C616型普通车床改造为经济性数控车床
张雷
（陕理工机械工程学院机自专071班，陕西汉中 723003）
指导老师：陈建刚
【摘要】
数控机床是自动化加工必不可少的组成部分，根据我国的国情对旧机床进行数控化改造不失为一条经济有效的途径。我国拥有机床300万台，其中大部分为通用机床，特别是地方中小企业，普通设备拥有量巨大，数控改造的前景相当大，在对C616车床的数控化改造设计中，用单片机作为中央微处理器较好，改造后大大提高了原有机床的自动化程度和生产率，其成本仅为全功能数控车床的1/3~1/4.
【关键词】
数控改装机械车螺纹
Model C616 Lathe CNC lathe transformation of
economy
ZhangLei
（Machinery Manufacturing and Automation,Class1,Mechanical Engineering.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）
tutor: Jian-Gang Chen
Abstract：
CNC machine tools is an integral part of automated processing, according to China's national conditions on the transformation of the old NC machine tools after all a cost-effective way. With over 3 million units machine tools, most of which common tools, in particular, local SMEs, the amount of ordinary device has huge prospects for transformation of large CNC, CNC lathe in the C616 Modification design, with a single chip micro-processing as a central one shows that after transformation, greatly improved the original machine tool automation and productivity, the cost is only fully functional CNC Lathe 1 / 3 to 1 / 4.
Key words：
CNC converted machine threading
1 序言
本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。
利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。
进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。
现我选用C616普通车床为例进行数控改造。
1.1概述
用数控技术对C616车床进行改装，不仅可提高机床精度，提高生产率，大大减轻工人的劳动强度，减少对工夹具的投资和数量，而且适合我国国情。
1.2 C616的机械改装
对C616的机械改装主要在主传动系统、进给系统和刀架部分。
1.2.1主传动系统改装
为提高机床的自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原C616主传动系统作如下改装：
取消原变速箱，将主电机换成四速异步电机；保留原主轴箱内的背轮机构。
通过微机控制多速电机变速和手动控制背轮机构变速，使主轴获得高、低两档共8级转速，其中每档有四级转速可以在机床加工过程中自动变换。
1.2.2 进给系统的改装
改装后为保证较高的传动精度和传动效率，采用结构简单、步距均匀、连续性好且易于数控的步进电机，经齿轮传动驱动滚珠丝杠实现进给。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式、精度选F级。
为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙、可调拉簧式结构。
1.2.3 刀架部分
刀架部分是机床的重要功能部件，对其进行改装主要是为了实现多刀夹持，自动转位。将原刀架改为常州武进机床数控设备厂生产的LD4-I型四工位自动刀架。该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。
1.2.4主轴脉冲发生器
为保证车螺纹时严格的运动关系，在主轴箱上安装GD7072光电脉冲发生器，通过主轴——脉冲发生器——数控系统——步进电机的信息转换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。
1.3C616的数控系统
采用南京微分电机厂生产的JWK-15T型数控系统。该系统由TP8031单板机、驱动电源装置及110BF003型、110BC380B型功率步进电机等组成开环控制系统。
主要技术特性:
可控制车削端面、内外圆、任意锥面、螺纹、球面以及用球面逼近的任意曲面；有17档进给速度;有直线、圆弧插补功能，程序中可给出一定延时；有自动循环，间隙补偿、程序暂停、点动、报警功能，还具有对自动刀架转位及主轴正、反转、变速、停止等装置的控制功能。
2 设计方案的确定
C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。
2.1设计任务
本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。利用微机对纵横进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
2.2总体设计方案的确定
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，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减少，以降低成本.根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为:采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。
3 机械部分改造设计与计算
3.1纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。
3.1.1纵向进给系统的设计计算
已知条件：
工作台重量： W=80kgf=80N(根据图纸粗略计算)
时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程：L 0=6mm 行程： S=640mm 脉冲当量： δp =0.01mm/step 步距角： α=0.75°/step 快速进给速度： V max =2mm/min
（1）切削计算
由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
N c =N ηK
式中 N ——电机功率，查机床说明书，N=4KW ； η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65； K ——进给系统功率系数，取为K=0.96。 则：
N c =430.6530.96=2.496KW 又因为
N C =
6120
v
F Z
F Z=
v N
C
6120
所以
式中v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力
F Z =152.76(kgf)=1527.6(N)
由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力
F Z=C Fz a p x Fz f Y Fz K Fz
查表得：C Fz=188kgf/mm21880Mpa
X Fz=1 Y Fz=0.75 K Fz=1
则可计算F Z如表3.1所示
表3.1 F Z计算结果
当F Z=1520N 时，切削深度ap=2mm, 走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：
F X =（0.1～0.6）F Z F Z=(0.15～0.7) F Z
取：
F X=0.5 F Z=0.531527.6=763.8N
F Y=0.6 F Z=0.631527.6=916.5N
（2）滚珠丝杠设计计算
综合导轨车床丝杠的轴向力：
P=KF X+f′(F Z+W)
式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。
则
P=1.153763.8+0.163(1527.6+800)=1250.8N
强度计算： 寿命值 L 1=
6
11060i T n
n 1=
L f n 主=
1000DL vf
π 取工件直径 D=80 mm,查表得T I =15000h 则：
n 1=68014.33
.01001000????=20r/min
L 1=
6
10
15000
2060??=18 最大动负载 Q=H w f Pf L 31
查表得： 运转系数 f w =1.2 硬度系数 f H =1 则
Q=31831.23131250.8=39933.6N
根据最大动负载Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC 1B 系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC 1B3236—5—E 2，其额定动载荷是10689N ，所以强度足够用。
效率计算：根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率η为： η=
)
(ψ+v tg tgv
式中 摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°25′ 则
η=
)
10253(253'+'?'
