车床CA6140的数控化改造说明书.doc

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1、目 录摘要.Abstract.II第1章 引言1.1车床数控化改造的特点.21.2我国数控机床现状.4第2章 数控系统的选择2.1设计任务.62.2设计参数.82.3总体设计.9第3章 伺服系统的设计第4章 机械机构的改造设计4.1纵向机械传动部分的设计计算.134.2横向机械传动部分的设计计算.214.3滚珠丝杠的支承形式与轴承的选用.26第5章 机械机构的改造设计5.1纵向步进电机的计算与选择.315.2横向步进电机的计算与选择.365.3其他部件的选取.425.4减速器箱体尺寸.46第6章 自动回转刀架的选择和安装6.1刀架外型尺寸.486.2自动回转刀架工作原理.496.3刀架的安装.

2、50第7章 微机数控系统的设计7.1硬件电路基本组成.527.2 CPU选用.537.3确定I/O接口电路.557.4 Z向和X向进给伺服控制电路.577.5 键盘显示电路.587.6 键盘接口设计.617.7 行程控制电路.62第8章 编码器的选择和安装8.1编码器的安装.638.2编码器的安装.64第9章 车床的电气控制系统的设计9.1电气系统简介.659.2电气系统总体框图.669.3电气原理图简介.66第10章 结论参考文献.72文献翻译.73致谢.102摘 要机床的数控化改造就是在原有普通机床的基础上，对其机械结构和电气系统进行改造，使其实现数控机床的部分功能。改造后的机床与原机床相

3、比加工精度有所提高, 生产率显著提高，可以在同一机床上一次装夹完成多个加工，工人劳动强度明显降低，与购置数控机床相比其经济费用较低等优点。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,然而要购置数控机床又需要很多资金，这对于中小企业来说，无疑增加了他们的负担。为了解决这个问题,也为了适应市场需求，我们选择机床经济型数控改造。针对改造过程我们的总体方案如下，纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的进给箱,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由横向步进电机带动丝杠螺母实现横向

4、进给。配置自动刀架实现机床的自动换刀功能。电气部分的改造：购置数控系统、步进电机驱动器、伺服电源等器件，运用接触器、继电器等元器件重新设计机床电气系统，以实现机床的自动化。CA6140车床主轴转速部分保留原机床的手动变速功能。 关键词: 数控；车床；改造；机械；电气Numerical control innovation of CA6140ABSTRACTThe numerical control machine tool is in general reform, on the basis of the mechanical structure and electrical system,

5、make its realization of nc machine part function. After the reconstruction of the original machine tools and machining precision compared to improve productivity significantly increased, at the same time, the machine can accomplish processing, clamping workers Labour intensity decreased significantl

6、y compared with the purchase of nc machine tools, the economic costs low. Because our country now use the machine for ordinary lathe, most of the low automatic degree, but to purchase nc machine tools and need a lot of capital for small and medium-sized enterprises, which will undoubtedly have incre

7、ased their burden. In order to solve this problem, and also to meet the market demand, we select machine economical nc transformation. According to the overall scheme of the transformation of our organization, the transformation in vertical to the original machine, slip board box, optical poles and

8、ball screw and installation, match on the ball screw and corresponding installation device, driving longitudinally stepping motor and reducer installed on the bed, lathe of ball screw occupy space. Horizontal lathe transformation: the demolition horizontal bar on the ball screw, stepping motor drive

9、n by transverse lateral ball screw nut to realize. Configure automatic knife knife realization of automatic machine change. Electrical parts of transformation: purchase numerical control system, stepping motor drive, power supply, using such devices, such as relays electrical system design of machin

10、e components again, in order to realize the automation tools. CA6140 lathe spindle speed of the machine parts manual transmission function.Key word：Numerical Control；lathe；reconstruction； mechanical；electrical第1章 引言在和信息技术结合的基础上，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与

11、社会效应。目前，欧、美、日等国在机床的数控化技术方面明显领先于世界其他各国。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”， 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可

12、靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。机床数控化改造的必要性。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。 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

13、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。 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。为了弥补我国数控机床的严重不足，许多企业与厂家都对原有的普通机床进行数控化改造。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、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。机床的

