車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數控化改造設計
車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數控化改造設計,車床,ca6140,傳動系統(tǒng),數控,改造,設計
CA 6140 型臥式車床的數控化改造 常州大學城機電職業(yè)技術學院 模具技術系 陳秀珍 [摘 要 ]本文主要介紹了 CA 6140 型臥式車床數控改造的系統(tǒng)配置及主要技術規(guī)格 , 闡述了車床的主傳動系統(tǒng)、進給 傳動系統(tǒng)及輔助機構進行數控化改造的改造部位和方法。改造后的數控車床的加工能力、自動化水平和加工精度明顯 提高。 [關鍵詞 ]CA 6140 車床 工作原理 數控改造 數控化加工是機械加工行業(yè)朝高質量、高精度、高成品率、 高效率發(fā)展的趨勢。結合我國實際國情 , 經濟型數控車床是我國 從普通車床向數控車床發(fā)展的及其重要的臺階。采用經濟型數 控系統(tǒng)對普通機床進行改造 , 尤其適合我國機床擁有量大 , 生產 規(guī)模小的具體國情。我校為適應現(xiàn)代化生產和教學 , 對 CA 6140 車床進行了數控化改造。投入使用后 , 加工零件精度高、尺寸一 致性好、自動化程度高 , 不僅增添了數控實習設備 , 改善了教學 條件 , 而且使用方便 , 改造費用低?，F(xiàn)將改造思路、方法介紹如 下 , 為普通車床的數控改造提供參考。 一、數控改造的系統(tǒng)配置及主要技術規(guī)格 綜合考慮結構簡單、調試維修方便、工作可靠、成本低、易改 裝成功等因素 , 我們選用 S INUM ER IK 802S 數控系統(tǒng) , 該系統(tǒng) 標準配置包具備了所有的必要組成單元 : N C, PL C, 操作面板 , 機床控制面板 , 輸入 輸出單元及系統(tǒng)軟件。操作編程極其簡便、 性能價格比高 , 是專門為低端 CN C 機床市場而開發(fā)的經濟型 CN C 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)主要技術性能和參數如下 : 1、系統(tǒng)是由步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng) , 伺服驅動裝置主要 是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出 的進給指令脈沖 , 經驅動電路控制和功率放大后 , 使步進電機轉 動 , 通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。其控制系統(tǒng)框圖如 圖 1 所示。 2、系統(tǒng)軟件具有若干指令。其中加工指令有直線、斜線、螺 紋、錐螺紋和圓弧等 5 條指令 , 可實現(xiàn)車削外圓、端面、臺階、割 槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作?？刂浦噶钣薪Y束 循環(huán)、暫停、延時、延時換刀、編碼換刀、通訊等 , 與加工指令配 合 , 可加工出各種較復雜的零件。 3、在規(guī)定的存取權限下可以通過 R S232 接口讀入 讀出相 應的文件。在存取權限允許的情況下可以傳送以下的數據 : 選件 參數、機床數據、設定數據、刀具補償、零點偏移等數據 ; 零件程 序 ; 開機調試數據 ; 螺距誤差補償數據 ; 標準循環(huán)等。 4、改造后的機床要求具有直線和圓弧插補功能 , 縱向脈沖 當量為 0. 01, 橫向脈沖當量為 0. 005, 改造后機床能完成一般車 削及加工任意錐面、球面、螺紋等 , 并具有刀架自動轉位及其他 輔助功能。 5、系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度 - 10℃～ + 40℃ ; 濕度為 40% ～ 80%。 6、輸入電網電壓。交流 (220± 22)V ; 頻率為 50H z; 電流為 115A。 7、步進電機。 110BF003 型電機兩臺 , 驅動電壓為 110V ; 相 電流為 215A ; 步距角為 0. 75° 步 ; 靜力矩為 12N · m。 二、主傳動的數控化改造 在數控機床中 , 其主軸是最關鍵的部件 , 對機床精度起著至 關重要的作用。由于數控機床在實際生產中 , 并不需要在整個變 速范圍內均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動 , 在 低速段為恒轉矩傳動。為了確保數控機床主軸低速時有較大的 轉矩和主軸的變速范圍盡可能大 , 將原機床的主傳動系統(tǒng)保留。 考慮到加工過程中當電網電壓和切削力矩發(fā)生變化時 , 電機的 轉速也會隨之波動 , 直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提 高加工精度 , 實現(xiàn)主軸自動無級變速 , 在主軸上增加了交流異步 電動機變頻調速系統(tǒng) , 從而不需進行機械換檔。 改造后的數控車床為了加工螺紋 , 在主軸后端安裝一個主 軸脈沖編碼器 , 為避免同軸安裝時的加工零件不能穿出車床主 軸孔缺點 , 此次改造采用異軸安裝。作為主軸位置的信號反饋元 件 , 異軸安裝時應注意主軸脈沖編碼器的引出軸與車床主軸按 1: 1 無間隙柔性聯(lián)接傳動 , 可采用同步齒型帶來聯(lián)接。使用中車 床主軸轉速不允許超過主軸脈沖發(fā)生器的最高許用轉速。 脈沖編碼器聯(lián)接方式如圖 2 所示 : 交流主軸電動機通過帶 輪把運動傳給主軸 , 主軸的運動經過同步帶輪 1 和同步帶輪 2 以及同步帶帶動脈沖編碼器 , 使其與主軸同速運轉 , 脈沖編碼器 用螺釘固定在主軸箱體上。 三、進給傳動的數控化改造 數控機床的進給傳動系統(tǒng)負責接受數控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指 —77— 科技信息 高校理科研究 令 , 并經放大和轉換后驅動機床運動執(zhí)行件實現(xiàn)預期的運動。其 橫向進給傳動系統(tǒng)是帶動刀架作橫向 (X 軸 ) 移動的裝置 , 它控 制工件的徑向尺寸 ; 縱向進給裝置是帶動刀架作軸向 (Z 軸 ) 運 動的裝置 , 它控制工件的軸向尺寸。 1、進給傳動鏈 在原車床床尾部裝上步進電動機及齒輪減速箱帶動原縱向 絲杠使溜板箱作 Z 軸進給運動 , 而保留機床的進給箱和溜板箱 等原有進給系統(tǒng) , 必要時仍可作為普通機床使用。