2010110439 庞慎达 数控车床技术与应用

百色学院本科毕业论文（设计）PAGE目录TOC\o"1-3"\f\h\z\uTOC\o"1-3"\f\h\z\u百色学院本科毕业论文（设计）开题报告 I百色学院本科毕业论文（设计）任务书 V百色学院本科毕业论文（设计）中期自查表 VII摘要 VIIIABSTRACT VIII1绪论 11.1本文的研究背景 11.2数控车床的组成和简介 11.3数控车床的工作方式 21.4数控车床相比普通车床的优劣 22数控车床的改造及设计 32.1为什么要改造数控车床 32.2现有广州数控GSK980TDb数控车床的状态 32.3数控车床的改造目标 32.4数控车床的发展方向和国内外的车床改造研究动态 42.5数控车床改造的市场需求 53数控车床改造方案的选择 63.1国内的主要数控系统 63.1.1广州数控的简介 63.1.2广州数控GSK980TDb数控车床的简介 63.2改进设计方案的选择 73.3改进的相关设计 83.4数控车床的改造步骤 84对广州数控GSK980TDb数控车床进行结构上的分析 84.1数控车床进给系统 84.2主轴传动系统 94.3刀架 94.4数控车床的辅助系统 94.5广州数控GSK980TDb型数控车床的优点 104.6广州数控GSK980TDb数控车床结构上的改进 104.6.1箱体的改造设计 104.6.2冷却系统的改造 114.6.3刀架的改造 18分析 22总结 22致谢 24参考文献 25百色学院本科毕业论文（设计）诚信保证书 26PAGEVII百色学院本科毕业论文（设计）开题报告学号2010110439学生姓名庞慎达系名物理与电信工程系专业年级金属材料工程10级指导教师覃铭职称教授论文（设计）题目数控车床技术与应用1.本论题国内外研究动态及研究意义：数控车床的发展简史：和很多机床一样早期的车床是由手动控制为主，机械控制的误差和人为操作的不确定性造成了人力物力的大量浪费。20世纪中期，随着电子技术的飞速发展，自动信息处理、数据处理以及计算机的出现给车床带来了革命性的转变。先进的电子技术使得采用数字技术控制车床加工成为可能。并于40年代初由美国的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司研制成功，当时主要用于制造飞机的框架和直升机的旋翼。利用全电技术对工件进行精确加工获得了±0.0381mm的精度，在当时属于最高水平。60年代开始数控技术开始应用于车床在70年代后得到了快速的发展。在往后的时光中数控车床无论在自动化程度、加工精度、智能化还是可靠性都得到了空前的发展。随着社会不断进步，普通车床已经不能完全适应社会的发展，传统的车床只能对工件进行比较单一的加工，而且人工加工存在精度低质量不稳定等因素，专用的机床在设计和运用的成本都比较大因此数控车床得到了大量用户的亲赖。数控车床可以轻松完成外圆、端面、内孔和螺纹的加工，具有高效高精度等特点。这一切都让劳动力得到了解放，使得传统的生产方式得到了空前进步。数控车床是数字程序控制车床的简称，拥有万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，可分为卧式和立式两大类。随着科学技术和社会经济的不断发展人们对数控车床有了更高的要求：高精度、高度自动化和高通用率等。我国在数控车床上和美日等发达国家相比有应用的范围小、机床精度低、自动化程度低等劣势。外企利用技术封锁禁售等手段长期阻碍我国的技术发展。目前我国应用比较广泛的有华中数控和广州数控，在技术和可靠性上和西方还有一定的差距。一个民族的复兴和她的制造业息息相关，然而操作者的素质稂莠不齐及部分工件在加工过程中拆装都影响加工质量。对机床进行简单的改造在经济性和实用性上有着重要的研究意义。相对落后的数控车床改造为企业节约了成本提升了竞争力。与此同时刀具相对工件高速运动时，温度相当高这无疑加速了刀具的磨损，冷却系统显得尤为重要，但冷却系统存在冷却死角和是否需要冷却问题。不正当的冷却会加速刀具或冷却液的损耗。因此对数控车床的功能和冷却进行简单改造具有研究的价值。研究的意义：目前数控车床的应用范围越来越大，对工业的影响力也逐年上升，功能较单一的数控车床越来越不能满足生产的需要。西方发达国家对我们的技术封锁不容忽视，唯有自主发展才能在示来不受制于人。普通车床只适用于小批量、结构简单的工件进行生产，数控车床可以按照使用者事先编写好的程序运作，一人可使用多台车床进行加工作业。大大减轻了劳动难度和加快了生产速率使工业制造上了快车道。对数控车床进行简单的改造不仅让机床焕发新生，也有利于延长机床的使用年限。为机床提供更加有效的发展空间为企业节约成本提高竞争力。2.毕业论文（设计)研究内容、拟解决的主要问题：研究内容：数控车床的组成数控车床的工作原理数控车床冷却系统的工作原理数控车床改造后的加工方法和用途相关手册和标准的使用拟解决的问题：数控车床的改造是否顺应时代的发展有哪些特色，能否在生产中体现价值和优势制造上是否经济保养维修是否方便是否有市场社会效益与经济效益如何3.