普通钻床的数控化改造(机械部分)

摘要目前中国企业中机床设备老化，不能满足新技术、新工艺的生产要求。

本文重点介绍Z5140A型台式钻床的数控改装方案和单片机系统设计，将传统的机械与现有的数控技术相结合，使其具有自动进给功能，为企业进行设备的数控化改造提供了一种有效可行的途径。

现有的Z5140A型台式钻床经改造后提高了加工精度，扩大了机床的使用范围，并提高了生产率。

本论文说明了普通钻床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了Z5140A机械传动部分的设计及数控系统部分的设计。

通过该改造计划,改造后的Z5140A型钻床具备数控机床的精度要求，自动化柔性生产的能力。

机床整体能力达到预期的要求。

Z5140A数控钻床主要用于加工各种孔及平面和曲面的铣削。

它集中了立式钻床和铣床的功能。

数控钻床需要很少人工操作，也没有机械操作元件如手柄、摇把等。

该钻床如同其他CNC钻床，全部工作循环是在微机数控系统控制下实现的。

车削对象改变后，只需改变相应的软件就可适应新的需要。

由于利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。

但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

关键词：数控机床；滚珠丝杠；数控系统Numerical Control Innovation Of Z5140A Drilling MachineAbstractAt present,Machine tools made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press conversion programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipment's transformation with NC.Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and increases the productivity after transformation. This paper describes the design process of the transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical control system part in detail.After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar and surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of machinery components such as handles, crank and so on. As with other CNC drilling of the drilling machine, all of the cyclic work is completed under the control of the computer numerical control system. As turning object changes, just change the corresponding software to adapt to new needs. Because lathebed, column and other basic items are heavy and castingequipments but not the welded components, machine tools transformed has higher performance and better quality, which can be used as a new equipment for years. However, limited by the mechanical structure of the original, it can not be transformed revolutionarily.Key Word：Numerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System目录摘要 (I)Abstract .......................................... I I 一、绪论. (1)（一）数控机床的概念 (1)（二）数控系统发展简史及趋势 (1)1.数控（NC）阶段 (1)2.计算机数控（CNC）阶段 (1)3.国内数控机床的发展状况 (2)4.国外数控机床的发展状况 (2)（二）机床数控化改造的必要性和迫切性 (3)1.宏观看改造的必要性 (3)2.微观看改造的必要性 (4)（三）Z5140立式钻床数控化改造的市场 (5)1.机床数控化改造的市场 (5)2. Z5140立式钻床简介 (5)（四）Z5140立式钻床数控化改造的内容及优缺点 (5)1.数控化改造的内容 (5)2. Z5140立式钻床数控化改造的优缺点 (6)二、Z5140A钻床总体方案的确定 (7)（一）Z5140A钻床数控化改造设计任务 (7)（二）总体方案的确定 (8)1.Z5140A钻床的总体结构布置 (8)2.Z5140A钻床机械传动方式选择 (8)3.Z5140A钻床传动系统方案 (9)5.Z5140A钻床数控系统各部件的结构及其工作原理 (10)6.Z5140A钻床数控系统芯片的选择 (12)7.地址分配器及译码 (12)8.Z5140A钻床电器原理介绍 (13)9.Z5140A钻床接口电路设计 (14)三、Z5140A钻床进给系统设计 (15)（一）Z5140A钻床纵向传动系统设计 (15)1.确定系统的脉冲当量 (15)2.切削力的计算 (15)3.Z5140A钻床纵向进给传动系统滚珠丝杠的计算 (16)4.Z5140A钻床纵向伺服电机的选择及计算 (17)（二）Z5140A钻床横向进给系统的确定 (20)1.Z5140A钻床横向进给丝杠的选择 (20)2.Z5140A钻床横向进给系统最大负载C的计算 (20)3.Z5140A钻床横向伺服电机的选择及计算 (21)4.空载加速转矩计算 (23)（三）Z5140A钻床垂直方向进给系统的确定 (23)1.Z5140A钻床垂直方向丝杠的选择 (23)2.Z5140A钻床垂直方向进给传动系统滚珠丝杠的计算 . 243.Z5140A钻床垂直方向伺服电机的选择及计算 (25)4.空载加速转矩计算 (26)四、Z5140A钻床数控插补程序控制 (27)（一）Z5140A钻床数控插补程序控制概述 (27)（二）Z5140A钻床直线、圆弧插补程序 (28)1.Z5140A钻床直线及圆弧插补程序结构 (28)2.Z5140A钻床直线插补程序 (28)3.Z5140A钻床圆弧插补程序 (30)五、Z5140A钻床进给机构部分零件的设计和机构仿真 (34)（一）主轴的设计 (34)（二）Z5140A钻床导轨的设计 (34)（三）Z5140A钻床立柱的设计 (35)（四）Z5140A钻床进给机构的仿真模拟 (36)（五）Z5140A钻床进给机构设计总成 (36)结论 (37)参考文献 (39)致谢 (40)一、绪论（一）数控机床的概念数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床，其工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停和进给运动的方向、速度及位移大小，也可完成刀具的选择、变换、工件夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。

