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CA6140车床FANUC数控改造电气部分研究设计（系统选型及强电设计）【无图】

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关键词：: ca6140 车床 fanuc 数控改造电气部分部份研究钻研设计系统选型

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CA6140车床FANUC数控改造电气部分研究设计（系统选型及强电设计）

47页 250000字数+说明书+开题报告+任务书+答辩PPT+外文翻译

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摘要

　　　在我国目前拥有大量技术陈旧的机床急需更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资源受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金和快速上马的有效途径。普通机床的数控化改造已成为企业提高自身自动化程度的一种重要化手段。

　　　本设计对CA6140数控车床进行数控化改造，主要内容为数控系统选型和电气原理图的设计。在设计的前期翻阅了大量的资料，根据任务书的要求确定了总体设计方案。介绍了当前国内外机床改造业的现状，讨论了如何经济实用地做好数控系统选型，实现新数控系统与旧机床的组合，最终满足旧机床改造的要求，改善机床的技术性能。

　　　先对机床改造进行了可行性分析，通过几种典型数控系统的对比，选择了FANUC0i—TB数控系统作为原机床的数控装置，并选用了与该系统相匹配的主轴电机和伺服电机。该系统是由日本生产的，其成本低，功能实用，运行可靠，而且操作与维护容易，性能价格比非常突出。接着完成了系统的强电设计及主电路控制元器件的选型。

　　　利用FANUC数控系统对CA6140进行数控化改造后，该机床操作方便，降低了操作者的劳动强度，机床的控制精度也有了很大的提高。

关键词：车床；数控改造；数控系统；伺服系统；电气原理图

1 引言1

1.1 数控机床改造的特点及国内外发展概况1

1.1.1 数控机床改造的特点1

1.1.2 国内外数控机床改造的现状1

1.2机床数控改造的必要性和可行性2

1.2.1 市场需求2

1.2.2 必要性和迫切性2

1.2.3 可行性3

1.3 本次数控改造研究设计的主要内容及设计方案3

1.3.1 数控改造的内容3

1.3.2 设计方案4

2 CA6140普通车床数控化改造的可行性分析6

2.1 机床简介6

2.1.1 原机床功能6

2.1.2 原机床精度6

2.1.3 原机床主要技术参数6

2.1.4 原机床传动系统7

2.1.5 原机床电气控制7

2.2 CA6140普通车床数控化改造的可行性论证8

2.2.1 技术可行性论证8

3 数控系统选型11

3.1 数控系统选型原则11

3.2 国内外数控系统比较11

3.2.1 典型数控系统的分析比较12

3.2.2 数控系统的选型14

3.2.3 数控改造的控制方式选择17

3.3 伺服系统改造方案18

3.3.1 进给驱动系统的改造18

3.3.2 主轴驱动系统的改造24

3.3.3 伺服系统连接图27

4 机床强电设计29

4．1 机床强电柜的设计和安装条件29

4.1.1 防止噪音的方法29

4.2 改造后机床强电原理图31

4.2.1 主电路控制元器件的选型31

5 总结38

参考文献40

致谢67

1.3 本次数控改造研究设计的主要内容及设计方案

1.3.1 数控改造的内容

　　　1、恢复机床功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复。

　　　2、利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造。

　　　3、为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元器件进行更换，对机械部分重新修配调整，恢复原精度。

　　　4、技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次。

1.3.2 设计方案

　　　1、数控系统的选择

　　　数控系统是数控机床的中枢，是其中最关键的环节。目前，市场上数控系统的类型较多，选择时要保证能购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。

　　　首先，要考虑机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费，且在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来故障率升高的隐患。又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求，不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用。

　　　其次，要考虑数控系统的制造厂商。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的发那科和三菱、法国的NVM等，国内公司主要有华中数控、广州数控、北京航天等。目前，进口系统的性能尚优于国产系统，但价格也较高，因此适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能可靠使用，且近几年国产系统也有长足进步，与世界先进技术的差距越来越小。

　　　第三，要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。

　　　2、伺服系统的选择

　　　伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在CA6140机床的数控化改造中，选用了性能好、精度高的闭环控制系统。该系统的执行元件——伺服电机，通常采用永磁式交流伺服电机。

　　　永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，它容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其选择方法是：先确定电机的额定转速，其次选择其负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算确定预选电机是否符合要求。

　　　3、主传动系统的改造

　　　在对主传动系统进行改造时，一般应把原主轴箱齿轮变速换档机构改造成高速档和低速档，电机的转速由变频器来控制，把主轴的调速、正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。这样就扩大了变速范围，实现加工过程中的自动变速，提高机床的性能。另外，为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。CA6140车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证具备螺纹加工的功能。

　　　4、进给传动系统的改造

　　　在对进给传动系统进行改造时，一般都应把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率伺服电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。

　　　5、刀架的改造

　　　普通车床改装后需要多把刀能按程序要求自动换刀才能自动完成全部车工工序，所以必须对刀架部件进行改造。即拆掉原手动刀架，装上电气或液压驱动，由数控装置控制的自动刀架。

　　　6、强电结构设计

　　　电气控制柜采用冷轧钢板制作，为了保证电柜的电磁一致性，采用0.8-钢板冲压成形后焊接结构。电柜内部安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。各屏蔽电缆进控制柜的入口处，屏蔽层要接地。进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线直接接入驱动单元，不经过端子转接。各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线采用双绞双屏蔽电缆。开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能力。各部件外壳可靠接地;各结构间可靠接地、共地。

