1、繼 續(xù) 教 育 學 院畢業(yè)論文題目：普通車床的數(shù)控化改造學生姓名：學 號:班 級： 專 業(yè)：機電一體化2011年10月、畢業(yè)設計（論文）任務課題內容：畢業(yè)設計（論文）的內容要求：1. 首先闡明了普通車床的數(shù)控化改造意義.2. 說明了普通車床的數(shù)控化改造系統(tǒng)構成.CNC控制器和步進電3. 對普通車床的數(shù)控化改造的原理進行了分析，分析 機課題任務要求：一、課題設計（論文）目的及意義1. 充分了解機床的組成，各系統(tǒng)之間的聯(lián)系。2 通過這次的畢業(yè)設計，使我對數(shù)控機床相關專業(yè)課程方面的知識更加 鞏固了，同時也對CNC系統(tǒng)有了一個系統(tǒng)的認識。3.本次設計使我體會到機電一體化技術的重要性。為以后從事機床維修

2、 工作奠定了堅實的基礎二、課題設計（論文）提綱1. 普通機床的數(shù)控化改造產生的背景及意義。2. 普通機床的數(shù)控化改造的理論分析1）車床數(shù)控化改造的意義2）普通車床數(shù)控化的優(yōu)點3）車床數(shù)控化改造的內容4）機床數(shù)控化改造的必要性3. 車床數(shù)控改造的構思與方案1）改造的任務2）改造方案的論證3）改造方案的確定4. 主要結構的數(shù)控改造方法1）數(shù)控系統(tǒng)的改造2）縱向進給系統(tǒng)的改造3）橫向進給系統(tǒng)的改造4）刀架的選擇5）主軸傳動系統(tǒng)6）滑動導軌副的改造三、課題設計（論文）思路、方法及進度安排思路方法：1）在圖書館閱讀有關普通機床和數(shù)控機床的書籍，以及搜集此方面的知識。2）利用網絡了解普通車床的數(shù)控化改造應

3、用3）到校內實習車間咨詢實訓老師，實際觀察車床的結構組成，工作原理。4）與同學及進行交流和探討，了解很多關于普通車床數(shù)控化改造的資料，使 自己對此課題有更深一步的了解。主要參考文獻與外文翻譯文件一、主要參考文獻1朱曉春主編，數(shù)控技術（第一版），機械工業(yè)出版社，1999.2 徐贏.機械設計手則M.北京：機械工業(yè)出版社.1991.9.3 寥效果，朱啟逑.數(shù)字控制機床M.武漢：華中理工大學出版社，1992.4 中國機械工業(yè)教育協(xié)會.數(shù)控技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2001. 李宏勝主編，機床數(shù)控技術及應用，高等教育出版社，2001.6 朱文伯，笪文俊.西門子數(shù)控系統(tǒng)在機床改造中的應用J.航空制造技

4、術，1999,5： 30-327 余英良著，機床數(shù)控改造設計與實例（第一版），機械工業(yè)出版社，2001、畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃表序號畢業(yè)設計（論文）工作任 務工作進度日程安排周 次12345678910111213141516171819201查找資料，撰寫開題報告2做好車床數(shù)控改造的構思與方案3主要結構的數(shù)控改造方法4主軸傳動系統(tǒng)的改造5撰寫初稿6根據(jù)導師意見，進一步充實論文7評閱、修改8答辯、成績評定910注：1.此表由指導教師填寫 2.此表每個學生人手一份，作為畢業(yè)設計（論文）檢查工作進度之依據(jù);3.進度安排請用“一”在相應位置畫出。時間第一階段第二階段第三階段內容組織紀律完成任務

