電動裝巖機提升機構畢業(yè)設計

1、 . PAGE- 50 - / NUMPAGES51目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc231561319第1章 緒論 PAGEREF _Toc231561319 h 5HYPERLINK l _Toc2315613201.1數控技術的產生、發(fā)展和作用 PAGEREF _Toc231561320 h 5HYPERLINK l _Toc2315613221.2我國數控機床發(fā)展的歷史與現狀 PAGEREF _Toc231561322 h 8HYPERLINK l _Toc2315613231.3機床數控化改造的可行性 PAGEREF _Toc231561323 h

2、 8HYPERLINK l _Toc2315613251.4本章小結 PAGEREF _Toc231561325 h 9HYPERLINK l _Toc231561326第2章 車床總體改造方案設計 PAGEREF _Toc231561326 h 10HYPERLINK l _Toc2315613272.1主傳動系統(tǒng)的改造 PAGEREF _Toc231561327 h 11HYPERLINK l _Toc2315613282.1.1主軸無級變速的實現 PAGEREF _Toc231561328 h 11HYPERLINK l _Toc2315613292.1.2主軸脈沖編碼器的安裝 PAGE

3、REF _Toc231561329 h 11HYPERLINK l _Toc2315613302.2縱橫向進給傳動系統(tǒng)的改造 PAGEREF _Toc231561330 h 13HYPERLINK l _Toc2315613312.2.1 縱向（Z方向）進給傳動系統(tǒng)的改造 PAGEREF _Toc231561331 h 13HYPERLINK l _Toc2315613322.2.2橫向（X方向）進給系統(tǒng)的改造 PAGEREF _Toc231561332 h 14HYPERLINK l _Toc2315613332.2.3齒輪傳動間隙的消除 PAGEREF _Toc231561333 h 15

4、HYPERLINK l _Toc2315613342.3刀架部分的改造 PAGEREF _Toc231561334 h 162.4 導軌的改造16 HYPERLINK l _Toc2315613352.5導軌的改造數控系統(tǒng)的類型與品牌選擇 PAGEREF _Toc231561335 h 17HYPERLINK l _Toc2315613362.5.1數控系統(tǒng)的類型 PAGEREF _Toc231561336 h 17HYPERLINK l _Toc2315613372.5.2數控系統(tǒng)的選擇 PAGEREF _Toc231561337 h 17HYPERLINK l _Toc2315613382

5、.6本章小結 PAGEREF _Toc231561338 h 18HYPERLINK l _Toc231561339第3章 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計 PAGEREF _Toc231561339 h 19HYPERLINK l _Toc2315613403.1 SINUMERIK 802S base line數控系統(tǒng)特點 PAGEREF _Toc231561340 h 19HYPERLINK l _Toc2315613413.2 電柜設計與電源選用 PAGEREF _Toc231561341 h 19HYPERLINK l _Toc231561342HYPERLINK l _Toc2315613

6、433.3數控系統(tǒng)各部分的連接與接口設計 PAGEREF _Toc231561343 h 21HYPERLINK l _Toc2315613443.3.1系統(tǒng)的接線 PAGEREF _Toc231561344 h 21HYPERLINK l _Toc2315613453.3.2 PLC輸入輸出接口定義 PAGEREF _Toc231561345 h 22HYPERLINK l _Toc2315613463.3.3接口連接 PAGEREF _Toc231561346 h 23HYPERLINK l _Toc231561347HYPERLINK l _Toc2315613493.3.4步進電機的連

7、接 PAGEREF _Toc231561349 h 30HYPERLINK l _Toc2315613503.4 回參考點配置 PAGEREF _Toc231561350 h 31HYPERLINK l _Toc2315613513.5驅動電流設定 PAGEREF _Toc231561351 h 31HYPERLINK l _Toc2315613543.6 主控電路的設計 PAGEREF _Toc231561354 h 33HYPERLINK l _Toc2315613553.7 本章小結 PAGEREF _Toc231561355 h 35HYPERLINK l _Toc231561356第

8、4章 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 PAGEREF _Toc231561356 h 36HYPERLINK l _Toc2315613574.1確定系統(tǒng)脈沖當量 PAGEREF _Toc231561357 h 36HYPERLINK l _Toc2315613584.2 計算切削力 PAGEREF _Toc231561358 h 37HYPERLINK l _Toc2315613594.2.1 縱車外圓 PAGEREF _Toc231561359 h 37HYPERLINK l _Toc2315613604.2.2 橫切端面 PAGEREF _Toc231561360 h 37HYPERL

