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第一章 绪论 1.1课题背景 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
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0.6～0.8万台，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。 paper51.com 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"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。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的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）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（Retrofitting）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。 内容来自www.paper51.com 1.2机床改造的内容及意义 paper51.com
1.2.1研究意义 copyright paper51.com 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、小批量生产要求，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，最适宜加工小批量、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。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。 paper51.com 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足CW6140车床改造后加工零件的精度要求。 内容来自www.paper51.com 1.2.2主要研究内容及技术路线 copyright paper51.com (1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。 http://www.paper51.com (2)纵向和横向步进电机的选择。 copyright paper51.com (3)主轴交流伺服电机的选择与校核。 copyright paper51.com (4)其他元件的选择。 copyright paper51.com 1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题(1) 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
(2) NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床。 paper51.com (3) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重 新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com (4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 copyright paper51.com 第二章 总体改造方案 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 首先是数控系统的选择。本设计方案数控系统选用外购的成套产品。由于本人水平有限，做不出数控系统，只能选用成套的数控系统；再者，成套的数控系统功能要比自己搭建的功能丰富。这里选用广州数控的928TB数控系统。 内容来自www.paper51.com 进给传动的作用是接受数控系统的指令，驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动，加工出符合要求的零件，对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用广州数控的928TB数控系统，其带有X、Z轴控制功能，其采用步进电机开环驱动系统实现X、Z轴运动控制，这样结构简单，安装调试和维修都非常方便。电机有数控系统直接控制，不需要另外的步进电机控制系统。 内容来自www.paper51.com 加装主轴脉冲发生器，以实现切削螺纹功能。脉冲发生器与主轴用同步带连接。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
拆除原车床的纵向和横向丝杠、光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。 copyright paper51.com 横向进给机构改造中，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。 paper51.com 拆除原刀架和小拖板，换上数控可转位刀架。数控系统自带刀架控制器。 copyright paper51.com 数控机床的加工是由程序控制完成的，所以坐标系的确定与使用非常重要。根据 ISO841 标准，数控机床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控车床平行于主轴方向即纵向为Z轴，垂直于主轴方向即横向为X轴，刀具远离工件方向为正向。 http://www.paper51.com CA6140车床的坐标原点定在卡盘基座与主轴中心的交点上，数控系统是通过检测参考点的具体位置来确定机床坐标系的，选用两个接近开关X轴方向和Z轴方向各安装在一个机床上，用于建立参考点，当移动刀架两个都有信号输出时，刀架的当前位置就为参考点R，测量XR和ZR，并将它写入机床数据库，即可在数控系统中建立坐标系。 内容来自www.paper51.com
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图2-1进给系统总体改造示意图 paper51.com 第三章 数控系统的选择 copyright paper51.com
数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。2.1步进电机拖动的开环系统 copyright paper51.com
系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。2.2异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。2.3交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 内容来自www.paper51.com
半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如广州数控、中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心等。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求,所以依据改造的具体要求选用合适的数控系统。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 本设计是改造成经济型机床，所以选用广州数控的GSK98TB数控系统，其为步进电机开环拖动，虽然精度不是很高，但优于普通车床精度，且改造简单。广州数控的928TB数控系统，其最小指令单位：0.01mm，丰富循环加工指令：单头、多头螺纹、单面进刀自动切深等自动循环，内外圆柱面、端面、锥面、球面、 切槽等粗加工循环，具有螺纹加工能力，中/英制螺纹加工：公制0.01～12.00mm螺矩、英制 2.20～200.00牙/英寸。性能适合经济型车床，操作界面简单易懂，且为国产，对支持我国数控系统国产化有一定意义。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 针对机床切削螺纹功能，主轴控制系统含有主轴控制功能，可以不必加装光电编码器，但是电机与主轴传动比必须为1:1，因此选用主轴电机与主轴传动比为1:1，这样也可以简化改造。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 第四章 机械部分的改造 内容来自www.paper51.com 为了充分发挥数控系统的技术性能，保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动。 paper51.com (1) 床身 内容来自www.paper51.com 为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。增加耐磨性的方法有1，增加导轨的表面强度如：淬火；2，降低摩擦系数μ等。 copyright paper51.com 当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁。而导轨则采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用旧床身，采用淬火制成导轨，贴塑用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com (2) 主轴变速箱 http://www.paper51.com
选用数控系统,主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围（1～16）来保证加工时选择合理的切速，从而获得较高的生产率和表面质量,所以要根据具体情况对主轴边速箱进行改造。本设计方案拆除主轴机械变速系统，在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统，改用数控系统直接调速。原因会在下文介绍。 paper51.com (3) 拖板 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。①在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为0.01mm)。传动比计算公式为： （3-1） http://www.paper51.com |