CA6136普通機床的數(shù)控化改造技術(shù)賀廣東

1、山東英才學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題目CA6136普通機床的數(shù)控化改造技術(shù)專業(yè)機電一體化工程姓名賀廣東指導(dǎo)教師OO九年十二月三十日精品文檔目錄第一章 緒論 . 41.1 數(shù)控機床和改造的必要性 41.1.1 數(shù)控機床概述 . 41.1.2 數(shù)控機床在工業(yè)中的地位 . 51.2 數(shù)控改造的必要性 51.2.1 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 . 51.2.2 機床數(shù)控化改造的必要性 . 6第二章 機械部分改造設(shè)計與計算 . 82.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 82.1.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計 . 82.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 . 82.2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 102.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計

2、. 102.2.2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 . 10第三章 自動換位刀架的選用 . 14第四章數(shù) 控機床電氣控制系統(tǒng) . 154.1 數(shù)控機床的電氣控制原理 154.2 數(shù)控系統(tǒng)分析 164.3 經(jīng)濟型數(shù)控機床改造時數(shù)控系統(tǒng)選用 174.4 功率放大電路 18第五章 步進電動機的選擇 . 195.1 步進電動機 195.2 步進電機選擇的基本原則 215.3 縱向電機的計算與選擇 225.4 橫向電機的計算與選擇 24總 結(jié). 28參考文獻 . 29摘要隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對精密程度的要求越來越高，對機械加工設(shè)備的加工精密程度也要 求越來越高。而在中國的機械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例。這

3、已經(jīng)越來越制 約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控機床由于價格昂貴，且需要較高技術(shù)的加工工人。所以對機 床進行自動化改造很是必要。本篇論文是在對普通臥式車床CA6136 的基礎(chǔ)上對其進行自動化改造。本人在搜索、查閱和研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對機床自動化改造技術(shù)進行了深入 的研究和分析，并描述了機床控制系統(tǒng)的設(shè)計。整個改造過程主要對車床縱、橫向進給系 統(tǒng)進行改造，選用自動轉(zhuǎn)位刀架， 由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋。 整個控制系統(tǒng)以 8031 型號的單片機為中心，通過編程對機床的驅(qū)動設(shè)備進行控制以達到所需要的加工程度。關(guān)鍵詞 ：機床改造； 自動化機床； 控制系統(tǒng)7歡迎。下載AbstractWith the

4、 development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restr

5、ict the development of industrial nowadays. But the CNlathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very muchto modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather CA6136 and modified it to Lathe

6、s automatic.The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, hori

7、zontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPUof 8031 is to control the machine for center, through a plait distance drive toolmachinean equipments to carry on control

8、to attain need of process degree.Key Words: Machinery Tool Reform ； Lathes automatic ； Servo system第一章 緒論1.1 數(shù)控機床和改造的必要性1.1.1 數(shù)控機床概述數(shù)控機床1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞 動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了 質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在 1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。 從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，

9、數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā) 展。 數(shù)控（NC階段（19521970年）早期計算機的運算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機 床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系 統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC簡稱為數(shù)控（NQ。隨著元器件的發(fā)展，這 個階段歷經(jīng)了三代，即 1952年的第一代 - 電子管。1959年的第二代 - 晶體管。1965年的第 三代 - 小規(guī)模集成電路。 計算機數(shù)控（CNC階段（1970年現(xiàn)在）到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的 核心部件，從此進入了計算機數(shù)控

10、（CNC階段（把計算機前面應(yīng)有的通用兩個字省略 了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件 -運算器和 控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上， 稱之為微處理器（MICROPROCESSOR 又可稱為中央處理單元（簡稱 CPU。到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床 能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機床，稱之為群控） ，不如采用微處理器經(jīng)濟合理。 而且當(dāng)時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過 多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。到了 19

11、90年，P（機（個人計算機，國內(nèi)習(xí)慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC勺階段?？傊?，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970年的第四代 - 小型計算機； 1974年的第五代-微處理器和1990年的第六代-基于PC（國外稱為PC-BASEJD還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即 CNC 了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC。所以我們?nèi)粘Ｖv的數(shù)控，實質(zhì)上已是指計算機數(shù)控了。1.1.2 數(shù)控機床在工業(yè)中的地位近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企 業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國內(nèi)數(shù)控金切

