CA6140普通車床微機數(shù)控化改裝設計(說明書).doc

畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 1 頁 裝 訂 線 摘 要 針對大多數(shù)企業(yè) 具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床 其加工精度較低 不能批量生產 自動化程度不高 自適應性差 但考慮投資成本 產業(yè)的連續(xù)性 又不能馬上被淘汰 數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產品 能解決機械制造中結構復雜 精密 批量 零件多變的問題 加工質量穩(wěn)定 生產效率較高 購買新的數(shù)控機床是提高產品質量和效率的重要途徑 但是成本高 許多企業(yè)在 短時間內無法實現(xiàn) 這嚴重阻礙企業(yè)設備更新的步伐 為此把普通機床數(shù)控化改造 不失為一條投資少 提升產品質量及生產效率的捷徑 提升企業(yè)競爭力 在我國成 為制造強國的進程中 占有一席之地 本文的主要內容有 1 對普通車床數(shù)控化改造經濟性評價詳細論證 確定普通車床數(shù)控化改造方案 2 對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設計 支承方式的設計與軸承型號選 擇 步進電機選擇等進行了詳細研究 3 對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較 根據所改造的 性能和精度指標來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號 提出選擇方法 4 根據普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造 CJK6140 A 的數(shù)控系統(tǒng)對比分析 形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術圖 5 為保持切削螺紋的功能 仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型 脈沖 發(fā)生器直接與主軸間連接方法 并形成了相應的技術圖 6 拆卸普通機床 甩掉原有進給箱等 對主傳動系統(tǒng)的進行大修 滑板貼塑與 鏟刮調試 對機床相關部件和參數(shù)進行測繪 測量 7 繪出相應的零件圖和裝備圖 8 給出普通車床數(shù)控化改造的安裝 調試方法 關鍵詞 普通車床 數(shù)控 改造 ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general purpose machine tools which have longevity of service low precision can not adapt to 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 2 頁 裝 訂 線 mass production low automatization and adaptability but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise s production As a representative production of mechanical electronic hydraulic and pneumatic integration numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency and can solve problems such as complex structure high precision mass production part variety in machining Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency but it may not come true to many enterprises because it cost much Enterprises equipment updating step are counteracted severly So General lathe s numerically controlled reforming is a quick way that costs less improve production precision and efficiency and it can improve enterprises competitive power So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country The main contents is 1 The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum s synthesize adjudicate principle 2 The ball screw s type assembling supporting bearing type and stepping motorof feeding system is designed 3 The import and domestic NC systems were compared carefully brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming 4 The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140 s electricity control system and principle with the reforming CJK6140 A s NC system 5 In order to protect the function of cutting a screw we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis and draw out a techniquediagram 6 Disassembled the lathe throw away the old feeding system repaired the main driving system covered plastics on sliding surface shoveling or scraping and testing counted or measured the parts of the lathe 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 3 頁 裝 訂 線 7 Draw out parts diagrams and assemble