X6132A型铣床的数控化改造.doc
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湖南铁道职业技术学院
HUNANRAILWAYPROFESSIONALTECHNOLOGYCOLLEGE
毕业设计
题目:
X6132A型万能卧式铣床的数控化改造
系别:
机电工程系
学生姓名:
王鹏
专业与班级:
数控维修092班
指导老师:
石金艳
完成日期：
2011年12月10日
毕业设计任务书
机电工程系
一、设计课题名称：
X6132A型万能卧式铣床的数控化改造
二、指导教师：
石金艳
三、设计要求：
采用数控装置和伺服装置，对X6132A型万能卧式铣床进行数控化改造。
要求能进行铣削数控加工，达到或超过原铣床加工性能。
数控装置、伺服装置选择合理，控制系统设计简单可靠，保护措施完备。
四、设计依据：
X6132A型万能卧式铣床控制要求、电气原理图及相关参数；数控装置型号规格参数；进给伺服系统型号规格参数；常用低压控制电器型号规格参数。
五、参考资料：
熊光华主编·数控机床·北京：
机械工业出版社；2002
廖兆荣主编·机床电气自动控制·北京：
化学工业出版社；2003
王爱玲主编·现代数控机床结构与设计·北京：
兵器工业出版社；1999
余良英编著·机床数控改造设计与实例·北京：
机械工业出版社；1998
白恩远主编·现代数控机床伺服及检测技术·北京：
国防工业出版社；2002
袁任光编著·交流变频调速器选用手册·广州：
广东科技出版社，2002
曾毅等编著·变频调速控制系统的设计与维护·济南：
山东科学技术出版社，
李荣生主编·电气传动控制系统设计指导·北京：
机械工业出版社，2004
姜德希编·机床电气线路图册·北京：
中国农业出版社
编写组编著·工厂常用电气设备手册上、下册·北京：
中国电力出版社，1997
六、设计内容进度及工作量
（一）设计内容和进度要求
序号
进度要求
设计内容
1
1周
了解铣床的传动、控制、加工性能，分析国内外数控铣床的结构、控制和加工要求。
2
0.5周
对进给、主轴传动系统进行分析计算，选择拖动电机并确定传动系统改造方案
1周
完成进给、主轴传动系统改造图
3
0.5周
选择进给伺服装置
0.5周
完成伺服系统控制设计，并完成伺服系统控制原理图。
4
0.5周
选择数控装置。
5
1周
完成电气原理图草图
0.5周
完成电气原理图
6
0.5周
伺服系统调试设计
0.5周
数控装置调试设计。
0.5周
机床安装及调试设计。
7
2周
编写设计说明书。
8
1周
毕业设计答辩准备及答辩。
（二）工作量
设计说明书：
总体方案设计；进给轴机械传动设计；伺服装置选型；伺服系统控制设计；数控装置选型；电气控制系统设计；机床安装与调试设计；图纸：
机械装配图；伺服系统控制原理图；电气安装接线图；电气原理图；元器件清单；
七、说明书的格式和装订要求
（一）毕业设计封面（全系统一格式）
（二）毕业设计评阅书（全系统一格式）
（三）评分标准（全系统一格式）
（四）毕业设计任务书（指导教师下发）
（五）毕业设计明细表（全系统一格式）
（六）目录
（七）毕业设计正文
（八）设计图纸
（九）毕业设计总结
（十）参考资料
八、毕业设计课题审批表
审批具体意见
审查部门负责人意见
专业负责人
时间年月日
学术负责人
时间年月日
湖南铁道职业技术学院
毕业设计评阅书
1.指导教师评语：
签名:
年月日
2.答辩委员会综合评语:
经毕业设计（论文）答辩委员会综合评定成绩为:
答辩委员会主任（签字）:
毕业设计评分标准
考核
项目
及总
分
具体内容
分
值
评分标准
得
分
差
及
中
良
优
设计
过程
20
查阅资料及手册能力
5
0~2
3
3.5
4.5
5
工作态度及纪律情况
5
0~2
3
3.5
4.5
5
独立工作能力
5
0~2
3
3.5
4.5
5
基本概念、基本理论及专业知识掌握情况
5
0~2
3
3.5
4.5
5
设计
结果
40
规定任务的完成情况
10
0~5
7
8
9
10
说明书质量
10
0~5
7
8
9
10
图纸及技术文档的质量
15
0~8
10
12
13
15
设计有无独到和创新之处
5
0~2
3
3.5
4.5
5
答辩
情况
40
对设计的阐述（自述）
15
0~8
10
12
13
15
基本理论和方法问题
15
0~8
10
12
13
15
有关设计问题
10
0~2
7
8
9
10
班
级
学
号
姓
名
总
分
指导老师签名
考核小组专家签名
湖南铁道职业技术学院
HUNANRAILWAYPROFESSIONAL TECHNOLOGYCOLLEGE
绪论
毕业设计是我们大学生在毕业前进行的一次综合性的总复习，也是一次理论联系实际的练习，是对我们所学专业知识的一次全面的检验;毕业设计是一项综合的系统的工作，它要求我们每个大学毕业生全面系统地运用专业知识，综合现场需要，科学，合理设计，因而它要求具有科学性，合理性和可操作性。
毕业设计是在学习了三年数控维修专业知识以后，对所学知识的一种综合体现，把所学知识能够运用到实际机床的设计中，是在我们学完了大学基础课，技术基础课，以及大部分专业课之后进行的。
