数控机床改造方案.docx
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数控机床改造方案
1.绪论2
2.总体方案确定6
2.1车床改造方案的选择6
2.2车床改造方案的确定8
3.机械计算部分9
3.1选择脉冲当量9
3.2计算切削力10
3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型10
3.3.1纵向进给丝杠10
3.3.2横向进给丝杠14
3.4齿轮传动比的计算16
3.4.1纵向齿轮传动比计算16
3.4.2横向齿轮传动比计算16
3.5步进电机的计算和选型16
3.5.1纵向步进电机的计算16
3.5.2横向进给步进电机的计算和选型20
4.微机控制部分错误!
未定义书签。
4.1总体设计23
4.2主控制器23
4.2.1主控器的选择23
4.2.28031对片外存储器的选择24
4.2.38031并行I/O口扩展25
5.电路原理图设计25
5.1关于各线路元件之间线路连接25
5.2.关于电路原理图的一些说明27
6.数控机床故障诊断31
6.1初级诊断31
6.2高级诊断33
6.3未来数控系统的诊断技术35
7.SolidWorks造型37
7.1SolidWorks软件介绍37
7.2绘制草图39
7.3装配体设计41
8.数控系统发展趋势46
结论2
致谢54
参考文献.55
1.绪论
机床数控技术就是以数字化的信息实现机床自动控制的专门技术,其中刀具与工件
运动轨迹的自动控制、刀具与工件相对运动速度的自动控制是机床数字控制的最主要内
数字控制机床(NumericalControlMachineTools)简称数控机床,这是一种将数
字计算技术应用于机床的控制技术。
数控机床是一个精密的机电一体化产品。
是由精密机械部件(如滚珠丝杆、高精度导轨、精密轴承、主轴)和复杂电气部件(如数控系统、驱动装置和伺服电机以及精密测量系统)构成的一个完整的产品。
它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置。
经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题,是一种
柔性的、高效能的自动化机床,代表了现代机床控制技术的发展方向,是一种典型的机
电一体化产品。
数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机
床主体和其他辅助装置。
数控机床的系统组成框图如下:
数控机床的系统组成框图
其工作原理是先根据被加工零件的形状、尺寸和技术要求等条件,确定该零件的加
工工艺过程、工艺参数,并按一定的规则形成数控系统能理解的加工程序。
即:
将被加
工零件的几何信息和工艺信息数字化;按标准的格式编制成零件加工程序单;然后将此加工程序输入到数控机床的数控装置中,并将输入到数控单元的加工程序进行试运行、刀具路径模拟等。
确认无误后,再将被加工零件装夹好;对刀后,即可启动机床运行加工程序。
在加工程序运行时,数控系统会根据加工程序的内容,发出各种控制命令,如
启动主轴电动机,打开切削液、进行刀具轨迹计算、向特殊的执行单元发出数字位移脉冲和进行进给速度控制等。
正常情况下,加工程序可直接运行到其结束。
当改变加工零件时,在数控机床上只要改变加工程序,就可以继续加工新零件。
数控机床改造在国外以发展成一个新兴的工业部门。
早在60年代已经开始迅速发展,并有专门企业经营这门业务,其发展的原因是多方面的。
首先是技术的原因,过去20年里,金属切削的基本原理变化不大,但社会的生产力的巨大发展,要求制造技术向自动化和精密化前进。
而刀具材料和电子技术却有很的大的进步,特别是微电子技术,电子计算机的技术进步,反应出控制系统,它能帮助机床自动化又能提高加工精度,技术进步和高生产率的要求,精密加工的增多等,突出了旧机床技术改造技术的必要性和急迫性。
其次是经济上的原因。
许多发达国家多做过系统的分析,如果旧机床设备以新设备更新,要付出很大的代价的,若利用“改造技术”,则节省大半资金,这种事半功倍的技术,不仅不浪费资金而切还为小企业技术改造开创了新路,而且对实力雄厚的大企业也有很大的经济吸引力。
再次是市场因素,目前许多国家设备所需的数控机床数量,按机床工业现状是无力及时提供的。
机床“改造”就成为机床市场需要的补足手段。
最后是生产力的因素,在工业生产中,品种多小批量生产是现代化机械制造业的基本特征,只有相当大比重完成生产任务,不外乎选择通用机床、专业机床和数控机床,柔性制造系统,就工业复杂程度和一批工件所需要生产总成本比较中看出,数控机床最能适应这一需要。
我国是拥有300万机床国家。
而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床,自动化程度不高,要想在近几年内大量用自动、半自动和精密机床更新现有设备,不论资金还是我国机床的能力是办不到的。