内容简介：: 毕业设计开题报告C6140车床FANUC数控改造电气部分研究设计（系统选型及强电设计）系别：机械工程系班级：机检0301 学生姓名：王丽丽指导教师：蒋丽 2007年 12 月12 日毕业设计开题报告课题题目C6140车床FANUC数控改造电气部分研究设计（系统选型及强电设计）课题性质工程设计课题来源社会实践成果形式设计说明书同组同学无开题报告内容见附页指导教师意见（课题难度是否适中、工作量是否饱满、进度安排是否合理、工作条件是否具备等）指导教师签名：月日专家组及系里意见（选题是否适宜、各项内容是否达到毕业设计（论文）大纲要求、整改意见等）专家组成员签字：教学主任（签章）：月日附页：一、课题研究的背景对普通车床进行改造，使其恢复原有的加工能力，提升其性能和技术水平，更好的适应新工艺、新技术的使用，进而探索出一条普通车床改造的新路，具有重要意义。二、课题研究的意义工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床，本质是采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC, FMS外，还包括在产品开发中推行CAD, CAE, CAM,虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竟争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，每年都有大量机电产品进口。数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3-7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可以实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处如:降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。三、国内外市场现状制造业是国民经济的主体，社会财富的60%-80%来自于制造业。加入世贸组织后，中国制造业正由跨国公司的加工组装基地向世界制造业基地转变。而中国经济要实现长期可持续高速发展，实现成为“世界制造中心”的愿望，中国制造业(国防、军工、装备制造、汽车等行业)就必须进行大规模技术改造;其中对装备的更新是最为重要的环节。中国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，中国数控机床年产量约为0.6-0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。中国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%, FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装各加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。机床的数控化可通过两条途径完成，一是购买新装备替代旧的，二是对旧装备进行数控化改造;根据中国国情，采取“两条腿走路”是稳妥、经济的选择。使用数控系统对机床进行改造，数字化电气控制系统的开发设计问题成为关系改造成败的关键，直接影响机床的工作特性。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。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的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床数控改造和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业4。从事再生业的著名公司有:Bertsche I程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公题号不对，钱联想可合并并可删减一些。司等。三、设计思路1、数控系统的选择数控系统是数控机床的中枢，是其中最关键的环节。目前，市场上数控系统的类型较多，选择时要保证能购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。首先，要考虑机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费，且在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来故障率升高的隐患。又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求，不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用。其次，要考虑数控系统的制造厂商。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的发那科和三菱、法国的NVM等，国内公司主要有华中数控、中国珠峰、北京航天等。目前，进口系统的性能尚优于国产系统，但价格也较高，因此适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能可靠使用，且近几年国产系统也有长足进步，与世界先进技术的差距越来越小。第三，要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。2、伺服系统的选择伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴问的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在普通机床的数控化改造中，一般选用价格较低的开环控制系统。该系统的执行元件伺服电机，通常采用步进电机或永磁式交流伺服电机。步进电机是采用脉冲数字信号进行控制的，每转一转步距误差自动变为零，易于控制，价格最低。其选择的关键是对参数进行确定。确定参数的具体方法是：先计算电机的步距角，其次确定其步距精度，然后再对它的转矩进行选择，最后选定步进电机驱动器。永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，它容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其选择方法是：先确定电机的额定转速，其次选择其负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算确定预选电机是否符合要求。3、主传动系统的改造在对主传动系统进行改造时，一般应尽量保留原主轴箱齿轮变速换档机构，只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。当然，如果为了扩大变速范围，实现加工过程中的自动变速，也可以将原来的单速电机更换为多速电机，这样可以使机床性能更好。但多速电机的功率是随转速的变化而变化的，所以电机功率要大，且还要增加一套电机变速系统，改装较麻烦。对普通机床进行简易数控改造时，最好不用这种方法。另外，为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。如普通车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证具备螺纹加工的功能。4、进给传动系统的改造在对进给传动系统进行改造时，一般都应把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。5、刀架的改造普通车床改装后需要多把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行改造。即拆掉原手动刀架，装上电气或液压驱动，由数控装置控制的自动刀架。四、课题的准备情况及进度计划：序号毕业设计阶段性工作及成果时间安排1查阅相关技术资料,完成相关英文文献的翻译,熟悉数控机床原理，完成初步设计方案。早期进入阶段2确定数控化改造的整体设计方案。第1-2周3完成该方案下系统选型。第3-5周4完成该方案下系统的强电设计，绘制必要的设计图纸。第6-8周5整理设计资料,撰写毕业设计说明书并进行答辩准备工作。第9-10周五、参考文献1余英良机床数控改造设计与实例M北京：机械工业出版社19982张新义经济型数控机床系统设计M北京机械工业出版社，l9943陈艳红。韩洪涛CA6140型车床的数控改造与实践J机床与液压。2002(5)：2112124王计文，景顺，志强.