普通车床数控化改造总体方案设计方案.docx

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普通车床数控化改造总体方案设计方案

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ca6140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。

   2．伺服系统的改造、选型

   ca6140的原调速方法是靠交换齿轮调速、人工手动，不能实现伺服调速。

摇臂钻床改造后需实现数控无级调速，必须使用与数控系统配对的伺服驱动系统。

根据进给脉冲指令输入驱动装置，普通车床经驱动电路控制和功率放大后，驱动执行电动机转动。

因此，在改造过程中要根据所选的电动机参数来选择合适的伺服系统。

   在驱动执行装置中，直流伺服电动机的价格昂贵，在普通机床的数控化改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。

步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转。

在ca6140车床数控化改造中，采用步进电动机拖动的开环控制系统。

   3．电气系统的改造、选型

   原机床的电气电路比较分散，电气元件使用时间也较长，老化现象严重，故障几率大，会影响加工稳定性。

且改造后需要增加伺服电动机、普通车床驱动器及数控系统的电气连接。

   把机床中原控制电路拆掉，采用以数控装置内置PLC为主的现代电气控制系统，摇臂钻床用软件实现逻辑控制，可以省去大量的控制电器及线路连接。

数控机床的主轴、冷却、横向、纵向、垂直方向步进电动机等需系统自动控制，为此需设计强电控制电路。

电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器等。

把所需控制的部件与数控装置连接好，拆除原电控箱，原位安装改造后的电控箱；改造后的元件都装在电控箱里。

   4．数控系统选型   数控系统是数控机床的核心。

它的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。

普通车床其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。

   在数控化改造中，应该考虑成本问题和旧机床本身具有的精度局限性，摇臂钻床所以数控系统选型方面也要考虑成本问题。

铣床的数控化改造属于经济型改造，一般选用经济型数控系统。

从国外进口的系统，虽然在稳定性和加工精度方面有一定的优势，但价格昂贵、成本高。

目前国内市场上主要的经济型系统有北京航天数控公司、华中数控设备有限公司、广州数控设备有限公司等生产的数控系统，普通车床它们的数控系统在性能上可以满足本设计的使用要求，且价格合理。

   广州数控设备有限公司生产的GSK990MA铣床数控系统为广州数控设备有限公司自主研发的普及型铣床数控系统，采用32位高性能的CPU和超大规模可编程器件FPGA，摇臂钻床实时控制和硬件插补技术保证了系统微M级精度下的高效率，可编辑的PLC使逻辑控制功能更加灵活强大。

