Ca6140普通车床主轴部分的数控化改造论文.docx
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Ca6140普通车床主轴部分的数控化改造论文
前言
机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。
由普通机床发展到数控机床，是机械加工工业和机床制造工业的一场革命。
由普通机床到数控机床，机床机械部分得到了相当的简化，由伺服电机代替了相当笨重、复杂的变速箱等机构，变数箱几乎成为普通机床的专用，但是数控机床仍然脱离不了它的机械外壳，数控机床仍保留有主轴、刀库、机械手、滚珠丝杠副等机械部件，而且对于它们的精度要求更高了。
数控机床经过几年的使用，容易发生主轴皮带的断裂，轴承失效等现象，有时由于操作不慎或程序编错等意外事故致使主轴损坏，这时机床就无法再正常工作，必须更换主轴皮带、轴承或相关损坏部件。
但由于主轴是数控机床机械部分相对复杂和相当精密的部分，现代数控机床主轴转速每分钟都在几千转，有的达到上万转，因此，对于主轴部分的改造更要增加重视。
摘要...............................................................3
Abstract...........................................................4
1.数控车床主轴技术现状及发展.....................................5
2.主轴的种类和主轴技术参数.......................................8
3.主轴的结构和原理...............................................10
4.车床主轴数控改造方案选择.......................................13
5.如何对普通车床进行数控化改造...................................14
5.1总体方案................................................14
5.2进给系统的设计..........................................15
5.3控制系统的软件部分......................................15
5.4主轴系统改造............................................16
5.5刀架结构................................................16
6.PC的开放式数控系统应用于CA6140型车床的主轴控化改造............17
6.1系统的构成及工作原理...................................18
6.2接口硬件设计...........................................18
6.3小结...................................................19
7.部分CA6140普通车床数控化改造实例..............................20
8.参考文献.......................................................30
9.致谢...........................................................31
CA6140普通车床主轴部分的数控化改造
摘要：
针对现有常规CA6140普遍车床的缺点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CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。
采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，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。
企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。
目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。
我们对CA6140车床进行了数控化改造的过程。
改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。
同时介绍了该车床机电联动调试的经验。
【关键词】 数控机床，单片机数控系统，改装计
Abstract:
ToremedythedefectsofordinarylatherCA6140,adesignofdataprocessingsystemanditssinglechipmicrocomputersystemprogramisputforwardtoraisetheprocessingprecisionandextendthemachine’susage,andtoimproveproductionrate。
Thispaperpresentstheprocessofdesigningnumericalcontrolreform，andexplicitlyintroducesthedesignofmechanicalandnumericalcontrolsystemreforms。
Weadoptcontrolsystemwhichhas8031ascputocopewiththesignal，andoutputthesteppulsethroughtheI/Ointerface。
Aftertransmittingandslowingdownbyforce1gear,thesteppulsesdrivetheleadingscrewtoroll。
Thusachievetheverticalmovementandthecrosswisemovement
Keyword:
numericalcontrolmachinetool, singlechipmicrocomputersystem，reformdesign。
1.数控车床主轴技术现状及发展
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；
3.生产效率高；
4.减轻劳动强度，改善劳动条件；
5.良好的经济效益；
6.有利于生产管理的现代化。
在整个国内机床行业不景气的时期，数控机床的发展•枝独秀，尤其是最近几年，我国数控机床无沦在产量、品种还是在高档机床的生产方面发展很快。
过去五年，我国数控机床行业实现厂超高速发展，近年来的产量，2001年为1752]台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3．7倍，平均年增长39％；2005年，国产数控机床产量突破6万台，数控系统销售量超过3／；会。
同时，金属加工机床产值的数控化比从2001年的262％提高到2004年的内32.7％。
与工业发达国家的70％相比，中国机床数控化未来发展潜在空间还很大。
中国未来数控机床的需求将继续维持旺盛状态，其市场需求来门两方向，—是替代普通机床的需求，二是汽车、军工等行业技术升级所激发的对精密机床的需求。
随着我国经济的快速发展，数控机床生产远远满足不—了市场需求，国产数控机床仪占我国总消赞额的50％左右。
台湾、日本成为中国大陆数控机床国产数控机床国内市场占有率不断下滑，竞争力亟待提高，主要体现在产品质量、可靠性和交货别与国外同类，存在较大差距。
目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。
