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1、西安工程大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢 業(yè) 生 實 習(xí) 報 告專業(yè)：機電一氣化 學(xué)號：EJZ21121010 姓名：王攀一.數(shù)控機床改造的背景和意義1.1 數(shù)控機床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平；即使國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢,一方面國內(nèi)市場對各類機床產(chǎn)品特別是數(shù)控機床有大量的需求,而另一方面卻有不少國產(chǎn)機床滯銷積壓,國外機床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機床在我國市場的占有率僅達15%左右,而95年已達77%。嚴(yán)重影響我國數(shù)控機床自主發(fā)展的勢頭。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外,一個主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機床品種、性能和

2、結(jié)構(gòu)不夠先進,新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機床)的開發(fā)周期長,從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說,這個問題反映在下列五個方面:(1) 我國機床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為1518個月,其中設(shè)計時間約為58個月,占總周期的40%左右。而國外一些先進機床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為69個月,其中設(shè)計約1.52個月,只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進水平有很大的差距。(2) 我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學(xué)分析工具(如分析和評價軟件、整機結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機床性能測試裝置等),自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計,使設(shè)計一次成功的把握性降低,往

3、往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機。(3) 用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時往往提出一些特殊要求,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外,這項修改工作在計算機的輔助下一般僅需數(shù)天至一周,而在我國機床廠用手工操作就至少需12個月,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門,常會出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。(4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù),他們的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗不足, 又擔(dān)負(fù)著開發(fā)的重任。(5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立,缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式,不能從制訂方案開始就融入各方面的

4、正確意見,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改,延長了開發(fā)的周期。為解決這些問題,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機技術(shù),發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù),提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。1.1.1 車床數(shù)控化改造的意義我國現(xiàn)在擁有數(shù)量多達300多萬臺的通用機床，其中大部分機床的加工精度、生產(chǎn)率和自動化程度與先進設(shè)備相比不高，要想在幾年內(nèi)大量地用數(shù)控機床來更新，無論在資金上還是技術(shù)力量上都是難以實現(xiàn)的。但如果利用

5、數(shù)控技術(shù)根據(jù)需要對現(xiàn)有機床加以改造，不僅能實現(xiàn)機床的自動化，提高機床的加工精度，而且投資少、見效快，適合我國的生產(chǎn)力水平。因此，利用數(shù)控技術(shù)改造舊設(shè)備已成為我國推廣全功能數(shù)控機床的過渡手段。1.1.2 普通車床數(shù)控化改造的優(yōu)點 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。

6、數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： (1) 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工

7、件加工。 (2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； (3) 可進行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；(4) 加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間； (5)機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)效率高（一般為普通機床的35倍）；(6) 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度改善勞動條件； (7) 對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。數(shù)控機床一般由下列幾個部分組成： (8) 主機，他是數(shù)控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。(9) 數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器

8、、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。 (10) 驅(qū)動裝置，他是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅(qū)動。當(dāng)幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。(11)輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。(12) 編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機

9、外進行零件的程序編制、存儲等。 還具有良好的經(jīng)濟效益；有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化；數(shù)控改造費用低；機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限；可充分利用現(xiàn)有的條件；可以采用最新的控制技術(shù)；交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需等優(yōu)點。 數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。 我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。 舊機

10、床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并

11、用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。1.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容車床數(shù)控化改造的主要內(nèi)容和主要結(jié)構(gòu)形式如下：1、進給軸的改造 普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅(qū)動，走刀運動經(jīng)走刀箱傳動絲杠及溜板箱，獲得不同的工件螺距即Z軸運動；走刀運動經(jīng)走刀箱傳動光桿及溜板箱，獲得不同的進刀量即X軸運動。普通車床數(shù)控化改造時一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用進給伺服（或步進）傳動鏈分別代替，具體體現(xiàn)為： Z軸：縱向電機減速箱（或聯(lián)軸器）縱向滾珠絲杠大拖板，縱向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量和螺距。X軸

12、：橫向電機減速箱（或聯(lián)軸器）橫向滾珠絲杠橫滑板，橫向按數(shù)控指令獲得不同的走刀量。 改造后整個傳動鏈的傳動精度在保證機床剛性的前提下，與滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式、機床導(dǎo)軌的精度情況等有很大的關(guān)系。 (1）滾珠絲杠副的選擇和布置結(jié)構(gòu)形式 普通車床大多采用的是T型絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適應(yīng)于高速運動。另外由于磨損快，造成其精度保持性和壽命低等等，在進行普通機床數(shù)控化改造時往往都將其更換為滾珠絲杠副。滾珠絲杠副有以下一些特點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.900.96；若使用的絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關(guān)