因此应尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装,是我国现有设备改造自动化要求解决的课题。
用这控制技术正是适应这一要求。
它是建立在微电子现代技术和传统技术相结合的基础上。
在机床改造中引入了微机的应用,不但技术具有先进性,同时在应用此自动化改造方案,有较大的应用性和可调性,而且投资改造的费用低,一套经济型数控装置的价格仅是全功能型数控装置的1/3到1/5拥护承担的起。
从若干单位应用的实例可论证,投入使用后,成倍的提高了生产效率,取得了显著的经济效益。
因此,我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上,再推出全功能型数控这条道路,适合我国经济、教育、生产水平,对于以后全动能型数控机床应用的准备阶段,为实现我国传统的机械制造的方向过度的重要内容。
CA6140机床是一种普通精度的及万能卧式机床,属于使用范围广的通用机床。
这种机床的性能及质量较好。
但结构复杂,自动化程序较低,是一种属于中型的普通机床,在各厂矿企业的应用很广。
为此,本次设计的任务是对CA6140普通机床进行数控改造,利用微机对纵横向进给系统实行开环控制。
驱动元件是利用步进电动机,传动系统利用滚珠丝杠
2.总体方案确定
2.1车床改造方案的选择
2.1.1设计系统的选择
在简易数控系统中,大多数是利用八位微处里机和单片机,近年来国有一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机,主要有MCS—48系列,CS-51系列,Mostek的3870,Motorolo公司的6801和6805。
目前在国内用的较广,开发工具较齐的是MCS-51系列,这里选用MCS-51系列中的8031。
2.1.2系统运用方式的确定
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,轮廓控制系统,连
续控制系统。
车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复杂的零件,其个坐标轴的运动之间有着精确的出数关系,根据车床加工这一特点,采用连续控制系统比较合适,连续控制系统具有点位控制系统的功能,故定位方式采用增量坐标控制。
2.1.3伺服系统的选择
伺服系统是实现位量伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方式。
开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题,但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系,使误差不能积累,转速和输出脉冲频率有严格的对映关系,而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动变化的特点,数据装置发出信号的流向是单向的,对移动部件如工作台的实际位置工件检测。
并且伴随电子技术和计算机控制技术的发展,目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。
虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺副。
由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能,其难度也大为提高。
本设计是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统。
2.1.4执行机构传动式的确定
(1)导轨由于普通型车床的改造精度要求的不高的开环系统,而滑动导轨定位精度和灵敏不需研磨措施可达到10um左右。
能够满足改装后的要求,所以仍采用原机床的导轨。
(2)螺旋传动原机床的丝杠属于滑动螺旋传动,主要缺点就是机械效率低,一般仅为30~60%,与改造后的精度相差很多。
数控机床除了具有较高的定位精度外,还应良好的动态间应特征,滚珠丝杠副的特点,传动效率高,一般达到90%以上,通过预紧力可消除丝杠间隙,运动平稳,传动精度高,有可靠性,磨损小,使用寿命长,但制造复杂,成本高。
要使系统指令好,有能满足精度要求,本次改造采用滚动螺旋机构。
3)齿轮传动考虑步进电动机步距角和丝杠导程只能按标准选择,为达到0.001秒的分辨率的要求,纵、横向均采用错齿调隙的齿轮做减速运动。
2.2车床改造方案的确定
(1)保留原车床的主传动链。
为了保证机床加工螺纹的功能,在主轴外端安装一个YGM脉冲发生器,使其与主轴转速相一致是1:
