CAK6150普通车床的数控化改造设计.docx

CAK6150普通车床的数控化改造设计.docx

《CAK6150普通车床的数控化改造设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAK6150普通车床的数控化改造设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CAK6150普通车床的数控化改造设计

CAK6150普通车床的数控化改造

NCTransformationofTheCAK6150CommonLathe

学院：

专业/班级：

学生姓名：

指导教师：

2008年9月

摘要

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。

但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。

我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生和国防力量的加强，因此，各国都把制造业的发展放在首要位置。

21世纪的制造业发展的总趋势是柔性化、灵捷化、智能化和信息化，而数控机床则是实现柔性化、灵捷化、智能化和信息化加工制造的基本单元。

因此，数控加工技术是制造业中的一项关键的迅速发展的新技术之一，在机械制造行业中具有重要的地位和作用。

数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势。

结合我国实际国情，经济型数控机床是我国从普通机床向数控机床发展的及其重要的台阶。

利用现有的普通机床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。

车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。

数控机床的通用性、柔性、适应性、扩展性，并迅速向智能化、网络化方向发展，成为当前数控技术发展的主要方向。

关键词：

车床;数控改造;结构

Abstract

TheNCoflatheasthetypicalmodelproductintheareaofelectricmechanism,itisveryimportantinthemachinemanufacturingindustry,soastoresolvetheproblemsofthatsuchasdifficultstructure,accuracy,lowbatches,andchangeablecomponents,meanwhile,itcanstabilizethequantityofproducts,andtheproductivitycanbeimproved.Butinthesituationofcurrententerprise,becauseofthepriceoftheNClatheismoreexpensive,andtheonetimeinvestmenttotheenterpriseismoreexpensive.AsabigcountryoftheNCofthelathe,itisabetterplantotransformthecommonlathetobeaNClathe.Themanufacturingindustryisthefoundationeconomyofthenational,itsdevelopmentaffectsthedevelopmentofeachsectionofnationaleconomydirectly,alsoaffectingthelivelihoodofnationalpeople'spolicyandthestrengthofdefensepowerofnational,therefore,everycountryputsthedevelopmentofthemanufacturingindustrytobethefirstposition.Thetrendofthe21`sdevelopmentofthemanufacturingissoftness、sensitivity、intelligenceandinformation.ButtheNClatheistorealizethebasicunitofthemanufacturingofthesoftness、sensitivity、theintelligenceandtheinformation.Therefore,thetechniquesoftheNCproductionisakindofthenewfastestdevelopmentsofthetechniques.Inthemanufacturingindustry,ithasanimportantpositionandfunction.

Itismachinethatnumbercontroltoturntoprocesstheprofessiontowardthehighquantity,highaccuracy,highfinishedproductrate,thetrendofthehigh-efficiencydevelopment.Combinetheactualstateofthenationofourcountry,theeconomicnumbercontrolsthetoolmachineisanourcountryfromthecommontoolmachinetowardthenumbercontrolsthetoolmachinedevelopmentofanditsimportantstep.Makeuseoftheexistingandcommontoolmachine,astoit'scarryonnumber'scontroltoturnthereformationisalowcost,efficientlythepathofthebenefit.

Thelathernumbercontrolstoturntoreformtheimportantitemthattheresearchistheexaltationourcountrytechniquemateriallevel,undertheconditionofourcountryownagreatdealofsuperperiodtoundergomilitaryservicecurrentlyisnastytotreatwitholdtoolmachineoftechniquemorerecent,controlthelathertoprocesstheabilityandfundtobesubjectedtothelimitbecauseofthenumber,carryingonnumber'scontroltoturntothelatherthereformationis1toeconomizethefunds,fastuphorseofvalidpath.Thenumbercontrolstheingeneraluseofthetoolmachine,gentle,adaptability,expandsex,andturntowardintelligencequickly,thenetworkturnsthedirectiondevelopment,becomingcurrenttocounttocontrolmaindirectionofthetechniquedevelopment.

