卧式CY6140普通车床智能化改造设计方案
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Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2021年第08期
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文章编号:2095-6835(2021)08-0009-02
卧式CY6140普通车床智能化改造设计方案
吴德1,梁景明1,陈平改2
(1.中山火炬开发区理工学校,广东中山528400;2.深圳职业技术学院,广东深圳518000)
摘要:通过对CY6140卧式普通车床进行智能化改造,把我校的一批老式车床改造成智能化车床以供日常教学
使用,节约教学成本和教学设备的升级改造。
对卧式CY6140普通车床进行了改造,让手动操作的进给加工可以变成半主动或自动的加工进给,改造的内容分为两个部分。
一部分是机床原来的进行系统由丝杆螺母副改造成伺服电机控制滚珠丝杆螺母副,可以提高改造后机床的传到精度和加工效率;另一部分是以单片机作为控制器对上述系统加以控制,实现智能化改造。
关键词:卧式CY6140普通车床;智能化改造;单片机;步进电机中图分类号:TG659文献标志码:A DOI :10.15913/ki.kjycx.2021.08.003
1引言
“车工技能训练”和“数控车床编程与操作”是中职机械专业的核心课程,车床设备更新与维修维护耗资巨大,设备数量不足,生均设备资产不高,企业淘汰的大批普通车床经过智能数控化改造能在一定程度上满足学校的教学需求,使得资源得到合理的利用,以较低的成本完成设备技改升级。
教学设备技改不仅能够提高设备的利用率,还能够提高教师的专业技术水平。
2设计要求
总体方案设计应考虑现有设备机床的使用情况以及改造的经费要求,同时兼顾机床加工精度、数控系统的选择、传动方式以及执行机构的选择等。
CY6140普通机床如图1所示。
CY6140普通车床总体改造方案如图2所示。
CY6140车床设计要求:①具备普通数控车床的基本功能,如直线插补、圆弧的加工和自动加工等功能;②选择的数控系统要简单,学生上手容易,且保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本;③设定最高转速和加工切削产生的最大力矩,选择合适的伺服电机及其控制电路;④设计自动回转刀架及其控制电路;⑤进给系统丝杠螺母副组成改造成滚珠丝杆,传到精度高且定位准确;⑥CY6140普通车床的基本机构不变,为了减少工作量,同
时需要考虑其智能化。
图1CY6140普通机床
图2CY6140普通车床总体改造方案
3CY6140普通车床机械设计方案3.1进给系统机械结构改造设计
本次的CY6140车床改造的主要部分是机床的溜板箱、车床的刀架以及进给系统的部分零件等。
CY6140车床的挂轮架部分全部要进行更换,要想实现智能化,需在主轴处安装光电脉冲发生器,输出脉冲信号。
CY6140车床的进给箱部分也要全部拆掉,重新换上新零件,如丝杠、光杠和操纵杆拆去,换上滚珠丝杆,一端安装伺服电机,另一端连接床身尾座部分,并安装轴承座。
CY6140车床进给系统机械结构的改造方法:①拆除原来的丝杆螺母传动件,换上滚珠丝杆,根据计算数据的结果,选择选取滚珠丝杠直径为40mm ,型号为CD40x6-3.5-E2,其额定动载荷是19kN ,强度足够;②为了保证滚珠丝杆的回转精度,在它的两端各安装一个支撑座;③由于支撑座要根据机床的床身位置而设计的,不能选用标准件,因此需要加工出来,我们采用数控铣削的方式,保证其尺寸和形位公差;④完成进给机构的装配后,主要检测滚珠丝杠与导轨的平行度,使用百分表和水平仪进行测量,确保丝杠传动平稳。
CY6140机床的Z 向进给系统的改造同上述的一样,把原来
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的零件拆卸后,更换成伺服电机与滚珠丝杆机构,为了保证同轴度和传动精度,改造完成后,重点检测其回转精度和同轴度。
3.2车床具体改造方法
车床具体改造方法如下:①把车床溜板箱固定不动,先把进给部分的大拖板及相应的配件拆下来,留着小拖板,后面加装伺服电机进行控制;②为了让伺服电机和机床原来的拖板进行连接,选用法兰盘来进行固定与连接,法兰盘在加工制作时,要兼顾其形位公差;③伺服电机和滚珠丝杆的连接,我们采用联轴器和电机固定座;④安装完成后,使用使百分表进行调试,使丝杠的旋转精度控制在0.02mm 之内。
