机电一体化普通车床的数控化改造

1、继 续 教 育 学 院毕业论文题目：普通车床的数控化改造学生姓名：学 号:班 级： 专 业：机电一体化2011年10月、毕业设计（论文）任务课题内容：毕业设计（论文）的内容要求：1. 首先阐明了普通车床的数控化改造意义.2. 说明了普通车床的数控化改造系统构成.CNC控制器和步进电3. 对普通车床的数控化改造的原理进行了分析，分析 机课题任务要求：一、课题设计（论文）目的及意义1. 充分了解机床的组成，各系统之间的联系。2 通过这次的毕业设计，使我对数控机床相关专业课程方面的知识更加 巩固了，同时也对CNC系统有了一个系统的认识。3.本次设计使我体会到机电一体化技术的重要性。为以后从事机床维修

2、 工作奠定了坚实的基础二、课题设计（论文）提纲1. 普通机床的数控化改造产生的背景及意义。2. 普通机床的数控化改造的理论分析1）车床数控化改造的意义2）普通车床数控化的优点3）车床数控化改造的内容4）机床数控化改造的必要性3. 车床数控改造的构思与方案1）改造的任务2）改造方案的论证3）改造方案的确定4. 主要结构的数控改造方法1）数控系统的改造2）纵向进给系统的改造3）横向进给系统的改造4）刀架的选择5）主轴传动系统6）滑动导轨副的改造三、课题设计（论文）思路、方法及进度安排思路方法：1）在图书馆阅读有关普通机床和数控机床的书籍，以及搜集此方面的知识。2）利用网络了解普通车床的数控化改造应

3、用3）到校内实习车间咨询实训老师，实际观察车床的结构组成，工作原理。4）与同学及进行交流和探讨，了解很多关于普通车床数控化改造的资料，使 自己对此课题有更深一步的了解。主要参考文献与外文翻译文件一、主要参考文献1朱晓春主编，数控技术（第一版），机械工业出版社，1999.2 徐赢.机械设计手则M.北京：机械工业出版社.1991.9.3 寥效果，朱启逑.数字控制机床M.武汉：华中理工大学出版社，1992.4 中国机械工业教育协会.数控技术M.北京：机械工业出版社，2001. 李宏胜主编，机床数控技术及应用，高等教育出版社，2001.6 朱文伯，笪文俊.西门子数控系统在机床改造中的应用J.航空制造技

4、术，1999,5： 30-327 余英良著，机床数控改造设计与实例（第一版），机械工业出版社，2001、毕业设计（论文）工作进度计划表序号毕业设计（论文）工作任 务工作进度日程安排周 次12345678910111213141516171819201查找资料，撰写开题报告2做好车床数控改造的构思与方案3主要结构的数控改造方法4主轴传动系统的改造5撰写初稿6根据导师意见，进一步充实论文7评阅、修改8答辩、成绩评定910注：1.此表由指导教师填写 2.此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据;3.进度安排请用“一”在相应位置画出。时间第一阶段第二阶段第三阶段内容组织纪律完成任务

5、情况组织纪律完成任务情况组织纪律完成任务情况检 查 记 录教师 签字签字日期签字日期签字日期注：1此表应由指导教师认真填写。阶段分布由各学院自行决定。2. 组织纪律”一档应按长沙理工大学学生学籍管理实施办法精神，根据学生具体执行情况，如实填写。3. 完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。包括优点，存在的问题与建议4. 对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。四、学生毕业设计（论文）装袋要求1.毕业设计（论文）按以下排列顺序印刷与装订成一本（撰写规范见教务处网页）。(1)封面扉页(3)毕业设计（论文）任务书（4）中文摘要(5)英文摘

6、要（6）目录(7)正文（8）参考文献(9)致谢（10）附录（公式的推演、图表、程序等）（11）附件1:开题报告（文献综述）（12）附件2:译文及原文影印件2. 需单独装订的图纸（设计类）按顺序装订成一本。3修改稿（经、管、文法类专业）按顺序装订成一本。4. 毕业设计（论文）成绩评定册一份。5 论文电子文档由各学院收集保存。学生送交全部文件日期学生（签名）指导教师验收（签名）普通车床的数控化改造摘要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、

7、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。本文通过对CA6140普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准 确可靠，操作方便，性能价格比高。 这种方法对中小企业设备的数控改造有一定 的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、 反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造。关键词 ：数控； 改造； 车床。绪论 3一数控机床改造的背景和意义 41.1

8、数控机床在我国的发展现状 41.1.1 车床数控化改造的意义 51.1.2 普通车床数控化改造的优点 51.2 数控化改造的内容 71.3 机床数控化改造的必要性 12二. 车床数控改造的构思与方案 122.1 改造任务122.2 改造方案的论证 132.3 改造方案的确定 14三. 主要结构的数控改造方法 143.1 数控系统的改造 143.2 纵向（Z向）进给系统的改造 183.3 横向（X向）进给系统的改造 213.4 刀架 213.5 主轴传动系统的改造 223.5.1 改造思路223.6 滑动导轨副的改造 22四. 安全防护 224.1 硬防护224.2软防护23五. 总结 23参考

