CA6140车床数控改造总体设计说明书(doc21页)

1、ca6140车床数控改造总体设计说明书（doc 21页）ca6140车床数控改造设计说明书目录1 .绪论12 .设计要求32.1 总体方案设计要求32. 2设计参数42. 3.其它要求43.进给伺服系统机械部分设计与计算83. 1进给系统机械结构改造设计93. 2横向进给伺服系统机械部分的计算与选型103. 2.1确定系统的脉冲当量103. 3.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤143. 3. 4齿轮有关计算163.3.4 (2)横向齿轮及转矩的有关计算204.步进电动机的计算与选型234.1 步进电动机选用的基本原则234. 2步进电动机的选折245.主轴交流伺服电机245. 1机床主

2、运动电机的确定265. 2主轴的变速范围265.3初选主轴电机的型号275 . 4主轴电机的校核276 .微机控制系统硬件电路设计286.1 控制系统的功能要求286. 2硬件电路的组成286. 3设计说明317.安装调整中应注意的问题317.1 滚珠丝杠副的特点317. 2滚珠丝杠螺母副的选择327 . 3滚珠丝杠螺母副的调整328 .4联轴器的安装327. 5主轴脉冲发生器的安装32结论35参考文献36绪论数控机床与普通机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构,较好地解决 形状复杂、精密、小批景及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质景 和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应

3、用也受到其他条件限制：q） 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（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）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；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有 多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就 是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定 的加工工艺目标。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使

4、用效率;(2)适应多品种、小批量零件生产；(3)自动化程度提高、专业性强、加工精 度高、生产效率高；(4)降低对工人的操作水平的要求；(5)数控改造费用低、 经济性好；(6)数控改造的周期短，可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，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、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，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。普通车床(如c616, c618, ca6140)等是金属切削加工最常用的一类机 床。普通机床刀架的纵向和

5、横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来， 通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参 数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和 横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控 制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这 样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加 工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵 向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回 转零件，并能实现多工序自

6、动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适 应小批量多品种复杂零件的加工。2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，mc

7、s-51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mcs-51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

8、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。现列出ca6140卧式车床的技术数据:技术参数400mm210mm650;900; 1400; 1900mm1-12（20 种）224（20 种）0.253（11 种）796（24 种）名称f在床身上工件最大直朝在刀架上顶尖间最大距离宋制螺纹 mm加工螺纹范围英制螺纹t/m模数螺纹mm 径节螺纹t/m 最大通过直径48mm孔锥度莫氏

9、6#主轴正转转速级数24正转转速范围101400i7inhi反转转速级数12反转转速范围141580r/min640.028-6.33min/r640.014-3.16min/r纵向级数 进给量i纵向范围 横向级数 、横向范围滑板行程r 横向.纵向最大行程刀架i最大回转角刀杠支承面至中心的距离、刀杠截面bxhr顶尖套莫氏锥度尾座,横向最大移动量外形尺寸长x宽x高圆度工作精度i圆柱度 平面度、表面粗糙度ra主电动机电动机功率 300mml63.2 u in7.5kw7.84kw400mm210mm1在床鞍上最大加工长度1000mm快进速度纵向横向最大切削进给速度纵向横向溜板及刀架重力纵向横向24

10、m/min1.2m/min0.5ni/min0.25ni/mln800n600n代码制iso脉冲分配方式逐点比较法输入方式增量值、绝对值通用控制坐标数脉冲当量纵向横向0.01mm/脉冲0.005mm/脉冲机床定位精度 0.015mm刀具补偿量0mm99.99mm进给传动链间隙补偿量纵向横向0.15min0.075mm自动升降速性能2. 3.其它要求(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。3进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构

11、改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成

12、。3. 2横向进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：z4j4js图(4)进给系统计算简图3. 2.1确定系统的脉冲当脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机 床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对 经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0. olmm/step和0. 005mm/step,在 ca6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0. olmm/step.横向脉冲当量为 fp=

