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1、
摘 要
機床數(shù)控化改造的研究是提高我國技術(shù)裝備水平的重要工程，在我國目前由于數(shù)控機床的加工能力和資金受限，對機床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。
關(guān)鍵詞: c6132普通車床; 數(shù)控化改造; 步進電機; 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)
I
ABSTRACT Summary of study on machine tool numerical control transformation of important project is to raise the level of technology and equipment in China, in o
2、ur country now due to numerical control machine tools, processing capacity and finance limited, NC machine tools is a way to save money, fast and efficient. This article on C6132 of NC improvement on common lathe for in-depth study, including feasibility analysis for machine tool, machine performa
3、nce and precision, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, facecontrol, improve the efficiency of the original machine tool production, reduce labor intensity.
key words: lathe; numerical control transformation; stepping motors; CNC system
II
目 錄
摘 要 .........
4、................................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................................... II
1 緒論 ................
5、............................................................................................................................. 1
1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床 ......................................................................................................... 1
1.2 機床數(shù)控化改造的興起及意義 ..............................
6、........................................................... 1
1.2.1 國外機床改造業(yè)的興起 ............................................................................................ 1
1.2.2 我國機床數(shù)控化改造的意義 .................................................................................... 1
1.3
1.3 本章小結(jié) ..
7、........................................................................................................................... 3
2 車床總體改造方案設(shè)計 ............................................................................................................. 4
2.1 總體方案設(shè)計 ....................................
8、................................................................................. 4
2.2 主傳動系統(tǒng)的改造 ............................................................................................................. 4
2.2.1 主軸無級變速的實現(xiàn) .........................................................................
9、....................... 4
2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝 ............................................................................................ 5
2.3 橫向進給傳動系統(tǒng)的改造 ................................................................................................. 6
2.3.1 橫向傳動系統(tǒng)的改造 ...........................
10、..................................................................... 6
2.3.2齒輪傳動間隙的消除 ................................................................................................. 7
2.4 導(dǎo)軌的改造 .....................................................................................................
11、.................... 7
2.5 刀架局部的改造 ................................................................................................................. 8
2.6 數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇 ................................................................................................... 10
2.6.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類 ..............
12、........................................................................................ 10
2.6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 ...................................................................................................... 11
2.7 計算機系統(tǒng)的選擇 .........................................................................
13、.................................. 11
2.8 本章小結(jié) ........................................................................................................................... 12
3 C6132 車床數(shù)控化改造機械局部改造設(shè)計與計算 ............................................................ 13
3.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 .............
14、............................................................................... 13
3.1.1切削力計算 ............................................................................................................... 13
3.1.3 同步帶減速箱設(shè)計 ..........................................................................
15、........................ 15
3.1.4步進電動機的選擇 ................................................................................................... 17
3.2 橫向進給系統(tǒng)的計算 ..................................................................................................... 19
3.3 車床改造的機械結(jié)構(gòu)特點 ................
16、............................................................................... 19
3.3.1 縱向滾珠絲杠 .......................................................................................................... 19
3.3.2橫向滾珠絲杠 ................................................................................
17、........................... 20
3.3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型 .................................................................. 20 III
3.3.4導(dǎo)軌副 ....................................................................................................................... 20
3.3.5主軸脈沖發(fā)生器 ..................
18、..................................................................................... 20
3.3.6 安裝電動卡盤 .......................................................................................................... 21
3.4 安裝 ...............................................................................
19、.................................................. 21
3.5 本章小結(jié) ........................................................................................................................... 22
4電氣控制局部設(shè)計 ..................................................................................................
20、.................. 23
4.1 硬件電路設(shè)計 ................................................................................................................... 23
4.2 單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計MCS--51系列單片機簡介 ............................................................................................. 25
4.4 存儲器擴展電路設(shè)計 ..
21、..................................................................................................... 26
4.4.1地址鎖存器選用 ....................................................................................................... 26
4.4.2 外部程序存儲器選擇 .........................................................
22、..................................... 26
4.4.3 步進電機的控制 ............................................................................................................. 28
4.7.1 步進電機的工作原理 .............................................................................................. 28
4.7.2 步進電機的控制 .
