毕业设计（论文）_基于GSK980TD系统C630的数控化改造

毕业设计（论文）_基于GSK980TD系统C630的数控化改造 广西工学院 毕业设计(论文)说明书 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 名称 基于GSK980TD系统C630的数控化改造 系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 教研室主任 系 主 任 年 月 日 摘 要 由于机床以及技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。数控技术由于其种种优点，使数控系统成为机械制造业的重要装备。因此，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的行业。 C630车床虽然能粗、精车各种黑色金属、有色金属及非金属材料工件的内、外圆柱面、内、外圆锥面及其他旋转面、粗、精车端面、车削各种常用公制、英制、模数、径节螺纹及多头螺纹。但是由于众多制造企业面临着提高产品质量、降低生产成本的竞争压力，越来越多的生产厂商开始通过对现有生产设备C630进行升级改造，以此来提高自己的竞争力。 本文以C630普通车床为研究对象，在去掉其溜板箱、进刀箱等基础上，设计了一套完整的数控机床自动控制系统，以数控系统控制交流伺服驱动单元驱动步进电机，达到两轴同时运动，从而产生运行轨迹。对在数控改造中遇到的诸多问题，包括系统运动控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、进给伺服系统、步进电机、数控系统的计算和选择及电气系统的设计作了详细的研究设计，对数控系统参数设置、PLC梯形图编程作了逐一描述，为机床数控改造提供了一个可行的解决方案。 机床改造完毕后，已投入现场应用且运行状态良好，证明了本方案的切实可行，也为生产单位取得了良好的经济效益。改造完后的机床，各项技术指标通过现场监测均已达到国家数控机床标准。 关键词:数控改造、数控系统、步进电机、PLC 2 Abstract With the developing of machine tool and technology，improvement of machine tool is a Eternal subject(Because the strongpoints of NC technology，NC system has become the main equipment of mechanism and manufacture(For this reason, the improvement of mechanism in our country is also changed from a traditional industry to a new industry which lead by NC technology( Although the C630 lathe can be coarse, fine cars all kinds of ferrous metals, nonferrous metals and non-metallic materials, the workpiece, the cylindrical cylinders, inside and outside the cone surface, and other rotating surface, coarse, fine cars face, turning a variety of commonly used metric, British , modulus, diametral pitch thread and the long thread. However, due to the numerous manufacturing enterprises are facing to improve product quality, reduce production costs, competitive pressure, more and more manufacturers began to existing manufacturing equipment C630 upgrades, in order to improve their competitiveness. In this paper, C630 lathe as the research object, in removing the slip sheet box, feed bins based on the design of a complete automatic control system for CNC machine tools to CNC-controlled AC servo drive Stepper Motor drive unit to achieve at the same time two-axis movement, resulting in running track. NC transformation in the many problems encountered, including the system motion control programs, feed servo system, Stepper Motor, CNC system selection and design of computing and electrical systems provided a detailed research design, parameter setting of the CNC system, PLC Ladder description of each program description for the machine tool numerical control transformation provides a viable solution. After improvement，The lathe is used in workspace and get a good result， it proves that the method is feasible and makes a good economic benefit(1athes of improved get pass all targets of national digital-control criterion( Key words: Rebuild with NC, CNC System, Stepper Motor, PLC 目 录 第一章 绪 论 ............................................................ 1 第一节 机床数控化改造的需要 ........................................... 1 一、我国数控机床的情况 ............................................. 1 二、机床数控化改造的必要性 ......................................... 1 第二节 数控化改造的内容以及特点 ....................................... 2 一、数控改造的内容 ................................................. 2 二、机床数控改造的特点 ............................................. 2 第三节 本课题研究的主要内容及设计方案 ................................. 3 一、本课题研究的主要内容及设计方案 ................................. 3 二、本课题机床改造后的特点 ......................................... 4 第二章 C630机械部分的改造与设计 .......................................... 4 第一节 机械部分的设计 ................................................. 4 一、纵向进给系统的设计与计算 ....................................... 4 二、横向进给系统的设计与计算 ...................................... 15 第二节 机械部分改造 .................................................. 16 一、主轴传动系统的改造 ............................................ 16 二、进给系统的改造 ................................................ 17 图2.5 纵向进给传动 ............................................... 18 三、刀架的改造 .................................................... 18 四、自动润滑系统的改造 ............................................ 19 第三章 数控系统的选择和机床电气部分的设计 ............................... 19 第一节 数控系统的选择 ................................................ 19 一、选择机床数控装置应遵循的原则 .................................. 19 二、GSK980TD系统简介 ............................................. 