数控改造毕业设计.docx

毕业设计

设计题目： 普通车床数控改造
设 计 人： 杨金龙
系 别： 机械工程系
专 业 ： 数控设备应用与维护
设计地点： 广州数控设备有限公司
指导教师： 吕有界

目录

第一章 普通车床数控改造概述
1．1 数控车床简介………………………………………………… 3
1．2 数控车床组成与工作原理…………………………………………4
1．3 普通车床简介………………………………………………… 5
1．4 数控机床与普通设备的比较………………………………… 6
第二章 普通车床数控改造所需要的元器件与I/O口的连接
2．1 广州数控980T系统简介…………………………………… 7
2.2系统连接………………………………………………… 9
2．3 广州数控DA98A全数字式交流伺服器与配套的交流伺服电机、滚珠丝杆…… 16
2．4 主轴变频器和编码器…………………………………… 20
2．5 电气元器件清单…………………………………………………23
第三章 设备器件布置与电气安装连接
3．1 各元器件的布置……………………………………………… 25
3．2 电器柜各元器件的安装与连接（各部分的图）………………………… 25
3．3 连接总装图……………………………………………… 25

第四章 机床参数与调试
4．1 机床调水平…………………………………………………26
4．2 参数设置………………………………………………… 26
4．3 试切削与参数更改……………………………………………28
参考文献…………………………………………………… 28

第一章 普通车床数控改造概述
1．1 数控机床简介
所谓数控，即数字控制（Numerical Control），是数字程序控制的简称。数控的实质是通过特定处理方式下的数字信息（不连续变化的数字量）去自动控制机械装置进行动作，它与通过连续变化的模拟量进行的程序控制（即顺序控制），有着截然不同的性质。
而所谓的数控机床即是一种通过数字信息控制机床按给定的运动规律，进行自动加工的机电一体化的新型加工装备。数控机床是数字控制技术与机床相结合的产物。
早期的数控机床的NC装置由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床一般称作NC机床。
现代数控系统是采用微处理器或专用微机的数控系统，即计算机数控（Computer Numerical Control）,简称CNC。现代数控系统是采用微处理器或专用微机数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口来与外围设备进行连接，称为CNC系统，这样的机床一般称为CNC机床。
数控机床作为现代化的设备，它具备了传统机床所没有的优点：
1. 具有高度柔性。在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多模具、夹具，不需要经常重新调整机床。因此，数控机床适用于所加工的零件频繁更换的场合，亦即适合单件、小指产品的生产及新产品的开发，从而缩短了生产准备周期，节省了大量工艺装备的费用。
2. 加工精度高。数控机床的加工精度一般可达0.005~0.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杆螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。
3. 加工质量稳定、可靠。加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。
生产率高。数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削。数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速刀削加工，极大地提高了生产率。另外与加工中心的刀库配合使用，可实现在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。
4. 改善劳动条件。数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续地进行加工，直至加工结束。操作者要做的只是程序的输入、编辑、零件装卸、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验待工作，劳动强度大大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭加工的，既清洁，又安全。
5. 利于生产管理现代化。数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，对所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代化集成制造技术的基础
1．2 数控车床组成与工作原理
数控车床是由两大系统组成：机床本体机械系统与电控系统，如下图1—1所示。