23、..................................................................................................... 29
4.7.3 步進電機接口及驅(qū)動電路 ...................................................................................... 29
4.8 C6132普通車床微機數(shù)控化改裝硬件設(shè)計說明 .........................................................
24、30
4.9 控制軟件設(shè)計 ................................................................................................................... 31
4.9.1 總體方案設(shè)計 .......................................................................................................... 32
4.9.2 環(huán)形分配器軟件設(shè)計 .........................
25、..................................................................... 32
4.9.3 逐點比擬法的直線插補軟件設(shè)計 .......................................................................... 33
4.9.4 逐點比擬法的圓弧插補軟件設(shè)計 .......................................................................... 33
4.9.5 步進電機自動升降速控制 ........
26、.............................................................................. 33
4.10 本章小結(jié) ......................................................................................................................... 39
結(jié) 論 .............................................................................
27、................................................................ 40
致 謝 ............................................................................................................................................. 41
參考文獻 ............................................................................
28、........................................................... 42
附 錄 ............................................................................................................................................. 43 IV
蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計〔論文〕
1 緒論
1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床
數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控(Numerical Corltrol——NC)，是利
29、用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機進行控制，因此，也可以稱為計算機數(shù)控(Computer Numerical Control——CNC)。
采用了數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。它是一種綜合應(yīng)用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的根底，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高及小批量零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的開展水平和方向。與
30、普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數(shù)，完成平面、盤旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比擬高，因而應(yīng)用日益廣泛。
1.2 機床數(shù)控化改造的興起及意義
1.2.1 國外機床改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等興旺國家，他們的機床改造業(yè)作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生氣盎然，正處在黃金時期。由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進步，機床改造成了一個“永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，這已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國,機床改造業(yè)稱為機床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司
31、、ayton機床公司、DeVlieg—BuUavd(得寶)效勞集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團、崗三機械公司、千代田工機械公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
1.2.2 我國機床數(shù)控化改造的意義
我國目前機床總量約400萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有20萬臺，即我國機床數(shù)控化率僅為5％左右，而國外興旺國家的機床數(shù)控化率，多年前就到達20％以上。我國機床役齡10年以上的占60％以上；役齡10年以下的機床中，自動／半自動機床不到20％，F(xiàn)MC／FMS等自動化生產(chǎn)線更
32、屈指可數(shù)(美國和日本自動和半自動機床占60％以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役 1
蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計〔論文〕
齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、本錢高、供貨期長等現(xiàn)象，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和開展，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床來替換根本不現(xiàn)實，而且替換下來的舊機床閑置起來又會造成浪費，要解決這些問題，應(yīng)走普通機床的數(shù)控化改造之路。從美國、日本等國家工業(yè)現(xiàn)代化進
33、程看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26％的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小型企業(yè)那么是74％，在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司，為世界各地提供機床數(shù)控化改造效勞。因此，普通機床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。
