数控机床毕业设计(论文).doc
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1、 辽源职业技术学院机械制造与自动化专业数控技术专业毕业实训(设计)大纲适用班级: 高机制093-2 学 制: 三年入学文化: 高中实习周数: 25周机电工程系数控教研室2011年12月1日 摘 要此篇论文的知识结构是以数控机床各方面知识为主要内容,其中大致包含“数控机床的应用” “数控机床的机械结构”“数控机床的使用以及维修”以及一些基础的机械知识。结合在学校的理论与这阶段的实习经验,对一些简单的轴类零件的数控加工,以及换刀装置的工作原理有了一定的了解。数控加工过程中的刀具的选择,FANUCO-TC系统功能指令的应用,同时对一些数控维修,故障分析与排除方面知识也有一些自己的见解,以及数控机床安
2、装调试与验收等等都有涉猎,本次论文重点在于对于数控机床的阐述。通过此次论设计,使我的理论与实际更自然地融合到一起,巩固了自己很多知识点的运用。 关键词:数控机床,故障分析,FANUCO-TC系统,换刀装置,刀具的选择。目 录一、数控机床的概述51、数控机床与传统机床的比较52、数控机床的产生与发展6二、数控机床的机械结构61、数控机床的结构应满足的要求。61.1具有大切削功率和高的静、动刚度。61.2减少运动的摩擦和消除传动间隙。61.3具有良好的热稳定性72、数控机床进给运动传动部件72.1对进给运动的要求72.2滚珠丝杠螺母副73、自动换刀装置。94、数控加工系统的主要功能114.1控制功
3、能124.2准备功能124.3插补功能124.4 进给功能124.5 主轴功能134.6 辅助功能134.7 刀具功能134.8 补偿功能134.9 字符、图形显示功能144.10 自诊断功能144.11 通信功能144.12人机交互图形编程功能14三、数控机床设备维修及故障分析151、机床维修的一些基本概念151.1维修人员应具备的基本素质151.2应具备的维修手段151.3维修前的准备工作15序 言数控机床现如今已经应用到了绝大多数的机械加工中去,数控机床已经成为了当今机械科技发展不可或缺的重要元素之一,同时也是我们这些从事机械学科的大学生们不可缺少的基本技能之一,在学完了大量的基础课程以
4、及繁琐的理论知识后,工厂里的亲身操作让我们对数控机床有了更具象的了解,这是一次重要的实践,这也是我们进行毕业设计之前对所有学科的一次大总和,更是一次理论联系实际的训练,因此,这次的实训在我们的大学生活中占有者很重很重的地位。本次实训对我来说是一次很好的“岗前培训”。这让我在以后的工作中有了更好的充分的准备,同时也是一次适应性的训练,从中锻炼了我的分析能力,创新能力,安全意识,等等,这都是让我终身受益,为以后参加祖国社会主义现代化建设打下了良好的基础。由于学生本人能力有限,才疏学浅,本次设计论文必定存在一些不足,还望各位导师悉心指导一、数控机床的概述1、数控机床与传统机床的比较 在传统加工中,机
5、床操作员用手动操作机床,并移动切削刀具来加工所需要的零件。手动机床的设计提供了许多手动装置,例如操纵杆,手柄,变速箱和刻度盘,操作人员也要针对批量零件中的每个零件重复进行同样的机床操作。可以看出,即使是最简单的加工过程也需要做出大量的选择,而这些操作的准确性也会影响到实际操作的误差值。人们不可能总是完全相同的重复着一个动作并且始终以同样的水平进行工作,反复的工作会给工人带来烦躁感,使工人筋疲力尽,当操作人员工作状态不佳的时候,这些人为因素在加工过程中引起的误差很难预测,必定会出现相对较多的报废零件,严重的影响了加工进度和生产效率。 与传统的手动加工相比,数控加工是由计算机控制的自动加工。自动加
6、工时,它不需要任何的操纵杆,刻度盘或手柄,不需要数控操作人员对每一个机床加工动作做出操作上的选择,一但零件程序经验证无误,就可以反复使用多次,而且会总是得到同一个效果的零件,在加工过程中节省了劳动力,提高了生产效率,并且也保证了工件的质量。 数控加工与普通加工或传统的自动加工相比的优势还不仅仅于此,他还有更多的优点。如:(1)柔性好 (2)适合于复杂型面零件的加工(3)高速化,精准化, 效率高(4)工艺复合 一机多用 (5)对刀具,夹具,量具,辅具提出了更高的要求 (6)工艺准备增加了新内容(7)需要计量的尺寸,精度要求增加 (8)对数控加工技术人员的业务素质要求提高。2、数控机床的产生与发展
7、 采用数字控制技术进行机械加工的思想,最早在20世纪40年代初提出的,1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院合作研制了第一台三坐标数控铣床,它综合应用了电子计算机,自动控制,伺服驱动,精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果,是一种新型的机床,可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造行业中的一次技术革命,使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段数字控制机床制造阶段。 从第一台数控机床问世至今,数控技术的发展非常迅速,几乎所有品种的机床都实现了数控化,数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车,造船,机床,建筑等民用机械制造行业。此外,数控技术也再绘图机械,坐标测量机,特种
8、加工等机械设备中得到了广泛的应用。这说明,数控机床已经成为了现代机械制造不可或缺的一大重要基本设备。二、数控机床的机械结构1、数控机床的结构应满足的要求。1.1具有大切削功率和高的静、动刚度。 在数控机床上加工工件时,一切都是按预先编制的加工程序自动进行,操作者只需要发出启动指令,监视机床的工作状况,在加工过程中并不直接接触测量工件尺寸,而是由数控装置根据程序指令和机床位置检测装置的测量结果,控制刀具和工件的相对位置,从而达到控制工件尺寸的目的。这样,机床一刀具一工件的工艺系统的弹性变形及产生的定位误差,在加工中不能进行人为的调整和补偿,同时,由于数控机床初次投资较大,为取得与投资相应的经济效
9、益,应使数控机床的使用率高,传动率大,承载能力大。机床上通常采用重切削,最大限度地提高切削效率。因此要求数控机床的结构具有良好的刚度,抗震能力,和承载能力,以便把移动部件的重量和切削力所引起的弹性变形控制在最小限度之内,保证所要求的加工精度与表面质量。1.2减少运动的摩擦和消除传动间隙。 数控机床的运动精度和定位精度不仅仅受到机床零部件的加工精度和装配精度,刚度及热变形的影响,而且与运动件的摩擦特性有关。同事,由于数控机床进给系统设定的最小设定单位一般为0.010.001,要求运动件能以极低的速度运动。要提高运动精度和定位精度,必须设法提高进给运动的低速运动的平稳性。主要措施有降低运动件的质量