毕业设计作为大学生离校前的最后一项重要工作，势必有它独特的，无法比拟的作用。
通过对该机床的设计，使我认识到机床必须具备怎样的结构要求和技术要求，要满足其结构和技术要求，我们在实际运用中又应该怎样正确的操作加以保证该要求，在需要维修时，使我们了解到怎样才能正确的找出故障，并且如何正确的维修好机床,同时，怎样好的让机床发挥出最大的能力来加工产品。
本设计课题是对X6132A型万能卧式铣床的数控化改造。
就我们而言，应当通过这次毕业设计，得到以下能力方面的锻炼与提升。
1、加强对机床本身的了解，加强理论知识与实际中的统一，消除对实践的不重视，调整好自己的心态面对以后的道路。
2、提高自身的设计能力，加强自己的设计和实际操作能力。
3、学会怎样查询各种手册和专业资料，并且能够迅速的查询出自己所需的正确数据。
4、学会怎么样将自己的知识融合在一起，形成一个综合的理论知识。
5、通过毕业设计，全面掌握机床的机械部分和电气部分，为自己掌握其它机床的改造与维修打下基础。
希望通过这次设计，对自己未来从事的工作打下一定的基础，同时毕业设计得到了石金艳老师的大力帮助，在此表示感谢。
但由于能力有限，设计尚有许多不足之处，希望各位老师指出错误，感激不尽。
目录
第1章前言 1
1.1数控系统的发展历程 1
1.2国内外数控系统发展 1
1.3对我国数控技术及其产业发展的基本估计 2
1.4数控未来发展的趋势 3
第2章总体改造方案的确定 4
2.1X6132A铣床介绍 4
2.2X6132A铣床数控化改造的要求和方案确定 5
第3章数控系统的确定 7
3.1数控系统的选择 7
3.2数控系统介绍 7
第4章主传动系统的改造 10
4.1主传动系统改造思路 10
4.2主轴部件 10
4.3变频器的选择 13
4.4主轴编码器的选用 15
第5章进给系统的改造 17
5.1滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型 17
5.2齿轮传动比计算 20
5.3伺服电机的计算和选用 21
5.4伺服机械传动部分的改造 24
5.5伺服驱动装置的选用 25
第6章自动拉刀装置的设计 27
6.1刀具自动夹紧机构 27
6.2拉刀装置的工作原理 27
第7章机床安装及调试 29
7.1数控机床的安装 29
7.2系统的调试 30
7.3数控系统参数设定 32
参考文献 39
第1章前言
1.1数控系统的发展历程
自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。
其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数控系统。
在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。
从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。
在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。
我国从发展数控技术的战略高度出发，结合国民经济发展的特点对数控技术进行创新性研究，重点开发“开放式、智能化”的数控铣床，数控加工中心集数控电加工机床系类产品。
1.2国内外数控系统发展
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。
在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。
CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
1.3对我国数控技术及其产业发展的基本估计
我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：
第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。
在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。
第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。
在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。
第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。
纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得的成绩还是不小。
1、战略考虑
我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。
首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。
2、发展策略
从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。
