CA6140数控化改造说明书改

四川理工学院毕业设计

参考文献

[1] 黄筱调，丁文郑，洪荣晶.机床数控化改造[T]北京：科学出版社，2012. [2] 李诚人.数控化改造[T]北京：清华大学出版社，2006.

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[4] 关颖.数控车床[T]沈阳：辽宁科学技术出版社，2005.

[5] 罗永顺.机床数控化改造技术[T]北京：机械工业出版社，2013. [6] 王永章，杜君文，程国全.数控技术[T]北京：高等教育出版社，2012. [7] 李发海，王岩.电机与拖动基础.北京：清华大学出版社，2012. [8] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，2012. [9] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计.北京：高等教育出版社，2013. [10] 张建民.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2014. [11] 汪凯主.机械设计标准应用手册.北京：机械工业出版社，1997.8 [12] 丁一，陈家能.机械制图.重庆：重庆大学出版社，2012.8.

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致谢

致谢

从拿着题目无从下笔到对题目有了突破口到最后完成设计，最需要感谢的便是我的指导老师--刘康老师。

虽然说做过很多次课程设计了，但是和毕业设计还是有很大的区别。第一天去刘康老师那刘康老师问了一个问题：大学四年你们学的每一科都有什么作用？以前做课程设计的时候基本是都是围绕着一科，比如PLC啊减速器设计啊。但是做到毕业设计的尾声，终于知道毕业设计和课程设计的区别了，那就是毕业设计是讲大学四年大部分课程综合使用。那些没有搞懂的和曾经学会但是忘记的，如今都在实战中一一使用，最大的收获便是在对着陌生的知识一无可知的时候如何克服初期的焦躁静下心去学习新的知识。

其次很感谢帮助我的同学们，因为在互帮互助的过程中，其实我们也对自己的课题更加深刻，因为和同学交流的时候不可能让他将自己的前面所做的设计统统了解，那么必将你的问题归纳总结，提出需要解决的问题，其实这也是毕业设计无形中的锻炼。

还要感谢学校，让我在进入社会之前有一个完整的锻炼机会，因为进入社会不可能老板给你拿这钱还让你学习怎么做。所以能有导师带着做一个陌生的但是又和大学四年学习课程紧接的课题，是多么难能可贵。

最后再次感谢刘康老师的耐心讲解。

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四川理工学院毕业设计（论文）

CA6140进给系统数控改造

学 生：丁张文谦 学 号：12011034302

专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机电2012.1 指导教师：刘康

四川理工学院机械工程学院

二O一六年六月

1

四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目： C6140进给系统数控改造

学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及自动化 班级： 20121 学号： 12011024302 学生： 丁张文谦 指导教师： 刘康 接受任务时间 2016年3月8日

系主任 （签名） 院长 （签名）

1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 数控改造总体方案设计

纵向、横向进给系统数控改造设计及计算

纵向进给系统部件图1张，横向进给系统部件图1张，零件图2张 设计说明书一份

2．指定查阅的主要参考文献及说明 《数控机床设计》，化学工业出版社 《机床数控化改造》，机械工业出版社 CA6140机床图册

3．进度安排 1 2 3 4 5 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 3月 8日~3月16日 3月17日~4月25日 4月26日~5月24日 5月25日~6月 1日 6月 2日~6月15日 收集准备参考资料，查阅文献，完成开题报告 总体方案设计，设计计算，分析 完成所有图纸的绘制并检查修改 完成设计说明书的撰写 答辩准备和毕业答辩 2

摘 要

随着工业的不断发展，机械加工技术也逐渐趋于高精度、高稳定性和人性化。就许多工厂现有机床而言，大量普通机床存在加工精度较低、不能进行大批量的生产、自动化程度不高等问题，但其使用寿命较长，一次性淘汰将会给工厂造成较大损失。因此结合工厂实际情况，考虑将一部分普通机床进行数控化改造，以满足生产需要。

本次设计是针对CA6140普通车床的数控化改造。详尽得介绍了设计的总体方案；纵横向进给的计算，包括丝杠轴承齿轮的选型和效验；以及电气控制部分的设计与选择与数控部分的设计与选择。

本次设计完成了对CA6140机床的数控化改造，在一定程度上满足了机床的多功能化和精度的提高。

关键词： 普通机床 数控化 改造设计

I

ABSTRACT

With the continuous development of industry, mechanical manufacturing technology gradually tends to be more and more highly precise, stabilized and humanized. In terms of existing machine tools in many plants, there are many disadvantages in a large number of general-purpose machine tools, such as lower processing accuracy, being incapable of mass production, lower automation degree. However, its useful life is much longer so that it will cause a greater loss to the plant from an entire elimination of them. Combined with practical situation in the plant, a part of general-purpose machine tools is thus considered to be conducted with NC transformation in order to meet production needs.

