CA6140普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)設計【含CAD圖紙、說明書】

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隨著科學技術的迅猛發(fā)展，衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志是數(shù)控機床。我國普通機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情，需要采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造。機電一體化技術涉及電子、機械、以及控制等多門學科，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎技術和核心技術之一。雖然這門學科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向，更是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應該重視該學科的研究，大力發(fā)展這門學科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。本次設計是對CA6140普通車床的數(shù)控化改造。我設計時先對數(shù)控機床系統(tǒng)進行了總體設計，然后對進給系統(tǒng)、齒輪箱傳動比及步進電機進行了計算，最后我對電氣系統(tǒng)進行了設計。在國內，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設計就是針對著這以目的而設計的，這縮短了工業(yè)化的進程，降低了生產(chǎn)成本，同時為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。 關鍵詞：數(shù)控改造 ;數(shù)控 ;步進電動機 目 錄 1 緒論 1 2 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計 2 2.1 總體方案設計內容 2 2.2 總體方案確定 3 3 進給系統(tǒng)設計計算 4 3.1 選擇脈沖當量 4 3.2 計算切削力 4 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 5 4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 13 4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 13 4.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 13 5 步進電機的計算和選型 14 5.1 縱向進給步進電機計算 14 5.2 橫向進給步進電機計算和選型 18 6.CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 21 6.1數(shù)控系統(tǒng)選型 21 6.2步進電動機的驅動器選型 24 6.3驅動器信號輸入輸出 29 7.CA6140電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設計 32 7.1概述 32 7.2電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設計 32 7.3強電柜的安裝與連接 33 總結 34 參考文獻 35 致謝 36 1 緒論 我國的大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)和制造行業(yè)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質量差、檔次低、品種少、成本高、供貨期長，從而在國內、國際市場上缺乏競爭力，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以普通車床的數(shù)控改裝已成必然。 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用，在大中企業(yè)己有較多的使用。在以上數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大多數(shù)處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47. 39億美元，這僅次于美國的53. 67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24. 06億美元，比上年增長27. 3% ，我國很有必要進行數(shù)控化改造。 在日本、美國和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造將是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在日本、美國、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了生產(chǎn)線和機床數(shù)控改造的新的行業(yè)。 企業(yè)要在當前市場競爭激烈，需求多變的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最好的質量、最低價格、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應小批量、多品種的生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了微電子技術、數(shù)控技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工高精度、小批量、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，不需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸會發(fā)生較大變化，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。 數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用逐漸廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是高性能、全功能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無需檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.0~0.02mm，已能滿足CA6140車床改造后加工零件的精度要求。