5、情況組織紀律完成任務情況組織紀律完成任務情況檢 查 記 錄教師 簽字簽字日期簽字日期簽字日期注：1此表應由指導教師認真填寫。階段分布由各學院自行決定。2. 組織紀律”一檔應按長沙理工大學學生學籍管理實施辦法精神，根據(jù)學生具體執(zhí)行情況，如實填寫。3. 完成任務情況”一檔應按學生是否按進度保質保量完成任務的情況填寫。包括優(yōu)點，存在的問題與建議4. 對違紀和不能按時完成任務者，指導教師可根據(jù)情節(jié)輕重對該生提出忠告并督促其完成。四、學生畢業(yè)設計（論文）裝袋要求1.畢業(yè)設計（論文）按以下排列順序印刷與裝訂成一本（撰寫規(guī)范見教務處網頁）。(1)封面扉頁(3)畢業(yè)設計（論文）任務書（4）中文摘要(5)英文摘

6、要（6）目錄(7)正文（8）參考文獻(9)致謝（10）附錄（公式的推演、圖表、程序等）（11）附件1:開題報告（文獻綜述）（12）附件2:譯文及原文影印件2. 需單獨裝訂的圖紙（設計類）按順序裝訂成一本。3修改稿（經、管、文法類專業(yè)）按順序裝訂成一本。4. 畢業(yè)設計（論文）成績評定冊一份。5 論文電子文檔由各學院收集保存。學生送交全部文件日期學生（簽名）指導教師驗收（簽名）普通車床的數(shù)控化改造摘要數(shù)控技術水平的高低和數(shù)控設備擁有的多少已成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn) 代化的重要標志。 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品， 在機械制造中發(fā)揮著巨 大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、

7、多變零件的 加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度提高生產效率。但是，發(fā)展數(shù)控技 術的最大障礙就是添置設備的初期投資大， 這使許多中小型企業(yè)難以承受。 如果 淘汰大量的普通機床，而去購買昂貴的數(shù)控機床，勢必造成巨大的浪費。因此， 普通機床的數(shù)控化改造大有可為。本文通過對CA6140普通車床的數(shù)控改造，使其加工精度明顯提高，定位準 確可靠，操作方便，性能價格比高。 這種方法對中小企業(yè)設備的數(shù)控改造有一定 的借鑒與推廣作用。本次改造主要針對車床的主軸系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、 反饋環(huán)節(jié)、電器控制柜及數(shù)控系統(tǒng)進行了改造。關鍵詞 ：數(shù)控； 改造； 車床。緒論 3一數(shù)控機床改造的背景和意義 41.1

8、數(shù)控機床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀 41.1.1 車床數(shù)控化改造的意義 51.1.2 普通車床數(shù)控化改造的優(yōu)點 51.2 數(shù)控化改造的內容 71.3 機床數(shù)控化改造的必要性 12二. 車床數(shù)控改造的構思與方案 122.1 改造任務122.2 改造方案的論證 132.3 改造方案的確定 14三. 主要結構的數(shù)控改造方法 143.1 數(shù)控系統(tǒng)的改造 143.2 縱向（Z向）進給系統(tǒng)的改造 183.3 橫向（X向）進給系統(tǒng)的改造 213.4 刀架 213.5 主軸傳動系統(tǒng)的改造 223.5.1 改造思路223.6 滑動導軌副的改造 22四. 安全防護 224.1 硬防護224.2軟防護23五. 總結 23參考

9、文獻25致謝26緒論隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展， 機械產品的性能和質量不斷提高。 產 品的更新?lián)Q代也不斷加快。 因此對機床不僅要求具有較高的精度和生產率， 而且 應能迅速地適應產品零件的變換，生產的需要促使了數(shù)控機床的產生。數(shù)控機床是指機床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作過程按規(guī)定的程 序自動進行的機床。隨著微電子技術， 特別是計算機技術的發(fā)展， 數(shù)控機床迅速 地發(fā)展起來。盡管數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、 精密、小批量多品種零件的加工問 題，能夠穩(wěn)定加工質量和提高生產率。但是目前我國在役機床總量約 380 萬臺， 其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 萬多臺，數(shù)控機床占有率不足 3，而一些工