浅析普通机床的数控改造.机床与液压，2002, 4: 33-34.5龚雯.普通车床的数控改造.机械工人，1999, 6: 17-18.6肖爱武.普通车床数控改造初探.机械制造与自动化，2003, 6: 22-237陈康宁.机械工程控制基础.北京:机械工业出版社，1997.8黄文梅.国外气动位置控制介绍.液压与气动，2000(1):23-269武自芳，虞鹤松.微机控制系统及其应用.西安:西安交通大学出版社，19格式不统一98.10汪木兰.数控原理与系统.北京:机械工业出版社，2004.11北京FANUC机电有限公司.FANUC数控系统应用论文集.北京:FANUC中国机电有限公司，200412张光跃，现代数控原理与控制系统北京:国防工业出版社，200213张根宝.自动化制造系统.北京:机械工业出版社，200214牛金花.变频器的选型及现场应用.河北冶金，2004, 5: 19-215 数控加工技师手册编委会.数控加工技师手册.北京:机械工业出版社，2005Tianjin University of Technology and Education毕毕业业设设计计专专业：业：机械维修及检测技术教育机械维修及检测技术教育班级学号：班级学号： 0301-070301-07 学生姓名：学生姓名：王丽丽王丽丽指导教师：指导教师：蒋蒋丽丽副教授副教授二二八年八年六六月月天津工程师范学院本科生毕业设计天津工程师范学院本科生毕业设计CA6140CA6140 车床车床 FANUCFANUC 数控改造电气部分研究设计数控改造电气部分研究设计（系统选型及强电设计）（系统选型及强电设计）Research and Design of Altering CA6140 Lathes Using FANUC Numerical Control System in Electric Part(System Select and Electric Design)专业班级：机检专业班级：机检 0301学生姓名：王丽丽学生姓名：王丽丽指导教师：蒋丽指导教师：蒋丽副教授副教授院院别：机械工程学院别：机械工程学院20082008 年年 6 6 月月摘摘要要在我国目前拥有大量技术陈旧的机床急需更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资源受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金和快速上马的有效途径。普通机床的数控化改造已成为企业提高自身自动化程度的一种重要化手段。本设计对 CA6140 数控车床进行数控化改造，主要内容为数控系统选型和电气原理图的设计。在设计的前期翻阅了大量的资料，根据任务书的要求确定了总体设计方案。介绍了当前国内外机床改造业的现状，讨论了如何经济实用地做好数控系统选型，实现新数控系统与旧机床的组合，最终满足旧机床改造的要求，改善机床的技术性能。先对机床改造进行了可行性分析，通过几种典型数控系统的对比，选择了FANUC0iTB 数控系统作为原机床的数控装置，并选用了与该系统相匹配的主轴电机和伺服电机。该系统是由日本生产的，其成本低，功能实用，运行可靠，而且操作与维护容易，性能价格比非常突出。接着完成了系统的强电设计及主电路控制元器件的选型。利用 FANUC 数控系统对 CA6140 进行数控化改造后，该机床操作方便，降低了操作者的劳动强度，机床的控制精度也有了很大的提高。关键词关键词：车床；数控改造；数控系统；伺服系统；电气原理图ABSTRACTIn the case of the fact that there are a great quantity of obsolete old lathes needing renewing in China at the moment, their processing capability and resources of the digital control lathe are limit. Therefore carrying on the digital control reconstruction is valid and necessary for the benefit of fast capital turnover and effective introduction. Tradition machine tool NC retrofit has been an important method for the corporations to enhance their automation.This paper provides a detailed reconstruction scheme for CA6140 type common lathe, selecting the type of the NC system and designing the electric drawings is the main work content. a large number of materials were browsed in early stage and overall design plan are confirmed according to the request of task book. It introduces the current situation of retrofitting machine industry at home and abroad. It discusses how to economically and practically select the type of NC system for an old machine tool, and set forth how to realize the combination of new NC system and it, finally, to meet the requirement of retrofitting an old machine tool and improve its technical performance.It makes a feasible analysis to the lathe reconstruction. By comparing several typical numerical control system, I choose FANUC0iTB digital control system as control apparatus in present machine tool, servo motor and spindle motor as well which is fit for the system. The system is produced by Japan. The manipulation and maintenance of the system is fairly easy and the performance to price ratio is greatly outstanding. Later, I carries out the electric design of the system, select the proper component in the powerful electric circuit as well.Having made use of FANUC numerical control system to provide a reconstruction for CA6140 lather. The machine tool is operated conveniently, lowers labor strength, and its control accuracy is raised a lot.Keywords: lathes; digital control reconstruction; numerical control system; servo system; electric principle diagram目录1 引言.11.1 数控机床改造的特点及国内外发展概况.11.1.1 数控机床改造的特点.11.1.2 国内外数控机床改造的现状.11.2 机床数控改造的必要性和可行性 .21.2.1 市场需求.21.2.2 必要性和迫切性.21.2.3 可行性.31.3 本次数控改造研究设计的主要内容及设计方案.31.3.1 数控改造的内容.31.3.2 设计方案.42 CA6140 普通车床数控化改造的可行性分析 .62.1 机床简介.62.1.1 原机床功能.62.1.2 原机床精度.62.1.3 