对CA6140的改造方案.docx
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对CA6140的改造方案
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毕业设计开题报告
一引言
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数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中的结构复杂.精密.批量小.多变零件的加工问题。
且能稳定加工质量，大幅度提高生产效率。
但数控机床价格昂贵，一次性投入对企业来说负担很大。
另一方面，在国内还有大量的普通机床,只需对其进行一些相关的技术性改造就可以形成一定生产能力的经济型数控机床。
不仅能节省很大一部分资金，还能提升其市场竞争力。
具有极大的经济潜力。
国内外现状：
我国是制造业大国，随着科技的发展，科技技术是第一生产力越来越明显，制造的产品越来越复杂，精度也越来越高，以前的机床已不能满足当今世界加工要求，从而使数控技术得到广泛的运用。
工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。
其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。
由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。
而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。
如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。
这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
我国是一个发展中国家，企业资金普遍紧张，而新的数控机床价格很贵，一台机床动不动就是几十万、几百万。
因此决定了企业不能把买新数控设备作为唯一的数控化之路。
企业的数控化之路有三：
一是对关键工艺的关键设备，当国内尚不能生产或与国外同类产品质量有较大差别时，则应下决心进口；第二是对原有已使用十几年的现有数控设备进行更新改造，即对电控进行更新，对机械部分进行大修，这样使现有数控设备可以像新机床一样，再可靠使用十年以上；第三是对现有普通设备进行数控化升级改造，实践告诉我们这种做法可以获得非常实用、非常便宜的数控机床，可以为企业节约大量技改资金。
目前高档型数控系统和普及型数控系统的功能虽然越来越齐全,但因价格较贵,且在某些具体应用的场合,这些系统的功能得不到充分应用。
所以,为了降低价格,追求实用性,便出现了适应不同加工要求,功能简化的经济型数控系统。
经济型数控系统可以满足一般的精度要求,用于加工形状简单的直线、斜线、圆弧以及带有螺纹的零件。
它适用于多品种、大、中、小批量的自动化生产,对产品的适应性强。
加工出的产品尺寸一致性好、合格率高。
可以节省大的需求潜力是很大的,发展前景是光明的。
而在数控系统的需求中,符合我国国情,具有中国特色的经济型数控系统,因其技术成熟、质优价廉、覆盖面广、容易掌握,因而更加适合我国广大用户的需要。
可见,从我国的实际情况出发,紧密围绕国民经济各行各业发展的需要,大力发展量大面广的经济型数控系统,可以显著地提高经济效益和社会效益。
研究内容:
本次设计是将C6140改造成经济型数控机床。
预期结果：
通过改造后的机床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；可以实现加工的自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍；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"；可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运；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，。
目录
1.总体或概念设计1
1.1设计改造方案的确定1
1.2总体布局的设计3
2、数控系统的选择9
2.1、FANUC0系列的主要功能及特点：
9
2.2、SIEMENS数控系统的主要功能：
12
2.3、FANUC0i-A系列的主要功能及特点：
12
3、数控系统的基本结构及连接13
3.1、基本构成13
3.2、部件的连接14
4、主传动系统的电气控制16
5、进给系统的电气控制16
6、刀架的电气控制16
7、光电脉冲编码器21
7.1光电脉冲编码器的结构21
7.2光电脉冲编码器的工作原理22
7.3光电脉冲编码器的应用（如何用于改装的CK6132）22
8、总装图………………………………………………………………………………………………
总图…………………………………………………………………………………………
电柜图……………………………………………………………………………………
9、系统安装调试与分析24
参考文献25
1.总体或概念设计
一、总体方案：
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。
二、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。
三、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。