12、機床產(chǎn)量已達 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%，機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控 化率從 2000年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 2001 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界 第5名，機床消費額在世界排名上升到第 3位，達47.39 億美元，僅次于美國的 53.67億 美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床 的進口額呈逐年上升態(tài)勢， 2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24.06 億美元，比上年 增長 27。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、 數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有

13、鉆床、鋸床、插床、拉床、組 合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。1.2 數(shù)控改造的必要性1.2.1 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場（ 1）機床數(shù)控化改造的市場我國目前機床總量 380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國機床數(shù) 控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億 元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國機床役齡 10年以上的占 60以上， 10年以下的 機床中，自動/半自動機床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本 自動和半自動機床占 60%以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)

14、的生產(chǎn)、加工裝備絕 大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的 產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺 乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大 力提高機床的數(shù)控化率。（2）進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從19791988年10年間，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446項，大約165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進項目由 于種種原因，設(shè)備或生

15、產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使 企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護 不當(dāng)，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良。有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管 理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮，有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作 用。有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標(biāo)；有的因為能耗高、產(chǎn) 品合格率低而造成虧損。有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備 不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設(shè)備、 生產(chǎn)線是個包袱， 也是一批很大的存量資產(chǎn)， 修好了就是財富。 只要找出主要的技術(shù)難點

16、，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)， 爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。1.2.2 機床數(shù)控化改造的必要性（ 1 ）微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控 系統(tǒng)所包含的計算機的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運 算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜 的曲線或曲面?？梢詫崿F(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)

17、定 的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加 工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了 柔性自動化 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要修配?？蓪崿F(xiàn)多工序的集中， 減少零件 在機床間的頻繁搬運。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能， 因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看 管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速 反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是 推行FMC

18、（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企 業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。（ 2）宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末 80 年代初已開始大規(guī)模 應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改 造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD CAECAM虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn) 品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)

19、進 行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大 為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有 量中， 數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率） 到1995年只有1.9，而日本在 1994年已達 20.8 ， 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。精品文檔第二章機械部分改造設(shè)計與計算2.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算2.1.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單 ，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠 絲杠,使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連 接起

20、來，以保證其同軸度，提高傳動精度。2.1.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向進給系統(tǒng)類似，所用到的公式不詳細說明，只計 算結(jié)果。已知條件：工作臺重(根據(jù)圖紙粗略計算)：W=30kgf=300N時間常數(shù)：T =25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程：L0 =4mm行程：S =190mm脈沖當(dāng)量：p =0.005 mm / step距角：=0.75/step快速進給速度：Vmax=1 m/ min(1) 切削力計算橫向進給量為縱向的1/21/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/21Fz= X 5700=285( kgf cm )=2850 ( N )2在切斷工件時：11Fy= Fz= X

21、 285=142.5( kgf cm)=1425 ( N )22211歡迎下載(2) 滾珠絲杠設(shè)計計算1) 強度計算：對于矩型導(dǎo)軌：取 k=1.1， f=0.15P=kFy+f(Fz W)則:P=1.1 X 142.5+0.15 (285+30) =204( kgf cm )=2040 ( N )取工件直徑：D =80mm走刀量:f =0.15 mm1000vf n =DL。= 1000 100 0.153.14 80 4=15 ( r/min )壽命值:.60 niTiL =i610=60 15 15000=13.510最大動負荷：Q=3 Li fwfHP=113.5 X 1.2 X 1 X

22、 204=582.89( kgf cm )=5829.9 ( N )根據(jù)最大動負荷 Q值，選擇滾珠絲杠的型號為FFZD3204 5 B左，其直徑為 32 mm，導(dǎo)程為4 mm,滾珠列數(shù)為5列，精度為B級，額定動載荷是13000 N , 所以其 強度符合要求2) 效率計算:摩擦角：=10螺旋升角： =3038則傳動效率：3)剛度驗算：滾珠絲杠截面積：tgtg(3.222X 3.14=7.065 X 10-2 (cm2)滾珠絲杠受工作負載P引起導(dǎo)程的變化量:L1 =PL。EF204 0.4620.6 107.065 10滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L2很小，可忽略，即 L= Li，所以，導(dǎo)程變

