卧式车床数控化改造设计

普通卧式车床结构合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所普通卧式车床合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所普通卧式车床合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所卧式简易型数控车床合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所卧式简易型数控车床合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所卧式简易型数控车床合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所卧式车床数控化改造设计合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，

通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带

动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移

动。进给参数依靠手工调整，改变参

数时需要停车。切削次序需要人工控

制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中，从而提高生产效率和加工精度。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所一、设计任务合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所题目：C6140普通车床数控化改造设计任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：床身上最大加工直径400

mm；最大加工长度1000

mm；X方向(横向)的脉冲当量δx=0.005

mm/脉冲，Z方向(纵向)δz=0.01

mm/脉冲；（4）X方向最快移动速度Vxmax=3000

mm/min，Z方向为Vzmax=6000

mm/min；（5）X方向最快工进速度Vxmaxf=400

mm/min，Z方向为Vzmaxf=800

mm/min；X向定位精度±0.01

mm，Z向±0.02

mm；可以车削柱面、平面、锥面与球面等；安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24

mm；安装四工位立式电动刀架，系统自动选刀；自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；自动控制冷却泵的启/停；安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；纵、横向安装限位开关；数控系统可与PC机串行通信；显示界面采用LED数码管，编程采用ISO码。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所二、总体方案的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统

CPU的选择，以及进给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单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所普通车床经数控化改造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，进给伺服系统常采用步进电动机的开环

控制系统。根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能强、速度快、抗干扰、性/价比高等优点。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠

丝杠的螺母应有预紧机构等。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消除间隙机构。选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所三、机械系统的改造设计方案

1．主传动系统的改造方案对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2～４速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所2．安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的

KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所3．换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所4．螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器

或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为

车床主轴位置信号的反馈元件，

它与车床主轴同步转动。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所5．进给系统的改造与设计方案合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。将横向进给步进电机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所四、进给传动部件的计算和选型纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所1、确定脉冲当量2、计算切削力3、选择滚珠丝杠螺母副4、设计减速箱5、选择步进电动机五、绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构以及轴承的预紧和调节方式。考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。注意绘制装配图时的一些基本要求。比如，制图标准，视图布置及图

形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配

合尺寸的标注，装配技术要求，标题

栏等。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所六、控制系统硬件电路设计合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：接收键盘数据，控制LED显示；接收操作面板的开关与按钮信号；接收车床限位开关信号：接收螺纹编码器信号；接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；控制X、Z向步进电机的驱动器；控制主轴的正转、反转与停止；控制多速电动机，实现主轴有级变速；控制交流变频器，实现主轴无级变速；控制冷却泵启动/停止；控制电动卡盘的夹紧与松开；控制电动刀架的自动选刀；与PC机的串行通信。合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所CPUAT89S52单片机EPROM芯片

W27C512键盘与显示接口芯片8279SRAM芯片

6264晶振电路复位电路串行接口芯片

MAX233并行接口芯片

8255控制系统原理框图隔离放大隔离放大隔离放大X向步进电动机Z向步进电动机刀架电动机隔离放大主轴电动机隔离放大隔离放大隔离放大冷却泵电动机刀架刀位信号限位开关信号隔离放大卡盘电动机螺纹光栅信号D/A转换芯片DAC0832交流变频器主轴电动机操作面板开关/按钮信号合肥工业大学绿色设计与制造工程研究所车床数控系统操作面板合肥工业大学绿色设计与制造