普通車床的數(shù)控化改造畢業(yè)論文

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1、摘 要 針對大多數(shù)企業(yè),具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、 不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性， 又不能馬上被淘汰。 數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、 批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在 短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)控化改造， 不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成 為制造強國的進程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有： 1對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟

2、性評價詳細論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案； 2對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號選 擇，步進電機選擇等進行了詳細研究； 3對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的 性能和精度指標(biāo)來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法； 4根據(jù)普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造 CJK6140-A 的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術(shù)圖； 5.為保持切削螺紋的功能，仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖 發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖； 6.拆卸普通機床，甩掉原有進給箱

3、等，對主傳動系統(tǒng)的進行大修，滑板貼塑與 鏟刮調(diào)試，對機床相關(guān)部件和參數(shù)進行測繪、測量； 7.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖； 8給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造 ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but

4、 can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as com

5、plex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are co

6、unteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is: 1. The

7、 economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. 2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC sys

8、tems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system and

9、 principle with the reforming CJK6140-As NC system. 5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired t

10、he main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 8 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forwar

11、d. Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform 目目 錄錄 第一章 前言 -6 1.1 問題的提出 -6 1.1.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 -6 1.1.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 -7 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) -7 1.2 普通機床數(shù)控改造的經(jīng)濟性評價 -8 1.2.1 微觀看改造的必要性 -8 1.2.2 宏觀看改造的必要性 -9 1.3 普通機床數(shù)控化改造市場 -9 1.3.1 改造的市場 -9 1.3.2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 -10 第二章 CA6140 普通車床數(shù)

12、控改造總體方案的設(shè)計要求 -10 2.1 設(shè)計要求 -10 2.2 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 -11 2.3 主軸脈沖發(fā)生器 -12 第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 -14 3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 -14 3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 -14 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 -15 3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟 -15 3.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 -19 3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 -19 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 -20 3.3.3 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 -22 3.4 滾珠絲杠螺母副的精度等級 -23

13、3.5 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊 -23 3.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 -25 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項 -25 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 -25 第四章 CA6140 數(shù)控改造步進電機的設(shè)計 -26 4.1 步進電機的工作方式 -26 4.2 步進電機的選擇 -26 4.2.1 步進電機選用的基本原則 -26 4.2.2 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 -27 4.2.3 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 -28 第五章 自動回轉(zhuǎn)刀架的選型 -28 5.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 -28 5.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 -29 第六

14、章 CA6140 普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) -29 6.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述 -29 6.1.1 機床主機 -30 4.1.2 驅(qū)動裝置 -30 4.1.3 輔助裝置 -30 4.1.4 數(shù)控裝置系統(tǒng) -31 4.1.5 編程裝置 -31 6.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 -31 6.2.1 控制系統(tǒng)的功能要求 -31 6.2.2 硬件電路的組成 -31 6.3 單板控制系統(tǒng)的設(shè)計 -32 6.3.1 硬件配置 -32 6.3.2 貯存器空間分配 -32 6.3.3 I/O 口地址分配 -32 6.3.4 光電隔離電路 -33 6.4 8031 單片機簡介 -33 6.5 存儲器擴展

15、電路設(shè)計 -34 6.5.1 程序存儲器的擴展 -34 6.5.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 -34 6.6 譯碼電路設(shè)計 -38 6.7 其他輔助電路設(shè)計設(shè)計 -38 6.7.1 8031 的時鐘電路單片機的時鐘的產(chǎn)生方式 -38 6.7.2 復(fù)位電路 -40 6.7.3 越界報警電路 -40 6.7.4 掉電保護電路 -41 第七章 安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題 -42 7.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 -42 7.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整 -42 7.3 聯(lián)軸器的安裝 -42 7.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 -42 第八章 結(jié)束語 -42 致謝 -43 參考文獻-44 第一章 前言 1.11.1 問題提出問

16、題提出 數(shù)控車床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少的加 工設(shè)備，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、 批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異 的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣, 制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。 購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時 間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時 目前大多數(shù)企業(yè)還有

17、數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機 床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差， 但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機床、 配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床，是當(dāng)前許多企業(yè)對現(xiàn)有 設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投 資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我 國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。 1.1.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 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

18、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。 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國 家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造 系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動 控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn) 柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本 性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā) 展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超

