畢業(yè)設計_尚慧

畢業(yè)設計說明書設計題目：普通車床的數(shù)控化改造 學 生 尚慧 班 級 2009級 學 號 095006306061 指導教師 胡世軍 繼 續(xù) 教 育 學 院二零一一年十月畢業(yè)設計任務書設計題目：普通車床的數(shù)控化改造 學 生 尚慧 班 級 09級 學 號 095006306061 指導教師 胡世軍 繼 續(xù) 教 育 學 院二零一一年十月蘭 州 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 任 務 書 學 生 指導教師 胡世軍 班 級 09級機電一體化 職 稱 副教授 一 畢業(yè)設計題目CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉(zhuǎn)刀架設計CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計C6140型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計C6140型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉(zhuǎn)刀架設計C6140型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計C6140型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計C6140型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉(zhuǎn)刀架設計C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉(zhuǎn)刀架設計C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉(zhuǎn)刀架設計CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉(zhuǎn)刀架設計CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計二、主要設計參數(shù)及技術(shù)指標1、 X軸(橫向)、Z軸(縱向)改為微機控制，采用步進電機或直流伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動。其中X軸(橫向)脈沖當量：0.005mm/脈沖，Z軸(縱向)脈沖當量：0.010mm/脈沖。2、 實現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工3、 操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止4、 采用回轉(zhuǎn)刀架及液壓尾座5、 其余參數(shù)見原機床三、畢業(yè)設計內(nèi)容及工作量（一） 設計計算說明書 一份0.81.0萬字（二）、圖紙部分 1、普通車床數(shù)控化改造總體方案圖 A0一張2、機床尺寸聯(lián)系圖 A0一張3、主要部件裝配圖（主軸箱等） A0一張4、數(shù)控機床硬件電路圖 A0一張（選做）四 畢業(yè)設計的基本要求： 能按時獨立完成畢業(yè)設計規(guī)定的全部內(nèi)容，方案選擇正確，論據(jù)充分，對設計中的主要問題分析深入，解決合理，有獨立見解，能很好運用所學理論和提供的資料解決設計中的問題，能獨立查閱和正確引用中外文參考資料，說明書文字通順、清楚、選用數(shù)據(jù)論證合理、計算準確，圖面整潔。五、 進程安排序號主 要 任 務時間備注1查閱文獻、調(diào)研、收集資料、實習0.5周2總體方案圖 1.0周3機床尺寸聯(lián)系圖2.5周4主要部件裝配圖 2.5周5編寫設計計算說明書1.0周6準備答辯0.5周六.主要參考文獻數(shù)控機床設計 陳嬋娟主編 化學工業(yè)出版社經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計張新義主編 機械工業(yè)出版社新編機床數(shù)控技術(shù) 任玉田主編 北京理工大學出版社機床設計圖冊 上海紡織工學院等主編 上?？茖W技術(shù)出版社機械設計手冊 成大先主編 化學工業(yè)出版社7、 設計書的裝訂及格式 裝訂必須采用橫向翻頁方式。內(nèi)容順序為：封面，任務書，目錄，中文摘要，中文關(guān)鍵詞，引言，正文，結(jié)論（計算結(jié)果），參考文獻，致謝。目錄摘要.7前言1 概述 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢 .7 1、數(shù)控機床運行原理簡述 2、數(shù)控機床的優(yōu)點 3、國內(nèi)舊機床的數(shù)控化改造趨勢 2 C6140普通車床數(shù)改的總體方案 一、總體方案的設計 1、 設計任務 2、總體方案的論證與確定 3、具體改造方案的論述4、數(shù)控系統(tǒng)的選用二、 對C6140型機床機械總體分析 1 、C6140型機床原電路的分析 2、 C6140型機床機械實物的分析 3 數(shù)控化C6140自動刀架設計一、 刀架 4 數(shù)控化C6140車床傳動裝置設計一、 主傳動的數(shù)控化改造 二、 進給傳動的數(shù)控化改造 三、 進給傳動鏈 四、 接口箱內(nèi)減速齒輪的齒數(shù)比 五、 傳動滾珠絲杠副 5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 一 、數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 二 、單板機控制系統(tǒng)的設計6 數(shù)控化C6140步進電機的設計 一、機械調(diào)試 二、 機電聯(lián)動調(diào)試 三、 主軸控制7 車床進給系統(tǒng)數(shù)控改造中滾珠絲杠副的選型和計算 一 C6140 車床改造方案 二 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 三 結(jié)語8 機床數(shù)控改造的必要性與意義 一、機床進行數(shù)控化改造的必要性 二、改造的意義結(jié)論 參考文獻摘要 隨著世界上工業(yè)先進國家的機械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，我國的機械制造業(yè)已經(jīng)落后于世界水平了。