10、業(yè)發(fā)達 國家早已達到 20以上。我國是制造大國，但不是制造強國。機械制造業(yè)水平 與發(fā)達國家相比相對落后，設備陳舊，技術水平差距大，國際競爭力弱，影響了 生產力的發(fā)展。逐步提高數(shù)控機床的占有率已經成為我國制造技術發(fā)展的總趨 勢。提高機床數(shù)控率有兩個途徑：一是增加新的數(shù)控機床，價格昂貴，一次性投 資大，目前各企業(yè)均有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替代是根本不可能的； 二是對舊機床進行數(shù)控化改造。 我國是一個機床擁有量極大的國家， 但大部分機 床服役齡較長， 采取對舊機床進行改造來提高設備的先進性和數(shù)控化率， 是一個 極其有效和實用的途徑，是企業(yè)必走之路。制造技術和自動化水平的高低己成為一個國家或地

11、區(qū)經濟發(fā)展水平的重要 標志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機床。 我國現(xiàn)正處于從以勞動密集型產業(yè)為 主向以技術密集型產業(yè)為主的發(fā)展階段， 對自動化設備的需求會越來越大、 越來 越積極。利用現(xiàn)有普通車床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺高效、多功能的數(shù) 控車床，是一種盤活資金的有效途徑， 也是低成本實現(xiàn)自動化的行之有效的方法。 因為一方面我國普通車床保有量大， 要將普通車床淘汰掉是不經濟、 也不現(xiàn)實的 做法；另一方面，從我國目前生產狀況來看，仍然以生產普通車床為主，普通車 床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。.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量最多的國家

12、，但在國際市場競爭中仍處于較低水平； 即使國內市場也面臨著嚴峻的形勢 ,一方面國內市場對各類機床產品特別是數(shù)控 機床有大量的需求 ,而另一方面卻有不少國產機床滯銷積壓 ,國外機床產品充斥市 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 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) ,除了有經營上、產品制造質量上和促銷手段上等原因外,一個主要的原因是我國生產的數(shù)控機床品種、性能和結構不夠先進,新產品 (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 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

13、開發(fā)基型產品的周期約為1518個月，其中設計時間約為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品的開發(fā) 周期為 69 個月 ,其中設計約 1.52 個月 ,只占 25%。因此無論是產品開發(fā)的總 周期還是設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計的科學分析工具 (如分析和評價軟件、 整機結構有 限元分析方法以及機床性能測試裝置等 ),自行開發(fā)的新產品大多基于直觀經驗和 類比設計 ,使設計一次成功的把握性降低 ,往往需要反復試制才能定型 ,從而可能 錯過新產品推向市場的良機。(3) 用戶根據(jù)使用需要 ,在訂貨時往往提出一些特殊要求 ,甚至在產品

14、即將投產時有的用戶臨時提出一些要求 ,這就需要迅速變型設計和修改相應的圖紙及技 術文件。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 ,影響了產品的質量和交貨期。(4) 現(xiàn)在我國工廠設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 驗不足 , 又擔負著開發(fā)的重任。(5) 由于長期以來形成的設計、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正確意見 ,容易造成產品的反復修改 , 延長了開發(fā)的周期。為解決這些問題 , 必須對產品開發(fā)

15、的整個過程綜合應用計算機技術 , 發(fā)展優(yōu) 化 和 仿 真 技 術 , 提 高 產 品 結 構 性 能 , 并 建 立 起 基 于 并 行 工 程 (Concurrent Engineering) 的使設計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產品虛擬開發(fā)環(huán) 境, 使用相應的產品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產品開發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經濟效益。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、生產率和自動化程度與先進設備相比不高， 要想在幾年內大量地用數(shù)控機床 來更新，無論在資金上還是技術力量上都是難以實現(xiàn)的。 但如果利用數(shù)控技

16、術根 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，適合我國的生產力水平。因此，利用數(shù)控技術改造舊設備 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)的重要基礎裝備， 它的發(fā)展一直引起人們的關注， 由于 計算機技術的興起， 促使機床的控制信息出現(xiàn)了質的突破， 導致了應用數(shù)字化技 術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)展和廣泛的應用， 同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及 結構

