1、 本科毕业论文 （ 20 届） C615 机床数控化改造 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文 - I - 摘要 数字控制（ numerical control）是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法，简称数控（ NC）。采用数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床简称数控机床。 数控机床要求用规定的代码和程序格式，把人的意图转变为数控机床能接受的信息。把这种信息记录在信息载体上（例如穿孔带、磁带或磁盘），输送给数控装置。数控装置对输入的信息进行处理之后，向机床各坐标，向机床各坐标
2、的伺服系统发出数字信息，驱动机床相应的运动部件（如刀架、工作台等），并控制其它的动作（如变速、换刀、开停冷却液泵），自动地加工出符合图样要求的工件。与一般机床相比，数控机床具有较强的适应性和通用性，能获得更高的加工精度和稳定的加工质量，具有 较高的生产率，能改善劳动条件，便于现代化的生产管理。这里讲述了数控改造中对原有部件的改造与数控装置设计，主要包括总体设计、进给系统设计、数控部分设计。进而阐述了将 C615 普通车床改造成教学型数控车床的方法、步骤，说明了数控系统的配置，工作原理和机床的功能。 关键词： 数控车床；滚珠丝杠；步进电机；数控化改造；实践 本科生毕业论文 - II - Abst
3、ract CNC requires fixed codes and procedure form which can change the intentions of people into information that CNC is able to accept. Write down the information on the belt which is used to bore a hole, the tape or the magnetic disc. And send it to the numerical control device. Numerical control d
4、evice goes on after dealing with the information input. Send out digital information to the servo systems of every coordinate of the lathe. Urges corresponding parts of the lathe (knife rest, working bench, etc.) Controls other movements (changing speed, transferring to the knife, turning on or off
5、the cooling liquid pump). Finally it processes out the work piece which accords with the request of the pattern automatically. Compared with the general lathe, the numerical control lathe has relatively strong adaptability and commonly, it can get the higher machining accuracy and give stability to
6、the processing quality, and it has relatively high productivity ratio, it also can improve the condition of working and benefit the modernized production management. While transforming in numerical control, we have told something about the transformation of the original parts of the lathe and the de
7、sign of numerical control device. It mainly includes the whole design .the design of the entered system and the design of the numerical control part. And then I explain the methods and measures about how to transform the C 615 ordinary lathe into the teaching type lathe of numerical control. At last
8、, I state the disposition of the system of numerical control, the theory of operation principle and the functions of the lathe. Keys: CNC The guide screw of ball The step entering electrical machinery The transformation of numerical control Practise 本科生毕业论文 - III - 目 录 前言 . 1 第 1 章 数控机床概述 . 2 1.1 数控
9、机床的组成和基本工作原理 . 2 1.1.1 CNC 系统 . 2 1.1.2 机床主机 . 3 1.2 数控机床的分类 . 3 1.3 数控机床的主要性能指标 . 4 1.3.1 数控机床 的精度指标 . 4 1.3.2 数控机床的运动性能指标 . 5 1.3.3 数控机床的加工性能指标 . 5 1.3. 数控机床的可控轴数与联动轴数 . 5 1.3.5 数控机床的可靠性指标 . 6 第 2 章 机床的数控化改造 . 7 1.1 机床的数控化改造的必要性 . 7 2.2 数控机床改装设计步骤和方案选择 . 8 2.2.1 数控机床改装工艺方案的确定 . 8 2.2.2 数控机床改装主要技术方
10、案的选择 . 8 2.3 数控化改造传动系统的确定 . 10 2.3.1 主传动系统改造 . 11 2.3.2 主轴脉冲发生器及其安装 . 11 2.3.3 进给传动系统 . 13 2.3.5 脉冲当量的选择与改造后的传动结构 . 17 2.3.6 可控电动尾座 . 18 2.4 数控车床的改造 . 19 2.4.1 数控车床的基本原理 . 19 2.4.2 数控车床的性能和精度选择 . 20 本科生毕业论文 - IV - 2.4.3 数控机床的改装传动示意图 . 21 2.4.4 进给机构的结构设计原则 . 22 2.4.5 纵向伺服进给机构设计 . 22 2.4.6 横向进给机构设计 .