而本課題所做的把普通經(jīng)濟型機床改造成數(shù)控機床，就是利用所學的數(shù)控知識把已經(jīng)落后的普通機床稍加改造轉(zhuǎn)變成先進的數(shù)控機床。普通機床經(jīng)過數(shù)控改造后，可以大大地提高傳動進給精度，從而提高原機床的加工精度。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。 針對現(xiàn)有常規(guī)C6140普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了C6140機械改造部分的設計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。數(shù)控機床在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，但數(shù)控機床一次性投資較大，對機床進行數(shù)控化改造不失為一良策。C6140車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留原車床的手動變速功能，改造簡單易行，可降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。主要介紹了經(jīng)濟型數(shù)控機床進給（縱向）伺服系統(tǒng)設計計算。闡述了C6140普通數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的改進及機床控制系統(tǒng)的改造。 本設計說明書包括：概論、總體設計方案的擬定和驗證、主傳動部分的改造設計、伺服進給系統(tǒng)的改造設計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇設計、編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設計等幾個部分。改造后的機車，主運動實現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控控制，并要求達到縱向最小運動單位為0.01 /脈沖，橫向最小運動單位0.005 /脈沖，刀架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動切削螺紋。述了C6140普通數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的改進及機床控制系統(tǒng)的改造關(guān)鍵詞:普通車床，數(shù)控改造，數(shù)控機床，單片機數(shù)控系統(tǒng)，改裝設計，縱向進給系統(tǒng); 滾珠絲杠副前言 制造自動化是先進制造技術(shù)的重要組成部分，其核心技術(shù)是數(shù)控技術(shù)。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。我國的機械制造行業(yè)發(fā)生了日新月異的變化，國內(nèi)數(shù)控機床的用量迅速增加。因此，需要培養(yǎng)一批熟悉并掌握數(shù)控機床編程、數(shù)控加工工藝、操作和維護的應用型高級技術(shù)人員。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,它必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設備的直接影響。目前,采用先進的數(shù)控機床,已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機床改裝成數(shù)控機床也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑。為適應現(xiàn)代化生產(chǎn),對C6140車床進行了數(shù)控化改造。第一章 概述一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經(jīng)非常強大，與此同時加工技術(shù)以及一些其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和進步提出了新的要求。 從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過了半個世紀歷程。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經(jīng)非常強大，與此同時加工技術(shù)以及一些其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和進步提出了新的要求。現(xiàn)在，數(shù)控系統(tǒng)正沿著開放式體系結(jié)構(gòu)、軟數(shù)控、控制性能向智能化、高可靠性、網(wǎng)絡化、復合化、多軸聯(lián)動化七大方向發(fā)展。