CW6163卧式车床数控化改造及横向进给设计

CW6163卧式车床数控化改造及横向进给设计第一章绪论

1.1数控机床的发展现状

数控机床正在向高精度、高速、无机、智能、环保的方向发展。高精度和高速加工对

传动及其掌控明确提出了更高的动态特性和控制精度，更高的切削速度和加速度，更高的

振动噪声和更大的磨损。问题的症结在传统的传动链从做为动力源的电动机至工作部件必

须通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产

生了很大的转动惯量、弹性变形、逆向间隙、运动落后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然

在这些方面通过不断的改良并使传动性能有所提高，但问题很难从根本上化解，于是发生

了“轻易传动”的概念，即为中止从电动机至工作部件之间的各种中间环节。随着电机及

其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的发生和技术的日益明朗，并使主轴、直线和转动座标运动的“轻易传动”概念变成现实，并日益表明其非常大的优越性。

直线电机及其驱动控制技术在机床切削驱动上的应用领域，并使机床的传动结构发生了关

键性变化，并使机床性能存有了代莱脱胎换骨。

目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制

造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。为

适应这种情况，数控机床正朝着以下几个方面发展。

1.高速度、高精度化

速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，

数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规

模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和

精度。并采用直线电机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特

性相当优越。在直线电机刚开始开发时，因其能实现高速加工而备受瞩目。但近年来，使

用直线电机的目的已逐渐转向高精度化。也就是说，在直线电机的诸多优良特性中，很高

的定位精度和圆弧插补

精度尤其令人刮目相看。其原因不为接触式的驱动系统没传统伺服电机转动失速用的

齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引发的误差，以及直线电机必然使用闭路掌控。

采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适

应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变

频电机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴

承等形式。

2.引入自适应控制技术

智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较好的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对cnc系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。

数控系统将使用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以增加元器件的数量去提升可靠性。通过硬件功能软件化，以适应环境各种掌控功能的建议，同时使用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化及系列化，使既提升硬件生产批量、又易于非政府生产和质量严格把关。还可以通过自动运转启动确诊、在线确诊、离线确诊等多种确诊程序，同时实现对系统内硬件、软件和各种外部设备展开故障诊断和报警。利用报警提示信息，及时排除故障；利用纠错技术，对关键部件使用“缓存”设计，以同时实现故障自恢复正常；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀具损毁、阻碍、断电等各种不幸出现时，自动展开适当的维护。

3．控制系统和数控系统小型化

控制系统与数控系统小型化易于将机、电装置融合为一体。目前主要使用超大规模内置元件、多层印刷电路板，使用三维加装方法，并使电子元器件以求高密度加装，较大规模增大系统的占据空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将并使数控操作系统进一步小型化。这样可以便利地将它加装在机床设备上，更易于对数控机床的操作方式采用。

1.2机床进行数控化改造的必要性

由于当前市场竟之争惨烈，一个企业想存活和发展就必须快速地更新和研发出来新产品，并且以最高的价格、最出色的质量、最短的时间回去满足用户市场需求的不断变化。目前来说，普通机床已不适应环境多品种，大批量生产的建议，而数控机床则综合了数控技术，微电子技术，自动检测技术等一流技术，最适宜加工小批量、高精度、形状繁杂、生产周期短的零件。因此，必须对普通机床展开数控化改建以就是迫不得已。

首先，数控机床与传统的普通机床相比有许多优点，而这些优点主要从数控机床的计算机系统来说主要表现在以下几个方面：

1.计算机存有高超的运算能力，可以瞬时精确地排序出来每个坐标轴瞬时必须达至的运动量，因此可以加工出来具有曲线或曲面以及具有锥度的零件。可以同时实现加工的自动化，加工效率高。

2.计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。

3.加工零件的精度高，尺寸分散度大，并使加装难。

4.工序集中，减少了零件在机床间的频繁搬运，大大降低了工人的劳动强度。

5.拥有

自动报警、自动监控、自动补偿等多种功能，因而可实现长时间无人看管加工。大大的提

高了劳动生产率，缩短了生产周期，同时带来了很高的经济效益。

其次，从机械工业的发展形式来看，工业繁盛的国家，已已经开始大规模应用领域数

控机床。其本质就是使用数控技术对传统产业展开技术改造。除了在生产过程中使用数控

机床外，在产品开发中还实行cad（计算机辅助设计）、cam（计算机辅助生产）以及mis （管理信息系统）、cims（计算机内置生产系统）等等。由于使用信息技术对国外军、民