9、INK l _Toc2315613614.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 PAGEREF _Toc231561361 h 37HYPERLINK l _Toc2315613624.3.1 縱向進給絲杠 PAGEREF _Toc231561362 h 37HYPERLINK l _Toc2315613634.3.2 橫向進給絲桿 PAGEREF _Toc231561363 h 40HYPERLINK l _Toc2315613644.3.3 縱向與橫向滾珠絲杠副的幾何參數 PAGEREF _Toc231561364 h 42HYPERLINK l _Toc2315613654.4 貼塑導軌的應用

10、PAGEREF _Toc231561365 h 43HYPERLINK l _Toc2315613664. 5 齒輪傳動比的計算 PAGEREF _Toc231561366 h 43HYPERLINK l _Toc2315613674.5.1縱向進給傳動比的計算 PAGEREF _Toc231561367 h 43HYPERLINK l _Toc2315613684.5.2橫向進給齒輪箱傳動比計算 PAGEREF _Toc231561368 h 44HYPERLINK l _Toc2315613694.6 步進電機的計算和選型 PAGEREF _Toc231561369 h 44HYPERLI

11、NK l _Toc2315613704.6.1縱向進給步進電機計算 PAGEREF _Toc231561370 h 44HYPERLINK l _Toc2315613714.6.2橫向進給步進電機的計算和選型 PAGEREF _Toc231561371 h 47HYPERLINK l _Toc2315613724.7本章小結 PAGEREF _Toc231561372 h 47HYPERLINK l _Toc231561373第五章 參數設置與驗收 PAGEREF _Toc231561373 h 49HYPERLINK l _Toc2315613745.1參數設置 PAGEREF _Toc23

12、1561374 h 49HYPERLINK l _Toc2315613755.1.1PLC參數設置 PAGEREF _Toc231561375 h 49HYPERLINK l _Toc2315613765.1.2機床參數設置 PAGEREF _Toc231561376 h 50HYPERLINK l _Toc2315613775.2改造后車床的驗收與性能比較 PAGEREF _Toc231561377 h 51HYPERLINK l _Toc2315613785.3 本章小結 PAGEREF _Toc231561378 h 51HYPERLINK l _Toc231561379第六章 總結與展

13、望 PAGEREF _Toc231561379 h 53HYPERLINK l _Toc2315613806.1 總結 PAGEREF _Toc231561380 h 53HYPERLINK l _Toc2315613816.2展望 PAGEREF _Toc231561381 h 53HYPERLINK l _Toc231561382參考文獻 PAGEREF _Toc231561382 h 56致 60 第1章 緒論1.1數控技術的產生、發(fā)展和作用數控機床是一種綜合應用了計算機技術、自動控制技術、精密測量技術和機床設計等先進技術的典型機電一體化產品，是現代制造技術的基礎，它很好地解決了形狀結構

14、復雜、精度要求高、小批量與多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產品的加工質量，降低工人勞動強度，大幅度提高生產效率。機床控制也是數控技術應用最早、最廣泛的領域，因此，數控機床的水平代表了當前數控技術的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比，數控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產效率都比較高，因而應用日益廣泛。隨著計算機技術的發(fā)展，數控機床不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，它的性能日臻完善，應用領域日益擴大。同時，為了滿足市場和科學技術發(fā)展的需要，為了達到現代制造技術對數控技術提出的更高要求，當前，世界數控技術與其裝備正朝著下述幾個方向發(fā)展。1、高速、

15、高效、高精度、高可靠性要提高加工效率，首先必須提高切削和進給速度，同時，還要縮短加工時間；要確保加工質量，必須提高機床部件運動軌跡的精度，而可靠性則是上述目標的基本保證。為此，必須要有高性能的數控裝置作保證。（1）高速、高效機床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業(yè)實現高效、優(yōu)質、低成本生產有廣泛的適用性。(2)高精度精密化是為了適應高新技術發(fā)展的需要，也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配率的需要。隨著高新技術的發(fā)展和對機電產品性能與質量要求的

16、提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。當前，精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級(0.001m)，主軸回轉精度達到0.010.05m，加工圓度為0.1m，加工表面粗糙度Ra值0.003m等。為了滿足用戶的需要，近10多年來，普通級數控機床的加工精度己由士10m提高到5m，精密級加工中心的加工精度則從35m提高到1 1.5m。(3)高可靠性高可靠性是指數控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設備的可靠性一個數量級以上。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數控機床的平均無故障工作時間(MTBF)就必須大于3000小時。MT

17、BF大于3000小時，對于由不同數量的數控機床構成的無人化工廠差別就大多了，若只對一臺數控機床而言，如果主機與數控系統(tǒng)的時效率之比為10：1的話(數控系統(tǒng)的可靠性比主機高一個數量級)，則此時數控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數控裝置、主軸與驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。當前國外數控系統(tǒng)平均無故障工作時間(MTBF)在(710)10小時以上，整機平均無故障工作時間達800小時以上。2、模塊化、智能化、柔性化和集成化(1)模塊化、專門化與個性化為了適應數控機床多品種、小批量的特點，機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾年來數控機床