電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高，促進了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展。數(shù)控機床性能在高速度、高精度、高可靠性和復合化、網(wǎng)絡化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長足的進步，現(xiàn)代制造業(yè)正在迎來一場新的技術(shù)革命。1、 數(shù)控機床運行原理簡述數(shù)控機床的工作原理是數(shù)控裝置內(nèi)的計算機對以數(shù)字和字符編碼方式所記錄的信息進行一系列處理后，向機床進給等執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，執(zhí)行機構(gòu)則按其命令對加工所需各種動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和速度等實現(xiàn)自動控制，從而完成工件的加工。2、 數(shù)控機床的優(yōu)點數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，采用數(shù)控機床有以下幾方面的好處： 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定； 提高生產(chǎn)效率，一般約提高效率3-5倍，使用數(shù)控加工中心機床則可提高生產(chǎn)率5-10倍； 可加工形狀復雜的零件； 減輕了勞動強度，改善了勞動條件； 有利于生產(chǎn)管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展。3、國內(nèi)舊機床的數(shù)控化改造趨勢本畢業(yè)設計實隨著數(shù)控機床越來越多的普及應用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。目前，數(shù)控機床已成為市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。可以預料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，例具有典型性和實用性。第二章C6140普通車床數(shù)改的總體方案一、總體方案的設計1、設計任務從機械和電氣兩方面詳細闡述數(shù)控化改造的方法。改造后的車床投入使用后,使其運行穩(wěn)定,加工精度明顯提高,取得更大的經(jīng)濟效益。本設計任務是對C6140普通車床進行數(shù)控改造。利用微機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。2總體方案的論證與確定（一）、機械與電氣改造（1）數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求C6140車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）伺服進給系統(tǒng)的改造設計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 在設計的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應考慮以下要素： 1. 時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關(guān)； 2.可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關(guān)； 3. I/O口擴展的能力與對外設控制的能力相關(guān)。除此之外，還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定CPU。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應用較普遍的是 Z80CPU和MCS-51系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設計中是以MCS-51系列單片機，51系列相對48系列指令更豐富，相對96系列價格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機中應用最多的是8031單片機。本設計以8031芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。由于電機起動或其它原因可能造成車間電網(wǎng)電壓的波動,而這種波動可能引起正在運轉(zhuǎn)中的機床突然停止,造成不必要的麻煩。為了避免這種情況的發(fā)生，同時也要將原電路的控制電路部分加以改進。（二）、總體方案的確定經(jīng)總體設計方案的論證后，確定的C6140車床經(jīng)濟型數(shù)控改造示意圖如圖所示。C6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進給運動采用步進電機驅(qū)動。由8031單片機組成微機作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。刀架改成由微機控制的經(jīng)電機驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O 接口送給微機。