机床数控化改造

三门峡职业技术学院 共 34 页 第 1 页 三门峡职业技术学院三门峡职业技术学院 课程论文设计课程论文设计（ 机床数控装置与调试） 题目：题目：CA6140 机床数控化改造设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 系系 部：部： 专业名称：专业名称： 班级名称班级名称: 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： 年 月 日 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 2 页 摘 要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、 不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性， 又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、 批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在 短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造， 不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成 为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选 择，步进电机选择等进行了详细研究； 3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的 性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4根据普通车床 CA6140 电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造 CJK6140-A 的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲 发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与 铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 3 页 目 录 第一章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求 1.1 总体方案 -4 1.2 设计要求 -5 1.3 主传动系统和进给系统的改造 -6 1.4 主轴脉冲发生器 -6 第二章 进给伺服系统机械部分设计与计算 2.1 进给系统机械结构改造设计 -8 2.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 -8 2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 -14 第三章 CA6140 数控改造步进电机的设计 3.1 步进电机的工作方式 -17 3.2 步进电机的选择-18 第四章 CA6140 普通车床数控化改造的数控系统 4.1 数控车床及数控系统概述 -20 4.2 微机控制系统硬件电路设计 -22 4.3 单板机数控系统控制 -23 4.4 存储器扩展电路设计 -24 4.5 译码电路设计 -26 4.6 其他辅助电路设计设计 -27 第五章 安装调整中应注意的问题 5.1 滚珠丝杠螺母副的选择 -30 5.2 滚珠丝杠螺母副的调整 -30 5.3 联轴器的安装 -30 5.4 主轴脉冲发生器的安装 -30 第六章 结束语 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 4 页 致谢 -31 参考文献-32 第一章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求 1.1 总体方案 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执 行机构的选择等。 （1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功 能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下 应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求， 经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成 度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可 选 MCS51 系列单片机扩展系统。 （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存 储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘， 能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路， 此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。 （6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠 螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高 的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有 消除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 5 页 （9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短 改造周期。 （10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正 安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。 总体方案设计图如 1.1 图所示 1.2 设计要求 将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能， 纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。 设计参数如下： 最大加工直径： 在床面上400mm 在床鞍上210mm 最大加工长度：1000mm 快进速度 纵向2.4m/min 横行1.2m/min 最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横行0.25m/min 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 6 页 代码制ISO 脉冲分配方式逐点比较法 输入方式增量值、绝对值通用 控制坐标数2 最小指令值 纵向0.01mm/pulse 横行0.005mm/pulse 刀具补偿量099.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm 横行0.075mm 自动升降速性能有 1.3 主传动系统和进给系统的改造 CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车 床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是 为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的 同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。 同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单 独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性 能。 1. 机械部分的改造 首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖 板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必 须要换成数控自动刀架。 1.4 主轴脉冲发生器 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 7 页 为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接 与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提 高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步 信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给数控装置（CNC） ，脉冲发生器及光栅编码器安 装位置如图 光栅编码器安装位置 主轴脉冲发生器的结构及原理: 脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光 电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光 后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有 明暗条纹，有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面 就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电 脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉 冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4 间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以 从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现 F 进给控 制的目的。 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 8 页 脉冲发生器的结构原理图 第二章 进给伺服系统机械部分设计与计算 2.1 进给系统机械结构改造设计 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架 等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、 光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾 座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作 按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母 副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 2.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削 力 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型 等。计算简图如下图所示： 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 9 页 图 2.1 纵向进给 图 2.2 进给系统计算简图 2.2.1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机 床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对 经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 p f =0.005mm/step。 p f 2.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 （1）滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的 结构原理示意图如图所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变 为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换 的元件。 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 10 页 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器） 、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺 旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循 环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达 92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠 的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用， 提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用 优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。 1）最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠 m F 所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动 体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 2-1 计算 工作载荷的大小。 （2-1） () mv FKFLfFG 车削抗力分析 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 11 页 车削外圆时的切削抗力有，主切削力与主切削速度方向一 x F y F z F z F 致 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给 y F 垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力与进给方向平行且相反指向， x F 设计或校核进给系统是要用它。 切削时总切削力的分解 纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算： z F （2-2） zzz zz xFyFnF zFpF FC afVK =5360(N) 由金属切削原理知： =1:0.25:0.4 （2-3） : zxy FFF 得 =1340(N) x F =2144(N) y F 因为车刀夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 12 页 上，车削作业时作用在进给托板的载荷和与车刀所受到的车削抗力有对应 1 F v F c F 关系。 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 = =1340(N) 1 F x F 托板上的垂直方向载荷 = =5360(N) v F z F 托板上的横向载荷 = =2144(N) c F y F 因此，最大工作载荷 () mv FKFLfFG =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, =0.030.05,选=0.04，G 是纵向横向溜板 f f 箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg. 最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 3-4 计算： （3-4） 3 mm CL f F L 为工作寿命，单位为 10r，L=60nt10;n 为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v 为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的 1/21/3;L0 为 丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm; 为运转状态系数，因为此时有冲击振动， m f 所以取=1.5. m f V 纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/min n 纵向=v 纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5 则 =1.51790.68=11740（N） 3 mm CL f F 3 83.5 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C; 因此有 CaC=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 13 页 另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷是 oa C 否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使=23. oa m C F 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑 到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD638-3.5-E 型，主要参数为 =4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈数列数 3.51 w D 0 L m d 纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 tantan2 19 tan() tan(2 1910 ) o o 92% （3-5） 2）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运 动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接 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。 1 丝杠的拉压变形量 1 1 m F l EA （3-6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式， 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 14 页 因此用公式 =0.0013 （3-7） 2 2 3 m wyj F D F Z =0.0028mm 在这里 =1/3=1/31790.68=597N yj F m F 3.1463/4.763=41.53 m w d Z D 41.533.51=145.36 Z 丝杠的总变形量= + =0.0064+0.0028=0.0092mm3V 时，存储器就能可靠的保持信息。 2 D B V 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 30 页 第五章 安装调整中应注意的问题 5.1 滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。因此在进行设备改造 时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适后再决定被改造设备的 其他相关部分的 结构和尺寸。 5.2 滚珠丝杠螺母副的调整 利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝 杠副最大负载的 1 / 3 为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝 杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于 0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙 调整装置预紧的判断标准。 5.3 联轴器的安装 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同 一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时会引起轴线的直线度误差增大，从而使 安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动 性能。 5.4 主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的的引出轴按比例 1：1 无间隙柔性连接传动，连接后应保 证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打 碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。 三门峡职业技术学院 共 34 页 第 31 页 第六章 结束语 随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普 通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造 的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对 CA6140 普通车床进行经济型数控改造 设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展 趋势。 全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难， 但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化、 以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在 满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速， 研制了几十种简易 NC 系统，有力地促进了我国数控事业的发展。 改造后的车床，可手动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能 价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减 轻工人的劳动强度，提高工人素质。 企业应用经济型数控对设备进行改造后，增强了企业应变能力，为提高企业竞 争能力创造了条件，提高了加工精度和批量生产的能力，提高了设备自身对产品更 新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。 致 谢 本设计从课题、任务书的制定，到开题报告的完成以及后来的总体方案确定， 都得到雷老师的精心指导，半个月来，在雷老师的不断督促和帮助下，终于基本完 成，在此，向雷老师以及在这个过程中帮助过我的同学和老师们表示衷心的感谢。 短短半个多月时间的设计，一方面巩固了前面学过的基本专业