1、 目录 摘要I第一章 绪论11.1 数控冲床的组成及其工作过程11.2 数控系统的发展现状21.3 数控冲床数控系统的发展趋势31.4 主传动系统的发展现状及发展趋势3 1.5 课题研究的相关背景41.6论文主要工作5第二章 数控冲床总体方案的设计5 2.1 进给系统机构传动原理6 2.3数控冲床数控系统总体分析72.3.1数控系统硬件功能分析82.3.2数控系统软件功能分析102.4数控系统硬件设计102.4.1主控制器的选择102.4.2系统的硬件方案11 第三章 进给系统的设计计算123.1进给系统电机的选型123.1.1几种电机特性分析与比较123.1.2电机转速的确定133.2滚珠丝
2、杠副的计算与选型13 3.3直线滚动导轨副的计算与选型183.3.1工作载荷的计算183.3.2距离额定寿命的计算183.3.3小时额定寿命的计算19 3.4电机选型193.4.1最高转速193.4.2额定输出转矩的选择193.4.3转换到轴上的负载惯量213.4.4X轴方向的计算213.4.5 Y轴方向的计算223.5联轴器的选型23第四章 控制系统的设计244.1 数控系统组成244.2硬件接线244.2.1 显示器254.2.2 PCMCIA接口264.2.3接口分布274.2.4NC与外围设备的连接274.2.5 NC硬件连接-总装图294.2.6 NC与I/O LINK的连接294.
3、2.7 急停信号的连接30 第五章 基于SOLIDWORKS的高速数控冲床送料工作台315.1 送料工作台总装配图325.2冲床送料工作台重要组件零件图335.2.1夹钳335.2.2直线滚动导轨345.2.3直线滚动导轨滑块345.2.4滚珠丝杠支撑座355.2.5滚珠丝杠支撑座355.2.6伺服电机365.2.7 联轴器37结论38致谢39参考文献40V 第一章 绪论1.1 数控冲床的组成及其工作过程数控冲床是数控机床的一种，它是利用数控技术控制机床的高精度、高效率的金属饭材冲孔和步冲的加工设备,利用单次冲裁方式和步冲冲裁方式冲山各种形状、尺寸的孔和零件，特别适合于多品种的中、小批最或单件
4、的板材冲压。它由数控系统和机床本体两大部分组成。数控系统由数控装置（包括内置 PLC）、进给伺服系统、主轴伺服 系统组成.进给伺服系统由进给驱动单元、进给电机和位置检测装置组成。主轴伺服系统由主轴驱动单元和主轴电动机组成。机床本体由机床的各机械部件组成，包括床身、立柱等支撑部件、主运动部件、进给运动执行部件、刀具库（刀塔）、转位部件以及夹紧、润滑系统等组成。数控系统是数控机床的核心，由软件和l硬件两部分组成。它的主要功能是根据图形信息进行各种零件轮廓儿何信息和命令信息的处理，并将处理结果分发给相应的单元，如送给驱动控制装置的连续控制量和机床电器逻辑控制装置的开关控制量，控制机床各组成部分实现各
5、种数控功能。其功能主要包括加工前的准备工作 ，涉及到机床参数设置、图形编程和以及机床回零等等。将控制信号传输给伺服系统，伺服驱动系统接收数控装置传输来的信号，控制机床的运动，包括译码程序、速度控制程序、插补运算程序、位置控制程序和主轴控制程序。 机床本机是数控冲床的主体部分，目前其结构按移动工作台布置方式可分为内置式、外置式、和侧置式，其结构比较稳定，国内的生产厂家基本上也是参照国外的机构，其机构示意如图1-1 图1-1 冲床机构示意图 数控冲床的生产过程是这样的：首先将预加工的板料放在工作台上，靠紧X、Y方向基准后，用夹钳将工件夹紧。然后通过数控系统人机交互界面设置加工参数，根据被加工零件图
6、纸编制零件的数控加工程序，将数控程序输入到数控装置，经过编译、数据处理，再由数控装置将数据流传输给伺服系统，伺服系统控制机床本体实现板料的加工，包括工件按照数控系统的程序指令移动，将预冲孔的位置准确地送到冲模的下方，模具的选择，冲头下冲，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 1.2 数控系统的发展现状 目前，国际上最大的数控系统生产厂家是日本的FAUNC公司，一年生产5万套以上系统，占世界市场的约40%左右，其次是德国的西门子公司，约占15%以上，再次是美国的DYNAPATH，西班牙的FAGOR，意大利菲地亚，法国的NUM,日本的三菱、安川。 国内数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控
