1、毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： CA6140 机床数控化改造设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） CA6140 数控化改造设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。II无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 CA6140 机床数控化改造设计 2、专题 二、课题来源及选题依据在我国目前
2、拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。机床完成数控化改造后，可大幅进步机床的加工功率和自动化、智能化程度。下降了操作者触摸风险部位的可能性;操作系统和操作界面越来越契合人机工程学的需求，可有用削减操作者的失误率，削减因失误发生的事端，将带来宏大的安全效益。三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解数控机床的工作原理，国内外的研究发展现状； 完成 CA6140 机床的主拖动系统变频调速系统改造；并利用 PLC 完成控制系统设计； 完成有关零部件的选型计算；PLC 程序设计； III 熟练掌握有
3、关计算机绘图软件，并提供电气原理图，接线图等设计图纸； 完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料 1 篇。 六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师 签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所所长 签名摘 要在机电液气一体化设备中，数控机床是一种经典的设备。在机械制造中，生产零件结构复杂、要求高精度、产品的批量生产、零件外形多变的问题，用数控机床都能得到很好的解决，并且数控机床还具有稳定的加工质量，生产效率水平高的优点。作为一条提升企业生产效率和生产质量的有效途径购买新的数控机床具有高成本的缺点，许多企业都因资金不足而望而却步，这大大拖慢了企业换代旧设备的进度。所以对于普通或者旧机床的数控化改
4、造，是一条降低成本，但同时又能增加产品质量及生产效率的方便路径，通过数控化改造能增加企业竞争力，在我国制造业飞速发展的道路上，数控化改造是一个重要方面。第一章 阐述了课题的研究内容和意义以及数控化改造的研究现状，国内外的发展史；第二章 主要阐述了车床数控化改造的总体方案；第三章 主要论述了SINUMERIK 802D数控系统特点， PLC设计；第四章 主要对机床电气部分进行了改造，设计了机床的主电路和控制电路第五章 对机床机械部分进行了改造，对滚珠丝杠和步进电机进行了设计以及选型。关键词：数控化改造；PLC；控制IVAbstractAs a representative products of
5、 mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Purchasing new numerically controlled machines
6、is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted seriously. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production
7、 precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country.The first chapter describes the content and significance of research projects, the transformation of NC Research and the history of the development at
8、 home and abroad;The second chapter give an explanation the overall program of the NC lathe;The third chapter focuses on the SINUMERIK 802D CNC system features and PLC design;The fourth chapter transforms electrical part of the machine, design the main circuit and control circuit.The fifth chapter t
