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C6163型車床的經濟型數控改造設計

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更新時間：2014-09-24
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C6163型車床的經濟型數控改造設計
普通車床數控改造的可行性論證
對于普通車床的經濟型數控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。
2.1 車床的數控改造
2.1.1數控機床工作原理及組成
(1) 數控機床工作原理：
數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數控機床的組成：
數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1

圖2-1數控機床的組成圖

2.1.2設計內容及任務
普通車床（C6163）的數控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統的設計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計。
本設計任務是對C6163臥式車床進行數控化改造，實現微機對車床的數控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統進行數字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。
2.1.3 數控部分的設計改造
(1) 數控系統運動方式的確定
數控系統按其運動軌跡可分為：點位控制系統、連續控制系統。點位控制系統只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續控制系統能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統采用連續控制系統。
(2)伺服進給系統的設計改造
數控機床的伺服進給系統按有無位置檢測和反饋可分為開環伺服系統、半閉環伺服系統、閉環伺服系統。
閉環控制方案的優點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。
半閉環控制系統由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優于以步進電動機驅動的開環控制系統。但是，采用半閉環控制其調式比開環要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。
開環控制系統中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環系統的精度較差，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。
經過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環控制系統。
(3) 數控系統的硬件電路設計
數控系統都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能。
數控裝置的設計方案通常有：
a) 可以全部自己設計制作
b)可以采用單板機或STD模塊或工控機改制
c)可以選用現成的數控裝置作少量的適應化改動
跟據本次設計的要求采用第一種設計方案。
2.1.4機械改造部分的設計
(1) 主傳動部分的改造設計
將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。
(2) 進給機構的改造
將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。
2.2 可行性論證
根據《自動化制造系統》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行普通車床的經濟型數控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。
根據傳統的論證方法，普通車床的經濟型數控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業生產經營現狀及存在的問題分析，企業生產經營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。
由于本設計僅作為大學本科生的畢業設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。
本改造設計是對普通車床C6136進行經濟型數控改造。在改造設計中，采用自己設置的數控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。因此，對普通車床作經濟型數控改造適合我國國情，是國內企業提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。

3 設計方案
3.1 總體方案的確定
3.1.1系統的運動方式與伺服系統的選擇
由于改造后的經濟型數控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續控制系統。考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環控制系統。
3.1.2 計算機系統
根據機床要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統。
控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態等信息。
3.1.3 機械傳動方式
為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。
3.1.4 運動方式的確定
數按系統運動方式可分為點位控制系統、點位/直線系統和連續控制系統。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續控制系統。
3.1.5 系統的選擇
伺服系統可分為開環控制系統、半閉環控制和閉環控制系統。經過比較，由于C6163車床加工精度要求不高，所以決定采用開環控制系統。
3.1.6 機構傳動方式的確定
為確保數控系統的傳動精度和工作平穩性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：
(1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。
(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。
(3) 提高系統剛度。縮短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統剛度。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。
3.1.7 微機的選擇
微機數控系統由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。 ...

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