13、o. 005mm/stepo3. 2.2横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤(1)型号选择1)最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=l4 f=0.05,fl为工作台进给方向载荷，f1=2141n, fv=5360n, fc=1340n, g=60kg, t=15000h,最大工作载荷：fm=kfl+fj (fv+2fc+g)=1. 4x2144+0. 05(5360+2x1340+9. 8x75)=3440. 4n2)最大动载荷的计算v =1400r/minx0. 79mm/r=1106inm/minn 横丝=v 横 x1/2/u 纵=1106 x 1/2/4=138. 25r/min

14、l=60nt/=60x138. 25x 15000/10*=124. 43c=vefmfm r124.43 x1.5x 3440. 4=25763. 7n初选滚珠丝杠型号为：cd50x6-3. 5-e其基本参数为 dw=3. 969mm, x =2oir,lo=6mm,dm=50mm,圈数x列数x3.5x1(2)横向滚珠丝杠的校核1)传动效率n计算n=tgx/tg(x + 4)=tg2ll 7tg(2u ,+10,)=93%2)刚度验算1 .丝杠的拉压变形量6 l=fmxl/ea=3440. 4x320/20. 6x104x n x252=0. 0027mm2 .滚珠与螺纹滚道间的接触变形量f

15、m8 2=0. 0013x jdwfyjzs3440.4j3440.43.969 x x 145.36=0.0013x32 =0. 0070mm在这里 fyj=fm/3=3352. 6/3=1 u8nz= n dm/dw=3.14x50/3. 969=39. 56ze =39. 56x3.5x1=138. 48丝杠的总变形量6 = 6 1+5 2=0. 0027+0. 0070=0. 0097mmfopm(4-4)式中，ft-极限启动频率,一要求步进电动机最高启动频率o4. 2步进电动机的选折4. 2.1 ca6140横向进给系统步进电机的确定mlo 25.32mq=040.4 =63.3 n

16、.cm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： mq 63.3mjm=0866 = 0.866=73.09 n.cm步进电动机最高工作频率：vmax 1000fmax=60 6 p 60 x 0.005 =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。5主轴交流伺服电机5.1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=iimax/iimhi,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 nmax=14nmax

17、/nj=2nj/min(5-1)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=1800/113=15.9(5-2) 主轴电机的功率是：7.5kw5. 2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,间隙负载(60% )/kw=17.5kw,短时负 载(20min) /kw=19.25kw,额定负载 n/r.min-i=5000,最大转速 nmax/ r/min=8000, 额定转矩277n.ni,惯性矩0.206/kg.m2晶体管pwm变频器型号为 6sc

18、6058-4aa025. 3主轴电机的校核电动机恒恒功率调速范围：rn= nmax/nmin=8000/5000 =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围。5.1 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：后面所画大图采用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；

19、(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yo丫4/7

20、4ls138 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，p。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

21、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p1.0-p1.7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.0-pc.3接自动回转刀架(四方刀架)，自动回转刀架需要

22、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.opa.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.opb.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to,通过设置不同的时间常数，可

23、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表(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)yoooox xxxx xxxx xxxx8k0000hmfffh2746 (2)yi001x xxxx xxxx xxxx8k2000h3fffh6264yi010x xxxx xxxx xxxx8k4000h-5fffh8155(1)ramy30111 1110 xx

24、xx xxxx2567e00h-7effhi/oy30111 1111 11111xxx67ff8h-7ffdh8155(2)ramy41001 1110 xxxx xxxx2569e00h-9effhi/oy41001 111111x11xxx69ff8h-9ffdh表芯片地址编码7车床改造的结构特点7.1 .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。7. 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

25、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7. 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。7. 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。8安装调整中应注意的问题8.1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 择合适以后再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸。8. 2滚珠丝杠螺母副的调整：利用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的预紧力 为丝杠副最大负载的1/3为宜。在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载, 使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于（mhmm,而且运转灵活，并以此作为 螺母间隙调整装置预紧的判断标准。8 3联轴器的安装.传动丝杠轴路上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因 为同一联轴