华东交通大学毕业设计
第一章 绪论
1.1 机床数控化改造的必要性分析
20世纪70年代末、80年代初，工业发达国家的军、民机械工业已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等，在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而在我国的信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20连。如我国机床拥有量中，数控机床的比例到1995年只有1.9%，而日本在1994年已经达到20.8%，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我国加速经济发展，提高综合国力和国家地位的重要途径。对数控改造的理论研究和实践探索在机床改造业很有必要性。
数控机床与普通机床相比较具有以下突出的优越性。
（1）对加工对象的实用性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；
（2）加工精度高，具有稳定的加工质量；
（3）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
（4）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
（5）机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
（6）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
（7）有利于生产管理现代化，数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；
（8）对操作人员的素质要求高，对维修人员的技术要求更高； （9）可靠性高。
1.2 普通机床数控化改造的意义
数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。
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C150普通机床数控化改造
1.3 数控机床的发展趋势
从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。
在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。
在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。
1.4 我国机床设备现状分析
从总体来看，我国机床工业额世界先进水平相比，差距仍然十分明显：
一是国产倒档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内的产业发展需求，高档数控机床目前仍然要大量依赖进口；二是浮空机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控机床产业发展的瓶颈；三是机床制造企业技术装备水平不高，制造能力、综合管理和服务能力不能满足市场快节奏发展的需求；四是大型国有企业的旧设备比例大，设备更新所需资金缺口大。
综上所述，机床数控化改造是提高我国数控设备的既经济又可靠的途径。下文将对C150普通机床从总体方案设计和设计思路进行详细的阐述。
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第二章 数控改造总体方案设计
2.1 C150普通车床基本参数
C150普通车床属于通用机床，在市场上占有一定的份额，能加工工件的内外表面，端面和内外螺纹。主要由工人手工操作，生产效率低，使用于单件、小批量生产和维修车间。C150普通车床的设计参数。见表2-1。
表2-1 C150普通车床的设计参数
脉冲当量（mm/step） 最大加工直径（mm）： 最大加工长度（mm）： 溜板及刀架重量（N）： 刀架快移速度（m/min）： 最大进给速度（m/min）： 最小分辨率（mm）： 重复定位精度（mm）： 定位精度（mm）： 主电机功率（KW）： 起动加速时间（ms）： 纵向：0.01 横向：0.005 在床身上：500 在床鞍上：280 750-1500 纵向：1000 横向：500 纵向：2 横向：1 纵向：0.6 横向：0.3 纵向：0.01 横向0.005 0.01 0.02 7.5 30 2.2 确定设计方案
根据C150普通车床的实际情况，确定其数控化改造方案如下：
（1）保留原车床主轴旋转的主运动。
（2）选择数控系统，选用广州产GSK 928TC型系统。 （3）更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动。 （4）采用步进电动机驱动进给轴运动。 （5）加装主轴脉冲编码器 。
（6）刀架设计为由一个异步电动机带动的课转换的四方刀架。
2.3 数控系统的选择
根据改造后的C150机床的精度要求（数控化改造后纵向加工精度为0.01mm，横向加工精度为0.005mm），加工精度要求不太高，数控机床所以可选择步进电动机驱动的开环控制系统。综合考虑性价比，在对比同类数控系统及根据改造的目的，数控系统选广州产GSK 928TC型系统，其为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。数控机床驱动器选广州数控DF3A系列三相反应式步进电机驱动器
2.4 伺服系统的改造设计
C150车床原调速方法是靠交换齿轮调速、人工手动，不能实现伺服调速。改造后需实现数控无极调速，必须使用与数控系统配对的伺服驱动系统。根据进给脉冲指令输入驱动装置，经驱动电路控制和功率放大后，驱动执行电动机转动。因此，在C150车床改造过程中要根据所选的电动机参数来选择合适的伺服系统。
交流伺服电机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到C150车床改造为经济型改造，因此一般选用步进电动机作为驱动装置。步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一转步距误差自动变为
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C150普通机床数控化改造
零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应是步进电动机。在快速移动大距离条件下适用，转动惯量小、运行频率高。
经过对比，在C150车床改造中。选用反应式步进电动机作为纵向和横向的进给驱动。考虑改造后的C150机床精度要求（纵向精度为0.01mm/步，横向精度为0.005mm/步），加工精度要求不算太高，为了简化结构、降低成本，故选用反应式步进电动机驱动的开环控制系统。
2.5 机械部分的改造设计
在机械结构的改造设计中，主要针对元车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统
中保留C150车床的主轴机械部分和主电动机，只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。
在进给系统中，数控系统对纵、横向进给元件进行开环控制，驱动元件采用步进电动机。进给传动纵、横向均采用步进电动机—减速齿轮—滚珠丝杠螺母副—床鞍的传动方式。分别在X轴和Z轴的步进电动机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。
为实现机床所需要的分辨率，采用步进电动机经齿轮减速再传动丝杠，同时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。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杠和丝杠，再换上滚珠丝杠（安装在原丝杠的部位）。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋人式、精度等级为3级，车床型号为JSC—CDM系列滚珠丝杠副。此外，为提高传动刚度和消车床除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。
2.6 自动回转刀架的选择设计
目前常用的自动换到装置有自动回转刀架和带到库的自动换刀装置。自动回转刀架是
经济型数控机床改造中最常用的，是一种最简单的自动换刀装置。通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。自动回转刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。本设计中选用四方自动回转刀架。
在C150车床数控改造中，将原机床的普通手动回转刀架替换成四方自动回转刀架，拆除原刀架和小滑板，换上由 常州宏达机床数控设备有限公司生产的 LD4—CK6150四工位自动回转刀架。
2.7 编码盘的选用
编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，机床能否进行螺纹加工是株洲部分数控化该在的重要部分，所以在原来车床上需加装一个脉冲编码器，才能实现自动加攻螺纹的目的。
普通车床改造成经济型数控车床时为了能够加工螺纹和丝杠，需配装主轴脉冲发生器，即编码盘作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制纵向或横向步进电动机实现螺纹加工的目的。
根据前面所选车床数控系统GSK 928TC的技术参数可知，选长春三峰产增量式实心轴光电编码器PIE3系列编码器。该编码器适用于经济型数控机床，其最高许用转速为6000r/min，远远大于C150车床主轴最高转速2000 r/min。PIE3—1024—C05F，具体参数参见表2-2。
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