（机械工程专业论文）ca6140普通车床的数字化设计及实现.pdf

华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 中国是一个机械制造大国，但由于技术和资金等方面限制其装备水平却较落后， 在现有条件下用现代化技术对旧的设备进行技术改造和提升是我国制造业发展的一 个方向。本文作者针对己报废的c a 6 1 4 0 普通废旧车床进行数控化设计及实现，其意 义在于寻找一种可行的、具有推广价值的设备改造方法，可解决目前设备老化所带来 的问题。 本文介绍了用广州数控系统对c a 6 1 4 0 普通车床的改造设计方法，重点阐述了机 械改造、机床电气设计、p l c 控制及间隙补偿等几个方面的内容。 利用广州数控系统对c a 6 1 4 0 车床改造后，与以前相比，该机床的操作更加方便， 大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，并经测试，其各项技术指标均已达 到工业标准，系统运行平稳。 关键词：车床，数字化设计，机械改造 a b s t r a c t c h i n ai sam e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gg r e a tc o u n t r y ，b u ti t se q u i p m e n t 1 e v e lf a l l sb e h i n d i ti st h et r e n dt or e f o r ma n dp r o m o t et h eo l de q u i p m e n t w i t hm o d e r nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri st oc a r r yo u tn u m e r i c a lr e f o r mt o w a r d s ad i s c a r dc a 6 1 4 0l a t h e t h r o u g hw h i c hp e o p l ec a ns e e ko u tav i a b l ea n d v a l u a b l em e t h o do fe q u i p m e n tr e f o r m i n gs ot h a ti tc a ns o l v et h ep r o b l e m s o w i n gt ot h eo u t d a t e de q u i p m e n t s an u m e r i c a ld e s i g na b o u tm a c h i n et o o lb a s i n go ng u a n g z h o un u m e r i c a l c o n t r 0 1s y s t e mh a sb r o u g h to u ti nt h i sp a p e r t h ep o i n tp r o b l e m sa r e a l t e r i n go fm e c h a n i c ，e l e c t r i c ， p l cc o n t r 0 1a n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y a f t e ru s i n gt h eg u a n g z h o un u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mt or e f o r mc a 6 1 4 0 ， i tl o w e r sl a b o rs t r e n g t h ，r a i s e sr a t eo fp r o d u c t i o n t h r o u g ht e s tt h e1 a t h e r e a c h e di n d u s t r ys t a n d a r da n dt h es y s t e mw o r ks t e a d i1 y g a og a if e n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y r a n gx i a oh o n g k e yw o r d s ：l a t h e ，n u m e r i c a id e s i g n ，m e c h a n i c a ir e f o r m a t i o n 华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 中国是一个机械制造大国，但由于技术和资金等方面限制其装备水平却较落后， 在现有条件下用现代化技术对旧的设备进行技术改造和提升是我国制造业发展的一 个方向。本文作者针对己报废的c a 6 1 4 0 普通废旧车床进行数控化设计及实现，其意 义在于寻找一种可行的、具有推广价值的设备改造方法，可解决目前设备老化所带来 的问题。 本文介绍了用广州数控系统对c a 6 1 4 0 普通车床的改造设计方法，重点阐述了机 械改造、机床电气设计、p l c 控制及间隙补偿等几个方面的内容。 利用广州数控系统对c a 6 1 4 0 车床改造后，与以前相比，该机床的操作更加方便， 大大降低了劳动者的劳动强度，提高了生产效率，并经测试，其各项技术指标均已达 到工业标准，系统运行平稳。 