9、文献25致谢26绪论随着社会生产和科学技术的迅速发展， 机械产品的性能和质量不断提高。 产 品的更新换代也不断加快。 因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率， 而且 应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程 序自动进行的机床。随着微电子技术， 特别是计算机技术的发展， 数控机床迅速 地发展起来。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、 精密、小批量多品种零件的加工问 题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目前我国在役机床总量约 380 万台， 其中数控机床总数只有 11 万多台，数控机床占有率不足 3，而一些工

10、业发达 国家早已达到 20以上。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造业水平 与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了 生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率已经成为我国制造技术发展的总趋 势。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床，价格昂贵，一次性投 资大，目前各企业均有大量的普通机床，完全用数控机床替代是根本不可能的； 二是对旧机床进行数控化改造。 我国是一个机床拥有量极大的国家， 但大部分机 床服役龄较长， 采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率， 是一个 极其有效和实用的途径，是企业必走之路。制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地

11、区经济发展水平的重要 标志，而其中最具代表性的就是数控机床。 我国现正处于从以劳动密集型产业为 主向以技术密集型产业为主的发展阶段， 对自动化设备的需求会越来越大、 越来 越积极。利用现有普通车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数 控车床，是一种盘活资金的有效途径， 也是低成本实现自动化的行之有效的方法。 因为一方面我国普通车床保有量大， 要将普通车床淘汰掉是不经济、 也不现实的 做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通车床为主，普通车 床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。.数控机床改造的背景和意义1.1 数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家

12、，但在国际市场竞争中仍处于较低水平； 即使国内市场也面临着严峻的形势 ,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控 机床有大量的需求 ,而另一方面却有不少国产机床滞销积压 ,国外机床产品充斥市 场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右,而 95年已达 77%。严 重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现 ,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品 (包括基型、变型和专用机床 )的开发周期长 ,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产 品。具体地说 ,这个问题反映在下列五个方面 :(1) 我国机床厂目前

13、开发基型产品的周期约为1518个月，其中设计时间约为58个月，占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发 周期为 69 个月 ,其中设计约 1.52 个月 ,只占 25%。因此无论是产品开发的总 周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具 (如分析和评价软件、 整机结构有 限元分析方法以及机床性能测试装置等 ),自行开发的新产品大多基于直观经验和 类比设计 ,使设计一次成功的把握性降低 ,往往需要反复试制才能定型 ,从而可能 错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要 ,在订货时往往提出一些特殊要求 ,甚至在产品

14、即将投产时有的用户临时提出一些要求 ,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技 术文件。在国外 ,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月 ,且由于这些图纸和文件涉及多个部门 ,常 会出现漏改和失误的现象 ,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数 ,他们的专业知识和实际经 验不足 , 又担负着开发的重任。(5) 由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立 ,缺乏有效的协同开发的 模式 ,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见 ,容易造成产品的反复修改 , 延长了开发的周期。为解决这些问题 , 必须对产品开发

15、的整个过程综合应用计算机技术 , 发展优 化 和 仿 真 技 术 , 提 高 产 品 结 构 性 能 , 并 建 立 起 基 于 并 行 工 程 (Concurrent Engineering) 的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环 境, 使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.1 车床数控化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

16、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 。1.1.2 普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

17、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

18、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；(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

19、核心，包括硬件(印刷电路板、 CRT 显示器、 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

20、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，

21、 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、 PC 技术改造普通机床，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

22、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。1.2 数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 X 轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板 箱，

23、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f减速箱（或联轴器）f纵向滚珠丝杠f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f减速箱（或联轴器）f横向滚珠丝杠f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

24、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0.900.96 ;若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

25、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

26、丝杠副选 P4级即可满足要求，特殊精密机床选 P3级甚至更高。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。7777/(7777TTThfrirrmT1(a)(b)UTTH7T777777777777/(c)(d)图1丝杠副轴承的布置 .图1-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。 .图1-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

27、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

28、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C6116型，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C6150床身长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

29、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(924)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

30、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。 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

31、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812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

32、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

33、来以前两种最多，也最易操作。1.3 机床数控化改造的必要性我国目前机床总量 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/FM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

34、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。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。 所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床， 这种做法具有投资少、 见 效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以 为企业带来可观的经济效益。二车床数控改造的构思与方案本次改造的普通车床型号为CA6140长度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

35、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。2.1 改造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。2.2 改造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

36、 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。 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

37、有效地运行。在设计的数控装置中，CPU勺选择是关键，选择CPI应考虑以下要素：(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；(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 CPU在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的 是Z80CPI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

38、对96系列价格更便 宜，51系列中，是无 ROM勺8051, 8751是用EPRO代替ROM勺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。2.3 改造方案的确定CA6140A 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

39、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。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

40、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。三主要结构的数控改造方法3.1 数控系统的改造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。3.1.1 数控系统的选择机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断 发展与进步， 提高了数控机床的整体性能， 尤其是它的加工精度和生产效率提高 得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。目前市场