毕业论文（设计)研究方法、步骤及措施：研究方法：查阅、收集相关教师的书籍、设计等资料，进行分析、总结和整理，采用参考和类比法进行计算设计。步骤及措施：（1）2013.11.28--2013.12.12设计题目的确定，为设计确定方向。（2）2013.12.13--2013.01.09定题并完成毕业论文（设计）开题报告。（3）2014.01.10--2014.01.16资料的准备积累，查看与题目有关的资料，并整理所有资料；制定具体工作计划，与指导老师进行讨论，经指导教师修改审定。（4）2014.01.17--2014.03.06在教师指导下，分析有关资料，进行总结、写初稿。（5）2014.03.07--2014.03.13检查论文（设计）进度，如果发现由于各种原因无法完成论文（设计）的情况，及时修改工作计划。并且及时填写《百色学院本科毕业论文（设计）中期自查表》。（6）2014.03.14--2014.05.01初步完成设计研究内容，并且对预期结果做好统计、分析、总结、数据处理等工作。同时按要求完成论文（设计）初稿，并提交指导教师审阅修改,要求修改三次以上同时重新整理修改后的论文，检查并确认无误。（7）2014.05.01--2014.05.15将毕业论文(设计)文本、《本科毕业论文（设计）答辩提纲》（学生填写）、《百色学院本科毕业论文(设计)诚信保证书》等相关材料提交指导教师，同时做好论文答辩准备。（8）2014.05.17--2014.05.18参加论文答辩。（9）2014.05.19--2014.06.14根据评阅、答辩意见完善论文(设计)最后工作，修改论文(设计)文本；按规范要求将论文装订成册,经指导教师审查通过后提交系里存档。4.主要参考文献：赵军华主编，车工速查手册，河南科学技术出版社，2008.322-24金福昌主编，车工（初级），机械工业出版社，2012.6付承云主编，数控车床编程与操作应知应会，机械工业出版社，2007.1孙德茂主编，数控机床操作技术，机械工业出版社，2007.8邵国安，浅谈普通车床的数控化改造，机电新产品导报，2004，10赵江海、梁楚华主编，数控机床的硬件改造与软件优化，机械研究与应用，2004.1张映故，数控机床改造的发展概况浅析，科技创新导报，2009，6沈军，数控机床改造方案的选择，机电新产品导报，2006，4成大先，机械设计图册.北京：化学工业出版，2009邱宣怀，机械设计，北京

高等教育出版社1997，张文焕，成本通，机床夹具设计，国防工业出版社

2000王爱玲，现代数控机床结构与设计，兵器工业出版社1999.9杨黎明，黄凯，机械零件设计手册，国防工业出版社

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徐衡，数控铣工实用技术，辽宁科学技术出版社，2009王风蕴，张超英．数控原理与典型数控系统[M]．北京高等教育出版社，2003李建华．如何改造数控机床[J],经济技术协作信息．2010陈瑞阳．机电一体化控制技术[M]．北京：高等教育出版社，2005顾颂虞．数控机床的发展及机床改造[J]．苏州大学学报：工科版．2004任建平，白恩远，王俊元．现代数控机床故障诊断及维修[M]．国防工业出版社，是否可以进入论文（设计）研究：指导教师签名：年月日是否可以进入论文（设计）研究：系主任签名：年月日百色学院本科毕业论文（设计）任务书题目名称数控车床技术与应用学生姓名庞慎达所学专业金属材料工程10级班级金本10班指导教师姓名覃铭所学专业金属材料工程职称教授完成期限2013.12.01—2014.05.011.毕业论文（设计）主要内容或主要技术指标主要内容：数控车床是数字程序控制车床的简称，拥有万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，可分为卧式和立式两大类。但部分工件在生产上不能满足表面粗糙度、精确度等要求，对数控车床相应的改造有助于完善机床的功能并延长机床的使用寿命。本项目涉及到的专业知识有数控车床应用技术、数控车床维修维护、人机交换技术、计算机应用技术及CAD和UG等软件的使用等。主要技术指标：（1）对加工区域进行温度检测，判断是否需要冷却，以及采取的冷却方式。（2）增加特殊模块对工件进行精加工，减小工件因拆装造成误差2.毕业论文（设计）基本要求（1）认真做好文献查阅工作；开题前阅读量中文文献50篇外文文献学30篇左右。（2）认真学习相关理论知识，熟悉和掌握相关软件的使用，如CADUG斯沃特数控仿真软件等。（3）文章格式统一、规范，并多用图形、图表、公式、数据、过程等来体现内容；（4）认真撰写论文。要按学科标准和论文写作要求规范地撰写论文，要独立自主的完成，坚决杜绝弄虚作假、抄袭剽窃等现象；（5）认真填写《百色学院本科毕业论文（论文）进展情况记录表（学生用）》、《百色学院本科毕业论文（设计）中期自查表（学生用）》、《百色学院本科毕业论文（设计）答辩提纲（学生用）》等文件。3.毕业论文（设计）进度安排（1）2013.12至2014.01做好课题调研工作，查阅相关文献，初步制定论文方案，撰写开题报告，进行开题答辩。