7、集团、北京凯恩帝、北京凯奇、广州数控，国内数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300400套，且在控制精度、系统功能、硬件可靠性、系统软件环境等方面与国外发达国家相比还有很大的差距。 目前，使用和研发的数控系统大致可以分成以下四类：传统专用型数控系统 这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专业性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠，目前还占领着制造业的大部分市场，但由于其采用一种完全封闭的体系结构。往往存在以下缺点：1，用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家。2，系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长，3，大量市售廉价通用软硬件
8、在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。因此，随着开放式体系结构数控系统的不断发展，这种传统专用型数控系统的市场正在受到挑战，市场份额已经在逐渐减少。PC嵌入NC结构的开放式数控系统 该类型系统将PC装入到NC内部，PC与CNC之间用专用的总线连接，如FANUC16i，Simens840D等数控系统。系统数据传输快响应迅速快，同时，原型CNC系统也可不加修改就加以利用，但是不能直接地利用通用PC，开放性受到限制。这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。NC嵌入PC结构
9、的开放式数控系统这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡和PC机构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，据有很强的运动控制和PLC控制能力。如日本的MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC。这种数控系统开放性能较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。全软件开放式数控型的系统 这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能（包括插补、位置控制等）全部都是由计算机软件来实现的。与前几
10、种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。但是，实现处理的实现比较困难，并较难保证系统的性能。 1.3 数控冲床数控系统的发展趋势 随着PC机进入数控领域，WINDOWS环境下的数控系统也成为数控冲床数控系统的主要发展方向。利用面向对象的新理论、新技术，采用一种开放式、模块化软件设计方法成为数控冲床数控系统软件的主要发展趋势。目前国内外数控冲床CNC系统的研究和开发具有以下趋势：（1） 高速度高精度数控冲床各轴运行的速度将大大加快，板材移动轴的速度由目前的向发展，冲裁速度由目前的向发展。数控机床本身的精度和加工工件的精度都越来越高，而精度的保持性很好。（2） 模块
11、化数控冲床要缩短制造周期和降低成本，就必然向模块化发展，既有利于制造商又有利于客户，实现模块化也将大大降低服务的时间和频次。（3） 柔性化柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注意加强单元技术的开括、完善，数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。（4） 功能更强的软件系统 为了节省不必要的经济开支，数控系统软件在自动生成加工程序后，要求能够进行模拟加工仿真，并在屏幕上会显示加工时的刀具轨迹。充分利用计算机的开发环境，使数控编程更加方便且使CNC系统柔性更强。（5） 良好的人机交互界面数控冲床CNC系统
12、大多采用圆形界面的方式，简单易懂的交互界面，能方便操作者进行控制操作，这样才能容易被企业或用户接受。 1.4 主传动系统的发展现状及发展趋势在数控转塔式冲床中，主传动部分是数控冲床技术进步的标志之一，各生产厂家和研究学者对这方面研究颇多，其冲压频率直接影响数控冲床的生产效率，也因此成为制造商和用户关注的焦点。目前主传功部分经历了以下几个阶段的变化和发展。（1）机械式主传动这是数控转塔冲床发展最早的一类，现在仍有一些厂家在生产和使用。典型代表有村田机械 （MURATEC） 的 C-2000、C-2500、C-3000. 天田公司 （AMADA） 的 ARIES 255、PEGA357等。它由电机
