数控毕业设计论文.doc 25页

'毕业设计（论文）普通车床数控化改造设计学生姓名：陈燊学号：01320131Y19所在系部：机械工程系专业班级：13gz数控1班指导教师：马丽教授日期：二○一六年五月25 摘要目前鉴于机械制造行业对于加工精度与加工效率的要求不断提升，普通车床已难以承担以上重任。但基于普通车床基数大数控车床价格昂贵的前提，普通车床数控化改造势在必行。改造完成的新型机床具有适应性较强、加工精度较高、生产效率较高和加工质量相对稳定等优点。它综合地应用了计算机应用、自动控制、伺服驱动、高精度测量和创新的机械结构等多方面的前沿技术，是今后机床控制的明确发展方向之一。关键词：普通车床CA6132数控化改造伺服系统滚珠丝杠25 目录摘要21绪论41.1数控机床的产生41.2数控机床的发展51.3我国数控机床的发展概况51.4数控机床的发展趋势61.5数控机床改造的意义62CA6132车床数控系统总体设计方案的拟定72.1总体方案确定72.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择72.1.2控制系统82.1.3机械传动方式82.2设计X-Y数控工作台及其控制系统83CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算93.1系统脉冲当量的选择103.2切的计算削力103.2.1纵车外圆104CA6132电气部分改造2225 1绪论随着社会生产力和科学技术的迅速发展，机械产品越来越精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，所以数控机床应运而生。但随之而来的是普通机床的安置问题，单纯地弃之不用对于企业来说太过浪费；另一方面，数控车床价格较之普通车床太过昂贵。因此，市场对普通机床的数控化改造的呼吁之声，日益高涨。1.1数控机床的产生美国最早开始研制数控机床。1948年，在美国帕森斯公司研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，首先提出了研制数控机床的设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室建立合作，开始从事数控机床的研制工作。并在1952年试制成功世界上第一台数控机床实验样机（这是一台采用了脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床）。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且机床的价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术的发展不仅仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到其它机械设备的升级上，因此使数控技术不断扩展应用的范围直至今天。1.2数控机床的发展从美国研制第一台数控机床以来，随着与数控相关技术的不断发展发展，数控机床也在迅速地发展和更新换代，先后经过了五个阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路控制的数控系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路控制的数控系统。25 第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的数控系统。第五代数控：从1974年开始采用微机控制的数控系统。第五代微机数控系统基本上代替了以往的绝大多数的普通数控系统，形成了现代化的数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，只需改变相应的输入软件，就可以适应不同类型不同功能机床的控制要求，具有很大的适应性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术广泛应用于数控装置中，使其体积日益变小，价格逐年降低，可靠性显著提高，功能也更加完善和稳定。近年来，微型电子和计算机技术的日益进步，它的成果正在不断扩张到机械制造的各个领域中以及随之出现的计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产控制系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展前景。1.3我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先开始研制数控机床，并研制了成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，借此我国数控机床的发展在品种上、性能上以及技术上均有了质的变化。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。25 1.4数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高适应性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有更高要求的柔性制造系统和计算机集成自动化制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位以及32位微机处理器、数据总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率精度高达0.1微米，高速进给速度高达100m/min,控制轴数高达16个轴，并采用非常先进的电装工艺等等。至于驱动系统，交流驱动系统也发展得非常迅速。交流传动已由模拟向数字方向发展，以运放器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成电路所取代，从而解决了零点漂移、温度漂移等干扰精度的因素。1.5数控机床改造的意义数控机床改造在西方各国已发展成一个新兴的行业，早在60年代已经开始便已诞生，其发展的原因是多方面因素导致的，主要有技术、经济、市场和生产上的众多因素。我国是拥有300多万台机床的机械制造大国。而这些机床又大多是使用多年的老旧机床，全部替换为数控机床以我国机床制造厂的经济实力是无法承受的。因此，尽快将我国现有普通机床实现数控化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求处理的难题。数控化改造是建立在微电子控制技术与传统技术相结合的基础上的。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，而且在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的推广性与适应性。而且改造费用较低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的百分之三十左右（具体视情况而定），用户可以承受。从相关成功应用的事例可以证明，投入使用后，成倍地提高了生产效率，减少了废品率，获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，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的机械加工环境，普通机床的数控化改造已成为我国机械设备技术改造主要方向。同时，它还可以成为全功能数控机床换代的准备时期25 ，为今后使用全功能数控机床，培养技术人才，积累维护经验、熟练使用经验，而且实现了我国传统的机械制造技术向机电一体化制造技术发展。2CA6132车床数控系统总体设计方案的拟定2.1总体方案确定2.1.1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、逆时针插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，并且在车削加工中，要求刀具沿XY轴运动有确定的函数关系（即：刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动），所以不能选用点位控制系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，改造后的机床应选用连续控制系统。