17、的概念發(fā)生了根本的轉變。 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 介質上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經過譯碼，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) 適應性強， 適合加工單件或小批量的復雜工件； 在數(shù)控機床上改變加工 工件時，只需重

18、新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。(2) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；(3) 可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件；(4) 加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產準備時間；(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) 對操作人員的素質要求較高， 對維修人員的技術要求更高。 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

19、核心，包括硬件(印刷電路板、 CRT 顯示器、 鍵盒、紙帶閱讀機等)以及相應的軟件，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) 驅動裝置， 他是數(shù)控機床執(zhí)行機構的驅動部件， 包括主軸驅動單元、 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)主軸和進給驅動。當幾個進給聯(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)控轉臺和數(shù)控分度頭，還

20、包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。(12) 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。 還具有良好的經濟效益； 有利于生產管理的現(xiàn)代化；數(shù)控改造費用低；機械 性能穩(wěn)定可靠，結構受限；可充分利用現(xiàn)有的條件；可以采用最新的控制技術； 交貨期短，可滿足生產急需等優(yōu)點。數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產品， 需求量逐年激增。 我國數(shù)控機機 床近幾年在產業(yè)化和產品開發(fā)上取得了明顯的進步， 特別是在機床的高速化、 多 軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數(shù)控機床與先進國家的同類產 品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國， 有三百多萬臺普通機床。 但機床的素質差，

21、 性能落后， 單臺機床的平均產值只有先進工業(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)預定的加工工藝目標。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應用，數(shù)控機床的技術經濟效益為大家所理 解。在國內工廠的技術改造中， 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 技術改造普通機床，并取得了良 好的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相 當大的資金去購買新型的數(shù)控機床， 而我國的舊機床很多， 用經濟型數(shù)控系統(tǒng)改 造普通機床，在投資少的

22、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，我國開始生產經濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止， 已有很多廠家生產經濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A料， 今后， 機床的經濟型數(shù)控化改造 將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設計實例具有典型性和實用性。1.2 數(shù)控化改造的內容車床數(shù)控化改造的主要內容和主要結構形式如下：1、進給軸的改造普通車床的X軸和Z軸均由同一電機驅動，走刀運動經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，

23、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f減速箱（或聯(lián)軸器）f縱向滾珠絲杠f大拖板，縱向按數(shù) 控指令獲得不同的走刀量和螺距。X軸：橫向電機f減速箱（或聯(lián)軸器）f橫向滾珠絲杠f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 擇和布置結構形式、機床導軌的精度情況等有很大的關系。（1 ）滾珠絲杠副的選擇和布置結構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

24、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，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產生低速爬行現(xiàn)象; 磨損小、壽命長、精度保持性好。但應注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆 性，即能將旋轉運動轉換為直線運動， 或將直線運動轉換為旋轉運動， 因此絲杠 立式和傾斜使用時，應增加制動裝置或平衡裝置。滾珠絲杠副根據(jù)其滾珠的回轉方式可以分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種， 根據(jù)螺母 的結構形式又可以分為雙螺母和單螺母。 在進行改造時應根據(jù)具體情況和結構形 式來定，由于外循環(huán)式絲

25、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， 而內循環(huán)式的回珠器在螺母副內部， 不存在卡死和脫落現(xiàn)象。 由于雙螺 母不僅裝配、預緊調整等比單螺母方便， 而且其傳動剛性比單螺母也好， 所以只 要結構和機床空間滿足要求，在普通機床數(shù)控化改造中多選內循環(huán)式雙螺母結 構。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 求的機床還應根據(jù)桿系的穩(wěn)定性計算其臨界轉速， 最終確定滾珠絲杠的直徑。 絲 杠導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 的關系，一般在普通機床改造中

