1、本科毕业设计- 0 -目录第 1 章 绪论 .51.1 数控技术的产生、发展和作用 .51.2 我国数控机床发展的历史与现状 .81.3 机床数控化改造的可行性 .81.4 本章小结 .9第 2 章 车床总体改造方案设计 .102.1 主传动系统的改造 .112.1.1 主轴无级变速的实现 .112.1.2 主轴脉冲编码器的安装 .112.2 纵横向进给传动系统的改造 .132.2.1 纵向（Z 方向）进给传动系统的改造 .132.2.2 横向（X 方向）进给系统的改造 .142.2.3 齿轮传动间隙的消除 .152.3 刀架部分的改造 .162.4 导轨的改造 .16 2.5 导轨的改造数控
2、系统的类型及品牌选择 .172.5.1 数控系统的类型 .172.5.2 数控系统的选择 .172.6 本章小结 .18第 3 章 机床数控系统硬件电路设计 .193.1 SINUMERIK 802S base line 数控系统特点 .193.2 电柜设计及电源选用 .193.3 数控系统各部分的连接及接口设计 .213.3.1 系统的接线 .213.3.2 PLC 输入输出接口定义 .223.3.3 接口连接 .233.3.4 步进电机的连接 .303.4 回参考点配置 .313.5 驱动电流设定 .313.6 主控电路的设计 .333.7 本章小结 .35第 4 章 机床进给伺服系统机械
3、部分设计计算 .364.1 确定系统脉冲当量 .36本科毕业设计- 1 -4.2 计算切削力 .374.2.1 纵车外圆 .374.2.2 横切端面 .374.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .374.3.1 纵向进给丝杠 .374.3.2 横向进给丝杆 .404.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副的几何参数 .424.4 贴塑导轨的应用 .434. 5 齿轮传动比的计算 .434.5.1 纵向进给传动比的计算 .434.5.2 横向进给齿轮箱传动比计算 .444.6 步进电机的计算和选型 .444.6.1 纵向进给步进电机计算 .444.6.2 横向进给步进电机的计算和选型 .474.7 本章小结
4、 .47第五章 参数设置与验收 .495.1 参数设置 .495.1.1PLC 参数设置 .495.1.2 机床参数设置 .505.2 改造后车床的验收与性能比较 .515.3 本章小结 .51第六章 总结与展望 .536.1 总结 .536.2 展望 .53参考文献 .56致谢 .60 本科毕业设计- 2 -第 1 章 绪论1.1 数控技术的产生、发展和作用数控机床是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅
5、度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展。1、高速、高效、高精度、高可靠性要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；
6、要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。（1）高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。(2)高精度精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。当前，精密加工精度提高了两个数量级，超精密加
7、工精度进入纳米级(0.001 m)，主轴回转精度达到 0.010.05 m，加工圆度为 0.1 m，加工表面粗糙度 Ra 值 0.003m 等。为了满足用户的需要，近 10 多年来，普通级数控机床的加工精度己由士 10 m 提高到5 m，精密级加工中 心的加工精度则从35 m 提高到1 1.5 m。(3)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上。对于本科毕业设计- 3 -每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障工作时间(MTBF) 就必须大于 3000 小时。MTBF 大于 30
8、00 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，若只对一台数控机床而言，如果主机与数控系统的时效率之比为 10：1 的话(数控系统的可靠性比主机高一个数量级)，则此时数控系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小时。当前国外数控系统平均无故障工作时间(MTBF)在(710) 10 小时以上，整机平均无故障工作时间达 800 小4时以上。2、模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性
9、化是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。(2)智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面，分别如下：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；在简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的机界面等；智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和控复合加工机床) 、线(FMC、FMS 、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、
10、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP、MTS 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3、开放式体系结构由于数控技术中大量采用计算机新技术，新一代的数控系统体系结构向开放式系本科毕业设计- 4 -统方向发展。国际上的
