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论文CA6140车床数控化改造

CA6140型普通车床数控化改造

目录

摘要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

（2）

第一章数控机床的起源及发展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

（2）

1、数控机床的产生・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

（2）

2、数控机床的发展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

（2）

3、我国数控机床的发展概况・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（3）

4、数控机床的发展趋势・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（3）

第二章数控机床改造的意义・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（3）

第三章CA6140型普通车床数控化改造方案・・・・・・・・・・・・・・（5）

1.总体改造方案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（5）

2.数控系统选用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（5）

3.机械部分改造・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（5）

4.电气部分改造・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（8）

全文结论・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（10）

参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（10）

摘要

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。

这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。

它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。

关键词：

普通车床；数控化改造；SINUMERIK802Sbaseline

第一章数控机床的起源及发展

1、数控机床的产生

数控机床最早是从美国开始研制的。

1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。

1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。

并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。

这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。

经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。

一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。

到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。

数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。

2、数控机床的发展

自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。

第一代数控：

1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。

第二代数控：

从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第三代数控：

从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第四代数控：

从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。

第五代数控：

从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。

目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。

它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。

这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。

这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。

随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。

近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。

所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。

3、我国数控机床的发展概况

我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。

从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。

与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。

1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。

例如：

清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。

从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。

上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。

在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。

进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。

我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。

4、数控机床的发展趋势

从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。

对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。

在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。

它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。

在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。

交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。

第2章数控机床改造的意义

数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。

我国是拥有300多万台机床的国家。

而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。

因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。

用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。

它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。

在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。

而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。

从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。

因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，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。

同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。

第三章CA6140型普通车床数控化改造方案

1.　总体改造方案

数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，因此确定总体改造方案如下：

（1）拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。

为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接；

（2）横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部（相对操作者），纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；

（3）要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；

（4）为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；

（5）为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；

（6）为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关；

（7）纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防脏物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人；

（8）考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。

图1　总体改造示意图

1.横向滚珠丝杠副　2.横向电机　3.横向减速器　4.尾座　5.纵向减速器

6.纵向电机　7.支架　8.纵向滚珠丝杠副

9.数控转位刀架　10.主轴脉冲编码器

2.　数控系统选用

选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩，同时考虑到原车床的精度和改造成本、周期和难易程度等各方面因素，决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。

SINUMERIK802Sbaseline是西门子公司专门为中国数控机床市场开发的经济型CNC控制系统。

其结构紧凑，具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元，机床调试配置数据少，容易改造成功。

最终决定采用西门子经济型数控系统SINUMERIK802Sbaseline。

3.　机械部分改造

（1）纵向（Z轴）进给系统改造

纵向进给传动系统的改造如图2所示。

纵向步进电机1通过一对减速齿轮2把动力传递给纵向滚珠丝杠3，再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4做往复移动。

原车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用2个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。

如图3所示，滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承支承座4，通过一对深沟球轴承1实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母（图中未画出）实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。

因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支承。

滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。

步进电机通过消隙齿轮2减速，减速器输出轴用套筒联轴器6与丝杠3（见图2）联接，固定销3防止减速器转动。

图2　纵向进给系统图

1.纵向步进电机　2.减速齿轮　3.纵向滚珠丝杠　4.工作台

5.套筒联轴器　6.支撑轴

图3　纵向步进电机装配图

1.深沟球轴承　2.消隙齿轮　3.固定销　4.滑动轴承支承座　

5.圆螺母　6.套筒联轴器

滚珠丝杠3（见图2）仍安装在原滑动丝杠的空间位置，其螺母副通过支架1（见图4）安装在床鞍的底部，如图4所示。

支架做成可移动的形式方便装配，丝杠位置调整好后，由螺钉拧紧。

图4　纵向滚珠丝杠装配图

1．支架　2.丝杠托架　3.纵向滚珠丝杠　4.丝杠防护罩　

5.大拖板6.过渡板

（2）横向（X轴）进给系统改造

横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5所示。

横向步进电机1及减速器2安装在床鞍的后部。

靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10与滚珠丝杠7连接起来。

右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12，以承受双向轴向力。

左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4和一根连接短轴6把滚珠丝杠7与减速器输出轴3连接起来，并通过一对圆螺母5实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。

螺母通过螺母座9直接固定在中拖板8上。

图5　横向进给系统图

1.横向步进电机　2.减速器　3.减速器输出轴　4.联轴套　5.圆螺母　

6.连接短轴　7.横向滚珠丝杠　8.中拖板　9.螺母座　

10.套筒联轴器　11.支撑短轴　12.推力球轴承

（3）主轴脉冲编码器的安装

为了使改造后的车床能自动加工螺纹，必须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴→脉冲编码器→数控系统→步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。

主轴脉冲编码器的安装，通常采用2种方式：

①同轴安装；②异轴安装。

同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件，限制了零件的加工长度，因此，宜采用异轴安装。

主轴通过主轴箱中58P58和33P33两级齿轮（实现传动比1：

1）把动力传递给挂轮轴X，主轴编码器1通过支架2固定，并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4通过过盈配合与主轴箱内轴X连接，如图6所示。

图6　主轴编码器装配图

1.ZXB-1型主轴编码器　2.固定支架　3.MC型联轴器　4.闷头5.轴X

4.　电气部分改造

电气控制线路主电路如图7所示，QF1～QF4为空气开关，FU为熔断器，对电路实现短路保护。

M1为7.5kW主电机，选择三菱FR-A540-7.5K-CH变频器实现变频调速，交流接触器KM1控制变频器的通电和断电。

当变频器无故障时，B端触头闭合，KM1吸合，变频器通电；当变频器有故障时，B端触头断开，KM1线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时A端触头闭合，报警灯HL显示报警。

FR1为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RC1为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。

L是为改善功率因素而使用的交流电抗器。

R、S、T为变频器的电源输入端，U、V、W为输出控制电机端，STF和STR分别接主轴正反转控制继电器触头KA1和KA2，2和5分别接主轴模拟量输出信号（0～+10V）AO4和AGND4，以控制变频器的输出电压频率。

执行过程为：

当PLC发出主轴正反转信号时，KA1或KA2的常开触头闭合，KM1线圈得电，KM1的常开触头闭合，变频器开始工作，当PLC发出主轴制动信号时，KA6的常闭触头断开，KM1线圈失电，KM1的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。

M2是刀架电机，KM2吸合时，刀架电机正转，KM3吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.4和Q0.5。

M3为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.2。

图7　主电路图

交流控制电路如图8所示，RC4、RC5和RC6为单相灭弧器，M4和M5为两电柜风扇，线路电压为AC110V。

图8　交流控制电路图

全文总结

普通车床数控化改造，实质就是在普通车床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

其目的是使原车床具有一定的柔性，提高生产效率和质量，解决复杂零件的加工问题。

用扩展系统将普通车床改造为经济型车床，简便易行，能保证零件的加工精度，对复杂零件加工效果显著。

通过这次设计，我对普通车床的改造有了系统性的认识和基础性的把握；熟悉了其设计原理及流程；并对传动系统和伺服系统进行了针对性的学习。

在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了解，并在此基础上确定了总体设计方案，而且学会了如何在网上获得自己所需资源。

而且使我具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇见的机、电方面技术的能力。

当然设计中还存在很多不足，有待于改进，我会在以后的实际工作中不断弥补不足、创新进取。

参考文献：

[1]余英良.机床数控改造设计与实例[M].北京：

机械工业出版社，1998.

[2]王荣芳.变频器在生产教学两用数控车床研制开发中的应用[J].变频器世界，2005（4）：

94-97.