18、特別明顯的發(fā)展趨勢。(2)智能化智能化的容包括在數控系統(tǒng)中的各個方面，分別如下：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能與使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；在簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的機界面等；智能診斷、智能監(jiān)控方面的容，方便系統(tǒng)的診斷與維修等。(3)柔性化和集成化數控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數控單機、加工中心和控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統(tǒng))的方

19、向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求與產品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數機床與其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。3、開放式體系結構由于數控技術量采用計算機新技術，新一代的數控系統(tǒng)體系結構向開放式系統(tǒng)方向發(fā)展。國際上的主要數控系統(tǒng)和數控設備生產國與其廠家都瞄準通用個人計算機所具

20、有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，自80年代末以來競相開發(fā)基于PC的CNC，開展了針對開放式CNC的前、后臺標準的研究，基于PC的開放式CNC大致可分為四類：PC連接型CNC、PC裝型NC、NC裝型PC和純軟件NC。典型產品有FANUC150/160/180/210、A2100、 OA500、Advantage CNC System、華中I型等。4、出現新一代數控加工工藝與裝備(1)為適應制造自動化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備，要求數字控制制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭(有時帶坐標變換)、自動誤差

21、補償、自動診斷、進線和聯(lián)網等功能，廣泛地應用機器人和物流系統(tǒng)；(2)圍繞數控技術、制造過程技術在快速成型、并聯(lián)機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線電機、軟件補償精度等單元技術方面先后有所突破。并聯(lián)體系結構的新型數控機床實用化。這種虛擬軸數控機床用軟件的復雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床機構的復雜性，開拓了數控機床發(fā)展的新領域；(3)以計算機輔助管理和工程數據庫、因特網等為主體的制造信息支持技術和智能化決策系統(tǒng)對機械加工中海量信息進行存儲和實時處理。應用數字化網絡技術使機械加工整個系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應用；(4)由于采用了神經網絡控制技術、模糊控制技術、數字化網絡技術，使得機械

22、加工向虛擬制造的方向發(fā)展。1.2我國數控機床發(fā)展的歷史與現狀我國從1958年開始研制數控機床，幾十年來，經歷了發(fā)展、停滯、引進技術、自行開發(fā)等幾個階段。1965年，國開始研制晶體管數控系統(tǒng)，20世紀60年代中期至70年代初，先后研制成功了CJK-18型晶體管數控系統(tǒng)、X53-IG立式數控銑床與YK53數控非圓齒輪插齒機。從70年代開始，數控技術在車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機床、電加工機床等領域全面展開，數控加工中心在、研制成功。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。80年代，我國從日本FANUC公司引進了5、7、3等系列的數控系

23、統(tǒng)和直流伺服電機，直流主軸電機技術，以與從美國、德國等國引進了一些新技術。推動了我國數控機床穩(wěn)定的發(fā)展，使我國的數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。改革開放以來，我國數控系統(tǒng)的開發(fā)與生產發(fā)展迅速，取得了更為喜人的成果。通過“七五”引進、消化、吸收，“八五”攻關和“九五”產業(yè)化，數控技術取得了長足進步。在與數控主機匹配方面可以說已基本上改變了“拖后腿”的局面，性能和質量顯著提高，功能價格比有優(yōu)勢。我國具有自主的數控系統(tǒng)產業(yè)開始形成，在市場上具有一定競爭力，逐步提高了市場占有率。目前我國可供市場的數控機床有2000多種，覆蓋了超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓機床、前沿高技術機床等領

24、域，可與日本、德國、意大利、美國并駕齊驅。數控系統(tǒng)經過多年的市場激烈競爭，已經形成由日本的發(fā)那科公司占市場50%、德國西門子公司占市場25%的壟斷局面。我國從20世紀90年代末開始掌握基于通用32位工業(yè)控制機開放式體系結構的數控系統(tǒng)，特別是能夠控制五軸聯(lián)動并具備網絡化遠程監(jiān)測、診斷、操作功能的數控系統(tǒng)。并開發(fā)出弧齒錐齒輪數控加工、三維激光視覺檢測、螺旋槳七軸五聯(lián)動加工和世界獨創(chuàng)的空間曲面插補軟件。目前批量投入市場的國產數控系統(tǒng)，具有性能價格比的優(yōu)勢，正在改變國外強手在中國市場上的壟斷局面。1.3機床數控化改造的可行性目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數控機床來替換根本不現實，而切替換下來的舊

