C6140普通车床的数控化改造.docx
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C6140普通车床的数控化改造
C6140普通车床的数控化改造
机电一体化系统设计任务书总汇
课题：
C6140普通机床的数控化改造
姓 名：
蒋青松（第7组）
班级：
112040205
学号：
11204020512
专业：
机械设计制造及其自动化
院 系：
机械工程学院
2015年6月
任务一
一：
总体方案的确定
总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。
1.普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。
因此，数控系统应设计成连续控制型。
2.普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。
因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。
3.根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。
MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。
4.根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
5.为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
6.计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。
二：
机械本体
初步原理框图
数控原理框图
三：
问题说明
1：
连续控制系统：
由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速度相对于工件沿加工路径运动（因为点位控制系统要求工件相对于刀具运动过程不进行切削），所以选择之；
2：
开环控制系统：
该改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，没有加入反馈系统，为了简化系统，降低成本，所以选择之。
3：
机床选择X，Z两轴联动。
4：
由于是开环控制，而且结构简单，适用于普通数控机床，功能水平低。
任务二
一.主传动系统（主轴驱动+传动）方案设计
1：
机床主轴变速方式：
数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。
这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率:
因此此次改造采用分段无极变速。
目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种:
由于实际操作问题，采用交流变频主轴+交流主轴电机。
通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮带动主轴旋转。
由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。
2：
主传动系统方案：
本次改造保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。
主轴采用三相异步电动机进行驱动，由变频器进行控制。
主轴的正反转、停止以及变速，由指令控制经过单片机输出，进而传给变频器来控制电动机的转速以及方向，电机类型：
YD系列7.5KW变级多速三相异步电动机，实现2-4档变速。
对车床主轴传动系统进行改造时，驱动器采用变频器，保留旧车床主轴箱齿轮变速换档机构，只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制改为变频器控制，实现自动。
变频器的选配采用经验法，主要以车床的主轴驱动电机功率、主轴速度等参数，结合变频器生产厂家提供的产品目录和参数来选择，最终选配TD2000型的变频器。
3：
螺纹车削功能的实现
为了能够准确的加工螺纹工件，必须要安装相应的主轴编码器，作为主轴位置信号的反馈元件，用来测量电机的转速位移和转向，采用与主轴同步的光电脉冲发生器，另外，为了重复车削同一螺纹时不乱扣，编码器还需每转输出一个零位脉冲Z，同时，根据输出信号为数字量（任务一的控制系统已选为单片机）因此，本次选用ZSF-6215-007CW-1024BZ3-5L型号的螺纹编码器。
传动原理图
主轴电路控制图：
主轴的正反转、停止以及变速，由指令控制经过单片机输出，进而传给变频器来控制电动机的转速以及方向。
二：
进给传动系统方案设计
1：
总体方案
纵、横向传动全部用滚珠丝杠（传动效率高，达到90%）。
（拆除原有的挂轮系统、进给箱、溜板箱、光杆），在溜板下加装滚珠丝杠螺母托架，在滚珠丝杠的头、尾部加装接套、接杆、支承及限位开关。
纵向进给：
步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架台左右移动。
横向进给：
步进电机经联轴器直接驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。
进给系统电机选择以及驱动器选择：
通过计算比较，并考虑到经济适用性能，在满足其转矩和功率等各种性能要求下，选用90BF002三相步进电机，驱动器型号为CH250驱动.
快速响应：
主要体现在导轨设计上，我们将普通导轨改为滑动导轨，其具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。
并且可以采用原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨，或者添加润滑油等措施提高响应要求。
2：
自动刀具的选择：
机床刀架改造，是将车床原手动转位刀架，替换成电动刀架来实现自动换刀切削功能。
电动刀架也是标准化生产。
根据企业零件加工工艺的要求，车床加工零件最多时，需要4把刀才能完成零件加工，可直接按C6140型车床结合电动刀架生产厂提供的产品目录和刀架中心高等相关参数，进行物美价廉地选配。
最终选用LD4B-CK6163型号的四工位电动刀架，该刀架内带有120W小容量交流电动机，控制选刀和定位，结构紧凑，刚性好，可承受大负荷，完全满足车床改造加工要求。
系统原理框图
电气控制图
3：
X、Z轴进给原理
说明：
脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。
任务三
传感检测系统设计
1:
传感检测系统采用螺纹编码器，ZSF-6215-007CW-1024BZ3-5L型，转速位移和转向，输出量为数字信号。
安装方式：
螺纹编码器通常有两种安装形式：
同轴安装和异轴安装。
同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。
异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：
1的同步齿形带与主轴联接起来。
因此，根据改造的经济型要求，选择异轴安装。
需要注意的是：
编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。
2:
行程开关，用来限制进给轴运动的位置或行程，使其按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动，起行程保护作用。
其中X、Z轴各二个，型号为LX19系列中的LX19-001/111。
安装位置：
安装在进给轴行程的极限位置，防止其超过行程运行。
任务四
控制系统设计说明
一：
控制器选用8位的AT89S51单片机；
二：
人机联系设备：
配置FANUC系统的数控机床人机操作界面，主要包括三部分
1、显示器
根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序、机床的加工状态、机床坐标轴的坐标值、加工轨迹的图形仿真和故障报警信号等
2、NC键盘：
主要用于零件程序的编辑、参数输入、MDI和系统管理操作等
3、机床操作面板：
用于直接控制机床的动作或加工过程，如启动/暂停零件程序的运行、手动进给坐标轴、调整进给速度等
功能主要包括以下几个方面：
（1）操作方式选择键。
如自动、编辑、MDI、JOG、手摇等
（2）轴进给键。
如+X、-X、+Z、-Z等
（3）倍率开关。
如进给倍率、主轴倍率等
（4）急停按钮
（5）程序调试键。
如单段、空运行等
（6）主轴开关。
如正转、停止、反转等
（7）辅助功能开关。
如冷却、排屑等
（8）系统开关。
如系统启动、系统停止
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