與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下的優(yōu)點：一是適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；二是生產(chǎn)效率高；三是加工精度高；四是經(jīng)濟效益好；五是減輕勞動強 2 度，改善勞動條件；六是有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要內容。許多工廠一面購置數(shù)控機床，一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。 2 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計 2.1 總體方案設計內容 接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計結構和參數(shù)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、執(zhí)行機構的確定、伺服系統(tǒng)的選擇及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。 一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.1.2 控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試和維修都比較簡單。 I 2.2 總體方案確定 2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，循環(huán)加工，暫停，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的平穩(wěn)性和傳動精度，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為消除間隙和提高傳動剛度，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。 系統(tǒng)總體方案框如圖2-1： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 3 進給系統(tǒng)設計計算 3.1 選擇脈沖當量 脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/step。 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量： 縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑) 3.2 計算切削力 用車床經(jīng)驗公式F=D來計算主切削力 式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。 求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。 F：F：F=1 ：0.25 ：0.5 式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 圖3-1縱切和橫切時切削力的示意圖。 圖3-1 縱切和橫切時切削力的示意圖 3.2.1 縱車外圓 主切削力F(N)按經(jīng)驗公式估計算： F=D= （N） 按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N） F（N） 3.2.2 橫切端面 主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N） 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 3.3.1 縱向進給絲杠 3.3.1.1 計算進給軸向力F（N） 縱向進給這里為三角形導軌：F 式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15； ：指滑動導軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值； G：指流板及刀架重力，G=1000N。 則 F=（N） 3.3.1.2 計算最大動負載Q 考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為： Q L n 式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=6； n：指絲杠轉速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/2~1/3，此處取=0.6； ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉為一單位； ：指運動系數(shù)，見表3-1，選=1.2。 表3-1 運轉系數(shù) 運轉狀態(tài) 運轉系數(shù) 無沖擊運轉 1.0~1.2 一般運轉 1.2~1.5 有沖擊運轉 1.5`-~2.5 則 n( r/min) L Q（N） 3.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。 查表：可采用WL4006外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為16400N，符合Q C的條件。精度等級按表 3-2，選為3級。 表3-2 滾珠絲杠行程公差 項目 符號 有效行程（mm） 精度等級 1 2 3 4 5 目標行程公差 e 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動量公差 V 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300 mm內行程變動量 V 6 8 12 16 23 2弧度內行程變動量 V 4 5 6 7 8 3.3.1.4 傳動效率計算 式中 ：指螺旋升角，=244 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。 則 3.3.1.5 剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-2所示，最大軸向力為2558.6N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。 