19、小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合 了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高 精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷 和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM 與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián) 網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。 長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC 只能作為非智能的 機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實 際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式的開

20、環(huán)執(zhí)行機 構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、 進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下 根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正 CAD/CAM 中的設(shè)定量，因而影響 CNC 的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳 統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了 CNC 向多變量智能 化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。 1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用

21、了高速 CPU 芯片、 RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)， 同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提 高。 (2) 柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大， 可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不 同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群 控系統(tǒng)的效能。 (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方 向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后

22、，通過自動換刀、 旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西 門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸。 (4) 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保 任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。 科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響 應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā) 展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研 究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家 控

23、制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專 家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的 綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、 速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控 制的目的。 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一 代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺 服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新

24、技術(shù)融于一 體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。 1.2 普通機床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價 根據(jù)對市場的調(diào)研，目前新的經(jīng)濟數(shù)控車床，8.5 萬/臺，普通新車床 CA6140， 售價 3.8 萬/臺，使用壽命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的舊車床 CA6140，估價 0.5 萬/臺，通過改造還可使用 4-6 年。普通車床 CA6140 每臺數(shù)控化改造所需價格大約 3 萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高 20-30%。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經(jīng) 濟性評價。 設(shè)備現(xiàn)代化改造是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進經(jīng)驗，適應(yīng)生產(chǎn)的需要，改變 現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)（包括更換新部件、新裝置、新附件等） ，改善現(xiàn)有設(shè)備的

25、技術(shù)性能， 使之全部或局部達到新設(shè)備的性能。 1.2.1 微觀看改造的必要性 從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來 自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運 動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 37 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后 按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就 可實現(xiàn)另一工件

26、加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn) 了“柔性自動化“。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配“。 (4 ) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間 無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力（一個 人可以看管多臺機床） ；(3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期；(4)可 對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控 化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、

27、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制 造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和 基礎(chǔ)技術(shù)。 1.2.2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始 大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)） 進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā) 中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)） 、 CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于 采用信息技術(shù)對國外軍、民機

28、械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們 的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率） 到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達 20.8，因此每年都有大量機電產(chǎn)品 進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。 1.3 普通機床數(shù)控化改造市場 1.3.1 改造的市場 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

29、。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?數(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。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 1.3.2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和

30、生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。 據(jù)不完全統(tǒng)計，從 19791988 年 10 年間，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項， 大約 165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。 但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè) 的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有 的消化吸收不好，備件不全，維護不當(dāng)，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設(shè) 備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā) 揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好， 但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標(biāo)

31、；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有 的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富， 反而消耗著財富。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就 是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最 大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 第二章 CA6140 普通車床數(shù)控改造總體方案的設(shè)計要求 2.1 總體方案 總體方案設(shè)計應(yīng)考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí) 行機構(gòu)的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功 能，還要

32、求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng) 簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng) 濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中，MCS51 系列單片機具有集成度 高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51 系列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲 器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加

33、工程序和控制命令的鍵盤，能 顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路， 此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺 母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機床所要求的分辨率。 （7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的 滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消 除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。 （8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 （9） 原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮

34、短改 造周期。 （10）機械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、 調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 總體方案設(shè)計圖如 2.1 圖所示 2.2 設(shè)計要求 將 CA6140 普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床具有切削螺紋的功能， 縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。 設(shè)計參數(shù)如下： 最大加工直徑： 在床面上400mm 在床鞍上210mm 最大加工長度：1000mm 快進速度 縱向2.4m/min 橫行1.2m/min 最大切削進給速度 縱向0.5m/min 橫行0.25m/min 代碼制ISO 脈沖分配方

35、式逐點比較法 輸入方式增量值、絕對值通用 控制坐標(biāo)數(shù)2 最小指令值 縱向0.01mm/pulse 橫行0.005mm/pulse 刀具補償量099.99mm 進給傳動鏈間隙補償量 縱向0.15mm 橫行0.075mm 自動升降速性能有 2.3 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后的車 床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的步進電機來控制，但是 為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進給系統(tǒng)的 同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運動之間的聯(lián)系。 同時，為了提高機床的精度和

