CK6140普通机床数控化改造正文

本科毕业设计说明书（论文）第1页共63页1绪论1.1CK6140的现状和发展自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：（1）性能方面的发展趋势：高速高精度高效、柔性化、工艺复合和轴化、实时智能化。.（2）功能发展方面：用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内置高性能PLC、多媒体技术应用。（3）体系结构的发展：集成化、模块化、网络化、开放式闭环控制模式。1.2对于数控机床的简介数字控制机床（NumericalControlMachineTools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机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，自动的将零件加工出来。数控机床较好的解决了复杂、精密、小批量，多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床一般由下列几个部分组成：（1）主机，它是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。（2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、织带阅读机等)以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。本科毕业设计说明书（论文）第2页共63页（3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机以及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面加工。（4）辅助装置，指数控机床的一些必要配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、轮滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。（5）编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。与普通机床相比，数控机床的特点：加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3-5倍；机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床的优点：数控机床能缩短准备时间，增加切削加工时间的比率；使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定，从而有效的提高了产品在市场上得竞争力；数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多普通机床很难完成或根本不能加工的、具有复杂型面、要求精度高的零件加工；许多数控机床如加工中心具有自动换到功能，是零件一次夹装之后就能完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房的面积；生产者对生产成本可进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增强了工人劳动生产的积极性。数控机床改造的意义:自造技术和自动化水平的高低已成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志，而其中最具有代表性的就是数控机床。目前我国是机床的生产大国，但不是机械制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。其原因之一就是我国普通机床保有量仍较大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也是不现实的；另一方面，从我国目前的生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而，用普通机床加工出来的产品普遍出现质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺点，从而使产品在国内、国际市场上缺少竞本科毕业设计说明书（论文）第3页共63页争力，这将直接影响一个企业的生产效益以及生存和发展、所以大力提高机床的数控化已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机床的数控化改造将会长期存在并不断发展。1.3该课题研究的目的及意义研究的目的及意义如下：（1）性能稳定可靠，因为原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。（2）提高生产效率，机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3到5倍。对复杂零件而言难度越大功率越提高的越明显，而且少用甚至不用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。（3）可以采用最新的控制技术，可拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的加工状态。可以根据技术革新的发展速度及时的提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧有机床改造为具有当今水平的机床。（4）节省资金，机床的改造跟新采购的数控机床相比节省了很大的费用，大型及特殊设备尤其明显。本科毕业设计说明书（论文）第4页共63页2CK6140数控卧式车床的总体方案拟定2.1系统运动方式的确定将普通CK6140车床改造成实现进给两坐标联动，采用16单片机的半闭环控制系统。此系统能实现直线插补和圆弧插补并可以自动回转刀架。数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择等。数控系统按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。如果工件相对于刀具移动工程中不进行切削，可采用点位控制方式。例如数控钻床等。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位进度。如果要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统控制的功能。还有一些采用点位控制的数控机床，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。将普通车床的数控化改造，我们选择连续控制系统。2.2执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作台平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。（3）提高系统的刚度。缩短传动链可以提高系统的刚度，减少传动链误差。也可以采用预紧的方法提高系统的刚度。如预加负载的滚动导轨等。2.3伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制。本科毕业设计说明书（论文）第5页共63页闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测元件，用来测量实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接算出工作台实际的位移量，也有反馈电路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。根据设计要求选择半闭环控制系统。进给伺服系统主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、检测与反馈单元、机械执行部件组成。如图2-1所示。图2-1半闭环系统结构方块图2.4单片机的选择根据学习和设计的需要，我选择了Freescale(飞思卡尔)公司的16位单片机。Freescale公司的16位单片机主要分为HC12系列、HCS12系列以及HCS12X系列,在此我选择了80C196KC芯片单片机。该单片机功能强大、性价比高、性能稳定、品种齐全，针对不同的应用领域可以选择不同性能、型号的单片机。根据系统的要求我还设计了键盘接口电路、显示接口电路、驱动电路、复位电路、晶振电路、功率放大电路和报警电路等。系统总体方案框图如图2-2所示。本科毕业设计说明书（论文）第6页共63页图2-2系统总体方案框图3械部分设计计算说明3．1运动部分计算3.1.1参数的确定（1）了解车床的基本情况和特点---车床的规格系列和类型①通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。②车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）：最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：32～1600；级数范围是：18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。(2)参数确定的步骤和方法1)极限切削速度umax﹑umin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类﹑工艺要求刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如《机床主轴变速箱设计指导书》。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min；umin=30m/min。2)主轴的极限转速计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=400mm，则主轴极限转速应为：nmax=max1000(0.1~0.2)uDr/min………………………………（3-1）=2000r/min；nmin=min1000(0.45~0.5)uDr/min………………………（3-2）=40r/min；由于转速范围R=maxminnn=2000/min40/minrr…………………………（3-3）=50；因为级数Z已知：Z=18级。本科毕业设计说明书（论文）第7页共63页现以Φ=1.26和Φ=1.41代入R=1zФ得R=50和355，因此取Φ=1.26更为合适。各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以Φ=1.06的从1～10000的数值，因Φ=1.26=41.06，从表中找到nmax=2000r/min，就可以每隔3个数值取一个数，得：2000，1600，1250，1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40。3)主轴转速级数z和公比￠已知:maxminnn=RnRn=z-1Ф且：z=ab2x318=1293x3x24)主电机功率—动力参数的确定合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值：取P=5.5kw3.1.2传动设计（1）传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。确定传动组及