1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 普通车床的数控化改造 1 前言 针对现有常规普遍车床的不足提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8051 为 CPU 的控制系统，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。 我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧 机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加
2、工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10 左右，差距太大，急待改造。 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 其二是 NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统 ，改造成 NC 机床、 CNC 机床； 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求
3、的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从 1979-1988 年， 全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，不仅没有创造财富，反而消耗着财富，有的设备或生产线不能正常运转，使企业的效益受到影响，陷入困境这些不能使用的机床设备、生产线是一批很
4、大的存量资产，修好了就是财富只要找出主要的技术难点，通过数控化改造提高技术性能和装备水平，就可以最小的投资2 盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。 所以机床的数控化改造是势在必行的 ，我国必须提高普通机床的数控化改造率。 数控未来发展的趋势 继续向开放式、基于 PC 的第六 代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普
5、遍。 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 2 文献资料综述 【 1】 . 机床数控化改造技术 ， 罗永顺 主编： 机械工业出版社 ， 2007 本书主要介绍了数控机床的基本结构和工作原理，详细阐述了数控系统、伺服系统、机械结构、 电气系统 、液压系统改造设计中使用的技术、方法及出现的常见问题及解决方法，并简要介绍了数控机床的精度及可靠性的分析与实现。本书能准确、详细地指导学生和技术人员实施对机床的数控化改造。 1 数控系统发展简史 1946 年诞生了世界上第一台电子计算
6、机 ，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。 它与人类在农业 、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社 会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 2 机床数控化改造的必要性 2.1 微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性， 而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力 。 2 1 1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 3 由于计算机有高超的运算能力
7、，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲 面。 2 1 2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储 下来， 然后按程序规定的顺序自动去执行 ，从而实现自动化。数控机床只要更换 一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了 “柔性自动化 “。 2 1 3 加工零件的精度高 ，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要 “修配 “。 2 1 4 可实现多工序的集中 ，减少零件 在机床间的频繁搬运。 2 1 5 拥有自动报警 、自动监
8、控、自动补偿等多 种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 2 1 6 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等。 2 2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统 产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到
9、 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性 【 2】 机床切削机床概论 贾亚洲主编 .机械工业出版社 .1996 普通卧式车床 CA6140 工艺范围和布局 CA6140 型卧床的工艺范围很广，它适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面， 如车削内外圆柱面 、圆锥面、环槽及成形回转面；车削端面及各种常用螺纹； 还可以进行钻孔 、扩孔、铰孔、滚花、攻螺纹和套 螺纹等。 普通卧式车床 CA6140 传动系统 分析机床的传动系统时，应根据被加工工件的形状确定机床需要哪些运动，实现各个运动的执行件和
10、运动源是什么，进而分析机床需要有哪些传动链。方法是：首先找到传动链所联系的两个端件 (运动源和某一执行件，或者一个执行件和另一执行件 )， 然后按照运动传递顺序从4 一个端件向另一端件依次分析各传动轴之间的传动结构和运动传递关系 ，查明该传动链的传动路线以及变速、换向、接通和断开的工作原理。 机床运动计算按每一传动链分别进行，一般步骤为： (1)确定传动链的两端件 ，如电动机 主轴，主轴 刀 架等； (2)根据传动链两端件的运动关系，确定它们的计算位移，即在指定的同一时间间隔内两端件的位移量。例如，车床螺纹进给传动链的计算位移为：主轴转一转，刀架移动工件螺纹一个导程 L(单位为 mm)； (3
