普通车床数控化系统改造方案

CA6140型普通车床数控化改造［摘要］以C6140型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。

改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。

［关键词］普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base I ineNumerical Control Transformation of C6140 CommonLatheAbstract ：Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail. After transforming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits.Key words： common lathe; NC transformation; SINUMERIK802S base line目录引言 (1)第一章概述 (2)第二章总体方案的设计 (4)2.1设计任务 (4)3.2总体方案的论证 (4)4.3总体方案的确定 (4)2.4数控系统的选择 (5)第三章机械部分改造 (6)5.1机械传动方式 (6)3.2数控机床进给伺服系统的设计计算 (6)3.2. 1 选择脉冲当量: (6)3. 2.2算切削力： (6)3. 3滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠： (7)3.3.1计算进给牵引力Fm (N) (7)3. 3.2计算最大动负载C： (7)3. 3.3选择滚珠丝杠螺母副： (7)3. 3.4传动效率计算： (7)3. 3. 5刚度验算 (8)3. 3. 6校核93.4齿轮传动比计算： (14)3. 5步进电机的计算和选型： (14)3. 5.1等效转动惯量计算： (14)3. 5.2电机力矩的计算机： (15)3. 5.3步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： (17)3.6纵向进给系统 (17)3. 6. 1 设计参数 (18)3. 6.2 齿轮传动比计算 (18)3. 6.3滚珠丝杠的计算及选择 (18)3. 6.4 校核 (20)3.7机械部分改造 (23)4.8主轴脉冲编码器的安装 (25)第四章数控系统选择 (26)4.1西门子数控系统的优点 (26)4.2数控连线图 (27)5.3步进电动机的控制 (27)1.1.1 (3). 1步进电动机的开环控制 (28)1.1.2步进电动机传动控制 (29)1.1.3步进电动机的PLC传动控制 (31)4.4PLC数控系统需解决的问题 (33)4.5PLC输入、输出(I/O)点数确定 (35)4.6驱动程序(梯形图)设计 (35)4.6.2手动程序梯形图设计 (36)4. 7电气部分改造 (36)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。

普通车床的数控化改造方案摘要：为了提高我国机床的国际竞争力，满足生产和教学需要，将普通车床进行数控化改造并提高其使用的多功能性、安全性是大势所趋，在对普通车床进行改造的同时，设计出便于工人使用的机床附属元件也是很有意义的，所以本次设计改造主要包括对普通车床进行数控化改造、“车、铣、钻复合”车床改造及安全扳手的设计改造。

车床;改造;数控化;多功能性;安全性1.引言我国是世界上机床产量最多的国家，目前机床总量380余万台，但其中数控机床总数只有11.34万台，数控化率不到3%，在国际市场竞争中处于较低水平。

所以，投入较少的资金，将普通车床改造升级为数控车床，可以为企业创造可观的经济效益，可以使学校适应现代化生产和教学的要求，同时也可提高我国机床的数控化率。

并且，在普通车床改造升级为数控车床的基础上，还要更大程度的提高该数控车床的多功能性、安全性、加工精度和生产效率，因此提出了以下改造方案。

2.改造方案2.1数控化改造方案对普通车床进行数控化改造，可以提高加工效率、加工精度和自动化程度，数控改造分为硬件设计和软件设计两个部分。

硬件设计主要包括液压卡盘、液压尾座的总体布局设计，及其主要零件形状、尺寸、材料的设计，在制造前还要对其进行有限元分析^p ，从而优化设计;软件设计主要包括PLC 和CNC系统的设计，包括CNC系统的选择及电气控制线的连接、PLC系统的选择及与CNC机床联接方式的确定，并设计与其配套的附属元件。

