X54K立式铣床的数控化改造.doc

摘要我国目前的机床总量约为380万台，而且其中数控机床总数约为11万台，数控化率不到3，与国际上数控化率50相差甚远。因此，机床数控化改造对于我国制造业信息化是很有必要性的。针对某厂X5040型普通铣床数控化改造项目，提出了该机床数控化改造的方案并实施了改造。完成的主要工作如下：1、机械部分改造。通过对机床各部分结构、运动及参数的分析，确定了机械部分改造方案。保留原机床主轴箱，取消进给箱的传动装置，改为用交流伺服电机代替；导轨进行打磨、刮研；丝杠改为滚珠丝杠。2、数控系统选择。通过对国内外数控系统的比较，遵从性价比高、综合成本低的原则，最后确定采用国产DTM5T数控系统。3、电气部分改造。电气部分分别对强电和弱电进行了改造，将主轴电机更换为交流伺服电机，实现宽的调速范围；进给部分增加交流伺服电机，实现数控化控制。通过各项参数的设定和PLC程序，实现机床电气控制。4、精度测试和标准样件试加工。机床改造后，对机床静态的几何精度进行检测；通过标准样件的试加工，利用三坐标仪对其进行检测，从而来检查机床的工作精度。检测的结果各项精度达到指标，因此机床改造满足客户的要求。关键词：数控机床；数控化改造；数控系统 AbstraotThe number of machine tools is thirty eight thousands in China now days， among which，eleven thousands are the numerical control onesThe rate ofnumerical control is not up to 3far less than 50in the developed countries The modification of nonnumerical machine tools is of great importance in thedevelopment of MSEs in manufacturing sectorThis project was focused on the modification of milling machine typedX5040The process Was as follow：1Modification of mechanical partsAfter the analysis of structure，motion and parameters of the machine inquestion，the headstock was remained，the transmission elements of feed box wascancelled and replaced with AC servo motorThe ways were grinding andscrapingand the lead screw was replaced、th ball screw2Selection of numerical control systemCompared with ratio of performance and cost in this country and abroad，thenumerical control system was selected called DTM-5T3Modification of electrical appliancesThe spindle motor Was replaced with AC servo motor dynamo for widervelocity modulationWith step motor and selected PLC program，the electricalcontrol Was carried out4Measurements and specimenmachiningThe static and geometrical precisions were tested with this milling tool，andthe standard specimen Was machinedWith the measurements of specimen bymeans of threedimensional coordinates test machine，the test results shown thatthe requirements of modification were reachedKey words：NC machine tool；modification of machine tool；NC system第1章绪论11机床数控技术概述机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。30多年来，随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导致了制造业发生了根本性变化。数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和数控机床拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志12J。数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著，具体表现在以下几个方面：l、生产效率高，比普通机床提高35倍：2、减少工装，减少人为误差，提高加工精度，具有广泛的适用性和灵活性；3、缩短新产品的试制和生产周期，易于组织多品种生产，使企业能对市场需求做出快速响应；4、能加工普通机床不能加工的大型复杂零件；5、能减轻劳动强度，改善劳动条件，节省人力，能降低劳动成本；6、可实现软件误差补偿和优化控制。