CA6140普通车床数控化改造设计书

/ 25 - 1 - 通车床数控化改造设计书 数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。 金属切削机床是加工机器零件的一个主要设备。它担负的工作量，约占机器总制造量的40机床的计术水平直接影响机械制造工业和劳动生产率。 金属切削机床是人类在改造自然的长起生产实践中，不断改进生产工具的基础上发展起来的。近些年来我国机床工业已取得很大成就。但和世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在大部分高精度和超密机床的性能还不能满足要求。精度保持性也很差。特别是高效自动化和数控机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。我国的技术人员素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。 通过写这次毕业设计，学会了综合运用机械课程设计和其它课程地理论和实际知识，掌握了机械设计的一般能力，树立了正确的设计思想，培养了分析和解决问题的能力。 学会了从机械功能的要求出发，会合理选择传动机构类型，制定设计方案，正确计算的工作能力。确定它的尺寸，形状，结构及材料，并考虑制造工艺，使用，维护，经济和安全等问题，培养机械设计能力，机床设计是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的可能，运用有关的科学技术知识，所进行的创造性的劳动。随着生产的发展，使用部门对机床的要求也在不断地提高，而科学技术的发展和 工艺水平的提高，又为制造部门创造了实现使用要求的条件，从而使机床的设计与制造获得了迅速的发展。 机床设计也是从低级到高级发展的。在开始设计机床的最初阶段，主要考虑这样两点：首先，为了加工出一定形状的工件，必需保证刀具与工件之间具有一定的相对运动关系；其次是机件要有足够的强度。过了一段时间以后，又提出对机床几何精度的要求。这时的机床设计与制造是在满足机床几何精度要求的前提下，主要根据经验或者用类比的方法进行的，可统称为经验设计。 随着科学设计的发展和工艺水平的提高，尤其是先进刀具的出现，使机床 向高速，大功率的方向发展。因此，对机床的精度和生产率等方面要求也就越来越高。于是，又相继提出了一些设计机床时必须考虑的问题，如机床的精度问题，刚度，抗争性，低速运动平稳性，热变形，噪音，磨损等等。对于这些问题的研究主要是通过机床性能实验进行的。通过实验，分析它们的规律性，分析影响机床性能的主要原因和寻求解决问题的方法。这时的机床设计是以实物测试和模型实验为基础进行的。与此同时，把技术科学中的理论应用到机床设计中 / 25 - 2 - 来，初步建立起机床的基础理论。对于机床设计，显著地提高了机床的性能。 近些年来，现代科学技 术的成就，为机床设计提供了大量的测试数据，理论研究也进入了新的阶段，尤其是电子计算机的应用，使机床设计开始进入计算机辅助 (优化的间断。 通过写这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件 控机床优势概述 控车床改造的意义 我国现在拥有数量多达 300 多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的 。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。 通车床数控化改造的优点 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随 着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控 制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： (1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 (2) 加工精度高，具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； (4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； (5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的 35 倍）； (6) 机 床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件； / 25 - 3 - (7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成： (8) 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 (9) 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、 示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (10) 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部 件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 (11)辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 (12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化； 数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右， 差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资 少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 控化改造的内容 车床数控化改造的主要内容和主要结构形式如下： 1、进给轴的改造 / 25 - 4 - 普通车床的 X 轴和 Z 轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即 Z 轴运动；走刀运动经走刀 箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即 通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为： Z 轴：纵向电机减速箱（或联轴器）纵向滚珠丝杠大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。 X 轴：横向电机减速箱（或联轴器）横向滚珠丝杠横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。 改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。 (1) 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式 普通车床大多采用的是 T 型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达 使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转 换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。 滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺 母结构。 改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原 T 型丝杠直径相近，对有特殊要求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选 即可满足要求，特殊精密机床选 甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种如图 1。 / 25 - 5 - 图 1 丝杠副轴承的布置 a 中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。 b 中为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 1 d 中为两端固定的布置方式。这种布置方式 丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。 (2） 机床导轨 普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修 ，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。 (3）电机与丝杠的联接 在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如 ，由于空间尺寸有限，特别是 X 轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如 身长 5 米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。 2、主轴部分的改造 车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（ 9 24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由 / 25 - 6 - 电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保 留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点： 如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。 如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时如图 2，我们通常在主轴末端或挂轮架处增 装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为 1024 线、 2048 线等，我们常用的为 1024 线即可满足要求。 3、刀架部分的改造 目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。 电动刀架可分为 卧式转塔刀架（一般安装 8 12 把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。 4、润滑部分的改造 老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。 在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分 为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。 丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。 5、机床防护 机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。 局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起来以前两种最多，也最易操作。 床数控 改造的现状与国内背景 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小 / 25 - 7 - 批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数 控化率，是一种有效的途径。总体改造方案数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，因此确定总体改造方案如下： 除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接； 横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部 (相对操作者 )，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置 ； 要实现自动换刀。 产生与发展的社会、经济基础 (1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济 的快速发展起到了巨大的作用。 但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在 5 10 年，而我国大多数机床都在超 期服役。 这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。 (2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。 其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。 (3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造 行业的发展动力 对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床 30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%左右的价格。 对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。 / 25 - 8 - (4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势： 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势 更加明显。 性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。 可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进 (包括增、改 )意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。 更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的 制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。 可以更快地获取最新的更实用的备件。 节省大量投资。 降低投资风险。 (5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。 当前， 21 世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经济，迅速融入国际竞争。这 就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。企业集团化和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、虚拟制造技术、可持续制造技术、绿色制造技术等等一系列新的技术理论，都需要下大力量去研究，以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力；集中人力、财力、物力以提高本企业的市场竞争力，充分发挥自身的优势以最快速度创造出尽可能多的价值。因此，企业自身不可能再像过去计划经济体制下拥有大而全的维修队伍。而设备维修改造的社会化、专业化也就不可避免地成为了大趋势。 国外机床的改造与翻 新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。 