1、42北京化工大學繼續教育學院畢業設計（論文） CA6140普通車床的數控化改造論文摘要 目前大多數企業還有數量眾多，而且還是有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低，不能批量生產，生產的自動化程度不高，生產自適性差，但考慮投資成本，產業的連續性和轉型周期，又不能馬上淘汰。而把普通機床改裝成數控機床不失為一條投資少，提升產品加工精度及質量，提高生產效率的捷徑，使企業提升競爭力，在我國成為世界制造中心及制造強國的進程中占有一席之地。 本設計共包含以下主要內容，即改造總體方案，機械部分改造、輔助裝置、數控部分、機床的安裝與調試。 普通車床數控化改造可以帶來以下好處：一是有利于普通車床的

2、再次利用；二是有利于企業技術的提高和成本的節約；三是有利于企業經濟開支的節約，四是有利于數控化市場的擴大。 機床數控化改造的意義有三：一是節約了企業資金，二是提升了機床性能，三是提高了生產效率。關鍵詞： 車床 數控化 改造 目 錄第1章 前言11.1 問題提出11.2 普通車床數控化改造的好處11.3 機床數控化改造的意義2第2章 改造總體方案32.1 CA6140車床介紹32.1.1 CA6140車床組成圖32.1.2 CA6140改造參數42.2 數控化改造要求和內容4第3章 機械部分改造73.1 主傳動系統73.1.1主傳動系統的介紹73.1.2 主軸脈沖發生器73.2 進給傳動系統73

3、.2.1 縱向進給的改造與計算73.2.2 橫向進給的改造與計算113.2.3 導軌16第4章 輔助裝置164.1 刀架的改造與安裝16第5章 數控部分205.1 數控系統的選擇215.2 數控系統的介紹215.2.1 操作面板215.2.2 軟件操作界面215.2.3 系統參數225.3 伺服驅動235.4 伺服電機25第6章 機床的安裝與調試266.1 數控系統的調試266.1.1 參數設置266.1.2 外部狀態檢查296.1.3 伺服電機安裝調試306.1.4 接通伺服電源316.1.5 連接機床調試326.1.6 參數的設置與系統的調試346.1.7 其他參數設置及傳動鏈注意事項35

4、6.2 電氣PLC的調試356.3 安裝調試的注意事項36元器件清單37結論39參考文獻40致謝41第1章 前言1.1 問題提出數控車床作為機電液氣一體化的典型產品，是現代機械制造業中不可缺少的加工設備，在機械制造業中發揮著重要的作用，能解決機械制造中結構復雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產品加工質量穩定，生產效率較高。企業要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發展,就必須在最短的時間內以優異的質量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優劣,制造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現有加工設備的直接影響。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑,但是成本太高，

5、很多工廠在短時間內都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業的設備更新和設備改造的步伐；同時目前大多數企業還有數量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產，生產的自動化程度不高，生產自適應性差，但考慮投資成本，產業的連續性和轉型周期，又不能馬上淘汰。而改造現有舊機床、配備與之相適應的數控系統，把普通機床改裝成數控機床，是當前許多企業對現有設備改造換代的首選辦法，也是提高機床數控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產品加工精度及質量，提高生產效率的捷徑，使企業提升競爭力，在我國成為世界制造業中心及制造強國的進程中，占有一席之地。所以，針對普通車床6140

6、存在以下幾個問題：1）車床整體太破舊，機床磨損嚴重，加工精度達不到要求。2)車床電氣元件老化，連接線不穩固。3)普通車床加工存在局限性，不能實現現代多種零件的加工。4)隨著機床的發展，機床也變成了數控化、人性化、效益化。而，普通車床實現一人操作多臺機床，不能自動化控制。故，據上述問題普通車床即將面臨淘汰，因此，普通車床的改造勢在必行。1.2 普通車床數控化改造的好處（1）有利于普通車床的再次利用經改造后的車床能夠再次利用，能夠達到生產要求，實現數控化、人性化、效益化。（2）有利于企業技術的提高，成本的節約數控機床與普通機床相比，有很大的優勢，數控機床具有高度柔性，加工精度高，加工質量穩定、可靠

7、，生產率高，改善勞動條件，利于生產管理現代化；而普通機床精度低，效率低，適合批量較小，精度要求不高，零活類零件。它投資較數控低，但對工人的操作技能要求較高，因此工人工資水平高。這樣會大大的加大企業的支出，對企業的收入也是有所影響的。（3）有利于企業經濟開支的節約數控化改造一般用戶都能承擔的起,這為資金緊張的中小型企業的技術改造開辟了新路,也對實力雄厚的大型企業產生了較大的吸引力。由于新型機床價格昂貴,一次性投資巨大,如果把舊機床設備全部用新型機床替換。要花費大量的資金,而替換下的機床又會閑置起來造成巨大浪費,若采用數控技術對舊機床加以改造和購買機床相比,則可省50%以上的資金,一套經濟型數控裝

