普通车床数控化改造毕业论文.doc
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1、 济宁职业技术学院 毕 业 设 计(论文)设计(论文)题目: 普通车床数控化改造 姓 名 准考证号 专 业 机电一体化工程(本)指导教师 2013年7月10 日目录一、概述31.1 普通车床数控改造3二、车床改造方案的确定72.1 普通车床的构成72.2总体改造方案9三、步进电机控制系统的设计123.1 步进电机的控制方案123.2 步进电机的恒速控制143.3 步进电机的变速控制163.4 步进电机控制程序设计19四、刀架的选型21五、结束语24参考文献25摘要 企业要在当前市场需求多变,竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品,以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需
2、求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求,数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术,最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序,无需对机床作任何调整,因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。如果将机床设备全部更新换代,不仅资金投入太大,成本太高,而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。采用数控改造技术,不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要,提高了生产率和产品精度,增大了设备适应能力和型面加工范围,还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。所以采用此方法对中、小
3、型企业来说是十分理想的选择。6140型车床具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。本设计就取其为例,主要介绍其数控化改造的方案、以及改造部位的选型与设计计算。关键词:数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。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
4、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
5、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
6、价 目前新经济型数控车床约85万/台,以普通新车床CA6140为例,售价38万台,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2030。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,
7、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
8、: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11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1234567891旧车床继续使用=0.70.250.50.7511.251.51.7522.252更换为全新普通车床=3.5=10.030.070.110.150.190.2
9、30.270.310.353更换为全新数控机床=6.5=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改装为数控机床=3.2=1.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745旧机床大修理=1.8=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各种更新方案的投资和各年使用费用 ( 万元)新设备残值=O5万元,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1234567890.330.941.792.844.065.416.878.4110.023
10、.593.593.683.793.914.064.224.384.564.074.104.134.164.204.254.304.364.412.742.873.043.253.493.754.044.334.642.102.282.532.833.183.573.984.424.87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
11、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。二、车床改造方案的确定 数控技术改造机床是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在数控改造中引入单片机的应用,不但技术上具有先进性,同时,在应用上比其它传统的自动化改装方案有通用性与协调性。我们在实现对机床的改造的过程中坚持这样一条原则:在尽量不改变车床原有功能的基础上,实现自动控制的目的,完成改造。2.1 普通车床的构成 对普通车床的自动改造包括三大部分:机械部分、硬件(含电部分)、软件部分。车床改造前,主要有以下几部分构成。 图1-1 普通车床外形结构图 1床腿 2
12、.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架7回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 11床腿 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱车床部分名称和用途如下:2.1.1 车头部分 1.车头箱 用来带动车床主轴及卡盘转动,变换箱外的手柄位置,可以使主轴得到各种不同的转速。 2.卡盘 用来夹住工件,并带动工件一起转动。2.1.2 挂轮箱部分 用来把主轴的转动传给走刀箱。调换箱体内的齿轮,并与走刀箱配合,可以车削各种不同螺距的螺纹。2.1.3 走刀部分 1.走刀箱利用它内部的齿轮机构,可以把主轴的旋转运动传给丝杠,变换箱体外面的手柄位置,可以使主轴得到各种不同的转速。 2.用来车削螺纹。它能
13、使拖板和车刀按要求的速比作很精确的直线移动。2.1.4 托板部分 1.拖板箱 把丝杠的转动传给拖板部分,变换箱外的手柄位置,经拖板部分使车刀作纵向或横向走刀。 2.托板 分大、中和小托板三种:大的是横向车削工件时使用;中的是纵向和控制吃道时使用;小的是横向较短或者加工角度工件时用的。 3.刀架 用来装夹刀具。2.1.5 尾座 用来安装顶针,支顶较长工件。它还可以安装各种切削刀具。2.1.6 床身 用来支持和安装车床的各个部件,床身上面有两条精确的导轨。托板和尾座可沿着导轨移动。2.1.7 附件 1.中心架 车削较长工件时用来支持工件。 2.冷却嘴 用来注入切削液。2.2总体改造方案 根据实际工
14、况,型车床的数控化改造方案如下:2.21数控系统选用南京产J WK - 15T 型数控系统 一般小型机床的数控化改造多半采用开环控制方式。数控系统多数为以单板机为主控制单元的简易数控系统。因为该控制方式投资少,安装调试方便。这里我们选用南京产J WK -15T 型机床数控系统安装到普通车床上。经过改装后的数控机床工作原理框图如图1 所示。图2-1 数控机床工作原理图 本系统由数控单元双 8031机、步进驱动单元、专用控制程序、功率驱动、步进电机、步进电机减速装置或转位机构和丝杠等组成。在加工零件时, 编制的数控程序数据输入 RAM(62256)中,专用控制程序 EPRAM (27256 .27
15、64) 在中央处理单元的支持下,按照所输入的加工程序数据, 经过计算处理 , 发出一系列的组合脉冲,经过驱动功放,驱动步进电动机,拖动机械负载分别控制纵、横两个方向的运动方向、运动速度、位移长度,实现车床的微机控制。当程序执行到换刀指令时,指令只给四个霍尔元件中的一个提供电源, 并同时接通电机电源使电机正转;当转位完成,霍尔元件反馈, 控制电机反转,夹紧完成;然后执行下面的加工程序。 我们选用的J WK - 15T型机床数控系统,采用ISO国际标准数控代码编程,能自动完成车削端面、内外圆柱面、倒角、任意锥面、球面、圆弧逼近的任意曲面以及公英制的螺纹加工,并配有完备的S、M、T功能。系统采用模块
16、化设计,内部设有计算机、电源、接口、驱动等模块,具有体积小、重量轻、功耗低、功能多、速度高、操作维修方便等特点。22.2 保留原机床的主轴旋转运动,在主轴安装一个脉冲发生器图2-2 主轴箱改造图 在改造时,一般不改造主轴箱。因为若改造主轴箱,必然使机床改造的总费用加大,改造周期也将延长,这样会降低中、小型普通机床的改造的经济价值。在主轴加脉冲发生器,是为了保证车螺纹时严格的运动关系,在主抽上安装GD7072光电脉冲发生器,通过主轴脉冲发生器数控系统步进电机的信息交换系统,实现主轴转一圈,刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。2.2.3 进给系统的改造 取消原进给箱,将原丝杠换成滚珠丝杠,并在其
17、尾端联结一对齿轮进行减速, 然后与步进电机相联。普通车床的进给传动多半为齿轮传动,随着进给变换级数的增多,齿轮对数和操纵机构显著增加。传动链的增长,不仅使进给箱结构复杂,还因齿轮间隙的多个累积,反向间隙增大,急骤地降低了反向定位精度。进给系统的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数,缩短进给传动链。所以一般改造时,是去掉进给箱。 用滚珠丝杠副代替普通丝杠副是因为滚珠丝杠副具有传动精度高、效率高、运动平稳、寿命长以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度,反向定位精度高等特点。2.2.4 导轨副设计 在导轨上粘接软带。滑动导轨的静摩擦因数大,动摩擦因数随速度变化而变化,摩擦损失大,在低速时易出现爬行现象,直
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