毕业设计：CA6140型普通车床数控化改造设计（终稿）Word下载.doc
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关键词 车床;
数控技术;
技术改造
第一章绪论
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Ｉｊ｛『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。
1.3数控改造的必要性
（一）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。
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。
由于计算机有高超的运算能力，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、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"
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"
4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
5、拥有自动报警、自动监控、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。
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等。
以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。
此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
（二）从宏观上看，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。
1.4数控改造的优点
普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。
其改造有如下的优点：
1、资本效率出发，改造闲置的普通机床,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。
2、适应多品种，小批量零件生产。
3、数控改造费用低,减少了投资额,经济性好.数控车床改造费用仅为新购一台数控车床费用的15%～20%,同购置新机床相比，一般可以节省75%～80%的费用,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。
4、机械性能稳定可靠，结构受限。
所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。
数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。
这样一方面，可以提高精度,减少传动链对精度的影响；
另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。
5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平.购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。
改造则不然,可以精确计算出机床的加工能力；
另外，由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。
改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。
操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。
6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地,不许要重新构筑地基。
7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。
自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。
8、增强了功能，如圆弧加、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。
9、交货期短，可满足生产急需。
第二章机床改造的内容及意义
2.1研究意义
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、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0.02mm，已能满足CW6140车床改造后加工零件的精度要求。
2.2主要研究内容及技术路线
（1）纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。
（2）纵向和横向步进电机的选择。
（3）主轴交流伺服电机的选择与校核。
（4）其他元件的选择。
2.3机床的经济型数控化改造主要解决的问题
（1）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。
（2）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。
（3）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的CNC系统以最新CNC进行更新。
（4）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。
2.4数控改造的设计步骤
2.4.1旧机床的设备选型
通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对该设备进行估价，这也就是设备选型。
已判断该设备是否有改造价值，改造后不能满足需求，改造后的可能性等，这些都于设备的选择密切相关，所以设备选型是设备改造的重要环节，应重点考虑几个重要参数:
设备的型号规格、生产厂家和国别、投产时间、目前运行状况、剩余价值（机械、电气）、改造后可达到的预期效果。
数控改造应尽可能采用20世纪80年代后生产的机床，因为这类机床由于使用年限短，其几何精度相对高一些，改造效果也要好一些。
2.4.2改造主要技术方案
将普通车床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的改造方案，搞好机床的改造设计。
一个好的改造方案是改造成功的重要基础，并在这个环节上严格把关，保证改造的成功实施。
改造方案的制定包含了很重要的内容，包括了对系统的了解熟悉、以往维修改造基础情况等方面的都有很高的要求。
因此方案的制定和选择是机床数控化改造中极为重要的一环，它不仅影响被改造后的机床的性能要求，而且影响到经济性和改造效果。
因此，必须在调查研究的基础上，进行充分的论证、选择，并确定技术方案。
在选择技术方案时主要应从以下几个因素考虑：
①控系统目前在市场可提供各种经济型和标准型数控系统。
经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术容易掌握及制造技术成本低等优点，而标准型数控系统数控系统性能完善，与机械、强电结合方便，可靠性高。
相对来说，经济型数控系统性能较差，系统平均年无故障工作时间较短，使用于具有一定维修能力的单位。
一般地，普通车床改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。
②控制方式通常控制系统的控制方式分为开环、闭环和半闭环三种。
开环系统无位置检测反馈装置，其加工精度由执行元件和传动机构的精度来保证。
定位精度较低（一般只能达到±
0.02㎜/300㎜），且这种控制方式多以步进电动机为驱动元件，受步进电机性能的影响，也是目前控制方式多以步进电动进给速度一般不高。
但该控制方式投资少，安装调试方便，因此，使用于精度要求一般的机床改造，也是目前机床数控化改造中应用最为普遍的一种。
半闭环控制方式虽然改造费用大，但精度较高（可达±
0.01㎜/0.03㎜），且多以直流交流伺服电动机为驱动元件，速度也比开环控制方式高，安装调试也比较方便，因此使用于控制精度要求高的机床改造。
闭环控制由于直接测量出移动部件的实际位置，要在机床的相应部位安装直线检测元件，工作量大、费用高、调试困难。