diagram 8 Methods of installing and testing of general purpose lathe s numerically controlled reforming were put forward Key words General purpose lathe Numerical control NC Reform 目目 錄錄 第一章 前言 6 1 1 問題的提出 6 1 1 1 國內外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 6 1 1 2 國內外數(shù)控技術發(fā)展趨勢 7 1 1 3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 7 1 2 普通機床數(shù)控改造的經濟性評價 8 1 2 1 微觀看改造的必要性 8 1 2 2 宏觀看改造的必要性 9 1 3 普通機床數(shù)控化改造市場 9 1 3 1 改造的市場 9 1 3 2 進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 10 第二章 CA6140 普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求 10 2 1 設計要求 10 2 2 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 11 2 3 主軸脈沖發(fā)生器 12 第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算 14 3 1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計 14 3 2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 14 3 2 1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 15 3 2 2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟 15 3 3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 19 3 3 1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 19 3 3 2 滾珠絲杠設計計算 20 3 3 3 齒輪及轉矩有關計算 22 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 4 頁 裝 訂 線 3 4 滾珠絲杠螺母副的精度等級 23 3 5 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊 23 3 6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 25 3 6 1 采用減速箱的目的及注意事項 25 3 6 2 減少或消除空程的必要性和方法 25 第四章 CA6140 數(shù)控改造步進電機的設計 26 4 1 步進電機的工作方式 26 4 2 步進電機的選擇 26 4 2 1 步進電機選用的基本原則 26 4 2 2 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 27 4 2 3 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 28 第五章 自動回轉刀架的選型 28 5 1 數(shù)控車床刀架的基本要求 28 5 2 自動回轉刀架的工作原理 29 第六章 CA6140 普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 29 6 1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述 29 6 1 1 機床主機 30 4 1 2 驅動裝置 30 4 1 3 輔助裝置 30 4 1 4 數(shù)控裝置系統(tǒng) 31 4 1 5 編程裝置 31 6 2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計 31 6 2 1 控制系統(tǒng)的功能要求 31 6 2 2 硬件電路的組成 31 6 3 單板控制系統(tǒng)的設計 32 6 3 1 硬件配置 32 6 3 2 貯存器空間分配 32 6 3 3 I O 口地址分配 32 6 3 4 光電隔離電路 33 6 4 8031 單片機簡介 33 6 5 存儲器擴展電路設計 34 6 5 1 程序存儲器的擴展 34 6 5 2 數(shù)據存儲器的擴展 34 6 6 譯碼電路設計 38 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 5 頁 裝 訂 線 6 7 其他輔助電路設計設計 38 6 7 1 8031 的時鐘電路單片機的時鐘的產生方式 38 6 7 2 復位電路 40 6 7 3 越界報警電路 40 6 7 4 掉電保護電路 41 第七章 安裝調整中應注意的問題 42 7 1 滾珠絲杠螺母副的選擇 42 7 2 滾珠絲杠螺母副的調整 42 7 3 聯(lián)軸器的安裝 42 7 4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 42 第八章 結束語 42 致謝 43 參考文獻 44 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 6 頁 裝 訂 線 第一章 前言 1 11 1 問題提出問題提出 數(shù)控車床作為機電液氣一體化的典型產品 是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少的加 工設備 在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用 能解決機械制造中結構復雜 精密 批量小 零件多變的加工問題 且產品加工質量穩(wěn)定 生產效率較高 企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存 求得發(fā)展 就必須在最短的時間內以優(yōu)異 的質量 低廉的成本 制造出合乎市場需要的 性能合適的產品 而產品質量的優(yōu)劣 制造周期的快慢 生產成本的高低 又往往受工廠現(xiàn)有加工設備的直接影響 購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑 但是成本太高 很多工廠在短時 間內都無法有那么多的資金 這嚴重阻礙企業(yè)的設備更新和設備改造的步伐 同時 目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多 而且還具有較長使用壽命的普通機床 