《CA6140型車床數(shù)控改裝設(shè)計(jì)（論文）》

CA6140型車床數(shù)控改裝設(shè)計(jì)TOC\o"1-3"\h\u31702第1章引言 -1-CA6140型車床數(shù)控改裝設(shè)計(jì)摘要當(dāng)今社會(huì)上機(jī)械加工行業(yè)在飛速發(fā)展，機(jī)床作為一個(gè)必不可少的工具，而傳統(tǒng)機(jī)械車床已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)下的生產(chǎn)加工節(jié)奏，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為主要的加工生產(chǎn)設(shè)備，逐漸取代傳統(tǒng)普通車床。而針對(duì)大多數(shù)企業(yè)有著大量的使用壽命較長(zhǎng)的普通車床，其加工精度低，加工效率慢，但全面更換給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)壓力巨大。因而通過普通車床的數(shù)控化改裝來改變現(xiàn)狀。普通車床的數(shù)控化改裝，能大大提高企業(yè)加工效率，其改裝花費(fèi)相比于購買新型的機(jī)床節(jié)約很多，可以給企業(yè)帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)舊機(jī)床的數(shù)控化改裝，是提高我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率的重要途徑。本文以CA6140普通車床為研究對(duì)象，改變其機(jī)械結(jié)構(gòu)，形成新的機(jī)械系統(tǒng)。采用MCS-51一系列單片機(jī)的數(shù)控控制系統(tǒng)。通過傳動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠的減速運(yùn)動(dòng)，完成縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制著刀架運(yùn)動(dòng)，使其變?yōu)樽詣?dòng)化。關(guān)鍵詞：機(jī)械改裝；數(shù)控改裝；單片機(jī)；數(shù)控機(jī)床第1章引言數(shù)控車床是機(jī)電、液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)不可缺少的重要組成部分。加工設(shè)備在機(jī)械制造業(yè)中占有重要地位，可以解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密的問題。密集、小批量、易變件加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存和發(fā)展，必須在最短的時(shí)間內(nèi)把重點(diǎn)放在第一位。不同的質(zhì)量、低成本，生產(chǎn)出符合市場(chǎng)需求、性能適宜的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)有的加工設(shè)備往往直接影響到工廠的優(yōu)缺點(diǎn)、制造周期的速度和生產(chǎn)成本。目前，使用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑，但成本太高，許多工廠短期內(nèi)不能有這么多資金，嚴(yán)重阻礙了企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代和設(shè)備改裝的步伐；同時(shí)，大多數(shù)企業(yè)仍有大量的普通機(jī)床具有長(zhǎng)期的使用壽命，因?yàn)槠胀C(jī)床的加工精度相對(duì)較低，而且設(shè)備改裝相對(duì)容易。雖然不能成批生產(chǎn)，生產(chǎn)自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)適應(yīng)性差，但考慮到投資成本、行業(yè)連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，不能立即淘汰?，F(xiàn)有舊機(jī)床改裝及相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，普通機(jī)床改裝為數(shù)控機(jī)床，是許多企業(yè)將現(xiàn)有設(shè)備改裝為數(shù)控機(jī)床的首選方法。這也是提高機(jī)床數(shù)控效率的有效途徑。這是降低投資、提高產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的捷徑。中國(guó)在成為世界制造業(yè)中心和制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中占有一席之地。本文通過對(duì)CA6140的數(shù)控改裝，實(shí)現(xiàn)車床改裝換代。第2章普通車床數(shù)控改裝整體方案2.1設(shè)計(jì)任務(wù)本次改裝的是CA6140型臥式車床，長(zhǎng)度750毫米。技術(shù)參數(shù)如下：CA6140型臥式車床的部分主要技術(shù)參數(shù)如下表1床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑/mm400刀架最大工件回轉(zhuǎn)直徑/mm210最大棒料直徑/mm47最大工件長(zhǎng)度/mm750100015002000最大加工長(zhǎng)度/mm65090014001900主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min）正轉(zhuǎn)10~1400反轉(zhuǎn)14~1580進(jìn)給量范圍（mm/r）縱向0.028~6.33橫向0.014~3.16標(biāo)準(zhǔn)螺紋加工范圍公制t=1~192mm英制a=2~24牙/in模數(shù)制m=0.25~48mm徑節(jié)制DP=1~96牙/in表2-1CA6140主要技術(shù)參數(shù)數(shù)控改裝主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械改裝和數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的數(shù)控機(jī)床為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提出了步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。