3、具體改造方案的論述數(shù)控化改造設計時,在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件,因此確定總體改造方案如下: (1) 拆除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪,用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠,將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上,縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副,絲杠采用分體式,用套筒聯(lián)軸器實現(xiàn)剛性聯(lián)接;(2) 橫向驅(qū)動電機及齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對操作者) ,縱向驅(qū)動電機及齒輪減速裝置安裝在機床的右端,靠近尾座的位置;(3) 要實現(xiàn)自動換刀,需拆除原手動刀架,在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架; (4) 為了使改造后的車床能夠加工螺紋,需要加裝主軸脈沖編碼器,以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測,編碼器安裝在掛輪箱內(nèi);(5) 為使加工過程中不超程,縱橫向要安裝行程限位開關(guān);(6) 為實現(xiàn)回參考點的動作,必須在縱橫向安裝接近開關(guān);(7) 縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩,以防臟物、油污和切屑等進入,機床整體也要加裝防護罩,以防止加工過程中的切屑飛濺傷人; (8) 考慮到改造的成本,盡可能采用可靠性高的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。4、數(shù)控系統(tǒng)的選用選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要在應用PLC 進行設計過程中,運用了2 個輔助繼電器,用來簡化程序的設計。在編制程序的過程中,充分考慮了系統(tǒng)的安全性,運用了有互鎖功能的設計,如分別串聯(lián)上了Y002、Y004 常閉觸點,用來完成對KM2、KM3 的保護控制,從而提高了整個機床控制系統(tǒng)運行的可靠性。在程序設計中,將不同控制方式的程序分別編寫,根據(jù)工作方式選擇開關(guān)決定執(zhí)行哪行程序,這樣使程序結(jié)構(gòu)清晰,編程方便。二、對C6140型機床總體分析1 、C6140型機床原電路的分析根據(jù)C6140型機床的電器原理圖所示,我們對原理圖進行分析如下。1.1、主電路分析主電路有三臺電動機,M1為主軸電動機,采用直接起動,由接觸器KM1控制,熱繼電器FR1為過載保護,短路保護由電源斷路器實現(xiàn)。冷卻泵電動機M2由接觸器KM2控制起動,熔斷器FU1作短路保護,熱繼電器FR2為過載保護。刀架快速移動電動機M3由接觸器KM3控制起動,熔斷器FU1作短路保護。1.2、控制電路分析控制變壓器TC二次輸出110V電壓作為控制電路電源。(a)主軸電動機控制,先用鑰匙向右轉(zhuǎn)動電源開關(guān)鎖,再合上電源開關(guān)QF,為起動作準備,按下起動按鈕SB2,接觸器KM1線圈得電吸合,主觸點閉合,主電動機起動,并由輔助常開觸點閉合自鎖。按停止按鈕SB1,接觸器KM1線圈失電,其主觸點和輔助觸點斷開(復位),主軸電動機停轉(zhuǎn)。(b)冷卻電動機的控制,當接觸器KM1吸合,主電動機M1起動后,旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA2閉合,接觸器KM2得電吸合,冷卻泵電動機M2才能起動。(c)刀架快速移動電動機的控制,由SB3點動控制。按下SB2,KM3線圈得電,KM3主觸點吸合,M3起動。松開SB2,KM3線圈失電, KM3主觸點復位,M3停轉(zhuǎn)。構(gòu)成的比較電路就會輸出低電位,控制驅(qū)動電路使繼電器K2常開觸點斷開,接觸器KM5不工作,斷開蓄電池與充電機主回路的連接。蓄電池過電壓保護,充電機在充電過程中,電路發(fā)生故障,單體蓄電池電壓上升到3V時,由SF358另一個運算放大器構(gòu)成的比較電路輸出高電位,控制驅(qū)動電路使繼電器K1吸合,K2釋放,接觸器KM5釋放,電路過電壓保護,自動切斷充電直流電源,停止工作,并同時過電壓指示燈亮。蓄電池經(jīng)過第一階段大電流充電,單體電壓上升到2.4V時,通過另一路SF358雙運算放大器構(gòu)成的上、下比較電路使555時基電路輸出低電位,繼電器K3動作,常閉觸點打開, 接觸器KM2釋放,斷開一半電容降壓恒流裝置,充電機自動轉(zhuǎn)入第二階段小電流充電。2、C6140型機床機械實物的分析2.1、 機床基礎件有足夠的剛性數(shù)控機床屬于高精度機床,工件移動或刀具移動的位置精度要求很高,必須在0001001mm之間,高的定位精度和運動精度要求原有機床基礎件具有很高的靜剛度和動剛度。本次用于改造的C6140車床自購進后一直保養(yǎng)良好,機床基礎件剛性滿足要求。22、 系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格該車床控制系統(tǒng)的軟件部分采用VC6.0編寫。其功能主要有讀取零件的加工G代碼，編輯和編譯G代碼，仿真加工（包括加工前仿真和與加工同步仿真，回參考點，手工對刀，加工中斷，超程軟限位等功能。它可處理進給速度，主軸速度及轉(zhuǎn)速方向，刀具信息，M功能等多種加工信息。該軟件的操作平臺是Windows98。