23、形總誤差為：=：0 哪 7.27 10 518 ( m/m)查表知B級精度絲杠允許的螺距誤差（1 m長）為25 m/m,故剛度足夠。=5.61 X 10-8（cm）4）穩(wěn)定性驗算：由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?、一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強2.2縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算2.2.1縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)控車床的改造一般是步進電機經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左 右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端，而從改造實用方面來考慮，一般把步 進電機放在縱向絲杠的右端，即尾架部位。2.2.2縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件：工作臺

24、重量：時間常數(shù)：滾珠絲杠基本導(dǎo)程: 行程：脈沖當(dāng)量：步距角：快速進給速度：1）切削計算：W = 80kgf =80N (根據(jù)圖紙粗略計算)T =25msL 0=6 mmS =640mmp=0.01 mm/ step=0.75 / stepVmax=2mm/ min由機床設(shè)計手冊可知，切削功率Nc = N K式中 N 電機功率，查機床說明書，N =4KW ;n主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.60.7取n =0.65 ；精品文檔K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K =0.96。則：Nc=4X 0.65 X 0.96=2.496 KW又因為NFzvc=6120F6120NC Z=v所以式中v 切削線速度，取

25、v=100m/min。 主切削力Fz=152.76(kgf) =1527.6(N)由金屬切削原理可知，主切削力查表得:Xf z=Gz ap z2Fz=188kgf/mm 1880Mpafz=1Yfz=0.75KYFz KFzFz=11欽迎下載則可計算Fz如表1所示:表1 F z計算結(jié)果ap(mm)222888f(mm)0.20.30.40.20.30.4Fz(N)112515241891168722872837當(dāng)Fz=1520N時，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm,以此參數(shù)做為下面計算的依據(jù) 從機床設(shè)計手冊中可知，在一般外圓車削時：F?。篨 = (0.1 0.6 ) FzFZ=(0.

26、15 0.7) F zFx=0.5 F z=0.5 X 1527.6=763.8NFy=0.6 F z=0.6 X 1527.6=916.5N2)滾珠絲杠設(shè)計計算綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力：P=KFx+f (Fz+W)式中 K=1.15，f =0.15 0.18，取為 0.16。則P=1.15 X 763.8+0.16 X (1527.6+800)=1250.8N(1)強度計算：精品文檔壽命值60mTin主 f1000vfn1=L0 DL0取工件直徑D=80 mm,查表得 T i=15000h則:n000 10003=20r/min3.14 80 6最大動負載查表得:L1=6020 J5000

27、=18106Q= 3 L1 Pfw fH運轉(zhuǎn)系數(shù)f w=1.2硬度系數(shù)f H=113迎下載Q=3 18 X 1.2 X 1X 1250.8=39933.6N根據(jù)最大動負載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取FGB系列，滾珠絲杠直徑為 32mm型號為FGB32X 65 E，其額定動載荷是10689N,所以強度足夠壽命值_60n 1TiL1=106n主 f 1000vf n1=L0 DL0取工件直徑D=80 mm,查表得 T i=15000h則： n1=1000 100 3=20r/min3.14 80 6最大動負載查表得:L1=Q=60 20 15000 _d

28、O=181063 L1 Pfw fH運轉(zhuǎn)系數(shù)f w=1.2硬度系數(shù)f H=1Q=3 18 X 1.2 X 1X 1250.8=39933.6N根據(jù)最大動負載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠的 產(chǎn)品樣本選取FGB系列，滾珠絲杠直徑為 32mm型號為FGB32X 6 5巳，其額定動載荷是10689N所以強度足夠用(3) 效率計算：根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率n為:=tgvn tg(v )式中摩擦角書=10螺旋升角丫 =3 25則_ tg3 25n =tg(3 2510)3) 剛度驗算：滾珠絲杠受到工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量 Li=PLoEF式中 Lo=6mm

