数控专业数控机床

河北机电职业技术学院（论文）河北机电职业技术学院毕业设计论文数控专业数控机床 届 机 械 工 程 系 专 业：机电设备维修与管理学 号： 学生姓名： 指导老师： 完成日期 20XX 年 6 月 22 日摘要数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。数控机床的优点：具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，可加工形状复杂的零件，改善劳动条件，利于生产管理和机械加工自动化的发展。普通机床的缺点：普通机床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。普通机床测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下。适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工资水平高。 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。关键字：数控化、改造、意义、普通车床目录绪论.3一数控机床改造的背景和意义.41.1 数控机床在我国的发展现状.41.1.1 车床数控化改造的意义.51.1.2 普通车床数控化改造的优点.51.2 数控化改造的内容.71.3 机床数控化改造的必要性.12二车床数控改造的构思与方案.122.1 改造任务.122.2 改造方案的论证.132.3 改造方案的确定.14三主要结构的数控改造方法.143.1 数控系统的改造.143.2 纵向（Z向）进给系统的改造.183.3 横向（X向）进给系统的改造.213.4 刀架.213.5 主轴传动系统的改造.223.5.1改造思路.223.6 滑动导轨副的改造.22四安全防护.224.1 硬防护.224.2 软防护.23五总结.23参考文献.25 致谢.26 绪论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目前我国在役机床总量约380万台，其中数控机床总数只有11万多台，数控机床占有率不足3，而一些工业发达国家早已达到20以上。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率已经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大量的普通机床，完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分机床服役龄较长，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径，是企业必走之路。制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。利用现有普通车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。因为一方面我国普通车床保有量大，要将普通车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通车床为主，普通车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。第1章 数控机床改造的背景和意义1.1 数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为1518个月,其中设计时间约为58个月,占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为69个月,其中设计约1.52个月,只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需12个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.1 车床数控化改造的意义我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。其具有以下的几点意义：1.有利于企业技术的提高，成本的节约数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工人工资水平高。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所影响的。2.有利于企业经济开支的节约数控化改造一般用户都能承担的起,这为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备全部用新型机床替换。要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费,若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省50%以上的资金,一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的1/3到1/5。3.有利于数控化市场的扩大订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足用户的需要,而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段,对中、小型企业来说是十分理想的选择。4.有利于企业生产的扩大在现代机械制造工业中,中小批量甚至单件生产,个性化的产品占有相当大的比重,尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地,产品出口的增长迅速,从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是最能适应这种生产需要的。5.有利于企业的工业化水平的提高以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。（6）有利于企业的多方面发展数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。1.1.2 普通车床数控化改造的优点 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。即通过简单的数字化控制，来实现满足要求的以及复杂的工序要求。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： (1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 (2) 加工精度高，具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； (5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的35倍）；(6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件； (7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成： a）主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。b）数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 c）驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。d）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。e) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。1.2 机床数控化改造的必要性 我国目前机床总量三百余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。而且机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、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，急待改造经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益，比较符合我国的国情。第2章 车床数控改造的构思与方案 对现有的普通车床进行数控化改造，主要应解决的问题是：如何将机械传动的进给机构和手工控制的刀架转位进给部件改造成有数控系统控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工车床，即经济型数控车床。 经济型数控车床，主要依靠两方面来保证和提高被加工零件的精度：一是系统的控制精度，二是机床本身的机械传动精度。