?tg tg
刚度验算：滚珠丝杠受到工作负载P 引起的导程的变化量
△L 1=±
EF
PL 0
式中 L 0=6mm=0.6cm ；
E=20.63166N/ cm 2。
滚珠丝杠截面积 F=(2
d )2
π=（28031.2）233.14
则
△L 1=±
14
.3)2
8031.2(106.206
.08.12502
6????=±5.9310-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L 2很小,可忽略,即：△L=△L 1。所以： 导程变形总误差△为
△ =
L L ?0100=
6
.0100×5.9310-6=9.8μm/m 查表知E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为15μm/m ，故刚度足够。
稳定性验算：由于机床原丝杠直径为φ30mm ，现选用的滚珠丝杠直径为φ32 mm ，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。
3.1.2齿轮及转距的有关计算
(1)有关齿轮计算传动比 i=
P L δ?3600=01
.03606
75.0??=1.25 故取 Z 1=32mm Z 2=40
m=2mm b=20mm α=20° d 1=m Z 1=2332=64mm d 2= m Z 2=2340=80mm d α1 =d 1 +2ha*=68mm d α2=d 2+2ha*=84mm
α=
221d d +=2
80
64+=72㎜ 转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J 1=(
π?
δp
180)2W=(
75
.014.301.0180??)2
380=0.468㎏2㎝2
=4.68N 2㎝2 丝杠的转动惯量：
J S =7.8310-43D 4L 1=7.8310-433.243140.3
=11.475㎏2㎝2=114.75N 2㎝2
齿轮的转动惯量：
J Z1=7.8310-436.4432=2.617㎏2㎝2=26.17 N 2㎝2 J Z2=7.8310-438432=6.39㎏2㎝2=63.9 N 2㎝2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此,总的转动惯量：
J=
21
i
(J S +J Z2)+ J Z1+ J 1 =
2
25
.11
(11.475+6.39)+2.617+0.468 =14.519㎏2㎝2=145.19N 2㎝2
（2）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩
M=M amax ＋M f ＋M 0 最大切削负载时所需力矩 M=M at ＋M f ＋M 0＋M t 快速进给时所需力矩
M= M f ＋M 0
式中 M amax ——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； M f ——折算到电机轴上的摩擦力矩；
M 0 ——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
M at ——切削时折算到电机轴上的加速度力矩； M t ——折算到电机轴上的切削负载力矩。
M a =
T
Jn
6.9×10-4N 2m 当n=n max 时 M amax =M a n max =
0max L i v =6
25
.12000?=416.7r/min M amax =
025
.06.97
.416519.14??×10-4=2.52N 2m=25.72㎏f 2㎝
当n=n t 时 M a =M at
n t =0L f n i 主=01000L f D v
i
π=6
8014.325.13.01001000?????=24.88r/min
M at =
025
.06.988
.24519.14??×10-4=0.1505N 2m=1.536㎏f 2㎝
M f =i L F πη200=i
WL
f πη20'
当η0=0.8 f ′=0.16时
M f =
25.18.014.326
.08016.0?????=1.223㎏f 2㎝
M 0 =i
L F X πη20
(1-η02
)
当η0=0.9时预加载荷P 0=3
1
F x 则：
M 0=i L F X πηη6)1(2
00-=25
.18.014.36)9.01(6.038.762???-?=0.462㎏f 2㎝=4.62N 2㎝
M t =
i L F πη200=25
.18.014.326.038.76????=7.297㎏f 2㎝=72.97 N 2㎝ 所以, 快速空载启动时所需力矩：
M=M amax ＋M f ＋M 0
=25.72＋1.223＋0.462=27.405㎏f 2㎝ =274.05N 2㎝
切削时所需力矩：
M=M at ＋M f ＋M 0＋M t
=1.536＋1.223＋0.462＋7.297=10.518㎏f 2㎝
=105.18 N2㎝
快速进给时所需力矩：
M= M f＋M0=1.223＋0.462=1.685㎏f2㎝
=16.85 N2㎝
由以上分析计算可知：
所需最大力矩M max发生在快速启动时，
M max=27.405㎏f2㎝=274.05 N2㎝
3.2 横向进给系统的设计和计算
3.2.1 横向进给系统的设计
经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。
3.2.2横向进给系统的设计和计算
由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。
已知条件：
工作台重（根据图纸粗略计算）W=30㎏f=300N
时间常数T=25ms
滚珠丝杠基本导程L0=4㎜左旋
行程S=190㎜
脉冲当量δp=0.005㎜/step
步距角α=0.75°/ step
快速进给速度v max=1m/min
切削力计算横向进给量为纵向的1/2～1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2
F Z=0.53152.76=76.38㎏f=763.8N
在切断工件时：
F y =0.5 F Z =0.5376.38=38.19㎏f=381.9N 滚珠丝杠设计计算
强度计算：对于燕尾型导轨：
P=KF y ＋f ′(F z ＋W)
取K=1.4 f ′=0.2 则
P=1.4338.19＋0.2(76.38＋30) =74.74㎏f=747.4N
寿命值
L 1=
6
111060T n =
6
10
15000
1560??=13.5 最大动负载
Q=P f f L H W 31=74.7412.15.133???=213.55㎏f=2135.5N