26、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。7777/(7777TTThfrirrmT1(a)(b)UTTH7T777777777777/(c)(d)圖1絲杠副軸承的布置 .圖1-a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力小, 軸向剛度低，僅適應于短絲杠，如數(shù)控機床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂 直坐標中。 .圖1-b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，轉速不高時多用 更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。1-d中

27、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 承的預緊力預拉伸絲杠，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 時的預拉伸量，否則會影響軸承壽命，同時也會因為預加負載得不易控制而增加 電機的附加扭矩。(2 )機床導軌普通車床導軌大多采用的是滑動導軌， 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軌狀況進行必要的檢修處理，對于磨損較嚴重的更要進行大修，即進行磨削、淬火、貼塑、配刮等處理，同時采用合理的潤

28、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，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鍵的。 齒輪傳動中常用的方法有錯齒消 隙法、偏心軸調整法等等，同步帶

29、論傳動中多采用調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速旋轉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皮帶傳動， 經主軸變速箱帶動主軸旋轉， 主軸箱經 手動或自動變速獲得(924)級轉速，通過電磁或液壓離合器操縱主軸的變速 和正反轉；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、 正反轉和潤滑功能， 則需對其增裝單獨普 通電機加以驅動，避免液壓系統(tǒng)受到主電機正反轉或轉速變換而失靈。如不需要原有機

30、械變速換擋時， 則需將主軸箱內齒輪組固定在一恒定的速度 鏈上，摩擦片也應焊死以免因為誤操作出現(xiàn)事故。機床能否進行螺紋加工是主軸部分數(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，其轉速與主軸轉速一致，主軸轉一周， 光電碼盤轉一轉， 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)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

31、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， 其特點是定位更準確、迅速。老式傳統(tǒng) 車床刀架多為手動、 液壓驅動或少部分的電動， 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)車床除主軸箱外， 導軌、絲杠副、光桿等多用油槍定期注油潤滑和 油脂潤滑，這對機床的導軌、 絲杠副等的精度保持很不利， 在同等驅動下

32、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 基礎上增加切削的保護， 即增加擋屑裝置。 全防護即在局部防護的基礎上對整個 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

33、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)控機床年產量約為 0.60.8萬 臺，年產值約為 18 億元。機床的年產量數(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% FMC/FM等自 動化生產線更屈指可數(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、 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床， 而且半數(shù)以上 是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量

34、差、品 種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接 影響一個企業(yè)的產品、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。經過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經濟性、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)帶來可觀的經濟效益。二車床數(shù)控改造的構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)控裝置的設計。由于對經濟型數(shù)控機床的加工精度要求不 高，為簡化結構、降低

35、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 改造任務本設計任務是對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）脈沖當量為0.01mm脈沖，橫向（X向）脈沖 當量為0.005mm脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀 架采用自動轉位刀架。2.2 改造方案的論證對于普通機床的經濟型數(shù)控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設

36、 計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，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)控制具有結構簡 單、設計制造容易、 控制精度較好、 容易調試、價格便宜、 使用維修方便等優(yōu)點。 所以，本設計決定采用開環(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，性 能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能

37、有效地運行。在設計的數(shù)控裝置中，CPU勺選擇是關鍵，選擇CPI應考慮以下要素：(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；(2) 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關；(3) I/O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關；除此之外， 還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應用場合、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)控改造方面應用較普遍的 是Z80CPI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， 完全能滿足經濟型數(shù)控機床的改造需要。 本設計中是 以MCS-51系列單片機，51系列相對48系列指令更豐富，相

38、對96系列價格更便 宜，51系列中，是無 ROM勺8051, 8751是用EPRO代替ROM勺8051。目前，工 控機中應用最多的是 8031 單片機。本設計以 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完成的工作內容有： 能夠控制主軸正反轉， 實現(xiàn)不同切削速 度的主軸變速； 刀架能夠實現(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， 應保證主軸轉一轉， 刀架移動一個 加工螺紋的螺距或導程。這些內容就

