车床数控化改造设计

车床数控化改造设计标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]

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0 引言

回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。

超精密车床要求其数控系统具有高编程分辨率（1nm）和快速插补功能（插补周期）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PM AC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH－1型数控系统采用ASW－824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。

模块化、构件化是超精密车床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和车床。研制超精密车床时，布局就显得非常关键。超精密车床往往与传统车床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使车床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密车床都采用这一布局。模块化使车床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密车床，用于车削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密车床AS100，用于加工自由形式表面，该车床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的车削点。此外，一些超精密加工车床是针对特殊零件而设

计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些车床都具有和通用车床完全不同的结构。由此可见，超精密车床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。

为保证超精密车床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGO AX10M TM 2/20分辨率为）与高稳定性，测量范围大，适合作车床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密车床运动检测，如该公司LI P401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（k），动静尺间隙为±，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Opt imum2400超精密车床都使用了Heidenhain光栅尺。

在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS ACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据车床成形系统的布局任意组装软件，符合车床模块化发展的

方向。

1.序言

课题简介：

本课题是围绕将普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。经济型数控机床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，特别适合在设备

中占有较大比重的普通车床改造，适合在生产第一线大面积推广。企业应用经济型数控型系统对设备进行改造后，将提高产品加工精度和批量生产的能力，同时又能保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竞争能力。

利用微机改造现有的普遍车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工车床，即经济型数控车床。

进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如：数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通车床的数控改造，大有可为。它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。

现我选用CA6140普通车床为例进行数控改造。

第一章设计方案的确定

C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。

一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。

本设计主要是对C6140普通型车床进行数控改造，用微机对纵、横进给系统进行控制。系统可采用开环控制和闭环控制，开环控制虽然有不稳定、振动等缺点，但其成

本较低，经济性较好，车床本身所进行的加工尺寸是粗、半精加工。驱动原件采用步进电动机。系统传动主要有：滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动两种，经比较分析：前者传动效率及精度较低，后者精度和效率高，但成本高，考虑对车床的性能要求，故采用滚珠丝杠螺母传动。刀架性能要求是准确快速的换刀，因此采用自动转位刀架。一总体设计方案的确定

由于是对车床进行数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用前提下，对同床的改动尽可能少，以降低成本。根据这一原则，决定数控系统采用开环控制；传动系统采用滚珠丝杠螺母传动；驱动元件采用步进电动机；数控系统采用JWK型系统；刀架采用自动转位刀架。这样车床既保留原有功能，又减少了改造数量。

二机械部分的改造设计与计算

将普通车床改造成数控机床，除了增加控制系统外，机械部分也应进行相应的改造，其中包括：纵向和横向进给系统的设计选型，以及自动转位刀架的选型。

（一）纵向进给系统的设计选型

1、经济数控车床的改造，采用步进电动驱动纵向进给，有两种方案：一种是步进电机驱动丝杠螺母固定在溜板箱上；第二种是纵丝杠固定、电机安装在溜板箱上，驱动螺母传动。对于车床的改造而言，采用第一种方案显然简单易行。所以步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。从改装方便，实用等方面考虑，所以将步进电机放在丝杠的左端。

2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：

工作台重量：W=80kgf=800N