四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 I 頁 CA6140CA6140 臥式車床數控化改造設計臥式車床數控化改造設計 專業 數控設備應用與維護 姓名 何波 指導教師 楊金鵬 魯亞莉 摘要 企業要在當前市場需求多變 競爭激烈的環境中生存和發展就需 要迅速地更新和開發出新產品 以最低價格 最好的質量 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多品種 大批量生產要求 數控機床則綜合了數控技術 微電子技術 自動檢測技術等先進技術 最 適宜加工大批量 高精度 形狀復雜 生產周期要求短的零件 當變更加 工對象時只需要換零件加工程序 無需對機床作任何調整 因此能很好地 滿足產品頻繁變化的加工要求 如果將機床設備全部更新換代 不僅資金投入太大 成本太高 而且 原有設備的閑置又將造成極大的浪費 所以最經濟的辦法就是進行普通機 床的數控改造 采用數控改造技術 不但可以使改造后的機床滿足了技術 發展的需要 提高了生產率和產品精度 增大了設備適應能力和型面加工 范圍 還可以彌補定購新的數控機床交貨周期長的不足 所以采用此方法 對中 小型企業來說是十分理想的選擇 本設計采用的 GSK980TA1 進行的 數控化改造 GSK980TA1 系統具有性能良好 結構先進 操作輕便等特點 在我國 機械制造行業中使用非常廣泛 本設計說明書包括 緒論 總體設計方案 的擬定 伺服進給系統的改造設計 自動轉位刀架的選擇設計 編碼盤安 裝等部分的結構設計 關鍵詞關鍵詞 CA6140 車床 數控化改造 進給系統 自動刀架 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 I 頁 目 錄 第 1 章 緒論 1 1 1 本文選題的背景及意義 1 1 2 數控機床的優越性 1 1 3 數控機床在我國的發展現狀 1 1 4 機床數控化改造的必要性 3 第 2 章 總體設計方案的擬定 4 2 1 設計參數 4 2 2 總體方案的確定 4 2 3 改造后機床的特點 7 第 3 章 數控系統軟 硬件的設計 8 3 1 數控系統的特點 8 3 2 硬件設計 9 3 3 軟件功能 10 3 3 1 顯示 11 3 3 2 PMC 控制 11 3 3 3 進給伺服驅動 12 3 3 4 主軸驅動 12 3 3 5 RS 232C 口及數據通訊 13 3 3 6 調機 維護與故障診斷 14 3 3 7 系統的功能 15 第 4 章 機床的電氣改 造 16 4 1 數控系統電氣控制線的連接 16 4 2 數控系統內部總線上數據信息的傳輸 16 4 2 1 數控系統與進給控制模塊間信息傳輸 17 4 2 2 數控系統與輸入輸出模塊間信息傳輸 17 第 5 章 進給伺服系統的設計計 算 18 5 1 縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 18 5 2 橫向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 26 第 6 章 主運動傳動系統總體方案的設 計 34 6 1 主運動傳動系統的設計 34 6 1 1 無級變速傳動系統 34 6 1 2 有級變速傳動系統 35 6 1 3 固定傳動比的傳動系統 35 6 2 電動機的選擇 36 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 II 頁 6 2 1 電動機工作方式的確定 36 6 2 2 電動機類型的確定 36 6 2 3 電動機型號的選擇 36 6 3 箱體的結構設計 36 6 4 主軸脈沖發生器的安裝 37 第 7 章 刀架的選 型 38 第 8 章 設計小 結 40 8 1 優缺點分析 40 8 2 設計的改進及擴展 40 總 結 41 致 謝 42 附 錄 43 參考文獻 46 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 1 頁 第 1 章 緒論 1 1 本文選題的背景及意義 金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器 他 是制造機器的機器 所以又被稱為 工業母機 或 工具機 機床的母機屬性決定了它在國民經濟中的地位 機床工業為各種類型 的機械制造廠提供先進的制造技術與優質高效的機床設備 促進機械制造 工業的生產能力和工藝水平的提高 機械制造工業肩負著為國民經濟各部 門提供現代化技術裝備的任務 即為工業 農業 交通運輸業 科研和國 防等部門提供各種機器 儀器和工具 為適應現代化建設的需要 必須大 力發展機械制造工業 可見 機械制造工業是國民經濟各部門賴以發展的 基礎 而機床則是機械制造工業的基礎 一個國際機床工業的技術水平在 很大程度上標志著這個國家的工業生產能力和科學技術水平 1 2 數控機床的優越性 數控機床是綜合應用計算機 自動控制 自動檢測及精密機械等高新 技術的產物 是技術密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備 它與普通機床相比 其優越性是顯而易見的 不僅零件加工精度高 產品質 量穩定 且自動化程度極高 可減輕工人的體力勞動強度 大大提高了生產 效率 特別值得一提的是數控機床可完成普通機床難以完成或根本不能加 工的復雜曲面的零件加工 因而數控機床在機械制造業中的地位愈來愈顯 得重要 1 3 數控機床在我國的發展現狀 我國是世界上機床產量最多的國家 但在國際市場競爭中仍處于較低 水平 