毕业设计CA6140普通车床的数控化改造.docx

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毕业设计CA6140普通车床的数控化改造

摘要

随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经成为衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。

采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，尤其适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。

机电一体化技术涉及机械、电子、以及控制等多门学科，是现代工业最主要的基础技术和核心技术之一，是衡量一个国家机械装备发展水平的重要标志。

虽然这门学科还正处于发展阶段，许多理论还处于研究和完善阶段，但是它代表着机械工业技术革命的前沿方向，是综合国力的又一具体体现。

因此，我们应该重视该学科的研究，并大力发展这门学科，逐渐缩小与日美等发达国家的差距。

本次设计是对CA6140普通车床的数控化改造。

在国内，盛行普通车床改造成数控车床，此设计就是针对着这以目的而设计的，这就降低了生产成本，缩短了工业化的进程，同时为广大的生产厂家所接受。

此设计主要是结合国内的具体国情，针对于广大的用户所设计的。

远远比不上那些外国的设备所达到的精度。

当然，时代在发展，随着我国的正和国力迅速攀升，在不久的将来那些精度要求比较高的数控设备一定出现在中国的大部分企业中。

关键字：

数控改造机电一体化国情学科研究

Abstract

Alongwiththesciencetechnicalfastfiercedevelopment,number'scontrolingtoolmachinehasalreadybecometheimportantmarkingwhichmeasuresanationalmachinemanufactureindustrylevel.Adopttheeconomicnumbercontrolssystemtocarryonanumbertocontroltoturnareformationtothecommontoolmachine,particularlyinkeepingwithourcountrythecommontoolmachineowntohavegreatcapacity,thesmallconcretestateofthenationoftheproductionscale.Themachineelectricityintegralwholeturnsatechniquetoinvolveamachine,electronics,andcontroletc.severalacademicses,isoneofthefoundationtechniqueandcoretechniquesofmodernandindustrialmost,istheimportantmarkingwhichmeasuresanationaldevelopmentlevelofthemachinematerial.Althoughthisacademicsisstillbeplacedinadevelopmentastage,manyoriesesarestillplacedinresearchandperfectstage,itrepresentsthemachineindustrialtechniquerevolutionofex-followadirection,iscomprehensiveanotherconcretebodyofnationalstrengthnow.Therefore,weshouldvaluetheresearchofthatacademics,andstronglydevelopthisacademics,contracttowaitwithdaytheUnitedStatesgraduallyflourishingnationofmargin.ThisdesignistocontroltoturnareformationtothenumberofCA6140commonlather.Atthedomestic,thewidelyacceptedcommonlatherreformsintoanumbertocontrollather,thisdesignistoaimatthiswiththepurposebutdesignof,thisloweredproductioncostandshortennedindustrializationoftheprogressisalargeproductionfactoryinthemeantime,houseaccept.

Thisdesignismainlytocombinelocalconcretestateofthenationandaimatatwhatlargecustomerdesign.Farandfarcannotcomparewiththeaccuracythattheequipmentsofthoseforeigncountriesattain.Certainly,theagesisinthedevelopment,alongwithourcountryofpositivewiththenationalstrengthquicklyincrease,inthenearfuturethosegreatlypartsofbusinessenterprisesthattheaccuracyrequestshighernumbertocontrolanequipmentsandmustappearinChinain.

Keyword:

ThenumbercontrolsareformationThemachineelectricityintegralwholeturnStateofthenationTheacademicsstudy

