机床改造描述PPT课件

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1、设计任务 任务：将一台任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下主要技术指标如下（1）床身上最大加工直径）床身上最大加工直径400 mm；（2）最大加工长度）最大加工长度1000 mm；（3）X方向方向(横向横向)的脉冲当量的脉冲当量x=0.005 mm/脉冲脉冲,Z方向方向(纵向纵向)z=0.01 mm/脉冲；脉冲；（4）X方向最快移动速度方向最快移动速度vxmax=3000 mm/min，Z方向方向 为为vzmaxf=6000 mm/min；（5）X方向最快工进速度方向最快工进速度vxmaxf=400 mm/min，Z方向方向 为为v

2、zmaxf=800 mm/min；（6）X方向定位精度方向定位精度 0.01 mm，Z方向方向 0.02 mm；（7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；（8）可以车削公）可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24 mm；（9）由）由系统控制自动选刀；系统控制自动选刀；（10）自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；无级变速信号；（11）自动控制冷却泵的启自动控制冷却泵的启/停；停；（12）由）由系统控制工件的夹紧与松开；系统控制工件的夹紧与

3、松开；（13）纵、横向安装限位开关；纵、横向安装限位开关；（14）数控系统可与数控系统可与PC机串行通信机串行通信。一、一、总体方案的确定总体方案的确定（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）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。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）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，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用精度的前提下，应简化结构，降

4、低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电步进电 动机的开环控制系统。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）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，决定选用的经济性要求，决定选用MCS-51系列的系列的8位单片机作为数控系统的位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。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）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、据存储器、键盘与显示电路

5、、I/O接口电路、接口电路、D/A 转换电路、串行接口电转换电路、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。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）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。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，可能需要减速轮副，）计算选择

6、步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。且应有消间隙机构。（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。二、机械系统的改造设计方案 1.主传动系统的改造方案主传动系统的改造方案 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机对普通车床进行数控化改造时，一般可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。主轴的正转、反转和停止可由数控系统构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速

7、，可用若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2速的多速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于变频器时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。的功率应比电动机大）。综合考虑综合考虑，当采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产，当采用有级变速时

8、，可选用浙江超力电机有限公司生产YD系列系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实现变极多速三相异步电动机，实现2档变速；当采用无级变速时，应档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配，适配7.5kW电动机，生电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。产厂家为烟台惠丰电子有限公司。2 安装电动卡盘安装电动卡盘 为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由型电动

9、三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。数控系统发信控制。3 换装自动回转刀架换装自动回转刀架 为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成路，由数控系统完成4 螺纹编码器的安装方案螺纹编码器的安装方案 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车

10、床加工螺纹时，需要配置主轴螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动 本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24 mm，Z向的进给脉冲当量是向的进给脉冲当量是0.01 mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24 mm/（0.01 mm/脉冲）脉冲）=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90

11、的的A、B相信号，可相信号，可用用A、B异或后获得异或后获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲每转一个的零位脉冲Z。基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电。电源电压压+5V，每转输出，每转输出1200个个A/B脉冲与脉冲与1个个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径脉冲，信号为电压输出，轴头直径

12、15 mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。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。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出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一

13、对传动比为1：1的同步齿形带与主的同步齿形带与主轴联接起来。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轴联接起来。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。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。5 进给系统的改造与设计方案进给系统的改造与设计方案 （1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。（2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减

14、速箱总成。箱总成。（3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。珠丝杠的螺母座与螺母座托架。（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架架 （5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。丝杠副。（6）将

15、横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。并与滚珠丝杠的轴头相联。（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。三、三、进给传动部件的计算和选型进给传动部件的计算和选型1 脉冲当量的确定脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为方向（横向）的脉冲当量为=0.005 mm/脉冲，脉冲，Z方向（纵向）为方向（纵向）为=0.01脉冲。脉冲。2 切削力的计算切削力的计算 切削力的分析和计算详见相关教材。切

16、削力的分析和计算详见相关教材。3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）根据计算出的最大动载荷，查表选择启东润泽机床附件有限公司生根据计算出的最大动载荷，查表选择启东润泽机床附件有限公司生产的产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为型滚珠丝杠副。其公称直径为40 mm，基本导程为，基本导程为6 mm，双螺母滚珠总圈数为双螺母滚珠总圈数为3 2=6 圈，精度等级取圈，精度等级取4级，额定动载荷为级，额定动载荷为13200 N，满足要求。，满足要求。4 同步带减速箱的设计（纵向）同步带减速箱的设计（纵向）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负

17、为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本次改造本次改造中，中，Z向减向减速箱选用同步带传动，同步带与带轮的计算和选型参见速箱选用同步带传动，同步带与带轮的计算和选型参见教材教材相关内容。相关内容。5 步进电动机的计算与选型（纵向）步进电动机的计算与选型（纵向）经过计算（计算过程略）本次改造经过计算（计算过程略）本次改造中中，Z向进给系统选用向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。步进电动机，可以满足设计要求。四、四、控制系统硬件电路设计控制系统硬件电路设计根据