111课题研究的目的、意义众所周知，设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础，设备的技术性能和技术状况的好坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。设备的技术改造和更新速度又直接影响企业技术进步、产品开发和市场开拓后劲。因此，加快设备更新和改造，以提高企业在国内、外市场的竞争力，是企业的一项重大战略任务。更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。因此我们决定对现有设备进行机床数控化改造。112国内、外机床数控化改造的现状随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。根据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有l 134万台，即我国机床数控化率还不到3，而一些发达国家早己达到20以上。因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。因此，逐步提高数控机床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床进行数控改造。这对于我国一个机床拥有量极大(其中大部分机床役龄较长)而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先2进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径。即使在发达的工业幽家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是作为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Borsches工程公司、Anton机床公司、DevliegBullavd(得宝)服务集团、US设备公司等【6J。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)XJk。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工程公司、野琦工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展，采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点：(1)减少投资、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的13，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。(2)机械性能稳定可靠，但结构受限由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。而铸铁件年代久，自然时效愈充分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。从另一方面来说，这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的影响。但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改进。(3)熟悉了解设备结构性能，便于操作维修购买新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能3完全适合其加工要求。改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。机床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造，大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷运转，见效甚快。(4)可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工夹具、样板及外围设备也能再利用。以加工中心为例子，工艺装备的费用一般要占整个机床售价的10以上。(5)可更好地因地制宜，合理筛选功能购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一专用的特殊功能。如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些专用功能，往往费用大、交货期长。而采用改造的方案，就可灵活选取所要的功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成专用数控机床。(6)可及时采用最新技术、充分利用社会资源由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社会资源来支持机械方面的改造。如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交货期短：采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。这种塑料导轨带和粘结剂，国内己有多家厂生产，可敞开供应。此外，国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度【引。