即國內市場也面臨著嚴峻的形勢 一方面國內市場對各類機床產品 特別是數控機床有大量的需求 而另一方面卻有不少國產機床滯銷積壓 國 外機床產品充斥市場 90 年國外數控機床在我國市場的占有率僅達 15 左 右 而 95 年已達 77 嚴重影響我國數控機床自主發展的勢頭 這種現象的出現 除了有經營上 產品制造質量上和促銷手段上等原 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 2 頁 因外 一個主要的原因是我國生產的數控機床品種 性能和結構不夠先進 新產品 包括基型 變型和專用機床 的開發周期長 從而不能及時針對用 戶的需求提供滿意的產品 具體地說 這個問題反映在下列五個方面 1 我國機床廠目前開發基型產品的周期約為 15 18 個月 其中設計時間 約為 5 8 個月 占總周期的 40 左右 而國外一些先進機床廠同類基型產 品的開發周期為 6 9 個月 其中設計約 1 5 2 個月 只占 25 因此無論 是產品開發的總周期還是設計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的 差距 2 我國工廠由于缺乏設計的科學分析工具 如分析和評價軟件 整機結 構有限元分析方法以及機床性能測試裝置等 自行開發的新產品大多基于 直觀經驗和類比設計 使設計一次成功的把握性降低 往往需要反復試制才 能定型 從而可能錯過新產品推向市場的良機 3 用戶根據使用需要 在訂貨時往往提出一些特殊要求 甚至在產品即將 投產時有的用戶臨時提出一些要求 這就需要迅速變型設計和修改相應的 圖紙及技術文件 在國外 這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數天 至一周 而在我國機床廠用手工操作就至少需 1 2 個月 且由于這些圖紙 和文件涉及多個部門 常會出現漏改和失誤的現象 影響了產品的質量和交 貨期 4 現在我國工廠設計和工藝人員中青年占多數 他們的專業知識和實際 經驗不足 又擔負著開發的重任 5 由于長期以來形成的設計 工藝和制造部門分立 缺乏有效的協同開發 的模式 不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見 容易造成產品的反 復修改 延長了開發的周期 為解決這些問題 必須對產品開發的整個過程綜合應用計算機技術 發展優化和仿真技術 提高產品結構性能 并建立起基于并行工程 Concurrent Engineering 的使設計 工藝和制造人員協同工作和知識共 享的產品虛擬開發環境 使用相應的產品虛擬開發軟件 這樣才能有效地 解決產品開發的落后局面 使企業取得良好的經濟效益 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 3 頁 1 4 機床數控化改造的必要性 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數控機床總數只有 11 34 萬臺 即我國機床數控化率不到 3 近 10 年來 我國數控機床年產量約為 0 6 0 8 萬臺 年產值約為 18 億元 機床的年產量數控化率為 6 我國 機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床 不到 20 FMC FMS 等自動化生產線更屈指可數 美國和日本自動和半自 動機床占 60 以上 可見我們的大多數制造行業和企業的生產 加工裝備 絕大數是傳統的機床 而且半數以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這 種裝備加工出來的產品普遍存在質量差 品種少 檔次低 成本高 供貨 期長 從而在國際 國內市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業的產品 市場 效益 影響企業的生存和發展 所以必須大力提高機床的數控化率 經過大量實踐證明普通機床數控化改造具有一定經濟性 實用性和穩 定性 所以很多企業紛紛將現有機床改造成經濟型數控機床 這種做法具 有投資少 見效快的特點 事實證明 用較少的資金 將普通機床改造升 級為數控機床 可以為企業帶來可觀的經濟效益 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 4 頁 第 2 章 總體設計方案的擬定 要求將 CA6140 臥式車床改造成用廣數系統控制的經濟型數控機床 采用伺服電動機半閉環控制 縱向和橫向均具有直線和圓弧查補功能 要 求該車床增配自動回轉刀架和主軸編碼器 具有螺紋切削的功能 系統橫 向分辨率達 0 005mm 2 1 設計參數 1 機床最大加工直徑 在床身上 400mm 在床鞍上 210mm 2 最大加工長度 100mm 3 拖板及刀架重力 縱向 1000N 橫向 600N 4 刀架快移速度 縱向 2m min 橫向 1m min max v 5 最大進給速度 縱向 0 6m min 橫向 0 3m min 6 定位精度 0 015mm 7 主軸電機功率 7 5KW 8 啟動加速時間 30ms 9 最小分辨率 縱向 0 01mm 橫向 0 005mm 2 2 總體方案的確定 1 系統的運動方式和伺服控制系統的選擇 由于改造后的經濟型數 控車床應具有定位 直線插補 圓弧插補 暫停 循環加工 米 英制螺 紋加工等功能 故選擇連續控制系統 根據設計要求 采用伺服電機半閉 環控制系統 2 計算機控制系統的選擇 根據設計要求控制系統采用 GSK980TA1 系統 GSK980TA1 是 GSK980 