck6150车床进行数控化改造，

3、使其可以加工出传统机床加工不出来的复杂的零件，可以实现加工的自动化，从而使生产效率得到大大的提高。加工零件的精度高，尺寸分散度小，拥有反馈、自动补偿等多种功能，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和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。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。随着中国的制造业日益兴旺，机床的数控化改造也逐步进入了黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个热门的课题。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。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

4、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业。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。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高,质量稳定,便于生产管理现代化等特点.数控机床的应用越来越普及,也是制造业现代化的必然趋势.如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大,而且会造成原有设备的闲置和浪费. 我国的再制造技术研究起步较晚.迫切需要大力发展,即能充分利用原有的旧设备资源,减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备,满足现代化生产的要求

5、本设计主要是对ck6150普通车床进行数控化改造，进给两坐标联动，采用单片机的半闭环控制系统；驱动元件为步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠。这里，主要对原车床进行横、纵向进给机构改造，位置检测元件为光电编码器，经过改造后的系统能实现直线插补和圆弧插补，从而大大提高了普通车床的工作效率。关键词 数控改造 单片机 系统 光电编码盘 反馈 半闭环第一章 对车床数控化改造的必要性1.1 数控机床的概述 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加，激烈的时常竞争使产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造

6、方法已难以适应之中多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量的要求。因此近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，再加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控机床。目前，数控技术正在发生根本性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术与一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化其者举足轻重的作用。汽车、拖拉机与家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动化生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产

7、品改型不易，因此使新产品的开发周期增长。在机械产品中，单件与小批量产品占到70%80%，这类产品一般都采用通用机床机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作。难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模或仿行机床，或者借助划线或样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精度复杂零件提供了自动化加工手段。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的ca

8、d/cam、fns、cims等都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之术，同时，制造技术的利用关系到国家的战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。 1.2数控机床的工作原理和组成用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到驱动电路，经过转换，放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其它普通装置严格的按照加工程序规定的顺序、

9、轨迹和参数有条不紊的工作从而加工出零件的轮廓。数控机床既有很好的柔性，当加工对象变换时，只需要重新编制加工程序即可，原来的程序可存储利用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床（组成机床本体底各机械部件）组成。1控制介质 数控机床加工时，所许的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称为“控制介质”。控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等，也可以通过通信接口直接输入所需各种信息。采用何种工作介质则取决于

10、数控装置的类型。随着微型计算机的广泛利用，磁盘正在成为最主要的控制介质。2数控装置 数控装置可分为普通数控系统（nc）和计算机数控系统（cnc）两大类。前者利用的控制计算机，又称硬件数控；后者利用通用的小型计算机或微型机加软件又称软件数控。数控装置是数控机床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置等组成数控装置根据输入的程序和数据，经过系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的个坐标轴（即作进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令信号（送伺服驱动系统驱动执行部件

11、作进给运动）；主运动部件的变速换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助信号等。3 伺服系统 伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，使用了位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。4 机械部

12、件 数控机床的机械部件包括：主运动部件；进给运动执行部件，如工作台；拖板及其传动部件；床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动机构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。1.3数控车床的发展趋势自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为nc阶段；第二个阶段为cnc阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近2

13、0多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，pc微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于pc微机的数控系统，即pcnc系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：1.性能方面的发展趋势（1）.高速高精度高效（2）.柔性化（3）.工艺复合和轴化（

14、4）.实时智能化2.功能发展方面（1）.用户界面图形化（2）.科学计算可视化（3）.插补和补偿方式多样化（4）.内置高性能plc（5）.多媒体技术应用3.体系结构的发展（1）.集成化（2）.模块化（3）.网络化（4）.开放式闭环控制模式1.4数控改造的必要性数控机床可以较好地解决形状复杂，精密，小批，多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率。但是应用数控还受到其它条件的限制。（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小型企业常是心有余而力不足。（2）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，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。（3）通用数控机床对具体生产有多余功能

15、。要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。从国外的经验来看，机床的数控改造必不可少，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。 3数控改造的优点数控改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。数控改造有下列优点：（1）易于对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。（2）减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。（3）降低对工人技术等级的要求。（4）数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。（5） 数控改造的周期短，可满足生产急需。第二章 确定总体设计方案2.1 设计要求本设计要求主要是针对普通车床ck615的数控化改造：利用单片机对纵、横两