由于普通機 床加工精度相對較低 不能批量生產 生產的自動化程度不高 生產自適應性差 但考慮投資成本 產業(yè)的連續(xù)性和轉型周期 又不能馬上淘汰 而改造現(xiàn)有舊機床 配備與之相適應的數(shù)控系統(tǒng) 把普通機床改裝成數(shù)控機床 是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有 設備改造換代的首選辦法 也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑 不失為一條投 資少 提升產品加工精度及質量 提高生產效率的捷徑 使企業(yè)提升競爭力 在我 國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中 占有一席之地 1 1 1 國內外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備 它的發(fā)展一直引起人們的關注 由于計算 機技術的興起 促使機床的控制信息出現(xiàn)了質的突破 導致了應用數(shù)字化技術進行 柔性自動化控制的新一代機床 數(shù)控機床的誕生和發(fā)展 隨著計算機技術的高速發(fā)展 傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革 各工業(yè)發(fā)達國 家投入巨資 對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā) 提出了全新的制造模式 在現(xiàn)代制造 系統(tǒng)中 數(shù)控技術是關鍵技術 它集微電子 計算機 信息處理 自動檢測 自動 控制等高新技術于一體 具有高精度 高效率 柔性自動化等特點 對制造業(yè)實現(xiàn) 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 7 頁 裝 訂 線 柔性自動化 集成化 智能化起著舉足輕重的作用 目前 數(shù)控技術正在發(fā)生根本 性變革 由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā) 展 在集成化基礎上 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型 超小型化 在智能化基礎上 綜合 了計算機 多媒體 模糊控制 神經網絡等多學科技術 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速 高 精 高效控制 加工過程中可以自動修正 調節(jié)與補償各項參數(shù) 實現(xiàn)了在線診斷 和智能化故障處理 在網絡化基礎上 CAD CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體 機床聯(lián) 網 實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工 長期以來 我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結構 CNC 只能作為非智能的 機床運動控制器 加工過程變量根據經驗以固定參數(shù)形式事先設定 加工程序在實 際加工前用手工方式或通過 CAD CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制 CAD CAM和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié) 整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機 構 在復雜環(huán)境以及多變條件下 加工過程中的刀具組合 工件材料 主軸轉速 進給速率 刀具軌跡 切削深度 步長 加工余量等加工參數(shù) 無法在現(xiàn)場環(huán)境下 根據外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整 更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD CAM中的設定量 因而影響 CNC 的工作效率和產品加工質量 由此可見 傳 統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構 限制了 CNC 向多變量智能 化控制發(fā)展 已不適應日益復雜的制造過程 因此 對數(shù)控技術實行變革勢在必行 1 1 2 數(shù)控技術發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 1 高速高精高效化 速度 精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標 由于采用了高速 CPU 芯片 RISC 芯片 多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng) 同時采取了改善機床動態(tài) 靜態(tài)特性等有效措施 機床的高速高精高效化已大大提 高 2 柔性化 包含兩方面 數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計 功能覆蓋面大 可裁剪性強 便于滿足不同用戶的需求 群控系統(tǒng)的柔性 同一群控系統(tǒng)能依據不 同生產流程的要求 使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整 從而最大限度地發(fā)揮群 控系統(tǒng)的效能 3 工藝復合性和多軸化 以減少工序 輔助時間為主要目的的復合加工 正朝著多軸 多系列控制功能方 向發(fā)展 數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后 通過自動換刀 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 8 頁 裝 訂 線 旋轉主軸頭或轉臺等各種措施 完成多工序 多表面的復合加工 數(shù)控技術軸 西 門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸 4 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境 其作用是如何調度任務 以確保 任務在規(guī)定期限內完成 而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為 科學技術發(fā)展到今天 實時系統(tǒng)和人工智能相互結合 人工智能正向著具有實時響 應的 更現(xiàn)實的領域發(fā)展 而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的 更加復雜的應用發(fā) 展 由此產生了實時智能控制這一新的領域 在數(shù)控技術領域 實時智能控制的研 