CA6140車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)機(jī)械 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘要我國是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國家，但數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢：一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓，國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場，嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品質(zhì)量上和促銷手段上等的原因外，一個(gè)最主要的原因就是新產(chǎn)品（包括基型、變型和專用機(jī)床）的開發(fā)周期長，不能及時(shí)針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。普通機(jī)床的數(shù)控化改造事業(yè)方興未艾，在我國目前形式下將大批故障機(jī)床尤其是一大批閑置的普通機(jī)床進(jìn)行改造、升級，以較小的投入盡快使這批設(shè)備在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效

2、益，的確是許多企業(yè)的一項(xiàng)不可忽視的課題。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我主要改造的部分是自動(dòng)刀架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠的加入，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制，并對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了選擇，并加入了主軸脈沖發(fā)生器,使車床的精度，安全性得到了一定的提高，同時(shí)節(jié)省了操作時(shí)間。關(guān)鍵詞: 滾珠絲杠 單片機(jī) 脈沖發(fā)生器 自動(dòng)刀架目 錄第1章 緒論-1 1.1 國內(nèi)外車床發(fā)展概況及存在的問題-11.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容-21.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢-2第2章 C6140普通車床數(shù)改的總體方案-42.1 總體改造方案-42.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造-42.2.1 機(jī)械部分的改造-52.2.2 刀架的改造-5第3章 數(shù)改C6140車床傳動(dòng)裝

3、置設(shè)計(jì)-53.1 傳動(dòng)裝置總體設(shè)計(jì)-53.2 滾珠絲杠螺母副選擇-63.2.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn)及類型-73.2.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)-83.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算-93.3.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-93.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算-113.3.3 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算-153.4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-193.4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算-193.4.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算-203.4.3 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算-223.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu)-243.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除-253.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng)-253.6.2 減少或消除空程的必要性和方法-25第4章

4、 數(shù)改C6140自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)-264.1 自動(dòng)刀架的分類-264.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)-27 4.2.1 刀架抬起-274.2.2 刀架轉(zhuǎn)位-274.2.3 刀架定位-274.2.4 夾緊刀架-28第5章 數(shù)改C6140步進(jìn)電機(jī)的選擇-295.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式-295.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇-29 5.2.1 數(shù)改C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定-29 5.2.2 數(shù)改C6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定-305.3 主軸脈沖發(fā)生器-305.4 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理-315.5 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成-325.6 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-33 5.6.1 硬件配置-33 5.6.2 存貯

5、器空間分配-33 5.6.3 I/O口地址分配-34 5.6.4 光電隔離電路-34第一章 緒論1.1國內(nèi)外車床發(fā)展概況及存在的問題隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(dá)國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)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(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型

6、、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)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(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過程中CNC只是一個(gè)封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多

7、變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)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(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)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(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。1.2數(shù)控化改造的內(nèi)容機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：（1）是恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；（2）進(jìn)行數(shù)控改造，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)輸出動(dòng)力（3

8、）改造傳動(dòng)裝置，加裝滾珠絲杠及滾珠絲杠螺母副（4）把傳統(tǒng)刀架改裝成六方自動(dòng)對刀刀架1.3.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 數(shù)控系統(tǒng)在性能上、市場的適應(yīng)性和體系結(jié)構(gòu)等方面有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢: (1)高速、高精度、高效、高可靠性 要提高加工效率，首先必須提高切削速度和進(jìn)給速度，同時(shí)，還要縮短加工時(shí)間;要確保加工質(zhì)量，必須提高機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)軌跡的精度，而可靠性則是上述目標(biāo)的基本保證。目前先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度已達(dá) 80-120m/min，加工精度可以達(dá)到 。01 um，可以直接進(jìn)行納米級精度的加工。 (2)集成化、柔性化 70年代末出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufact

9、uring System, CIMS)的概念，是通過網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等支撐工具把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、管理等自動(dòng)化單元有機(jī)地連接起來，解決市場上多變的批量生產(chǎn)自動(dòng)化問題0 80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacture System, FMS)，為適應(yīng)制造自動(dòng)化的發(fā)展，向FMC,FMS和CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動(dòng)測量，自動(dòng)上下料、自動(dòng)換刀、自動(dòng)更換主軸頭(有時(shí)帶坐標(biāo)變換)、自動(dòng)誤差補(bǔ)償，自動(dòng)診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)功能，特別是依據(jù)用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。 (3)智能化 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方

10、面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制，電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算，自動(dòng)識別負(fù)載自動(dòng)選定模型，自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 (4)普及性和個(gè)性化 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)又要盡可能擴(kuò)大批量，為此，數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家不僅應(yīng)能生產(chǎn)通用的普及型數(shù)控系統(tǒng)，而且更應(yīng)能生產(chǎn)帶有個(gè)性化的數(shù)控系統(tǒng)，特別是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能夠由用戶自己增加專有功能的普及型數(shù)控系，這是市場份額最大的數(shù)控系統(tǒng)，也是最有競爭力的

11、數(shù)控系統(tǒng)，這也是適應(yīng)性的體現(xiàn)。 (5)開放性 為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，設(shè)計(jì)生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)。例如，美國的 NGC和 OMAC計(jì)劃;歐共體的OSACA計(jì)劃;日本的OSEC計(jì)劃等。NGC的體系結(jié)構(gòu)是在虛擬機(jī)械的基礎(chǔ)上建立起來的，通過虛擬機(jī)械把子系統(tǒng)和模塊鏈接到計(jì)算機(jī)平臺(tái)上。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控技術(shù)和裝備的要求越來越高，其中對控制精度和加工速度方面的要求尤為突出。這不僅要求數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高速多軸聯(lián)動(dòng)控制，而且必須具有亞微米級的控制精度，這樣才能高效完成復(fù)雜輪廓的高精度加工和在線

12、檢測。此外，越來越多的數(shù)控機(jī)床將采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，徹底沖破了常規(guī)驅(qū)動(dòng)方法的速度和精度上限，對數(shù)控系統(tǒng)控制精度和速度方面的指標(biāo)不斷提出新的挑戰(zhàn)。 近20年來，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床走過了引進(jìn)技術(shù)、消化吸收和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的歷程。為適應(yīng)國內(nèi)外市場需要，我國數(shù)控、專用、成套等高技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展較快。數(shù)控機(jī)床的品種已從“七五”時(shí)期的二百種增加到五百種以上，新產(chǎn)品中達(dá)到九十年代初水平的占40% ，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)覆蓋金屬切機(jī)床的大多數(shù)品種，為國民經(jīng)濟(jì)提供了一批先進(jìn)適用的技術(shù)裝備，數(shù)控機(jī)床己經(jīng)成為我國機(jī)床行業(yè)的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。第二章 C6140普通車床數(shù)改的總體方案2.1總體改造方案由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考

13、慮具體方案時(shí)，基本原則是滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)C6140車床有關(guān)資料以及數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案為：采用微機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造C6140型普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制，而改造后的車床則把主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開。分別由各自的步進(jìn)電機(jī)來控制，但是為保證車床在車螺紋時(shí)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，所以在拆掉進(jìn)給系統(tǒng)的同時(shí)，必須在主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，來實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替