济南大学毕业设计

1前言

1.1数控技术与数控机床

数控技术简称数控(Numerical Control——NC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computer Numerical Control ——CNC)[1]。

采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床即可被称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术等技术的典型的机电一体化产品。它是现代制造技术的基础，不但可以很好地解决了形状结构复杂、高精度、小批量、多变形状零件的加工问题，而且还能稳定产品的加工质量和提高生产效率。与普通机床相比，数控机床具有自动换刀、自动变更切削参数的功能，还可以完成平面、回旋面、平面曲线的加工，且加工精度和生产效率都较高等优点，因而数控机床在出现的短期内就得到了广泛的应用。

1.2机床数控改造的历史背景

（1）国际背景：在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，已经发展成熟。由于机床以及数控技术的不断发展进步，机床改造成了一个“永恒\的课题。

（2）国内背景：在中国，目前机床数控化改造的市场有非常大的发展空间，现在我国机床数控化率（数控机床数目占机床总数量的比例）还不到百分之三。因此，我国的数控化改造在国际，甚至在国内市场上都缺乏竞争力。这些直接影响一个我国数控改造也的发展，甚至影响一些企业的生存和发展。本文以CA6140车床的数控改造为例，简单介绍一些机床数控改造的方法，也包括一些结构的改造设计，机床零部件的选用以及确定改造的具体方案。

1.3我国机床数控改造的必要性

利用现有闲置废弃的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效的、多功能的数控机床。因此，机床数控化改造是一种废弃机床合理利用的最佳方式，也是低成本实现自动化的最有效的方法，而且还是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。

另外，普通机床进行数控化改造的优点还有: （1）可节省资金；

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（2）可提高机床性能稳定性； （3）可提高生产效率； （4）可实现多工序的集中；

（5）可缩短新产品试制周期和生产周期；

（6）可实现自动报警、自动监控、自动补偿等多种智能作用[1]。

1.4 本文所研究的主要内容

（1）对普通车床数控化改造方案详细论证，应用模糊优化设计中的综合评判原理来评价本设计的改造方案；

（2）选择进给系统的滚珠丝杠型号、自动刀架型号、支承方式、与轴承型号、以及步进电机的型号等；

（3）根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图，设计普通车床数控化改造的完整的电气控制图；

（4）设计机床的传动结构，并绘出相应的零件图和装备图；

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2 普通车床数控化改造总体方案的确定

CA6140车床，主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。这些零件的加工工艺要求机床具有的功能：可控制主轴的正反转和实现主轴的无级调速；刀架要能实现纵向和横向的进给运动，并还应具有自动换刀功能；自动控制冷却液和润滑液的启停；在加工螺纹时，应保证主轴每转一转，刀架就移动一个被加工螺纹的螺距或者导程。这些就是数控化改造的数控系统控制的对象。本设计通过查阅CA6140车床及相关的资料，并且借鉴一些车床数控化改造的经验，才确定总体的改造方案。

2.1主传动系统的设计与改造

本设计保留了原有的主传动系统和变速机构，这样可以更多的减少改造量，节省改造费用。但是，车床数控化改造的主要目的是提高车床的数控化程度，便于在机械加工过程中实现自动控制。

在本设计中，主轴部分的编码器选用的是长春禹衡光学有限公司生产的增量式实心轴编码器ZGD-44-3000BM-G05L-10m，用于解决螺纹加工起点定位和分度等问题；简化机床原有的传动系统，达到多当调速范围的确定。

2.2数控系统的设计

数控系统是机床数控化改造的中心环节，它通过对加工程序处理，发出控制信号，实现对教工过程的自动化控制。

数控系统采用闭环控制方式，核心采用C8051F020单片机作为主控芯片，进行数控系统的设计。

2.3自动转位刀架的选择

数控机床的刀架是机床的主要组成部分，它的结构和性能将直接影响到机床数控化改造质量，甚至决定了改造的成败。本设计CA6140车床的数控化改造中，将机床原来带有的手动转位刀架换成了自动转位刀架，刀架选用的是常州武进数控设备厂生产的LDB4-6140四工位螺旋转位刀架。

2.4驱动系统改造设计

由于改造设计的是经济型的CA6140车床，所以考虑具体方案时，在满足工作使用性能要求的前提下，对车床的改动应尽可能的小，从而降低成本。 2.4.1控制方式类型的选择

数控车床的伺服进给系统控制方式有开环控制、闭环控制和半闭环控制三种。

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开环控制系统：没有反馈的控制系统。优点：结构简单、造价低。缺点：精度和灵敏性较差。开环控制精度一般为?0.01～?0.02mm，因此不能满足普通数控车床横向最小运动单位0.005mm/脉冲的基本要求。

闭环控制系统：把控制的结果与希望值比较，并根据它们的偏差来调整的控制系统。优点：控制精度高、灵敏性好等。缺点：价格较高。

由于改造后的数控机床对加工精度要求较高，故主轴采用闭环控制。 2.4.2伺服进给机构的改造

（1）纵向进给机构的改造

拆除机床原来的溜板箱、光杠、丝杠以及安装座的部件，装上滚珠丝杠与相应的安装装置。纵向驱动的伺服电机以及减速箱安装在丝杠的右端。用滚珠丝杠的目的是是因为它可以高机床的精度和纵向进给整体的刚度。

（2）横向进给机构的改造

拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来车床带有的横向手柄，伺服电机及其减速箱安装在机床后侧。 2.4.3伺服电机的选择

综合考虑机床的精度和经济性能本方案选用松下公司的伺服电机以及伺服驱动器。

2.4.4丝杠的螺母副的选用

CA6140进给丝杠是滑动丝杠，就是说丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。滑动丝杠螺母副具有摩擦大和转动效率较低，故在精度要求较高的情况下，不能采用原来的螺母副。本方案采用滚珠丝杠螺母副代替机床原有的滑动丝杠螺母副。 2.4.5车床导轨的改造

CA6140上的运动部分，如刀架、工作台都是沿着导轨面运动的。导轨起支撑和导向的作用，并且可以保证部件在一定外力作用下沿规定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床加工精度的要求、支撑能力和使用性能。数控改造时根据机床导轨的磨损情况和加工精度的要求，来确定导轨的结构形式。滑动导轨，它具有结构简单，制造方便，接触刚度大等优点。但是传统的滑动导轨具有摩擦系数大，磨损较快，而且动静摩擦系数差别过大，低速时还会产生爬行现象等缺点。在数控机床上常用的导轨主要有贴有耐磨黏贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有的优点是：具有良好的摩擦性能，寿命长等[1]。

本设计综合考虑经济性和可靠性，采用贴有耐磨黏贴带覆盖层的滑动导轨。将机床原有的导轨修整以后贴塑，使其成为贴塑导轨。本设计采用南京瓦市机械设备有限公司进行贴塑，厚度为1.6mm，TSF软带材料。

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