（2）2014.01至2014.03围绕所研究课题，进行设计、测试、实现预定功能，并根据设计过程整理论文论据素材。（3）2014.04至2014.05撰写毕业论文，补充必要的测试，并于4月中旬、下旬撰写出毕业论文初稿、修改稿。（4）2014.05至2014.05五月上旬完成定稿，准备论文答辩。答辩后根据答辩专家组意见再修改，提交最终版。指导教师签名：年月日百色学院本科毕业论文（设计）中期自查表系名物理与电信工程系年级2010专业金属材料工程（铝深加工）本人投入的时间和精力每周平均工作30小时，出勤情况：较好（√）、一般（）、差（）。影响时间投入的原因：找工作（√）、自身水平（√）、其他原因兼职。指导教师的投入指导教师每周指导2次，大约2小时；指导形式：网络（√）、电话（）、面对面（√）、其他；指导效果：好（√）、较好（）、一般（）、差（）。毕业论文（设计）工作情况是否能按任务书的“进程安排”完成工作：是（√）、否（），已完成内容占全部工作50％。你的论题是：自选（）、专业安排（√）、跨专业（）。论题是否结合专业（是）、难度（适当）、工作量（一般）。自己对毕业设计（论文）文件规范的学习情况：已了解（√）、部分了解（）、不清楚（）。条件保障试验设备和器材是否得到保证：是（√）、否（）。学校提供的图书资料是否满足需要：是（）、一般（√）、否（）。学校计算机上机条件：好（√）、较好（）、不好（）；约需10机时。经费来源：学校（）、个人（√）、尚无需要（）。存在问题及整改思路存在问题：校内可供实验设备数量及种类有限，实验材料有限及仿真软件加工不理想。整改思路：合理安排实验时间，多去图书馆查资料熟悉数控技术和加工方法并配合仿真软件进行改造及实用性研究。学生签名：年月日指导教师签名：年月日百色学院本科毕业论文（设计）PAGE26数控车床技术与应用金属材料工程（铝深加工）2010110439庞慎达指导教师：覃铭TC摘要\l1摘要：随着社会的进步和科学技术的发展，普通车床已经越来越不能适应生产的发展需要。数控车床的出现大大降低了工人们的劳动强度,相比普通车床生产效率更高、稳定性更好。然而复杂的制造工艺、控制系统、人机交互模式以及高昂的设备让不少新老用户望而止步。为了让用户能更好的使用数控车床进行高效、安全、舒适的生产，对数控车床的改造具有深刻的研究意义。本项目以数控车床为主要研究对象，对数控车床的改造进行评估和讨论，用理论和实践结合的方法对数控车床改进技术进行研究和检验。找出数控车床存在的问题并加以改进，探索更为高效、价格合理、安全的改造方法。配合仿真软件斯沃数控仿真软件和广州数控GSK980TDb型数控车床进行研究。采用观察法、理论分析法和实际加工进行对比,并结合用户反馈为研究数控车床改造后效能提供评估依据。关键词：数控车床改造；仿真软件；人机交互；结构CNCLatheTechnologyandApplicationsTCABSTRACT\l1Abstract:Alongwithsociety'sprogressandthedevelopmentofscienceandtechnology，generallathesalreadymoreandmorecannotadapttotheneedsofthedevelopmentofsociety'sdevelopmentrequires.TheemergenceofCNClathesgreatlyreducesthelaborintensityofworkers,ComparedwithgenerallathestheCNClatheshavehigherproductionefficiencyandbetterstability.Butthecomplexmanufacturingprocesses,controlsystems,Human-computerinteractionmodeandexpensiveequipmentmakemanyoldandnewuserstoptheadvance.InordertoallowuserstomakebetteruseofCNClatheswithefficient,safeandcomfortableinproduction,therehaveaprofoundsignificanceforthetransformationofCNClathes.Inthispaper,CNClatheasthemainobjectofstudy,toassessanddiscussionthetransformationofCNClathes,withacombinationoftheoryandpracticalmethodsforCNClathe'simprovedtechnologytoresearchandverification.FindouttheproblemsofCNClathethentoimproveCNClathe.Exploremoreefficient,affordableandsafemethodoftransformation.WithsimulationsoftwareSWCNCandGSKCNClatheGSK980TDbtostudy.Usingobservationmethod,theoreticalanalysisandtheactualprocessingtocomparison,combinedwithuserfeedbacktothestudyofthetransformationofCNClathesprovideassessmentsbasedonperformance.Keywords：TransformCNClathe；Simulationsoftware；Human-computerinteractionmode；Structure1绪论自从我国加入世界贸易组织（WTO）后，慢慢变成了世界工厂。以珠三角和长三角为重点向内陆辐射，数控车床在工业生产中应用范围不断扩大。然而我国在数控车床的拥有量和自动化程度相比美、日等发达国家都有一定的差距。高精度机床和专用机床研发周期长，制造成本大，中小企业要想更换新车床难以实现，老旧的车床生产效率及质量面对客户的要求更加显得力不从心。因此对数控车床进行改造使其获得新生，增加的功能对生产自动化的提高有一定的帮助。在利用现有车床进行改造升级节约了成本，提高了企业竞争力，这具有非常重要的研究意义，数控车床的改造具有迫切性和必要性，是一个重要的研究方向。1.1本文的研究背景进入21世纪，工业得到了空前的发展，数控车床的应用也相应扩大，我国慢慢成为世界工业制造中心，车床的拥有量巨大并持续增长。然而大多数车床都是非数控或者处在比较低的自动化水平，机床使用年限长，生产出来的产品精度远远不及发达国家，生产周期却更长，这与我国的工业化格格不入，严重影响了企业的发展和国家的进步。但是大规模更换设备存在资金问题且发达国家长期对我国进行技术封锁高端的车床根本不可能出售。大企业费尽周章引进的先进设备苦于无高素质人才或者使用者稂莠不齐，使设备无法正常生产甚至损坏，使企业蒙受了巨大的损失。当车床不能为人类服务时它就像烫手山芋，因此对数控车床的改造不失为一个提高企业业绩的好方法。1.2数控车床的组成和简介数控车床是数字程序控制车床的简称主要有卧式和立式两种，是通过软件数控技术和硬件伺服系统控制回转加工的机床，可对工件进行外圆、端面、内圆、螺纹和攻丝等加工作业[1]。在工业生产中有着不可替代的地位。车床的操作者也有一个响当当的名字—车工。普通车床的主要组成部件有：主轴箱、变速齿轮箱、进给系统、刀架、尾架、床身和冷却装置等。数控车床与普通车床的区别主要在于主轴转速和进给是由伺服系统控制，但其加工方式是一样的。得益于伺服系统数控加工大大优于普通加工。车刀是属于车床的重要一部分，在车削加工中起切削工件的作用。车刀由刀杆和刀头组成，刀杆主要是碳素钢制成，刀头则有高速钢和合金钢两种刀头[2]。因为刀头是加工的部分因此对材料的强韧性有着极高的要求。车刀种类有：外圆车刀、内孔车刀、45度车刀和切断刀等。在加工中可根据需要使用一种或者多种车刀进行加工。1.3数控车床的工作方式数控车床加工时会根据使用者设定的程序控制车床运动，从而对工件轮廓加工达到使用零件的要求。在加工之前使用者要根据图纸编写程序和输入相关参数，也可以通过I/O输入加工程序，数控系统会对程序进行编译执行，从而控制伺服电机主轴等。这其中还要根据加工零件的要求确定加工方式、流程和进刀等。简单的加工可以采用手工编程，复杂的则可以借助CAD/CAM和UG等辅助软件协助编程。数控车床的高精度得益于刀具的补偿系统，在固定的周期内测量刀具的损耗进行补偿[3]。大概工作流程如图1.1所示。图1.1刀具补偿原理图1.4数控车床相比普通车床的优劣数控车床设计及制造都有极高的技术门槛，比普通车床贵得多，因此大多数企业都以普通车床为主，但是普通车床不适合批量自动化生产，耗费大量人力物力。在大量生产中数控车床证明它的魅力，拥有精度高、自动化程度高、产品质量高、受使用者精神状态影响小、方便管理、安全快速和节省人力等优点。然而数控车床带来的并不都是好处，在生产小批量的零件时数控车床需要经常更改程序、装夹工件和对刀等，而普通车床可凭借车工的经验快速完成生产任务，数控车床的复杂构造使得维修维护变得异常繁重，对车工的要求也水涨船高，此时的人才培养却很难跟上数控车床的发展一度使得先进设备无法发挥最大的作用。2数控车床的改造及设计2.1为什么要改造数控车床随着电子技术的飞速发展，我国现有的大量车床已经越来越不适应时代的发展，自动化程度低以及老旧困扰着这些车床。对数控车床进行改造以改善生产质量，同时缓解企业大规模更换设备带来的压力。因此对数控车床的改造是迫在眉睫的。现以现有的广州数控GSK980TDb数控车床为代表进行研究改造。2.2现有广州数控GSK980TDb数控车床的状态数控车床在发生撞刀后机床自动换刀装置失效，很长一段时间处于闲置状态，车床整体处于缺乏维护的状态。为了让该车床恢复使用甚至增加功能现决定对其进行改造。但在改造前需要对车床进行维修和检测。在对车床的主动系统、进给系统和其他辅助系统进行检测后发现车床除换刀装置伺服电机烧毁外并未存在重大的故障。