关键词：车床，数字化设计，机械改造 a b s t r a c t c h i n ai sam e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gg r e a tc o u n t r y ，b u ti t se q u i p m e n t 1 e v e lf a l l sb e h i n d i t i st h et r e n dt or e f o r ma n dp r o m o t et h eo l de q u i p m e n t w i t hm o d e r nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri st oc a r r yo u tn u m e r i c a lr e f o r mt o w a r d s ad i s c a r dc a 6 1 4 0l a t h e t h r o u g hw h i c hp e o p l ec a ns e e ko u tav i a b l ea n d v a l u a b l em e t h o do fe q u i p m e n tr e f o r m i n gs ot h a ti tc a ns o l v et h ep r o b l e m s o w i n gt ot h eo u t d a t e de q u i p m e n t s an u m e r i c a ld e s i g na b o u tm a c h i n et o o lb a s i n go ng u a n g z h o un u m e r i c a l c o n t r 0 1s y s t e mh a sb r o u g h to u ti nt h i sp a p e r t h ep o i n tp r o b l e m sa r e a l t e r i n go fm e c h a n i c ，e l e c t r i c ， p l cc o n t r 0 1a n dc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y a f t e ru s i n gt h eg u a n g z h o un u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mt or e f o r mc a 6 1 4 0 ， i tl o w e r sl a b o rs t r e n g t h ，r a i s e sr a t eo fp r o d u c t i o n t h r o u g ht e s tt h e1 a t h e r e a c h e di n d u s t r ys t a n d a r da n dt h es y s t e mw o r ks t e a d i1 y g a og a if e n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y r a n gx i a oh o n g k e y w o r d s ：l a t h e ，n u m e r i c a id e s i g n ，m e c h a n i c a ir e f o r m a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文c a 6 1 4 0 普通车床的数字化设 计及实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高醛日期：垫塑：缝：查2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：垄! 兰墨：! 三： 华北电力大学：【= 程硕士学位论文 1 1 本文选题背景及意义 第一章绪论 工业发达国家在上个世纪7 0 年代末、8 0 年代初已开始大规模应用数控机床， 目前数控技术已经成为制造业自动化的核心技术，同时机床数控化也是推行c a d ( 计 算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c i m s ( 计算机集成制造系统) 等企业信息化 改造的基础。当前，衡量一个国家机械制造业现代化水平的一个重要指标是数控化 机床的比重( 数控率) 。发达国家机床拥有量和数控化率有的己高达3 0 以上，我国 仅为2 8 ( 包括以单板机和步进电机为特征的经济型数控机床) ，和发达国家相比， 差了一个数量级。如果我们要赶上国外对手，仅仅依靠添置新的数控机床，是我们 发展中国家的财力所不能承受的。 在美国、日本和德国等发达国家，机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新 兴产业，已经形成了一定的规模和市场。在美国，机床改造业称为机床再生 ( r e m a n u f a c t u r i n g ) 业，有b e r t s c h e 、a y t o n 、d e v li e g b u l l a v d ( 得宝) 服务集团、 u s 设备公司等；在日本，机床改造业称为机床改装( r e t r o f i t t i n g ) 业，从事改造业 的公司有大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工 程公司、山本工程公司等。