强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控铣床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。
重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模问题。
没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模，就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模，中国的数控装备最终难有出头之日，没有规模，中国只能做制造大国，无法向制造强国转变。
1.4数控未来发展的趋势
1、继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。
远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
2、向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
3、向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
第2章总体改造方案的确定
2.1X6132A铣床介绍
1、主要参数
表2-1X6132A型铣床主要参数
型号
X6132、X6132A（万铣）
工作台面积（毫米）
320×1320
工作台行程（毫米）
纵向（手动/机动）
700/680
横向（手动/机动）
255/240
升降（手动/机动）
320/300
工作台进给级数
18
工作台进给范围
纵向
23.5-1180
横向
23.5-1180
升降
8-394
主轴端面至工作台距离（毫米）
30-350
主轴变速级数
18
主轴变速范围（转/分）
30-1500
主电机功率（千瓦）
5.5（可选7.5）
机床外形尺寸（长×宽×高）（毫米）
2294×1770×1665
机床质量（千克）
2650
2、X6132A主要性能
X6132A万能铣床是一种卧式万能升降台铣床，该产品操作方便，性能、质量稳定，机床具有操作灵活便，万能性广等特点。
X6132A万能铣床的配置相应附件可以扩大机床的加工范围，可用圆柱铣刀、圆片铣刀、角度铣刀、成型铣刀、端面铣刀及棒状铣刀等来进行平面、斜面、沟槽、切断及成形面的加工，还可以进行钻、镗、插加工。
X6132A万能铣床的装置分度头时，可铣切花键、直齿圆珠、齿轮、伞齿轮和铰刀以及类似零件。
当工作台回转一定角度，可铣切螺旋面（如铣头槽、螺旋齿轮等）。
采用镗刀杆后亦可对中、小零件进行孔加工。
加装立铣头，可用立铣刀进行切削加工（立铣头为特殊附件）可进一步扩大机床使用范围。
2.2X6132A铣床数控化改造的要求和方案确定
1、X6132A铣床数控化改造的要求
1）能够实现主轴的正反转，实现不同切削速度的主轴变速。
2）能够实现几根轴的联动，能够加工比较复杂的工件。
3）进给伺服能够精准的定位和到达，等等。
这些内容都是数控化改造后数控机床需要实现的。
2、X6132A铣床数控化改造的方案
数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。
普通铣床改造的目的是利用数控系统控制铣床自动完成机械加工任务，提高铣床的加工精度和生产效率。
在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有铣床尽可能减少改动，以降低改成本。
改造中需要解决的问题是：
将机械传动的进给和手动换刀改造成数控装置控制的自动拉刀装置和自动进给的数控加工铣床。
根据X6132A铣床的有关资料，确定总体方案为：
1）选定数控系统和伺服驱动系统
数控系统是机床数控化改造的核心。
数控改造的目的是要求机床稳定可靠,运转故障率低。
数控系统的选择应依据价格适中,技术先进、服务方便的原则,不应单纯追求高性能指标。
可采用进口的数控系统如日本的FANUC系统,德国的西门子系统,国产的主要有华中数控、广州数控等,也可综合机床实际,自行设计研制数控系统,改造成本会更低。
伺服驱动系统有闭环、半闭环、开环3种方式。
开环系统具有结构简单，系统稳定，调试简单，成本低等优点。
但是因为系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度比较低，并且随着以后对零件的精密程度要求越来越高，开环系统的精密度可能达不到零件精密度的要求；半闭环系统中闭环回路不包含机械转动环节，所以可以获得稳定的控制度，又因为可用补偿的办法消除机械转动环节的误差，所以可以获得满意的精度，同时反馈过程中不稳定的因素的减少，因此调试方便，稳定好，目前应用比较广泛。
闭环系统定位精度高，调速速度快，但该系统受进给丝杆的拉压刚度等非线性的影响，给调试造成很大的困难，如果各种参数匹配不当，将会引起系统震荡，造成不稳定，影响定位精度而且闭环系统复杂和成本高；综合成本和以后发展的需要，决定采用半闭环系统。
2）丝杆螺母副的改造