14、数控化改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标

15、尽可能地与数控机床相接近。第1.1 节车床数控化改造的特点我国制造业的现状仍是普通机床统治的年代，而发达国家数控机床占主导地位，普通机床严重阻碍了我国制造业和世界发达国家的接轨，严重影响了我国企业的发展生产的发展。提高机床的数控化率已经成为当今世界制造业的发展趋势。提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的数控车床；二是把卧式车床改装成数控车床。根据国内目前的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通车床是一个很大的浪费。因此，各个企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，也可购置一批精度高、性能强的数控车床，或数控化改造一批尚有一定

16、精度的卧式车床。1.1.1 卧式车床数控化改造的特点如下：（1）车床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为车床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方、改到什么程度都有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。（2）车床改造可以充分利用原机床的绝大部分零部件，大大节约原材料和资金，见效快，改造周期短，可以满足生产急需。因为旧车床数控化改造大部分床身、立柱等基础件和许多传动部分不需要换，与购买新车床相比，费用只需其1/151/10，工期大大缩短，节约了成本，解决了生产急需。（3）改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，适应多品种、小批量零件生产。

17、这是因为车床的大型构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需要修复或更换中小型部件就可以获得与新车床类似的效果。改造后的车床功能有较大的提高。除了保有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件加工，极大地扩大了车床的应用范围。（4）经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。因为改造时根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量。（5）可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性；同时对工人技术水平的要求不高。（6）在改造期间，通过拆卸就车床、装配新的零部件等改造过程，间接培养了数控人才，

18、对机床的特性有了较详细的了解，在操作使用和维护方面培训时间短，见效快。1.1.2 通过车床数控化改造，可以使其与卧式车床相比有如下优点：（1）可以加工出卧式车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。（2）可以实现加工柔性自动化，效率可比靠凸轮或挡块等实现模拟自动化的机床高37倍。（3）加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。（4）可实现多工序集中加工，提高了相关的加工精度，同时减少了被加工零件在机床间的平凡搬运。（5）拥有自动补偿等多种功能，对于批量较大的，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅提高。（6）若购置一台新的数控机床，国产数控机床价格也要7万8万元，进口设备有的近20万元；而对卧

19、式车床进行数控化改造也能满足实际生产的需求，改造的成本只要23万元。（7）由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强度，减少废品的发生，提高工作效率。第1.2 节我国数控机床现状进来我国企业的数控机床占有率逐年上升，但总体还是很少。我国机床总量380多万台，而其中数控机床总数只有11.38万台，即我国机床数控化率不到3%。2000年以来，我国数控机床年产量为0.6万0.8万台，年产值约为18亿元，机床年产量数控化率为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%，等自动化生产线更是屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。国内传统

20、旧有机床的数控化改造是一个潜力巨大的市场。第2章 设计的总体方案CA6140车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对车床的进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，采用步进电动机实现驱动，通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。数控化改造完成后提高了原机床的生产效率，降低了工人的劳动强度，缩短了生产周期，提高了产品质量等。第2.1节 设计的任务机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术指标，是指全部或局部达到新数控机床的水平。这次设计的任务是：数控系统的选择，伺服

21、系统、机械传动系统、电气系统数控化改造以及绘制相关图样。要求改造后车床具有一般数控车床的性能，精度要达到纵向最小运动单位为0.01mm步，横向最小运动单位为0.005mm步。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而机械系统的改造方面，采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-滑板的传动方式。第2.2 节设计的参数名称 技术参数 在床身上 400mm工件最大直径 在刀架上 210mm顶尖间最大距离：650;900;1400;1900mm 宋制螺纹 mm 112(20种) 加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 224(20种) 模数螺纹 mm0.253(11种)

22、 径节螺纹 t/m796(24种) 最大通过直径 48mm 孔锥度莫氏6#主轴 正转转速级数 24 正转转速范围101400r/min 反转转速级数12 反转转速范围 141580r/min 纵向级数64进给量 纵向范围0.0286.33mm/r 横向级数64 横向范围0.0143.16mm/r滑板行程 横向 320mm纵向650;900;1400;1900mm 最大行程140mm刀架 最大回转角 90 刀杠支承面至中心的距离26mm 刀杠截面BH2525mm 顶尖套莫氏锥度5# 尾座 横向最大移动量10外形尺寸长宽高 241810001267mm 圆 0.01mm工作精度 圆柱度200:0.