普通机床数控化改造【摘要】本文介绍普通机床数控化改造的总体方案设计，以CA6140型车床为例阐述数控改造的总体方案，包括数控改造中对主要机械部件改装探讨、机床数控改造主要步骤和联机调试工作。

【关键词】普通机床；数控化改造；CA6410；设计引言机械制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，具有举足轻重的作用，机床是发展机械制造业必不可少的生产工具。

我国机械制造业与发达国家相比，总体水平较低，通过提升制造业的装备水平，特别是机床数控化率，能够有效的提高产品质量、降低产品成本，增强市场竞争力。

以机电一体化技术为核心的数控机床集计算机技术、信息技术、自动化技术于一体，在零件加工精度、加工效率、加工表面的复杂性以及加工柔性的适应性等方面比传统的普通机床具有明显的优越性。

1 机床数控化改造的分类机床的数控化改造可以分为以下几种：1.1 其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；1.2 其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC 机床、CNC机床；1.3 其三是翻新，为进步精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；1.4 其四是技术更新或技术创新，为进步性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地进步水平和档次的更新改造。

2 普通机床数控化改造前提普通机床的数控化改造是建立在充分利用原有机床部件的基础上，对基础部件作一定的改装，并配上经济型数控装置或标准型数控系统，使原机床具有数控加工功能。

改造中主要应注意的是：一是增加相应的数控系统，二是对原机床部件的翻新。

对普通机床进行数控化改造在技术上是成熟可行的，但并不是所有的机床都适合改装成数控机床，是否适宜改装应进行技术经济分析和论证，视其是否满足结构的刚度要求和技术经济性要求而定。

2.1 机床基础零部件要有足够的刚度。

普通机床的数控改造普通机床是一种非常重要的机械设备，在各种生产制造过程中都扮演着重要的角色。

虽然它能够满足大部分的加工需求，但是在某些特定的场景中，传统机床也存在一些弊端，这时候普通机床的数控改造就十分必要。

普通机床数控改造是指将传统的非数控机床进行改装，使其具备数控加工的能力，从而提高其加工精度和生产效率。

数控改造可以应用于多种类型的机床，例如铣床、车床和钻床等。

这种技术在实践中已经得到了广泛的应用，其优点在于改造后的数控机床能够实现高精度、高效率、高自动化程度的加工，并且在生产过程中能够减少人工干预，避免人为错误的发生。