又如，当采用其他方式恢复主轴回转锥度有困难时，国内现己有多家专业工厂从事将主轴轴承改造为静压或动静压轴承的业务；现己有专业的润滑系统、冷却系统、防护件生产厂；北京机床研究所已专业化生产加工中心的刀库和机械手；洛阳轴承研究所为北京第一机床厂和南通机床厂配套电主轴部件，不仅将电动机和主轴制成一体，而且主轴内还包含了自动央紧和松开刀柄的机构，某些旧机床改造时，可以用电主轴部件来替代原来的主轴等这些例子，说明有一大批社会资源，因此可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术，提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今高水平、高效率的机床.113数控技术概述1、数控N-r原理在数控机床上，工件加工的全过程是由数字指令控制的，在加工前要用制定的数字代码按照工件图样编制出程序，编成数控程序，输入到数控机床中，使之按指令自动工作。数控机床的加工方法就是用逼近轮廓的方法，即插补法来加工工件的。它即可以加工直线和圆弧，也可加工出各种复杂的曲面。加工工件空间轮廓时，可由数控机床上的溜板沿X、Y、Z三个坐标方向上完成的合成运动。数控机床工作时，数控装置每发出一个进给脉冲指令，工作台就移动一个相应的距离，这个距离称为脉冲当量。其值一般为OOlmmmin，精度要求高的机床为0001 mmmin【111。根据数控加工的原理，可知数控机床的构成框图11所示。图中数控系统通常有一台专用微型计算机构成，它接受输入的控制信号代码，经过输入、缓存、译码、寄存、运算和存储等过程，转变成控制指令实现直接控制；或通过可编程序控制器(PLC)对伺服驱动系统进行控制。伺服机构包括驱动和执行两部分。它接受数控系统插补生成的进给脉冲信号，经过放大的伺服驱动装置，实现机床运动。伺服驱动装置包括主轴驱动单元，进给驱动单元、主轴电动机及进给电动机等。数控机床的本体则采用了高性能的主轴、滚珠丝杠副及直线滚动轴承等高效传动部件，同时其结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，其受热不变形【12】。2、数控铣床的结构数控铣床一般有三大部分组成，即机械部分、电气部分及数控部分等。电气部分分为强电和弱电。强电由电机控制丰轴、铣头、泵、润滑系统等，通过传动系统可以实现各级转速的调整。弱电通过各种元器件控制t轴的正转反转、启动停止、冷却液的丌关，进而招制机床的各种加工动作。数控部分在控制电路中采用了高速处理器及计算机技术，实现了高速度、高可靠性的目标。系统内还配有PMC(即PLC)，实现了机械加工的高速化及机床强电电路的简化。本部分还有RS232通信接口与外设计算机进行联机，保证信息的传输。12课题背景X5040型立式升降台铣床是齐齐哈尔第二机床J 1976年牛产的普通铣床，如图1 2所示。山于使用了很长时问，因此在效率越来越高的现代化L产中已严重受到制约，不能满足加工需求。该铣床由于长时间工作，设备老化，机械传动偏差大，造成精度不高，速度慢，特别是在批量加工零件时的效率不高；单轴控制，电路复杂，性能不稳定，且效率低下。因此用户提出如下改造技术要求：1、满足加工结构复杂，精度要求较高，批量较小的零件，使机床具备加工任意圆弧和凸轮曲面的功能。2、铣床数控化改造的电器部分要求：进给轴采用交流伺服电机控制；主轴实现正转反转和停止；实现自动冷却、润滑功能；进给轴的正、负限位控制；急停、报警信号的输入等。3、XYZ向交流伺服电机精度为00050005001mmstep定位精度0015mm；重复定位精度001mm。机床结构基本参数为：工作台纵向行程(手动机动)为1000990mm，工作台横向行程(手动机动)为375365mm，工作台垂向行程(手动机动) 450440mm。主轴转速1 8级【131。为适应现代制造工业发展，合理利用资源，提高精度与自动化综合效率，故对该机床进行了改造。13课题研究的主要内容1、机械部分改造。通过对机床机械部分的分析和计算，在利用原机床的基础上，通过对导轨的维修和滚珠丝杠的更换，来设定机械部件的规格、性能，以便数控系统正确且准确的控制整部机床的机械部件，达到机床NC化。基于以上数控机床的工作原理和结构特点，对于X5040铣床机械部分改造的内容如下：(1)导轨与丝杠。由于长时间的磨损，导轨面产生摩擦致使产生了凹凸不平的现象，从而影响加工精度，因此要对导轨面进行加工，如精磨、精刨、刮研等；丝杠方面，为了提高传动精度，把普通丝杠换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的最大特点是可以减小正反向的传动间隙和减小传动阻尼，可大大提高传动精度。(2)保留原机床主传动系统的基础上，通过改造实现主轴正反转，启动停车的NC控制；将工作台实现垂直、横向和纵向三个方向拖板的进给传动装置取消，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、交流伺服电机。垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠副后会因失去自锁而自动下7滑，必须增加平衡装置和制动装置；电机通过减速齿轮带动滚珠丝杠，从而带动拖板移动。因此机械结构更为简单，减少了传动误差。2、数控系统的选择。从性价比高、综合成本低这两个主要的原则出发，在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。不选择那些已经或将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，也不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素，除产品本身的价值外，还要顾及与其配套的配件的采购、维修成本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。3、电气部分改造。