普通机床如何改造成数控机床.docx
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普通机床如何改造成数控机床
摘要
针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床,其加工精度较低、不能批量生产,自动化程度不高,自适应性差,但考虑投资成本,产业的连续性,又不能马上被淘汰,购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高,许多企业在短时间内无法实现,这严重阻碍企业设备更新的步伐。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。
为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统,把普通机床改装成数控机床,不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径,是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法,也是提高机床数控化率的一条有效途径。
改造后的车床属于开环控制。
由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。
因此,合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。
步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求,所以,改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。
步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件,与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点,在众多领域中获得了广泛的应用。
为了得到性能优良的控制结果,出现了很多步进电机控制系统,其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。
很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好,本文采用的控制电路主要由8031单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel一8279等组成,单片机是控制系统的核心。
文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的设计。
本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上,主要针对中小型普通车床控制系统进行改造,用单片机系统实现弱电控制强电机,改造了系统的切削工艺,提高了切削精度和效率,对旧车床的数控改造有一定的指导作用,是一种新的尝试,也必将有更加广阔的应用前景。
关键词:
数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。
ABSTRACT
Mostenterprisesstillhavelargeamountsgeneral—purposemachinetoolswhichhavelongevityofservice,lowprecision,can’tadapttomassproduction,lowautomatizationandadaptability,butcallnotbewashedoutbecauseofitslowcostandcontinuityofenterprise’Sproduction.PurchaseofnewCNCmachinetoolsistoimproveproductqualityandefficiencyofanimportantway,butthecostsarehigh,manycompaniescannotbeachievedinashorttime,whichseriouslyhinderedthepaceofbusinessequipmentupdates.Enterprisesinthefiercecompetitioninthemarkettosurvive,andseekdevelopment,itmustintheshortestpossibletimeandwithexcellentquality,lowcost,tocreatealinewithmarketneeds,performance,therightproducts.Tothisendreformtheexistingoldmachine,equippedwithsuitablecontrolsystem,convertedintotheordinaryCNCmachinetools,afterasmallinvestment,improveproductqualityandproductionefficiencyoftheshortcut,manycompaniesarecurrentlyupgradingofexistingequipmentPreferredoption,butalsoimprovetherateofCNCmachinetoolsisaneffectiveway.
Aftertransformation,thelatheisopen-loopcontrol.Becausetheinherentopen-loopsystemisnoteasytoensureaccuracyflaws.Therefore,areasonablechoiceservosystemisacentralpartofthesubject.Characteristicsofsteppermotorprincipleandpracticalapplicationofthisjusttomeetourneeds,sothereformthesystemchosenasthebi-directionalsteppermotorfeeddrivemotor.Steppermotoriscontrolledbyelectricalpulsesignalphaserotationangleofwindingcurrenttoachievegiventhemechanicalandelectricalcomponents,comparedwithothertypesofmotorcontrolwitheasy-to-open-loopprecision,noaccumulationoferrors,etc.,inmanyfieldstoobtainawiderangeofapplications.Inordertoobtaingoodcontrolperformanceresults,therehasbeenalotofsteppingmotorcontrolsystem,whichusessinglechipasthecontrolofthecontrolsystemhasbeenwidelyused.Manyofthesecontrolthesteppermotordrivesystemhasbeendoingverywell,inthispaper,thecontrolcircuitmainlyby8031,crystaloscillatorcircuit,theaddresslatch,decoder,EEPROMmemory,andprogrammablekeyboard/displaycontrollerIntel-8279andothercomponents,SCMisthecontrolcoreofthesystem.Inthispaper,thesystemarchitectureandhardwareimplementationofthecircuitandthedriversoftwarehasdoneadetaileddesign.
