C6140普通車床的數(shù)控化改造

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)書總匯 課題：C6140普通機(jī)床的數(shù)控化改造 姓 名： 蔣青松（第7組） 班 級： 112040205 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 2015年6月任務(wù)一一：總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 1.普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。 2.普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控

2、制系統(tǒng)。 3.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點。 4.根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。 5.為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。6.計算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量

3、，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。二：機(jī)械本體濾波傳感檢測系統(tǒng)螺紋編碼ZSF-6215-007CW-1024BZ3-5L型最大電壓5V控制系統(tǒng)（8位的單片機(jī)AT89S5120+DSP)功率放大采樣AD接口接口控制系統(tǒng)（8位的單片機(jī)AT89S5120+DSP)執(zhí)行系統(tǒng)（主軸：YD系列7.5KW變級多速三相異步電動機(jī)，實現(xiàn)2-4檔變速；刀架：LD4B-CK6140型四型回工位立式電動刀架）滾珠絲杠（FL4006型）初步原理框圖 數(shù)控原理框圖三：問題說明 1：連續(xù)控制系統(tǒng)：由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速度相對于工件沿加工路徑運(yùn)動（因為點位控制

4、系統(tǒng)要求工件相對于刀具運(yùn)動過程不進(jìn)行切削），所以選擇之； 2：開環(huán)控制系統(tǒng)：該改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，沒有加入反饋系統(tǒng)，為了簡化系統(tǒng)，降低成本，所以選擇之。 3：機(jī)床選擇X，Z兩軸聯(lián)動。 4：由于是開環(huán)控制，而且結(jié)構(gòu)簡單，適用于普通數(shù)控機(jī)床，功能水平低。任務(wù)二1. 主傳動系統(tǒng)(主軸驅(qū)動+傳動)方案設(shè)計1：機(jī)床主軸變速方式： 數(shù)控機(jī)床需要自動換刀、自動變速；且在切削不同直徑的階梯軸，曲線螺旋面和端面時，需要切削直徑的變化,主軸必須通過自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇理想的切削速度，這樣有利于提高加工精度，又有利于提高切削效

5、率:因此此次改造采用分段無極變速。 目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種:由于實際操作問題，采用交流變頻主軸+交流主軸電機(jī)。通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。2：主傳動系統(tǒng)方案： 本次改造保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。 主軸采用三相異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，由變頻器進(jìn)行控制。主軸的正反轉(zhuǎn)、停止以及變速，由指令控制經(jīng)過單片機(jī)輸出，進(jìn)而傳給變頻器來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及方向 ，電機(jī)類型：YD系列7.5KW變級多速三相異步電動機(jī)，實現(xiàn)2-4檔變速。 對車床主

6、軸傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造時，驅(qū)動器采用變頻器，保留舊車床主軸箱齒輪變速換檔機(jī)構(gòu)，只把主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)由原來的機(jī)械控制改為變頻器控制，實現(xiàn)自動。變頻器的選配采用經(jīng)驗法，主要以車床的主軸驅(qū)動電機(jī)功率、主軸速度等參數(shù)，結(jié)合變頻器生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品目錄和參數(shù)來選擇，最終選配TD 2000型的變頻器。3：螺紋車削功能的實現(xiàn)為了能夠準(zhǔn)確的加工螺紋工件，必須要安裝相應(yīng)的主軸編碼器，作為主軸位置信號的反饋元件，用來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速位移和轉(zhuǎn)向，采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器，另外，為了重復(fù)車削同一螺紋時不亂扣，編碼器還需每轉(zhuǎn)輸出一個零位脈沖Z，同時，根據(jù)輸出信號為數(shù)字量（任務(wù)一的控制系統(tǒng)已選為單片機(jī)）因此，本次選