四、主轴系统改造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。
五、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。
目前在市场上可提供各种经济性和标准性的FANUC0数控系统。
经济性的数控系统具有结构简单，操作方便，技术容易掌握及制造成本低等特点，而标准性的数控系统具有性能完善，与机械、强电接合方便，可靠性高等特点。
通常控制系统的控制方法分为开环、闭环、半闭环三种。
开环控制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。
定位精度低〈一般只能±0.02mm/300mm〉，且这种控制方式多以步进电动机为驱动元件，因此受步进电动机性能的影响，进给数度一般不高。
但该控制方式的投资少，安装调试方便，因此适用于精度要求不高的机床的改进。
半闭环控制系统虽然改造费用较大，但控制精度高〈可达到±0.01mm/300mm〉，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，因此适用于控制精度要求较高的机床改进。
闭环控制系统由于需直接测量出移动部件的实际位置，要在机床的相应的部位安装直线检测元件，工作量大、费用高、调试困难。
他的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大的关系，因此在机床数控化改造中一般不用这种控制方式。
目前在机床的数控花改造中常用的驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。
这些驱动元件，配以适当的功放装置，组成伺服系统。
普通机床的主传动系统一般都采用普通交流电动机带动，主运动的变速主要由变速箱的各滑移齿轮位置的转换来实现。
由于改造后的机床要求传动的效率要高且变速范围广，这就要求传动连要短且驱动元件的调速范围要广。
对要求加工螺纹的机床，应在主轴的相应的位置安装主轴位置脉冲编码器进行。
机械系统的改造方案主要涉及提高移动部件的动态特性，如：
灵活性，减小和消除传动间隙，特别是减小反动间隙，其改造的工程量大。
通常的改造部位有导轨副、传动元件、以及联轴器等。
A、导轨副
普通机床的导轨多采用滑动导轨，效率低，在低速时易出现爬行现象，直接的影响了机床的运动部件的定位精度。
若把滑动导轨改为滚动或静压导轨，这就要求工艺复杂，许多的相关的零件需要进行更换或加工，改造的工作量大、周期长、改造费用高，实现起来比较困难。
另一种改造方案是采用贴塑导轨，既来的滑动导轨上贴上特种塑料材料如：
聚四氟乙烯，这样能有效的防止爬行现象且这种材料具有自润滑性，提高了导轨寿命，工艺相对简单，零部件不需更换、加工部位少、改造的工作量小、周期短、费用低。
在数控化改造中得到了广泛的应用。
B、传动元件
在普通机床数控化的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。
再使用滚珠丝杠副时应注意，由于滚珠丝杠副具有可逆传动性没有自锁能力，在高速达惯性系统中需要设置制动机构。
由于滚珠丝杠副的径项尺寸较大，在进行普通车床的数控化改造时，许多相应的部分都需要修改，因此，如果在数控化改造中，须采用其他传动元件，应注意消除间隙措施的采用，如双齿轮消隙机构会采用同步齿轮带传动以提高反向精度。
C、联轴器
为消除传动系统中的反向间隙，提高重复定位精度，伺服驱动元件所采用联轴器多数采用无键连接，如锥销刚性联轴器、锥环联轴器等。
C6140主要用于对中小型的轴类、盘类及螺纹零件的加工。
其数控改造后数控系统控制的对象主要有：
主轴的正反转、主轴的变速；刀架的纵向和横行的进给运动控制，刀具的选择控制、刀位自动换刀的控制；冷却液的开、停控制；脉冲编码器的加装等。
根据C6140普通车床的相关资料，确定总体的改造方案。
机床改造项目主要有：
主传动系统的齿轮有级变速改为变速电动机带动的无级变速；撤掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；撤掉普通丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上
滚珠丝杠螺母副；主轴上加一对齿轮副带动一个脉冲编码器。
改变导轨的组合形式。
改造后的机床传动形式为下图所示：
图1-1机床传动形式
1.2总体布局的设计
与其他的数控机床的结构一样，数控车床的总体结构和普通机床的既有相同之处又有诸多不同之处。
现代数控机床的发展趋势是高精度、高速和重切削，这就对机床的总体结构提出了更高的要求。
因此，与改造前相比，从床身的摆放位置上看机床的形式主要可以分为：
水平床身水平导轨和斜床身斜导轨，
其水平床身水平导轨工艺性好，便于导轨面的加工。
运动精度高。
但是水平床身由于下部的空间小，故排屑困难。
从结构上看，刀架水平放置使得滑板横横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。
其斜床身斜导轨倾斜的角度分别为30°、60°75°以及90°的立式床身。
倾斜度小排屑不便；倾斜度大导轨的导向性差，受力情况也不好。
导轨倾斜度的大小还会影响机床的外形尺寸高度和宽度的比例。
综合上述所示的各种形式机床的优、缺点而把机床设计为水平床身斜导轨，导轨斜度设计为60°这样就尽可能的综合优点排除缺点。
由于数控机床的加工精度要求一般比普通机床的高，导轨的作用主要是对运动部件起导向和支持。
也就是支承运动部件并保证运动部件在外力作用下能准确的沿着规定方向运动。