10、,减少运动件的静、动摩擦力之差,减少传动间隙,缩短传动链,以提高传动精度和刚度。1.3具有良好的热稳定性 数控机床的热变形是影响济公精度的重要因素之一,引起机床热变形的热源主要是机床的内部热源,如电机发热,摩擦热以及切削热等等。热变形影响加工精度的原因,主要是由于热源分布不均,各处零部件的质量不均,形成各部位的温升不一致,从而产生不均匀的热膨胀变形,一直影响了刀具与工件之间正确的相对位置。由上可知提高机床的热稳定性主要有:减少机床内部热源和发热量,如采用低摩擦系数的导轨和轴承,液压系统中采用变量泵等;改善散热和隔热条件,如主轴箱采用强制外循环润滑冷却,将液压油泵站放置在机床之外等;设计合理的机
11、床结构和布局,如设计热传导对称的结构,使温升一致,以减少热变形,采用热变形对称结构,以减少热变形对工件加工精度的影响。 2、数控机床进给运动传动部件2.1对进给运动的要求 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象,被加工工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此,对进给系统中的传动装置和原件要求有高的寿命、高的刚度、无传动间隙、高的灵敏度和低摩擦阻力的特点,如导轨必须具有较小的摩擦力、耐磨性高,所以一般采用滚动导轨、静压导轨和减磨滑动导轨等。当旋转运动被转化为直线运动时,为了提高转换效率,保证运动精度,滚珠丝杠螺母副被广泛使用。为了提高位移精度,减少传动误
12、差,对采用的各种机械部件首先保证他们的加工精度,其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙,所以在进给传动系统中广泛采用各种间隙消除措施,但是采用预紧等各种措施后仍然可能留有微量间隙。此外由于受力的作用后产生弹性变形,也会产生间隙,所以在进给系统反向运动仍需要由数控装置发射脉冲指令进行自动补偿。2.2滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。如图,其工作原理是:在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽,当把它们套装在一起时形成螺旋通道,并且滚道内填满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时,两者发生轴向运动,而滚珠则可沿着滚到流动,按照滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式两种方
13、式。外循环式螺母旋转槽两端由回珠管连接起来,返回的滚珠不与丝杠外圆相接处,滚珠可以做周而复始的循环运动,在管道的两端还能起到挡珠的作用,用以避免滚珠沿滚道滑出,内循环式,带有反相器,返回的滚珠经过反向器和丝杠外圆之间返回。在传动时,滚珠于丝杠,螺母之间的基本上是滚动摩擦,所以具有很多优点:(1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率很高,可达92%98%,是普通丝杠传动的2倍数4倍。(2)摩擦力小。因为动、静摩擦系数相当小,因而传动灵敏,运动平稳,低速不易产生变形,定位精度提高。(3)使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金钢制成,其滚道表面淬火硬度高,表面粗糙度值小,另外,因为是滚动摩擦故磨损很小。(4
14、)经预紧后可以消除轴向间隙,提高系统的刚度。(5)反向运动时无空行程,可以提高轴向运动精度。 正因为滚珠丝杠副有这些优点,所以现在各类中、小型数控机床的直线进给系统普遍采用滚珠丝杠,但是滚珠丝杠也有一下几个缺点:(1)制造成本高。(2)不能实现自锁。由于其摩擦系数小,不能自锁,当用于垂直位置时,为防止因突然断电而造成主轴箱下滑,必须加有制动装置。 国产的滚珠丝杠螺母副结构类型代号机构型号表示意义WWICNWCH外循环单螺母式滚珠丝杠副外循环不带衬套的单螺母滚珠丝杠副外循环插管形的单螺母滚珠丝杠副内循环单螺母滚珠丝杠副外循环齿差式调隙式的双螺母滚珠丝杠副WICHWDWIDWILCCHCDCLNC
15、HNDNI外循环不带衬套齿差式调隙式的双螺母滚珠丝杠副外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副外循环不带衬套垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副外循环不带衬套螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杠副插管形齿差调隙式的双螺母滚珠丝杠副插管形垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副插管形螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杠副内循环齿差调隙式的双螺母滚珠丝杠副内循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副内循环螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杠副 3、自动换刀装置。自动回转刀架换刀流程在零件的加工制造过程中,大量的时间用于更换刀具,装卸、测量和搬运零件等非切削时间上,切削加工时间仅占整个工作时间的较小比例。机床要提高效率的重要内容之一,就是要缩短非切削时间。为此,近
16、年来带有自动换刀装置的数控机床得以迅速的发展。使用这种装置,不仅提高了数控机床的生产效率,扩大了单功能数控机床的使用范围,而且由于零件在一次安装中完成了多工序加工,大大减少了零件安装定位次数,从而提高了加工精度。在自动换刀数控机床上,对自动换刀装置的基本要求是:换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的道具存储量、刀库占地面积小及安全可靠等。自动回转刀架的传动结构示意图1发信盘 2推力轴承 3螺杆螺母机构 4端面齿盘 5发靠圆盘 6三相异步电动机7联轴器 8蜗杆副 9反靠销 10圆柱销 11上盖圆盘 12上刀体各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量,其基本类
