CA6140臥式車床橫向進給系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,ca6140,臥式,車床,橫向,進給,系統(tǒng),設(shè)計,cad,圖紙,說明書,仿單
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。
本文主要是采用微機數(shù)控技術(shù)對最大加工直徑為400mm的普通臥式車床進行改造設(shè)計。首先對臥式車床的改造任務(wù)和功能需求進行了認真分析，其次確定了普通臥式車床數(shù)控改造的總體方案，包括主傳動系統(tǒng)的改造方案、換裝自動回轉(zhuǎn)刀架、螺紋編碼器的安裝方案、進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案。最后經(jīng)過計算切削力、滾珠絲杠設(shè)計計算、齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算對絲杠、齒輪等進行了選型，詳細設(shè)計出了橫向進給系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 數(shù)控技術(shù) 改造設(shè)計 橫向進給 車床
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畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Title Design of Horizontal Machine based on Numerical
Control Technology
--Design of Lateral Feeding System
Abstract
Today, rapid development of science and technology, especially micro-electronics technology and computer technology have expanded rapidly, and applied to the numerical control system, it can increase the degree of automation, machine tools, can improve the machining accuracy, so the most economical way is to carry out general transformation of the NC machine tool.
In this paper, using computer numerical control machining technology to the maximum diameter of 400mm for the general transformation of the design of horizontal lathe. First of all, the transformation of the horizontal lathe tasks and functions carried out a careful analysis of needs, and secondly to determine the general horizontal lathe CNC overall transformation program, including the main drive system of the transformation program, installed automatic rotary tool, the installation of encoder thread program, the transformation of feed system and design. Finally, after calculating the cutting force, ball screw design, the gear and the calculation of torque on the screw, gear selection, etc., the detailed design of a horizontal feed system.
Keywords CNC technology Transformation design Lateral feed Lathe
目 錄
1 緒論 1
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展 1
1.2 機床進行數(shù)控化改造的意義 2
1.3 機床數(shù)控化改造的設(shè)計任務(wù) 3
2 總體方案的確定 4
2.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案 5
2.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 6
2.3 螺紋編碼器的安裝方案 7
2.4 進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案 7
2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計 8
3 橫向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 10
3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 10
3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設(shè)計 16
3.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計 22
4 微機數(shù)控部分設(shè)計 25
4.1 概述 25
4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 26
4.3 軟件設(shè)計 27
結(jié)束語 29
致謝 30
參考文獻 31
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 33 頁 共 31 頁
1 緒論
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展
美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設(shè)計、制造和使用上，技術(shù)最先進、經(jīng)驗最多的國家。因其社會條件不同，各有特點。
1.1.1 美國的數(shù)控發(fā)展史
美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機床的主機設(shè)計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進的日本超過，并大量進口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
1.1.2 德國的數(shù)控發(fā)展史
德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于1956年研制出第一臺數(shù)控機床后，德國特別注重科學(xué)試驗，理論與實際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對數(shù)控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之數(shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。
1.1.3 日本的數(shù)控發(fā)展史
日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法”、“機電法”、“機信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出于藍而勝于藍。自1958年研制出第一臺數(shù)控機床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺)超過美國(5,688臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內(nèi)約占70%，對加速日本和世界數(shù)控機床的發(fā)展起了重大促進作用。
1.1.4 我國的數(shù)控發(fā)展史
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距[1]。
1.2 機床進行數(shù)控化改造的意義
國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從40年代開始的。1952年美國麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機床。1974年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色[2]。
我國數(shù)控機床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。
由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有車床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景[3]。
1.3 機床數(shù)控化改造的設(shè)計任務(wù)
本課題來源于生產(chǎn)實踐。將CA6140型普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床，應(yīng)能實現(xiàn)CA6140車床原有功能，在機床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設(shè)計過程中滿足以下幾點要求：
（1）橫向（X向） 進給脈沖當量為0.01mm /脈沖；
（2）橫向最快的工進速度：400mm/min（無級調(diào)速）；
（3）床身上最大加工直徑：400mm；最大加工長度：1000mm；
（4）CNC系統(tǒng)主CPU采用單片機。