更换该电机后并对刀架和夹盘重新安装，多次测试显示车床仍能正常工作符合改造条件。2.3数控车床的改造目标广州数控GSK980TDb是一款经济型的数控车床，是GSK980TDa型的升级产品，外形安装尺寸、指令系统与GSK980TDa完全兼容[4]。本项目拟对数控车床的功能进行改造和冷却系统进行升级。使数控车床在满足常规生产的同时对轴类零件的生产达到更高的精度，而且达到更好的冷却效果。预期达到的改造后效果：恢复机床的正常生产功能；在生产轴类零件或者对外圆表面要求较高的工件时，可对外圆进行精磨；机床工作时冷却效果更佳；图2.1广州数控GSK980TDb控制显示面板2.4数控车床的发展方向和国内外的车床改造研究动态数控车床的发展方向：数控技术在制造业上的应用给工业制造带来了翻天覆地的变化。使传统制造逐渐远离人们的视线，而且数控技术的不断发展和应用范围不断扩大数控机床已经成为了现代制造业的代表。数控车床作为数控机床的一种典型机床，正朝着高速化、精密化、高可靠性、设计CAD化、结构设计模块化、功能复合化、智能化、网络化、柔性化和集成化等方向发展。先进的技术让数控车床焕发着时代的魅力。其中主轴的动力方面采用了电主轴，去除了带传动和齿轮传动等环节，不仅让转速可以达到10000r/min以上，还让噪音水平降了不少。计算机辅助设计和制造更让数控车床如虎添翼，CAD的使用让人们免于手工绘图的大量工作和有助于加工方案的选择及优化。UG等三维软件能逼真的显示工件的最终形态，提高了设计的成功率缩小了设计周期和节约了成本。人机交互的优化让人们的编程更简单提高了加工效率。国内的车床改造研究动态：数控车床的优势给制造业带来的巨大吸引力使得各企业及机构纷纷对车床进行数控化改造或者升级，针对那些已经不符合生产要求或者闲置的车床进行相应的改造，使车床能够重新合理加工，缩短加工时间和提高加工质量，普通车床也因此走上了专业化的道路。在我国普通车床的拥有量非常可观因此普通车床数控化改造成了国内一个非常重要的研究方向，大量的普通车床的改造让企业节约了大量资金，普通车床的数控化及特殊改造让普通车床的加工由劳动密集型向智能型转化，不仅可以让车床恢复生产甚至扩大车床的加工能力[6]。提高了企业的生产能力，可以说普通车床的改造是企业现代化的有效途径。我国的数控车床拥有量少，而且数控化水平相对低，比美、日等发达国家落后20年左右。因此落后的数控车床的改造尤为重要。数控车床的改造有着自己的特点如：投资少见效快、便于维护、技术方案多种多样、企业针对性强等。常见的数控车床改造方案有：车床机械部分和电气部分的翻新和改造；在原有数控车床的显示面板增加加工的实时信息显示，如温度、转速、刀具坐标等；针对某些零件的加工需要对数控车床进行特殊化改造以便适应该工件的生产；更换动力系统或者电机的调整装置，以便节能及提高精度；用PLC代替大量的继电气，提高车床可靠性和有助于缩小车床体积及车床的维护；国外研究动态：在国外数控车床的改造已经成为一个产业，新机床的高昴价格让企业望而却步，二手机床因此获得新生，在德国为了让二手机床市场规范化甚至成立了一个新的工业部门。有了政府的监督和支持让机床的改造有了质量的保证，数控车床的改造也因此得到发展[7]。政府的介入企业的技术支持让改造后的车床售后服务同样出色，消除了用户的后顾之忧。在国外技术部门根据现有技术工人的特点和对车床的了解对车床进行相应改造和升级，这个产业慢慢扩大初步形成了数控车床改造的基石[8]。在技术帝国—美国从事数控车床改造的公司有非常著名的US设备公司而在日本相应的公司有滨田工程公司等。德美日等发达国家代表了世界车床改造的先进方向，这是一个新兴的产业正处在最佳的发展时期，是一个具有重要研究意义的课题。2.5数控车床改造的市场需求目前国内的车床无论是数控还是非数控都存在机龄大、相对落后的特点，老旧的车床无论在自动化还是精度上都劣于新的车床，然而大规模更换设备对任何一个企业来说都不是件轻松的事，旧车床的改造升级就突出了优势，对企业来说改造后的车床在功能或者效率方面都有了相对的提高无异是首选，且在我国符合改造的车床数量巨大市场前景好容量大。3数控车床改造方案的选择3.1国内的主要数控系统一台数控机床分硬件和软件两部分，如果硬件是它的手脚那软件就是它的大脑。因此软件的选择一定程度上限制了数控车床的功能和发展[9]。国内常用的数控系统有很多如广州数控、北京凯恩帝数控系统、南京华兴数控系统、华中数控、成都广泰数控、深圳众为兴数控、南京仁和、沈阳高精、大连高金、大连大森、大连光洋、北京凯奇、北京航天、上海开通、台湾台达、台湾宝元、台湾新代等等。应用比较广泛的有华中数控和广州数控两种，在这里就广州数控进行介绍[10]。3.1.1广州数控的简介广州是我国南方的数控机床产业基地，于1991年成立以生产销售数控机床为主，并积极推广数控机床的改造。广州数控自成立以来秉承科技创新，以核心技术为动力，以追求卓越品质为目标，以提高用户生产力为先导，服务于广大用户为数控国产化作出了巨大的贡献[11]。广州数控的产品多种多样，加工中心、钻铣床、数控车床等。