普通车床的数控化改造.doc

商丘科技职业学院毕业论文（设计）摘要近些年来，我国工业制造水平随着科学技术的飞速发展而突飞猛进，在整个国民经济发展中起着越来越重要的作用，因此以制造机器为使命的“工作母机”则成了工业发展的重中之重，其作用是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以被称为“工作母机”或“工具机”。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。 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,而另一方面我国生产的机床大多以普通车床为主，而且半数以上是役龄在10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，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。 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。关键词：工作母机 数控 改造 13目录摘要I目录II引言11 数控技术21.1 数控技术的基本概念21.2 数控机床的工作流程21.3 数控机床的组成32 车床的总体改造和设计42.1 车床改造的总体方案42.2 进给系统的设计42.3 控制系统的软件部分42.4 改造后机床的特点53 机床的电气改造53.1 数控系统的选择53.2 硬件结构的选择63.3 进给伺服驱动73.4 主运动传动系统73.5传动方式的选择9结 束 语13参 考 文 献13引言数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。而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。 再则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。更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 数控技术1.1 数控技术的基本概念数控技术，简称数控(NumericalControl)。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。1.2 数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。1.3 数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图1-1。(1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。 (2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。 (3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。 (4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。 (5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。2 车床的总体改造和设计2.1 车床改造的总体方案可采用工控PC机，可满足该控制系统的控制要求。运动控制卡：采用PCL运动控制卡，该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡，它有16位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。因此，它可以满足车床X、Z轴联动，实现直线，圆弧插补。光电耦合电路的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。 机床本体是由CA6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。 步进电机及其驱动器要能够达到0.005mm的加工精度要求。 各种限位开关：减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关起着硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。2.2 进给系统的设计考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的X、Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。2.3 控制系统的软件部分该车床控制系统采用GSK980T系统。其功能主要有读取零件的加工G代码，编辑和编译G代码，仿真加工(包括加工前仿真和与加工同步仿真)，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M功能等多种加工信息。加工过程中，软件界面的状态栏还可以显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。2.4 改造后机床的特点 (1)具有与原机床一致的刚度与强度. (2)具有与原机床一致的加工范围。 (3)纵向进给直线度与原机床一样，其运动精度则有数控系统和纵向电机、滚珠丝杠的精度保证。 (4)横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证。 (5)可充分利用机床床身部分的已加工表面作为改造部分的定位和测量基准。 (6)改造后的机床外型将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。3 机床的电气改造3.1 数控系统的选择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。常年的工作考脸证明GSK980TD系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。其工作场地的室温为0-45，相对湿度75%短时可达95%,抗震为0.5g ，电网电压波动为10%-15%,经对使用中系统的实际统计，GSK980TD系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。