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普通机床的数控化改造设计毕业论文精品湖南农业大学东方科技学院 全日制普通本科生毕业论文 普通机床的数控化改造设计 The general transformation of CNC machine tools design 毕业设计原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交毕业设计的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日 目 录 1 前言 . 7 2 设计的内容及任务 . 8 3 总体方案 . 8 3.1 数控系统的选型 . 8 3.2 伺服系统的改造设计 . 9 3.3 机械结构的改造设计 . 9 3.4 自动回转刀架的选择设计 . 10 3.5 编码盘的选用和安装 . 10 3.6 电气控制系统的改造设计 . 11 3.7 液压系统的清洁和维护 . 11 4 数控系统的选择 . 11 5 机械本体部分的数控化改造与设计计算 . 13 5.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择 . 13 5.1.1 传动方式 . 13 5.1.2 滚珠丝杆的选择 . 14 5.2 滚珠丝杠副精度等级确定 . 15 5.3 滚珠丝杠的润滑、防护、密封 . 15 5.4 机械本体改造和设计计算 . 15 5.4.1 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算 . 15 5.4.2 滚珠丝杠设计计算 . 16 5.4.3 滚珠丝杠的选型 . 17 5.4.5 滚珠丝杠的验算 . 18 5.4.6 确定齿轮传动比 . 19 5.4.7 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算 . 19 5.4.8 切削力的计算 . 20 5.4.9 齿轮间隙的调整环节 . 20 5.5 滚珠丝杠的支撑与轴承选用 . 21 5.5.1滚珠丝杠支撑形式的选择 . 21 5.5.2 滚珠丝杠轴端的形式 . 21 6 伺服系统的改造设计 . 24 6.1 控制系统的选择 . 24 6.2 纵向步进电机的计算与选择 . 24 6.2.1负载转动惯量计算 . 25 6.2.2 各种工况下转矩计算 . 25 6.2.3 步进电机的选择 . 26 6.3 横向步进电动机的计算与选择 . 27 6.4 驱动器的选择 . 28 7 自动转为刀架 . 29 7.1 数控车床刀架的基本要求 . 30 7.2 车床自动转位刀架结构及工作原理 . 30 7.3 刀架的安装 . 31 8 编码器的选用和安装 . 31 8.1观点编码器的选用 . 32 8.2 编码器的安装 . 32 9 电气控制部分的改造设计 . 33 9.1 电气控制系统概述 . 33 9.2 C6132车床电气化控制系统的数控化改造设计 . 34 10 液压系统的清洁与维护 . 35 10.1清洁程度对液压系统的影响 . 35 10.2液压系统清洁与维护措施 . 36 11 改造小结 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 37 C6132卧式车床的数控化改造 学 生：吴江平 指导老师：董 亮 摘 要： 以C6132型普通机床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。 关键词： 普通车床; 数控化改造； C6132 horizontal lathe to numerical control reform Student:Wu Jiang Ping Tutor:Dong Liang (Hunan Agricultural University east science and technology academy,Changsha 410128) Abstract : to C6132 ordinary machine type as an example, the mechanical and electrical is expounded in the reconstruction of numerical control method. After the transformation of the lathe of after put into use operation is stable, and the processing precision improved obviously, made great economic benefits. Key word :ordinary lathe; Numerical control modification; 1 前言 目前我国机床主要是卧式车床，与发达国家相比，型号陈旧，技术水平落后，严重影响了生产的发展。采用先进的数控车床，已成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的车床；二是把卧式车床改造成数控车床。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机床是一个很大的浪费。因此，各企业可根据自身的情况，酌情进行数控化率的提高，可以购置一批精度高、性能强的数控化车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。 C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵向和横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，通过步进电动机带动滚珠丝杆转动。数控化改造后的机床，能对纵向和横向进给运动进行数字控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，刀架为自动转位刀架，经改装后的机床能实现加工外圆、锥度螺纹、端面等的自动控制。数控化改造提高了原机床的生产速度，降低了劳动强度，同时缩短了生产周期，提高了产品质量和生产率。 数控化改造后具有如下几个优越性： 1、数控化改造提高了加工精度和生产率。 2、数控化改造提高了机床的性能和质量，加工出原机床难以加工或者不能加工的复杂轴类零件。 3、机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比原机床提高3倍。 4、机床数控化改造后拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好地调节了机床加工状态，还可以提示操作机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 2 设计的内容及任务 机床的数控化改造主要应用了现代成熟的数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置和新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 这次设计的任务是：数控化系统的选型，伺服系统、机械传动系统、电气系统数控化改造和液压部分的维护以及绘制相关图样。