13、、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成。在冲压过程中，飞轮通过皮带由主电机驱动，并存储一定的能量，当离合器接合的时候，动力就由电机传到曲轴上，并通过曲轴带动滑块垂直上、下运动，从而将模具的冲头压入金属板料中。连杆连接曲轴和滑块，将曲轴的旋转运动转变为滑块的直线运动。冲压结束时，离合器在冲头向上运动时脱开，从而解除飞轮对曲轴的扭矩传递，同时制动器开始制动，使曲轴转动至死点时停止。（2） 液压式主传动 随着技术的发展，上世纪九十年代以来，液压式主传动部件被广泛采用，至今已成为数控转塔冲床的主流。这类机床的典型代表有村田机械（MURATEC）的V系列，天田公司（AMADA）的VIPROS系列
14、，通快公司（TRUMPF）的TC系列等。 与机械式主传动相比，这类机床采用油缸取代了曲轴连杆等机械结构，通过液压缸驱动击打头，液压站提供动力，两者由主液压阀连接，通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作，并由连接于活塞杆上的电子传感器适时测量和反馈，最终实现对冲头位置，行程及速度的精确控制。（3） 伺服电机驱动式主传动由于上述两类冲床存在着种种不足，各厂家又开发出第三代数控转塔冲床。这就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。在传统机械式主传动的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去了飞轮、离合器与制动器。目前这种主传动方式主要有三种形式：将两台伺服电机连接于曲轴的两端，控制其同步运转，保证了对曲
15、轴足够的扭矩输出，同时可以获得很高的冲压频率。日本AMADA公司的EM2510NT型数控转塔冲床就是采用这种结构伺服电机通过减速器与曲柄相连，这样可以适当降低电机的额定扭矩，但最高冲压频率也被限制。伺服电机通过减速器与曲柄肘杆机构相连，也是第二种方式的改进。该结构虽然比较复杂，但其利用曲柄肘杆机构特有的增力特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，并且曲轴旋转一周，滑块上下运动两次，这样能够达到更高的冲压频率，但这种形式的机械结构相对复杂。虽然目前三种主传动形式的数控转塔冲床都有生产。但从近年来的销售情况看，机械式数控转塔冲床的销量正逐步萎缩，液压式数控转塔冲床在不断增加并已占据主导地位，而伺服电机驱
16、动式数控转塔冲床，也正在以其具有的髙效、节能、环保等优势，受到广大设备用户的认可和接受，成为数控转塔冲床未来发展的新趋势。 1.5 课题研究的相关背景 冲压生产的自动化，手工送料逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量，己是“大势所趋”，但结合我国的实际国情及生产设备的现状，传统的冲压设备在相当长的一段时间里可能还要进行“服役”，要完全实现自动化可能还要有很长的一段路要走。获得自动化数控生产的能力可以通过购买新设备及对旧设备进行更新改造，但购买新数控设备所需资金投入较大，淘汰替换下来的机床不但占用空间，同时也是资源上的一种浪费，尤其是在在资金短缺的情
17、况下，通过对旧设备的改造获得数控加工能力不失为一种有效的途径，一方面可以节约资金，另一方面可以将废旧闲置的设备进行充分的利用.为了保证工人的人身安全，提高生产效率和产品精度，我们对冲压机自动化送料系统进行了研制，在不对原设备进行“根本性”改造的前提下，使铝箔板件的冲压实现了自动化。我们本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的科学人性化管理的方针，对冲床进行了数控改造和送料机构的研制。 1.6论文主要工作 论文在数控冲床总体方案设计的基础上，重点对冲床的进给系统进行了设计与计算。论文的主要工作有：（1） 对进给系统的机构传动原理进行设计。（2） 对数控系统的总体方案进行设计，包括数控
18、系统硬件和软件功能分析，选用数控系统，并对其的硬件接线进行学习。（3） 对进给系统进行设计计算。（4） 利用SOLIDWORKS三维软件对冲床工作台进行三维造型。 第二章 数控冲床总体方案的设计 目前，转塔式数控冲床就其总体驱动形式来说主要有液压式和机械式。这两种方式各有特点。对于液压式而言，其优点为：效率高（冲压效率高）、冲压噪音小。缺点为：要求建设液压站，相对成本较高，为机械式的两倍（销售的价格来看）。同时液压系统带来的泄漏问题（液压阀本身的质量问题，液压阀与管道的连接部位等等）。而对于机械式而言，其优点为：价格便宜。效率相对较低。需要定期更换零部件。 根据我们所设计数控冲床价格低廉，维护
