卧式车床数控化改造设计纵向进给系统的设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共 页目 录1 绪论 .11.1 国内外数控机床的发展现状 .11.2 数控系统的发展趋势 .21.3 普通机床数控改造的意义 .31.4 本文的设计任务 .32 C6140 普通车床数控改造的总体方案设计 .52.1 C6140 普通车床介绍 .52.2 总体方案的确定 .62.3 机械系统的改造设计方案 .83 纵向进给系统的详细设计与计算 .133.1 脉冲当量的确定 .133.2 切削力的计算 .133.3 滚珠丝杠螺母副的设计及计算 .143.4 齿轮传动的计算 .183.5 步进电动机的选择 .194 传动间隙的调整与预紧及导轨的设计 .224.1 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 .224.2 进给系统传动齿轮间隙的消除 .234.3 数控改造 C6140 车床导轨设计 .245 数控系统硬件电路设计和软件设计 .285.1 数控系统基本硬件组成 .285.2 单板机控制系统的设计 .285.3 软件设计 .31结束语 .33致 谢 .34参 考 文 献 .35本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 绪论1.1 国内外数控机床的发展现状1.1.1 国内数控机床的发展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。1.1.2 国内数控机床的特点（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。（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。 1.1.3 国外数控机床的发展现状（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已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本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页（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 FANVC 和西门子为代表的数控系统生产厂商已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。 1.2 数控系统的发展趋势（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。（a）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。（b）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。（c）引入故障诊断专家系统（d）智能化数字伺服驱动装置本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页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。1.3 普通机床数控改造的意义数控机床是制造业实现生产现代化的主机,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。目前我国机床的数控化率还不到 5%,新机床的数控化率也仅为 6%。无论从数控技术水平和机床的数控化率都大大落后于西方发达国家。从 20 世纪后期,我国调整产业结构、产品结构和生产方式,作为自动化生产的基础设备-数控机床,已远远满足不了工厂逐年增加的生产需求。对于机械制造企业,单纯靠购买新的数控机床,所需投资大,周期长,常使许多中小企业望而怯步。因此,利用原有的部分普通机床进行数控化改造,提高机械设备的数控化率,无疑是一种有效的途径。就是在美国、日本和德国等发达国家,机床的改造作为新的经济增长行业,也是生意盎然,正处于黄金时代。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国,机床改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton机床公司、 Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于机床以及技术的不断进步,机床改造已是个”永恒”的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业,具有重要的现实意义和使用价值: （1）节省资金。机床的数控改造同购置新数控机床相比一般可以节省 60%左右的费用,大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新数控机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新数控机床 60%的费用,并可以有效地利用现有地基。（2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期生产的磨合和不断改进完善,几乎不会产生应变力变形而影响精度。（3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多,且可以不用或少用工装,不仅节约了费用,而且可以缩短生产准备周期 1。1.4 本文的设计任务本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页本课题主要是采用微机数控技术改造最大加工直径为 400mm 的普通卧式车床。要求在对卧式车床的改造任务和功能需求作出认真分析的基础上，做好总体改造方案设计及纵向进给系统的详细设计。通过这一典型机电一体化产品的开发设计，培养综合运用所学专业知识改造开发新产品及解决工程实际问题的能力。具体内容及要求如下：（1）调查研究、查阅及翻译文献资料，撰写开题报告；（2）改造任务及功能需求分析；（3）总体改造方案的确定；（4）纵向进给系统机械部分和控制部分的详细设计；（5）文档整理、撰写毕业设计说明书及使用说明书。相关设计技术条件及要求如下：（1）床身上最大加工直径：400mm；（2）最大加工长度：1000mm；（3）横向进给脉冲当量：0.005mm/脉冲，纵向进给脉冲当量：0.01mm/脉冲；（4）横向最快的工进速度：400mm/min，纵向最快的工进速度：800mm/min；（5）换刀时刀架转速：30r/min；（6）CNC 系统主 CPU 采用单片机。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页2 C6140 普通车床数控改造的总体方案设计2.1 C6140 普通车床介绍C6140 普通卧式车床的结构布局如图 2.1 所示。当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向和横向移动,能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等,借助成形刀具,还能加工各种成形回转表面。图 2.1 C6140 普通卧式车床的结构布局（1）主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。箱内装有齿轮、轴等零件，组成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。（2）进给箱是进给传动系统的变速机构。它把交换齿轮箱传递来的运动，经过变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。（3）交换齿轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。更换箱内的齿轮，配合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削时对不同纵、横向进给量的需求。（4）溜板箱是接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车刀的纵横进给运动。溜板箱上装有一些微手柄和按钮。可以方便地操纵车床上来选择诸如机动、手动、车螺纹及快速移动等到运动方式。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页（5）床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的各个部件。床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。（6）刀架部分由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成用于装夹车刀并带动车刀作纵向、横向和斜向运动。（7）尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构其工作位置。尾座主要用业安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀等切削刀具进行孔加工。（8）床身前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身及安装在床身上的各个部件。可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用其所长地脚螺栓固定在此工作场地上。（9）冷却装置主要通过冷却泵将切削液加压后经冷却嘴喷射到切削区域 23。C6140 普通卧式车床的功能如图 2.2 所示。图 2.2 C6140 普通卧式车床的功能2.2 总体方案的确定C6140 型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装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，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。C6140 车床数控改造的总体方案如图 2.3 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页图 2.3 C6140 车床数控改造的总体方案示意图2.3 机械系统的改造设计方案（1）进给系统的改造与设计方案（a）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器（b）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。（c）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。（d）拆除四方刀架与上溜板的总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。（e）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（f）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相连。（g）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠） ，更换丝杠的右支承。（2）主传动系统的改造方案 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转、何停止可由数控系统来控制。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 24 档的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。当采用有级变速时，可选用 YD 系列 7.5kW 变速三相异步电动机，实现 24 档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配 7.5kW 电动机。（3) 安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松动采