究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展 自適應控制 模糊控制 神經網絡控制 專家 控制 學習控制 前饋控制等 例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng) 故障診斷專 家系統(tǒng) 參數(shù)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調節(jié)系統(tǒng) 在高速加工時的 綜合運動控制中引入提前預測和預算功能 動態(tài)前饋功能 在壓力 溫度 位置 速度控制等方面采用模糊控制 使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高 從而達到最佳控 制的目的 1 1 3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的 具有閉環(huán)控制體系結構的 智能化新一 代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術 網絡技術 CAD CAM 伺 服控制 自適應控制 動態(tài)數(shù)據管理及動態(tài)刀具補償 動態(tài)仿真等高新技術融于一 體 形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系 1 2 普通機床數(shù)控化改造經濟性評價 根據對市場的調研 目前新的經濟數(shù)控車床 8 5 萬 臺 普通新車床 CA6140 售價 3 8 萬 臺 使用壽命 8 10 年 而已使用了 6 8 年的舊車床 CA6140 估價 0 5 萬 臺 通過改造還可使用 4 6 年 普通車床 CA6140 每臺數(shù)控化改造所需價格大約 3 萬 數(shù)控加工的生產率可提高 20 30 因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經 濟性評價 設備現(xiàn)代化改造是指應用現(xiàn)代技術成就和先進經驗 適應生產的需要 改變 現(xiàn)有設備的結構 包括更換新部件 新裝置 新附件等 改善現(xiàn)有設備的技術性能 使之全部或局部達到新設備的性能 1 2 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 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 9 頁 裝 訂 線 自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運 動的運動量 因此可以復合成復雜的曲線或曲面 2 可以實現(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)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得以自動化 故被稱為實現(xiàn) 了 柔性自動化 3 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 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件在機床間的頻繁搬運 5 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 由以上五條派生的優(yōu)點 1 降低了工人的勞動強度 2 節(jié)省了勞動力 一個 人可以看管多臺機床 3 減少了工裝 縮短了新產品試制周期和生產周期 4 可 對市場需求作出快速反應等等 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 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 數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和 基礎技術 1 2 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)模應用數(shù)控機床 其本質是 采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè) 包括軍 民機械工業(yè) 進行技術改造 除在制造過程中采用數(shù)控機床 FMC FMS外 還包括在產品開發(fā) 中推行 CAD CAE CAM 虛擬制造以及在生產管理中推行MIS 管理信息系統(tǒng) CIMS 等等 以及在其生產的產品中增加信息技術 包括人工智能等的含量 由于 采用信息技術對國外軍 民機械工業(yè)進行深入改造 稱之為信息化 最終使得他們 的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強 而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產 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 1 3 普通機床數(shù)控化改造市場 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 10 頁 裝 訂 線 1 3 1 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)控機床年產量約為 0 6 0 8 萬臺 年 產值約為 18 億元 機床的年產量數(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 FMC FMS等自動化生 產線更屈指可數(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)的生產 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品普遍存在質量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國際 國內市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產 品 市場 效益 所以必須大力提高機床的數(shù)控化率 1 3 2 進口設備和生產線的數(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 設備和生產線進行技術改造 據不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進技術改造項目就有 18446 項 大約 165 8 億美元 這些項目中 大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用 但是有的引進項目由于種種原因 設備或生產線不能正常運轉 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 一些設備 