36、效率，用滾珠絲杠來代替原機床的光杠，并且采用單 獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度，還提高了機床的使用性 能。 1. 機械部分的改造 首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向小拖 板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動的步進電機來控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以，必 須要換成數(shù)控自動刀架。 2.4 主軸脈沖發(fā)生器 為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接 與主軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接，達到傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈短，傳動剛度提 高。主軸與脈沖發(fā)生器同

37、步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步 信號，經(jīng)隔離電路以及 I/O 接口送給數(shù)控裝置（CNC） ，脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安 裝位置如圖 光柵編碼器安裝位置 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理: 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光 電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過研磨拋光 后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有 明暗條紋，有單條和 1024 個條兩組。當(dāng)平行光束經(jīng)過光柵盤時，在光柵盤的另一面 就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應(yīng)的光敏管上，從而產(chǎn)生光電 脈沖信號，經(jīng)斯密特電路整形

38、后輸出。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈 沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 /4 間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個脈沖組相差為 /4 的脈沖序列，供給微機處理，借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以 從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現(xiàn) F 進給控 制的目的。 脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖 第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計與計算 3.1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計 進給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架 等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案： 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 進給箱部

39、分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、 光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾 座端原來裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作 按鈕。 橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母 副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計

40、算和選型等。 計算簡圖如下圖所示： 圖 2.1 縱向進給 圖 2.2 進給系統(tǒng)計算簡圖 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機 床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟 型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的 技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量為 0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為 p f =0.005mm/step。 p f 3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟 （1）滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以

41、鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副的 結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示，它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變 為旋轉(zhuǎn)運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換 的元件。 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理圖 組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器） 、螺母座等組成。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時便形成螺 旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循 環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 特點：傳動效率高：機械效率可高達 92%98%。 摩擦力?。褐饕怯脻L珠 的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。

42、 軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用， 提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。 使用壽命長、制造成本高：主要采用 優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。 1）最大工作荷載計算 滾珠絲杠的工作載荷（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承 m F 受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重 力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 由于原普通 CA6140 車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式 2-1 計算 工作載荷的大小。 （3-1） () mv FKFLfFG 車削抗力分析 車削外圓時的切削抗力有，主切削力與主切削速度方向一致 x F y F z F z

43、 F 垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進給垂直， y F 影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力與進給方向平行且相反指向，設(shè)計或 x F 校核進給系統(tǒng)是要用它。 切削時總切削力的分解 縱切外圓時，車床的主切削力可以用下式計算： z F （3-2） zzz zz xFyFnF zFpF FC afVK =5360(N) 由金屬切削原理知： =1:0.25:0.4 （3-3） : zxy FFF 得 =1340(N) x F =2144(N) y F 因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導(dǎo)軌上， 車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷和與車刀所受

44、到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系。 1 F v F c F 因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出： 托板上的進給方向載荷 = =1340(N) 1 F x F 托板上的垂直方向載荷 = =5360(N) v F z F 托板上的橫向載荷 = =2144(N) c F y F 因此，最大工作載荷 () mv FKFLfFG =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 對于三角形導(dǎo)軌 K=1.15, =0.030.05,選=0.04(因為是貼塑導(dǎo)軌)，G 是 f f 縱向橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為 15kg. 最大動載荷 C

45、 的計算 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷 Ca 選用，可用式 3-4 計算： （3-4） 3 mm CL f F L 為工作壽命，單位為 10r，L=60nt10;n 為絲杠轉(zhuǎn)速（rmin）,n=1000vL0;v 為 最大切削力條件下的進給速度（mmin）,可取最高進給速度的 1/21/3;L0 為 絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得 L0=12mm; 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動， m f 所以取=1.5. m f V 縱向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/min n 縱向=v 縱向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.75150

46、00/106=83.5 則 =1.51790.68=11740（N） 3 mm CL f F 3 83.5 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷 Ca 不得小于最大載荷 C;因此 有 CaC=11740N 另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其 另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷是 oa C 否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 Fm,一般使=23. oa m C F 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內(nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤] 到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。 因此初選滾珠絲杠的型號為型 CD638-3.5-E 型，主

47、要參數(shù)為 =4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈數(shù)列數(shù) 3.51 w D 0 L m d 縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 92% （3-5） tantan2 19 tan() tan(2 1910 ) o o 2）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平 穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變 形，絲杠的扭轉(zhuǎn)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。 1 絲杠的拉壓變形量 1 （3-6） 1 m F l EA =1790.682280/20.6