根据最大动负载Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取F C1B 系列，滚珠丝杠公称直径为φ20㎜，型号为F C1B2034—5—E 2左，其额定动负载为5393N ，所以强度足够用。
效率计算：螺旋升角γ=3°38′，摩擦角ψ=10′ 则传动效率
η=
)(?γγ+tg tg =)
01833(383'+'?'
?tg tg =0.956
刚度验算：滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程的变化量
△L 1=±
EF PL 0=±2
67619
.1106.2014.34
4.01074.74??????=±
5.9310-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L 2很小，可忽略， 即：△L=△L 1所以导程变形总误差为
△=
m L L μ9.141096.54
.010010060=??=?- 查表知E 级精度丝杠允许的螺旋误差（1m 长）为15μm/m ，故刚度足够。 稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一
端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。
齿轮及转矩有关计算 有关齿轮计算 传动比 i=
67.13
5
005.0360475.03600==??=p L δ? 故取 Z 1=18 Z 2=30
m =2㎜ b=20㎜ α=20° d 1=36㎜ d 2=20㎜ d α1 =40㎜ d α1=64㎜ a=48㎜
传动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J 1=0439.0100
1
30)75.014.3005.0180()180(22=????=W p π?δ㎏2㎝2 丝杠的转动惯量：
J S =7.8310-43D 4L 1=7.8310-4324350=0.624㎏2㎝2 齿轮的转动惯量：
J Z1=7.8310-433.6432=0.262㎏2㎝2 J Z2=7.8310-436432=2.022㎏2㎝2 电机转动惯量很小可以忽略。 因此，总的转动惯量： J=
0439.0202.0)022.2624.0()53()(121122
+++?=+++J J J J i
Z Z S =1.258㎏2㎝2 所需转动力矩计算
n max =
min /7.4164
35
10000
m ax r L i v =?
=
M amax =
2184.010025
.06.97
.416258.1106.944m ax =???=?--T Jn N 2m=2.23㎏f 2㎝
n t =
3
46014.35
15.01001000100000
1??????==
DL vfi L f n π主=33.17r/min M at =410025
.06.917
.33258.1-???=0.0174 N 2m=0.1775 f 2㎝
M f =
i L F πη200=i WL f πη20'==??????5
8.014.3234.0302.00.287㎏f 2㎝=0.028 N 2m M 0=
=-?????=-)9.01(5
8.014.3634.019.38)1(6202ηπηi L F Y 0.116㎏f 2㎝=0.011 N 2m M t =
=?????=5
8.014.323
4.019.3820i L F Y πη 1.824㎏f 2㎝=0.182 N 2m 所以，快速空载启动时所需转矩：
M=M amax ＋M f ＋M 0
=2.23＋0.287＋0.116=2.633㎏f 2㎝=26.33N 2㎝ 切削时所需力矩：
M=M at ＋M f ＋M 0＋M t
=0.1774＋0.287＋0.116＋1.824 =2.404㎏f 2㎝=24.04 N 2㎝ 快速进给时所需力矩：
M= M f ＋M 0=0.287＋0.116 =0.403㎏f 2㎝=4.03 N 2㎝
从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，M max =2.633㎏f 2㎝=26.33 N 2㎝。
4 步进电机的选择
4.1 步进电机的选择的基本原则
合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：步距角α 步距角应满足：
α≤
i
min
式中 i ——传动比 α
min ——系统对步进电机所驱动部件的最小转角。
4.2精度
步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用不进电机应满足
△Q ≤i[△θs ]
式中 △Q ——步进电机的积累误差；
[△θs ]——系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。
4.3转矩
为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：
4.3.1启动力矩
一般启动力矩选取为：
M q ≥
5
.03.00
～M L
式中 M q ——电动机启动力矩； M L0——电动机静负载力矩。
根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表4.1所示。M jm 为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。
表4.1 步进电机相数、拍数、启动力矩表
4.3.2启动频率
在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。
由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：
f t ≥[f cp ]m
式中 f t ——极限启动频率；
[f cp ]m ——要求步进电机最高启动频率。
4.4步进电机的选择
4.4.1 C616纵向进给系统步进电机的确定
M q = =?=4
.010405.27400。L M 685.125 N 2㎝
为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：M q /M jm =0.866所以步进电机最大静转矩M jm 为：
M jm =
==
866
.0125
.685866
.0q M 791.14 N 2㎝
步进电机最高工作频率
f max =
3.333301
.0602000
60max =?=p v δHz 综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
