普通机床数控改造研究设计说明书ZY.doc
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1、普通CA6140车床的经济型数控改造前 言1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础。6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3。近10年来,我国数控机床年产量约为0.60.8万台,年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20,FMC/F
2、MS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备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。在美国、日本和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国,
3、用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。机床改造的必要性: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
4、、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。普通车床经过多次大修后,其零部件相互连接尺寸变化较大,主要传动零件几经更换和调整,故障率仍然较高,采用传统的修理方案很难达到大修验收标准,而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展,一方面是全功能、高性能;另一方面
5、是简单实用的经济型数控机床,具有自动加工的基本功能,操作维修方便。经济型数控系统通常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,系统的定位精度一般可达0.01至0.02mm,已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。经济型数控机床的特点:一价格便宜。仅数控系统与国外同类型数控系统比,前者只需12万元,而国外系统需十几至几十万元。因此,它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。二解决复杂零件的加工精度控制,提高生产率。对经济型数控车床,一般可提高工效37倍。三适合于多品种、中小批量产品的自动化加工,对产品的适应性强,对于不同零件的加工,可以通过改变不同的加工程序和更换
6、不同的刀具来实现。四提高产品质量,降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好,合格率高。五节约工装费用,降低成本。经济型数控车床可以不用工装或少用工装,尤其对于复杂零件,不用靠模或成型刀具,不仅节约了费用,而且还可以缩短生产周期。六减轻工人的劳动强度。七提高工人素质,促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造了条件。机床的数控化改造主要内容有以下几点:其一是恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;其二是NC化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成NC机床、CNC机床;其三是翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,对机械部分重
7、新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新;其四是技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。对普通车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向进给系统改装成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统;刀架改装成能自动换刀的回转刀架。这样,利用数控装置,车床就可以按预先输入的加工指令进行加工。由于加工过程中的切削参数,切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换,再加上纵向和横向进给联动的功能,数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而
8、提高了生产效率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工。正 文一 机 械 部 分数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下:1.1技术参数:规格(型号)最大加工直径(mm)最大加工长度(mm)留板及刀架重力(N)刀架快移速度(m/min)最大进给速度(m/min)定位精度(mm)主电机功率(KW)启动加速时间(ms)面上鞍上纵向横向纵向横向纵向横向400mmCA6140C620400210750100010006002.41.20.60.30.0157.5301.2 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量:纵向 0.01mm/步横向 0.005mm/步1.3 计算切削力1.3.1 纵车外圆
9、主切削力Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360(N)按切削力各分比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4则 Fx=53600.25=1340(N) Fy=53600.4=2144(N)1.3.2 横切端面主切削力Fz可取纵切的1/2,为2680N.此时走刀抗力为Fy,吃刀抗力为Fx.Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=26800.25=670 Fy=26800.4=1072N1.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择1.4.1横向进给丝杠1.计算进给牵引力Fm=kFx+f(Fz+2Fy+G)h横向进给为燕尾形贴塑导轨。k=1.4 f=0.03Fm=1.4670+0.03(
10、2680+21072+600)=1100.7(N)2计算载荷Fc(N)有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1则Fc=kFkHkAFm=1.21.01.11100.7=1453(N)3计算额定动载荷计算值Ca(N) 初选L0=5mmCa=Fc(nzLh/1.67*104)1/3=1453(3014400/1.67104)1/3=4297.2(N)4确定丝杠型号以及有关数据由于Ca=Ca,选FYC1D2505-2.5型,Ca=9610N丝杠副的有关数据:公称直径 D0=25mm导程 P=5mm螺旋角 =3o38滚珠直径 do=3.175mm按表2-1(郑堤,唐可洪主编,机电一体