29、=O.6cmE=20.6X 166N/ cm2。滾珠絲杠截面積F=( d)2n = ( 28031 ) 2X 3.142 2 L1=1250.8 0.620.6 106(2.80322-6= 5.9 X 10 cm3.14滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L2很小，可忽略,即： L=AL1。所以:導(dǎo)程變形總誤差為二100 L = X 5.9 X 10-6=9.8 卩 m/m L。0.6查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差(0.001mm長)為15卩m/m,故剛度足夠(4) 穩(wěn)定性驗算：由于機床原絲杠直徑為 30mm現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為 32 mm支承方式不變,所以穩(wěn)定性不存在問題。精品文檔第三章

30、自動換位刀架的選用自動轉(zhuǎn)位刀架的選用是普通機床數(shù)控改造機械方面的關(guān)鍵，而由數(shù)控系統(tǒng)控制的自動 轉(zhuǎn)位刀架，具有重復(fù)定位精度高，工件剛性好，性能可靠，使用壽命長以及工藝性能襖等 優(yōu)點。經(jīng)濟型數(shù)控車床的自動刀架，在生產(chǎn)中最常用的是常州武進機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的系 列刀架，具有重復(fù)定位精度高，工作剛性好，使用壽命長，工藝性能好等優(yōu)點達到國內(nèi)先 進水平，在生產(chǎn)中大量使用?，F(xiàn)選用常州武進機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4工型系列四工位自動刀架。C616適配刀架。刀架技術(shù)參數(shù)：刀位數(shù)：4電動功率： 60W電機轉(zhuǎn)速： 1400r/min夾緊力： 1t上刀體尺寸：152 X 152下刀體尺寸：161X 171技術(shù)指標(biāo)：重

31、復(fù)定位精度：W 0.005伽工作可靠性：30000次換刀時間： 90180 270 2.9s3.4s3.9s刀架動作流程為：電機f減速機構(gòu)f升降機構(gòu)f上刀體上升轉(zhuǎn)位f信號符合f粗定位機構(gòu)f上刀體下 降一槽定位一刀體鎖緊一電機停轉(zhuǎn)-換刀答信一加工順序執(zhí)行。刀架工作原理 :微機發(fā)出換刀信號控制箱中繼電器動作電機正轉(zhuǎn)，通過減速機構(gòu)和升降機構(gòu)將上刀體上升至一定位置時，離合器轉(zhuǎn)盤起作用帶動上刀體旋轉(zhuǎn)到所需刀位，發(fā)訊盤上霍爾元件發(fā)出刀位信號，刀架控制繼電器使用電機反轉(zhuǎn)，反靠初定位上刀體下降齒牙盤嚙合，完成精定位并通過蝸輪蝸桿鎖緊螺母使刀架固緊，當(dāng)夾緊力達到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時過流繼電器動 作切斷電源電機停轉(zhuǎn)并

32、向微機發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下工序。第四章數(shù) 控機床電氣控制系統(tǒng)4.1數(shù)控機床的電氣控制原理數(shù)控機床除了對主軸的調(diào)速有要求外 ，對于主軸的速度和位置控制都有更高的要求 本次設(shè)計的數(shù)控機床其全部的電氣控制系統(tǒng)如圖1所示倍息栽體一程；芋清單亠CAD/CAM*系統(tǒng)上位機裝置數(shù)控系統(tǒng)CNC接:可編程邏輯吐氣續(xù)件電路*（電用柜）輸出裝置主麻電機T-屯機J連度能制單* 位汽控制系亦圖4-1數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)組成1. 數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)。2. 數(shù)控系統(tǒng)將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發(fā)出各種需要的運動 指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結(jié)束。3. 可編

33、程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自 CNC的各種運動及 功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運行；同時將來自機床的各種 信息及工作狀態(tài)傳送給CNC使 CNC能及時準(zhǔn)確地發(fā)出進一步的控制指令，如此實現(xiàn)對整個 機床的控制。4. 主軸驅(qū)動系統(tǒng)接受來自CNC的驅(qū)動指令,經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩（功率）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū) 動主電動機轉(zhuǎn)動，同時接受速度反饋實施速度閉環(huán)控制。還通過 PLC將主軸的各種現(xiàn)實工 作狀態(tài)通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。5. 進給伺服系統(tǒng)接受來自CNC對每個運動坐標(biāo)軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流 （轉(zhuǎn)矩）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動 ，實現(xiàn)機床