生產線從國外引進以后 有 的消化吸收不好 備件不全 維護不當 結果運轉不良 有的引進時只注意引進設 備 儀器 生產線 忽視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設備潛力不能發(fā) 揮 有的甚至不能啟動運行 沒有發(fā)揮應有的作用 有的生產線的產品銷路很好 但是因為設備故障不能達產達標 有的因為能耗高 產品合格率低而造成虧損 有 的已引進較長時間 需要進行技術更新 種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富 反而消耗著財富 這些不能使用的設備 生產線是個包袱 也是一批很大的存量資產 修好了就 是財富 只要找出主要的技術難點 解決關鍵技術問題 就可以最小的投資盤活最 大的存量資產 爭取到最大的經濟效益和社會效益 這也是一個極大的改造市場 第二章 CA6140 普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求 2 1 總體方案 總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型 計算機的選擇 以及傳動方式和執(zhí) 行機構的選擇等 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 11 頁 裝 訂 線 1 普通車床數(shù)控化改造后應具有定位 縱向和橫向的直線插補 圓弧插補功 能 還要求能暫停 進行循環(huán)加工和螺紋加工等 因此 數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng) 2 車床數(shù)控化改裝后屬于經濟型數(shù)控機床 在保證一定加工精度的前提下應 簡化結構 降低成本 因此 進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng) 3 根據普通車床最大的加工尺寸 加工精度 控制速度以及經濟性要求 經 濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機 在 8 位微機中 MCS 51 系列單片機具有集成度 高 可靠性好 功能強 速度快 抗干擾能力強 具有很高的性價比 因此 可選 MCS 51 系列單片機擴展系統(tǒng) 4 根據系統(tǒng)的功能要求 微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外 還包括擴展程序存儲 器 擴展數(shù)據存儲器 I O 接口電路 包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤 能 顯示加工數(shù)據和機床狀態(tài)信息的顯示器 包括光電隔離電路和步進電機驅動電路 此外 系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路 5 設計自動回轉刀架及其控制電路 6 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈 它們由步進電機 齒輪副 絲杠螺 母副組成 其傳動比應滿足機床所要求的分辨率 7 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性 選用摩擦小 傳動效率高的 滾珠絲杠螺母副 并應有預緊機構 以提高傳動剛度和消除間隙 齒輪副也應有消 除齒側間隙的機構 8 采用貼塑導軌 以減小導軌的摩擦力 9 原機床的主要結構布局基本不變 盡量減少改動量 以降低成本縮短改 造周期 10 機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性 考慮正確的裝配順序 保正安裝 調試 拆卸方便 需經常調整的部位調整應方便 總體方案設計圖如 2 1 圖所示 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 12 頁 裝 訂 線 2 2 設計要求 將 CA6140 普通車床改造成經濟型數(shù)控車床 要求該車床具有切削螺紋的功能 縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能 系統(tǒng)分辨率縱向 0 01mm 橫向 0 005mm 設計參數(shù)如下 最大加工直徑 500mm 大加工長度 1000mm 絲桿長度 1300 1500mm 溜板及刀架重力 橫向 700N 快進速度 橫行 1 2m min 最大切削進給速度 橫行 0 3m min 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點比較法 輸入方式 增量值 絕對值通用 控制坐標數(shù) 2 定位精度 0 015mm 主電機功率 5 5kw 啟動加速時間 30ms 自動升降速性能 有 2 3 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制 而改造后的車 床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開 分別由各自的步進電機來控制 但是 為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系 所以在拆掉進給系統(tǒng)的 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 13 頁 裝 訂 線 同時 必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器 來實現(xiàn)主軸傳動和進給運動之間的聯(lián)系 同時 為了提高機床的精度和效率 用滾珠絲杠來代替原機床的光杠 并且采用單 獨的步進電機來控制 這樣不僅提高了機床的性能和精度 還提高了機床的使用性 能 1 機械部分的改造 首先拆去進給箱 溜板箱 還要對車床的床鞍進行部分的改造 拆去縱向小拖 板 橫向拖板 將絲杠換成滾珠絲杠 并且由一端驅動的步進電機來控制 2 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求 所以 必 須要換成數(shù)控自動刀架 2 4 主軸脈沖發(fā)生器 為保持切削螺紋的功能 必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器 采用脈沖發(fā)生器直接 與主軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接 達到傳動系統(tǒng)結構簡化 傳動鏈短 傳動剛度提 高 主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉 發(fā)出兩路信號 每轉發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步 信號 經隔離電路以及 I O 接口送給數(shù)控裝置 CNC 脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安 裝位置如圖 光柵編碼器安裝位置 主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈 聚光鏡 光柵盤 光闌板 光敏管及其光 電整形放大電路組成 光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成 玻璃表面經過研磨拋光 后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層 透光條及用照相腐蝕法制成 在光柵盤上刻有 明暗條紋 有單條和 1024 個條兩組 當平行光束經過光柵盤時 在光柵盤的另一面 就產生明暗光帶 這光帶通過一個光闌狹縫 照在對應的光敏管上 從而產生光電 脈沖信號 經斯密特電路整形后輸出 單條紋的一組產生同步脈沖 每轉發(fā)一個脈 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 14 頁 裝 訂 線 沖 1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 4 間距的狹縫 產生兩組每轉 1024 個脈沖組相差為 4 的脈沖序列 供給微機處理 借以判斷主軸正 反轉 且可以 從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖 作為中斷信號控制插補速度 實現(xiàn) F 進給控 制的目的 脈沖發(fā)生器的結構原理圖 第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算 3 1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計 進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架 進給箱 溜板箱 溜板刀架 等改造的方案不是唯一的 以下是其中的一種方案 掛輪架系統(tǒng) 全部拆除 在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器 進給箱部分 全部拆除 在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠 光杠和操作杠拆去 齒輪箱連接滾珠絲杠 滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾 座端原來裝軸承座的部分 溜板箱部分 全部拆除 在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作 按鈕 橫溜板箱部分 將原橫溜板的絲杠的 螺母拆除 改裝橫向進給滾珠絲杠螺母 副 橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連 刀架 拆除原刀架 改裝自動回轉四方刀架總成 3 2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 15 頁 裝 訂 線 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內容包括 確定脈沖當量 計算切削力 滾珠絲杠螺母副的設計 計算與選型 齒輪傳動計算 步進電機的計算和選型等 計算簡圖如下圖所示 圖 2 1 縱向進給 圖 2 2 進給系統(tǒng)計算簡圖 3 2 1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量 它是衡量數(shù)控機 床加工精度的一個基本參數(shù) 因此 脈沖當量應根據機床精度的要求來確定 對經濟 型數(shù)控機床來說 常采用的脈沖當量為 0 01mm step 和 0 005mm step 在 CA6140 的 技術參數(shù)中 要求縱向脈沖當量為 0 01mm step 橫向脈沖當量為 p f 0 005mm step p f 3 3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 經濟型數(shù)控改造的橫向進給的設計比較簡單 一般是步進電機經減速后驅動滾 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 大拖板連接起來 以保證其同軸度 提高傳動精度 3 3 1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似 所用到的公式不再詳細說明 只計 算結果 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 16 頁 裝 訂 線 電機初步估算轉速為 1500r min 進給速度 2 max V minm 根據 機械設計手冊 可知 in V Ph max max 則 mm in V 07 1 25 1 1500 2000 max max 根據 機械設計手冊 可查到滾珠絲杠的標準系列 初選 4 h Pmm 已知條件如下 工作臺重量 W 700N 脈沖當量 0 005 mm step 步距角 0 75 astep 進給速度 max 2 minVm 滾珠絲杠基本導程 0 4Lmm 滾珠絲杠行程 650Smm 1 削力計算 橫向進給量為縱向的 取 則切削力約為縱向的 11 23 1 2 1 2 1 1909 44954 72 2 Z FN 在切斷工件時 0 50 5 954 72477 36 yZ FFN 3 3 2 滾珠絲杠設計計算 1 強度計算 對于燕尾型導軌 yZ PKFfFW 取 K 1 4 0 2 f 則 1 4 477 360 2954 72300919 248PN 壽命值 6 60 10 ii i nT L 由以上條件 可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪傳動比 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 17 頁 裝 訂 線 67 1 005 0 360 475 0 360 0 p L i 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動 則 max 13 1500900 min 5 nVr i 電m ax 由 機械設計手冊 可知 當量轉速在之間變化時 m V maxmin VV與 maxmin 2 m VV V 取為時 取 min V 1 minr 450 5 min m Vr 450 min m Vr 因此 66 6060450 15000 405 1010 ii i nT L 根據 經濟型數(shù)控機床 可知 最大動負載為 3 3 405919 248 1 1 28161 42 iWH QL PffN 根據最大負載 Q 值 可選擇滾珠絲杠的型號 外循環(huán)插管埋入式雙螺母預緊式的 滾珠絲杠 型號為 2004 2 5 3 左 其中額定動載荷為 14200N 所以強度夠用 2 效率計算 經計算螺旋升角 摩擦角 2 30 10 則 2 30 0 926 