20 三、GSK980TD系统的接线 ........................................... 21 第二节 变频器的选用 .................................................. 21 一、变频器的原理 .................................................. 21 二、变频器的选择 .................................................. 22 第三节 机床的电气改造设计 ............................................ 32 一、主传动系统控制电路的改造设计 .................................. 32 二、进给系统控制电路的改造设计 .................................... 34 三、刀架控制电路的改造设计 ........................................ 34 改造设计 .................................... 34 四、辅助系统电路控制的 第四章 PLC实现机床的顺序控制 ........................................... 34 第一节 PLC在机床控制系统中的功能 ..................................... 34 一、PLC的控制对象 ................................................ 34 二、PLC的基本结构及工作原理 ...................................... 35 第二节 PLC的指令 ................................................. 36 一、PLC的基本指令 ................................................ 36 二、PLC的功能指令 ................................................ 36 第三节 PLC在机床控制中的应用 ..................................... 36 一、输入输出信号的处理 ............................................ 37 4 第五章 机床的调试 ........................................................ 38 第一节 参数的设置 .................................................... 38 一、参数设置的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ................................................ 38 二、状态参数的设置 ................................................ 39 第二节 机床的调试方法 ................................................ 39 一、初始调试 ..................................................... 40 二、空载调试 ...................................................... 40 三、负载调试 ...................................................... 40 第三节 机床精度验收 .................................................. 40 一、机床重复定位精度 .............................................. 41 二、定位精度 ...................................................... 41 三、加工精度测量 .................................................. 41 第六章 总结和展望 ....................................................... 41 第一节 论文的总结 .................................................... 41 第二节 展望 .......................................................... 42 致 谢 ................................................................... 44 参考文献 ................................................................. 45 第一章 绪 论 第一节 机床数控化改造的需要 一、我国数控机床的情况 我国目前机床总数有400余万台，而其中数控机床总数只有12万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6-0.8万台，年产值约为18亿元.机床年产的数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60以上;10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%, FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见我们的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。 据专家预测，到2020年，我国数控机床消费额可达340(2亿元。这些需求一方面通过购置新设备来满足，另一方面，如果充分利用我国的现有的存量资产，用更新改造后的设备替代和减少购置新设备，可以起到事半功倍的效果。以340(2亿元的需求量估计，即使lO,的需求通过设备的再生改造来实现，每年也有34亿元的市场。 自我国改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。根据不完全统计，从1979-1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因。设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响.严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使原有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存血资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存血资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 二、机床数控化改造的必要性 随着机电一体化技术的迅猛发展，数控机床的应用己日趋普及，机械制造业正在越来越多的采用数控技术来改善其生产加工方式，用以解决现代机械制造中结构复杂、精 1 密、多变零件的加工问题。然而，从目前企业面临的情况看，因数控机床价格昂贵，一次性投资大，使得企业难以承担，因此.对普通机床的数控化改造就显得非常必要。 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (一)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. (二)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率比传统机床提高3-7倍。 (三)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易。不再需要“修配”。 (四)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (五)拥有自动报瞥、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业.在70年代末、80年代初已开始大规棋应用数控机床。其本质是:采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、 FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等，以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等,由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竟争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年. 如我国在2007年全国生产的60(68万台金属切削机床中，车床的产量据估算超过30万台，其中数控车床约在7万台左右，数控化率约为23(3,，而日本车床的数控化率为95(59,，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 第二节 数控化改造的内容以及特点 一、数控改造的内容 机床的数控化改造主要内容有以下几点: 其一是恢复原功能，对机床存在故障的部分进行诊断并恢复; 其二是NC化，在普通机床上加数显装置或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床; 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新; 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 在这里，我们主要是在其原来C630普通车床的精度和刚度都完好的基础上进行数控化改造。 