Keywords:

Lathe;NC（numericalcontrol）;Structure

装配图例

目录

附录

第1章引言

1.1课题背景

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。

但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。

我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生和国防力量的加强，因此，各国都把制造业的发展放在首要位置。

21世纪的制造业发展的总趋势是柔性化、灵捷化、智能化和信息化，而数控机床则是实现柔性化、灵捷化、智能化和信息化加工制造的基本单元。

因此，数控加工技术是制造业中的一项关键的迅速发展的新技术之一，在机械制造行业中具有重要的地位和作用。

数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势。

结合我国实际国情，经济型数控机床是我国从普通机床向数控机床发展的及其重要的台阶。

利用现有的普通机床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。

车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。

数控机床的通用性、柔性、适应性、扩展性，并迅速向智能化、网络化方向发展，成为当前数控技术发展的主要方向[1]。

1.2课题的内容

本次设计的改造对象是沈阳第一机床厂生产的车床CAK6150。

其主要内容可以分为：

一部分包括机械结构改造，一部分包括电机的选择，通过计算选用电机的型号;另一部分是CAK6150的数控改造。

含有：

电机连接架改造、电气控制柜设计及其改造、NC系统改造。

具体方案：

    1、法兰盘的设计：

旧的法兰盘不再适用新的电机，重新设计新的法兰盘，并画出图。

2、电控设计

3、操作台设计

4、精车铣刀盘 

5、箱体设计 

7、选用广州数控公司GSK步进伺服电动机，对其校核（包括其扭矩等）。

8、电机选定以后，对其制作新的箱体。

9、选择合适的联轴器与之对应

10、制作操作台的箱体。

CAK6150数控车床采用的是闭环控制，即使用步进电机来传递运动，在现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工存在很多问题。

整个机床的加工精度不高。

经分析决定采用由伺服电动机构成的闭环控制系统。

在CAK6150车床的主轴传动系统改造中，主要完成伺服电机的定位安装以及伺服电机与主轴的运动传递。

除此而外，为了使车床操作更加方便快捷，还为CAK6150配备了电气控制柜（内容包括：

绘制电气原理图、设计控制柜的结构和完成电器元件的连接、安装及控制柜的调试）。

最后，将控制柜和CAK6150数控车床联接起来，最后检验改造的情况，解决其中存在的问题。

1.3国内外数控机床的现状和发展趋势

机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测及精密数控机械等多学科的最新技术成果而发展起来的完全新型的机床，数控机床的诞生和发展标志着机床工业乃至整个制造业进入了一个数字化的新时代。

数控系统经历了从硬件数控到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机平台的数控六代的发展，数控机床的控制轴已由单轴的点位控制，两轴联动发展到五轴以上联动。

在数控机床的品种、加工范围和加工精度等方面也有了惊人的发展。

超大规模集成电路及微型计算机的发展，使数控机床的性能价格比有了很大提高，并大幅提高了系统的可靠性。

特别是实现柔性自动化生产基本单元的数控加工中心的发展，有效的成为先进制造技术（AMT）的最有效的载体，成为迄今为止最完善的自动化单机。

在许多数控机床上已具有自适应控制、自动检测、软件精度补偿、自动换刀、自动交换工件、动态加工图象显示、现场编程及机床故障自动诊断等功能。

某些数控机床还带有自动监控刀具磨损、破损、切削振动，以及主轴功率超载监控等装置。

这些都有效地完善了数控机床的适宜性和提高了平均无故障间隔时间。

在工业发达的国家中，数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域[2]。

从总体上来说，数控机床正向高速化、高精度化和高智能化方向发展。

数控系统必须能够高速计算和处理伺服系统的位移量并做出快速响应。

为了进一步减少空行程时间，要求数控机床能在极短时间内实现升速或降速，以保持很高的定位精度。

因而数控系统必须带有高精度的位置检测装置，并通过误差补偿技术进一步提高定位精度。

随着人工智能技术在计算机领域的普遍应用，数控机床的智能化程度也不断提高。

数控系统通过对机床运动中的各种重要信息的采集，自动调整系统的有关参数，达到最佳状态的自适应控制。

同时将专家的经验和加工中的各种规律输入计算机系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立起具有人工智能的专家系统。