11、28 2.4.7 数控机床刀架设计 . 28 2.4.8 刀架的运动分析 . 29 2.4.9 数控车床刀 架主要参数选择 . 29 2.4.10 刀架维护与保养 . 29 小结 . 31 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 32 本科生毕业论文 - 1 - 前言 随着机电一体化技术的迅速发展，数控机床的应用已日趋普及，机械制造业正在越来越多地采用数控技术来改善其生产加工方式，社会对其相应技术人才的需求也越来越高。 由于数控技术不仅是一项理论性较强，更是一项涉及到机械、电气、液压、检测及计算机等多个学科的实用技术，它是由各种技术相互交叉、渗透、有机结合而成的一门综合性学科，具有很强的
12、系统性和实用性。所以，数控专业人才 的需求量是趋繁多，而工科大、中专院校的数控教学与培训面资金不足，一次性设备投入大的矛盾，因此依靠现有条件，为普通机床添加数控装置，将其改造成教学型数控机床是解决问题适应形势发展的必由之路。本论文以数控改造为重点，以 C615 普通车床改造成教学型数控车床为实例，希望能为从事相关工作的工程技术人员及相关专业的师生参考和借鉴。 科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标 。随着 FMS 的迅速发展和 CIMS 的不断
13、成熟，又将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日趋完善，数控技术应用领域是益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 在设计过程中参阅了数控化改造相关的教材、资料与文献，在此谨致谢意。限于设计者水平有限，其中定有不少疏忽与不妥之处，恳请老师批评指正。 最后，我衷心感谢张连仲老师的耐心指导，也同时感谢给予我帮助的同学和其他 老师！ 本科生毕业论文 - 2 - 第 1 章 数控机床概述 1.1 数控机床的组成和基本工作原理 数控，即数字控制（ Nu
14、merical Control,简写为 NC）。数控技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控（ Computer Numerical Control,简写为 CNC）是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。 采用数字控制技术的自动控制系统即是数字控制系统，采用计算机数字控制技术的自动控制系统则为计算机数字控制系统，其被控对象可以是各种生产过程或设备。如果被控对象是机床，则称 为数控机床。 数控机床的工作原理。首先根据零件图样制订工艺方案，采用手工或计算机进行零件的程序编制，把加工零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载
15、体上 (穿孔纸带、磁盘等 )。然后将信息载体送到输入装置，输入装置读出信息并送入数控装置。当信息载体为穿孔纸带时，输入装置为光电阅读机；信息裁体为磁盘时，可用驱动器输入。另一种方法是利用计算机和数控机床的接口直接进行通信，实现零件程序的输入和输出。 数控机床的组成：数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床 上讲，它由 CNC系统和主机及辅助装置组成。 C N C 系统输入设备输出设备程序计算机数字控制装置（装置）可编程控制器主轴控制单元速度控制单元主轴电机机床进给电机位置检测器数控机床组成框图 图 1-1 1.1.1 CNC 系统 CNC 系统由程序、输入输出设备、 CNC 装置及主轴和
16、进给驱动装置组成。其核心部分是 CNC装置，他由三部分组成：计算机、可编程控制器（ PLC）、接口。 数控机床是按照预先编好的零件加工程序进行加工的。零件加工程序是 CNC 系统的重要组成部分。 输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打显示等。 主轴驱动装置用于控制主轴的旋转运动，实现在宽范围内 速度连续可调，并在每种速度下都能提供切削所需要的功率。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。对于主轴驱动装本科生毕业论文 - 3 - 置，驱动部件多由直线或交流主轴电动机和速度检测元件组成。对于进给驱动装置，驱动部件可由功率步进电动机（多用于经济型数控机床）、电液脉冲马达（现已很少使用）、直流
17、伺服电动机与速度检测元件组成。 图 1-2 数控装置组成示意图 1.1.2 机床主机 机床主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，它是在原普通机床的基础上改进而得到的，具有以下 的特点： 数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。 数控机床机械机构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。 除 CNC 系统和 机床主机两 个主要部分外，数控机床还有一些辅助装置和附属设备，如电器，液压，气动系统与冷却，排屑，润滑，照明，储运等装置以及编程机，对刀仪等。 1.2 数控机床的分类 一、按用途分类
18、1金属切削类数控机床 金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控锚床、数控磨床、数控侵铣床等。 加工中心 MC(Machine Center)是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将数控铣床、数控销床、数控钻床的功能组合在一起，工件在一次装夹后可对其进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工，主要用来加工箱体类零件。近年来又出现了许多车削加工中心，几乎可以完成回转体零件的所有加工工序，车削加工中心除了基本的 X、 Z 轴外，还有回转铀c 轴和附带的 Y 轴。加工中心实现了一次装夹，一机多工序的加工方式，有效地避免了零件多次装夹造成的定位误差，大大提高了加工精度、生产效率和自动化程度
19、，是实现柔性制造系统 (FMS)的必要装备之一。 2金属成型类数控机床 金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。 3数控特种加工机床 数控特种加工机床有数控线切割机、数控电火花加工机床、控激光加工机床等。 二、按运动方式分类 1点位控制系统 点位控制系统的特点是刀具或工作台只能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工，数控系统只需控制行程终点的坐标值。为了尽可能地减少移动部件的运动和定位时间，一般先快速移动到终点坐标附近，然后再减速移动到定位点，以保证良好约定位精度。使用这 类控制系统的数控机床主要有数控床、数控钻床、数控冲床及数控弯管机等。 本