二、机床数控改造的特点 机床的数控化改造是在普通车床上加上一个数控装置，它能自动的按照事先预定的 2 方式来加工，特别适合于旧车床的改造，在机械加工行业中的应用越来越广泛。它具有价格低廉，操作简便，生产效率可成倍提高等优点，因此我们也称它为经济型数控化车床。它非常符合国情厂情，受到企业欢迎，这主要是由于数控改造有以下几个方面突出特点和优点: (一)普通机床被充分利用，无资源的闲置浪费，且改造之后具有价格低廉的优点。同购置新机床相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只是新机床购置费用的1/3。即使有些特殊情况，如高数主轴、托盘自动交换装置的制造与安装过于费工、费钱，改造成本也高2-3倍，但与购置新机床相比，也能节省投资50%左右。 (二)熟悉了解设备、操作简便 由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。并且它利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造件，因此改造之后的机床的机械性能稳定可靠，可以当做新设备继续使用多年。 (三)可以提高产品的质量和工作效率 可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的产品尺寸一致性好、合格率高、废品率降低以及提高生产效率。如改造后的机床，一般工作效率可提高普通机床的3-7倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工作效率也越明显。 (四)可以减轻工人的劳动强度，提高工人的素质 数控机床的推广不仅能促进科技成果的普及和应用，还可以使工人的劳动强度降低，为“体力型”向“智能型”转变创造条件。 第三节 本课题研究的主要内容及设计方案 一、本课题研究的主要内容及设计方案 (一)数控改造方案 1 用数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现X、Z两方向的进给。 2 将手动刀架换成电动刀架。 3 加装主轴编码器，以便于螺纹加工。 采用GSK980TD交流伺服系统，由电源馈入模块、功率模块、操作面板、机床面板等组成。 广州数控研制的新一代普及型车床 CNC GSK980TD 是GSK980TA的升级产品，采用了32位高性能CPU和超大规模可编程器件FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术,实现μm级精度运动控制和PLC逻辑控制。 GSK980TD系统内装集成PLC实例应用程序，同时该系统有5.7英寸液晶显示器，带全功能键盘，16路口I/O接口，具有良好人机界面，系统具有高度可靠性能，加工精度高。 (二)具体措施 3 1 进给系统改造: (1)拆除进给箱、丝杠、溜板箱，将步进电机装在进给箱丝杠支架右侧位置，把滚珠丝杠与步进电机连接，获得Z向进给运动。 (2)将原来的丝杠改为滚珠丝杠副。通过连接装置与步进电机连接，得到X向进给运动。 2 主轴脉冲编码器的安装。 3 电动刀架的安装 拆除原来的刀架，采用LDB4—C6132电机刀架。 (三)GSK980TD数控系统的构成 1 数控系统构成 电源:提供ECU 24V DC;控制部件:用于控制最多3个模拟坐标轴;NC控制面板:带图形液晶显示和键盘;机床操作控制面板; I/O接口:16点二进制I/O;电子手轮:在JOG方式下，以增加量方式可手动操作X/Z向运动。 2 系统的I/O接口分配 (1) 输入的控制信号:丝杆位置检测信号，包括X向和Z向正负硬限位、X/Z参考点开关信号;伺服过载和急停信号及伺服就绪信号;四工位刀架信号。 (2) 输出的控制信号:刀架正反转信号及油泵润滑信号;伺服使能信号。 3 参数设置及优化调试 PLC机床参数包括I/O口高低电平有效定义、刀架控制、润滑有效、倍数开关、急停、X/Z硬限位、驱动优化有效、刀架位数、换刀监控时间、MCP面板按键定义等。 二、本课题机床改造后的特点 (一) 具有与原机床一致的刚度与强度. (二) 具有与原机床一致的加工范围。 (三) 改造之后的机床运动精度在原来的基础上提高了0.001mm的精度 (四) 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。 (五) 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。 第二章 C630机械部分的改造与设计 第一节 机械部分的设计 一、纵向进给系统的设计与计算 (一)系统负载的确定 C630车床虽然能粗、精车各种黑色金属、有色金属及非金属材料工件的内、外圆柱面、内外圆锥面及其他旋转面、粗、精车端面、车削各种常用公制、英制、模、径节螺纹及多头螺纹等，但是C630普通车床具有劳动强度大，生产零件的质量不一致，工作效率低等缺点。 4 C630机床的主要技术参数: 1 床身上最大工件回转直径 630毫米 刀架滑板上最大工件回转直径 345毫米 最大工件长度 1400，3000，5000毫米 最大切削长度 1280，2880，4880毫米 主轴通孔直径 70毫米 2 主轴 主轴前端孔锥度 1:20(100) , 主轴转速级数 正转 18 级 反转 9 级 主轴转数范围 正转 14-750转/分 反转 20-800转/分 3 走刀系统 纵横走刀量总数 54 纵向走刀量范围 主轴每转 0.06-14.10毫米 横向走刀量范围 主轴每转 0.03-5.69毫米 溜板纵向快速移动速度 4米/分 刀架横向快速移动速度 1.62米/分 公制螺纹种数 59 公制螺纹范围 螺距 1-224毫米 模数螺纹种数 45 模数螺纹范围 模数 0.25-56 径节螺纹种数 48 径节螺纹范围 径节 112-2 床身丝杠直径螺距 4812毫米 ，， 4 主电动机型号 Y160M-4 主电动机功率 11KW 主电动机转速 1460r/min 经济型数控机床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带 动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对于车床改造来说，外观 不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。在这里我们把步进电 机放在纵向丝杠的左端。 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉 (Ol一0(005 mm/脉冲，此次改造的C630车床在纵向的脉冲当量取0(01 mm/step,冲当量是0 横向的进给的脉冲当量取0.005mm/step。 5 由上面的参数可知: 工作台的重量: W,80Kgf,800N T,30ms起动加速时间: S,650mm行程: o 步距角: a,0.75/step 快速进给速度: V,4m/minmax (二)切削力计算 用经验公式计算主切削力。纵切时车床的主切削力 1.5 (2.1) F,0.67D(N)z 一车床床身上加工最大直径(mm); Dmax 1.5由(2.1)得 F,0.67，(630),9487.2Nz 按比例分别求出分力和，由 FFF:F:F,1:0.25:0.4yxzxY --进给抗力; Fx F--切深抗力: y 0.25，9487.2,2371.8N得= Fx 0.4，9487.2,3794.88NF = y 作用在进给拖板上的载荷，可按下列式子求出: 2371.8N拖板上进给方向载荷F = =; FxL 9487.2NF,F拖板上垂直方向载荷 =; VZ 3794.88NF,F拖板上横向方向载荷=; Cy (三) 滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型 1 计算进给率引力Fm(最大工作载荷) /F,KF，f(F，G) (2.2) mLV 根据实际的设计要求，查最大工作载荷Fm的计算式表，选择综合型导轨，其K=I(15， /摩擦系数0(16，工作台重力G=800(N)，则 f, F1.15，2371.8，0.16，(9487.2，800),4373.52N = m 6 C2 计算最大动载荷 3 (2.3) C,LffFwHm 60nT其中; L,610 1000VS为丝杠转速(r/min) ， ,nnL0 为最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的1/2—1/3,取Vs 4/3=1.3(m/min); V,S 为丝杠导程(mm); L0 T为使用寿命(h)，对于数控机床T,15000h; 为运转系数，查运转系数表，取=1.3; ffww 为硬度系数，查硬度系数表，取=1.35; ffHH 应优先取4、6、8、10(mm)系列。 考虑到丝杠杠对加工精度和经济性的影响，L0 1000V1000，1.3S,325r/min(1)选基本导程=4 mm，则丝杠转速=; L,n04L0 60nT60，325，15000L,,292.5寿命= 661010 33292.5，1.3，1.35，4373.52,50965N最大动载荷= C,LffFwHm1 1000V1000，1.31300S,r/min;(2)选基本导程L=6 mm ，则丝杠转速= ,n066L0 130060，，1500060nT6L,寿命=; ,195661010 33195，1.3，1.35，4373.52,44518N最大动载荷= C,LffFwHm2 1000V1000，1.3S,162.5r/minL,(3)选基本导程=8 mm ，则丝杠转速= n08L0 60nT60，162.5，15000L,,146寿命=; 661010 33146，1.3，1.35，4373.52,39912N最大动载荷C,LffF= wHm3 考虑到工作要求，内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副具有结构紧凑、刚性好、滚珠 7 流通性好、摩擦损失小等优点，可以满足车床改造要求，故选台湾PMI滚珠丝杠，如图 所示。