CW6163卧式车床数控化改造及横向进给毕业设计论文.docx

第一章 绪 论1.1 数控机床的发展现状数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展精密和高速加 工对传动及其控制提出了更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速 度，更低的振动噪声和更小的磨损问题的症结在传统的传动链从作为动力源的 电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间 传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞 后、摩擦、振动、噪声及磨损虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所 提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电 动机到工作部件之间的各种中间环节随着电机及其驱动控制技术的发展，电主 轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运 动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性直线电机及其驱 动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使 机床性能有了新的飞跃目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用， 柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了 更高的要求为适应这种情况，数控机床正朝着以下几个方面发展。

1. 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质 量 目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速 度同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理 能力，即提高插补运算的速度和精度并采用直线电机直接驱动机床工作台的直 线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越在直线电机刚开始开发时， 因其能实现高速加工而备受瞩目但近年来，使用直线电机的目的已逐渐转向高 精度化也就是说，在直线电机的诸多优良特性中，很高的定位精度和圆弧插补 精度尤其令人刮目相看其原因是非接触式的驱动系统没有传统伺服电机旋转减 速用的齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引起的误差，以及直线电机必 然采用闭路控制采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精 度为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结 构形式，实现了变频电机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液 体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式2. 引进自适应控制技术智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调 节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较 好的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。

具有自诊断、 自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各 种设备进行自诊断、检查一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报 警，提示发生故障的部位、原因等还可自动使故障模块脱机，而接通备用模块， 以确保无人化工作环境的要求为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用 人工智能专家诊断系统数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混 合式集成电路，以减少元器件的数量来提高可靠性通过硬件功能软件化，以适 应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化 及系列化，使得既提高硬件生产批量、又便于组织生产和质量把关还可通过自 动运行启动诊断、诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软 件和各种外部设备进行故障诊断和报警利用报警提示，及时排除故障；利用容 错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控 技术，当生产超程、刀具损坏、干扰、断电等各种意外发生时，自动进行相应的 保护3．控制系统和数控系统小型化控制系统与数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。

而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代 传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化这样可方便地将它安装在 机床设备上，更便于对数控机床的操作使用1.2 机床进行数控化改造的必要性由于当前市场竟争激烈，一个企业想要生存和发展就必须迅速地更新和开发 出新产品，并且以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断 变化目前来说，普通机床已不适应多品种，小批量生产的要求，而数控机床则 综合了数控技术，微电子技术，自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、 高精度、形状复杂、生产周期短的零件因此，要对普通机床进行数控化改造以 是迫不得已首先，数控机床与传统的普通机床相比有许多优点，而这些优点主要从数控机床的计算机系统来说主要表现在以下几个方面：1. 计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该达 到的运动量，因此可以加工出带有曲线或曲面以及带有锥度的零件可以实现加 工的自动化，加工效率高2. 计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易4. 工序集中，减少了零件在机床间的频繁搬运，大大降低了工人的劳动强度。

5. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种功能，因而可实现长时间无人看管加工大大的提高了劳动生产率，缩短了生产周期，同时带来了很高的经济效益其次，从机械工业的发展形式来看，工业发达的国家，已开始大规模应用数 控机床其本质是采用数控技术对传统产业进行技术改造除了在制造过程中采 用数控机床外，在产品开发中还推行CAD （计算机辅助设计）、CAM （计算机 辅助制造）以及MIS （管理信息系统）、CIMS （计算机集成制造系统）等等由 于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造，最终使得发达国家的产品 在国际军品和民品的市场上竞争力大大增强而我国在数控技术改造传统产业方 面比发达国家约落后 20年因此，每年我国都有大量的机电产品进口这也就 进一步说明了机床数控化改造的必要性第二章 CW6163卧式车床总体方案设计2.1.设计任务本设计任务是对CW6163卧式车床进行数控化改造大体步骤是将x轴（横 向）、z轴（纵向）改为微机控制，采用步进电机驱动滚珠丝杠传动其中x轴 （横向）脉冲当量：0.005/mm脉冲，Z轴（纵向）脉冲当量：0.010/mm脉冲1. 实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工。

