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1、摘 要目前,在市场上购买一台数控车床的价格远大于改装一台普通车床所需花费,且在有技术条件下,对普通车床的数控化改造更可行所以,本课题着重对普通车床的数控化改造设计本设计是对普通车床C6163的数控化改造,主要是对原有机床的结构进行创造性的设计,最终使机床达到比较理想的状态其中主要对伺服系统数控系统等方面做了详细的计算和设计 本文研究了数控伺服系统的工作原理,阐述了C6163机床的数控化改造方案,分析了数控化改造过程中数控系统的选型根据机械动力学及电气设计原理,对数控机床的主传动系统进行了设计和校核;根据进给系统的要求,对切削力和滚珠丝杠进行了计算,并选配了合适的齿轮和进给电机主要设计过程如下:
2、首先,明确设计任务,构思总体结构方案,确定主要构件位置和总体结构;其次,根据工作条件进行理论计算,分析性能要求,合理选择主要零部件;第三,对设计的产品进行经济性环保性分析 通过设计,可以得到以下结论:一是,机床数控化改造后,能够达到所要求的加工精度,有很大的经济价值;二是,设计理论不够成熟,本设计最大的缺陷是从生产技术来看,设计产品的实用与推广进一步研究我们要加强理论与实践的结合,使我们的设计越来越科学先进关键词:C6163车床;数控化;改造设计 I 目 录第一章 概论 1.1数控系统发展的简史21.2国内数控机床状况的分析21.3数控系统的发展趋势21.4机床数控化改造的必要性3第二章普通车
3、床数控改造的可行性论证2.1 车床的数控改造42.2可行性论证7第三章设计方案3.1总体设计方案的确定83.2横向进给伺服系统机械部分的计算与校核 103.2.1 选择脉冲当量113.2.2计算切削113.2.3滚珠丝杆螺母副的计算与选型123.2.4齿轮传动比的计算16 3.2.5步进电机的计算,校核与选型17第四章 数控系统硬件电路设计4.1数控系统基本硬件组成224.2单片机控制系统的设计24 4.2.1 硬件电路的组成24 4.2.2机械控制系统原理及电路设计总结264.3数控车床数控系统软件的设计29参考文献341 概 论1.1 数控系统发展简史 1946年诞生了世界上第一台电子计算
4、机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具它与人类在农业工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床从此,传统机床产生了质的变化1.2国内数控机床状况分析1.2.1国内数控机床现状:近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升,在大中企业已有较多的使用,在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用在这些数控机床中,除少量机床以FMS模式集成使用外,大都处于单机运行状态,并且相当部分处于使用效率不高,管理方式落后的状态2001年,我国机床工业产值已进入世界第5名,机床消费额在世界
5、排名上升到第3位,达47.39亿美元,仅次于美国的53.67亿美元,消费额比上一年增长25%但由于国产数控机床不能满足市场的需求,使我国机床的进口额呈逐年上升态势,2001年进口机床跃升至世界第2位,达24.06亿美元,比上年增长27.3%近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床数控磨床数控特种加工机床数控剪板机数控成形折弯机数控压铸机等,普通机床有钻床锯床插床拉床组合机床液压压力机木工机床等出口的数控机床品种以中低档为主1.3 数控系统的发展趋势1.3.1继续向开放式基于PC的第六代方向发展:基于PC所具有的开放性低成本高可靠性软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路至
6、少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面编程联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍1.3.2向高速化和高精度化发展:这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要1.4机床数控化改造的必要性1.4.1微观看改造的必要性:从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线曲面等复杂的零件由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面 (2) 可以实现加工的自
7、动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高37倍由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了柔性自动化 (3) 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要修配 (4) 可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运 (5) 拥有自动报警自动监控自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工 (6) 由以上五条派生的好处 1.4.2宏观看改造的必要性 从宏观上看,工业发达国家的军民机械工业,在70年代末80年代初
8、已开始大规模应用数控机床由于采用信息技术对国外军民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落20年如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性2 普通车床数控改造的可行性论证对于普通车床的经济型数控改造,在考虑总体设计方案时,应遵循的原则是:在满足设计要求的前提下,对机床的改动应尽可能的少,以降低成本2.1 车床的数控改造2.1.1数控机床工作原理及组成(1) 数控机