34、坐標(biāo)軸運動，同時接受速度反饋信 號實施速度閉環(huán)控制它也通過PLC與CNCS信,通報現(xiàn)時工作狀態(tài)并接受 CNC勺控制。6. 速度測量通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉(zhuǎn)速匹配成電壓值送回伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現(xiàn)速度的精確控制。7. 位置測量采用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機床坐標(biāo)軸在15歡迎下載精品文檔CNC并與指令位移相比較直至運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到坐標(biāo)軸到達指令位置，從而實現(xiàn)對位置的精確控制。4.2數(shù)控系統(tǒng)分析一般來說，對現(xiàn)有普通車床進行數(shù)控改造的具體做法是 ，主傳動系統(tǒng)一般不作變

35、動，進 給傳動系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠替換進給軸原有的普通絲杠。機械部分改造完成后，配上MCS-51單片機作為數(shù)控系統(tǒng)，用步進電機作驅(qū)動元件,經(jīng)過一級減速齒輪驅(qū)動X、Z軸 的運動。在我國數(shù)控機床改造中，微型計算機大多采用MC 51型系統(tǒng)單片微型計算機，它 是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，在控制領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)展非常迅速。單片微型 計算機簡稱單片機，又稱微控制器，是將計算機的基本部件微型化，使之集成一塊芯片的微 機。片內(nèi)含有CPU ROM RAM并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時 鐘及系統(tǒng)總線等。MC51單片機在片內(nèi)存儲器容量、I/O的功能以及指令系統(tǒng)功能等方 面,

36、都大大地得到加強,特別適用于實時控制、智能儀表、主從結(jié)構(gòu)的多機系統(tǒng)領(lǐng)域,是控制領(lǐng)域中最理想的8位機。8031片內(nèi)沒有程序存儲器,外部擴展一片或多片含有用戶程序的 EPRO后,就相當(dāng)于一 片8751。因而使用方便靈活，且價格低廉，目前是應(yīng)用最廣泛的機型。綜上所述,考慮到MCS-51的性能,選用該系列的8031CPI作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機。 8031屬8位單片機。它是集CPU, 1/0端口及部分RAM等為一體的控制器。價格低但功能 全，編程靈活性大，硬件資源豐富。系統(tǒng)框圖如圖所示 ：kisTTCT圖4-2 8301系統(tǒng)原理圖8031芯片內(nèi)部具有128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM內(nèi)部編址為OOH-7

37、FH用作工作寄存器、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器。CPU對內(nèi)部RAMt豐富的操作指令。但片內(nèi) RAM容量不夠，故外接6225 (32 K)芯片來擴展8031的RAM勺存儲器。8031的輸入、輸出(I/O)線不 多，所以外接8155芯片以擴展I/O 口。8031是一個無ROM勺8051,必須外接EPRO或ROM 作為程序存儲器，所以外接 U42764(2個)、U66204均為28腳封裝。8031為40引腳的雙 列直插式器件，有4個雙向8位1/O 口 (P0.0 -P3.0), P0.0 口和P2.0?？谧鳛榈刂房偩€使用o 16位地址總線由P0.0 口經(jīng)地址鎖存器74LS373提供低8位(A0-A7)，高

38、8位(A 8-A15) 由P2 口直接提供，8位數(shù)據(jù)總線由P0.0 口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用，ALE為地址鎖存允許，當(dāng)送低8位地址時使ALE有效并鎖存到74LS373中，當(dāng)送數(shù)據(jù)時使ALE無 效。4.3經(jīng)濟型數(shù)控機床改造時數(shù)控系統(tǒng)選用數(shù)控系統(tǒng)是一臺數(shù)控機床的核心。對系統(tǒng)的選擇在機床數(shù)控改造中是至關(guān)重要的 現(xiàn)從系統(tǒng)的經(jīng)濟性和實用性選擇為開環(huán)伺服系統(tǒng)為 JW 15To 現(xiàn)將該經(jīng)濟性數(shù)控系統(tǒng)性能參數(shù)列表如下：1生產(chǎn)廠家南京微分電機廠江南機床數(shù)控工程公司2用戶容量24K3設(shè)定單位X=0.005Z=0.014控制軸數(shù)X、Z兩軸5聯(lián)動軸數(shù)二軸6編程尺寸 9999.997快速(X/Z)向316/