11、化设计基础,机械工业出版社出版,第17页)中尺寸公式计算:滚道半径 R=0.52do=0.53.175=1.651mm偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm丝杠内径d1=D+2e-2R=25+21.61=21.78785稳定性验算 (采用F-S)1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳,所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S,丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)。Fcr=2EIa/(ul)2 (E=206GPa)因为Ia=d14/64=3.14(0.021788)4/64=1.110
12、-8m4取u=2/3时Fcr=22061091.110-8/(2/3)0.52=2.01105(N)安全系数S=Fcr/Fm=2.01105/1100.7=182.68 S=1.53.3.2)高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速临界转速ncr,需求丝杠的最大转速nmax1600r/min所以丝杠工作时不会发生共振。3)此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制,通常要求D0n7104mm.r/min即D0n=2530=750mm.r/min7104mm.r/min所以丝杠副工作稳定。6刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N.m)共同作用下引起每个导程的变形量l0(m)
13、为l0=(+PF/EA)+(+P2T/2 GJc)或l0=(-PF/EA)+(-P2T/2 GJc)其中A为丝杠截面积A=1/4 d12,Jc为丝杠极惯性矩。Jc=(/32)d14,G为丝杠切变模量,对钢G=83.3Gpa,T(N.m)为转矩。T=Fm(D0/2)tg(+), 为摩擦角,其正切值为摩擦系数,Fm为平均工作负载,取摩擦系数为tg=0.003,则=0.172o=1019T=1100.7(25/2)10-3tg(3o38+1019)=0.9139(N.m)按最不利的情况(F=Fm)时l0=PF/EA+P2T/2 GJc=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14=4510-3110
14、0.7/3.14206109(0.021788)2+16(510-3)20.9139/(3.14)283.3109(0.021788)4=73.6810-9m则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为l=L( l0/P)=0.5(7.36810-2/510-3)=7.368u m通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2。即lmaxTS1,TS2,所以按给定要求步进电机可以正常启动,不会发生失步现象。1.6.2纵向步进电动机的计算和选型1等效转动惯量计算 计算简图见图所示。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算 :式中 步进电机转子转动惯量;齿轮的转动惯量;滚珠丝杠转动惯量。
15、 参考同类型机床,初选反应式步进电机150BF,其转子转惯量。代入上式: 考虑步进电机与传动系统量匹配问题。基本满足惯量匹配的要求。1.7轴承的选择和验算轴承选择成对安装角接触球轴承。46300型,其额定动载荷Cr=6800N。F0取1/3Fm,=3。(角接触球轴承)L=Cr/(F0+Fm)= Cr/(1/3 Fm+ Fm) =68003/41100.723=4.63寿命 h=L106/60nv=4.63106/6030 =65814(h)hLh=14400h选46300型GB292-83的轴承满足条件。1.8刀架的选用电动刀架的安装较方便,普通车床已备有连接孔,将卧式车床的原刀架拆下,将电动
16、刀架装上即可。单安装时注意以下两点:1)电动刀架的两侧面应于车床纵向和车床横向的进给方向平行。2)电动刀台与系统的连线应如下安装:沿横向工作台右侧面先走线到车床后面,再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线,走线到系统。其好处在于:避免走线杂乱无章,而使得加工时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰到电动刀架连线。回转刀架是最简单的自动换刀装置,有四方刀架、六角刀架,即在其上装有四把、六把或更多的刀具。 回转刀架必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力:同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。第二部分 硬件电路功能的实现2.1硬件系统组成1基本组成2系统扩展(1)程序存储器扩展(2)数据存储器扩展(3
17、)输入输出端口扩展(4)综合功能扩展3接口技术(1)键盘接口技术(2)显示器接口技术4步进电机控制硬件电路2.2硬件电路的组成1CPU采用8031芯片;2扩展程序存储器2764两片;扩展数据存储1器6264一片;3扩展可编程接口芯片8155三片;4地址锁存器、译码器各一片;5键盘电路,显示电路;6光电隔离电路,功率放大电路;7越程报警电路、急停电路、复位电路;8面板管理电路。2.3 设计说明由于8031芯片没有对外专用的地址总线和数据总线,那么在进行对外扩展存储器或I/O接口时,首先需要扩展对外总线。通过8031引脚ALE可实现对外总线扩展。在ALE为有效高电平期间,P0口上输出A7A0,因而
18、只需在CPU片外扩展一片地址锁存器,用ALE的有效高电平边沿作锁存信号,即可将P0口上的地址信息锁存,直到ALE再次有效。在ALE无效期间P0口传送数据,即作数据总线口。这样就可将P0口的地址线和数据线分开。8031的引脚定义及功能如下: Vcc(40脚):芯片工作电源的输入端,+5V。 RESTE(9脚):复位信号输入端。当RESTE端保持两个机器周期的高电平时,可对单片机实现复位操作。 ALE(30脚):地址锁存允许输出信号,在访问外部存储器时,用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。(29脚):外部程序存储器ROM的读选通信号输出端。访问外部ROM时,可定时产生负脉冲作为外部ROM的选通信
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