Thedesignoftheoriginalmachinetoolssector,performanceandfunctionbasedonthefullstudy,themaincontrolsystemforsmalllathestotransform,toallowmanualcontrolintothegroundsoftheimplementationoftheautomaticcontrolofthesteppermotor.ThispaperdescribesthetransformationofCNCmachinetools,machinepartsdesignanddrivecircuitdesign,hardwaredesignandsoftwaredesignwork.Becausethissystemusesmechanicalandelectricalintegrationmethod,theSCMsystemtoachievehighpowerelectroniccontrolandtransformthesystemofthecuttingprocessandimprovethecuttingaccuracyandefficiency,forTransformationofoldbedoftheCNChasaguidingrole,isanewattemptwillalsohaveamorebroadapplicationprospects.
Keywords:
CNC(ComputerizedNumericalControl),automaticcontrol,steppingmotor,harmonicreducer
前言
数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门。
随着科学技术的进步,使得自动化技术已遍及人们日常生活和国民经济的各个领域,特别是在机械加工领域中越来越占主导地位。
我国是有300多万台机床的国家,而这些机床又是多年累积生产的通用机床,自动化程度不高,要想在近几年内大量用自动、半自动和精密设备更新现有机床,不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。
因此,尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装,是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。
在人们的要求日益提高的今天有着广阔的发展前景。
那么,把原有的手动机床改造成自动机床就成为当前所面临的普遍而有迫切的任务。
它可以使许多以往被废弃并不用的机床得到重新利用,不仅为国家节约了大量的财力和物力,而且达到了变废为宝的目的。
作为数控技术改造的车床,它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段,为今后使用全功能数控机床,培养人才,积累维护、使用经验,而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。
本课题针对中小型普通车床的加工过程进行了研究,并翻阅了许多文献资料,把手动的部分改造成了由步进电机控制的简易自动机床,并随之进行了必要的设计和研究。
本课题是普通车床改造成自动车床的一个尝试,对其控制系统的设计进行研究。
前言-----------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅴ
一、概述---------------------------------------------------------------------1
1.1普通车床数控改造--------------------------------------------------1
1.2普通机床数控化改造经济性评价--------------------------------------------------------2
1.3数控机床伺服系统的选择------------------------------------------------------------------6
二、车床改造方案的确定------------------------------------------------------7
2.1普通车床的构成----------------------------------------------------------------------------8
2.2步进电机的控制选择、安装、与控制-----------------------------------------------9
2.3普通车床传动系统的改造---------------------------------------------------------------------10
2.4车床改造机械部分具体零件的设计11
2.5驱动电路的确定----------------------------------------------------------------------------3
2.6I/O接口的确定-----------------------------------------------------------------------------13
三、改造车床主轴及控制系统--------------------------------------------------15
3.1改造主轴电机-------------------------------------------------------------------------------15
3.2改进刀架--------------------------------------------------------------------------------------15
四步进电机驱动电路的设计----------------------------------------------------------------------------17
4.1功率放大器的设计-------------------------------------------------------------------------18
4.2环形分配器的设计-------------------------------------------------------------------------21
五步进电机控制系统的设计-----------------------------------------------------------------------------25
5.1步进电机的控制方案--------------------------------------------------------------------25
5.2步进电机的恒速控制--------------------------------------------------------------------------26
5.3步进电机的变速控制-------------------------------------------------------------------28
七结束语---------------------------------------------------------------------------------------------------32
八致谢------------------------------------------------------------------------------------------------------33
