普通机床数控化改装.docx
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普通机床数控化改装
张家界航空工业职业技术学院
毕业设计
题目：
普通机床数控化改装
系别：
数控工程系
专业：
机电设备维护与管理
姓名：
学号：
10353114
指导老师：
二〇一三年四月二十八日
摘要
针对大多数企业，具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。
为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径。
改造后的车床属于开环控制。
由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。
因此，合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。
步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求，所以，改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。
步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。
为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。
很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，本文采用的控制电路主要由8031单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘／显示控制器Intel一8279等组成，单片机是控制系统的核心。
文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的设计。
本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上，主要针对中小型普通车床控制系统进行改造，用单片机系统实现弱电控制强电机，改造了系统的切削工艺，提高了切削精度和效率，对旧车床的数控改造有一定的指导作用，是一种新的尝试，也必将有更加广阔的应用前景。
关键词：
数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。
ABSTRACT
Mostenterprisesstillhavelargeamountsgeneral—purposemachinetoolswhichhavelongevityofservice，lowprecision,can’tadapttomassproduction，lowautomatizationandadaptability,butcallnotbewashedoutbecauseofitslowcostandcontinuityofenterprise’Sproduction.PurchaseofnewCNCmachinetoolsistoimproveproductqualityandefficiencyofanimportantway,butthecostsarehigh,manycompaniescannotbeachievedinashorttime,whichseriouslyhinderedthepaceofbusinessequipmentupdates.Enterprisesinthefiercecompetitioninthemarkettosurvive,andseekdevelopment,itmustintheshortestpossibletimeandwithexcellentquality,lowcost,tocreatealinewithmarketneeds,performance,therightproducts.Tothisendreformtheexistingoldmachine,equippedwithsuitablecontrolsystem,convertedintotheordinaryCNCmachinetools,afterasmallinvestment,improveproductqualityandproductionefficiencyoftheshortcut,manycompaniesarecurrentlyupgradingofexistingequipmentPreferredoption,butalsoimprovetherateofCNCmachinetoolsisaneffectiveway.
Aftertransformation,thelatheisopen-loopcontrol.Becausetheinherentopen-loopsystemisnoteasytoensureaccuracyflaws.Therefore,areasonablechoiceservosystemisacentralpartofthesubject.Characteristicsofsteppermotorprincipleandpracticalapplicationofthisjusttomeetourneeds,sothereformthesystemchosenasthebi-directionalsteppermotorfeeddrivemotor.Steppermotoriscontrolledbyelectricalpulsesignalphaserotationangleofwindingcurrenttoachievegiventhemechanicalandelectricalcomponents,comparedwithothertypesofmotorcontrolwitheasy-to-open-loopprecision,noaccumulationoferrors,etc.,inmanyfieldstoobtainawiderangeofapplications.Inordertoobtaingoodcontrolperformanceresults,therehasbeenalotofsteppingmotorcontrolsystem,whichusessinglechipasthecontrolofthecontrolsystemhasbeenwidelyused.Manyofthesecontrolthesteppermotordrivesystemhasbeendoingverywell,inthispaper,thecontrolcircuitmainlyby8031,crystaloscillatorcircuit,theaddresslatch,decoder,EEPROMmemory,andprogrammablekeyboard/displaycontrollerIntel-8279andothercomponents,SCMisthecontrolcoreofthesystem.Inthispaper,thesystemarchitectureandhardwareimplementationofthecircuitandthedriversoftwarehasdoneadetaileddesign.
Thedesignoftheoriginalmachinetoolssector,performanceandfunctionbasedonthefullstudy,themaincontrolsystemforsmalllathestotransform,toallowmanualcontrolintothegroundsoftheimplementationoftheautomaticcontrolofthesteppermotor.ThispaperdescribesthetransformationofCNCmachinetools,machinepartsdesignanddrivecircuitdesign,hardwaredesignandsoftwaredesignwork.Becausethissystemusesmechanicalandelectricalintegrationmethod,theSCMsystemtoachievehighpowerelectroniccontrolandtransformthesystemofthecuttingprocessandimprovethecuttingaccuracyandefficiency,forTransformationofoldbedoftheCNChasaguidingrole,isanewattemptwillalsohaveamorebroadapplicationprospects.