要求改造车床具有一般数控车床的性能，精度要达到纵向最小单位为0.01mm/步，横向最小运动单位为0.005mm/步。设计内容包括：数控系统的选型，伺服系统、机械系统和电气系统的数控化改造设计，自动回转刀架和编码盘的选型与改装，以及液压系统的清洁与维护。数控系统方面，考虑到直流伺服电动机的价格昂贵，采用步进电动机驱动的开环控制系统，而在机械系统的改造方面，采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-小滑板的传动方式。 3 总体方案 卧式车床进行数控化改造，可以显著提高机床性能和减轻操作者劳动强度。而合理选择数控系统和改造方案，可保证改造效果和降低成本。考虑具体的改造方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。C6132车床总体改造方案为：增配车床数控系统，更换进给运动的滑动丝杆传动为滚珠丝杆传动，采用步进电动机驱动进给运动，加装编码器，配置自动回转刀架实现自动换刀。 具体的改造主要从数控系统的选择、伺服系统的改造设计，机械结构的改造设计、自动回转刀架的选择设计、编码盘的选用和安装、电气系统的改造设计、液压系统的清洁与维护等几个方面来进行，通过改造使其具有数控机床的一般特性。下面就从各个部分来具体阐述这次的设计方案。 3.1 数控系统的选型 在选择数控系统的型号时，要考虑C6132机床适用于各类机械工厂的单件、中小批量、生产使用，加工精度可达IT7级，且要求C6132车床加工复杂零件，所以数控系统选择连续型数控系统，已满足数控化改造后机床的定位、插补、循环加工和螺纹加工等功能。 国产机床如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，性能稳定，价格便宜，一般用于经济型的数控机床。选择数控系统时应该尽量向同一个厂家的型号靠拢，这样既有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中可以考虑有类似特点的数控装置。 3.2 伺服系统的改造设计 在普通机床的数控化改造系统中一般采用步进电机和交流伺服交流电动机。交流伺服电动机调速方便，体积小，目前广泛用于数控机床的传动系统。与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵，考虑到改造本身是经济型改造，因此一般选用步进电机作为驱动装置。步进电机采用脉冲数字信号进行改造，每转一转步距误差自动变为零，能方便地实现调速以及定位，改变各相绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车床上大多使用反应式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。 经全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电机作为纵向和横向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的步进指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，是步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠服驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结果简单，易维修，性价比高；考虑改造后的C6132机床的精度要求，加工精度要求不算太高，为简化结构、降低成本，故选择步进电机驱动的开环控制系统。 3.3 机械结构的改造设计 在机械结构的改造设计中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造，主传动系统中保留C6132车床的主轴机械部分和三相交流电动机YD132M-4B5TH，只是在与主轴同步旋转的轴上，加装一个脉冲编码器，实现螺纹的数控加工。 在进给传动系统中，数控系统对纵向、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电机。进给传动机构如图1-1所示，纵向和横向均采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-床鞍的传动方式。分别在X轴和Z 轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。改装时先拆除原机床的进给箱、溜板箱、光杆和丝杆，再换上滚珠丝杠。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为3级，型号为JCS-CDM系列滚珠丝杆副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。 图1-1 进给传动机构 1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置 4丝杠 5床鞍 A、B齿轮 3.4 自动回转刀架的选择设计 自动换刀装置因数控机床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量的不同而具有不同的形式。目前常用的有自动回转刀架和带刀库的自动换刀装置。自动回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控机床上最常用的，也是最简单的一种自动换刀装置，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作 。自动回转刀架是由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式，在本改造中，采用四方自动回转刀架。 在C6132车床数控改造中，将原机床的普通手动回转刀架替换成自动回转刀架，拆除原刀架和小滑板，换上由常州宏达机床数控设备厂生产的LD4CK6132四工位自动回转刀架。 3.5 编码盘的选用和安装 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的重要部分，所以在原来车床上需加一个脉冲编码器，才能实现自动加工螺纹的目的。 在经济型数控车床上加工螺纹或丝杆时，需要配置主轴脉冲发生器，即编码盘作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发生主轴转角位置变化信号，输送到数控系统，数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而控制机床纵向或横向步进电机，实现加工螺纹的目的。所以进行C6132的数控化改造设计时，决定在主传动系统中加装一个光电码盘。 结合脉冲编码器每转进给脉冲数对螺纹的加工范围，再结合环境特性，并根据机床主轴转速不允许超过主轴脉冲发生器的最高须用转速的原则，初步选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器PIE系列编码器。该系列编码器经济适用，力矩小，多规矩，适应多种数控设备其最高许用转速为5000r/min，远大于车床主轴最高转速2000r/min。 