39、伽8G功能G00- G04 G22G29 G32、G33 G36 G37、G9 G80 G929M功能M00- M09 M20 M29 M92 M9910S功能S01 S04 S05 S1011T功能T1XT8X12步進電機220V 10%50HZ13控制精度1步14功耗W36015環(huán)境溫度040 C16相對溫度80% (25 C)17外形尺寸(伽)340 X 400 X 22018系統(tǒng)重量17 kg17迎下載精品文檔4.4功率放大電路脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的要求，必須將其放大以產(chǎn)生足夠 大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn).下圖是一種高低壓供電的實用電路，其工作原理是：電路中各

40、晶體管均處在開關(guān)狀態(tài). 當(dāng)控制脈沖到來時，T1、T3、T4均導(dǎo)通，同時脈沖變壓器的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流， 使T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管處于負偏置而截止，將電動機繞組WA與電源En斷開，高壓電源通過T2、T1為電動機繞組 WA供電，使其電流上升沿變陡，通過 tb時間后、脈沖 電流消失，使T2處于截止?fàn)顟B(tài)，切斷高壓電源 EH與電動機繞組 WA勺回路，En通過D2圖4-3高低壓供電電路8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL1 XTAL2引腳上外接定時元件，如圖 6所示。晶體可在1.2 一 12MHz之間任選，耦合電容在5

41、 30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用.采用外部時鐘方式，8031時鐘電路復(fù)位電路8031可把XTAL1接地，XTAL2場接外部時鐘源。圖4-418歡迎下載精品文檔第五章 步進電動機的選擇5.1 步進電動機步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制 系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟 領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信 號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（ 稱為“步距角”） ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從

42、而達到準(zhǔn)確定 位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的 目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機， 利用其沒有積累誤差 （ 精度為 100%）的特 點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（PM、混合式 步進電機（HB和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度 或15 度。反應(yīng) 式步進電機一般為三相， 可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出， 步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。 反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn) 生轉(zhuǎn)矩。混

43、合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進 角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次 細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。步進電機的一些基本參數(shù) ,電機固有步距角 , 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號， 電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，女口86BYG250;型電機給出的值為0.9/1.8 （表示半步工作時為 0.9、整步工作時為 1.8），這個步距角可以稱之為 電機固有步距角 ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器 有關(guān)。步進電機的相數(shù) , 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二

44、相、三相、四相、五相 步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9 /1.8 、三相的為 0.75 /1.5 、五相的為 0.36 /0.72 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選 擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù) 將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩( HOLDING TORQU)E , 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的 力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由 于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以 保持轉(zhuǎn)

45、矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2N.m的步進電機。DETENT TORQUE是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUES國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子 不是永磁材料，所以它沒有 DETENT TORQUE步進電機的一些特點：1一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。2步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因 此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來

46、講，磁性材料的 退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝 氏 80-90 度完全正常。3步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電 動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下 降。4步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn) , 但若高于一定速度就無法啟動 , 并伴有嘯叫聲。19歡。迎下載精品文檔步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的 脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載 的情況

47、下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即 啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速) 。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù) 字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。5.2步進電機選擇的基本原則合理選用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況, 經(jīng)過分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：(1) 步距角a 步距角應(yīng)滿足：aW mini式中i 傳動比a min 系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。(2) 精度步進電機的

48、精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值。 用積累誤差衡量精度比較實用 所以選用步進電機應(yīng)滿足 QW i O s式中 Q步進電機的積累誤差； O s系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部件允許的角度誤差。(3) 轉(zhuǎn)矩為了使步進電機正常運行(不失步、不越步)，正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須 考慮：1)啟動力矩 一般啟動力矩選取為:L00.30.5式中M q電動機啟動力矩；M L0 電動機靜負載力矩。根據(jù)步進電機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表2所示。Mm為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩,21歡迎下載精品文檔是步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。表2步進電機相數(shù)