9、床工作原理:数控机床加工零件时,首先应编制零件的加工程序,这是数控机床的工作指令将加工程序输入到数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变化起停,进给运动的方向速度和位移量以及其它如刀具选择交换工件夹紧松开和冷却润滑的开关等动作,使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序轨迹和参数进行工作,从而加工出符合要求的零件(2) 数控机床的组成:数控机床主要由控制介质数控装置伺服系统和机床本体等四部分组成,其组成框图如图2-1 图2-1数控机床的组成图2.1.2设计内容及任务普通车床(C6163)的数控改造设计内容包括:总体方案的确定和验证机械改造部分的设计计算(包括纵向横向进给系统的设计与
10、计算)主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计机床调速电动机控制电路的设计本设计任务是对C6163卧式车床进行数控化改造,实现微机对车床的数控化控制利用微机对车床的纵向横向进给系统进行数字控制,并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲,横向最小运动单位0.005/脉冲,主运动要实现自动变速,刀架要改造成自动控制的自动转位刀架,要能自动的切削螺纹2.1.3 数控部分的设计改造(1) 数控系统运动方式的确定数控系统按其运动轨迹可分为:点位控制系统连续控制系统点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置,而对于运动轨迹原则上不加控制连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的
11、不间断的控制由于C6163车床要加工复杂轮廓零件,所以本微机数控系统采用连续控制系统(2)伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度,能补偿机械传动系统中的各种误差,消除间隙干扰对加工精度的影响但他结构复杂技术难度大调式和维修困难造价高半闭环控制系统由于调速范围宽,过载能力强,又采用反馈控制,因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统但是,采用半闭环控制其调式比开环要复杂,设计上也要有其自身的特点,技术难度较大开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路,因此开环系统的精度较差,但其结构简单
12、,易于调整,所以常用于精度要求不高的场合经过上序比较,由于所改造的C6163车床的目标加工精度要求不高,所以决定采用开环控制系统(3) 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成,硬件是控制系统的基础,性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能数控装置的设计方案通常有:2.1.4机械改造部分的设计(1) 主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机,无级调速部分由变频器控制将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构改造后使其主运动和进给运动分离,主轴电动机的作用只是带动主轴旋转(2) 进给机构的改造将原机床的挂轮机构进给箱溜板箱滑动丝杠光杠等全部拆除
13、纵向横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后,由滚珠丝杠传动2.2 可行性论证 根据自动化制造系统,可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告,是上级主管部门审定和批准立项的基本依据同样,在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的科学的可行性论证是必要的根据传统的论证方法,普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行,即企业生产经营现状及存在的问题分析,企业生产经营目标,改造的基础条件目标技术方案投资概算效益分析,改造后车床的实施计划,结论等由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计,故在此,设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证本改造设计是对
14、普通车床C6136进行经济型数控改造在改造设计中,采用自己设置的数控装置,加上两台伺服电机,两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副,一台变频调速电动机,四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过8万元因此,对普通车床作经济型数控改造适合我国国情,是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择它具有一定的典型性和实用性 3 设计方案3.1 总体方案的确定3.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位直线插补顺圆和逆圆插补暂停循环加工公英螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高,为了简化结构降
15、低成本,采用步进电机开环控制系统3.1.2 计算机系统根据机床要求,采用8位微机由于MCS51系列单片机具有集成度高,可靠性好功能强速度快抗干扰能力强性能价格比高等特点,决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统3.1.3 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率,采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆为了保证一定的传动精度跟平稳性,尽量减少摩擦力选用滚珠丝杆螺母副同时,为了提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负荷的结构齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构3.1.4 运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统点位/直线系统和连续控制系统由于C6163车床要加工复杂轮廓零件,所以本次设计采用连续控制系统3.1.5 系统的选择伺服