25、機床閑置起來又會造成浪費，要解決這些問題，應走普通機床的數控化改造之路。從美國、日本等國家工業(yè)現代化進程看，機床的數控化改造也必不可少，數控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26%的機床經過數控改造，中小型企業(yè)則是74%，在美國有許多數控專業(yè)化公司，為世界各地提供機床數控化改造服務。因此，普通機床的數控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。利用現有閑置的舊機床，通過數控化改造，使其成為一臺新高效、多功能的數控機床，其投資少，見效快，是一種盤活存量資產的有效方法，也是低成本實現自動化的有效方法，也是在短期提高我國機床的數控化率的一條有效途徑2000年我國機床總

26、產量約17.5萬臺，其中數控機床產量是14053臺，產量數控化率為8%。而像美國、日本等工業(yè)發(fā)達的國家機床產量數控化率已超過了50%。國數控機床占機床生產總值的比例遠遠低于美國、日本等發(fā)達國家。由此可見，我國目前仍然以生產普通機床為主，因此機床設備的數控化改造將會長期存在，據中國機電裝備維修與改造技術協(xié)會有關統(tǒng)計數據表明，我國每年大約有10萬臺普通機床需要改造，維修改造的市場前景十分廣闊。1.4本章小結本章首先闡述了數控機床的發(fā)展趨勢與我國數控機床發(fā)展的歷史與現狀，介紹了國外機床改造業(yè)的現狀。接著從我國實際國情出發(fā)，闡述了我國機床數控化改造的意義。最后介紹了本課題所研究的容。第二章 車床總體改

27、造方案設計車床總體改造方案設計數控化改造設計時，在滿足車床總體布局的前提下要盡可能利用原來的零部件，盡量減少不必要的改動量。尤其是對車床上較大的部件。例如床身、床鞍、工作臺等，盡量利用原來的部件，或只做少量的加工改造，這樣可以大大的降低成本，縮短制造周期。C6132型普通車床數控化改造后主要用于中小型軸類、盤類以與螺紋零件的粗加工或半精加工，這些零件加工工藝要求機床應實現的功能主要有：控制主軸正反轉和實現主軸的無級變速以提供不同的切削速度；刀架能實現縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成刀具選擇；加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個導程。要實現以上功能，確定總體改造方案

28、如下: (1)拆除原車床的縱向和橫向絲杠光杠、溜板箱與掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實現剛性連接；(2)橫向驅動電機與齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對操作者)，縱向驅動電機與齒輪減速裝置安裝在機床的右端，靠近尾座的位置；(3)要實現自動換刀，需拆除原手動刀架，在小拖板上安裝數控轉位刀架；(4)為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要加裝主軸脈沖編碼器，以實現對主軸轉速的同步檢測，編碼器安裝在掛輪箱；(5)為使加工過程中不超

29、程，縱橫向要安裝行程限位開關；(6)為實現回參考點的動作，須在縱橫向安裝接近開關。(7) 縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩,以防臟物、油污和切屑等進入,機床整體也要加裝防護罩,以防止加工過程中的切屑飛濺傷人;車床總體改造如圖2-1所示。1-X向滾珠絲杠副 2-X向電機 3-X向減速器 4-尾座 5-Z向減速器6-Z向電機 7-支架 8-Z向滾珠絲杠副 9-數控轉位刀架 10-主軸脈沖編碼器圖2-1 C6132普通車床數控化改造示意圖2.1 主傳動系統(tǒng)的改造2.1.1主軸無級變速的實現C6132車床的主軸變速為手動、有級變速(正轉24級、反轉12級)?？紤]到數控車床在自動加工的過程中負載切削力隨

30、時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質量的一致性、提高工件加工質量，主軸要能實現恒切削速度切削。這就要求主軸能實現無級變速。目前實現無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅動電機的方式；同時保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是直接采用伺服電機實現無級變速。采用方式二需要重新購買主軸伺服電機，另外主軸箱也要做相應的改造以安裝伺服電機。機床改造相對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統(tǒng)也要拆除并進行重新設計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本?？紤]到改造的成本，我們決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即

31、由數控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅動異步電動機實現主軸無級變速。電動機轉速n與頻率f之間的關系為：n=28.5f。因此，改變電源頻率f即可改變電動機的轉速n。變頻器能方便地與數控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉、反轉、停止和變速。交流異步電動機的轉速與電源頻率，電動機磁極對數nfp以與轉差率之間的關系式為：對于C6132，電動機磁極對數和轉差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉速。另外，變頻器能方便地與數控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉、反轉與停止。變頻器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數控車床除了在車削毛坯時，負荷大小有較大變化外，以后的車削

32、過程中，負荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇Uf恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預置較大的Uf，在負載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數控車床屬于高精度、快響應的恒功率負載加工設備，應盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經能夠做到在05H