通過控制垂直和水平進(jìn)給系統(tǒng)保證了改裝后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和懸掛功能。為了達(dá)到機(jī)床所需的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)通過齒輪減速驅(qū)動(dòng)螺桿，保證一定的傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性，盡量減少摩擦，選用滾珠絲杠副螺母。本設(shè)計(jì)任務(wù)是，對(duì)CA6140普通車床數(shù)控改裝后的主要功能和用途也應(yīng)保持不變?？汕昂罂刂浦鬏S，實(shí)現(xiàn)不同切削速度下主軸速度的變化；刀架可實(shí)現(xiàn)縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有換刀點(diǎn)四個(gè)刀具位置自動(dòng)切換的功能，選擇刀具；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸旋轉(zhuǎn)一次，刀架移動(dòng)加工螺紋的螺距或?qū)С?。?shù)控化改裝后，數(shù)控系統(tǒng)需要其一一控制，數(shù)控機(jī)床的目標(biāo)仍然是中小型軸、盤、螺紋零件的粗加工或半精加工，縱向（Z）脈沖等效0.01mm/脈沖，橫向（X）脈沖等效0.005mm/以脈沖、輸入處理程序由數(shù)控系統(tǒng)完成。進(jìn)給指令通過I/O接口輸出到X軸和Z軸步進(jìn)電機(jī)。齒輪減速后，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，刀架在螺母驅(qū)動(dòng)下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向和橫向自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。換刀指令通過刀架控制器控制三相電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀架自動(dòng)定位功能，螺紋車削功率功能由脈沖編碼器協(xié)調(diào)。2.1.1主要配置該方案采用MCS-51系列8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)，主軸傳動(dòng)不變，實(shí)現(xiàn)有限變速；采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱向和橫向，采用滾珠螺母和絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給；自動(dòng)換刀控制實(shí)現(xiàn)：采用螺紋加工方式，整機(jī)采用床身前后半防護(hù)設(shè)計(jì)，外形美觀，操作方便。2.1.2改裝要點(diǎn)主傳動(dòng)保留了主軸箱、床身導(dǎo)軌、滑板和尾座，同時(shí)丟棄了現(xiàn)有的車床進(jìn)給箱、滑塊箱、刀架等，進(jìn)給傳動(dòng)采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢測(cè)元件來檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即位置傳感器沒有反饋信號(hào)。采用步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度低，精度低。在運(yùn)動(dòng)中容易引起振蕩和階躍損失。因此，它主要用于經(jīng)濟(jì)或簡(jiǎn)單的數(shù)控機(jī)床。精度和速度的提高是有限的?？v向步進(jìn)電機(jī)支架進(jìn)料箱需重新設(shè)計(jì)制造；步進(jìn)電機(jī)支架及連接器2個(gè)，絲杠支架及滑塊連接器2個(gè)，電動(dòng)刀架連接器、電器柜及主要保護(hù)件需設(shè)計(jì)制造；主要部件需組裝、安裝和調(diào)整。2.2總體改裝系統(tǒng)框架根據(jù)CA6140的性能指標(biāo)和工作條件，采用價(jià)格相對(duì)低廉的數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)CA6140車床的X、Z軸進(jìn)行了電子手輪、混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和滾珠絲杠螺母副的改裝，保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，兩軸采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)機(jī)械驅(qū)動(dòng)：刀架采用四位電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用于塑化處理的滑板，使用半封閉的機(jī)床防護(hù)罩，滾珠絲杠和滑板使用手動(dòng)泵噴射潤(rùn)滑。根據(jù)以上擬定的數(shù)控改裝方案，如圖1為數(shù)控系統(tǒng)及控制方案。圖2-2數(shù)控系統(tǒng)流程圖第3章機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與改裝3.1車床機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改裝將原來的三角形導(dǎo)軌改為塑料粘合導(dǎo)軌，具有相同的動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)，并具有潤(rùn)滑效果。它能有效減少摩擦，使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，提高導(dǎo)軌的耐磨性。另一方面，它可以大大提高運(yùn)動(dòng)的減震性能和自身的技術(shù)性能。拆下原進(jìn)料箱和滑盒，將縱向步進(jìn)電機(jī)裝入原進(jìn)料箱，安裝減速器；將橫向步進(jìn)電機(jī)裝入原滑盒，并安裝減速器。拆下原光面螺釘和絲杠，更換為滾珠絲杠，連接到新安裝的齒輪箱上。