普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计毕业设计说明书

唐 山 学 院 毕 业 设 计

而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。而数控化改造是原有的机械结构更为简单，在减少传动链对精度影响的同时，降低了机械的故障率。

6）可充分利用现有的条件。可充分利用现有地基，不需要重新构筑地基。 7）增加了功能，如圆弧加工、锥度加工，甚至更复杂轮廓的加工，这是传统加工方法难以实现的。

8）交货周期短，可满足生产急需。

普通车床数控化改造，更换或修理磨损零件，调试大型基础零件，提高车床的精度，同时舍弃原有的进给系统，用新的数控系统驱动步进电机带动滚珠丝杠来替代。改造总费用由机械维修更新和增加的数控系统两部分组成。若车床的数控化改造的总费用仅为同类型车床价格的50%～60% 时,该车床数控化改造在经济上适宜。经过考查，若购买同样配置的全新数控车床约需10万元，而车床数控改造的总费用为5.1万元，仅占51%，因此车床数控化改造在经济上是合适的。同时，增加新的数控系统及相应的机械装置大大提高了车床加工的精度和加工效率，在投资少的情况下，既满足了加工的需要，又提了高车床的自动化程度，对我国这样的一个机床大国是非常重要的[1]。

1.2 普通车床数控化改造研究现状

1990年，我国车床产量数控化率2.24%，2000年上升为7.96%，2005年车床产量的数控化率达到了13.23%的较高水平。数控车床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产率，但数控车床的应用也受到其他一些条件的限制。数控车床价格较昂贵，对于中小企业一次性投资购买大量数控车床是非常困难的，同时各企业有大量的普通车床，完全用数控车床替换根本不可能。提高车床数控化率的重要途径之一，就是将现有的普通车床改造成数控车床。许多企业一面购置数控车床一面利用数控、数显、PC技术改造普通车床，并取得了良好的经济效益。低成本的普通车床数控化改造是一项适合我国实际改造情况的先进适用技术[2]。

1.3 普通车床数控化改造经济分析

根据对市场的调研，目前新经济型数控车床，售价8.5万/台，普通新车床CA6140，售价3．8万/台，使用寿命8～10年，而已使用了6～8年的旧车床CA6140，估价O.5万/台， 通过改造还可使用4～6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20～30％。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性分析[3]。

设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性

2

唐 山 学 院 毕 业 设 计

与设备更新的其他方式相比较。一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更新新设备。决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。各种方案的设备使用总成本，根据《机械工程手册》的“经济性分析” ，对于普通车床使用各方案投资成本及生产率以及各年使用成本见表1-1所示。

由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用4～6年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。

因此通过以上经济性评价，对使用6～8年的普通车床，将其改造为数控化车床，是比较经济可行的。

表1-1 各种更新方案的投资和各年使用费用 （万元） 基本投资

劳动生产率系数 0.7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

各年使用费用

序号 可行方案

1

旧车床继续使用 更换为全

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25

2 新普通车床 更换为全

3.5 1 0.03 0.07 0.11 0.15 0.19 0.23 0.27 0.31 0.35

3 新数控车床

6.5 6.5 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

4

改装为数控车床 旧车床大修理

3.2 1.2 0.1 0.18 0.26 0.34 0.42 0.5 0.58 0.66 0.74

5 1.8 0.9 0.1 0.19 0.28 0.37 0.46 0.55 0.64 0.73 0.82

将上表中的数据代入各方案计算公式得到各方案逐年使用成本见表1-2。

3

唐 山 学 院 毕 业 设 计

表1-2 各方案逐年设备使用总成本汇总表 （万元）

年 份 方 案 旧车床继续 使用 更换为全新 普通车床 更换为全新 数控车床 改装为数控 车床 旧车床 大修理

1 0.33

2 0.94

3 1.79

4 2.84

5 4.06

6 5.41

7 6.87

8 8.41

9 10.02

3.59 3.60 3.68 3.79 3.91 4.06 4.22 4.38 4.56

4.07 4.10 4.13 4.16 4.20 4.25 4.30 4.36 4.41

2.74 2.87 3.04 3.25 3.49 3.75 4.04 4.33 4.64

2.10 2.28 2.53 2.83 3.18 3.57 3.98 4.42 4.87

4

唐 山 学 院 毕 业 设 计

2 普通车床数控化改造方案

2.1 改造方案设计

对于普通车床的经济型数控化改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对车床的改动应尽可能少，以降低成本。

（1）数控系统运动方式的设计 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。由于要求普通车床能加工复杂轮廓零件，所以选用数控系统要能实现两轴联动连续控制。

（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。

（3）机械进给系统及刀架改造设计 车床纵、横两个方向的进给运动控制, 通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，并由数控系统控制实现两个方向的进给运动的联动。刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能，刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电机来实现。

2.2 改造内容及要求

数控车床主要用于轴类盘类零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生产率。本课题研究是以CA6140车床为例，普通车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。

1）车床的结构改造要求 主轴仍采用原有的变速系统，主轴箱内拆除与进给箱相连的齿轮，进给系统由步进电动机驱动。主轴和进给系统结构得到简化，传动刚度也大为提高。主轴后端安装了同步运转的脉冲编码器，用于加工螺纹时实现进给与主轴转速的同步。

2）数控车床的布局要求 结构要紧凑以节省占地面积和空间，并采用全封闭或防护装置。

3）床身的结构布局要求 床身是车床主要承载部件，本改造采用原有的平床身，因为平床身是在普通车床上稍加改造而成的，价格相对较低，而目它的工艺性好，加工方便，并且刀架处于水平位置，易于保证刀具运动精度。

4）车床的进给系统改造要求 进给调速范围大、定位准确、无间隙误差、有较高的传动效率。所以，为满足低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件，可以直接选用减速步进电机，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传

5