Keywords:
CNC（ComputerizedNumericalControl）,automaticcontrol,steppingmotor,harmonicreducer
一、概述
1.1普通车床数控改造
数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。
而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。
对于本课题，既可以达到完成毕业设计的目的，又可以达到研制新成果，开阔科研门路的目的。
普通车床自动控制系统研制，是利用传统普通车床，结合计算机、电子科技知识，变动手为自动，由粗加工变精加工，实现“变废为宝”的最终目的，成品的主要用处为：
既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件，又可以作为直观、实效的机电演示设备，结合理论教学最直接的实现由单一机械产品，经电子化改造变为以机电为动力最终实现精密机械加工的数控机床。
1.2普通机床数控化改造经济性评价
目前新经济型数控车床约8．5万/台，以普通新车床CA6140为例，售价3．8万／台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床CA6140，估价0.5万／台，通过改造还可使用4-6年。
普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20．30％。
因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。
设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等），改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。
设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。
一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：
继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更换新设备。
决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。
针对各种方案的设备使用总成本，进行经济分析[1]，选用下列公式计算：
=
=
=
=
式中：
——旧设备到j年的使用总成本；
——原型新设备到j年的使用总成本：
——高效率新设备到j年的使用总成本：
——现代化改装后设备到j年的使用总成本；
——大修理后设备到j年的使用总成本：
——旧设备继续使用时的劳动生产率系数；
——原型新设备的劳动生产率系数；
——高效率新设备的劳动生产率系数；
——现代化改装后的劳动生产率系数；
——大修理后的劳动生产率系数；
——原型新设备的价值;
——高效率新设备的价值；
——旧设备现代化改装的价值：
——设备大修理费用：
——旧设备在j年的使用费用；
——原型新设备在j年的使用费用；
——高效率新设备在j年的使用费用；
——现代化改装后在j年的使用费用；
一——大修理后在j年的使用费用：
——原型新设备使用j年后的残值；
——高效率设备使用J年后的残值；
——第j年的现值系数，i为贴现利率；j为设备使用年限，（j=l，2，3，．．n）。
比较各种方案的设备使用总成本，取总成本最小的方案。
各种方案投资成本
及生产率以及各年使用成本列于表1．1所示：
序号
可行方案
基本
投资
劳动生产
力系数
各年使用费用·
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
旧车床继
续使用
=0.7
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2
更换为全
新普通车床
=3.5
=1
0.03
0.07
0.11
0.15
0.19
0.23
0.27
0.31
0.35
3
更换为全
新数控机床
=6.5
=1.6
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
4
改装为数
控机床
=3.2
=1.2
0.1
0.18
0.26
0.34
0.42
0.5
0.58
0.66
0.74
5
旧机床大
修理
=1.8
=0.9
0.1
0.19
0.28
0.37
0.46
0.55
0.64
0.73
0.82
表1．1各种更新方案的投资和各年使用费用（万元）
新设备残值
=
=O．5万元，旧设备残值
=
=0，利率i=8％
将上表所列数据代入各计算公式得出各种方案逐年使用成本见表1-2：
年份
方案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.33
0.94
1.79
2.84
4.06
5.41
6.87
8.41
10.02
3.59
3.59
3.68
3.79
3.91
4.06
4.22
4.38
4.56
4.07
4.10
4.13
4.16
4.20
4.25
4.30
4.36
4.41
2.74
2.87
3.04
3.25
3.49
3.75
4.04
4.33
4.64
2.10
2.28
2.53
2.83
3.18
3.57
3.98
4.42
4.87
表1-2各种方案逐年设备使用总成本汇总表（万元）
由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。
如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用4-6年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。
因此通过以上经济性评价，对使用6到8年的普通车床，将其改造为数控化车床，
是比较经济和可行的。
1.3数控机床伺服系统的选择
数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。
1.3.1开环控制系统
系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。
由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。
只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。