对机床电气进行数控改造，需拆除原机床工作台进给电机及其相应强电线路，由交流电动机及光电编码器输出控制信号，设计由KAlKA4个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相连，接受系统的控制，可实现机床紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴限位、主轴的正反转、启动停车、冷却泵控制等功能。4、测试机床精度。通过机床静态测试和对标准样件的试加工，来测试机床的各项精度，包括机床几何精度和机床工作精度两项。最后对改造后的机床和新机床的各项指标做以对比，来考核改造是否成功，并得出结论。第2章X5040铣床改造的方案设计21机床数控化改造流程实地开展调查研究。查找X5040型铣床的使用说明书和机床数控化改造有关的资料，由于这台设备使用时间长，使用说明书等相关文献已经遗失，因此到原生产厂家齐齐哈尔第二机床厂参观学习，了解机床的工作性能和各项要求，正确估算机械残留价值，确定X5040型立式铣床改造的目的，从而更加明确了改造任务，为改造工作做好准备。设备整体的测绘。对原机床的结构、整体尺寸、主轴状态、导轨磨损情况、润滑等有清楚的了解和记录。收集整理了机械部分和电气部分的各项资料，对机械部分的传动系统、冷却、润滑系统和电气系统控制等设备现状进行了分析。改造方案的设计。综合各项信息最终确定机床改造的总体方案，制定了具体的实施方案，开始对机床进行改造。在机床改造后，进行数控系统的调试，当各项参数稳定后，通过对标准样件的加工来测试机床各项精度参数，并得出了改造后的铣床已经满足各项要求的结论，能够开展正常的数控加工工作。X5040铣床数控化改造流程图如图21所示22总体改造方案设计在测绘的基础上，根据用户的要求，确定总体设计方案，其中包括：机床技术规格、机械传动系统和冷却、润滑系统、机床的防护系统等，机床数控系统的选择、电气控制系统等。1、 机床的技术规格机床技术规格见表21所示2、总体改造方案经过察看X5040铣床本体及有关资料，并且参照数控铣床的改造经验，确定总体改造方案，如图22所示。1、保留机床原主轴运动系统，通过改造实现主轴正反转，启动停车的NC控制；2、拆除机床工作台X、Y、Z轴原进给系统，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、交流伺服电机。垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠副后会因失去自锁而自动下滑，必须增加平衡装置和制动装置；3、数控系统选用北京帝特马数控设备有限公司生产的DTM5T数控系统：III4、电气系统的设计。在进给驱动中使用交流伺服电机，并安装编码器作为检测反馈元件。由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。23机械部分改造方案设计1、进给传动系统改造方案改造后取消其齿轮传动，工作台的纵向、横向、垂向进给均由伺服电机拖动，通过减速齿形带动纵、横向、垂向滚珠丝杠副转动实现，进给速度由伺服交流伺服电机给定；在交流伺服电机尾端加入编码器，完成位置反馈，构成半闭环控制系统。进给系统改造后的结构，如图23所示。2、其他机械部分(1)床身经对照原机床的使用说明书和机床安装的情况，决定保留X5040铣床原有的床身，机床床身其内部加强筋布置合理，具有良好的刚性，底座上设有四个调节螺栓，便于机床调整水平，冷却液储液池设在床身内部。(2)铣头由有级变速箱和铣头两个部件组成。铣头主轴制成在高精度轴承上，保证主轴具有高回转精度和良好的刚性。主轴装有快速换刀螺母，前端锥孔采用ISO 30。锥度。主轴采用机械传动装置变速，共有18级，传动平稳、操作方便。如图24所示。故此，在满足主轴调速范围的基础上，主轴变速箱和铣头不改变。(3)工作台工作台与床鞍支承在升降台较宽的水平导轨上，工作台的纵向、横向、垂向进给拖板的进给传动装置取消，改为由伺服电机驱动，通过内齿带轮带动精密滚珠丝杠，从而使工作台获得纵向进给。工作台左端原有的手轮和刻度盘保留，以便进给手动操作。(4)冷却、润滑部分冷却部分由切削液泵、出液泵、回液管、开关及喷嘴等组成。切削液泵安装在机床底座的内腔里，将切削液从底座内储液池泵至出液管，在经喷嘴喷出，对切削区进行冷却。润滑部分采用机动润滑方式，用润滑油泵通过分油器对主轴套筒、刀轨及滚珠丝杠进行润滑，以提高机床的使用寿命。冷却、润滑部分线路良好，可以继续使用。24电气部分改造方案铣床的数控化改造电气控制图如图25所示。在交流伺服电机控制下，驱动控制执行元件运动，完成进给轴的快速移动、启动停止等运动。用四幅驱动元件控制工作台的移动，进给轴的转速有两部分控制组合而成，一部分由交流电机通过减速齿轮对转速进行调速，另一部分由机械手柄和带轮进行有级调速。强电电路有主电路、冷却系统、润滑系统等三部分组成。机床上电采用三相380V交流电源供电，由空气开关控制机床总电源的切断。空气开关还同时受钥匙开关和开门断电开关的保护控制，使机床只有在钥匙打开和电气箱关闭的情况下才能通电。主电路为下列部件供电：伺服单元主电路、伺服单元控制回路、主轴电动机、切削泵电动机。控制电路使用的电源分别有两个电源变压器提供。一个电源变压器电源模块提供单相200V交流电源，另一个电源变压器输出三组单元交流电源。1IOV组为自动润滑、轴流风扇、电磁阀供电，并为交流控制回路提供IOOV电源。28V组为24V直流稳压电源提供交流输入电源。24V组为机床工作提供照明电源。25数控系统的方案1、数控系统的控制方式数控系统的控制方式通常分为三种，开环控制半闭环控制、闭环控制。在制定机床数控化改造总体方案时，应根据产品的加工要求，又要考虑数控系统的性能价格比，正确选择数控系统的控制方式【15】。