凯达加工中心增加第四轴的改造.doc

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常州信息职业技术学院机电工程学院毕业设计

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：

机电工程学院

专业：

数控技术

班号：

数控133*

学生姓名：

李森

学生学号：

1304033330

设计（论文）题目：

凯达加工中心KVDM1000L

增加第4轴的改造

指导教师：

朱俊

设计地点：

机电工程学院

起迄日期：

2015.6.15—2015.11.2

毕业设计（论文）任务书

专业数控技术班级数控133姓名李森

一、课题名称：

凯达加工中心KVDM1000L增加第4轴的改造

二、主要技术指标：

1.数控回转台中心高：

160mm

2.工作台面直径250mm

3.气压刹紧，压力0.5MPa~0.8MPa

4.工作台最高转速11.1r/min

5.设定最小分度单位0.001度。

三、工作内容和要求：

1.完成数控回转台、伺服电机、气动元器件的选型；

2.完成电路改造电气原理图、电气布局图、电气接线图的设计；

3.完成数控回转台、伺服电机的机械连接，完成数控回转台的安装，完成气动回路的连接，完成电气线路的连接；

4.完成FANUC0i-MC数控回转台控制PMC程序的编制，并联机调试完成；

5.完成增加第4轴改造FANUC0i-MC数控系统参数的准备，并输入至数控系统，联调完成；

四、主要参考文献：

1.北京发那科公司0i-C简明安装调试北京：

北京FANUC有限公司2003

2.北京发那科公司0i-C子程序库说明北京：

北京FANUC有限公司2003

3.彭二宝，王宏颖.利用PLC状态显示信息诊断机床故障4例[J].木工机床2007

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

凯达加工中心KVDM1000L增加第4轴的改造

一、选题的背景和意义：

在三轴加工中心上，一套夹具只能一面加工工件，操作人员频繁更换夹具，影响工件的定位精度。

在承接外加工任务时，除了要在数控机床上进行正常的轮廓、孔的加工，有时还需加工曲线、曲面类零件。

如在法兰盘上加工均匀分布的孔、在细长的棒料上铣出定位槽、在圆柱面上加工曲线槽等。

而这些加工在普通的三坐标数控铣床上是很难完成的，如果需要购置高精度的四轴联动的配置高档CNC系统的加工中心，机床性能的增强必然导致成本的增长。

此时可在数控机床上安装第四轴，扩展机床功能，使之成本投入较前者大幅度降低。

还提高了机床的加工能力和产品的加工精度。

二、课题研究的主要内容：

1.完成数控回转台、伺服电机、气动元器件的选型；

2.完成电路改造电气原理图、电气布局图、电气接线图的设计；

3.完成数控回转台、伺服电机的机械连接，完成数控回转台的安装，完成气动回路的连接，

完成电气线路的连接；

4.完成FANUC0i-MC数控回转台控制PMC程序的编制，并联机调试完成；

5.完成增加第4轴改造FANUC0i-MC数控系统参数的准备，并输入至数控系统，联调完成；

三、主要研究（设计）方法论述：

1.上网和到图书馆查找相关的资料，综合分析。

2.对硬件的选用，采取了比较论证的方法。

3.根据对电路原理图的分析，了解电路控制的过程和方法。

4.根据对机械部分的理解，以及机械部分的选用，去了解机械部分的工作过程以及方法。

5.在对伺服电机和分度转台的论述中我们采取了因果论述法

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

6.15—7.15

收集、整理相关的资料

7.16—7.22

理清思路，确定总方案，并撰写开题报告

7.23—8.1

凯达加工中心KVDM1000L增加第4轴的改造的设计方案的比较、论证

8.2—8.15

对增加第4轴的改造的数控回转台、伺服电机、气动元器件的选型

8.16—8.24

对增加第4轴的改造电路改造电气原理图、电气布局图、电气接线图的分析与设计

8.25—9.3

对增加第4轴的改造数控回转台、伺服电机的机械连接，完成数控回转台的安装，完成气动回路的连接，完成电气线路的连接与调试

9.4—9.20

对增加第4轴的改造完成FANUC0i-MC数控回转台控制PMC程序的编制，并联机调试完成

9.21—9.26

完成增加第4轴改造FANUC0i-MC数控系统参数的准备，并输入至数控系统，联调完成

9.27—10.16

整理并撰写论文初稿

10.17—11.6

审核，定稿

11.17—11.19

答辩

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

凯达加工中心KVDM1000L增加第4轴的改造

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章数控技术及其发展状况 1

1.1数控机床的概念 1

1.1.1国外数控机床的发展 1

1.1.2我国数控技术的现状 2

1.2加工中心的概述 2

1.2.1加工中心的概述 2

1.3数控技术的发展趋势 3

第2章增加第四轴的意义 4