原机床主要技术参数.62.1.4 原机床传动系统.72.1.5 原机床电气控制.72.2 CA6140 普通车床数控化改造的可行性论证 .82.2.1 技术可行性论证.83 数控系统选型.113.1 数控系统选型原则.113.2 国内外数控系统比较.113.2.1 典型数控系统的分析比较.123.2.2 数控系统的选型.143.2.3 数控改造的控制方式选择.173.3 伺服系统改造方案.183.3.1 进给驱动系统的改造.183.3.2 主轴驱动系统的改造.243.3.3 伺服系统连接图.274 机床强电设计.29I41 机床强电柜的设计和安装条件.294.1.1 防止噪音的方法.294.2 改造后机床强电原理图.314.2.1 主电路控制元器件的选型.315 总结.38参考文献.40致谢.67天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计01 1 引引言言1.1 数控机床改造的特点及国内外发展概况1.1.1 数控机床改造的特点数控改造技术在机械加工行业中的应用越来越广泛，这主要是由于数控改造有以下几方面突出特点和优点:(1) 投资额少、交货期短，同购置新机床相比，一般可以节省 60%-80%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，只是新机床购置费用的 1/3，交货期短。即使有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制造与安装过于费工、费钱，改造成本也高 2-3 倍，但与购置新机床相比，也能节省投资 50%左右。(2) 机械性能稳定可靠，所利用的床身、立柱等基础件都是重而兼顾的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。(3) 熟悉了解设备，便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床地加工能力;另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早己了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一旦安装好，就可以实现全负荷运转。(4) 可采用最新的控制技术，根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备地自动化水平和效率，提高设备和档次，将旧设备改成当今水平的机床。(5) 充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购置新设备时那样需要重新构筑地基。因此可节约费用，降低改造成本，同时也可缩短生产准备周期。(6) 提高产品质量和工效可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的产品尺寸一致性好、合格率高、废品率低、生产效率高。如经济型数控机床，一般可提高工效 3-7 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效越明显。(7) 减轻工人的劳动强度，提高工人素质促进科技成果的普及和应用，为“体力型”向“智能”转变创造条件。1.1.2 国内数控机床改造的现状近年来，国内数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙头的机床厂，主要生产键铣加工中心，其 CME1000 数控系统是“九五”期间最新开发出来的具有很高性能价格比的普及型数控系统。该数控系统是一个系列化产天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计1品，有三种基本类型:CMEl000T 车床用数控系统、CMEl000M 铣床和小型加工中心用数控系统和 CMEl000G 磨床用数控系统。根据用户特殊用途机械设备加工的需要，可以为用户定制特定的软件，从而派生出特定用途的经济型数控系统。该系统已经广泛用于主机厂的机床配套、旧机床改造项目和步进系统的更新换代，取得较好的经济效益和社会效益。在国外，比如美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。1.2 机床数控改造的必要性和可行性1.2.1 市场需求1、机床数控化改造的市场大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2、进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良:有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的己引进较长时间，需要进行技术更新。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计21.2.2 必要性和迫切性1、数控机床对比传统机床有以下突出的优越性。1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化。从而效率可比传统机床提高三到七倍。3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。多道工序是在一次定位、一次装夹下实现。5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。因此劳动生产率提高和生产周期缩短，效益非常明显。2、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后 20 年。因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。上世纪 80年代，陆续从国外引进了很多中高档数控机床，有的服役期满，有的不能正常工作，处于闲置，造成巨大资源浪费。这些机床共同之处在于机械部分基本完好，精度较高，主要是由于数控系统出现问题而又难以购置配件，不能满足正常生产的需要和现代高精度、高速度和高可靠性的加工要求。如果利用进口数控系统对现有数控设备进行数控化改造，只需少几十万元就能发挥现有设备的作用，而购置一台新的同性能的数控机床则需要几百万甚至上千万的资金，因此，对我国来说数控机床的数控化改造，尤其是加工中心的数控化改造具有明显的经济效益与社会效益，非常迫切。1.2.3 可行性1、数控机床改造存在很大的市场需求。2、数控系统的技术日趋成熟，特别是 SIEMENS 系统、FANUC 系统功能齐全、性能稳定，非常适合机床改造。3、数控机床改造的优点很多，可以升级机床的功能，最重要的是可以节省大笔的资金。4、机床功能模块化技术已经成熟，更换方便。5、经过若干年的锻炼，已经培养出一批掌握现代数控机床改造的队伍，在改造机床方面的技术储备，力量雄厚。综上所述，数控机床的改造具有可行性。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计31.3 本次数控改造研究设计的主要内容及设计方案1.3.1 数控改造的内容1、恢复机床功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复。2、利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造。3、为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元器件进行更换，对机械部分重新修配调整，恢复原精度。4、技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次。1.3.2 设计方案1、数控系统的选择数控系统是数控机床的中枢，是其中最关键的环节。目前，市场上数控系统的类型较多，选择时要保证能购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。首先，要考虑机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费，且在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来故障率升高的隐患。又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求，不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用。其次，要考虑数控系统的制造厂商。