16、坐标轴进行半闭环的控制，从而使进给时能够两轴联动。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005 mm/脉冲。驱动元件采用步进电动机。传动系统采用滚珠丝杠。车床配有自动回转刀架（4位），具有切削螺纹的功能，并且系统能实现直线插补和圆弧插补2.2方案的论证 数控车床又称数字控制（numbercal control，简称nc）机床，它是20世纪50年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以下特点：（1）.由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传

17、动结构得到了简化。（2）.为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。（3）.更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副，直线滚动导轨高，cnc装置这是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。2.3方案的拟定1.ck6150数控卧式车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。2.ck6150数控卧式车床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，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。

18、3.根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，。4.根据系统的功能要求，微机控制系统中除了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，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。5.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，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。6.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧

19、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。7.采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。（附注：伺服系统总体方案框图2.1）图2.1伺服系统总体方案框图2.4选择系统因为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；螺纹加工等功能，所以要选择连续控制系统。由于设计的是经济型数控车床，所以在考虑具体方案时，在满足需要的前提下，对于机床时行最少的改装来达到低成本目的，故此设计选用半闭环控制系统。（1）微机系统 根据需要，采用8位mcs-51系列单片机。它不仅集成度高且可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有

20、很高的性能价格比等特点。此处采用mcs-51系列的8031单片机的扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器，i/o接口及光电隔离电路，步进电机，功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。（2）传动方式 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，来达到机床所要求的分辨率；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。纵向进给机构的改造。拆除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齿轮箱体。滚珠丝杠仍安置在原丝杠的

21、位置，两端仍采用原固定方式。这样可减小改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚度增大。横向进给机构的改造。保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零操作，原有的支承结构也保留，步进电机一齿轮箱体安装在机床后侧。纵、横向进给机构都采用了二级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙。第三 章 参数确定及计算3.1确定参数及计算通用机床的规格和类型有系列型作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（gb1582-

22、79，jb/z143-79）：最大的工件回转直径d（mm）是500；刀架上最大工件回转直径d1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（jb2521-79）是6；最大工件长度l是7502000；主轴转速范围是：321600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.032.5；主电机功率（kw）是5.510。1. 极限切削速度umaxumin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min； umin=30m/min。2. 主

23、轴的极限转速计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）d和（0.450.5）d。由于d=400mm，则主轴极限转速应为： nmax=r/min 2.1=2000r/min ； nmin=r/min 2.2 =40r/min ； 由于转速范围 r = = 2.3 = 50 ；因为级数z已知： z=18级 。现以=1.26和=1.41代入r=得r=50和355 ，因此取=1.26更为合适。 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以=1.06的从110000的数值，因=1.26=，从表中找到nmax=2000r/min，就可以每隔3个数值取一个数，得：2000，

24、1600，1250，1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40。3. 主轴转速级数z和公比已知 : =rn rn=且： z=18=4. 主电机功率动力参数的确定 合理地确定电机功率n，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值： 取 p=5.5kw机械传动是利用各种形式

25、的机构传递运动和动力因而传动装置的作用就是传递运动和动力以及变换运动形式。一般整个机械传动系统的特性可用若干相互联系的质量弹簧阻尼系统表示，其中每部分的动力学特性可表示为如下传递函数：式中：x（s）位移的像函数 f（s）外力的像函数 m（s）质量 k（s）弹性刚度 b（s）粘性阻尼系统3.2 机床其他物理参数关系（1）谐振频率 谐振角频率（无阻尼自振角频率）通常表示为 为了满足机电一体化系统的高动态特性，机械传动各个分系统的谐振频率均应远离于机电一体化系统的设计截止频率，设计时采用如下经验关系： 其中：最低机械传动分系统谐振角频率 t机电系统剪切频率(2)刚度 机械传动分系统的刚度 式中 f频

