CA6140车床数控化改装控制系统设计.docx

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CA6140车床数控化改装控制系统设计

专科毕业设计论文

CA6140车床数控化改装控制系统设计

作者姓名

指导教师

所在院系

专业班级　　

提交日期2010年8月

CA6140车床数控化改装控制系统设计

摘要

本文介绍了普通车床的数控改造条件,同时介绍了对CA6140车床进给传动系统等进行的数控化改造的控制系统设计的过程。

改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。

如今科学技术发展迅速，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度。

实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值。

本文来源于生产实践，将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。

关键词：

普通车床，数控系统，数控改造，生产实践

第1章绪论

1.1数控系统的发展趋势

随着微电子技术、计算机技术、紧密制造技术及检测技术的发展，数控机床性能日益完善，数控系统应用领域日益扩大。

各生产部门工艺要求的不断提高又从另一方面促进了数控机床的发展，当今数控机床正不断采用最新技术成果，朝着高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、复合化等方向发展。

（1）高速度、高精度

速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。

对于数控系统，高速度首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电动机的位移量，并要求伺服电动机高速度地作出反应。

（2）高可靠性

新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使线路的集成度提高，元器件数量减少，功耗降低，提高了可靠性。

（3）多功能

大多数数控机床都具有CRT图形显示功能，可以进行二维图像的加工轨迹动态模拟现实，有的还可以显示三维彩色动态图形；具有丰富的人机对话功能，“友好”的人机界面；借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。

现代数控系统，除了能与编程机、绘图机、打印机等外设通信外，还应能与其他CNC系统、上级计算机系统通信，以实现FMS（柔性制造单元）的连接要求。

（4）智能化

数控系统应用高技术的重要目标是智能化。

如引进自适应控制技术、人机会话自动编程、自动诊断并排除故障等智能化功能。

（5）复合化

复合化是近几年数控机床发展的模式，它将多种动力头集中在一台数控击穿赶上，在一次的装夹中完成多种工序的加工。

如立卧转换加工中心、车铣万能加工中心及四轴联动（X、Y、Z、C）的车削中心等。

1.2数控机床的组成和工作原理

数控机床通常由输入介质、数控装置、伺服系统和机床主体4个基本部分组成（如图1-1）。

数控机床的工作过程大致如下：

机床加工过程中所需要的全部指令信息，包括加工过程所需的各种操作（如主轴变速、主轴启动和停止、工件加紧与松开、选择刀架与换刀、刀架或工作台转位、进刀与退刀、冷却液开关等），机床各部分的动作顺序以及刀具与工件之间的相对位移量，都用数字化的代码来表示，由编程人员编制成规定的加工程序，通过输入介质送入数控装置。

数控装置根据这些指令信息进行运算与处理，不断地发出各种指令，控制机床的伺服系统和其他执行元件（如电磁铁、液压缸等）动作，自动地完成预定的工作循环，加工出所需的工件。

图1-1数控车床的基本组成方框图

（1）输入介质

数控车床工作时，不需要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，因此人和数控机床之间必须建立某种联系，这种联系的媒介物称之为输入介质或信息载体、控制介质。

输入介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的移动信息。

输入介质按数控装置的类型而异，可以是磁盘、磁带，也可以是穿孔纸带或其他信息载体。

以数字化代码的形式存储在输入介质上的零件加工工艺过程，通过信息输入装置（如磁盘驱动器、键盘、磁带阅读机或光电阅读机等）输入到数控装置中。

（2）数控装置

数控装置是数控机床的运算和控制系统，一般由输入接口、存储器、控制器、运算器和输出接口等组成。

输入接口接受输入介质或操作面板上的信息，并对信息代码进行识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。

控制器根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。

运算器接受控制器的命令，及时地对输入数据进行运算，并按控制器的控制信号不断地向输出接口输出脉冲信号。

输出接口则根据控制器的指令，接受运算器的输出脉冲，经过功率放大，驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。

数控装置中的译码、处理、计算和控制的步骤都是预先安排好的。

这种安排可以用专用计算机的硬件结构来实现（称为硬件数控或简称NC：

NumericalControl），也可以用通用微型计算机的系统控制程序来实现（称为软件控制或简称CNC：

ComputerNumericalControl）。

用微型计算机构成的数控装置，其CPU实现控制和运算；内部存储器中的只读存储器（ROM）存放系统控制程序，读写存储器（RAM）存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果；I/O接口实现输入/输出功能。

数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。

（3）伺服系统

伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部分的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，以加工出符合图纸要求的零件。