半闭环控制通常是指数控坐标轴为伺服电机驱动，它由伺服电机、检测器、比较线路、伺服放大线路等部分组成，它根据来自检测器的反馈信号与指令信号比较的结果来进行速度和位置的控制，对大部分数控机床来说，其检测反馈信号是从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得。半闭环控制已经广泛的应用在数控机床上。2、数控系统的选择在进行数控系统选型时，一般应遵从性价比高、综合成本低这两个主要的原则。在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。(1)性价比高的原则一般在选择数控系统时，应考虑数控系统的先进性，不要选那些已经或将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，而要尽量选择先进的、能代表当前主流技术的产品。先进的产品代表更加强大的功能，但并不是越先进的越好，随着性能的提高，其价格必然越贵，但是在实际应用中，众多强大的功能是否必要，要视使用情况而定【16】。不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素，对产品的性能价格比进行比较，在同样能满足技术要求的情况下，选择价格低的产品。(2)综合成本低的原则所谓综合成本，是指除产品本身的价值外，其配套的配件采购、维修成本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。在进行数控系统选型时，要充分考虑以上因素，选择故障率低、配件价格低、售后服务及时、寿命周期长的产品。(3)国内外数控系统比较与选择我国国内目前研制开发与生产的CNC装置基本上分为两大类：一类是从国外引进技术制造的产品，如发那科生产的FANUC0iMate、德国SIMENS公司的SINUMERIKDMT-5TeCe17】；另一类是在引进、消化、吸收的基础上研制、开发、生产的数控装置，如华中数控生产的华中I型、II型。近年来，我国引进了一些国外的数控系统，具有代表性的有日本FANUC公司和德国SIMENS公司的产品，另外还有美国AllenBradley公司、西班牙FAOGO公司、法国NUM公司的产品【18】。对比国内外性能相当的数控系统，可以发现其优缺点非常明显，详见表22。从表22可以看出，国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势，但价格很高，使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电机的能力没有国外产品强大，但也能满足我们的要求，而且综合成本低。最终我们将机床电气改造数控系统的选择定位在采用国内系统上，其中DTM5T数控系统是一款能满足以上要求的数控系统，所以我们选择这款专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。数控系统如图2。6所示。3、DlM5T数控系统特点及主要技术指标 (1)魁以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统； (2)聚川中文式菜单目录，便于操作；(3)最小输山增量：x轴0 005，X轴0 005，Z轴00(4)具有A线、网弧、插补和川隙、，J具补偿功能；(5)稃JF输八方式：键盘、RS232C接DTM5T数控系统控制原理，如图27所示。DTM一5T数控系统IO接口主要实现与编码器接口、交流伺服电机控制接口、开关量输入输出接口。主轴编码器反馈信号接口。9芯D型插座，接受主轴编码器的头脉冲、码道脉冲，所选编码器每转脉冲应为1200P或2400P。X轴、Y轴、Z轴及主轴控制接口。15芯D型插座，用来控制X轴、Y轴、Z轴交流伺服电机的运动和主轴的转速。开关量输入输出接口。37芯D型插座，开关量输入输出类型：冷却液控制口；辅助输入输出口；刀架控制信号；主轴控制信号；主轴换档控制口；超程信号输入口；回零信号输入口。RS232通讯接口。25芯D型插座，用于连接RS 232C接口的计算机或外部设备，如图28所示119J。第3章系统运动参数的确定方案确定后，就可以着手对机床进行数控化改造。在改造前要计算和确定机床的机械部分运动参数，从而确定选择相关部件的型号和规格；为了满足数控系统加工过程中的稳定、快速、准确，就要分析控制系统的特性，确定影响系统的因素，以保证系统的正常工作。最后对原机床等硬件设施做以保养工作，为改造做好准备工作。31主运动转速范围分析主运动由55KW、1440rmin的主电机驱动，如图31所示。经矽115矽240的带传动，再经III轴间的三联滑移齿轮、III轴间的三联滑移齿轮、III轴建的两联滑移齿轮和V轴间的圆锥齿轮副2929及V轴间的齿轮副6347传至主轴，使之获得18级转速，如图32所示。主运动的传动路线表达式如式(31)所示：X5040其主轴转速18级分别为：30、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1320、1500rmin，其公比为1.26符合机械工业部机床专业标准GC5860规定的7个标准公比，其优点是便于采用双速电机驱动，可简化机床的变速机构【20l。32进给系统方案的设计321对进给传动系统的要求l、高的传动精度和定位精度传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，也是机床特蠡征的指标之一。在设计中在进给传动链中加入减速齿轮，以减少脉冲当量(即伺服系统接收一个指令驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的 2、宽的进给调速范围伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可到3-6000mmmin(调速范围1：2000)12。