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行 彻底改造升级，也只需花费购买新机床6 0 左右的价格，显著的经济效益是机床大 修及数控化改造行业的发展动力。机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正 处在黄金时代，我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。 我国虽已跻身机床生产大国行列，但要实现“十一五”期末成为机床生产强国 的目标仍任重道远。在我国，大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是 传统的机床，而且约有半数以上是役龄在1 0 年以上的旧机床。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、供货期长等缺点，从而在国 际、国内市场缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场和效益，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。然而，从目前企业面临的情况看， 数控机床价格昂贵，一次性投资较大，使有些企业难以承担。为此投入少、收效大 的机床数控化改造是提高机床数控化率的捷径和有效手段，符合中国的国情。 1 2 对机床的认识 c a 6 1 4 0 车床是我国制造业使用比较普遍的机床，该机床加工范围宽，可以实现 轴类、套类、圆锥面、成型面、螺纹和较复杂工件的加工，能适应较大的切削力， 华北电力大学工程硕十学位论文 加工工件的精度也较高。但是该类机床在我国使用时间大多数已经超过十年，一些 机床的精度及性能已远远达不到需要，有些甚至被闲置。重新大修后也达不到使用 要求，而且操作者劳动强度比较大，生产效率低，不适合现代化生产的要求。 1 3 机床改造意义 数控机床在机械制造业中曰益被广泛应用，与普通机床相比具有以下优点： ( 1 ) 加工适应性强，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， 为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利的条件。 ( 2 ) 加工精度高，质量好，加工质量稳定。 ( 3 ) 加工生产效率高、经济效益好。 ( 4 ) 工序集中，可实现一机多用。 ( 5 ) 可实现加工自动化，操作简单，减轻了操作者的劳动强度。 ( 6 ) 有利于生产管理的现代化。 数控机床有着普通机床所没有的诸多优点，已逐步代替了普通机床在机械制造 业的主导地位，为提高生产效率和保证零件加工质量提供了有利的保障。对机床进 行数控改造还有助于促进工人去适应现代制造业的飞速发展。可以通过改造后的机 床，了解数控机床的构成及工作原理，掌握数控加工方法。这对于提高工人素质， 提高企业形象以及在市场中的竞争能力都起到积极作用。 改造后的车床应达到以下基本要求： ( 1 ) 提高原机床加工工件时所能达到的精度。 ( 2 ) 能实现工件加工的自动循环要求，缩短辅助时间，提高加工效率。 ( 3 ) 保持车床所具有的一切加工性能，即具有加工内、外圆柱面、曲面、端平面， 内、外圆锥面及公制、英制螺纹等的能力及其他复杂型面的加工。 ( 4 ) 根据表面粗糙度的要求，允许机床在同一工作循环中采用高速精加工操作。 ( 5 ) 控制系统可靠，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能。 ( 6 ) 车床总体造型要美观、大方。 1 4 改造的总体方案设计 查看原车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体方案为： 恢复机床原功能，对机床存在故障的部分进行诊断并恢复：对机床的改造部位是： 拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架：拆掉普通丝杠、光杠、进给箱、溜板箱，换 2 华北电力人学工程硕士学位论文 上滚珠丝杠螺母副：拆掉主轴箱并在主轴后端装上光电编码器，供加工螺纹使用。 数控系统选用国产广州数控系统。驱动系统的设计，主轴系统采用交流伺服电 机驱动，需要实现无级调速，且调速范围宽，并需要数控制动停车装置。进给系统 由交流伺服电机驱动滚珠丝杠副实现进给运动，纵向( z 向) 脉冲当量为0 0 0 1 m m 脉冲，横向( x 向) 脉冲当量为o 0 0 0 5 m m 脉冲。改造后的机床应具有以下特点： 具有足够的刚度与强度；可以实现各种复杂型面的加工；有高的定位精度和 重复定位精度；生产效率高；减轻劳动强度，改善劳动条件；改造后的机 床外形将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 主轴系统的改造 第二章机床的机械结构改造 将原主轴箱内的齿轮和离合器以及挂轮等拆除，主轴箱仅仅用于支撑主轴，因 此主轴不会受到热量和动力传递因素的影响，主轴是机床的重要部件，它应满足传 递精度高，刚性好、旋转精度高、热变形小、噪声低等要求。主轴部件改造后结构 如图2 1 ，前支撑采用双列圆柱滚子轴承和6 0 。角接触双列球轴承，后支撑采用成 对安装的角接触轴承。这样配置可以使主轴的综合刚度得到大幅度的提高。 