C6132普通车床数控化改造设计
C6132普通车床数控化改造设计
摘要
机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。
本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。
关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51
C6132 NC lathe design of ordinary
ABSTRACT
S tudy on machine tool numerical control transformation of important project is to improve the level of technical equipment in China, with large extended serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, because the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way.
C6132 lathe NC system to rebuild this article to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine too l structure rebuilding scheme optimal selection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and accuracy of machine tool, fully able to realize process of cylindrical, conical, thread, automatic control at the end, improve the efficiency of the original production of machine tools, lower labor intensity
KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51
前言
数控技术与数控机床
数控技术，简称数控(Numerical Corltrol——NC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer Numerical Control——CNC)。
采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。
机床数控化改造的意义
目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。
利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。
另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义:
1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。。
2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变
形而影响精度。
3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高3至5倍。。
4）可实现多工序的集中,提高了相关的加工精度,同时减少了零件在机床间的频繁运转。
5）可缩短新产品试制周期和生产周期,对市场需求做出快速反应。
6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的加工状态。
本文所研究的主要内容
1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案
2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明；
3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床Ⅹ轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述；
4）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述；
5）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍；
6）在软件设计方面，对MCS-51单片机做了简要的介绍
第1章车床总体改造方案设计
设计任务
在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。横向脉冲当量：0.005mm/step、定位精度：±0.01mm、快移：3000mm/min 。
设计参数如下：
最大加工直径：在床身上 320mm 在刀架上 175mm
最大加工长度： 750mm
快进速度：横向3000mm/min
最大切削进给速度：横向 0.25m/min
溜板及刀架重力：
横向 500N
脉冲分配方式逐点比较法
空载启动时间 25ms
输入方式增量值、绝对值通用
最小指令值：横向 0.005mm/脉冲
定位精度±0.01mm
有自动升降速性能
1.1 主传动系统的改造
1.1.1 主轴无级变速的实现
C6132车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减
少了改造量；其二是用双速或者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。
考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。
交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp 以及转差率之间的关系式为：
()
s p f
n -=
160
对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn 即可改变电动机的转速。
目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在0．5Hz 时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服U ／f 控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。
数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：
M
CN M M CN M CN kI I I kU P kP P ≥?≥≥
-3103cos ?
η
式中 PM ——负载所要求的电动机的轴输出功率； η——电动机的效率(通常约O ．85)； cosφ——电动机的功率因素(通常约O ．75)
MU ——电动机的电压，380V ；
MI ——电动机工频电源时的电流，为15．4A ；
k ——电流波形的修正系数(PWM 方式时取1．05-1．10)；
PCN——变频器的额定容量，kVA；ICN——变频器的额定电流，A；
由以上公式可得：
()
()
()A
kI
I
kVA I
kU
P
kVA
kP
P
M
CN
M
M
CN
M
CN
94
.
16
4.
15
1.1
15
.
11
10
4.
15
380
1.1
3
10
3
7
75
.0
85
.0
4
1.1
cos
3
3
=
?
=
≥
≈
?
?
?
?
=
?
≥
≈
?
?
=
≥
-
-
?
η
选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-7．5K-CH。
1.2 横向进给传动系统的改造
1.2.1 横向传动系统的改造
如图2-8所示是横向传动系统的改造布置图，步进电机和减速箱安装在远离操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原来的手动操作装置，在原来支承丝杠的轴承位置，安装角接触球轴承进行支撑，同纵向一样，滚珠丝杠一端直接充当减速器的输出轴，滚珠丝杠两端同样有两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸，滚珠丝杠螺母副采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。螺母座和中拖板的连接可以利用原来的螺钉孔进行连接。
图 2-8 横向传动结构图
车床进行横向进给时，由步进电机通过减速箱将动力传递给滚珠丝杠，再
由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向运动。滚珠丝杠螺母副继续采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。
1.2.2 齿轮传动间隙的消除
数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法和周向弹簧调整法。
1）双片齿轮错齿消隙法图2-9是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端
1、2—薄齿轮 3、8—凸耳 4—弹簧 5、6—螺母 7—调节螺钉
图 2-9 双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构
面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上，通过转动螺母5就可以调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁
紧。弹簧的拉力使薄片齿轮1和2错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆柱齿轮。
