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1、目录第1章 绪论51.1数控技术的产生、发展和作用51.2我国数控机床发展的历史与现状81.3机床数控化改造的可行性81.4本章小结9第2章 车床总体改造方案设计102.1主传动系统的改造112.1.1主轴无级变速的实现112.1.2主轴脉冲编码器的安装112.2纵横向进给传动系统的改造132.2.1 纵向（Z方向）进给传动系统的改造132.2.2横向（X方向）进给系统的改造142.2.3齿轮传动间隙的消除152.3刀架部分的改造162.4 导轨的改造16 2.5导轨的改造数控系统的类型及品牌选择172.5.1数控系统的类型172.5.2数控系统的选择172.6本章小结18第3章 机床数控系统
2、硬件电路设计193.1 SINUMERIK 802S base line数控系统特点193.2 电柜设计及电源选用193.3 数控系统各部分的连接及接口设计213.3.1系统的接线213.3.2 PLC输入输出接口定义223.3.3 接口连接233.3.4 步进电机的连接303.4 回参考点配置313.5 驱动电流设定313.6 主控电路的设计333.7 本章小结35第4章 机床进给伺服系统机械部分设计计算364.1 确定系统脉冲当量364.2 计算切削力374.2.1 纵车外圆374.2.2 横切端面374.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型374.3.1 纵向进给丝杠374.3.2 横向进给丝杆
3、404.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副的几何参数424.4 贴塑导轨的应用434. 5 齿轮传动比的计算434.5.1纵向进给传动比的计算434.5.2横向进给齿轮箱传动比计算444.6 步进电机的计算和选型444.6.1纵向进给步进电机计算444.6.2横向进给步进电机的计算和选型474.7本章小结47第五章 参数设置与验收495.1参数设置495.1.1PLC参数设置495.1.2机床参数设置505.2改造后车床的验收与性能比较515.3 本章小结51第六章 总结与展望536.1 总结536.2 展望53参考文献56致谢 60 第1章 绪论1.1 数控技术的产生、发展和作用数控机床是一种综合
4、应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，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，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市
5、场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展。1、高速、高效、高精度、高可靠性要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。（1）高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。(2)高精度精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是
6、为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。当前，精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级(0.001m)，主轴回转精度达到0.010.05m，加工圆度为0.1m，加工表面粗糙度Ra值0.003m等。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度己由士10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m提高到1 1.5m。(3)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要
7、求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障工作时间(MTBF)就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，若只对一台数控机床而言，如果主机与数控系统的时效率之比为10：1的话(数控系统的可靠性比主机高一个数量级)，则此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。当前国外数控系统平均无故障工作时间(MTBF)在(710)10小时以上，整机平均无故障工作时间达800小时以上。2、模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个
8、性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。(2)智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面，分别如下：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；在简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的机界面等；智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工
9、中心和控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3、开放式体系结构由于数控技
10、术中大量采用计算机新技术，新一代的数控系统体系结构向开放式系统方向发展。国际上的主要数控系统和数控设备生产国及其厂家都瞄准通用个人计算机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，自80年代末以来竞相开发基于PC的CNC，开展了针对开放式CNC的前、后台标准的研究，基于PC的开放式CNC大致可分为四类：PC连接型CNC、PC内装型NC、NC内装型PC和纯软件NC。典型产品有FANUC150/160/180/210、A2100、 OA500、Advantage CNC System、华中I型等。4、出现新一代数控加工工艺与装备(1)为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提
11、供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人和物流系统；(2)围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联体系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；(3)以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统对机械加工中海量信息进行存储和实时
12、处理。应用数字化网络技术使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用；(4)由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，使得机械加工向虚拟制造的方向发展。1.2 我国数控机床发展的历史与现状我国从1958年开始研制数控机床，几十年来，经历了发展、停滞、引进技术、自行开发等几个阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统，20世纪60年代中期至70年代初，先后研制成功了CJK-18型晶体管数控系统、X53-IG立式数控铣床及YK53数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床、电加工机床等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于
13、电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。80年代，我国从日本FANUC公司引进了5、7、3等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，以及从美国、德国等国引进了一些新技术。推动了我国数控机床稳定的发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。改革开放以来，我国数控系统的开发与生产发展迅速，取得了更为喜人的成果。通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，数控技术取得了长足进步。在与数控主机匹配方面可以说已基本上改变了“拖后腿”的局面，性能和质量显著提高，功能价格比有优势。我国具有自主版权的数控系统产业开始形成，