为什么要进行数控改造呢？其主要原因在于普通机床不能完全满足现代生产的需要。

在传统机床加工过程中，往往需要通过人工来控制机械的加工过程，这样不仅提高了出错率，同时也极大地影响了加工效率。

而通过进行数控改造，可以通过计算机控制机床加工过程，实现高精度、高效、高稳定性、高自动化程度的加工效果。

数控改造的最大好处就是提高了加工的准确性和生产效率。

因为数控加工过程中所有的加工参数都可以在程序中进行预先设置，这样就可以大大降低加工误差和减少加工重复次数，从而提高了生产效率。

同时，数控加工具有高度的重复性，可以确保生产的每个产品都拥有相同的大小、形状和质量标准，提高了产品质量。

除此之外，数控改造还能够提高机床的使用寿命。

因为数控精度高，能够保证机床的使用寿命长。

同时，数控机床还能够实现多种加工模式的切换，适应不同的加工要求。

这种灵活性与多功能性，使得数控机床在很多领域都能够发挥出更好的性能。

当然，数控改造并不意味着完全抛弃传统机床。

纯数控加工设备通常价格昂贵，而数控改造可以在不大幅度增加成本的情况下，将现有的机床进行升级，使其具备较好的数控加工能力。

总之，普通机床数控改造是一个非常有实际意义的技术，它可以提高生产效率、产品的质量和机床的使用寿命，具有广泛的应用前景。

虽然改造的难度较大，但是在技术不断进步的背景下，这种技术越来越成熟，实现的难度也越来越低，预计会在未来得到更广泛的运用。

普通车床数控化机械部分的改造设计作者：张金龙周楷京来源：《环球市场》2017年第18期摘要：普通车床进行数控化改造后，大大提高了原有机床的自动化程度和生产率，其改造成本仅为同功能数控机床的30%左右。

为了能够大幅度地提高数控机床改造后的性能，在改造过程中，首先要对各种机械结构进行改造，然后要对数控系统进行设计，确保数控车床工作的稳定性与连续性。

基于此本文分析了普通车床数控化机械部分的改造设计。

关键词：普通车床；数控化；机械部分；改造设计1、普通车床机械结构数控化改造的优势对普通车床机械结构进行数控化改造，可以全面提升车床的工作效率。

具体表现有几个方面：第一，提高生产精度，经过数控化改造之后可以提高车床的加工精度，使得各种工件更加精细化。

第二，可以提高生产效率，通过对普通车床进行数控化改造之后，对车床进行控制的电机是相对独立的，则可以通过不同的电机对车床的控制来实现对车床的联动控制，可以生产出一些造型比较复杂的零件，扩大了车床的生产范围。

第三，提高加工速度。

普通车床机械结构经过数控化改造之后，增加了自动换刀的功能，在加工工件的过程中缩短了换刀时间，因此提高了工件生产的速度。

第四，减轻工人强度。

经过数控化改造之后，车床的操作变得更加智能化，一般由系统自动完成，使得操作人员的工作强度得以减轻，一个操作人员可以对多个数控车床进行控制，从而提高了生产效率。

2、总体设计方案的论证2.1机床本身条件机床能否进行数控化改造主要取决于本身的条件，如机床的磨损程度、刚度等以及机床的技术寿命。

普通机床结构上的不足之处有刚度低、抗振性能差、滑动摩擦阻力较大以及传动元件之间存在较大间隙等。

应有针对性地对其中部分结构进行改造，以满足数控机床最基本的要求。

数控机床的数控装置（CNC）技术寿命一般为3～4年。

对原机床进行数控化改造也能延长其技术寿命。

2.2加工对象零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。

普通钻床的数控化改造（机械传动部分）
钻床的数控化改造分为机械传动部分和数控系统部分两部分，
本文将介绍普通钻床的机械传动部分数控化改造方案。

一、改造原则：
1、原则上不改变机床主体结构和机械传动部分外形尺寸，保证
改装前后钻床的刚性、精度和稳定性；
2、改造前应充分了解机床原理，详细了解其机械结构和传动原理；
3、改造前应根据加工需求和实际应用环境进行改造方案的选择
和设计。