8、置的價格僅為全功能裝置的1/3到1/5。（4）有利于數控化市場的擴大訂購新的數控機床的交貨周期一般較長,往往不能滿足用戶的需要,而改造的數控機床能夠適應市場對產品多樣化和高精度的要求。因此得到了用戶廣泛的應用,機床的數控化改造已成為滿足市場需求的主要補充手段,對中、小型企業來說是十分理想的選擇。1.3 機床數控化改造的意義(1)節省資金。機床數控改造同購置新機床相比一般可節省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購置新機床60%的費用，并可以利用現有地基。(2)性能穩定可靠。因為機床各基礎件經過長期時效

9、，幾乎不會產生應力變形而影響精度。(3)提高生產效率。機床數控改造后即可實現加工的自動化效率可比傳統機床提高3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。并且可以不用或少用工裝，不僅節約了費用而且可以縮短生產準備周期。第2章 改造總體方案2.1 CA6140車床介紹2.1.1 CA6140車床組成圖1、CA6140車床的基本組成如圖2-1所示：圖2-1 CA6140車床外形圖 1-主軸箱 2-刀架 3-尾座 4-床身 5-右床腿 6-溜板箱 7-左床腿 8-進給箱2、車床的參數普通CA6140車床的主要參數如表2-1所示：表2-1 床身上最大工件回轉直徑（mm）400刀架上最大工件回轉直徑（

10、mm）220最大工件長度（mm）750/1000/1500主軸內孔（通孔）直徑（mm）52主軸孔前端錐度莫氏6號刀架縱向的快速移動速度（mm）4.5m/min刀架橫向的快速移動速度（mm）1.9m/min床身導軌長度（mm）340主軸轉速的范圍（r/min）91600電動機功率（kw）7.52.1.2 CA6140改造參數CA6140數控化改造后應達到的參數如表2-2最大加工直徑：在床面上400mm在橫刀架以上210mm最大加工長度：1000mm快進速度：縱向2.4m/min橫向1.2m/min最大切削進給速度：縱向0.5m/min橫向0.25m/min溜板及刀架重力：縱向800N橫向600N

11、主電機功率：7.5KW控制坐標數：2最小指令值（脈沖當量）縱向0.01mm/脈沖橫向0.005mm/脈沖進給傳動鏈間隙補償量縱向0.15mm橫向0.075mm2.2 數控化改造要求和內容1、改造要求車床6140主要用于對中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工，加工這些零件工藝上要求機床應該滿足以下要求：(1)能夠控制主軸正反轉，實現不同切削速度的主軸變速；(2)刀架能夠實現縱向和橫向的進給運動，并具有在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具的功能；(3)加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個加工螺紋的螺距或導程。所以，根據以上要求，普通車床CA6140數控化改造后數控系統需要完成的任務。2、改造內容

12、普通車床改造的目的是利用數控系統控制車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產效率。因此，在考慮機床的數控化改造具體方案時，所遵循的原則是在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動，以降低改成本。根據CA6140車床有關數據改造內容如下：(1)機械部分精度恢復和機械傳動部分的改進。隨著機床使用的役齡的增加，機床的機械傳動部件，如導軌、絲杠、軸承等都有不用程度的磨損。因此，機床改造過程中的首要任務是對舊機床進行類似于通常的機床大修，以恢復機床精度，達到新機床的制造標準。為實現機床所要求的分辨率，采用伺服電機齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺

13、母副以及滾動導軌。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副機構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的消隙齒輪結構。1)主傳動系統保留原有的主傳動系統和變速機構，由于添加了自動加工螺紋功能，因此，在主傳動軸上安裝一個脈沖發生器，這樣既保留了機床原有的功能，又降低了改造工作量。如果要自動改變切削速度，可采用交流變頻調速，這樣改造成本較高，本次改造主傳動系統不做任何改動。2）進給傳動系統為保證進給伺服系統的傳動精度、運轉平穩性和機床加工精度,取消原機床的滑動絲桿螺母副,選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲桿螺母副,并應用預緊機構,以提高傳動剛度和消除間隙。3）導軌當機床加工精度要求不是