2.2“车、铣、钻复合”车床改造方案车铣复合是实现工件完整加工的有效方法，减少了零件在加工中重复拆卸、安装、找正所耗费的时间。

动力刀塔的设计是车铣复合车床的重要部分，它的性能将直接影响零件的加工精度、表面质量和机床生产率。

基于以上考虑，将动力刀塔设计如下：动力刀塔由步进电机、伺服电动机、横溜板、燕尾槽动导轨、立柱、动力头、刀具等组成，其中动力头是主要组成部分。

动力头部分可以安装十二把刀具，分别为车刀、铣刀、钻头、螺纹刀等;动力头安装在立柱上，可做旋转运动，方便了更换刀具;立柱可以沿着燕尾槽动导轨上下滑动，同时与主轴的旋转运动相配合，可以实现刀具与工件之间X向、Y向的相对运动。

毕 业 设 计 任 务 书院（系）： 专业班 级： 学生: 学号：一、毕业论文课题 CA6136普通车床数控化改造二、毕业论文工作自 2013 年 5月 21 日起至 2013 年 月 日止三、毕业论文进行地点四、毕业论文的内容要求（一）已知条件：1、横向(X 向)脉冲当量0.005mm2、纵向(Y 向)脉冲当量0.01mm3、最大进给速度：v fxmax =1m/min ，v fymax =2m/min（二）设计内容：1、分析CA6136卧式车床数控改造后的加工要求,确定改装后机床主要技术参数；2、进行改装后数控车床总体方案设计和控制系统总体方案设计；3、完成主运动和进给运动的机械结构设计；4、完成控制系统硬件和软件设计；（三）设计要求：1、查阅有关参考文献，按要求写出开题报告；2、绘制改装后的数控机床总图；3、绘制纵向进给装配图；4、绘制控制系统电气原理图；5、编写设计说明书（不少于1.5万字，有英文摘要）；6、翻译专业文献（不少于3000英文单词）。

专业负责人批准日期（四）主要参考资料1、《机床设计图册》华东纺织工学院等主编上海科学技术出版社；2、《机床设计指导》任殿阁、张佩勤主编辽宁科学技术出版社；3、《金属切削机床》下册顾熙荣、迟宝珍主编上海科学技术出版社；4、《数字控制机床》廖效果、朱启逑主编华中科技大学出版社；5、《机电综合设计指导》吴振彪主编中国人民大学出版社；《单片机微型计算机原理及应用》胡乾斌等主编华中科技大学出版社；6、7、《新编机械设计手册》蔡春源主编辽宁科学技术出版社；8、《机床主轴、变速箱设计指导》曹鑫横主编机械工业出版社；9、《计算机数控系统》彭炎行主编西北工业大学出版社。

指导教师接受论文任务开始执行日期2013年 5 月23 日学生签名。

摘要本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。

改造后的车床，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求主轴电机最大功率为18KW，X、Z坐标最大运动速度5m/min，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。

关键词：数控改造进给系统滚珠丝杠自动刀架AbstractThis introduction of the design included :The draw-up of the general outline ,the decision and verify of the total designal projection ,the reforms design to the parts of the lord spreads to move ,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically ,the constructions design of coding dish gearing part ,and so on．While the motorcycle been reformed , the lord exercises realize to change speed automatically.lengthways ,horizontal enter to proceed to system the number controls the control,To the spindle of the motor the greatest power for 18kw, x and z coordinate the movement speed 5m/ min ,knife must be the automatic control a knife which is turning automatically ,and it is able to slice the thread automatically.Key words: The number controls to reforms; the system of enters; roll the bead in silk automatic knife目录第一章引言 (4)1.1数控车床的特点和组成 (4)1.1.1 特点 (4)1.1.2数控车床的组成 (5)1.2机床改造的意义 (5)1.3数控车床的发展 (6)1.3.1 数控车床的现状 (6)1.3.2数控车床在我国的发展现状 (7)1.3.3数控机床在国外的发展现状 (8)1.4数控机床的分类 (9)1.4.1按加工工艺方法分类 (9)1.4.2按控制运动轨迹分类 (10)1.4.3按伺服系统控制方式分类 (11)1.4.4按控制系统功能水平分类 (13)1.5数控机床的发展方向 (13)第二章普通车床的数控改造和可行性论证 (17)2.1车床的数控改造 (17)2.1.1设计内容及任务 (17)2.1.2设计任务 (17)2.2机械部分改造 (18)2.2.1 Z向、X向进给机构的改造 (18)2.2.2机械部分改造设计部分的相关计算 (18)2.2.3改造后机械结构特点 (20)2.3数控系统及伺服系统的改造 (21)2.3.1数控系统简介 (21)2.3.2数控控制系统的选择 (22)2.3.3伺服系统的选择件的 (23)第三章安装调试 (26)3.1安装调整中应注意的问题 (27)3.2功能确定及分布 (28)3.3机床的调试及验收 (29)第四章改造后取得的效果 (31)第五章结束语 (32)参考文献 (33)第一章引言数控技术，简称数控（Numerical Control）。