CA6132型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因为闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。2.1.2控制系统根据机床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系统具有稳定性好，工作环境不挑剔，易于检修等特点，且对PIC系统较为熟悉，因此采用PLC控制系统系统。2.1.3机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经过齿轮减速再传向传动杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，所以选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除齿间间隙，所以采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。25 2.2设计X-Y数控工作台及其控制系统设计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件以避免上述不利因素的产生。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用AT89S51系列单片机扩展系统。Z向PLC步进电机功率放大光电隔离上拖板下拖板X向步进电机光电隔离功率放大图1-1CA6132经济型数控车床总体方案框图25 3CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算一台CA6132普通车床改造成数控车床，采用PLC控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上φ320㎜加工最大长度：700㎜溜板及刀架重力：纵向960N横向600N刀架快速速度:纵向2.4m/min横向1.2m/min最大进给速度:纵向0.8m/min横向0.4m/min主电机功率5.4Kw起动加速时间25ms机床定位精度:±0.01mm伺服系统机械部分设计：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：3.1系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，也称为机床的最小设定单位（脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个最基本技术参数）。经济型数控车床25 车床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。根据机床精度要求调研确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲3.2切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要根据切削力计算，以下是数控车床中的切削力的计算。3.2.1纵车外圆主切削力F(N)按齿轮传动的效率计算:=0.67D=0.67×320=3835切削力各分力比例如下：=3835×0.25=959=3835×0.4=1533.2.2横切端面主切削力可取纵切里的二分之一此时走刀抗力为(N),吃刀抗力为，仍按上述比例粗略计算:::=1:0.25:0.4=1918×0.25=480=1918×0.4=76725 3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的选型首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式等。结构类型确定之后，即可计算和确定其他技术参数，例如：公称直径d0（丝杠外径d），导程，圈数j，列数K等。滚珠丝杠副的滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，与螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆形型钢弯成弧形，并焊接上螺栓，固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。与此同时缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有以下几种，双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本次设计选用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移，其特点是结构比较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。3.3.1纵向进给丝杠计算进给率引力(N)滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量以及切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨有关。纵向进给导轨为综合型导轨由上可知：=959N=3835N=960N=1.15=0.1625 得：(N)=+(+G)=1.15×959+0.16×(3835+960)=1870N式中—考虑受力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15;--滑动导轨摩擦系数:0.15～0.18;--溜板及刀架重力:=960N.3.3.1.2计算最大动负载滚珠丝杠副的直径d0，必须保证在一定轴向负载的作用下，丝杠在回转100万转后在滚道上不产生点蚀磨损和变形等现象。这个轴向负载的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，由此：==式中--滚珠丝杠导程,初选=6㎜;--最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(～),此处=0.5m/min--使用寿命,按15000h;--运转系数，按一般运转取=1.2～1.5;--寿命，以10转为1个单位。将数据分别带入上式得：==83r/min===7525 =×1.2×1870=9463N3.3.1.3滚珠丝杠螺母副的选型查阅下表,可采用江汉机床厂C1型2506-2.5滚珠丝杠副,循环列数2.5圈,其额定动负载为9610N.（序号7）3.3.1.4传动效率计算　滚珠丝杠螺母副的传动效率为：η=0.0737893670.075541426式中—螺旋升角,=4°22′--摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003～0.004将各数据带入上式得：25 η==3.3.1.5刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2-1所示。最大牵引力为1870N.轴承支撑间距=700㎜，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3图2-1由于一端轴向固定的长丝杆在工作中可能会产生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构的允许安全系数（S），见下表。丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷，其计算公式为25 =E--丝杠材料的弹性模量。对于钢，E=206GPa;l--丝杠工作长度；--丝杠危险截面的轴惯性矩；--长度系数。===N安全系数S===179.7，查上表，（S）=3-4.S>(S),丝杠是安全的，不会失稳。高速长丝杠工作是可能产生共振，因此需验证其不会发生共振的最高转速--临界转速。要求丝杠的最大转速<。=9910=991010927r/min<=10000r/min,所以丝杠工作时不会产生共振。滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求<7=50<所以该丝杠副工作稳定。25 3.4齿轮传动比计算3.