14、很高,尤其是對于開環控制系統,一般不作導軌改造調整改造,可大為降低改造成本。 (2)輔助裝置輔助裝置指的是數控機床的一些必須的配套部件。如冷卻系統、排屑裝置（采用原有的冷卻和排屑裝置）、自動換刀裝置、傳動機構等。1）對刀架部分的改造，通過將原機床的手動轉位刀架替換成自動轉位刀架來實現換刀切削,自動轉位刀架最常見的形式是螺旋型四工位刀架,由數控系統直接控制,效率高,工藝性能可靠。2）對傳動機構的改造，拆除原機床的機械傳動機構,用伺服電機經齒輪機構減速驅動滾珠絲桿,帶動刀架縱向或橫向運動。在伺服電機轉矩足夠大,構件許可時,可以不用減速驅動機構,由伺服電機直接與絲桿副相連。(3)電氣部分在這里我使用

15、電控柜裝置，在進行機床數控化改造時，原機床的電器控制部分一般只能報廢，重新按數控化改造要求進行設計制作。數控機床的強電控制部分設計中要特別注意的是，數控系統各接口信號的特點和形式要相配，并且在設計過程中應盡量簡化強電控制線路。實物圖如下所示：圖2-1電柜箱（1）圖2-2電柜箱（2）(4)數控部分1)數控系統數控系統是機床數控化改造的核心。數控改造的目的是要求機床穩定可靠,運轉故障率低。在這里我采用HNC-21T數控裝置2) 伺服驅動伺服驅動系統用于控制X和Y軸的伺服電機的轉速，從而控制進給兩，達到高精度的加工零件，這里我們采用和華中數控系統匹配的驅動器HSV-160B和GK6系列交流永磁伺服電

16、機。(5)整體調試整機聯接調試。舊機床上述各個部件的改造過程完成后，就可對組裝后改造機床各個部件進行調試。一般先對電氣控制部分進行調試，看單個動作是否正常，然后再進行聯機調試階段。第3章 機械部分改造3.1 主傳動系統3.1.1主傳動系統的介紹主軸電機采用車床原有的三相異步電動機。在主傳動軸上安裝一個脈沖發生器，這樣既保留了機床原有的功能，又降低了改造工作量，本次改造主軸電動機不做任何改動。為了保證車螺紋時嚴格的運動關系，在主軸箱上安裝脈沖發生器，通過主軸脈沖發生器數控系統伺服電機的信息轉換系統，實現主軸轉一圈，刀架縱向進給一個螺紋導程的車螺紋運動。3.1.2 主軸脈沖發生器為了加工螺紋或絲杠

17、，需要配置主軸及脈沖發生器作為車床位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，發出主軸轉角位置變化信號，輸送給數控系統。數控系統按照所需加工的螺距進行計算處理,從而控制機床縱向橫向伺服電機運轉,實現加工螺紋的目的。根據實際需要，在這里我選用海德ISC5815-0021增量編碼器。ISC5815-0021增量編碼器技術參數如表3-1所示：表3-1 ISC5815-0021增量編碼器技術參數輸出波形方波電源電壓DC+5或512V/+1224V消耗電流150mA工作濕度3085 無結霜響應頻率0120KHZ電源電壓980、6ms載空比0.5T±0.1T沖擊力50、10最大轉速6000rmp抗

18、震力MTBF3000h起動力矩輸出電壓高電平Vh、低電平Vh軸最大負載質量0.8Kg防護防水、油、塵工作溫度3.2 進給傳動系統3.2.1 縱向進給的改造與計算1、縱向進給的改造縱向進給滾珠絲杠必須采用三點式支承形式。伺服電機的布置，可放在絲杠的任一端。由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置伺服電機的減速齒輪，也可在滾珠絲杠的左端設計一個專用軸承支承座，而在素剛托架處布置伺服電機，機床改造常采用后一種布置方案。在絲杠左端設計一個專用軸承座，采用一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，在滑動軸承的兩側分別布置一對推力球軸承承受兩個方向的軸向力，支承短軸與滾珠絲杠通過聯軸套連接起來，滾球絲杠可托架上，滾

19、珠絲杠的中間支承為滾珠螺母與床鞍直接連接。如圖5-1所示。圖3-2 縱向進給傳動示意圖1、4推力球軸承 2、10徑向滑動軸承 3左端軸承座 5左接拉桿 6、9聯軸套 7滾珠絲杠螺母副 8螺母座 11絲杠托架 12伺服電機（1）滾珠絲杠縱向進給滾珠絲杠的相關參數如下表3-2：表3-2 縱向進給滾珠絲杠的相關參數名稱符號公式公稱直徑38導程6接觸角3°7鋼球直徑()3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺紋升角3°7螺桿外徑40螺桿內徑36.125螺桿紋接觸直徑37.258螺母螺紋直徑45.365螺母內徑42.1252、縱向進給的計算縱向進給滾珠絲杠必須采用三點式支承

