CK6163數(shù)控車床控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、CK6163數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計 1、本課題的項目背景及研究意義 金融危機爆發(fā)以來，國際機床市場不斷下滑，國經(jīng)濟型數(shù)控機床市場也受到了相 當(dāng)大的影響，產(chǎn)銷量大幅下降。雖然數(shù)據(jù)顯示 2009年上半年已經(jīng)止住下滑趨勢，略 微回升，但研究應(yīng)對策略依舊是當(dāng)務(wù)之急。 經(jīng)濟型數(shù)控機床是國數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展的 起步產(chǎn)品，發(fā)展時間比較長，生產(chǎn)企業(yè)對此類機床的技術(shù)掌握情況和生產(chǎn)能力也都比 較成熟。 正因為如此，加之其在國擁有大量的市場空間， 金融危機爆發(fā)之前的產(chǎn)量 較大。但從去年金融危機以后的總體情況來看， 國經(jīng)濟型數(shù)控機床生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能 力明顯過剩。最近中國機床工具工業(yè)協(xié)會的調(diào)研結(jié)果中得到的企業(yè)生產(chǎn)狀況顯

2、示， 主 要生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控機床的企業(yè)受到的沖擊比較大，尤其是一些產(chǎn)品檔次比較低、產(chǎn)量 比較大的企業(yè)受到的沖擊更大，甚至出現(xiàn)部分企業(yè)限產(chǎn)的現(xiàn)象。 造成這種情況出現(xiàn)的 主要原因還是因為市場需求在減少， 加上經(jīng)濟型數(shù)控機床的生產(chǎn)能力比較強， 生產(chǎn)企 業(yè)比較多，競爭比較激烈，同時經(jīng)濟型車床、鉆床和銑床的出口量下降比較嚴重，部 分產(chǎn)品出口轉(zhuǎn)銷，進一步加劇了國市場競爭。而對于產(chǎn)品檔次比較高的企業(yè)來說，受 到的沖擊就不是很明顯，特別是高精尖的高檔機床依舊是供不應(yīng)求。 數(shù)控機床代表著機械制造業(yè)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向和水平。 目前，我國數(shù)控機 床的發(fā)展不僅從技術(shù)水平上已研制出五坐標(biāo)的數(shù)控銑床加工中心， C

3、NC系統(tǒng)和自動編 程系統(tǒng)等。同時，也擁有了一定數(shù)量的數(shù)控機床的開發(fā)、生產(chǎn)、使用以及擁有量等都 與世界上的先進國家有較大差距。 要達到世界先進水平，迅速發(fā)展我國數(shù)控機床行業(yè) 勢在必行。 經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計的必然性：數(shù)控機床能較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批多 變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率， 也具有適應(yīng)性強、較高的加工 精度。但是應(yīng)用數(shù)控機床還受到其它條件的限制。 價格昂貴，一次性投資巨大，對于中小企業(yè)心有余而力不足。 目前各企業(yè)都有大量的通用機床， 完全用數(shù)控機床代替根本不可能，而且替代下 來的機床閑置起來，又會造成浪費。 在國，訂購新數(shù)控機床的交貨期一般較長，往往不能

4、滿足生產(chǎn)急需。 通用數(shù)控機床對具體生產(chǎn)有多功能。 要較好地解決上述問題，應(yīng)走經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計之路。 經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計的優(yōu)點：經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計一般指對普通機床其某些部位 做一定的設(shè)計，配上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力，其目的有以下幾點： 從提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設(shè)備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功 能，提高機床的使用價值。 1 ?為了提高生產(chǎn)效率進行數(shù)控改造。 2 ?為了適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)而進行數(shù)控改造。 3 ?為了使技術(shù)等級較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品零件和提高生產(chǎn)效率而 進行的設(shè)計。 所有這些目的都圍繞提高機床的性能價格比， 用較少的價格，得到