14、在市场上具有一定竞争力，逐步提高了市场占有率。目前我国可供市场的数控机床有2000多种，覆盖了超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压机床、前沿高技术机床等领域，可与日本、德国、意大利、美国并驾齐驱。数控系统经过多年的市场激烈竞争，已经形成由日本的发那科公司占市场50%、德国西门子公司占市场25%的垄断局面。我国从20世纪90年代末开始掌握基于通用32位工业控制机开放式体系结构的数控系统，特别是能够控制五轴联动并具备网络化远程监测、诊断、操作功能的数控系统。并开发出弧齿锥齿轮数控加工、三维激光视觉检测、螺旋桨七轴五联动加工和世界独创的空间曲面插补软件。目前批量投入市场的国产数控系统，具有性能
15、价格比的优势，正在改变国外强手在中国市场上的垄断局面。1.3 机床数控化改造的可行性目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而切替换下来的旧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、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。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，尤其对一些中小型企业更是如此。利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台新高效、多
16、功能的数控机床，其投资少，见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径2000年我国机床总产量约17.5万台，其中数控机床产量是14053台，产量数控化率为8%。而像美国、日本等工业发达的国家机床产量数控化率已超过了50%。国数控机床占机床生产总值的比例远远低于美国、日本等发达国家。由此可见，我国目前仍然以生产普通机床为主，因此机床设备的数控化改造将会长期存在，据中国机电装备维修与改造技术协会有关统计数据表明，我国每年大约有10万台普通机床需要改造，维修改造的市场前景十分广阔。1.4 本章小结本章首先阐述了数控机床的发展
17、趋势及我国数控机床发展的历史与现状，介绍了国外机床改造业的现状。接着从我国实际国情出发，阐述了我国机床数控化改造的意义。最后介绍了本课题所研究的内容。第二章 车床总体改造方案设计 车床总体改造方案设计数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，尽量减少不必要的改动量。尤其是对车床上较大的部件。例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，或只做少量的加工改造，这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。C6132型普通车床数控化改造后主要用于中小型轴类、盘类以及螺纹零件的粗加工或半精加工，这些零件加工工艺要求机床应实现的功能主要有：控制主轴正反转和实现主轴的无级变速以提供不
18、同的切削速度；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成刀具选择；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个导程。要实现以上功能，确定总体改造方案如下: (1)拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性连接；(2)横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；(3)要实现自动换刀，需拆除原手
19、动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；(4)为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；(5)为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；(6)为实现回参考点的动作，须在纵横向安装接近开关。(7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩,以防脏物、油污和切屑等进入,机床整体也要加装防护罩,以防止加工过程中的切屑飞溅伤人;车床总体改造如图2-1所示。1-X向滚珠丝杠副 2-X向电机 3-X向减速器 4-尾座 5-Z向减速器6-Z向电机 7-支架 8-Z向滚珠丝杠副 9-数控转位刀架 10-主轴脉冲编码器图2-1 C6132普通车床数控化改
20、造示意图2.1 主传动系统的改造2.1.1 主轴无级变速的实现C6132车床的主轴变速为手动、有级变速(正转24级、反转12级)。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式；同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是直接采用伺服电机实现无级变速。采用方式二需要重新购买主轴伺服电机，另外主轴箱也要做相应的改造以安装伺服电机。机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，
21、主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。考虑到改造的成本，我们决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。电动机转速n与频率f之间的关系为：n=28.5f。因此，改变电源频率f即可改变电动机的转速n。变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转、停止和变速。交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为：对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统
22、连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择Uf恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的Uf，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码
23、器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在05Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服Uf控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：图2-2 三菱FR-A540-7.5-CH变频器外形图式中 PM负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) MU电动机的电压，380V； MI电动机工频电源时的电流，为154
24、A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； PCN变频器的额定容量，kVA； ICN变频器的额定电流，A；由以上公式可得：选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-75K-CH。其最大输出功率为7.5kw，额定容量为13kVA，额定电流为17A，过载能力为150%60秒，200%0.5秒，额定输出电压为3相380V/50Hz，电源电压允许波动范围为323V至528V。其外形如图2-2。2.2.2 主轴脉冲编码器的安装为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的
25、反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装，同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件，限制了零件的加工长度。因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现传动比l：1)把动力传递给挂轮轴X，主轴编码器1通过支架2固定，并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4通过过盈配合与主轴箱内轴X连接，如图2-3、2-4所示。 图2-3 主轴编码器安装实物图与外形图1-.ZXB-1型主轴编码器 2-固定