20、形式。伺服電機的布置，可放在絲杠的任一端。在左端設計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置伺服電機和減速齒輪。如上圖3-2（1）已知條件：工作臺重量W=2300N，加速時間常數t=25s，滾珠絲杠基本導程L0=6mm,快速進給速度v=98m/min.由機床設計手冊可知,切削功率PC=PK（公式3-1）式中 P電動機功率，查機床說明書，P=4kw； 主傳動系統總效率，一般為0.750.85,=0.8; k進給系統功率系數，取k=0.96.則PC =3.072kw切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力(或轉矩)和最大切削轉速(或轉速)來計算,即PC=或PC=式中 主切削力（N） 切削速度

21、() T切削轉矩(N·m) N主軸轉速()設按最大切削速度來計算,取 =,則主切削力FZ=1880.8N由機械設計手冊可知，在外圓車削時FX=（0.10.55）FZ取FX =0.5×FZ=0.5×1880.8N=940.4N（2）滾珠絲杠設計計算滾珠絲杠副已經標準化，因此，滾珠絲杠副有設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。計算作用在絲杠上的最大動負荷首先根據切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據要求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷。（公式3-2）式中 FP工作負載（N），指數控機床工作時實際作用在滾珠絲杠上的軸向力； 運轉系數，一般運

22、轉系數取1.21.5,有沖擊的運轉取1.52.5; 硬度系數，為60HRC時，為1；為<60HRC時，>； G壽命（以轉為單位，如1.5則為150萬轉）。壽命G可按下式計算： 式中 n滾珠絲的轉速（r/min） T使用壽命時間（h），數控機床T取15000h。工作負載的數值可用機床設計手冊中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角或綜合導軌 （公式3-4）式中FX、FZ切削分力；W移動部件的重力（800N）;K考慮顛覆力的矩影響的系數，k=1.5; 導軌上的摩擦因數，=0.15 0.18,取0.16。則FP+0.16(1880.8+2300)N=1750.5 N 當機床以線速度V=98m

23、/min,進給量f=0.3mm/r,車削直徑D=80mm的我外圓時，絲杠的轉速mm/min=19.5/min則G=萬轉=17.55萬轉根據工作負載、壽命G，取=12, =1，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負荷=5461.5N由查滾珠絲杠地產品或機床設計手冊，選擇絲杠的型號。例如參照某廠滾珠絲杠的產品樣本，選擇滾珠絲杠的直徑為38mm，型號為其額定動載荷是20500N，強度足夠用。(3) 效率計算根據機械原理，絲杠螺母副的傳動效率為 （公式3-5）式中 螺紋的螺旋升角，該絲杠為 摩擦角，約等于10則=0.953（4）剛度驗算滾珠絲杠工作時受軸向力和扭轉的作用，將引起基本導程的變化，因滾珠絲杠受扭時

24、引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量為 （公式3-6）式中 E彈性模量，對于鋼，E=20.6 S滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底徑確定d，若d=2.77cm），則S=6.023其中，“+”用于拉伸，“-”用于壓縮時則= =cm絲杠1m長度上導程變形誤差為=14因3級精度絲杠允許的螺距誤差為15，故此絲杠的精度足夠。3、縱向滾珠絲杠的安裝：（1）拆下普通滑動絲杠與溜板箱，取消絲杠與主軸箱齒輪的傳動聯系，利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，兩端采用原固定方式這樣可減小改裝現場，并且由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，從而使縱向進給整體剛性優于以

25、前。 （2）拆下絲杠右端的支撐座，在坐標鏜床上將其孔徑鏜至40mm，便與伺服電動機的支撐軸相配合； （3）車削兩個軸套（分別為一長一短），長套用于連接絲杠左端和左支撐座，短套用于連接絲杠右端與伺服電機轉軸； （4）對安裝螺母的配件進行刨、磨、鉆、鉸和攻絲等加工，使其符合安裝條件； （5）總裝后，進行局部調整（如滾珠絲杠與道軌的平行度、螺母間隙和螺母上下前后位置等），力求使滾珠絲杠受力均勻，傳動平穩，無傳動間隙。 3.2.2 橫向進給的改造與計算1、橫向進給的改造橫向滾珠絲杠也采用三點式支承形式。伺服電機一般采都安在床鞍的后部,靠近操作都一端 ，布置一根支承短軸通過一個聯軸套與滾珠絲桿連接起來。

26、利用車床原橫向進給絲桿可滑動軸承作為徑向支承，并對原支承處進行適當改裝布置一對推力球軸承，以實現軸向支承,在遠離操作者的一端，用一個聯軸套和一根連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來，滾球螺母直接固定在中滑板上。車床橫向傳動的支承結構如5-2 所示。圖3-3 橫向進給傳動示意圖1-伺服電機 2-支承架 3、4、7-聯軸套 5-滾珠絲杠螺母副 6-螺母座 8-支承短軸（1）滾珠絲杠橫向進給滾珠絲杠的相關參數如下表3-3：表3-3 橫向進給滾珠絲杠的相關參數名稱符號公式公稱直徑25導程4接觸角4°33鋼球直徑()3.175滾道法面半徑1.651偏心距0.045螺紋升角4°33

