卧式车床C6140数控化改造设计1.docx
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卧式车床C6140数控化改造设计1
目录
摘要……………………………………………………………………………………1
第1章绪论…………………………………………………………………………1
1.1数控系统发展简史…………………………………………………………1
1.2数控机床现状………………………………………………………………2
1.3数控系统的发展趋势………………………………………………………3
1.4机床数控化改造的必要性…………………………………………………4
1.5主要技术指标………………………………………………………………4
第2章华中HNC-21数控车削系统介绍……………………………………………4
第3章普通车床的数控改造可行性论证…………………………………………11
3.1技术可行性…………………………………………………………………11
3.2机床本身……………………………………………………………………11
3.3加工对象分析………………………………………………………………12
3.4市场可供性…………………………………………………………………12
第4章总体方案的确定……………………………………………………………12
4.1总体方案设计要求…………………………………………………………12
4.2设计参数……………………………………………………………………13
第5章进给传动部件的计算和选型………………………………………………16
5.1脉冲当量的确定……………………………………………………………16
5.2切削力的计算………………………………………………………………17
5.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）……………………………………17
5.3.1工作载荷Fm的计算……………………………………………………17
5.3.2最大动载荷FQ的计算…………………………………………………17
5.3.3初选型号………………………………………………………………17
5.3.4传动效率η的计算……………………………………………………18
5.3.5刚度的验算……………………………………………………………18
5.3.6压杆稳定性校核………………………………………………………18
5.4步进电动机的计算与选型（纵向）………………………………………18
5.4.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq……………………18
5.4.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq…………………19
5.4.3步进电动机最大静转矩的选定………………………………………21
5.4.4步进电动机的性能校核………………………………………………21
5.5主轴交流伺服电机的计算与选型…………………………………………22
5.5.1主轴的变速范围………………………………………………………22
5.5.2初选主轴电机的型号…………………………………………………22
5.5.3主轴电机的校核………………………………………………………22
第6章绘制进给伺服系统的机械装配图…………………………………………22
第7章元件的选择…………………………………………………………………23
结论…………………………………………………………………………………24
致谢…………………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………26
卧式车床C6140数控化改造设计
摘要中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。
针对目前制造业的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展方向。
本课题是针对己报废的C6140普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。
本设计说明书包括：
概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。
改造后的机床，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。
关键词:
机床改造数控技术进给系统滚珠丝杠自动刀架
第1章绪论
1.1数控系统发展简史
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。
它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。
从此，传统机床产生了质的变化。
近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
1.1.1数控（NC）阶段（1952～1970年）
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。
人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。
随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代——小规模集成电路。
1.1.2计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。
于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。
到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR）,又可称为中央处理单元（简称CPU）。
到1974年微处理器被应用于数控系统。
这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。
而且当时的小型机可靠性也不理想。
早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。
由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。
数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之,计算机数控阶段也经历了三代。
即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——基于PC（国外称为PC—BASED）。
还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。
所以我们日常讲的“数控”,实质上已是指“计算机数控”了。
1.2数控机床现状
近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。
在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。
2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。
但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。
近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。
出口的数控机床品种以中低档为主。
1.2.1国内数控机床状况分析