业务范围涵盖机床系统配套服务，数控机床营销，普通机床数控化改造，教学机床及软件和工业自动化等。在成立以广州数控取得了大量科研成果，拥有众多专利。其中GSK980TD系列数控车床就是一个典型代表。3.1.2广州数控GSK980TDb数控车床的简介GSK980TDb是基于GSK980TDa升级软硬件推出的新产品，可控制5个进给轴（含C轴）、2个模拟主轴，2ms高速插补，0.1μm控制精度，显著提高了零件加工的效率、精度和表面质量。新增USB接口，支持U盘文件操作和程序运行。作为GSK980TDa的升级产品，GSK980TDb是经济型数控车床技术升级的最佳选择[12]。功能简介如下：X、Z、Y、4th、5th五轴控制，Y、4th、5th轴的轴名、轴型可定义2ms插补周期，控制精度1μm、0.1μm可选最高速度60m/min（0.1μm时最高速度24m/min）适配伺服主轴可实现主轴连续定位、刚性攻丝、刚性螺纹加工内置多PLC程序，当前运行的PLC程序可选择G71指令支持凹槽外形轮廓的循环切削支持语句式宏指令编程，支持带参数的宏程序调用支持公制/英制编程，具有自动对刀、自动倒角、刀具寿命管理功能支持中文、英文、西班牙文、俄文显示，由参数选择具备USB接口，支持U盘文件操作、系统配置和软件升级2路0V～10V模拟电压输出，支持双主轴控制1路电子手轮输入，支持手持式电子手轮40点通用输入/32点通用输出外形安装尺寸、指令系统与GSK980TDa完全兼容图3.1广州数控GSK980TDb车床3.2改进设计方案的选择根据广州数控GSK980TDb的现状进行分析，主要通过对广州数控GSK980TDb数控车床进行功能和冷却系统上的改造。方案如下：（1）重新设计冷却系统让机床更好的冷却；（2）增加一个砂轮刀实现对轴类零件外圆精磨；广州数控GSK980TDb型数控车床可对回转类零件进行加工，可装夹4把刀具在加工过程中进行切换。对轴类零件的加工可实现一次装夹配合不同刀具对零件加工最后得到成品[13]。结构的改造：为实现数控车床功能上的改造，使车床满足加工需要，改造换刀装置，优化冷却系统，提高车床的冷却效果。电气控制系统的改造：更改伺服系统参数，重新编写PLC程序，加入温度传感器，及相应控制元件满足电路要求。3.3改进的相关设计针对广州数控GSK980TDb数控车床的改造设计的主要内容有：恢复车床功能，满足车床的生产需要；优化冷却系统使车床更加可靠节能；特定的轴类零件在一次装夹就完成加工，大大提高加工速率和质量，让车床生产能力和精度相应提高。3.4数控车床的改造步骤1.运用理论知识对改造方案进行验证，对方案进行调整优化2.针对车床的改造方案对数控车床进行结构上的改造，包括刀架，冷却系统的改造。3.对数控车床进行参数设置，PLC的调试，最终完成数控车床的改造。4对广州数控GSK980TDb数控车床进行结构上的分析4.1数控车床进给系统数控车床的加工过程中，由夹具夹紧工件同时主轴旋转，而进给系统控制刀具的运动，进行回转加工，从而得到断面为圆形的产品[14]。在车床中进给系统主要提供刀具在纵向和横向的运动，在进给过程中有速度慢消耗功率小等特点。而在数控车床中进给系统的动力主要来源于伺服电机，伺服电机和滚珠丝杠螺母副的配合实现了刀具的进给。目前采用量较大的伺服电机在工作中能反馈位移等数据，有利于提高车床的加工精度。而传动机构滚珠丝杠螺母副有着极高的传动比将非直线运动转换为直线运动，即使在低速下进给也不会发生进给速率的跳动，它的工作原理是在丝杆和螺母中加工圆槽并加入滚珠，丝杆在运动时带动螺母运动从而达到控制进给的目的[15]。常见的有外循环和内循环两种，如图4.1：图4.1滚珠丝杠螺母副4.2主轴传动系统主轴的传动系统主要是提供夹盘和工件的转动动力，其特点是速度快、噪音大、耗能大、互换性高等特点。在主传动系统中转速的控制尤为重要，车床中变速的方式有机械有级手动变速、机械有级半自动变速、变频无级自动变速和交流主轴伺服无级自动变速四种常见方式。在前两种变速方式中不同的齿轮配合从而达到控制转速的目的，在工作过程中不能调速，需要工件停止转动再调速不方便因而在数控系统中不采用，这类机械变速装置主要用于普通车床中[16]。而变频控速在技术上不难实现，能够对电机进行精准的速度控制在自动控制中采用比较广泛。4.3刀架刀架在车床中主要起装夹刀具的作用，并且在工作中能够对刀盘进行转动和定位，在车床中起着至关重要的作用，是数控车床的重要组成部分。因为数控车床在加工中往往有多道工序并且不能在中途换刀，因此安装刀具需要高精度。刀架的转动主要有液压和电机驱动两种方式，广州数控GSK980TDb数控车床采用的是电机驱动方式，和大多数小型数控车床一致[17]。4.4数控车床的辅助系统在一台数控车床中有着众多附属的设施，其中夹盘、尾座和防护罩等。夹盘有手动和液压两种紧固方式，同样尾座也采用手动和液压两种方式，小型数控车床多采用手动方式[18]。在夹盘中手动和液压都有自己的优点，手动便宜方便维护新手也不存在使用上的障碍，液压在相对手动来说操作操作维护更加复杂，在装夹过程中省力也更可靠，但因其价格昂贵一般机床不予采用。4.5广州数控GSK980TDb型数控车床的优点1.