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742 CA6140车床数控化改造 CA6140 车床 数控 改造

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毕 业 设 计 任 务 书 200 8年2月19日 毕业设计题目C6140型普通车床改造数控机床指导教师职称专业名称机电一体化技术班级学生姓名学号设计要求1.完成毕业设计调研报告一份；2.组合机床设计；3.完成相关图纸；4.完成毕业设计说明书一份；5.完成相关图纸。完成毕业课题的计划安排序号内容时间安排1外文资料翻译2008.1.1至2008.3.52搜集相关资料并调研，完成调研报告2008.3.6至2008.3.143进行机床改造的设计，并完成相关说明书编写，绘制相关图纸。2008.3.15至2008.4.14整理毕业设计说明书并定稿，准备答辩2008.4.2至2008.4.105答辩2008.4.11答辩提交资料毕业设计说明书，相关图纸。计划答辩时间2008.4.11 扬州大学 2008 年 2 月 19 日C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。一 总体设计方案的确定由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了改造数量。二 机械部分的改造设计与计算将普通车床改造成数控机床，除了增加控制系统外，机械部分也应进行相应的改造，其中包括：纵向和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。技术参数纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驱 角： 2=0.75o/step快速进给速度：Vmax=2m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep横向进给系统的设计计算，已知条件工作台重量：W=30kgf=300N时间常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驱 角：2=0.75度/step脉冲当量：8p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min开题报告1、数控系统发展1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。2、国内外发展的动向（一）国内数控机床现状 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。（二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。3、数控系统的趋势1.继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2.向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3.向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。4、改造的必要性（一）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6、 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机 1ff8 床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。4、可以充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。5. 改造的内容 普通车床（CA6140）进行经济型数控改造，其内容包括：总体方案的确定、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、主轴交流伺服电机的选择、微机控制系统硬件电路设计）等。对普通车床进行经济型数控改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面，增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。参考文献1、实用数控加工技术 作者实用数控加工技术编委会出版社：北京、兵器工业出版社 1995年2、实用数控机床技术手册 作者实用数控加工技术编委会出版社：北京出版社 1993年3、机床数控改造设计与实例 作者：余英良出版社：机械工业出版社 1998年4、数控加工程序编制 作者：范炳炎出版社：航空工业出版社 1992年5、经济型数控系统设计 作者：张新义出版社：机械工业出版社 1994年6、机床设计手册 作者：机床设计手册编委会出版社：机械工业出版社 1979年7、毕业设计指导书 作者：李恒权出版社：青岛海洋大学出版社 1993年8、数控机床技术手册 作者：李福生出版社：北京出版社 1996年9、AutoCAD习题精解 作者：姜勇出版社：人民邮电出版社 2000年10、机床数控技术应用 作者：李宏胜出版社：高等教育出版社 2001年目录0摘要-3-1引言.-6-第一章 设计方案的确定- 9 -一 总体设计方案的确定- 9 -二 机械部分的改造设计与计算- 10 -（一）纵向进给系统的设计选型- 10 -(二) 横向进给系统的设计与计算- 15 -第二章 步进电动机的选择- 19 -一步进电动机选用原则- 19 -二步进电机的选型- 20 -（一）C6140纵向进给系流步进电机的确定- 20 -（二）C6140横向进给系流步进电机的确定- 20 -（三）110BF003型直流步进电机主要技术参数- 20 -（四）110BF004型直流步进电机主要技术参数- 21 -第三章经济型数控系统选型- 21 -第四章 电动刀架的选型- 22 -第五章 编制零件工序及数控程序实例- 23 -一机床改造参数的选择- 23 -（一）车床纵向运动由Z向步进电动机控制- 23 -（二）车床横向运动由X向步时电动机控制- 23 -二程序设计- 23 -（一）数控机床参数及约定- 23 -(二) 编程参数说明- 23 -参考文献- 27 -体会- 28 -摘要1947年，Parsons公司的John Parsons着手进行一项实验，他想用空间数据控制机床加工飞机零件。1949年，Parsons公司与美国空军签定了制造第一台数控机床的合同。1951年， 美国麻省理工学院承担了这一项目。1952年，麻省理工学院（MIT）使用实验室制造的控制器和辛辛那提立式主轴展示三轴联动获得成功，这标志着数控时代的到来。到了1955年，几经改进之后，数空技术开始应用于生产。早期的NC机床能运行穿孔卡和穿孔带，两者中以穿孔带更为通用。但是，鉴于更换、编辑纸带费时费力，后来便采用计算机作为编程的辅助工具。计算机在数控中的应用有两种形式：一是计算机辅助编程语言，二是实施直接数字控制（DNC），有了计算机辅助编程语言，程序员可用一套通用“混杂英语”命令编写NC程序，然后由计算机将其释译为机器码并制成穿孔带。直接数字控制是指用一台计算机对一台或多台数控机床实施部分或整体控制。虽然有些公司运用DNC已获得成功，但是，扩大计算机容量、购买软件、协调DNC系统等花费使这种系统并不适合所有公司，而只适用于一些大公司。最近，一种叫做分布式数字控制的新型DNC系统已经开发出来，它用计算机网络来协调多台DNC机床的运行。这种方式最终有可能用来协调整个工厂的运转。这种分布式数字控制方法解决了协调直接数字控制系统时遇到的一些难题。在此基础上，人们还开发出另一种分布式数字控制系统，其整个NC程序可从主机直接传输到机床控制器。