图2 一l 主轴组件 在主轴前端安装主轴脉冲编码器及编码器支架，通过同步带轮带动脉冲编码器 与主轴同步运动。加工螺纹或丝杠时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程， 须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。主轴脉冲发生器安装时须注意： 小心轻放，不能有较大的冲击和振动，以防损坏光栅盘。 车床主轴的转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速，以免损坏编码器。 2 2 进给系统的改造 一、数控机床对进给传动系统的要求有： 1 、摩擦阻力小： 2 、运动惯量小； 4 华北电力大学工程硕士学位论文 3 、无间隙传动，高的传动精度与定位精度； 4 、宽调速范围，响应速度要快； 5 、稳定性好，使用维护方便，寿命长。 对c a 6 1 4 0 车床的进给系统改造时应将机床的进给箱、溜板箱、丝杠、光杠、 滑板及刀架全部拆除，只保留溜板。横、纵向进给由固定在床身上的交流伺服电机 驱动，经联轴器与滚珠丝杠螺母副连接，带动溜板运动而实现进给运动。滚珠丝杠 螺母副是直线运动与回转运动相互转换的传动装置。 滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图如图2 2 所示： 图2 2 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 卜螺母2 一滚珠3 一丝杠a 一滚珠回路管道 在丝杠3 和螺母1 上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚 珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道a ，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成 封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2 。当丝杠旋转时，丝杠在滚道内既自转又 沿滚道循环转动，因而迫使螺母( 或丝杠) 轴向移动。 二、滚珠丝杠螺母的特点 1 、传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率r i = o 9 2 0 9 6 ，比 常规的丝杠螺母副提高3 4 倍。因此功率消耗只是常规丝杠螺母副的l 4 1 3 。 2 、给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死 区，定位精度高，刚度好。 3 、运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 4 、有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋 转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 5 、磨损小，使用寿命长。 6 、但是制造工艺复杂，不能自锁。 气 华北电力火学工程硕士学位论文 三、滚珠丝杠螺母副的预紧和滚珠丝杠的预拉伸 由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载 荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形。因此在反向转动时，就会 产生空程误差，从而降低了滚珠丝杠副的轴向刚度，影响传动精度。通常采用施加 预紧力的方法来提高滚珠丝杠的轴向刚度，这样可以消除丝杠、滚珠和螺母之间的 间隙，可以将整个丝杠螺母副的弹性变形量减少到最小，从而提高滚珠丝杠副的刚 度。如图2 3 所示，表示施加了预紧力的滚珠丝杠副与没有施加预紧力的滚珠丝杠 副的弹性变形曲线，曲线l 表示无预紧，曲线2 表示预加载荷。根据这个曲线图可 知，当施加的载荷恰好为预紧力的3 倍时，预紧的滚珠丝杠的刚度是没有预紧的滚 珠丝杠的刚度的2 倍。而弹性变形量是没有预紧的滚珠丝杠的1 2 。 6 ， 6 f d 图2 一唷无预紧比较 p 喇。珥 滚珠丝杠螺母副的预紧一般采用各种形式的双螺母机构和带预紧的滚珠丝杠 螺母副，把弹性变形量控制在最小限度内。对于不同形式的螺母结构，采用的预紧 方式也不同。下面主要介绍双螺母预紧时的方法，应用此结构时应注意预紧力不能 太大，否则会使驱动力矩大，位移效率降低和寿命缩短。用双螺母消除间隙时，有 三种方法： ( 1 ) 垫片调隙式。通常用螺钉连接滚珠丝杠副两个螺母的凸缘，并在凸缘间加 垫片，通过调整挚片的厚度，使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力 的目的。这种结构简单，可靠性好，刚度好及装卸方便，但调整较复杂，并且在工 作中不能随意调整，除非更换厚度不同的垫片。 ( 2 ) 螺纹调隙式。双螺母中一个螺母的外端有凸缘而另一个没有凸缘而制有螺 纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并可 产生预紧力。调整好后，再用另一个圆螺母把它锁紧。其结构紧凑，调整方便，故 应用广泛，但不是很精确。 ( 3 ) 齿差调隙式。