9、ransforms the machine mechanical part, the ball screw and stepper motor designing and selection.Key words: Transformation of NC; Programmable Logic Controller ; controlVV目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV目 录 .V1 绪论 .11.1 本课题的研究内容和意义 .11.2 国内外的发展概况 .11.2.1 国内外数控机床的发展概况 .11.2.2 国内外数控机床改造概况 .21.3 本章小结 .42 CA6140
10、普通车床数控改造总体方案的设计 .52.1 设计任务 .52.2 原机床简介 .52.2.1 原机床功能 .52.2.2 原机床传动系统 .52.2.3 原机床电气控制 .52.3 总体改造方案 .72.3.1 实现主轴变频调速 .72.3.2 进给系统的改造 .72.3.3 数控系统选择 .72.4 本章小结 .73 数控车床电气控制设计 .83.1 CA6140 车床电气控制 .83.1.1 CA6140 车床运动形式 .83.1.2 电力拖动特点和控制电路 .83.2 数控化改造的电气控制设计 .83.2.1 数控车床主电路设计 .83.2.2 数控车床控制电路设计 .103.3 本章小
11、结 .104 CA6140 车床数控化改造的数控系统 .114.1 数控改造的控制方式选择 .114.2 数控系统的选择 .124.3 PLC 输入 /输出 .124.3.1 输入接口 .124.3.2 输出接口 .124.3.3 电源 .134.3.4 输入/输出（I/O）点的统计 .134.4 主拖动系统变频调速改造 .15VI4.4.1 CA6140 车床主拖动系统 .154.4.2 主轴变频控制的基本原理 .164.4.3 变频器的选用 .164.5 梯形图编程 .174.6 本章小结 .225 进给系统的改造设计 .235.1 纵向（Z 向）进给系统的设计与计算 .235.1.1 纵
12、车外圆切削力的计算 .235.1.2 纵向（Z 向）滚珠丝杠的计算和选型 .235.1.3 纵向（Z 向）步进电机的计算和选型 .255.2 横向（X 向）进给系统的设计与计算 .265.2.1 横切端面切削力的计算 .265.2.2 横向（X 向）滚珠丝杠的计算和选型 .265.2.3 横向（X 向）步进电机的计算和选型 .285.3 本章小结 .296 总结与展望 .306.1 论文总结 .306.2 展望 .30致谢 .31参考文献 .32CA6140 机床数控化改造设计11 绪论1.1 本课题的研究内容和意义本课题研究的内容是：了解数控机床的工作原理，完成CA6140 机床的主拖动系统
13、变频调速系统改造；并利用PLC完成控制系统设计，完成有关零部件的选型计算；PLC程序设计，并提供电气原理图，接线图等设计图纸。本课题研究的意义是：伴随着科学技术的提升，普通机床的生产力越来越不能满足市场的需求，而且普通机床需要高强度的劳动力，还伴随着高危险性，并且如今众多产品所需要的批量生产也得不到满足。所以普及数控化机床成为越来越多企业所追求的“潮流”。但是许多企业“心有余而力不足”，他们所使用的机床大多还是陈旧的普通机床，如果大批量引进全新的数控化机床必将“伤筋动骨”。在如此的宏观局面下，数控化改造是有效提高工厂数控化率，控制经济成本的捷径。本文以CA6140 普通车床为例，预计数控化改造
14、后能具备的优点：（1）改造后的机床延长了服役时间，提高了精度，提升了自动化能力，具有较强的针对性，能满足生产的需求。在改造前，根据原老旧机床所存在的问题可以得出改造方案，需要改的部分，如何修改，最终能改造成什么状态都可以做出预估，最终能将科学技术转化为有效生产力。（2）原机床的绝大部分在改造中还可以保留使用，所需要的材料和资金都可以节省许多，而且能缩短生产周期，可满足生产急需。因为改造后的机床上大部分零件，组件，甚至有些传动部分都不需要更换，缩短了工期，节约了成本。（3）改造后的机床具有稳定的性能，能适应多种形状零件的小批量生产。数控化改造不需要更换机床上的大型结构件，而机床上的大型结构件一般
15、都是铸铁制成，随着时间的积累，其精度比新铸件更加稳定。完成改造的机床不仅能保留原有功能，而且能扩展出新的功能，能加工各类复杂型面类的零件。（4）根据生产的需求，改造可以预先定义改造后机床的精度和效率。改造后的机床跟全新数控化机床相比，更贴近企业对生产发展的需求；跟普通机床相比，其具有较高的自动化水平和效率，而且能较好地保证操作人员的安全。总之，对机床进行数控化改造具有较高的性价比。（5）在数控化改造期间，企业中的技术人员能清楚地了解原机床的结构与性能；各工科院校的学生在改造中也能提升自己的技术能力，更好地掌握科学技术。如若是相关学员，通过对机床的改造能缩短培训周期，更快得投入生产工作 1。1.