26、支架 3-.MC型联轴器 4-闷头 5-轴X图2-4 编码器安装图主轴编码器选用长春第一光学有限公司的ZXB-1型编码器，如图2-2所示。该编码器结构坚固，可靠性高，寿命长，耐环境性强。主轴编码器与轴的连接可采用刚性连接和柔性连接。刚性连接是指常用的轴套连接。此方式对连接件制造精度及安装精度有较高的要求，否则，同轴度误差的影响，会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重时损坏光栅盘。柔性连接，是较为适用的连接，是采用弹性元件的连接。弹性联轴器选用日本东方电机的MC型联轴器，该联轴器有固定螺钉型和夹钳型两种。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
27、，因此我们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。选用的型号为MC200608-C，外形如图2-5所示，规格如表2-1所示。锁紧时使用扭力扳手，紧固转矩为1Nm。图2-5 联轴器外形及尺寸图表2-1 MC200608-C型联轴器规格尺 寸常用转矩Nm重量g惯性惯量kgm2容许偏心mm容许偏角()容许轴间偏移mm外形(mm)长度Wmm轴孔径d1mm轴孔径d2mmLmm使用螺丝2026687.5M30.518110.120.42.2 纵横向进给传动系统的改造2.2.1 纵向（Z方向）进给传动系统的改造 此处省略NNNN
28、NNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩纵向进给传动系统的改造如图2-6所示。纵向步进电机1通过一对减速齿轮2把动力传递给纵向滚珠丝杠3，再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4做往复移动。原车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6通过套筒联轴器5与滚珠丝杠3相连，这种联轴器用两个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠连接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连接轴的位移和偏斜所带来的装配困难和附加应力。如图2-7所示，滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承支承座10，通过一对深沟球轴承7实现径向支承，丝杠左端通
29、过一对圆螺母(图中未画出)实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电机1通过消隙齿轮8减速，减速器输出轴用套筒联轴器12与丝杠3连接，固定销9防止减速器转动。1-纵向步进电动机 2-减速齿轮 3-纵向滚珠丝杠 4-工作台 5-套筒联轴器 6-支承轴图2-6纵向进给系统图7-深沟球轴承 8-消隙齿轮 9-固定销 10-滑动轴承支承座 11-圆螺母 12-套筒联轴器图2-7 纵向步进电机装配图滚珠丝杠3仍安装在原滑动丝杠的空间位置，其螺母副通过支架l安装在床鞍的底部，如图2-8、2-9
30、所示。支架1做成可移动的形式方便装配，丝杠位置调整好后，由螺钉拧紧。1-支架 2-丝杠托架 3-纵向滚珠丝杠 4-丝杠防护罩 5-大托板 6-过渡板图2-8 纵向滚珠丝杠装配图图2-9 纵向滚珠丝杠安装实物图2.2.2 横向（X方向）进给系统的改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图2-10所示。横向步进电机1及减速器2安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10与滚珠丝杠7连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12，以承受双
31、向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4和一根连接短轴6把滚珠丝杠7与减速器输出轴3连接起来，并通过一对圆螺母5实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9直接固定在中拖板8上。1-横向步进电机 2-减速器 3-减速器输出轴 4-联轴套 5-圆螺母 6-连接短轴7-横向滚珠丝杠 8-中拖板 9-螺母座 10-套筒联轴器 11-支撑短轴 12-推力球轴图2-10 横向进给系统图2.2.3 齿轮传动间隙的消除数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系
32、统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法和周向弹簧调整法。 双片齿轮错齿消隙法 图2-11是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四1、2薄齿轮 3、8凸耳 4弹簧 5、6螺母 7调节螺钉 图 2-11 双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构 个通孔，凸耳8可以在其中穿
33、过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上，通过转动螺母5就可以调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮1和2错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆柱齿轮。 2）周向弹簧调整法 图2-11是周向弹簧消隙结构。同样是两个齿数、模数相同的两片薄齿轮2和3。齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有三个周向圆弧槽，齿轮2上均布着三个螺纹孔，装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧，图 2-12 周向弹簧消隙结构 利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下错齿，从而达
34、到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小的情况下。2.3 刀架部分的改造拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-CK6132型电动刀架，该刀架内带90W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到45。左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电机安装好如图2-13所示。LD4-CK6132型电动刀架技术参数见表2-2。电动刀架的安装较为方便，安装时
35、须注意以下两点：(l)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行；(2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。表2-2 LD4-CK6132型电动刀架技术参数电机功率W电机转速r/min锁紧力kN重复位置精度mm换刀时间s901802709014001.20.0052.53.03.5图2-13 LD4-CK6132型电动刀架安装实物图2.4 导轨的改造由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯
36、是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高45倍；(3)热膨胀系数减小1312；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10；(6)抗压强度增加23倍。在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。具体工艺为：首先对原导轨进行刮研，保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.66.3um，平面度达到0011000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；
37、专用胶须随配随用，按A组份B组份=1l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.080.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨上时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.050.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15以上)，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽
38、和刮研，油槽深度可为软带厚度的1223，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少于75，全宽上不少于50。2.5 数控系统的类型及品牌选择2.5.1数控系统的类型目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,按伺服系统的类型分类如下：(1)步进电机驱动的开环数控系统：该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度相对较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，
39、易改装成功。(2)交/直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。(3)交/直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。元件的误差。因此，它的进度比闭环系统的精度低，但是他的结构与调试都较闭环系统简单。在讲角位移检测原价与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测的安装。2.5.2数控系统的品牌选择当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司有德国SIEME
40、NS公司、日本FANUC公司；国内公司有华中数控公司、广州数控设备厂、中国珠峰公司、北航机床数控系统集团公司、南京新方达数控有限公司、上海开通数控有限公司、南京清华通用数控工程有限公司、南京大地数控有限公司和沈阳高档数控国家工程研究中心等。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩，同时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，决定采用以步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。国产的经济型数控系统生产厂家较多，价格上虽有优势，但性能和稳定性稍差，所以决定采用国外的经济型数控系统。目前，各个数控系统生产厂家的
41、数控指令格式差异较大，为了使改造后的车床能真正发挥其用处，最后决定采用西门子经济型数控系统，最终确定数控系统品牌为SINUMERIK 802S base line SINUMERIK 802S base line是专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC 控制系统。外观如图2-14所示。其机构紧凑，具有高速集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元。机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。并具有简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。图2-14 SINUMERIK 802S base line 数控系统外观2.6 本章小结本章首先从数控化改造后车床应实现
42、的功能出发，阐述了车床数控化改造的总体方案。从经济性考虑，主轴采用变频器驱动电机的方式来实现无级变速，车床上原有的主轴电机可以保留。接下来详细介绍了主轴脉冲编码器的安装，提出了编码器采用异轴方式进行安装。为避免进给系统产生反向失动量，对进给传动系统中的减速齿轮必须消除间隙，本章阐述了消隙齿轮的结构。为使加工过程中能够自动换刀，改造中采用了自动刀架来替换原有四方刀架，本章阐述了自动刀架的安装方法。为了恢复导轨的精度，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。并详细阐述了粘接工艺。最后从性价比和实用性考虑，对数控系统作了选择。第3章 机床数控系统硬件电路设计3.1 SIN
43、UMERIK 802S base line数控系统特点SINUMERIK 802S base line数控系统集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O于一个单一的部件，其主要特点如下：1、独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置；2、操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。工作方式选择(6种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作；3、SINUMERIK 802S base line的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V
44、的直流输出。输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。为了方便安装，输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固；4、SINUMERIK 802S base line可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。除三个进给轴外，SINUMERIK 802S base line还提供一个10v的接口用于连接主轴驱动；5、SINUMERIK 802S base line的控制软件已经存储在数控部分的Flash-PROM(闪存)上，Toolbox软件工具(调整所用的软件工具)包含在标准的供货范围内。系统不再需要电池，免维护设计。采用电容防止掉电引起
45、的数据丢失。程序的变化和新程序软件存储。系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC程序示例，以便用户能很快地调试完毕。3.2 电柜设计及电源选用1、在设计电柜时应注意以下事项：(l)电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；(2)电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；(3)电柜的防护等级为IP54；(4)接地应遵守国标GB/T5226.1一2002/IEC6OZO4一l：2000“机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件” ；(5)电柜中布线时，交流电源线(如85VAC，220VAC，380VAC以及变频器到主轴电机
46、的电缆)必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；(6)系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器(控制变压器380VAC 220VAC，JBK3-400VA)，如图3-1所示。步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器(驱动变压器380VA85VAC，JBK3系列)，如图3-2所示。两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。图3-1 控制变压器图3-2 驱动变压器(7)现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设(如PC等)，其220VAC电源必须连接到控制变压器，如图3-1所示。图3-3 电源波形2、24VDC电源选用CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V-15%到+20%之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所以在选择电源时，其输出波形应如图3-3所示。24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性，其电气参数如表3-1所示。因此我们选与广州GSK980配套的24V直流稳压电源。数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器共用同一个24VDC稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平-3V5VDC和“l”电平11V30VDC。悬空和高阻信号均为“0”电平。表3-1 负载电源电气参数参 数最小值最大值单位条 件电压平均值20.428.8V波动性3.6V