在两个螺母的凸缘上分别有圆柱齿轮，两者相差一个齿，装 入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈， 6 华北电力大学工程硕士学位论文 当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母相对于另一个滚 珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠副的螺旋滚道产生相对位 移，达到消除间隙并施加预紧力的目的。结构尺寸大，装配比较复杂，使用于高精 度的传动机构。 比较几种结构，本机床采用螺纹调隙方式。 2 3 导轨的改造 一、导轨精度对机床精度的影响 床身导轨面是测量机床各项几何精度和反映加工精度的基准面，导轨的精度直接影 响机床的精度，对被加工零件的精度也起着决定性作用。床身导轨的精度包括导轨的导 向精度、刚度等。 ( 1 ) 导轨的导向精度主要是指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的因素包括导 轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨及其支承件的刚度和热变形、静( 动) 压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。 ( 2 ) 导轨的刚度包括导轨的自身刚度和接触刚度，它表示导轨受载后抵抗变形的能 力，是导轨工作质量的重要指标。若导轨变形过大，则刚度很差，这不仅严重破坏导轨的 导向精度和影响各部件之间的相对位置，还会使工作条件恶化，导轨上的比压分布不均， 加剧导轨的磨损。尤其在机床低速运行时，则伴随有振动出现，此时还要求导轨要有良好 的阻尼特性，以抑制和衰减振动，减少被加工表面的波纹度和振纹。 二、床身导轨磨损 导轨的精度高低取决于导轨的磨损程度，导轨面的不同磨损直接影响到工件的不同 误差。 1 、对工件加工误差的影响 导轨磨损后，导轨面的形状精度就会下降，使机床的一些几何精度项目受到直接影 响，必然影响工件的尺寸公差、形状误差和位置误差及表面粗糙度。 ( 1 ) 导轨在水平面内的直线度超差，导轨面磨损值。 如图2 4 所示，在导轨全长上不均匀地磨损6 值( 导轨面磨损值) ，加工轴类零件时， 直线度误差。直接影响工件直径的误差，使工件直径增大了2 。 7 华北电力人学工程硕士学位论文 图2 4 导轨在水平面内的直线度误差对工件的影响图2 5 导轨的倾斜对工件的影响 ( 2 ) v 型导轨与平导轨的磨损量不等，使溜板移动时产生倾斜误差。如图2 5 所示， 由于v 型导轨与平导轨的磨损量不等，使刀具绕顺时针方向偏转q 角，造成工件上的半径 误差：。 ( 3 ) 导轨在垂直平面内的直线度超差。 如图2 6 所示，由于导轨在全长上的磨损不均匀而产生垂直平面内的直线度误差6 ， 将使溜板运动出现升降，刀具的高度位置就发生6 变化，反映在工件上的半径误差。 图2 6导轨在垂直面内的直线度误差对工件的影响 实践证明，上述3 种情况中，在精加工长轴类零件时，以第1 种情况对加工精度影响最 大。在综合影响方面，以第2 种情况的磨损对圆柱工件精度影响最大，而以第3 种情况的影 响为最弱，有时可忽略不计。 2 、床身导轨磨损类型 造成床身导轨磨损的原因是多方面的。 ( 1 ) 磨粒磨损。溜板在导轨面上移动时，两表面之间产生相对滑动，由于细微的铁屑 落入滑动表面之间而产生的磨损就属于磨粒磨损。磨粒磨损不可避免，只能设法尽量减 少。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 粘着磨损。粘着磨损是指相对滑动的两个表面相互咬啮造成的磨损，其磨损的 特点是出现咬裂痕迹( 即擦伤) ，严重的粘着磨损容易使2 个导轨面无法运动。一般情况 下，磨粒磨损是产生粘着磨损的原因，粘着磨损反过来又会加剧磨粒磨损。 ( 3 ) 腐蚀磨损。腐蚀磨损与环境、温度、滑动速度、载荷和润滑条件有关，相互关 系极为复杂。防止腐蚀磨损应从选材( 如用不锈钢和耐蚀合金等) 、表面保护处理、降 低表面工作温度和选择适当的润滑剂等入手。 3 、降低导轨磨损速度的措施 导轨的磨损是可控而不可除的。在实际导轨工作中，各种磨损会同时出现，只是随着 各种因素的影响，其中某一种磨损会慢慢地更突出一些。因此，需根据主要的磨损形式提 出降低导轨磨损速度的措施。 ( 1 ) 改变摩擦形式。采用滚动摩擦代替滑动摩擦的导轨结构，在正常使用条件下， 磨损速度会降低。因此，在一些特殊的机床中，宜采用滚动导轨来提高其耐磨性。 ( 2 ) 改变滑动摩擦的规范。通过增加润滑油层的厚度，使干摩擦变为混合摩擦或液 体摩擦，从而使磨损速度显著降低。 ( 3 ) 改善油的性能。采用具有表面活性添加剂的润滑油( 如导轨防爬油) ，可提高承 载能力和寿命。如对重载部件采用具有含硫、氯、磷及其它元素的化学作用添加剂的抗 擦伤润滑油可有效防止摩擦副粘合。 ( 4 ) 提高摩擦副材料的硬度和韧性。对于在磨粒磨损条件下工作的导轨，提高导轨 材料的硬度是提高其耐磨性的方向。用整体或表面热处理、化学处理、敷以耐磨镀层、 堆焊耐磨材料等方法，都可提高导轨材料的耐磨性，降低导轨的磨损速度。 ( 5 ) 用彼此不易粘合的材料制作导轨副。比如用塑料一金属副导轨、塑性金属一脆性 金属副等，在工作时因材质特性差异，比较难粘合而降低粘着磨损速度，若通过淬火以降 低金属的塑性，则效果会更佳。 ( 6 ) 保证摩擦压力均匀分布。在结构设计时，应考虑零部件压力均匀分布，无局部高 压或倾斜重压出现。 