普通车床数控化改造毕业论文.doc

济宁职业技术学院 毕 业 设 计（论文）设计(论文)题目： 普通车床数控化改造 姓 名 准考证号 专 业 机电一体化工程（本）指导教师 2013年7月10 日目录一、概述31.1 普通车床数控改造3二、车床改造方案的确定72.1 普通车床的构成72.2总体改造方案9三、步进电机控制系统的设计123.1 步进电机的控制方案123.2 步进电机的恒速控制143.3 步进电机的变速控制163.4 步进电机控制程序设计19四、刀架的选型21五、结束语24参考文献25摘要 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。如果将机床设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。采用数控改造技术，不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围，还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。所以采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。6140型车床具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。本设计就取其为例，主要介绍其数控化改造的方案、以及改造部位的选型与设计计算。关键词：数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。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85万/台，以普通新车床CA6140为例，售价38万台，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2030。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11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·1234567891旧车床继续使用=0.70.250.50.7511.251.51.7522.252更换为全新普通车床=3.5=10.030.070.110.150.190.230.270.310.353更换为全新数控机床=6.5=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改装为数控机床=3.2=1.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745旧机床大修理=1.8=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各种更新方案的投资和各年使用费用 ( 万元)新设备残值=O5万元，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1234567890.330.941.792.844.065.416.878.4110.023.593.593.683.793.914.064.224.384.564.074.104.134.164.204.254.304.364.412.742.873.043.253.493.754.044.334.642.102.282.532.833.183.573.984.424.87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。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。 图1-1 普通车床外形结构图 1床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架7回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 11床腿 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱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总体改造方案 根据实际工况，型车床的数控化改造方案如下：2.21数控系统选用南京产J WK - 15T 型数控系统 一般小型机床的数控化改造多半采用开环控制方式。数控系统多数为以单板机为主控制单元的简易数控系统。因为该控制方式投资少，安装调试方便。这里我们选用南京产J WK -15T 型机床数控系统安装到普通车床上。经过改装后的数控机床工作原理框图如图1 所示。图2-1 数控机床工作原理图 本系统由数控单元双 8031机、步进驱动单元、专用控制程序、功率驱动、步进电机、步进电机减速装置或转位机构和丝杠等组成。在加工零件时, 编制的数控程序数据输入 RAM(62256)中,专用控制程序 EPRAM (27256 .2764) 在中央处理单元的支持下,按照所输入的加工程序数据, 经过计算处理 , 发出一系列的组合脉冲,经过驱动功放,驱动步进电动机,拖动机械负载分别控制纵、横两个方向的运动方向、运动速度、位移长度,实现车床的微机控制。当程序执行到换刀指令时,指令只给四个霍尔元件中的一个提供电源, 并同时接通电机电源使电机正转;当转位完成,霍尔元件反馈, 控制电机反转,夹紧完成;然后执行下面的加工程序。 我们选用的J WK - 15T型机床数控系统,采用ISO国际标准数控代码编程,能自动完成车削端面、内外圆柱面、倒角、任意锥面、球面、圆弧逼近的任意曲面以及公英制的螺纹加工,并配有完备的S、M、T功能。