系列的最新產品之一 采用了 32 位嵌入式 CPU 和超大規模可編程器件 FPGA 運用實時多任務控制技術和硬件插補技 術 實現 m 級精度的運動控制 確保高速 高效率加工 在保持 980 系 列外形尺寸及接口不變的前提下 采用 7 英寸彩色寬屏 LCD 及更友好的顯 示界面 加工軌跡實時跟蹤顯示 增加了系統時鐘及報警日志 在操作編 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 5 頁 程方面 采用 ISO 國際標準數控 G 代碼 同時兼容日本發那科 FANUC 數控系統 國內主流的編程方式 方便操作者更快 更容易使用本系統 GSK980TA1 以最高的集成度 簡易的操作 簡單的編程命令 實現高速 高精及高可靠性 可匹配手脈 電子手輪 及手持單元 伺服主軸 六鑫 刀架 帶就近換刀 等 具有中高性能數控系統的性能和經濟型數控系統 的價格 是經濟型數控車床的最佳選擇 其特點如下 程序預讀功能實現了切削速度最佳的加 減速控制 系統預測控制可預讀多個加工程序段 實現了切削速度最佳的加 減 速控制 從而有效地減少了工件形狀的轉角處或小半徑圓弧的伺服跟蹤誤 差 并有效地提高加工速度和加工精度 彩色寬屏 LCD 有更大的視覺范圍 更豐富的顯示內容 車載視頻彩色 LCD 的采用 使顯示界面更豐富 更友好 視覺范圍更 大 在較強光線的環境下仍能清晰看到系統顯示的內容 倒角 倒圓角 在程序中直接指令倒角長度或倒圓角的半徑等尺寸 簡化了部件加工 程序的編制 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 6 頁 具有輔助軸功能 可控制伺服電機進行定位 匹配伺服主軸 GSK DAP03 時通過速度或位置模式的轉換 可實現主軸 的高速旋轉及對主軸的精確定位與分度 加工軌跡圖形顯示功能 反映工件坐標和刀具補償的刀尖軌跡 進行跟蹤顯示 超大容量存儲器 超大容量存儲器 26M 的存儲空間 最大 500 個加工 程序 滿足多品種 多規格產品的加工需求 一般數控系統的存儲空間 100K 程序數量 100 個 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 7 頁 3 機械傳動方式 為實現機床所要求的分辨率 采用齒輪絲杠的減 速方法 為保證一定的傳動精度和平穩性 盡量減少摩擦力 選用滾珠絲 杠螺母副取代原車床絲杠 為提高傳動剛度和消除間隙 采用有預加載荷 的結構 齒輪傳動也采用消除齒側間隙的結構 經濟型數控車床總體結構 框圖如圖 2 1 所示 光電 隔離 功率 放大 光電 隔離 功率 放大 微 機 伺服 電動機 Z 向 伺服 電動機 X 向 床鞍及拖板 中滑板 圖 2 1 經濟型數控車床總體結構框圖 2 3 改造后機床的特點 1 具有與原機床一致的剛度與強度 2 具有與原機床一致的加工范圍 3 縱向進給直線度與原機床一樣 其運動精度則有數控系統和縱向電機 滾珠絲杠的精度保證 4 橫向進給的直線度和運動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證 5 可充分利用機床床身部分的已加工表面作為改造部分的定位和測量基 準 6 改造后的機床外型將類似于國產經濟型數控車床 整體較美觀 大方 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 8 頁 第 3 章 數控系統軟 硬件的設計 由于本車床經改造后成為一臺專用數控車床 專用于加工車削軸類 盤類零件 因而用廣數 GSK980TA1 控制系統實現本數控系統功能 3 1 數控系統的特點 機床數控系統 CNC 系統 是數控機床的控制核心 隨著機床數控技術 的不斷發展與進步 提高了數控機床的整體性能 尤其是它的加工精度和 生產效率提高得更為顯著 現在 數控機床已在機械工業生產中得到廣泛 應用 目前市場上流行的數控系統 如 FANUC 西門子 GSK980 等都配置有 車床數控系統 能夠勝任車 削加工的大部分工作 并具有價格低廉 可 靠性強 功能強大等特點 在對多家數控系統進行比較后 選擇了 GSK980TA1 型數控系統 數控機床應能長期連續加工 其數控系統必須能 夠長期無故降連續運行 為保證機床長期可靠地運行 數控系統必須有抵 抗惡劣環境的高可靠運行特性 常年的工作考臉證明 GSK980TA1 系統是可靠的數控系統之一 它能在 一般車間環境下運行 其工作場地的室溫為 0 45 相對濕度 75 短時 可達 95 抗震為 0 5 電網電壓波動為 10 15 經對使用中系統的實g 際統計 GSK980TA1 系統的故障率為 0 008 比較好地滿足了我國市場的 要求 GSK980TA1 系統之所以有非常高的可靠性 主要源自以下因素 1 可靠的高質量的元器件及良好的老化篩選工藝 2 大規模及超大規模的專用集成電路芯片 GSK980TA1 系統采用了許多由 富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片 3 全自動化工廠生產制造 多層印刷板的制板 元件的插裝 焊接 印 刷板的檢查 系統的組裝 電機投料 沖片 精鑄 機械加工 裝配 成 品的包裝出廠全部為自動化 這就使得在生產過程中避免了外界 人 的不 穩定因素的干預 所以產品的一致性好 增加了可靠性 4 良好的控制軟件設計 GSK980TA1 系統經過在國內各地數年的運行 積 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 9 頁 累了豐富的數據 因此在軟件設計時考慮了可能出現的各種故障情況 