1的关系,用它来发出脉冲发生器,使微机处理机根据主轴的脉冲信号,使刀架通过丝杠的转角产生进给运动。
(2)纵向进给机构的改造,拆除原机床的进给箱和溜板箱利用原机床的安装孔销钉孔安装齿轮箱体,滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两端仍利用原固定方式,这样可减少改装工作量。
(3)横向进给机构的安装:
保留原手动机构。
用于微机进给和机床对零件操作,原有的支撑结构也保留,电动机、齿轮箱安装在机床后侧。
(4)纵、横向进给机构采用齿轮减速,并且用双齿轮错齿法消除间隙,双片齿轮间采用消除弹簧,布量成互为120的位置。
当螺钉松开时,由于各个弹簧所受力不同而自动调节间隙,再用螺钉紧固。
纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩,以保持机床原外观,起到美化机床的效果,溜板箱上
安装了纵向快速进给按钮,以适应机床调整时的操作需要和遇到意外时紧急处理
3.机械计算部分
采用MCS-51型系列单
具有降速控制功能,其他
本次设计将一台CA6140普通机床改造成微机数控机床,
片机控制系统,步进电机开环控制,具有直线和圆弧插补功能设计参数如下:
最大回直径:
400mm
电机功率:
7.5KW
快速进给:
纵向2.4m/min
横向1.2m/min
切削速度:
纵向0.5m/min
横向0.25m/min
定位精度:
0.015mm
移动部件重量:
纵向:
800N
横向600N
加速时间:
30ms
机床效率:
0.8
3.1选择脉冲当量
根据机床精度要求脉冲当量,纵向0.01mm/脉冲,
横向为0.005mm/脉冲
3.2计算切削力
3.2.1纵切外圆
1主切削力(Fz)计算由《金属切削原理》可知
切削率:
P:
电机功率7.5KW
n:
主传动系统总效率取:
n=0.78
Pc-切削功率Pc=0.78X7.5=5.85Kw
Pc又TPc=FzV二Fz=一
v
式中:
V切削速度V=100m/min
FzPc/V=60XPcX1000/v=3510N
3.2.2横切端面
主切削力Fz,可取纵切的1/2
Fz=1/2Fz1/2X3510=1755N
又Fx:
Fz:
Fy=1:
0.4:
0.25
Fx=0.4Fz=0.4X1755=702N
Fy=0.25Fz=0.25X1755=438.75N
Fx=0.25Fz=0.25X1755=877.5N
Fy=0.4Fz=0.4X3510=1404N
3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型
3.3.1纵向进给丝杠
1•计算进给牵引力Fm
纵向进给的综合型导轨
采用三角型或综合导轨
Fm=kFx+f(Fz+G)
式中:
Fx,Fy,Fz,—切削分力(N):
G-移动部件的重量(N)
f—导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同
K考虑颠复力距影响的实验系数.f=0.16
贝UFm=1.15X877.5+0.16(3510+800)=1698.75N
2.计算最大动负载C
C=3LfwFm
(3.1)
(3.2)
选用滚珠丝杠副的直径d.时必须保证在一定轴向负载作用下.丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀
现象.这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动
负载C可用C=3Lfw.Fm
L=
60nT
10
n=
1000VS
L0
(3.3)
(3.4)
(3.5)
式中滚珠丝杠导程L=6mm.可取最高进给速度的(1/2~-1/3)此处
VS=0.5X0.5=0.25m/min
T:
使用寿命按15000h计算
L:
寿命以106转为1单位
Fw:
运转系数,按一般运转取
fw:
12~1.5取fw=1.3
N=
10000.25
6
=42r/min
L=
60nT
106
p严=38小时
C=Vl.fw.Fm
C=338X1.3X1698.75=7508.47
3•滚珠丝杠螺母的选型
查<<精密机床配件系列>>-山东济宁
选取滚珠丝杠公称直径为©40选用的型号为CDM4006-2.5
其额定动载荷15470N,所用强度足够用
4•效率计算
(3.6)
tanr
n=—
tan(r)
式中摩擦角r=2°446,(t=10
式中:
r丝杠螺旋升角
r—摩擦角滚珠副的滚动摩擦系数,
f=0.003~0.004R摩擦角约为10分
式中:
r螺旋角CDM4006r=2o446
r:
摩擦角取10分
图3—1纵向进给计算简图
最大牵引力为1698.75N,支承间距L=1700mm
丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1698.75N.