利用現(xiàn)有閑置的舊機床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺高效、多功能的數(shù)控機床，投資少、見效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低本錢實現(xiàn)自動化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國機床的數(shù)控化率的一條有效途徑。
另外對普通機床進行數(shù)控化改造有許多積極的意義:
1〕節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左
34、右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3，即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購置新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2〕性能穩(wěn)定可靠。因原機床各根底件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
3〕提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高成效提高得越多，且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
4〕可實現(xiàn)多工序的集中，提高了相關(guān)的加工精度,同時減少了零件在機床間的頻繁運轉(zhuǎn)。
5〕可縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對市場需求做出快速反響。機床數(shù)控化還
35、是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的根底。
6〕擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機床的加工狀態(tài)。還可以提示操作者機床故障或編程錯誤等機床運行中出現(xiàn)的問題。
1.3
1〕根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖；
2〕為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動主電機的方式，
3〕為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時，撤除原來的掛輪架局部，在機床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，
4〕在利用聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，粘接工藝的好壞將直接影響
36、2
蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計〔論文〕
改造后導(dǎo)軌的性能。
5〕在電氣改造方面，設(shè)計了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，縱、橫向步進電機的計算和選型也作了詳細(xì)闡述；
6〕在機械改造方面，對縱橫向伺服進給機構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細(xì)設(shè)計研究，并對數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹；
7〕在軟件設(shè)計方面，對MCS-51單片機做了簡要的介紹，并在8031單片機的根底上編制了相應(yīng)的程序。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床，以及機床數(shù)控化改造的興起及意義。并提出了
3
蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計〔論文〕
2 車床總體改造方案設(shè)計
2.1 總體方案設(shè)計
37、
利用數(shù)控系統(tǒng)NIM-9702對C6132型臥式車床的縱，橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制?？v向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電動機。改造后的機床能完成一般車削及加工任意面、球面、螺紋等加工工序。并能控制主軸開停變速、刀架轉(zhuǎn)位及一些輔助功能，使加工實現(xiàn)自動化。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)采用輪廓控制形式?？刂葡到y(tǒng)硬件由微機局部、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔電路、步進電動機功率放大電路等組成?？v向、橫向均采用步進電動機→減速帶→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式。刀架更換為四刀位自動回轉(zhuǎn)刀架。
2.2 主傳動系統(tǒng)的改造
2.2.1 主軸無級變速的實現(xiàn)
C6132車床的主軸變速為手動、有
38、級變速。考慮到數(shù)控車床在自動加工的過程中負(fù)載切削力隨時會發(fā)生變化，為了保證工件外表加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實現(xiàn)無級變速。目前實現(xiàn)無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動電機的方式，同時保存原有的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構(gòu)，這樣既保存了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動機替代原有車床的主電動機。由于多速電機的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動機，隨之電動機的尺寸也變大了，機床改造相對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統(tǒng)也要撤除并進行重新設(shè)計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大
39、了改造本錢。
考慮到改造的本錢，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)主軸無級變速。
交流異步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動機磁極對數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為：
n=60f 〔2-1〕 P1-S
對于C6132，電動機磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。
另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。
變頻器的控制方式主要有U／f恒定控制方式、無反響矢量控制方式和有反響矢量控 4
蘭州工業(yè)
40、高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計〔論文〕
制方式。數(shù)控車床除了在車削毛坯時，負(fù)荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇U／f恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預(yù)置較大的U／f，在負(fù)載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反響矢量控制方式雖然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反響環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比擬麻煩。所以，除非對
41、加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。