圖3-2 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 查圖，根據(jù)F=mm, 查出,可算出 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其變形量為：。 (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 查圖，W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量μm，因進行了預緊，μm。 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預緊時的推力球軸承則 查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，其=35mm, 滾動體直徑=6.35mm, 滾動體數(shù)量Z=18， 因施加預緊力，故 根據(jù)以上計算 =定位精度 3.3.1.6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。 3.3.2 橫向進給絲杠 3.3.2.1 計算進給軸向力 橫向導軌為燕尾形，計算如下： 由于是燕尾形導軌式中： K=1.4，=0.2 則 N 3.3.2.2 計算最大動負載Q n( r/min) L Q（N） 查表：可采用WL2505外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為9700N，符合Q C的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為3級。 3.3.2.3 傳動效率計算 3.3.2.4 剛度驗算 橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖3-3所示，最大軸向力為2023N，支承間距L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。 圖3-3 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 計算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 查圖，根據(jù)F= mm, 查出,可算出 。 (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 查圖，W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量μm，因進行了預緊，μm。 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預緊時的推力球軸承則 查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其d=15mm, 滾動體直徑=4.763 mm, 滾動體數(shù)量Z=12， ，考慮到進行了預緊，故 mm 則定位誤差 =0.0279 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.03~0.05。重新計算如下： N 根據(jù)，查圖知，，，不變，則 (mm) 定位精度為0.015mm，故此變形量仍不能滿足要求，如果經(jīng)滾珠絲杠再經(jīng)過預拉伸，剛度還可以提高四倍，則變形量<0.015 ，滿足要求。 3.3.2.5 穩(wěn)定性校核 臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。 計算臨界負載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（cm）； ：絲杠支承方式系數(shù)，見表3-3，這里。 表3-3 滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定 0.25 1.00 2.00 4.00 則 N 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表3-4： 表3-4 WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 WL4006 WL2505 螺 紋 滾 道 公稱直徑 40 25 導程 6 5 接觸角 鋼球直徑 3.969 3.175 滾道法面半徑 2.064 1.651 偏心距 0.056 0.045 螺紋升角 螺 桿 絲杠外徑 39 24.365 絲杠內徑 35.984 21.78 螺桿接觸直徑 36.035 21.86 螺 母 螺母螺紋直徑 44.016 23.212 螺母內徑 40.793 20.635 4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為： 4.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 可選定齒輪數(shù)為： == 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取3。有關參數(shù)參照表4-1。 表4-1 傳動齒輪幾何參數(shù) 所處位置 縱 向 橫 向 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓直徑 96 120 72 120 60 75 齒頂圓直徑 102 126 78 126 66 81 齒根圓直徑 88.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5 齒寬 （6~10）m 24 20 24 20 24 中心距 108 96 67.5 5 步進電機的計算和選型 5.1 縱向進給步進電機計算 5.1.1 等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算： 式中 ：指步進電機轉子轉動慣量； 、：指齒輪、的轉動慣量； ：指滾珠絲杠轉動慣量； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指絲杠導程（）； 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量。 （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 5.1.2 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算： 5.1.2.1 快速空載起動力矩 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下： 以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）； ：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）； ：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量； ：指電機最大角加速度（）； ：指電機最大轉速（）； ：指運動部件最大進給速度（）； ：指脈沖當量（）； ：指步進電機步距角（）； ：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms； ：指導程的摩擦力（N），； ：指垂直方向的切削力（N）； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指導軌摩擦系數(shù)，； ：指運動部件的總重量（N）； ：指齒輪降速比；按計算； ：指傳動鏈總效率，一般可??； ：指滾珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）； ：指滾珠絲杠導程； ：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。 將以前計算所得數(shù)據(jù)代入： （） （） （） 則 （） 5.1.2.2 快速移動時所需力矩 （） 5.1.2.3 最大切削負載時所需力矩 （） 從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。 由表5-1得：當步進電機為三相六拍時，，則（N）。 表5-1 步進電機起動轉距與最大靜轉距關系 步進 電機 相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 按此最大靜轉距從表中查出，150BF002型最大靜轉距為13.72，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。 5.1.2 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5-1查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（748.8），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5-1 150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性 5.2 橫向進給步進電機計算和選型 5.2.1 等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算： 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 5.2.2 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算： 5.2.2.1 快速空載起動力矩 （） （） （） 則 （） 5.2.2.2 快速移動時所需力矩 （） 5.2.2.3 最大切削負載時所需力矩 （） 從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。 由表5-1得：當步進電機為三相六拍時，， 則（）。 按此最大靜轉距從表中查出，110BF003型最大靜轉距為7.84，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。 5.2.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 可查出110BF003型步進電機允許的最高空載啟動頻率為1500運行頻率為7000，不能滿足（4000Hz）的要求。再從圖5-2查出110BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（446.92），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，110BF003型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5-2 110BF003型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性 6 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 6.1 數(shù)控系統(tǒng)選型 數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務等進行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交，直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。但該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 我國國內使用的數(shù)控系統(tǒng)基本上分為兩大類：一類是從國外引進技術制造的產(chǎn)品，如日本FANUC公司生產(chǎn)的FANUC-0iMate、德國西門子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一類是在引進、吸收的基礎上研制、開發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)控裝置，如華中數(shù)控系列，GSK系列，南京華興等。對比國內外數(shù)控系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：國外產(chǎn)品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢，但價格很高，使得改造成本提高。國內產(chǎn)品雖然大轉矩、大功率伺服電機的能力沒有國外產(chǎn)品強大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將數(shù)控系統(tǒng)的選擇定位在國內數(shù)控系統(tǒng)上，其中南京華興數(shù)控設備有限責任公司生產(chǎn)的WA310M數(shù)控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數(shù)控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。 WA310M是南京華興數(shù)控設備有限責任公司集十多年數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，在原有多代成熟產(chǎn)品的基礎上，推出的新一代高性能銑床用數(shù)控系統(tǒng)，如圖6-1所示。系統(tǒng)采用超大規(guī)?？删幊屉娐贩桨?，具有更高的加工控制品質和系統(tǒng)升級空間。該系統(tǒng)具有強大的控制功能，可控制數(shù)字式交流伺服單元和三相細分步進驅動器。