查《机电一体化技术手册》表7(2—14得相应的额定动载荷滚珠丝杠副的尺Ca寸规格和结构类型，选用时应满足。 C,Ca , , 图2.1 滚珠丝杠实物图 图2.2 滚珠丝杠的结构图 查表，选择以下验算: L,4mmC,CL,4mm当时，C,50965N，表中额定动载荷显示;故基本导程0a101 的滚珠丝杠不符合使用要求; LCC,CC当=6mm时， =44518(N)，查得=33700(N), 额定动载荷显示;故基本0aa12 L,6mm导程的滚珠丝杠不符合使用要求; 0 LC当=8mm时， =39912 (N)， 符合使用要求。查台湾PMI滚珠丝杠的参数，如下03 表所示: 8 型号 公称直导程/mm 钢珠直循环圈基本额定负荷/Kgf 刚性 径/mm 径/mm 数 /Kgf/um 动负荷 静负荷 FDIC-5008 50 8 4.762 6 4260 14420 157 表2.1 纵向滚珠丝杠的参数 3 传动效率计算 ,tg,(满足设计要求) (2.4) ,,,0.9tg(,，,) L0, (2.5) arctg,,d0 式中:---丝杠螺旋长升角; , ---摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等,f,0.003~0.004/于10; ---丝杠基本导程; L0 ---丝杠公称直径; d0 /o则滚珠丝杠副的摩擦角 ,,10,0.167 (1)当=8mm时，丝杠的拉伸或压缩变形量 L,01 FLmOL,,, (2.6) EF ,LF---在工作负载作用下引起每一导程的变化量， mmm NF---最大工作载荷， m L---滚珠丝杠的导程，mm 0 42E---材料弹性魔术，对钢 E,20.6，10,N/mm 2Fmm---滚珠丝杠的载面积， 2d,1F,;d,D，2e,2R, 104 ---丝杠的公称直径; D0 9 e---偏心距; ---螺纹滚道的半径， R R,0.52d,0.52，4.762,2.476mmq o e,(R,d/2)sin,,(2.476,4.762/2)sin45,0.143，0.707,0.067mm;q 故 d,50，2，0.067,2，2.476,45.182mm1 22d,3.14，45.18221 F,,,1602.5mm44 FL4373.52，80m,L,,,,,0.0001mm 4EF20.6，10，1602.5 则滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩变形量为 ,1 ,L0.0001，1185 ,,，L,,0.0148mm1L80 L,1185mmL---滚珠丝杠在支撑间的受力长度，。 1/3若两端采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧，预紧力为最大工作载荷的时， ,'1,,0.0037mm其拉伸刚度可比一端固定的丝杠提高4倍，其实际变形量为:。 ,14(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形(此项在总变形量中也占比较大的比重)。 ,mm2 D,3.14，500Z,33Z,,,32.9Z----圈的滚珠数(外循环)， 取; d4.762q Z----滚珠数量， Z,Z，1，2.5,82.5; ,, 4373.52F,,437.35NF----轴向工作载荷 mm10 11F,F,，437.352,145.781NF---预紧力 ymy33 Fm,,0.0013，有预紧力时 (2.7)由(2.6)223dFZqy, 437.35,0.0013，,得 2234.762，145.781，82.5 ,0.0034mm 当滚珠丝杠又预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半，即 10 ,'2。 ,,0.0017mm,22 (3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。轴向接触变形中一般占的比重也比较,mm,33大，不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算: 2Fm3推力球轴承 (2.8) ,,0.002432dZQ 为轴承所受轴向载荷(N);Z为轴承的滚动体数目;为轴承滚动体直径(mm);dFQm d,30mmD,60mm查《机械设计手册》:,其内径，外径，C,33912,42080,785003 (d，D),TT,21mm宽，d,,10.5mm，Z,,3,14 Q2T 22F437.3m33=0.009mm ,0.0024,0.0024,322dZ10.5，14Q (4)滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变形量，一般所占的比重比较小，忽略不,4计。 (5)螺母座及轴承支座的变形，一般所占的比重比较小，忽略不计。 ,5 滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算,,之和不应大于机床精度要求允许变,,,312形量的一半。由于预紧的作用，采用双螺母预紧，可将原机床的刚度提高4倍。因此， //只要机床精度。即,，,，,,123 //，则符合条件。 ,,,，,，,,0.0037，0.0017，0.009,0.0144mm,0.015mm123 以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以L=8mm的作为计算依据。 0对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其没有产 生纵向弯曲(失稳)的危险。产生失稳的临界负载F可用下式计算 X 2fEI,zF, (2.9) X2l F,1182933N由(2.9)得 X 42EE,20.6，10N/mm---材料弹性模数，对钢; 4Imm---截面惯性矩， 11 43.14，45.182,44; I,d,,204461mm16464 ll,1185mm---滚珠丝杠两端的支撑距离， 查丝杠支承方式系数表，因丝杠两端固定，取丝杠支撑方式系数，如果:稳f,4Z F1182933X定安全系数，故丝杠不失稳。 n,,,270,[n]KKF4373.52m 许用稳定性安全系数，一般取=2.5-4。 [n][n]KK (四)步进电机的计算和选型 目前经济型数控机床中一般采用的是用步进电动机作为驱动执行元件的开环控制 系统，该系统结构比较简单，不存在位置检测和反馈的问题，所以控制系统的实现与调 试都比较容易。 1 步进电机选择的一般原则 首先确定步进电机的系列和额定转速，然后确定步进电机的额定容量。 (1) 等效转动惯性量计算 图 2.3 纵向滚珠丝杠与电机的连接 传动比 ,L0.75，80i,,,1.6 ,360360，0.01P 故取 Z,32Z,4012 0m,2mmb,20mma,20 d,mZ,2，32,64mm 11 d,mZ,2，40,80mm 22 d，d64，8012a,,,72mm 22 转动惯量计算 12 ,1802P (2.10) J,()WL,, 44, (2.11) J,7.8，10DLS 4,4 (2.12) J,7.8，10d，21Z1 4,4 (2.13) J,7.8，10d，2Z22 1 (2.14) J,(J，J)，J，JSZ2Z1L2i Kg4,中:钢的比重 r,7.8，103cm L---丝杠的长度; D ---丝杠小径; ---工作台质量折算到电机轴上的转动惯量; JL ---丝杠转动量; JS ---齿轮的转动惯量; JZ1 ---齿轮的转动惯量; JZ2 J---总的转动惯量; 电机转动惯量很小可忽略。 180，0.001222J,()，80,0.468Kg,cm,4.68N,cm由(2.10)得 L3.14，0.75 ,4422由(2.11)得 J,7.8，10，4，170,33.9456Kg,cm,339.456N,cmS ,4422由(2.12)得 J,7.8，10，6.4，2,2.617Kg,cm,26.17N,cmZ1 ,4422由(2.13)得 J,7.8，10，8，2,6.39Kg,cm,63.9N,cmZ2 12J,(33.9456，6.39)，2.617，0.468由(2.14)得=18.845 Kg,cm21.6 (2)所需转动力矩计算 机床在不同的工况下，所需转矩不同，下面分别按各阶段计算: 快速空载启动时所需力矩 M,M，M，M (2.15) amaxf0 最大切削负载时所需力矩 M,M，M，M，M (2.16) atf0t 13 快速进给时所需力矩 (2.17) M,M，Mf0 N,m式中:——空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩， Mamax ——折算到电机轴上的摩擦力矩， Mmsf N,m——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩， M0 ----折算到电机轴上的切削负载力矩。 Mt Jn,4 M,，10N,ma9.6T 当时 n,namax Vi4000，1.6maxr/min800 n,,,maxL8O ,2n2，n，10,18.845，800，2，3.14,2,2mazmazM,J，，10,J，,，10 amax,,6060，T60，0.03，T2, ,525.98N,cm /FLfWL000 M,,f2,,i2,,i /当 时 ,,0.8f,0.16 0.16，80，0.8M,,1.27Kgf,cm,12.7N,cm f2，3.14，0.8，1.6 PL200 (2.18) M,(1,,)002i,, 1P,F当时预加载荷则: ,,0.90x3 22,FL(1,)2371.8，0.8，(1,0.9)x00 M,,,14.95N,cm0,,6i6，3.14，0.8，1.6FL2371.8，0.8x0M,,,236.05N,cm t,,2i2，3.14，0.8，1.6 M,525.98，12.7，14.95,553.63N,cm由(2.15)得 ,12.7，14.95，236.05,263.7N,cmM由(2.16)得 14 12.7，14.9527.65N,cm由(2.17)得== M 从上面计算可以看出，M起、M切和M快三种工况下，以快速空载启动力矩最大，所以，以此项作为初选步进电机的依据。