目前，無反響矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在0.5Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求，而且無反響矢量控制方式能夠克服U／f控制方式的缺點，因此可以說，是一種最正確選擇。
數(shù)控車床連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：
PCN3kPM
hcosj
PCN33kUMIM′10-3
ICN3kIM 〔2-2〕
式中，PM——負(fù)載所要求的電動機的軸輸出功率；
η——電動機的效率(通常約O.85)；
cosφ——電動機的功率因素(通常約O.75)
MU——電動機的
42、電壓，380V；
MI——電動機工頻電源時的電流，為15.4A；
k——電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時取1.05-1.10)；
PCN——變頻器的額定容量，kVA；
ICN——變頻器的額定電流，A；
由公式(2-2)可得：
PCN3kP1.1′4M=?7(kVA)hcosj0.85′0.75 PCN33kUMIM′10-3=′1.1′380′15.4′10-3?11.15(kVA)
ICN3kIM=1.1′15.4=16.94(A) 〔2-3〕 選擇變頻器時應(yīng)同時滿足以上三個等式的關(guān)系。綜合以上分析計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號
43、為FR-A540-7.5K-CH。
2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝
為了使改造后的數(shù)控車床能自動加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反響元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過主軸—脈沖編碼器—數(shù)控系統(tǒng)—步進電機的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動一個導(dǎo)程的車螺紋運 5
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動。
主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，缺點是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的加工長度，而異軸安裝不會遇到這種問題，因此，異軸安裝較適宜。主軸通過主軸箱中Ⅵ軸和Ⅸ軸的58
44、／58及Ⅸ軸和Ⅹ軸的33／33兩級齒輪(實現(xiàn)傳動比1：1)把動力傳遞給掛輪軸X，見圖附錄1所示，主軸脈沖編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)X軸連接。
C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是20~2000 r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為6000r/ min，所以滿足設(shè)計要求。
2.3 橫向進給傳動系統(tǒng)的改造
2.3.1 橫向傳動系統(tǒng)的改造
如圖2-1所示是橫向傳動系統(tǒng)的改造布置圖，步進電機和減速箱安裝在遠(yuǎn)離操作者的床鞍一端，撤除床鞍上原來的手動操作裝置，在原來支承絲杠的軸承位置，安裝角接觸球軸承進行支撐，
45、同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當(dāng)減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對鎖緊螺母對滾珠絲杠進行預(yù)拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。螺母座和中拖板的連接可以利用原來的螺釘孔進行連接。
圖 2-1橫向傳動結(jié)構(gòu)圖
車床進行橫向進給時，由步進電機通過減速箱將動力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動螺母座，再通過螺母座帶動中拖板做橫向運動。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母 6
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螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。
2.3.2齒輪傳動間隙的消除
模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3，齒輪2空套在齒輪3上可以做
46、相對回轉(zhuǎn)運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在齒輪3的槽中放置3個彈簧，數(shù)控車床在加工過程中，會經(jīng)常變換移動方向。當(dāng)進給方向改變時，如側(cè)存在間隙會造成進給運動滯后于指令信號，喪失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但側(cè)隙調(diào)整后不能自動補償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動補償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。
雙片齒輪錯齒消隙法 圖2-2是雙片齒輪錯齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未
47、畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端面還有另外四個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過轉(zhuǎn)動螺母5就可以調(diào)節(jié)彈簧4的拉力，調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。
2〕周向彈簧調(diào)整法。同樣是兩個齒數(shù)、利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下的情況下錯齒，從而到達消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小。
48、
2.4 導(dǎo)軌的改造
由于導(dǎo)軌外表有明顯的劃痕，摩擦系數(shù)變大，會產(chǎn)生進給運動的失真。為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導(dǎo)軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負(fù)荷變形可提高5倍；(2)剛性提高4～5倍；(3)熱膨脹系數(shù)減小1／3—1／2；(4)導(dǎo)熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強度增加2～3倍。
在利用填充聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對粘接工藝的控制。具體工藝為：首先對原導(dǎo)軌進行刮研，保
49、證粘貼前導(dǎo)軌的外表粗糙度1.6—6.3um，平面度到達0．01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶外表；粘接前需對金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷去除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板〞或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導(dǎo)軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應(yīng)均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導(dǎo)軌上時需前后左右蠕動一下，使 7
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其全面接觸，要用手或
