1、 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 I 页CA6140 卧式车床数控化改造设计专业：数控设备应用与维护 姓名：何波指导教师：杨金鹏、鲁亚莉摘要：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、大批量生产要求，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，最适宜加工大批量、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。如果将机床设备全部更新换代，不仅资金投
2、入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。采用数控改造技术，不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围，还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。所以采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。本设计采用的 GSK980TA1 进行的数控化改造。GSK980TA1 系统具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。本设计说明书包括：绪论、总体设计方案的拟定、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装等部分的结构设计。关键词：CA6
3、140 车床；数控化改造；进给系统；自动刀架四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 I 页目 录第 1 章 绪论11.1 本文选题的背景及意义 .11.2 数控机床的优越性 .11.3 数控机床在我国的发展现状 .11.4 机床数控化改造的必要性 .3第 2 章 总体设计方案的拟定42.1 设计参数 .42.2 总体方案的确定 .42.3 改造后机床的特点 .7第 3 章 数控系统软、硬件的设计83.1 数控系统的特点 .83.2 硬件设计 .93.3 软件功能 .103.3.1 显示 .113.3.2 PMC 控制 .113.3.3 进给伺服驱动 .123.3.4 主轴驱动 .123.
4、3.5 RS-232C 口及数据通讯 .133.3.6 调机、维护与故障诊断 .143.3.7 系统的功能 .15第 4 章 机床的电气改造164.1 数控系统电气控制线的连接 .164.2 数控系统内部总线上数据信息的传输 .164.2.1 数控系统与进给控制模块间信息传输 .174.2.2 数控系统与输入输出模块间信息传输 .17第 5 章 进给伺服系统的设计计算185.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算 .185.2 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算 .26第 6 章 主运动传动系统总体方案的设计346.1 主运动传动系统的设计 .346.1.1 无级变速传动系统 .346
5、.1.2 有级变速传动系统 .356.1.3 固定传动比的传动系统 .356.2 电动机的选择 .36四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 II 页6.2.1.电动机工作方式的确定 .366.2.2 电动机类型的确定 .366.2.3 电动机型号的选择 .366.3 箱体的结构设计 .366.4 主轴脉冲发生器的安装 .37第 7 章 刀架的选型38第 8 章 设计小结408.1 优缺点分析 .408.2 设计的改进及扩展 .40总 结41致 谢42附 录43参考文献46四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 1 页第 1 章 绪论1.1 本文选题的背景及意义金属切削机床是用切削
6、的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为“工业母机”或“工具机” 。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.
7、2 数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.3 数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平，即国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而
8、另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右,而 95 年已达 77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 2 页因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月,其中设计时间约为 58 个月,占总周期的 40%左右。而国
9、外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月,其中设计约 1.52 个月,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助
10、下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造
11、人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 3 页1.4 机床数控化改造的必要性我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约为0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占
12、 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)
13、第 4 页第 2 章 总体设计方案的拟定要求将 CA6140 卧式车床改造成用广数系统控制的经济型数控机床，采用伺服电动机半闭环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧查补功能。要求该车床增配自动回转刀架和主轴编码器，具有螺纹切削的功能。系统横向分辨率达 0.005mm。2.1 设计参数1）机床最大加工直径：在床身上 400mm，在床鞍上 210mm。2）最大加工长度：100mm。3）拖板及刀架重力：纵向：1000N，横向：600N。4）刀架快移速度 ：纵向：2m/min，横向：1m/min。maxv5）最大进给速度：纵向：0.6m/min，横向：0.3m/min。6）定位精度： 0.015mm。7）
14、主轴电机功率：7.5KW。8）启动加速时间：30ms。9）最小分辨率：纵向：0.01mm，横向：0.005mm。2.2 总体方案的确定（1）系统的运动方式和伺服控制系统的选择。由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、米/英制螺纹加工等功能，故选择连续控制系统。根据设计要求，采用伺服电机半闭环控制系统。（2）计算机控制系统的选择。根据设计要求控制系统采用 GSK980TA1系统。GSK980TA1 是 GSK980 系列的最新产品之一，采用了 32 位嵌入式CPU 和超大规模可编程器件 FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现 m 级精度的运动控制，
15、确保高速、高效率加工。在保持 980 系列外形尺寸及接口不变的前提下，采用 7 英寸彩色宽屏 LCD 及更友好的显示界面，加工轨迹实时跟踪显示，增加了系统时钟及报警日志。在操作编四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 5 页程方面，采用 ISO 国际标准数控 G 代码，同时兼容日本发那科（FANUC）数控系统，国内主流的编程方式，方便操作者更快、更容易使用本系统。GSK980TA1 以最高的集成度、简易的操作、简单的编程命令，实现高速、高精及高可靠性，可匹配手脉（电子手轮）及手持单元、伺服主轴、六鑫刀架（带就近换刀）等，具有中高性能数控系统的性能和经济型数控系统的价格，是经济型数控车床的
16、最佳选择。其特点如下：程序预读功能实现了切削速度最佳的加/减速控制系统预测控制可预读多个加工程序段，实现了切削速度最佳的加/减速控制，从而有效地减少了工件形状的转角处或小半径圆弧的伺服跟踪误差，并有效地提高加工速度和加工精度。彩色宽屏 LCD 有更大的视觉范围，更丰富的显示内容车载视频彩色 LCD 的采用，使显示界面更丰富、更友好，视觉范围更大，在较强光线的环境下仍能清晰看到系统显示的内容。倒角/倒圆角在程序中直接指令倒角长度或倒圆角的半径等尺寸，简化了部件加工程序的编制。四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 6 页具有辅助轴功能，可控制伺服电机进行定位匹配伺服主轴 GSK DAP03
17、 时通过速度或位置模式的转换，可实现主轴的高速旋转及对主轴的精确定位与分度。加工轨迹图形显示功能反映工件坐标和刀具补偿的刀尖轨迹，进行跟踪显示。超大容量存储器。超大容量存储器，26M 的存储空间，最大 500 个加工程序，满足多品种、多规格产品的加工需求。（一般数控系统的存储空间100K，程序数量100 个。） 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)第 7 页（3）机械传动方式。为实现机床所要求的分辨率，采用齿轮丝杠的减速方法；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副取代原车床丝杠；为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构；齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。经济型数控车床总体结构框图如图 2-1 所示：光电隔离功率放大光电隔离功率放大微 机伺服电动机Z 向伺服电动机X 向床鞍及拖板中滑板图 2-1 经济型数控车床总体结构框图2.3 改造后机床的特点(1)具有与原机床一致的刚度与强度.(2)具有与原机床一致的加工范围。(3)纵向进给直线度与原机床一样，其运动精度则有数控系统和纵向电机、滚珠丝杠的精度保证。(4)横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证。(5)可充分利用机床床身部分的已加工表面作为改造部分的定位和测量基准。(6)改造后的机床外型将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。