進行數控加工 時 , 要合上開合螺母 , 脫開進給箱中的 M 5 離合器。橫向進給 (即 X 向 )由裝在床鞍后方 (操作者對面 ) 的步進電動機及其減速箱 傳動 , 數控加工時脫落蝸桿等橫向機動進給結構要在空檔 (脫 開 )位置。進給傳動系統(tǒng)如圖 3 所示 : 1—縱向絲杠副 ; 2—橫向絲 杠副 ; 3、 6—步進電動機 ; 4、 5—齒輪減速器 2、滾珠絲杠螺母副的選用 為保證數控機床高的加工精度 , 其進給傳動系統(tǒng)要求有高 的傳動精度、高的靈敏度 (響應速度快 )、工作穩(wěn)定、有高的構件 剛度及使用壽命、小的摩擦及運動慣量 , 并能清除傳動間隙。采 用滾珠絲杠副可以滿足上述要求 , 選用 W 1L 4006 外循環(huán)螺紋調 整預緊的雙螺母滾珠絲杠副 , 1 列 2. 5 圈 , 其額定動負載為 16400N , 強度足夠用 , 精度等級選為 5 級。其幾何參數如下 : 公 稱直徑 D 0 = 40mm , 導程 L 0 = 6mm , 螺紋升角 C= arctg L oPdo = 2° 44″。 鋼球直徑 DW = 3. 969mm , 螺桿內徑 d= 35. 984mm。 支撐滾珠絲杠的軸承為 8107 型推力球軸承 , 幾何參數為 : d1= 35mm , 滾動體直徑 dQ = 6. 35mm , 滾動體數量 ZQ = 18。 3、減速齒輪傳動副設計 在數控機床伺服進給系統(tǒng)中齒輪傳動副的目的 : 一是降速 , 將伺服電動機的高速低轉矩輸出變?yōu)樨撦d要求的低速大轉矩 ; 二是使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量在系統(tǒng)中占較小的比重 , 以保證精度。為了保證傳動精度 , 數控機床上使用的齒輪精度等 級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動 , 因而改造 時 , 機床主要齒輪必須滿足數控機床的要求 , 以保證機床加工精 度。 (1)縱向進給系統(tǒng)減速齒輪的設計計算 根據給定的縱向進 給脈沖當量 0. 001 mm , 滾珠絲杠導程 L 0= 6mm , 及初選的步進 電動機步距角 0. 75°可計算出傳動比 i= 360× 0. 010. 75× 6 = 0. 8 選取齒輪齒數為 Z1= 32、 Z2= 40, 模數 m = 2。 (2)橫向進給減速齒輪系統(tǒng)減速齒輪的設計計算 減速齒輪 考慮到結構上的原因 , 不使大齒輪直徑太大 , 以免影響到橫向溜 板的有效行程。故此處可采用兩級齒輪降速 : Z1= 24, Z2= 40, Z3 = 20, Z4= 25。 四、輔助機構改造 1. 電動卡盤 為了提高經濟性數控車床的加工效率 , 還可考慮采用電動 三爪自定心卡盤裝置 , 與數控裝置的控制電路相配合 , 能實現(xiàn)自 動夾緊 , 松開 , 提高加工過程的自動化程度。 2. 床身 為了使改造后的機床有較高的開動率和精度保持性 , 除盡 可能地減少電器和機械故障的同時 , 應充分考慮機床零件、部件 的耐磨性 , 尤其是機床導軌的耐磨性。當前國內外數控機床的 床身等大件多采用普通鑄鐵。而導軌則采用淬硬的合金鋼材料 , 其耐磨性比普通鑄鐵導軌高 5 至 10 倍。據此 , 在改造中利用舊 床身 , 采用 GCR 15 軸承鋼淬硬到 HRC56- 62 制成導軌 , 用螺釘 和粘劑固定在鑄鐵床身上。粘接前的導軌工作表面采用磨削加 工 , 表面粗糙度 R a0. 8mm , 以提高粘接強度。 3. 自動換刀裝置 拆除原手動刀架和小拖板 , 安裝由微機控制的四工位電動 刀架。根據車床的型號及主軸中心高度 , 選用 LD 4— I型 4 工位 自動回轉刀架。該刀架體積小 , 重復定位精度高 , 適用于強力車 削并安全可靠。安裝時 , 去掉車床小拖板 , 置刀架于中拖板上 , 卸 掉電機風罩 , 逆時針方向轉動電機 , 或轉動軸承蓋處之內六角螺 孔 , 使刀架轉動到 45°左右時 , 裝上螺釘 , 然后固定刀架即可。 4. 安全防護 高效必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采 取相應的措施 , 切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件 , 工作時要 嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加 整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好 , 絕 對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。 結束語 : 改造后的機床 , 其數控加工能力、自動化水平和加工精度明 顯提高 , 定位準確、可靠 , 操作簡便。投入實習工廠運行兩年多 來 , 沒有出現(xiàn)過較大故障。它不僅承擔學生的數控實訓 , 承擔生 產任務 , 更重要的是把技術先進性和經濟合理性有機結合。 參考文獻 \[1 \]梁曉斌 . 機械設計簡明手冊 . 機械工業(yè)出版社 , 1990. \[2 \]畢承恩 . 現(xiàn)代數控機床 . 機械工業(yè)出版社 , 1991. \[ 3 \]高曉康 . 幾何精度設計和檢測 . 上海交通大學出版社 , 2002. \[4 \]張進生 , 房曉東 . 機械工程專業(yè)課程設計指導 . 機械工業(yè) 出版社 , 2003. \[ 5 \]中國機械工業(yè)教育協(xié)會 . 數控技術 . 機械工業(yè)出版社 , 2004. —87— 科技信息 高校理科研究 CA6140普通車床數控化改造設計
摘要
數控技術水平的高低和數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、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，而去購買昂貴的數控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數控化改造大有可為。
針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點提出數控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了CA6140機械改造部分的設計及數控系統(tǒng)部分的設計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。