33、z時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服Uf控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。數控車床連續(xù)運轉時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：圖2-2 三菱FR-A540-7.5-CH變頻器外形圖式中PM負載所要求的電動機的軸輸出功率；電動機的效率(通常約O85)；cos電動機的功率因素(通常約O75) MU電動機的電壓，380V；MI電動機工頻電源時的電流，為154A；k電流波形的修正系數(PWM方式時取105-110)；PCN變頻器的額定容量，kVA；ICN變頻器的額定電流，A；由以上公式可得：選擇變頻器時應同時滿足以上三個等式的關系。綜合以上分析

34、計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號為FR-A540-75K-CH。其最大輸出功率為7.5kw，額定容量為13kVA，額定電流為17A，過載能力為150%60秒，200%0.5秒，額定輸出電壓為3相380V/50Hz，電源電壓允許波動圍為323V至528V。其外形如圖2-2。2.2.2主軸脈沖編碼器的安裝為了使改造后的數控車床能自動加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉角的位置，通過主軸脈沖編碼器數控系統(tǒng)步進電機的信息轉換系統(tǒng)，實現主軸轉一轉，刀架縱向移動一個導程的車螺紋運動。主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一是同軸安裝，二

35、是異軸安裝，同軸安裝的結構簡單，缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件，限制了零件的加工長度。因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中58/58和33/33兩級齒輪(實現傳動比l：1)把動力傳遞給掛輪軸X，主軸編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱軸X連接，如圖2-3、2-4所示。圖2-3 主軸編碼器安裝實物圖與外形圖1-.ZXB-1型主軸編碼器 2-固定支架 3-.MC型聯(lián)軸器 4-悶頭 5-軸X圖2-4 編碼器安裝圖主軸編碼器選用第一光學的ZXB-1型編碼器，如圖2-2所示。該編碼器結構堅固，可靠性高，壽命長，耐環(huán)境性強。主軸編碼器與軸的連接可采用剛

36、性連接和柔性連接。剛性連接是指常用的軸套連接。此方式對連接件制造精度與安裝精度有較高的要求，否則，同軸度誤差的影響，會引起主軸編碼器發(fā)生偏扭而造成信號不準，嚴重時損壞光柵盤。柔性連接，是較為適用的連接，是采用彈性元件的連接。彈性聯(lián)軸器選用日本電機的MC型聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器有固定螺釘型和夾鉗型兩種。固定螺釘型是將螺釘押入軸進行安裝的連接方式。因螺釘前端直接碰觸軸面，有可能引起軸受損，因此我們選用夾鉗型彈性聯(lián)軸器。夾鉗型是利用螺絲的鎖緊力，收縮孔徑，鎖緊軸部。因此能在不損傷軸的情況下，進行輕松的安裝與拆卸工作。選用的型號為MC200608-C，外形如圖2-5所示，規(guī)格如表2-1所示。鎖緊時使用扭力扳

37、手，緊固轉矩為1Nm。圖2-5 聯(lián)軸器外形與尺寸圖表2-1 MC200608-C型聯(lián)軸器規(guī)格尺 寸常用轉矩Nm重量g慣性慣量kgm2容許偏心mm容許偏角()容許軸間偏移mm外形(mm)長度Wmm軸孔徑d1mm軸孔徑d2mmLmm使用螺絲2026687.5M30.518110.120.42.2 縱橫向進給傳動系統(tǒng)的改造2.2.1 縱向（Z方向）進給傳動系統(tǒng)的改造此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設計下載！該論文已經通過答辯縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖2-6所示?？v向步進電機1通過一對減速齒輪2把動力傳遞給縱向滾珠絲杠

38、3，再由滾珠絲杠螺母副拖動工作臺4做往復移動。原車床的進給箱保留，滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結構，支撐軸6通過套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠3相連，這種聯(lián)軸器用兩個互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠連接起來，結構簡單，徑向尺寸小，可防止被連接軸的位移和偏斜所帶來的裝配困難和附加應力。如圖2-7所示，滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動軸承支承座10，通過一對深溝球軸承7實現徑向支承，絲杠左端通過一對圓螺母(圖中未畫出)實現滾珠絲杠的預拉伸和鎖緊。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定，一端浮動，三點支承。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，調整方便。步進電機1通過消隙齒輪8減速，減速器輸出軸用套

39、筒聯(lián)軸器12與絲杠3連接，固定銷9防止減速器轉動。1-縱向步進電動機 2-減速齒輪 3-縱向滾珠絲杠 4-工作臺 5-套筒聯(lián)軸器 6-支承軸圖2-6縱向進給系統(tǒng)圖7-深溝球軸承 8-消隙齒輪 9-固定銷 10-滑動軸承支承座 11-圓螺母 12-套筒聯(lián)軸器圖2-7 縱向步進電機裝配圖滾珠絲杠3仍安裝在原滑動絲杠的空間位置，其螺母副通過支架l安裝在床鞍的底部，如圖2-8、2-9所示。支架1做成可移動的形式方便裝配，絲杠位置調整好后，由螺釘擰緊。1-支架 2-絲杠托架 3-縱向滾珠絲杠 4-絲杠防護罩 5-大托板 6-過渡板圖2-8 縱向滾珠絲杠裝配圖圖2-9 縱向滾珠絲杠安裝實物圖2.2.2橫向

