普通机床的数控改造方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 普通机床的数控改造,知识目标,1.了解普通机床数控改造的内容及步骤,2.掌握普通机床机械及电气改造方法,能力目标,1.会安装与调试进给机械传动链,2.能够连接与调试机床电气控制系统,7.1 数控改造的优点与内容,7.1.1 数控改造的优点,利用先进工艺、先进技术对旧机床数控改造，优点如下：,(1)改造有针对性 机床的改造方案是针对原机床中存在的问题提出的，需要改哪些地方，改到什么程度，都应做到与生产紧密结合。但由于受到原来机械结构的限制，不宜做过大的改动。,(2)充分利用资源 旧机床数控改造，大部分床身、立柱等主要基础件和传动部分不需更换，与新机床制造相比一般可以节省6080的费用。因此周期短，费用低，特别适用于大型、专用机床的改造。,(3)机床性能稳定 改造后的机床性能更加稳定，因为机床的大型结构件是铸铁，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件稳定。机床改造时只需修复或更换若干中小型部件，就可获得与新机床类似效果。,(4)提高精度和效率 旧机床改造，可根据生产技术及科技水平，选择先进的控制系统，从而提高机床的自动化水平和效率，提高机床质量和档次。,(5)调动人员积极性 技术人员、操作维修人员非常了解原机床的特性，所以，数控改造可以充分发挥现有技术力量，调动技术人员的积极性与创造性。,(6)培养锻炼队伍 在机床改造过程中，多方人员共同参与，相互学习，通过拆解旧机床，装配新部件，既锻炼了队伍，又提高了技术水平。,7.1.2 数控改造的内容与步骤,1.普通机床改造主要内容,1)机床的测绘,(1)改造前，首先对机床的机械残留价值进行评估，特别要注意导轨的磨损程度。磨损严重的机床应进行导轨磨削加工，恢复机床的几何精度。,(2)机床改造前对机床进行严谨、细致地测绘。测绘中要忠实于原设计，对原机床的结构、尺寸、润滑等做好详细记录。,2)数控系统选型,(1)应考虑开放性、先进性、可靠性和可维护性。在机床改造中，数控系统选型，既不同于新机床设计也不同于机床维修，主要考虑在原机床的机械结构限制下，达到或超过原机床的功能，所以在选购数控系统时并非越贵越好。,(2)数控系统控制方式的选择，既要根据产品的加工要求，又要考虑数控系统的性价比，合理选择开环、闭环、半闭环的控制系统。开环控制为步进电动机驱动，成本较低，适用于精度要求不高的机床。闭环控制系统精度高，用在高精度机床上。,(3)伺服驱动装置与伺服电动机和数控系统相匹配，伺服电动机的额定转矩对改造影响很大，若选得太小，不能实现惯量匹配，影响机床性能。若选得太大，造成浪费，增加改造成本。,(4)对于外围接口电路，可采取的方案有两种：一种是保留外围继电器电路，新PLC不参与外围电路控制，只处理CNC所需的指令信号。此方案设计与调试工作量较小。另一种是彻底改造，针对继电器逻辑较复杂，故障率较高的机床，可用新CNC内置的PLC将外围电路全部改造。此方案简化了硬件电路，提高了可靠性，但设计与调试工作量较大。,3)机械部件的设计与改造,(1)滑动导轨副 机床导轨除具有导向精度外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响。此外，还要有合理的防护和润滑。一般采用贴塑方法对机床导轨进行改造。,(2)进给滚珠丝杠副改造 在普通车床数控改造时，一般都是拆除走刀箱及溜板箱，用伺服进给传动链代替。在进给轴的结构设计中，滚珠丝杠的轴向定位采用预拉伸结构，以获得高刚性和高精度。,(3)主轴箱的改造 普通机床主轴旋转是由三相异步电动机经变速箱驱动，利用电磁离合器或液压操纵杆，实现主轴的有级变速和正反转。而数控机床的主轴采用交、直流调速系统，实现主轴的无级调速。普通机床在数控改造时，一般保留原主轴箱，不做改动或少做改动。,2.数控机床改造前技术准备,1)机械部分准备 为配合电气改造而进行的机械设计等应先期进行，考虑施工工期，对停机后需拆、改、加的部分做好周密计划，提出明确目标要求，与整个改造工作衔接得当。,2)新系统资料消化 新系统有许多新功能和新要求，改造前应熟悉技术资料，包括系统操作使用手册、编程手册、安装调试说明、PLC梯形图等。要有充足的时间去消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。,3)新旧系统接口的设计 根据每台设备改造范围不同，要有针对性进行接口的设计。,4)人员的技术培训 提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训，否则将影响改造后机床的迅速投入生产。培训内容有新系统操作使用方法、新旧系统的差别、维护保养知识等。重点内容是操作说明书和编程说明书。,5)调试步骤与验收标准的确定 调试步骤可从简到繁，先局部后全局。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，不能过高也不能过低。