27、螺桿外徑24.4螺桿內徑21.78螺桿紋接觸直徑21.835螺母螺紋直徑28.212螺母內徑25.6352、橫向進給的計算（1）假設已知條件：工作臺重量W=2300N，時間常數t=25ms，滾珠絲杠基本導程L0=4mm(左旋)，快速進給速度=98m/min。機床設計手冊可知,切削功率PC=PK（公式3-7）式中 P電動機功率，查機床說明書，P=4kw； 主傳動系統總效率，一般為0.750.85,=0.8; k進給系統功率系數，取k=0.96.則PC =PK =40.80.96kw=3.072kw切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力(或轉矩)和最大切削轉速(或轉速)來計算,即PC=或

28、PC=式中 FZ主切削力（N） 切削速度() T切削轉矩(N·m) n主軸轉速()設按最大切削速度來計算,取,則主切削力FZ=N=1880.8N由機械設計手冊可知，在外圓車削時FX=0.5×FZ ,取FX=0.5×1880.8N=940.4N（2)滾珠絲杠設計計算滾珠絲杠副已經標準化，因此，滾珠絲杠副有設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。計算作用在絲杠上的最大動負荷:首先根據切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據要求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷。 （公式3-8）式中 FP工作負載（N），指數控機床工作時實際作用在滾珠絲杠上的軸向

29、力； 運轉系數，一般運轉系數取1.2.5,有沖擊的運轉取.52.5; 硬度系數，為60HRC時， 為1；為<60HRC時，>； G壽命（以轉為單位，如1.5則為150萬轉）。壽命G可按下式計算：G=（公式3-9）式中 n滾珠絲的轉速 T使用壽命時間（h），數控機床T取15000h。工作負載的數值可用機床設計手冊中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角或綜合導軌 （公式3-10）式中、切削分力； W移動部件的重力（800N）; K考慮顛覆力的矩影響的系數，k=1.5; 導軌上的摩擦因數，f,=0.150.18,取f,.16。則+0.16(1880.8+2300)N=1750.5 N 當機

30、床以線速度V=,進給量f=0.3mm/r,車削直徑D=80mm的外圓時，絲杠的轉速mm/min=29.25r/min則萬轉=26.87萬轉根據工作負載、壽命G，取=12, =1，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負荷N=6301.8N（3)效率計算根據機械原理，絲杠螺母副的傳動效率為 (公式3-11） 式中 螺紋的螺旋升角，該絲杠為4°33 摩擦角，約等于10則=0.953（4)剛度驗算滾珠絲杠工作時受軸向力和扭轉的作用，將引起基本導程的變化，因滾珠絲杠受扭時引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量為（公式3-12）式中 E彈性模量，對于鋼，E=20.6 S滾珠絲杠截面

31、積（按絲杠螺紋底徑確定d，若d=2.77cm），則S=6.023cm2其中，“+”用于拉伸，“-”用于壓縮時則= =cm絲杠1m長度上導程變形誤差為=14因3級精度絲杠允許的螺距誤差為15，故此絲杠的精度足夠。3、橫向滾珠絲杠的安裝（1）拆下刀架、小拖板及滑動絲杠； （2）車削一根定位芯軸，保證法蘭盤孔與大拖板后孔的同軸度。定位后，配鉆四個螺釘孔，并攻螺紋； （3）車削一根手輪軸，代替原絲杠手輪軸，用于與滾珠絲杠連接； （4）車削兩個連接套，用于絲杠連接電機旋轉和手輪軸； （5）銑去大拖板上與螺母發生干涉的部位； （6）利用車床主軸和尾座將螺母安裝到絲杠上，在利用鎖緊螺母進行預緊，消除間隙；

32、（7）總裝后，用墊片調整螺母上下位置，使其傳動平穩。3.2.3 導軌當機床加工精度要求不是很高,一般不作導軌改造調整改造,可大為降低改造成本。第4章 刀架部分的改造對刀架部分的改造，通過將原機床的手動轉位刀架替換成自動轉位刀架來實現換刀切削,自動轉位刀架最常見的形式是螺旋型四工位刀架,由數控系統直接控制,效率高,工藝性能可靠。由于傳動機構的改造在主傳動系統和安裝調試中提到，因此在這里我主要將對刀架的改造進行敘述。1、電動刀架的工作原理需要換刀時，控制系統發出刀架轉位信號，三相異步電機正向旋轉，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉動，與螺桿配合的上刀體逐漸抬起-上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開：與此同時，