通過對CA6140A普通車床的數控改造，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)、電器控制柜及數控系統(tǒng)進行了改造，改造方法簡單、改造操作步驟便于實施。而且掌握了一些CAM、CAD等制圖軟件的應用和論文的撰寫格式，這篇論文對我兩年半的大學學習的一次全面總結。
關鍵詞：車床數控改造進給系統(tǒng)主軸傳動系統(tǒng)
目錄
引言 -1-
1.緒論 -1-
1.1數控機床優(yōu)勢概述 -2-
1.2車床數控改造的現(xiàn)狀與國內背景 -6-
1.3車床數控改造的必要性與可行性 -8-
2車床數控改造的總體構思與技術方案 -8-
2.1設計任務 -9-
2.2總體方案的論證 -9-
2.3總體改造方案的確定 -9-
2.6機械部分的改造 -10-
2.7數控部分的改造 -10-
3普通車床主要結構的數控改造 -11-
3.1數控系統(tǒng) -11-
3.2縱向（Z向）進給系統(tǒng)的改造 -13-
3.3橫向（X向）進給系統(tǒng)的改造 -16-
3.4刀架 -17-
3.5主軸傳動系統(tǒng)與滑動導軌副的改造 -18-
3.6編碼器 -18-
4光柵尺安裝與調試 -19-
4.1光柵尺的安裝 -19-
4.2光柵尺的校正 -19-
5參考點的建立 -19-
6如何提高數控機床精度?精度不夠如何改進? -20-
7結論 -22-
引言
數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜，精密，批量小，多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的和、加工質量。大幅度的提高生產效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數控機床間隔較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。另外從目前國內機床使用的現(xiàn)狀來看，普通機床擁有量巨大，在生產中，數控機床相對于普通機床的優(yōu)勢較為明顯，而由于數控機床價格昂貴，所以有必要對普通機床加以數控改造，使之能完成數控機床能完成的部分生產任務。因此，我大膽的提出了對普通ca6140車床的數控化改造。
CA6140普通車床是普通機床中比較有代表性的機床，它在機械結構上有其先天性的不足。如剛度低、抗振動性差、滑動摩擦阻力較大及傳動元件存在間隙等，因此需要有目的地改造，以滿足數控機床最基本的要求，這也是本文主要討論的問題。對要改裝成通常加工用的數控機床，一般只在進給系統(tǒng)作改進。
1.緒論
數控技術水平的高低和數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、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，而去購買昂貴的數控機床，勢必造成巨大的浪費。因此，普通機床的數控化改造大有可為。
金屬切削機床是加工機器零件的一個主要設備。它擔負的工作量，約占機器總制造量的40-60%。機床的計術水平直接影響機械制造工業(yè)和勞動生產率。
金屬切削機床是人類在改造自然的長起生產實踐中，不斷改進生產工具的基礎上發(fā)展起來的。近些年來我國機床工業(yè)已取得很大成就。但和世界先進水平相比，還有較大的差距。主要表現(xiàn)在大部分高精度和超密機床的性能還不能滿足要求。精度保持性也很差。特別是高效自動化和數控機床的產量，技術水平和質量等方面都明顯落后。我國的技術人員素質還跟不上現(xiàn)代機床技術飛速發(fā)展的需要。
通過寫這次畢業(yè)設計，學會了綜合運用機械課程設計和其它課程地理論和實際知識，掌握了機械設計的一般能力，樹立了正確的設計思想，培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。
學會了從機械功能的要求出發(fā)，會合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算的工作能力。確定它的尺寸，形狀，結構及材料，并考慮制造工藝，使用，維護，經濟和安全等問題，培養(yǎng)機械設計能力，機床設計是設計人員根據使用部門的要求和制造部門的可能，運用有關的科學技術知識，所進行的創(chuàng)造性的勞動。隨著生產的發(fā)展，使用部門對機床的要求也在不斷地提高，而科學技術的發(fā)展和工藝水平的提高，又為制造部門創(chuàng)造了實現(xiàn)使用要求的條件，從而使機床的設計與制造獲得了迅速的發(fā)展。
機床設計也是從低級到高級發(fā)展的。在開始設計機床的最初階段，主要考慮這樣兩點：首先，為了加工出一定形狀的工件，必需保證刀具與工件之間具有一定的相對運動關系；其次是機件要有足夠的強度。過了一段時間以后，又提出對機床幾何精度的要求。這時的機床設計與制造是在滿足機床幾何精度要求的前提下，主要根據經驗或者用類比的方法進行的，可統(tǒng)稱為經驗設計。
隨著科學設計的發(fā)展和工藝水平的提高，尤其是先進刀具的出現(xiàn)，使機床向高速，大功率的方向發(fā)展。因此，對機床的精度和生產率等方面要求也就越來越高。于是，又相繼提出了一些設計機床時必須考慮的問題，如機床的精度問題，剛度，抗爭性，低速運動平穩(wěn)性，熱變形，噪音，磨損等等。對于這些問題的研究主要是通過機床性能實驗進行的。通過實驗，分析它們的規(guī)律性，分析影響機床性能的主要原因和尋求解決問題的方法。這時的機床設計是以實物測試和模型實驗為基礎進行的。與此同時，把技術科學中的理論應用到機床設計中來，初步建立起機床的基礎理論。對于機床設計，顯著地提高了機床的性能。
近些年來，現(xiàn)代科學技術的成就，為機床設計提供了大量的測試數據，理論研究也進入了新的階段，尤其是電子計算機的應用，使機床設計開始進入計算機輔助(CAD)和優(yōu)化的間斷。
通過寫這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件
1.1數控機床優(yōu)勢概述
1.1.1數控車床改造的意義
我國現(xiàn)在擁有數量多達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。但如果利用數控技術根據需要對現(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，利用數控技術改造舊設備已成為我國推廣全功能數控機床的過渡手段。