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的发那科和三菱、法国的 NVM 等，国内公司主要有华中数控、广州数控、北京航天等。目前，进口系统的性能尚优于国产系统，但价格也较高，因此适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能可靠使用，且近几年国产系统也有长足进步，与世界先进技术的差距越来越小。第三，要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。2、伺服系统的选择伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统 CNC 系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计4均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在 CA6140 机床的数控化改造中，选用了性能好、精度高的闭环控制系统。该系统的执行元件伺服电机，通常采用永磁式交流伺服电机。永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，它容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其选择方法是：先确定电机的额定转速，其次选择其负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算确定预选电机是否符合要求。3、主传动系统的改造在对主传动系统进行改造时，一般应把原主轴箱齿轮变速换档机构改造成高速档和低速档，电机的转速由变频器来控制，把主轴的调速、正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。这样就扩大了变速范围，实现加工过程中的自动变速，提高机床的性能。另外，为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。CA6140 车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证具备螺纹加工的功能。4、进给传动系统的改造在对进给传动系统进行改造时，一般都应把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率伺服电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。5、刀架的改造普通车床改装后需要多把刀能按程序要求自动换刀才能自动完成全部车工工序，所以必须对刀架部件进行改造。即拆掉原手动刀架，装上电气或液压驱动，由数控装置控制的自动刀架。6、强电结构设计电气控制柜采用冷轧钢板制作，为了保证电柜的电磁一致性，采用 0.8-钢板冲压成形后焊接结构。电柜内部安装板采用镀锌钢板，以提高系统的接地性能。控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。各屏蔽电缆进控制柜的入口处，屏蔽层要接地。进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线直接接入驱动单元，不经过端子转接。各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线采用双绞双屏蔽电缆。开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能力。各部件外壳可靠接地;各结构间可靠接地、共地。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计52 2 CA6140CA6140 普通车床数控化改造的可行性分析普通车床数控化改造的可行性分析2.1 机床简介2.1.1 原机床功能CA614O 旧车床是沈阳第一机床厂于 1995 年 5 月出厂的一台普通卧式车床，它的万能性较大，适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面；车削端面及各种常用螺纹；在其上还能作钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作。2.1.2 原机床精度CA6140 旧车床在数控化改造前进行了整体修复，修复后对机床原始精度和加工精度检铡结果如下:床身导轨调平纵向:导轨在垂直平面内的直线度 0.004mm/250mm横向:导轨应在同一平面内的平面度 0.4mm/1000mm机床主轴主轴轴向串动 0.01mm主轴轴肩支承面的跳动 0.O15mm主轴定心轴颈的径向跳动 0.008mm主轴轴线的径向跳动 0.015mm/300mm主轴顶尖的径向跳动 0.01mm主轴轴线的平行度 0.015mm/300mm加工精度精车外圆的圆度 0.01mm精车外圆的圆柱度众 0.01mm/100mm精车端面的平面度 0.02mm/300mm精车的表面粗糙度 Ra=1.252.5m2.1.3 原机床主要技术参数床身上最大工件回转直径 400mm最大工件长度 750mm最大车削长度 650mm刀架上最大工件回转直径 210mm主轴内孔直径 52mm天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计6主轴转速正转 24 级 101400r/min反转 12 级 141580r/min主电机型号 Y132M-4-B3 左主电机功率、转速 7.5KW,1450r/min润滑冷却系统润滑叶片泵型号 R12-1 润滑叶片泵流量 5L/min 冷却泵型号 AOB-25 冷却泵流量 25L/min机床轮廓尺寸（长宽高） 241810001267mm机床净重 19902.1.4 原机床传动系统原机床的传动系统主要由两大部分组成。一是主运动传动链，它的功能是把动力源(电动机)的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足卧式车床主轴变速和换向的要求。二是进给运动传动链，它用来实现刀架的纵向和横向移动及车螺纹运动，运动及动力是由电动机经主轴箱、主轴、进给运动传动链、溜板传至刀架。2.1.5 原机床电气控制天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计7图 2-1 CA6140 车床电气控制线路原机床电气控制线路图如图 2-1:其中，Ml 为主电机;M2 为控制冷却液的冷却泵;M3 为控制溜板横、纵向移动的快速电机。1、主电路分析三相交流电源通过转换开关 QSl 引入，主轴电动机 M1 由接触器 KM1 控制起动，热继电器 FR1 为主轴电动机 Ml 的过载保护。冷却泵电机 M2 由接触器 KM2 控制起动，热继电器 FR2 为冷却泵电机 M2 的过载保护。接触器 KM3 为控制刀架快速移动电机 M3 起动用，因快速移动电机 M3 是短期工作，故可不设过载保护。2、控制电路分析控制变压器 TC 二次侧输出 110V 电压，作为控制回路的电源。(1) 主轴电动机 Ml 的控制。按下起动按钮开关 SB2，接触器 KM1 的线圈得电吸合，KM1 主触头闭合，主轴电动机 Ml 起动。按下蘑菇形停止按钮开关 SB1，电动机停转。(2) 冷却泵电动机 M2 的控制。只能在接触器 KM1 得电吸合，主轴电动机 Ml 起动后，合上开关 SA，使接触器 KM2 线圈得电吸合，冷却泵电动机 M2 才能起动。(3) 刀架快速移动电动机的控制。刀架快速移动电动机 M3 的起动，是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮开关 SB3 来控制，它与交流接触器 KM3 组成电动控制环节。将操纵手柄扳到所需的方向，压下按钮开关 SB2，接触器 KM3 得电吸合，电动机 M3获电起动，刀架就向指定方向快速移动。3、照明、信号灯电路分析控制变压器二次侧分别输出 24V 和 6V 电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。EL 为机床的低照明灯，由开关 QS2 控制，HL 为电源信号灯。2.2 CA6140 普通车床数控化改造的可行性论证机床改造的基本原则是:把技术可行性和经济合理性有机的结合起来。所谓机床数控化改造的可行性论证就是指从技术和经济两个方面对机床数控化改造进行论证，判断进行数控化改造是否合理，改造方案是否最佳。技术可行性的指标之一是技术实用性;经济合理性就是以最少的投资获取最大的效益。2.2.1 技术可行性论证机床改造的技术可行性论证就是对机床改造在技术上是否能够保障改造成功以天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计8及从改造后维护角度论证。