2 3010 tgtg tgtg 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量 6 0 1 62 919 248 0 4 4 2 71 10 20 6 103 14 2 8964 PL Lcm EF 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小 即 所以 導程變形總 2 L 1 LL 誤差為 6 100 2 71 106 78 0 4 m m 查表可知 3 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 為 15 故剛度足夠 m m 4 穩(wěn)定性 由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同 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 故不再驗算 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 18 頁 裝 訂 線 3 3 3 齒輪及轉矩有關計算 1 有關齒輪計算 傳動比 0 0 75 45 1 67 360360 0 0053 p L i 故取 1 18Z 2 30Z 2m 20bmm 20a 1 36dmm 2 60dmm 1 40 a dmm 2 64 a dmm 48amm 2 轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 2 2 2 1 180 180 0 005 300 0439 3 14 0 75 p JWkg cm 絲杠轉動慣量 442 7 8 103 2604 907 s Jkg cm 齒輪的轉動慣量 442 1 7 8 103 620 262 Z Jkg cm 442 2 7 8 10622 022 Z Jkg cm 電機轉動慣量很小可忽略 因此轉動慣量為 3 所需轉動力矩計算 max max 0 5 2000 5 3 833 333 min 4 3 V nr L 44 max max 2 801 833 33 10109 73 9 69 6 0 025 a Jn MN cm T 0 1000 150 0 15 5 49 76 min 3 14 60 4 3 t n fi nr DL 主 4 2 801 49 76 100 58 9 6 0 025 at MN cm 000 0 2 30 0 4 3 0 0287 222 3 14 0 8 5 F Lf WL MfN cm ii 22 0 0 0 47 736 0 4 3 11 0 90 0144 6060 3 14 0 8 5 47 736 0 4 3 0 228 22 3 14 0 8 5 Y Y t F L MN cm i F L MN m i 所以 快速空載啟動所需轉矩 2 2 211 2 13 4 9072 0220 2620 04392 801 5 sZZ JJJJJkg cm i 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 19 頁 裝 訂 線 max0 9 730 2870 144101 61 af MMMMN cm 切削時需力矩 0 0 580 2870 1442 2832 91 att MMMMN cm 快速進給時所需力矩 0 0 2870 1444 31 f MMMN cm 從上計算可 最大轉矩發(fā)生在快速進給啟動時 max 101 61MN cm 3 4 滾珠絲杠螺母副的精度等級 數(shù)控機床根據定位精度的要求通常選用 1 5 級精度的滾珠絲杠 1 5 級 度絲杠的行程公差數(shù)值如下表所示 精度等級 項目符號 有效行 程 lm mm 12345 315 68121623 315 40079131825 400 500810152027 目標行程公差 ep 500 630911162230 315 68121623 315 40068121725 400 500710131926 行程變動量公差 Vmp 500 630711142129 任意 300mm 內行程變動 量 V300p68121623 2 rad 內行程變動量 V2 p45678 3 5 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊方法 滾珠絲杠副的軸向間隙 是指負載時滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的 螺母位移量和螺母原有間隙的總和 滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動剛度和 傳動精度 尤其是反向傳動精度 因此 滾珠絲杠副除了對本身單一方面的進給運 動精度有要求外 對其軸向間隙也有嚴格的要求 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預 緊 通常采用雙螺母預緊方式 其結構型式有三種 基本原理是使兩個螺母間產生 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 20 頁 裝 訂 線 軸向位移 以達到消除間隙和產生預緊力的目的 1 墊片調隙式 圖 3 5 所示結構 是通過改變墊片的厚度 使螺母產生軸向位移 這種結構簡 單可靠 剛性好 但調整費時 且不能在工作中隨意調整 圖 3 5 雙螺母墊片式結構圖 2 螺帽調隙式 圖 3 6 所示為利用螺帽來實現(xiàn)預緊的結構 兩個螺母以平鍵與外套相聯(lián) 鍵可 限制螺母在外套內移動 其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋 用兩個鎖緊螺帽 1 2 能使螺母相對絲杠作軸向移動 這種結構既緊湊 工作又可靠 調整也方便 故應用較廣 但調整位移量不易精確控制 這種結構既緊湊 工作又可靠 調整也 方便 幫應用較廣 但調整位移量不易精確控制 因此 預緊力也不能準確控制 圖 3 6 雙螺母帽式結構圖 1 2 鎖緊螺帽 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 21 頁 裝 訂 線 圖 3 7 雙螺母齒差式結構圖 3 齒差調隙式 圖 3 7 所示為齒差式調整結構 在兩個螺母的凸緣上分別有齒數(shù)為 Z1 Z2的 齒輪 而且 Z1 Z2與相應的內齒圈相嚙合 內齒圈緊固在螺母座上 預緊時脫開內 齒圈 使兩個螺母同向轉過相同的齒數(shù) 然后再合上內齒圈 兩螺線的軸向相對位 置發(fā)生變化從而實現(xiàn)間隙的調整和施加預緊力 如果其中一個螺母轉過 n 個齒時則 其軸向位移量為 Ph為絲杠導程 Z1為齒輪齒數(shù) 如兩齒輪沿同方向各轉 1 h n sP Z 過 n 個齒時 其兩螺母間相對軸向位移量 Z2為另 21 1212 11 h h ZZnP snP ZZZ Z 一齒輪齒數(shù) 或 例如 當 n 1 Z1 99 Z2 100 12 21h sZ Z n ZZP 10 1 9900 h Pum 即兩個螺母在軸向產生 