查《经济型数控机床系统设计》中，表7-3，当步进电机为五项十拍时，;最大静力矩,,M起/M,0.951jmax 。 M,553.63/0.951,582.16N,cmjmax 按此最大静力矩，查表，130BF001型最大静转矩为950N.cm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 (3)步进电机空载启动频率和切削时的工作频率: 130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz。由130BF001步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线看出当步进电机起动时， =2500 fqHz时，M=100Ncm。远不能满足此机床所需求的空载起动力矩(582.16Ncm)，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制(用软件实现)，将运动频率降到1000Hz时，起动力矩可增到588.4N.cm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大1倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。 二、横向进给系统的设计与计算 (一)横向进给滚珠丝杠的计算与选型 已知条件: 横向溜板及刀架的重量: W,60Kgf,600N T,30ms起动加速时间: S,650mm行程: o步距角: a,0.75/step V,1.62m/min刀架横向快速移动速度: max 由于横向进给系统的设计与计算和纵向进给系统的设计与计算是一样的，因此这里不再写计算的过程。 /'LC根据确定的导程值、计算出的最大动载荷，参照滚珠丝杠螺母副的样本，选0 定型号为:FDIC5006，即内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副，其基本额定动载荷为 Q33700N>=33548.2N，故强度足够用，具体参数见表4-5。 型号 公称直导程/mm 钢珠直循环圈基本额定负荷/Kgf 刚性 径/mm 径/mm 数 动负荷 静负荷 /Kgf/um 15 FDIC-5006 50 6 3.969 6 33700 12380 152 表2.2 横向滚珠丝杠的参数 经过滚珠丝杠副刚度的验算得出该丝杠的精度符合机床的精度 (二)横向步进电机的计算和选型 横向进给没有纵向进给负荷的那么多，我采用步进电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接的方式，因此传动比为1。 经济型数控改造的横向进给电机的计算与纵向进给电机的计算方法是一样的。从而我们可以选择出横向步进电机型号13OBF001型。 第二节 机械部分改造 一、主轴传动系统的改造 C630型车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的单一或综合加工，改造后机床应具有自动和手动(对刀、简单零件的加工)加工方式。机床主传动的作用是把电动机的转速和转矩通过一定的途径传给主轴，使工件得到不同转动速度，主传动性能的好坏，直接影响着零件的加工质量和加工效率。鉴于机床改造的经济性，为提高加工精度，实现主轴自动无级变速，可在C630机床原有的普通三相异步交流电动机拖动基础上，保留原有的变速箱，由变速手柄来完成主轴的有级调速，主轴电动机采用型号为Y160M-4电动机，配备相应的电气控制设备实现主轴的正反转、主轴点运动、主轴电动机的热保护等功能。 1.主轴脉冲编码器的选择 为了使数控改造后的CJK630车床，具有螺纹的切削功能，必须在主轴上安装一个脉冲编码器，以测量主轴的转速和分度，建立主轴与刀具进给轴之间的联系，即保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，在主轴部分安装主轴脉冲发生器。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转，在改装时，我们首先将进刀箱上的手柄(控制螺纹的手柄)以及与手柄相联结主轴箱内的轴取消，然后在C630原有机床的左侧安装一个光电脉冲编码器。那么就要从纵向步进电机的步距角的大小决定编码器的分辨率。二进制光电脉冲编码器的分辨率符合公式: On,,360/2 n式中 ---码道数 根据改装后的数控车床纵向步进电机的步距角为0.75，主轴编码器的分辨率应小于纵向 n,,步进电机的步距角，取=0.6 ;通过公式计算得10，即取主轴编码器的线数为1024线。脉冲编码器的型号为ZXF-102.4BM-CO5D(6M)。 16 光电脉冲编码器与轴的连接采用的是柔性连接。柔性连接--采用弹性元件的连接，弹性联轴器选用瑞普繁荣联轴器，该联轴器有固定螺钉型和夹钳形两种。固定螺钉型是将螺钉押入轴内进行安装的连接方式。因螺钉前端直接碰触轴面，有可能引起轴受损，因此选用夹钳型弹性联轴器。夹钳型是利用螺丝的锁紧力，收缩孔径，锁紧轴部，因此能在不损伤轴的情况下，进行轻松的安装与拆卸工作。如图所示: 主轴编码器 图2.4 主轴编码器 2、改进C630车床主轴箱传动系统结构 本次改造保留原主轴箱齿轮换档变速机构，由数控系统控制主轴的正转、反转和停止。我们对C630车床主运动传动做了如图所示的改进。该系统由电动机通过带轮把运动与动力传到I轴，在这里将I轴上原有的反向摩擦片取消，再由I轴通过齿轮把运动与动力传到II轴，通过II轴的齿轮将动力传递给III轴，?轴与V轴直联。然后由V轴通过齿轮把运动与动力传给主轴。因为这里是用数控系统来控制主轴的停止，所以还要把主轴箱内的制动器取消。 二、进给系统的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠等全部拆除，在此位置装一支架用来固定滚珠丝杠螺母，纵向进给系统以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速转矩增大后，由滚珠丝杠传动。滚珠丝杆仍利用原丝杠位置，其螺母副通过托架安装在床鞍底部，滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承，与床头步进电机连接。步进电机经减速后和滚珠丝杠套筒联轴器连接。把加工好的支承座用螺栓固定在机床上，需要保证两端孔 17 的同轴度，按照前面分析的传动要求安装固定好滚珠丝杠和电机。 1.纵向进给电机 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 图2.5 纵向进给传动 三、刀架的改造 采用自动回转刀架是提高数控车床自动化程度的一项重要措施，兼有伺服电机自动变换主轴转速的功能，在切削加工中减轻了操作者的劳动强度，提高了生产效率。那么，首先拆除原方型刀架，为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，经多次调研和试用，我们选用LDB4-6132型刀架，安装LDB4—6132型四方位自动刀架。该刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床控制元件，实现刀架自动回转。电动刀架的电气控制分为强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反转旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作，如图所示为刀架锁紧时的结构 发讯盘构成。发讯盘采用霍尔传感器检测刀位的位置图;弱电部分主要由位置传感器- 和发讯，电动机反转完成刀具定位。该刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削且安全可靠。 图2.6 刀架的结构 加工时，先在4把刀上编上刀号，在零件加工程序中设有专门调刀指令，注明刀号，执行到该指令时，微电脑就发出转刀脉冲，经过隔离放大后，控制刀架电机正转，刀架首先放松，抬起，然后转位(每一次转过几个刀位是用发出的转刀脉冲时间长短来控制 18 的。换刀到位时，电机反转夹紧。完毕后，电机停转，向计算机发出答讯信号，微电脑收到答讯信号，就认为该次换刀结束，而系统继续执行程序(如图所示 图2.7 刀架与系统的连接 四、自动润滑系统的改造 C630机床采用的润滑方式是手动润滑方式，它是一种原始的润滑方式，需要工人常常润滑，非常的不方便。所以，我们在机床上安装一个自动润滑系统，它可以实现每隔几秒钟自动润滑一次。根据需要，我们选用VERSA III 新型电动润滑泵。 VERSA III 新型电动润滑泵是一种齿轮泵，其结构更加合理，性能更加优良，适用范围更加广泛，自吸性能大大改善，容积效率更高，可使用粘度在20-2000cst的润滑油。VERSA III 新型电动润滑泵的技术参数及性能，如表所示: 电机额定转速 电压 电机功率 额定压力 最高压力 100V 110V 1350 rPm 35W,20W 1.4 MPa 2.5 MPa 220V 380V 空载流量 容积效率 润滑油粘度 过滤精度 油罐容积 90, 100 ml/min 参考P-Q曲线 20-2000cst 2L, 3L, 4L,6L 200 ml/min 表2.3 自动润滑泵的参数 VERSA III 新型电动润滑泵在工作时的参数为:输入电源电压是220VAC10%;控,制负载功率是35W;故障继电器接点容量为220，30W;环境温度是-20?-60?;保险丝的规格是，1A。 ,15，20 第三章 数控系统的选择和机床电气部分的设计 第一节 数控系统的选择 一、选择机床数控装置应遵循的原则 目前能使用于改造数控机床的CNC装置的种类规格繁多，为了能使CNC系统更好地满足数控改造的要求，更好地与改造的数控专用机床本体相匹配，在选择数控系统时，应考虑以下一些最基本的原则。 (一)根据改造的数控机床的类型选择相应的CNC系统 通常，不同的机型设备适合配备不同型号的CNC系统，本课题以C630车床为改造对 19 象研究普通机床回转功能曲面数控加工改造技术，应根据该机床主要功能选相应的数控系统。目前市场上国内外生产的数控系统品种繁多，一般应选择技术力量雄厚的厂家的产品. (二)根据改造后的数控机床的使用指标选择CNC系统 一般可供选择的数控系统中，其性能高低差别很大，专业生产厂家都有高、中、低几档产品供选用，有全功能型、智能型、经济型等.它们的价格也相差数倍，对于一般的机床改造来说，就目前刀具能达到的切削能力，追求过高的运动速度显然是不合理的，并且会使改造的成本大大增加.因此不能片面地追求高水平、新系统、全功能、大容量等，而应对机床所要求的使用性能和供货价格作综合分析，以达到最佳的性能价格比，选择合适的CNC系统。 (三)根据数控机床的使用性能合理地选择CNC系统的功能 目前市场上标准的数控系统产品中，除了具有基本功能以外，还有大量可供选择的功能。一些供货商追求基本系统商品的低价，把一些重要功能都列入选择功能，对数控系统的用户来说，满足使用要求是基本的，追求太多的选择功能，会使改造后的数控机床的价格很高。 (四)选购CNC系统时要考虑周到 通常用户在选购时，要避免功能的遗漏，争取把需要的系统功能一次订全，否则以后补订会给用户造成很大的经济损失，甚至有些功能不能在原系统上增补、不匹配或不能正常使用。 (五)选择CNC系统应尽童采用大厂、大公司的产品 因为每一个厂家、公司生产的CNC系统都需要有相应的操作者、维修者、维修备件、外联维修网络等一系列技术后援支持条件，所以相对集中在某一厂家、公司购买系统对以后长期使用和维修是有利的。 (六)考虑性能价格比及售后技术服务条件、维修服务提供是否快捷等方面来选择数控系统。 对机床进行数控改造时，经过对比多种数控系统，综合多方面的考察，决定选用广数980TD系统。 二、GSK980TD系统简介 (一)数控车床PLC的选型 普通车床的数控改造主要采用内装型的PLC。内装型不仅可以较好地完成数控机床开关量控制，而且PLC与数控系统之间的信息交换在数控系统内部完成，其连线少，易于维修，成本也低:由此可见，进行经济型数控机床改造，选用内装型PLC是比较合适的。从1/0点数角度上来讲，即要考虑到“经济”又要考虑到“实惠”。 广州数控研制的新一代普及型车床 CNC GSK980TD 是GSK980TA的升级产品，采用了32位高性能CPU和超大规模可编程器件FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技 20 术,实现μm级精度运动控制和PLC逻辑控制。 图3.1 GSK980TD的操作面板 (二)GSK980T的主要功能及应用 a. X、Z 二轴联动、μm 级插补精度，最高速度 16 米/分(可选配30米/分)。 b. 内置式 PLC，可实现各种自动刀架、主轴自动换档等控制，梯形图可编辑、上传、下载;I/O口可扩展(选配功能)。 c. 具有螺距误差补偿、反向间隙补偿、刀具长度补偿、刀尖半径补偿功能。 d. 采用S型、指数型加减速控制，适应高速、高精加工。 e. 具有攻丝功能，可车削公英制单头/多头直螺纹、锥螺纹、端面螺纹，变螺距螺 纹，螺纹退尾长度、角度和速度特性可设定，高速退尾处理。 f. 集成中文、英文显示界面，由参数选择。 g. 零件程序全屏幕编辑，可存储 6144KB、384个零件程序。 h. 提供多级操作密码功能，方便设备管理。 i. 支持CNC与PC、CNC与CNC间双向通讯，CNC软件、PLC程序可通讯升级。 j. 安装尺寸、电气接口、指令系统、操作显示界面与980TA兼容。 因此，GSK980TD系统完全能够符合C630普通车床数控改造的需要。 三、GSK980TD系统的接线 图3.2 总体连线图 第二节 变频器的选用 一、变频器的原理 21 国内目前所见到的经济型数控车床的主轴变速均是由人工通过改变车头箱挂轮来实现的，一般一个零件的加工至少需要两种以上不同的速度，而变速则需停机，不仅操作不便，而且辅助停机时间长，影响效率(固此，我们选用了变额调速器来作为对C630机床进行数控车头变速的方案。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 二、变频器的选择 (一)变频器的选择原则如下 数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%,80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。 在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能: 1 宽调速范围，且速度稳定性能要高; 2 在断续负载下，电机的转速波动要小; 3 加减速时间短; 4 过载能力强; 5 噪声低、震动小、寿命长。 (二) 变频器类型的选择 通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。 根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型U/f控制变频器(也称无跳闸变频器)和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。日本富士公司的FRENIC5000G7/P7、G9/P9、三肯公司的SAMCO-L系列属于此类。也有采用普通功能型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械(如造纸机械、轧钢机等)，应采用矢量 22 控制高功能型通用变频器。 综上所述，我们采用矢量控制高功能型通用变频器。 1 变频器容量选择 变频器的容量大多从三个角度予以表达: ? 额定输出电流:为输出线电流，单位用A表示。这是反映变频器容量的最关键的量，是逆变器中半导体开关器件所能承受的电流耐量，通常是不允许连续过电流运行的。负载电动机的选择，无论是拖动单电动机还是拖动多电动机，均应以连续运行总电流不超过变频器额定电流为原则。 ? 可用电动机的功率:以电动机的额定功率K来表示。 ? 额定容量:以变频器输出的视在功率(KVA)表示，是指额定输出电流与电压下的三相视在功率。 由上可见，选择变频器时，只有变频器额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载总电流不超过变频器额定电流，是选择变频器的基本原则。 对于单台变频器为单台电动机供电连续运行的情况，适合用连续恒载运转时所需的变频器容量的计算式: (3.1) (3.2) 23 (3.3) 式中: 24 25 负载所要求的电动机的轴输出功率; 电动机的效率(通常约8.5) 电动机的功率因素(通常取0.75); 电动机电压(V)380V; 电动机电流(A)工频电源时的电流22.6A; 电流波形的修正系数(PWM方式时取1.05—1.10) 变频器的额定容量(KVA); 变频器的额定电流(A); 26 由(3.1)得:(KVA) 27 由(3.2)得: 28 29 (KVA) 由(3.3)得: 30 31 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。经过计算和对比我们选用三菱FR-A520-11KW系列的变频器。 图3.3 变频器实物图 (三)变频器的连接 图3.4 变频器的连接 Z 变频器应该安装在控制柜内部，垂直安装，不可倒置，并有足够距离。工作时，温度有时高达900C，故不仅要在底板安装耐热材料，为了能够使变频器尽快的散热，我们通常还要采用风扇散热。其次变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。 第三节 机床的电气改造设计 对于本C630车床主要从以下四个方面进行电气改造设计(包括主传动系统控制电路改造设计;进给系统控制电路改造设计;刀具系统的控制电路改造设计;辅助系统控制电路改造设计。改造后的数控机床，一共有6台电动机，即主电动机、X轴进给电动机、Z轴进给电动机、冷却泵电机以及润滑泵电动机。 一、主传动系统控制电路的改造设计 机床主传动系统采用变频调速装置进行调速，使用主轴脉冲编码器进行分度。对本改造机床主传动系统进行电气控制部分的数控改造设计。改造后的主传动系统电气原理图如图所示，按下空气开关QF1，电感TC得电，通过变频器来控制主电机的正、反转、停止以及调速: 32 33 图3.5 主传动的连接图 二、进给系统控制电路的改造设计 机床改造后，数控机床进给系统的x轴和z轴都是采用步进电机来驱动，它的控制电路如图所示: 图3.6 进给系统的连接图 三、刀架控制电路的改造设计 将拆除原刀架，采用LDB4—C6132电机刀架。如图所示，按下空气开关QF2之后，即XS40-KA4(或KA5)线圈得电，KA4(或KA5)的常开触点闭合，KM4(或KM5)的线圈得 电，KM4(或KM5)的主触点闭合，从而使得刀架电机正转(或反转)。 图3.7 刀架的连接图 四、辅助系统电路控制的改造设计 (一)冷却泵的控制 如图3.8所示，按下空气开关QF3,系统给XS39一个信号，中间继电器KA6的线圈得电，同时KA6的常开触点闭合，冷却泵的电机开始运转。 图3.8 冷却泵的连接图 (二)润滑泵的控制 机床改造之后，加了一个润滑控制系统，如图所示:按下空气开关QF4,系统给XS39一个输出信号，KA7的线圈得电，它的常开触点得电，润滑泵的电动机运转，将润滑油输入到机床的各个环节。 图3.9 润滑泵的连接图 第四章 PLC实现机床的顺序控制 第一节 PLC在机床控制系统中的功能 一、PLC的控制对象 车床进行数控化改造后，它的控制系统包含两个方面的控制: 一方面是坐标轴运动的位置控制;另一方面是机床加工的顺序控制。在讨论PLC、CNC和机床的辅助装置以及强电线路的关系时，常把机床分为“CNC侧”和“MT侧”两大部分。“CNC侧”包括CNC系统的硬件和软件以及与CNC装置相连接的外围设备。