CA6136车床数控改造及控制系统的设计.docx

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毕业设计

前

言

本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价

格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。

中小型企

业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。

经济型数控机床

系统就是结合生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。

价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备中占有较大比重的普通车床改造，适合在

生产第一线大面积推广。

企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工

精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设

备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。

进行数控机床的改造是非常有必要的。

数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小

批量及多变零件的加工问题。

但是数控车床的运用也受到其他条件的限制。

如：

数控车床

价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。

它适合我国的经

济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。

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第一章

绪论

第一节

机床的数控化改造

目前，关于机床改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在:

（1）、根据用户的需求可以选择不同的数控系统。

（2）、根据要求可以进行经济性数控化改造，也可以进行智能化数控机床改造。

不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。

但目前对车床的

数控化改造，主要是经济性数控化改造。

在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部

接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当

前同类机床存在的问题，比如:

现在的机床普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生

电路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。

针对目前同类数控机床使用中存

在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造机床时所有限位保护电路均采用负逻

辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生；设定了特殊的限位控

制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。

第二节

数控机床与数控技术

一、数控机床

1、国内数控机床的特点

（1）、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位

（2）、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高

（3）、数控机床发展的关键配套产品有了突破

2、国内控机床的发展趋势

（1）、数控机床推广应用逐步加深

据分析，2005年我国机床的数控化率为9.5%～10.36%，到2010年将达到16.50%～

19.27%。

（2）、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理

数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将

导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。

二、数控技术

1、数控技术国内外现状

（1）、

开放结构的发展

数控技术从发明到现在，已有近

50

年的历史。

按照电子器件的发展可分为五个发展

阶段：

电子管数控，晶体管数控，中小规模

IC

数控，小型计算机数控，微处理器数控；

从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的

CNC数控系统，后者也称为软数控系统：

从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环

系统和伺服电机驱动的闭环系统。

（2）、软件伺服驱动技术

伺服技术是数控系统的重要组成部分。

广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软

件的伺服装置称为“软件伺服”。

它有以下优点：

（1）无温漂，稳定性好。

（2）基于数值计算，

精度高。

（3）通过参数对设定，调整减少。

（4）容易做成ASIC电路。

70年代，美国GATTYS

公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。

开环的系统逐渐由闭环

的系统取代。

但直流电机存在以下缺点：

（1）电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；

（2）换向器、电刷维护不方便。

交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性

能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。

（3）、CNC系统的连网

数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主

要任务是进行通信，共享信息。

这种通信通常分三级：

（1）工厂管理级。

一般由以太网组成。

（2）车间单元控制级。

一般由DNC功能进行控制。

通过DNC功能形成网络可以实现对零件

程序的上传或读、写CNC的数据：

PLC数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和

远程控制等。

更高档次的DNC还可以对CAD／CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和

分级管理。

CNC与通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通

信：

进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。

（3）现场设备级。

现场级与车间单元

控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I／0控制、连线控制、通信连网、在线设

备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量

完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。

同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。

因此，现场级与车间级是

实现工厂自动化及CIMS系统的基础。

河南工程学院毕业设计

第二章

总体方案的确定

第一节

设计要求

一、设计基本思路

CA6136卧式车床（图2-1）改造的基本思路是在原来的机床进行修改，拆掉手动刀架

和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主

轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用；经过严密的计算和论证，选择丝

杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布置各传感器。

数控系统采用国际通用的DTMSYSTEM5T系统，可靠性好，功能强大。

并根据用

户的要求设计了新颖的外观。

该机床改造后取名“CK6136A数控车床”。

图2-1CA6136卧式车床示意图

二、设计参数

CA6136

设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。

设计参数如下：

最大加工直径

在床面上

在床鞍上

360mm

180mm

最大加工长度

750mm

快进速度

纵向

横向

2m/min

1m/min

最大切削进给速度

溜板及刀架重力主电机功率

纵向

横向纵向横向

0.5m/min

0.25m/min800N

600N

5.5KW

代码制

脉冲分配方式

ISO

逐点比较法

输入方式

增量值，绝对值通用

控制坐标系

最小指令值（脉冲当量）

2

横向

0.005mm/脉冲

机床定位精度

纵向

±0.015mm

0.01mm/脉冲

刀具补偿量

进给传动链间隙补偿量

0mm～99.99mm

纵向

0.15mm

横向

0.075mm

第二节

总体方案的论证

普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应该遵循的基本原则为：

在满足设计

要求的前提下，对机床的改造尽可能少，以降低成本。

数控系统运动的确定：

1）采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，

能补偿机械运动中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。

但它结构复杂，技

术难度大。

调试和维修困难，造价高。

由于所造成的CA6136促车床的目标加工精度不很

高，采用闭环控制系统的必要性不大。

2）采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。

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机驱动的开环控制。

由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统和稳定性较易保证。

所

以比闭环容易实现。

但是，采用半闭环控制，调试比开环复杂，设计上也要有其特点，技

术难度大。

本设计要求不高，为经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开

环控制。

开环控制具有结构简单，设计制造容易，控制精度较好，易调试，价格便宜，使

用维修方便等优点。

缺点是步进电机没有过载能力启动频率低，工作频率也不高等。

开环

控制多用于负载变化不大或要求不高的经济数控机床中。

通过比较，决定采用开环控制系统。

执行机构的结构及传动方式的确定纵向进给结构

的改造：

拆去原机床的溜板箱，光杆与丝杆以及安装座，配上滚珠丝杆及其相应的安装装

置。

纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床床尾，并不占据丝杆空间。

由于采用了滚珠

丝杆，可提高系统的精度和纵向进给刚度。

横向进给结构的改造：

由于原横向进给的丝杆

空间有限，一种方法是拆除横向丝杆换上滚珠丝杆，但在现在的滚珠丝杆系列中选出合适

的丝杆副比较困难，需特制滚珠丝杆副的丝杆轴不是整体的，而是采用分移式，然后采用

联轴器联接；另一种方法仍采用原丝杆，这样做就避免了特制滚珠丝杆副的麻烦，减少成

本，但需要电气补偿丝杆精度和反向间隙的措施。

本方案采用前者，并且保留原手动机构，

横向步进电机和减速器安装在机床后侧。

主轴箱的设计：

由于本设计可在不对主轴改动的

情况下满足要求，因此主轴不改动以降低成本。

数控系统的硬件电路设计：

数控系统都由硬件和软件两部分组成。

硬件是数控系统的基础，性能好坏直接影响整

个数控系统的性能。

有了硬件，软件才可有效运行。

数控系统中关键部分为控制装置。

一般情况下，要求如果有现成的数控装置可以满足要求，这时通常都采取现成数控装

置的方案。

因为自行设计制作不但费时且不经济。

同时质量上也难以保证，另一种情况为

购置现成数控装置产品，当满足不了所需的数控功能，这时须将数控装置经自行补充或改

造其硬件电路来满足要求。

单作为毕业设计，本设计采用自行设计数控装置。

在自行设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：

a）、时钟频率和字长与被控装置的运动速度和精度密切相关

b）、可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关

c）、指令系统功能强弱与灵敏性相关

d）、I/O口扩展的能力与对外控制的能力有关

在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主

要因为它们的配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便。

为此，本设计采用

MCS-51系列单片机组成的数控装置用微型控制机。

第三节

总体设计方案的确定

经过总体方案的论证后，确定的CA6136车床经济型改造的总体方案如图2-2所示，