該軟件的操作過程是首先讀入*.NC或*.TXT的G代碼文件；然后進行編譯，編譯器能給出不符合本軟件的語法錯誤提示；有錯誤可也立即修改；然后按照毛胚的實際尺寸輸入，軟件進行加工前仿真。在確認沒有因G代碼引起的加工錯誤的情況下，可以開始機床加工。加工前得首先對刀，對刀的意義在于建立起工件坐標與車床坐標之間得關(guān)系。加工過程中，軟件界面的狀態(tài)欄還顯示出刀具當前的坐標，加工狀態(tài)，加工時間等信息。該系統(tǒng)由SIEMENS 802S系統(tǒng)、接口電路、驅(qū)動線路及步進電機等組成,另外還配有自動轉(zhuǎn)塔刀架、主軸變頻調(diào)速器及主軸編碼器等,系統(tǒng)屬開環(huán)控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:(1)系統(tǒng)控制部分。采用SIEMENS 802S系統(tǒng),鍵盤和顯示部分裝在面板上。(2)系統(tǒng)軟件具有若干指令。其中加工指令有：直線、斜線、螺紋、錐螺紋和圓弧等5條指令?？蓪崿F(xiàn)車削外圓、端面、臺階、割槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作?？刂浦噶钣薪Y(jié)束循環(huán)、暫停、延時、延時換刀、編碼換刀、通訊等,與加工指令配合,可加工出各種較復雜的零件。(3)系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度-10+40;濕度為40% 80%。(4)輸入電網(wǎng)電壓。交流(22022)V;頻率為50Hz;電流為15A。(5)步進電機。BYG550C-2型電機兩臺,驅(qū)動電壓為110V;相電流為25A;步距角為036/步;靜力距為12Nm。第三章 數(shù)控化C6140自動刀架設計一、 刀架由于本車床刀架改裝以后，只能安裝兩把刀具，一把用于車削普通柱，錐面及端面，一把用于加工螺紋，故沒有采用旋轉(zhuǎn)式刀架，刀具是被安裝在刀架的前后兩端，采用X軸前后走刀以實現(xiàn)自動換刀。根據(jù)需要,拆除原方刀架,安裝620型四方刀架。該刀架由120W的三相交流異步電機正轉(zhuǎn)驅(qū)動,使刀架正轉(zhuǎn)選刀,到預定刀位時,電機則反轉(zhuǎn),使刀架夾緊。換刀方式有手控和機控兩種。機控時當零件在加工過程中需要換刀時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出預先編制好的換刀控制指令,控制器接到換刀指令時,立即驅(qū)動刀架回轉(zhuǎn)。手控時,按動面板上的按鈕,刀架能轉(zhuǎn)一個刀位(90),也可連續(xù)按動按鈕,直至任一刀位。第四章 數(shù)控化C6140車床傳動裝置設計一、 主傳動的數(shù)控化改造機床主傳動的作用是把電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過一定途徑傳給主軸,使工件以不同的速度運動,主傳動性能的好壞,直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率?？紤]到改造的經(jīng)濟性,可乘用機床原有的普通三相異步交流電動機拖動?？紤]到加工過程中當電網(wǎng)電壓和切削力矩發(fā)生變化時,電機的轉(zhuǎn)速也會隨之波動,直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提高加工精度,實現(xiàn)主軸自動無級變速,在主軸上增加了交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng),從而不需進行機械換檔。針對機床要求具有螺蚊切削功能,在主軸部位安裝主軸脈沖發(fā)生器,如圖1所示。為保證脈沖發(fā)生器與主軸等速旋轉(zhuǎn),即主軸轉(zhuǎn)一周,主軸脈沖發(fā)生器也轉(zhuǎn)一周。改裝時,主軸傳動必須經(jīng)過原有C6140車床主軸箱中58/58和33/33兩級齒輪(實現(xiàn)11)傳遞到原有C6140車床的掛輪軸X,拆除掛輪留出空間,安裝脈沖發(fā)生器,并用法蘭盤固定。二、 進給傳動的數(shù)控化改造進給傳動的作用是接受數(shù)控系統(tǒng)的指令,驅(qū)動刀具作精確定位或按規(guī)定的軌跡作相對運動,加工出符合要求的零件,對進給傳動的要求是高精度、高速度。改造中我們采用步進電機驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)開環(huán)。進給傳動系統(tǒng)控制,這樣結(jié)構(gòu)簡單,安裝調(diào)試和維修都非常方便。三、 進給傳動鏈普通車床改造后的進給傳動鏈,刀具縱向(Z軸)移動由步進電機,經(jīng)接口箱內(nèi)一對減速齒輪,轉(zhuǎn)動縱向移動的絲桿而實現(xiàn)。刀具的徑向(X軸)移動由步進電機,經(jīng)接口箱內(nèi)一對減速齒輪,轉(zhuǎn)動橫向移動絲桿而實現(xiàn),該傳動鏈與原機床的傳動鏈相比,擺脫了結(jié)構(gòu)復雜的進給箱和拖板箱。四、 接口箱內(nèi)減速齒輪的齒數(shù)比該車床要求的控制精度為: Z向0005mm, X向為00025mm,即當執(zhí)行一個脈沖指令時,工件的長度和直徑均變化0005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為036,每周步距數(shù)為360/036=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當量為00025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當量0005mm。