1.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。
例如：
全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。
沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于当年8月底将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现年底试车打下了良好的基础。
2.数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。
2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。
金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。
3.数控机床发展的关键配套产品有了突破。
近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。
如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。
1.2.2国外数控机床状况分析
1.国际机床市场的消费主流是数控机床
1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控
化率达70%，我国为60%。
目前世界数控机床消费趋势己从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。
2.国外数控机床的网络化
随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。
从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备—数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。
所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例;第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。
以FANUC和西门子为代表的数控系统生产厂商己在几年前推出了具有网络功能的数控系统。
在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。
由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。
1.3数控系统的发展趋势
1.3.1数控未来发展的趋势
1.继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。
远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
2.向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
3.向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
（1）应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
（2）引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。
（3）引入故障诊断专家系统
（4）智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。
1.4机床数控化改造的必要性
随着我国国民经济的高速发展,数字控制技术的高度成熟,数控机床在制造业中发挥着重要作用,特别是近几年来应用比例越来越大,有效地保证了产品的质量,使得人们对其有了更清楚的认识,但由于产品零件的类型、形状、尺寸和用途的差异很大,零件的加工批量相差悬殊,其质量和精度的要求也有显著的不同,因此制造业需要不同类型的数控机床,在同一类型数控机床中需要高、中、低档不同层次的数控机床,购买新的数控机床是提高数控化率的途径,对旧机床进行数控化改造,也是提高数控化率的重要途径。
我国现有400多万台数控机床,数控机床占有量约占2%,这些机床的结构一般比较陈旧,操作部分复杂,控制系统落后,但如果把这些落后机床全部闲置或淘汰,全部购买新的数控机床去代替,必然耗费巨额资金,显然不符合我国国情,因此,用数控这一高新技术对现有机床进行数控化改造,是一条符合国家急需与产业政策且又可行的途径,于是人民为了降低采购数控设备的成本,开始尝试将机械尚有70%以上残留价值的一部分普通机床进行数控化改造,使老设备焕发青春,为企业作出更大的贡献。
而近几年,美、日、德等先进工业国,在大量制造数控机床的同时,十分重视对机床进行数控化改造,并已形成一个新兴的产业。
1.5主要技术指标
1.床身上最大加工直径400mm；
2.最大加工长度1000mm；
3.X方向（横向）的脉冲当量为0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量为0.01mm/脉冲；
4.X方向最快移动速度Vxmax=3000/min，Z方向为Vzmax=6000mm/min；
5.X方向最快工进速度Vxmaxf=400mm/min，Z方向为Vzmaxf=800mm/min；
6.X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm；
7.可以车削柱面、锥面与球面等；
8.安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；
9.安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；
10.自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；
11.自动控制冷却泵的起/停；
12.安装电动卡盘，系统控制工件的加紧与松开；
13.纵、横向安装限位开关；
14.数控系统可与PC机串行通信；
15.显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。
第2章华中HNC-21数控车削系统介绍
“世纪星”HNC-21数控系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4//彩色液品显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。
□最大联动轴数为3轴。
□可选配各种类型的脉冲式交流伺服驱动系统（HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元）。
□除标准机床控制面板外，配置40路开关量输入和32路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。
还可扩展20路输入/16路输出。
□采用7.5//彩色液晶显示器（分辨率为640x480），全汉字操作界面、障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。
□采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线插补、圆
弧插补、螺纹切削、刀具补偿、宏程序、恒线速切削等功能。
□反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。
□内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯。