车床本体
强电控制与辅助控制装置
位置检测与伺服驱动系统

CNC装置

数控车床

图1—1 数控车床的组成
数控车床的机床本体，类似于普通机床所具有的机械部件，包括：主运动部件、进给运动招待部件（如工作右、拖板及其传动部件）以及床身立柱等支撑部件和冷却润滑系统。有些车床还有转位和夹紧装置、液压与气压传动装置。
电控系统中广州数控980TD系统内包括了输入输出装置、数控装置、辅助控制（PLC）装置；位置检测与驱动系统包括了位置检测器（编码器）、广州数控DA98A伺服驱动器和驱动电机。其工作原理图如图1—2所示。
1．3 普通车床简介
普通车床组成可分为两大部分：车床本体和电气控制线路组成（因普通车床的电气控制部分与数控车床电气控制部分不相同，在实行数控改造时将拆除所有电气控制部分，所以这里就不加以分析）。如图1—3所示
普通车床机床本体主要由床身、主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杆、丝杆、辅助装置（冷却、照明、润滑等）组成。如图1—4
图样
数控加工程序
键盘或计算机通信
数控系统内存
数控加工程序译码（或解码）
几何数据、工艺数据
插补
Z轴伺服驱动
编码器位置反馈
液晶显示器
开关命令M、T
可编程序控制器PLC

刀具交换、切削液开/关等
Z轴

X轴
X轴伺服驱动
编码器位置反馈
辅助控制装置

图1—2 数控车床工作原理图

车床本体

电气控制线路

普通车床

图1—3普通车床组成

图1—4普通车床机床本体
1．4 数控机床与普通设备的比较
数控机床
普通机床
操作者可在较短时间内掌握操作和加工技能，编制程序须花较多时间
要求操作者有长期的实践经验
加工精度高，质量稳定，较少依赖于操作者的技能水平
高质量、高精度的加工要求操作者具有高的技能水平，并具有直觉和技巧
加工零件复杂程度高，适合多工序加工
适和于加工形状简单、单一的产品
易于加工工艺的标准化和刀具管理的规范化
操作者以自己的方式完成加工，加工方式多样，很难实现标准化
适于长时间无人操作和加工自动化
是实现自动化加工的准备环节必不可少的，如材料的预去除及夹具的制作等
适于计算机辅助生产控制
很难提高加工的专门技术，不利于知识的系统化和普及
生产率高
生产率低，质量不稳定

第二章 普通车床数控改造所需要的元器件与I/O口的连接

2．1 广州数控980TD系统简介

980TD系统控制面板
980TD系统技术特点：
􀀹 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）
􀀹 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）
􀀹 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
􀀹 采用S型、指数型加减速控制，适应高速、高精加工
􀀹 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
􀀹 集成中文、英文显示界面，由参数选择
􀀹 零件程序全屏幕编辑，可存储6144KB、384个零件程序
􀀹 提供多级操作密码功能，方便设备管理
􀀹 支持CNC与PC、CNC与CNC间双向通讯，CNC软件、PLC程序可通讯升级

980TDT系统技术规格一览表：

2.2系统连接

图2—2 GSK980TD 后盖接口布局

接口说明：
电源盒：采用GSK—PB电源盒，提供+5V、+24V、+12V、-12V、GND电源
滤波器（选配）：输入端为交流220V电源输入，PE端接地，输出端接GSK—PB电源盒的L、N端
XS30：X轴，15芯D型孔插座，连接X轴驱动器

XS31：Z轴，15芯D型孔插座，连接Z轴驱动器
XS32：编码器，15芯D型孔插座，连接主轴编码器
XS36：通讯，9芯D型孔插座，连接PC机RS232接口
XS37：变频器，9芯D型针插座，；连接变频器
XS38：手轮，9芯D型针插座，连接手轮
XS39：输出1，25芯D型孔插座，CNC信号输出到机床的接口
XS40：输入1，25芯D型针插座，CNC接收机床信号的接口
XS41：输入2，25芯D型针插座，扩展输入信号的接口
XS42：输出2，25芯D型孔插座，扩展输出信号的接口
以上插头的接口引脚图如下：

2．3 广州数控DA98A全数字式交流伺服器与配套的交流伺服电机

2．3．1为实现X、Z轴的进给控制功能，车床配用DA98A伺服驱动器
与步进系统相比，DA98A交流伺服系统具有以下优点：
􀁺 避免失步现象
伺服电机自带编码器，位置信号反馈至伺服
驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环
控制系统。
􀁺 宽速比、恒转矩
调速比为1：5000，从低速到高速都具有稳
定的转矩特性。
􀁺 高速度、高精度
伺服电机最高转速可达3000rpm， 回转定位
精度1/10000r。
〖注〗不同型号伺服电机最高转速不同。
􀁺 控制简单、灵活
通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。
DA98A全数字式交流伺服器如图2—3