伺服系统由伺服驱动装置和进给传动装置两部分组成（如图1-2）。

对闭环控制系统，则还包括工作台等机床运动部件的位移检测装置。

数控装置每发出一个脉冲，伺服系统驱动机床运动部件沿某一坐标轴进给一步，产生一定的位移量。

这个位移量称为脉冲当量。

常用的脉冲当量为每脉冲0.01~0.001mm。

显然数控装置发出的脉冲数量决定了机床移动部件的位移量，而单位时间内发出的脉冲数（即脉冲频率）则决定了部件的移动速度。

图1-2进给伺服系统组成

（4）机床

它是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了许多改进和提高，如采用轻巧的滚珠丝杠进行传动，采用滚动导轨或贴塑导轨消除爬行，采用带有刀库及机械手的自动换刀装置来实现自动快速换刀，以及采用高性能的主轴系统，并努力提高机械结构的动刚度和阻尼精度等。

除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。

1）导轨：

数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。

它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。

除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨（金属型）外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。

这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。

2）机械传动机构：

除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。

如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了（少数车床未增设）可消除其侧隙的齿轮副。

3）自动转动刀架：

除了车削中心采用随机换刀（带刀库）的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。

4）检测反馈装置：

检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。

检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。

工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。

5）对刀装置：

除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。

这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。

数控机床的工作原理和过程如图1-3：

图1-3数控机床的工作原理图

数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。

如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。

这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。

数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：

数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。

1.3数控机床改造的必要性

从微观上看数控机床加工：

（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

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。

从宏观上看数控机床加工：

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。

第2章机床数控化改造总体方案设计

企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它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,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。

机床数控改装的总费用合适,经济性好机床数控改装分两部分进行:

一是维修机械部分。

更换或修理磨损零件，调试大型基础零件，增加新的功能装置，提高机床的精度和性能,另一方面是舍弃原有的一部分进给系统,用新的数控系统和相应的装置来替代。

改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。

2.1数控系统运动方式的确定

由于该设计是经济型数控改造控制系统设计，在考虑具体方案时，应先确定系统运动方式，遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。

2.1.1机械部分改造介绍

在设计控制系统之前，先简单介绍机械部分改造。

横向进给机构的改造：

拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。

图2-1为横向进给系统图。

纵向进给机构的改造：

在原车床床尾部装上步进电动机及齿轮减速箱带动原纵向丝杠使溜板箱作轴向进给运动，而保留机床的进给箱和溜板箱等部分原有进给系统，必要时仍可作为普通机床使用。

进行数控加工时，要合上开合螺母，脱开进给箱中的M5离合器。

图2-2为纵向进给系统图。

1.横向步进电机　2.减速器　3.减速器输出轴　4.联轴套　5.圆螺

母　6.连接短轴　7.横向滚珠丝杠　8.中拖板　9.螺母座　10.套

筒联轴器　11.支撑短轴　12.推力球轴承

图2-1横向进给系统图

1.纵向步进电机　2.减速齿轮　3.纵向滚珠丝杠　4.工作台　5.套

筒联轴器　6.支撑轴

图2-2纵向进给系统图

2.1.2数控系统部分总体设计

系统是由步进电机拖动的开环系统,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。

其控制系统框图如图2-3所示。

图2-3控制系统框图

数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续（轮廓）控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。

根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。

采用以步进电机驱动的开环控制。

因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。

开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。

采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。

其工作原理是：

根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。

自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。

该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。

微机通过I/O接发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。

步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。

2.1.3进给传动系统

数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令,并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。

其横向进给传动系统是带动刀架作横向（X轴）移动的装置,它控制工件的径向尺寸;纵向进给装置是带动刀架作轴向（Z轴）运动的装置,它控制工件的轴向尺寸。

进给传动链：

在原车床床尾部装上步进电动机及齿轮减速箱带动原纵向丝杠使溜板箱作Z轴进给运动,而保留机床的进给箱和溜板箱等原有进给系统,必要时仍可作为普通机床使用。

进行数控加工时,要合上开合螺母,脱开进给箱中的M5离合器。

横向进给（即X向）由装在床鞍后方（操作者对面）的步进电动机及其减速箱传动,数控加工时脱落蜗杆等横向机动进给结构要在空档（脱开）位置。

进给传动系统如图2-4所示:

1—纵向丝杠副;2—横向丝杠副;3、6—步进电动机;4、5—齿轮减速器

图2-4进给传动系统

2.2伺服进给系统的选择要求

为了提高车床改造后的性能，对车床用进给伺服系统提出了很高的要求。

各种数控机床所完成的加工任务不同，对进给伺服系统的要求也不尽相同，但本车床大致可概括为以下四个方面。

（1）高精度。

为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控车床的加工精度。

因此，本车床在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小。

（2）快响应。

为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小。

实际应用中要按工艺加工要求采取一定措施，做出合理的选择。

（3）宽调速范围。

调速范围是指机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。

由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有的加工情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。