数控机床的进给传动系统，由于必须对X、Z轴进给位移的位置度同时实现自动控制，所以，数控车床与卧式车床相比，应具有更好的精度，以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。2.1 车床机械结构改造的特点2.1.1 纵向滚珠丝杠 纵向滚珠丝杠必须采用三点式支撑形式。步进电动机的布置，可放在丝杠的任一端。由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿轮，也可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支撑座，而在丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。机床改造常采用后一种布置方案。车床纵向传动机构的布置如图2-1所示。 图2-1 车床纵向传动机构的布置 1. 纵向步进电机 2. 减速齿轮 3. 纵向滚珠丝杠 4. 工作台 5. 套筒联轴器 6. 支撑轴 在丝杠的左端设计了一个专用轴承支撑座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支撑，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承，承受两个方向的轴向力。支撑短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接起来。滚珠丝杠的右端通过连轴套和减速箱的输出轴连接，在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支撑，减速箱固定在丝杠托架上，滚珠丝杠的中间支撑为滚珠螺母，与床鞍直接连接。2.1.2 横向滚珠丝杠横向滚珠丝杠也采用三点支撑形式。步进电机一般都安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑端轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用车床原横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支撑，并对原支撑处进行适当改装，布置一对推力球轴承，以实现轴向支撑。在远离操作者的一端，用一个连轴套和一根连接端轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来。滚珠螺母直接固定在中滑板上。车床横向传动的支撑结构如图2-2所示。2.1.3导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩力，床鞍和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦因数低的聚四氟乙烯软带。2.1.4主轴脉冲发生器 改造后的简易数控车床需要自动加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为轴轴位置的信号反馈元件，目的是用来检测主轴转角的位置，并将其变化情况输送给数控装置，使其能按照所需加工的螺距进行处理。2.1.5安装电动卡盘 为了提高经济型数控车床的加工效率，还可以采用电动三爪自定心卡盘装置。这种装置也可以与数控装置的收发信电路相匹配，实现自动夹紧、松开，提高加工过程的自动化程度。2.2数控化改造对机械传动系统的要求数控化改造对机械传动系统的要求为：1）尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。2）选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能地快速达到跟踪指令的的要求。3）尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。4）尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差，如采用消除间隙的联轴器和消除传动齿轮间隙的机构等。5）尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应采用间隙小、传动精度高、运动平稳、效率高，以及传递转矩大的传动元件。从应用的方面考虑，结合目前国内大多数工矿企业的现状，卧式车床改造以采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T形螺纹丝杠，也可对原机床上T形螺纹丝杠加以修复，但此时，必须相应修配与此相匹配的螺母，尽量减小其间隙，提高其配合精度。2.3 改造方案的确定本次改造的普通车床型号为CA6140，长度750毫米。数控改造主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。2.2.1改造任务本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 2.2.2改造方案的确定CA6140A车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。 数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过I/O接口输出给X轴和Z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。第3章 主要结构的改造方法3.1数控系统的选择机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了GSK980TD型数控系统。数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。3.1.1电气控制原理1、主轴控制系统：主轴采用三相异步电机驱动由西门子440变频器US控制，其动力由U、V、W三相电源经变频器US提供，主轴电机的正反转由指令控制经PLC输出再经变频器US控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经XS9口直接连到变频器US控制电机转速，若出现故障，则由变频器US发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如下： 2、Z轴进给伺服控制系统：Z轴采用松下伺服电机驱动由松下伺服模块控制（如图3-2），其动力由R、S、T三相电源经伺服模块提供，伺服电机控制刀架的Z（纵向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它们与数控系统的接口为XS30-XS33，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。3、 X轴进给伺服控制系统：X轴电机采用雷赛步进电机驱动（如图3-2），由进给伺服模块控制，其动力由+V1电源经伺服模块提供，步进电机控制刀架的X（横向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它与数控系统的接口为XS30，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 4、刀架控制电路： 刀架电机采用三相异步电机驱动由继电器模块控制（如图3-3），刀架电机控制刀架的换刀（正反转）及转动角度指令由数控系统发出，若出现故障，则由PLC发出信号输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。5、光栅尺控制： 光栅尺通过测量反馈控制刀架进给与后退量的实际尺寸与指令尺寸的误差大小反馈给数控系统，若误差太大超出允许误差范围，数控系统可根据加工情况进行时时调整，若出现故障，由系统判断故障类型并在显示器上报警显示报警号。第4章 安全防护4.1 硬防护改造效果必须以安全为前提。在车床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切削及硬粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。4.2 软防护为了避免刀架纵向或横向冲出工作台需对其进行超程保护控制，其控制原理为： 1. 当向X轴正向移动时刀架撞到+M-SQX1限位开关电路切断电源，使其断电停车；当向X轴负向移动时刀架撞到+M-SQX2限位开关电路切断电源，使其断电停车； 2. 当向Z轴正向移动时刀架撞到+M-SQZ1限位开关电路切断电源，使其断电停车；当向Z轴正向移动时刀架撞到+M-SQZ2限位开关电路切断电源，使其断电停车。如果刀架超程要在超程按扭的配合下使其回到工作行程范围内，一旦操作不当或机床误动作急停按扭可以使其在任何位置停止，这样大大提高了系统的稳定性和减小了费品率，且可以大幅度的提高工人的人身安全 。第5章 总结虽然本课题的主要任务是完成对普通车床的数控化改造，但是，数控化改造并不是简单的装上数控装置就行了，它是一项繁琐的工作。我们的设计和改造任务主要包括主运动和进给运动的改造设计，通过改造使其具有数控机床的一般特性。应该来说，对普通车床的数控化改造具有一定的经济性和可行性。目前机床数控化改造的市场在我国还有