系統(tǒng)的電子齒輪功能可與任意螺距絲桿直連，螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化，并提高機床的綜合精度，強大的參數(shù)功能使系統(tǒng)具有很強的適應性。系統(tǒng)可控制數(shù)字式交流伺服驅動器及三相細分步進驅動器；系統(tǒng)的電子齒輪功能使得系統(tǒng)可與任意螺距絲杠直聯(lián)；螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化；顯示采用7.4英寸液晶屏彩色顯示，具有加工零件圖形實時跟蹤顯示以及坐標字符顯示的功能，界面設計更為豐富人性化；圖形模擬功能更為強大，具有三維立體模擬和二維平面模擬顯示的功能。系統(tǒng)結構采用整體式工程塑料壓模件，造型美觀；便捷的U盤接口，可實現(xiàn)U盤與系統(tǒng)間的程序互存，以及系統(tǒng)在現(xiàn)場升級功能和直接進行U盤DNC加工的功能。 圖6-1 WA310M數(shù)控系統(tǒng) 表6-1 WA310M車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù) WA310M車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù) 1 適用機床 4軸車床 2 用戶存儲區(qū) 配512K電子盤，121個程序 3 編程尺寸 ±99999.999mm 4 分辨率 0.001MM 5 最大移動速度 60m/min(1MPPS) 6 插補軌跡 直線、圓弧、螺紋、快速定位 7 輸入/輸出 32路/24路，所有I/0口功能均有參數(shù)定義，用戶可設置、修改I/O口功能 8 編程方式 ISO代碼、鍵盤、RS232串行錄入、USB接口定義 9 快速速度范圍 1mm/min ～ 15m/min 10 電子齒輪 16位：16位 11 螺距補償 160點/軸，2～4軸 12 軟件限位 每軸可任意設定區(qū)間 13 參考區(qū) 刀具、系統(tǒng)參數(shù)、螺紋、位參數(shù)等 14 操作方式 自動、手動、步進、MDI、單段/連續(xù)、暫停、手脈、串行或USB下DNC加工 15 顯示界面 具有同步字符顯示功能和圖形界面 16 系統(tǒng)升級 通過U盤或串行口可在現(xiàn)場進行系統(tǒng)升級，無須打開機箱 17 進給倍率設置 16擋撥段開關，倍率范圍5%～300% 18 主軸倍率設置 16擋撥段開關，倍率范圍5%～300% 19 模態(tài)指示燈 指示當前操作狀態(tài) 20 圖形模擬 三維立體和二維平面圖形模擬 6.2 步進電動機的驅動器選型 6.2.1 驅動器選型 根據(jù)設計方案，主傳動的主軸電動機驅動保持原有設備。X、Z進給傳動的設計已在第5章完成，已確定了滾珠絲杠的型號、步進電機的型號等。 步進電機的驅動器主要由環(huán)形分配器和功率驅動電路兩個部分組成，功率驅動電路將環(huán)形分配器輸出的微弱電流進行放大，滿足步進電機的驅動，因此選擇步進電機驅動器的良好性能是保證普通銑床數(shù)控化改造的精度之一。常見的步進電機驅動器的功率驅動電路有五種，其中細分驅動電路是通過控制繞組中的電流數(shù)值來調整步進電機步距角的大小，控制精度高。根據(jù)第2章已選擇的進給傳動選擇的步進電機分別為：110BYG550A、110BYG550C。 查閱相關資料以及產(chǎn)品可知，南京華興數(shù)控設備有限公司的WD5HN5系列?五相混合式步進電機驅動器，高速高轉矩輸出。采用先進的五H橋IGBT驅動電路，鎖定無電磁噪音；信號輸入方式靈活：單/雙脈沖控制、脈沖前/后沿走步均可?；輸入信號經(jīng)光電隔離和數(shù)字濾波器處理后，抗干擾性極高?；撥碼開關直接設定整步/半步運行方式?；封閉結構，外部風冷，尤其適合惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點。 表6-2 WD5HN5驅動器技術參數(shù) 供電電源 單相80V+15%，50、60HZ。容量200VA/軸 輸出電流 3~4.5A/相 驅動方式 PWM斬波、半流鎖定 配套電機 110、130BYG五相十線混合式步進電動機 勵磁方式 五相十拍（0.72度）/五相二十拍（0.36度） 綜合以上產(chǎn)品特點和技術參數(shù)，步進電機110BYG 550A、110BYG 550C的驅動器選擇為：南京華興數(shù)控設備有限公司的WD5HN5系列?五相混合式步進電機驅動器，電氣安裝尺寸如圖6-2所示。 圖6-2 WD5HN5驅動器安裝尺寸 6.2.2 分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電動機定子繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向對應。如對于三相三拍步進電動機，若“1”表示通電，“0”表示斷電，A，B，C是其三相定子繞組，則經(jīng)環(huán)形分配器后，每來一個進給脈沖指令，A，B，C應按（100）→（010）→（001）→（100）→…的順序改變一次。環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。 硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構成的硬件邏輯線路。實際上現(xiàn)在市場上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用。下面主要介紹用計算機軟件實現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。 下面是基于查表法的軟件環(huán)形分配器的程序設計方法，本次銑床改造我們采用五相混合式步進電機。如圖6-3所示為三坐標步進電動機伺服進給系統(tǒng)框圖。x向y向和z向步進電動機的五相定子繞組分別為A1、B1、C1、D1、E1相,A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計算機的PIO（并行輸入/輸出接口）的PA0—PA14相連。環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如表6-1、表6-2和表6-3所示。表中的內容即是步進電動機的勵磁狀態(tài)，與接口接線緊密相關。 圖6-3三坐標步進電動機伺服進給系統(tǒng)框圖 查表法的關鍵是根據(jù)步進電動機當前勵磁狀態(tài)和要求的正向或反向運轉的要求，如何從表中找到相應單元地址，并取出地址的內容輸出。當然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序號）的方法。