中国矿业大学徐海学院

本科生毕业设计

姓 名： 王鑫 学 号：22061372

专 业： 机械工程及其自动化 设计题目： 车床CA6140的数控化改造 专 题：

指导教师： 鲍久圣 职 称： 讲师

年 月 徐州

中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书

专业年级 机自06-2班 学号22061372学生姓名王鑫

任务下达日期：2009年 12 月 13 日

毕业设计日期:2009年 12 月15日至2010年6 月 15日

毕业设计题目：车床CA6140的数控化改造

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1) 主要针对车床的进给系统进行数控化改造，利用数控

系统对纵、横向进给系统进行开环控制，采用步进电

动机实现驱动，通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。

2）完成设计图纸量不少于3张A0；

3）完成设计说明书1份，按标准格式排版不少于60页；

4）完成相关外文翻译1篇，译成中文不少于3000字

院长签字： 指导教师签字：

郑 重 声 明

本人所呈交的毕业设计（论文），是在导师的指导下，独立进行研

究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已

经注明引用的内容外，本毕业设计（论文）的研究成果不包含他人享有

著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集

体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计（论

文）的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：

中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实

际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果

及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；

⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：

年 月 日

中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；

③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的

主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存

在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：

年 月 日

中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩

目 录

摘要..........................................Ⅰ

Abstract......................................II

第1章 引言

1.1车床数控化改造的特点..............................2

1.2我国数控机床现状....................................4

第2章 数控系统的选择

2.1设计任务...........................................6

2.2设计参数...........................................8

2.3总体设计...........................................9

第3章 伺服系统的设计

第4章 机械机构的改造设计

4.1纵向机械传动部分的设计计算........................13

4.2横向机械传动部分的设计计算.........................21

4.3滚珠丝杠的支承形式与轴承的选用.....................26

第5章 机械机构的改造设计

5.1纵向步进电机的计算与选择.........................31

5.2横向步进电机的计算与选择..........................36

5.3其他部件的选取...................................42

5.4减速器箱体尺寸....................................46

第6章 自动回转刀架的选择和安装

6.1刀架外型尺寸......................................48

6.2自动回转刀架工作原理..............................49

6.3刀架的安装.........................................50

第7章 微机数控系统的设计

7.1硬件电路基本组成..................................52

7.2 CPU选用...........................................53

7.3确定I/O接口电路..................................55

7.4 Z向和X向进给伺服控制电路..........................57

7.5 键盘显示电路......................................58

7.6 键盘接口设计......................................61

7.7 行程控制电路......................................62

第8章 编码器的选择和安装

8.1编码器的安装.......................................63

8.2编码器的安装.......................................64

第9章 车床的电气控制系统的设计

9.1电气系统简介......................................65

9.2电气系统总体框图...................................66

9.3电气原理图简介.....................................66

第10章 结论

参考文献......................................72

文献翻译......................................73

致谢.........................................102

摘 要

机床的数控化改造就是在原有普通机床的基础上，对其机械结构和

电气系统进行改造，使其实现数控机床的部分功能。改造后的机床与原

机床相比加工精度有所提高, 生产率显著提高，可以在同一机床上一次

装夹完成多个加工，工人劳动强度明显降低，与购置数控机床相比其经

济费用较低等优点。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动

化程度低,然而要购置数控机床又需要很多资金，这对于中小企业来说，

无疑增加了他们的负担。为了解决这个问题,也为了适应市场需求，我

们选择机床经济型数控改造。针对改造过程我们的总体方案如下，纵向

进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上

滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床

的进给箱,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上

滚珠丝杠,由横向步进电机带动丝杠螺母实现横向进给。配置自动刀架

实现机床的自动换刀功能。电气部分的改造：购置数控系统、步进电机

驱动器、伺服电源等器件，运用接触器、继电器等元器件重新设计机床

电气系统，以实现机床的自动化。CA6140车床主轴转速部分保留原机

床的手动变速功能。

关键词: 数控；车床；改造；机械；电气

Numerical control innovation of CA6140

ABSTRACT

The numerical control machine tool is in general reform, on the basis of

the mechanical structure and electrical system, make its realization of nc

machine part function. After the reconstruction of the original machine tools

and machining precision compared to improve productivity significantly

increased, at the same time, the machine can accomplish processing,

clamping worker's Labour intensity decreased significantly compared with

the purchase of nc machine tools, the economic costs low. Because our

country now use the machine for ordinary lathe, most of the low automatic

degree, but to purchase nc machine tools and need a lot of capital for small

and medium-sized enterprises, which will undoubtedly have increased their

burden. In order to solve this problem, and also to meet the market demand,

we select machine economical nc transformation. According to the overall

scheme of the transformation of our organization, the transformation in

vertical to the original machine, slip board box, optical poles and ball screw

and installation, match on the ball screw and corresponding installation

device, driving longitudinally stepping motor and reducer installed on the

bed, lathe of ball screw occupy space. Horizontal lathe transformation: the

demolition horizontal bar on the ball screw, stepping motor driven by

transverse lateral ball screw nut to realize. Configure automatic knife knife

realization of automatic machine change. Electrical parts of transformation:

purchase numerical control system, stepping motor drive, power supply,

using such devices, such as relays electrical system design of machine

components again, in order to realize the automation tools. CA6140 lathe

spindle speed of the machine parts manual transmission function.