第3章凯达加工中心KDVM1000L设计改造 6

3.1现有数控机床的功能分析 6

3.1.1现有的设备功能 6

3.1.2需要改造的部分 7

3.2第四轴的设计改造方案 8

3.2.1第四轴的类型选择 8

3.2.2四轴控制单元的连接图 9

3.2.3PMC改造设计方案 11

第4章数控分度头的设计 13

4.1数控分度头的概述 13

4.2数控分度头的功能分析和选型 13

4.3数控分度头的结构设计和实现 14

4.3.1数控分度头安装尺寸图 14

4.3.2主要规格及其参数 16

4.3.3数控分度头的结构 17

4.3.4数控分度头的工作原理 17

4.4数控分度头的回零（A轴回零） 18

第5章伺服的选用 19

5.1伺服系统简介 19

5.2伺服系统的选型 19

5.3伺服安装接线 23

第6章PMC程序的设计 24

6.1PMC 24

6.2PMC的程序设计 24

第7章机床调试 29

7.1机床参数设定 29

7.2伺服系统的调试 29

7.2.1FANUC0iMC系统添加四轴的调试 30

第8章四轴的试切削 32

第9章结束语 40

参考文献 41

答谢词 42

摘要

数控机床以高效率生产和稳定的精度质量逐渐成为现代制造类领域的基础装备，以数控技术为核心的数控系统装配和制造水平已经成为衡量一个国家制造水平的标准。

而机床的改造是以成本低、时间短，成为现在许多中、小型企业的必选方式。

因此，对原先的机床进行改造，变成新型数控机床，成为当前的趋势，具有非常重要的现实意义。

本设计制定了改造的总体方案，根据机床的实际情况，选择了数控分度头的型号，安装数控分度头的方法，对机床参数进行了设定，最后是对机床的安装调试。

经过一系列的改造，终于把老旧数控机床改造成现在可以完成的精度要求，经过机床总体调试，该数控机床终于满足了各类的加工条件。

关键词：

数控机床；改造；数控分度头

Abstract

Numericalcontrolmachinetoolwithhighefficiencyproductionandstabilityoftheaccuracyofthequalityofmodernmanufacturinghasgraduallybecomethebasicequipmentinthefieldofmodernmanufacturing,numericalcontroltechnologyasthecoreoftheassemblyandmanufacturinglevelhasbecomeameasureofacountry'smanufacturingstandards.Themachinetransformationisbasedonlowcost,shorttime,nowmanymediumandsmallenterprises,mandatoryway.Therefore,thetransformationoftheoriginalmachinetool,intoanewtypeofCNCmachinetools,becomethecurrenttrend,hasaveryimportantpracticalsignificance.

Thedesignanddevelopmentoftheoverallprogram,accordingtotheactualsituationofthemachinetool,selectthemodeloftheNCdividinghead,themethodoftheinstallationofNCdividinghead,themachineparametersareset,andfinallytheinstallationandcommissioningofthemachinetool.Afteraseriesoftransformation,finallytheoldCNCmachinetoolcanbetransformedintotheaccuracyofthepresentrequirements,afterthemachinetooloveralldebugging,thenumericalcontrolmachinetoolfinallymeetallkindsofprocessingconditions.

Keywords:

CNC；transform；NCdividinghea

II

常州信息职业技术学院机电工程学院毕业设计论文

第1章数控技术及其发展状况

1.1数控机床的概念

数控系统是一种控制系统，能控制机床的运动加工过程，是装备了数控系统的机床，数字控制机床，简称NC机床。

计算机数控机床，简称CNC机床。

是利用具有专门存储程序的计算机来实现对机床的全部或部分控制功能。

1.1.1国外数控机床的发展

数控机床的制造距离现在已经有62年了，世界上第一台数控机床是在美国诞生的，距离现在已经经过了两个重要发展阶段。

第一阶段：

数控（NC）阶段，采用的数字控制的一台数字机床，用计算机作为数控系统，进入了数字机床的时代，简称NC。

第二阶段：

计算机数控（CNC）阶段，采用大规模集成电路技术缩放在一块很小的一块芯片上，用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此就进入了计算机数控阶段，简称CNC。