车床床身强度高、稳固，在工作中有利于机床稳定工作，减小在工作中产生的振动。2.车床结构简单明了，易于维护，模块化有利于根据客户要求更换维护相关模块。3.车床性价比高，拥有高性价比的同时广州数控GSK980TDb在精度及传动效率上也不输相似的车床。4.6广州数控GSK980TDb数控车床结构上的改进4.6.1箱体的改造设计箱体是一台车床最大的部件，箱体的好坏很大程度影响着车床的安全性能和美观。在工作过程中箱体起保护车床和人员免受伤害的作用，车床在工作过程中高速旋转以及进给运动都会容易引起意外，工件及工具都有可能掉入车床有极大的危险性[19]。为防止此类事故的发生在箱体不作大的改动时，在床头（如图4.2所示红圈位置）加工一个工具箱，平时所用的工件毛坯及常用工具都可以放在床头工具箱中，在车床工作过程中箱门处于关闭状态，即使在加工过程中有物品掉落也不会落到车床中造成意外。箱体的改造利用了车床的空间，又不影响车床的强度和床身的稳定性，符合改造的要求[20]。为最大限度利用箱体，工具工具箱尺寸可以根据床头箱的大小进行制作，设计上工具箱与床头分离，方便制作又安全。改造后车床的床头如图4.3所示：图4.2车床床头图4.3车床床头改造后效果图4.6.2冷却系统的改造冷却系统是广州数控GSK980TDb的一个重要部分，主要组成部分有水泵、冷却回路、喷嘴及冷却水箱等[21]。冷却水箱在车床中占有很大一部分空间直接影响着车床的外观和布局，因此水箱设计的好坏一定程度上影响车床的美观和空间利用率。冷却水箱在重要性上不如传动系统和进给系统等，但在车床设计上为保证足够的切削加工空间，车床操作也应该符合人机工程学，且车床的外形设计越来越趋向于简单化，车床的占地面积也慢慢变小。数控车床在金属切削加工中会产生大量的热量，会损坏刀具加速刀具磨损和影响加工精度，所以工件和刀具都要进行冷却，冷却系统这时候就起到至关重要的作用。对于冷却系统来说首选要考虑的就是冷却水箱的安放和大小。冷却水的补充和更换要方便，水位标识应该放置在显眼的位置，冷却水箱的整体设计原则上不能影响车床的操作和车床的刚性及加工精度。车床的冷却系统的维护维修一般都是更换、补充冷却液，清洗、更换过滤装置等。常见的维护方法有以下几种：（1）观察水箱的水位标识，当水位下降至危险水位时应该及时补充冷却液，在工作中冷却系统的水泵入水口应该在冷却液面以下，当冷却液被告污染时应该对冷却液给予更换，操作方法是将水箱下方的螺栓拧开，待废液全部排出后对水箱进行清理符合标准后加入新的冷却液[22]。（2）冷却水箱外观上是一个整体，但其内部是分为两个腔体，过虑网放在图4.4所示挡板位置方便取出及清洗，多级离心泵吸水口应该装上过滤装置防止冷却液中杂质堵塞水泵，无论是过滤网还是离心泵过滤装置都应该定时清理和维护，一般视使用情况而定。图4.4冷却水箱示意图广州数控GSK8980TDb数控车床的冷却系统基本符合要求，普通车床的喷嘴如图4.5所示图4.5车床冷却水喷嘴位置在车床工作时会随工作台的移动而移动，使用着可能通过按键或者控制面板使冷却系统开始工作对车床进行必要冷却，减小车床因大量发热引起的刀具磨损加速及热膨胀引起的加工精度降低。数控车床在加工中有时候会遇到比较复杂的曲面，刀具的移动和冷却喷嘴移动不同步及工件的阻挡造成部分时候无法对车刀进行冷却，使工件表面质量下降，比如在加工直径变化较大的工件(如图4.6)时，冷却喷嘴往往无法随刀具纵向移动，这时候加工表面就容易产生火花对加工质量的控制极为不利。图4.6加工直径变化大的工件示意图这个时候我们可以对车床的喷嘴进行改造，以达到更好的冷却效果。综合考虑设计了一个具有多个喷嘴的冷却系统，且每个喷嘴都可以更换不同类型的喷头，这类似农业活动中常用的喷雾器，在工作中可以选择不同的喷头。拟设计最少喷嘴数量为2（如图4.7），这样即使在加工大直径工件时也能很好的冷却[23]。冷却喷嘴能够自由弯曲，在应对更加复杂的曲面时也游刃有余，同时更换不同的喷头也能得到不同的冷却效果，可以大面积喷撒冷却液也可以点对点进行喷撒冷却液。喷嘴的增加势必造成冷却管内的压力减小，但考虑到多级离心泵提供的冷却液足够在此不予以考虑。图4.7改造后冷却喷嘴示意图广州数控GSK980TDb也存在冷却的问题，加工过程中冷却不够理想。为了改善广州数控GSK980TDb的冷却问题，对其冷却系统进行改造。如图4.8所示车床的冷却系统略显简单仅仅有一个喷嘴，自带的水阀在工作中容易因为人为的疏忽忘记打开而造成冷却系统失效。图4.8现有车床冷却喷嘴综合上述的情况，决定对广州数控GSK980TDb进行冷却系统改造，方案如下：在车床的夹具上方（图4.9所示红圈位置）增加一个冷却喷嘴，而原先刀架的喷嘴予以保留，这借鉴了数控加工中心的冷却喷嘴安装方法，在增加的喷嘴上取消了手工控制的水阀，换用由数控车床控制的电磁阀[24]。采用具有不同喷水方式喷头在工作中可以根据需要随时更换，可喷出雾状或者相对集中的冷却液，通过调节可以让冷却面积变大变小，切削面因此得到了更好的冷却。另安装一个温度传感器对加工区域进行温度检测，在车床工作时冷却方式设计为主动散热和被动散热两种方式。