7、用ZSF-6215-007CW-1024BZ3-5L型號的螺紋編碼器。傳動原理圖主軸電路控制圖：主軸的正反轉(zhuǎn)、停止以及變速，由指令控制經(jīng)過單片機(jī)輸出，進(jìn)而傳給變頻器來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及方向。二：進(jìn)給傳動系統(tǒng)方案設(shè)計1：總體方案 縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠（傳動效率高，達(dá)到90%）。（拆除原有的掛輪系統(tǒng)、進(jìn)給箱、溜板箱、光桿），在溜板下加裝滾珠絲杠螺母托架，在滾珠絲杠的頭、尾部加裝接套、接桿、支承及限位開關(guān)。 縱向進(jìn)給：步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架臺左右移動。 橫向進(jìn)給：步進(jìn)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾珠絲杠,使刀架橫向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和

8、機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)選擇以及驅(qū)動器選擇：通過計算比較，并考慮到經(jīng)濟(jì)適用性能，在滿足其轉(zhuǎn)矩和功率等各種性能要求下，選用90BF002三相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器型號為CH250驅(qū)動.快速響應(yīng)：主要體現(xiàn)在導(dǎo)軌設(shè)計上，我們將普通導(dǎo)軌改為滑動導(dǎo)軌，其具有結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，抗振性強(qiáng)等優(yōu)點。并且可以采用原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修整后貼塑，使其成為貼塑導(dǎo)軌，或者添加潤滑油等措施提高響應(yīng)要求。2：自動刀具的選擇：機(jī)床刀架改造，是將車床原手動轉(zhuǎn)位刀架，替換成電動刀架來實現(xiàn)自動換刀切削功能。電動刀架也是標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。根據(jù)企業(yè)零件加工工藝的要求，車床加工零件最多時，需要4把刀才能完成零件加工

9、，可直接按C6140型車床結(jié)合電動刀架生產(chǎn)廠提供的產(chǎn)品目錄和刀架中心高等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行物美價廉地選配。最終選用LD4B-CK6163型號的四工位電動刀架，該刀架內(nèi)帶有120W小容量交流電動機(jī)，控制選刀和定位，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，可承受大負(fù)荷，完全滿足車床改造加工要求。系統(tǒng)原理框圖電氣控制圖3：X、Z軸進(jìn)給原理單片機(jī)X、Z向進(jìn)給三級晶體管多諧振蕩器CH250 90BF20型 說明：脈沖分配器中由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進(jìn)電動機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。 任務(wù)三傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計 1:傳感檢測系統(tǒng)采用螺紋編碼器，ZSF-6215-007

10、CW-1024BZ3-5L型，轉(zhuǎn)速位移和轉(zhuǎn)向，輸出量為數(shù)字信號。安裝方式： 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。 同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。 異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。 因此，根據(jù)改造的經(jīng)濟(jì)型要求，選擇異軸安裝。 需要注意的是：編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。 2:行程開關(guān)，用來限制進(jìn)給軸運(yùn)動的位置或行程，使其按一定位置或

11、行程自動停止、反向運(yùn)動、變速運(yùn)動或自動往返運(yùn)動，起行程保護(hù)作用。其中X、Z軸各二個，型號為LX19系列中的LX19-001/111。安裝位置：安裝在進(jìn)給軸行程的極限位置，防止其超過行程運(yùn)行。任務(wù)四控制系統(tǒng)設(shè)計說明一：控制器選用8位的AT89S51單片機(jī)；二：人機(jī)聯(lián)系設(shè)備：配置FANUC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床人機(jī)操作界面，主要包括三部分1、顯示器根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)和操作命令的不同，顯示的信息可以是正在編輯的程序、機(jī)床的加工狀態(tài)、機(jī)床坐標(biāo)軸的坐標(biāo)值、加工軌跡的圖形仿真和故障報警信號等2、NC鍵盤：主要用于零件程序的編輯、參數(shù)輸入、MDI和系統(tǒng)管理操作等3、機(jī)床操作面板：用于直接控制機(jī)床的動作或加工過程，如啟動/暫停零件程序的運(yùn)行、手