另外，该系统也可在必要时将程序从主机传输到车间的个人电脑（PC），然后再传输到机床控制器工业机器人是在生产环境中用以提高生产效率的工具,它能做常规乏味的装配线工作,或能做那些对于工人来说是危险的工作,例如,第一代工业机器人是用来在核电站中更换核燃料棒,如果人去做这项工作,将会遭受有害放射线的辐射。工业机器人亦能工作在装配线上将小元件装配到一起，如将电子元件安放在电路印制板，这样，工人就能从这项乏味的常规工作中解放出来。机器人也能按程序要求用来拆除炸弹，辅助残疾人，在社会的很多应用场合下履行职能。机器人可以认为是将手臂末端的工具、传感器和（或）手爪移到程序指定位置的一种机器。当机器人到达位置后，它将执行某种任务。除了编程以及系统的开停之外，一般来说这些工作可以在无人干预下完成。关键字：加工精度，设计方案，分配，参数ABSTRACTIn 1947 , John Parsons of the Parsons Corporation, began experimenting with the idea of using three-axis curvature data to control machine tool motion for the production of aircraft components . In 1949 , Parsons was awarded a U. S. Air Force contract to build what was to become the first numerical control machine . In 1951 , the project was assumed by Massachusetts Institute of Technology . In 1952 , numerical control arrived when MIT demonstrated that simultaneous three-axis movements were possible using a laboratory-built controller and a Cincinnati Hydrotel vertical spindle . By 1955 , after further refinements , numerical control became available to industry . Early NC machines ran off punched cards and tape , with tape becoming the more common medium . Due to time and effort required to change or edit tape , computers were later introduced as aids in programming . Computer involvement came in two forms : computer aided programming languages and direct numerical control (DNC) . Computer aided programming language allowed a part programmer to develop an NC program using a set of universal “pidgin English” commands , which the computer then translated into machine codes and punched into the tape . Direct numerical control involved using a computer as a partial or complete controller of one or more numerical control machines . Although some companies have been reasonably successful at implementing DNC , the expense of computer capability and software and problems associated with coordinating a DNC system renders such systems economically unfeasible for all but the largest companies .Recently a new tape of DNC system called distributive numerical control has been developed . It employs a network of computers to coordinate the operation of a number of CNC machines . Ultimately , it may be possible to coordinate an entire factory in this manner . Distributive numerical control solves some of the problems that exist in coordinating a direct numerical control system. There is another type of distributive numerical control that is a spin-off of the system previously explained . In this system , the NC program is transferred in its entirety from a host computer directly to the machines controller . Altemately , the program can be transferred from a host computer to a personal computer(PC) on the shop floor where it will be stored until it is needed . The program will then be transferred from the PC to the machine controller .The industrial robot is a tool that is used in the manufacturing environment to increase productivity. It can be used to do routine and tedious assembly line jobs, or it can perform jobs that might be hazardous to the human worker. For example, one of the first industrial robots was used to replace the nuclear fuel rods in nuclear power plants. A human doing this job might be exposed to harmful amounts of radiation. The industrial robot can also operate on the assembly line, putting together small components, such as placing electronic components