为了完成精确定位，伺服系统的低速趋近速度达01mmmin：为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达1 5mmin。3、响应速度快所谓快速响应特性是指迸给系统对指令输入信号的相应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。4、无间隙传动进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。5、稳定性好，寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系22统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能。6、使用维护方便数控铣床是高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂间的生产)JH-r，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。拆除铣床原有的手柄和滑动丝杠螺母副，更换为滚珠丝杠副和减速齿轮及交流伺服电机。纵向工作台(Y轴)：约80kg，横向工作台(x轴)：100kg，升降工作台(Z轴)：约300kg。3。22滚珠丝杠螺母副的选用与设计(1)铣削力的计算对高速钢圆柱铣刀，切削力的计算公式为：式中：系数，其值取决于切削条件和工件材料。当工件为碳钢时，取=65，=4mm；-每齿进给量，取=0.1mm；-背吃刀量，取=30mm；z铣刀齿数，取z=4；do一铣刀直径，取do=27mm；n铣刀转数；，一切削条件改变时，切削力的修正系数。其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。由己知条件，取X，=10、yF=O72、UF=O86、OF=0及gF 2073，加工碳钢时， =673MPa，其修正系数为： (3-3)用圆柱铣刀进行逆铣加工时：水平铣削分力，取=1.1垂直铣削分力轴向分力由此可算出：轴向铣削力 =0.375*4313=1.617(KN);轴向铣削力（2）强度校核计算燕尾形导轨工作时轴向力为：式中：k考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；f导轨上的摩擦系数，取0.2；、-切削分力，=2P/3=（2/3）*4.865=3.243(KN),=0, 、=1.617(KN).G工作台重量，G=80*9.8=784=0.784(KN)由此可得： =1.4*3.243+0.2*（1.617+0.784）=4.5+0.48=5.02(KN)滚珠丝杠寿命值计算 L=60NT 寿命值为：式中：L工件寿命（r）；N滚珠丝杠的转速（r/min）;T使用寿命时间（h），数控机床一般为1500h；滚珠丝杠承受的最大动负载计算：式中：-滚珠丝杠工作载荷，=1.2，=1.1参照汉江机床有限公司丝杠导轨厂的产品样本，选取HJGS系FYClD列400654滚珠丝杠。该滚珠丝杠副属外循环双螺母法兰凸出导管式，公称直径#40ram，导程Lo=6mm，螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为4级，右旋螺纹，其动载荷为29126KN，远大于1276KN，强度满足使用要求 261。滚珠丝杠两端支承均采用止推轴承和滚珠向心球轴承，在原有进给手动端增加齿轮箱，以便安装减速齿轮及交流伺服电动机，如图33所示。（3）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 丝杠螺旋升角力=，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数厂f=O0030004，10，则323减速齿轮设计与校核 由前面的计算已知：滚珠丝杠的导程步矩角，脉冲当量变速箱内齿轮的传动比为： 传动比计算出来以后，是采用一级齿轮减速还是二级齿轮减速，应考虑结构上的安排，齿轮减速箱的大小不应该影响移动溜板在有效行程内的运动，由于进给伺服系统的功率都不大，齿轮的模数一般耿m=2。所以，齿轮变速箱内齿轮的选择有关参数如下：=32， =40，模数m=2mm，压力角=2033伺服驱动系统设计331交流伺服电动机的设计交流伺服电机以其坚固耐用，经济可靠及动态响应性能好等优点越来越广泛地应用于数控机床的进给系统中。伺服电机是根据负载条件来选取的。加在电机轴上的负载主要有两种：负载扭矩和负载惯量，其中负载扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。负载扭矩应小于所选择电机的额定扭矩，负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选择电机的最大扭矩。已知传动系统下列参数：系统传动比125；滚珠丝杠螺距6删Il；快速行程速度2400mmmin；最大切削时转换到电机轴上扭矩722Nm；丝杠直径D=40mm，工作台与导轨之间的摩擦系数为f=0.1；快速行程时转换到电机轴上的扭矩062Nm;最大切削负载比40；驱动负载质量1120kg。1. 电动机的转速 快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。式中：-电机最高转速，r/min; N快速行程中电机转速，r/min;-工作台（或刀架）快速行程速度，r/min;i 系统传动比；p丝杠螺距，mm。由公式3-8得电机最高转速为则取2、 转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5倍电机惯量之内（如果超过2.5倍也可以使用，但调整范围将会减少，时间常数将会增加）。式中：-电机惯量，kg；-转换到电机轴上的负载惯量，kg；-各旋转件角速度，rad/s；-各直线运动件的质量，kg；-伺服电机的角速度，rad/s。