11、)根据计算位移以及相应传动链中各个顺序排列的传动副的传动比 ，列写运动平衡式 ； (4) 根据运动平衡式，计算出执行件的运动速度 (转速、进给量 等 )或位移量，或者整理出换置机构的换置公式， 然后按加工条件确定挂轮变速机构所需采用的配换齿轮齿数 ，或确定对其他变速机构的调整要求。 普通卧式车床 CA6140 结构 三箱 主轴 箱：内装有主轴实现主运动，主轴端部有三爪或四爪卡盘以夹持工件 进给箱： 作用是变换进给量 ，并把运动传给溜板箱 溜板箱：带动刀架实现纵向、横向进给，快速移动或车螺纹 刀架：装四组刀具，按需要手动转位使用 尾座：支持工件或安装钻头等孔加工刀具 床身：部件都安装在床身上，以
12、保持部件间相互位置精度。 基本参数 床身上最大回转直径 mm： 400 刀架上回转直径 mm： 210 二顶尖间距离 mm 主轴通孔直径 mm 主轴头形式 ： A6;C8;D8 床身导轨宽度 mm:400 床身导轨硬度 RC:52 主电机功率 kW： 705 技术参数 主轴转速范围 （ 24） r/min： 10-1400 5 进给量范围（标准） mm/r ： 0.08-1.59 进给量范围（细进给） mm/r： 0.028-0.054 进给量范围（加大进给） mm/r： 1.71-6.33 加工公制螺纹范围（ 44 种） mm： 1-192 加工英制螺纹范围（ 20 种） tpi： 24-2
13、 加工模数螺纹范围（ 39 种） mm： 0.25-48 加工径节螺纹范围（ 37 种） DP： 1-96 外观参数 机床净 kg： 1990 机床轮廓尺寸（长 宽 高） mm： 241810001267 机床包装尺寸（长 宽 高） mm： 255012601760 性能描述 本机床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作 。 【 3】机械原理，高等教育出版社 , 1995，孙桓等主编 . 一、平面四杆机构具有以下传动特点 1.1、连杆机构中的运动副一般均为低副（ lower pair）。低副运动副元素为面接触，压强较小，故
14、可承受较大的载荷；切有利于润滑，磨损较小；运动副元素几何形状简单（平面或圆柱面），便于加工制造，成本低。 1.2、在连杆机构中，当原动件的运动规律不变，可用改变各 构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。 1.3、在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线），其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。 二、连杆机构的缺点 2.1、由于连杆几的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低。 2.2、在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运
15、动，所以产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷 (dynamic load)，所以连杆机构不宜用于高速运动。 6 三、机械中的力 3.1、驱动力 驱使机械运动的力。 特点：驱动力与其作用点速度的方向相同或成锐角。其所作的功为正功，称为驱动功或输入功。 3.2、阻抗力 阻止机械运动的力。 特点：阻抗力与其作用点速度的方向相反或成钝角。其所作的功为负，称为阻抗功。 3.2.1、有效阻力 机械在运动过程中为了改变工作物的外形、位置或形状等所受到的阻力。如机床中工件作用于刀具上的切削阻力，起重机所起重物的重力。克服有效阻力所作的功称为有效功或输入功。 3.2.2、有害阻力 机械
16、在运动过程中所受到的非生产阻力。如摩擦力、气液等介质阻力。克服有害阻力所作的功称为损失功，它纯粹是一种浪费。 3.3、滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 【 4】 .金属切削手册 M，上海金属切削技术协会编：上海科学技术出版社， 1984 切削力计算的经验公式 通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削 力数据， 加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式 ，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是
17、指数公式，二是单位切削力。 1.1 指数公式 主切削力 (2-4) 背向力 (2-5) 进给力 (2-6) 式中 Fc 主切削力（ N）； Fp 背向力（ N）； Ff 进给力（ N）； Cfc 、 Cfp 、 Cff 系数，可查表 2-1； xfc 、 yfc、 nfc、 xfp、 yfp、 nfp、 xff、 yff、 nff - 指数，可查表 2-1。 7 KFc 、 KFp 、 KFf - 修正系数，可查表 2-5，表 2-6。 1.2 单位切削力 单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用 kc 表示，见表 2-2。 kc=Fc/A d=Fc/(a pf)=F c/(b dh d)
18、(2-7) 式中 AD -切削面积（ mm 2）； ap - 背吃刀量（ mm）； f - - 进给量（ mm/r）； hd - 切削厚度（ mm ）； bd - 切削宽度（ mm）。 已知单位切削力 kc ,求主切削力 Fc Fc=kca pf=k ch db d (2-8) 式 2-8中的 k c是指 f = 0.3mm/r 时的单位切削力，当实际进给量 f大于或小于 0.3mm /r时，需乘以修正系数 Kfkc， 【 5】 .机电一体化系统控制张建明主编北京：高等教育出版社， 2001 1 伺服进给系统的选择 数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。 开环系统：结构简
19、单、工作可靠 、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在， 故精度和快速性较差 。开环控制的定位精度一般为 0.01 0.02mm ，不能满足横向最小运动单位 0.005mm/脉冲的要求。 闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。 闭环控制的定位精度一般为 0.001 0.003mm，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。 半闭环系统：结构简单、调整 方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。 2 伺服进给机构的改造 纵向进给机构的改造： 拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置