按公式主動輪齒數(shù)從動輪齒數(shù)=步/周脈沖當量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=100025/4000=5/8Z向:Z主/Z從=10005/6000=5/6五、 傳動滾珠絲杠副數(shù)控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、無爬行,采用滾珠絲杠副可以滿足上述要求。在結(jié)構(gòu)中,用普通滾珠絲杠副實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動。滾珠絲杠螺母副安裝時需預緊,通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙,提高傳動剛度。預緊的方法是采用雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu)。通過改變兩個螺母的軸向相對位置,使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)來實現(xiàn)的。一般需要幾次調(diào)整才能保證機床在最大軸向載荷下,既消除間隙,又能靈活運轉(zhuǎn)。第五章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計一 、數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設計本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機。外接一片2764EPROM，作為監(jiān)控程序的程序存儲器和存放常用零件的加工程序。再選用一片 6264RAM用于存放需要隨機修改的零件程序、工作參數(shù)。采用譯碼法對擴展芯片進行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統(tǒng)的輸入輸出口擴展，分別接鍵盤的輸入、輸出顯示，8255接步進電機的環(huán)形分配器，分別并行控制X軸和Z軸的步進電機。另外，還要考慮機床與單片機之間的光電隔離，功率放大電路等。二 、單板機控制系統(tǒng)的設計 8031單片機采用兩種復位方式：一種是加電自動復位，另一種為開關(guān)復位。 ALE/PROG：ALE是地址鎖存允許信號。它的作用是把CPU從P0口分時送出的低8位地址鎖存在一個外加的鎖存器中。 ：外部程序存儲器讀選通信號。當其為低電平時有效。VPP：當EA為高電平且PC值小于0FFFH時CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。當EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。 XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地； XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時，接收外圍震蕩信號。片外三總線結(jié)構(gòu)單片機在實際應用中，常常要擴展外部存儲器、I/O口等。單片機的引腳，除了電源、復位、時鐘輸入以及用戶I/O口外，其余的引腳都是為了實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的，這些引腳構(gòu)成了三總線形式： 地址總線AB，地址總線寬度為16位。因此，外部存儲器直接尋址范圍為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址（A7A0），P2口直接提供高 8位地址（A15A8）。 數(shù)據(jù)總線DB 數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供。 控制總線CB 控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。8255A可編程并行I/O口擴展芯片 8255A可編程并行I/O口擴展芯片可以直接與MCS系列單片機系統(tǒng)總線連接，它具有三個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無條件傳送、查詢傳送或中斷傳送方式完成CPU與外圍設備之間的信息交換。8255A的結(jié)構(gòu)及引腳功能： 1、8255A的結(jié)構(gòu)中包括三個8位并行數(shù)據(jù)I/O端口，二個工作方式控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和一個8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。各部分功能介紹如下： （1）三個8位并行I/O端口A、B、C， A口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。可編程為8位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/ 緩沖器和一個8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，C口可分作兩個4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時的狀態(tài)控制信號。 （2）工作方式控制電路A、B兩組控制電路把三個端口分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個控制命令寄存器，用來接收由CPU寫入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據(jù)控制字的要求對C口按位清“0”或置“1”。