系统采用模块化设计,内部设有计算机、电源、接口、驱动等模块,具有体积小、重量轻、功耗低、功能多、速度高、操作维修方便等特点。22.2 保留原机床的主轴旋转运动，在主轴安装一个脉冲发生器图2-2 主轴箱改造图 在改造时，一般不改造主轴箱。因为若改造主轴箱，必然使机床改造的总费用加大，改造周期也将延长，这样会降低中、小型普通机床的改造的经济价值。在主轴加脉冲发生器，是为了保证车螺纹时严格的运动关系，在主抽上安装GD7072光电脉冲发生器，通过主轴脉冲发生器数控系统步进电机的信息交换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。2.2.3 进给系统的改造 取消原进给箱，将原丝杠换成滚珠丝杠，并在其尾端联结一对齿轮进行减速, 然后与步进电机相联。普通车床的进给传动多半为齿轮传动，随着进给变换级数的增多，齿轮对数和操纵机构显著增加。传动链的增长，不仅使进给箱结构复杂，还因齿轮间隙的多个累积，反向间隙增大，急骤地降低了反向定位精度。进给系统的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数，缩短进给传动链。所以一般改造时，是去掉进给箱。 用滚珠丝杠副代替普通丝杠副是因为滚珠丝杠副具有传动精度高、效率高、运动平稳、寿命长以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度，反向定位精度高等特点。2.2.4 导轨副设计 在导轨上粘接软带。滑动导轨的静摩擦因数大，动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。在原移动部件的导轨L粘接聚四氟乙烯软带，该软带具有下述优点：摩擦因数小，动、静摩擦因数差别小，部件运行平稳，无爬行现象，定位精度高。没有振动，提高了工件表面加工质量，延长了刀具使用寿命。软带耐磨损，且嵌入性能好，与其配合的金属导轨面不会拉伤。软带有自润滑性，当机械润滑系统出现故障时，导轨不会拉伤。2.2.5 刀架选型 综上所述，普通车床数控化改造后的总图如下： 图2-3 普通车床数控化改造方案图三、步进电机控制系统的设计3.1 步进电机的控制方案3.1.1基于电子电路控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如下所示。图3-1 基于电子电路控制系统 此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。 该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。3.1.2 基于单片机控制 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法,达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。 本方案有以下优点(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响：(2)大大提高了接口电路的灵活性和通用性:(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。 基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。3.1.3 基于PLC的控制 PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步迸电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。3.2 步进电机的恒速控制 要实现这样的分配方案，只需PA口顺序输出二进制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；电机反方向旋转时，输出顺序相反。3.2.1脉冲频率的实现 每输出一个控制字就相当于发送一个步进脉冲，脉冲与脉冲之间应有时间间隔，即脉冲周期，它反映了步进电机的步进频率，即速度。实现脉冲周期的方法很简单，主要有两种：利用程序循环延时和利用定时器中断。前者占用计算机机时较严重，计算机延时阶段将不能处理其他事务，且延时不很准确，但实现简单，不占用计算机硬件资源，主要用于较空闲的场合；后者可以精确定时，不占用空间，但有时需要系统另行扩展定时器。3.2.2软件的编写 在实际编写控制程序时，对环形分配器的实现常常采用脉冲分配表的办法，即把各相通电的控制字存放在一串连续的存储单元中，形成所谓的脉冲分配表，输出时采用查表的方法将控制字顺序取出。 下图给出了采用程序延时的方法，步进电机单向旋转的程序原理框图。实际编写程序时还应加上正反转的判断，反转时反向查表，另外，运行总步数至少应放在两个字节内。NYA (DPTR+)PA口 A -1=0延时子程序结束开始 运行总步数DPTR 首地址循环步数 a图3-2 步进电机恒速控制流程图3.3 步进电机的变速控制 如果步进电机稳定运行的速度很高，那么在控制系统中应该加入变速控制的内容，这主要时收步进电机启动频率的限制。步进电机适应速度突变的能力比较差，其极限频率一般比连续运行频率低十几倍，如果实际启动频率高于电机的极限启动频率，电机将发生失步现象或根本不能启动，所以必须以低于极限启动频率的频率启动。如果连续运行频率很高的话，则会有一个加速过程；反之，电机从一个较高的运行频率到静止，也必须有一个减速的过程，否则会出现过冲现象。步进电机的升降速过程可以按直线规律或指数规律变化，前者属于恒加速过程，平稳性好，速度变化范围大，适于快速定位等过程；后者加减速时间短，跟踪能力强。在实际应用中，完全可以用多段的直线变化去逼近指数变化，这里采用恒加速过程。 本设计中采用软件自动升降速控制。