20、科生毕业论文 - 4 - 控制系统 点位直线控制系统的特点是刀具或工作台不但能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，而且能实现平行于坐标轴的直线加工运动或沿与坐标轴成 45。斜线进行直线切削加工，但不能沿任意斜率的直线进行加工。应用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控锤铣床和加工中心等。 3轮廓控制系统 轮廓控制系统也称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制。在加工中，需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制 ，将工件加工成一定的轮廓形状。应用这类控制系统的数控机床有功能完善的数控车床、数控铣床、数控磨床、数控火焰切割机及数控线切割机等。轮廓控制
21、系统可兼容点位直线控制系统和点位控制系统。 三、按控制方式分类 1闭环控制系统 闭环控制系统是在机床移动部件如工作台上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位置反馈到数控系统中与系统中的位置指令值进行比较用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消除时才停止移动。位置检测的装置有光栅、感应同步器和磁栅等。 由于闭环系统的位置检测包含了进给传动链的全部误差。如滚珠 丝杠螺母副、导轨副的间隙等，因而可达到很高的控制精度，定位精度可在 0.001mm 以内；另外，由于位置检测反馈过程中包含的各种不稳定因素较多，因此调试工作较困难，若各种参数匹配不适当，会引起系统振荡，造成机床工作不稳定。 2半闭环控
22、制系统 半闭环控制系统是在伺服电动机上同轴安装，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，通过测量角位移间接地测量出移动部件的直线位移，然后反馈至数控系统中，控制方式同闭环控制系统。能实现角位移检测的装置有光电编码器、旋转变压器等。 由于在半闭环控制系统中，进给传动链的滚珠丝杠螺 母副、导轨副的误差不全部包括在位置反馈内所以传动机构的误差仍然会影响到移动部件的位置精度，但因为反馈过程中本稳定因素的减少，因此调试较方便，稳定性好，目前应用比较广泛。至于传动链误差，如反向间隙、丝杠螺距累积误差可通过数控系统的参数设置来进行补偿，以提高机床的定位精度。 3开环控制系统 开环控制系统是指不带位置反馈的控制
23、系统。这种系统通常使用步进电动机作为执行元件。由于没有位置反馈，进给传动链的误差不能进行校正补偿，所以控制精度较低，位置精度通常为 0.01 0.02。但开环系统结构简单、运行平稳、 成本低、使用维修方便，可应用于精度要求不高的经济型数控系统中。 1.3 数控机床的主要性能指标 1.3.1 数控机床的精度指标 1分辨率与脉冲当量 分辨率足指可以分辨的最小位移间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小位移；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。 脉冲当量是指数控装置薛发出一个脉冲信号，机床位移部件所产生的位移量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值大小决定数控机床的加工精度和
24、表面质量。目前，曾通数控机床的脉冲当量一般为 0.01mm，简易数控机床的脉冲当量一般为 0.01mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为 0.0001mm 。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。 本科生毕业论文 - 5 - 2定位精度和重复定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。引起定位误差的因素包括伺服系统、检测系统、进给传动及导轨误羌等。定位误差直接影响加上零件的尺寸精度。 重复定位精度是指在相同的操作方法和条件下，多次完成规定操作后得到结果的一致程度。重复定位精度一般是呈正态分布的偶然性误差，它会影响批量
25、加工零件的一致性，是一项非常重要的 性能指标。一般数控机床的定伙精度为 0018mm，重复定位精度为 0.008mm。 3分度精度 分度精度是指分度工作台在分度时，文际回转角度与指令问转角度的差值。影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。 1.3.2 数控机床的运动性能指标 数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。 1主轴转速 数控机床主轴 般采用直流或交流电动机驱动，选用高速精密轴承支撑，具有较宽的调速范围和较高的回转精度、刚度及抗振性。目前，数控机床主轴转速已普遍 达到 5000 10000r min 甚至更高，这对提
26、高加工质量和各种小孔加工极为有利。 2进给速度 进给速度是影响加加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，它受数控装置的运算速度、机床动态特性及刚度等因素限制。目前，数控机床的进给速度可达 10 30m min，不加工时的快进速度可达 20 100m min。 3坐标行程 数控机床坐标轴 x、 y、 Z 等的行程大小构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。行程是直接体现机床加工能力的指标参数。数控车床有最大回转直径、最大车削长度、车削直径等指标参数；数控铣床 有工作台尺寸、工作台行程等指标参数。 4摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，其摆角大小也直接影响加工零件空间部位的能力。但控角太大又造
27、成机床的刚度下降，给机床设计带来困难。 5刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有直接影响。刀库容量是指刀架位数或刀库能存放刀具的数量，目前常见的小型加工中心的刀库容量为 16 60把，大型加工中心可达 100 把以上。换刀时间指将正在位用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行文换所需要的时间，目前国内一般换刀时间为 10 20 s，国外数控机床的换刀时 间仅为 4 5s。 1.3.3 数控机床的加工性能指标 1最高主袖转速和最大加速度 最高主轴转速是指羊轴所能达到的最高转速，它是影响零件表面加工质量，牛产效率以及刀具寿命的主要因素之一 *最大加速度是反映主轴速度提高能力的性能指标，也是加工效率的重要指标。 2最快位移速度和最高进给速度 最快位移速度是指进给轴在非加工状态下的最高移动速度。最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度。这两个物理量在很大程度上会对零件的加工质量造成影响，也是影响生产效率以及刀具寿命的主要因素。这两个性能指标受数控装置的运 算速度、机床动态特征及工艺系统刚度等因素控制。 1.3. 数控机床的可控轴数与联动轴数 数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。一般数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。世界上最高级数控装置的可控轴