8=
Fm.LO
EF
(3.7)
式中:
Fm工作负载(N)
L.:
滚珠丝杠L=6mm
E:
材料弹性模数对钢E=20.6x106(N/mm2)
F:
滚珠丝杠面积mm2
F=1/4tJD2=1/4nX402=1256m
△L=
1698.736
0.394x104mm
再算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量Smm
3=0.394X10-4XL/6=0.011
对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉压刚度可提高4倍
其实际变量
=1/4X0.01仁2.75X103mm
3=0.00756mm<定位精度0.015mm
3.3.2横向进给丝杠
1•计算进给牵引力Fm
横向导轨为燕尾形导轨
其计算公式如下:
Fm=KFx+f(Fz+2Fy+G)
式中K:
考虑颠复力矩的影响实验系数K=1.4
f:
导轨上摩擦系数为f=0.2,G移动部件重量G=600N
Fm=1.4X702+0.2(1755+2X438.75+600)=1629.3N
2•计算最大动负载(N)
1000VS10000.250.5,
n=.==31.25
L04
L=6031.2515000=28125106.
C=328.125X1.2X1629.3=5865.48N
3•选择滚珠丝杠螺母副
查<<精密机床配件系列>>丛书山东济宁
选用滚珠丝杠为CDM2504-2.5其额定的动载荷为6638
螺旋导程角
d=25mmd1=24.5mm循环列数为1X2.5X2Coa=16826
4.传动效率的计算
tanr
n==tg2°55/tg(2°55+10)=0.945
tan(r)
5•刚度计算
横向进给丝杠方式,如图所示最大牵引力为2612.1N支承间距
L=450mm因丝杠长度较短不需要预紧
图3—2横向进给系统计算简图
1滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量
FmL1629.34
=62
EF20.610/425
滚珠丝杠经过预拉伸
=1/4X0.007254=0.0018
3=0.0054小于定位精度
3.4齿轮传动比的计算
341纵向齿轮传动比计算
已确定纵向脉冲当量S=0.01,滚珠丝杠导程L=6mm和步距角0.75,
可计算出i
.360P3600.01门c
i===0.8
b丄00.756
可选定齿轮的齿数为i=z1/z2=32/40或20/25
d=mz=64z仁32z2=40或z1=20z2=35d2=70
3.4.2横向齿轮传动比计算
已确定横向脉冲当量S=0.005mm/step,滚珠丝杠导程L=4mm
和步距角0.75,可计算出传动比i
i=360-P=3600.005=0.6z仁21,z2=35
b.L00.754
3.5步进电机的计算和选型
3.5.1纵向步进电机的计算
计算简图见滚珠丝杠选择中简图.传动系统折算到电机
轴上的总的转动惯量J(kg.cm2)由此式计算
22
J=J1+(z1/z2)2{Js+J2+G/g(L/2E)}
式中:
J—齿轮z1的转动惯量.
