毕业设计(论文)-高速数控冲床送料工作台及数控系统设计.docx
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1、 高速数控冲床送料工作台及数控系统设计 摘要本文在对转塔式数控冲床进行深入研究的基础上,提出了数控冲床的总体方案,包括进给系统机械机构传动原理和数控系统的方案。重点进行了进给系统的设计计算,运用SOLIDWORKS三维软件对冲床送料工作台进行设计,并研究了所选专用数控系统的各模块和硬件接线。在分析与研究数控冲床的基础上,介绍了数控冲床的数控系统和进给系统、主传动系统的发展现状及发展趋势,提出了本文的研究目的、意义及主要工作内容。首先根据进给系统机构传动原理,对进给系统进行了设计计算,给出了滚珠丝杠副的尺寸规格,选择了进给系统的电机型号和滚珠丝杠副支撑轴承的型号。运用SOLIDWORKS软件对数
2、控冲床工作台进行设计。再分析数控冲床系统硬件和软件功能的基础上,提出了采用工控机作为数控冲床数控系统的主控制器,采用FAUNC OIP专用数控系统的方案。并对其各模块和硬件接线进行了学习。最后,对本设计所研究的内容进行了总结,提出了设计的不足。关键词:数控冲床,送料工作台,数控系统I ABSTRACTIn this thesis, with in-depth study of Multi-turret punch press,the author proposes an overall scheme for Multi-turret punch press, including CNC sys
3、tem and transmission principle of the feeding system .Focus on the design and calculation of feed system, using the SOLIDWORKS 3 D software to design of punch feeding workbench, and studied the selected module of CNC system and hardware connection.Based on the analysis and research of Multi-turret p
4、unch press, the paper introduces development status and the future of the CNC system , the main drive system and the feeding system,then proposes the researchs significance ,purpose and main content of the thesis.Firstly, based on transmission principle of the feeding system ,we design the feeding s
5、ystem, and get parameters of the ball screw ,and choose the motor and bearing of the ball screw.Based on the analysis of the hardware and software and software functions of CNC system,we propose Industrial Control Computer for the controller of CNC system,Using FAUNC OIP scheme of CNC system, and to
6、 study its various modules and hardware connection.We use SOLIDWORKS software to design workbench of Multi-turret punch press.Finally,we summary the contents of the article ,and get the lack of the paper.Key words: CNC punch press, feeding workbench, numerical control systemII 目录 摘要I第一章 绪论11.1 数控冲床的
7、组成及其工作过程11.2 数控系统的发展现状21.3 数控冲床数控系统的发展趋势31.4 主传动系统的发展现状及发展趋势3 1.5 课题研究的相关背景41.6论文主要工作5第二章 数控冲床总体方案的设计5 2.1 进给系统机构传动原理6 2.3数控冲床数控系统总体分析72.3.1数控系统硬件功能分析82.3.2数控系统软件功能分析102.4数控系统硬件设计102.4.1主控制器的选择102.4.2系统的硬件方案11 第三章 进给系统的设计计算123.1进给系统电机的选型123.1.1几种电机特性分析与比较123.1.2电机转速的确定133.2滚珠丝杠副的计算与选型13 3.3直线滚动导轨副的计