4.4.2 C616横向进给系统步进电机的确定 M q =
825.654
.010
633.24.00=?=L M N 2㎝ 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： M q /M jm =0.866
所以，步进电机最大静转矩M jm 为：
M jm =
01.76866
.0825
.65866
.0==
q M N 2㎝ 步进电机最高工作频率
f max =
005
.0601000
60max ?=p v δ=3333.3 Hz 为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
5 机床导轨改造
卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就
能起到支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工承载能力和使用性能。
数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。
滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁—铸铁或铸铁—淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。
贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成本低。
目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的Twrcite—B和我国生产的TSF软带材料，次、此种软带厚度为0.8㎜、1.6㎜、3.2㎜等几种规格。考虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为1.6㎜为宜。
贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大3～4㎜，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装配要求。
6 自动转位刀架的选用
自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能袄等优点。
经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4—工型系列四工位自动刀架。
刀架技术参数：
刀位数：4
电动功率：60W
电机转速：1400r/min
夹紧力：1t
上刀体尺寸：1523152
下刀体尺寸：1613171
技术指标：重复定位精度：≤0.005㎜
工作可靠性：＞30000次
换刀时间：90°180°270°
2.9s
3.4s 3.9s
目录 第一章设计任务 (5) 1.1题目： (5) 1.2 任务 (5) 第二章总体方案的确定 (6) 第三章机械系统的改造设计方案 (7) 3.1主轴系统的改造方案 (7) 3.2安装电动卡盘 (7) 3.3换装自动回转刀架 (8) 3.4螺纹编码器的安装方案 (8) 3.5进给系统的改造与设计方案 (9) 第四章进给传动部件的计算和选型 (10) 4.1脉冲当量的确定 (10) 4.2切削力的计算 (10) 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (11) 4.4同步带减速箱的设计 (12) 4.5步进电动机的计算与选型 (13) 4.6同步带传递效率的校核 (16) 第五章绘制进给传动机构的装配图 (18) 第六章控制系统硬件电路设计 (21) 第七章步进电动机驱动电源的选用 (22) 第八章容总结 (29) 参考文献 (30) 摘要
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要容之一。
0、绪论 本设计课题为：经济型数控车床横向进给系统设计 。因为我们没有精良的 加工工具或者是自动化系数等各方面远远的不及西欧等国家。 所以我国的机械制 造业与他们的有着很大的差距的原因，。制造业是关系到国际民生的大事，是富 民强国的必要因素，我国要有更好的发展，必须形成我们自己富有特色的现代化 制造体系。 随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机 床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。 面对我国目前机床 拥有量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工 业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强 度，提高经济效益。 “横向进给系统”“主传动系统”和“纵向进给系统”被称为车床的三大核 心系统，其重要地位是不言而喻了。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工 产品的性能。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机 床，并对原有的机床进行数控改造。而这就是我们课题的目的。 前提条件：1.床身上最大回转直径?400mm 2.快移速度x轴4m/min 3.定位精度 x 轴0.035mm 4.重复定位精度x轴0.0075mm，刀架 0.010mm 设计要求： 设计课题要求： 横向进给运动设计时， 电机与丝杠采用柔性结构， 电机选用伺服电机，对电机的大小选择进行验证，及对滚珠丝杠直径和支承形式 选择进行强度较核，设计精度达原始数据。 本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的， 该系统设计成功一 旦应用到生产实践中， 将使工厂的生产的数字化水平加强，生产力水平显著提 高 ，劳动强度减轻，经济效益得到提高。 根据自己三个多月来的设计过程，编写了这本《设计说明书》， 其中，书 中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评，指正。