当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：
1．高速度、高精度化。
速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。
目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高统的基本运算速度。
同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。
采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。
为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。
目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。
2．多功能化。
配有自动换刀机构（刀库容量可达１００把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。
数控系统由于采用了多ＣＰＵ结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。
为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。
3．智能化。
现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。
具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对ＣＮＣ系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。
一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。
还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。
为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。
4．数控编程自动化。
随着计算机应用技术的发展，目前ＣＡＤ／ＣＡＭ图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。
它是利用ＣＡＤ绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成ＮＣ零件加工程序，以实现ＣＡＤ与ＣＡＭ的集成。
随着ＣＩＭＳ技术的发展，当前又出现了ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ集成的全自动编程方式，它与ＣＡＤ／ＣＡＭ系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的ＣＡＰＰ数据库获得。
5．可靠性最大化。
数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。
数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。
通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。
还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。
利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。
6．控制系统小型化。
数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。
目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。
而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。
这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。
2、主轴的种类和主轴技术参数
（1）种类；
轴是组成机器的主要零件之一，做回转运动的零件都必须安装在轴上才能实现运动及动力的传递，大多数还起着传递转矩的作用。
因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。
按照轴的承载情况，可将其分为：
1）转轴工作中既承受弯矩又承受转矩的轴。
如机床的主轴、减速器轴等。
2）心轴只承受弯矩不承受转矩的轴。
心轴又分为转动心轴和固定心轴。
3）传动轴只承受转矩而不承受弯矩的轴。
按照轴的曲线形状，轴还可以分为：
1）曲轴曲轴是专用零件，主要用于做往复运动的机械中。
2）直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。
（2）主轴技术参数；
3.主轴的结构和原理
在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。
主轴的结构与其需实现的功能关，加工及装配的工艺性也是影响其形状的因素。
主轴端部的结构已标准化，主轴头部的形状手册中已有规定。
机床主轴的定位形式一般有两支承或三支承。
以两支承的数控铣床主轴为例进行介绍。
大部分机床主轴前端结构如图1所示，重点讨论主轴前支承部分。
主轴前端支承是由3182100系列轴承和一个能承受双向力的角接触轴承构成。
国外有很多数控机床主轴也采用这种结构
图1 机床主轴前端结构
该结构对技术力量较强的厂家来说，凭经验进行合理的选配和调整，不会对精度产生太大的影响。
但这种结构在设计上存在不妥之处，当前面的3182100系列轴承2需要预紧时，要靠拧紧螺母6来实现。
在装配前选配调整垫1时，因为主轴本身的加工等原因，很难使调整垫1正好符合3182100系列轴承的预紧力要求，因为当各件都装上后，拧紧螺母6使3182100系列轴承开始预紧，但当轴承2的外端与调整垫1端面接触时，因轴承位置已经靠死，螺母拧不动。
若轴承2未达到应有的预紧力时，将会影响主轴的刚性和回转精度。
另一种情况，如图3所示，前后支承的最大跳动位于同一平面，但在主轴轴线的两侧。
主轴前端检验处的最大径向跳动为δ′，且δ′＞δ1。
比较两种情况可以得出以下结论：
δ＜δ′，表明若使主轴前端检验处径向跳动最小，应使其满足图1的条件，而应避免图3所示的情况。
对图1所示的前支承调整环节来说，要达到图2所示的情况是比较困难的。
图2
图3
轴承的间隙是影响主轴回转精度及刚度的重要因素。
然而轴承在预紧过程中，若间隙过小，容易引起主轴轴承过热；若间隙过大，又会影响回转精度，所以用图1所示的结构对轴承进行预紧时，很难将间隙一次性调好。
如调不好，还要重新拆下轴承等相关的一些零件，再拿出调整垫1进行配磨。
磨去多少合理，理论上无法算出，只能凭经验。
这样既烦琐，又难以保证效果。
如果将主轴前支承的定位方式改为图2所示。
以螺母1进行轴向定位，垫片2起防松作用。
在加工中若稍有位置偏差，也可通过垫片1使之与轴承3的端面均匀接触。
由此可见，螺母1既是轴向定位基准，又可控制轴向移动量，因此调整控制比较方便。
在过去，这种定位方式较难推广，其主要原因在于主轴上切削螺纹时，螺纹孔和螺母端面的垂直度要求很高，因此难以加工。
但在目前数控机床普及的情况下，切削螺纹的工序已经比较容易。
这种结构在理论上是正确的，在实践上是可行的。
4.车床数控主轴改造方案选择
当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。
目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。