1.1.2普通車床數控化改造的優(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，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發(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)的機床傳動及結構的概念發(fā)生了根本的轉變。數控機床以其優(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。
數控機床是以數字化的信息實現(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字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，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3~5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。數控機床一般由下列幾個部分組成：
(8)主機，他是數控機床的主題，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)數控裝置，是數控機床的核心，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，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、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，指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，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、數控轉臺和數控分度頭，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，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。
隨著數控機床越來越多的普及應用，數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，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數控機床一面利用數控、數顯、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控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控系統(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，我國開始生產經濟型數控系統(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控系統(tǒng)?？梢灶A料，今后，機床的經濟型數控化改造將迅速發(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。
1.1.3數控化改造的內容
車床數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，縱向按數控指令獲得不同的走刀量和螺距。
X軸：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0.90～0.96；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具體情況和結構形式來定，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不同的需要可以分為以下幾種，{？？？如圖1。
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，如數控機床的調整環(huán)節(jié)或升降臺式數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。
(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（9～24）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。改造時如圖2，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。根據光電碼盤上刻線條數可分為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8～12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。實際操作起來以前兩種最多，也最易操作。
1.2車床數控改造的現(xiàn)狀與國內背景
隨著我國市場經濟的發(fā)展，國內、國際市場競爭日益激烈，產品更新更為迅速，中、小批量的生產越來越多。而普通機床已不適應多品種、小批量生產要求，數控機床則綜合了數控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需更換零件加工程序，無需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求。對于機械制造企業(yè)，單純靠購買新的數控機床，所需投資大。為了節(jié)約資金，降低成本，利用原來的部分普通機床進行數控化改造，提高機械設備的數控化率，是一種有效的途徑?？傮w改造方案數控化改造設計時，在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件，因此確定總體改造方案如下：
① 除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實現(xiàn)剛性聯(lián)接；
② 橫向驅動電機及齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對操作者)，縱向驅動電機及齒輪減速裝置安裝在機床的右端，靠近尾座的位置；
③ 要實現(xiàn)自動換刀。
產生與發(fā)展的社會、經濟基礎