整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)不僅由主軸電機(jī)控制，而且由各自的步進(jìn)電機(jī)控制。這就需要在原主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，這樣整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)就可以相互連接。原刀架裝上三相異步電動(dòng)機(jī)，控制刀具自動(dòng)更換。3.2主軸系統(tǒng)改裝主軸是數(shù)控車床的重要組成部分，要求其剛性好、精度高、噪聲低。主軸箱中的傳動(dòng)軸、齒輪、離合器和鏈輪均已拆下。主軸箱用于支撐和安裝主軸，使主軸不受動(dòng)力傳遞等因素的影響。主軸前支承采用雙列圓錐滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承。接觸角為60度。成對(duì)安裝的角接觸軸承用于主軸的后支承。這種結(jié)構(gòu)可以使主軸承承受較大的徑向和軸向載荷，滿足機(jī)床強(qiáng)力切削的要求。由于主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間沒有機(jī)械連接，為了加工螺紋，有必要在進(jìn)給伺服電機(jī)的輸入脈沖信號(hào)和主軸速度之間建立關(guān)聯(lián)。因此，利用主軸編碼器檢測(cè)主軸旋轉(zhuǎn)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的反饋調(diào)節(jié)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同步控制。主軸前端安裝支架，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過同步帶和1:1齒輪傳遞給光電編碼器。編碼器將檢測(cè)到的主軸旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)控制進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工螺紋時(shí)主軸的旋轉(zhuǎn)和刀具的移動(dòng)。變頻器控制主軸電機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速。它具有高速穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、噪音低、振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。3.2.1主軸無級(jí)變速的實(shí)現(xiàn)為了保證加工效率和提高工件質(zhì)量，主軸必須能夠?qū)崿F(xiàn)恒速切削。改裝時(shí)應(yīng)考慮數(shù)控車床在自動(dòng)加工過程中負(fù)荷切削力的變化，要求機(jī)床主軸傳動(dòng)必須采用無級(jí)變速。只有主軸電機(jī)的聯(lián)軸器與主軸直接相連，才能直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，有效地提高主軸的剛度。在車床主軸的改裝中，有兩種實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級(jí)變速的方法。一是直接采購成品伺服電機(jī)，淘汰舊電機(jī)。第二種方法是利用變頻器改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。該方法成本較低，同時(shí)可以充分利用原電機(jī)。如果采用第一種方式，再次購買主軸伺服電機(jī)，則必須對(duì)原電機(jī)的主軸箱進(jìn)行相應(yīng)的改裝，以便安裝新的伺服電機(jī)。該方法快速方便，但改裝成本高。通過對(duì)比分析，選擇第二種變換方法，即在原三相異步電動(dòng)機(jī)上安裝數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，驅(qū)動(dòng)變頻器不同頻率的異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)變速。3.2.2主軸位置信號(hào)反饋元器件的選擇與安裝為了使改裝后的數(shù)控車床能夠自動(dòng)加工螺紋，機(jī)床主軸位置信號(hào)的反饋元件應(yīng)采用主軸脈沖編碼器。其目的是檢測(cè)主軸旋轉(zhuǎn)角度的位置。通過主軸脈沖編碼器數(shù)控系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主軸可旋轉(zhuǎn)一次，刀架可縱向移動(dòng)一根引線。主軸脈沖編碼器通常有兩種安裝方式：同軸安裝和離軸安裝。同軸安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是安裝后不能通過車床主軸孔加工零件，限制了零件的加工長(zhǎng)度。因此，離軸安裝更為合適。主軸的動(dòng)力通過主軸箱和兩級(jí)齒輪傳遞給輪軸X。主軸編碼器1由支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4連接。悶頭4通過過盈配合與主軸箱的內(nèi)軸X連接。1ZXB-1型主軸編碼器2支架3MC連軸器4悶頭5軸X圖3-2-2主軸編碼器裝配圖選擇ZXB-1編碼器作為主軸編碼器。編碼器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高，壽命長(zhǎng)，環(huán)保性強(qiáng)。主軸編碼器的連接方式有兩種選擇，一種是剛性連接，另一種是柔性連接。剛性是軸套連接中最常用的一種。這種連接方法對(duì)連接器的制造和安裝精度要求很高。在安裝過程中，如果技術(shù)人員同軸度誤差較大，會(huì)引起偏差，造成測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確。嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞主軸編碼器的光柵盤，造成主軸編碼器的硬損壞。如果采用柔性連接，即采用彈性元件的連接方式。連接時(shí)，可采用彈性聯(lián)軸節(jié)中的固定螺釘式或卡箍式連接。如果采用固定螺釘式連接，連接方式是將螺釘插入軸內(nèi)，螺釘前端直接接觸軸表面。