49、、拍數(shù)、啟動力矩表運行相數(shù)33445566方式拍數(shù)3648510612皿 /M jm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力力矩與電動機轉(zhuǎn)動 慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。（4）啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負載力矩 和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足：f tf cp m 式中f t極限啟動頻率；fcp m要求步進電機最高啟動頻率。5.3縱向電機的計算與選擇等效轉(zhuǎn)動慣量計算。根據(jù)理論力學(xué)公式計算進給系統(tǒng)中各回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量。滾珠絲杠設(shè)計時假設(shè)

50、傳動比i為4,取脈沖當(dāng)量為0.005mm脈沖；縱向快速進給速度為4m/min；步進電機的步矩角預(yù)選為1.8 （ 0） /step。故可取 N = 20、z2 = 80; m= 1.5m（模數(shù)）,a= 200; d! = mzi = 30mm d2 = mz2 = 120mmda1 = d1 + 2ha = 33, da2 = d2 + 2ha = 123則齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為（齒輪為 45號鋼，并將齒輪近似看成圓柱體）2 44422JZ1=7.8da1b X 10 = 7.8 3.32 10 kg.cm 0.185 kg .cm=0.185 X 10 4 kg.m2244422JZ2 = 7.

51、8 da2 b X 10 =7.8 12.32 10 kg.cm 35.7 kg.cm=35.7 X 10 4kg.m2滾珠絲杠選用型號為FFZD4005-3-P3/1410X 1290的絲杠其長度為 1410mm直徑為40mm則絲杠的轉(zhuǎn)動慣量近似為442242Js = 7.8 4 14.1 10 kg .cm 2.815488 kg .cm =2.8 X 10 kg.m設(shè)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為Jm = 7.5 X 10 4kg.m2 （當(dāng)有效到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)動慣量大于電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量一個數(shù)量級時，J m值可以忽略，但當(dāng)?shù)刃У诫妱訖C軸上的負載慣量較小時，就不能輕易地忽略它?，F(xiàn)預(yù)選電動機為

52、11OBYG450其電動機轉(zhuǎn)子地抓動慣量為 7.5 X 10 4 kg.m2) o根據(jù)參考文獻5上公式可知k epmi(與2ji( L)23迎下載式中：Vj采用最不利于機床啟動時的速度,這里選用快速進給速度溜=4m/min；九=nm (電動機)=v溜 / (360 )= 4000r/min ; mi = 100kg; nz1 = nm ; nz2 = nz1/i = 1000 r/min。 則m1222J ep 嚴 100 (2/4000) kg.mjm jz1 (jz2 js)/i=(0.006 X 10 4 + 7.5 X 10 4 + 0.185 X 10 4 +( 35.7 X 10

53、4 + 2.8 X 10 4) / 42) kg.m23 2=1.0 X 10 kg.m(1) 絲杠摩擦阻力力矩(Tsm )的計算。由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預(yù)緊措施，故滾珠絲杠會產(chǎn)生摩擦阻力矩，但由于滾珠絲杠的傳動效率很高，其摩擦 阻力矩相對與其它負載轉(zhuǎn)矩小得多，故一般不用考慮。(2) 等效負載轉(zhuǎn)矩Tepm。由書上機電一體化公式得m 1V 溜12Tep =(F縱 F 摩) 0 =(2200 160)02nm2 3.144000=0.18N.m(3) 啟動慣性阻轉(zhuǎn)矩( )得計算。這里以最不利于啟動得快進速度進行計算，啟動加速度(或制動減速)時間為t =0.03s (一般在 0.0

54、3 1s之間選擇)，由于電動機轉(zhuǎn)速wm = 2 nm/60 (2 4000/60)s 1 418.7 s 1，取加(減)速曲線為等加(減)速梯形曲線，故 角加速度為Wmm418.7/0.3s1395s精品文檔mep=1.0 10 3 1395 N.m 1.395 N.m(5)步進電動機輸出軸上總負載轉(zhuǎn)矩T的計算T 二 Tepm + T慣=(0.18+1.395 ) N.m=1.575 N.m(6)步進電動機的匹配選擇上述計算均未考慮機械系統(tǒng)的傳動效率，當(dāng)選擇機械傳動總效率=0.7時T T /1.575/0.7N.m2.25N.m在車削時，由于材料的不均勻等因素的影想，會引起負載轉(zhuǎn)矩突然增大，為避免計算 上的誤差以及負載轉(zhuǎn)矩突然