机床数控改造机械系统设计23936.pdf

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1、 I 摘 要 随着科学技术的发展，数控机床被广泛应用于机械制造业。数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。数控机床更新换代是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。对于数控机床进行改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本论文以数控改造方法和单片机系统设计来完成对普通机床的改造，来提高加工精度和增加机床使用范围，提高生产力。介绍了普通机床机械部分的改造的设计和数控系统部分的设计。以 8

2、031 芯片对系统信息进行处理，用步进电动机为驱动电路。希望通过本文对数控机床改造、发展、研究提供一定的借鉴。关键词：机床；数控机床；机械改造 目 录 摘要.I 1 绪论.1 1.1 选题背景及意义.1 1.1.1 选题背景.1 1.1.2 选题意义.1 1.2 数控机床相关概念介绍.2 1.2.1 数控机床.2 1.2.1 数控机床结构.2 1.2.3 数控机床特点.3 2 数控机床机械部分改造方案设计.5 2.1 数控机床的选择.5 2.2 改进主轴电机.5 2.3 刀架部分的改造.5 2.4 机床的导轨选择.6 2.5 数控系统硬件电路改造.6 3 数控机床机械部分改造方案论证及确定.7

3、 3.1 总体方案的论证 .7 3.2 总体方案的确定 .7 4 改造方案实施应注意的问题.9 4.1 滚珠丝杠螺母副的选择.9 4.2 滚珠丝杠螺母副的调整.9 4.3 联轴器的安装.9 4.4 主轴脉冲发生器的安装.9 4.5 电动刀架的安装.9 总结.10 参考文献.11 致 谢.12 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 1.1.1 选题背景 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占

4、 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我国的数控机床的发展与国外相比严重滞后，本文根据实践经验及参考相关文献，提出数控机床机械部分改造方案，希望能够为我国数控机床发展完善提供一定参考。1.1.2 选题意义 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂

5、、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01 至 0.

6、02mm，已能满足 CA6140 车床改造后加工零件的精度要求。2 1.2 数控机床相关概念介绍 1.2.1 数控机床 数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。1.2.2 数控机床结构 数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主

7、机等组成。CA6140 型号数控机床机构图：1主轴箱 主轴箱 1 是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。图 1 CA6140 车床外形图 1主轴箱 2刀架 3尾座 4床身 5右床腿 6溜板箱 7左床腿 8进给箱 3 2刀架 四方刀架 2 装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、车内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短

8、锥面。3、尾座 尾座 3 可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。4、进给箱 进给箱 8 内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。5、床身及床腿 床身 4 是机床的支承件，它安装在左床腿 7 和右床腿 5 上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。6、溜板箱 溜板箱 6 与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。1.2

9、.2 数控机床特点（1）具有高度柔性 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必更换许多模具、夹具，不需要经常重新调整机床。因此，数控机床适用于所加工的零件频繁更换的场合，亦即适合单件，小批量产品的生产及新产品的开发，从而缩短了生产准备周期，节省了大量工艺装备的费用。（2）加工精度高 数控机床的加工精度一般可达 0.050.1MM，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一脉冲信号，则机床移动部件移动一具脉冲当量（一般为0.001MM），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杆螺距平均误差可由数控装置进行曲补偿，因此，数控机床定位精度比较高。（3）加工质量稳定、可靠 加工

10、同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。4 （4）生产率高 数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴声速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削。数控机床正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，极大地提高了生产率。另外，与加工中心的刀库配合使用，可实现在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。（5）改善劳动条件 数控机床加工前是经调整好后，输入程序并启动，机床就能有自动连续地进行加工，直至加工结束。操作者要做的只是程序的输入、

11、编辑、零件装卸、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验等工作，劳动强度大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是结合起来，既清洁，又安全。（6）利用生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，对所使用的刀具、夹具可进行规范化，现代化管理，易于实现加工信息的标准化，已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代化集成制造技术的基础。5 2.数控机床机械部分改造方案设计 2.1 数控机床的选择 (1)数控机床的伺服系统分为开环控制系统，中开环控制系统，闭环控制系统。因为开环控制系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本较低易改装成功，所以本设计选用开环控制

12、系统。（2）普通机床由软件、硬件和机械部分组成，而硬性是数控系统的基础，其性能的好坏，决定了数控系统的工作性能。在我改造机床适用普遍的为 Z80CPU和 MCS-51 系列的单片机，因其便宜、普及性强，满足经济型数控机床所需。其中 8031 芯片适用于扩展 ROM，可现场维修和更新程序存贮器的应用场合，且及格便宜适用方便，所以本设计确定的 CA6140 车床经济型数控机床为改造对象，选用以 MCS-51 系列单片机以 8031 芯片为核心。（3）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。电脉冲信号的产生、分配、放大靠电子元气的动作来完成，因此其控制信号的能力较差，故选用功率较大