加 入了許多保護和提高可靠性的措施 如開機和狀態切換時的層層檢側 過 壓 過流 反饋斷線等報警 使得機床運行中出現故障時 系統能及時處 理 從而避免了元部件的損壞 5 數字式進給伺服和數字式主軸驅動 數字控制 數據的串行傳輸大大 提高了運行的可靠性 主軸控制信號的傳送使用光纜 使信號減少受外界 來的干擾 3 2 硬件設計 采用 CISC 超大規模集成電路 技術的 GSP 主板 主板上連接可插接 分離的 小模板 對于數控系統 由于其是弱電電路 如果采用 24VDC 為 電源輸入 可以大大降低其熱源和不穩定因素 用戶可以把 24V 穩壓電源 放在電氣柜內 從而大大提高了整個數控系統的可命性能 GSK980TA1 系統的可靠性好 性能 價格比高 在全國各地己銷售 10 余萬臺 隨著大規棋集成電路芯片的發展 GSK980TA1 系統的破件結構已 經改進過多次 目前銷售的 TA1 和 TD 其硬件結構基本一樣 只是控制軸 數不同 所配置的進給軸驅動電機不同 GSK980TA1 系統的 CNC 單元為大板結構 基本配置有主板 存儲器板 I O 板 伺服軸控制板和電源 各板插在主板上 與 CPU 的總線相連 1 主板 主 CPU 在該板上 主 CPU 用于系統主控 原來用 80386 從 1998 年起 改用 80486 DX2 此外 顯示的 CRT 控制也在該板上 2 存儲器板 該板上有 系統的控制軟件 ROM 共 5 片 GSK980TA1 系統可控制 車床 不同類型的機床控制軟件不同 伺服控制軟件 ROM 1 片 PMC L 的 ROM 芯片 2 片 用于存儲機床的強電控制邏輯程序 RAM 芯片 用 于寄存 CPU 的中間運算數據 根據需安裝 COMSRAM 用于存儲系統和 機床參數 零件加工程序 根據用戶要求配置 最大可為 128K 字節 CMOSRAM 與 4 5V 電池相連 關機時保存信息 3 I O 板 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 10 頁 該板是 CNC 單元與機床強電柜的接口 接收或輸出 24V 直流信號 由 PMC 實施輸入 輸出控制 I O 點數可根據機床的復雜程度選擇 標準配置 為 104 個輸入點 72 個輸出點 4 進給伺服控制板 GSK980TA1 系統全部用數字式交流伺服控制 其控制板裝在 CNC 單元 內 插在主板上 即 CNC 單元與進給伺服為一體化設計 伺服板上有 2 個 CPU TMS320 用于伺服的數字控制 每個 CPU 控制 2 個軸 一塊板可控 制 4 個軸 該板接受主 CPU 分配的伺服控制指令 輸出 6 個相位各差 60 的脈寬調制信號 每軸 加于各軸的伺服驅動的功率放大器上 TD 系統為 4 軸 最大配里 控制 2 軸聯動 只用一塊伺服板 5 電源 主要有 5V 直流電 用于各板的供電 24V 直流電 用于單元內各繼電 器控制 除上述這些板外 還有圖形控制板 PMC M 板 遠程緩沖器 REMOTE BUFFER 板 這些板用戶可根據自身要求選訂 6 PLC 功能的內部集成 PLC 功能的內部集成化 提高了 PLC 和 CNC 的內部通訊能力 增強了 機床的邏輯控制 PLC 的 32 輸入和 24 輸出模塊 可以和外圍的電路相連 接 而這種模塊 通過陽 M 提供的電纜和剛 M 數控系統連接 這就提高了 整個機床的可靠性 同時又提高了數控系統的保護 如果有間題 只能損 壞這種模塊 不會對數控系統造成破壞 光纖技術的通訊 可以擴展 PLC 輸入輸出點 通過光纖進行連接 簡化和線路的連接 7 軸轉接模塊 GSK980TA1 提供了軸轉接模塊 機床的編碼器和到伺服的線路可以直 接聯到此模塊 通過它再和數控系統的軸板進行連接 提高了數控系統的 可靠性 如果機床的軸有問題 可以直接把軸模塊上的插頭相對換 就能 很快的查出問題所在 系統內部或外部 3 3 軟件功能 1 CNC 功能 系統軟件的開放性和友好界面 幫助性的編程方式 定義的固定循環 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 11 頁 并使用戶很方便地根據其加工特性進行編寫自己的固定循環 用戶集成的 G 代碼功能 M 功能和 PLC 功能的調用子程序 E 參數 用戶可以通過 E 參 數來讀取或改變 CNC 的數值 強大的通訊功能 RS232IRS4221RS485 邊加工邊傳輸功能 提高了計算機的 CAD CAM 程序的加工能力 完善的絲 杠螺距補償 GSK 的螺距補償為線性補償 補償中僅把相應的拐點坐標值 輸入即可 并且沒有固定的距離和補償值的限制 2 PLC 功能 梯形圖的 PLC 程序 多任務的 PLC 程序的編程結構 提高了 PLC 程序 的編寫和可讀性 梯形圖 PLC 程序在屏幕上的動態顯示 方便了最終用戶 的維修 豐富的 PLC 和 CNC 交換信息量 PLC 圖形界面的管理 3 強大的編程軟件 GSKCC 軟件 Windows 環境下并運行在 PC 計算機上 PLC 程序的編寫 工具 方便的機床程序管理 簡便的通訊能力 PCIONC 間為主從關系 所 有操作均在 PC 側完成 動態的 PLC 程序顯示 PC 側 GSKCC 軟件 Windows 環境并運行在 PC 計算機 調整 NC 的機床參數和 伺服系統 圖形的動態響應 強大的優化功能 方便地調整系統參數 3 3 1 顯示 GSK980TA1 系統的顯示器 480 234 點陣 用彩色液晶顯示器 LCD 標準為 5 7 GSK980TA1 系統有圖形顯示功能 對編制的加工程序進行加工前的 圖形模擬 模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實體形狀 