Key word：Numerical Control；lathe； reconstruction； mechanical；

electrical

第1章 引言

在和信息技术结合的基础上，世界机床业已进入了以数字化制造技

术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。它为国

民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目

前，欧、美、日等国在机床的数控化技术方面明显领先于世界其他各国。

我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进

数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”， 从我国基本国

情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提

高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，

选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支

持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装

备业的跨跃式发展。

重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速

电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模

就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的

产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖

装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得

出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急

需。在竞争数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权

的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续

发展奠定基础。

机床数控化改造的必要性。数控机床比传统机床有以下突出的优越

性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加

工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高

超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动

量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而

且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。 由于计算机有

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。

为了弥补我国数控机床的严重不足，许多企业与厂家都对原有的普

通机床进行数控化改造。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的

发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产

品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长，从而在国际、

国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响

企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。机床的数控化

改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比

较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通

的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床

配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进

而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另

当别论）。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主

传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体

布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特

机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑

各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。

第1.1 节车床数控化改造的特点

我国制造业的现状仍是普通机床统治的年代，而发达国家数控机床

占主导地位，普通机床严重阻碍了我国制造业和世界发达国家的接轨，

严重影响了我国企业的发展生产的发展。提高机床的数控化率已经成为

当今世界制造业的发展趋势。提高车床数控化率有两个可行的途径，一

是购置新的数控车床；二是把卧式车床改装成数控车床。根据国内目前

的经济状况，花大量的资金更换全新的数控车床花费过高，给企业造成

的经济负担较大，同时报废大量的普通车床是一个很大的浪费。因此，

各个企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，也可购置一批

精度高、性能强的数控车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车

床。

1.1.1 卧式车床数控化改造的特点如下：

（1）车床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为车床的改造

方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方、改到什么程度

都有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企

业有积极性。

（2）车床改造可以充分利用原机床的绝大部分零部件，大大节约

原材料和资金，见效快，改造周期短，可以满足生产急需。因为旧车床

数控化改造大部分床身、立柱等基础件和许多传动部分不需要换，与购

买新车床相比，费用只需其1/15～1/10，工期大大缩短，节约了成本，

解决了生产急需。

（3）改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，适应

多品种、小批量零件生产。这是因为车床的大型构件一般是铸铁制成的，

而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改

变支撑类大型构件，只需要修复或更换中小型部件就可以获得与新车床

类似的效果。改造后的车床功能有较大的提高。除了保有功能外，还可

以满足各种复杂型面类零件加工，极大地扩大了车床的应用范围。

（4）经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。

因为改造时根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平

和效率，提高设备质量。

（5）可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积

极性；同时对工人技术水平的要求不高。

（6）在改造期间，通过拆卸就车床、装配新的零部件等改造过程，

间接培养了数控人才，对机床的特性有了较详细的了解，在操作使用和

维护方面培训时间短，见效快。

1.1.2 通过车床数控化改造，可以使其与卧式车床相比有如下优点：

（1）可以加工出卧式车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。

（2）可以实现加工柔性自动化，效率可比靠凸轮或挡块等实现模

拟自动化的机床高3～7倍。

（3）加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。

（4）可实现多工序集中加工，提高了相关的加工精度，同时减少

了被加工零件在机床间的平凡搬运。

（5）拥有自动补偿等多种功能，对于批量较大的，简化了传统机

床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅提高。

（6）若购置一台新的数控机床，国产数控机床价格也要7万～8

万元，进口设备有的近20万元；而对卧式车床进行数控化改造也能满

足实际生产的需求，改造的成本只要2～3万元。

（7）由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强

度，减少废品的发生，提高工作效率。

第1.2 节我国数控机床现状

进来我国企业的数控机床占有率逐年上升，但总体还是很少。我国

机床总量380多万台，而其中数控机床总数只有11.38万台，即我国机

床数控化率不到3%。2000年以来，我国数控机床年产量为0.6万～0.8

万台，年产值约为18亿元，机床年产量数控化率为6%。我国机床役龄

10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动、半自动机床不到

20%，ＦＭＣ／ＦＭＳ等自动化生产线更是屈指可数（美国和日本自动

和半自动机床占60%以上）。国内传统旧有机床的数控化改造是一个潜

力巨大的市场。