(1)我國現(xiàn)有的、數以萬計的陳舊、落后的機床是機床大修與數控化改造行業(yè)產生的現(xiàn)實基礎我國是一個發(fā)展中國家，由于長期自身機制的不適應性，經濟實力過低、技術落后、設備陳舊，極大地制約著國民經濟的發(fā)展。為盡快改變我國機械制造業(yè)的落后狀態(tài)，近二十多年來，我們在艱難地發(fā)展民族機床制造業(yè)的同時，積極地引進了世界先進技術與設備。一方面與世界先進機床制造廠合作，不斷生產出具有世界先進水平的各類機床；另一方面直接購進了大量的各類機床。這一切都為我國國民經濟的快速發(fā)展起到了巨大的作用。
但是，機床長期運轉甚至超負荷使用，同時又缺少認真的維修與保養(yǎng)，造成機床嚴重磨損，喪失了精度；有些機床則由于企業(yè)人員及產品結構的改變，或由于技術力量不足而被長期閑置，需要使用時卻發(fā)現(xiàn)早已銹跡斑斑，電控系統(tǒng)不能起動；由于新產品制造的需要，原有機床性能已不能滿足使用要求，急需更新升級改造；由于世界計算機及網絡技術的飛速發(fā)展，造成數控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)廠的產品更新加快，原有產品過早停產，給備件更換與維修帶來一定困難；況且數控系統(tǒng)的使用壽命一般在5～10年，而我國大多數機床都在超期服役。
這些諸多因素都需要對機床進行大修及數控化升級改造。
(2)新進的大批二手機床成為機床大修及數控化改造行業(yè)的催化劑自改革開放以來，許多企業(yè)引進了一大批國外淘汰的舊機床，雖然有一部分尚能滿足使用要求，但是多數由于缺少經驗、技術、資料及備件等因素，造成雖廉價購進但卻不能繼續(xù)發(fā)揮作用而閑置的尷尬局面。
其中不乏有為改造后投入使用而引進的舊機床和生產線。這里多數的二手機床只要再有適當的資金投入，經過大修改造即可發(fā)揮作用。
(3)顯著的經濟效益是機床大修及數控化改造行業(yè)的發(fā)展動力對于機床擁有者來說，只需花費購買相同新機床30%以下的費用即可獲得相同的使用效果。根據國際該行業(yè)的記載，即使將原機床的結構性能進行徹底改造升級，也只需花費購買新機床60%左右的價格。
對于機床大修改造業(yè)內公司來說，這不僅為他們的服務企業(yè)產生巨大社會經濟效益，而且也是他們自身生存和發(fā)展的根本動力。
(4)機床大修及數控化改造的優(yōu)勢是該行業(yè)生存與發(fā)展的有利條件舊機床的大修、翻新、升級改造與購買新機床相比，具有下列優(yōu)勢：
?、俳回浧诙獭Ｓ绕涫谴笮蜋C床和特殊專用機床優(yōu)勢更加明顯。
?、谛阅芨€(wěn)定。各基礎件經長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度；各功能部件經長期磨合。功能穩(wěn)定性可靠性好。
?、墼O計風險小。新機床設計中帶來的技術、方案風險在大修改造中幾乎不存在。
④可以更充分地體現(xiàn)用戶的意愿。用戶與維修人員可以依照實際需要和機床長期使用情況，在大修改造中提出對機床性能、操作與維修等方面的改進(包括增、改)意見，有權選擇機械零部件、數控系統(tǒng)等電氣設備的規(guī)格、型號、性能等。
?、莞欣谑褂门c維護。由于用戶、維修人員不僅可以直接參與改造方案的制定，而且可以參與改造的全過程，可以直接獲取各種技術信息，更深入地掌握機床的結構及性能特點，從而增強使用與維修的主動能力。
?、蘅梢愿斓孬@取最新的更實用的備件。
?、吖?jié)省大量投資。
?、嘟档屯顿Y風險。
(5)社會化、專業(yè)化趨勢是機床大修及數控化改造行業(yè)的必由之路舊機床的數控化改造和翻新不僅僅是當前經濟轉軌時期必要和重要的行為，而且是一個企業(yè)長期發(fā)展的戰(zhàn)略措施。
當前，21世紀知識經濟時代，我國大多數企業(yè)正面臨著企業(yè)改制、轉軌以進入市場經濟，迅速融入國際競爭。這就需要我們企業(yè)的領導集中全部力量面對這些挑戰(zhàn)。企業(yè)集團化和集團內部分散網絡化、自治性、并行工作的新型組織、生產結構、敏捷制造技術、虛擬制造技術、可持續(xù)制造技術、綠色制造技術等等一系列新的技術理論，都需要下大力量去研究，以開發(fā)適銷對路產品，提高對市場的快速反應能力；集中人力、財力、物力以提高本企業(yè)的市場競爭力，充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢以最快速度創(chuàng)造出盡可能多的價值。因此，企業(yè)自身不可能再像過去計劃經濟體制下?lián)碛写蠖木S修隊伍。而設備維修改造的社會化、專業(yè)化也就不可避免地成為了大趨勢。
國外機床的改造與翻新是近期發(fā)展起來的一個新興產業(yè)，在先進國家已經形成了一定的規(guī)模和市場。而在我國，這一產業(yè)才剛剛興起，按照應具備的條件來衡量還相距甚遠。但是業(yè)內有識之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的將來，一批具備一定條件和一定規(guī)模的機床改造、翻新的專業(yè)化企業(yè)會成長起來。
1.3車床數控改造的必要性與可行性
數控技術是先進制造技術的核心技術，它的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的水平和綜合國力的強弱，具有超越其經濟價值的戰(zhàn)略物資地位。目前我國企業(yè)機械制造整體水平與發(fā)達國家相比還有很大的差距。由于我國企業(yè)大部分數控機床和數控系統(tǒng)依賴進口，企業(yè)承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數控機械設備維修力量薄弱，進口的備件維修成本高，設備完好率低，大部分進口機床數控系統(tǒng)已經崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等。因此目前我國企業(yè)機床數控化比例極低，不到5%，各企業(yè)使用的絕大部分為傳統(tǒng)老式機床，很難滿足企業(yè)高技術產品的生產需求和生產效率。為節(jié)約成本，進一步發(fā)揮老式傳統(tǒng)機床的功效和潛在價值，將大批傳統(tǒng)老式機床改造為數控機床是一種必然性和趨勢。
2車床數控改造的總體構思與技術方案
本次改造的普通車床型號為CA6140，長度750毫米。數控改造主要包括傳動系統(tǒng)的機械改造和數控裝置的設計。由于對經濟型數控機床的加工精度要求不高，為簡化結構、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設計任務