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程=6㎜，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比===0.8可选定齿轮齿数为:==或3.4.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量=0.005,滚珠丝杠导程=6㎜,初选步进电机步距角0.75°可计算传动比:===0.48考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速:==×=×=24、=40、=20、=25因进给运动齿轮受力不大，模数取2。有关参数如下:表2-125 齿数324024402025分度圆648048804050齿顶圆688452844454齿根圆597543753545齿宽（6~10）202020202020中心距7264453.5步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量的数据分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。3.5.1纵向进给步进电机计算3.5.1.1等效转动惯量计算计算见图2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量（㎏·㎝）可由下式计算：=++式中---步进电机转子转动惯量（㎏·㎝）;、---齿轮、的传动惯量（㎏·㎝）;---滚珠丝杠转动惯量（㎏·㎝）。参考市场上较常见的数控机床，初选反应式步进电机，型号150BF，起转转子转动惯量=10㎏·㎝。=0.78×10×·=0.78×10×6.4×2=2.62㎏·㎝=0.78×10×·=0.78*10×8×2=6.39㎏·㎝25 =0.78×10×4×150=29.952㎏·㎝=1000N代入上式：=++=10+2.62+=36.474㎏·㎝考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题/=10/36.474=0.274基本满足匹配的要求。3.5.1.2电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：快速空载起动力矩起。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：起=++=·=×10=×=×将前面数据代入，式中各符号意义同前。=×==500。起动加速时间=30=×=36.474××10=636.6N·㎝25 折算到电机轴上的摩擦力矩：====94N·㎝附加摩擦力矩：====805.3×0.19=153N·㎝上述三项合计：起=++=636.6+94+153=881.5N·㎝快速移动时所需力矩快快=+=94+153=247N·㎝最大切削负载时所需力矩切切=++=++=94+153+=94+153+127.96=375N·㎝从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时，==0.951。最大静力矩=881.5/0.951=927N·㎝。按此最大静转距从表查出，型最大静转距为13.72N·㎝。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率25 ===4000HZ===1000HZ从表中查出型步进电机允许的最高空载起动频率为2800HZ运行频率为8000HZ，130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz时，M=100，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（881.5）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制，将起动频率将到1000Hz时，起动力矩可增到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。25 当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。3.5.2横向进给步进电机计算和选型电机选为计算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。4CA6132电气部分改造电气控制线路主电路如图a所示，QF1～QF4为空气开关，FU为熔断器，这些开关对控制电路实现短路保护。M1为7.5kW主电机，选择三菱FR-A540-7.5K-CH变频器实现变频调速，交流接触器KM1控制变频器的通电和断电。当变频器无故障时，B端触头闭合，KM1线圈得电，变频器通电；当变频器有故障时，B端触头断开，KM1线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时A端触头闭合，指示灯HL显示报警。FR1为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RC1为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L是为改善功率因素而使用的交流电抗器。R、S、T为变频器的电源输入端，U、V、W为输出控制电机端，STF和STR分别接主轴正反转控制继电器触头KA1和KA2，2和5分别接主轴模拟量输出信号（0～+10V）25 AO4和AGND4，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为：当PLC发出主轴正反转信号时，KA1或KA2的常开触头闭合，KM1线圈得电，KM1的常开触头闭合，变频器开始工作，当PLC发出主轴制动信号时，KA6的常闭触头断开，KM1线圈失电，KM1的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。M2是刀架电机，KM2吸合时，刀架电机正转，KM3吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.4和Q0.5。M3为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.2。图a　主电路图交流控制电路如图b所示，RC4、RC5和RC6为单相灭弧器，M4和M5为两电柜风扇，线路电压为AC110V。25 图b　交流控制电路图总结经过一个多月的工作，毕业设计到此已经完成。在此，我衷心感谢我的老师和同学们，没有老师的细心指导和同学的热情帮助，我很难如此迅速地完成。最后，我对此次毕业设计做个简单的总结。刚开始设计1周内，我先通过手机图书馆APP,百度文库查阅了大量的资料，期间进入VIP等学术网站查阅最新相关学术信息。在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了解，并在此基础上确定了总体设计方案，而且熟悉了在信息检索课程中所学习的网上检索信息的能力，此后便开始了对伺服系统机械部分的计算与设计。此过程也就是综合这四年来所学到的知识，选择合适、安全的机械零件，其中设计计算内容主要包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分零件图等。通过这次设计，我对普通车床的改造有了系统性的认识和基础性的了解；熟悉了其设计原理及流程；并对传动系统和伺服系统进行了针对性的学习。而且使我具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇见的机、电方面技术的能力；同时，对现有数控机床的结构，运行原理等等有了全新的认识25 。当然设计中还存在很多不足，有待于改进，我会在以后的实际工作中不断弥补不足、创新进取。参考文献[1]冯浩.机电一体化系统设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2013.[2]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京:机械工业出版社,2012.[3]张万奎.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社，2013.25 25'