This design aims at the NC transformation of CA6140 center lathe. Also, the overall design program is introduced in detail. The calculation of vertical and horizontal feed includes the selection and verification of lead screw bearing gear, as well as the design and selection of electronic control and numerical control.

The NC transformation of CA6140 machine tool is completed in this design, which to a certain extent meets its requirements of multifunction and also achieves the improvement of precision.

Key words: General-purpose machine tool; Numerical control; Transformation design

目 录

II

摘 要 ................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 1

1.1数控以及数控化车床的发展与趋势 ............................................................................................... 1

1.1.1国内外数控以及数控化车床发展的概况 ............................................................................ 1 1.1.2 数控化的发展趋势 ............................................................................................................... 1 1.2 普通机床数控化的可行性与必要性 .............................................................................................. 2

1.2.1 普通机床数控化的可行性 ................................................................................................... 2 1.2.2普通机床数控化的必要性 .................................................................................................... 2

第2章 普通车床数控化改造的总体方案 ............................................................................ 4

2.1总体方案设计................................................................................................................................... 4 2.2主轴脉冲发生器............................................................................................................................... 5 2.3机械部分的改造............................................................................................................................... 5 2.4 电气部分的改造.............................................................................................................................. 5 2.5刀架的改造 ...................................................................................................................................... 5 2.6 数控系统的选择.............................................................................................................................. 6

第3章 机械部分的改造设计与计算 .................................................................................... 7

3.1 纵向进给系统的设计与计算 .......................................................................................................... 7

3.1.1 纵向进给系统数控化所需的参数 ....................................................................................... 7 3.1.2 纵车外圆切削力计算 ........................................................................................................... 7 3.1.3 滚珠丝杠副的计算和选型 ................................................................................................... 8 3.1.4 齿轮的相关计算 ................................................................................................................. 10 3.1.5 步进电机的计算和选型 ..................................................................................................... 10 3.1.6 纵向轴的设计 ..................................................................................................................... 12 3.2 横向进给系统的设计与计算 ........................................................................................................ 13

3.2.1 横向进给系统数控化所需的参数 ..................................................................................... 13 3.2.2 切削力计算 ......................................................................................................................... 13 3.2.3 滚珠丝杠副的计算和选型 ................................................................................................. 13 3.2.4 齿轮的相关计算 ................................................................................................................. 15 3.2.5 步进电机的计算和选型 ..................................................................................................... 16

第4章 轴承的选用与配置 .................................................................................................. 19

III

第7章 CA6140数控化改造的数控系统

（4）辅助装置：辅助装置和驱动装置一样位于数控系统和机床本体之间，依然接受由数控体统发出的指令，完成辅助动作。

7.3伺服系统的类型分类

(1)开环伺服系统。

开环伺服系统的驱动是开环的，意思即是没有反馈装置。它的指令是单向的，所以运动速度和精度较低。因此比较适用于经济型或简易型对精度要求不高的数控机床。 (2)闭环伺服系统。

这类伺服系统是接受由位置传感器反馈回来的信号，再和接受到的指令比较，对差值进行修正。所以能够得到较高的定位和加工精度。主要用于精度较高的数控机床。 (3)半闭环数控系统。

半闭环数控系统位置检测元件从机械传动链中间获得反馈，然后反馈到比较器，与原指令比较修正。稳定性好，成本较低，精度稍差于闭环系统，应用十分广泛。

7.4 数控系统选型

依据CA6140数控化后所要达到的精度、性能等，选择性价比高的数控系统。要考虑到数控系统的成熟度，成本以及生产周期等情况，还有为了避免选择的性能大量过剩，需要综合考虑。

在我国，涌现了中科院、华中等众多数控生产厂家，并且价格上有很大的优势，大约只占了进口数控系统的三分之一左右，但性能和稳定性不是很理想，故本论文决定采用SIEMENS数控系统。

具体型号是SINUMERIK 802D。SINUMERIK 802D是步进电机控制系统， SINUMERIK 802D 最高可以带3个进给轴和一个主轴，最多四轴联动，且为线性轴。SIEMENS 802D由PCU（Panel Control Unit），键盘（水平安装和锤子安装）、一或两块输入输出模块（PP72/48）、一个24V电源、驱动器另选组成。