本設計任務是對CA6140普通車床進行數控改造。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總體方案的論證
對于普通機床的經濟型數控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。
① 控系統(tǒng)運動方式的確定
數控系統(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，所以本微機數控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。
②伺服進給系統(tǒng)的改造設計
數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)。
③數控系統(tǒng)的硬件電路設計
任何一個數控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。
在設計的數控裝置中，CPU的選擇是關鍵，選擇CPU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，還應根據數控系統(tǒng)的應用場合、控制對象以及各種性能、參數要求等，綜合起來考慮以確定CPU。在我國，普通機床數控改造方面應用較普遍的是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，完全能滿足經濟型數控機床的改造需要。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總體改造方案的確定
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。這些內容就是數控化改造后數控系統(tǒng)需要控制的對象。
數控機床由機床、數控系統(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控裝置控制的自動轉位刀架和自動進給的數控加工車床。根據CA6140A車床的有關資料，確定總體方案為：
利用數控系統(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。
2.6機械部分的改造
機械制造業(yè)在世界經濟發(fā)展中，作為基礎產業(yè)，具有重要的地位。為此，各國的經濟學家和企業(yè)家在不斷探索新形勢下的各種先進制造技術及制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。作為制造業(yè)核心的機床制造業(yè)則是支柱的基石，是任何行業(yè)都不可或缺的。
(1)主傳動系統(tǒng)，保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速機構，這樣既保留了機床原有的功能，又降低了改造工作量，如果要自動改變切削速度，可采用交流變頻調速，這樣改造成本較高，本次改造主傳動系統(tǒng)不做任何改動。
(2)進給傳動系統(tǒng)改造縱、橫向傳動全部用滾珠絲杠（傳動效率高，達到90%）。（拆除原有的掛輪系統(tǒng)、進給箱、溜板箱、光桿），在溜板下加裝滾珠絲杠螺母托架，在滾珠絲杠的頭、尾部加裝接套、接桿及支承。
(3)刀架部分不做改動，一次裝夾一把刀，不能自動換刀。
2.7數控部分的改造
為降低改造成本，決定采用開環(huán)控制方式對X軸和Z軸進給系統(tǒng)進行改造。經濟型數控結構簡單、價格低，調試、維護方便，一般用于精度不高的經濟型機床。本次改造的機床主要用于粗加工。
CA6140車床的數控化改造(2)2007-05-1413：364·2
接口箱內減速齒輪的齒數比
該車床要求的控制精度為：Z向0·005mm，X向為0·0025mm，即當執(zhí)行一個脈沖指令時，工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為0·36°，每周步距數為360/0·36=1000(步/周)，X向絲杠螺距為4mm，脈沖當量為0·0025mm，Z向絲杠螺距為6mm，脈沖當量0·005mm。按公式
主動輪齒數
從動輪齒數=步/周×脈沖當量絲杠螺距則X向：Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向：Z主/Z從=1000×5/6000=5/6
3普通車床主要結構的數控改造
3.1數控系統(tǒng)
數控系統(tǒng)是數控機床的靈魂，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)動控制的數控系統(tǒng)。
3.1.1數控系統(tǒng)的選擇
數控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇。
1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。
該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)
該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標?？筛鶕a品技術要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。
3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)
半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。
當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司、華中數控公司和沈陽高檔數控國家工程研究中心。
選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。
3.1.3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，主軸電機轉速由數控系統(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：
圖2.1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，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控系統(tǒng)發(fā)出，它們與數控系統(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PLC輸入到數控系統(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：