正轉時，只要步進電動機當前狀態(tài)序號不是表底序號，序號加1就是一下狀態(tài)的序號：若是表底序號，需要將表底序號修改成表首序號。反轉時，須判斷當前序號是不是表首序號，若不是表首序號則序號減1；若是表首序號，需要將表首序號修改成表底序號。 表6-3 X向步進電動機環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 表6-4 Z向步進電動機環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 6.2.3 放大器 從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠、前后沿較好的勵磁電流。常用的有單電壓供電功放電路和雙電壓供電功放電路。這里我們選擇雙電壓供電功放電路。雙電壓供電功率放大器又稱高低電壓供電功放器，如圖6-4所示為高低壓供電定時切換電路的工作原理。 該電路包括功率放大級（由功率管Vg，Vd組成）、前置放大器和單穩(wěn)延時電路。二級管VDd是用作高低壓隔離的，VDg和Rg是高壓放電回路。高壓導通時間由單穩(wěn)延時電路整定，通常為100～600μs，對功率步進電動機可達幾千微秒。 當環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管Vg，Vd同時導通，電動機繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L/（Rd+r）的時間常數(shù)向電流穩(wěn)定值ug/（Rd+r）上升，當達到單穩(wěn)延時時間時，Vg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為ug/ud，則電流上升率也提高ug/ud倍，上升時間明顯減小。當?shù)蛪簲嚅_時，電感L中儲能通過Rg，VDg及ug和ud構成的回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放電過程。這種供電電路由于加快了繞組電流的上升或下降過程，故有利于提高步進電動機的起動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是低壓維持的，只需較小的限流電阻，所以功耗大為減小。 （a）原理方框圖 （b）波形圖 圖6-4 雙電壓供電功率放大器 6.2.4 系統(tǒng)連接 1 數(shù)控系統(tǒng)構成體系 （1）數(shù)控系統(tǒng)構成的機床數(shù)控體系應包括以下內容，系統(tǒng)組成 如圖6-5所示。1）CNC 控制單元及附件；2）步進電機驅動電源/脈沖式伺服單元；3步進電機/伺服電機；4）機床配電柜。 圖 6-5 數(shù)控系統(tǒng)組成 2 數(shù)控系統(tǒng)外部連接 如圖6-6所示，其中4J0、4J1、4J2、4J3為電機接口，5J1為刀架接口，7J1為串行通信接口，8J1為主軸控制接口，5J2為輸入/輸出接口，6J1為主軸編碼器接口，5J3外接手輪接口。 圖6-6 數(shù)控系統(tǒng)外部連接 6.3 驅動器信號輸入輸出 6.3.1 信號輸入輸出 1、信號輸入：CW+、CW-、CCW+、CCW- 雙脈沖控制方式時，CW為正轉步進脈沖信號，CCW為反轉步進脈沖信號，脈沖上升沿有效，其控制器的輸出電路分別為NPN型（如圖6-7（a）中當一路輸出脈沖時，另一路必須保持高電平）和PNP型（如圖6-7（b）中當一路輸出脈沖時，另一路必須保持低電平）時的波形和時序如圖6-3所示。 單脈沖控制方式時，CW此時為步進脈沖信號，CCW為電機方向信號。脈沖上升沿有效。波形和時序圖如圖6-8所示，（a）圖為控制器輸出的電路為NPN型（b）圖為控制器的輸出電路為PNP型?？刂破鬏敵龅拿}沖信號CP接驅動器電源的CW，控制器輸出的方向信號CW接驅動電源的CCW。 （a）控制器的輸出電路為NPN型 （b）控制器的輸出電路為PNP型 圖6-7雙脈沖控制方式波形和時序圖 （a）控制器的輸出電路為NPN型 （b）控制器的輸出電路為PNP型 圖6-8 單脈沖控制方式波形和時序圖 電機使能信號FREE+、FREE-，接口電路原理如圖6-9所示。當驅動電源內部光電耦合導通時，電機上電鎖定；內部光電耦合不導通時，電機處于自由狀態(tài)，如果控制器不輸出該控制信號時，可將FREE+接+5V，而FREE-接5V地。 （a）NPN型接口電路圖 （b）PNP型接口電路圖 圖6-9 接口電路圖 2、信號輸出 NORMAL:綠色環(huán)分指示燈 零位信號輸出，整步運行每十拍亮一次，半步運行時每二十拍亮一次。 WARN:紅色報警指示燈 驅動器出現(xiàn)過流或損壞時此燈亮，知道驅動器斷電時熄滅。 6.4.2 面板開關說明 WD5HN5驅動電源有一個四位撥碼開關用來控制電機運行的狀態(tài)，撥動開關必須在斷電的狀態(tài)下進行。 H/F：開關的第四位在下方即ON狀態(tài)時，電機為整步即步距角為0.72度。開關在上方即OFF狀態(tài)時，電機為半步即步距角為0.36度。 CW/CCW：開關的第三位在下方即ON狀態(tài)時，電動機為正轉。關在上方即OFF狀態(tài)時，電動機為反轉。 CURRENT1、CURRENT2：用來調整電機工作時相電流的大小，開關撥下即ON狀態(tài)時相電流減小，相電流調整如表6-5所示。 表6-5相電流調整表 CURRENT1 ON OFF ON OFF CURRENT2 ON ON OFF OFF 相電流 2.5A 3A 3.5A 4A 7 CA6140電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設計 7.1 概述 任何生產(chǎn)機械電氣的控制系統(tǒng)設計都包括兩個基本方面，一個是滿足生產(chǎn)機械和工藝的各種控制要求，另一個是滿足電氣控制系統(tǒng)本身的制造、使用及維修的需要。因此，電氣控制系統(tǒng)設計包括原理設計和工藝設計兩個方面。前者決定一臺設備的使用效能和自動化程度，即決定生產(chǎn)機械設備的先進性、合理性，而后者決定電氣控制設備生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟性、外觀和維修等方面的性能。 查CA6140普通車床電氣原理圖可知主電路中有3臺電動機，M1為主軸電動機，M2為冷卻泵電動機，M3為工作臺進給電動機。轉換開關SA5控制M1的正反轉運轉，并由橋式整流器VC供給直流能耗制動，由接觸器KM4和KM5控制M3的正、反方向運轉，由機械傳動得到前后、左右和上下的進給和快速移動。在變速時M1和M2都能有沖動作。 CA6140型車床改造前控制內容較多，改造后電氣部分主要采用數(shù)控系統(tǒng)來總體控制，因此，電氣控制相對簡單。 