最新CA6140车床数控化改造解析.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateCA6140车床数控化改造解析三一混凝土输送泵 摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量,大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵,一次性投入对企业来说负担很大。另一方面,在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力
2、的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金,还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言,通过闲置的普通车床进行数控化改造,可盘活资产,实现资产优化配置,同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000,通过对该机床的结构特点进行分析,对机械和电气进行数控化改造,改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。 第一章 数控机床的结构和工作原理1.1数控车床工作原理及加工特点以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床,简称为
3、数控机床。数字控制系统是相对于模拟系统而言:数字控制系统中的信息是数字量,而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展,硬件数控系统已被逐渐淘汰,取而代之的是计算机数控(CNC)系统。 图1-1 数控车床1数控车床的工作原理数控车床加工零件时,首先应编制零件的数控程序,这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变速、启停,进给运动的方向、速度和位移大小,以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作,使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作,从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。2数控车床的加工特点 (1)高难度
4、零件加工:“口小肚大”的内成型面零件,有仅在普通车床上难以加工,还难以测量。 (2)高精度零件加工:高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 (3)高效率完成加工:为了提高车削加工的效率,通过增加车床的控制坐标轴,就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件,也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。1.2 数控车床的组成数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统 图1-2 数控车床的组成 数控车床各个方面的性能比
5、普通车床优越,如:结构刚性好,能适应高速和强力车削需要;可靠性好能适应精密加工和长时间连续工作主轴回转精度,直接影响到零件的加工精度;数控车床的导轨结构有传统的滑动导轨(金属型),也有新型的滑动导轨(贴塑导轨)。贴塑导轨的摩檫系数小,耐磨性、耐腐蚀性及吸振性好,润滑条件优越;机械传动机构比普通车床简单,传动链短;刀架是数控车床普遍采用的一种最简单的自动换刀设备;辅助装置:可配有对刀仪、位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置等。 1.程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对零件进行工艺分析的基础上,确定零件坐标系上的相对位置,即零件在机床上的安装位置;刀具与零件相
6、对运动的尺寸参数;以及辅助装置的动作。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工的数控程序单,编制程序的工作可由人工进行,或者在数控机床以外用自动编程计算机系统来完成,比较先进的数控机床,可以在它的数控装置上直接编程。 编好的数控程序,存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上,它可以是穿孔纸带、录音磁卡、软磁盘等,采用那种存储载体,取决于数控装置达到设计类型。 2.输入装置 它的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号,传送并存入数控装置内。根据程序存储介质的不同,输入装置可以是光电阅读机、录音机或软盘驱动器。有些数控机床,不用任何程序存储器,而是将数控程序单的内容通过数控装置上的键
7、盘,用手工的方式(MDI方式)输入,或者将数控程序由编程计算机由通信的方式传到数控装置。 3.数控装置及强电控制装置 数控装置是数控机床的核心,它接受输入装置送来的脉冲信号,经过算术装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后,输出各种信号和指令控制机床的各个部分,进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是:经插补运算决定的各坐标轴(即作进给运动的各执行部件)的进给速度、进给方式和位移方向和位移量指令,送伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动。其他还有主运动部件的变速、换向和启停信号;选择和交换刀具的刀具指令信号;控制冷却、润滑的启停。工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助
8、指令信号等。 强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。其主要作用是接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择转换、辅助装置动作多功能指令信号,经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件,以完成指令所规定的动作。此外还有开关信号经它送到控制装置进行处理。 4.伺服驱动系统及位置检测装置 伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成,并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每一个作进给运动的执行部件,都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。