圖2.2Z軸進給伺服控制系統(tǒng)原理圖
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，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控系統(tǒng)發(fā)出，它與數控系統(tǒng)的接口為XS30，若出現(xiàn)故障，則由伺服模塊發(fā)出信號經PLC輸入到數控系統(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：
圖2.3X軸進給伺服控制系統(tǒng)原理圖???????}
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，刀架電機控制刀架的換刀（正反轉）及轉動角度指令由數控系統(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：
{圖2.4刀架電機控制系統(tǒng)原理圖}
5、光柵尺控制電路：
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控系統(tǒng)，若誤差太大超出允許誤差范圍，數控系統(tǒng)可根據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。
控制原理圖如下：
{？？？？圖2.5光柵尺控制電路原理圖？？？}
3.2縱向（Z向）進給系統(tǒng)的改造
3.2.1改造思路
絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工?？v向進給系統(tǒng)由伺服電動機經減速后驅動滾珠絲杠螺母機構運動，帶動大拖板左右縱向移動。伺服電動機安裝在縱向絲杠的右端。
3.2.2縱向進給系統(tǒng)的設計計算
已知條件：
工作臺重量W=80(kg)(根據圖樣粗略估計)
時間常數t=25（ms）
滾珠絲杠基本導程P=6（mm）
行程s=1000（mm）
脈沖當量δp=0.01/脈沖
步距角ψ=0.75（mm/脈沖）
快速進給速度V=4（m/min）
(1)切削力計算
縱切外圓時，車床的切削力Fz可以用下式計算：
F=0.67（2-1）
式中：為在車床床面上加工的最大直徑(mm)，=21（mm）
則F=0.67×210=2039(N)
進給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出
F：F：F=1：0.25：0.4
則F=0.25×2039=510(N)F=0.4×2039=815.6(N)
(2)滾珠絲杠設計計算
①實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力
可用下列進給牽引力實際公式計算，對于三角形或綜合導軌機床：
f=KF+f′(F+W)（2-2）
式中：F、F—X（橫）、Z（縱）方向上的切削分力，單位為（N）
W—移動部件的重量，單位為（N）
f′—導軌上的摩檫系數
K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數
對于三角形或綜合性導軌機床：
K=1.15f′=0.15-0.18取f′=0.16
=1.15×510+0.16(2039+800)=1040.7(N)
②最大動負載C的計算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應根據額定動載荷C選用，最大動載荷計算原理與滾珠軸承相似，滾珠絲杠最大C可用下式計算：
C=fF（2-3）
式中：L—工作壽命，單位為10r，L=；
n—絲杠轉速(r/min)，n=；
V—最大切削力條件下的進給速度(m/min)，可取最高進給速度的～；
L—絲杠基本導程(mm)；
f—運轉狀態(tài)系數，一般情況取1.2-1.5；
F—為滾珠絲杠工作載荷(N)。
計算時，可根據快進速度V和絲杠最大轉速，初選一個數值L≥1000，待剛度驗算后再確定t為額定使用壽命(h)可取t=1500h；
V=V=×4=2（m/min）
n=1440×1.129=1625.8（r/min）
L≥1000==2.46（mm）取L=6（mm）
則n===333r/min
L===300(10r)
C=fF=×1.3×1040.7=9056.8(N)
初選滾珠絲桿副的尺寸，相應的額定動載荷C不得小于最大動載荷C：C>C，選用內循環(huán)滾動螺旋副：
D=3.696，d=40mm，C=16300，C=47100，λ=2?44'，L=6，
(3)傳動效率計算：
滾動絲杠螺紋的傳動效率η為：
η=（2-4）
式中：λ—絲杠螺紋升角，可根據初選型號查出，λ=2.44°；
—摩檫絲杠副的滾動摩檫系數f=0.003-0.004，其摩檫角約等于10′
則η==0.97603
(4)剛度驗算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響其定位精和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形.滾珠絲杠的扭矩變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計，螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計.絲杠軸承的軸向接觸變形計算方法可參考機械設計手冊.可供滾珠絲杠支承使用的滾動軸承種類很多，目前占優(yōu)勢的有：接觸角為60的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面組配，還可以三聯(lián)組配，四聯(lián)組配等，為提高剛度和承載能力。因此，只要滾珠絲杠的剛度設計得好，軸承的軸夏管內接觸變形在此可以不予考慮。
1絲杠的拉壓變形量
滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量：
δ=（2-5）
式中：δ—在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量(mm)；
F—為絲杠的工作載荷(N);
L—滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm);
E—材料彈性模量，對鋼E=20.6×10Mpa;
A—滾珠絲杠按內徑確定的截面(mm)，+號用于拉伸，-號用于壓縮.