13、的驱动电路。根据我国的步进电动机型号选择，我们选用了55BF003 型步进电动机，其参考数据如下表：相数 步距角 电压 相电流 3 1.5 3A 0.67N.m 空载启动频率 空载运行频率 分配方式 外形尺寸 1800 12000 三相六拍 55x70 x6 2.2 改进主轴电机 脉冲编码器又称为脉冲发生器。它是能够把机械转角变成为电冲脉，是数控机床使用广泛的位置控制装置。脉冲发生器的特点有 1、是非接触性的控制方式，无摩擦和磨损，驱动力小 2、由于光电交换器性能的提高，可以有较快的响应速度 3、由于照像腐蚀技术的提高可以制造高分辨率，高精度的的光电盘母盘制作后，复制方便且成本较低。2.3 刀

14、架部分的改造 6 目前的数控车床的刀架基本是电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或者少部分的电动，改造是可以根据需求对其进行更换。电动刀架可分为卧式转塔刀架和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位，其中每一种刀架又有抬刀刀架和和免抬刀刀架之分。卧式转塔刀架相对而言价格更高，改造中常用立式电动刀架。2.4 机床的导轨选择 普通车床导轨大多数采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数较大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床的传动精度和其保持性带来很大的影响。因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，对于磨损很严重的更要进行大修，即进行磨削

15、、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保持其精度。2.5 数控系统硬件电路改造 本系统选用 8031CPU 作为数控系统的中央处理机。外接一片 2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片 6264RAM 用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用 74LS138 译码器完成此功能。8279 作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255 接步进电机的环形分配器，分别并行控制X 轴和 Z 轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。7 3.数控机床机械部分改造方案论证及

16、确定 3.1 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。（1）数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。（3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，

17、软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑三方面要素，一是时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；二是可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；三是 I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和 MCS-51 系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 MCS-51 系列单片机，51 系列相对 48 系列指令

18、更丰富，相对96 系列价格更便宜，51 系列中，是无 ROM 的 8051，8751 是用 EPROM 代替 ROM的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。3.2 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 车床经济型数控。CA6140 车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z 轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。8 由 8031 单片机组成微机作为数控装置的核心，由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动

19、滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给微机。9 4 改造方案实施应注意的问题 4.1 滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。4.2 滚珠丝杠螺母副的调整 利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间

20、隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的 1/3 为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于 0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。4.3 联轴器的安装 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。4.4 主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的的引出轴按比例 1：1 无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主

21、轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。4.5 电动刀架的安装 电动刀台的两侧面应与车床纵向与车床横向的进给方向平行；电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在与：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架连线。1 0 总 结 本文通过对数控机床机械部分进行改造，总体方案的提出，并论证后提出方案结果。数控机床机械部分改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，

22、在我国有着广阔的市场。通过这次设计使我明白了自己的知识还比较欠缺，要学习的东西还太多。通过这次设计，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作中不断的学习，努力提高自己的综合素质。我相信通过这次设计会对以后工作有着重要的影响。而且大大提高了自己动手的能力，是我充分体会到了在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦。通过这次毕业设计使我受益非浅，为我今后的工作打下了良好的基础。1 1 参考文献 1.余英良著，机床数控改造设计与实例（第一版），机械工业出版社，2011，P1-38；2.卜云峰主编，机械工程及自动化简明设计手册（下册）（第二版），机械工程出版社，2015，P228-253；3.吴振彪主编,机

23、电综合设计指导(第一版)，中国人民大学出版社，2012，P1-116；4.晏初宏主编，数控机床，机械工业出版社（第二版）2016，P230-249，P1-18；5.董玉红，邵俊明主编，机床数控技术（第二版），哈尔滨工业大学出版社，2017，P1-P258；6.王志平主编，数控机床及应用(第一版)，高等教育出版社，2014，P118-136；7.林宋，田建君主编，现代数控机床(第一版)，化学工业出版社 2010，P131-170；8.朱晓春主，数控技术(第一版)，机械工业出版社，2009，P202-233；9.汪恺主编，机械设计标准应用手册(第一版)，机械工业出版社，2014；10.唐金松主编，

24、简明机械设计手册（第二版），上海科学技术出版社，2009，P156；11.成大先主编，机械设计图册（第 5 卷），化学工业出版社，2004；12.李荣生主编,电气传动控制系统设计指导,机械工业出版社，2004；1 2 致 谢 行文至此，论文已经接近尾声。叶青叶黄，花开花落，我学习生涯也即将接近尾声，回首学习生活，我要感谢那些曾经引导、帮助以及激励过我的人。首先，向我的指导教师们表示衷心的感谢，从论文题目的确定到论文写作的完成，老师们付出了很多心血。在学习期间，老师们对我的关心、爱护以及谆谆教诲让我受益匪浅。老师的治学态度、为人风格、生活作风深深地影响着我，令我钦佩之至。其次，还要感谢一直关心与支持我的同学和朋友们！感谢朋友，感谢他们的鼓励和支持。感谢同学，在学习生活中，我们互帮互助，互相勉励，感谢你们给予我的关心与帮助。我一定不会忘记我们的同窗之谊！同时，还要感谢在此论文中所提及到的所有学者。是你们的的研究文献，让我有了新的思路与想法，解决了写作过程中的很多难题，如果没有你们的研究成果，这篇文章是难以完成的。此外，要感谢我的大学，感谢大学对我再次塑造之恩。在大学这个很大的学习平台中，我不断学习专业知识、不断强化自己。最后，需要特别感谢我的家人，你们的支持是我的求学之路的先决条件，你们的理解包容是我不断前进的动力。我爱你们。