表7-1 SINUMERIK 802D 参数规格

型号 测量回路数 进给轴/主轴 3/1 DNC功驱动系统 线性插补 通道数 PLC最大I/O PLC编程 802D 中文环4 龙门同611A/U/UE RAM区 3 手持单1 等离子144/96 等离子STEP7-Micro 硬盘 30

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境 YES 3′5软驱 NO 步轴 NO 图形模拟 YES 能 YES 歇屏保护 NO 256K 数字化功能 NO 元 YES 远程诊断 NO 单显 YES 极坐标 彩显 YES 性能 NO 使用机床类型 YES 经济型 车铣 西门子SINUMERIK 802D具有以下特点：

(1)结构设计为模块化，经过多层印制电路板制成，经济型良好。并且可以在一种标准硬件上配置多种软件，使它具有多种工艺类型。

(2)优良的机床实用性。可以与上级计算机通信。高的进给速度充分利用，并且在很高的进给速率下依旧能保持良好的加工表面质量。

(3)编程简单，操作方便。多种语言显示，STEP7语言编程，人机对话简便，包括小数点计数法、绝对尺寸和增量编程等等。

(4)调整方便。可以直接在机床上编辑修改程序以达到自己需要的程序，还可以设置偏置、刀补等参数。

7.4 驱动器的设计与选择 7.4.1驱动器的概述

由于需要控制成本，驱动器满足要求即可，所以不再选用进口驱动器，根据步进电机需要的电压和电流选择一款或者两款经济型的驱动器。

7.4.2驱动器的选型

（1）纵向步进电机驱动器选型：

有前章节可知，纵向步进电机需要驱动电压为80V，电流为4A。根据对比最后选择YKA3611MA细分驱动器。

YKA3611MA是等角度恒力距细分高性能步进驱动器，驱动电压DC60~130V。适配电流在5.2A以下，外径86~110的各种型号的三相混合步进电机。

表7-2YKA3611MA细分驱动器参数规格

设有16档等角度恒力矩细分，最高分辨率60000步/转 最高反应频率可达200Kpps 步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减为20%~80% 双极恒流斩波方式，使得相同的电机可以输出更大的速度和功率

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第7章 CA6140数控化改造的数控系统

相位记忆功能 光电隔离信号输入/输出 驱动电流从0.6A/相到5.2/相分16档可调 单电源输入，电压范围AC60~130V 过热、过流、电压过低保护 体积小巧（68X178X108.5mm）；净重2.0kg （2）横向步进电机驱动器选型：

有前章节可知，纵向步进电机需要驱动电压为30V，电流为3A。根据对比最后选择YKA3606MA细分驱动器。

YKA3606MA是等角度恒力距细分高性能步进驱动器，驱动电压DC16~60V。适配电流在5.8A以下，外径42~86的各种型号的三相混合步进电机。

表7-3 YKA3606MA细分驱动器参数规格

采用独特控制电路，有效降低噪音，增加转动平稳性 设有16档等角度恒力矩细分，最高分辨率60000步/转 最高反应频率可达200Kpps 步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，减小电机过热 双极恒流斩波方式，使得相同的电机可以输出更大的速度和功率 光电隔离信号输入/输出 驱动电流从0.2A相到5.8/相连续可调 单电源输入，电压范围AC16~60V 过热、过流、电压过低保护 体积小巧（25X136X92mm）；净重0.3kg 7.5 主轴脉冲编码器的概述

由于齿轮箱的拆除，固定的内传动比不存在了，为了保持螺纹切削功能，必须在主轴上安装光电编码器，光电编码器与主轴直接连接，它们的传动比是1：1，为了保证螺纹切削时的螺距准确，要求主轴转一周工作台移动一个导程。螺纹的切削并并不是一刀进给完成，需要几次切削才能完成，所以在进刀起始位置必须相同，为了使重复切削不乱扣，数控系统在接受到编码器一转脉冲才开始螺纹切削的计算。

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6.5.1编码器的选型

根据加工精度的要求，选择经济型光电编码器3720，参数如表：

表7-4 光电编码器3720技术规格

产品型号 3720 出线方式 电缆 产品尺寸 最高分辨率 1024imp 通孔轴 工作风温度 -20~70°C 最大速度 6000rpm 供电电压 5~30V 最高防护等级 Ip65 可选项 10BY10服务 接口模式 推挽输出 6.5.2光电编码器工作原理