目前数控技术的机床研发、系统、技术和使用上是美、德、日三国最为先进、经验最多的国家。

但也都是各自有各自的特点。

美国数控市场是政府重视机床工业，国防部也在不断的提出数控机床的各种发展方向，故其在高性能的数控机床的技术上也是在世界上一直处于领先的状态，美国不仅研发高端数控机床，也为中小型企业研发中低高端实用的数控机床。

德国数控市场是政府一贯重视机床工业，也它作为重要战略地位。

德国的数控机床无论质量还是性能都可以说是世界闻名，尤其是大型、重型、精密数控机床让世界为之疯狂，例如：

西门子的数控系统和Heidenhain最为出色。

日本也是对数控机床工业尤为重视，就目前产量、出口量都是为世界排名第一位，日本的机床工业主要研发高、中、低端的数控系统，例如：

FANCU最为突出，产量居世界第一。

1.1.2我国数控技术的现状

一直以来我国的数控系统以封闭式为基本结构的，CNC只能作为非智能型的机床运动控制器，而加工时候的变量都是一边在实际加工过程中，一边手工方式通过CAD/CAM来进行系统的编程，属于封闭式的开环执行结构，一般的在加工复杂的环境下，刀具的组合、工件的材料性能、主轴的转速、进给率的大小、刀具的加工轨迹、背吃刀量、加工的余量等加工工艺参数。

都是无法在现场环境下根据外部的干扰和税金因数去进行动态的调节。

所以说国内的数控机床严重的限制了向多变量智能化发展的。

因此国内的数控机床变革主要在以下几个特点进行：

（1）研发型的产品，具有很大的市场前景，技术含量高的产品占主要地位

（2）数控机床的产量将是井喷式的增长，数控智能化显著提高

（3）数控机床的关键配套产品能有所突破

1.2加工中心的概述

1.2.1加工中心的概述

加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床。

他的这加工性能强，加工精度高，能在一尺装夹后进行膛、铣、车、钻、扩、绞、攻丝等多种加工工序的加工，特别的是它能加工完成普通机床所不能加工的工件，对形状复杂、精度要求高的单件加工或者中、小批量多品生产更为合适。

加工效率高，就中等加工的批量工件，其加工效率一般是普通机床的5~10倍的生产效率。

它适用于箱体类的零件，盘、套、板类的零件，异形件和复杂曲面的零件如：

型面、叶片、螺旋桨、模具等数控加工。

因此它是目前世界上产量最高的、应用最广的数控机床之一，可从一个方面来判断一个国家的或者企业的技能和工艺水平的高低。

（1）卧式加工中心：

是指主轴中心线为水平状态，最适合加工简单的箱体类零件。

（2）立式加工中心：

是指主轴中心线位于垂直状态，主要适用于加工箱体类复杂的小型零件。

（3）龙门加工中心：

是指具有能加工5面加工功能的加工中心。

主要用于加工复杂的工件。

加工中心的工艺特点：

（1）加工精度高

（2）表面质量好

（3）加工生产质量高

（4）工艺适应性强

（5）劳动强度低，劳动条件好

（6）具有良好的经济效益

（7）有利于生产管理的现代化

1.3数控技术的发展趋势

数控技术和数控设备是各国工业现代化的重要基础。

我国数控技术与世界先进国家之间仍存在差距，数控技术的发展是我国制造业发展的重要战略问题。

现在我国正在转型改革中，所以数控机床的使用功能在不断扩大，并正在不断的研发中，以满足生产加工的需要。

其发展趋势是高速、高精度、复杂、智能、开放、网络、多轴、绿色等。

第2章增加第四轴的意义

在我国改革开放以来就开始注重技术、设备、和生产线的数控机床改造，在对这些数控机床的改造中，很大一部分为我国的经济建设作出了巨大的贡献。

由于现在的工件对精度的要求也日益增加，老一批的数控机床加工不到现在的精度要求，但要是舍弃这些老一批的数控机床的话，那就意味着我国有将近一半的数控车床走下工作岗位，这也是那些中小型企业所不能承受的，也是对国内的数控加工的一个大的打击，对国内的经济建设将会造成重创。

所以这些老一批的数控机床是很大一批的存量资产，改造好了就是一笔财富，只要找到机床对精度的影响因素，攻克难关，解决技术难题，就可以以最小的财富代价去争取到最大的经济利益和社会利益，所以说是一个巨大的发展空间。

我国家的数控机床业也提出了“以旧换新”的概念，但我们国家的数控机床也都高低不同，其中中、低档数控机床是在实际应用中占得比例比较大,所以对中、低档的数控机床进行全面或部分“以旧换新”的难度是比较大。