J2—齿轮z2的转动惯量
Js—丝杠的转动惯量
G—工作台及工件等移动部件的重量(N)
L—丝杠的导程
J1=0.78X103xdi4xb
=0.78X103X6.44X2
2
=2.62Kg.cm
J2=0.78x103xd24xb
=0.78x103x84x2=6.39Kg.cm2
Js=078x103xD4xL=0.78x103x44x170=33.9946Kg.cmG=800N代入式中
J=2.62+(32/40)2{33.946+6.39+800/9.8(0.6/2n2}=28.91Kg.cm
电机力矩的计算
机床在不同工况下,其所需要的转距不同,下面分别按各阶段计算
快速空载启动时所需要的力矩M起
(3.8)
M起=Mmax+Mf+M0
式中:
M起-快速空载启动力矩(N.m)
Mmax-折算到电机轴上的加速力矩(N.m)
Mf-折算到电机轴上的附加摩擦力矩(M.m)
Mmax=J.e=J
2nmaxx
60ta
_Vmax.b
nmax=—
p.360
J—传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(Kg.cm2)
£—电机最大角加速度
nmax-电机最大转速(r/min)
p—脉冲当量
b—步进电机的步距角
vmax.b
nmax=
p.360
=2400
0.01
075=500r/min
360
Mmax=
28.9500
3~
(60/23010)
2
10=504.4N.cm
摩擦力矩Mf(N.m)
F0L0=f'GL0
2i2i
F.—导轨摩擦力(N)了发G运动部件总重量(N)
i—齿轮降速比按i=Z1/Z2计算
n—传动链总效率一般n=0.7~0.85
取0.8
Mf=°168000d12.22N.cm
20.81.25
附加摩擦力M0
M0=FP0.L0(12)、
2i
式中FP0-滚珠丝杠预加载荷一般取1/3Fm
Fm为进给牵引力(N)
L0—滚珠丝杠导程(cm)
N—滚珠丝杠未预紧时传动效率94.24%
M0=FP2^(i2)=1/3Fm0L0(12)
2i
M0=1/31698.73O'6(10.92)
20.81.25
•••M起=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm
⑵快速移动时所需力矩M快
M快=Mf+M0
Mf=f'(FZG)L0=°.16(351°800)0.6=65.88N.cm
2i20.81.25
(3)最大切削力负载时所需力矩M切
M切=Mf+M0+Mt
式中Fmax-进给方向上的切削力取Fx=877.5N
Mt-折算到电机轴上的切削负载力矩(N.cm)
877.50.6
Mt==83.84(N.cm)
20.81.25
M切=Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm
从上面可以看出M起,M快,M切,三种情况下,以快速空载时
所需力矩最大,以此项工作为初选步进电机的依据
⑷计算电机空载转动和切削堵的工作频率
fk=
型0V叫型g=4000Hz
60p600.01
=1000VS
=60p
=1000X0.5/60
X0.01=833Hz
(5)步进电机的选择
对于工作方式为五相十拍的步进电机
Mjmax=Mmax=526.9/0951=554.048
查表选用130BF001型直流步进电机的最大静转距为930N.cm,满足其要求:
3.5.2横向进给步进电机的计算和选型
(1).步进电机的计算
横向计算简图见滚珠丝杠选择中的简图,传动系统折算到电机
电机轴上的转动惯量J(kg.cm2)
可由此式计算:
J=J1+(z1/z2)2{JS+J2+G/g(L0/2n2}
式中:
J1-齿轮z1的转动惯量
J2-齿轮z2的转动惯量
JS-丝杠的转动惯量
G-工作台及工件等移动部件的重量(N)
L0-丝杠的导程
J1=0.78X103Xd14XL1=0.78X103X4.22X2=0.485kg.cm2
J2=0.78X103Xd24XL1=0.78X103X74X2=3.746kg.cm2
G=600N,Js=0.78X103X2.52X45=1.37kgcm2
J=J1+(Z1/Z2)2{Js+J2+G/g(L0/2R2}
J=0.465+(0.6)2{1.37+3.746+600/10(0.4/6.28)2}
J=2.414kg.cm2
(2)电机力矩的计算:
机床在不同工况下其所需的转距不同,下面分别按各段计算
1.快速空载起动时所需的力矩M起
M起=Mmax+Mf+MO
Mmax=2.414
2
v250010
x—=42.1N.cm
6030103
折算电机轴上的摩擦力力矩Mf
附加摩擦力矩MO
Mmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm
(3)快速进给时所需力矩M快
M快=Mf+M0
Mf=-f'G=4.58N.cm
2i2i
M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm
M快=4.58+11.07=15.65N.cm
(4)最大切削负载所需力矩M切
M切=Mf+MO+Mt
F^=f'(FZG)=O.161755600)17.96N.cm
2i223.140.85/3
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