on a printed circuit board. Thus, the human worker can be relieved of the routine operation of this tedious task. Robots can also be programmed to defuse bombs, to serve the handicapped, and to perform functions in numerous applications in our society.The robot can be thought of as a machine that will move an end-of-arm tool, sensor, and/or gripper to a preprogrammed location. When the robot arrives at this location, it will perform some sort of task. This task could be welding, sealing, machine loading, machine unloading, or a host of assembly jobs. Generally, this work can be accomplished without the involvement of a human being, except for programming and for turning the system on and off.Key Words: Accuracy of Process，Project Design，Allotment，Parameter0 引言回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。超精密车床要求其数控系统具有高编程分辨率（1nm）和快速插补功能（插补周期0.1ms）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NAN OPATH和PRECITECHS ULTRAPATH TM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PM AC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH1型数控系统采用ASW824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。模块化、构件化是超精密车床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和车床。研制超精密车床时，布局就显得非常关键。超精密车床往往与传统车床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使车床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使车床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密车床，用于车削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密车床AS100，用于加工自由形式表面，该车床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的车削点。此外，一些超精密加工车床是针对特殊零件而设计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些车床都具有和通用车床完全不同的结构。由此可见，超精密车床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。为保证超精密车床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20分辨率为1.25nm）与高稳定性，测量范围大，适合作车床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密车床运动检测，如该公司LI P401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（0.1ppm/k），动静尺间隙为0.60.1mm，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Opt imum2400超精密车床都使用了Heidenhain光栅尺。在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS ACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据车床成形系统的布局任意组装软件，符合车床模块化发展的方向。1.序言课题简介：本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。 进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。现我选用CA6140普通车床为例进行数控改造。 第一章 设计方案的确定C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。一 总体设计方案的确定由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了改造数量。二 机械部分的改造设计与计算将普通车床改造成数控机床，除了增加控制系统外，机械部分也应进行相应的改造，其中包括：纵向和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。（一）纵向进给系统的设计选型1、经济数控车床的改造，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的改造而言，采用第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑，所以将步进电机放在丝杠的左端。2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=640mm步 驱 角： 2=0.75o/step快速进给速度：Vmax=2m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep（1）切削力的计算由机床设计手册得公式 No=Nd （公式一）其中 NO 为传动件的额定功率Nd主电机的额定功率，见使用说明书得：Nd=4.5 kw 从电机到所计算的传动轴的传动效率（不含轴承的效率）从电机到传动轴经过皮带轮和齿轮两种传动件传动，所以=n1n2 由机床设计手册得n1 =0.96 n2=0.99所以：=0.960.99=0.9504 取 =0.95即N=40.95=3.8（kw）又因为主传动系统效率一般为0.60.7 之间，所以取0.65所以NC（进给效率）=3.80.65=2.47（kw）由机械加工工艺手册得Pm= 9.8 （公式二）式中Vs 切削速度，设当其为中等转速，工件直径为中等时，如D=40mm时，取Vs=100m/min主切削力FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N由机床设计手册得主切削力FZ=CFzapxfxfyfzkfz(经验公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三)对于一般切削情况，切削力中的指数xfx1FZ=0.75 Kfz0CFZ=188kg/2=1880MpaF2的计算结果如下：ap()222333f()0.20.30.40.20.30.4Fz(N)10515241891168122872837为便于计算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2走刀量f=0.3为以下计算以此为依据。