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1、装订线C6140型普通车床数控改造设计摘 要针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有：1对普通
2、车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案；2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法；4根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图；5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图；6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对
3、主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量；7.绘出相应的零件图和装备图；8给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。关键词：普通车床、数控、改造 目 录 第一章 前言61.1 问题的提出61.1.1国内外数控系统发展概况61.1.2国内外数控技术发展趋势71.1.3智能化新一代PCNC数控系统71.2 普通机床数控改造的经济性评价81.2.1微观看改造的必要性81.2.2宏观看改造的必要性91.3 普通机床数控化改造市场91.3.1改造的市场91.3.2进口设备和生产线的数控化改造市场10第二章CA6140普通车床数控改造总体方案的设计要求102.1设计要求1
4、02.2主传动系统和进给系统的改造112.3主轴脉冲发生器12第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算143.1 进给系统机械结构改造设计143.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型143.2.1确定系统的脉冲当量153.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤153.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤193.3.1横向进给系统的设计计算193.3.2 滚珠丝杠设计计算203.3.3 齿轮及转矩有关计算223.4滚珠丝杠螺母副的精度等级233.5滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧233.6 进给系统传动齿轮间隙的消除253.6.1 采用减速箱的目的及注意事项253.6.2 减少或消除空
5、程的必要性和方法25第四章 CA6140数控改造步进电机的设计264.1 步进电机的工作方式264.2 步进电机的选择264.2.1 步进电机选用的基本原则264.2.2 CA6140纵向进给系统步进电机的确定274.2.3 CA6140横向进给系统步进电机的确定28第五章 自动回转刀架的选型285.1 数控车床刀架的基本要求285.2 自动回转刀架的工作原理29第六章CA6140普通车床数控化改造的数控系统296.1 数控车床及数控系统概述296.1.1 机床主机304.1.2 驱动装置304.1.3 辅助装置304.1.4 数控装置系统314.1.5 编程装置316.2 微机控制系统硬件电
6、路设计316.2.1控制系统的功能要求316.2.2硬件电路的组成316.3 单板控制系统的设计326.3.1 硬件配置326.3.2 贮存器空间分配326.3.3 I/O口地址分配326.3.4 光电隔离电路336.4 8031单片机简介336.5 存储器扩展电路设计346.5.1 程序存储器的扩展346.5.2 数据存储器的扩展346.6 译码电路设计386.7 其他辅助电路设计设计386.7.1 8031的时钟电路单片机的时钟的产生方式386.7.2 复位电路406.7.3 越界报警电路406.7.4 掉电保护电路41第七章 安装调整中应注意的问题427.1 滚珠丝杠螺母副的选择427.
7、2 滚珠丝杠螺母副的调整427.3 联轴器的安装427.4 主轴脉冲发生器的安装42第八章 结束语42致谢43参考文献-44第一章 前言1.1问题提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就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。购买新的数控机床是提高数控化率的主
8、要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。1.
9、1.1国内外数控系统发展概况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。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环
10、控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之
11、间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.2数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技
12、术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2) 柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通
13、过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。(4) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在
14、数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。1.1.3智能化新一代PCNC数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。 智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。1.2普通机床数控化改造经济性评价根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5万/台，普通新车床CA6140，售价3.8万/台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床CA6140，估价0.5万/台，通过改造还可使用4-6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改