□32MB Flash RAM（可扩充至2GB）程序断电存储，32MBRAM加工内存缓冲区。
系统选件
①软驱单元
□全密封结构
□3.5//标准软盘驱动器
□标准PC键盘转接口
□RS232、以太网转接口
②DNC单元
□全密封结构
□标准PC键盘转接口
□RS232、以太网转接口
③以太网
□10MB/100MB速度自适应
□支持NT/NOVELL网络
□支持文件网络传输
④手持单元
□手摇脉冲发生器
□坐标选择
□倍率选择
□紧急停止按钮
□手持使能按钮
⑤输入/输出端子板
⑥继电器输出端子板
系统配置
□程序缓冲区：
32MB
□零件程序和断点保护区：
基本32MB，可扩展至2GB（选件）
□进给轴接口类型：
脉冲接口（HSV-16系列）
□主轴驱动单元接口
□主轴编码器接口
□开关量输入输出接口：
40输入/32输出，可扩展20输入/16输出（选件）
□手持单元接口
□软驱单元接口
□RS232接口
□以太网接口（选件）
□标准PC键盘接口
□手持单元（选件）
□软驱单元（选件）
□I/Q端子板（支持NPN和PNP型开关量）（选件）
CNC功能
□最大控制轴数：
6进给轴1主轴
□联动轴数：
3轴
□最小分辨率：
1微米
□最大移动速度：
24米/分钟（与驱动单元、机床相关）
□直线、圆弧、螺纹功能
□自动加减速控制（直线/抛物线）
□参考点返回
□坐标系设定
□MDI功能
□M、S、T功能
□加工过程图形静态仿真和实时跟踪
□内部二级电子齿轮
□简单车削循环
□复合车削循环
CNC编程
□编程最小单位：
0.001毫米、度
□最大编程尺寸：
99999.999
□最大编程行数：
20亿行
□公/英制编程
□绝对/相对指令编程
□宏指令编程
□子程序调用
□工件坐标系设定
□直径/半径编程
□自动控制倒角（圆角、直角）
□恒线速切削功能
编辑
□后台编辑（选件）
□字符查找与替换
□文件删除及拷贝
显示
□中文菜单功能
□图形显示
□状态显示
□当前位置显示
□程序显示
□程序错误显示
□操作错误显示
□坐标轴设置显示
□主轴速度及修调
□进给速度及修调
□快速进给及修调
□自诊断功能
插补功能
HNC-21
□直线插补
□螺纹切削
□圆弧插补
□螺旋线插补
□正弦线插补
刀具补偿
□刀具长度补偿
□刀尖半径补偿
参考点功能
□参考点位置设定
□参考点开关偏差设定
□回参考点快移速度设定
□回参考点定位速度设定
数据交换
□RS232
□以太网（选件）
□3.5//软驱（选件）
操作
□7.5//彩色液晶显示屏
□防静电薄膜编程面板与机床操作面板
□PC标准键盘接口
□手持单元（选件）
□图形显示功能与动态实时仿真
□网络通讯功能（选件）
操作方式
□自动
□单段
□MDI
□点动
□步进增量进给
□手摇增量进给
□手动/自动回参考点
□进给保持
□重新对刀
□空运行
□保存断点/返回断点
2-1HNC-21数控系操作面板
坐标轴监视
□机床坐标系显示
□工件坐标系显示
□跟踪误差显示
□剩余进给显示
□进给速度显示
□主轴速度显示
□指令位置显示
□实际位置显示
□工件坐标系原点显示
□运动轨迹显示
进给轴功能
□无限制旋转轴功能
□最高设定速度16000mm/min
□进给修调0%到150%
□快移修调0%到150%
□每分钟进给/每转进给
□多种回参考点功能：
单向、双向
□快移、进给加减速设定
□最大跟踪误差设定
辅助功能
□主轴正反转
□自动换刀
□冷却开/停
主轴功能
□主轴速度：
可通过PLC编程控制（最大99999rpm）
□主轴修调：
从0%到150%
□主轴速度和修调显示
□变速比和变速比级数可通过PLC编程控制
□编码器接口
□螺纹功能
□主轴定向
PLC功能
□内嵌式PLC
□提供标准PLC例程
□PLC状态显示
安全功能
□坐标轴软极限保护
□断电保护区
□加工断点保存/断点恢复
□参数备份与恢复
□参数权限保护
□加工统计
技术规格
□输入电源：
AC24V 50WDC24V≥50W或者DC24V≥100W
□AC电源频率：
50Hz
□安装方式：
控制柜内
□运行、储存环境（如下表）
□光电隔离开关量输入接口（40位），可扩展20位
□光电隔离开关量输出接口（32位），可扩展16位
输出电流范围0-100mA
输出电压范围DC24V
□主轴模拟量输出接口
分辨率：
12位
输出电压：
DC10V或0-10V
□主轴编码器输入接口
方波差分接收
□手摇脉冲发生器输入接口，TTL电平输入
□进给轴脉冲输出接口/HSV-16伺服接口（最大6个）差分输出，包括脉冲及方向信号，高
脉冲频率2MHZ
□进给轴码盘反馈输入接口（最大6个）
RS422差分输入
2-2HNC-21数控系统整体结构图
第3章普通车床的数控改造可行性论证
3.1技术可行性
机床改造的技术可行性论证就是对机床改造在技术上是否能够保障改造成功以及从改造后维护角度论证.具体的应从机床本身、加工对象的要求和市场可供性三方面分析。
3.2机床本身
能否进行机床数控化改造主要取决于机床本身的条件,如:
机床磨损程度、刚度以及机床的技术寿命等。
（1）机床磨损程度、刚度。
C6140是1995年5月出厂，主要用于教学实习，机床本身折合使用年限小于5年，机床几何精度仍等于原新机床的精度。
普通机床结构上有先天性不足，刚度低、抗振性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。
改造中将有目的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的要求。
（2）技术寿命的计算。
现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化及复合化的发展趋势，数控化率逐年提高，大有取代普通机床的趋势，而且数控机床的数控装置（CNC）技术寿命一般为2～3年，数控技术发展迅猛。
故为了改善原机床性能、满足教学和加工要求，对原机床进行数控化改造，同时也延长了原机床的技术寿命。
3.3加工对象分析
机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的几何参数及公差要求。
零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。
改造后的数控车床，主要用于教学实习，其加工范围为车外圆、内孔、螺纹、锥形体、球体、切槽、切断等及带有复杂型面的卡盘类零件。
加工精度要求小于0.01mm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.005mm～0.01mm，能够满足上述型面的加工要求，在技术上是可行的。
3.4市场可供性
所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造用的各种备件，以保证备件的供应。
机床数控化改造计划实施应有本地区机电一体化供应的基本条件，这样不仅改造周期短，而且有利于保证维修及技术咨询服务。
就本机床改造而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品代理机构，对于C6140改造而言市场可供性好。
综上所述，对原机床进行数控化改造符合技术可行性要求。
第4章总体方案的确定
4.1总体方案设计要求
（1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。
因此，数控系统应设计成连续控制型。
（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。
因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环系统。
（3
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