在加工過程中顯 示刀尖的軌跡 使操作員能夠監視切削過程 圖形可局部放大 以便觀察 細部 顯示圖形必須用圖形控制板 該板為專用微機 CPU 用 80186 3 3 2 PMC 控制 PMC 就是可編程序機床控制器 是專門用于控制機床的 PLC GSK980TA1 系統的 PMC 只有 47 條指令 基本指令有 12 條 功能指令 有 35 條 基本指令為 2 進制位的邏輯運算 功能指令主要有數據定義 數據變換 譯碼和代數運算 GSK980TD 系統用梯形圖編制 PMC 順序邏輯程 序 由于有功能指令 使得 PMC 程序編制非常容易 簡捷 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 12 頁 梯形圖可用下述兩種方法編制 用專用的編輯卡利用 LCD 液晶顯示 畫面在系統上現場編制 在計算機上裝入專用軟件用計算機編制 然后 經 RS 232C 口將梯形圖程序傳送到數控系統 調試好的程序要用寫入器寫 入 EPROM GSK980TA1 系統 PMC 控制有 FMC L 和 PMC M2 種 PMC L 的處理機與主 機共用 其處理時間為 6 步 最大步數為 5000 步 PMC M 為專用處理機 徽處理器為 80186 專用一塊板 插在主板上 處理時間為 2us 步 最大 步數為 8000 步 2 種 PMC 的掃描周期均為 I6ms 3 3 3 進給伺服驅動 GSK980TA1 系統進給軸的驅動使用交流同步電動機 目前為 a 系列 根據其負載特性和快速性分為 a 標準型 am 高加速特性 ac 經濟型 和 aL 低慣量型 最大力矩為 400 0 C 配 a 型 0 D 配置 ac 型 mN am 加速特性好 從 0 至最高轉速的啟動過程為 24ms 故用于高速加工 電機軸上裝有脈沖編碼器 每轉發出 65536 個脈沖 經電路倍頻 用 做位置反饋和速度反饋 這種位置反饋 是間接測量工作臺的直線位移 所以稱為半閉環伺服系統 但是 只要設定相應的參數 GSK980TA1 系統可 以使用直線光柵尺 使系統接成全閉環 除此之外 還可接成雙位置反饋 即同時具有上述 2 個閉環 這樣 既可以提高系統的穩定性 還可以提高 系統的快逮性和加工精度 進給伺服單元的控制用前述的軸控制板 該板輸出控制指令信號到功 率放大器 功率放大器為模塊化結構 分為整流模塊和逆變模塊 使用 IPM 元件 LSI 是專用位置控制大規模集成電路芯片 ROM 中存儲的控制程 序主要有同步電機的快速響應矢量控制 IP 調節器 速度和位里的反饋控 制 前饋和提前前饋控制和狀態觀測器 此外 還有許多非線性補償與控 制 如單脈沖抑制 超調抑制 反向間隙加速補償 機床的速度反饋等 還有運行過程的監測及保護 由于有這些控制 使 GSK980TA1 系統運行可 靠 快速 平穩 精度高 3 3 4 主軸驅動 GSK980TA1 系統可以同時控制 2 個主軸電動機 可以是 2 個數字式控 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 13 頁 制的電機 也可以一個為數字式 另一個為模擬式控制電機 模擬控制指 令是 0 10V 的直流電壓 該系統的主軸電機為異步電機 目前為 a 系列 有以下品種 a 標準型 恒功率調速范圍 4 1 aP 恒功率寬調速范圍型 8 1 aC 經濟型 aT 與主軸直連型 主軸電機的最大功率為 37kW 最 高轉速可達 15000r min 用數字式矢量控制 主軸驅動有速度控制和位置控制 2 種工作方式 普通加工為速度控制 主軸電機軸上裝有圓型的磁性傳感器 用做速度反饋 位置控制用于主軸 同步 主軸定向 剛性攻絲 Cs 軸輪廓控制 因此需要控制主軸的轉角或 轉位 輪廓控制時要與其它軸插補 此時需在機床的主軸上裝位置編碼器 位置編碼器有光電式和磁性傳感器 普通為每轉發出 1024 個脈沖 高精 度的發出 360000 個脈沖 轉 主軸控制用單獨的 CPU 控制 處理器為 TMS 320 從 CNC 單元輸出的 控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元 數據為串行傳送 因此可靠性 比較高 3 3 5 RS 232C 口及數據通訊 GSK980TA1 系統有 2 個串口 RS 232C 分 4 個通道 用于系統與外部 設備的數據交換 交換的數據包括 系統及機床的設定參數 PMC 參數 零 件加工程序 刀具補償值 設定的工件坐標系 絲杠的螺補值等 與計算 機相連時 計算機內必須裝有數據傳送軟件 最快的傳送速率為 9600bps 除上述的信息交換外 利用串行通訊還可實現下列方式的在線加工與 機床的 DNC 管理 1 紙帶方式的加工 加工復雜零件時 加工程序非常長 CNC 的內存 容量不夠用 可將程序存于外設 如計算機的軟盤 用電纜將 PC 機與 CNC 經串口連接后 啟動自動加工 CNC 預讀 15 個程序段 開始加工 此后加 工一段讀入一段 直至結束 2 遠程緩沖 REMOTEBUFFER 上述方式雖然解決了長程序的存儲問題 但由于數據的邊讀入 邊處理 邊加工 所以加工速度慢 對于小程序段 快速加工 走刀有停頓現象 為此 開發了 REMOTEBUFFER 功能 該功能 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 14 頁 可實現數據塊的傳送 有 2 種工作方式 計算機存儲的加工程序是通常 的加工代碼指令方式 緩沖器接受后變為 2 進制 然后送到 CNC 執行 計算機存儲的加工程序是按 2 