13、，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應(yīng)增加制動裝置或平衡裝置。 滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉(zhuǎn)方式可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種，根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)形式又可以分為雙螺母和單螺母。在進行改造時應(yīng)根據(jù)具體情況和結(jié)構(gòu)形式來定，由于外循環(huán)式絲杠副螺母回珠器在螺母外邊，所以很容易損壞而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，而內(nèi)循環(huán)式的回珠器在螺母副內(nèi)部，不存在卡死和脫落現(xiàn)象。由于雙螺母不僅裝配、預(yù)緊調(diào)整等比單螺母方便，而且其傳動剛性比單螺母也好，所以只要結(jié)構(gòu)和

14、機床空間滿足要求，在普通機床數(shù)控化改造中多選內(nèi)循環(huán)式雙螺母結(jié)構(gòu)。 改造時各軸滾珠絲杠的直徑一般都是與原T型絲杠直徑相近，對有特殊要求的機床還應(yīng)根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計算其臨界轉(zhuǎn)速，最終確定滾珠絲杠的直徑。絲杠導(dǎo)程在滿足機床改造后性能的前提下越小，對機床的傳動精度越有利。機床的傳動精度在保證機床剛性的情況下，與絲杠副本身的精度和軸承布置形式有很大的關(guān)系，一般在普通機床改造中絲杠副選P4級即可滿足要求，特殊精密機床選P3級甚至更高。絲杠副軸承常見的布置形式根據(jù)不同的需要可以分為以下幾種，如圖1。(a) (b)(c)(d)圖1 絲杠副軸承的布置.圖1a中為一端固定，一端懸空的布置方式。這種安裝方式的承載能

15、力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠，如數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)中。 .圖1b中為一端固定，一端支承的布置方式。這種安裝方式多在絲杠較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承得數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 1d中為兩端固定的布置方式。這種布置方式絲杠副得支承剛性最好，通過軸承的預(yù)緊力預(yù)拉伸絲杠，以減少絲杠熱變形的影響。這種方式多用在絲杠長度不大得情況，但設(shè)計時要注意提高平面球軸承的承載能力、支承剛度以及絲杠裝配時的預(yù)拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預(yù)加負(fù)載得不易控制而增加電機的附加扭矩。 (2）機床導(dǎo)軌 普通車床導(dǎo)軌大多采用的是

16、滑動導(dǎo)軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行數(shù)控化改造的同時必須針對機床導(dǎo)軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴(yán)重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。 (3）電機與絲杠的聯(lián)接 在滿足機床要求的前提下，為減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差，我們多將電機與絲杠副通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接，這要根據(jù)改造中實際情況來定。一般對于小型車床如C6116型，由于空間尺寸有限，特別是X軸，電機與絲杠副不能直聯(lián)，多采用齒輪副或同步帶論來傳動；對于大型車床如C6150，床身長5米的車床，由于絲杠較長，

17、直徑較大，除了要考慮傳動力的問題，還要考慮其低速性能及加減速慣量匹配的問題，往往電機都要通過幾級減速來傳動。無論是采用齒輪還是同步帶論來傳動，其傳動間隙的消除是比較關(guān)鍵的。齒輪傳動中常用的方法有錯齒消隙法、偏心軸調(diào)整法等等，同步帶論傳動中多采用調(diào)整中心距或張緊輪消隙法。 2、主軸部分的改造 車床主軸帶動工件以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是車削加工中的主運動，消耗機床大部分動力。普通車床由主電動機經(jīng)皮帶傳動，經(jīng)主軸變速箱帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸箱經(jīng)手動或自動變速獲得（924）級轉(zhuǎn)速，通過電磁或液壓離合器操縱主軸的變速和正反轉(zhuǎn)；而數(shù)控車床主軸箱由電主軸或傳統(tǒng)機械主軸單元加變頻電機和變頻器組成。普通車床在數(shù)控化改造時大部

18、分情況下保留原主軸箱，不做改動或少做改動。如需改動則要注意以下幾點： 如原主軸含液壓操縱主軸的變速、正反轉(zhuǎn)和潤滑功能，則需對其增裝單獨普通電機加以驅(qū)動，避免液壓系統(tǒng)受到主電機正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速變換而失靈。 如不需要原有機械變速換擋時，則需將主軸箱內(nèi)齒輪組固定在一恒定的速度鏈上，摩擦片也應(yīng)焊接機床能否進行螺紋加工是主軸部分?jǐn)?shù)控化改造的另一重要部分，傳統(tǒng)車床加工螺紋時往往是通過掛輪組來完成，加工不同的螺紋則需不同的掛輪組，操作起來十分麻煩。我們通常在主軸末端或掛輪架處增裝一光電編碼器，其轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速一致，主軸轉(zhuǎn)一周，光電碼盤轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通過反饋給系統(tǒng)控制進給軸與主軸的同步性，從而加工出理想螺距的螺紋。根據(jù)