8、算与选型183.3.1工作载荷的计算183.3.2距离额定寿命的计算183.3.3小时额定寿命的计算19 3.4电机选型193.4.1最高转速193.4.2额定输出转矩的选择193.4.3转换到轴上的负载惯量213.4.4X轴方向的计算213.4.5 Y轴方向的计算223.5联轴器的选型23第四章 控制系统的设计244.1 数控系统组成244.2硬件接线244.2.1 显示器254.2.2 PCMCIA接口264.2.3接口分布274.2.4NC与外围设备的连接274.2.5 NC硬件连接-总装图294.2.6 NC与I/O LINK的连接294.2.7 急停信号的连接30 第五章 基于SOL
9、IDWORKS的高速数控冲床送料工作台315.1 送料工作台总装配图325.2冲床送料工作台重要组件零件图335.2.1夹钳335.2.2直线滚动导轨345.2.3直线滚动导轨滑块345.2.4滚珠丝杠支撑座355.2.5滚珠丝杠支撑座355.2.6伺服电机365.2.7 联轴器37结论38致谢39参考文献40V 第一章 绪论1.1 数控冲床的组成及其工作过程数控冲床是数控机床的一种,它是利用数控技术控制机床的高精度、高效率的金属饭材冲孔和步冲的加工设备,利用单次冲裁方式和步冲冲裁方式冲山各种形状、尺寸的孔和零件,特别适合于多品种的中、小批最或单件的板材冲压。它由数控系统和机床本体两大部分组成
10、。数控系统由数控装置(包括内置 PLC)、进给伺服系统、主轴伺服 系统组成.进给伺服系统由进给驱动单元、进给电机和位置检测装置组成。主轴伺服系统由主轴驱动单元和主轴电动机组成。机床本体由机床的各机械部件组成,包括床身、立柱等支撑部件、主运动部件、进给运动执行部件、刀具库(刀塔)、转位部件以及夹紧、润滑系统等组成。数控系统是数控机床的核心,由软件和l硬件两部分组成。它的主要功能是根据图形信息进行各种零件轮廓儿何信息和命令信息的处理,并将处理结果分发给相应的单元,如送给驱动控制装置的连续控制量和机床电器逻辑控制装置的开关控制量,控制机床各组成部分实现各种数控功能。其功能主要包括加工前的准备工作 ,
11、涉及到机床参数设置、图形编程和以及机床回零等等。将控制信号传输给伺服系统,伺服驱动系统接收数控装置传输来的信号,控制机床的运动,包括译码程序、速度控制程序、插补运算程序、位置控制程序和主轴控制程序。 机床本机是数控冲床的主体部分,目前其结构按移动工作台布置方式可分为内置式、外置式、和侧置式,其结构比较稳定,国内的生产厂家基本上也是参照国外的机构,其机构示意如图1-1 图1-1 冲床机构示意图 数控冲床的生产过程是这样的:首先将预加工的板料放在工作台上,靠紧X、Y方向基准后,用夹钳将工件夹紧。然后通过数控系统人机交互界面设置加工参数,根据被加工零件图纸编制零件的数控加工程序,将数控程序输入到数控
12、装置,经过编译、数据处理,再由数控装置将数据流传输给伺服系统,伺服系统控制机床本体实现板料的加工,包括工件按照数控系统的程序指令移动,将预冲孔的位置准确地送到冲模的下方,模具的选择,冲头下冲,加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 1.2 数控系统的发展现状 目前,国际上最大的数控系统生产厂家是日本的FAUNC公司,一年生产5万套以上系统,占世界市场的约40%左右,其次是德国的西门子公司,约占15%以上,再次是美国的DYNAPATH,西班牙的FAGOR,意大利菲地亚,法国的NUM,日本的三菱、安川。 国内数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、广州数控,国内数控
13、生产厂家规模都较小,年产都还没有超过300400套,且在控制精度、系统功能、硬件可靠性、系统软件环境等方面与国外发达国家相比还有很大的差距。 目前,使用和研发的数控系统大致可以分成以下四类:传统专用型数控系统 这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发,具有很强的专业性,经过了长时间的使用,质量和性能稳定可靠,目前还占领着制造业的大部分市场,但由于其采用一种完全封闭的体系结构。往往存在以下缺点:1,用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家。2,系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平,周期比较长,3,大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用,功能比较单一。因此,
14、随着开放式体系结构数控系统的不断发展,这种传统专用型数控系统的市场正在受到挑战,市场份额已经在逐渐减少。PC嵌入NC结构的开放式数控系统 该类型系统将PC装入到NC内部,PC与CNC之间用专用的总线连接,如FANUC16i,Simens840D等数控系统。系统数据传输快响应迅速快,同时,原型CNC系统也可不加修改就加以利用,但是不能直接地利用通用PC,开放性受到限制。这类数控系统与传统专用型数控系统相比,结构上具备一些开放性,功能十分强大,但系统软硬件结构十分复杂,系统价格也十分昂贵,一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。NC嵌入PC结构的开放式数控系统这种数控系统的硬件部分由开放式