11、主要数控系统和数控设备生产国及其厂家都瞄准通用个人计算机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，自 80 年代末以来竞相开发基于 PC 的 CNC，开展了针对开放式 CNC 的前、后台标准的研究，基于 PC 的开放式 CNC 大致可分为四类： PC 连接型 CNC、PC 内装型 NC、NC 内装型 PC 和纯软件 NC。典型产品有 FANUC150/160/180/210、A2100、 OA500、Advantage CNC System、华中 I 型等。4、出现新一代数控加工工艺与装备(1)为适应制造自动化的发展，向 FMC、FMS 和 CIMS 提供基础设备，要求数字控制制
12、造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人和物流系统；(2)围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联体系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；(3)以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数字化网络技术使
13、机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用；(4)由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，使得机械加工向虚拟制造的方向发展。1.2 我国数控机床发展的历史与现状我国从 1958 年开始研制数控机床，几十年来，经历了发展、停滞、引进技术、自行开发等几个阶段。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统，20 世纪 60 年代中期至70 年代初，先后研制成功了 CJK-18 型晶体管数控系统、X53-IG 立式数控铣床及YK53 数控非圆齿轮插齿机。从 70 年代开始，数控技术在车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床、电加工机床等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于
14、电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。80 年代，我国从日本 FANUC 公司引进了 5、7、3 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，以及从美国、德国等国引进了一些新技术。推动了我国数控机床稳定的发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。改革开放以来，我国数控系统的开发与生产发展迅速，取得了更为喜人的成果。通过“ 七五” 引进、消化、吸收， “八五”攻关和 “九五”产业化，数控技术取得了长足进步。在与数控主机匹配方面可以说已基本上改变了“拖后腿” 的局面，性能和本科毕业设计- 5 -质量显著提高，功能价格比有优势
15、。我国具有自主版权的数控系统产业开始形成，在市场上具有一定竞争力，逐步提高了市场占有率。目前我国可供市场的数控机床有 2000 多种，覆盖了超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压机床、前沿高技术机床等领域，可与日本、德国、意大利、美国并驾齐驱。数控系统经过多年的市场激烈竞争，已经形成由日本的发那科公司占市场 50%、德国西门子公司占市场 25%的垄断局面。我国从 20 世纪 90 年代末开始掌握基于通用32 位工业控制机开放式体系结构的数控系统，特别是能够控制五轴联动并具备网络化远程监测、诊断、操作功能的数控系统。并开发出弧齿锥齿轮数控加工、三维激光视觉检测、螺旋桨七轴五联动加工和世界独创
16、的空间曲面插补软件。目前批量投入市场的国产数控系统，具有性能价格比的优势，正在改变国外强手在中国市场上的垄断局面。1.3 机床数控化改造的可行性目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而切替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小型企业则是 74%，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如
17、此。利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台新高效、多功能的数控机床，其投资少，见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径2000 年我国机床总产量约 17.5 万台，其中数控机床产量是 14053 台，产量数控化率为 8%。而像美国、日本等工业发达的国家机床产量数控化率已超过了 50%。国数控机床占机床生产总值的比例远远低于美国、日本等发达国家。由此可见，我国目前仍然以生产普通机床为主，因此机床设备的数控化改造将会长期存在，据中国机电装备维修与改造技术协会有关统计数据表明，我国每年大约有 10 万台普通机床
18、需要改造，维修改造的市场前景十分广阔。1.4 本章小结本章首先阐述了数控机床的发展趋势及我国数控机床发展的历史与现状，介绍了国外机床改造业的现状。接着从我国实际国情出发，阐述了我国机床数控化改造的意义。最后介绍了本课题所研究的内容。本科毕业设计- 6 -第二章 车床总体改造方案设计 车床总体改造方案设计数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，尽量减少不必要的改动量。尤其是对车床上较大的部件。例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，或只做少量的加工改造，这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。C6132 型普通车床数控化改造后主要用于中小型轴类、盘类以及螺纹零件
19、的粗加工或半精加工，这些零件加工工艺要求机床应实现的功能主要有：控制主轴正反转和实现主轴的无级变速以提供不同的切削速度；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成刀具选择；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个导程。要实现以上功能，确定总体改造方案如下: (1)拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性连接；(2)横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(