由于国产数控系统较为经济实惠，所以选用广州数控GSK的数控系统。

普通车床数控改造方案（伺服）

     待改造设备明细：

     序号     机床型号       数量     机床生产厂      生产日期

      1     C6150*1500        1          沈阳           2002

      2     JIC616*1300        2          济南           2004

普通车床数控改造改造内容及配置：

1、采用圣维SWAI  SKC2—Fa数控车床系统对该机床进行改造，交流伺服电机采用国产伺服电机，交流伺服模块采用圣维伺服模块。

2、取消原机床前刀架及相关传动机构，仅对原机床后刀架进给机构进行数控改造。

3、采用四度电机+弹性联轴器+滚珠丝杠副的传动方式。

4、曾装轴承座、螺母座、电机座 等相关零部件。

5、增装X、Z行程开关及相关附件。

6、增装Z向导轨防护装置。

7、电气控制柜安装，操作箱安装在电控柜上方（根据实际情况确定是否增加支臂）。

8、增加机床润滑控制方式及手动润滑泵、数控系统应该实现对主轴启、停控制，冷却泵启、停控制。

改造后机床进给轴行程不低于原机床行程，几何精度不低于改造前的精度。

9、改造后两个进给轴快速进给速度为3000~5000mm/min（视机床本身而定）。

10、备货周期为5~10天，现场改造及培训周期为5~7天。

圣维skc2—Fa数控系统配置及功能。

普通车床数控改造主要特点

1、采用高性能微处理器和基于现场可编程门阵列（FPGA）的专用数控电路，实现粗细高速插补。

2、液晶（LCD）图文显示、中文操作菜单、友好界面。

3、自动升降速速控制。

可配交流伺服驱动器和步进驱动器。

4、内置电子齿轮。

5、位置反馈坐标实时显示。

普通车床数控改造实现主要功能

G功能：

30多种G代码：

各种循环（内、外、端面、锥面、锥面、柱面、单头、多头螺纹循环、柱面、端面、锥面循环加工等）；X轴直径、半径编程；回起刀点位置校验；可实现恒线速切削。

编辑功能：

全屏幕编辑

自动功能：

自动执行加工程序；自动过程中可以暂停、断停、速度倍率修调、调整主

转速；空运行；断点等。

手动功能：

手动连续运行；手动增量；手脉进给（选件）；手动回参考点；手动回机

零点；手动换到等。

主轴功能 ：

“有极调速”：

SO~S13。

“无极调速”：

SO~S9999。

刀具功能：

可控4-12工位刀架；12组刀补值；定点对刀、试切对刀生成刀补，具有

具长度和半径补偿，螺距误差补偿，反向间隙补偿等。

辅助功能：

手动、自动控制主轴正转、反转、停止；手动、自动控制冷却液；自动控制夹具；子程序调用及子程序 循环调用；程序无条件转移等。

通讯功能：

RS232接口，可实现CNC系统与PC及通讯。

其他功能：

监控、报警功能、零件加工图形显示（直线、圆弧切削时显示为整个图形）

普通车床数控改造、调试及试加工事项：

1、机床改造周期：

从合同需方支付预付款到供方账户之日起20个工作日，将机床改造的零件、系统发货至需方现场。

2、在改造工程中，若有部分零件需要在永和现场加工、大型的机床零部件拆卸与安装等情况，请需方提供及时的支持与帮助。

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：

在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。

一、车床的数控改造

1、数控机床工作原理及组成

1）数控机床工作原理：

   数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。

将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。

2）数控机床的组成：

   数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如下图所示：

2、设计内容及任务

   普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：

总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。

。

   本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。

利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。

3、数控部分的设计改造

1）数控系统运动方式的确定

   数控系统按其运动轨迹可分为：

点位控制系统、连续控制系统。

点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。

连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。

由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。

2）伺服进给系统的设计改造

   数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。

但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

   半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。

但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

   经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。

3）数控系统的硬件电路设计

   数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

   数控装置的设计方案通常有：

●可以全部自己设计制作

●可以采用单板机或STD模块或工控机改制

●可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动

   在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。

第二种则更加不经济。

所以不课程设计将采取第三钟方案。

4、机械改造部分的设计

1）主传动部分的改造设计

   将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。

将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。

改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。

2）进给机构的改造

   将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。

纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

3）其它部件的改造

   刀架部分：

拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。

二、可行性论证

   根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统工程前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。

同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。

   根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。

   由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。

本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。

在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。

这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。

因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。

它具有一定的典型性和实用性。

普通车床数控改造内容及配置：

1、采用圣维SWAISKC2—Fa数控车床系统对该机床进行改造，交流伺服电机采用国产伺服电机，交流伺服模块采用圣维伺服模块。

2、取消原机床前刀架及相关传动机构，仅对原机床后刀架进给机构进行数控改造。

3、采用四度电机+弹性联轴器+滚珠丝杠副的传动方式。

4、曾装轴承座、螺母座、电机座等相关零部件。

5、增装X、Z行程开关及相关附件。

6、增装Z向导轨防护装置。

7、电气控制柜安装，操作箱安装在电控柜上方（根据实际情况确定是否增加支臂）。

8、增加机床润滑控制方式及手动润滑泵、数控系统应该实现对主轴启、停控制，冷却泵启、停控制。

改造后机床进给轴行程不低于原机床行程，几何精度不低于改造前的精度。

9、改造后两个进给轴快速进给速度为3000~5000mm/min（视机床本身而定）。

10、备货周期为5~10天，现场改造及培训周期为5~7天。

圣维skc2—Fa数控系统配置及功能。