这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。
该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。
该机床数控化改造纵向和横向进给伺服驱动选择开环步进电机控制
1.3.2闭环控制系统
该系统与开环系统的区别是：
由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。
闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。
设计和调试都比开环系统难。
但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。
可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。
由于闭环控制代价高，适用于精密和高精密数控机床，对于经济型数控机床选择此系统，无疑提高了它的成本和调试难度。
1.3.3半闭环控制系统
半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。
它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。
在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。
由于它的性价比高，大部分普通机床数控化改造都采用此系统。
二、车床改造方案的确定
数控技术改造机床是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。
在数控改造中引入单片机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案有通用性与协调性。
我们在实现对机床的改造的过程中坚持这样一条原则：
在尽量不改变车床原有功能的基础上，实现自动控制的目的，完成改造
2.1普通车床的构成
对普通车床的自动改造包括三大部分：
机械部分、硬件（含电部分）、软件部分。
车床改造前，主要有以下几部分构成。
车床部分名称和用途如下：
2.1.1车头部分
1.车头箱用来带动车床主轴及卡盘转动，变换箱外的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。
2.卡盘用来夹住工件，并带动工件一起转动。
2.1.2挂轮箱部分
用来把主轴的转动传给走刀箱。
调换箱体内的齿轮，并与走刀箱配合，可以车削各种不同螺距的螺纹。
2.1.3走刀部分
1.走刀箱利用它内部的齿轮机构，可以把主轴的旋转运动传给丝杠，变换箱体外面的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。
2.用来车削螺纹。
它能使拖板和车刀按要求的速比作很精确的直线移动。
2.1.4托板部分
1.拖板箱把丝杠的转动传给拖板部分，变换箱外的手柄位置，经拖板部分使车刀作纵向或横向走刀。
2.托板分大、中和小托板三种：
大的是横向车削工件时使用；中的是纵向和控制吃道时使用；小的是横向较短或者加工角度工件时用的。
3.刀架用来装夹刀具。
2.1.5尾座
用来安装顶针，支顶较长工件。
它还可以安装各种切削刀具。
2.1.6床身
用来支持和安装车床的各个部件，床身上面有两条精确的导轨。
托板和尾座可沿着导轨移动。
2.1.7附件
1.中心架车削较长工件时用来支持工件。
2.冷却嘴用来注入切削液。
2.2步进电机的控制选择、安装、与控制
2.2.1步进电机的选择
改造后的车床属于开环控制。
改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。
步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或直线位移的一种增量运动电磁执行元件。
由于它的位移量和输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲数量、频率及电机各组的接通次序，便可精确地获得所要求的转角、速度和转动方向，但同时应注意电机的丟步，多步现象。
步进电机定子上有A、B、C三相，当定子三相按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子一步一步运转。
为了改善步进电机工作性能，采用双相轮流通电控制，由于两相通电与单相轮流通电相比较转子受力矩大一些，所以，工作稳定不易丢步。
但步矩角和单相的方式一样。
步进电机的选择主要考虑以下几个方面：
1）步矩角2）最大静转矩3）对于安装条件而言的外形尺寸
首先，必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，因此应先计算机械系统的负载转矩，使电机矩频特性能有一定的量，以保证运行可靠，即在实际工作中，各种频率下的负载转矩必须在矩频特性曲线。
一般来说，最大静转矩Mmax大的电机，负载转矩也大，通常取M/
=0.2-0.5。
选择步进电机时，应使步矩角和机械系统匹配，可以达到机床使用要求的脉冲当量&（mm/脉冲）。
步进电机在有载启动时，其启动频率和矩频特性用下式近似计算：
Fq=Fq′=（1-Mf/M）（1+JF/J）
式中:
M是启动频率下的由矩频特性决定的步进电机转矩（N/m）
Jf是负载惯量（N·m·s·s）
Fq是步进电机空载启动频率
如负载参数无法确定，则可估算，当然还应该结合电机温升，供贷等具体条件而定。
根据以上阐述，我们选择了55BF003型步进电机，其基本参数如下表2-1：
相数
步距角
电压
相电流
3
1.5
3A
0.67N.m
空载启动频率
空载运行频率
分配方式
外形尺寸
1800
12000
三相六拍
55×70×
6
表2-1步进电机基本参数
2.2.2步进电机的安装
普通车床刀架滑移由两个驱动装置的滑移组成，与导轨平行方向和导轨垂直的水平方向，由于在这两个方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效区的任意位置。
1.沿导轨方向：
在这个方向上是由丝杠驱动，当溜板箱上手柄扳到自动走刀位置时，由驱动装置的转动，经齿轮转动，最后经丝杠驱动实现导轨方向走刀过程。
在动力来源上，由一个步进电机控制经步进电机转轴传递给一级齿轮，再经齿轮啮合传递给二级齿轮，二级齿轮轴向连接丝杠，最后，丝杠将动力传给溜板箱，实现导轨方向进给。
2.与导轨垂直水平方向：
将原有手
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