丝杆电机连接结构如图3
所示。
图3丝杆电机连接结构图
刀架:拆除原刀架,改装自动回转四方刀架。
改造步骤:①使用扳手和其他工具将原来车床的刀架拆除;②在拆下来的小拖板上钻四个螺纹孔,使用螺栓将电动刀架与小拖板固定下来,并进行调试热继电器和中间继电器。
刀架改造如图4
所示。
图4刀架改造
改造后的CY6140车床要具备回零的功能,因此车床需要在X 、Z 两个正方向上加装一个限位开关,来保证工作台回零时在安全的位置。
改造方法:①在X 、Y 的各自正方向上,使用螺钉将行程开关和挡块固定在床身上;②为了使车床也具备数控车床的减速信号和回零信号,安装的时候调整挡块的位置,将它们错开一段距离,保证信号的正常。
4单片机系统硬件设计4.1系统的功能要求
系统的功能要求包括Z 轴和X 轴方向的伺服功能、刀架自动回转控制功能、螺纹加工系统控制、系统行程功能、输
入输出人机控制功能、输出界面功能管理、其他功能。
其他功能包括光电信号隔离、信号功率增大、异常情况报警系统、设备急停、设备复位。
4.2电路的系统结构
电路系统结构如图5所示。
电路的系统结构如下:①CPU 采用BF7612BM28SOP ;②扩展程序存储器采用芯片AT24C02,内部含有256个8位字节,有一个16字节页写缓冲器,扩展数据存储器选用62128;③扩展可编程接口电路;④地址锁存器74LS373、译码器各一个;⑤键盘接口电路,显示接口电路;⑥光电隔离与放大电路;⑦启动、急停、报警等电路;⑧
触控设置电路。
图5电路系统结构框图
5软件的设计
软件的设计具体如下。
软件管理程序:主程序运行框架,管理各个系统设置,子功能运行,综合协调处理。
加工程序输入部分:通过外部I/O 输入加工零件的处理程序。
伺服控制部分:根据任务或指令控制电机的转角、转速。
功能故障处理程序:包括故障判断、故障处理等功能。
外部I/O 部分:输入设置部分和状态显示部分。
6总结
本文提供了一种普通车床智能化改造方案,并在小范围内开展设备的技能改造,取得了良好的效应,具有一定的稳定性、实用性、经济性。
参考文献:
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图9加速脉冲波形
匀速脉冲波形如图10
所示。
图10匀速脉冲波形减速阶段中,脉冲频率每隔100Hz 降低一次,每个频率的保持时间为10ms ,因为每个单位时间内减小的脉冲频率也为100Hz ,故脉冲数减1,即对应图中左边部分脉冲数为9,右边部分脉冲数为8。
减速脉冲波形如图11
所示。
图11减速脉冲波形
为了更为直观地观察输出波形的变化,通过把输出数据格式改为模拟的自动模式,即可看到FPGA 输出的脉冲波形为梯形,如图12
所示。
图12梯形加减速仿真波形
4结论
在加速阶段步进电机驱动当前的脉冲信号stepper_delay_current 频率逐渐增大,在匀速阶段维持不变,减速阶段逐渐减小。
其中,每隔一定的时间,脉冲频率增大一次,每次增加100Hz 。
一个脉冲步进电机产生固定的位移,在加、减速阶段由于频率的变化,步进电机的转速也会变化,单位时间内的位移会发生变化,并且可看出整体设计符合预期。
通过以上对仿真波形的分析,脉冲频率的大小按照匀加速—匀速—匀减速这一规律变化,整个输出波形为一个等腰梯形,即步进电机的转速也按照这一形式变化,仿真结果与本设计相符,基于FPGA 实现了步进电机的梯形加减速控制。
5结语
本文针对步进电机控制系统的要求,采用FPGA 设计了各个功能模块,并采用Verilog 语言编程,进行了功能仿真
和时序仿真。
结果表明,各个功能模块逻辑清晰、合理,系统稳定性良好,各项指标符合设定要求。
利用FPGA 并行控制的特点,在本设计上的基础上可以实现多路步进电机的闭
环控制,具有可移植性高、适用性广的特性。
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作者简介:邱靖超(1992—),男,工学硕士生,主要研究方向为电子测试技术、FPGA 与嵌入式系统开发等。
〔编辑:张思楠〕
(上接第10页)
[7]李朝青.单片机原理及接口技术[M ].北京:清华大学
出版社,2005.————————
作者简介:梁景明(1995—),男,广东吴川人,本科,中山火炬开发区理工学校专任教师。
陈平改(2002—),男,
就读于深圳职业技术学院,专业为电子信息技术。
通讯作者:吴德(1983—),男,湖南醴陵人,硕士研究生,主要研究方向为电子技术、通信、机器视觉等。
〔编辑:王霞〕。