-各直线运动件的速度，m/s.由式（3-10）得电机惯量必须满足下列条件：3、 电机功率计算 因为重力负载在任何速度下都是相同的，属于在峰值力矩下，以峰值转速不断驱动的负载，则电机的功率为：由于丝杠螺母机构的传动效率较高，齿轮减速比较少，传动效率按=80计算，取系数为2，则4、电机选择选用DTM数控公司主配的日本三菱交流伺服电机HCSFS系列电机。HCSFS系列交流伺服电动机具有伺服放大器，电机型号：HCSFS MRRB20， P ，系统与电机相互匹配。m=20332编码器选择光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数自量的传感器，如图3 4所示这是目前应用蛀多的传感器，光电编码器足由光栅盘和光电检测装置组成。光栅甜是在一定直径的圆扳I：等分地”通若卜个K=方形7L。山于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅鼎j电动机州速旋转，经发光极管等f于几件组成的枪测袈置榆测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3 5所小；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90 9的两路脉冲信弓。根榭其刻度方法及信号输H形式可分为增式、绝对式以及混合式_二种。这罩选择的是增量式编码器，该编码器分辨率为131072、6极，配套杠交流伺服电机卜，此编码器接线为9根。编码器的工作原理如图36所示。333进给传动机构设计拆除原系统手轮，以便安装交流伺服电动机与齿轮箱，横向(纵向)改装形式及选用交流伺服电机与垂向相同。经计算选择：滚珠丝杠基本导程：Lo=6mm，右旋；滚珠丝杠型号：HJGSFYCl320654365330；减速齿轮：Zl=40，Z2=8，减速比为12；交流伺服电机型号：HCSFS MRRBl2。第5章电气系统数控改造设计51概述X5040型铣床由于改造前控制的内容比较多，所以电气线路控制复杂，改造后电气部分主要采用DTM一5T数控系统来总体控制，因此，电气控制相对简单，如图5152所示，对铣床的电气控制系统分为强电和弱点两部分进行改造。控制柜固定在机床的左右两侧，左侧为强电柜，右侧为弱电柜。强点控制回路主要控制交流接触器的通断，我们采用220V的控制电源，因此需要选择一个控制变压器：容量为400VA，输入端为交流380V，输出端为交流220V和36V(工作照明灯用)强电柜外有空气开关，柜内有接触器等强电元件；弱电柜内有NC系统Io板，伺服单元变压器等；按钮站固定在立柱上，通过悬臂伸出，是机床的主要操作部件。5。2电气系统数控改造的设计521主轴电路的电气控制设计在本次改造主轴的控制中，主要控制主轴的正转反转、启动停止以及冷却泵的启停。主电路的电气原理如图53所示图53中，SBl为接操作面板上的“电源开”按钮，连接其常开触电；SB2为操作面板上的“电源关”按钮，连接其常闭触点。522进给系统电气原理设计对机床进给系统电气进行数控改造，需拆除原机床工作台进给电机及其相应强电线路，设计由KAl-KA44个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相连，接受系统的控制，可实现机床紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位控制等功能，如图54所示。l、坐标轴的限位紧急停机，是当数控系统运行出现紧急情况时，而采取的停机措施。只需在机床上增置一个紧急停机开关SB5，然后将系统信号线接上即可。2、机床原点，是为保证数控系统加工的精度及可靠性而设置的。系统是用3个行程开关SQ4、SQ5、SQ6作为机床各坐标轴的原点检测器件，可根据实际情况将它们装在各坐标轴的相应位置。铣床的机床原点，升降坐标(Z)设在接近下限位处，纵向(X)坐标面对机床设在接近右限位处，横向(Y)坐标面对机床设在接近外限位处。3、坐标轴的限位，是为保护数控系统的运行安全而设置的。在机床升降坐标的上下极限位、纵向坐标的左右极限位、横向坐标的里外极限位，各附41哈尔滨T程大学硕十学位论文设一行程开关和机械撞块。将系统的信号线接到3个行程开关SQI、SQ2、SQ3上，即可实现对各坐标轴的运动限位。53 PLC设置可编程序控制器(又称为PLC)是通过输入接口，接收数控系统传递的各种信号(比如操作按钮、各项开关等)，并将其转换成其能够接受和处理的数据，运行用户控制程序，将产生的结果通过输出接口转换成外设所需要的控制信号，去驱动控制对象，进而控制数控机床的各项运动。1、PLC控制原理从控制要求上来看，数控铣床的控制可以分为主控部分和辅助控制两部分，主控部分主要是进行主轴方向和转速控制以及各个进给轴的控制，这需要采用PLC取代继电器进行的强电控制，其输出端口通过控制接触器来控制变频器和伺服驱动器从而达到主控的目的。辅助控制通过把PLC的输入输出端口与数控系统的其他部分相连完成故障显示和报警以及实现M、T等功能，即CNC控制器发出的M、T等功能通过PLC程序解释来实现相应的功能，还需要实现故障检测功能，包括外部故障检测和PLC自诊断。由于数控系统内置PLC装置，因此根据电气原理图绘制的总控制线路如图5558所示。PLC输入端口与CNC控制器的故障信号输出口相连，并且PLC能检测包括机床的行程开关在内的其他部件的状态，根据检测到的信号进行显示和报警，必要时切断强电电源，达到故障检测、报警和处理故障的目的，使整个系统的运行更安全可靠，另外还需要控制冷却泵、润滑油泵等辅助控制功能。2、输入输出点数的确定PLC的IO通道分配是根据其控制对象的特点和控制要求，将PLC的输入输出口与相应的电气设备相连，达到控制和检测的目的，具体的IO分配如表51所示。