CK6163数控车床控制系统的设计

-1-CK6163数控车床控制系统设计1、本课题的项目背景及研究意义金融危机爆发以来，国际机床市场不断下滑，国内经济型数控机床市场也受到了相当大的影响，产销量大幅下降。虽然数据显示2009年上半年已经止住下滑趋势，略微回升，但研究应对策略依旧是当务之急。经济型数控机床是国内数控机床行业发展的起步产品，发展时间比较长，生产企业对此类机床的技术掌握情况和生产能力也都比较成熟。正因为如此，加之其在国内拥有大量的市场空间，金融危机爆发之前的产量较大。但从去年金融危机以后的总体情况来看，国内经济型数控机床生产企业的生产能力明显过剩。最近中国机床工具工业协会的调研结果中得到的企业生产状况显示，主要生产经济型数控机床的企业受到的冲击比较大，尤其是一些产品档次比较低、产量比较大的企业受到的冲击更大，甚至出现部分企业限产的现象。造成这种情况出现的主要原因还是因为市场需求在减少，加上经济型数控机床的生产能力比较强，生产企业比较多，竞争比较激烈，同时经济型车床、钻床和铣床的出口量下降比较严重，部分产品出口转内销，进一步加剧了国内市场竞争。而对于产品档次比较高的企业来说，受到的冲击就不是很明显，特别是高精尖的高档机床依旧是供不应求。数控机床代表着机械制造业现代科学技术发展的方向和水平。目前，我国数控机床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标的数控铣床加工中心，CNC系统和自动编程系统等。同时，也拥有了一定数量的数控机床的开发、生产、使用以及拥有量等都与世界上的先进国家有较大差距。要达到世界先进水平，迅速发展我国数控机床行业势在必行。经济型数控机床设计的必然性：数控机床能较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产率，也具有适应性强、较高的加工精度。但是应用数控机床还受到其它条件的限制。价格昂贵，一次性投资巨大，对于中小企业心有余而力不足。目前各企业都有大量的通用机床，完全用数控机床代替根本不可能，而且替代下来的机床闲置起来，又会造成浪费。在国内，订购新数控机床的交货期一般较长，往往不能满足生产急需。通用数控机床对具体生产有多功能。要较好地解决上述问题，应走经济型数控机床设计之路。经济型数控机床设计的优点：经济型数控机床设计一般指对普通机床其某些部位做一定的设计，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力，其目的有以下几点：从提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。-2-1．为了提高生产效率进行数控改造。2．为了适应多品种，小批量生产而进行数控改造。3．为了使技术等级较低的工人也能加工出高质量的产品零件和提高生产效率而进行的设计。所有这些目的都围绕提高机床的性能价格比，用较少的价格，得到较高的机床性能。因此，经济型数控机床设计具有以下优点：易于对现有机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。降低工人技术等级的要求。费用低，可充分利用原有机床设备。周期短，可满足生产急需。由上所述，普通机床进行经济型数控设计是提高技术水平，更新工艺设备的重要途径之一，是使企业更好地完成计划，满足市场需求，提高经济效益的重要手段。因此这次设计主要进行的是CK6163车床的机械部分（主轴箱、纵向进给机构和横向进给机构）和数控部分的设计，其传动系统利用电液脉冲马达驱动滚珠丝杠，使拖板作精确的位移。2、本课题研究的主要内容、设计目的、及研究方法2.1、主要内容本设计内容是对CK6163数控车床的机械部分设计和利用MCS-51系列单片机，对纵、横向进给系统进给进行开环设计。使其在纵向和横向具有直线和圆弧插补的功能，驱动元件采用电液脉冲马达，传动系统采用滚珠丝杠，使车床进行精确动作，能进行内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、圆柱螺纹和圆锥螺纹等加工。机床主轴的起动，停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和速度，刀具的变换和冷却，都可以自动控制。并具有直线、锥度、直螺纹和锥螺纹等自动循环机能。2.2、CK6163数控车床设计的目的针对题目使学生得到机械原理、机械设计、控制原理、CAD、微机原理、常规电气控制原理、检测技术等课程的综合训练。针对题目使学生掌握机械装备工程设计的一般方法及一般规律，获得综合运用所学的基础知识解决实际问题的方法、工作思路等主要方面的训练。培养学生独立调查研究、科技检索、方案论证、规范化科技写作等方面的能力2.3、研究方法对现有文献分析，查阅现有国内外有关经济型数控车床的参考文献资料，深刻理解现有数控车床控制系统的运动原理以及控制方法，设计过程中充分借鉴现有的优良结构，在此基础上进行创新性设计。重视理论分析，认真学习与数控系统相关的理论，对基本数控系统和机械结构有-3-十分的了解。