1的位移 這種調整方式的結構復雜 但調整準確可靠 um 精度較高 除上述三種雙螺母加預緊力的方式外 還有單螺母變導程自預緊和單螺母鋼球 過盈預緊方式 3 6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 3 6 1 采用減速箱的目的及注意事項 為了保證步進電機的啟動性能 要特別考慮負載慣性矩 當所帶負載的慣性矩 增大時 由于步進電機是按電磁鐵吸力原理來動作 所以當慣性矩增大到某一值時 就會使步進電機產生擅動就會產生啟動不良效果 所以 使用步進電機時盡量選小 的負載 在本次設計過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結滾珠絲杠和步進電機 以達到 改變慣性矩的目的 同時 應該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙 否則就會產生使運動滯后的指 示信號的誤差 對加工件的精度就會產生很大的影響 3 6 2 減少或消除空程的必要性和方法 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 22 頁 裝 訂 線 1 減少或消除空程的必要性 數(shù)控機床的傳動精度 除了機床的幾何精度 絲桿精度影響外 又受其本身因 素的影響 產生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差 在這次設計改造過程中只能采用開環(huán) 系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)不能對車床的誤差進行修改 所以只能通過機械的方式對其各部分 傳動誤差進行修改 2 消除方法 本次設計采用雙片齒輪來達到消隙的目的 通常將一對齒輪的從動齒制成兩片 其中一片固定在軸上 兩片之間裝有彈簧 彈簧力使兩片齒輪的齒廓分別與主動齒 輪的齒廓貼緊 從而完全消除了齒側間隙 第四章 CA6140 數(shù)控改造步進電機的設計 步進電機是受脈沖信號控制的 脈沖信號的產生和分配由軟件編程來完成 而 信號的放大由放大電路來完成 由于強弱信號的原因 我們在放大電路前加上光電 耦合電路 以防止電源串路 4 1 步進電機的工作方式 步進電機的工作方式和一般電機的不同 是采用脈沖控制方式工作的 只有按 一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電 步進電機才能實現(xiàn)轉動 數(shù)控機床中采用的功率 步進電機有三相 四相 五相 和六相等 工作方式有單 m 拍 雙 m 拍 三 m 拍及 2 m 拍 m 是電機的相數(shù) 所謂單 m 拍是指每拍只有一相通電 循環(huán)拍數(shù)為 m 雙 m 拍是指每拍同時有兩相通電 循環(huán)拍數(shù)為 m 三 m 拍是每拍有三相通電 循環(huán)拍數(shù) 為 m 拍 2 m 拍是各拍既有單相通電 也有兩相或三相通電 一般電機的相數(shù)越多 工作方式越多 由步距角計算可知 循環(huán)拍數(shù)越多 步距角越小 因此定位精度越高 另外 通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性 穩(wěn)定性等都有很大的影響 步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大影響 為提高步進電機輸出轉矩 工作頻率和穩(wěn)定性 可選用多相步進電機 并采用 2 m 拍工作方式 4 2 步進電機的選擇 4 2 1 步進電機選用的基本原則 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 23 頁 裝 訂 線 合理選用步進電機是比較復雜的問題 需要根據電機在整個系統(tǒng)的實際工作情 況 經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 步距角 步距角應滿足 mn a i 式中 傳動比 i 系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角 mn a 精度 步進電機的精確可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉子從任意位置 開始 經過任意步后 轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值 用積累誤差衡量 精度比較實用 所選用的步進電機應滿足 Qi 式中 步進電機的積累誤差 m 系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差 s 轉距 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速的要求 必須考慮 啟動力矩 一般啟動力矩選取為 0 0 30 5 L M M 式中 電動機啟動力矩 q M 電動機靜負載力矩 0L M 在要求的運行頻率范圍內 電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機 轉動慣量 包括負載的轉動慣量 引起的慣性矩之和 啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低 因此相應負 載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足 top m ff 畢業(yè)設計 論文 報告紙 共 40 頁 第 24 頁 裝 訂 線 式中 極限啟動頻率 t f 要求步進電機最高啟動頻率 op m f 4 2 2 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 0 101 61 203 22 0 50 5 L q M MN cm 為了滿足最小步距要求 電動機選用三相六拍工作方式 查表知 0 866 qjm MM 所以 步進電機最大靜轉距為 jm M 203 23 234 67 0 8660 866 q jm M MN cm 步進電機最高工作頻率 max max 2000 6666 6 6060 0 005 p v fHz 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進電動機 能滿足要求 第五章 自動回轉刀架的選型 臥式車床數(shù)控化改造應將原車床的普通手動轉位刀架替換成自動轉位刀架 自 動轉位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制 效率高 工藝性能可靠 根據所加工零件的工藝要求 及車床控制方式確定自動刀架的刀位數(shù)和刀架類型 5 1 數(shù)控車床刀架的基本要求 數(shù)控車床的刀架是車床的重要組成部分 刀架用于夾持切削用的刀具 在一定 程度上 刀架的結構和性能體現(xiàn)了車床的設計和制造技術水平 所以有如下要求 1 轉位準確可靠 工作平穩(wěn)安全 2 按最短線路就近選擇 轉位時間短 3 重復定位精度高