（3）讀/寫控制邏輯電路它接收來自CPU的地址信號及一些控制信號，控制各個口的工作狀態(tài)。 （4）數(shù)據(jù)總線緩沖器它是一個三態(tài)雙向緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，以實現(xiàn)CPU和8255A之間信息的傳送。第六章 數(shù)控化C6140步進電機的設計一、機械調(diào)試絲杠上,側(cè)母線和橫、縱導軌的平行度誤差控制在001mm/全長之內(nèi);轉(zhuǎn)動絲杠,絲杠軸向竄動在001mm之內(nèi);絲杠螺母同軸度誤差控制在001mm之內(nèi)。二、 機電聯(lián)動調(diào)試1、單坐標點動,主要調(diào)試其有無動作,運動方向是否符合要求,機械傳動是否正常,有無不正常響聲等。1上刀體 2活動銷 3反靠盤 4定軸 5蝸輪 6下刀體 7螺桿 8離合器盤 9霍爾元件 10磁鋼2、點動合格后,做連續(xù)運動。反復多次,若出現(xiàn)故障或異常,排除后方可繼續(xù)進行。3、先試Z坐標方向,后試X坐標方向,這是因為Z坐標方向調(diào)試方便。4、測量兩坐標重復定位精度。在Z向坐標做連續(xù)移動時,若發(fā)現(xiàn)與絲杠相聯(lián)的齒額定轉(zhuǎn)速: 2000r/min額定輸出功率: 2kW編碼器:絕對位置檢測方式,分辨率1000000p/r 軸端形式:錐軸伺服放大器采用與電機配套的SJV2系列20型,其驅(qū)動能力為2kW。對于2kW電機,也可采用SJV2系列的10型放大器,但此時的輸出扭矩要比20型減少1/3,不利于大功率切削。I/O設備選用型號為HR341的基本I/O單元,主要用于機床操作面板及與機床間的輸入輸出控制。另外附加一個遠程I/ODX110,主要用于教學功能的“故障模擬設置”的輸入輸出。伺服及I/O單元連接原理圖如圖1所示。三、主軸控制拆除了原來的主軸變速箱，采用變頻器皮帶主軸編碼器。該系統(tǒng)的主軸速度也是有級調(diào)速，共7級，速度可以從40rpm到1200rpm，不過每一檔的速度可以根據(jù)需要通過設置變頻器來實現(xiàn)。利用變頻器的五個端子，可以用數(shù)字量控制電機的正，反轉(zhuǎn)，停止及各檔速度。本變頻器是松下產(chǎn)品，其中七檔頻率在A20A26中設置，端口應該由端口控制器（A1）控制。本系統(tǒng)沒有采用手工機械調(diào)速，所有的速度均由G代碼中的S命令來控制。軟件可以讀取G代碼，自動控制主軸電機轉(zhuǎn)速。主軸電機采用交流變頻控制電機,由變頻器進行控制,轉(zhuǎn)速范圍606000r/min。模擬量由基本I/O單元的A0端口輸出010V的直流電壓,變頻器根據(jù)輸入的電壓變化而輸出相應的轉(zhuǎn)速。由于模擬主軸電機沒有編碼器,因此在發(fā)出轉(zhuǎn)速命令后,系統(tǒng)無法檢測到主軸的是否運行。為解決這一問題,我們利用變頻器上的功能端子,將其通過參數(shù)設置成“到達指令頻率閉合”狀態(tài),并通過PLC檢測此信號,從而實現(xiàn)對電機的運轉(zhuǎn)進行監(jiān)控。第七章 C6140 車床進給系統(tǒng)數(shù)控改造中滾珠絲杠副的選型和計算一 C6140 車床改造方案將C6140 車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床,原機床的進給系統(tǒng)全部拆除,縱向和橫向均采用步進電動機降速齒輪滾珠絲杠副溜板的傳動方式。滾珠絲杠副是一種在絲杠與螺母間裝有滾珠作為中間元件的絲杠副,是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動元件。滾珠絲杠副具有傳動效率高、摩擦力小、可預緊、使用壽命長等優(yōu)點,所以在各類中、小型數(shù)控機床的直線進給系統(tǒng)中得到普遍應用。C6140 車床數(shù)控改造技術(shù)參數(shù)最大工件直徑/mm 400最大工件長度/mm 1 500溜板及刀架重力/N縱向( z 軸) 800 ;橫向( x 軸) 600刀架快速移動速度m/min 縱向2. 4 ;橫向1. 2最大進給速度m/min 縱向0. 6 ;橫向0. 3定位精度mm 0. 015主電機功率/kW 7. 5啟動加速時間/ms 30支承間距l(xiāng) = 1 500 mm ,支承滾珠絲杠的軸承為8107 型推力球軸承,幾何參數(shù)為d1 = 35 mm ,滾動體直徑dQ = 6.35 mm ,滾動體數(shù)量zQ = 18。滾珠絲杠副及軸承均進行預緊?，F(xiàn)以縱向進給系統(tǒng)改造為例,介紹滾珠絲杠副的選型與驗算。二 縱向進給系統(tǒng)的設計計算2. 1 切削力計算最大切削功率Pq = Pz= 6 kW式中Pz 主電動機功率,C6140 車床Pz = 7.5kW;主傳動系統(tǒng)的總效率,一般為0. 70.85 ,取= 0.8。切削功率應在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力(或轉(zhuǎn)矩) 和最大切削速度(或轉(zhuǎn)速) 來計算,即PQ =Fc v10 - 3/60式中Fc 主切削力, Fc =60 PQ 103/v= 3 600 N;v 最大切削速度,按用硬質(zhì)合金刀具半精車鋼件時的速度取v = 100 m/min。在一般外圓車削時Fz = (0110155) Fc , Fx = (01150165) Fc取Fz = 0148 Fc = 1 728 N , Fx = 0158 Fc = 2 088 N式中Fz 、Fx 縱向、橫向切削分力,N。2. 2 滾珠絲杠副的選型和驗算滾珠絲杠副的選型和驗算主要是型號的選擇和性能驗算。