机械工业展开深入细致改建，最终使发达国家的产品

在国际军品和民品的市场上竞争力大大增强。而我国在数控技术改造传统产业方面比

发达国家约落后20年。因此，每年我国都有大量的机电产品进口。这也就进一步说明了

机床数控化改造的必要性。

第二章cw6163卧式车床总体方案设计

2.1.设计任务

本设计任务就是对cw6163卧式车床展开数控化改建。大体步骤就是将x轴（纵向）、z轴（横向）改成微机掌控，使用STM电机驱动滚珠丝杠传动。其中x轴（纵向）脉冲当量：0.005/mm脉冲，z轴（横向）脉冲当量：0.010/mm脉冲。1.同时实现功能：切削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工。

2.操作要求：起动、点动、单步运行、自动作循环、暂停、停止。

2.2.总体方案的确认

对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的

前提下，对机床的改造应尽可能少，以便降低成本。一、数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式分成：点位控制系统、点位直线控制系统和已连续控制系统。由

于改建后的经济型数控车床应当具备定位，直线控制算法，顺、逆圆弧控制算法，暂停，

循环加工，螺纹加工等功能，由于在切削加工中，建议刀具沿各坐标轴运动，必须存有确

认的函数关系，即为刀具以取值的速率相对工件沿加工路径运动，所以无法采用点位系统，因为点位控制系统建议工件相对于刀具移动过程中，不展开焊接。所以，此微机数控系统

使用已连续控制系统。二、伺服系统的挑选

数控机床的伺服进给系统有开环、闭环和半闭环之分。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。由于cw6163型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，所以，本设计采用

开环控制系统。三、微机数控系统

由于mcs-51系列单片机具备集成度低，可靠性不好，功能弱，速度快，抗干扰能力弱，具备很高的性能价格比等优点，因此使用mcs-51系列的8031单片机拓展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，i/oUSB及光电隔绝电路，STM电机功率放大电路等共同组成。系统的加工程序和掌控命令通过键盘操作方式同时实现，显示器使用led显示器。

四、机械传动方式

为了简化结构，降低成本，采用步进电动机加联轴器与传动丝杠连接；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，同时为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的贴塑性滑动导轨和滚珠丝杠副机构。2.3.机械系统的改造设计方案

一、主传动系统的改建

为减少机械改造的工作量，保留原有的主传动机构和变速操纵机构。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。为了在加工中自动变换转速，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。二、改装自动回转刀架

为了提升加工精度，同时实现一次装夹顺利完成多道工序，将旧有的手动刀架改成由微机掌控的经电动机驱动的自动调头刀架。三、螺纹编码器的加装

为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器（也称螺纹编码器），为此采用同轴安装方式，即编码器直接安装在主轴后端，因为这种方式结构简单。主轴和编码器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及i/o接口送给微机。四、进给系统的改造

1.拆毁摆轮架所有齿轮，在主轴的同步轴处，加装螺纹编码器。

2.拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与锥环联轴器。

3.拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。

4.拆毁四方刀架与上滚板动力系统，以及刀架四海向移动手柄，刀架的移动由微机掌控，在斜滚板上方加装四工位立式电动刀架。

5.拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。

6.将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并通过联轴器与滚珠丝杠的轴头相联。

7.拆走三杆：丝杆、光杆与操纵杆。

第三章cw6163卧式车床横向进给系统的设计3.1横向进给系统切削力计算

1.技术指标：

机床长度：3630mm机床高度：1830mm机床宽度：1375mm

工作台轻（根据图纸粗略排序）：w=40kgf=400n滚珠丝杠基本导程：l0=12mm,左旋行程:s=450mm

最大加工直径：在床身上630mm；在刀架上550mm最大加工长度：1500mm

快速切削速度：vmax?2000mm/min最小焊接切削速度：250mm/min焊接线速度：

100m/min主电动机功率：11kw