最新版机械设计制造及其自动化专业设计普通车床的数控化改造研究毕业论文.docx
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最新版机械设计制造及其自动化专业设计普通车床的数控化改造研究毕业论文
三江学院
本科毕业设计（论文）
题目普通车床的数控化改造研究
机械工程系机械设计制造及其自动化（数控技术）专业
学生姓名钱嘉宇
指导教师季鹏
设计地点三江学院
摘要
在数控机床发展的今天,它能够很好地适应现代产品制造的需求,主要是可以进行精确的大批量零件的生产,大大降低了劳动力。
但是旧有的普通机床仍然占据了机械中很大的比例,这已经不能满足现代生产的需求.由于购买新机床成本较高,旧有的机床处理比较困难,所以对于一些高的场合,对旧机床的改造旧成为了一个不错的选择.本课题就是通过对CQ6132普通车床进行数控化改造方案的研究来了解和实践这项技术。
关键字：
车床；改造；方案设计；
ABSTRACT
InNCmachinetoolsinthedevelopmentoftoday,itcanwellmeettherequirementofmodernmanufacturing,themainisthemassproductionpartscanbeaccurately,greatlyreducesthelaborforce.Butontheoldmachineisstilloccupyagreatproportioninthemachinery,itcannotmeettheneedsofmodernproduction.DuetobuyanewmachinecostisCQ6132ordinarylathenumericalcontroltransformationplanofstudytounderstandandpracticethetechnique.
Keywords:
lathe;transformation;plandesign;
第一章绪论1
1.1本文选题的背景及意义1
1.2机床数控技术的基本概念2
1.3数控机床的组成和分类3
1.4数控机床的特点5
第二章车床的总体改造和设计7
2.1CQ6132车床改造的总体方案7
2.2主要参数8
2.3进给系统的设计8
2.4控制系统的软件部分8
2.5改造后机床的特点9
第三章机床的电气改造10
3.1数控系统的选择11
3.2软件功能11
3.3系统功能11
3.4PLC的功能12
3.5小结14
第四章主运动传动系统总体方案的确定15
4.1主运动传动系统的设计15
4.2数控机床主传动方式及其特点15
4.3小结16
第五章机床进给传动系统的改造17
5.1机床进给系统17
5.2滚珠丝杠的选用及支撑方式17
5.3滚珠丝杠传动的优点17
5.4纵向进给系统的设计计算18
5.5伺服驱动系统的选择21
5.6进给系统的一些其它要求22
第六章支承件的改造23
6.1支承件的特点23
6.2导轨的现状23
6.3导轨的类型及选取24
第七章辅助装置的选用26
7.1刀架的选择26
7.2机床设备的润滑及冷却26
7.3小结26
结束语27
致谢28
参考文献29
第一章绪论
1.1本文选题的背景及意义
1.1.1数控机床我国的发展现状
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,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。
90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。
严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
具体地说,这个问题反映在下列五个方面:
（1）我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月,其中设计时间约为5～8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6～9个月,其中设计约1.5～2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。
（2）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。
（3）用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。
在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。
（4）现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足,又担负着开发的重任。
（5）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（ConcurrentEngineering）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。
1.1.2机床数控化改造的必要性
我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，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。
机床的年产量数控化率为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%，FMCFMS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。
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。
1.2机床数控技术的基本概念
1.2.1概述
数控技术，简称数控。
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。
1.2.2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CADCAM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。
位置控制和机床加工：
位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。
1.3数控机床的组成和分类
1.3.1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）
图1-1数控机床的组成
（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。
1.3.2数控机床的分类
按伺服系统的控制原理可分为：
开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。
（1）开环控制的数控机床
这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。
指令信号的流程是单向的。
（如图1-2）
图1-2开环控制的数控机床
（2）闭环控制的数控机床
这类机床带有检测装置。
它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。
（如图1-3）
图1-3闭环控制的数控机床
闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。
（3）半闭环控制的数控机床
半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。
而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。
（如图1-4）
图1-4半闭环控制的数控机床
实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。
所以本次设计采用的是半闭环控制系统。
1.4数控机床的特点
（1）加工零件的适应性强，灵活性好。
（2）加工精度高，产品质量稳定。
（3）生产率高。
（4）减少工人的劳动强度。
（5）生产管理水平高。
第二章车床的总体改造和设计
2.1CQ6132车床改造的总休方案
图2-1数控系统的总体框架
总体框架说明:
（1）PC机：
可采用工控PC机，可满足该控制系统的控制要求。
（2）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。
（3）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。
（4）机床本体是由CQ6132改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。
（5）步进电机及其驱动器要能够达到0.005mm的加工精度要求。
（6）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主要技术参数
床身上回转直径 320mm
工作台上回转直径 185mm
两顶尖距离 510610915mm
主轴孔径40mm
主轴孔锥度 MT5
主轴转速级数180～1930rmin8
纵向行程500600900mm
横向行程170mm
小刀架行程 85mm
公制螺距级数 0.5～3mm10
英制螺距级数 8～48t.p.i14
纵向走刀量级数0.1～0.4mmr3
电机功率1.5kw
底座净重毛重5870kg