床数控改造的必要性与可行性 数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大 部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用 / 25 - 9 - 就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到 5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。 2 车床数控改造的总体构思与技术方案 本次 改造的普通车床型号为 度 750 毫米。数控改造主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。 计任务 本设计任务是对 通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控 制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 伺服进给系统的改造 设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中， 选择是关键，选择 考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控 功能的强弱相关； / 25 - 10 - (3) I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 列单片机， 51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜， 51 系列中，是无 8051， 8751 是用 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 体改造方案的确定 床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控 制的对象。 数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据 床的有关资料，确定总体方案为： 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过 I/O 接口 输出给 轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。 械部分的改造 机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。 (1)主传动系统，保留原有的主传动系统和变速机构，这 样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量，如果要自动改变切削速度，可采用交流变频调速，这样改造成本较高，本次改造主传动系统不做任何改动。 (2)进给传动系统改造 纵、横向传动全部用滚珠丝杠（传动效率高，达到 90%）。（拆除原有的挂轮系统、进给箱、溜板箱、光杆），在溜板下加装滚珠丝杠螺母托架，在滚珠丝杠的头、尾部加装接套、接杆及支承。 (3)刀架部分不做改动，一次裝夹一把刀，不能自动换刀。 / 25 - 11 - 控部分的改造 为降低改造成本，决定采用开环控制方式对 X 轴和 Z 轴进给系统进行改造。经济型数控结构简单、价格低，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型机床。本次改造的机床主要用于粗加工。 床的数控化改造 (2)20073： 364 2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为： Z 向 0 005 X 向为 0 0025当执行一个脉冲指令时，工件的长度和直径均变化 0 005步进电机的步距角为 0 36，每周步距数为 360/0 36=1000(步 /周 )， X 向丝杠螺距为 4冲当量为 0 0025Z 向丝杠螺距为 6冲当 量 0 005公式 主动轮齿数 从动轮齿数 =步 /周脉冲当量丝杠螺距则 X 向： Z 主 /Z 从 =1000 2 5/4000=5/8Z 向： Z 主 /1000 5/6000=5/6 3 普通车床主要结构的数控改造 控系统 数控系统是数控机床的灵魂，其性能的稳定性直接影响零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通车床数控改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。 控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况 进行选择。 1、步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。 该系统结构简 单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。 2、 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈 / 25 - 12 - 信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标 。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 3、 交 /直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国 司、日本司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天 机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。 气控制原理 1、主轴控制系统： 主轴采用三相异步电机驱动由西门子 440 变频器 制，其动力由 U、 V、 W 三相电源经变频器 供，主轴电机的正反转由指令控制经 出再经变频器 制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经 直接连到变频器 制电机转速，若出现故障，则由变频器 出信号经 入到数控系统，经系统判断 故障类型在显示器上报警控制原理图如下： / 25 - 13 - 图 轴控制系统原理图 2、 Z 轴进给伺服控制系统： Z 轴采用松下伺服电机驱动由松下伺服模块控制，其动力由 R、 S、 T 三相电源经伺服模块提供，伺服电机控制刀架的 Z（纵向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它们与数控系统的接口为 出现故障，则由伺服模块发出信号经 入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如下： / 25 - 14 - 图 轴进给伺服控制系统原理图 3、 X 轴进给伺服控制系 统： X 轴电机采用雷赛步进电机驱动，由雷赛伺服模块控制，其动力由 +源经伺服模块提供，步进电机控制刀架的 X（横向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它与数控系统的接口为 出现故障，则由伺服模块发出信号经 入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 4、刀架控制电路： 刀架电机采用三相异步电机驱动由继电器模块控制，刀架电机控制刀架的换刀（正反转）及转动角度指令由数控系统发出，若出现故障，则由 出信号输入到数控系统，经系统判断故障类 型在显示器上报警显示报警号。 5、 光栅尺控制电路： 光栅尺通过测量反馈控制刀架进给与后退量的实际尺寸与指令尺寸的误差大小反馈给数控系统，若误差太大超出允许误差范围，数控系统可根据加工情况进行时时调整，若出现故障，由系统判断故障类型并在显示器上报警显示报警号。 / 25 - 15 - 向（ Z 向）进给系统的改造 造思路 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及 相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于 6 级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。