23、02 平面度0.02/300mm 表面粗糙度Ra1.63.2m 主电动机 7.5kw电动机功率 总功率 7.84kw最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 快进速度 纵向 2m/min 横向 1m/min 最大切削进给速 纵向 0.5m/min横向 0.25m/min 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 脉冲当量 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm 第2.3节 总体设计考虑具体的改造方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以减低成本。CA6140车床总体设计为

24、：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动，采用步进电动机驱动进给轴运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀功能。具体地改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码器的选择和安装、电气系统的改造设计等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。第3章 数控系统的选择在选择数控系统的型号时，要考虑改造后的机床是用于机械工厂的单件、中小批量生产使用，加工精度可达IT17级，且要求CA6140车床加工复杂零件，所以数控系统选择连续性数控系统，以满足数控化改造后机床的定位、插补、循环加工和螺纹加工等功能。综合考虑性价比，

25、在充分调研比较的基础上和改造的目的，本方案选用武汉华中数控股份有限公司生产的“世纪星”HNC-21车床数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济性数控机床。武汉华中数控股份有限公司同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修与管理。HNC-21数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统。HNC-21车床数控系统技术参数见表3-1表3-1 HNC-21技术参数 运 动 控 制 功 能控制轴：两轴（X、Z），可选配Y轴，Y轴可通过参数设定为直线或旋转轴插补方式：X、Z二轴直线、圆弧插补位置代码范围：9999.999mm最小代码单位：0.001m

26、m最高进给速度：直线8000mm/min进给倍率：0150%十六级实时调节最高快速速度：30000 mm/min快速倍率：F0、25%、50%、75%、100% 五级手动进给速度：0mm/min1260mm/min十六级实时调节每转进给：0.01 mm/r500mm/r（需安装1024p/r或1200p/r主轴编码器）加减速方式：直线型后加减速电子齿轮比：倍频165535，分频165535手脉（电子手轮）功能：0.001mm、0.01mm、0.1mm 三档显示界面显示器类型：480234 TFT彩色液晶时钟显示功能：有显示方式：中/英文界面图形显示功能：有功能共33种G代码，包括3种单一固定循

27、环代码和6种复合循环代码，27种用户宏指令代码。可读/写，最多32点输入/32点输出，四重子程序调用，用户宏程序调用。螺纹功能公/英制单头/多头直螺纹、锥螺纹及端面螺纹，螺纹退尾长度可由程序指定或参数设定螺纹螺距：0.001mm500mm(公制) 0.06牙/英寸25400牙/英寸(英制)轴编码器：1024p/r或1200p/r增量式编码器补偿功能反向间隙补偿：（X、Z轴）0 mm65.005mm螺距误差补偿：X、Z轴各255个补偿点，每点补偿量0.007补偿倍率刀具补偿：64组刀具长度补偿，刀尖半径补偿刀补执行方式：刀具移动/坐标偏移（可通过参数设定）刀具功能适配刀架：最大设定为8工位电动刀

28、架（可配就近换刀刀架）刀位信号输入方式：直接输入换刀方式：MDI/自动绝对换刀或手动相对换刀，正转选刀、反转锁紧对刀方式：定点对刀、试切对刀主轴功能控制方式：可设置为档位控制或模拟控制档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出主轴点动：在自动方式下，可主轴点动控制模拟控制：可设置四档主轴自动换档，输出010V控制主轴转速 恒线速切削功能：有（选择主轴模拟控制方式下功能有效）安全防护多级密码保护功能，系统硬限位、软限位保护，压力检测、卡盘到位检测、防护门检测功能辅助功能手动/MDI/自动方式控制主轴正转、反转、停止；冷却液启停；润滑启停；MDI/自动方式控制卡盘夹紧/松开，控制尾座进/退程序编辑程

29、序容量：20450KB、400个程序格式：相对/绝对混合编程子程序：可编辑，支持四重子程序嵌套通信RS232通信接口为标准配置；可选配通信功能，提供通信软件及通信电缆，与PC机双向传送程序。适配部件开关电源：GSK PC（配套提供，已安装连接）驱动单元：BF系列交流伺服驱动单元刀架控制器：GSK TB装配形式标准面板、大面板（选配附加面板）第4章伺服系统的设计在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。交流伺服电动机 ，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济性改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。步进电动机采用脉冲数

30、字信息进行控制，每转一转步距误差自动变为零，能方便的实现调速以及定位，改变各项绕组的接通顺序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电动机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量小、运动频率高、价格较低的反应式步进电动机。经过全面考虑，在CA6140的数控化改造中，选用反应式步进电动机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，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，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结构简单，易于维修，性价比