3.2 硬件结构的选择(1)主板主CPU在该板上。主CPU用于系统主控，原来用80386，从1998年起改用80486/DX2。此外，显示的CRT控制也在该板上。 (2)存储器板该板上有：系统的控制软件ROM(共5片)。GSK980TD系统可控制车床。不同类型的机床控制软件不同；伺服控制软件ROM I片；PMC-L的ROM芯片2片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需安装；COMSRAM，用于存储系统和机床参数、零件加工程序，根据用户要求配置，最大可为128K字节。CMOSRAM与4.5V 电池相连，关机时保存信息。 (3)I/O板该板是CNC单元与机床强电柜的接口，接收或输出24V直流信号，由PMC实施输入/输出控制，I/O点数可根据机床的复杂程度选择，标准配置为104个输入点，72个输出点。 (4)进给伺服控制板GSK980TD系统全部用数字式交流伺服控制。其控制板装在CNC单元内，插在主板上，即CNC单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有2个CPU(TMS320)，用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴，一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令，输出6个相位各差60的脉宽调制信号(每轴)，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。TD系统为4轴(最大配里)控制，2轴联动，只用一块伺服板。 (5)电源主要有5V直流电，用于各板的供电。24V直流电，用于单元内各继电器控制。除上述这些板外，还有图形控制板、PMC-M板、远程缓冲器(REMOTE BUFFER)板，这些板用户可根据自身要求选订。（6）显示GSK980TD系统的显示器320 240点阵，用单色液晶显示器(LCD),标准为5.7,也可配彩色显示器。GSK980TD系统有图形显示功能：对编制的加工程序进行加工前的图形模拟，模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状:在加工过程中显示刀尖的轨迹，使操作员能够监视切削过程。图形可局部放大，以便观察细部。显示图形必须用图形控制板，该板为专用微机，CPU用80186。3.3 进给伺服驱动GSK980TD系统进给轴的驱动使用交流同步电动机，目前为a系列。根据其负载特性和快速性分为:a(标准型)、am(高加速特性)、ac(经济型)和aL(低惯量型)。最大力矩为400Nm。 0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，从0至最高转速的启动过程为24ms，故用于高速加工。电机轴上装有脉冲编码器，每转发出65536个脉冲(经电路倍频)，用做位置反馈和速度反馈。这种位置反馈，是间接测量工作台的直线位移，所以称为半闭环伺服系统。但是，只要设定相应的参数GSK980TD系统可以使用直线光栅尺，使系统接成全闭环。除此之外，还可接成双位置反馈，即同时具有上述2个闭环。这样，既可以提高系统的稳定性，还可以提高系统的快逮性和加工精度。进给伺服单元的控制用前述的轴控制板，该板输出控制指令信号到功率放大器。功率放大器为模块化结构，分为整流模块和逆变模块，使用IPM元件。LSI是专用位置控制大规模集成电路芯片。ROM中存储的控制程序主要有同步电机的快速响应矢量控制、IP调节器、速度和位里的反馈控制、前馈和提前前馈控制和状态观测器。此外，还有许多非线性补偿与控制，如单脉冲抑制、超调抑制、反向间隙加速补偿、机床的速度反馈等。还有运行过程的监测及保护。由于有这些控制，使GSK980TD系统运行可靠、快速、平稳、精度高。3.4 主运动传动系统主传动系统的设计主要是根据变速传动系统的不同类型而决定的，而变速系统的类型应兼顾缩短变速所需的时间并能简化传动系统机构等因素综合来选择、设计。变速系统的类型主要有三种：（1）机械无级变速器机械无级变速器有钢球式（科普型）、宽带式等多种结构，它们是依靠摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩擦传动副的工作半径来实现无级变速。由于其结构简单、传动平稳、噪声小、使用维修方便、效率高，所以在各类机械（如机床、印刷机械、电工机械、钟表机械、轻工机械、纺织机械、塑料机械、化工机械等）中得到了广泛的应用。但由于摩擦副的弹性滑动，存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合。另外，它的变速范围小，通常变速范围Rb为46，少数可达1015，因此，为了满足执行件变速范围的需要，常串联有级变速机构（如齿轮变速箱）。（2）液压无级变速装置液压无级变速装置是利用油液为介质来传递动力，通过连续改变输入液动机（或油缸）的油液流量来实现无级变速。它的传动平稳、运动换向冲击小、易于实现直线运动。因此，常用于执行件要求直线运动的机械系统中。如刨床、拉床的主运动以及组合机床的动力滑台等。（3）电气无级变速装置电气无级变速装置是以直流并励电动机、交流变频电动机或交、直流伺服电动机、步进电动机等为动力源，通过连续地变换这些电动机的转速来实现无级调速。机械系统中的执行件在工作过程中,要求在整个变速范围内为功率、转矩特性不同，而电动机的功率、转矩特性必须与之适应，但是，不论是直流并励电动机、交流变频电动机或是交、直流伺服电动机，只是在额定转速以上至最高转速之间为恒功率调速，变速范围小，而在额定转速以下为恒转矩的，变速范围很宽。如果执行件要求在整个变速范围内为恒功率调速，上述的无级调速器均不能适应，则须串联一个有级变速装置来扩大恒功率调速范围，如一些大型机床（立式车床、龙门刨床、镗床等）和数控机床以及数控纤维缠绕机，数控布带缠绕机等的主运动。而对于数控机床的直线进给运动，则要求在整个变速GSK980TD系统可以同时控制2个主轴电动机，可以是2个数字式控制的电机，也可以一个为数字式，另一个为模拟式控制电机。模拟控制指令是0-10V的直流电压。该系统的主轴电机为异步电机，目前为a系列。有以下品种;a:标准型，恒功率调速范围4:1; aP：恒功率宽调速范围型(8:1); aC经济型;aT：与主轴直连型。