39、是數(shù)控化改造后數(shù)控系統(tǒng)需要控制的對象。數(shù)控機床由機床、 數(shù)控系統(tǒng)和外圍技術三部分組成。 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，提高車床的加工精度和生產效 率。在考慮經濟型數(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位刀架改造成數(shù)控裝置控制的自動轉位刀架和 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，經齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉動，由螺母帶動 刀架直線移動， 從而實現(xiàn)縱向和橫

40、向的自動進給運動。 換刀指令通過刀架控制器 控制三相電動機實現(xiàn)刀架自動轉位功能，由脈沖編碼器協(xié)調完成螺紋車削功功 能。三主要結構的數(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)生產中得到廣泛應用。目前市場

41、上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC西門子、GSK980T等都配置有車床 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GSK980TDK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 C,相對濕度75%S時可達95%抗 震為0.5g，電網電壓波動為10%-15%經對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計，GSK98

42、0TD 系統(tǒng)的故障率為 0.008，比較好地滿足了我國市場的要求。GSK980T系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素：(1) 可靠的高質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：GSK980T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，這就使得在生產過程中避免了外界(人) 的不穩(wěn)定因素的干預。所以產品的一致性好，增加了可靠性。 良好的控制軟件設計：GSK980T系統(tǒng)經過在國內各地數(shù)年

43、的運行，積累 了豐富的數(shù)據(jù)， 因此在軟件設計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況， 加入了許多 保護和提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側、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動由西門子 440變頻器US控制，其動力由U、V、 W三相電源經變頻器US提供，主軸電機的正反轉由指令控制經 PLC輸出再經變 頻器US控制主軸電機的正反轉，主軸電機轉

44、速由數(shù)控系統(tǒng)經 XS9口直接連到變 頻器US控制電機轉速，若出現(xiàn)故障，則由變頻器US發(fā)出信號經PLC輸入到數(shù)控 系統(tǒng)，經系統(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：變頻器電源 主軸電機公共端 正轉指令反轉指令 模擬電壓IMITSUBISHIO47ESD STRSTR283032T M J PE_i_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）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

45、現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經 PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經系 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動（如圖 3-2 ）,由雷賽伺服模塊控制，其動力 由+V1電源經伺服模塊提供，步進電機控制刀架的X （橫向）進給與后退（正反轉）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XS3Q若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經PLC輸入到數(shù)控系統(tǒng)，經系統(tǒng)判斷故障類 型在顯示器上報警顯示報警號。X軸伺服驅動器xtt伺服電機渤伺廉驅動器2軸電機圖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動由繼電器模塊控制（如圖

46、3-3），刀架電機控制刀架的換刀（正反轉）及轉動角度指令由數(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)，經系統(tǒng)判斷故障類型在顯示器上報警顯示報警號。刀架電機也源R架霍爾開關電源刀衆(zhòng)力位佶號四工位電動刀架丄一廠丄廠K5B.1O7.8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)的改造改造思路縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖3.4所示。縱向步進電機1通過一對減速齒

47、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 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構，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，結構簡單，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力。如圖3.4 所示，滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動軸承 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緊方式消除絲杠和螺 母間的間隙，調整方便。

48、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 （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

49、拖板6.過渡板實施步驟（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，選用雙片薄齒輪調隙，可調拉彈簧式結構；（2）拆下絲杠右端的支撐座，在坐標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

50、右端與伺服電機轉軸；（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，也通過雙螺母螺紋預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改造，布置一對推力球軸承12

51、，以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結構改為支承結構， 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型電動刀架因為設計要求刀架的最大回轉直徑為 400mm而最小的三角刀架的設計高度 大大超過60mm故選用LD4-6132刀架型

52、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)自動轉位。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，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)保留原主軸箱內的背齒輪機構。3.6 滑動導軌副的改造對數(shù)控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，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 少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。普通車床導軌大多采用的是滑動導軌， 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軌狀況進行必要的檢修處理，對 于磨損較嚴重的更要進行大修，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。