1、 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 1 页 1 第一章 概述 1.O 引言 由于现代工业的飞速发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。 1.1 经济型数控改造的实际意义 目前，各企业一 般都有不少普通车床，完全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问 题，必须走普通车床数控改造之路。日本大企业中 有 26%的机床经过数控化改造
2、，而中小企业则占 74%;美国有许多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有 300 万台机床，其中大量的是通用车床。因此，普通车床的数控改造，大有可为。 数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。 1.1.1 技术分析 在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，有些企业已在这方面做 了有益的尝试。实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围。
3、 1.1.2 经济分析 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造，和购买新机床相比，则可以节省 50 以上的资金。一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1 3到 l 5，中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 2 页 2 一般用户都能够承担得起，这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的 吸引力。 1.1.3 市场分析 据国内资料统计，订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需
4、求的主要补充手段。 1.1.4 生产分析 在现代机械制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。若要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 1.1.5 综合分析 从上述分析中不难看出，数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、经济性 可观等优点。为此，在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较大的经济效益。 1.2 数控机床的基本结构及工作原理 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现： （ 1）根据被加工零
5、件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。 （ 2）所编程序指令输入机床数控装置中。 （ 3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。 （ 4）在机床上加工出合格的零件。 下面对其 各组成部分加以介绍。 1输入装置 数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 3 页 3 种是一次将零件加工程序全部读入
6、数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。 2数控装置 数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控 制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点
7、的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。 3驱动装置和检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息， 经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。 检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。 4辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编
8、译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅 助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。 现广泛采用可编程控制器（ PLC）作数控机床的辅助控制装置。 5机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 4 页 4 1.3 数控机床的分类 1.3.1 按加工工艺方法分类 1金属
9、切削类数控机床 有数控车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加 工机床和加工中心等。 2特种加工类数控机床 数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 3板材加工类数控机床 数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 4非加工设备，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 1.3.2 按控制运动的方式分类 1点位控制数控机床 机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。 如：数控坐标 镗 床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为 点位数控装置。 2点位直线控制数控机床
10、机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且要控制工作台以一定的速度沿平行坐标轴方向进行直线切削加工。主要有简易数控车床、数控镗铣床等。 3轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床不仅可完成点位及点位直线控制数控机床的加工功能，而且能够对两个或两个以上坐标轴进行插补，因而具有各种轮廓切削加工功能。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。轮廓控制系统的结构要比点位直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断 进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 1.3.3 按驱动装置的特点分类 1开环控制数控机床 其控制系统不带反馈装置，通常使用功率步进电动机为伺服执
11、行机构。 开环控制系统结构简单，成本较低。不能进行误差校正，步进电动机的失步、中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 5 页 5 步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 2半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝 杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。半闭环数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，使结构更加紧凑
12、。 3闭环控制数控机床 闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 6 页 6 4混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或 重型数控机床。混合控制系统又分为两种形式： （ 1）开环补偿型控制方式。其特点是基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 （ 2）半闭环补偿型控制方式。其特
13、点是用半闭环控制方式取得高速度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。 1.4 数控机床的特点及应用范围 1.4.1 数控机床的加工特点 1加工精度高 目前数控机床的脉冲当量普遍达到了 0 001 mm，而且进给传动链的反向间隙与丝 杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。数控机床的加工精度由过去的 0 01 mm 提高到 0 005 mm。定位精度 90 年代初中期已达到 0.002mm 0 005 mm。 2对加工对象的适应性强 在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。 3自动化程度高，劳动强度低
14、中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 7 页 7 数控机床对零件的加工是按事先编 好的程序自动完成的 ,操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁 重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到了相应的改善。 4生产效率高 数控机床能有效的减少机动时间与辅助时间，每一道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和定位的时间比一般机床少得多。 5良好的经济效益 在单件、小批量生产的情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品
15、率等，因此能够获得良好的经济效益。 6.有利于现代化管理 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作 。这些特点都有利于使生产管理现代化。 1.4.2 数控机床的应用范围 数控机床最适合加工具有以下特点的零件： （ 1）多品种小批量生产的零件； （ 2）形状结构比较复杂的零件； （ 3）精度要求高的零件； （ 4）需要频繁改型的零件； （ 5）价格昂贵，不允许报废的关键零件； （ 6）需要生产周期短的急需零件； （ 7）批量较大，精度要求高的零件。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 8 页 8 第二章 经济型车床数控改造总体方案的确
16、定 2.1 设计任务 (1)采用 ISO 标准语言，绝对 /增量方式混合编程。 (2)连续方式控制 X,Z 向二轴。 (3)脉冲当量 :X 向， 0. 005mm/脉冲 ;Z 向 0.Olmm/脉冲。 (4)快速定位速度 :X 轴为 lm/min, Z 轴为 3m/min。 (5)最大编程尺寸 :士 9999. 99mm, 8 位数码管。 (6)最大加工速度 :直线为 1. 5m/min，圆弧为 0. 6m/min。 (7)螺纹加工 :公制 0. 25 12mm，英制 33.5 3牙 /吋。 (8)数控系统程序存储器和数据存储器各 8KB。 2.2 总体数控改造方案设计 本次设计属于经济型数控
17、化改造， 基本原则是 在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少 ,以降低成本 。总体方案为： 本设计利用数控装置对 CA6140 普通车床进行 控制 ,主传动系统部分 采用交流 调频 主轴电动机经带轮及 分 级齿轮 变 速 箱 驱动主轴 ， 通过变频器 和齿轮变速箱实现分段无级变速 ； 进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动 ， 在纵向进给系统中通过一级齿轮 减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠 ； 刀架改为自动转位刀架 (四工位 )从而实现自动换刀；通过 MCS-51系列 8051 单片机对数据进行计算处理，由 I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速 度和
18、行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 9 页 9 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 10 页 10 第三章主传动系统设计 3.1 概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。 主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件，相比普通车 床的主传动系统在结构上比较简单，因为变速功能由主轴电动机的无级 调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的
19、变速范围 。 3.1.1 数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点 ： 1) 转速高、功率大。使数控机床能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 2) 变速范围宽。一般 Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 3) 主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。 主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持 性。 3.1.2 数控机床主传动系统的设计要求 1) 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和和制动。 2) 主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 3) 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。 4) 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 5) 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。