具体的应从机床本身、加工对象、技术性和市场可供性等四方面分析:一、机床本身分析能否进行机床数控化改造主要取决于机床本身的条件，如:机床磨损程度、刚度等以及机床的技术寿命。1. 机床磨损程度、刚度我校 CA614O 是 1995 年 5 月出厂，主要用来学生实习，没有批量生产过产品，机床本身机械部分磨损很小，导轨和齿轮等的磨损也不大，根据改造前对原机床精度检测，可见原机床综合精度比较高。机床几何精度仍等于原新机床的精度，所以原机床从磨损程度上看能够保证。普通机床结构上有先天性不足，刚度低、抗振性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。在后面改造中将有目的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的要求。2. 技术寿命的计算机床的技术寿命是指从机床开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间。随电子技术和计算机技术的发展，加速了机电产品的更新换代，原机床结构复杂而且自动化程度低，所以只适用于单件、小批量生产及修配车间。现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化及高复合化的发展趋势，数控化率逐年提高，大有取代普通机床的趋势，而且数控机床的数控装置(CNC)技术寿命一般为 23 年，数控技术发展迅猛。故为了改善原机床性能满足教学和加工要求，对原机床进行数控化改造，同时也延长了原机床的技术寿命。二、加工对象分析机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的几何参数及公差要求。零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。改造后的数控车床，主要用来学生实习，其加工范围为车台肩、外圆、内孔、螺纹、锥形体、球体、切槽、切断等及带有复杂型面的卡盘类零件。加工精度要求小于 0.01mm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.0050.01mm，能够满足上述型面的加工要求，在技术上是可行的。三、技术性分析目前，我国在机床的数控化改造方面有许多成功的经验可供参考，机床的数控化改造技术方面也有一定的基础，充分利用现有的成功经验与技术基础并结合我们的具体条件，完成本课题在技术上也是可行的。四、市场可供性天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计9所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造用的各种备件，以保证备件的供应。机床数控化改造计划实施应有本地区机电一体化供应的基本条件，这样不仅改造周期短，而且有利于保证维修及技术咨询服务。就本机床改造而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品代理机构，并且我校毗邻北京，选购元器件非常方便，对于 CA6140 改造而言市场可供性好。综上所述，对原机床进行数控化改造符合技术可行性要求。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计103 3 数控系统选型数控系统选型进行改造的 CA6140 普通车床是沈阳第一机床厂 1995 年 5 月出厂的一台卧式车床，其电气元件老化严重，故障率很高，且配件供应短缺，故障停机时间越来越长，即可靠性大副下降，严重制约了我校教学活动的正常进行。为适应技能实训的需要，机床改造时必须需将电气系统全部更换，达到或接近新机床的可靠性，其首要工作就是数控系统选型。3.1 数控系统选型原则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。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。3.2 国内外数控系统比较1、国内外主要数控系统产品介绍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及许可证制造的产品，如北京数控设备厂(BESK)生产的 FANUC-BESK0MateE;另一类是在引进、消化、吸收的基础上自选研制、开发、生产的数控装置，如:华中数控生产的华中型、华中型。目前，国内领先的几家数控系统生产单位有华中数控、沈阳计算所、辽宁精密机器厂、广州数控等等。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计11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 Allen-Bradley(A-B)公司、西班牙 FAOGO公司、法国 NUM 公司的产品，详见表 31。表 31 国内外主要数控系统产品系列生产厂家产品系列日本 FANUC 公司3、6、9、0、15、16德国 SIMENS 公司3、8、810、820、850、880、840法国 NUM 公司1020、1040、1060、1050美国 A-B 公司B8400、B8600MT/TC、B8600AT90、B8600/WS西班牙 FAOGO 公司8010、8025、80502、国内外数控系统的优劣对比国内外性能相当的数控系统，可以发现其优缺点明显，见表 32。表 32 国内外数控系统优缺点优点缺点有中文显示，操作方便无配套大转矩、大功率伺服电机价格低可靠性低，故障率高国内产品备件供应、售后服务及时寿命短性能更全面，配套齐全价格高可靠性高，故障率低备件供应、售后服务慢国外产品使用寿命长部分产品无中文显示从表 31 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，国内产品虽然完全可以满足我们的加工要求，但有一个致命的弱点；即这些厂家还没有生产大转矩、大功率伺服电机的能力。当然，也可以选择国内的数控系统配国外的伺服电机和伺服系统。但在同一台设备上同时配用几个厂家的数控系统、伺服系统以及伺服电机的做法是不明智的，不同厂家的产品不能完全兼容，会导致故障频繁，降低使用效率，同时增加维护成本。因此在国内厂家没有解决大转矩、大功率伺服电机加工能力之前，不要选择国产的数控系统。最终我们将机床电气改造数控系统的选择定位在采用国外系统上。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计123.2.1 典型数控系统的分析比较1、FANUC 数控系统日本 FANUC 公司是专门从事生产数控系统及工业机器人的著名厂家。该公司自 50 年代末期生产数控系统以来，己开发出 40 多种系列的数控系统，特别是 70 年代中期开发出 FS5、FS7 系统以后，生产的系统都是 CNC 系统，也是从此开始，FANUC 公司的 CNC 系统大量进入中国市场，在中国市场处于举足轻重的地位。FANUC 产品序列如表 33 所示表 33 FANUC 产品序列表年代FANUC 产品70 年代FS5、FS780 年代F6、F1190 年代末F0、F15目前0i/0i MateC、0i/0i MateB、16i/18i/21i MODEL B下面对目前应用最多的 0i 系统和最新推出的系统作简单的介绍。表 34 FANUC 各系统比较系统0i0iMate16i-B18i-B21i-B控制轴数43885表 35 FANUC16i/18i/21i-B 系统性能项目性能高精度的纳米超精加工 CNC 系统最尖端的伺服技术（HRV 控制）高速、高精度、高效率缩短循环时间的高性能 PMC以太网为标准配置丰富的网络功能灵活应用网络的集中管理软件包便于操作和编程的支援工具优异的操作性利用安装在液晶装置上的存储卡进行输入/输出CNC 控制部和液晶显示部集成一体通过超高速串行通信减少电缆小型、省接线基于欧洲安全标准的双检安全性利用因特网的远程诊断维护性以会话方式诊断报警的故障诊断天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计132、SIMENS 数控系统德国 SIMENS 公司是世界上最大的电气产品公司之一，其数控系统的商标为SINUMERIK，用于机床和加工设备的控制。西门子的工业控制产品在欧洲占据主导地位，在世界上也享有盛誉，在我国也有大量的用户。其产品序列如表 36 所示。