方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但可能造成軸損壞。采用卡箍式彈性聯(lián)軸節(jié)連接時(shí)，可充分利用螺釘?shù)逆i緊力，充分利用螺釘?shù)氖湛s?？讖?，鎖定軸。這樣，在不損壞軸的情況下就可以輕松地進(jìn)行安裝和拆卸工作。所以ZXB-1主軸編碼器采用卡箍式安裝連接方式，彈性聯(lián)軸器采用日本東方電機(jī)的MC型號(hào)200608-C型聯(lián)軸器。3.3進(jìn)給系統(tǒng)的改裝數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控的直接目標(biāo)。加工工件的位置坐標(biāo)和輪廓精度受進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。因此，進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分注意減少摩擦，提高傳動(dòng)精度和剛度，消除傳動(dòng)間隙，減小運(yùn)動(dòng)部件的慣性。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，完成了縱橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算和步進(jìn)電機(jī)所需力矩的計(jì)算，確定了滾珠絲杠和電機(jī)的型號(hào)和規(guī)格。經(jīng)計(jì)算選取Z向滾珠絲杠型號(hào)GD4006－3－P4，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG350C；X向滾珠絲杠型號(hào)為GD2004LH－3－P4，伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)110BYG350B，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。拆下原機(jī)床的進(jìn)料箱、齒輪箱、溜槽箱、滑動(dòng)螺釘和光滑螺釘。滾珠絲杠仍采用原絲杠位置，螺母副通過支架安裝在鞍座底部。X、Z軸交流伺服電機(jī)安裝在床身尾部和中間滑板后部。它們通過聯(lián)軸節(jié)與滾珠絲杠副連接。滾珠絲杠副將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊箱實(shí)現(xiàn)縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。該方法具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、定位精度好、傳動(dòng)剛度高等特點(diǎn)。由于滾珠絲杠的軸向間隙，為了保證反向傳動(dòng)的精度和軸向剛度，可采用雙螺母消除絲杠間隙的方法進(jìn)行調(diào)整。3.3.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械部分改裝對(duì)車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改裝，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。從圖4中可以看到縱向步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)減速齒輪2，將動(dòng)力傳遞給縱向滾珠絲杠3，滾珠絲杠的螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)4作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。原機(jī)床進(jìn)給箱仍保留。滾珠絲杠的左端繼續(xù)采用原有的固定支撐結(jié)構(gòu)。套筒聯(lián)軸器5與支撐軸6連接后，套筒聯(lián)軸器與滾珠絲杠3連接，然后通過兩個(gè)垂直錐形銷與滾珠絲杠連接。安裝后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，既能防止安裝過程中連接軸的位移和偏移，又能消除附加應(yīng)力。圖3-3-1縱向進(jìn)給系統(tǒng)圖縱向步進(jìn)電機(jī)的安裝如圖5所示。滾珠絲杠右端由原滑動(dòng)軸承支撐座10支撐，徑向支撐由一對(duì)深溝球軸承7實(shí)現(xiàn)。一對(duì)圓螺母的圖紙中未顯示滾珠絲杠的預(yù)拉伸和滾珠絲杠左端的鎖定。這樣，縱向滾珠絲杠的支架就固定在右端，浮動(dòng)在左端。這樣，雙螺母螺紋預(yù)緊方法的安裝可以同時(shí)消除螺釘與螺母之間的間隙，為滾珠絲杠的調(diào)整提供了方便。步進(jìn)電機(jī)1由間隙消除齒輪8減速。減速器輸出軸通過套筒聯(lián)軸器12與絲杠連接。固定銷9防止減速器轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-3-1縱向步進(jìn)電機(jī)裝配圖滾珠絲杠3代替原滑動(dòng)絲杠，空間位置不變。然后將螺母副和支架1組裝安裝在床底。安裝示意圖如圖6所示。支架1不需要固定一次就可以形成可移動(dòng)的模板。調(diào)整絲杠位置后，再擰緊絲杠。圖3-3-1縱向滾珠杠絲裝配圖3.3.2橫向系統(tǒng)的機(jī)械部分改裝橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改裝設(shè)計(jì)如圖所示。采用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠，采用一端固定、一端浮動(dòng)的安裝方式。雙螺母螺紋的預(yù)緊方法也消除了螺釘和螺母之間的間隙。鞍座后部裝有橫向步進(jìn)電機(jī)和減速器。同時(shí)增加支撐短軸，滾珠絲杠通過套筒聯(lián)軸器連接。原機(jī)床橫向進(jìn)給螺桿的滑動(dòng)軸承座仍作為右端的徑向支撐。如果位置稍有偏差，可以適當(dāng)修改原始支架。一對(duì)推力球軸承承受雙軸力。在床身的左端，原車床的懸掛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹谓Y(jié)構(gòu)。改裝方法是將減速器輸出軸通過連接短軸和聯(lián)接套與滾珠絲杠連接。整個(gè)螺桿通過一對(duì)圓螺母實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸和鎖緊，保證安裝后的軸向剛度。