5、較高的機床性 能。因此，經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計具有以下優(yōu)點： 易于對現(xiàn)有機床實現(xiàn)自動化，而且專業(yè)性強，沒有多余功能。 減少輔助加工時間，提高機床的生產(chǎn)效率。 降低工人技術(shù)等級的要求。 費用低，可充分利用原有機床設(shè)備。 周期短，可滿足生產(chǎn)急需。 由上所述，普通機床進行經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)計是提高技術(shù)水平， 更新工藝設(shè)備的重要 途徑之一，是使企業(yè)更好地完成計劃，滿足市場需求，提高經(jīng)濟效益的重要手段。 因此這次設(shè)計主要進行的是 CK6163車床的機械部分（主軸箱、縱向進給機構(gòu)和 橫向進給機構(gòu)）和數(shù)控部分的設(shè)計，其傳動系統(tǒng)利用電液脈沖馬達驅(qū)動滾珠絲杠， 使 拖板作精確的位移。 2、本課題研究的

6、主要容、設(shè)計目的、及研究方法 2.1、 主要容 本設(shè)計容是對CK6163數(shù)控車床的機械部分設(shè)計和利用 MCS-5係列單片機，對縱、 橫向進給系統(tǒng)進給進行開環(huán)設(shè)計。使其在縱向和橫向具有直線和圓弧插補的功能， 驅(qū) 動元件采用電液脈沖馬達，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠，使車床進行精確動作，能進行外 圓柱面、圓錐面、圓弧面、圓柱螺紋和圓錐螺紋等加工。機床主軸的起動，停止和變 速，縱向和橫向進給運動的行程和速度，刀具的變換和冷卻，都可以自動控制。并具 有直線、錐度、直螺紋和錐螺紋等自動循環(huán)機能。 2.2、 CK6163數(shù)控車床設(shè)計的目的 ? 針對題目使學(xué)生得到機械原理、機械設(shè)計、控制原理、 CAD微機原

7、理、常規(guī)電 氣控制原理、檢測技術(shù)等課程的綜合訓(xùn)練。 ? 針對題目使學(xué)生掌握機械裝備工程設(shè)計的一般方法及一般規(guī)律， 獲得綜合運用所 學(xué)的基礎(chǔ)知識解決實際問題的方法、工作思路等主要方面的訓(xùn)練。 ? 培養(yǎng)學(xué)生獨立調(diào)查研究、科技檢索、方案論證、規(guī)化科技寫作等方面的能力 2.3、 研究方法 ? 對現(xiàn)有文獻分析，查閱現(xiàn)有國外有關(guān)經(jīng)濟型數(shù)控車床的參考文獻資料，深刻理解 現(xiàn)有數(shù)控車床控制系統(tǒng)的運動原理以及控制方法， 設(shè)計過程中充分借鑒現(xiàn)有的優(yōu) 良結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新性設(shè)計。 ? 重視理論分析，認真學(xué)習(xí)與數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)的理論，對基本數(shù)控系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)有 十分的了解。 ? 提出兩種以上的設(shè)

8、計方案，并進行探討選擇出最優(yōu)方案然后進行優(yōu)化。這個階段 很重要，要時常與指導(dǎo)教師及其他老師共同探討。 ? 在前期充分論證的基礎(chǔ)上對其進行詳細設(shè)計， 主要對該機構(gòu)中的創(chuàng)新點及相關(guān)附 件進行設(shè)計，充分利用現(xiàn)有成形的機構(gòu)，不做無用功。 ? 設(shè)計時充分使用指導(dǎo)教師以及身邊其他技術(shù)人員的人力資源，不盲目設(shè)計。 ? 理論與實際相結(jié)合，力求設(shè)計滿足經(jīng)濟行和可行性要求，使設(shè)計真正滿足工程化 的要求。 3、課題設(shè)計的關(guān)鍵問題及系統(tǒng)總體方案的擬定 3.1課題設(shè)計的關(guān)鍵問題 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)和 閉環(huán)控制系統(tǒng)都具有檢測裝置，伺服控