纵向进给系统由伺服电动机经减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动，带动大拖板左右纵向移动。伺服电动机安装在纵向丝杠的右端。 向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量 W=80(根据图样粗略估计 ) 时间常数 t=25（ 滚珠丝杠基本导程 P =6（ 行程 s=1000（ 脉冲当量 p=冲 步距角 = 冲） 快速进给速度 V =4（ m/ (1) 切削力计算 纵切外圆时，车床的切削力 以用下式计算： F = 2 式中： 为在车床床面上加工的最大直径 ( =21（ 则 F =210 =2039(N) 进给抗力 切深抗力可按下列比例分别求出 F ： F ： F = 1 ： 则 F =2039=510(N) F = 2039 = ) (2) 滚珠丝杠设计计算 实际作用在滚珠丝 杠上的轴向压力 可用下列进给牵引力实际公式计算，对于三角形或综合导轨机床： / 25 - 16 - f = K F + f (F + W) （ 2 式中： F 、 F X（横） 、 Z（纵）方向上的切削分力，单位为（ N） W 移动部件的重量，单位为（ N） f 导轨上的摩檫系数 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 对于三角形或综合性导轨机床： K = f = f = = 510 + 2039 + 800) = ) 最大动负载 C 的计算及主要尺寸初选 滚珠丝杠应根据额定动载荷 C 选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相似，滚珠丝杠最大 C = f F （ 2 式中： L 工作寿命，单位为 10 r ， L= ； n 丝杠转速 (r/ n = ； V 最大切削力条件下的进给速度 (m/可取最高进给速度的 ； L 丝杠基本导程 (； f 运转状态系数，一般情况取 F 为滚珠丝杠工作载荷 (N)。 计算时，可根据快进速度 V 和丝杠最大转速 ，初选一个数值 L 1000 ，待刚度验算后再确定 t 为额定使用寿命 (h)可取 t =1500h； V = V = 4 = 2 （ m/ n = 1440 r/ L 1000 = = 取 L =6（ 则 n= = = 333r/L= = = 300 (10 r) C= f F = N) 初选滚珠丝杆副的尺寸，相应的额定动载荷 C 不得小于最大动载荷 C： C C ，选用内循环滚动螺旋副： D = d =40 C =16300， C =47100， =2?44， L =6， (3) 传动效率计算： 滚动丝杠螺纹的传动效率为： / 25 - 17 - = （ 2 式中： 丝杠螺纹升角，可根据初选型号查出， = 摩檫丝杠副的滚动摩檫系数 f=摩檫角约等于 10 则 = =(4) 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响其定位精和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠与螺母之间滚道的 接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 纵向变形的影响更 小，可忽略不计，螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计 可供滚珠丝杠支承使用的滚动轴承种类很多，目前占优势的有：接触角为 60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配，四联组配等，为提高刚度和承载能力。因此，只要滚珠丝杠的刚度设计得好，轴承的轴夏管内接触变形在此可以不予考虑。 1 丝杠的拉压变形量 滚珠丝杠应 计算满载时拉压变形量： = （ 2 式中： 在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量 ( F 为丝杠的工作载荷 (N); L 滚珠丝杠在支承间的受力长度 ( E 材料弹性模量，对钢 E=10 A 滚珠丝杠按内径确定的截面 ( + 号用于拉伸， - 号用于压缩 . F = N) L = 1600 =0 = (d 则 = 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 该 变形量与滚珠列 与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关，有预紧力时： = （ 2 式中： D 滚珠直径 ( Z 滚珠总数量， Z=Z 圆数列数 ; Z 圈的滚珠数， Z=( )循环 ); D 滚珠丝杠的公称直径 ( F 为预紧力 (N); F 为滚珠丝杠工作载荷 (K ); / 25 - 18 - D = Z = = 58 F = N) F = F = 510 = 170 (N) 所以， = 丝杠的总变形量 = + =由此可得滚珠丝杠副刚度满足条件 施步骤 （ 1）拆下普通滑动丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，两端采用原固定方式这样可减小改装现场，并且由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性优于以前。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式精度选 6 级。为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双 片薄齿轮调隙，可调拉弹簧式结构； （ 2）拆下丝杠右端的支撑座，在坐标镗床上将其孔径镗至 40与伺服电动机的支撑轴相配合； （ 3）车削两个轴套（分别为一长一短），长套用于连接丝杠左端和左支撑座，短套用于连接丝杠右端与伺服电机转轴； （ 4）对安装螺母的配件进行刨、磨、钻、铰和攻丝等加工，使其符合安装条件； （ 5）总装后，进行局部调整（如滚珠丝杠与道轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等），力求使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。 向（ X 向）进给系统的改造 造思路 横向进给系统改造应保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，由步进电机经减速器后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板后端，用法兰盘将步进电动机与大拖板连接起来，一保证其同轴度和提高传动精度。 纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片薄齿轮错齿法消除调隙，双片齿轮间没有家弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显很小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又明显很大，则更容易加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺 钉紧固的办法来消除间隙。 施步骤 （ 1）拆下刀架、小拖板及滑动丝杠； / 25 - 19 - （ 2）车削一根定位芯轴，保证法兰盘孔与大拖板后孔的同轴度。定位后，配钻四个螺钉孔，并攻螺纹； （ 3）车削一根手轮轴，代替原丝杠手轮轴，用于与滚珠丝杠连接； （ 4）车削两个连接套，用于丝杠连接电机旋转和手轮轴； （ 5）铣去大拖板上与螺母发生干涉的部位； （ 6）利用车床主轴和尾座将螺母安装到丝杠上，在利用锁紧螺母进行预紧，消除间隙； （ 7）总装后，用垫片调整螺母上下位置，使其传动平稳。 架 造 思路 刀架部分是机床的重要功能部件，对其进行改装主要是为了实现多刀夹持、自动换刀。 电动刀架能实现自动换刀功能，降低辅助时间，提高生产效率，根据生产的实际需要，选择常州亚兴机床数控设备厂生产