表 36 SIMENS 数控系统产品序列年代SIMENS70 年代末期中期SINUMERIK500，5，500C，770 年代末期880 年代初期380 年代中期810/82080 年代末期850/880/80590 年代初期SINUMERIK840,840C目前840D,810D3、NUM 数控系统NUM 公司是法国一家著名的国际性公司，专门从事 CNC 数控系统的开发和研究。是 SCHNEIDER 集团的子公司，欧洲第二大数控系统供应商，其产品覆盖诸多行业。该公司在近年推出的 1020/1040/1060 系统 CNC 是其主流产品。NUM 数控系统除了在传统的车、磨、锉、铣、加工中心和复合机床应用外，在传输机械、电火花加工、研磨、切齿、木材加工、激光或高压水射流切割、火焰切割等特殊领域具有独特的优势。这三种主要的国外数控系统，FANUC 数控系统由于可靠性高、操作性强、性能价格比好而被广泛采用，但开放性不够好。SIEMENS 的数控系统价格较高，而且使用起来较复杂。而 NUM 系统介于此二者之间。3.2.2 数控系统的选型FANUC 数控系统在我国企业中被广泛使用，占有率已达 60%左右，考虑到 FANUC数控系统可靠性高且性价比好，所以在机床改造中决定选择 FUANUC0i-TB 数控系统。FANUC 数控系统具有如下特点：1、高可靠性系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构紧凑易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计14采用机器人焊板，减少了人为参与，实现了全自动的制造，避免了由于人为不慎所造成的失误，大大提高了系统的可靠性。具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为 O45，相对湿度为 75%（短时间内可达到 95%)，抗振动能力为 O.5g，电网波动为-15%10。FANUC 公司 CNC 系统平均故障率见表 37表 37 FANUC CNC 系统平均故障率产品年代平均故障率（次/月）平均无故障率（月/次）70 年代末0.101080 年代中0.033380 年代末0.025090 年代末0.011002、优良的价格性能比FANUC 系统以其较高的性能价格比赢得了用户的欢迎，尤其在国内改造市场广泛使用，使广大用户感觉到 FANUC 的数控产品好而不贵。先进性，网络技术，控制能力及控制精度不断改善，且 FANUC 系统所配置的系统软件又具有比较齐全的功能和选项功能，但价格保持中等水平。在性能满足要求的情况下，机床改造追求的不是先进性而是高可靠性，讲究的是低投入高产出。因此，选择高质量高性能价格比的数控产品非常重要，FANUC 数控产品正在因为具备了这些特点，在机床改造市场倍受青睐。3、编程灵活的 PMC 功能梯形图形式的 PMC 程序；多任务 PMC 程序的编程结构，提高了 PMC 程序的编写和可读性。梯形图 PMC 程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的 PMC 和 CNC 交换信息量；便于 OEM 读取 NC 的信息，以便更自动化的控制。提供大量丰富的 PLC 信号和 PLC 功能指令；丰富的信号和编程指令便于用户编制机床的 PLC 控制程序，而且增加了编程的灵活性。使用编辑卡编写或修改梯形图；携带与操作都很方便，特别是在用户现场扩充功能或实施技术改造时更为便利。强大的编程软件；天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计15简便的通讯能力。4、强大高效的 CNC 功能具有很强的 DNC 功能；系统提供串行 RS232C 传输接口，使 PC 和机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速度的 DNC 操作。FANUC0i 系统增加“多段程序预读控制功能”和“HRV（高响应矢量） ”控制；伺服增益设定更高，理论上可使轮廓加工误差比 0 系统减少一半。0i 系统圆度误差通常为 0.010.02mm。具有“HSSB（高速串行总线）控制功能”使执行程序的速度和精度大大提高。使用存储卡存储或输入机床参数、PMC 程序以及加工程序，操作简单方便；使复制参数、梯形图、机床调试程序的过程十分快捷，缩短了机床调试时间，明显提高数控机床的生产效率。提供丰富的维修报警和诊断功能；强大的网络功能。FANUC0i-TB 数控系统性能如表 38 所示。表 38 FANUC0i-TB 数控系统性能0i-B性能A 包B 包控制轴数44同时控制轴数44PLC 控制轴可可串行主轴数22模拟主轴数11伺服电机isis串行主轴电机ii零件程序容量640M320M伺服 HRV 控制HRV3HRV1程序预读段数4020RS-23222DNC2可HSSB可以太网可天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计16伺服图形显示有I/O LINK 伺服轴77维护信息显示有远程诊断诊断包以太网伺服调试引导可硬件结构高度集成板（模块）3.2.3 数控改造的控制方式选择数控改造的控制方式按伺服驱动方式基本上分为开环控制、半闭环控制三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。(1) 步进电机拖动的开环方式该方式的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种方式不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，因此，系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度。因该方式不具有反馈装置，对移动部件实际位移量不进行检测，无反馈与原指令值进行比较，不能进行误差校正，所以，系统的位移精度低。但具有结构简单、调试维修方便、成本低、易改装成功的特点。(2) 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控方式半闭环方式检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置，它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环方式的精度低，但是，它的结构与调试都较闭环方式简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时，则无需考虑位置检测装置的安装问题。该方式移动部件的传动丝杠螺母结构不包括在闭环之内，由丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的误差难以消除，可用误差补偿的方法消除，仍可获得满意的精度。系统闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得稳定的控制性能。具有调试方便，稳定性好的特点，目前，应用比较广泛。(3) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控方式该方式与开环方式的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计17以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置和差值等于零为止。闭环控制方式在结构上比开环控制方式复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环方式难。但是，可以获得比开环控制方式更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求决定是否采用这种方式。该控制方式可以消除整个放大和传动的误差、间隙和失动，具有很高的位置控制精度(0.001mm)。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统的不稳定，使系统的设计、安装和调试都很困难。全闭环控制方式主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床和超精磨床等。综上所述，选择控制方式时，主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度和功能、驱动电机的功率以及资金情况。在资金充足的情况下，可以尽量选用质量好的产品，这样可以很好的预防电器元件的故障或因提前失效等引起的设备故障。根据设计任务和总体设计方案，我决定采用半闭环控制方式，这样既经济又易改造，同时也能满足改造后的性能要求。3.3 伺服系统改造方案伺服驱动技术是机电一体化产品中的重要环节，其控制性能最终反映了机电一体化产品的控制质量。