主轴电机的最大功率为37kW，最高转速可达15000r/min，用数字式矢量控制。主轴驱动有速度控制和位置控制2种工作方式，普通加工为速度控制。主轴电机轴上装有圆型的磁性传感器，用做速度反馈。位置控制用于主轴同步、主轴定向、刚性攻丝、Cs轴轮廓控制。因此需要控制主轴的转角或转位，轮廓控制时要与其它轴插补。此时需在机床的主轴上装位置编码器，位置编码器有光电式和磁性传感器。普通为每转发出1024个脉冲，高精度的发出360000个脉冲/转。主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-320。从CNC单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元，数据为串行传送，因此可靠性比较高。3.5传动方式的选择丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。因此，滑动丝杠常用在加工精度要求不是很高的普通车床中。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。在数控化改造的车床中，应把原来的滑动丝杠换为滚珠丝杠，以降低摩擦力，提高加工精度。（1） 滚珠丝杠的支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。 为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。在设计中，采用推力轴承和向心轴承组合使用。（2） 电机与丝杠的联接在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如C6116型，由于空间尺寸有限，特别是X轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如CA6140，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。由步进电机到丝杠传动过程的工作原理如下：步进电机发生一个脉冲转过角度为1.5（如果通过联轴器则为1：1）丝杠转过1.5横托板脉冲当量0.005mm即丝杠转过角，拖板移动0.005mm,所以该丝杠螺距为t，则所选择的滚珠丝杆为FF型1604，其螺距为4=0.45由此可见，由步进电机到丝杠1：1传动不能同步，必须通过一对齿轮传动，使两者都转角一致，其传动比为i=1.5/0.45=3.3333 步进电机转过1.5，则通过一对齿轮传动使丝杠转过0.45，拖板前进0.005mm，因而这对齿轮是降速运动。选择Z1=21,Z2=70,m=1.5 选择一级传动。由于电动机为连续工作方式，负载平稳，且经常启动、制动和正反转，因此因优先采用鼠笼式异步电动机。（3）滚动导轨直线滚动导轨副的结构和特点 滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有以下特点：摩擦因数小(0.0030.005)，运动灵活；动、静摩擦因数基本相同，因而起动阻力小，而不易产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次填装，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。因此滚动导轨副被广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器上。滚动导轨副的主要缺点是抗冲击载荷的能力较差，且滚动导轨副对灰尘屑末等较敏感，应有良好的防护罩。滚动导轨有多种形式，目前数控机床常用的滚动导轨为直线滚动导轨，这种导轨的外形和结构直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚柱或滚珠、保持器、端盖等组成。当滑块与导轨体相对移动时，滚动体在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成滚动体的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块上还有润滑油杯。最近新出现的一种在滑块两端装有自动润滑的滚动导轨，使用时无须再配润滑装置。（4）导轨的材料对导轨材料的主要要求是耐磨性好、工艺性好、成本低。常用的导轨材料有铸铁、钢、有色金属和塑料，其中以铸铁应用最为普遍。为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支承导轨应尽量采用不同的材料。如果选用相同的材料，也一定要采取不同的热处理方式以使其具有不同的硬度。材料以铸铁为例，铸铁是一种成本低，良好减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。导轨常用的铸铁材料有灰铸铁、孕育铸铁和耐磨铸铁等。灰铸铁常用的牌号是HT200。在较好的润滑与防护条件下，具有一定的耐磨性。适用于不经常工作且对精度保持性要求不高的导轨。孕育铸铁常用的牌号是HT300。耐磨性高于灰铸铁，但较脆硬，不易刮研，且成本较高。常用于较精密的机床导轨。耐磨铸铁中应用较多的是高磷铸铁、磷铜钛铸铁及钒钛铸铁。与孕育铸铁相比，其耐磨性提高12倍，但成本较高，常用于精密机床导轨。通过对材料的类比，由于我设计的是经济型仪表车床，考虑经济性等原因，选用灰铸铁作为导轨材料。（5）导轨的热处理为了提高铸铁导轨的硬度，以增强抗硬粒磨损的能力和防止撕裂，铸铁导轨经常采用高频淬火、中频淬火机电皆出自冷淬火等表面淬火方法。高频淬火是借助200300kHz的高频电流对导轨面加热，淬火温度一般为900950，淬火深度可达1.52倍，硬度达HRC4855，可使普通铸铁耐磨性提高2倍左右。中频淬火可采用8kHz左右的中频电流进行，淬火温度一般为950左右，淬硬层可达23mm，表面硬度可达HRC4050。高频及中频淬火的优点是淬火质量稳定，生产效率高，缺点是淬火后必须进行磨削加工。电接触自冷淬火表面硬度可达HRC5560，淬硬深度可达0.20.4 mm。这种淬火方法具有设备简单、操作方便、成本低、淬火变形小等优点，但由于淬硬深度较浅等原因，对导轨耐磨性提高幅度不大，目前主要用于维修。综上所述，本次设计的导轨采用灰铸铁作为材料的滑动导轨，并通过高频淬火作为热处理，以提高导轨的硬度和耐磨性。 结 束