为保证进给伺服系统的传动精度、运转平稳性和机床加工精度,选用摩擦小、精度高、寿命长、低能耗、通用性强、传动效率高的滚珠丝杆螺母副,并应用预紧机构,以提高传动刚度和消除间隙。
3）自动拉刀设计
自动拉刀装置是数控改造的重要内容,通过将原机床的手动换刀替换成拉刀装置来实现换刀铣削,拉刀装置最常见的形式是液压系统控制,由数控系统直接控制,效率高,装刀速度快。
4）主轴的改造
主轴原先由主转动变速箱及主轴部件组成，通过Ⅰ轴，Ⅲ轴的两个三联滑移齿轮及Ⅲ轴上的一个双联滑移齿轮，使得主轴获得18种转速；改造后变成由变频器控制的无级调速系统，通过带传动带动主轴部件转动，必要时可以加装齿轮系统来增加主轴系统的调速范围。
同时，加装主轴编码器以获得主轴的速度、位置信号，反馈给数控系统。
5）交流同步伺服电机
将交流同步伺服电机模拟成直流电机控制，利用定子磁场与转子磁场NS磁极相互吸引的特性，因为直流电机定子磁场与转子力矩磁场成垂直，因此在交流伺服电机尾部需要加装编码器，以检测电机转子磁极位置。
6）冷却液
矿物油润滑、防锈
油脂提高润滑性
极压添加剂（硫、磷、氯）提高刀具寿命
乳化剂允许与水混合
pH引发剂提高防锈性能和生物稳定性
杀虫剂控制细菌和霉菌
去泡剂控制泡沫
防氧化剂防止氧化，使有光泽
颜料、香精客户喜好
第3章数控系统的确定
3.1数控系统的选择
1、数控系统的选择
数控机床的价格主要由数控系统来决定，从价格和以后发展的需要以及未来对机床加工出来的零件的精密度要求越来越高的要求我们决定选用德国SIEMENS的SINUMERK802D数控系统。
802D是在机床行业广泛采用的现代标准控制系统，它与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATICS7300可编程控制器一起，构成全数字控制系统。
SINUMERK802D是将CNC,PLC,人机界面HMI和通讯集成于面板控制单元PCU的集成性数控系统。
它可由PROFIBUS总线连接4个数字进给轴和一个数字/模拟主轴及I/O模块。
因此安装简单，布线费用低。
控制系统的功能范围理想用于标准化的铣床和铣床，驱动系统的模块化结构为各种应用提供了最大灵活性。
2、卧式铣床进行数控化改造
1）主要是将X轴,Y轴,Z轴进给系统改造为用数控装置控制的、能独立运动的进给伺服系统。
2）刀架改造成为能自动拉刀的换刀装置；由于加工过程中的铣削参数、铣削次序都会按程序自动进行调节和更换。
3）再加上X轴，Y轴和Z向进给联动的功能，数控改装后的铣床就可以加工出形状复杂的零件，并能实现多工序自动铣削。
4）主轴通过无级变速来控制电机的转速，从而获得不同的主轴转速范围，以适应不同的转速要求。
3.2数控系统介绍
1、SINUMERK802D数控系统特性如下
Ø具有免维护性能同SINUMERIK802S/CBASELINE
Ø可控制4个进给轴和一个数字轴或模拟轴。
通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器，输入输出模块连接起来
Ø模块化的驱动装置SIMODRIVE611UE配套1FK7系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。
通过视窗化的调试工具软件（SimoComU），可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化
Ø继承了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制。
采用标准的PLC的编辑语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。
并且随机提供标准的PLC子程序库和示例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。
2、西门子802D系统连接如图3-1所示
图3-1西门子802D系统连接图
3、操作台实物图
图3-2操作台实物图
1）显示器
操作台的左上部为10.4´TFT彩色液晶显示器。
2）NC键盘
NC键盘包括MDI键盘和F1~F10十个功能键。
标准化的字母数字式键盘的大部分键具有上档键功能，当“UPPER”键有效时，指示灯亮，输入的是上档键。
NC键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI及系统管理操作等。
3）机床控制面板
标准机床控制面板的大部分按键（除“急停”按钮外）位于显示器的右边，机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。
第4章主传动系统的改造
4.1主传动系统改造思路
在改造时,只留下一个变速级，拆除其余的变速机构,电动机采用变频器调速，来改变主轴的速度，由于变频器可实现主轴无极调速，故我们仍采用原有的交流异步电动机。
用同步齿形带带动编码器，检测主轴速度、位置示意图如图4-1示。
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