2. 操作要求：起动、点动、单步运行、自动作循环、暂停、停止2.2 .总体方案的确定对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设 计要求的前提下，对机床的改造应尽可能少，以便降低成本一、 数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式分为：点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系 统由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂 停，循环加工，螺纹加工等功能，由于在车削加工中，要求刀具沿各坐标轴运动， 要有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对工件沿加工路径运动，所以不能 选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中，不进行切削 所以，此微机数控系统采用连续控制系统二、 伺服系统的选择数控机床的伺服进给系统有开环、闭环和半闭环之分因为开环控制具有结 构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等 优点由于CW6163型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了 简化结构，所以，本设计采用开环控制系统三、 微机数控系统由于MCS-51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，具有很高的性能价格比等优点，因此采用MCS-51系列的8031单片机 扩展系统。

控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口及光电隔离电路，步 进电机功率放大电路等组成系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显 示器采用LED显示器四、 机械传动方式为了简化结构，降低成本，采用步进电动机加联轴器与传动丝杠连接；为保 证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，同时为提高传动刚度和消除间隙， 采用预加负载的贴塑性滑动导轨和滚珠丝杠副机构2.3.机械系统的改造设计方案一、主传动系统的改造 为减少机械改造的工作量，保留原有的主传动机构和变速操纵机构主轴的 正转、反转和停止可由数控系统来控制为了在加工中自动变换转速，可用交流 变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速二、改装自动回转刀架 为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将原有的手动刀架换成由 微机控制的经电动机驱动的自动回转刀架三、螺纹编码器的安装 为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器（也称螺纹编码器），为 此采用同轴安装方式，即编码器直接安装在主轴后端，因为这种方式结构简单 主轴和编码器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号， 经隔离电路以及I/O接口送给微机四、进给系统的改造1. 拆除挂轮架所有齿轮，在主轴的同步轴处，安装螺纹编码器。

2. 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与锥环联轴器3. 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4. 拆除四方刀架与上溜板总成，以及刀架纵横向移动手柄，刀架的移动由微 机控制，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架5. 拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆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6. 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，并通过 联轴器与滚珠丝杠的轴头相联7. 拆去三杆：丝杆、光杆与操纵杆第三章CW6163卧式车床横向进给系统的设计3.1 横向进给系统切削力计算1. 技术指标：机床长度：3630mm机床高度：1830mm机床宽度：1375mm工作台重（根据图纸粗略计算）：W=40kgf=400N 滚珠丝杠基本导程：L0=12mm ,左旋行程: S=450mm最大加工直径：在床身上630mm ；在刀架上550mm 最大加工长度：1500mm快速进给速度： 2000 mm/minV max最大切削进给速度：250mm/min 切削线速度：100m/min 主电动机功率：11kw定位精度：0.04mm/全行程重复定位精度:0.016mm/全行程 程序输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数：2脉冲当量：8 = 0.005mm/s tepp步距角：a = 0.750/step2.横向切削力计算目的： 通过计算切削力来选取滚珠丝杆以及步进电动机的型号，进一步对导轨的强 度，所受的摩擦力，承受的载荷大小的校验，以及滚珠丝杆的强度验算，步进电 动机的转动惯量的验算等。

查 CW6163 卧式车床说明书知，各电动机型号如下表：电动机型号额定功率电压电流转速主电动机Y160M—411kw380V23A1460r / min冷却泵电动 机JCB—220.15kw0.43A2790r / min快速移动电 动机Y90L—S41.1kw2.8A1400r / min由《机床设计手册》可知，切削功率计算公式如下:N = N KC式中，N —主电动机功率，N =11kw；“一主传动系统效率，一般为0.75〜0.85，取"二°・83 ；K—进给系统功率系数，取为K=0.96则，N = 11 x 0.83 x 0.96 = 8.76kwCFV又因为NC 。