31、高；考虑到改造后的CA6140机床精度要求，数控改造后纵向精度为0.01mm/步，横向精度为0.005mm/步，加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，故选用步进电动机驱动的开环控制系统。第4.1节 纵向机械传动部分设计计算4.1.1 切削力的计算（1）纵车外圆主切削力按经验公式估算： （4-1） 式中 主切削力； 车床面上最大加工直径；则 ： 按切削力各分力比例： （4-2） （4-3） （4-4）图4-1纵向进给计算4.1.2 滚珠丝杠设计计算（1）螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧型面。要求：经济、易调试、稳定。方案：选用双圆弧型面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空

32、隙可容纳一些脏物，这对滚珠丝杠有利而不致堵塞。（2）滚珠循环方式：内循环、外循环。方案：选择外循环。原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。（3）轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。要求：经济可靠、易拆装、刚度高。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构简单、装卸方便、刚度高。（4）计算进给牵引力。可根据机床设计手册中进给牵引力的试验公式计算，纵向为综合型导轨，可由式 （4-5）式中 切削分力（N）； 颠覆力矩影响的试验系数，=1.15； 滑动导轨摩擦系数，=0.150.18，取=0.16； 溜板及刀

33、架重力，。则 ： 滚珠丝杠的转速n。可由下式计算 （4-6） 丝杠寿命L由下式求得 （4-7） 计算最大动载荷C。 （4-8）其中 式中 ： 丝杆寿命，以转为1单位； 丝杠转速； 滚珠丝杠导程，初选； 最大切削力下的进给速度，可取最高速度的1/31/2，本机床取1/2； 运转系数，按一般运转=1.21.5，取1.2； 机床的设计寿命（h），对于数控机床T=15000h则 4.1.3 滚珠丝杠的选择根据C（是丝杠的额定载荷，见表4-1）的原则，是选用的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷。查机械零件手册4，由于导程为6mm，所以选取滚珠丝杠的型号为CDM40065,公称直径为40mm，其额

34、定动载荷是28770N10798.7N，故强度足够。CDM40065表示外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠，其为右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度为3级的定位滚珠丝杠副。具体数据见表4-1。表4-1 CDM40065型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm额定载荷/N接触刚度/(N/um)d0P0DW动载荷静载荷4063.96939.535.128770959702191螺母安装连接尺寸/mmD D1 D3 DBD5D6hLL1CAM71-110901591591385473M64.1.4 滚珠丝杠的验算（1）传动效率计算。根据机械

35、设计5，丝杠螺母副的传动效率可由下式 （4-9）式中 ： 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角 ；丝杠螺旋升角，根据，可得。则（2）刚度验算。 滚珠丝杠工作负载的作用引起的导程的变化量，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量为 （4-10）式中： E材料弹性模量，对于钢，； A滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定，即=3.5则滚珠丝杠导程其中，“+”用于拉伸，“-”用于压缩。 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，即，所以导程变形总误差为 （4-11）式中 纵向最大行程。 查机床说明书可知，=900mm，则 由说明书可知，丝杠纵向有效行

36、程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查机械零件设计手册4，纵向行程允许的行程变动量为，CDM40065的为，故刚度足够。03)稳定性校核。滚珠丝杠不失稳的条件是： ，一般情况。根据公式 （4-12）式中 ： 丝杠支承方式系数，查机械零件设计手册4可知，采用双推一简支时=2.0； 材料弹性模量；对于钢，； 丝杠两支承端距离，查机械零件设计手册4可知L=1600mm=160cm； 滚珠丝杠的静安全系数，一般为2.54，垂直安装时取最小值=1/4； 截面惯性矩，其中式中 滚珠丝杠的公称直径； 滚珠丝杠的滚珠直径。按丝杠的螺纹底径确定， （4-13）则 （一般情况），此滚珠丝杠不会产生失稳。故稳定性可靠。4.1.5 齿轮传动比的计算齿轮传动比计算公式为6 （4-14）式中 步进电动机的步距角，查实用微电机手册7，选； 丝杠螺距，取； 脉冲当量，取。则 故可取齿轮齿数：。齿轮的材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级。前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率。查机械设计手册2，根据优先选用第一系列的原则，因进给运动齿轮受力不大，取模数m=2mm。有经验公式可知，齿宽b=20mm。压力角：分度圆直径由式 （4-15）中心距由式 （4-16）第4.2节 横向机械传动部分的设计计算4.2.1 切削力的计算图4-2横向进给计算简图因为横向进给为纵向进给的1/