还可以通过自动检测负载的动态变化过程，由数字伺服装置自动调整参数，使系统处于最佳运行状态[3]。

近10年来我国在数控机床的开发和生产方面已取得了长足的进步。

我国已研制了具有我国自主版权的数控技术平台和数控系统。

这些系统控制轴数可达24轴，联动轴数可达5～9轴，最小分辨率0.1μm，快速运动可达24m/min，平均无故障间隔时间为11000h。

基本系统集成度高、体积小，普遍采用了数字交流驱动技术并研制最新的电力电子器件与其配套，在编程方面开发了图形交互多维数控自动编程系统。

在取得了上述成就的同时也应看到我国数控机床与世界工业化国家相比还有不少差距，最大的差距是商品化率和市场占有率不高，今后应迎头赶上。

1.4课题的目的、意义及个人从中的锻炼和提高

通过改造，提高了CAK6150数控车床的加工精度，提高了生产效率，能加工多变的零件，有利于复杂工件的数控加工。

除此而外，由于配备了电气控制柜，将使数控加工及其辅助操作变的更加方便快捷。

数控机床可以较好地解决形状复杂，精密，小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。

首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常心有余而力不足；目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换分别不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；因此，对CAK6150普通车床的数控化改造事在必行，不但节省资源，而且还节省了不少资金的不必要浪费。

所以机床的数控化改造适合中小型企业，也适合我国的基本国情。

这次毕业设计给了我将课堂所学到的知识应用于实践的机会，使我对数控车床的结构、控制方式及电气控制等方面的知识有了进一步的感性认识，为以后的工作和学习打下了坚实的基础。

第2章机床数控改造主要步骤

2.1改造方案的确定

将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术方案，搞好机床的改造设计。

进行改造的可行性分析，针对某台或几台机床的的现况确定改造方案，一般包括以下几方面。

1、修理与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。

要确定修理的要求、范围、内容；确定因电气改造而进行机械结构改造的要求、内容；确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。

力学性能的完好是电气改造成功的基础。

2、先易后难、先局部后全局确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、而板控制与强电部分等，各系统基本成型后，再互联完成全系统工作，从而减少遗漏和差错。

3、使用条件选择电气系统确定被改造机床的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，作为选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等的依据。

当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。

4、改造范围的确定有时数控机床电气系统改造，并不一定包含机床全部电气系统，应科学地测定和分析并决定机床改造范围。

考虑生产紧张程度，新系统大小与复杂程度等。

2.2改造的技术准备

改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。

1、机械部分准备为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。

同时对停机后需拆、改、加工的部分等应先规划完毕，提出明确要求。

2、熟悉消化新系统对新系统的新功能、新要求、新技术（包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、编程手册等）进行熟悉、消化。

做到思路清晰层次分明。

3、新旧系统接口的转换设计根据每台设备改造范围不同，进行接口部分的转换设计，若需要全部改造，应设计机电转换接口、操作面板控制与培植、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小联接点少，强弱点干扰最小，备有适当裕量等。

若只是进行局部改造，则需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大限变换、安装位置、数模转换等，必须时需自行制作转换接口。

4、调试步骤与验收标准的确定新的电气系统改造完以后，进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。