26、率（hz）；对传动链示意图的系统3，对于丝杠螺母传动副带动工作台及工件的系统。其刚度为 式中： k3机械传动系统刚度，n/m； m32工作台质量，kg； m31工件的质量，kg对滚珠丝杠螺母副传动的刚度 式中： fasp外轴向力； sspm轴向位移（3）阻尼 机械传动分系统的阻尼比 根据经验适当的阻尼比应选为(4)转动惯量 快速性是现代机电一体化系统的显著特点，在驱动力矩一定的前提下。根据式（1-1）转动惯量越小，加速性能越好。即时 （1-1）式中 m力矩； j转动惯量； 加速度；滚珠丝杠传动的转动惯量 式中： j1滚珠丝杠的惯量 p丝杠的节距 w工作台与工件的总质量 铁的密度 db丝杠直径

27、lb丝杠全长丝杠传动时传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量 (ncms2)式中： j1齿轮z1及轴的转动惯量 (ncms2) j2齿轮z2的转动惯量 (ncms2) js丝杠转动惯量 (ncms2) t丝杠螺距 cm w工件及工件台质量 n(5)摩擦 摩擦是机械化传动部件常见的现象，轴承摩擦，齿轮传动摩擦工作台导轨摩擦丝杠螺母副摩擦等。 应当注意：与速度无关的摩擦产生反转误差，与速度有关的摩擦将影响阻尼比，对机械传动部件的摩擦特性的要求可归纳为：具有与速度成正比摩擦力避免负斜率；与速度无关的干摩擦应尽量小；根据经验折算到电动机上的摩擦力矩之和应等于电动机转矩的0.20.3。第四章 数控系统的确

28、定 4.1数控系统基本组成数控系统都由硬件和软件两部分组成。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），地址总路线（ab）和控制总线（cb）（3） 存储器 包括只读可编程存储器（com）和随机存储器（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和部分电路协调工作。存储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。三总线是cpu与存储器、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

29、图如图所示。4.2控制系统的设计 中央处理器为mcs-51系列的8031单片机，存储器选用2764eprom（8k8）和6264ram（8k8），i/o接口芯片选用8031cpu。8031单片机的p1口可用作i/o接口。用8031单片机的p1口管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。其a口做纵、横进给系统步进脉冲的输出口。pa0pa2为横向（x）输出口。pa3pa5为纵向（y）输出口。b口为位控方式，其中pb0pb3为+x，-x，+y，-y的行程越位信号输入。pb5为急停信号输入。pb6，pb7为系统工作正常，报警信号输出。x，y向步进电机和自用一个环形分配器控制。控制步进电机的脉冲发生器

30、与脉冲分配由硬件实现。数码显示的字符发生，键盘扫扫描管理器由软件实现。4.3控制电路（1）电耦合电路 在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功放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联，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放大器之间都要接上隔离电路，采用的光电耦合电路如图所示。光电耦合电路脉冲分配器（步进电机双三拍方式工作）选用yb013脉冲分配器。工作真值表 相状态abc111020113101 脉冲分配器接图。图中cp的上升沿使脉冲分配器改变输出状态因此cp的频率决定了步进

31、电机的转速，p端控制步进电机转向p=1为正转 p=0为反转。脉冲分配器接线图ttl脉冲分配器主要性能参数输出高电平（v）输出低电平（v）输入低电平（v）输入高电平（v）吸收电流（ma）工作频率（khz）电源电压（v）环境温度（c）2.40.40.82.41.6016050.50+70（2）功率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求。必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机运转。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，所以选用双双电源型。双电源采用高低压供电电路。功率放大电路在功率放大器导通初始，t1，t3，t4全导通，并使脉冲变压器b的副边产生一

32、定宽度的脉冲电流，使t2导通，高压电源eh通过t2；t1为步进电机某一相绕组供电，使其电流上升沿变陡，同时d2处于反向偏置，将低压en与绕组wa切断。经过tb时间后脉冲电流消失，使t2截止，高压电源与绕组之间被切断，en通过d2。t1为绕组wa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tb。（3）其他辅助电路：报警电路、反馈电路等 4.4程序设计 程序的设计采用模块化，主要包括：主模块、子模块和定时中断模块，主模块的功能是完成初始化和监控。初始化应包括pio、ctc的初始化，标志位，原键盘缓冲区及显示缓冲区的初始化。监控主要包括键盘管理和显示管理，均可调用原监控程序中键盘管理和显示管理子程序。功能子模块包括+x，-x，+y，-y及stop功能子模块，并可调用原监控程序中的许多子程序。中断模块包括急停中断模块，报警中断模