19、简单的方法，我们选择机械式转塔式数控冲床为系统的总方案。 我们已经介绍过冲床的工作工程，经分析我们可得到数控冲床的运动包括：水平X、Y方向上的进给运动。Z方向上的冲压运动。换模过程中转盘的旋转。360自动旋转的转模机构。 夹钳以及定位销动作等等。数控冲床的监测包括：系统回零检测（X、Y回零、冲头回零、回转台回零）。运动过程中极限位置的监测。工件是否运动到被冲压位置的监测。其总体示意图如图所示 图2-1 冲床运动形式 2.1 进给系统机构传动原理数控冲床工作台按照结构可区分为：固定工作台、半随动工作台、全随动工作台工作台包括以下各部件，其功能是向两个方向移动和定位被冲压的板材；在工作台基座上进行
20、横梁的前后移动（Y向）和横向溜板的左右移动（X向）1） 工作台基座 基座为焊接结构。横梁安装在工作台基座上的导轨上沿Y轴移动。2） 横梁 横梁是传动部件中最重要的一环，送料精度控制的基体。 X轴的丝杠、电机、直线导轨和夹持板料的夹钳、固定夹钳的X轴溜板等零部件均安装在横梁上。 横梁要求有足够的刚度和尽量小的运动惯性，避免Y轴驱动负载过大，降低速度，其机构的合理与否直接影响送料精度和速度以及机床的稳定性，技术要求较高。3） 夹钳是夹持板料进行自动精确送料加工的重要部件，为了保证送料精度和速度，夹钳需要有足够的强度与整体安装刚度，同时夹钳的自身重量也要尽可能轻。目前夹钳主要按结构功能分为摆动式夹钳
21、，平动式夹钳。摆动式夹钳的重量轻，使用寿命长、浮动灵敏。平动式夹钳的钳口在上下浮动时Y方向的尺寸理论上保持不变。夹钳夹紧功能，作用主要是夹紧板材，型式分为液压夹紧，气动夹紧。液压夹紧，维护不便，夹紧力大，不易脱料。气动夹紧，节能环保，安装方便。夹钳位置的调节功能，作用主要是移动夹钳到指定位置，型式分为：手动夹钳与自动夹钳。手动夹钳，调整时搬动把手松开锁紧装置，推动夹钳到所需位置，再扳紧把手完成调整。自动夹钳，调整时在加工程序中设定各夹钳的位置，由机床在夹板前自动将各夹钳调整到所需的位置，精确又快捷。 数控冲床送料系统的稳定性及精度保证非常重要，尤其是长行程，对送料要求跟高，现在主流厂家主要使用
22、两种送料形式：1） 滚珠丝杆传动 滚珠丝杆传动是最为常见的送料结构，滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，运转阻力小，所以能到到较高的运动效率，成熟的加工体系是高精度的保证。无侧隙、刚度高，可实现高速送料，发热低，其缺点在于加工成本高，承载较小。另外现在部分公司为了节约成本采用精密轧制滚珠丝杠，但是由于精度不高，实际应用时需要分段参数补偿，难以控制产品质量的稳定性。2） 齿轮齿条传动 齿轮齿条近年应用越来越广，其优点在于承载较大，传动速度高，价格便宜，易于加工，缺点是安装要求较高，若加工安装精度差，容量引起磨损，噪音大。 进给系统主要实现冲压工件X、Y方向的进给。一般采用摩擦
23、损失小，传动效率高，运动平稳，有专业厂生产，选用配套方便的滚珠丝杠螺母副的传动方案。它分别由交流伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠连接，而夹钳固定在X溜板上，从而使工件实现进给，其传动结构原理图如图2-2 图2-2 进给系统机构传动原理图我们参照金方圆数控冲床（型号ET-300-ZD）的相关机械参数，结合本设计的基本要求，得到本设计的机械相关尺寸： X、Y的直线移动速度 60 孔距加工精度 最大冲孔板厚 最大加工板材尺寸 2.3数控冲床数控系统总体分析 数控系统（即CNC）由输入、输出设备、CNC数控装置、辅助控制装置（完成PLC功能）、运动控制系统（完成NC功能）、反馈系统（在闭环数控系统中）组成，图为数控冲床CNC系统总体框图 图2-3 数控系统总体框图 由上图可知，CNC主要包括NC和PLC两方面的功能。其中，NC主要实现刀具相对于工件或工件相对于刀具运动规律的数字控制；而PLC主要完成机床辅助设备的控制，它是在数控机床运动过程中，根据要求对各种开关量（如中间继电器、接触器等）进行控制，并监测系统中各种开关量的状态返回给数控系统。 通过上面我们对运动的分析得到数控冲床中NC方面的功能主要包括：Z方向上的冲压运动换模过程中转盘的旋转360而PLC方面的功能主要包括：