33、上蓋圓盤也隨著螺桿正向轉動（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿連接），-當轉過約270°時，上蓋圓盤直槽的另一端轉到圓柱銷的正上方，由于彈簧的作用，圓柱銷落入直槽內，于是上蓋圓盤就通過圓柱銷使得上刀體轉動起來（此時端面齒已完全脫開）。上刀體帶動磁鐵轉到需要的刀位時，發信盤上對應的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統收到后，立即控制刀架電動機反轉，反靠銷馬上就落入反靠圓盤的十字槽內，至此，完成粗定位。此時，反靠銷從反靠圓盤的十次槽內爬不上來，于是上刀體停止轉動，開始下降，而上蓋圓盤繼續反轉，其直槽的左側斜坡將圓柱銷的頭部壓入上刀體的銷孔內-上蓋圓盤的下表面開始與圓柱銷的頭部滑動。在此期間，上、下刀

34、體的端面齒逐漸嚙合，實現精定位，經過設定的延時時間后，刀架電動機停轉，整個換刀過程結束。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩定地工作。2、 電動刀架的電氣原理圖如圖圖4-1 電動刀架的電氣原理圖3、 電動刀架的動作過程 數控系統調刀代碼開始執行時，或行動調刀時，首先輸出刀架正轉信號，使刀架旋轉，當接收到指定的刀具的到位信號后，關閉刀架正轉信號，延遲50ms時間后，到家開始反轉而進行鎖緊，并開始檢查緊縮信號，當接收到該信號后關閉刀架反轉信號。如執行的刀號與現在的刀號（自動記錄）一致時，則換刀指令立刻結束，并轉入下一程序段執行。我們根據上述描述的換刀動作過程，做了如下動作流程圖如圖4-2圖4-2

35、電動刀架動作流程圖4、電動刀架的相關參數（1）經查國標刀架參數，我選擇了下列表格（表4-1）中的刀架。表4-1刀架的參數刀架型號配車床型號刀位數電機功率電機轉速夾緊力上刀體尺寸下刀體尺寸LDB4-CA6140CA6140490W140012000N166×166mm192×192mm（2）刀架指標如表4-2表4-2刀架指標刀架型號配車床型號重復定位精度工作可靠性換刀時間90度180度270度LDB4-CA6140CA61400.00560000次2.4s3.1s3.7s6、 電動刀架的安裝（1)電動刀架實物圖和安裝尺寸圖如圖4-3所示圖4-3 電動刀架實物圖和安裝尺寸圖（2

36、）刀架尺寸如下表4-3所示：表4-3刀架尺寸H1328 mmB 230 mmH2140 mmB1115 mmH380 mmA90 mmH420 mmL1379 mm(3)電動刀架的安裝步驟1）拆下原手動刀架； 2）在小拖板上鉆四個安裝孔，并攻絲； 3）手動抬起電動刀架，將刀架安裝在小拖板上； 4）安裝后，試用MDI功能換刀，觀察三相電源有無接反。第5章 數控部分5.1 數控系統的選擇1、 CA6140的數控化改造1)將縱向和橫向進給系統改造為用數控裝置控制的、能獨立運動的進給伺服系統。 2)刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。由于加工過程中的切削參數、切削次序和刀具都會按程序自動進行調節和更換。

37、3）再加上縱向和橫向進給聯動的功能，數控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動車削。2、 數控系統選擇數控機床的價格主要由數控系統來決定，數控系統從功能上可分為低中高三檔，中高檔系統（如Fanuc、LBNC2T型、FAGOR、SIEMENS、華中HNC2T/2M等）功能齊全，性能優良，但價格偏高。結合實際，從實用角度出發，在這里我們選擇了華中HNC21T型數控車床系統，該系統采用先進的開放式體系結構，內置嵌入式工業PC，配置7.5彩色液晶顯示屏和通用工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口于一體，支持硬盤、電子盤等程序存儲方式及軟驅、DNC

38、、以太網等程序交換功能，具有低價格、高性能、配置靈活、結構緊湊、易于使用可靠性高的特點，編程格式符合ISO國際代碼標準，兩軸動態坐標，具有自動加工、自動換刀、車螺紋和MDI等功能。5.2 數控系統的介紹5.2.1 操作面板 華中“世紀星”HNC-21T是一基于嵌入式工業PC的開放式數控系統，配備高性能32位微處理器、內裝式PLC及彩色LCD顯示器。采用國際標準G代碼編程，與各種流行的CAD/CAM自動編程系統兼容。1）操作面板 HNC-21T車床數控裝置操作臺為標準固定結構，外形尺寸為420×310×110毫米（W×H×D），如圖5-1所示：圖5-1 H