车床数控化机械部分的改造设计 发表时间：2018-12-26T12:35:56.377Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：王德顺 [导读] 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展。 济宁市技师学院山东省济宁市 272000 摘要：近几年，我国生产制造行业得到了迅速的发展。在生产制造业发展过程中数控机床的市场需求也不断增加，对于普通机床的改造成为时代发展的主要趋势。在实际普通车床数控化改造过程中，电极参数选择不精确、数控系统功能不合理等问题频繁发生，影响了普通车床数控化改造的精确度。因此为了保证改造后数控机床的应用效率，对具体改造过程进行进一步分析非常必要。 关键词：普通车床；机械结构；数控化改造 车床是机械加工业中必不可少的加工工具。随着我国经济的迅速发展，机械加工业也在快速发展，数控车床逐渐取代了原本的普通车床，但是，普通车床仍然在使用。因为数控车床的价格比较高，很多企业无法负担，所以，需要对普通车床的机械结构进行数控化改造，以增强普通车床的自动加工能力，提高加工精度。通过对某型号普通车床机械结构进行数控化改造，提高普通车床的加工精度。 一、车床数控化改造的必要性 相比较于传统机床，通过数控机床，能够对繁琐复杂的零件开展加工工作；能够显著提高机床工作效率，确保机床加工自动化月柔性自动化的实现；数控机床所加工的零件具有非常高的精准度，尺寸计算能力更强，有利于安装与配置工作的开展，不需要开展有关修配工作；能够集中起多个工序，降低零件的搬运频率；能够自主开展有关报警监控与补偿等工作等等；使工人劳动强度得到显著降低，有效缩减新产品试制与生产周期。与此同时，在企业信息化改造过程中，机床数控化发挥着重要的基础作用，数控技术既是制造业自动化的核心技术，更是其重要的基础技术。 二、车床数控化改造的特点 1、车床改造方案的制定，是通过车床中存在的问题来进行的。在改造车床的过程中，具有较强的针对性，确保符合有关生产的要求与规定。在改造旧车床数控化过程中，大多数基础件与很多传动部分无需进行更换，应当将这些零部件予以高效利用，在减少原材料与资金费用开支的同时，能够有效缩短改造时间，确保生产工作的迅速开展。 2、通常情况下，车床大型构件的制造运用的是铸铁，相比较于新铸件其稳定性更加突出，只需对中小型部件开展修复或更换工作即可。应当满足多品种、小批量零件生产的需要，扩大车床应用范围。通过车床数控化改造，能够实现生产设备自动化水平与能力的提升，强化设备质量。此过程中，更加需要注入科学技术的力量，让科学技术的应用促进车床数控化的改造，以促进改造目的的实现。 三、机床精度、质量检测与调试 1、精度调试。普通车床机械部分数控化改造后，必须进行精度调试。数控车床精度主要体现在：主轴跳动、刀塔精度、丝杠精度三方面可以用主轴千分表测量主轴精度、刀塔两项精度；跳动、圆度精度不合格的通过主轴卡头重新装配或车卡头来实现精度调整； X、Z 轴丝杠精度可通过调节伺服电机的齿轮比及精修丝杠和调节反向间隙及刀塔装配位置调整，反向间隙调试时要选用千百分表；进行几何精度调试时，可选择用角尺，平尺，千分表；当进行定位误差调试时，必须用激光干涉仪对定位精度进行测量，然后，根据情况进行适当的补偿，可以大大提高机床的定位精度和加工精度。重复定位精度不合格，要通过调整丝杠和丝杠母间隙或更换丝杠和轴承。精度调试是一个比较复杂的过程，一般是机械和电气部分都改造好后再调试。不同的机型调试也有差异，要根据机型特点进行调试，一般都要反复调几次，直到调好为止。 2、质量检测与调试 （1）质量检测。质量检验指机床性能和功能的检验，普通车床数控化改造后，机床性能检验项目主要有主轴性能、进给性能、机床噪声、润滑等。主轴性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）；进给性能有手动操作、手动数据输入方式（MDA）、软硬限位、回原点；数控功能检验项目有准备功能、辅助功能、操作功能、显示功能等方面。 （2）检测与调试。质量检测与调试包括空运转检测调试、动作检测调试、功能检测调试及试切削检测调试等。空运转检测调试：让机床主运动由低、中、高运转，观察主轴轴承温度是否稳定，再输入程序做连续运动，如果正常可连续运转不少于48h。动作检测调试：按数控系统安装手册进行主轴变挡指令调试，检测各轴正负两个方向的超程。功能检测调试：用指令对机床的功能进行调试，检查动作的灵活性和功能的可靠性。然后做进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、程序暂停、程序删除、回基准点，程序序号显示和检索、直线插补、直线切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等调试。试切削检测调试：把事先准备好的零件程序输入系统，进行试切削加工，检测机床数控化改造后的加工性能和精度的稳定性。 四、车床数控化改造 1、普通车床床身导轨的改造。我国大部分普通车床的床身材料为铸铁，在进行数控化改造时，为了提高床身导轨的精度，可以在铸铁导轨上粘贴塑料软带。塑料软带能够提高车床导轨的润滑性，使导轨上的主刀行进得更加流畅，从而保证车床的加工精度。在改造过程中，也可以将传统的铸铁导轨改造为滚动导轨，滚动导轨的摩擦系数比较小，不会影响机械加工的几何精度。 2、滚珠丝杠的改造。滚珠丝杠主要是由滚珠、丝杠、回珠管等构成的，它可以将车床机械部件的回转运动转化为直线运动。普通车床中的滚珠丝杠可以提高车床的传动效率，使车床刀轴的行进过程更加平稳。因为滚珠丝杠在运行过程中不会产生较大的振动，所以，不会产生过大的摩擦阻力。对滚珠丝杠进行数控化改造时，需要测量滚珠丝杠的齿差缝隙、丝杠转速和滚珠直径等，以保证改造完成后车床不会出现直线行进失稳的情况。 3、主轴传动系统的数控化改造。普通车床的主轴是由电动机带动皮带使主轴旋转。在数控化改造时，尽量不要破坏原本的主轴箱，主要改造电机的变速系统。因此，可以用双速或者四速电动机代替原本的电动机，以增强主轴传动系统的传动能力。在改造过程中，可以在主轴传动系统中增加脉冲编码器，标记主轴运行的初始位置，为主轴传动编码，让主轴每转动一圈编码器自动调整一次主轴刀具的位置。一般情况下，脉冲编码器安装在主轴箱中，并与电动机的传动齿轮1∶1 连接，从而实现主轴与编码器的同步运行。 4、车床进给系统的数控化改造。在改造进给系统时，需要加装步进电机，并在进给系统的步进电机上安装减速器。减速器通过连接装
普通车床与数控车床 普通车床是能对轴、盘、环等多种类型工件进行多种工序加工的卧式车床，常用于加工工件的内外回转表面、端面和各种内外螺纹，采用相应的刀具和附件，还可进行钻孔、扩孔、攻丝和滚花等。普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。 数控车床 数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，中国机床产业网认为它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。两者区别在普通车床用齿轮变速，需要扳动变速手柄来变速，数控车床一般都是用数控程序变速。 普通车床用梯形螺纹的丝杆加工螺纹，用光杆进行切削加工，数控车床都是用滚珠丝杠。普通车床的刀架一般在操作者这边，数控车床的刀架大部分在操作者的对面，经济型数控车床的刀架在操作者这边。 普通车床的导轨都是硬轨，数控车床的导轨有硬轨和线轨。 普通车床有大拖板手柄、中拖板手柄、小拖板手柄，数控车床没有这些手柄，而且没有小拖板。 普通车床主轴电机一般是普通电机，数控车床的主轴电机往往是用变频电机或者伺服电机。普通车床的主轴、进给、冷却泵都是人工控制的，数控车床是用数控程序控制。（也可以手动） 普通车床没有数控装置，数控车床有数控装置等等！
摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。具有极大的经济潜力。 对于职业院校的数控实训教学而言，通过闲置的普通车床进行数控化改造，可盘活资产，实现资产优化配置，同时对教师和学生而言也是一次很好的学习、锻炼和提高的机会。对推动教学改革、专业转型和课程开发都有积极的意义。 我院现有闲置的普通车床为云南机床厂生产的CAY6140-1000，通过对该机床的结构特点进行分析，对机械和电气进行数控化改造，改造后的数控车床主要用于中小型轴类零件、盘类零件及螺纹的加工。
第一章数控机床的结构和工作原理 1.1数控车床工作原理及加工特点 以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称为数控机床。 数字控制系统是相对于模拟系统而言：数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。 图1-1 数控车床 1．数控车床的工作原理 数控车床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如择刀、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 2．数控车床的加工特点 （1）高难度零件加工：“口小肚大”的内成型面零件，有仅在普通车床上难以加工，还难以测量。 （2）高精度零件加工：高精度零件均可在高精度的特种数控车床上加工完成。 （3）高效率完成加工：为了提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。 1.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图3-1是数控车床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统
摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架
一绪论 我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。 机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，
摘要 此设计是经济型中档精度数控车床横向进给系统。面对我国目前机床数量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的面貌。而数控车床（及其系统）已经成为现代机器制造业中不可缺少的组成部分。所以，实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床。 进给系统是由伺服电机经滚珠丝杠拖动工作台来完成的所以设计涉及伺服电机的选择，滚珠丝杠设计等。目前绝大部分的机床的横向进给均是采用滚珠丝杠来传递运动的，传动的精确性主要取决于丝杠支承形式，丝杠与伺服电机的联接方式。在设计中充分考虑到这两个问题，并且，设计精度须达原始数据。 关键词：滚珠丝杠伺服电机横向进给
Abstract This design is the feeding operation of numerical control lathe with economic type of intermediate precision In view to the quantity of machine tools in our country is not enough and the scale of industrial production is little at present, the outstanding task is to change our mechanical industrial appearance with less fund in short order. And the numerical control lathe and its system have become an important part in modern manufacturing industry. So, to realize this task, the effective and the basic channel is to use this economic type of numerical control lathe widely. Feeding system goes normally with the ball screw which is droved by servo-motor dragging the workbench up and down. So, this design includes the option of servo motor, the design of ball screw and so on.Now, the landscape orientation feeding of most machine tools is offered by ball screw. The accuracy of the transmission depends on mainly the form of the screw supports and the way of how screw and servo-motor to be joined.Besides the precision of the design needs Bases the primal data. Consider these two questions in the design sufficient. Keyword:holler-type thread Servo motor landscape orientation