2）周向弹簧调整法图2-10是周向弹簧消隙结构。同样是两个齿数、模数相同的两片薄齿轮2和3。齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有三个周向圆弧槽，齿轮2上均布着三个螺纹孔，装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧，
利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小的情况下。
1.3 刀架部分的改造
拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的
LD4-C6132型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到45°左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电机
安装好如图2-11所示。
图 2-11 电动刀架安装实物图
LD4-C6132型电动刀架技术参数见表2-1。电动刀架的安装较为方便，安装时
须注意以下两点：
1)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行；
2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。
根据以上分析可初步确定车床改造的总体布置方案，如图2-12所示：
图 2-12 车床改造总体布置图
1.4 数择控系统的类型及选
1.4.1 数控系统的分类
目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,通常可按下面两种方法进行分类。
1.按加工路线分类
1）点位控制系统
其特点是，只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的，并且在移动过程中不进行切削。
2）直线切削控制系统
其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。
3）连续切削控制系统
也称为轮廓控制系统，其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。
2.按伺服系统的类型分类
1）开环控制系统
采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。
2）闭环控制系统
数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机床。
3）半闭环控制系统
这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。
2.6.2 数控系统的选择
本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。
考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，
采用步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到±0.01mm，可以满足设计要求。
1.5 计算机系统的选择
微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。
由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很强的位寻址和运算功能，特别适合于控制应用场合，使用MCS-51来构成各种控制系统，可大大简化硬件结构，降低成本。
1）单片机的选择
MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采用8031作为控制系统的单片机。
2）存储器扩展
① 8031的片内没有程序存储器，必须外接扩展电路，具有扩展2片2764共16K的程序扩展电路。
②数据存储器的扩展
8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够的。外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。本设计扩展一个6264（8K）的外部RAM。
③接口电路，伺服电机驱动电路等
接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电路等。
由此可得车床伺服系统控制方案，如图2-13所示。
图 2-13 车床改造伺服系统控制方案图
第二章 横向进给系统的设计计算
在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。横向脉冲当量：0.005mm/step
2.1 横切端面时切削力计算
例如车床的主切削力F z （N ）可用下式计算
F z （N ）=0.675
.1max
D
=0.67x320max 1.5
=3835.3(N)
1.纵切外圆:
式中max D ----车床身上加工最大直径单位为mm 横切端面时主切削力/Z F 可取纵切时F z 的1/2。
求出主切削力F z 以后再按以下比例分别求出分力F x 和F y
F z ：F x ：F y = 1:0.25:0.4
式中F x 一一纵向走刀方向的切削分力（N ）
F
y
一一横向走刀方向的切削分力（N)
横切时的切削力可取纵切时1/2。
按切削力各分力比例：
F
Z
：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4
Fx=0.24X3835.3=938.5
Fy=0.24X3835.3=1534
2.横切端面:
主切削力F
Z
'（N）可取纵切的1/2
F
Z '=1/2F
Z
=1917.65(N)
此时走刀抗力为Fy'（N），吃刀抗力为Fx'，仍按上太述双例粗略计算：
F
Z
' : Fy' : Fx'=1 : 0.25 : 0.4
Fx'=479.4(N)
Fy'=761.7(N)
2.2滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠丝杠副的预紧方式。
结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径以d
（或丝杠外径d)、导程Lo、滚珠的工作圈数j、列数K。
滚珠循环方式可为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管
式。可参照图1选用。
类型型
式
简图循环滚珠链说明特点
外循
环滚珠丝杠螺
旋
槽
式
在螺母外圆
上铣出螺旋
槽，槽的两端
钻出通孔，同
螺母的螺纹滚
道相切，形成
滚珠返回通
道。为防止滚
珠脱落，螺旋
槽用钢套盖
住。在通孔口
设有挡珠器，
引导滚珠进入
通孔。挡珠器
用圆钢弯成弧
形杆，并焊上
螺栓，用螺帽
固定在螺母
上。
优点：
工艺简
单，螺母
外径尺寸
较小
缺点：
螺旋槽同
通孔不易
连接准确
挡珠器刚
性差、耐
磨性差
图1 滚珠循环方式
类型型
式
简图
循
环滚
珠链
说明特点
内循环滚珠性杠型
扁
圆
嵌
块
式
反
向
器
与上述结构的
区别，只是用扁圆
嵌块式反向器代
替目柱凸键式反
向器。
优点：螺
母轴向尺寸
比I型小；结
构更紧凑。
缺点：制
造比I型困
难。
图1 滚珠循环方式
滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。
本设计循环方式采用：外循环滚珠丝杠，螺旋槽式。
滚珠丝杠副的计算步骤如下：
①计算进给牵引力Fm:
作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的磨擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关．Fm（N）计算公式如下：
矩形导轨：
F m = KF x +/f （F x + F y +
G ） 燕尾形导轨：
F m = KF x +/f （F x + 2F y +
G ） 三角形或综合导轨：
F = KF x + /f （F x +
G ） 圆导轨（钻镗床主轴）
式中Fx 、Fy 、Fz----切削分力，（N ）
()z
x z x d M
f F d M f
F f F 225.01+≈++= G----移动部件的重量，（N ），
G ：溜板及刀架（横向）重力G '=500(N) M----主轴上的扭矩 。（N. com ） dz----主轴直径。
/f ----导轨上的磨擦系数，随导轨型式而不同。
f----轴套和轴架以及主轴的键上磨擦系数。 K----考虑颠复力矩影响的实验系数。 在正常情况下，K, f 及/f 可取下列数值： 矩形导轨 K=1. 1 /f =0.15 燕尾形导轨 K=1.4 /f =0.2 三角形或综合导轨 K=1.1 /f =0.15－0.18 钻镗床主轴圆导轨 f=0.15
上列摩擦系数/f 均是滑动导轨,如果采用贴塑导轨/f =0.03--0.05;滚动导轨
/f =0.0025---0.005;静压导轨/f =0.0005
方式
螺 纹 式
调整端部的圆螺母，使
螺母产生轴向位移
结构较紧紧
凑，工作可可靠，
滚道磨损时，可随
时调整预紧量不很
准确应用较普便。
图2 滚珠丝杠副预紧方式
本设计预紧方式采用螺纹式预紧。
②计算最大动负载C
选用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可用下式计算：
C =
/
f
W
m
式中L----寿命，以106转为一单位
n----丝杠转速，（r/min)，有下式计算
6
1060T
n L ??+
V s ----为最大切削力条件下的进给速度（m/min ），可以最高进给速度的 1/2---1/3
V s =0.3 × ?=0.15mm
L 0----丝杠导程，(mm)；初选6mm
T----为使用寿命，（h ）对于数控机床取T=150000h ；
w f —运转系数，见表1．按一般运转选
表1 运转系数