图2—3交流伺服器

图2—4

图2—5

DA98A使用环境

2．3．2与DA98A交流伺服器配套使用的GSK三相交流伺服电机

伺服器与伺服电机之间的连接和工作原理图

2．4 主轴变频器和编码器
2．4．1变频器简介（EV1000系列通用变频器）
EV1000采用独特的控制方式实现了高转矩、高精度、宽调速驱动，满足通用变频器高性能化的需求;具有超出同类产品的防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘的能力，极大提高产品可靠性；
EV1000是将客户通用需求与客户个性化需求、行业性需求有机融合的产品，实用的PI、简易PLC、灵活的输入输出端子、脉冲频率给定、停电和停机参数存储选择、频率给定通道与运行命令通道捆绑、零频回差控制、主辅给定控制、摆频控制定长控制等，为设备制造业客户提供高集成度的一体化解决方案，对降低系统成本，提高系统可靠性具有极大价值；
EV1000通过优化PWM控制技术和电磁兼容 EV1000系列通用变频器性整体设计，满足用户对应用场所的低噪音、低电磁
干扰的环保要求。

详细功能介绍
由于本设计使用变频器的功能只是变频和制动，因此以下只介绍涉及的参数。
基本运行参数（F0组）
F0.00频率给定通道选择
范围0~6（设为3）
VCI模拟给定（VCI-GND）频率设置由VCI端子模拟电压确定，输入电压范围：0~10Vdc。
F0.01数字频率控制
范围00~11（设为00）
个位为0掉电存储频率设定值，变频时掉电或欠压时，F0.02以当前实际频率设定值自动刷新。十位为0停机后保持频率设定值即变频器停机时，频率设置值为最终修改值。
F0.03运行命令通道选择
范围0、1、2（设为1）
1：设置为1时，端子运行命令通道，用外部控制端子FWD、REV等进行起停。

起动制动参数（F2组）

F2.08停机方式
范围：0、1、2（设为2）
设为2时，为减速停机+直流制动。变频器接到停机命令后，按照减速时间降低输出频率，当到达停机制动起始频率时，开始直流制动。
F2.09停机直流制动起始频率
范围：0.00~60.00HZ(设为50)
F2.10停机直流制动等待时间
范围：0.00~10.00S
F2.11停机直流制动电流
范围：机型确定
F2.12停机直流制动时间
范围：机型确定

2．4．2主轴变频器接口与部分参数如下：
VCI GND

FWD REV COM

P（+） PB R S T U V W

制动 三相输入 三相输出至电机

制动：P（+）、PB接制动电阻
CNC模拟控制：VCI、GND为CNC0~10V模拟电压控制变频的接线口

主回路输入输出端子
EV1000原系列变频器的主回路端子有以下三种形式，请根据您选购的变频器瑾 ，参见以下部分：图中各端子含义见下表

P（+）
PB
R
S
T
U
V
W

主回路端子描述
端子符号
端子名称及功能说明
R、S、T
三相交流输入端子
P（+）、PB
外接制动电阻端子
U、V、W
三相交流输出端子
PE
安全接地端子（在散热器上）
2．4．3 主轴编码器（采用长春一光ZLF-12-1024BM-C05D的编码器）
主轴编码器主要是检测主轴转速，在车削螺纹时能够准确地车出螺纹螺距。