摘要数控机床的优点：具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化。

普通机床的缺点：普通机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。

普通机床测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下。

适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。

它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工资水平高。

在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。

因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。

也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。

物竞天择，适者生存。

一些不适应社会发展在机床必将被淘汰，所以实施机床的数控化改造是机械行业在必然趋势。

通过搜集资料、实践研究等方法对机床就行改造即是用较少的成本去创造更高的价值。

而这也将极大的推动中国机械行业的发展。

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。

所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。

事实证明：机床的数控化改造可以为企业带来可观的经济效益。

目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。

用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。

本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。

关键字：机床、数控化、改造、意义目录第一章数控化改造的好处第二章数控化改造方案第三章介绍CA6140普通车床第一节简单介绍 (4)第二节加工范围及特点 (6)第三节传动系统的介绍 (7)第四章设计进给系统第一节设计纵向进给系统 (9)第二节设计横向进给系统 (18)第五章改造车床主轴及控制系统第一节改进主轴电机 (26)第二节主轴脉冲编码器的运用 (26)第三节改进刀架 (28)第四节改进机床导轨 (29)第五节坐标系的建立X、Z轴的限位和参考返回电路 (30)第六节安装用键和变频器 (31)第七节机床的安装、调试、精度检验 (31)致谢参考文献第一章数控化改造的好处一、有利于企业技术的提高，成本的节约数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。

目录一、绪论1．1 引言.............................. (1)1．2机床数控改造的目的.......................... (2)1．3数控系统的产生和发展....................... .. (2)1．3．1数控系统的出现和发展 (2)1．3．2数控系统的发展趋势 (2)1．4CA6140的数控改造............... . (4)1．4．1数控系统的选择 (4)1．4．2CPU和存储器 (5)1．4．3I/O接口线路 (6)1．4．4其他部件的选择 (6)二、数据参数的选择及其计算2．1 纵向进给系统的设计计算............. (7)2．1．1选择脉冲当量 (7)2．1．2计算切削力 (7)2．1．3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (8)2．1．4齿轮及步进电机的有关计算 (10)2．2横向进给系统的设计计算 (12)2．2．1 切削力计算 (12)2．2．2滚珠丝杠设计计算 (12)2．2．3齿轮及步进电机的有关计算 (14)2．3 自动刀架的设计 (15)2．3．1刀架的回转和选位................... . (16)2．3．2减速机构的设计计算..................... (17)2．3．3蜗杆传动的设计计算..................... (20)2．3．4螺旋升降装置的设计计算 (23)三、数控系统硬件电路设计3．1概述............................ . . . (27)3．2单片机控制系统设计 (28)3．2．1主要技术特性及硬件配制 (28)3．2．2存储空间的分配 (28)3．2．3 I/O地址分配 (28)3．2．4单片机部分电路设计图如图纸所示 (29)3．2．5光电隔离电路 (29)3．2．6功率放大电路 (29)3．2．7其他辅助电路........................... (30)四、软件设计部分4．1概述................................. . . . . (30)4．2总体方案设计 (31)4．3插补方法的确定 (31)4．4进给控制字FCW的设置 (33)致谢 ............................... . (34)参考文献 (35)一、绪论1.1引言随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加速，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换。