16、2 国内外的发展概况1.2.1 国内外数控机床的发展概况20世纪中期，有史以来第一台“电脑”在美国发明，没过多少时间，又是在美国，诞生了世界第一台数控机床数控三轴镗铣床，自此，跟随着微电子技术和计算机技术的发展潮流，数控机床技术得到了长足发展，在近半个世纪以来，数控机床的数控系统经历过了两个阶段，六个时代的发展。逻辑数字控制(NC)是数控机床经历的第一个阶段，第一阶段分为三个时期；电子管、晶体管和小规模集成电路；计算机数字逻辑控制无锡太湖学院学士学位论文2(CNC)是数控机床的第二段历程，从小型计算机发展到微处理器，最后到 PC机。如今，世界上数控机床的更新周期是2-3年，处于数控机床研发技术
17、第一梯队的是日本、美国、德国、西班牙等国家，在业界得到普遍认可的品牌有德国西门子、日本发那科、西班牙发格、法国NUM，这些品牌的产品不仅功能卓越，而且表现稳定，所以在全世界都有可观的市场。自从1980年之后，激烈的市场竞争导致了产品更迭周期越来越短，产品的批量生产发展势头迅猛。再者伴随着轻工业、汽车工业甚至航空工业的不断发展，产品需求趋向复杂化，高精度化，一切的发展推进着普通机床向高性能数控机床发展以适应各种零件的批量生产，在生产中数控机床的地位愈发重要，甚至能用数控机床的占有量来权衡一个国家的工业水平。因此，各个国家都在支持自动化机械制造技术的研发。相关数据表明，美国通用公司的数控机床占有了
18、七成的市场。另据不完全统计，自20世纪80年代以后，日本数控机床的生产量占所有机床生产量的八成，而且数控机床普遍都是高档机床 2。我国在近20世纪60年代起研发数控机床技术，研发的主要任务是对国外先进数控机床的拆解，研究，最终仿制。1975年左右，国内的零件制造水平低，电子元件质量不过关，导致不稳定，不可靠的国产数控机床始终得不到技术的突破。而且，价格也超出了一般企业的承受范围，没能普及开来。进入1980年以后，我国重新拾起数控机床技术的研发。到20世纪90年代初产量已经翻了几千倍，数控化产值从原先的不足百分之一上升到一成以上。数控机床上的生产已经形成一定规模，北京机床研究所作为领头羊，陆续涌
19、现出一些数控机床研发的机床厂。其主要数控系统产品型号有BF7、BF3 、MTCl等。随后许多机床厂家又研发出经济型数控系统，如：武汉华中数控有限公司、沈阳第一机床厂、西安微电子研究所等。数控机床正逐渐发展为两个分支：一个向大型、高性能发展，一个向经济型数控机床发展。经济型数控机床就是指用户能快速了解其操作流程，而且售价上低于同类产品，对于我国来说，符合生产需求，具有较高性价比的自动化机床。由上文可知，我国的数控机床发展在各方面都远落后于世界一流数控机床制造水平，而也我国工业水平发展落后也有很大一部分原因是数控机床制造技术的落后。1.2.2 国内外数控机床改造概况随着数控机床占领市场，数控系统的
20、价格日渐便宜，这无疑增加了普通机床数控化改造的优势，许多机械加工厂也确实逐渐把数控化改造当成一个新的扩展经营项目。各种品牌的机床翻新改造公司像雨后春笋般在包括很多工业发达国家在内的各个国家成立，接受普通或者旧机床的改造业务，甚至一些大型和重型机床也不在话下。在20世纪80年代初的德国希斯公司成功把一台曾是世界上最大的机床，超重型立式车床改装成数控机床。改装列表有，工作台导轨，主传动系统，刀架导轨，重量感应器以及数控装置等。而成功改造后的机床总花费仅相当于重新购买一台新机床价格的三成，而且其中机床维修费外加一个新的数控装置费用就占了总费用的近30%。这家公司还有另外的光荣事迹改造了一台稍小的超重型车床，而这次的总花费才相当于购买一台同规格新机床价格的两成不到 3。放眼我国，作为各国公认的培训机床制造业技术人员的模范，香港理工大学的工业