“MT侧”包括机床机械部分及其液压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床继电器线路和强电线路等。PLC处于CNC和MT 34 之间，对CNC侧和MT侧的输入，输出信号进行处理。 二、PLC的基本结构及工作原理 PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等.其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。 三、PLC在车床上的配置方式 数控机床用PLC可分为两类:一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的“内 输出接口技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 、输入/输出点数、程序存储容量以及装型”PLC;一类是那些输入/ 运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的“独立型”PLC。 “内装型”PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送。它的特点是，系统的硬件和软件整体结构十分紧凑，PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，较适用于单台数控机床及加工中心等场合。 本次数控改造，选用的就是“内装型”的PLC。 一般的来说PLC在车床上的配置方式有三种不同的方式: (l)PLC在机床的一侧，代替了传统的继电器、接触器逻辑控制，PLC有m+n个输入/输出(I/O)点，如图4.1a所示; (2)采用内装PLC,此时PLC在电机电气控制柜中，PLC有m个输入/输出(I/O)点，如图4.1b所示,PLC与数控系统之间的信息交换在数控系统内部完成，因此连线少，易于维修，成本也低。 (3)PLC在电气控制柜中，而输入/输出接口在机床一侧，如图4.1c所示。 本设计就是选用第二种配置方式。 图4.1 PLC在数控机床上的配置方式 四、PLC工作过程分三段进行 (一) 输入处理: PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。 (二) 程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要 35 的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关物出映象寄存器中。 (三) 输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出 锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并有输出端子送出。 第二节 PLC的指令 一、PLC的基本指令 基本指令是设计顺序程序时用的最多的指令，它们执行一位运算。本 PLC 具有的基本指令如下: 指令名 功能 指令名 功能 LD 读取常开触点状态 OR 常开触点并联 LDI 读取常闭触点状态 ORI 常闭触点并联 OUT 驱动输出线圈 ORB 串联电路的并联 AND 常开触点串联 ANB 并联电路块的串联 ANT 常闭触点串联 表4.1 PLC的基本指令 二、PLC的功能指令 在使用基本指令难于完成某些功能要求时，可使用功能指令来实现。本 CNC 具有以下功能指令: 指令名 功能 指令名 功能 END1 第一级程序结束 ROTB 二进制旋转控制 END2 第二级程序结束 DECB 二进制译码 SET 置位 CODB 二进制转换 RST 复位 JMPB 程序跳转 CMP 比较置位 LBL 程序跳转标号 CTRC 计数器 CALL 子程序调用 TMRB 定时器 SP 子程序标号 MOVE 数据复制 SPE 子程序结束 PARI 奇偶校验 DIFU 上升沿置位 ADDB 二进制数据相加 DIFD 下降沿置位 SUBB 二进制数据相减 MOVE 逻辑乘 ALT 交替输出 表4.2 PLC的功能指令 第三节 PLC在机床控制中的应用 36 一、输入输出信号的处理 CNC装置和机床输入/输出信号的处理包括: (一) CNC装置的输出信号 CNC装置的输出数据经过PLC逻辑处理，通过输入瀚出接口传送到机床侧。CNC给机床的信息主要是M、S、T等辅助功能代码。 1 S功能处理主轴转速可以用S2位代码或S4位代码直接指定。本机床设计为主轴的最高转速为750r/min，最低转速为14r/min，用S4位代码，CNC送出S4位代码至PLC，将进行二一十进制数转换，当S代码大于750时限制S为750，当S代码小于14时，限制S为14，此数值送到D/A转换器，转换成14-750r/min相对应的输出电压，作为转速指令控制主轴的转速。 2 T功能的处理数控机床通过PLC可管理刀库，特别是对加工中心的自动换刀带来了很大的方便。处理信息包括选刀方式。 3 M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止以及机械手的换刀等动作。 PLC向机床侧传递的信号主要是控制机床的执行元件信号，如电磁阀，继电器，接触器的动作信号及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。 (二) 机床的输入信号 从机床侧输入的开关量经过PLC逻辑处理送到CNC装置中。PLC传送给CNC的信号，主要有机床各坐标基准点信号和MST功能的应答信号等。机床传送给PLC的信息主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止、工作方式选择，倍率值选择，主轴的正、反转和停止，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开、各坐标轴的点动、换刀以及行程限位等开关信号。 (三)输入,输出信号的定义 输入信号 说明 输出信号 说明 X0.0 T03 Y1.6 TL+刀架正转 X0.1 T04 Y1.7 TL-刀架反转 X1.6 T01 Y1.2 M03主轴正传 X1.7 T02 Y0.4 M04主轴反转 X0.3 XDEC X轴回参考点减速信号 Y0.3 M08冷却开 X1.3 ZDEC Z轴回参考点减速信号 Y0.7 SPZD主轴制动 X0.5 ESP 紧急停止信号 Y1.1 M32润滑开 X1.1 ST 循环启动信号 Y1.2 机床面板循环启动 表4.3 输入/输出口的定义 二、PLC对机床的控制 数控机床的辅助功能代码包括M、S、T代码。M代码用来指定主轴的正反转、主轴停止及定向、冷却液的启停、工件或刀具的夹紧和松开、刀具自动更换等功能的控制。对 37 于M代码等辅助功能执行过程的分析，有利于掌握数控系统的接口信号。 下面是以M功能为例进行分析，图4.2所示为机床改造之后的的M功能的部分梯形图程序。X23.3、X23.7、X23.5分别是主轴正转、主轴反转以及主轴停止的输入信号，R17.3、R17.4、R17.5分别是主轴正转、主轴反转以及主轴停输入信号止的内部继电器存储地址。F9.4为M30的选通信号，R143.5和R270.0为复位和急停，A2.1为信息显示请求地址。当系统自动运行时，程序执行到M03时，X23.3为1，将主轴正传的信号存入R17.3，此时M5、M30、主轴停键、复位和急停都闭合时，信号存入R511.0,R17.3和R511.0的常开触点闭合，使Y1.2输出，从而主轴正转。用同样的方法来分析其他M代码的执行过程。 图4.2 M代码部分控制梯形图 第五章 机床的调试 Y5.1为主轴正转灯 第一节 参数的设置 G74.4为刚性攻丝主轴 正转信号 参数在CNC系统中用于设定数控机床及辅助设备的规格、内容和加工操作所必需的一些数据。机床厂家在制造机床以及最终用户在使用过程中，通过参数设置，来实现对伺服驱动、加工条件、机床坐标、操作功能、数据传输等方面的设定和调用。 一、参数设置的方法 按键进入参数界面，按或键切换各参数页面，如下图所示: 图5.1 状态参数的界面 状态参数修改设置 (一)字节修改: 1 打开参数开关; 2 选择录入方式; 3 把光标移到要设置的参数号上: 方法1:按或键至需设定的参数所在的页面，按键或键将光标移至需设置的参数号上; 方法2: 按地址键、参数号及键。 4 输入新的参数值; 5 按键，参数值被输入并显示出来; 6 为安全起见，所有的参数设定后，需关闭参数开关。 示例: 将状态参数?004 的 Bit5(DECI)设置为 1，其余各位保持不变。 按上述步骤将光标移至?004 上，在提示行中依次键入 01100000，如下图所示: 38 图5.2 状态参数的修改前 按键，参数修改完成。显示页面如下: 图5.3 状态参数的修改后 其它的参数设置方法同上。 二、状态参数的设置 参数号 参数 注释 001 00011100 半径编程;手轮方式;主轴转速模拟电压控制 002 00100010 刀尖半径补偿和RS232口通信功能有效 003 00110000 以坐标偏移方式执行刀具偏置;距误差补偿功能有效 004 0010000 运行时，G0运行的速度为快速速度; 005 00010011 轴输出波形为脉冲;G50设置相对坐标值;M30执行后 光标返回开头 008 00000011 Z轴正向移动时方向信号(DIR)为高;X轴正向移动 时方向信号(DIR)为高电平 009 00000011 Z轴报警信号(ZALM)为低电平报警;X轴报警信号 (XALM)为低电平报警 010 00000111 反向间隙补偿脉冲频率的设置值为8; 174 00001000 开机时程序开关为“开” 182 00000100 换刀结束时检查刀位信号 表5.1 状态参数的设置 三、数据参数的设置 参数号 参数值 注释 015 1 X轴指令倍乘系数 016 1 Z轴指令倍乘系数 017 1 X轴指令分频系数 018 1 Z轴指令分频系数 022 1620 X轴快速进给速度(mm/min) 023 4000 Z轴快速进给速度(mm/min) 024 350 X轴加减速时间常数(ms) 025 350 Z轴加减速时间常数(ms) 045 0 X轴行程正限位 046 0 Z轴行程正限位 047 -1500 X轴行程负限位 048 --3000 Z轴行程负限位 表5.2 数据参数的设置 第二节 机床的调试方法 39 一、初始调试 (一)急停与限位 GSK980TD具有软件限位功能，为安全起见，建议同时采取硬件限位措施，在各轴的正、负方向安装行程限位开关，连接如下图所示: 此时状态参数?172的BIT3位(ESP)需要设置为0。 