40、（X方向）進給系統(tǒng)的改造橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動，三點支承的形式，也通過雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖2-10所示。橫向步進電機1與減速器2安裝在床鞍的后部?？拷僮髡咭欢?，布置一根支撐短軸11，通過套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承，并對原支承處作適當改造，布置一對推力球軸承12，以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結構改為支承結構，用一個聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來，并通過一對圓螺母5實現對整個絲杠的預拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座9直接固定在中拖板8上。1-

41、橫向步進電機 2-減速器 3-減速器輸出軸 4-聯(lián)軸套 5-圓螺母 6-連接短軸7-橫向滾珠絲杠 8-中拖板 9-螺母座 10-套筒聯(lián)軸器 11-支撐短軸 12-推力球軸圖2-10 橫向進給系統(tǒng)圖2.2.3齒輪傳動間隙的消除數控車床在加工過程中，會經常變換移動方向。當進給方向改變時，如果齒側存在間隙會造成進給運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側間隙。通常齒側間隙的消除主要有剛性調整法和柔性調整法。剛性調整法雖然結構簡單，但側隙調整后不能自動補償，柔性調整法是調整后齒側間隙仍可自動補償的調整法。因此決定采用柔性調整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周

42、向彈簧調整法。雙片齒輪錯齒消隙法圖2-11是雙片齒輪錯齒式消除間隙結構。兩個一樣齒數的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對回轉。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端面還有另外四1、2薄齒輪3、8凸耳4彈簧5、6螺母7調節(jié)螺釘圖2-11雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結構個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調節(jié)螺釘7上，通過轉動螺母5就可以調節(jié)彈簧4的拉力，調節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝

43、螺釘空間的圓柱齒輪。2）周向彈簧調整法圖2-11是周向彈簧消隙結構。同樣是兩個齒數、模數一樣的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對回轉運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在齒輪3的槽中放置3個彈簧，圖2-12周向彈簧消隙結構利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯齒，從而達到消除間隙的目的。這種結構適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。2.3 刀架部分的改造拆除原手動刀架和小拖板，安裝由數控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據車床的型號與主軸中心高度，選用市宏達機床數控設備廠生產的LD4-CK6132型電動刀架，該刀架帶90W三

44、相交流異步電動機用于驅動正轉選刀。置的4只霍爾元件檢測刀位位置，電動機反轉完成刀具定位鎖緊。安裝時，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風罩，逆時針方向轉動電機，使刀架轉動到45。左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝好如圖2-13所示。LD4-CK6132型電動刀架技術參數見表2-2。電動刀架的安裝較為方便，安裝時須注意以下兩點：(l)電動刀架的兩側面與原車床縱、橫向的進給方向平行；(2)電動刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時應合理，以免加工時切屑、冷卻液與其它雜物磕碰電動刀架連線。表2-2 LD4-CK6132型電動刀架技術參數電機功率W電機轉速r/min鎖緊力kN重復位置精度mm

45、換刀時間s901802709014001.20.0052.53.03.5圖2-13 LD4-CK6132型電動刀架安裝實物圖2.4 導軌的改造由于導軌表面有明顯的劃痕，摩擦系數變大，會產生進給運動的失真。為了恢復導軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負荷變形可提高5倍；(2)剛性提高45倍；(3)熱膨脹系數減小1312；(4)導熱率提高2倍；(5)硬度提高10；(6)抗壓強度增加23倍。在利用填

46、充聚四氟乙烯軟帶對原車床導軌貼塑的工作中，主要是對粘接工藝的控制。具體工藝為：首先對原導軌進行刮研，保證粘貼前導軌的表面粗糙度1.66.3um，平面度達到0011000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對金屬導軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份B組份=1l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板”或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.080.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導軌上時需前

47、后左右蠕動一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身導軌上，加壓均勻，壓強通常為0.050.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15以上)，可清除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1223，油槽離開軟帶邊緣至少6mm以上，刮研要求達到與導軌面接觸面積為：全長不少于75，全寬上不少于50。2.5 數控系統(tǒng)的類型與品牌選擇2.5.1數控系統(tǒng)的類型目前,數控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多,功能各異,分類方法不一,按伺服系統(tǒng)的類型

48、分類如下：(1)步進電機驅動的開環(huán)數控系統(tǒng)：該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度相對較低。但該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。(2)交/直流伺服電機驅動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，更大的驅動功率。(3)交/直流伺服電機驅動，編碼器反

