xx新编机电一体化毕业设计(论文)-普通车床的数控化改造

xx新编机电一体化毕业设计(论文)-普通车床的数控化改造内容摘要：

，一般在普通机床改造中丝杠副选 P4 级即可满足要求，特殊精密机床选P3 级甚至更高。 丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种，如图 1。 (a) (b) (c) (d) 图 1 丝杠副轴承的布置 ① .图 1－ a 中为一端固定，一端悬空的布置方式。 这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。 ② .图 1－ b 中为一端固定，一端支承的布置方式。 这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 1－ d 中为两端固定的布置方式。 这种布置方式丝 杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。 这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。 (2） 机床导轨 普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。 因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于 10 磨损较严重的更要进行大修， 即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。 (3）电机与丝杠的联接 在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。 一般对于小型车床如 C6116 型，由于空间尺寸有限，特别是 X 轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如 C6150，床身长 5 米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。 无 论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。 齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。 主轴部分的改造 车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。 普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（ 9～ 24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。 普通车床在数控化改造时大部分情况下保留 原主轴箱，不做改动或少做改动。 如需改动则要注意以下几点： 如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。 如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。 我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器， 其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。 根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。 根据光 11 电码盘上刻线条数可分为 1024 线、 2048 线等，我们常用的为 1024 线即可满足要求。 刀架部分的改造 目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。 老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。 电动刀架可分为卧式转塔刀架（一 般安装 8～ 12 把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。 卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。 润滑部分的改造 老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。 在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程 自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。 丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。 机床防护 机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。 局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。 半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。 全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。 实际操作起来以前两种最多，也最易操作。 12 机床数控化改造的必要 性 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 万台，即我国机床数控化率不到 3%。 近 10 年来，我国数控机床年产量约为 ～ 万台，年产值约为 18 亿元。 机床的年产量数控化率为 6%。 我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20%， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上）。 可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。 用这种装备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。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。 所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。 事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。 二． 车床数控改造的构思与方案 本次改造的普通车床型号为 CA6140，长度 750 毫米。 数控改造主要包括 传动系统的机械改造和数控装置的设计。 由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。 通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。 改造任务 本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造。 利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 ，横向（ X 向）脉冲 13 当 量为 ，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。 改造方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 ① 控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。 由于要求 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 ②伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开 环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。 所以，本设计决定采用开环控制系统。 ③数控系统的硬件电路设计 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，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。 有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中， CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3) I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关 ； 除此之外， 还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和 MCS51 系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。 本设计中是以 MCS51 系列单片机， 51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜， 51 系列中，是无 ROM 的 8051， 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。 目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。 本设计以 8031 芯片为核心，增加 存储器扩展 14 电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 改造方案的确定 CA6140A 车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。 这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。 数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。 普通车床改造的 目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。 在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。 改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过 I/O 接口输出给 X 轴和 Z 轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。 换刀指令通过刀架 控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。 三． 主要结构的数控改造方法 数控系统的改造 数控系统是数控机床的灵魂，其性能的稳定性直接影响零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。 一般的，普通车床数控改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。 15 数控系统的选择 机床数控系统 (CNC 系统 )是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显 著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。 目前市场上流行的数控系统，如 FANUC、西门子、 GSK980TD 等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。 在对多家数控系统进行比较后 !我们选择了 GSK980TD 型数控系统。 数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。 为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。 常年的工作考脸证明 GSK980TD 系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。 其工作场 地的室温为 045℃，相对湿度 75%短时可达 95%,抗震为 ，电网电压波动为 10%15%,经对使用中系统的实际统计， GSK980TD系统的故障率为 ，比较好地满足了我国市场的要求。 GSK980TD 系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。 (2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片： GSK980TD 系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。 (3)全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统 的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界 (人 )的不稳定因素的干预。 所以产品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制软件设计： GSK980TD 系统经过在国内各地数年的运行，积累了丰富的数据，因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时，系统能及时处理，从而进免了元部件的损坏。 (5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数 据的串行传输大大提 16 高了运行的可靠性。 主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰。 电气控制原理 主轴控制系统： 主轴采用三相异步电机驱动由西门子 440 变频器 US 控制，其动力由 U、 V、W 三相电源经变频器 US 提供，主轴电机的正反转由指令控制经 PLC 输出再经变频器 US 控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经 XS9 口直接连到变频器 US 控制电机转速，若出现故障，则由变频器。