为节约成本，我们采用原导轨，将原导轨重磨，重磨后导轨面的平面度为 0 0 1 5 m m ，长度方向直线度为o 0 l m m ，侧导向面的直线度为0 0 1 5 m m ，侧导向面之 间的平行度为0 0 1 4 咖，侧导向面对导轨底面的垂直度为o 0 1 m ，然后在导轨上贴 上t u r c i t e b 塑料软带，使贴塑导轨具有以下工作特性： l 、摩擦因数低，其动、静摩擦因数相近，运动平稳性和爬行性能好。 2 、具有良好的自润滑性，在断油或干摩擦下也不致拉伤导轨面，耐磨性好。 3 、吸振性好，具有良好的阻尼性。 q 华北电力人学上程硕士学位论文 4 、化学稳定性好，耐磨、耐低温、耐强酸、耐碱、强氧化剂及各种有机溶剂。 5 、维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易。 6 、经济性好，结构简单，成本低。 2 4 刀架的改造 选用w z d 4 四方位电动刀架，如图2 7 所示。该刀架可以安装四把不同的刀具， 转位信号由加工程序指定，当换刀指令发出后，电动机1 起动正转，通过联轴器2 使蜗杆轴转动，从而带动蜗轮丝杠4 转动。刀架体7 内孔加工有内螺纹，与蜗杆丝 杠旋合，当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5 和刀架体7 上的端面齿处在啮合状 态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体抬起，当抬至一定距离后，端面齿脱开，转 位套9 用销钉与蜗轮丝杠4 联接，随着蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开，转 位套正好转过1 6 0 。，球头销8 在弹簧力的作用下进入转位套9 的槽中，带动刀位 体转位。刀位体转动时带着电刷座1 0 转动，当转到程序指定的刀号时，定位销1 5 在弹簧的作用下进入粗定位盘6 的槽中进行粗定位，同时电刷1 3 ，1 4 接触导通， 使电动机反转，由于粗定位槽的限制，刀位体7 和刀架底座5 上的端面齿啮合，实 现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杠轴3 继续转动，随夹紧力 增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机停止转动，译码 装置由发信体1 l 、电刷1 3 、1 4 组成，电刷1 3 负责发信，电刷1 4 负责位置判断， 刀架不定期会出现过位或不到位时，可松开螺母1 2 调好发信体1 1 与电刷1 4 的相 对的位置。 l o 华北电力大学： 程硕士学位论文 8 8 心除 钐fj对i 二 卧一 口一 n 7 ，髫瓣溢n jf 爪h t j 一 、 ， ，“ 厂 。 一一一 一in u 心燮琴毫羚之弋遭7 7 7 孺 旷唧。 r - i l 叫 蕞洲 纠 ， lli = ：贝i 二 博淤芝漆沁心肜微l i 谛带审 b 图2 7 数控车床四方刀架结构 卜电动机2 一联轴器3 一蜗杆轴4 一蜗轮丝杠5 一刀架底座6 一粗定位盘7 一刀架体 8 一球头销9 一转位套l o 一电刷座1 1 一发信体1 2 一螺母1 3 、1 4 一电刷1 5 一粗定位销 电动刀架的安装较为方便，安装时须注意以下两点： 电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行。 电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电 动刀架连线。 2 5 安全防护装置 由于滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑进入，因此暴露在 外边的丝杠采用防护罩以防尘埃和磨粒黏附到丝杠表面上，防护装置一般采用螺旋 钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式，滚珠丝杠采用钢带缠 绕式，它与导轨的防护罩相似，一端连接在滚珠螺母的端面，另一端固定在滚珠丝 杠的支撑座上。 为保障操作者的安全，在数控机床上安装了防护门，防护门采用推拉式，防护 玻璃采用亚克力材料，操作者可以很清楚的看到整个加工过程，操作方便安全。 华北电力大学上程硕士学位论文 3 1 数控系统的选择 第三章机床的电气改造 机床的数控系统( c n c 系统) 是数控机床的核心，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。目前市场上流行的数控系统多种多样，在我国应用比较广泛的有日本f a n u c 系统、德国的s i e m e n s 系统，此外我国的系统功能也日益完善，国产系统的代表有 广州数控、华中数控等等。 经考证，广州数控性价比较高，界面友好，操作方便，符合学校教学要求，因 此我们采用了g s k 9 8 0 t d 系统，作为经济型数控系统的升级换代产品，其具有以下 技术特点： ( 1 ) 采用先进的插补技术，实现高速um 级控制； ( 2 ) 集成度高，整机工艺结构合理，可靠性高： ( 3 ) 液晶( l c d ) 中文显示，全屏幕编辑界面、操作方便易用； ( 4 ) 内嵌p l c 系统，可按使用需求变更i o 控制逻辑； ( 5 ) 加减速可调，可配套伺服驱动器； ( 6 ) 可变电子齿轮比，应用方便。 3 2 数控系统电气控制线的连接 3 2 1 系统的安装 增加一个电控柜，根据改造后的电气原理图，设计制作电控柜，图中原有元器 件仍放置在原柜中，按电气原理图做必要的改动，该电控柜除放置数控系统和伺服 系统外，还必须具有接管原电控柜部分功能的能力。