数控车床和普通车床的全面对比 (share) 制造业企业之间的竞争如果抛开技术环节外，拼的是产品质量和生产效率。数控车床相对于普通车床来讲，可以大幅提升产品品质和生产效率。但是为什么很多企业还不愿意使用数控车床呢？/yagu 数控车床相对于普通车床，在精度、效率、合格率等方面占绝对优势。/yagu 精度优势 普通车床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。普通车床测量时需停车后手工测量，测量误差较大。/yagu 数控车床靠驱动电机带动滚珠丝杠传动。滚珠丝杠经过预拉伸安装后有过盈量，传动无间隙，精度主要靠机床本身和程序保证。在加工过程中可以通过编码器进行位置测量，可以补偿刀具磨损及其他原因产生的误差。所以加工质量好，精度稳定。/yagu 批量生产效率优势 一台普通车床需要一个熟练的操作工人。由于使用手动三爪卡盘，并且测量时必须停车后手工测量，加工效率低下。/yagu 在批量生产、使用液压卡盘或弹簧夹头夹紧工件的前提下，一个不懂任何技术的工人可以至少同时操作两台数控车床。生产效率是使用普通车床的4倍以上。/yagu 合格率优势 普通车床由于是手工操作，人为影响非常大，一旦操作工的身体情况不佳或者思想不集中，产品废品率会急剧上升。/yagu 数控车床基本靠设备来保证加工精度，操作工基本只起到装卸工件和开关的作用，人为影响很少，所以产品合格率比较高。/yagu 劳动力资源优势 普通车床需要熟练操作工人，目前月工资水平是3000元。/yagu 数控车床任何成年人都可以操作，目前月工资水平是2000元。/yagu 目前，数控车床在采购成本和单件生产成本方面有一定的劣势。/yagu 采购成本较高 同样规格的数控车床的价格是普通车床的1.5倍以上。但老金人为随着数控系统价格的下降，数控车床成本上的劣势会越来越小。/yagu 单件加工成本目前较高 目前的数控车床比普通车床单件加工的生产成本要高时不争的事实。但如果经过改进，数控车床在单件生产的成本和效率上也将优于普通车床。/yagu
C6132普通车床数控化改造设计 摘要 机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51
C6132 NC lathe design of ordinary ABSTRACT S tudy on machine tool numerical control transformation of important project is to improve the level of technical equipment in China, with large extended serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, because the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way. C6132 lathe NC system to rebuild this article to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine too l structure rebuilding scheme optimal selection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and accuracy of machine tool, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, automatic control at the end, improve the efficiency of the original production of machine tools, lower labor intensity KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51
数控机床与普通机床相比较具有的优越性 普通机床加工时，其加工成本相对较低，工序较长，且工步中很多具体细节由技术工人来完成，对技术工人的水平要求相对较高。数控机床加工工艺相比较普通机床加工工艺的优越性有以下几点： 1.1.1数控加工工艺的“内容十分具体、工艺设计工作相当严密”，数控机床加工工艺与普通机床加工工艺相比较，由于采用数控机床加工具有加工工序少，所需专用工装数量少等特点，克服了普通传动工艺方法的弱点，一般来说，数控加工的工序内容要比普通机床加工的工序内容复杂。从编程来看，加工程序的编制要比普通机床编制工艺规程复杂。 1.1.2数控加工的工艺“复合性”。采用数控加工后，工件在一次装夹下能完成镗、铣、铰、攻丝等多种加工，因此，数控加工工艺具有复合性特点，也可以说数控加工工艺的工序把传统工艺中的工序“集成”了，这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减少，零件装夹次数及周转时间也大大减少，从而使零件的加工精度和生产效率有了较大的提高。数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期准备工作，无论是手工编程还是自动编程，这项工作必须在程序编制工作以前完成。为了优化数控程序设计、提高编程效率、合理使用数控机床，我们必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分析、研究，以做好数控加工前的技术准备工作。 数控加工取代传统加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势，但由于历史的原因，传统的加工设备与先进的数控机床并存，是目前乃至今后很长一段时间内大多数制造企业的设备现状。如何从工艺的角度根据各企业的设备现状、产品生产规模、零件结构形成与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计，充分发挥企业现有数控设备与传统设备的加工效率，使企业设备资源与人力资源得到充分利用，需要从多个方面来探讨。数控工艺与普通工艺结合的好环境直接影响到数控机床与普通机床加工效率的发挥，进而影响到生产计划的高精度、高效率、高质量加工必须解决的问题之一。因此，寻求传统加工工艺与数控加工工艺的合理衔接途径与措施，对于提高企业的经济效益是非常有意义的。 数控加工工艺与普通工艺结合的途径和措施，具体可以从以下几个方面来实施：
目录 1设计任务 (2) 2设计要求 (3) 2.1总体方案设计要求 (3) 2.2设计参数 (3) 2.3.其它要求 (5) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (5) 3.1进给系统机械结构改造设计 (5) 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (6) 3.2.1确定系统的脉冲当量 (6) 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (6) 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (10) 4步进电动机的计算与选型 (13) 4.1步进电动机选用的基本原则 (13) 4.1.1步距角α (13) 4.1.2精度 (14) 4.1.3转矩 (14) 4.1.4启动频率 (14) 4.2步进电动机的选择 (14) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (14) 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 (14) 5电动刀架的选择 (15) 6控制系统硬件电路设计 (15) 6.1控制系统的功能要求 (16) 6.2硬件电路的组成： (16) 6.3电路原理图 (16) 6.4主轴正反转与冷却泵启动梯形图.......................................... 错误！未定义书签。7总结 (18) 8参考文献 (18)