19、其編碼方式的不同，光電碼盤可分為增量式光電碼盤和絕對式光電碼盤，目前國內(nèi)常用的為增量式光電碼盤。根據(jù)光電碼盤上刻線條數(shù)可分為1024線、2048線等，我們常用的為1024線即可滿足要求。3、刀架部分的改造 目前數(shù)控車床刀架基本為電動刀架，其特點是定位更準(zhǔn)確、迅速。老式傳統(tǒng)車床刀架多為手動、液壓驅(qū)動或少部分的電動，改造時可以根據(jù)需要對其加以更換。 電動刀架可分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架（一般安裝812把刀）和立式電動刀架，立式電動刀架有四工位（或六工位），其中每一種刀架又有抬刀刀架（兩端齒盤）和免抬刀刀架（三端齒盤）之分。臥式轉(zhuǎn)塔刀架價格相對較貴，改造中常用立式四工位電動刀架。 4、潤滑部分的改造 老式傳統(tǒng)

20、車床除主軸箱外，導(dǎo)軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和油脂潤滑，這對機床的導(dǎo)軌、絲杠副等的精度保持很不利，在同等驅(qū)動下機床運動的穩(wěn)定性、靈活性也差一些。 在對這些機床改造時一般都要對其潤滑部分進行相應(yīng)的改動，采用稀油集中定量、定時供油潤滑的方式，可分為手控潤滑和編程自動潤化兩種，在機床導(dǎo)軌、絲杠副布置好油路后可根據(jù)需要任選一種。 絲杠支承軸承一般采用油脂潤滑，如特殊需要和供油充分的條件下也可采用稀油潤滑。 5、機床防護 機床改造后整個防護分局部防護、半防護和全防護三種。 局部防護只對絲杠副、電機、走線等采取防護措施。半防護是在局部防護的基礎(chǔ)上增加切削的保護，即增加擋屑裝置。全防護即在局部防

21、護的基礎(chǔ)上對整個機床加以封閉，此種防護最難處理，考慮的因素也很多如安裝位、防水、美觀等。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。 1.3 機床數(shù)控化改造的必要性 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.60.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以

22、上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。二車床數(shù)控改造的構(gòu)思與方案 本次改造的普通車床型號為CA6140，長度750毫米。數(shù)控改造主要包括傳動系統(tǒng)的機械改造和數(shù)控裝置的設(shè)計。由于

23、對經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，擬采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。通過控制縱、橫進給系統(tǒng)，保證改造后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。2.1 改造任務(wù) 本設(shè)計任務(wù)是對CA6140普通車床進行數(shù)控改造。利用微機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。 2.2 改造方案的論證 對于普通機床的經(jīng)濟型

24、數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的

25、工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。在設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：(1) 時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關(guān)；(2) 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關(guān)；(3) I/O口擴展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)；除此之外，還應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定CPU。在我國，普通機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設(shè)計中是以MCS-51系列單片機，51系列相對48系列指令

26、更豐富，相對96系列價格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機中應(yīng)用最多的是8031單片機。本設(shè)計以8031芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。2.3 改造方案的確定 CA6140A車床主要用于對中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：能夠控制主軸正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同切削速度的主軸變速；刀架能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具有在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具的功能；加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個加工螺紋的螺距或?qū)С獭＿@些內(nèi)容就是數(shù)控化改造后數(shù)控系統(tǒng)需要控

27、制的對象。 數(shù)控機床由機床、數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術(shù)三部分組成。普通車床改造的目的是利用數(shù)控系統(tǒng)控制車床自動完成機械加工任務(wù)，提高車床的加工精度和生產(chǎn)效率。在考慮經(jīng)濟型數(shù)控機床改造具體方案時，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動，以降低改成本。改造中需要解決的問題是：將機械傳動的進給和手動控制的轉(zhuǎn)位刀架改造成數(shù)控裝置控制的自動轉(zhuǎn)位刀架和自動進給的數(shù)控加工車床。 利用數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行運算處理，發(fā)出的進給指令通過I/O接口輸出給X軸和Z軸步進電機，經(jīng)齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，由螺母帶動刀架直線移動，從而實現(xiàn)縱向和橫向的自動進給運動。換刀指令通過刀架控制器控制三相電動