進制編制的 緩沖器收到后不經轉換即送往 CNC 執行 這 2 種方式都比紙帶方式的加工速度快 數據傳送速率最快為 77900bps 最訣加工速度為 15m s 電纜最長可達 100m 無調制解調器時 3 DNC2 它可使 8 臺 CNC 機床與主計算機遠程相連 實現多臺機床的 加工監控與管理 連接方式為點 點式 數據傳輸協議為 LVS2 傳送速率 最高為 19200bps CNC 與主計算機交換的信息除了系統和機床的參數 加 工程序 加工的設定值外 還可傳送機床的工作狀態 如自動加工啟動 停止 加工中暫停 報警等 DNC2 共設計了 60 多條指令 主計算機必須 根據這些指令格式編制相應的處理程序 編程語言用 C 為方便用戶 可 提供宏指令庫 3 3 6 調機 維護與故障診斷 1 伺服參數設定與調整 為了方便調機 系統的 CRT 有進給伺服參數 設定畫面和調整畫面 在參數的設定畫面上 只需設定初始化位 電機代 碼等參數即可設定好所用電機的標準參數 使電機穩定運行 其中的柔性 變速比可設定電機與滾珠絲杠及位置反饋傳感器 脈沖編碼器 之間的齒輪 傳動比 該變比可以不為整數 在伺服調整畫面上可以定量地讀出機床工 作臺移動時各軸的伺服增益 伺服誤差及其變動情況 據此 可判斷系統 運行是否穩定 有無爬行以及跟隨精度等 根據情況進行適當的調整 有 故降時該畫面還顯示伺服的報警 2 主軸參數設定 輸入主軸電機的代碼及初始化位即可設定好主軸電 機的標準參數 電機即可穩定運行 主軸運行有監視畫面 在該畫面上可 讀出主軸電機的轉速 負載百分比及主軸的轉速 從而可以省去通常的轉 速表和負載表 3 加工程序錯誤顯示 程序出錯時 CRT 上顯示報警號 根據報警號 可由說明書中查出錯誤原因 報警表是多年經驗的積累 幾乎所有的編程 錯誤都可從該表中查出 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 15 頁 4 運行故障顯示 CNC 控制軟件的運行 硬件的各主要元件 伺服控 制 主軸控制等出現故障時 CRT 上均顯示相應的報警號 GSK980TA1 系 統對這些故障有較好的保護 例如 伺服反饋斷線形成大開環時 既不會 撞車 也不會損壞元件 5 I O 信號診斷 CRT 可顯示梯形圖 在該圖上可以檢查機床強電信 號的工作 CRT 還有診斷畫面 通過該畫面 根據信號的地址檢查 0 1 狀 態變化 可判斷其是否正常工作 3 3 7 系統的功能 GSK980TA1 系統為全功能型 下列一些功能增加了系統的應用范圍和 操作的方便 Cs 軸輪廓控制 可以省掉 Cf 軸 用主軸的轉動作為回轉坐標與其它 直線軸插補 加工輪廓曲線 剛性攻絲 Z 軸進給與主軸轉動同步 不用 彈簧卡頭實現攻絲 從而提高了螺紋的加工精度 PMC 軸控制 用梯形圖 程序控制伺服進給軸 用于回轉軸分度或定量位置進給 0 C 系統 PMC 可 控制 2 個進給軸 主軸雙刀架 0 1um 分辨率 系統分辨率標準設定為 1urn 可用參數設定為其 1 10 加工程序的后臺編輯 自動切削過程中可 以編輯新的程序 菜單編程 圖形會話在線自動編程 有多種形式 最新的是符號指令形式 易學 易操作 有工藝參數語句 用戶宏程序 一 種參量編程軟件包 用來編制加工程序 適合于成組工藝 或者用其接口變 量編制 PMC 程序 控制 CNC 的運行狀態 CNC 是本系統的核心部分 用以完成人機對話與通訊 解釋機械加工 語言 分配加工任務 以及協調各功能模塊的工作等 輔助控制部分包括 機床的冷卻系統 潤滑系統與主軸運動等方面的控制 同時在主軸箱內安 裝編碼器 以構成加工螺紋所需的主輸系統 c 軸 選用 IOO Opmr 的編碼 器 由于主軸大齒輪為 128 齒 m 5 故編碼器前端齒輪選用 20 齒 其速 比為 6 4 1 則主軸每轉一轉 編碼器將返回 6400 個脈沖 經四分頻后 每轉計數脈沖為 25600 分辨率為 50 625 秒 脈沖 完全滿足數控系統對 C 軸的反饋精度要求 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 16 頁 第 4 章 機床的電氣改造 4 1 數控系統電氣控制線的連接 原機床已有一個電控柜 里面放置了開關 繼電器 接觸器等 根據 改造后的電氣原理圖 設計制作電控柜 淘汰了原有的電控柜 GSK980TA1 數控系統外圍接口棋塊如下 1 RS 232 通訊接口 2 X 軸 Z 軸及主軸控制接口 用來控制 X 軸 Z 軸伺服電機的運動及 主軸的轉速 3 編碼器反饋信號接口 用于與主軸電機的編碼器的連接 編碼器的 作用是將轉速信號轉換為脈沖信號 從而實現了對主軸轉速的檢測 這在 螺紋加工的時候是不可缺少的 4 手搖脈沖發生器接口 實現手動 聯動切削 5 開關量輸入輸出接口 輸入信號主要用于 X Z 方向是否超程的檢 測 刀架的位置檢測 坐標原點位置檢測等 輸出信號主要用于主軸的轉 速控制 主軸的正 反轉或停止控制 主軸的冷卻液的開 閉控制 刀架 正 反控制等 另外 輸入模塊除接受一般的 24VDC 開關量外 還可以接 三線式的接近傳感器信號 這樣對該機床的一些三線式接近開關 提供了 方便可靠的連接 6 機床操作面板接口 GSK980TA1 機床操作面板有多達 39 個自定義 鍵 面板與系統采用光纖連接 結合該機床控制操作的自身特點要求 在 機床立板上定義了一些操作鍵 完全滿足了機床控制的要求 7 模擬輸入輸出及外部中斷接口 此接口為機床提供了一個靈活的模 擬輸出口 便于與其它模塊相連 8 密集型面板接口 可通過密集型面板進行參數設定 輸入零件加 工程序 實時跟蹤加工情況 4 2 數控系統內部總線上數據信息的傳輸 