圖3-3-2橫向進(jìn)給系統(tǒng)圖3.3.3齒輪在傳動(dòng)過程中的間隙消除除了對(duì)高運(yùn)動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性的要求外，還必須盡可能消除成對(duì)齒輪之間的傳動(dòng)間隙。否則，進(jìn)給系統(tǒng)每次反轉(zhuǎn)后，運(yùn)動(dòng)都會(huì)滯后于指令信號(hào)，對(duì)加工精度有很大影響。因此，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)必須采用各種方法來消除或減小齒輪傳動(dòng)間隙。第4章數(shù)控改裝4.1數(shù)控系統(tǒng)概述它是一種配備程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)加工機(jī)床。其中，程序控制系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置，是機(jī)床的大腦，控制機(jī)床加工機(jī)械零件。該控制系統(tǒng)能用控制碼或其它符號(hào)指令對(duì)程序進(jìn)行邏輯處理和解碼，使機(jī)床能根據(jù)程序指令對(duì)工件進(jìn)行加工。數(shù)控機(jī)床的主機(jī)是機(jī)床的主體。它的主要部件是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、工作部件和可控制運(yùn)動(dòng)主軸的支撐部件。數(shù)控機(jī)床與CA6140機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：改進(jìn)和使用高性能主軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)；采用滾珠絲杠傳動(dòng)；采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀架換刀；改進(jìn)了導(dǎo)軌對(duì)膠接導(dǎo)軌的加工，提高了加工精度。準(zhǔn)確，大大提高了處理效率。車床的數(shù)控改裝設(shè)計(jì)拆除了原機(jī)的進(jìn)料箱、溜槽箱和刀架，只保留原主軸箱、床身、導(dǎo)軌、溜槽、尾座等機(jī)械部件。送料部分由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)提供，冷卻部分由一臺(tái)電機(jī)完成。三臺(tái)電機(jī)安裝所需的支撐件、連接件和滑板連接件需要重新設(shè)計(jì)。電動(dòng)刀架與電控箱、防護(hù)罩等主要部件的連接需自行采購或制造。由于增加了一些控制元件，其電氣控制需要重新設(shè)計(jì)和安裝。4.2伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主軸變速功能通過交流伺服電機(jī)的伺服元件接收數(shù)控系統(tǒng)的信號(hào)指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)上有速度反饋的裝置，能及時(shí)將電機(jī)速度反饋給數(shù)控系統(tǒng)，并及時(shí)調(diào)整。伺服系統(tǒng)的控制包括開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)不能累積階躍誤差，也不會(huì)因各種條件的波動(dòng)而改變負(fù)載能力的范圍。然而，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)沒有位置檢測(cè)和反饋功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。雖然閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的加工精度較高，但增加了機(jī)床改裝的工作量、復(fù)雜性和難度。因此，本次設(shè)計(jì)和改裝采用了開環(huán)伺服系統(tǒng)。伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件。伺服裝置包括驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。伺服裝置接收來自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。由于改裝面向經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用開環(huán)控制方式，無位置檢測(cè)反饋裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)。輸入數(shù)據(jù)由數(shù)控系統(tǒng)處理，發(fā)出脈沖指令，使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角。然后步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和位移由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定。4.2.1機(jī)械部分更改傳輸模式。拆下原機(jī)床光棒、普通絲杠、步進(jìn)電機(jī)，更換原機(jī)床光棒滑料，更換滾珠螺母副和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)通過梅花聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲杠螺母副帶動(dòng)機(jī)床上部滑板箱和刀架移動(dòng)。利用梅花聯(lián)軸器，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母。對(duì)1:1的傳動(dòng)比。改裝后伺服進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖8圖4-2-1伺服進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)4.2.2電氣部分拆除原機(jī)床的電氣控制電路，安裝新的控制電路和PLC可編程控制器，通過外部繼電器改變以前對(duì)電氣元件的控制，實(shí)現(xiàn)由PLC控制的電氣元件的開關(guān)，然后與上位機(jī)通訊，對(duì)PLC進(jìn)行讀、寫和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制。