15、体系结构的运动控制卡和PC机构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU,据有很强的运动控制和PLC控制能力。如日本的MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC。这种数控系统开放性能较好,并且对功能进行改进也比较方便,系统的控制功能主要由运动控制卡来实现,机床硬件发生改变时,只需要修改相应部分控制软件,并且系统性价比也比较高,能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。全软件开放式数控型的系统 这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统,所有的数控功能(包括插补、位置控制等)全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比,全软件型开放式数控系统具有最高
16、的性价比,因而最有生命力。但是,实现处理的实现比较困难,并较难保证系统的性能。 1.3 数控冲床数控系统的发展趋势 随着PC机进入数控领域,WINDOWS环境下的数控系统也成为数控冲床数控系统的主要发展方向。利用面向对象的新理论、新技术,采用一种开放式、模块化软件设计方法成为数控冲床数控系统软件的主要发展趋势。目前国内外数控冲床CNC系统的研究和开发具有以下趋势:(1) 高速度高精度数控冲床各轴运行的速度将大大加快,板材移动轴的速度由目前的向发展,冲裁速度由目前的向发展。数控机床本身的精度和加工工件的精度都越来越高,而精度的保持性很好。(2) 模块化数控冲床要缩短制造周期和降低成本,就必然向模
17、块化发展,既有利于制造商又有利于客户,实现模块化也将大大降低服务的时间和频次。(3) 柔性化柔性自动化技术以易于联网和集成为目标,同时注意加强单元技术的开括、完善,数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、联结,向信息集成方向发展,网络系统向开放、集成和智能化方向发展。(4) 功能更强的软件系统 为了节省不必要的经济开支,数控系统软件在自动生成加工程序后,要求能够进行模拟加工仿真,并在屏幕上会显示加工时的刀具轨迹。充分利用计算机的开发环境,使数控编程更加方便且使CNC系统柔性更强。(5) 良好的人机交互界面数控冲床CNC系统大多采用圆形界面的方式,简单易懂的交互界面,能
18、方便操作者进行控制操作,这样才能容易被企业或用户接受。 1.4 主传动系统的发展现状及发展趋势在数控转塔式冲床中,主传动部分是数控冲床技术进步的标志之一,各生产厂家和研究学者对这方面研究颇多,其冲压频率直接影响数控冲床的生产效率,也因此成为制造商和用户关注的焦点。目前主传功部分经历了以下几个阶段的变化和发展。(1)机械式主传动这是数控转塔冲床发展最早的一类,现在仍有一些厂家在生产和使用。典型代表有村田机械 (MURATEC) 的 C-2000、C-2500、C-3000. 天田公司 (AMADA) 的 ARIES 255、PEGA357等。它由电机、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成
19、。在冲压过程中,飞轮通过皮带由主电机驱动,并存储一定的能量,当离合器接合的时候,动力就由电机传到曲轴上,并通过曲轴带动滑块垂直上、下运动,从而将模具的冲头压入金属板料中。连杆连接曲轴和滑块,将曲轴的旋转运动转变为滑块的直线运动。冲压结束时,离合器在冲头向上运动时脱开,从而解除飞轮对曲轴的扭矩传递,同时制动器开始制动,使曲轴转动至死点时停止。(2) 液压式主传动 随着技术的发展,上世纪九十年代以来,液压式主传动部件被广泛采用,至今已成为数控转塔冲床的主流。这类机床的典型代表有村田机械(MURATEC)的V系列,天田公司(AMADA)的VIPROS系列,通快公司(TRUMPF)的TC系列等。 与机
20、械式主传动相比,这类机床采用油缸取代了曲轴连杆等机械结构,通过液压缸驱动击打头,液压站提供动力,两者由主液压阀连接,通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作,并由连接于活塞杆上的电子传感器适时测量和反馈,最终实现对冲头位置,行程及速度的精确控制。(3) 伺服电机驱动式主传动由于上述两类冲床存在着种种不足,各厂家又开发出第三代数控转塔冲床。这就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。在传统机械式主传动的基础上,将伺服电机直接与曲轴相连,省去了飞轮、离合器与制动器。目前这种主传动方式主要有三种形式:将两台伺服电机连接于曲轴的两端,控制其同步运转,保证了对曲轴足够的扭矩输出,同时可以获得很高的冲压频率。
21、日本AMADA公司的EM2510NT型数控转塔冲床就是采用这种结构伺服电机通过减速器与曲柄相连,这样可以适当降低电机的额定扭矩,但最高冲压频率也被限制。伺服电机通过减速器与曲柄肘杆机构相连,也是第二种方式的改进。该结构虽然比较复杂,但其利用曲柄肘杆机构特有的增力特性,可以降低伺服电机的负载扭矩,并且曲轴旋转一周,滑块上下运动两次,这样能够达到更高的冲压频率,但这种形式的机械结构相对复杂。虽然目前三种主传动形式的数控转塔冲床都有生产。但从近年来的销售情况看,机械式数控转塔冲床的销量正逐步萎缩,液压式数控转塔冲床在不断增加并已占据主导地位,而伺服电机驱动式数控转塔冲床,也正在以其具有的髙效、节能、
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