由机械床设计手册得，在一般外圆车削时，Fx（0.10.6）FZFy(0.150.7)Fz取Fx=0.5 Fz Fy=0.6FzFx=0.51511.7=755.9(N)Fy=0.6 Fz=0.61511.7=907.0(N)（2）滚珠丝杠的设计计算由经济型数控机床总设计，综合车床导轨丝杠的轴向力得P=RGx+f（Fz+w） (公式四)其中R=1.15 , f=0.150.18 取f=0.16P=1.15755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N)强度计算寿命值Li= （公式五）ni= （公式六）由机床设计手册得Ti=15000h,原机床丝杠螺距为60， D=80ni= =19.920(r/min)Li=18最大动负Q=PfwfH (公式七)其中 运载系数fw=1.2硬度系数Fh=1Q=1.21239.21 =3897.1(N)根据最大动力负载荷Q的值，查表选择滚珠丝杠的型号为W50103.51，查表得数控车床的纵向精度为B级，左旋即型号为W50103.51/B9001000其额定载荷是3970N效率计算根据机械基础得，丝杠螺母副传动效率为= (公式八)由机床设计手册得4一般为812取4=10即：摩擦角4=10，螺旋升角（中径处）r=3O25则= =0.953 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1= (公式九)其中 LO=10=1E=20.6106N/2滚珠丝杠横截面积 F=() d为滚珠丝杠外径 =（）23.14 =18.47(2) 则L1=3.25610-63.27um查机床设计手册，B级精度丝杠允许的螺距误差（900螺丝长度）为25nm/m ，因此，丝杠的刚度符合要求。即刚度足够。稳定性验算由于原机床杠径为30，现选用的滚珠丝杠为50，支承方式不变。所以，稳定性不成问题，无需验算。齿轮及转矩的相关计算此齿轮为普通减速器的齿轮且减速器为一般机器，没有特殊要求，从降低成本，减小结构尺寸和易于取材的原则出发，决定小齿轮选用45钢调质，齿面硬定为217255HBS。大齿轮选用45正火，齿面硬度169217 HBS。传动比i=其中2表示步驱角，89表示脉冲当量i=2.1取齿数z1=30, Z2=63 模数m=2mm, 啮合角为200，小齿轮齿宽为25，大齿轮齿宽20。d1=mz1=230=30d2=mz2=263=126da1=m(z1+2)=2(30+2)=64a=93齿轮传动精度计算齿轮圆周速度VV=4.2(m/s)根据齿轮圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级侧隙分别为：小齿轮：8GJ大齿轮：8FL传动惯量的选择工作台质量折算到电机轴上的转动惯量J1=()2W =()280 = 0.467kg. 2丝杠的转动惯量Js=7.810-4D4L1=7.8-4(50)414.9 =7.26(kg. 2)齿轮的转动惯量JZ1=7.810-4(60)42=2.02(kg. 2)JZ1=7.810-4(126)42=39.32(kg. 2)由于电机的传动惯量很小，一般可忽略不记所以总的传动惯量为 J总=(Js+Jz2)+Jz1+J1 =(7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(kg. 2) =145.0(N. 2)所需转动力矩的计算快速空载启动时所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二）最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三）快速进给时所需力矩 M=Mf+MO （公式十四）式中Mmamx 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 Mf 折算到电机轴上的磨擦力矩。 MO 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 Mat 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五)当n=nmax时，Mamax=Ma nmax=400(r/min)Mamat=10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm)nt= =25.08(r/min)Mat=10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm)Mf=当=0.8，f=0.16时，Mf=1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm)MO=(1-o2)当=0.9时，预加荷PO=FxMO= =0.40334.03(N.cm)Mt= =6.368(kg.cm)=63.68(N.m)所以，快速空载启动所需力矩M快空= Mamax+Mf+MO 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm)切削时所需力矩M切= Mat+ Mf+ MO +Mt=15.1+12.13+4.03+63.69=94.95(N.cm)快速进给时所需力矩M快速= Mf+MO =12.13+4.03=16.16(N.cm)由以上计算可得所需最大力矩Mamax发生快速启动时Mamax= M快速=257.86(N.cm)(二) 横向进给系统的设计与计算（1） 横向进给系统的设计经济数控车床改造的横向进给系统一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动.步进电机安装在大拖板上,用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来,以保证其同轴度,提高传动精度。（2） 横向进给系统的设计计算，已知条件工作台重量：W=30kgf=300N时间常量：T=25ms行 程：s=190mm步 驱 角：2=0.75度/step脉冲当量：8p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min切削力的计算横向进给量约为纵向的,取则横向切削约为纵向切削力Fz=F纵z=1511.64=755.82(N)在切断工件时 Fy=0.6 F纵z=0.6755.82=453.492(N)(3) 滚珠丝杠的计算强度的计算对于燕尾型导轨 P=Kfy+f(Fz+W)其中，K=1.4，f=0.2P=1.4453.492+0.2(755.82+300)=846.05(N)寿命值Li=13.5 最大动负载Q=fwfr1p 其中 fw（运载系数）=1.2fh(硬定系数)=1Q=1.21846.05=2417.4(N)根据最大动负载荷的值,可选择滚珠丝杠的型号,其公称直径为35,型号为W3508-3.51/B左190290，额定动负载荷为2520W，所以强度够用。效率计算=r（螺纹升角）=3O38 4（磨擦角）=10=0.956刚度验算 滚珠丝杠受工作负载，P引起的导程变化量 L1=F=（）2其中为滚珠丝杠的外径=（）23.14 =9.0746 L1 = =3.6210-6() 因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化化量L2很小，可忽略不计，即L=L1，即导程变化总误差为=L=3.6210. -6=4.52(min/m)查表知B级精度丝杠允许的螺矩误差（在300之内）为15um/n ，所以刚度足够。稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相等，而支承方式由原来的一端固定，一端悬空变为一端一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。、齿轮及转矩的相关计算减速器为一般机器，没有什么特殊要求，从降低成本，减小结构、尺寸和易于取材等原则出发，决定小齿轮选用45钢、调质，齿面硬度为217255HBS；大齿轮选用45钢正火、齿面硬度为169217HBS传动比 i =其中8表示步驱角；8P表示脉冲当量i=所以，取Z1=30，Z2=99M=2mm，啮合角为20小齿轮齿宽为25mm；大齿轮齿宽为20mm。d1=mZ1=230=60d2=mZ2=299=198da1=m(Z1+2)=2(30+2)=64da2=m(Z2+2)=2(99+2)=202a=齿轮传动精度计算齿轮圆周速度VV=根据圆周速度和对噪音的要求确定齿轮精度等级及侧隙分别为：小齿轮：8GJ大齿轮：8FL、传动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的传动惯量J1=0.04378(Kg.cm2)丝杠转动惯量：JS=7.810-4D4L1=7.810-43.5413.3=1.556(.2)齿轮的传动的惯量JZ1=7.810-4D4M=7.810-4642=2.02(.2)JZ2=7.810-4D4M=7.810-4（198）22=239.76(.2)由于电机传动惯量很小，可以忽略不计，因此总的转动惯量J= (JS+JZ2）+JZ1+J1= (1.556+239.76）+2.022+0.04378 =24.22(.2)所需转动力矩的计算nmax=Mamax=4.16(N.m)nt =43.79(r/min)Mat=0.4419(N.m)Mf= 其中，f=0.2 =0.8时Mf=0.029（N.m）M0=0.13860.0139（N.m）Mt=2.19(kgf.cm)0.219（N.m）所以，快速空载启动时所需转矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079(N.m)切削的所需力矩M切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速启动时所需力矩M快进= Mf+Mo=0.029+0.0139=0.0429(N.m)即最大转矩发生在快速启动时 即 Mamax=4.2079(N.m)第二章 步进电动机的选择一步进电动机选用原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确的选择。（一），步距角应满足：=式中i传动比amin系统对步进电机所驱动部件的最小转角（二） 精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用，所选用的步进电机应满足。QmiQs式中Qm步进电机的积累误差。Qs系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。（三）转距为了使步进电机正常运行（不失步、不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑；启动力矩，一般启动力矩选取为Mq式中Mq电机启动力矩ML0电机静负载力矩在要求在运行频率范围内，电机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机的转动惯量（包含负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。(四) 启动频率由于步进电机的启动频率随负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：fifopm其中fi极限启动频率fopm要求步进电机最高启动频率二步进电机的选型（一）C6140纵向进给系流步进电机的确定Mq= 取参数为0.4=644.6（N.m）为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式。查手册得知：Mq/Mjm=0.866，所以步进电机最大静转矩Mjm为fmax=3333.3（HZ）综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机能满足使用要求。（二）C6140横向进给系流步进电机的确定Mq=电动机选用三相六拍工作方式查手册得Mq/mjm=0.866Mjm=1.215(N.m)步进电机的最高工作频率fmax=综合考虑，查表选用110BF004型直流步进电机，能够满足使用要求。（三）110BF003型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00330.758067.84（80）1500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径700046.06(4.7)0.37三相六拍611016011参考价原型号350BFG090811（四）110BF004型直流步进电机主要技术参数电机型号相数步驱角电压相电流最大转矩最高空载启动率110BF00430.753044.9（50）500运行频率转子转动惯量线圈电阻分配方式重量外径长度轴径34.3(3.5)0.76三相六拍5.511011011参考价原型号350BFG09041111第三章经济型数控系统选型用数控机床工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主动的变速、启动、停止、进给运动的方向速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运行轨迹和运行参数进行工作，从而达到加工出符含合要求零件的目的。C6140数控车床改造后联动轴数为二轴联动且传动精度要求比较高，主要有A850CNC系统和JWK两种系统。经过实际比较分析，JWK系统的核心是MCS-51系列的8031单片微机，其采用ISO国际标准数控代码编程，能自动完成车削端面、内外圆、倒角等功能，并配有完备的S、T、M功能。该系统尔采用模块化设计，内部有计算机等四种模块。更换维修方便快速。A850CNC系统结构简单，集成度高，工艺先进，性能稳定，可维修性很大。根据实际生产需要，以及数控系统的要求，经过实际比较分析，选用JWK系列。其中又以JWK-15T型系统应用最广、功能较强、操作使用更方便。所以，决定使用JWK-15T型数控系统。JWK-15T主要性能参数如下：生产厂家南京微分电机厂江南机床数控工程公司型 号JWK-15T用户容量24K设定单位X=0.005，Z=0.01控制轴数X、Z联动轴数二轴编程尺寸9999.99快速（X/Z）向3/6m/minG功能M00M09，M20M29，M97M99S功能S01S04，S05S10T功能T、XT8X步进电机110BF003工作电源220V10% 50HZ控制精度1步功耗W360环境温度040相对湿度80%（25）外形尺寸（mm）340400200系流重量（kg）17第四章 电动刀架的选型自动转位刀架的设计是普通机床，数控改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可但要注意两点：1) 电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。2) 电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加