1、 学号： 湖南理工学院成教学院 毕业论文 题 目： 普通车床的数控化改造 作 者 年 级 函 授 站 专 业 指导老师 职 称 层 次 完成时间 第 1 页 共 23 页 摘 要 数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造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，大幅度提高生产 效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机
2、床的数控化改造大有可为。 本文通过对 CA6140 普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造。 关键词 ： 数控；改造；车床。 第 2 页 共 23 页 目 录 摘 要 . 1 目 录 . 2 绪 论 . 4 1.数控机床改造的背景和意义 . 4 1.1 数控机床在我国的发展现状 . 4 1.1.1 车床数控化改造的意义 . 5 1.1.2 普通车床数控化改造的优点 . 6 1.2 数控化改造的内容 . 7
3、1.3 机床数控化改造的必要性 . 10 2车床 数控改造的构思与方案 . 11 2.1 改造任务 . 11 2.2 改造方案的论证 . 11 2.3 改造方案的确定 . 12 3主要结构的数控改造方法 . 13 3.1 数控系统的改造 . 13 3.1.1 数控系统的选择 . 13 3.1.2 电气控制原理 . 14 3.2 纵向（ Z 向）进给系统的改造 . 16 3.2.1 改造思路 . 16 3.2.2 实施步骤 . 17 3.3 横向（ X 向）进给系统的改造 . 18 3.4 刀架 . 19 3.4.1 选用选用 LD4-6132 型电动刀架 . 19 3.4.2 实施步骤 . 1
4、9 3.5 主轴传动系统的改造 . 19 3.5.1 改造思路 . 19 3.5.2 实施步骤 . 19 3.6 滑动导轨副的改造 . 19 4安全防护 . 19 4.1 硬防护 . 20 4.2 软防护 . 20 第 3 页 共 23 页 5总结 . 20 参考文献 . 21 致 谢 . 22 第 4 页 共 23 页 绪 论 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零 件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。 数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序
5、自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。 尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目前我国在役机床总量约 380 万台，其中数控机床总数只有 11 万多台，数控机床占有率不足 3，而一些工业发达国家早已达到 20以上。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平 差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率已经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大
6、量的普通机床，完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分机床服役龄较长，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径，是企业必走之路。 制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控 机床。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。利用现有普通车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。因为一方面我国普通车床保
7、有量大，要将普通车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通车床为主，普通车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。 1.数控机床改造的背景和意义 1.1 数控机床在我国的发展现状 我国是世 界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势 ,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求 ,而另一方面却有不少国产机床滞销积压 ,国外机床产品充斥市场。 90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右 ,而 95 年已达 77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。 第 5 页 共 23 页 这种
8、现象的出现 ,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外 ,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进 ,新产品 (包括基型、变型和专用机床 )的开发周期长 ,从而不能及时针对用户的需 求提供满意的产品。具体地说 ,这个问题反映在下列五个方面 : (1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 15 18个月 ,其中设计时间约为 5 8个月 ,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 6 9 个月 ,其中设计约 1.5 2 个月 ,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。 (2) 我国工厂由于缺
9、乏设计的科学分析工具 (如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等 ),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计 ,使设计一次成功的 把握性降低 ,往往需要反复试制才能定型 ,从而可能错过新产品推向市场的良机。 (3) 用户根据使用需要 ,在订货时往往提出一些特殊要求 ,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求 ,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外 ,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周 ,而在我国机床厂用手工操作就至少需 1 2 个月 ,且由于这些图纸和文件涉及多个部门 ,常会出现漏改和失误的现象 ,影响了产品的质量和交货期。 (4)
10、现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数 ,他们的专业知识和实际经验不足 , 又担负着开发的重任。 (5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立 ,缺乏有效的协同开发的模式 ,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见 ,容易造成产品的反复修改 ,延长了开发的周期。 为解决这些问题 ,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术 ,发展优化和仿真技术 ,提高产品结构性能 ,并建立起基于并行工程 (Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境 ,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面 ,使企业取得良好的经济效益
11、。 1.1.1 车床数控化改造的 意义 我国现在拥有数量多达 300 多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段 。 第 6 页 共 23 页 1.1.2 普通车床数控化改造的优点 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴 起，促使机床的控制信
12、息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速 ，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字
13、信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： (1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 (2) 加工精度高，具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； (4) 加工零件 改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； (5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的 35 倍）； (6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条
14、件； (7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成： (8) 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 (9) 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、 CRT 显示器、键盒、纸带阅读机 等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (10) 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动
15、时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 (11)辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、第 7 页 共 23 页 数控转台和数控分 度头，还包括刀具及监控检测装置等。 (12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年
16、在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，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。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机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。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利
17、用数控、数显、 PC 技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。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。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 1.2 数控化改造的内容 车床数控化改造的主要内容和主要结构形式如下： 1、进给轴的改造 普通车床的
18、X 轴和 Z 轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即 Z 轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即 X 轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为： Z 轴：纵向电机 减速箱（或联轴器） 纵向滚珠丝杠 大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。 X 轴：横向电机 减速箱（或联轴器） 横向滚珠丝杠 横滑板，横向按数控指令第 8 页 共 23 页 获得不同的走刀量。 改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的
19、关系。 (1）滚珠丝杠副的选择和布置结构形式 普通车床大多采用的是 T 型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达 0.90 0.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不 易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋
20、转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。 滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺 母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。 改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原 T 型丝杠直径相近，对有特殊要求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终
21、确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选 P4 级即可满足要求，特殊精密机床选 P3 级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的 需要可以分为以下几种，如图 1。 (a) (b) (c) (d) 图 1 丝杠副轴承的布置 .图 1 a 中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴第 9 页 共 23 页 向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。 .图 1 b 中为一端固定，一端支
22、承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 1 d 中为两端固定的布置方式。这种布 置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。 (2）机床导轨 普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因
23、此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修 ，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。 (3）电机与丝杠的联接 在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如 C6116型，由于空间尺寸有限，特别是 X 轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如 C6150，床身长 5 米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级
24、减速来传动。无论是 采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。 2、主轴部分的改造 车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（ 9 24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点： 如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。 如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重 要部分，传统车床加工螺纹