其中输入24点，输出16点，它的结构为输入输出一体化的组件型结构，安装和调试比较方便，具有比较快的输入响应速度，并且可以进IO口扩展。3、PLC控制软件设计通过RS232C通信接口，在PC机WINDOWS环境下根据控制要求和PLC输入输出地址表，便可以利用梯形图编制控制程序，控制程序在分别控制主轴和伺服进给主电路的主电源之后。主要任务就是根据CNC控制器、伺服驱动器的状态控制相应的输出端口的状态，从而达到控制和故障报警直至采取相应的措施消除故障，具体的梯形图见附录B。通常PLC本身的可靠性比较高，但是PLC外接的输入输出元件如接触器、光电开关等比较容易发生故障，所以在设计软件时，应使软件具有检测甚至消除故障的功能，使整个系统的可靠性大大提高。PLC的软件设计要注意几下几点：(1)在铣床的软件设计中首先注意的就是强电关断优先的原则，既控制信号中只要有强电关断的信号，则不管其他信号的状态如何都要关断强电。(2)其次要注意动作的互锁控制，例如主轴正转和反转是两个不可能同时发生的动作，此时一般需要采用互锁控制，从而保证两者不可能同时动作。(3)还要注意顺序联锁控制，在数控铣床的运动控制中，有些是有严格的顺序要求的，不能发生颠倒次序的现象。这时可以采用联锁控制的方法，即选择前一个动作的常开触点，串联在下一个动作的启动回路中，同时将后一个动作的常闭触点串联在上一个动作的关断回路中，这样就可以使各个动作严格地按照设计好的顺序执行，大大提高了产品的可靠性和品质。54电机的安装与连接1、电源部分电源部分由三个变压器和一个稳压器组成，详见表52。2、电机的选择前提选择交流伺服电机时应根据总体设计方案的要求，在满足主要技术性能的前提下，还要分析丝杠的驱动扭矩、传动速比、刀架的快进速度、导轨斜铁预紧、防止低速爬行以及进给系统的稳定性等原因综合考虑交流伺服电机的参数。3、冷却电机选择一般分为步进电机和伺服电机。二者最大的区别是伺服电机本身就带有编码器，用来精确定位的。共有三台三相异步电机及两台轴流风机。横向(纵向)升降台电机为交流三相异步电机参数为：12KW22KW，380V，50HZ；冷却电机随主轴一起动作参数为：11KW，380V，50HZ；自动润滑装置通电后即开始工作。4、进给电机安装电机安装在中拖板后侧，通过减速器与x轴、Y轴丝杠连接；Z轴的电机可安装在两个部位，一是为了外表美观，可安装在床身下侧，但这样为了稳定电机，须使用挂角固定；二是也可以直接安装在导轨尾部，此时可以直接固定在丝杠的端部，如图59所示。在安装新电机时也要将密封套轴定位于法兰盘，所以要先设计转接法兰盘，然后再设计密封套轴向定位套，并大胆采用了电机前端毛面定位方式取得实际效果很好。5、连接与精度检验交流伺服电机上的连线接头有5个，以DTM5T系统连接为例即A、B、C、D、E等5个接头，与之相对应的强电柜的驱动器上也有A、B、C、D、E等5个接头，检测时，通过系统上电机转动看X轴、Y轴、Z轴的正反方向是否与规定的一致，在系统中给出相应的进给量，看电机是否转动相对应的角度。55强电柜的安装与连接DTM5T系统专门为X5040机床设计一套强电柜，由四个螺钉把合在主机箱后侧，通过一支撑穿线管固定主机箱，使其位于主机箱上边，以利于操作者操作方便。直接由门把手开关控制，并且从柜内接出的线在侧面通过航空插头固定在箱体上，从强电柜到主机箱的连接有三根线(1)主机线(采用25芯插头)； (2)控制线(采用9芯插头)； (3)编码器线(用15芯插头)。结论本文按照用户的要求，在机床数控化改造的原理指导下，根据前期调研和对原有机床设备分析的基础上对X5040铣床进行了数控化改造。本文的主要工作如下：1、机械部分改造。在原机床的基础上，保留原机床的主轴箱，取消进给箱的传动装置，把滑动丝杠改用滚珠丝杠，用交流伺服电机和减速齿轮束实现进给部分的调速，可以实现快速定位和准确启动停止；2、数控系统的选择。选用国产数控系统DTM5T来实现数字控制过程；达到数字化控制各部件协调工作，而且成本低；3、电气部分改造。电气部分以强电和弱电改造为主，强电柜取消大量电气元器件，改用伺服驱动电机来实现；弱电利用数控系统中PLC来实现逻辑控制，从而完成机床数控化改造。4、机床精度的测试。对改造后的机床迸行几何精度和工作精度的测试，测试的结果是实测值小于允许值，即满足机床的几何精度和动态工作精度要求。根据测试结果，对改造后机床做以综合性评价分析，验证了机床改造的可行性和可靠性，突出了良好的性价比。不仅加工范围扩大，而且对于中小批量生产大大提高了生产效率。在改造过程中，通过对国产数控系统的使用，发现虽然国产数控系统还存在输出扭矩小等问题，但在机床改造中，可以满足设备要求，而且成本低，大大降低改造成本，为国产系统的使用与推广提供了依据。尽管在机床数控化改造中完成了项目，但还存在机床后续使用中的维护和保养工作的展开和推广，对操作人员加强培训，以延长其使用寿命。应用DTM5T数控系统对X5040铣床改造后，扩大了加工范围，可以加工凸轮等形状复杂的零件，满足了加工精度要求，提高了生产效率，工作性能稳定，且改造的成本也较低。因此，传统机床的数控化改造是一个方兴未艾的产业。参考文献1席俊杰数控技术和机床数控化改造机械工程师，2002(08)：6-7页2诸小丽普通机床数控技术改造探讨南宁职业技术学院学报，2003(04)： 6卜64页3朱文伯，笪文俊西门子数控系统在机床改造中的应用J航空制造技术，1999(05)：30-32页4钟灵20-10FPSOONK龙门铣床的数控改造J西北农林科技大学， 2006(05)：21-24页5实用数控机床技术手册M，北京：北京出版社2001：6265页6KUO Hsingchia，REN BingyinTANG YuyongEtal Geometric models for improving NC machining efficiency and accuracy of propeller w