49、饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。元件的誤差。因此，它的進度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是他的結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在講角位移檢測原價與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時則無需考慮位置檢測的安裝。2.5.2數控系統(tǒng)的品牌選擇當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司有德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國公司有華中數控公司、數控設備廠、中國珠峰公司、北航機床數控系統(tǒng)集團公司、新方達數控、開通數控、清華通用數控工程、數控和高檔數控國家工程研究中心等。選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、各種性能等選擇性價比合適的系統(tǒng)

50、，避免系統(tǒng)功能過剩，同時考慮到原車床的精度和改造的成本、周期、難易程度等各方面因素，決定采用以步進電機作為驅動元件、開環(huán)控制的經濟型數控系統(tǒng)。國產的經濟型數控系統(tǒng)生產廠家較多，價格上雖有優(yōu)勢，但性能和穩(wěn)定性稍差，所以決定采用國外的經濟型數控系統(tǒng)。目前，各個數控系統(tǒng)生產廠家的數控指令格式差異較大，為了使改造后的車床能真正發(fā)揮其用處，最后決定采用西門子經濟型數控系統(tǒng)，最終確定數控系統(tǒng)品牌為SINUMERIK 802S base line SINUMERIK 802S base line是專門為中國數控機床市場而開發(fā)的經濟型CNC 控制系統(tǒng)。外觀如圖2-14所示。其機構緊湊，具有高速集成于一體的數控

51、單元、機床操作面板和輸入輸出單元。機床調試配置數據少，系統(tǒng)與機床匹配更快速、更容易。并具有簡單而友好的編程界面，保證了生產的快速進行，優(yōu)化了機床的使用。圖2-14 SINUMERIK 802S base line 數控系統(tǒng)外觀2.6 本章小結本章首先從數控化改造后車床應實現的功能出發(fā)，闡述了車床數控化改造的總體方案。從經濟性考慮，主軸采用變頻器驅動電機的方式來實現無級變速，車床上原有的主軸電機可以保留。接下來詳細介紹了主軸脈沖編碼器的安裝，提出了編碼器采用異軸方式進行安裝。為避免進給系統(tǒng)產生反向失動量，對進給傳動系統(tǒng)中的減速齒輪必須消除間隙，本章闡述了消隙齒輪的結構。為使加工過程中能夠自動換刀

52、，改造中采用了自動刀架來替換原有四方刀架，本章闡述了自動刀架的安裝方法。為了恢復導軌的精度，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。并詳細闡述了粘接工藝。最后從性價比和實用性考慮，對數控系統(tǒng)作了選擇。第3章 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計3.1 SINUMERIK 802S base line數控系統(tǒng)特點SINUMERIK 802S base line數控系統(tǒng)集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O于一個單一的部件，其主要特點如下：1、獨立于其他部件進行安裝。堅固而又節(jié)省空間的設計，使它可以安裝到最方便用戶的位置；2、操作面板提供了所有的數控操作，編程和機床控制動作的按

53、鍵以與8英寸LCD顯示器，同時還提供12個帶有LED的用戶自定義鍵。工作方式選擇(6種)，進給速度修調，主軸速度修調，數控啟動與數控停止，系統(tǒng)復位均采用按鍵形式進行操作；3、SINUMERIK 802S base line的輸入/輸出點為48個24V的直流輸入和16個24V的直流輸出。輸出同時工作系數為0.5時負載能力可達0.5A。為了方便安裝，輸入輸出采用可移動的螺絲夾緊端子，該端子可用普通的螺絲刀來緊固；4、SINUMERIK 802S base line可控制三個進給軸和一個伺服主軸或變頻器。提供脈沖與方向信號的步進驅動接口。除三個進給軸外，SINUMERIK 802S base lin

54、e還提供一個10v的接口用于連接主軸驅動；5、SINUMERIK 802S base line的控制軟件已經存儲在數控部分的Flash-PROM(閃存)上，Toolbox軟件工具(調整所用的軟件工具)包含在標準的供貨圍。系統(tǒng)不再需要電池，免維護設計。采用電容防止掉電引起的數據丟失。程序的變化和新程序軟件存儲。系統(tǒng)軟件面向車床和銑床應用，并可單獨安裝。在每一個工具盒中都包含有車床和銑床的PLC程序示例，以便用戶能很快地調試完畢。3.2 電柜設計與電源選用1、在設計電柜時應注意以下事項：(l)電柜應有冷卻或通風裝置，在使用風扇時必須在進氣窗口安裝防塵過濾網；(2)電柜中的所有部件必須安裝在無油漆的