20、相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；(3)要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；(4)为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；(5)为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；(6)为实现回参考点的动作，须在纵横向安装接近开关。(7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩,以防脏物、油污和切屑等进入,机床整体也要加装防护罩,以防止加工过程中的切屑飞溅伤人;车床总体改造如图 2-1 所示。1-X 向滚珠丝杠副 2-X 向电机 3-X 向减速器 4-尾座 5-Z 向减速器
21、本科毕业设计- 7 -6-Z 向电机 7-支架 8-Z 向滚珠丝杠副 9-数控转位刀架 10-主轴脉冲编码器图 2-1 C6132 普通车床数控化改造示意图2.1 主传动系统的改造2.1.1 主轴无级变速的实现C6132 车床的主轴变速为手动、有级变速(正转 24 级、反转 12 级)。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式；同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量
22、；其二是直接采用伺服电机实现无级变速。采用方式二需要重新购买主轴伺服电机，另外主轴箱也要做相应的改造以安装伺服电机。机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。考虑到改造的成本，我们决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。电动机转速 n 与频率 f 之间的关系为：n=28.5f。因此，改变电源频率 f 即可改变电动机的转速 n。变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转、停止和变速。交流异步电动机的转速与电源频率，电
23、动机磁极对数 nfp以及转差率之间的关系式为： spfn160对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率 fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择Uf恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的Uf，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属
24、于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。本科毕业设计- 8 -目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在05Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服Uf控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下： MCNkIUP3103
25、cos式中 PM负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) MU电动机的电压，380V； MI电动机工频电源时的电流，为154A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； PCN变频器的额定容量，kVA； ICN变频器的额定电流，A；由以上公式可得：AkI kVAUPkVMCN94.165. 15.04.1538037.8cos 33 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-75K-CH。其最大输出功率为7.5kw，额定容量为13kV
26、A，额定电流为17A，过载能力为150%60秒，200%0.5秒，额定输出电压为3相380V/50Hz，电源电压允许波动范围为323V至528V。其外形如图2-2。2.2.2 主轴脉冲编码器的安装为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车图 2-2 三菱 FR-A540-7.5-CH变频器外形图本科毕业设计- 9 -螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装，同轴安装的结构简单，缺点是安装后不
27、能加工穿出车床主轴孔的零件，限制了零件的加工长度。因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中 58/58 和 33/33 两级齿轮(实现传动比 l：1)把动力传递给挂轮轴 X，主轴编码器 1 通过支架 2 固定，并通过联轴器 3 与闷头 4 相连，闷头 4 通过过盈配合与主轴箱内轴 X 连接，如图 2-3、2-4 所示。图 2-3 主轴编码器安装实物图与外形图1-.ZXB-1 型主轴编码器 2-固定支架 3-.MC 型联轴器 4-闷头 5-轴 X图 2-4 编码器安装图主轴编码器选用长春第一光学有限公司的 ZXB-1 型编码器，如图 2-2 所示。该编码器结构坚固，可靠性高，寿命长，耐环境性强。主轴编码器与轴的连接可采用刚性连接和柔性连接。刚性连接是指常用的轴套连接。此方式对连接件制造精度及安装精度有较高的要求，否则，同轴度误差的影响，会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重时损坏光栅盘。柔性连接，是较为适用的连接，是采用弹性元件的连接。弹性联轴器选用日本东方电机的 MC 型联轴器，该联轴器有固定螺钉型和夹钳型两种。固定螺钉型是将螺钉押入轴内进行安装的连接