7.2 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設計 本次改造主軸的控制中，主要控制主軸的正轉/反轉、啟動/停止以及冷卻泵的啟動/停止，對機床進給系統(tǒng)電氣改造，在拆除原機床工作臺進給電機以及相應強電電路，設計由KA1控制主軸電機正轉，KA2控制反轉，KM4控制冷卻泵的啟動/停止，各電器元件功過電纜與系統(tǒng)控制箱連接，接受系統(tǒng)的控制。機床電氣原理見附錄D 。 主電路的工作原理是將鑰匙開關向右旋轉，再扳動斷路器QF1以及空氣開關，將電源引入。主軸電動機M1由接觸器KM2、KM3控制，由數(shù)控裝置發(fā)出指令，接觸器KM2得電，主軸電動機M1正轉，接觸器KM3得電，主軸電動機M1反轉；熱繼電器FRl作過載保護，熔斷器FU作短路保護。冷卻泵電動機M2由QF3以及接觸器KM4控制，與主軸電動機M1控制電路構成順序控制，熱繼電器FR2作過載保護。 控制電路中由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制指令，M03主軸正轉、M04主軸反轉、M05主軸停止，伺服驅動器控制進給電機工作。 1 坐標軸的限位緊急停機，是當數(shù)控系統(tǒng)運行出現(xiàn)緊急情況時，而采取的停機措施。按下急停按鈕（SB1）后，驅動器失電，步進電動機失電，主軸電機停止。 2 啟動按鈕（SB2）和停止按鈕（SB3） 啟動按鈕控制驅動器上電，停止按鈕使驅動器失電，最終導致步進電動機的停止。 3 機床原點，是為保證數(shù)控系統(tǒng)加工的精度及可靠性而設置的。系統(tǒng)是用3個行程開關SQ1、SQ2、作為機床各坐標軸的原點檢測器件，可根據(jù)實際情況將它們裝在各坐標軸的相應位置。車床的機床原點，升降坐標(Z)設在接近下限位處，縱向(X)坐標面對機床設在接近右限位處。 4 坐標軸的限位，是為保護數(shù)控系統(tǒng)的運行安全而設置的。在機床升降坐標的上下極限位、縱向坐標的左右極限位、橫向坐標的里外極限位，各附設一行程開關和機械撞塊。將系統(tǒng)的信號線接到3個行程開關SQ1、SQ2、SQ3上，即可實現(xiàn)對各坐標軸的運動限位。 5 冷卻開、停按鈕（SB4和SB5）冷卻電機采用AB-25型電機，SB4控制冷卻開，SB5控制冷卻關（本次設計冷卻不受系統(tǒng)控制） 7.3 強電柜的安裝與連接 將CA6140普通車床數(shù)控化改造后的電氣控制系統(tǒng)和原理圖，控制元件比普通機床多，因此需重新設計電氣柜。對原有機床的控制元件進行測試，主要的接觸器和繼電器還可繼續(xù)使用，其它的控制元件，重新選配。電氣柜主要安裝機床主軸電動機的電氣控制元件、進給系統(tǒng)的電氣控制元件、數(shù)控裝置的電氣控制元件、冷卻泵電路控制元件等。 電器柜由四個螺釘把合在機床后側，數(shù)控系統(tǒng)通過一支撐穿線管固定主機箱，使其位于機床右邊，以利于操作者操作方便，機床電源線以及控制線路由電器柜右下角引入。 機床改造后的供電電源為單機交流380V/50HZ。在機床內部，火線、零線和地線都相對獨立，其插座、插頭的接法均按照國家標準規(guī)定。機床在接通電源之前，盡量派電氣專業(yè)人員對機床全部電氣設備進行檢查，如有元件受潮、發(fā)霉、接線脫落、接插件松動、脫落等現(xiàn)象，必須加以解決。 總結 “ 工欲善其事，必先利其器；士欲宣其義，必先讀其書。”這句話是我本次畢業(yè)設計最深刻的體會。 畢業(yè)設計是對這幾年大學學習的一次檢驗，是對我們大學生活的一次反思。它給了我又一次對本專業(yè)知識系統(tǒng)掌握的機會，讓我對以后的工作生活有所準備。我畢業(yè)設計的題目是CA6140普通車床的數(shù)控化改造，這是一個數(shù)控技術的設計題目。在李老師的指導下，我先從機械部分入手，先進行計算，選擇縱向橫向進給系統(tǒng)的滾珠絲杠及步進電機，然后繪制出縱向橫向進給系統(tǒng)裝配圖。當然這其中遇到了很多問題，如裝配圖的結構問題、電機啟動頻率不能滿足要求等等，在李老師的細心指導下都順利的得到了解決。通過機械部分的設計我對機械裝配和結構有了更深入的學習，CAD繪圖也更加熟練了。設計基本完成后，經(jīng)過李老師的多次檢查使我的設計更加完美。再次對敬愛的李瑞斌老師致以最真誠的感謝。謝謝您，李老師！ 參考文獻 [1] 太原理工大學機械工程學院．數(shù)控機床課程設計指導書，內部資料 [2] 吳宗澤.機械零件設計手冊.機械工業(yè)出版社，2003年 [3] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊.第三版.機械工業(yè)出版社，2004年 [4] 常興、田勇、劉國峰. 普通車床數(shù)控化改造及其設計計算.現(xiàn)代制造工程.2005年第8期 [5] 于濤、袁國久. C6132普通車床的數(shù)控改造.北華大學學報.2005年4月第6卷第2期 [6] 趙松年、張奇鵬.機電一體化機械系統(tǒng)設計[M].上海：同濟大學出版社，1990 [7] 黃家善.計算機數(shù)控技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004 [8] 李善術.數(shù)控機床及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001 [9] 國家教委高等教育司、北京市教育委員會編.高等學校畢業(yè)設計（論文）指導手冊[M].北京：高等教育出版社，1998 [10] 尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007 [11] 李國農(nóng)．普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造實例[J]．水利電力機械，2001 [12] 龍世杰.CA6140車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造[J].機電一體化，1998 [13] 王宗榮、左曉名、魯屏宇.工程圖學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001 [14] 成大先．機械設計手冊單行本機械傳動[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2004 [15] 胡光耀.普通臥式車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造[J].貴州農(nóng)機化，2001 [16] 甘永立．幾何量公差與檢測 [M]．第五版,上海：上海科學技術出版社，2001 致謝 本次畢業(yè)設計得到了指導教師李瑞斌老師的精心指導，同時也得到其他老師的幫助和支持，使得本次畢業(yè)設計順利完成。在設計過程中，老師給予的大力支持，領我們觀察數(shù)控車間的機床構造，給我們講解了數(shù)控設備、數(shù)控技術的發(fā)展趨勢，指出了題目的研究思路和方向。李老師淵博的知識使我受益匪淺，終身受用。在這里表示對李老師衷心的感謝。 37