因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：
配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。
目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：
1）采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。
2）配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：
Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。
3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。
4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。
5.如何对普通车床进行数控化改造
数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。
利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。
5.1、总体方案
方案确定
CA6140车床主要用于对中小型轴型类、盘类以及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：
能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，应具备在换刀点自动改变4个刀位完成刀具的功能；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。
这些工作内容，就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。
参照CA6140车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案为：
（1）机械部分：
拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用；
（2）数控系统选用DTMSYSTEM5T系统；（3）由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能的减小改动量，以降低成本。
总体框架说明：
1、PC机可采用工控PC机，可满足该控制系统的控制要求。
2、运动控制卡。
我们采用了由ADVANTECH公司生产的PCL运动控制卡。
该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡，它有16位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。
因此，它可以满足车床X，Z轴联动，实现直线，圆弧插补。
3、光电耦合电路是自己设计的，它的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。
4、机床本体是由C6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等，保留原来的三爪卡盘等。
5、步进电机及其驱动器是采用南京四通公司的。
驱动器的输入电压式45V，考虑步进电机的步距角和丝杆的螺距，本系统X轴的脉冲当量是0.00125，Z轴的脉冲当量是0.0025。
完全能够达到0.005mm的加工精度要求。
6、各种限位开关，减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关是起这硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。
减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。
5.2、进给系统的设计
考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。
本车床的X，Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机＋刚性联轴器＋滚珠丝杆的传动方案。
拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。
根据计算，要求步进电机的扭距是5Nm。
我们选用步进电机是南京四通公司的86BYG250C-SAFRBC-0302，步距角选用0.9/1.8，扭距是7.5Nm。
驱动器的型号是SH20806，输入电压是45V。
5.3、控制系统的软件部分
该车床控制系统的软件部分采用VC＋＋6.0编写，该软件的加工界面如图2。
其功能主要有读取零件的加工G代码，编辑和编译G代码，仿真加工（包括加工前仿真和与加工同步仿真，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。
它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M功能等多种加工信息。
该软件的操作平台是Windows98。
该软件的操作过程是首先读入*.NC或*.TXT的G代码文件；然后进行编译，编译器能给出不符合本软件的语法错误提示；有错误可也立即修改；然后按照毛胚的实际尺寸输入，软件进行加工前仿真。
在确认没有因G代码引起的加工错误的情况下，可以开始机床加工。
加工前得首先对刀，对刀的意义在于建立起工件坐标与车床坐标之间得关系。
加工过程中，软件界面的状态栏还显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。
5.4、主轴系统改造
主轴箱（headstock）1固定在床身4的左方，内部装有主轴和变速传动机构。
工件通过卡盘等夹具装夹在主轴前端。
主轴箱的功用是支承主轴并传动主轴运动，使主轴带动工件按照规定的转速旋转，以实现主运动。
拆除了原来的主轴变速箱，采用变频器＋皮带＋主轴＋编码器。
该系统的主轴速度也是有级调速，共7级，速度可以从40rpm到1200rpm，不过每一档的速度可以根据需要通过设置变频器来实现。
利用变频器的五个端子，可以用数字量控制电机的正，反转，停止及各档速度。
本变频器是松下产品，其中七档频率在A20~A26中设置，端口应该由端口控制器（A1）控制。
本系统没有采用手工机械调速，所有的速度均由G代码中的S命令来控制。
软件可以读取G代码，自动控制主轴电机转速。
5.5、刀架结构
由于本车床刀架改装以后，只能安装两把刀具，一把用于车削普通柱，锥面及端面，一把用于加工螺纹，故没有采用旋转式刀架，刀具是被安装在刀架的前后两端，采用X轴前后走刀以实现自动换刀
6.PC的开放式数控系统应用于CA6140型车床的主轴控化改造
数控化加工主轴是提升我国制造业水平、增强产品竞争力的手段。
针对我国大多数企业普通机床拥有量大、资金不现实情况，对现有的普通机床进行数控化改造，使其具有数工的能力，是提高企业数控化率的有效途径。
为此我们开对于PC的开放式数控系统，并将之应用于CA6140型车床的控化改造。
6.1系统的构成及工作原理
该系统是由PC机和自行开发的数控控制板两级控制组成，其组成如图l所示。
主要功能部件有：
（1）PC机。
可选用市面上任何一种机型，也可利用闲置低档配置的机型。
在PC平台上可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。
（2）数控控制板。
考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用
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