提出两种以上的设计方案，并进行探讨选择出最优方案然后进行优化。这个阶段很重要，要时常与指导教师及其他老师共同探讨。在前期充分论证的基础上对其进行详细设计，主要对该机构中的创新点及相关附件进行设计，充分利用现有成形的机构，不做无用功。设计时充分使用指导教师以及身边其他技术人员的人力资源，不盲目设计。理论与实际相结合，力求设计满足经济行和可行性要求，使设计真正满足工程化的要求。3、课题设计的关键问题及系统总体方案的拟定3.1课题设计的关键问题3.1.1伺服系统的选择伺服系统分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。半闭环控制系统和闭环控制系统都具有检测装置，伺服控制精度都比开环系统高，但系统造价也高于开环结构且调试也不太容易。而开环系统不带检测装置，指令是单方向传送的，结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单，符合经济型数控机床的加工精度要求不高的性能。因此，为了简化结构，降低成本，采用电液脉冲马达开环控制系统。图3.1开环控制系统3.1.2执行机构传动方式的确定为实现机床所要求的分辨率，采用电液脉冲马达经齿轮减速再传动丝杠，确保数控系统的传动精度和工作平稳性，应尽量减少摩擦力，而采用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的结构来提高传动刚度，齿轮传动也要采用清除齿侧间隙的结构。电液脉冲马达是指由步进电机和液压伺服机构（即扭矩放大器）所组成。由步进电机接收数字控制装置发出的脉冲信号，把它转换或角位移。经液压随动阀和油马达组成的伺服机构做功率放大后，驱动机床工作台或刀架，使之进行精确定或作进给运动。电液脉冲马达具有角位移准确、反应迅速、调整范围广等优点。是当前数控系统中特别是开环系统中比较理想的伺服元件。电液脉冲马达广泛应用在自动控制、同步控制-4-和各种数控机床上。图3.2数控系统进给伺服系统控制框图3.2、系统总体方案的拟定在点电机的驱动下，通过变速机构，在主轴脉冲发生器的作用下，通过俩个电液脉冲马达各控制横向和纵向的进给机构。3.3系统总体方案框图4、预期成果通过自己的不断努力，在指导老师的帮助下，完成有关于数控硬件的电路的设计，以及相关问题的解决。（1）主要包括以下内容：查阅20篇以上相关文献、资料（含外文）、论文。（2）提交符合质量要求的设计图纸一套（3）要求设计资料书面、电子档及光碟各一份。电机变速机构主轴脉冲发生器电液脉冲马达电液脉冲马达纵向进给机构横向进给机构-5-5、进度安排设计（论文）各阶段名称日期备注查阅资料、调研（文献资料）3.20～3.28写实习报告开题报告3.30～3.31完成开题报告初步方案设计4.1～4.10分析阶段系统设计草图4.11～4.30初步设计阶段关键结构设计5.1～5.10具体设计阶段具体结构设计5.11～5.20设计总结阶段三维造型，绘制图纸5.21～6.1图纸绘制阶段打印图纸和完成毕业说明书，刻录光盘6.1～6.5答辩准备阶段毕业答辩6.8～6.11答辩参考文献[1]郭章信，刘建亭CK6063进给伺服系统对动态性能影响分析安阳工程学报[2]张俊，魏红根数控技术发展趋势——智能化控制系统北京机床研究所[3]熊志强，陈德容PLC与单片机结合在自动车床控制中的应用上海交通大学与电气工程学院[4]于东，郭锐锋数控机床中伺服系统的现状及发展中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国家工程中心[5]易红，仇晓黎数控车床主轴箱计算机辅助装配工艺设计系统的研究东南大学机械工程系[6]高国飞.任有志,应用PLC技术实现柔性制造系统(FMS)中运输机构的准确定位,电气传动自动化，2007，29卷[7]易红，仇晓黎，数控车床主轴箱计算机辅助装配工艺系统设计的研究东南大学机械工程系[8]成大先，机械设计手册—机械传动，化学工业出版社，2004.1-6-[9]蔡学熙.邬城祺，现代机械设计方法使用手册，化学工业出版社，2004.2[10]成大先，机械设计手册第四版，第3卷，化学工业出版社，2002.1[11]戴枝荣.张明远，工程材料，高等教育出版社，2006.3[12]濮良贵.纪名刚，机械设计第八版，高等教育出版社，2006.5[13]于骏一.邹青，机械制造技术基础，机械工业出版社，2004.1[14]成大先，机械设计手册—常用设计资料，化学工业出版社，2004.1[15]成大先，机械设计手册第四版，第5卷，化学工业出版社，2002.1[16]成大先，机械设计手册第四版，第4卷，化学工业出版社，2002.1[17]北京科技大学.东北大学，工程力学（1997年修订版），高等教育出版社，1997[18]郝桐生.殷祥超.巫静波，理论力学第三版，高等教育出版社，2003.9[19]韩进宏，互换性与技术测量，机械工业出版社，2004.7[20]侯洪生.董国耀，机械工程图学，科学出版社，2001[21]王启平，机床夹具设计，哈尔滨工业大学出版社，2005.7