,3.数控机床改造的实施,1)原机床的全面保养 机床经长期使用后，在机械、液压、润滑等方面存在某些缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床精度详细测量，全面记录。,2)优化调整保留的电气部分 电气系统若作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和优化调整。如元器件更换，电动机的保养，变压器的烘干增加绝缘处理，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，电缆线的更新，连接件的紧固等。,3)原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸仔细进行，及时做出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。拆下的零部件应分类放置，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。切忌大手大脚，乱扔乱放。,4)新系统固定及布线 根据设计图纸，合理进行配置，包括箱体固定、面板安放、元器件安装等。布线工艺规范、线径合适、正确无误、美观可靠。,5)调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行，调试人员应头脑冷静，随时记录。调试中首先测试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。然后按照先空载后加载、先模拟后实动、先手动后自动的原则调试。,7.2 机械系统的改造,7.2.1 CA6140卧式车床的数控改造,1.导轨副,常采用贴塑导轨，即在原来导轨上粘贴聚四氟乙烯导轨软带，这样机床大部分零部件不需要更换与加工，改装工作量小、周期短、费用少。,2.进给传动链,普通车床的传动链有X、Z两个轴。Z坐标轴为纵向伺服(步进)电动机联轴器(减速箱)纵向滚珠丝杠大拖板，使纵向获得不同的位移和速度。X坐标轴为横向伺服(步进)电动机减速箱横向滚珠丝杠横滑板，使横向获得不同的移移和速度。,丝杠传动直接关系到传动链精度，丝杠的选用主要取决于加工工件的精度和满足拖动转矩的要求。当被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差等，滑动丝杠应不低于6级，若螺母间隙过大则应更换。,滚珠丝杠传动效率高，且精度高，寿命长，可满足较高精度零件加工要求。改造后，原横向进给传动链中的丝杠和光杆由滚珠丝杠取代，Z轴伺服电动机和滚珠丝杠之间可采用同步齿形带联接，如图7.1所示。由于同步齿形带的柔性，可克服由于电动机轴和丝杠不平行而引起的振动。X轴滚珠丝杠采用一端支承的方式。,图7.1 伺服电动机与滚珠丝杠的安装,1伺服电动机 2同步齿型带 3减速箱体,4连轴器 5滚珠丝杠螺母副 6支承座,3.主传动,改造后数控系统可控制主轴的正反转和停止。在加工螺纹时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，需配置编码器作为主轴位置信号的反馈元件。编码器可以通过弹性联轴器与主轴同轴联接，也可以安装在挂轮轴上，通过同步齿带与主轴1:l传动。同轴安装方式结构简单，如采用橡胶管柔性联接，在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使编码器运转平稳，但会妨碍主轴通孔的使用。编码器安装时，为防止损坏光码盘，不能有较大的冲击和振动。车床主轴的转速必须小于编码器最高允许转速。图7.2为同轴主轴脉冲编码器的安装示意图。,图7.2 主轴编码器的安装,1编码器 2橡胶管 3主轴 4主轴箱,4.刀架的改造,对普通车床刀架的改造，采用电动转位刀架取代原手动立式刀架。LD4系列电动立式刀架，如图7.3所示。刀架的定位过程如下：系统发出换刀信号(T信号)刀架电动机正转刀台上升并转位刀架到位发出信号刀架电动机反转初定位精定位夹紧刀架电动机停转换刀应答。刀具的到位信号由4个霍尔开关检测，当刀台旋转时，带动永久磁铁旋转，霍尔开关输出刀具到位信号。,图7.3 LD4系列电动刀架,1罩壳 2刀架 3刀架座 4刀架电动机,5霍尔开关 6永久磁铁,7.2.2 X62W立式铣床的数控改造,图7.4所示为数控改造后的X62W铣床传动示意图。保留原机床的主轴旋转运动和原机床纵向(X轴)和横向(Y轴)的手动进给部分。在手轮和进给机构中间加一离合器,1.进给机械改造,取消原工作台纵向(X轴)、横向(Y轴)及垂直方向(Z轴)丝杠进给机构，安装滚珠丝杠。为了使改造后的机床外观造型协调和均衡，伺服电动机不是直接装在工作台的滑鞍上，而是增加了变速箱，采用二级传动方案。同时为提高传动进给精度，在横向与纵向减速齿轮上采用双片齿轮错齿法消除间隙，在升降台锥齿轮上用轴向压簧调整法消除问隙。在锥齿轮一侧安装单向超越离合器及摩擦片式制动器，解决滚珠丝杠的自锁问题。,2.