F=1040.7(N)L=1600mmE=20.6×10MpaA=(d-D)
則δ===0.0079（mm）
2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ
該變形量與滾珠列.圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠的長度無關，有預緊力時：
δ=（2-6）
式中：D——滾珠直徑(mm);
Z——滾珠總數量，Z=Z×圓數×列數;
Z——圈的滾珠數，Z=(π)-3(內循環(huán));
D——滾珠絲杠的公稱直徑(mm);
F——為預緊力(N);
F——為滾珠絲杠工作載荷(K);
D=3.969（mm）Z==58
F=1040.7(N)F=F=×510=170(N)
所以，δ=0.0013=0.0022（mm）
絲杠的總變形量δ=δ+δ=0.0079+0.0101<0.015
由此可得滾珠絲杠副剛度滿足條件
3.2.3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
3.3.1改造思路
橫向進給系統(tǒng)改造應保留原手動機構，用于調整操作，原有的支撐結構也保留，由步進電機經減速器后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電動機安裝在大拖板后端，用法蘭盤將步進電動機與大拖板連接起來，一保證其同軸度和提高傳動精度。
縱、橫向進給機構都采用了一級齒輪減速，并用雙片薄齒輪錯齒法消除調隙，雙片齒輪間沒有家彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載較大時，彈簧彈力顯很小，起不到自動消除間隙的作用；當負載較小時，彈簧彈力又明顯很大，則更容易加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調整螺釘緊固的辦法來消除間隙。
3.3.2實施步驟
（1）拆下刀架、小拖板及滑動絲杠；
（2）車削一根定位芯軸，保證法蘭盤孔與大拖板后孔的同軸度。定位后，配鉆四個螺釘孔，并攻螺紋；
（3）車削一根手輪軸，代替原絲杠手輪軸，用于與滾珠絲杠連接；
（4）車削兩個連接套，用于絲杠連接電機旋轉和手輪軸；
（5）銑去大拖板上與螺母發(fā)生干涉的部位；
（6）利用車床主軸和尾座將螺母安裝到絲杠上，在利用鎖緊螺母進行預緊，消除間隙；
（7）總裝后，用墊片調整螺母上下位置，使其傳動平穩(wěn)。
3.4刀架
3.4.1改造思路
刀架部分是機床的重要功能部件，對其進行改裝主要是為了實現(xiàn)多刀夾持、自動換刀。
電動刀架能實現(xiàn)自動換刀功能，降低輔助時間，提高生產效率，根據生產的實際需要，選擇常州亞興機床數控設備廠生產的四方刀架，它可以完成粗、精車，螺紋車削和切槽、切斷等加工的換刀工作，結構簡單使用。刀架的轉位由三相異步電動機來驅動完成。
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，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)與滑動導軌副的改造
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CA6140A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。
3.5.3滑動導軌副
對數控車床來說，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。
3.6編碼器
3.6.1改造思路
車螺紋時，主軸轉一圈，車刀移動一個螺距（單頭），主軸與絲杠應同步動作，為保證每次吃刀都不亂扣，必須安裝一個光電編碼器。
按要求編碼器與主軸的傳動比應為1：1，由兩個齒數均為50的塑料齒輪來實現(xiàn)，但由于車床結構不符合安裝要求，只能通過自制掛輪間接實現(xiàn)1：1的傳動比要求。
3.6.2實施步驟
（1）拆下原有的掛輪，加工兩只67齒與90齒掛輪；
（2）增加一只中間繼電器，有電門鎖開關來控制機床的電源；
（3）在電動刀架三相電源進線處加裝快速熔斷器和熱繼電器（2.5A），保證電動刀架安全工作。
{？？？？？圖2.6編碼器安裝示意圖？？？？}
4光柵尺安裝與調試
4.1光柵尺的安裝
在光柵尺的安裝時應盡量與運動方向的元件保持一致性；大多數機床的運動系統(tǒng)一般部是運用精密滾珠絲杠副，理論上要求光柵尺安裝在進給絲杠副的軸線上。但由于實際受結構的限制以及空間的影響，光柵尺都安裝在導軌外側，如果光柵尺裝配不當，特別導軌誤差，對位置測量有巨大影響。為了將由此產生的阿貝誤差降到很小，定尺和定尺外殼應盡可能地固定于機床的固定結合面上，安裝面一定要與機床導軌平行。這就要求安裝面與絲杠軸線的正側(即安裝基面與運動導向基面)保持平行≤0.10mm。在加工安裝基面時可以加工一個2～5mm的凸臺作為光柵尺的定位基準，要求與導軌正側≤0.01。在安裝光柵尺時可以靠在定位基準上，這樣也便于光柵尺的裝配，光柵尺安裝在導軌外側，也便于調試和將來的維修。
{？？？？？圖3.1光柵尺示意圖？？？？？}
光柵尺在安裝時，要避免各種加速度，抗振的最高值在55～2000Hz，對振擊和沖擊負荷(平正弦型)允許加速度最高值在llns；在裝配調整時應避免使用鋼件或相近材質的部件；不要固定在熱源附近，機床在使用一年以后，應對光柵尺進行校正，同時應檢驗光柵尺的運行情況；如需清洗時應該用棉球沾無水酒精擦拭，如果光柵尺污物太多，應讓技術人員拆下光柵尺的一頭用無水酒精沖洗，不允許用其他可以產生結膜的物質清洗。
4.2光柵尺的校正
首先將掃描頭輸出接頭與數字顯示器相連，把掃描頭移至測量起點，將激光干涉儀置于工作臺上并將其清零；然后將掃描頭全程移動，轉動校正螺釘，使其在任意位置上時數字顯示器上讀數與激光干涉儀上的讀數相等。
光柵尺的定尺與動尺的相對移動代表機床的位移，定尺安裝在固定結合面上，而動尺則需要用支架與運動部件連接，這就要求支架有
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