17、型有以下几种:回转刀架换刀是一种最简单的自动换刀装置,常用于数控车床根据不同的加工对象,它可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多把刀具,并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工时的切削力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置,对于数控车床来说,加工过程中刀具位置不进行人工调整,因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构,以保证回转刀架在每次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度。4、数控加工系统的主要功能CNC系统的功能CNC系统由于现在普遍采用了微处理器,通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列,性能各异
18、。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能,选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同,CNC系统的功能有很大差别,下面介绍其主要功能。4.1控制功能CNC系统能控制的轴数和能同时控制(联动)的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴,有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制,二轴联动;一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或轴联动;一般加工中心为多轴控制,三轴联动。控制轴数越多,特别是同时控制的轴数越多,要求CNC
19、系统的功能就越强,同时CNC系统也就越复杂,编制程序也越困难。4.2准备功能准备功能也称G指令代码,它用来指定机床运动方式的功能,包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床,如钻床、冲床等,需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床,如车床、铣床、加工中心等,需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。4.3插补功能CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强,软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求,同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。因此 ,CNC的插补功能
20、实际上被分为粗插补和精插补,插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补,伺服系统根据粗插补的结果,将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。4.4 进给功能根据加工工艺要求,CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。(1)切削进给速度以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度,如100mm/min。对于回转轴,表示每分钟进给的角度。(2)同步进给速度以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度,如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度,用于切削螺纹的编程。(3)进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关,倍率可以从0200%之间变
21、化,每档间隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度,并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。4.5 主轴功能(1)转速的编码方式一般用S指令代码指定。一般用地址符S后加两位数字或四位数字表示,单位分别为r/min和mm/min。(2)指定恒定线速度该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。(3)主轴定向准停该功能使主轴在径向的某一位置准确停止,有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。4.6 辅助功能辅助功能用来指定主轴的启、停和转向;切削液的开和关;刀库的启和停等,一般是开关量的控制,它用M指令代码表示。各种
22、型号的数控装置具有的辅助功能差别很大,而且有许多是自定义的。4.7 刀具功能刀具功能用来选择所需的刀具,刀具功能字以地址符T为首,后面跟二位或四位数字,代表刀具的编号。4.8 补偿功能补偿功能是通过输入到CNC系统存储器的补偿量,根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸,从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下种类:(1)刀具的尺寸补偿如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位置,简化编程。(2)丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙,并输入到CNC系统中,在实际加工中进行补偿,从而提高数控机床的
23、加工精度。4.9 字符、图形显示功能CNC控制器可以配置单色或彩色CRT或LCD,通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。4.10 自诊断功能为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位,以减少停机时间,CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的,诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中,在系统运行过程中进行检查和诊;也可以作为服务性程序,在系统运行前或故障停机后进行诊断,查找故障的部位。有的CNC可以进行远程通信诊断。4.11 通
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