主机包装尺寸2080×790×1480mm
底座包装尺950×790×870mm
2.3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。
2.4控制系统的软件部分
该车床控制系统采用西门子808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。
2.5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。
第三章机床的电气改造
3.1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。
基于操作面板的紧凑型数控系统SINUMERIK808D车削和SINUMERIK808D铣削极其坚固耐用并且非常容易维护。
强大的数控功能能够在很短的加工时间内实现极佳的工件加工精度。
借助SINUMERIK808D在线向导从调试到生产直至销售的所有机床加工步骤的培训费用可降至最低。
（如图3-1）
图3-1西门子808D操作面板
3.1.1优点
（1）紧凑、耐用、并且免维护的操作面板型数控系统预装车床专用的系统软件
（2）无需在机柜上钻孔的智能卡扣安装
（3）使用USB接口的即插即用机床控制面板
（4）现代化的数控系统确保了系统性能和精度
（5）SINUMERIK808D在线向导可以帮助学习、研究、简化最新的数控系统技术
（6）SINUMERIKOperateBASIC人机界面与SINUMERIK828D和840D类似的便捷操作
（7）SINUMERIKprogramGUIDEBASIC全面的工艺循环用于通过图形输入界面方便地输入车削和钻削循环
（8）手动机床功能带有手轮控制平床身机床的简单半自动加工
（9）通过U盘的简单数据传
3.2软件功能
（1）CNC功能
系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。
定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。
M功能和PLC功能的调用子程序，E参数（用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值）。
强大的通讯功能（RS232IRS4221RS485），边加工边传输功能。
提高了计算机的CADCAM程序的加工能力。
完善的丝杠螺距补偿。
FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。
并且没有固定的距离和补偿值的限制。
（2）PLC功能
梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。
梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。
丰富的PLC和CNC交换信息量,PLC图形界面的管理。
（3）强大的编程软件
GSKCC软件。
Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。
简便的通讯能力（PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成），动态的PLC程序显示（PC侧）。
GSKCC软件Windows环境并运行在PC计算机。
调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。
3.3系统的功能
西门子808系统为全功能型，下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便:
①Cs轴轮廓控制:
可以省掉Cf轴，用主轴的转动作为回转坐标与其它直线轴插补，加工轮廓曲线。
②刚性攻丝:
Z轴进给与主轴转动同步，不用弹簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。
③PMC轴控制:
用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定量位置进给。
0-C系统PMC可控制2个进给轴。
④主轴双刀架。
⑤0.1um分辨率:
系统分辨率标准设定为1urn。
可用参数设定为其110.⑥加工程序的后台编辑:
自动切削过程中可以编辑新的程序。
⑦菜单编程。
⑧图形会话在线自动编程:
有多种形式，最新的是符号指令形式，易学，易操作。
有工艺参数语句。
⑨用户宏程序:
一种参量编程软件包，用来编制加工程序（适合于成组工艺）或者用其接口变量编制PMC程序，控制CNC的运行状态。
CNC是本系统的核心部分，用以完成人机对话与通讯，解释机械加工语言，分配加工任务，以及协调各功能模块的工作等。
进给控制部分选用NUMDRIVE交流伺服系统，根据计算以及参考同类型机床，纵向（Z轴）选36N.m交流何服电机，横向（X轴）选用22N.m电机，实现位置、速度双闭环控制，以实现机床精确的进给运动。
辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等方面的控制。
同时在主轴箱内安装编码器，以构成加工螺纹所需的主输系统（c轴）。
选用IOOOpmr的编码器，由于主轴大齿轮为128齿（m=5），故编码器前端齿轮选用20齿，其速比为6.4:
1,则主轴每转一转，编码器将返回6400个脉冲，经四分频后，每转计数脉冲为25600，分辨率为50.625秒脉冲，完全满足数控系统对C轴的反馈精度要求。
3.4PLC的功能
3.4.1PLC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。
（如图4-1）
图4-1西门子808D系统图
3.4.2PLC与CNC机床的联接方式
CNC数控系统的控制信号有两类:
一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC,FMS系统中的应用有不断上升的趋势。
目前，数控机床PLC的形式有两种:
一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有
专门的PLC,PLC在CPU外部，称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部，称为内装型PLC.FANUC数控系统采用内装型PLC。
可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统I0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。
CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里10口的联接可归纳为三部分。
3.4.3PLC输入输出端与机床面板信号联接
FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。
面板与系统采用光纤连接。
结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。
CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。
3.4.4PLC输出端与机床强电信号联接
PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分.如:
主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。
由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出瑞都接有保护用继电器。
在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁
保护触点。
同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。
3.4.5PLC输入端与CNC机床数控装盆IO接口的联接
可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状态.从数控装置I0口的信息流向分析，可以分为两种情况:
一是数控装!
从10口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装里的I0口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。
3.5小结
本次采用的西门子808Dde系统是由于西门子在现代社会中运用比较广泛,并且售后服务比较好,PLC和NC数据都是厂家给的,应用比较方便.
第四章主运动传动系统总体方案的确定
4.1主运动传动系统的设计
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。
传动系统的类型主要有三种：
4.2数控机床主传动方式及其特点
4.2.1齿轮传动
所谓齿轮传动是采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。
齿轮传动在扭矩输出方面没有其他的传动方式可以超过，因此一般要求极高扭矩输出的情况下使用。
可以通过齿轮组的切换得到不同的转速比，从而适应更广泛的加工需求。
缺点是噪音大，发热大，无法用于高转速的应用。
4.2.2皮带传动
皮带传动又称为同步齿形带传动，使用直流或交流主轴伺服电机，由同
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