2．5 总电气元器件清单
第三章 设备器件布置与电气安装连接
3．1 电器柜各元器件的安装与连接图（主电路、控制电路、信号电路）
主电路图见附图一
控制电路见附图二
信号电路见附图三
连接如左图：
3．2 各元器件的布置图（见附图四、五）
由于变频器在工作时，会产生比较大的电场，容易对伺服器造成大的干扰，因此不能与伺服器装得太近。
隔离变压器在工作时也会产生比较大的电磁场，容易对伺服器造成大的干扰，因此也须尽量离伺服器远些。
3．3连接总装图如下图：

第四章 机床参数与调试
4．1 机床调水平
当一台车床装好之后，必须对其进行调水平，因为车床四个垫脚高低不一时，它会因为自身的重量而使导轨变形，各平行、垂直都会发生微小的偏差，这些微小的偏差会导致车床的精度和车床自身的弯曲变形。
仪器：两个水平仪
步骤：两个水平仪相互垂直摆放在干净的车床导轨上，来进行水平调节。首先是静态（即车床在停机时的状态）水平调节；然后是动态（即车床运动时，水平仪摆放在车床的运动平台上）调节。
调节精度要求：在水平仪一至二个刻度内。

4.2 参数设置

4.2.1 机床通电,检查急停信号,限位信号,超程解除信号是否有效.,检查状态参数NO172的设置，正确的设置为00110001。(在各轴的正、负方向安装的行程限位开关，连接如下图所示：)

4．2．2 检查驱动器的报警逻辑电平,合理设置No009号的BIT1和BIT0位，根据系统的性能这两位都设为1 。
4．2．3检查DA98A伺服驱动器与所配的伺服电机的参数是否合理。需要根据伺服驱动器的软件版本和电机的型号来设置。根据本机X轴伺服器版本和电机型号，一号参数设置为2，Z轴伺服器版本和电机型号，一号参数设置为61
4．2．4两轴移动方向的调整:X,Z两轴的移动方向与位移指令要求的方向是否一致,不一致的话可以修改状态参No008的Bit1和Bit0位。
4．2．5齿轮比的调整：
用百分表检查机床移动的距离与CNC坐标显示的位移距离是否一致,不一致的话可以调整驱动器的P12(指令脉冲分频分子),P13(指令脉冲分频分母)参数.也可以修改CNC的No15~No18数据参数来进行齿轮比的调整,但为了保证CNC的定位精度和速度指标,配套具有电子齿轮比的伺服驱动器时,建议将CNC的电子齿轮比值设置为1:1,将计算出的电子齿轮比值设置到伺服驱动器中.一般X轴伺服P12与P13的比为5比4；Z轴伺服器P12与P13的比值为5比3。若不准确，则需要使用百分表来逐一测量X轴和Z轴。
方法：先单向轻压百分表测量头，然后在程序方式中录入状态下，输入T（X轴为4mm，Z轴为2mm），让其在同一方向上运动，记下表的变化值G，用T比G之值化简后设置伺服器P12和P13号参数。

4．2．6加减速特性调整：
根据驱动器,电机的特性以及机床负载的大小等因素来调整CNC的No22~No30号参数。加减速特性调整的原则是在驱动器不报警,电机不失步以及机床运动没有明显冲击的前提下,适当减小加减速时间常数,提高加减速的起始/终止速度,以提高加工效率。配套交流伺服驱动器时,可以将起始速度设置得较高,加减速时间常数设置得较小,以提高加工效率。(读取伺服电机参数盘后,再在推荐值的基础上作适当修改)本机使用系统默认参数。