50、器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可去除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2／3，油槽離開軟帶邊緣至少6mm以上，刮研要求到達與導(dǎo)軌面接觸面積為：全長不少于75％，全寬上不少于50％。
2.5 刀架局部的改造
型號及主軸中心高度，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相交流異步電動機
51、用于驅(qū)動正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測刀位位置撤除原手動刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據(jù)車床的，電動機反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時，撤除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風(fēng)罩，逆時針方向轉(zhuǎn)動電機，使刀架轉(zhuǎn)動到45°左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝圖見附錄1。
LD4-C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)見表2-1。電動刀架的安裝較為方便，安裝時必須注意以下兩點：
1)電動刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進給方向平行；
2)電動刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時應(yīng)合理，以免加工時切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動刀架連線。
1、2—薄齒輪
52、3、8—凸耳 4—彈簧 5、6—螺母 7—調(diào)節(jié)螺釘
圖 2-2 雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上分析可初步確定車床改造的總體布置方案，如圖2-4所示。
由于導(dǎo)軌外表有明顯的劃痕，摩擦系數(shù)變大，會產(chǎn)生進給運動的失真。為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導(dǎo) 8
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軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二
(4)導(dǎo)熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強度增加2～3倍。
在利用填充聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對粘接
53、工藝的控制。
表2-1 LD4-C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)
具體工藝為：首先對原導(dǎo)軌進行刮研，保證粘貼前導(dǎo)軌的外表粗糙度1.6—6.3um，平面度到達0.01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶外表；粘接前需對金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷去除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠。可用“帶齒刮板〞或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導(dǎo)軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應(yīng)均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼
54、在金屬導(dǎo)軌時需前后左右蠕動一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可去除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2／3，油槽離開軟帶邊緣至少6mm以上，刮研要求到達與導(dǎo)軌面接觸面積為：全長不少于75％，全寬上不少于50％。
9
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圖 2-3 車床改造總體布置圖
55、
2.6 數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇
2.6.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類
目前，數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多，功能各異，分類方法不一，通常可按下面兩種方法進行分類。
(1)按加工路線分類
1〕點位控制系統(tǒng)
其特點是：只要求控制機床移動部件從一點移動到另一點的準(zhǔn)確位置，至于點與點之間的移動軌跡〔路徑和方向〕并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運動是不相關(guān)的，并且在移動過程中不進行切削。
2〕直線切削控制系統(tǒng)
其特點是，除了控制移動部件從一點到另一點之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線〔即軌跡〕，但其路線只是與機床坐標(biāo)軸平行的直線。也就是說，同時控制的坐標(biāo)軸只有一個，且在移動過程中刀具
56、能以給定的進給速度進行切削，一般只能加工矩形、臺階形零件。
3〕連續(xù)切削控制系統(tǒng)
也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標(biāo)的位移和速度同時進行連續(xù)相關(guān)控制。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補運算的功能，即根據(jù)程序輸入的根本數(shù)據(jù)，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補運算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運算，一邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動位移量與所要求的輪廓相符合。
(2)按伺服系統(tǒng)的類型分類
1〕開環(huán)控制系統(tǒng)
采用開環(huán)控制系統(tǒng)的機床，沒有檢測反響裝置。指令信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反響回來，故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電動機
57、采用步進電機。這種機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進給速度和進給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，每一個進給脈沖控制步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺的一個當(dāng)量直線位移。
2〕閉環(huán)控制系統(tǒng)
數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測裝置測得的實際位置反響信號，隨時進行比擬，根據(jù)其差值與指令進給速度的要求，按一定的規(guī)律進行轉(zhuǎn)換后，得到進給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動機或交流 10
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伺服電動機作為驅(qū)動元件，所以電動機的控制線路比擬復(fù)雜。另外檢測元
58、件昂貴，調(diào)試和維修比擬困難，本錢高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密數(shù)控機床。
3〕半閉環(huán)控制系統(tǒng)