該設(shè)計的總體思路是采用以8031單片機為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機通過I/O接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺產(chǎn)生移動，實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將I/O輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響單片機程序運行，重則導(dǎo)致單片機接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離[4]。
2 總體方案的確定
臥式車床是金屬切削加工最常用的一類機床。它主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進行車削加工。在車床上還可用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應(yīng)的加工。車床主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機械制造和修配工廠中使用最廣的一類機床。CA6140臥式車床的機構(gòu)布局如圖2.1所示。
圖2.1 CA6140臥式車床的結(jié)構(gòu)布局
對其進行改造應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給系統(tǒng)傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。
（1）臥式車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。
（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟型要求，決定選用MCS—51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS—51系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進電機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。
（5）為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給系統(tǒng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙、提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)等。
（6）計算選擇步進電機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。
（7）選擇四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架，選擇螺紋編碼器等[5～8]。
總體布局圖如圖2.2所示。
10-床身部件 20-車頭箱部件 30-縱向進給部件 40-橫向進給部件 50-尾架部件
圖2.2 總體布局圖
2.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案
經(jīng)濟型的數(shù)控機床動力系統(tǒng)可分為三類：
（1）步進電機式
采用步進電機驅(qū)動與定位，是開環(huán)系統(tǒng)，同時限于造價，不再采用其它措施補償位置誤差。由于目前功率步進電機力矩還不太大，所以機床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統(tǒng)具有2～3種插補功能，通過軟件控制接口，可加工錐面，螺紋，簡單外形的曲面等十分靈活。由于性價比較恰當，一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和財力上都比較容易實現(xiàn)，因此在全國較容易推廣，普及。
（2）交流點位式
采用交流電機變頻驅(qū)動，用光柵數(shù)字點位控制，與步進電機相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達0.001mm，重復(fù)定位精度為0.01mm，所以加工精度較高。由于采用交流電機驅(qū)動，功率大，可進行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點式系統(tǒng)只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價格比相對下降，一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠使用，國內(nèi)用的很少。
（3）半閉環(huán)連續(xù)控制式
采用直流伺服電機驅(qū)動，以脈沖編碼器檢測位置，實現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制。由于采用高性能直流伺服電機驅(qū)動，扭矩大，速度高，過載能力強，可進行強力切削。當絲杠螺在6mm左右時，快速可達8～9m/min，且不丟步，效率高。該系統(tǒng)功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強電計大大簡化。
對臥式車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。
若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，已實現(xiàn)無極變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于70Hz，原來的電動機可以不換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電機大）[9]。
2.2 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架
為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架。常見的自動回轉(zhuǎn)刀架有四工位立式自動回轉(zhuǎn)刀架和六工位臥式自動回轉(zhuǎn)刀架。如圖2.3所示。
自動回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的復(fù)雜定位精度，自動回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動回轉(zhuǎn)刀架的自動換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路來實現(xiàn)的。
圖2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的外形
2.3 螺紋編碼器的安裝方案
螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。
螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步的旋轉(zhuǎn)輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。
2.4 進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案
（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。
（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。
（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。
（4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工位立式電動刀架。
（5）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。
（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。
（7）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠），更換絲杠的右支承[10]。
2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)按運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，CA6140車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標軸的運動有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計要求，本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
采用以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)備中。
采用簡易數(shù)控裝置，以步進電機為驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)在微機控制下的自動加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機，微機在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動縱橫向二臺步進電機轉(zhuǎn)動，通過機械接口傳動絲杠實現(xiàn)刀架縱、橫兩個方向的頻率。自動回轉(zhuǎn)刀架由單片機發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動刀架驅(qū)動電源驅(qū)動三相電機使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。
該經(jīng)濟型微機數(shù)控系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動元件。微機通過I/O接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺光電隔離
微
機
功率放大
步進電 機
橫向工作臺
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