20、， 纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端 ，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。 横向进给机构的改造： 8 拆除原来横向进给的丝杠 ，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。 3 步进电动机的选用 选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高， 步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。 首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满
21、足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 【 6】机电传动控制邓星钟主编武汉：华中科技大学出版社， 2001 机电传动：机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的 总称，他的目的是把电能转化为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种工艺过程的生产要求，保证生产过程的正常运行。 机电传动系统：机电传动系统是一个由电动机拖动、并带动传动机构带动生产机构运转的机电运动的动力学整体。 反抗转矩也称摩擦转矩，是因摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩，机床加工过程中切削力所产生的负载转矩就是反抗转矩
22、。 【 7】机床数控技术 , 魏斯亮 张克义 主编 .北京 :大连理工大学出版社 ,2006 一 可编程序控制 1可编程序控制器简介 可编程控制器简称 PC（ Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器 PMC、可编程序顺序控制器 PSC、可编程序逻辑控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）和可编程序控制器 PC 几个不同时期。为与个人计算机（ PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器 PLC 这个老名字。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运
23、算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型 的机械或生产过程。 1987 年国际电工委员会 （ International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： 9 “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原
24、则而设计。 ” 2可编程控制器的 硬件系统 按钮 PLC 硬件系统结构图 3可编程控制器的工作原理 可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行 (RUN)状态与停止 (STOP)状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工 作状态。 扫描过程阶段图 二 计算机数控系统 计算机数控系统 (ComputeNumericalContr01)简称 CNC 系统，是一种用计
25、算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。数控机床在 CNC 系统的控制下，自动地按给定的加工程序加工出工件。所以，计算机数控系统是一种包含计算机在内的数字控制系统。 10 自 1952 年出现第一台数控铣床以来，一直采用硬件数控装置对机床进行控制，简称 NC 装置。经过大约二十年时间， 到 1971 年开始引入了计算机控制。一开始 CNC 系统中采用小型计算机取代传统的硬件数控 (NC)，但随着计算机技术的发展，现代数控机床大都采用成本低、功能强和可靠性高的微型计算机，取代小型计算机进行机床数字控制，简称 MNC，但是大家习惯上仍称它们是 CN
26、C。采用计算机控制和采用微型计算机控制的工作原理基本相同。 CNC 系统是一种位置控制系统。其控制过程是根据输入的信息 (加工程序 )，进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。 CNC 系统的核心是 CNC 装置。由于采用了计算机 ，使 CNC 装置的性能和可靠性提高，促使 CNC 系统迅 速发展。 可编程控制器 PLCC N C 控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打 印 机穿 孔 机电 传 机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单 元机床电器速度控制单 元位置检测进给电机主轴控制 单 元主轴电机CNC 系统的结构
27、框图 CNC 系统的功能 CNC 系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。 CNC 系统的功能主要反映在准备功能 G 指令代码和辅助功能 M 指令代码上。根据数控机床的 类型、用途、档次的不同， CNC 系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。 1. 控制功能 2. 准备功能 3. 插补功能 4. 进给功能 5. 主轴功能 6. 辅助功能 7. 刀具功能 8. 补偿功能 9. 字符、图形显示功能 10. 自诊断功能 11. 通信功能 12. 人机交互图形编程功能 三 位置检测装置 脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置 绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）等是绝对式测装置 1 光栅： 计量光栅是 用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中一种用得较多的测量