诊断信息DGN.001可监测急停输入信号的状态。在手动或手轮方式下慢速移动各轴验证超程限位开关的有效性、报警显示的正确性、超程解除按钮的有效性;当出现超程或按下急停按钮时，CNC会出现“急停”报警，按下超程解除按钮向反方向运动可解除报警。 (二) 驱动器设置 根据驱动器的报警逻辑电平设置状态参数?009的BIT1、BIT0位(ALMZ、ALMX分别对应Z、X轴)，配套广州数控公司驱动器时状态参数?009的BIT1、BIT0位设为1。 如果机床移动方向与位移指令要求方向不一致，可修改状态参数?008的BIT1和 、X轴)。 BIT0位(ZDIR、XDIR分别对应 Z 二、空载调试 (一)断开驱动柜上功放电源，试验调机程序(即程序空运行)。若调机程序准确地执行完毕，说明控制系统状态良好。 (二)先用手点动操作，后用程序操作，观察拖板的纵向和横向运动方向与规定的方向是否一致。不相一致时就要调换步进电机的接线。 (三)用手动操作自动回转刀架，观察刀架运转是否正常。 (四)把换刀指令编入程序运行，观察刀架运转是否正常。 (五)使用程序操作，观察在各种速度下纵、横向运动，特别是在最高速与最低速时的工作情况。 (六)编制程序试运行，试验其它的数控功能。如螺纹加工、圆弧加工、暂停、延时等。 三、负载调试 选择一个典型的零件，编好程序、对刀。并把程序与刀补值键入数控装置中，进行加工。仔细观察整个加工运行情况，发现异常现象，立即按下“急停按钮”。典型零件的选择需具有直线、顺圆、逆圆、锥面、螺纹等各种轮廓要素，能体现数控机床所具备的加工功能。 第三节 机床精度验收 40 一、机床重复定位精度 一般机床重复定位精度允差士0.0lmm，若超过这一值，就必须检查、调整，使误差达到允许范围内。 二、定位精度 定位精度是指改造后数控机床的综合精度。也就是说是机床本身精度、数控装置控制精度、滚珠丝杠副传动精度等的综合。反映为输入值与车床拖板实际位移值的误差。定位精度的测定是X，Z向分别检测。将百分表放在中拖板或大拖板的端部，任意选定一点，作为零点，将百分表对零。然后，控制拖板向离开百分表的方向进给100mm后停下，用100mm长的块规放到导轨上，一头与拖板端面接触，一头与表头接触，看百分表中显示的差值，也就是指令移动100 mm，而实际是否移动了100mm，两值之差就是定位误差。取开块规，返回零点，多反复测量几次，以稳定值作为测定的误差值。若此误差值过大，就得调整丝杠副间隙，消除齿轮间隙，以及其它传动联接部位的间隙。定位误差允许进行消除传动间隙的补偿，将测定的误差值作为间隙补偿值输入数控装置的参数表中，数控装置在带动机床拖板换向时，自动补偿此值。间隙补偿后，定位精度允差0.01-0.02mm。 三、加工精度测量 (一)加工零件的精度。 加工单个零件，测量加工尺寸，将测定的实际值与图纸的理论值相比较，要求加工精度达到士0.005mm--士0.01mm。根据试验试件加工精度基本上符合检验标准，说明C630车床的经济型数控化改造达到预期的效果，改造是比较成功的。 (二)零件加工精度的一致性。 加工一组零件，检查相同尺寸的重复加工精度。如果零件尺寸分布的分散度大，就要具体分析产生误差的原因，调整后再加工，直至尺寸分布合格。 第六章 总结和展望 第一节 论文的总结 数控机床作为机电一体化典型产品，在机械制造业中发挥着越来越大的作用，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及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。对于企业而言，单纯依靠购买全新数控机床，所需一次性投资较大，而且替换下来的机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等西方发达国家的工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，经数控改造的机床占有较大比例。如日本的大企业中有26,的机床经过数控改造，中小型企业则是74,，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地 41 提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为。本文以C630型普通车床为例，从机械和电气两方面详细阐述了数控化改造的思想和方法。实践证明，经过改造后的车床，拥有较完备的数控功能和高的加工精度，抗干扰能力强，可靠性明显提高，能适应更广泛地加工要求，与购买同档次的全新数控车床相比，节约资金约50,。本次改造，对于资金并不充裕的企业，特别是中小型民营企业，具有一定的借鉴意义。 全文 企业安全文化建设方案企业安全文化建设导则安全文明施工及保证措施创建安全文明校园实施方案创建安全文明工地监理工作情况 主要论述和研究了以下内容: 为使改造后的车床主轴能够实现无级变速，本次改造采用了变频器驱动电机的方式，本文对主轴变频器的计算和选型作了深入研究。 为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，在主轴端部加装了主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了论述。 在电气改造方面，设计了主控电路原理图及数控系统PLC I,O口接线图，对步进电机的计算和选型作了详细介绍。 在机械改造方面，绘制了改造后车床横向进给装配图，并对纵横向的进给机构，特别是滚珠丝杠作了详细设计研究。 为使数控系统中的设置参数与改造后车床实际情况相匹配，本文对PLC及机床参数设置作了研究。 为验证改造的效果，检验数据表明，改造后的车床精度达到了JB/T 8324.1-1996《简式数控卧式车床精度》标准中的各项要求。而且通过对改造前后车床加工同一工作轴的精度进行比较所得结果证明，数控化改造后车床加工精度明显提高了0.01mm。 第二节 展望 本次改造，考虑到原车床的精度和改造的成本、周期、难易程度等各方面因素，采用的是开环控制的GSK980TD经济型数控系统。今后的改造，我们将更多地考虑用半闭环控制的数控系统。这样切削速度可以加快，加工精度也可进一步提高。 本次改造，只开发了基本的数控功能，对于操作面板上的用户键等没有定义。今后的改造，可考虑对其进行定义，以开发更多的数控功能，方便机床的操作。 本次改造，考虑到改造后车床定位精度较高，因此没有对其丝杠螺距误差进行补偿， 。车床在今后的运行中如果由于丝杠磨损变形等原因而造成定位精相应的参数设置为0 度降低，可考虑对其进行螺距误差补偿。 42 43 致 谢 本论文是在蓝永庭老师的悉心指导下完成的。蓝老师在繁忙的教学和科研的同时，对论文的选题、结构、应用、文字叙述等都作了精辟的指导。在论文完成之际，学生衷心感谢导师这一年中对本人的热情指导和认真培养。蓝老师渊博的学识，严谨的学风，认真的态度，丰富的知识令学生受益匪浅，终身难忘。 特别感谢我们系的吴汉夫老师和邓丽萍老师为我们安排--长虹机械厂为期两周的实习，使我们对毕业论文的设计有了客观的认识。并且从中了解到做毕业设计的步骤以及采集到非常宝贵的材料。 特别感谢我们这一组的同学在论文撰写期间， 给予我的热情帮助和启发， 帮助我完成论文工作。 衷心感谢担任该论文或论文摘要评阅工作的专家、教授。 衷心地感谢大家～ 在论文的写作中，引用了参考文献中的部分资料，在此表示衷心感谢～ 44 参考文献 【1】张新义(经济型数控车床系统设计(北京:机械工业出版社， 338—340( 【2】余英良. 机床数控改造设计与实例.机械工业出版社，1998 【3】陈绍康.数控机床改造技术.航空工业出版社，1989 【4】戴裕崴 张永飞.数控机床电气控制，2008.3 ，202-228 【5】王世辉 韦林 石令明 林若森(机械设计基础(重庆大学出版社，2005 【6】杨小军 及秀琴.工程制图.清华大学出版社，2004.9 【7】张爱红.机床数控系统.北京:高等教育出版社，2009.5,139-179 【8】北京航空学院机械加工教研室.国防工业出版社，1977.9 【9】杨继昌 李金伴.数控技术基础.化学工业出版社，2005.5 【10】王平 林志平.数控原理与控制系统.中国劳动社会保障出版社,2006.7 【11】赵俊生.数控机床电气控制技术基础.电子工业出版社，2006.9 【12】中国纺织大学 哈尔滨工业大学 天津大学.机床设计图册.上海科学技术出版社 【13】广州数控设备有限公司.GSK980TD的可编程序控制器.2006 【14】广州数控设备有限公司.GSK980TD的系统说明书.2006 【15】杨波.浅谈数控机床改造.制造技术与机床 2004.6,12--15 【16】李文.普通车床的数控改造.机械工程师.2004.6,56—58 【17】王润孝 秦现生.机床数控原理与系统.西北工业大学出版社，2004.7 【18】李文.普通车床的数控改造.机械工程师. 2004.6,56--58 【19】张建民.机电一体化系统设计.北京:北京理工大学出版社,2002 【20】高钟毓.机电控制工程.北京:清华大学出版社,2002 【21】黄和祥 刘甲光.浅谈数控机床现状及发展趋势.机械研究与应用,2005.18 【22】孙国浩 左玉营.CA6140普通车床的数控化改造.山东机械.2005.3,12--16 【23】王贵明.数控实用技术.北京:机械工业出版社，2000 【24】李宏胜.数控原理与系统.北京:机械工业出版社，1997.142一147。 【25】韩鸿莺.数控机床应用基础.济南:山东科学技术出版杜，2001.102一132 26】王侃夫.机床数控技术基础.北京:机械工业出版社，2001 【 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