普通车床的经济型数控改造总体设计方案

吕斌

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。
# E1 D9 {5 B4 H7 b8 Q: P' M: C/ x一、车床的数控改造
1、数控机床工作原理及组成
2 g: _: l: B( ?8 L, a1）数控机床工作原理：
数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。
1 t5 g* S$ [. s6 @6 V9 G: r$ V8 N2）数控机床的组成：
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如下图所示：

6 D2 r4 w, E; \1 B2、设计内容及任务
普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。。
9 c9 l" O8 {7 r; V本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。
5 b/ {# Q% X/ f! }3、数控部分的设计改造
  h/ w  |2 m8 ~2 J1）数控系统运动方式的确定
1 S4 x; c$ h( ~数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。
2）伺服进给系统的设计改造
+ Q7 O9 M/ c# |# y/ \; {$ e: }& a% T数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。
) d9 J3 x. P& o, j闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。
半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。
# q) v# ?2 Y. C: }* a开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。
经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。
3）数控系统的硬件电路设计
数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。
! J. _5 F$ M. g+ V7 k! l! J数控装置的设计方案通常有：
●可以全部自己设计制作
; S/ i* }# G7 M6 q5 S6 J& }" K●可以采用单板机或STD模块或工控机改制
( g: V2 W$ \: J" `●可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动
6 F! p' T- _1 I在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。
; G* \6 @, t* N8 u  |- y4 ^4、机械改造部分的设计
' z( a3 C# {/ G9 C  r1）主传动部分的改造设计
. q/ U7 G! B/ X. [$ o将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。
' t# Y3 H7 }) R2）进给机构的改造
# m0 f+ e# _$ F* h8 q5 W将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。
3）其它部件的改造
% S* U* G8 r4 W& _0 ]) s( K) v刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。
二、可行性论证
. c' l. b7 z6 X4 P& k根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。
: A; A8 T% A4 O: I' @, d根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。
! c4 W- n' _. ~8 |* k由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。
! T( b! O: h; G/ a- @本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。
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