二、改造内容：
1、主轴传动部分：主轴采用变频调速电机驱动，实现主轴转速、前进和后退、主轴停止等操作的自动化；
2、进给部分：进给系统采用伺服电机控制，实现自动进给、进
给速度、进给量的调整；
3、夹紧装置：改用气动、液压等不同夹紧方式，实现夹紧力大
小的自动调整和保证工件在加工过程中的稳定性；
4、传感器：加装光电或机械式传感器，实现位移、速度、压力
等参数的监测和反馈；
5、自动换刀：加装自动换刀机构，实现自动换刀、刀具检测和
自动调整等功能；
6、加装零点回归装置，实现加工的准确定位和定位精度。

三、改造后的数控钻床的优势：
1、提高加工效率和产品质量，缩短加工周期，降低人工成本；
2、实现自动化生产，提高生产流程控制的精度和可靠性；
3、操作简单方便，可以编辑工艺参数，实现加工流程的自动控制和互连互通。

普通机床数控化改造【摘要】本文详细介绍了有关数控机床改造的过程和方法，对目前国内外有关产品进行了比较分析。

本文提出系统改造主要以机械部分和数控装置的加装为主，在车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统和计算机系统等。

改造过程中一定循序渐进，注意成本的控制，在调试中发现和解决问题。

【关键词】普通机床；数控化改造一、机床主要参数1.1机床主电机型号：YD160L-4，额定功率11KW，最高转速3500r/min，额定转速1460r/min。

1.2变速级数和公比变速级数Z=4，公比φ=2.37.1.3主传动系统总降速比i∑=0.0681.4有级变速各级传动主要参数第一级齿轮传动参数：i12=3.55，Z1=20，Z2=70。

模数m1=m2=2.25mm。

第二级齿轮传动参数：第一对：i34=2.66，Z3=23，Z4=61。

模数m3=m4=2.5mm。

第二对：i56=1.12，Z5=50，Z6=56。

模数m5=m6=2mm。

第三对：i78=0.47，Z7=65，Z8=31。

模数m7=m8=2.25mm。

二、数控机床的改造方案一般情况下对数控机床的改造主要为两部分。

一部分是机械部分改造，第二部分是数控系统改造。

2.1机械部分改造1）导轨改造。

大多数普通机床均采用普通铸铁。

数控机床要求采用淬硬的合金钢材料，例如用GCR15轴承钢淬硬到65～62HRC，可以提高硬度5倍～10倍。

另外，普通机床的滑动导轨需要换成滚动导轨和静压导轨，但是改造难度较大，主要是在导轨表面加装辅助软带；2）刀架改造。

数控机床安装的刀架为自动刀架，以便数控机床根据程序更换刀具。

因此，必须将普通机床的刀架进行改造或更换；3）进给机械改造。

一般进给系统可以保持原来的支架系统，但是要调整弹簧，加装减速齿轮系统。

2.2数控系统的确定1）常规机床数控系统。

由于该类数控系统功能齐全、种类繁多、适用性较强以及信价比高，因而很多机床改造时首选这类控制装置，我国就有很多这类产品的用户。

普通车床数控化改造总体方案设计1.机械部分的改造设计ca6140车床的主轴以及进给系统都是由法兰式电动机拖动。

普通车床主轴传动系统部分改造难度大、成本高，且精度提高有限，所以在改造此类机床时，摇臂钻床要选那些主轴各方面性能能满足使用要求的。

改造时，保留原主轴系统，对进给传动系统及电气控制系统进行改造。

进给传动系统的传动精度及效率也是数控机床性能的重要组成部分。

原机床进给箱为交换齿轮箱，结构复杂、反向间隙大、传动精度差。

在改造过程中，采用步进电动机与滚珠丝杠，并装有减速机构的传动方式，通过减速机构可得到所需的减速比并增大驱动力矩。

普通车床原机床是用滑动丝杠，传动误差大，因此在数控化改造中将其更换为滚珠丝杠。

滚珠丝杠的传动效率高、无爬行、预紧后可消除反向间隙、精度高。

改造后ca6140车床的横向、纵向传动方式为：步进电动机一消隙齿轮一滚珠丝杠螺母副一工作台的传动方式。

ca6140车床垂直方向的传动方式为：步进电动机一圆锥齿轮一滚珠丝杠螺母副一工作台。

同时，垂直方向还应考虑滚珠丝杠的自锁，采用超越离合器的自动平衡装置实现自锁。

ca6140车床的导轨是采用铸铁-铸铁或铸铁—淬火钢滑动导轨，其静摩擦因数大，摇臂钻床动、静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，力矩损失大，影响运动的平稳性和定位精度。