數控系統與功能模塊間的數據交換可方便地利用總線進行 系統中總 線上的數據信息傳遞是通過公共數據區進行的 如數控系統將數據寫入進 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 17 頁 給控制模塊的公共數據區 供模塊內 CPU 隨時讀取 同樣進給控制模塊 CPU 發出數據信息也要寫入公共數據區 供數控系統隨時讀取 為了保證系統的高效運行 要求所傳輸的每個數據信息都應選用最有 效率的信息 即是必須傳輸的 意義準確完整的 和盡量選用使用頻率高 的信息 這有助于提高系統的可靠性 運行效率和減少信息傳輸費用 以 下為機床數控系統內部總線上傳輸的各種信息 4 2 1 數控系統與進給控制模塊間信息傳輸 數控系統發出 設定值 控制參數 PID 調節參數 行程極限 速度極限 控制字 進給控制運行 運行 停止等 進給控制給定 位置進給量 速度進給量 進給控制模塊發出 運行狀態 正常運行 加工受阻 停止加工 運行參數 實測位置 實測轉速 4 2 2 數控系統與輸入輸出模塊間信息傳輸 數控系統發出 主軸轉速設定值 邏輯控制 控制刀架 冷卻泵 冷卻閥等 輸入輸出模塊發出 實測主軸轉速值 運動邏輯狀態 刀具到位識別 液壓卡盤夾緊 主軸超速 機床原點 越 位限制等 對上列數據信息 根據其表示方式與內容要求 在控制系統中 為它們各自分配存儲空間 設計傳輸通道 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 18 頁 第 5 章 進給伺服系統的設計計算 5 1 縱向機械傳動部分的數控化改造和設計計算 1 切削力的計算 由 機床設計手冊 可知 切削功率 KPPc 式中 主軸電動機功率 PKWP5 7 主傳動系統總效率 一般為 0 75 0 85 取 8 0 進給系統功率系數 取 K96 0 K 則 KWKWPc76 5 96 0 8 05 7 切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力和最大切削轉 速來計算 即 3 10 60 vF P Z c 式中 主切削力 N Z F 切削速度 m min v 按最大切削速度計算 取m min 則主切削力100 v NN v P F c Z 345610 100 76 5 60 10 60 33 由 機床設計手冊 可知 在外圓車削時 ZX FF 55 0 1 0 ZY FF 65 0 15 0 取縱向切削分力 橫向切削分力 則 ZX FF5 0 ZY FF6 0 NNFF ZX 172834565 05 0 NNFF ZY 6 207334566 06 0 2 滾珠絲杠設計計算 螺紋滾道型面的選擇 單圓弧型面 雙圓弧型面 要求 經濟 易調試 穩定 方案 選用雙圓弧型面 原因 雙圓弧型面的接觸角不變 雙圓弧交接處尚有小空隙可容納一些臟 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 19 頁 物 這對滾珠絲杠有利而不致堵塞 滾珠循環方式 內循環 外循環 方案 選用外循環 原因 結構簡單 工藝性優良 適合成批生產 經濟實用 適用于重載荷 傳動 高速驅動及精密定位系統 是目前應用最廣泛的結構 軸向間隙的調整和預緊力的選擇 墊片式 螺紋式 齒差式 要求 經濟可靠 易拆裝 剛度高 方案 選用雙螺母墊片式預緊 原因 結構簡單 裝卸方便 剛度高 3 計算進給牽引力 N 可根據 機床設計手冊 中進給牽引力的 m F 試驗公式計算 縱向為三角形導軌 則 GFfKFF ZXm 式中 切削分力 N X F 顛覆力矩影響的試驗系數 K15 1 K 滑動導軌摩擦因數 取 f18 0 15 0 f16 0 f 溜板及刀架重力 GNG1000 則 NNNFm16 2700 10003456 16 0 172815 1 4 計算最大動載荷 N C mHW FfftC 3 其中 6 10 60nT t 0 1000 P v n s 式中 壽命 以為 1 單位 t 6 10 絲杠轉速 n 滾珠絲杠導程 0 P 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 20 頁 最大切削力下的進給速度 可取最高進給速度的 1 3 1 2 s v 本機床取 1 2 運轉系數 按一般運轉 取 W f5 12 1 W f3 1 W f 硬度系數 為 60時 1 小于 60時 H fHRC H fHRC 1 本機床取 1 H f 使用壽命 按 15000h 計算 T 則 min 50min 6 5 06 010001000 0 rr P v n s rr nT t萬萬45 10 150005060 10 60 66 NNFfftC mHW 8 1248516 270013 145 33 5 選擇滾珠絲杠螺母副 查 機械零件設計手冊 根據 是絲杠的額定載荷 見表 5 1 的原則 使選取的滾珠絲杠 a CC a C 的額定動載荷大于計算的最大工作載荷 由上面初選絲杠導程及計算所得 的最大動載荷 選取絲杠型號為 CDM4006 5 的額定動載荷為 28771N 12485 8N 故強度足夠 CDM4006 5 型號滾珠絲杠具體參數見 表 5 1 表 5 1 CDM4006 5 型號滾珠絲杠具體參數 公稱直徑 mm 導程 mm 鋼球直徑 mm 絲杠外徑 mm 螺紋底徑 mm 額定載荷 N 0 d 0 P W D 1 d 2 d a C a C0 接觸剛 度 N um 4063 96939 535 128770959702191 螺母安裝連接尺寸 mm D 1 D 3 D 4 DB 5 D 6 DhL 1 