3.6 电气控制系统的改造设计 在电气控制系统中的改造设计中，应该遵循：在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求高标准和高指标，力求控制系统操作简单、使用与维修方便。机床中的主轴电动机、冷却泵电动机、刀架电动机等均需要系统自动控制。C6132车床改造后的电气控制线路由电源电路、主电路、控制电路和CNC控制器等，主要增加的电器元件包括主轴编码器、X/Z轴驱动器、电动刀架控制器以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控柜，最后还需电气、机修人员共同进行通电调试。 数控机床中电气控制系统除了对机床辅助运动和辅助动作控制外，还包括对保护开关、各种行程、极限开关的控制，以及在操作盘上所有按键、操作指示灯等的控制。 改造后的电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。 3.7 液压系统的清洁和维护 在车床数控化改造中一般不需要对机床原来的切削液系统进行改造。用数控系统上的切削液接口与液压系统的电路连接，通过CNC控制，实现切削液的自动开关。此外，液压系统的清洁程度对液压元件和液压系统的平稳、准确运行有着非常重要的影响。 对C6132车床进行数控化改造后，还要仔细检查液压元件，如果发现又已经磨损、老化的元件，如过滤器、空气滤清器、密封圈等，则需要更换，确保液压元件能正常工作，从而保证整个车床系统能正常运行，实现数控车床的性能和加工特点。在检查、更换、维护后对液压系统循环过滤，清洗整个系统。 4 数控系统的选择 根据改造后的C6132机床精度要求，加工精度要求不算太高，所以可以选择步进电机驱动的开环控制系统。 综合考虑性价比，在充分调研比较的基础上并根据改造的目的，本方案选用广州数控设备厂生产的GSK980TA车床数控系统，广州数控设备厂同时生产与该数控系统相匹配的驱动器，从而有利于维修和管理。GSK980TA数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，属于连续切削控制系统，具有以下特点： 、该系统采用16bit高速微处理器和超大规模可编程门阵列进行硬件插补，实现高速微米级控制。 、全封闭式装置，集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。 、直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。 、可变电子齿轮比，应用方便。 、320*240点阵图形式液晶显示。 、中文、英文菜单，界面友好，操作方便。 GSK980TA的车床数控系统技术参数见表2-1 表2-1 GSK980TA的车床数控系统技术参数 运 动 插 补 方 式 控制轴：X、Z两轴 最小指令单位：0.001mm 插补方式：X、Z两轴直线、圆弧插补 指令范围：+9999.999mm 最高快速速度：7600mm/min -9999、999mm 3000mm/min(选配) 最高进给速度：直线7600mm/min 每转进给：0.001500mm/r 进给倍率：0%150%十六级实时调节 快速倍率：F0、25%、50%、100%四级 加减方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调 电子齿轮比：/ 电子手轮功能：有 显示器类型：320240点阵式蓝底液晶，CCFL背光 显示方式：中文菜单 图形显示功能：有 共23种G指令，包含3种单一固定循环指令和7种复合循环指令；8种用户宏指令可读、 写，最多16位点输出。二重子程序调用，用户宏程序调用 米制/英制单头直螺纹、锥螺纹及米制/英制端面螺纹，螺纹退尾长度可设定 螺纹螺距：0.001500mm；0.060254000.000牙/in 主轴编码器：1024p/r增量式编码器 反向间隙补偿：X、Z轴 螺距误差补偿：X、Z轴 刀尖半径补偿：X、Z轴 刀具补偿：16组刀具长度补偿 适配刀架：最大设定8工位电动刀架 刀位信号输入方式：直接输入 换刀方式：MDI自动绝对换刀或手动相对换刀，正转换刀，反转锁紧 对刀方式：定点对刀，试点对刀 刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移 控制方式：可设置为4档位控制或模拟控制 档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出 模拟控制：可设置四档主轴自动或手动换挡，输出010V电压控制主轴转速 恒线速切削功能：有 手动/MDI/自动控制主轴正转、反转、停止；切削液启停；润滑启停；卡盘夹紧/松开；尾速进退；MDI/自动方式可控制主轴变频自动换挡 显示界面 G功能 螺纹功能 补偿功能 刀具功能 主轴功能 辅助功能 程序编辑 程序容量：40kb、63个程序 子程序：可编程 通信 RS232通信接口为标准配置；可选配通信功能，提供通讯软件及通信电缆，与PC机双向传送程序 抗干扰能符合GB/T 17626.22006的要求 力 适配部件 开关电源：GSK PB(配套提供，已安装连接) 驱动装置：DF3A系列三相反应式，DY3B系列三相混合式，DA98系列交流伺服 刀架控制：GSK TB 装配形式 标准面板，大面板，箱式 一体化下出线，一体化后出线 外形尺寸 /(小/大) 质量 6.00kg 5 机械本体部分的数控化改造与设计计算 5.1 进给系统的传动方式及丝杆类型选择 5.1.1 传动方式 机械部分传动机构示意图如图3-1所示和3-2所示。横向和纵向均采用步进电机减速齿轮滚珠丝杆螺母副溜板的传动方式。为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导柱管埋入式、精度等级为3级，型号为JSCCDM系列滚珠丝杆副。 此外,为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。在X轴和Z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，使减速器输出轴通过连接套与滚珠丝杆直接相连，由滚珠丝杆副把动力传给工作台带动工作台的移动。 图1-2 横向传动机构示意图 1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置 4丝杠 5中滑板 A、B齿轮 图1-3 纵向传动机构示意图 1步进电机 2齿轮减速装置 3支承装置 4丝杠 5床鞍 A、B齿轮 5.1.2 滚珠丝杆的选择 关注丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航空航天、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。 1）、滚珠丝杠副传动的特点。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比有以下优点： 1传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠传动的24倍。 2运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行。 3可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。 4定位精度和重复定位精度高。 5使用寿命为普通滑动丝杠的410倍，甚至更高。 6同步性