18、任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1）接收键盘数据，控制）接收键盘数据，控制LED显示；显示；（2）接收操作面板的开关与按钮信号；）接收操作面板的开关与按钮信号；（3）接收车床限位开关信号：）接收车床限位开关信号：（4）接收螺纹编码器信号；）接收螺纹编码器信号；（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（6）控制）控制X、Z向步进电动机的驱动器；向步进电动机的驱动器；（7）控制主轴的正转、反转与停止；）控制主轴的正转、反转与停止；（8）控制多速电动机，实现主轴有级变

19、速；）控制多速电动机，实现主轴有级变速；（9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；）控制交流变频器，实现主轴无级变速；（10）控制冷却泵启动）控制冷却泵启动/停止；停止；（11）控制电动卡盘的夹紧与松开；）控制电动卡盘的夹紧与松开；（12）控制电动刀架的自动选刀；）控制电动刀架的自动选刀；（13）与）与PC机的串行通信。机的串行通信。CPU选用选用ATMEL公司的公司的8位单片机位单片机AT89S52；由于；由于AT89S52本身资本身资源有限，所以扩展了一片源有限，所以扩展了一片EPROM芯片芯片W27C512用作程序存储器，存用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片放系统底层程序；扩展了

20、一片SRAM芯片芯片6264用作数据存储器，存用作数据存储器，存放用户程序；键盘与放用户程序；键盘与LED显示采用显示采用8279来管理；输入来管理；输入/输出口的扩展输出口的扩展选用了并行接口选用了并行接口8255芯片，一些进芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于电压的输出借助于DAC0832；与；与PC机的串行通信经过机的串行通信经过MAX233芯片。芯片。图图1.1.控制系统原理框图控制系统原理框图 控制系统的操作面板布置如图控制系统的操作面板布置如图2所示。面板设置了所示。面板设置了48个微个微动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包

21、括动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数组数码显示管和码显示管和7只发光二极管。详细的电路设计原理及电路分只发光二极管。详细的电路设计原理及电路分析请参考析请参考教材教材相关内容相关内容 图图2 2 车床数控系统操作面板布置图车床数控系统操作面板布置图五、步进电动机驱动电源的选用五、步进电动机驱动电源的选用 本次改造本次改造中中X向步进电动机向步进电动机的型号为的型号为110BYG5802，Z向步进电动机的型号为向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家，生产厂家为常州宝马集团公司。这为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不

22、同外，步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为电气参数基本相同，均为5相混合式，相混合式，5线输出，电机线输出，电机供电电压供电电压DC120310V，电流电流5A。这样，两台电动。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为型步进驱动器，型号为BD5A。它与控制系统的连。它与控制系统的连接如图接如图3所示。所示。图图3 3 BD5A BD5A驱动器与控制系统的连驱动器与控制系统的连接接六、控制系统的部分软件设计六、控制系统

23、的部分软件设计1 存储器与I/O芯片地址分配 根据书后图6-7中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配如表所示。主机板中存储器与I/O芯片的地址分配表2 控制系统的监控管理程序控制系统的监控管理程序 系统设有系统设有7档功能可以相互切换，分别是档功能可以相互切换，分别是“编辑编辑”、“空刀空刀”、“自自动动”、“手动手动1”、“手动手动2”、“手动手动3”和和“回零回零”。选中某一功能时，。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图所示。流程如

24、图所示。3 8255芯片初始化子程序芯片初始化子程序B255:MOV DPTR，#3FFFH；指向；指向8255的控制口地址的控制口地址 MOV A，#10001001B；PA口输出，口输出，PB口输出，口输出，PC口输入均为方式口输入均为方式0 MOVX DPTR，A ；控制字被写入；控制字被写入 MOV DPTR，#3FFCH；指向；指向PA口口 MOVA，#0FFH；预置；预置PA口全口全“1”MOVXDPTR，A；输出全；输出全“1”到到PA口口 MOVDPTR，#3FFDH；指向；指向PB口口 MOVA，#0FFH；预置；预置PB口全口全“1”MOVXDPTR，A；输出全；输出全“1

25、”到到PB口口 RET4 8279芯片初始化子程序芯片初始化子程序B279:MOV DPTR，#5FFFH；指向；指向8279控制口地址控制口地址 MOV A，#0CFH；清除；清除FIFO与显示与显示RAM命令命令 MOVX DPTR，A；命令字被写入；命令字被写入WAIT:MOVX A，DPTR；从；从8279的控制口读取的控制口读取8279的状态字的状态字 JB ACC.7，WAIT ；测试显示；测试显示RAM有没有被清除完毕。只有状态字的有没有被清除完毕。只有状态字的D7=0时，时，清除才结束清除才结束MOV A，#08H；编码扫描，左入口，；编码扫描，左入口，16位字符显示，双键互锁位字符显示，双键互锁MOVX DPTR，A MOV A，#34H；分频系数取；分频系数取20MOVX DPTR，ARET5 其他程序其他程序 8279控制控制LED显示子程序显示子程序 8279管理键盘子程序管理键盘子程序 D/A电路输出模拟电压程序电路输出模拟电压程序 步进电动机的运动控制程序步进电动机的运动控制程序 电动刀架的转位控制程序电动刀架的转位控制程序 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序主轴、卡盘与冷却泵的控制程序