28、機實現(xiàn)刀架自動轉(zhuǎn)位功能，由脈沖編碼器協(xié)調(diào)完成螺紋車削功功能。三主要結(jié)構(gòu)的數(shù)控改造方法3.1 數(shù)控系統(tǒng)的改造 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的靈魂，其性能的穩(wěn)定性直接影響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，普通車床數(shù)控改造時，由于需要加工圓錐、圓弧等曲面，需要選擇兩軸聯(lián)動控制的數(shù)控系統(tǒng)。3.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，提高了數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、GSK980TD等都配置有車

29、床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進行比較后!我們選擇了GSK980TD型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床應(yīng)能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運行。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。常年的工作考臉證明GSK980TD系統(tǒng)是最可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運行。其工作場地的室溫為0-45，相對濕度75%短時可達95%,抗震為0.5g ，電網(wǎng)電壓波動為10%-15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計，GSK980TD系統(tǒng)的故障率為0.008，比較好地滿足了我國市場的要求。GSK980TD系統(tǒng)之

30、所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素：(1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。(2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片：GSK980TD系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。(3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng)的組裝、電機投料、沖片、精鑄、機械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界(人)的不穩(wěn)定因素的干預(yù)。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。(4)良好的控制軟件設(shè)計：GSK980TD系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護和

31、提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側(cè)、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得機床運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而進免了元部件的損壞。(5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號免受外界干擾。3.1.2電氣控制原理1、主軸控制系統(tǒng)： 主軸采用三相異步電機驅(qū)動由西門子440變頻器US控制，其動力由U、V、W三相電源經(jīng)變頻器US提供，主軸電機的正反轉(zhuǎn)由指令控制經(jīng)PLC輸出再經(jīng)變頻器US控制主軸電機的正反轉(zhuǎn)，主軸電機轉(zhuǎn)速由數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)XS9口直接連到變頻器US控制電機轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)故障，則由變頻器US發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入

32、到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 控制原理圖如下： 圖3.1 主軸控制系統(tǒng)原理圖 2、Z軸進給伺服控制系統(tǒng)：Z軸采用松下伺服電機驅(qū)動由松下伺服模塊控制（如圖3-2），其動力由R、S、T三相電源經(jīng)伺服模塊提供，伺服電機控制刀架的Z（縱向）進給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進給速度與進給量指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，它們與數(shù)控系統(tǒng)的接口為XS30-XS33，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。3、 X軸進給伺服控制系統(tǒng)：X軸電機采用雷賽步進電機驅(qū)動（如圖3-2），由雷賽伺服模塊控制，其動力由+V1電源經(jīng)伺服模塊提供，步進電機控制刀

33、架的X（橫向）進給與后退（正反轉(zhuǎn)）及進給速度與進給量指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，它與數(shù)控系統(tǒng)的接口為XS30，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經(jīng)PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 ·圖3.2 Z軸-X軸進給伺服控制系統(tǒng)4、刀架控制電路： 刀架電機采用三相異步電機驅(qū)動由繼電器模塊控制（如圖3-3），刀架電機控制刀架的換刀（正反轉(zhuǎn)）及轉(zhuǎn)動角度指令由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出，若出現(xiàn)故障，則由PLC發(fā)出信號輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。 圖3.3 刀架控制電路5、光柵尺控制： 光柵尺通過測量反饋控制刀架進給與后退量的實際尺寸與指令尺寸的誤差大小反饋給

34、數(shù)控系統(tǒng)，若誤差太大超出允許誤差范圍，數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)加工情況進行時時調(diào)整，若出現(xiàn)故障，由系統(tǒng)判斷故障類型并在顯示器上報警顯示報警號。 3.2 縱向（Z向）進給系統(tǒng)的改造3.2.1 改造思路 縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖3.4 所示?？v向步進電機1 通過一對減速齒輪2 把動力傳遞給縱向滾珠絲杠3，再由滾珠絲杠螺母副拖動工作臺4 做往復(fù)移動。原車床的進給箱保留，滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu)，支撐軸6 通過套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2 個互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來，結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸小，可防止被連接軸的位移和偏斜帶來的裝配困難和附加應(yīng)力。如圖3.4 所示，滾珠絲杠右端仍利

35、用原有的滑動軸承支承座4，通過一對深溝球軸承1 實現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過一對圓螺母（圖中未畫出） 實現(xiàn)滾珠絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定，一端浮動，三點支承。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，調(diào)整方便。步進電機通過消隙齒輪2 減速，減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器6 與絲杠3 （見圖3.4聯(lián)接，固定銷3 防止減速器轉(zhuǎn)動。圖3.4縱向進給系統(tǒng)圖1. 縱向步進電機2. 減速齒輪3. 縱向滾珠絲杠4. 工作臺5. 套筒聯(lián)軸器6. 支撐軸圖3.5縱向步進電機裝配圖1. 深溝球軸承2. 消隙齒輪3. 固定銷4. 滑動軸承支承座5. 圓螺母6. 套筒聯(lián)軸器滾珠絲杠3