图7-2 光电编码原理图

工作原理：当光电编码器的轴转动的时候，AB两根线都产生脉冲输出，它们的脉冲角度相差90°，故此可以确定光电编码器转动的方向和电机的转速。如果脉冲A在脉冲B前，这光电编码器为正转。如果脉冲A在脉冲B后面，则为反转。I线主要作用是计数，当光电编码器转动一圈则计以及各脉冲。

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第8章 结论

第8章 结论

普通车床数控化改造在机械行业大力发展的今天是一个不错的建议，因为现在滞留的普通机床数量众多，如果不改造就不能紧跟发展的潮流。完成此次设计之后对本课题理所有了更深的理解。

CA6140数控化最主要的就是添加数控系统，因此可以拆除不需要的齿轮箱、溜板箱以及丝杠等设备。

为了保证纵横进给，则在原来纵向进给的丝杠处安装新的滚珠丝杠，并且在一级减速后与步进电机相连，通过步进电机控制。横向进给同理，在拖板出安装步进电机以控制横向进给。

由于拆除了齿轮箱，为了保证螺纹的切削功能，需要在主轴安装光电编码器以保证主轴转一转步进电机移动一个螺距。

由于步进电机不能直接与交流或者直流电源上工作，所以纵横向进给和刀架的步进电机需要在前面连接驱动器，驱动器由数控系统控制。 以上则是此论文的总体思路。

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第4章 轴承的选用与配置

图4-3 角接触球轴承

可以同时承受径向载荷及轴向载荷。能在较高转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力。因此一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。

4.3轴承的配置

（1）纵向丝杠轴承的配置

图4-4 纵向丝杠轴承配置

根据轴承配置的方案，最后确定使用如图所示的一端固定，另一端游动支承方案。这种一支点双向固定，另一端支点游动适合跨距较大且工作温度较高的轴。一端由一对正装的角接触球轴承承受轴向力，可以通过调节螺母和垫圈达到理想的游隙或所要求的预紧程度。另一端用一个深沟球轴承游动支承。 （2）纵向转动轴轴承的配置

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图4-5 纵向转动轴轴承配置

由于纵向丝杠已用角接触球轴承消除轴向力，通过套筒联轴器传递到转动轴时，用深沟球轴承已可以满足使用要求。最后选择两端使用各自单向固定的深沟球轴承的支承方式。

（3）横向丝杠轴承的配置

图4-6 横向丝杠轴承配置

配置方式和纵向丝杠的配置类似。依然是一端由一对正装的角接触球轴承承受轴向力，可以通过调节螺母和垫圈达到理想的游隙或所要求的预紧程度。另一端用一个深沟球轴承游动支承。

（4）横向转动轴轴承的配置

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第4章 轴承的选用与配置

图4-7横向转动轴配置

因为是直齿轮不传递轴向力，所以横向转动轴也不需要考虑轴向问题，故也使用两端使用各自单向固定的深沟球轴承的支承方式。

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第5章 数控车床电气控制设计

5.1数控机床电气控制系统的特点

现代化的数控机床主要是用数控系统CNC和PLC集成作为电气控制部分，将PLC作为机床侧信号和CNC一侧信号的中转站，实现外部信号的输入和逻辑控制信号的输出，代替原来的硬件逻辑电路。在实现控制要求时，不仅可以省去大量繁冗的控制电器元件和线路连接，而且可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，当系统改变控制要求和参数时，只需对储存程序加以修改便能改变生产工艺的控制，使系统的效率更高，操作更加简单。另外，针对现代数控机床安全可靠性要求提高的特点，利用PLC的I/O点可扩展性，可自行设计增加若干监测功能，满足数控加工的功能要求。

5.2电气控制方案分析

电气控制部分采用数控系统控制主要的功能和运动，改造设计内容主要包括： （1）由于考虑经济性，不更换原有的电动机，况且使用原电动机与变频器相连并不能得到较好的变速效果，所以保留原来的变速箱。 （2）纵向进给由数控系统控制步进电机实现。 （3）横向进给由数控系统控制步进电机实现。 （4）刀架的转动由数控系统控制刀架的电机实现。

（5）照明灯开关和冷却液的开关由于经济性，使用原电路不作改变，依然使用手动开关。

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第5章 数控车床电气控制设计

5.3 CA6140主电路的设计 5.3.1 原机床电路图

图5-1 CA6140主电路图

由图5-1可知C6140车床主电路共有三台电动机。M1是主轴电动机，带动主轴转动；M2是冷却泵电动机，用来输送切削液；M3是刀架快速移动电动机。主轴正反转是由触电KM1和KM2的闭合与断开实现的。