目前,多轴联动化复合加工是数控机床发展的主要趋势。

虽然制造业对多轴联动数控机床的需求量较大。

但是，发展数控技术的最大的阻碍就是购买比较高档数控机床投资比较大，这使得许多商家都难以承受。

如果淘汰掉大量的中低档数控机床，而去购买昂贵的数控机床或者加工中心机床，势必造成巨大的资源浪费。

一般的老旧数控车床只能加工单一的工作面，不能加工多个面，所以，就需要反复的装夹，从而影响了加工精度。

在一些必要的加工工件时，除了要在数控机床上进行正常的轮廓、孔的加工，有时还需加工曲线、曲面类零件。

如：

图2-1卡盘类工件图2-2圆柱曲面工件

在加工这样的工件时，可以考虑在数控机床的工作台面上增加一个第四轴。

此时可在数控机床上安装第四轴，当普通三轴联动数控机床加上数控分度工作台后便可以实现四轴联动。

四轴联动化改造后的数控机床,避免了对工件的反复装夹，影响加工精度,可以通过数控分度工作台的转动而实现工件单次装夹的多工序、多表面复合加工。

扩展机床功能，使之成本投入较前者大幅度降低。

还提高了机床的加工能力和产品的加工精度。

通过对凯达加工中心增加第四轴的改造，使其加工范围变得广泛，定位更加的精准，操作起来简单，总体性价比高。

本次改造主要针对凯达加工中心的增加第四轴、分度头的选用、伺服器的选型、可变控制器的设计及联机调试、试切削进行了改造，方法简单，改造步骤便于实施。

第3章凯达加工中心KDVM1000L设计改造

3.1现有数控机床的功能分析

3.1.1现有的设备功能

如图3-1凯达加工中心KDVM1000L外观

凯达加工中心性能的主要技术参数：

表3-2所示

项目

KDVM1000L

行程

工作台行程（X）

1000mm

滑鞍行程（Y）

500mm

主轴箱行程（Z）

510mm

主轴中心线至立柱导轨面的距离

550mm

主轴端面至工作台的距离

155-665mm

工作台

工作台尺寸

1130×510mm

工作台承重

600Kg

T型槽（宽×槽数×间距）

18×3×160mm

主轴

主轴锥孔

B-T40

主轴转速

8000rpm

主电机功率

7.5/11KW

主轴卸刀方式

气动

进给

X、Y轴移动速度

Z轴移动速度

0-20m/min

X、Y、Z轴电机扭矩

0-20m/min

重复定位精度（X/Y/Z）

12Nm

换刀系统

刀库容量

圆盘式：

24把

相邻刀具最大直径

Ø80mm（圆盘式）

Ø90mm（斗笠式）

无相邻刀具最大直径

Ø130mm（圆盘式）

Ø150mm（斗笠式）

最大刀具长度

300mm（圆盘式）

250mm（斗笠式）

刀具最大重量

7kg（圆盘式）

8kg（斗笠式）

换刀时间（刀对刀）

2s（圆盘式）

其他

最小移动单位（X/Y/Z）

0.001mm

最小输入单位（X/Y/Z）

0.001mm

机床外形尺寸（长×宽×高）

3950×2100×2600mm（带排屑器）

机床净重

5480㎏

产品特点：

·底座设计，X、Y、Z向采用精密直线导轨

·滚珠轴承采用预拉伸

·即适合强切削，也适合精密加工

·可加配第四轴

3.1.2需要改造的部分

需要改造的部分如下：

（1）数控分度头的安装、调试；

（2）对数控机床机械、电气、液压以及电气原理图的设计、选型，保证其扩展功能达到加工要求。

（3）修改机床PMC程序。

利用FANUC0i数控系统内置的PMC进行逻辑控制及信息处理，机床各部分能协调工作。

3.2第四轴的设计改造方案

3.2.1第四轴的类型选择

数控机床的各种零件配套的性能，从而使得机床的加工范围变得宽广。

现在我们国家在数控机床行业的迅猛发展，从而带动了与数控机床相配套的零件产业，已形成了专业化、系列化的格局。

一般的老旧数控车床只能加工单一的工作面，不能加工多个面，所以就需要反复的装夹，从而影响了加工精度。

在一些必要的加工工件时，除了要在数控机床上进行正常的轮廓、孔的加工，有时还需加工曲线、曲面类零件。

本设计正是基于这