1设计任务 设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。 主要技术指标如下： 1) 床身最大加工直径460mm 2) 最大加工长度1150mm 3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲 当量 mm/脉冲 4) X 方向最快移动速度v xmax =3100mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =370mm/min ，Z 方向为v zmaxf =730mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±0.02mm 7) 可以车削柱面、平面、锥面与球面等 8) 安装螺纹编码器，最大导程为25mm 9) 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变 速信号 10) 自动控制冷却泵的起/停 11) 纵、横向安装限位开关 12) 数控系统可与PC 机串行通讯 13) 显示界面采用LED 数码管，编程采用相应数控代码 01.0=x δ02.0=z δ
摘要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1．对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2．对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究； 3．对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4．根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图； 5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 7.绘出相应的零件图和装备图； 8．给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、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 can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s 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 complex 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 counteracted severly. So General lathe's 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 economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems 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 CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s 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 the 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 lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
一、设计任务 设计题目 C616型普通车床改造为经济型数控车床。 1.1 设计要求 由于是对原有机床进行经济型数控机床改造，因而在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，降低成本。根据C616车床有关资料，确定总体方案。 采用控制器进行控制，控制选择电机的输出经齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。 图1 C616车床 1.2 主要设计参数及技术指标 主要设计参数及技术指标如下。 机械部分： 工作台重量：W=960N 时间常数：T=30ms =9mm 滚珠丝杆基本导程：L 行程：X=660mm Y=320mm =5μm/step 脉冲当量：δ p
步进角：a=0.850/step 步进电机通电方式：四相八拍 快速进给速度：Vmax=2m/min 控制部分： 采用单片机 轨迹控制采用数字积分法（DDA） 步进电机的控制 二、总体方案设计 2.1 数控系统运动控制方式的确定 按照完成的加工制造任务，数控系统可分为点控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。于由要求C616车床能加工复杂轮廓零件，所以数控系统应该设计成连续路径控制型。 2.2 伺服进给系统的选择 数控机床的伺服进给系统有开环、闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 图2 开环控制系统 2.3 控制器的选择 由于C616普通数控机床经数控化改造后，实现控制性能的要求的控制算法不是很复杂。所以以MCS-51系列的8位单片机作为控制器，外扩存储器、D/A转换器、I/O接口电路、键盘、显示器等组成改造后机床的控制系统。 2.4 进给传动机构 纵向进给机构的改造:拆去原有机床的溜板箱、光杠、丝杠以及安装机座，选用摩擦力小、传动效率和传动精度高的滚珠丝杠副，且由步进电机驱动。横向进给也是换以步进电机驱动的滚珠丝杠副。 2.5 主传动系统 保留主传动系统，即保留原有的主传动机构和变速操纵机构。但是主轴的正
C6140普通车床数控化改造设计方 案 有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术