调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感器等。

调试步骤可由简到繁，从小到大，先子系统后整系统进行。

验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。

标准一旦确定下来，则不可修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。

2.3伺服系统与位置控制器选型计算方法

1、指令位移与实际位移：

S=

式中，S：

为实际位移mm；

I：

为指令位移mm；

δ：

为CNS最小单位mm；

CR：

为指令倍频系数；

CD：

为指令分频系数；

DR：

为伺服倍频系数；

DD：

为伺服分频系数；

ST：

为伺服电机每转分度数；

ZD：

为电机侧齿轮齿数；

L：

为丝杆螺距mm；

通常S=I，指令值与实际值相等。

2、CNC最高指令速度：

式中，F：

为指令速度mm/min；

fmax：

为CNC最高输出频率Hz（GSK980为128000）。

3、伺服系统最高速度：

Vmax=nmax

式中，Vmax：

为伺服系统允许工作台最高速度mm/min；

nmax：

为伺服电机允许最高转速r/min；

机床实际最高速度受CNC及伺服系统最高速度限制。

4、机床最小移动量：

=

式中，：

为机床最小移动量mm；

N：

为自然数；

INT（）：

表示取整；

INT[]min：

表示最小整数。

2.4伺服驱动电机

1、广数SJT系列三相交流永磁同步伺服电机具有的技术优点：

（1）采用新型稀土材料，输出功率大；

（2）电机低速特性好，调速比大于1：

10000；

（3）介电强度和绝缘电阻高，使用安全；

（4）过载能力强，瞬间转矩可达额定转矩的八倍。

2、端子说明

SJT系列电机绕组

电动机的三相绕组U、V、W和机壳地通过一个4芯接插件引出，其对应关系为U、V、W、机壳地分别接驱动器的主回路U、V、W、PE端子。

光电编码器引线通过一个15芯接插件引出，其对应关系为，引出线接驱动器要求连接到驱动器反馈信号CN2头上。

第3章CK6150车床改造

3.1车床控制方式改造

开环控制是指不带位置反馈装置的控制方式。

由功率步进电机作为驱动器件的运动系统是典型的开环控制。

数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或运动。

运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和和脉冲数所决定的。

开环控制具有结构简单和价格低廉等特点。

但通常输出的扭矩值的大小受到了限制，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。

开环控制对运动部件的实际位移量是不进行检测的，因而不能进行运动误差的校正，步进电动机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。

目前，开环控制已不能充分满足数控机床日益提高的对控制功率、快速运动速度和加工精度的要求。

但近年来由于发展了步进电机的细分技术，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电动机在低扭矩、高精度、速度中等的小型设备的驱动控制中得到了广泛的应用，特别是在微电子生产设备中充分发挥了它的优势。

而半闭环控制是在开环控制伺服电机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接的检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。

随着脉冲编码器的迅速发展和性能的不断完善，作为角位移检测装置可以方便地直接与直流或交流伺服电动机同轴安装，特别是高分辨率的脉冲编码器的诞生，为半闭环控制提供了一种高兴能价格比的配置方案。

由于惯性较大的机床运动部件不包括在该环之内，控制系统的调试十分方便并具有良好的系统稳定性。

甚至可以将脉冲编码器与伺服电动机设计成一个整体，使系统变的更加紧凑。

但由于闭环系统将运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的误差无法得到校正或消除。

可幸的是目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有很好的精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向运动间隙的结构，完全可以满足绝大多数机床用户的需要。

因此，在一般情况下，半闭环控制成为首选的控制方式被广泛采用。

位移量进行比较，用差值控制部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。

闭环控制的主要特点是将机械传动链的全部环节都包括在闭环之内，因而从理论上说，闭环控制的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关。

很明显其控制精度将超过半闭环系统，这就为高精度数控机床提供了技术保障。

但闭环系统除了价格较昂贵外，对机床结构及传动链仍然提出了严格的要求，传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，以及机床结构的抗振性等因素都回增加系统调试的困难，甚至使伺服系统产生振荡，降低了稳定性。

上述为三种控制方式的比较,CAK6150普通车床为闭环控制方式的机床，本次设计的最终目的是为了完成CAK6150普通车床的数控化改造。

所以本次改造将继续使用闭环的控制方式，不改变其控制方式。

图3-4改造前车床主轴传动系统简图

3.2车床主轴传动系统改造

如图3-4和3-5所示，在本次改造中，首先用三个伺服电机来代替原来的步进电机来实现传动，采用伺服电机传动可以更加准确的控制车床的速度和位移量，这对于加工高质量的工件是非常有利的。

其次，如图3-4所示原机床的主轴链是由步进电机，经带传动和传动机构才到达主轴，由于带传动和传动机构的影响，机床的精度将要降低。

为了进一步提高机床精度，用同步带直接驱动主轴的方式来代替原来的传动方式。

图3-5改造后车床主轴传动系统简图

3.3电气控制柜设计

3.3.1绘制电气原理图

为了使车床的操作更加方便快捷，提高车削加工的效率，在本次设计中专门为车床设计了一个电气控制柜，用以方便操作者使用机床。

图3-6和图3-7分别是就是控制柜的电气原理图和布局图。

如图3-6所示，在控制柜的电气图中共包括以下