41、上流行的数控系统，如FANUC西门子、GSK980T等都配置有车床 数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功 能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后 ！我们选择了 GSK980TD型数控系 统。数控机床应能长期连续加工， 其数控系统必须能够长期无故降连续运行。 为 保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。常年的工作考脸证明GSK980TDK统是最可靠的数控系统之一，它能在一般 车间环境下运行。其工作场地的室温为 0-45 C,相对湿度75%S时可达95%抗 震为0.5g，电网电压波动为10%-15%经对使用中系统的实际统计，GSK98

42、0TD 系统的故障率为 0.008，比较好地满足了我国市场的要求。GSK980T系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素：(1) 可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。(2) 大规模及超大规模的专用集成电路芯片：GSK980T系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。(3) 全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装 出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人) 的不稳定因素的干预。所以产品的一致性好，增加了可靠性。 良好的控制软件设计：GSK980T系统经过在国内各地数年

43、的运行，积累 了丰富的数据， 因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况， 加入了许多 保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈 断线等报警，使得机床运行中出现故障时， 系统能及时处理， 从而进免了元部件 的损坏。(5) 数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰电气控制原理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

44、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。控制原理图如下：变频器电源 主轴电机公共端 正转指令反转指令 模拟电压IMITSUBISHIO47ESD STRSTR283032T M J PE_i_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（如图3-2），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 XS30-XS33若出

45、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。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（如图 3-2 ）,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XS3Q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。X轴伺服驱动器xtt伺服电机渤伺廉驱动器2轴电机图3.2 Z轴-X轴进给伺服控制系统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（如图

46、3-3），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。刀架电机也源R架霍尔开关电源刀衆力位佶号四工位电动刀架丄一厂丄厂K5B.1O7.8图3.3 刀架控制电路5、光栅尺控制: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。3.2纵向（Z向）进给系统的改造改造思路纵向进给传动系统的改造如图3.4所示。纵向步进电机1通过一对减速齿

47、轮2把动力传递给纵向滚珠丝杠 3,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台 4做往复 移动。原车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用 2个互相垂直的锥销将支撑 轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小， 可防止被连接轴的位移和偏斜带来 的装配困难和附加应力。如图3.4 所示，滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承 支承座4,通过一对深沟球轴承1实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母（图 中未画出） 实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺 母间的间隙，调整方便。

48、步进电机通过消隙齿轮2减速，减速器输出轴用套筒联轴器6与丝杠3 （见图3.4联接，固定销3防止减速器转动。图3.4纵向进给系统图1.纵向步进电机2.减速齿轮 3.纵向滚珠丝杠 4.工作台5.套筒联轴器 6.支撑轴图3.5纵向步进电机装配图1.深沟球轴承 2.消隙齿轮 3.固定销 4.滑动轴承支承座5.圆螺母 6.套筒联轴器滚珠丝杠3 （见图3.4）仍安装在原滑动丝杠的空间位置，其螺母副通过 支架1 （见图3.6）安装在床鞍的底部，如图3.6所示。支架做成可移动的形 式方便装配，丝杠位置调整好后，由螺钉拧紧。图3.6纵向滚珠丝杠装配图1 .支架 2.丝杠托架 3.纵向滚珠丝杠4.丝杠防护罩5.大

49、拖板6.过渡板实施步骤（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 40mm便与伺服电动 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

50、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。3.3横向(X向)进给系统的改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图3.7所示。横向步进电机1及减速器2安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套 筒联轴器10与滚珠丝杠7连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴 承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12

51、，以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构， 用一个联轴套4和 一根连接短轴6把滚珠丝杠7与减速器输出轴3连接起来，并通过一对圆螺母 5实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9直接固定在中拖板8上。图3.7横向进给系统图1.横向步进电机 2.减速器 3.减速器输出轴4.联轴套 5.圆螺母6. 连接短轴7.横向滚珠丝杠8.中拖板 9.螺母座10.套筒联轴器 11.支撑短轴 12.推力球轴承3.4刀架3.4.1 选用选用LD4-6132型电动刀架因为设计要求刀架的最大回转直径为 400mm而最小的三角刀架的设计高度 大大超过60mm故选用LD4-6132刀架型

52、号，因刀架为外购件，其尺寸已成定值, 故选用四方刀架。即LD4-6132。该刀架可以夹持4把刀，采用鼠牙盘为分度定 位，利用步进电机实现自动转位。实施步骤(1) 拆下原手动刀架;2)在小拖板上钻四个安装孔，并攻丝；(3)手动抬起电动刀架，将刀架安装在小拖板上；(4)安装后，试用MDI功能换刀，观察三相电源有无接反。3.5 主轴传动系统的改造3.5.1 改造思路为提高机床自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原 CA6140 主轴传 动系统进行一定的改装。3.5.2 实施步骤( 1)取消原变速箱，将主轴电机换成四速异步电机；( 2)保留原主轴箱内的背齿轮机构。3.6 滑动导轨副的改造对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好 的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减 少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。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。