在步进电机的控制当中，运行步数就是步进脉冲数，是步进电机是否运行到终点的判别条件，延时参数就是控制脉冲的时间间隔，称作步进周期。电机恒速时，步进周期为常数，变速时，步进周期要发生变化：周期变小，电机加速，周期变大，电机减速。所以，对步进电机的变速控制就是合理的改变其步进周期，即合理地确定每个脉冲之间的延时时间，使步进电机按规定的速度运行。 图3-3 是步进电机恒加速运动的情况。图中横坐标是步数，反映距离；纵坐标为频率，反映速度。该图表达的含义是：步进电机以的频率启动，经过H步运行加速到到，以恒速运行V-H步，经过W步把速度降到，最后停止。图3-3 恒加速控制图3.3.1 加速阶段。 由恒加速的速度、距离公式可得 (a为加速度，为加速时间)=由以上二式可求得a=()/2H于是步进周期)/a式中：=1/，x=2,3,4,H。3.3.2 恒速阶段。 恒速时步进频率为，所以步进周期为T=1/3.3.3 减速阶段。 参照加速阶段可得加速度b=()/2W步进周期=)/b式中：=1/，x=2，3，4，,W。 知道了各段的步进周期，实际相当于已知了步进脉冲之间的延迟时间，这为编制程序扫清了最后的障碍。由于步进周期的计算很复杂，若采用单片机在线实时计算十分困难，因此一般先做好步进周期表，预先存放在存储单元中，采用查表的方法实现步进电机的变速控制。 图3-4给出了步进电机加速控制的原理框图，通过改变8031定时器的时间常数来获得不同的步进周期，即对电机进行加速控制。程序一步步变速，在实际应用中可以若干步一变速，并加入恒速及减速控制。Y主程序开始初始化及置时间常数DPTR 步进周期表首址 加速阶段总步数开中断=0关中断结束N现场保护电机步进一步1 -1DPTR DPTR+1查表设置时间常数现场恢复返回图3-4 步进电机加速控制原理图3.4 步进电机控制程序设计 三相六拍步进电机控制程序如下：ORG 4000H ROUTN2: MOV R2 ， COUNT ； 步数送R2寄存器LOOP0: MOV R3 ， #00H MOV DPTR ， #POINT 送控制模型指针 JNB 00H ， LOOP2 00H=0为反转LOOP1: MOV A ， R3； 取控制模型 MOVC A ， A+DPTR JZ LOOP0； 判控制模型是否为00H MOV P1 ， A； 输出控制模型ACALL DELAY ； 延时INC R3； 控制步数加1DJNZ R2 ， LOOP1 判断步数是否走完RETLOOP2: MOV A ， R3 求反向控制模型的偏移量 ADD A ， #07h MOV R3 ， A AJMP LOOP1ORG 4200HDELAY： LOOP10: MOV A ， R2 MOV R5 ， ALOOP13: MOV R6 ， #00HLOOP12: MOV R7 ， #00HLOOP11: NOP NOP NOP DJNZ R7 ， LOOP11 DJNZ R6 ， LOOP12 DJNZ R5 ， LOOP53 RETORG 4210HPOINT： DB 10H :正向控制 DB 01H DB 03H DB 02HDB 06HDB 04H DB 05HDB 00HDB 01H ：反向控制DB 05HDB 04HDB 06HDB 02HDB 03HDB 01HDB 00HCOUNT EQU 30HPOINT EQU 0150H四、刀架的选型 采用南京大地数控有限公司生产的LD4ck0620四方刀架, 安装在原机床小刀架的位置上较为合适。刀架的动作顺序如下:电动机(三相异步微型电动机)减速机构(蜗轮蜗杆)上升机构 (螺旋机构)刀架旋转电器信号确定(霍尔元件)电机反转粗定位(反靠盘)刀架下降精定位刀架锁紧换刀终了信号执行加工程序。 其原理图与螺旋升降转位刀架相似图4-1螺旋升降转位刀架图 图4-2 LD4ck0620四方刀架外形及结构图图4-3 LD4ck0620四方刀架参数表图LD4型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转转位采用霍尔元件，使用寿命长。并且完全满足刀架设计使用的要求，即A夹紧力在4000N 以上,B需要进行四个方位的转换选择,C重复定位精度不大于0.005mm。其流程如图： YYYNNN三相六拍步进电机控制程序R2 步数正向控制模型指针正转？取控制模型控制模型输出控制模型延时，且模型地址加步数是否走完？返回反向控制地址图5-5 步进电机控制流程图五、结束语 改造此种车床的目的：一是提高原车床的精度和自动化程度, 达到快速调整而且仍能保持车床的通用性；二是提高原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。 本设计的优点在于改造成本相对较低，操控起来相对比较简便，并且在精度上已能满足普通车床改造后加工零件的精度要求。不足之出在于：1.机床改造部分不是很全面，比如主轴箱就没进行改造；2.机床采用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构。这样就使得在精度上没能更进一步。 随着自动控制技术，计算机及集成电路技术的迅速发展，普通车床的改造将进一步完善，加工范围将进一步扩展。按照本次毕业设计的要求，本次设计的图纸大部分都采用CAD绘制，说明书为电脑打印，这对我们虽然是一次考验，但同时也提高了我们运用计算机设计的能力，使我们能够适应社会所需。通过这次设计，我的CAD绘图水平有了很大的提高，同时运用word的能力也有所熟练和提高，可以说是不小的收获。 参考文献1 树志编著.数控机床基础知识.北京.科学出版社，19782 张俊编著.金属切削机床与数控机床.北京.机械工业出版社，19943 贾贻春编著. 机床数控基础.国防工业出版社，19804 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