机电一体化系统课程设计―纵向改造CA6140车床说明书[1]1

说明书内页第1页GUANGXIUNIVERSITY一、前言随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造水平的重要标志。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。采用经济型数控系统对普通机床数控改造，尤其适合我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。《电气时代》、《机械工人》、《电气应用》等多家杂志为满足广大企业技术改造发展生产的需要，多次联合举办学习班，为企业提供权威、经济、可行、实用的技术指导，改造费用为新购置费用的四分之一到三分之一。普通机床的数控改造有两方面的意义：1、微观看改造的意义从微观上看，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）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7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。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可说明书内页第2页GUANGXIUNIVERSITY对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2、宏观看改造的意义从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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后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。二、普通机床的数控改造方案的确定1、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如图2-1所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照说明书内页第3页GUANGXIUNIVERSITY输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。微机CPU光电隔离存储器扩展I/O口扩展驱动器功率放大电路电机电机刀架急停STOP清零等功能按钮主轴脉冲发生器纵横等轴限位回转刀架（车刀）继电器刀架控制电路电机图2-1开环控制系统框图2、机械系统的改造方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿轮的确定，原有丝杠及导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。对CA6140车床的纵向（Z向）进给运动进行数控改造，此时可将开合螺母合上，离合器5M脱开，使主运动与进给运动脱开，此时，将脱落螺杆等横向自动进给机构调至空挡（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则可以由微机控制自动转换刀具，否则仍由手动转动刀架。如需加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉冲发生器来检测主轴转位，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系。这种改造方案成本较低。但是，为了保证加工精度，还需根据实际情况进行检修，才能保证控制精度。原有机床运动部件（包说明书内页第4页GUANGXIUNIVERSITY括导轨、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力和阻力矩的大小，应尽量减小阻力（力矩），以提高步进电机驱动力矩的效率。对丝杠及轴要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨。根据阻力（力矩），切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与之相匹配的步进电机。如果选用步进电机的最大静转矩过大，价格就贵，机电一体化改造的成本就高，且对用户来说，在使用中，始终用不到那么大的驱动能力，也是一个浪费；如果选得过小，在使用中很可能因各种原因而使切削阻力突然增大，驱动能力不够，将会引起丢步现象的产生，造成加工误差。因此，必须对执行元件进行匹配选择。对加工精度较高的机床，其进给丝杠应换成滚珠丝杠副。3、微机控制系统方案的确定（1）、微机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51系列单片机控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储及I/O扩展芯片才可以成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/O扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/O通道的个数来确定。（2）、软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用砖用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程时比较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。说明书内页第5页GUANGXIUNIVERSITY计算与说明主要结果三、机床传动部分的改造（一）系统负载的确定1、确定系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲，此次改造的CA6140车床在纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。2、切削力计算用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切：Fz=0.675.1maxD（N）Dmax——车床床身上加工最大直径（mm）Fz=0.67X5.1400=5360（N）按比例分别求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：0.25：0.4Fx——走刀方向Fy——切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340（N）Fy=0.4X5360=2144（N）作用在进给拖板上的载荷可按下列式子求出：拖板上进给方向载荷：)(1340NFFXL拖板上垂直方向载荷：)(5630NFFZV拖板上横向方向载荷：)(2144NFFYC（二）滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型1、计算进给率引力Fm(最大工作载荷)Fm=KFx+'f(VF+G)根据设计任务要求，查表3—4《机电一体化专业课程设计指导书》，选综合型导轨，其K=1.15,摩擦系数f=0.16,工作台重量G=800（N），则：Fm=1.15X1340+0.16X（5360+800）=2526.6（N）2、计算最大动载荷CQF=3LFwFHFmFz=5360（N）Fx=1340（N）Fy=2144（N）Fm=2526.6（N）说明书内页第6页GUANGXIUNIVERSITY其中：L=61060nT；n为丝杠转速（r/min）,n=01000LVs;Vs为最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/2~1/3，取Vs=0.6/3=0.2（m/min）;L0为丝杠的导程（mm）;T为使用寿命（h）,对于数控机车T=15000h;WF为运转系数，查表3—5《机电一体化专业课程设计指导书》取WF=1.3；取硬度52.5HRC，HF为硬度系数，取HF=1.35。考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响，L0应优先取4、6、8（mm）系列；（1）选基本导程L0=4mm,则：丝杠转速n=01000LVs=42.01000=50(r/min)寿命L=61060nT=610150005060=45最大动载荷：1QF=3LFwFHFm=3451.31.352526.6=15772（N）（2）选基本导程L0=6mm,则：丝杠转速n=01000LVs=62.01000=3100(r/min)寿命L=61060nT=61015000310060=30最大动载荷：2QF=3LFwFHFm=3301.31.352526.6=13778（N）（3）选基本导程L0=8mm,则：丝杠转速n=01000LVs=82.01000=25(r/min)寿命L=61060nT=610150002560=22.5最大动载荷：3QF=3LFwFHFm=35.221.31.352526.6=12518（N）考虑到工作要求，外循环插管式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副结1QF=15772（N）2QF=13778（N）说明书内页第7页GUANGXIUNIVERSITY构简单，工艺性好，安装尺寸小，刚度高等优点可以满足车床改造要求，故选汉江机床厂C1型滚珠丝杠。查《机电一体化技术手册》表7.2—13得相应的额定动载荷aC滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足QFaC。查表，选择以下验算：当mmL40时，1QF=15772（N），表中额定动载荷显示：aC1QF故基本导程mmL40的滚珠丝杠不符合使用要求。当mmL60时，2QF=13778（N）。符合滚珠丝杠系列代号4006—2.5，公称直径0d=40，螺旋角=02'44，滚珠直径bd=3.969列数圈数=12.5，aC=16083N当mmL80时，3QF=12518（N）符合滚珠丝杠系列代号4008—2.5，公称直径0d=40，螺旋角=03'38，滚珠直径bd=4.763列数圈数=12.5，aC=20202N3、传动效率计算)tan(tan式：——丝杠螺旋升角，由)/arctan(0dPh算得。——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于'10；要求0.9满足设计要求。3QF=12518（N）因为aC1QF基本导程mmLo4的滚珠丝杠不符合使用要求说明书内页第8页GUANGXIUNIVERSITY0arctandPhhP——丝杠基本导程，0LPh0d—