若是将导轨改造成滚动导轨或静压导轨，工艺复杂、费用大、周期长；所以在对ca 6140车床改造时采用在普通车床原导轨上粘接聚四氟乙烯软带的方法。

聚四氟乙烯软带是以聚四氟乙烯树脂为基材与耐磨填充料复合后，在常温下用模压法成型烧结、车削和活化处理制得。

其特点是摩擦因数低，抗磨损，静、动摩擦因数差值小，定位准确，防振消声运行平稳，低能耗，具有耐老化和足够的力学性能，对提高机械加工精度、延长导轨副使用寿命也有一定的作用。

这种方法比较方便，费用低，动、静摩擦因数相差小，耐磨性和抗咬伤力强，具有良好的自润滑和抗振性，进给运动无爬行，运动平稳。

1机械部分的改造为了更好地表现数控系统的性能有优势，确保更改后的机床在数控系统操作环境中无爬行的微机进给，定位精度的精确，长寿命的使用以及机械部都作了如下改动。

普通车床上使用的是手动卡盘。

现进行改造，为了达到方便和自动化目的，把卡盘改造成气动卡盘（如图1）。

利用气阀控制卡盘的松紧，气动回路有单向阀，达到卡盘能自锁。

图1气动卡盘图三爪中空气动卡盘传统机床和数控机床的主运动方式都要求有相对宽阔的变速范围（1~16）来确保加工过程中切速的合理选择，进而使表面质量和生产效率得到提升，因此，对主轴变速箱进行改造。

无论是连续控制还是点位控制，拖板运动的灵敏度、精度以及稳定性都将直接影响到被加工零部件的最终坐标精度。

所以，要求拖板和配件的精度要高之外，还要满足灵敏度及传动精度的要求。

采取减速齿轮箱来提升传动精度和传动扭矩（分辨率0.01mm ）。

传动比计算公式为：（1）式1中：α为伺服电机步距角（度）；p 为丝杠螺距，mm ；δ为脉冲当量。

选取滚珠丝杠替代原滑动丝杠，减少功率输出，提升传动的灵敏性以及减少步进电机力矩损失。

自动刀架不仅可以用于数控机床微机控制元件，还可以替代普通车床手动刀架，选用自动刀架来完成一台机床一次装夹的多工序加工，由于其具有较高的重复定位精度，加上刀架体积小，所以适合用于强力车削且安全性高。

将原有拖板箱的位置拆除来安装新拖板箱，并将新的拖板箱固定于滚珠丝杠螺母上。

同时将走刀箱和挂轮箱的位置拆除，用于安装拖板轴向伺服元件功率步进电机、减速箱以及控制螺纹加工的主轴脉冲编码器。

将机床原有的变向杠、操纵杆和立轴等杠杆零件拆除，使得数控系统能够控制机床的启动和停机，保持机床外型美观、合理。

2电动机的选择2.1主轴交流伺服电机由于n max =1800n min =14n j =n min （2）则n j ==113r/min n j 为电动机的额定转速主轴要求的恒功率调速范围R n 为：R n ==1800/113=15.9（3）主轴电机的功率是：7.5kW选取型号为1HP6167-4CB4的SIMODRIVE 系列交流主轴电机，连续负载PH/kW=14.5，间歇负载（60%）/kW=17.5kW ，短时负载（20min ）/kW=19.25kW ，额定负载n=5000r ·min -1，最大转速n max =8000r ·min -1，额定转矩277N ·m ，惯性矩0.206/kg·m 2。