4．2．7机械零点调整：
根据连接信号的有效电平，采用的回零方式，回零的方向调整相关参数：
No4，No6，No7，No11，No14，No33，No183。回零挡块的有效行程在25毫米以上，要保证足够的减速距离，确保速度降下来，才能准确回零。机械回零的速度越快，回零挡块越长，没有足够的减速距离，会影响回零速。
4．2．8 主轴功能调整：
（1）主轴编码器，机床要进行螺纹加工，必须安装编码器，要根据实际的编码器线数在数据参数No70进行设置。编码器与主轴的传动比（主轴齿数/编码器齿数）为1/255~255，主轴齿数在数据参数No110设置，编码器齿数在数据参数No111设置。本机所安装的主轴齿数与编码器齿数为1比1，所以No110和No11均设为1。
诊断信息DNG.008的BIT2可以检查主轴编码器螺头信号是否有效
诊断信息DNG.011和DNG.012可以检查主轴编码器螺纹信号是否有效
（2）主轴启停及制动，变频主轴的加减速时间常数和制动时间可以调整变频器参数，不同变频器厂家的调整方法不尽相同，具体参考厂家书。机床使用多速电机控制时，控制电机转速指令为S01~S04，相关参数如下：状态据参数No001的Bit 4=0（选择主轴转速开关量控制。状态参数No173的BIT0=0（选择主轴控制档位为四档）。数据参数No089可以调整主轴制动时间，采用电机能耗制动时，制动时间过长容易引起电机烧坏。本机床使用变频器，因此Bit4为1。
（3）主轴转速模拟电压控制：可通过CNC参数设置实现主轴转速模拟电压控制，接口输出0V~10V的模拟电压来控制变频器以实现无级变速，需要调相关参数：
状态参数No001的BIT4=1：选择主轴转速模拟电压控制
数据参数No021：主轴速度指令电压为10V时的偏置补偿值（不用补偿）
数据参数No036：主轴速度指令电压为0V时的偏置补偿值（不用补偿）
数据参数No037~No040：主轴转速1~4档最高转速限制
转速调整方法：选择第一档，在MDI页面中录入指令S9999并运行使主轴旋转，观察屏幕右下角显示的主轴转速，把显示的数值重新输入到No037参数中，其他档位调整方法与此相同。

4．2．9 反向间隙补偿调整：当精度要求一般的时候可以直接用手轮或单步测量反向间隙输入到数据参数No034（X轴）和No035（Z轴），其中X轴要乘以2后输入。当精度要求较高的时候，可以编辑程序：N10 G01 W10 F800
N20 W15
N30 W1
N40 W-1
N50 M30
测量前应将反向间隙误差补偿值设置为0，然后单段运行程序，定位两次后找到测量基准A，记录当前数据，，再进行同向运行1MM，然后反向运行1MM到B点，读取当前数据。反向间隙的补偿值=|A点数据—B点数据|，然后输入到数据参数No034（X轴）和No035（Z轴），其中X轴要乘以2后输入。

刀架调试：980TD系统最多支持32工位刀架，如该刀架是4~8工位电动刀架，刀位信号
4．2．10接输入，刀架正常运转的相关参数设定：
状态参数的No011的BIT1位（TSGN）：刀架到位信号高/低电平选择，如果刀具到位信号为低电平有效时要接上拉电阻。
数据参数No076：换刀时，移动一刀位所需的时间：1000
数据参数No078：换最多刀所需要的时间上限：8000
数据参数No082：刀架正转停止到反转锁紧开始的延时时间：0
数据参数No084：总刀位数选择：4
数据参数No085：刀架反转锁紧的时间：1000
首次上电进行换刀时，如果刀架不转动，可能是由于刀架电机的三相电源的相序连接不正确，可调换三相电源中的任意两相。反锁时间设置要合理，设置时间不能太长也不能太短，反转锁紧时间过长会损坏电机，反转锁紧时间过短刀架可能锁不紧，检查刀具是否锁紧的方法为：用百分表靠紧刀架，人为扳动刀架，百分表指针浮动不应超出0.01MM。诊断信息可以检查刀架正反转，刀位信号输入是否有效。
调试中，必须每一个刀位都进行一次换刀，观察换刀正确性，时间参数设定是否合理。

4．3 机床精度调试：装上一棒料，试车平面和外圆，观察其光结度，尺寸及锥度，如车出的棒料有明显锥度时可合理调整主轴及尾座，以获得最佳的加工效果。

参考文献（如任务书所示）