参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------------34
一、概述
1.1普通车床数控改造
数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备,在机械制造业中发挥着重要的作用,能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题,且产品加工质量稳定,生产效率较高。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高,很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金,这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐;同时目前大多数企业还有数量众多,而且还具有较长使用寿命的普通机床,由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产,生产的自动化程度不高,生产自适应性差,但考虑投资成本,产业的连续性和转型周期,又不能马上淘汰。
而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统,把普通机床改装成数控机床,是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法,也是提高机床数控化率的一条有效途径,不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量,提高生产效率的捷径,使企业提升竞争力,在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中,占有一席之地。
对于本课题,既可以达到完成毕业设计的目的,又可以达到研制新成果,开阔科研门路的目的。
普通车床自动控制系统研制,是利用传统普通车床,结合计算机、电子科技知识,变动手为自动,由粗加工变精加工,实现“变废为宝”的最终目的,成品的主要用处为:
既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件,又可以作为直观、实效的机电演示设备,结合理论教学最直接的实现由单一机械产品,经电子化改造变为以机电为动力最终实现精密机械加工的数控机床。
1.2普通机床数控化改造经济性评价
目前新经济型数控车床约8.5万/台,以普通新车床CA6140为例,售价3.8万/台,使用寿命8-10年,而已使用了6-8年的旧车床CA6140,估价0.5万/台,通过改造还可使用4-6年。
普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万,数控加工的生产率可提高20.30%。
因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。
设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验,适应生产的需要,改变现有设备的结构(包括更换新部件、新装置、新附件等),改善现有设备的技术性能,使之全部或局部达到新设备的性能。
设备现代化改造是广义设备更新的一种方式,因此,研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。
一般情况下,与现代化改造并存的可行方案有:
继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更换新设备。
决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。
针对各种方案的设备使用总成本,进行经济分析[1],选用下列公式计算:
=
=
=
=
式中:
——旧设备到j年的使用总成本;
——原型新设备到j年的使用总成本:
——高效率新设备到j年的使用总成本:
——现代化改装后设备到j年的使用总成本;
——大修理后设备到j年的使用总成本:
——旧设备继续使用时的劳动生产率系数;
——原型新设备的劳动生产率系数;
——高效率新设备的劳动生产率系数;
——现代化改装后的劳动生产率系数;
——大修理后的劳动生产率系数;
——原型新设备的价值;
——高效率新设备的价值;
——旧设备现代化改装的价值:
——设备大修理费用:
——旧设备在j年的使用费用;
——原型新设备在j年的使用费用;
——高效率新设备在j年的使用费用;
——现代化改装后在j年的使用费用;
一——大修理后在j年的使用费用:
——原型新设备使用j年后的残值;
——高效率设备使用J年后的残值;
——第j年的现值系数,i为贴现利率;j为设备使用年限,(j=l,2,3,..n)。
比较各种方案的设备使用总成本,取总成本最小的方案。
各种方案投资成本
及生产率以及各年使用成本列于表1.1所示:
序号
可行方案
基本
投资
劳动生产
力系数
各年使用费用·
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
旧车床继
续使用
=0.7
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2
更换为全
新普通车床
=3.5
=1
0.03
0.07
0.11
0.15
0.19
0.23
0.27
0.31
0.35
3
更换为全
新数控机床
=6.5
=1.6
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
4
改装为数
控机床
=3.2
=1.2
0.1
0.18
0.26
0.34
0.42
0.5
0.58
0.66
0.74
5
旧机床大
修理
=1.8
=0.9
0.1
0.19
0.28
0.37
0.46
0.55
0.64
0.73
0.82
表1.1各种更新方案的投资和各年使用费用(万元)
新设备残值
=
=O.5万元,旧设备残值
=
=0,利率i=8%
将上表所列数据代入各计算公式得出各种方案逐年使用成本见表1-2:
年份
方案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.33
0.94
1.79
2.84
4.06
5.41
6.87
8.41
10.02
3.59
3.59
3.68
3.79
3.91
4.06
4.22
4.38
4.56
4.07
4.10
4.13
4.16
4.20
4.25
4.30
4.36
4.41
2.74
2.87
3.04
3.25
3.49
3.75
4.04
4.33
4.64
2.10
2.28
2.53
2.83
3.18
3.57
3.98
4.42
4.87
表1-2各种方案逐年设备使用总成本汇总表(万元)
由以上计算结果,比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。
如果设备只使用3年,以继续使用原设备方案为最佳;如果使用4-6年,则对原设备进行大修理的方案为佳;如果设备使用6年以上到8年,则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床;如果使用9年以上,则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。
因此通过以上经济性评价,对使用6到8年的普通车床,将其改造为数控化车床,
是比较经济和可行的。
1.3数控机床伺服系统的选择
数控机床按伺服控制主要有三种类型,改造时,应根据具体情况进行选择。
1.3.1开环控制系统
系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。
由数控系统送出的进给指令脉
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