9、在半闭环和闭环伺服驱动系统中,还得使用位置检测装置,间接或直接测量执行部件的实际进给位移,与指令位移进行比较,按闭环原理,将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。 5.机床的机械部件 数控机床的机械部件包括:主运动部件,进给执行部件如工作台,拖板及其传动部件和床身立柱等支承部件,此外,还有冷却、润滑转位和夹紧等辅助装置。数控机床机械部件的组成与普通机床相似,但传动结构要求更为简单,在精度、刚度、抗震性等方面要求更高,而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。第二章 机床改造的总体方案设计21基本思路总体方案内容包括:系统运动方式的确定,伺服系统的选择,执行机构的结构及传动方式的确定等。对于普通
10、车场的经济型数控化改造,在考虑总体改造的方案时,应遵循的基本原则是在满足改造要求的前提下,对机床的改动尽可能少,以降低成本。 图2-1 基本思路图22总体方案设计1主轴系统改造 保留了原来的主轴变速箱,不采用变频器,使用皮带主轴编码器。该系统的主轴速度也是有级调速,共12个档位24级,速度可以从40rpm到1200rpm,不过每一档的速度可以根据需要通过设置变频器来实现。可以用数字量控制电机的正,反转,停止及各档速度。本系统采用手工机械调速,所有的速度均由G代码中的S命令来控制。软件可以读取G代码。2进给系统的设计 考虑到该数控系统是开环控制,没有位置反馈,故进给系统尽可能的要减少中间传动环节
11、。本车床的X,Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节,直接采用了伺服电机刚性联轴器丝杆的传动方案。保留原来的丝杆,增加少量的机械附件,就可安装伺服电机及丝杆螺母副。根据计算,伺服电机的扭矩是5 Nm。我们选用伺服电机是FANUC公司的86BYG250C-SAFRBC-0302,步距角选用0.9/1.8,扭矩是7.5Nm。驱动器的型号是SH20806,输入电压是45V。 3刀架结构 本次改造仍采用旋转式刀架,拆除原手动刀架和小托板,安装由数控系统控制的四工位电动刀架,根据车床的型号及主轴中心高度,我们将实训车间的闲置的CAK6140数控车床上能正常使用的LD4B-CK6140型电动刀架
12、,该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转换刀。4控制部分中硬件的改造 (1)PC机可采用工控PC机,可满足该控制系统的控制要求。 (2)运动控制卡。我们采用了由ADVANTECH公司生产的PCL运动控制卡。该卡是一种高速三轴伺服电机运动控制卡,它有16位的数字输入、输出口,可实现三轴联动。因此,它可以满足车床X,Z轴联动,实现直线,圆弧插补。(3)光电耦合电路是从学院闲置数控机床中拆得的,它的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击,提高系统的稳定性。(4)机床本体是由C6140改造而来,拆除原来的光杆,溜板箱等,保留原来的三爪卡盘等。 (5)伺服电机及其驱动器是采用FANU
13、C公司的。驱动器的输入电压式45V,考虑伺服电机的步距角和丝杆的螺距,本系统X轴的脉冲当量是0.00125,Z轴的脉冲当量是0.0025。完全能够达到0.005mm的加工精度要求。(6)各种限位开关,减速开关,回零开关均安装在机床本体上,限位开关是起这硬件硬限位的作用,当车床加工工件超出加工范围时,车床自动停止加工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时,减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。 5控制系统的软件部分 该车床控制系统的软件部分采用VC6.0编写,该软件的加工界面如图。其功能主要有读取零件的加工G代码,编辑和编译G代码,仿真加工(包括加工前仿真和与加工同步仿真,回参考
14、点,手工对刀,加工中断,超程软限位等功能。它可处理进给速度,主轴速度及转速方向,刀具信息,M功能等多种加工信息。该软件的操作平台是Windows98。该软件的操作过程是首先读入*.NC或*.TXT的G代码文件;然后进行编译,编译器能给出不符合本软件的语法错误提示;有错误可也立即修改;然后按照毛胚的实际尺寸输入,软件进行加工前仿真。在确认没有因G代码引起的加工错误的情况下,可以开始机床加工。加工前得首先对刀,对刀的意义在于建立起工件坐标与车床坐标之间得关系。加工过程中,软件界面的状态栏还显示出刀具当前的坐标,加工状态,加工时间等信息。23改造要点将学院实习工厂现有一台旧车床CA6140改造成接近
15、当前数控车床主流产品技术指标的使用数控车床。改造后能实现车削外圆柱面、圆弧面等回转表面。纵向进给精度0.01mm,横向精度0.005mm,空载快速进给速速V=2m/min,主切削力p=2254N,横向拖板刀架质量W=465.5N,大拖板刀架质量W=1039N。不要求保留原有手动操作功能。控制部分要求运动可靠,防尘,抗干扰,维修方便。改造成本低。 图2-2 CA6140普通车床2.4 改造内容改造后的数控车床应当把主轴传动和进给传动系统分离为两个互不相关的系统,为了便于编程,保证加工精度,要求车床纵向脉冲当量为0.01,横向脉冲当量为0.005,那么车床需要改造的部分有:挂轮架系统全部拆去;进给
16、齿轮箱箱体内的零件全部拆去;溜板箱部分应拆去箱体,光杆及操纵杆,并增加支撑架,利用原有丝杆。横向溜板安装伺服电机,并通过传动齿轮将电机轴与横向丝杠连接。刀架体应安装纵、横微调装置以供铰刀使用。纵向丝杠挂脚应安装伺服电机,并通过传动齿轮与纵向滚珠丝杆连接,伺服电机与丝杆的连接方式要求连接可靠,传动无间隙,无噪音。对于电气部分,选用工控机和驱动电路对纵横两个伺服电机进行开环控制,系统中有复位电路,数码显示器接口电路,光电耦合器等。采用工控机和伺服电机驱动器来驱动电机,将整个控制系统放在控制柜中,由电缆把控制系统和伺服电机联系起来。第三章 机械部分改造 31主传动的改造主传动系统是实现主运动的传动系
17、统,它的转速高,传递功率大,是数控机床的关键部件之一。因此对它的精度、刚度、噪声、温升、热变形都有严格要求。1主传动的机械结构数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。对于加工中心,主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的切屑消除装置。图3-1 数控机床主轴轴承的配置形式 数控机床主轴轴承主要有以下几种配置形式:(1)前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承,后支承采用向心推力球轴承,如图3-1(a)所示。(2)前支承采用高精度双列向心 推力球轴承,如图3-1(b)所示。(3)前支承采用双列圆锥滚子轴承,后支承采用单列圆锥滚子轴承,如图3-1(c)所
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