CA6140普通车床数控改造毕业设计终稿

1、目 录第一章 车床数控改造的总体构思与技术方案1.1 设计任务1.2 总体方案的论证1.3 总体改造方案的确定1.4 机械部分的改造1.5 数控部分的改造第二章 普通车床主要结构的数控改造2.1 数控系统2.1.1 数控系统的选择2.1.2电气控制原理2.2 纵向（Z向）进给系统的改造2.2.1 改造思路2.2.3纵向进给切削力的确定2.2.4 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.2.5 实施步骤2.3 横向（X向）进给系统的改造2.3.1 改造思路2.3.2 实施步骤2.4 刀架2.4.1改造思路2.4.2实施步骤2.5 主轴传动系统与滑动导轨的改造2.5.1改造思路2.5.2 实施步骤2

2、.5.3 滑动导轨2.6 编码器2.6.1 改造思路2.6.2实施步骤第三章 光栅尺安装与调试3.1 光栅尺的安装3.2 光栅尺的校正第四章 CA6140数控改造步进电机的设计4.1 步进电机的工作方式4.2步进电机的选择4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定4.2.2 CA6140横向进给系统步进电机的确定第五章 数控机床精度的控制5.1 反向偏差5.2定位精度第六章 设计总结致谢参考文献第一章 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CA6140，长度750毫米（如图2.1）。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。为简化结构、降低成本，拟采用步进电

3、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。图2.1 CA6140车床实物图1.1 设计任务本设计任务是对CA6140普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0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，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。1.2 总体方案的论证 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

4、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。(1) 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CA6140车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。（2）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。 （3）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

5、才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； b) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； c) 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CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主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MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价

6、格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的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。1.3 总体改造方案的确定 CA6140车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

7、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CA6140A车床的有关资料，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X轴和Z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

8、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。总体方案设计图如下：图2.2总体方案设计图1.4 机械部分的改造 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

9、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。1.5 数控部分的改造 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。（如图2.3）图 2.3 数控系统改造硬件框图第二章 普通车床主要结构的数控改造二.1 数控系统 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

10、等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。2.1.1 数控系统的选择 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

11、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

12、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SIEMENS公司、日本FANUC公司；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。2.1.2电气控制原理（1）主轴控制系统： 主轴

13、采用三相异步电机驱动由西门子440变频器US控制，其动力由U、V、W三相电源经变频器US提供，主轴电机的正反转由指令控制经PLC输出再经变频器US控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经XS9口直接连到变频器US控制电机转速，若出现故障，则由变频器US发出信号经PLC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。主轴控制系统原理图如图3.1 所示：图3.1 主轴控制系统原理图 （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

14、，它们与数控系统的接口为XS30-XS33，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC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。如图3.2（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+V1电源经伺服模块提供，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XS30，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC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。 如图3.2图3.2 X、Y、Z、A轴伺服控制电气图（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

15、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PLC发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。 控制原理图如图3.3 图3.3 刀架电机控制系统原理图 （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。 控制原理图如图3.4图3.4 光栅尺控制电路原理图2.2 纵向（Z向）进给系统的改造2.2.1 改造思路 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要

16、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。2.2.2设计参数加工最大直径：在床面上400mm，在床鞍上210 mm；加工最大长度：1 000 mm；溜板及刀架重力：纵向800 N；刀架快速速度：纵向24m/min；最大进给速度：纵向O8 mmin；主电动机功率：P主=

17、7，5 kW；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：0015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：001mm步；横向：0005 mm步。2.2.3纵向进给切削力的确定P主Pm/m=FzV*10-3/m （3-1） （3-1）式中m =0.750.85;V-主轴传递全部功率时的最低速度主切削力Fz按经验公式估算：Fz=0.67Dmax1.5=5360N （3-2） （3-2）式中Dmax为车床床面上加工的最大直径按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：025：04Fx=5360025=1340NFy=5360O40=2144N2.2.4 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠工作

18、原理及特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服系统中使用最广泛的传动装置。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来， 在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构有下列特点:摩擦损失小、传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.920.96，是普通滑动丝杠螺母机构的34倍，而驱动转矩仅为滑动

19、丝杠螺母机构的四分之一。运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行、由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数小，且其差值也很小，因而启动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。轴向刚度高、反向定位精度高，由于可能完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度，反向时无空行程，定位精度高。磨损小、寿命长、维护简单，使用寿命是普通滑动丝杠的410倍。传动具有可逆性、不能自锁，由于摩擦因数小，不能自锁因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获