滾珠絲杠的選用設計,一般必須已知下列條件:絲杠的最大軸向載荷Fmax (或平均工作載荷Fm) 、使用壽命T、絲杠的工作長度(或螺母的有效行程) 、絲杠的轉(zhuǎn)速n (或平均轉(zhuǎn)速) 、絲杠的運轉(zhuǎn)狀態(tài)等,以縱向為例,可按以下步驟計算:(1) 滾珠絲杠軸向進給切削力的計算縱向進給為綜合型導軌,滾珠絲杠軸向進給切削力Fm = KFz + f( Fc + W) = 2 691. 2 N式中W 移動部件的重量,N ;f導軌上的摩擦因數(shù),取f= 0116 ;K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù), K=1.15。(2) 滾珠絲杠平均轉(zhuǎn)速的計算最大切削力下的進給速度vs ( rPmin) ,可取最高進給速度的1P21P3 (取為1P2) ,縱向最大進給速度為0. 6 mPmin ,絲杠導程選ph = 6 mm ,則滾珠絲杠平均轉(zhuǎn)速n =1 000 vs/h= 50 r/min(3) 滾珠絲杠壽命的計算絲杠使用壽命取T = 20 000 h (2 班工作制10a) , 則絲杠的計算壽命L =60 nT/106 = 60 (106 r)(4) 滾珠絲杠副承受的最大當量動載荷的計算根據(jù)工作負載Fm 、壽命L ,滾珠絲杠副承受的最大當量動載荷Cm =3L Fmfw/f a= 12 642. 8 N式中fw 運轉(zhuǎn)系數(shù),取fw = 1.2 ;f a 精度系數(shù),滾珠絲杠副精度取為3 級,則取f a = 1。(5) 從滾珠絲杠尺寸系列表(或產(chǎn)品樣本) 中找出額定動載荷Ca 略大于當量動載荷Cm ,同時考慮剛度要求,初選滾珠絲杠副的型號及有關(guān)參數(shù)。(6) 根據(jù)機床結(jié)構(gòu)和工作要求(即循環(huán)方式、預緊方式、傳動精度、傳動效率等方面) 從初選的幾個型號中挑選比較合適的公稱直徑、導程、負荷滾珠列數(shù)和滾珠圈數(shù),確定某一型號。參照山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司的產(chǎn)品樣本,C6140 縱向進給滾珠絲杠副的型號選為:CDM4006 - 2. 5 - P3 ,是外循環(huán)插管埋入式雙螺母墊片預緊絲杠副,其額定動載荷為14 820 N ,強度足夠,鋼球循環(huán)列數(shù)為1 2. 5 2 ,精度等級選為3 級。其幾何參數(shù)如下:公稱直徑d0 = 40 mm ,導程ph = 6mm ,鋼球直徑Dw = 3.969 mm ,絲杠底徑d2 = 35.2mm ,預緊力Fy = 2 066 N。2. 3 剛度驗算的計算滾珠絲杠副剛度的驗算,主要是驗算絲杠的拉伸或壓縮變形量1 、滾珠與螺紋滾道接觸變形量2和支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 之和應不大于機床精度所允許變形量的1P2。否則,應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。滾珠絲杠的變形量計算步驟如下:(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量1 =ph/ph*l = 1.975 10- 2 mm式中ph 工作負載Fm 引起導程ph 的變化量,ph = Fm ph/EA= 0.790 10- 4 mm。由于兩端均采用角接觸球軸承,且絲杠又進行了預緊,故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實際變形量為1 =1/41 = 0.494 10- 2 mm(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形滾珠絲杠副及軸承均進行預緊,滾珠與螺紋滾道接觸變形2 = 0.001 3*Fm/3dw Fy z2= 0.005 9 mm式中z 滾珠數(shù)量, z = zjk ;j 圈數(shù);k 列數(shù);z 每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)。對于CDM4006 - 2. 5 , z = zjk =d0/dw215 2 =158.2 ,取整為158 個。因絲杠加有預緊力,2 可減少1P2 ,因此實際變形量2 = 0. 005 9/ 2 = 0. 295 10 - 2 mm(3) 支承滾珠絲杠的軸承軸向接觸變形支承滾珠絲杠的軸承為8107 型推力球軸承,幾何參數(shù)為d1 = 35 mm ,滾動體直徑dQ = 6135 mm ,滾動體數(shù)量zQ = 18。軸承的軸向接觸變形3 = 0. 002 43F2m/dQ z2Q= 0.007 8 mm因施加預緊力,故實際變形量3 =3/2= 0.003 9 mm根據(jù)以上計算,總變形量=1 +2 +311. 8m三級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差為15m/m ,故剛度足夠。因為滾珠絲杠兩端都采用推力球軸承并預緊,因此不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,故不需做穩(wěn)定性校核。三 結(jié)語通過以上的計算,獲得的CDM4006 - 2. 5 - P3縱向進給系統(tǒng)的滾珠絲杠副,在數(shù)控改造C6140 車床應用后,機床工作臺運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、靈活、精度高、噪音低,可以滿足實際生產(chǎn)加工要求。第八章 機床數(shù)控改造的必要性與意義一、機床進行數(shù)控化改造的必要性