两柜之利用电缆进行传输。 电柜必须能够有效地防止灰尘、冷却液及有机溶液的进入。设计电柜时，系统 后盖和机箱的距离不小于2 0 c m ，需考虑当电柜内的温度上升时，必须保证柜内和柜 外的温差不超过1 0 。电柜必须安装风扇以保证内外空气流通，显示面板必须安装 在冷却液不能喷射到的地方，设计电柜时，还必须考虑要尽量降低外部电气干扰， 防止干扰向系统传送。 系统在设计时已经采取了屏蔽空间电磁辐射、吸收冲击电流、滤除电源杂波等 抗干扰措施，可以在一定程度上防止外部干扰源对系统本身的影响。为了确保系统 华北电力人学上程硕士学位论文 稳定工作，在系统安装连接时有必要采取以下措施： 1 、c n c 要远离产生干扰的设备( 如变频器、交流接触器、静电发生器、高压发生器 以及动力线路的分段装置等) 。 2 、要通过隔离变压器给系统供电，安装系统的机床必须接地，c n c 和驱动器必须从 接地点连接独立的地线。 3 、抑制干扰：在交流线圈两端并联r c 回路( o 0 1uf ，1 0 0 2 0 0q ，如图3 1 ) ， r c 回路安装时要尽可能靠近感性负载；在直流线圈的两端反向并联续流二极管( 如 图3 2 ) ；在交流电机的绕组端并接浪涌吸收器( 如图3 3 ) 。 一 0 v 图3 一lr c 回路图3 2 并联二极管图3 3 接浪涌吸收器 4 、c n c 的引出电缆采用绞合屏蔽电缆或屏蔽电缆，电缆的屏蔽层在系统侧采取单端 接地，信号线应尽可能短。 5 、为减小c n c 信号电缆间以及与强电电缆间的相互干扰，布线时应遵循以下原则： 组别电缆种类 布线要求 交流电源线 将a 组的电缆与b 组、c 组分开捆绑， a交流线圈 保留它们之间的距离至少1 0 c m ，或者将 交流接触器a 组电缆进行电磁屏蔽 直流线圈( 2 4 v d c ) 直流继电器( 2 4 v d c ) 将b 组电缆与a 组电缆分开捆绑或将b b组电缆进行屏蔽；b 组电缆与c 组电缆 系统和强电柜之间的电缆 离得越远越好 机床和系统之间的电缆 系统和伺服驱动器之间的电缆 位置反馈电缆 将c 组与a 组电缆分开捆绑，或者将c c 位置编码器电缆 组电缆进行屏蔽；c 组电缆与b 组电缆 手轮电缆 之间的距离至少1 0 c m ，电缆采用双绞线 其他屏蔽用电缆 毒麓芸畿圳蚴 x s 3 2 ：1 5 芯d 型孔插座，连接士：二：酬、y 、z 轴驱动器 二篙：翼觐虢蝴c 焉纛口 二篓3 7 ：9 芯。型针插座，连接变：n 此“磺口 二x s 3 8 ：9 芯。型针插座，连接手轮。日 二蒜：黧兰攀撇蝴加 二嚣。慕黧如统信谲嚣口 二= 。竺蜥赋憾丈：善蒜雌口 s 4 2 ：2 5 枷觐航扩展输。出：；蒜 1 4 c 目 k 蝴 啡 d 雉交 加 倭 甜 端 趼 桅； 黜 嗡端 用 d n 翮 龋k嚣 三、总体连线图 r 一一岛：浔f 一一一一一1 图3 5 总体连线图 3 3 数控系统内部总线上数据信息的传输 3 3 1 与驱动器的连接 一、驱动接口定义 i ：n c 卜 2 ：l l d l r 3 ：n p ( | ：2 4 、。 5 ：n d a l m 6 ：i l s e t 7 ：n e n 8 ： 9 ：l l c p 1 0 ：l l d i r ：o v 1 2 ：5 v 1 3 ：5 v 1 4 ：0 、 1 5 ：0 、 图3 6x s 3 0 、x s 3 1 、x 3 3 驱动接口 信号说明 n c p + 、n c p 一 指令脉冲信号 n d i r + 、n d i r 一 指令方向信号 n p c 零点信号 华北电力人学工程硕士学位论文 n d a l m 驱动器报警信号 n e n 系统准备好信号 宰n s e t 设定信号 注：n 代表x 、y 或z ，“木”表示负逻辑，对于i o 信号，带“木 记的输入信号与 + 2 4 v 接通时输入功能无效，与+ 2 4 v 断开时输入功能有效；对于其它输出信号，带 “水”记表示输出0 电平有效。 二、指令脉冲与方向信号 n c p + ，n c p 一为脉冲信号，n d i r + ，n d i r 一为方向信号，这两组信号均为差分输出 ( n 代表x 、y 或z ) ，外部使用2 6 l s 3 2 连接，内部电路见下图： a m ，6 i s 】l i n a i 珊 系统侧 图3 7 指令脉冲和方向信号电路 三、驱动器报警信号n d a l m 由系统参数n 0 0 0 9 的b i t 0 、b i t l 位设定驱动器报警电平是低电平还是高电平。内 部电路见图： + 5 v系缆铡i l 一图3 8 报警信号内部电路 四、系统准备好信号n e n 系统正常工作时n e n 输出低电平，当系统报警时，n e n 电平发生转换。内部接口电 路见下图： 1 6 一一一一一一一 = = 华北电力火学工程硕士学位论文 n e n 3 9 准备好信号内部接口电路 五、设定信号木n s e t 水n s e t 用于控制伺服输入禁止，提高c n c 和驱动器之 间的抗干扰能力，该信号在系统无脉冲信号输出时为高电 平，有脉冲信号输出时为低电平。内部接口电路见图3 1 0 ： 3 - 1 嗽定信号电路 六、零点信号n p c 机械回零时用电机编码器的旋转信号或接近开关信号等作为零点信号，内部连接电 路见下图： 1 i 3 1l 零点信号电路 注：上图的p c 信号采用+ 2 4 v 电平，如果驱动器输出的p c 信号采用+ 5 v 电平，则系 统中电阻阻值3 k 3 改为4 7 0q 。 