主动散热时原有喷嘴和新增加的喷嘴同时工作达到最佳的冷却效果。而被动散热时原刀架处喷嘴关闭，而新增加的喷嘴在温度检测并经数控系统对比判断是否需要冷却而选择性打开冷却系统，如温度设定为大于100℃时冷却系统自动打开。经过改造后即使车床在忘记打开冷却系统也能在数控系统的保护下被动冷却达到了冷却和保护刀具的目的，让加工产品的质量有了更多的保障。在对冷却系统改造的过程中，系统内部的改造相对外部改造要简单得多，方案如下：改造前冷却系统主要由多级离心泵提供液压，而冷却喷嘴只有一个，因此冷却液只有从多级离心泵到冷却喷嘴一条管路，新增加的喷嘴同样由多级离心泵提供冷却液，因此要在原管路上增加一个分支，用于提供新增加的喷嘴的冷却液。改造前后简图如图4.10所示。新增加的冷却喷嘴采用智能控制方式，可以采用自动和手动控制两种工作方式，当采用手动控制时手动可控制电磁阀开关；当采用自动控制时，电磁阀开关温度由用户设定，当冷却开启温度设定为80.6℃冷却关闭温度设定为70.1℃时，加工区域温度大于设定值电磁阀自动打开反之则关闭，效果如图4.11所示。图4.9车床新增喷嘴位置图4.10冷却喷嘴改造前后对比图4.11冷却系统自动控制模块改造方案需要对车床的液压系统进行调整，对出厂已经设计好的液压回路进行修改，需要对车床进行结构上的修改。冷却系统改造后提高了车床的性能，车床的冷却得到了更好的解决，有效保护了车床及刀具免受高温引起的快速磨损，节约了加工成本提高了加工质量。4.6.3刀架的改造刀具是数控车床的加工工具，经工件外形和加工方案而确定使用刀具。作为数控车床最重要的一部分，刀架起着至关重要的作用，可以说刀架决定了数控车床的加工能力。对于数控车床的设计首先要保证数控车床的加工能力，其次考虑使用的人性化设计，方便使用的操作。所以车床的改造首先要保证其恢复原先的生产能力，再在这基础上对刀架进行改造[25]。在轴类工件的加工中部分区域对精度和表面粗糙度有着比较高的要求，如安装轴承的位置，如果轴表面质量差，安装轴承容易造成同轴度低，影响机械的性能引起大的噪音和高振动。数控车床的刀架维护一般主要为确保刀架润滑和工作精度。车床操作时要求在工作前和工作后都要对进给系统和刀架润滑，当润滑油少时应该及时补充，可用专用的工具添加润滑油。换刀机构包括刀架的伺服电机，当伺服电机接受数控系统指令时旋转刀架实现换刀。再根据工艺要求对工件进行加工。广州数控的刀架能安装四把刀具，基本能满足日常的加工，但是在对要求高精度的轴进行生产时显得略显不足，加工中受使用的刀具影响即使是精车也会存在刀痕，造成精度下降。针对这种状况可以改造车床的刀架，以达到精加工的目的。设计把外圆磨床的功能整合到数控车床上，以达到一次装夹到成品的目的，降低工件拆装造成的误差。改造会减小车床的加工空间，对车床的整体性能影响在可以接受的范围内。改造后对原车床功能影响不大能方便使用者的使用。广州数控GSK980TDb基本满足加工的需求，为提高其加工能力对刀架进行改造。图4.12改造后的精加工示意图改造方案如下：在车床的刀架旁安装砂轮机，仿造外圆磨床对轴的外圆进行加工。由于床鞍的厚度不够不适合直接打孔攻螺纹，故需要在安装前在相应位置加焊已经打好相应螺纹孔的钢板，这时只需四枚螺栓就可以对砂轮机进行安装。原车床的刀架保留相当于加工时由车刀和砂轮共同完成，此时轴的表面和精度都得到很好的保证。大大提高了数控车床的加工能力。改造后简图如图4.13所示：图4.13砂轮机安装简图此改造方案安装位置为下图4.14红圈所示位置，利用车床本身的进给系统对砂轮进行控制，由于床鞍位置有限，为不影响车床的正常加工所以砂轮采用小直径的类型。此方案对车床的影响较大，要对进刀系统进行一定的改造对强度有负面的影响，所以车床应尽可能减少改动范围。车床改造后性能得到了相应的提高，提高了加工的精度，增加了车床的功能。提高了产品的质量。图4.14砂轮机安装位置示意图电气结构的改造：在对广州数控GSK0980TDb车床进行刀架的改造后，为实现其外圆精加工的功能需要对电气控制电路进行改造升级。广州数控GSK0980TDb采用内置型的PLC，车床与PLC可通过I/O与CNC进行通信，工作原理如图16。用户可通过编写加工程序再由PLC控制系统对PLC的程序进行更改从而达到控制电路完成加工的目的。改造后机床要对砂轮刀电机进行控制，原理图如图4.16。根据改造的原理图对电气电路进行改造后，对PLC进行I/O分配，可选择X08作为输入Y08作为输出，对PLC进行控制程序的编写。系统启动后会根据加工程序确定是否启动砂轮刀的电机进行精加工。而加工过程中车床可利用原刀补控制程序进行对刀及加工，因为技术的不成熟改造的时候采用非全自动控制，用户可选择利用手轮手动控制对刀，需要用户对磨床加工原理有较好的了解。在通过PLC外部进行接线，编写相应程序及电源电路等改造好后，数控车床基本达到设计目的。图4.15数控车床工作原理图图4.16砂轮机控制原理图分析改造前车床在加工过程中刀具会因散热不良加速磨损，导致了加工精度变差，以及刀痕的加重，不利于降低工件表面粗糙度。轴类工件要精磨时需要拆下来装到外圆磨床，这个过程中人工操作拆装容易引