调速范围一般要大于1:

10000。

（4）低速大转矩。

根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，即要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出，以防止出现低速爬行现象。

为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件－－伺服电动机也提出了相应的要求，它们是：

（1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。

（3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。

（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。

综上所述，本设计改造的总体方案为：

采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。

本设计车床数控改造的总体方案示意图如图2-3：

图2-5车床数控改造的总体方案示意图

第3章步进电机的计算和选用

步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步踞角β，简称为步距。

脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机便因之而命名。

步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，这就不会引起误差的累积，其转速与脉冲频率和步踞角有关。

控制脉冲输入数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种需要的运动特性。

尤其是当与其他数字系统配套时，它将体现出更大的优越性，因而，广泛地用于数字控制系统中，例如，在数控机床中，将零件加工的要求编制成一定符号的加工指令，或编成程序软件存放在磁带上，然后送入数控机床的控制箱，其中的数字计算机会根据纸带上的指令，或磁带上的程序，发出一定数量的电脉冲信号，步进电动机就会作相应的转动，通过传动机构，带动刀架作出符合要求的动作，自动加工零件。

3.1计算转矩

计算步进电机负载转矩Tm

     Tm=（360δpFm）/（2πθbη）

       =（360×0.01×1775）/（2×3.14×0.75×0.98×0.99×0.99）N·mm=141.26N·cm

式中:

δp——脉冲当量（mm/step）;

    Fm——进给牵引力（N）;

   θb——步距角,初选双拍制为0.75°;

    η——电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,0.99;估算步进电机起动转矩Tq

             Tq=Tm/（0.3~0.5）

               =1412.5/0.3N·mm=4708.6N·mm=470.8N·cm

计算最大静转矩Tjmax

如取五相10拍,则

      Tjmax=Tq/0.951=4951.3N·mm=495.13N·cm

3.2初选步进电机型号

根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产BF反应式步进电机技术数据表中查出130BF001最大静转矩为931N·cm>Tjmax可以满足要求.考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用150BF002步进电机.

3.3校核步进电机转矩

前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.

（1）等效转动惯量计算

运动件的转动惯量J∑可由下式计算：

     J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]

式中J1,J2——齿轮Z1,Z2的转动惯量（kg·cm2）

       Js——滚珠丝杠转动惯量（kg·cm2）

J1=0.78×10-3×d14·L1=（0.78×10-3×6.44×2）kg·cm2=2.62kg·cm2

J2=0.78×10-3×d24·L2=（0.78×10-3×84×2）kg·cm2=6.39kg·cm2

Js=（0.78×10-3×44×170）kg·cm2=33.95kg·cm2

        G=2000N

（2）齿轮惯量计算

对于刚材:

J=0.78D4L×10-3刚材的密度为7.8×10-3kg/cm3

式中D——圆柱体直径（cm）；

    L——圆柱体长度（cm）；

刚材的密度为7.8×10-3kg/cm3

代入上式：

J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]

        ={2.62+（32/40）2[（6.39+33.95）+2000×（0.6/2π）2/10]}kg·cm2

        =29.6kg·cm2

     J电机=（1~4）J∑  N取2

电机惯量：

J电机=2×J∑=2×29.6=59.2kg·cm2

总惯量:

   J∑′=J电机+J∑=59.2+29.6=88.8kg·cm

（3）电机转矩计算

机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:

1）快速空载起动惯性矩

        T惯=J∑′ε=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）

         nmax=（υmax/δp））×（θb/360）

将前面数据代入,式中各符号意义同上

         nmax=（υmax/δp））×（θb/360）

            =（4000/0.01）×（0.75/360）=833.3r/min

起动加速时间ta=200ms

    T惯=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）

       =88.8×（2π×833.3×10-2）/（60×0.2）N·cm=387.31N·cm

2）快速空载起动T负

            T负1=Tf+To+T惯

折算到电机轴上的摩擦转矩Tf

Tf=FoLo/2πηi=[f′（FY+G）×Lo]/[2πη（Z1/Z2）]

=[0.04×（5000+2000）×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm

=26.75N·cm

附加摩擦转矩To

To=[FpoLo（1-ηo2）i]/（2πη）=[（1/3）Fm×Lo（1-ηo2）i]/（2πη）

=[（1/3）×1