d在反饋部分安裝光電旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器。4.3數(shù)控裝置系統(tǒng)數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中心。在數(shù)控機(jī)床中，主要由系統(tǒng)硬件、顯示、輸入輸出裝置、操作和存儲(chǔ)軟件等組成，數(shù)控系統(tǒng)接收輸入指令，對(duì)輸入指令進(jìn)行解碼和識(shí)別，執(zhí)行相應(yīng)的存儲(chǔ)操作等功能，然后輸出相應(yīng)的指令，控制機(jī)床執(zhí)行。完成各種加工動(dòng)作，并完成零件的加工。數(shù)控系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基本組成部分，是數(shù)控軟件的基本載體。數(shù)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行必須依賴于編寫軟件程序工作指令的硬件系統(tǒng)。硬件主要由中央處理器（CPU）、總線、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、外圍設(shè)備等組成。數(shù)控系統(tǒng)的主要功能是控制進(jìn)給系統(tǒng)的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，控制自動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀架的換刀和切削，控制外圍設(shè)備和光電隔離等。4.4編程裝置數(shù)控編程是數(shù)控加工的準(zhǔn)備階段。主要內(nèi)容一般包括零件樣品的分析、加工工藝流程的確定、刀具軌跡的計(jì)算、刀具位置數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)控加工程序的編制、控制介質(zhì)的制作、校對(duì)程序和試切接收等，編程方法包括手工編程和自動(dòng)編程。手工編程方法適用于中層以下復(fù)雜的處理程序。主要用于點(diǎn)加工或簡(jiǎn)單幾何的工件加工技術(shù)。它的編程量小，直觀，易于實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)編程主要用于對(duì)形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行編程。利用計(jì)算機(jī)數(shù)控語言編制零件源程序，加工后生成加工程序。4.5數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)4.5.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控改裝等電氣設(shè)備改裝。其配套元件具有經(jīng)濟(jì)性、通用性、推廣性等優(yōu)點(diǎn)。在CA6140車床的數(shù)控改裝中，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用8031CPU構(gòu)成的單片機(jī)，可以滿足各種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改裝的要求。8031單片機(jī)具有非常強(qiáng)大的8位中央處理器，但芯片上沒有程序存儲(chǔ)器，只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器可以擴(kuò)展64kb、21個(gè)專用寄存器和4個(gè)I/O接口。每個(gè)I/O接口有八條I/O線，因此有32條I/O線，兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，五個(gè)中斷源配備了兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，有一個(gè)全雙功串行接口，還具有位尋址的功能，邏輯功能較強(qiáng)。大多數(shù)單片機(jī)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性差，用戶不容易擴(kuò)展其功能。其主要性能是抗干擾能力差，常因外界干擾而發(fā)生故障。這種現(xiàn)象在單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中尤為突出。因此，選用MCS-1系統(tǒng)8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)克服上述問題，并具有較強(qiáng)的通用性和抗干擾能力。由于單片機(jī)沒有可編程存儲(chǔ)器，相應(yīng)的控制程序需要存儲(chǔ)在數(shù)控機(jī)床上，這就需要對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)充。考慮到基本需求，選擇可擦除可編程存儲(chǔ)器芯片作為擴(kuò)展器件。擴(kuò)展連接電路，使用一塊2764（8KB×8）EPROM存儲(chǔ)器作為基本程序。在基本擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，可以方便地?cái)U(kuò)展大容量的程序存儲(chǔ)器。8031單片機(jī)可以加裝64K外部程序存儲(chǔ)器。圖4-5-18031芯片引腳4.5.2光電隔離電路光電隔離電路是一種保護(hù)電路。在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中，通過功率放大器調(diào)節(jié)電路的脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電壓高，電流大。為了防止強(qiáng)烈的電氣干擾，影響數(shù)控系統(tǒng)程序的正常運(yùn)行，甚至燒毀了計(jì)算機(jī)和接口電路。因此，輸出信號(hào)不能直接與功率放大器連接。接口電路的功率放大器之間應(yīng)連接隔離電路。結(jié)語面對(duì)技術(shù)更新特別是信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)普遍面臨著