绪论………………………………………………………………1

1.数控机床的基本知识……………………………2

1.1数控机床的发展趋势…………………………………………………2

1.2数控机床的组成………………………………………………………4

1.3机床的运动性能指标…………………………………………………5

1.4数控机床机械结构的组成、特点……………………………………5

1.5数控机床主传动系统的特点及其要求………………………………7

2总体方案设计……………………………………………10

2.1设计任务10

2.2.总体方案确定10

2.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择10

2.2.2计算机系统10

2.2.3机械传动方式11

3电机的选择和脉冲当量的选择……………………………11

3.1确定系统脉冲当量11

3.2电机的选择12

3.2.1纵向进给步进电机的计算12

3.2.2横向进给步进电机的计算12

4.导轨的设计…………………………………………………13

4.1滚动导轨的优点13

4.2选择滚动导轨的结构形式13

4.3滚动导轨预紧方式的确定13

4.4滚动导轨几何参数的确定14

4.4.1滚动体尺寸和数目的选择14

4.4.2滚动导轨的长度14

4.5塑料导轨的应用15

4.6贴塑导轨15

5.纵、横向自动走刀机床进给伺服系统机械部分的设计15

5.1设计任务15

5.2总体设计的方案确定15

5.3纵向自动走刀机床进给伺服系统机械部分的设计16

5.3.1切削力计算17

5.3.2滚珠丝杠设计计算17

5.3.3齿轮及转矩的有关计算：

19

5.4横向自动走刀机床进给伺服系统机械部分的设计21

5.4.1切削力计算21

5.4.2滚珠丝杠设计计算21

5.4.3齿轮及转矩的有关计算：

24

6微机数控系统硬件电路的设计……………………………25

6.1控制系统的功能25

6.2采用软件环形分配器26

6.3.自动回转刀架的控制26

6.4.螺纹加工的控制26

6.5地址编码26

7.安装…………………………………………………………27

7.1纵向进给系统安装27

7.2横向进给系统安装27

7.3刀架安装27

7.4数控系统箱安装27

7.5编码器安装27

8.结论…………………………………………………………28

9.致谢………………………………………………………29

10.参考文献………………………………………………………30

附图一CA6140纵向伺服进给单元装配图

附图二CA6140横向伺服进给单元装配图

附图三CA6140机床电气控制原理图

绪论

普通机床数控化改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。

经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。

数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。

同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

第一部分：

数控机床的基础知识

1.1数控机床的发展趋势

随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样话需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。

这就要求数控机床成为一种具有高效率、高质量、高柔性和抵成本的新一代制造设备。

尤其是FMS的迅猛发展CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求。

现代数控机床正向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能发展。

1.智能化

在数控机床控机床采用了交流数字伺服系统。

伺服电动机的位置环、速度环、及电流环都实现了数字化，并采用了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动技术。

同时，高分辨率、高响应的绝对位置检测器也已应用到数字伺服系统中，这种检测器每转可进行100万细分,可在1000r/min的高速运转中使用。

此外，提高主轴转速、减少非切削时间，采用快速插补、超高速通信技术都使现代数控机床的切削速度得到很大的提高。

2.高精度化

高精度化一直是机床数控技术发展追求的目标，在20世纪末一取得明显的效果。

普通级中等规格的加工中心的定位精度已从20世纪80年代初的+12m提高到+0.5m.

现代数控机床通常采用以下技术来提高精度：

利用数控系统的补偿功能，提高其加工精度和动态特性。

例如补偿轴向运动误差、丝杠导程误差、齿轮间隙误差、刀具磨损误差等。

在新一代数控系统中，还开发了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件和软件。

采用高分辨率、高响应性的绝对位置传感器技术，实现切削加工的精密检测。

如这种传感器检测到的绝对位置信号，通过专用微处理器进行细分处理，可达到极高的分辨率,现已生产出配套的专用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。

采用数字式伺服控制技术，该技术是基于现代控制理论而构成的反馈控制技术。

该技术引进的现代控制技术有：

非线性补偿技术，消除机床静摩檫引起的误差；鲁棒控制技术，实现加速度反馈，减小因负载变动而引起的误差；前馈控制技术，使伺服系统的追踪滞后减少一半,改善拐角切削加工精度；加减速控制技术，可在插补前后进行平滑的加减速控制.可使系统形状误差减至最小，保证系统具有高精度、高速度双重性能；低噪声电动机技术，保证控制系统获得高增益,目前生产的低噪声电动机，其噪声水平已降到额定值到0.5以下,提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性。

3.高可靠性.现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进

行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实际工作条件，进行检测并提高可靠性的措施予以保证。

通常采用的可靠性技术有：

冗余技术，故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术等。

4.现代数控机床还采取了以下措施来提高数控系统的可靠性：

（1）提高元器件和系统的可靠性。

新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使电路的集成度提高，元器件数量减小,供耗降低，从而大幅度降低系统的故障率。