因此，导轨的制造精度和安装精度直接的影响机床的加工精度。
改造后的机床的导轨应满足导向精度高、精度保持性好、足够的刚度、良好的摩擦性能以及导轨的工艺性要好，便于制造和装配，便于检验、调整和维修，而且有合理的导轨防护、润滑措施等。
导轨按其性能可分为导向性好和受力性好的导轨。
按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨；机床上常用的导轨按其外形有矩形导轨、三角形导轨、燕尾形导轨、圆柱形导轨等几种；导轨的组合形式有双三角形组合、双矩形组合、三角形-平形组合、三角形-矩形组合、平平三角形组合、三角形-三角形-平形组合等几种。
本次改造可以选用安装和调整放便的矩形导轨和双三角形组合（如下图）；其选用矩形导轨制造简便，承载能力大。
水平方向和垂直方向的位置各不相关。
即一个方向上的调整不会影响到另一个方向上的位移，因此安装、调整都较方便。
矩形导轨起导向作用的导轨面〈N、K〉，磨损后不能自动的补偿间隙，须有调整间隙装置；其选用双三角形组合是因这种导轨（图1-6A、B）同时起支承、导向作用。
磨损后相对位置不变，能自行补偿垂直方向及水平方向的磨损。
导向精度高，但要求四个表面的刮削或磨削后同时接触，工艺性较差，床身与运动部件热变形不一样时，难保证四个同时接触。
这种导轨常用于龙门刨床与高精度车床。
图1-5导轨的截面形式
图1-6双三角形组合
3、数控系统的选择
本次改造数控系统可以选用FANUC0系列：
FANUC0系列分别有A、B、C、D等产品，在这四种产品中，目前在国内使用最多的是普及型FANUC0—D和FANUC0—C系列。
1、FANUC0系列采用高速微处理器芯片，现在的产品都改用使用Intel80486DX2。
2、产品采用高可靠性的硬件设计及全自动化生产制造：
采用高品质的元器件，大量采用专用VLSI芯片。
3、丰富的系统功能：
在系统的功能上具有刀具寿命管理、极坐标插补、多边形加工、简易同步控制、Cf轴控制（主轴回转由进给伺服电动机实现、回转位置可与其它进给轴一起参与插补）忽然Cs轴控制（主轴电机不是进给伺服电机，而是FANUC主轴电机，由装在主轴上的编码器检测主轴位置，可与其它进给轴一起参与插补），串行和模拟的主轴控制、主轴刚性攻丝、多主轴控制功能、主轴同步控制功能、PLC梯形图显示和PLC梯形图编辑功能（需要编程卡）、PLC轴控制功能等。
用户还可以通过编程对显示屏幕、处理过程控制等进行编辑，以实现个性化机床的设计。
4、具有高精度的控制：
FANUC0—C数控系统采用了多CPU方式进行分散处理，实现了高速连续的切削；对PLC的接口增加了高速M、S、T接口功能，进一步缩短了执行时间，提高了系统的运行速度；系统可以实现高速的DNC操作。
5、全数字伺服控制结构：
可以实现伺服波形（位置、偏差、电流）的CRT显示，用于伺服系统的诊断调试。
6、全数字的主轴控制：
FANUC0—C系统除了模拟接口以外，还提供了串行主轴控制，主轴控制信号通过光缆与主轴放大器连接，连接方便、简洁、可靠。
可以实现主轴的刚性攻丝、定位、双主轴的速度、相位同步以及主轴的Cs轮廓控制。
图3-1为FANUC0系统基本轴控制板（AXE）与伺服放大器、伺服电机编码器连接图。
图3-1
M184～M199为轴控制板上的插座编号，其中M184、M187、M194、M197为控制器指令输出端；M185、M188、M195、M198是内装型脉冲编码器输入端，在半闭环伺服系统中为速度/位置反馈。
在全闭环伺服系统中作为速度反馈，M186、M189、M196、M199只作为在全闭环伺服系统中的位置反馈，可以接分离型脉冲编码器或光栅。
H20表示20针HONDA插头，M表示“针”，F表示“孔”。
如果选用绝对编码器，CPA9端接相应电池盘。
图3-2FANUC0系统存储器板、电源单元连接图
在图3-2电源单元中，CP15为24VDC输出端，供显示单元使用，BN6.F为6针棕色插头；CP1是单相AC220V输出端，BK3.F为3镇黑色插头；CP3接电源开关电路；CP2为AC220V输出端，可以接冷却风扇或其他需要AC220V设备。
图3-3
图3-3这是内置I/O接口连接图，其中M1、M18为I/O输出插座，共计80个I/O输入点；M2、M19为I/O输出插座，共计56个I/O输出点；M20包括24个I/O输入点和16个I/O输出点。
这些I/O点可以用与强电柜中的中间继电器控制，机床控制面板的按钮和指示灯、行程开关等开关量控制。
4、数控系统的基本结构及连接
4.1、基本构成
FANUC0i系统由主板和I/O两个模块构成。
主板模块包括主CPU、内存、PMC控制、I/OLink控制、伺服控制、主轴控制、内存卡I/F、LED显示等，如图4-1。
图4-1
4.2、部件的连接
FANUC0i系统的连接图如图4-2：
图4-2
在图中，系统的输入电压为DC24V±10％，电压约7A。
伺服和主轴电动机为AC200V（不是220V，其他系统如0系统，系统电源和伺服电源均为AC220V）输入。
这两个电源的通电及断电顺序是有要求的，不满足要求会出现报警或损坏驱动放大器，原则是要保证通电和断电都在CNC的控制之下，具体见附录表4。
4、主传动系统的电气控制：
将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。
将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。
改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。