它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大关系，因此在数控改造中一般不采用这种控制方式。
③伺服驱动元件目前在数控机床改造技术中和常用的元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。
这些驱动元件，配以适当的攻放装置，即组成伺服驱动系统。
④机械系统机械系统改造方案主要设计提高移动部件的灵活性，减少和消除传动间隙，特别是减少反向间隙，其改造工作量较大。
通常改造的有导轨副、传动元件及联轴器等。
a导轨副普通车床的导轨多数采用滑动导轨，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度、若把滑动导轨改为滚动导轨和静压导轨，要求工艺高，许多相关零件组件需进行更换和加工，改造加工周期长，改造费用多，实现起来比较困难，在一般数控改造中比较少用。
另一种改造是采用贴塑导轨，即在原动导轨上粘接上聚四氟乙烯软带，能有效地防止爬行，具有自润滑性，提高导轨寿命，且零部件不需要更换，加工部位少，改造工作量小，周期短，费用低，在机床数控化改造中得到广泛应用。
本次改造，仍然保留原滑动导轨。
b传动元件在普通车床数控化改造中所涉及的传动元件是将旋转运动变为直线运动的传动副。
普通车床通常采用普通滑动丝杠副。
而数控车床由于要求移动部件灵敏、精度高反应快、无爬行，因此采用滚珠丝杠副来满足要求。
在使用滚珠丝杠副时应注意由于丝杠副具有可逆传动特性，没有自琐能力，在高速大惯量系统中需要设置制动机构。
当然，滚珠丝杠副由于制造复杂、加工精度要求高，因此价格要比普通丝杠高出许多。
由于滚珠丝杠副的径向尺寸较大，在进行普通车床的数控化改造时，许多相关部位都需修改，因此，为使改造方案容易实现在可能的情况下，有时仍用原普通丝杠，但为了清除丝杠与螺母间隙，应将单螺母副改成可调间隙的双螺母副。
如果在数控化改造中，需采用其他元件，应注意消隙措施的采用以提高方向精度。
c联轴器为清除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，伺服驱动元件所用联轴器（如果有的话）多数采用无键连接，如用锥销刚性联轴器、锥环联轴器等。
2.4.3改造的实施
准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。
实施阶段的内容按时间顺序分为：
①原机床的全面保养机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。
其次，应对机床做一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。
这样可以对改造工作指导参考作用，又可在改造结束时做对比分析用。
②保留的电气部分最佳化调整对电气系统做局部改造，保留电气部分进行保养和最佳化调整。
如强电部分的零件更换，电动机的保养，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，新接件的紧固等。
只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工件，才能保证改造后的机床有较低的故障率。
③原系统拆除原系统的拆除必须对照原图进行，及时在图纸上进行标记，防止遗漏或过多的拆卸（在局部改造的情况下）。
在拆卸的过程中也会发现一些新系统中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆卸下来的系统以及零件应该分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。
④合理安排新系统位置及布线根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元件的位置、密封及必要装饰等。
2.4.4验收工作
验收工作应按已制定的验收标准进行。
改造后期工作也很重要。
验收及后期工作包括：
①机床机械性能验收经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，集合精度应在规定的范围内。
②电气控制功能和控制精度验收电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。
控制精度应在系统本身的功能（如步进尺寸等）与标准计量器具（如坐标测量仪等）进行对照检查，必须达到精度范围之内。
同时还应与改造前普通车床的各项功能和精度对比，以获得量化的指标差。
③试件切削验收可以参照国内外有关数控车床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试件切削。
试件切削可以验收机床的刚度、切削力、噪声、有运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件做试件使用。
通常有两个内容：
标准件的试切削，按国际标准，按照数控车床相应的标准试切削程序；
机床精度的校验，根据各厂测量水平的高低，采用相应的手段，也可以采用激光干涉仪进行测量，这样机床的位置测量系统的补偿可采用得到的数据，从而提高机床精度。
2.4.5操作及维修人员的培训
数控机床使用的好坏，与基础的操作及维修人员的素质密切相关，对操作及维修人员本身有一定的要求，要对其系统的专业化的培训，使其全面地了解和掌握数控系统的基本原理操作规程、维修常识，懂得一般故障的判断和简单故障的处理
第三章数控改造方案的确定
3.1总体方案的设计
设计任务
本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。
利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。
3.2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。
由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
（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。
3.3总体方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定：
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。
主要设计参数如下：
最大加工直径：
车床身上：
400mm
车床鞍上：
210mm
最大加工长度：
1000mm
快进速度：
纵向2.4m/min
横向1.2m/min
最大切削进给速度：
纵向0.6m/min
横向0.3m/min
脉冲当量：
纵向0.01mm/step
横向0.005mm/step
脉冲分配方式：
逐点比较法
控制坐标数：
2
机床定位精度：
±
0.015
溜板及刀架重力：
纵向：
800N
横向：
600N
自动生降速性能：
有
起动加速时间：
30ms
主电机功率：
7.5Kw
3.4进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案
3.4.1纵向进给机械结构改造方案
典型的纵向滚珠丝杠的支承形式一般采用一端固定，一端浮动，三点支承的布局。
步进电动机及减速器的安装可在任一端。
若安装在机床的左侧，应拆除原机床进给箱，在原安装进给箱处安装步进电动机及减速器。
在机床右侧安装可保留其进给箱部分，如图4所示，在原丝杠轴承托架处安装步进电动机及减速器，这样既简单又方便，多数的数控改造均采用这种方法。
也可以设计一个专用的轴承支承座，使得结构更加合理稳定。
在滚珠丝杠的左端可设计一个专用的轴承支座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别安装一对推力轴承，承受两个方向的轴向力。
支撑轴与滚珠丝杠通过联轴套联接起来，并由销钉固定。
滚珠丝杠的右端通过联轴套与减速器的输出轴联接，减速器固定在丝杠托架上。
滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母，螺母支架固定在床鞍上。
有许多机床在进行数控改造时，并未设计专用的两端轴承支架，而是采用原有的支承及轴承，仅在原输出轴处通过联轴器联接即可，这样既方便又简单，
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