9、制精度都比開環(huán)系統(tǒng)高，但系統(tǒng)造價也高于開 環(huán)結(jié)構(gòu)且調(diào)試也不太容易。而開環(huán)系統(tǒng)不帶檢測裝置，指令是單方向傳送的，結(jié)構(gòu)簡 單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單，符合經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工精度 要求不高的性能。因此，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用電液脈沖馬達開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖3.1開環(huán)控制系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用電液脈沖馬達經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，確保數(shù)控 系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，應(yīng)盡量減少摩擦力，而采用滾珠絲杠螺母副。同時， 為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負載的結(jié)構(gòu)來提高傳動剛度， 齒輪傳動也要采 用清除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 電液脈沖馬達是

10、指由步進電機和液壓伺服機構(gòu)（即扭矩放大器）所組成。由步進電 機接收數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖信號，把它轉(zhuǎn)換或角位移。經(jīng)液壓隨動閥和油馬達組 成的伺服機構(gòu)做功率放大后，驅(qū)動機床工作臺或刀架，使之進行精確定或作進給運動。 電液脈沖馬達具有角位移準確、反應(yīng)迅速、調(diào)整圍廣等優(yōu)點。是當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)中特別 是開環(huán)系統(tǒng)中比較理想的伺服元件。 電液脈沖馬達廣泛應(yīng)用在自動控制、 同步控制和 各種數(shù)控機床上 圖3.2數(shù)控系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)控制框圖 3.2、系統(tǒng)總體方案的擬定 在點電機的驅(qū)動下，通過變速機構(gòu)，在主軸脈沖發(fā)生器的作用下，通過倆個電液 脈沖馬達各控制橫向和縱向的進給機構(gòu)。 3.

11、3系統(tǒng)總體方案框圖 4、預(yù)期成果 通過自己的不斷努力，在指導(dǎo)老師的幫助下，完成有關(guān)于數(shù)控硬件的電路的設(shè)計, 以及相關(guān)冋題的解決。 (1) 主要包括以下容：查閱20篇以上相關(guān)文獻、資料(含外文)、論文。 (2) 提交符合質(zhì)量要求的設(shè)計圖紙一套 (3) 要求設(shè)計資料書面、電子檔及光碟各一份。 5、進度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 日期 備注 查閱資料、調(diào)研（文獻資料） 3.20 ? 3.28 寫實習(xí)報告 開題報告 3.30 ? 3.31 完成開題報 告 初步方案設(shè)計 4.1 ?4.10 分析階段 系統(tǒng)設(shè)計草圖 4.11 ? 4.30 初步設(shè)計階 段

12、 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1 ?5.10 具體設(shè)計階 段 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.11 ? 5.20 設(shè)計總結(jié)階 段 三維造型，繪制圖紙 5.21 ?6.1 圖紙繪制階 段 打印圖紙和完成畢業(yè)說明書，刻錄 光盤 6.1 ?6.5 答辯準備階 段 畢業(yè)答辯 6.8 ?6.11 答辯 參考文獻 [1] 郭章信，建亭CK6063進給伺服系統(tǒng)對動態(tài)性能影響分析 工程學(xué)報 [2] 俊，紅根 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢——智能化控制系統(tǒng) 機床研究所 [3] 熊志強，德容PLC與單片機結(jié)合在自動車床控制中的應(yīng)用 交通大學(xué)與電氣工程 學(xué)院 [4] 于東，郭銳鋒 數(shù)控機床中伺服系統(tǒng)的

13、現(xiàn)狀及發(fā)展 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所高 檔數(shù)控國家工程中心 ⑸易紅，仇曉黎數(shù)控車床主軸箱計算機輔助裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的研究 東南大學(xué) 機械工程系 [6] 高國飛.任有志,應(yīng)用PLC技術(shù)實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)（FMS）中運輸機構(gòu)的準確定位, 電氣傳動自動化，2007, 29卷 [7] 易紅，仇曉黎，數(shù)控車床主軸箱計算機輔助裝配工藝系統(tǒng)設(shè)計的研究 東南大學(xué) 機械工程系 [8] 成大先，機械設(shè)計手冊一機械傳動，化學(xué)工業(yè)， 2004.1 [9] 蔡學(xué)熙.鄔城祺，現(xiàn)代機械設(shè)計方法使用手冊，化學(xué)工業(yè)， 2004.2 [10] 成大先，機械設(shè)計手冊第四版，第 3卷，化學(xué)工業(yè)，2002.1 [1

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