5.3.2改造后的主电路图

图5-2 改造后的主电路图

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改造后的数控机床主轴保留原来的变速系统，触电KM1和KM2实现电动机M1正反转；冷却泵电动机M2保留原来的电气路线；纵横进给移动分别由步进电机M3、M4控制；刀架转动电机M5由数控系统直接控制。

从图5-2可知，改造后的主电路的工作原理是扳动断路器QF以及空气开关，将三相电源引入。KM1和KM2两个触点控制主轴电动机M1正反转。紧接着也是不改动的冷却泵。然后三相电路连接至数控系统，再由数控系统连接M3、M4、M5，由于数控系统输出的电压不足以驱动步进电机，所所以要在数控系统与步进电机之间加上驱动器，数控系统输出弱点信号控制驱动器，驱动器再外接电源，使其可以有足够的电压驱动步进电机。

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第6章 自动转位刀架的选型

第6章 自动转位刀架的选型

6.1选用自动转位刀架的概述

CA6140数控化改造需要将原来的手动转动刀架换成自动转位刀架。自动转位刀架有数控系统控制，保证了转位的速度与精确度。在选择自动刀架的时候要根据刀位数与加工方式。

6.2数控车床刀架需要的基本要求

数控车床的刀架是车床的不可或缺的组成部分，刀架是用来夹持切削刀具的，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了车床的设计与制作技术水平，对面本设计，需要满足如下要求：

(1) 转位准确可靠，工作平稳安全； (2) 按最短路线转位，转位时间段； (3) 重复定位精度高； (4) 防水防屑，密封性好； (5) 加紧刚性高，适宜重负荷切削； (6) 能在原刀架处不加工安装。

6.3 数控车床刀架结构及选型

图6-1 自动转位刀架结构

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最终选择信号LD4-CK6140立式转位刀架，它与CA6140机床原刀架刀位相同，安装也较方便，只需将原车床的刀架拆下将电动刀架装上即可。在安装时，应将电动机一侧放在远离人站的一面，以免妨碍操作。

表6-1 LD4-CK6140尺寸参数

型号 LD4-CK6140 192 F 12 81 C 168 40 13 A 192 375 E 20 242 20 162 D 152 23 152 90 B 192 表6-2 LD4-CK6140自动转位刀架其他参数

型号 电机功电机转锁紧力重复定换刀时间 率W 速n/min KN 位精度mm 90° 180° 270° LD4-CK6140 120 1400 12 错误！未找到引用源。0.004 2 2.5 3 6.4 自动回转刀架的工作原理

自动回转刀架工作原理如图6-2所示，自动刀架有上下两个端齿盘，在需要换刀的时候，有数控系统发出信号，然后经过弹簧安全离合器带动涡轮副转动，然后螺母抬起上段齿盘，使刀架转动旋转到位，然后自动检测发出信号带动电动机反转锁紧，然后便可以进行加工。

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第6章 自动转位刀架的选型

图6-2 自动刀架原理图

其具体的过程是：当数控系统发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动蜗轮蜗杆减速机构转动，驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升，当刀架上升到一定程度的时候，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔传感器元件，当上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电动机停转，完成选刀过程。

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第7章 CA6140车床数控化改造的数控系统

7.1车床数控化选择数控系统概述

数控机床的主要特点是它有一个数控系统，这个系统可以存储程序，运行程序。而具体的数控系统其实就是一个控制系统，事先输入的程序是人类可以读懂的，然后数控系统将它翻译成自己的控制信号，然后自动逐条执行事先输出的程序，也就是执行事先的数值，然后控制机床动作进行零件加工。

7.2数控机床的构成

如图7-1所示，数控机床的数控系统一般是由输入/输出装置、数控装置、驱动控制装置、辅助控制装置四部分组成，机床本体为被控对象。

图7-1 数控机床的主要结构

（1）输入/输出装置：输入装置的作用是将信息载体上的数控加工程序输入数控装置。输入的内容和数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。比较常用的输入/输出装置为操作键盘和CRT显示器。

（2）数控装置：数控装置是数控系统的核心。他的主要功能是处理由输入装置输入的各种信息，然后再向驱动装置和辅助控制装置发出指令。其形式是由数字逻辑电路构成的计算机数字控制系统，称谓CNC。由计算机判断而输送两种控制量，一种是送往驱动装置的连续控制量，另一种是送往辅助控制装置的离散性开关量控制。

(3)驱动装置：驱动装置位于数控系统和机床本体之间，是通过数控系统发出的指令，经过功率放大，按照严格的指令对被驱动部分进行驱动。

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