36、 （見圖3.4） 仍安裝在原滑動絲杠的空間位置，其螺母副通過支架1 （見圖3.6） 安裝在床鞍的底部，如圖3.6所示。支架做成可移動的形式方便裝配，絲杠位置調(diào)整好后，由螺釘擰緊。圖3.6縱向滾珠絲杠裝配圖1支架2. 絲杠托架3. 縱向滾珠絲杠4. 絲杠防護罩5. 大拖板 6. 過渡板3.2.2實施步驟（1）拆下普通滑動絲杠與溜板箱，取消絲杠與主軸箱齒輪的傳動聯(lián)系，利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，兩端采用原固定方式這樣可減小改裝現(xiàn)場，并且由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛性優(yōu)于以前。滾珠絲杠選用單圓弧滾道截面，外循環(huán)方式精度選6級。為了

37、在齒輪傳動中消除間隙，實現(xiàn)微量自動補償以提高傳動精度，選用雙片薄齒輪調(diào)隙，可調(diào)拉彈簧式結(jié)構(gòu)； （2）拆下絲杠右端的支撐座，在坐標(biāo)鏜床上將其孔徑鏜至40mm，便與伺服電動機的支撐軸相配合； （3）車削兩個軸套（分別為一長一短），長套用于連接絲杠左端和左支撐座，短套用于連接絲杠右端與伺服電機轉(zhuǎn)軸； （4）對安裝螺母的配件進行刨、磨、鉆、鉸和攻絲等加工，使其符合安裝條件； （5）總裝后，進行局部調(diào)整（如滾珠絲杠與道軌的平行度、螺母間隙和螺母上下前后位置等），力求使?jié)L珠絲杠受力均勻，傳動平穩(wěn)，無傳動間隙。 3.3 橫向（X向）進給系統(tǒng)的改造 橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動，三點支承的形式，也通過

38、雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖3.7所示。橫向步進電機1 及減速器2 安裝在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撐短軸11 ，通過套筒聯(lián)軸器10 與滾珠絲杠7 連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承，并對原支承處作適當(dāng)改造，布置一對推力球軸承12 ，以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu)，用一個聯(lián)軸套4 和一根連接短軸6 把滾珠絲杠7 與減速器輸出軸3 連接起來，并通過一對圓螺母5 實現(xiàn)對整個絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座9 直接固定在中拖板8 上。圖3.7橫向進給系統(tǒng)圖1. 橫向步進電機2. 減速器3. 減速器

39、輸出軸4. 聯(lián)軸套5. 圓螺母6. 連接短軸7. 橫向滾珠絲杠8. 中拖板9. 螺母座10. 套筒聯(lián)軸器11. 支撐短軸12. 推力球軸承3.4 刀架 3.4.1 選用選用LD4-6132型電動刀架因為設(shè)計要求刀架的最大回轉(zhuǎn)直徑為400mm，而最小的三角刀架的設(shè)計高度大大超過60mm，故選用LD4-6132刀架型號，因刀架為外購件，其尺寸已成定值，故選用四方刀架。即LD4-6132。該刀架可以夾持4把刀，采用鼠牙盤為分度定位，利用步進電機實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)位。3.4.2實施步驟（1）拆下原手動刀架； （2）在小拖板上鉆四個安裝孔，并攻絲； （3）手動抬起電動刀架，將刀架安裝在小拖板上； （4）安裝后，

40、試用MDI功能換刀，觀察三相電源有無接反。3.5 主軸傳動系統(tǒng)的改造3.5.1改造思路 為提高機床自動化程度，實現(xiàn)在加工過程中自動變速，對原CA6140主軸傳動系統(tǒng)進行一定的改裝。3.5.2 實施步驟（1）取消原變速箱，將主軸電機換成四速異步電機； （2）保留原主軸箱內(nèi)的背齒輪機構(gòu)。3.6 滑動導(dǎo)軌副的改造 對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑。 普通車床導(dǎo)軌大多采用的是滑動導(dǎo)軌，其動、靜摩擦系數(shù)大，在使用一段時間后都會有不同程度的磨損，對機床傳動精度和其保持性帶來很大的影響。因此在對其進行 數(shù)控化改造的同時必須針對機床導(dǎo)軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴(yán)重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤滑，充分保證其精度。四安全防護4.1 硬防護改造效果必須以安全為前提。在車床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切