39、NC-21T車床數控裝置操作面板2）顯示器操作臺的左上部為7.5´彩色液晶顯示器，分辨率為640×480。3）NC鍵盤NC鍵盤包括精簡型MDI鍵盤和F1F10十個功能鍵。 標準化的字母數字式鍵盤的大部分鍵具有上檔鍵功能，當“UPPER”鍵有效時，指示燈亮，輸入的是上檔鍵。 NC鍵盤用于零件程序的編制、參數輸入、MDI及系統管理操作等。4）機床控制面板標準機床控制面板的大部分按鍵（除“急停”按鈕外）位于操作臺的下部。機床控制面板用于直接控制機床的動作或加工過程。 5.2.2 軟件操作界面1、HNC-21T的軟件操作界面如圖5-2所示：圖5-2 HNC-21T的軟件操作界面其界

40、面由如下幾個部分組成：1) 圖形顯示窗口 2) 菜單命令條 3) 運行程序索引   4)選定坐標系下的坐標值，坐標系可在機床坐標系/工件坐標系/相對坐標系之間切換；顯示值可在指令位置/實際位置/剩余進給/跟蹤誤差/負載電流/補償值之間切換。 5)工件坐標零點在機床坐標系下的坐標 6) 輔助功能M、S、T；當前刀位CT、選擇刀位ST 7)當前加工程序行 8) 當前加工方式、系統運行狀態及當前時間 9) 當前坐標、剩余進給 10)直徑/半徑編程、公制/英制編程、每分鐘進給/每轉進給、快速修調、進給修調、主軸修調倍率5.2.3 系統參數1、系統參數如下表5-1表5-1系統參數參數號參數定義

41、單位初始值范圍P01Z軸正限位值毫米8000.00008000.000P02Z軸負限位值毫米-8000.000-8000.0000P03X軸正限位值毫米8000.00008000.000P04X軸負限位值毫米-8000.000-8000.0000P05Z軸最快速度值毫米6000015000P06X軸最快速度值毫米6000015000P07Z軸反向間隙毫米00.000065.535P08X軸反向間隙毫米00.000065.535P09主軸低檔轉速轉/分150006000P10主軸高檔轉速轉/分300006000P11位參數100000000011111111P12位參數2000000000111

42、11111P13最大刀位數414P14刀架反轉時間0.1秒100.199.9P15M代碼時間0.1秒100.199.9P16主軸制動時間0.1秒100.199.9P17Z軸最低起始速度毫米/分5081000P18X軸最低起始速度毫米/分5081000P19Z軸加速時間毫秒60089999P20X軸加速時間毫秒60089999P21切削進給起始速度毫米/分5086000P22切削進給加減速時間毫秒60089999P23順序號間距101255P24主軸中檔轉速轉/分200006000P25位參數3000000000111111115.3 伺服驅動1、驅動器在這里我采用和華中數控系統匹配的驅動器HS

43、V-160B ，HSV-160B是采用專用運動控制數字信號處理器（DSP）和智能化功率模塊（IPM）等當今最新技術設計，操作簡單、可靠性高、體積小巧、易于安裝。驅動器的示意圖如5-3所示： 圖5-3 HSV-106B驅動器2、 HSV-160B驅動器的相關參數如表5-2：表5-2輸入電源三相AC220V （-15+10% 50/60Hz） 使用環境溫度工作：055 存貯：-2080濕度濕度 小于 90%（無結露）振動小于 0.5G(4.9m/S2)，1060Hz（非連續運行）控制方法位置控制 速度控制 內部速度控制運行 JOG運行再生制動內置 外接 制動電阻連接與選用特性速度頻率響應300Hz

44、或更高速度波動率±0.1(負載0100%);±0.02(電源-15+10%)調速比20000:1脈沖頻率500kHz控制輸入伺服使能 報警清除偏差計數器清零指令脈沖禁止CCW 驅動禁止CW 驅動禁止控制輸出伺服準備好輸出 伺服報警輸出 定位完成輸出/速度到達輸出位置控制輸入方式兩相A/B 正交脈沖脈沖+方向CCW 脈沖/CW 脈沖電子齒輪132767/132767反饋脈沖電機編碼器線數：1024 Pusle/r、2000 Pusle/r、2500 Pusle/r、6000 Pusle/r加減速功能參數設置 110000ms(02000r/min 或20000r/min)監視