主传动系一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行件（如主轴、刀架、工作台）、以及开停、换向和制动机构等部分组成。
4.1步进电机的工作方式
步进电机的工作方式如附录中的表5所示，若按表中相反的顺序通电，电机则反转。
4.2步进电机的CNC系统框图
系统中的键盘用来向计算机输入和编辑控制代码程序。
显示器用于显示控制对象的运动坐标值，故障报警，工作状态和编程代码等信息。
存储器用来存放监控程序，解释程序，插补运算程序，故障诊断程序，脉冲分配程序，键盘扫描程序，显示驱动程序和用户控制代码程序。
功率放大器用以对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行，如图5-1所示
图5-1
4.3进给电机的调速
步进电机的转动是由绕组的脉冲电流控制的，即由指令脉冲决定的。
指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小，指令脉冲频率决定它的转动速度。
只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电机的转动速度在很宽的范围内连续无级调速
5、进给系统的电气控制：
将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。
纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动
一、进给传动系统作用数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。
二、对进给传动系统的要求为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。
三、进给传动系统种类1、步进伺服电机伺服进给系统一般用于经济型数控机床。
2、直流伺服电机伺服进给系统功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。
一般用于中档数控机床。
3、交流伺服电机伺服进给系统应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。
4、直线电机伺服进给系统无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。
四、进给系统传动部件1、滚珠丝杠螺母副数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。
数控机床上一般采用滚珠丝杠，如图2-19所示，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。
该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。
2、回转工作台为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标轴作直线进给外，往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。
数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。
（1）分度工作台分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。
分度时也可以采用手动分度。
分度工作台一般只能回转规定的角度（如90、60和45度等）。
（2）数控回转工作台数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。
数控回转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。
3、导轨导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。
目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。
（1）滑动导轨滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨，如图2-20所示。
贴塑滑动导轨的特点：
摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。
（2）滚动导轨滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动擦擦。
滚动导轨与滑动导轨相比，其灵敏度高，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2μm；牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。
但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高,结构复杂，制造困难，成本高。
进给传动系统是用来实现机床的进给运动和辅助运动；它一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构、运动转向机构和执行机构等组成。
由于本次改造经济型数控机床的改造，
X轴：
Z轴：
。
6、刀架的电气控制：
若需要，可将原刀架换成自动转位
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