铣床导轨改造,采用贴塑导轨，粘贴工艺简单、易行。,图7.4 改造后铣床的传动系统简图,1主轴箱 2工作台 3X Y Z轴伺服电动机 4主轴电动机 5床身,7.3 电气控制系统,7.3.1 开环数控系统,以上海开通数控公司KT400-T数控系统与KT300驱动装置联接为例，介绍经济型车床数控系统的电气控制。,1.系统面板及功能,1)KT400-T数控系统的操作面板，如图7.5所示。,(1)CRT 显示操作方式、执行的程序和程序段、轴的坐标值、跟随误差、进给率、主轴转速、刀具、报警等信息。,(2)功能键 主要有操作方式、显示方式、前后移动(和)、删除、检索、清除等键。,(3)输入键 将数据输入到CNC存储器内。,(4)循环启动键 按下循环启动键，系统开始运行程序，机床进入自动加工状态。,(5)循环停止键 按下循环停止键，CNC停止执行程序。,(6)复位键 使CNC回到初始条件。,(7)主轴速度修调键：用于修调主轴旋转速度。,(8)进给倍率修调键 用于修调已编入程序中的进给速度，以及在各种不同手动方式时的进给速度(连续、增量和手摇脉冲发生器)。,(9)手动方向键 手动操作时移动X或Z轴的正、负方向。,图7.5 KT400-T系统操作面板,1CRT 2数字 3字母 4输入 5功能,6循环停止 7复位 8循环启动,9进给倍率 10主轴倍率 11手动,2)接口 图7.6为KT400-T系统背面接口示意图。,(1)A1端口 X轴指令输出，9芯连接器。,(2)A3端口 Z轴指令输出，9芯连接器。,(3)A4端口 主轴编码器和手摇脉冲发生器信号输入，15芯连接器。,(4)I/O1端口 强电箱的输入和输出信号，37芯连接器。,(5)I/O2端口 强电箱的输入和输出信号，25芯连接器。,(6)A5端口 RS232C通信接口，9芯连接器。,图7.6 KT400-T系统背面接口示意图,1A1端口 2、3I/O1 I/O2端口 4、5、6A3、A4、A5端口,2.进给驱动及步进电动机,步进电动机采用110BYG550系列，五相步进电动机步距角为0.36/0.72，Z轴步进电动机转矩为12Nm，X轴为9Nm。步进驱动装置为KT300，该装置采用环形分配集成电路、MOSFET功放器件、恒流斩波技术。数控系统KT400-T和步进驱动装置KT300及步进电动机的连接关系，如图7.7所示。,系统中A1和A3端口与驱动装置的信号连接有单双脉冲两种工作方式，即双脉冲正转(CW、 )、反转(CCW、 )或单脉冲(CW、 )加方向信号(DIR、 )。主轴脉冲反馈信号有六脉冲输出，即辨向脉冲A、 ，B、 和零标志C、 ，其它有电源0V和5V、屏蔽FRAME。,3.电气控制,1)I/O信号 图7.8中a)、b)分别为I/O1、I/O2的输入、输出信号定义。,图7.8 I/O接口信号定义,a)I/O1 b)I/O2,2)主轴及刀架控制,图7.9 主轴及刀架控制,a)控制电路 b)主电路,7.3.2 半闭环电气控制系统,1.数控系统,机床采用的MELDAS 50数控系统具有如下特点：,(1)采用32bit RISC(精简指令微处理器)的超小型数控装置。,(2)利用高速串行方式与高性能的伺服系统连接，实现了全数字式的控制最多控制四个进给伺服轴及两个主轴。,(3)通过高速串行连接，实现与I/O装置的配置，并可在数控系统的MDI(手动数据输入)面板上，直接进行梯形图开发，无需专用梯形图编程器。,2.伺服系统,MDS-A-SVJ交流伺服驱动单元与MELDAS 50CNC组成全数字式的伺服控制。伺服驱动单元通过串行通信的方式，接受系统的指令脉冲，完成位置控制和速度控制。伺服驱动采用IGBT功率晶体管及SPWM控制技术。图7.10为数控系统与MDS-A-SVJ交流伺服驱动的连接示意图。,CNC与驱动单元通过总线进行通信。CNC将处理结果通过SEVRO端口输出位置控制指令至第l轴驱动单元的CNlA 端口，伺服电动机上的脉冲编码器将位置检测信号反馈至驱动单元的CN2端口，在驱动单元中完成位置控制。由于总线通信，第2轴的位置控制信号由第1轴驱动单元上的CNlB端口输出至第2轴驱动单元上的CNlA口。第3轴的位置控制信号由第2轴驱动单元上的CN1B端口输出至第3轴驱动单元上的CN1A口。,3.机床电源,数控机床根据不同的负载性质和要求，提供不同容量的交、直流电压，分别输送到数控系统、伺服驱动系统、输入/输出接口、机床强电控制系统等电路。图7.11是ELDAS 50系列CNC装置及伺服驱动的电源配置。,主电源开关QF1实现自动过载和短路保护，在驱动部分，由断路器QF2和变压器TC1，将三相交流380V变换为三相交流200V。TC1是隔离变压器，其作用一是变换交流电压，满足主轴和进给伺服驱动单元电源电压等级要求；二是进行电源隔离，防止高频信号干扰。,在直流电源部分，考虑整流器容量以及避免干扰对I/O信号的影响，将直流+24V电源分两路输出，整流器VC1输出的直流电压作为机床操作面板指示灯显示电源。整流器VC2输出的直流电压提供给中间继电器线圈、接近开关、各类按钮和行程开关。,图7.11 MELDAS 50及伺服系统电源配置,