55、鍍鋅金屬板上；(3)電柜的防護等級為IP54；(4)接地應遵守國標GB/T5226.1一2002/IEC6OZO4一l：2000“機械安全機械電氣設備第1部分：通用技術條件” ；(5)電柜中布線時，交流電源線(如85VAC，220VAC，380VAC以與變頻器到主軸電機的電纜)必須與24VDC電纜和信號線電纜分開走線；(6)系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源24VDC之前需接入隔離變壓器(控制變壓器380VAC220VAC，K3-400VA)，如圖3-1所示。步進驅動85VAC必須采用獨立的隔離變壓器(驅動變壓器380VA85VAC，K3系列)，如圖3-2所示。兩個變壓器的初級不可以接入到380VAC的同一相。

56、圖3-1 控制變壓器圖3-2 驅動變壓器(7)現場沒有良好接地的情況下，控制變壓器必須為浮地設計，但此時任何與CNC控制器連接的外設(如PC等)，其220VAC電源必須連接到控制變壓器，如圖3-1所示。圖3-3 電源波形2、24VDC電源選用CNC控制器采用24V直流供電，系統(tǒng)可在24V-15%到+20%之間正常工作。直流電源的質量是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，所以在選擇電源時，其輸出波形應如圖3-3所示。24V直流電作為低壓電源必須具有可靠的電隔離特性，其電氣參數如表3-1所示。因此我們選與GSK980配套的24V直流穩(wěn)壓電源。數字輸入和輸出所需的24VDC用獨立的24V直流電源，而不能與CNC控制

57、器共用同一個24VDC穩(wěn)壓電源。所有輸入信號必須為電平信號，即“0”電平-3V5VDC和“l(fā)”電平11V30VDC。懸空和高阻信號均為“0”電平。表3-1 負載電源電氣參數參 數最小值最大值單位條 件電壓平均值20.428.8V波動性3.6V非周期性過壓35V500ms持續(xù)時間；50s恢復時間額定消耗電流1.5A啟動電源4A3.3數控系統(tǒng)各部分的連接與接口設計3.3.1系統(tǒng)的接線SINUMERIK 802S base line控制器與步進驅動STEPDRIVEC/C和步進電機的連接如圖3-4所示。連接電纜必須使用屏蔽電纜。在系統(tǒng)一側，電纜屏蔽層必須與插頭中的金屬殼相連，為了使模擬量的指令值信號

58、免受低頻信號的干擾，驅動一側的屏蔽不能接地。圖3-4數控系統(tǒng)接線圖3.3.2 PLC輸入輸出接口定義SINUMERIK 802S base line在出廠時已經預裝了“SAMPLEPTP”集成PLC實例應用程序，我們在定義系統(tǒng)輸入輸出接口的時候，可以與廠家提供的PLC實例程序中的接口定義保持一致，這樣在改造的過程中，我們就無需自編PLC程序，只需利用廠家提供的“SAMPLEPTP”PLC實例程序就可以了，所要做的工作只是設定一下PLC機床參數。本次改造的輸入輸出接口定義如表3-2所示。表3-2 輸入輸出接口類別接口名稱說明類別接口名稱說明輸入信號X100I0.0硬限位X+輸出信號X200Q0.

59、0主軸正傳CWI0.1硬限位Z+Q0.1主軸反轉CCWI0.2X向參考點開關Q0.2冷卻控制輸出I0.3Z向參考點開關Q0.3未定義I0.4硬限位X-Q0.4刀架正傳CWI0.5硬限位Z-Q0.5刀架反轉CCWI0.6過載Q0.6未定義I0.7急停按鈕Q0.7未定義X101I1.0硬限位Z-X201Q1.0未定義I1.1過載Q1.1未定義I1.2急停按鈕Q1.2未定義I1.3刀架信號T1Q1.3未定義I1.4刀架信號T2Q1.4主軸制動I1.5刀架信號T3Q1.5未定義I1.6刀架信號T4Q1.6未定義I1.7未定義Q1.7未定義X102X105未定義3.3.3接口連接1、電源端子的連接(Xl

60、)系統(tǒng)工作電源為直流24V電源，接到接線端子Xl上。其CNC一側端子分配如表3-3所示。2、通訊接口RS232的連接(X2)在使用外部PC/PG與GSK980TD進行數據通訊(WinPCIN)或編寫PLC程序時，使用RS232接口，各引腳如圖3-5所示。其引腳1為屏蔽，其它引腳功能參見信號說明。表3-3 電源端子X1端子分配端子號信號名說明1PE保護地2M0V3P24直流24VRxD數據接收 TxD數據發(fā)送 RTS發(fā)送請求CTS發(fā)送使能 DTR備用輸出 DSR備用輸出M接地圖3-5 通訊接口RS232與PC的連接3、主軸測量系統(tǒng)的連接（X6）X6作為主軸編碼器接口使用，用于把主軸的旋轉角度反饋