（2）采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力。

例如采取滤波、隔离、屏蔽、合理接地等抗干扰措施。

使数控系统模块化、通用化和标准化。

数控系统的硬件被制成多种功能模块，根据机床数控功能的要求，选择不同的模块，还可以自行扩展或裁剪,组成满意的数控系统。

模块化、标准化、通用化的实现，不但便于组织开发、生产和应用，而且提高了可靠性。

（3）提高自诊断及保护功能。

数控系统一般都具有软件、硬件及故障的自诊断程序,为了防止超程,可以在系统内预先设定工作范围，避免由于限位开关的不可靠而造成轴端超程,数控系统还具有自动返回功能，当机床在加工过程中，出现某种特殊情况时,例如由于刀具断裂等原因造成加工中断时,数控系统能力将刀具位置保存起来。

在更换刀具后，只要重新输入刀具的有关数据,刀具就能自动回到正确位置，保证通电后继续工作，不让工件报废。

（4）多功能复合化

现代数控机床的功能复合化发展，主要体现在以下几个方面：

大多数数控机床都具有人机对话功能，都有很“友好”的人机界面,借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。

此外还具有前台操作、后台编辑的功能，并大量采用菜单选择操作方式，操作更加方便

1.2数控机床的组成

数控机床的工作原理：

首先根据零件图样制定工艺方案,采用手工或计算机进行零件的程序编制，把加工零件所需的机床各种运作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体（上穿孔纸带、磁盘等）。

另一种方法是利用计算机和数控机床的借口直接进行通信,实现零件程序的输入和输出。

进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。

有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构对其进行转换和放大，再经过传动机构驱动机床有关部件,使刀具和工件严格执行零件加工程序所规定的相应运动。

还有的信号送到可编程控制器中，用以顺序控制机床的其他辅助动作,如实现刀具的自动更换和变速、松夹工件、开关切削液等动作。

数控机床主要有信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四个基本部分组成。

1.信息载体

信息载体（又称控制介质）的功能是用于记载以数控加工程序表示的各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数等以控制机床的运动和和各种动作,实现零件的机械。

常用的信息载体有穿孔纸带,磁盘和磁带。

信息载体上的各种加工信息要经输入装置输送给控制装置。

对于用微型计算机控制的数控机床，还可以通过信息接口从其他计算机获取加工信息。

也可用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接手动键盘输入，并将数控加工程序存入数控装置的存储器中。

2.数控装置

数控装置是数控机床的运算和控制系统，在普通数控机床中一般由输入装置、控制器、运算器、和输出装置组成，它接受信息载体的信息，并将其代码加以识别、储存、运算、输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。

3.伺服系统

系统的作用是来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，它相映于手工操作时人的手，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。

因此伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。

4.机床本体

数控机床中的机床本体,在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。

随着数控技术的发展，数控机床的外部造型、整体布局、机械传动系统与刀具系统的部件结构以及操作结构等机床的技术性能要求更高了。

与传统的普通机床相比，数控机床采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简化，传动链较短;机械结构具有较高刚度和耐磨性，热变形小；更多地采用高效部件,如滚珠丝杠,静压导轨、滚动导轨等。

1.3机床的运动性能指标

1.主轴转速

机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选

用高速精数控密轴承支承,保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。

目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000-10000r/min,甚至更高，这样对各种小孔加工以及提高专用零件加工质量和表面质量都极为有利。

2.进给速度数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产率以及刀具寿命的主要因素。

它受数控系统装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。

目前国内数控机床的进给速度可达10-15m/min,国外数控机床的进给速度一般可达15-30m/min.

3.坐标行程数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。

坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。

4.摆角范围具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。

但转角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。

5.刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。

刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量，目前常见的中小型数控加工中心多为16-60把刀具，大型数控加工中心达100把刀具。

换刀时间制带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需的时间，目前国内数控机床均在10-20s内完成换刀,国外不少数控机床的换刀时间仅为4-5s.