20、得较好的同步性。有专业厂生产，选用配套方便，目前滚珠丝杠不仅广泛应用于数控机床，而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构，用于各种精密机床和精密装置。(1)计算进给牵引力FmFm= KFx+f(Fz+G) （3-3）=1151340+016(5360+800)=2530N（3-3）式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=115；f滑动导轨摩擦系数，取：015018；G溜板及刀架重力，G=800N。(2)计算最大动负载 Cm=, （3-4）L=60nT/106 n=1000Vs/L。（3-4）式中L滚珠丝杠导程，初选L。=8mm；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此

21、处Vmax=08mmin；T使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；fw运转系数，按一般运转取121.5L寿命，以106r为1单位。n=1000Vs/L。=10000805/8=50rmin，L=60nT/106 = L=60*50*15000/106=45Cm= C=(3) 纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠副选择的主要依据是工作动负荷Cm (N)必须小于滚珠丝杠的额定动负荷Ca(N),即必须满足: Cm 0.02mm，但没有补偿功能。对这类机床，在某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再开始插补加工。插补进给中

22、遇反向时，给反向间隙值再正式插补，即可提高插补加工的精度，基本上可以保证零件的公差要求。 对于其他类别的数控机床，通常数控装置内存中设有若干个地址，专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。 一般数控系统只有单一的反向间隙补偿值可供使用，为了兼顾高、低速的运动精度，除了要在机械上做得更好以外，只能将在快速运动时测得的反向偏差值作为补偿值输入，因此难以做到平衡、兼顾快速定位精度和切削时的插补精度。 对于FANUC0i、FANUC18i等数控

23、系统，有用于快速运动(G00)和低速切削进给运动(G01)的两种反向间隙补偿可供选用。根据进给方式的不同，数控系统自动选择使用不同的补偿值，完成较高精度的加工。 将G01切削进给运动测得的反向间隙值A 输入参数NO11851(G01的测试速度可根据常用的切削进给速度及机床特性来决定)，将G00测得的反向间隙值B 输入参数NO11852。需要注意的是，若要数控系统执行分别指定的反向间隙补偿，应将参数号码1800的第四位(RBK)设定为1；若RBK设定为0，则不执行分别指定的反向间隙补偿。G02、G03、JOG与G01使用相同的补偿值。5.2定位精度 数控机床的定位精度是指所测量的机床运动部件在数

24、控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。 （1）定位精度的测定 目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉测量原理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。检测方法如下： 安装双频激光干涉仪；在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置；调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行，即将光路预调准直；待激光

25、预热后输入测量参数；按规定的测量程序运动机床进行测量；数据处理及结果输出。（2）定位精度的补偿 若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床CNC系统，从而消除定位误差，由于数控机床三轴或四轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要花费较多时间，并且容易出错。现在通过RS232接口将计算机与机床CNC控制器联接起来，用VB编写的自动校准软件控制激光干涉仪与数控机床同步工作，实现对数控机床定位精度的自动检测及自动螺距误差补偿，其补偿方法如下：备份CNC控制系统中的已有补偿参数；由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC程序，并

26、传送给CNC系统；自动测量各点的定位误差；根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给CNC系统，螺距自动补偿完成；重复进行精度验证。根据数控机床各轴的精度状况，利用螺距误差自动补偿功能和反向间隙补偿功能，合理地选择分配各轴补偿点，使数控机床达到最佳精度状态，并大大提高了检测机床定位精度的效率。 定位精度是数控机床的一个重要指标。尽管在用户购选时可以尽量挑选精度高误差小的机床，但是随着设备投入使用时间越长，设备磨损越厉害，造成机床的定位误差越来越大，这对加工和生产的零件有着致命的影响。采用以上方法对机床各坐标轴的反向偏差、定位精度进行准确测量和补偿，可以很好地减小或消除反向偏差对机床精度的不

27、利影响，提高机床的定位精度，使机床处于最佳精度状态，从而保证零件的加工质量。第六章 设计总结 通过这次设计，综合运用了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，使我对知识有了一次更大的了解；还有对设计工作的基本技能的训练，提高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。改造后普通车床适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。改造够成的数控车床采用模块化设计，可根据用户不同的需求，配备不同的装置及附件。 在整个机床的改造过程中涉及到许多测试、调试问题，在硬件设备改造安装好好，需对机床的机械部分进行调整，对插补（