CA6140型车床的经济型数控改造设计（横向）.doc

1 前言
国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。
我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。
由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。
本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实
现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：
a．横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；
b．进给速度范围：向 3 ～ 1000mm/min （无级调速）
快进速度：X向 1000 ～ 3000mm/min内任意设定；
c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；
d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；
e.改造方便，成本低。
该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。

2 总体方案设计
由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。
2.1 机械部分改造
横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。
2.2 数控系统部分设计
数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。
采用以步进电机驱动的开环控制。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。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。
采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。
该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。

光电隔离

微

机
功率放大
步进电 机
横向工作台
x
x

图 2-1 CA6140车床数控改造的总体方案示意图
综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。

3 机械部分改造设计
3.1 横向进给系统的设计与计算
3.1.1 横向进给系统的设计
步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。
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4.3.5自动换刀程序设计
当数控程序中有T指令时,中央处理器经过判断就发出换刀命令,启动换刀电机正转,通过内部机构带动刀架转动到达指定位置后停止转动,而后开始反转。当反转使刀架紧固后停止反转,完成换刀过程。自动换刀程序根据换刀电机的控制电路设计。其换刀电路的设计思想是:采用一个输出口的二位信号线分别控制电机正、反转；用一个输入口的二位信号线分别检测电机正、反转时换刀到位和压紧状态。其程序设计的主要内容为:
a.读入刀架当前所在位置；
b.与输入指令所要求的刀具位置进行比较,确定是否换刀；要换刀则继续下面工
作,否则记录刀具新位置号结束；
c.转动刀架到达刀具新的位置后,延时以确保到位,反转压紧；求新刀位号,转b.
继续判位。
下面是控制自动换刀程序,说明如下:
a.M表示输出口地址,D0为控制电机正转信号线1”有效；D2位控制电机反转
信号线，”1”有效。
b.N表示输入口地址,D1为检测正转(刀位)到位,”1”有效；Ds为检测反转夹紧
状态，”1”有效。
c.8031内部RAM中41H单元中存有现在刀具位置的代码；40H单元中存有本次需
要换刀的刀位代码。
开始

初始化定义
输入输出口

关换刀电机
设置刀位指针

电机正转

到指定刀位?
Y

N
换刀结束
刀架抬起

继续转动

旋转一个刀位?

N

停止正转延时1s
Y

电机反转,刀架下落

刀架夹紧?
N

记录刀位
Y

N
刀架转一周?

Y

重新记录

图4-12自动换刀程序框图
5 结论
经过经济型数控改造后的CA6140型普通车床，采用以8031单片机为核心的数控装置对加工过程进行控制处理，其横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范围为 3 ～ 1000mm/min （无级调速），快进速度可以在1000 ～ 3000mm/min内任意设定。而且运行可靠，抗干扰能力强。
改造后的经济型数控车床不但实现了CA6140型普通车床的原有功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高，利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度给企业带来了巨大的经济效益。
和选用新的数控车床相比，经济型数控车床为企业节约了大量的购买资金，还节约了订购新的数控车床的交货周期的时间，而且没有造成原有设备的闲置浪费。因此，它适合于中小企业的车床改造。
由于本人的水平有限，在数控系统设计方面还不尽满人意。尤其是软件这一部分，可以用C语言来编写源程序，然后通过Keil软件将其转化为单片机能识别的汇编语言。因为C语言逻辑性比较强，易理解，在以后的设计中可以改进。

参 考 文 献
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致 谢

附 录
1 CA6140型车床经济型数控改造（横向）装配图 CAJJX6140-02-00 A0
2 透盖 CAJJX6140-02-01 A3

4 联接套 CAJJX6140-02-03 A4
5 轴 CAJJX6140-02-04 A3
6 联接支架 CAJJX6140-02-05 A3
7 套 CAJJX6140-02-06 A4
8 螺母座 CAJJX6140-02-07 A3
9 轴 CAJJX6140-02-08 A3
10 法兰盘 CAJJX6140-02-09 A3
11 数控系统电气原理图（主机部分） CAJJX6140-4-1 A2
12 数控系统电气原理图（接口部分） CAJJX6140-4-2 A3
13 数控系统电气电路图（驱动部分） CAJJX6140-4-3 A1
14 程序清单
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