LCAM 71 110901591591385473M6 6 滾珠絲杠的驗算 1 傳動效率計算 根據 機械原理 絲杠螺母副的傳動效率為 0 tan tan 0 式中 摩擦角 0 1 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 21 頁 螺旋升角 根據 可得 公稱直徑 螺距 14 3 tan 372 則 966 0 01372tan 372tan tan tan 0 2 剛度驗算 滾珠絲杠工作時受軸向力和轉矩的作用 將引起導程的 0 P 變化 因滾珠絲杠受轉矩時引起的導程變化很小 可忽略不計 所以工作 負載引起的導程變化量為 0 P EA PF P m0 0 式中 材料彈性模量 對于鋼 EMPaE 4 10 6 20 26 10 6 20cmN 滾珠絲杠的截面積 按絲杠螺紋底徑確定 即 Adcmd51 3 則 22 67 9 4 cmdA 滾珠絲杠導程 0 PcmmmP6 06 0 其中 用于拉伸時 用于壓縮時 cm EA PF P m6 6 0 0 10133 8 67 9 10 6 20 6 016 2700 滾珠絲杠受轉矩引起的導程變化很小 可以忽略不計 即 P 所以導程變形總誤差為 01 PP 總 P 0 0 P P P P 總 總 式中 縱向最大行程 由 機床說明書 可知 總 P 則cmmmP90900 總 mmP 2 1210133 8 6 0 90 6 總 由 機床說明書 可知 絲杠縱向有效行程為 900mm 且絲杠精度等 級為 3 級 查 機械零件設計手冊 電子版 有效行程內的目標行程公 u l 差和行程變動量見表 5 2 縱向行程允許的行程變動量為 p e up V 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 22 頁 17 CDM4006 5 的為 12 28824 4N 故強度足夠 CDM2004 5 型號滾珠絲杠具體參數見 表 5 4 表 5 4 CDM2004 5 型號滾珠絲杠具體參數 公稱直徑 mm 導程 mm 鋼球直徑 mm 絲杠外徑 mm 螺紋底徑 mm 額定載荷 N 0 d 0 P W D 1 d 2 d a C a C0 接觸剛 度 N um 2042 38119 717 010639287221178 螺母安裝連接尺寸 mm D 1 D 3 D 4 DB 5 D 6 DhL 1 LCAM 40 6653115 81061003943M6 6 滾珠絲杠的驗算 1 傳動效率計算 根據 機械原理 絲杠螺母副的傳動效率為 0 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 29 頁 tan tan 0 式中 摩擦角 0 1 螺旋升角 根據 可得 公稱直徑 螺距 14 3 tan 463 則 972 0 01463tan 463tan tan tan 0 2 剛度驗算 滾珠絲杠工作時受軸向力和轉矩的作用 將引起導程的 0 P 變化 因滾珠絲杠受轉矩時引起的導程變化很小 可忽略不計 所以工作 負載引起的導程變化量為 0 P EA PF P m0 0 式中 材料彈性模量 對于鋼 E 26 10 6 20cmNE 滾珠絲杠的截面積 按絲杠螺紋底徑確定 即 Adcmd7 1 則 22 27 2 4 cmdA 滾珠絲杠導程 0 PcmmmP4 04 0 其中 用于拉伸時 用于壓縮時 cm EA PF P m 6 6 0 0 1096 17 67 9 10 6 20 6 016 2700 滾珠絲杠受轉矩引起的導程變化很小 可以忽略不計 即 P 所以導程變形總誤差為 01 PP 總 P 0 0 P P P P 總 總 式中 縱向最大行程 由 機床說明書 可知 總 P 則cmmmP24240 總 mmP 78 101096 17 4 0 24 6 總 由 機床說明書 可知 絲杠縱向有效行程為 900mm 且絲杠精度 等級為 3 級 查 機械零件設計手冊 電子版 有效行程內的目標行程l u l 四川信息職業技術學院畢業設計說明書 論文 第 30 頁 公差和行程變動量見表 5 5 縱向行程允許的行程變動量為 p e up V 12 CDM4006 5 的為 10 78 12 故剛度足夠 m 總 P m m 表 5 5 有效行程內的目標行程公差和行程變動量 單位 u l p e up Vm 精度等級有效行程 mmlu 12345 大于至 p e up V p e up V p e up V p e up V p e up V 3156688121216162323 80010001191513211729254033 3 穩定性校核 要使滾珠絲杠不失穩的條件是 臨界負載荷 根據公式 max FFk K L EIf F k k 2 2 式中 絲杠支承方式系數 查 機械零件設計手冊 可知 k f 雙推簡支 0 2 k f 材料彈性模量 對于鋼 EMPaE 6 10 6 20 絲杠兩支承端距離 查 機械零件設計手冊 可知 L CDM2004 5 絲杠兩支承端距離為 600mm 60cm 滾珠絲杠的靜安全系數 取 K4 1 K 截面慣性矩 I 其中 4 64 dI 2 1 0W Ddd 滾珠絲杠的公稱直徑 0 dcmmmd220 0 滾珠絲杠的滾珠直徑 則 W DcmmmDW2381 0 381 2 444 41 0 2381 0 2 12 64 cmcmI NNFk11566 4 1 60 41 0 10 6 2014 3 0 2 2 62 7 確定齒輪傳動比 可由式計算 其中 0 360 P i b p 步 005 0 mm p 參考 實用微電機手冊 初選 則 b 75