1.4数控机床机械结构的组成、特点

1．数控机床的机械组成

由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展，数控机床的机械结构已从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展形成数控机床的独特机械结构。

数控机床的机械结构主要下列个部分组成：

1）机床的基础件,又称为机床大件,通常指床身、底座、立柱、横梁、滑座和工作台等

2）主运动传动系统

3）进给运动传动系统。

4）实现主轴回转、定位的装置。

5）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。

6）刀架或自动换刀装置。

7）特殊功能装置

8）各种反馈装置和元件。

2．数控机床结构的特点：

1）高刚度因为数控机床要在高速度和高重载下工作，所以机床的床身、主轴、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的刚度，工件中应无变形或振动。

例如：

床身应合理布置加强肋,能承受重载与重切削力;工作台与溜板应具有足够的刚度，能承受工作重量并使工作平稳；主轴在高速下运转，应承受大的径向扭矩和轴向推力;立柱在床身上移动，应平稳且能承受大的切削加工中应十分平稳且无振动。

2）高灵敏性数控机床工作时,要求精度比较通用机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。

导轨部件通常用于滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等,以减少摩檫力,在低速运动时无爬行现象。

工作台的移动,有直流或交流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠传动。

主轴既要在高刚度和高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承或静压轴承。

3）高抗振性数控机床的运动部件、除了应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性,在高速重载下应无振动,一保证加工工作的高精度和高表面质量。

4）热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,.在运动中常易产生热量，为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量少，以防止产生热量变形。

5）高精度保持性为了保证数控机床在长期内具有稳定的加工精度,要求数控机床具有高的精度保持性。

除了各有关零件应正确选材外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨，一提高运动部件的耐磨性。

6）高可靠性数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其是在柔性制造系统中的数控机床，这24h运转中无人看管,因此要求机床具有高的可靠性。

7）刀具先进数控机床要能充分发挥效能,实现高精度、高自动化,除了机床本身应满足上述要求外，必须保证长期可靠地工作。

1.5数控机床主传动系统的特点及其要求

1.5.1．数控机床主传动系统的特点

1）精度高由于数控机床的主轴部件本身的精度高、传动链短,

故数控的主传动系统的精度高。

2）转速高、功率大它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，提高生产率

3）调速范围宽数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量,获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

4）主轴组件的耐磨性高凡有机械摩檫的部位如轴承、锥孔等都有较高的硬度，轴承处润滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好

1.5.2．对进给传动系统的要求

1）传动精度高从机械结构方面考虑，进给传动系的传动精度主要去取决与传动间隙和传动件的精度。

传动间隙主要来自于传动齿轮副、丝杠螺母副之间，因此进跟传动系统中广泛采用施加预紧力或其它消除间隙的措施。

缩短传动及采用高精度的传动装置，也可提高传动精度。

2）摩檫阻力小为了提高数控机床进给系统的快速响应性能，必须减小运动件之间的摩檫阻力和动、静摩檫力之差。

欲满足上述要求，数控机床进给系统普通采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。

3）运动部件惯量小运动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响。

因此，在满足部件强度和刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的质量、减小旋转零件的直径，以降低其惯量。

滚珠丝杠副在数控机床上，将回转运动转换为直线运动一般采用滚珠丝杠螺母机构。

滚珠丝杠的特点：

传动效率高,一般为η=0.92-0.96;传动灵敏,不易产生爬行；;使用寿命长；具有可逆性,不仅可将旋转运动变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；施加预紧力后,可消除轴向间隙，反向时无空行程;成本高,不能自锁,垂直安装时需有平衡装置。

滚珠丝杠的结构和工作原理;滚珠丝杠螺母的结构有内循环和外循环两种方式

在外循环中,当丝杠相对于螺母旋转时丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动,同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩檫变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩檫,螺母螺旋槽的两端用回株管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端,构成一个闭合的循环回路。

在内循环中，在螺母的测孔中装有圆柱凸轮式反向器反向器上铣有S形回珠槽,将相等两螺纹滚道联结起来。

滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使反向器越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。

滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法,为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。

常采用双螺母施加预紧力的方法消除轴向