45、功能轉速、當前位置、指令脈沖積累、位置偏差、電機轉矩、電機電流、轉子位置、指令脈沖頻率、運行狀態、輸入輸出端子信號等保護功能超速、主電源過壓、欠壓、過流、過載、制動異常、編碼器異常、控制電源欠壓、過熱、位置超差等操作6 位LED 數碼管、5 個按鍵適用負載慣量小于電機慣量的5 倍5.4 伺服電機1、伺服電機在對制動系統電機的改造，我選擇了與華中數控系統HNC-21T及驅動器HSV-160B匹配的登奇GK6023交流永磁伺服電機。關于登奇GK6023交流永磁伺服電機參數如下表6-1所示：表6-1型號登奇GK6023-8AF31額定功率0.17（kW）額定電壓220（V）轉速范圍0-1500r/m

46、in縱向伺服電機900r/min橫向伺服電機1200r/min控制伺服電動機的工作連接圖，如圖6-5所示：圖 6-5 工作步驟方框圖2、伺服電機與系統的連接伺服電機驅動裝置與華中HNC-21世紀星數控裝置是通過XS30XS33脈沖接口控制伺服電機驅動器裝置，在這里采用伺服電機（登奇GK6023）、驅動器（HSV-160B）與數控系統（HNC-21T）連接。3、伺服調試1）再次確認PLC 對伺服部分的控制邏輯主要包括上電使能禁止和電路準確無誤2）松開急停按鈕使中間繼電器KA 通電見2.10 節接通伺服動力電源3）檢查抱閘電機的抱閘已經打開可測量抱閘控制電源DC24V 或在系統通電時刻仔細聆聽抱閘

47、打開時發出的噠聲來判斷抱閘是否打開4）若伺服驅動器帶有手持編程器可用該手持編程器直接控制電機運行以檢驗伺服與電機連接的正確性5）將逐個軸的軸類型設為1 使數控裝置對伺服驅動器的控制使能有效逐步調試各進給軸的伺服驅動器及電機6）所有進給軸調試好后可檢查各軸的回參考點功能第6章 機床的安裝與調試6.1 數控系統的調試6.1.1 參數設置HNC-21 數控裝置通電后經自檢進入主控制畫面進入參數設置菜單請對照現場硬件檢查系統參數是否正確建議按以下順序核查設置參數（帶*號項是用戶可隨機調整項）表6-1系統參數參數名值說明差補周期8差補周期為8毫秒刀具壽命管理0刀具壽命管理禁止移動軸脈沖當量分母1移動軸內

48、部脈沖當量為1微米旋轉軸脈沖當量分母1旋轉軸內部脈沖當量為0.001度表6-2 通道參數 參數名值說明通道使能1“0通道”使能X軸軸號0X軸部件號Z軸軸號2Z軸部件號主軸編碼器部件號-1或23根據實際設定主軸編碼器每轉脈沖數0根據實際設定移動軸拐角誤差1000禁止更改旋轉軸拐角誤差1000禁止更改通道內部參數0禁止更改注: 標準設置選0 通道 其余通道不用.表6-3 坐標軸參數參數名值軸0軸1軸名XZ所屬通道號0軸類型00外部脈沖當量分子1外部脈沖當量分母1正軟極限位置 *2000000負軟極限位置 *-2000000回參考點方式2回參考點方向+參考點位置0參考點開關偏差0回參考點快移速度50

49、0回參考點定位速度200單向定位偏移值1000最高快移速度*1000最高加工速度*500快移加減速時間常數100快移加減速捷度時間常數60加工加減速時間常數100加工加減速捷度時間常數60定位允差20伺服驅動器型號串行接口式49脈沖接口式45模擬接口式41伺服驅動器部件號01位置環開環增益3000位置環前饋系數0速度環比例系數2000速度環積分時間常數100最大力矩值150額定力矩值100最大跟蹤誤差12000電機每轉脈沖數2500表6-4 軸補償參數參數名值X軸Z軸反向間隙 *0螺補類型0表6-5 硬件配置參數參數名型號標識地址配置0配置1部件05301串行式49伺服電機46脈沖式 45模擬

50、式 41/42000部件110部件220部件330部件201300部件211310部件221540部件233240部件243150表6-6 PMC 系統參數參數名值備注開關量輸入總組數46開關量輸出總組數38輸入模塊0 部件號21外部輸入開關量組數30輸入模塊1 部件號20編程鍵盤與機床操作面板輸入開關量組數16輸入模塊N 部件號-1N=2-7組數0輸出模塊0部件號21外部輸出開關量組數28輸出模塊1部件號22主軸D/A 對應數字量組數2輸出模塊2部件號20輸出到編程鍵盤與機床操作面板開關量組數8輸出模塊N部件號-1N=3-7組數0手持單元0部件號246.1.2 外部狀態檢查1、開關量輸入輸出狀態的顯示通過查看PLC 狀態用戶可以檢查機床輸入輸出開關量信號的狀態（X、Z