這種機床是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機端部，或安裝在傳動絲杠端部，間接測量部件的實際位置或位移，然后反響到控制裝置的比擬器中，與輸入原指令位移值進行比擬，用比擬后的差值進行控制，直到差值消除為止。
2.6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
本設(shè)計中由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。
考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低本錢，采用步進電機開環(huán)系統(tǒng)，雖然開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有速度反響和位移反
59、響電路，不帶檢測裝置，指令信號單向發(fā)送，但開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、本錢低，容易掌握，調(diào)試和維修都比擬簡單。如果采用螺距誤差補償和徑向間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高到?.01mm，可以滿足設(shè)計要求。
2.7 計算機系統(tǒng)的選擇
微型機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、ROM、RAM擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路等幾局部組成。
由于MCS-51單片微型機具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強的位尋址和運算功能，特別適合于控制應(yīng)用場合，使用MCS-51來構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低本錢。
1〕單片機的選擇
MCS-51系列中的8031單片機片內(nèi)無ROM，適于需外接R
60、OM、能在現(xiàn)場進行修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，價格低，使用靈活，從實用性與經(jīng)濟性考慮，采用8031作為控制系統(tǒng)的單片機。
2〕存儲器擴展
① 8031的片內(nèi)沒有程序存儲器，必須外接擴展電路，具有擴展1片W27C512共64KB的程序擴展電路。
② 數(shù)據(jù)存儲器的擴展
8031內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存儲器。它可以作為存放器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。因此，這個RAM是十分珍惜的資源。我們應(yīng)合理地充分地應(yīng)用片內(nèi)RAM存儲器，但片內(nèi)RAM存儲器往往是不夠的。外接RAM擴展電路可擴大存儲器容量。本設(shè)計擴展一個6264〔8K〕的外部RAM。
③ 接口
61、電路，伺服電機驅(qū)動電路等
接口電路主要用于控制縱向和橫向步進電機，刀架電機等。鍵盤有32個鍵。此外， 11
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還有伺服電機驅(qū)動電路，光電耦合器電路，報警電路，8031時鐘電路，復(fù)位電路等。
由此可得車床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖2-4所示。
圖2-4車床伺服系統(tǒng)控制方案圖
2.8 本章小結(jié)
本章主要確定了車床數(shù)控化改造的總體方案，主要從主傳動系統(tǒng)，橫向進給系統(tǒng)，導(dǎo)軌和刀架的局部的改造進行計算，以及數(shù)控系統(tǒng)的類型和計算機系統(tǒng)類型的選擇。 12
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3 C6132 車床數(shù)控化改
62、造機械局部改造設(shè)計與計算
機械局部設(shè)計 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算
條件：
工作臺重量：W=80kgf=80N
加速時間常數(shù)：t=25ms
滾珠絲杠根本導(dǎo)程：L0=6mm
快速進給速度：umax=2m/min
3.1.1切削力計算
由?機床設(shè)計手冊?可知，切削功率
Pc=phk 〔3-1〕 式中, p-電動機功率(kW)，C6132型車床p=4kw；
h-主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75~0.85，取h=0.8；
k-進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取 k=0.96。
那么 pc=4′0.8′0.96=
63、3.072kw
切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力〔或扭矩〕和最大切削速度〔或轉(zhuǎn)速〕來計算，即
FZu10-3
pc= 〔3-2〕 60
T或 Pc=n 〔3-3〕 9550
式中，F(xiàn)-主切削力(N);
u-切削速度(m/min);
T-切削轉(zhuǎn)矩(N×m);
n-主軸速度(r/min)。
設(shè)按最大切削速度來計算，取u=100m/min
那么 Fz60Pc103/u=60′3.072′
64、103/100N=1843.2N 〔3-4〕 查?機床設(shè)計手冊?，在一般外圓車削時：
Fx=(0.1~0.55)Fz Fy=(0.15~0.65)Fz 〔3-5〕
取 Fx=0.5Fz=0.5′1843.2N=921.6N
13
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Fy=0.6Fz=0.6′1843.2N=1105.92N
3.1.2 滾珠絲杠設(shè)計計算
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。 計算作用在絲杠上的最大動負(fù)荷FQ
首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引
65、起的進給抗力，計算出滾珠絲杠的軸向載荷， 再根據(jù)要求的壽命值計算出滾珠絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷FQ
FQ=LfufHFp 〔3-6〕
式中，F(xiàn)Q-最大動載荷(N);
FP-工作負(fù)載(N)，只數(shù)控機床工作時實際作用在滾珠絲杠上的軸向力； FW-運轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運轉(zhuǎn)fH取1.2~1.5；有沖擊的運轉(zhuǎn)fH取1.5~2.5； FH-硬度系數(shù)，HRC為60時，fH為1；HRC<60時，fH>1;
L-壽命〔以106轉(zhuǎn)為單位1，如1.5那么為150萬轉(zhuǎn)〕。壽命L可按下式計算
60nT
66、 L= 〔3-7〕 610
式中, n-滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速
T-使用壽命時間，數(shù)控機床取15000h
工作負(fù)載的數(shù)值可用?機床設(shè)計手冊?中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌
Fp=kFX+f’(Fz+W) 〔3-8〕
式中, FZ,FX-切削分力；
W-移動部件的重量(800N);
k-考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.15；
f’-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，f’=0.15~0.18取f’=0.16。
)]N=148.2.6(184.32+800752N 那么 Fp=[1.15′921
當(dāng)機床以線速度u=100m/min，進給量為f=0.3mm/r，車削直徑為D=80mm 外圓時，絲杠的轉(zhuǎn)速
那么 L=vf103100′0.3′103n==r/min=19.9r/min 〔3-9〕 pDL03.14′80′660nT60′19.9′15000 =萬轉(zhuǎn)=17.91萬
c6132普通車床; 數(shù)控化改造,機械制造,機電一體化,數(shù)控技術(shù)畢業(yè)論文,課程設(shè)計