48、10(31.5)2 =0.0064mm 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 采用有預(yù)緊的方式， 因此用公式 =0.0013 （3-7） 2 2 3 m wyj F D F Z =0.0028mm 在這里 =1/3=1/31790.68=597N yj F m F 3.1463/4.763=41.53 m w d Z D 41.533.51=145.36 Z 絲杠的總變形量= + =0.0064+0.0028=0.0092mm3V 時，存儲器就能可靠的保持信息。 2 D B V 第七章 安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題 7.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復(fù)雜。都是

49、由專業(yè)工廠按系 列化進行生產(chǎn)。因此在進行設(shè)備改造時，要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準進行選擇。選擇合適以 后再決定被改造設(shè)備的 其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。 7.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整 利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時，應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的 預(yù)緊力為絲 杠副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲 杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于 0.01mm，而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此作為螺母間隙 調(diào)整裝置預(yù)緊的判斷標(biāo)準。 7.3 聯(lián)軸器的安裝 傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因為同 一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時，往往會引起軸線的直線度誤差增大，

50、從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷，影響絲杠副 的傳動性能。 7.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例 1：1 無間隙柔性連接傳動，連接后應(yīng)保 證兩者都有很好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能隨意敲打 碰撞，使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 第八章 結(jié)束語 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，我國的機床數(shù)控化在近十年來有了很大的發(fā)展，而普 通機床的數(shù)控化改造后在滿足完成同樣的加工任務(wù)的前提下，可大大降低技術(shù)改造 的投資經(jīng)費，在實際中得到廣泛應(yīng)用?；趯?CA6140 普通車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造 設(shè)計過程中，我認為普通機床的數(shù)控

51、改造具有很多的優(yōu)點、必要性及其良好的發(fā)展 趨勢。 全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國的一般中小企業(yè)購置困難， 但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對原有機床進行改造，進行數(shù)控化、自動化、 以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實的生產(chǎn)實際，我國的國情，在 滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。目前我國經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速， 研制了幾十種簡易 NC 系統(tǒng)，有力地促進了我國數(shù)控事業(yè)的發(fā)展。 改造后的車床，可手動、機動操作，操作簡單，使用方便，價格低廉，其性能 價格比適中；而且還能解決復(fù)雜零件的加工精度控制問題，節(jié)約大量工裝費用，減 輕工人的勞動強度，提高工人素質(zhì)。 企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟型

52、數(shù)控對設(shè)備進行改造后，增強了企業(yè)應(yīng)變能力，為提高企業(yè)競 爭能力創(chuàng)造了條件，提高了加工精度和批量生產(chǎn)的能力，提高了設(shè)備自身對產(chǎn)品更 新?lián)Q代所需要的應(yīng)變能力，增強了企業(yè)的競爭能力。 致謝 本此畢業(yè)設(shè)計從選題、任務(wù)書的制定，到開題報告的完成及后來的總體方 案確定，都得到了老師的細心指導(dǎo)，三個多月的時間，在老師的不斷督促和幫 助下，終于基本完成，在此，向老師以及在這個過程中幫助過我的同學(xué)和老師 們表示衷心的感謝。短短三個多月時間的畢業(yè)設(shè)計，一方面鞏固了前面學(xué)過的 基本專業(yè)知識，另一方面也學(xué)到了一些以前并沒有涉及到或者認識不深的知識， 對我以后的工作和學(xué)習(xí)有很大的啟示作用。同時，也感謝學(xué)校能給我這樣一個

53、 學(xué)習(xí)的機會。 最后，再次感謝老師的悉心指導(dǎo)和幫助。 參考文獻: 1 林宋主編.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 2 方鍵主編.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006. 3 戴曙主編.金屬切削機床.北京：機械工業(yè)出版社，1993. 4 濮良貴主編.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2001. 5 白恩遠.現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及檢測技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2002. 6 李洪.實用機床設(shè)計手冊.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 7 董玉紅.數(shù)控技術(shù).北京：高等教育出版社，2004. 8 張俊生.金屬切削機床與數(shù)控機床.北京：機械工業(yè)出版社，2000. 9 木蘭.數(shù)控原理與系

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