七、与驱动器的连接 g s k 9 8 0 t d jd f 3 驱动器的连接 g s k 9 8 0 t d ( x 、z 轴) d f 3 驱动器 3 3 2 与主轴编码器的连接 一、主轴编码器接口定义 1n c p 二 矾 f 、 l c p + 9n c p 9 c p - ；2n d i r + 硼 3d i r 士 ：1 0 n d i i 卜，id 工r 一 l l0 、9值r 1 c o 畦 1 2+ 5 v 硼 f r e e 8 ：5n n a l 硼 7腿c o m - f r e e ；1 1 o v 3 百z 槭外克 盆：嫡外：， 图3 一1 2 系统与驱动器连接 1 7 华北电力人学j ：程硕士学位论文 轨称滥f 蝴 + p a s p a s 编伊i 器 年1 i 脉 1 | l + pb s p 8 s 编码器b 十l i 脉冲 p c s p c s 编肼： c 州脉冲 3 1 3x s 3 2 编码器接口 二、信号说明 本系统要求使用增量式编码器。术p c s p c s 、 木p b s p b s 、木p a s p a s 分别为编码器的c 相、b 相、a 相的差分输入信号，采用2 6 l s 3 2 接收：半p a s p a s 、 木p b s p b s 为相差9 0 。的正交方波，最高信号频率 l m h z ；内部连接电路如图3 一1 4 ：( 图中n = a 、b 、c ) 图3 一1 4 编码器信号电路 三、主轴编码器接口连接 系统与主轴编码器的连接如下图所示，连接时采用双绞线。 3 3 3 与手轮的连接 一、手轮接口定义 长弹光1 0 2 1 3车p c s 畦 8 z ip c s2z 6 b 3b af j 一 卑p b s 赶 ll aa 0 6邓s 章p a s， 8 p a s 1 l o 、 好 l0 v 1 2 + 5 v 1 1 十5 v j! 掘讣免 图3 1 5 系统与编码器的连接 婚! ： 号说l l j j h a f 轮a 丰l i 信号 h b r 轮b 丰 l jl ； 十5 v ，o v i t i 流i 乜源 图3 一1 6x s 3 8 手轮接口 二、信号说明 h a 、h b 分别为手轮的a 相、b 相输入信号。内部连接电路如下图所示： p n s p n s v v n v v吖吖州w 吖：2 h b 心n ，一n叫叫圳1引一， q w。00。do。oo一可 s s b s o眦似瞒啪瞄佻 华北电力大学t 程硕士学位论文 三、系统与手轮的连接 3 3 4 与变频器的连接 一、模拟主轴接口定义 图3 一1 7 手轮信号电路 a b l h a 汇 亡 5 v 一 h b 0 2+ 5 v 6 0 v0 v j：槲外先 i 图3 1 8 系统与手轮的连接 化号说h j j 湫 0 、1 0 v 模拟i 毡 o v 馈q 地 图3 一1 9x s 3 7 模拟主轴接口 二、信号说明 模拟主轴接口s v c 端可输出0 一1 0 v 电压，信号内部电路见下图： 三、变频器接口连接 l o k 图3 2 0s v c 信号电路 g s k 9 8 0 t a ( x s 3 7 ) 蛮翱j 嚣 图3 2 1 系统与变频器连接 1 9 cv v s o h5 4 3 2 l 华北电力人学工程硕士学位论文 鎏恩 6 ： 7 ： 8 ： 9 ： 彳i i 峙 说州 r 功 接收数烈 t x d 发送数掘 g 如l倍 多地 图3 2 2x s 3 6 通讯接口 二、通讯接口连接 本系统可通过r s 2 3 2 接口与p c 机进行通讯，系统与p c 机的连接如下图： g s k 9 8 0 t d ( x s 3 6jp c 扣l r s 2 3 2 手受f1 3 t x d 硝午 ， r x d- 2 r x d3t x d g l 0 0g m ) 金桶外先念膳外先 图3 2 3 系统与p c 机的连接 3 3 6 电源接口连接 本系统采用g s k p b 电源盒，共有四组电压：+ 5 v ( 5 a ) 、+ 1 2 v ( 1 a ) 、一1 2 v ( 1 a ) 、 + 2 4 v ( 2 a ) ，共用公共端c o m ( 0 v ) 。产品出厂时，电源盒到系统x s 2 的连接已完成， 用户只需要连接2 2 0 v 交流电源。外部连接如下图所示： 图3 2 4 电源盒的外部连接 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 3 3 7i 0 接口定义 l ：d e c x 2 ：b d t d i t w 3 ：t 0 4 4 ：t 0 3 5 ：t 0 2 6 ：t 0 1 7 ：木s p s a g t 8 ：s t 9 ：d e c z 1 0 ：聿e s p l l ：+ 2 4 v 1 2 ：t l 兀7 0 6 1 3 ：t l ，u 0 7 s 27 n “2 u o l d o 刑 m 0 4 d o o p j s 1 m 4 1j u o l o m 3 2 m 0 3 s 4 ，n 1 4 4 j u 0 3 u 0 4 ，d o 丁w s d o o p s ? u 0 5 d i o p t c p 巾r e s 十2 4 v o o o v 0 v 0 1 v o v 0 v t 0 8 1 1 4 2 1 n q p j 凹8 t 0 7 a 4 1 1 月q p j 幸0 v 4 t 0 6 ，奉o v 2 t 0 5 ，7 串o v l s p e n + 2 4 v 0 v o v 价譬浚明 宰d e c x 、宰d e c z x 、z 轴凹参点减速