高性能的伺服系统可以提供方便、灵活、准确、快速的驱动。数控机床的驱动系统主要有两种：即进给驱动系统和主轴驱动系统。从作用看，前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床主轴旋转运动。驱动系统是由驱动部件（如交、直流电机及速度检测元件）和速度控制单元所组成。驱动系统的性能，在较大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最大移动速度、定位精度等各项指标主要取决于驱动系统及 CNC 位置控制部分的动态和静态性能。驱动系统与 CNC 位置控制部分构成位置伺服系统。它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。位置控制主要是对数控机床的进给运动的坐标位置进行控制，轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和精度的控制有严格的要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统，其电气控制原理均可分为直流和交流两种。直流驱动系统在 70 年代初至 80 年代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电机材料结构及控制理论有了突破性的进展。80 年代初期推出了交流驱动系统，标志着新一代驱动系统的诞生。由于天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计18交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电机易于维修，便于制造，不受恶劣环境影响，与直流驱动相比，功率重量比提高了 50左右，所以，目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。从 90 年代开始，交流伺服系统己走向数字化，驱动系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理，缩短了采样时间，增强了系统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。3.3.1 进给驱动系统的改造1、对进给驱动的要求数控机床是机电一体化高技术、高精度、高效率的产品。如果仅有一台先进的NC 系统，而没有一套好的驱动系统与之配套，也不能成为一台先进的数控机床。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善及功能的扩大。选择进给驱动系统应满足如下的要求：(l) 精度高数控机床的使用主要是解决下述问题：保证加工质量的稳定性、一致性解决复杂空间曲面零件的加工问题解决复杂零件的加工精度问题为了满足这些要求，关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床是按预定的程序自动进行加工，不可能应付事先没有预料到的情况及非复演性的问题。因此，在位置控制中要求有高的定位精度。如 1m 甚至 0.1m。而在速度控制中，要求有高的调速精度，强的抗负载扰动能力。(2) 快速响应为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，要求过渡过程的时间短，一般要求在 2OOms 以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，使过渡过程的前沿陡，亦即上升率大。(3) 调速范围宽在数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质以及零件加工要求的不同，而又要保证在任何转速下得到最佳的切削条件，就要求进给驱动必须有足够宽的调速范围。目前，先进的水平是在进给速度范围已可达到脉冲当量为 1m 的情况下，进给速度从 024m/min 连续可调。但对于一般数控机床而言，要求进给驱动系统在O24m/min 进给速度下都能工作就足够了。(4) 低速大转矩天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计19根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。2、伺服电机的分析与选用(l) 对伺服电机的要求为满足上述对进给驱动的要求，对其执行元件-伺服电机也相应提出了要具有高精度、快反应、宽调速和大转矩等特点。具体要求是：电机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转；转矩波动要小，尤其在最低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。满足快速响应的要求，电机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。电机应能承受频繁的起动、制动和反转。(2) 进给伺服电机的类型表 39 伺服电机的类型类型主要特点改进型直流电机此类电机在结构上与传统的直流电机没有区别，但静态和动态性能有改善，早期欧美电机多用。小惯量直流电机能获得较好的快速性，早期数控机床上应用较多步进电机制造容易，主要用于经济型数控机床作为开环进给驱动元件。永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长期地工作，能平稳运转于低速下而无爬行现象，70 年代至 80 年代中期，在数控机床进给驱动中占据统治地位，至今仍有使用。无刷直流电机实质是交流调速电机的一种，电机性能达到直流电机的水平，又取消了换向器和电刷，多年来引起人们很大兴趣。交流调速电机自 80 年代中期开始，已经得到迅速发展并形成潮流。日本生产的数控机床已全部采用，必定成为机床进给驱动的方向。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计20(3) 进给伺服电机的选择在机床的改造中选用日本 FANUC0i-TB 数控系统，与其配套使用的为交流永磁式同步伺服电机，交流伺服电机分类如表 310 所示。1) 选择方法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。加速扭矩应考虑负载惯量和电机惯量的匹配，考虑连续过载时间在所选电机的允许范围内，负载快速运动时所需的电机转速应在电机的最高转速之内。最高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。表 310 交流伺服电机分类分类特点异步型交流伺服电机（交流感应电机）多为笼型转子，结构简单，与同容量直流电机相比，质量约轻 1/2，价格仅为直流电机的1/3，但不能经济地实现范围较广的平滑调速。电磁式需集电环和电刷，机械可靠性与感应电机相同，但功率因数高于异步电机磁滞式较永磁式效率低，功率因数差，制造容量不大永磁式结构简单、运行可靠、效率高，采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁，比直流电机外形小 1/2，质量减轻 60%，转子惯量减到直流电机的 1/5同步型交流伺服电机非电磁式反应式较永磁式效率低，功率因数差，制造容量不大 (3-1)103maxPiVNNm式中，电机最高转速（r/min)maxNN快速行程中电机转速（r/min)工作台（或刀架）快速行程速度（m/min)mVi系统传动比P丝杠螺距（mm）天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计21CA6140 机床横、纵向滑板快速行程速度为 10m/min,丝杠螺距为 P=5mm,由上式可以算出 N2000r/min,所以选择的机电最高转速应高于 2000r/min。转换到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，但调整范围将会减小，时间常数将会增加）。（匹配条件）（3-2LMJJ5 . 2）工作状态载荷扭矩在正常状态下，工作状态载荷扭矩应不超过电机额定扭矩 80。msMSTT%80式中，电机额定扭矩MST工作状态载荷扭矩msT取决于操作模式，若知道最大切削扭矩和最大负载比 D，可按下式求出msTcTmsT （3-21DTTCms3）连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定时间之内。由上述方法，根据算出的电机最高转速要求及其他指标，选择：X MOTORFANUC 8B/3000i 直轴带键制动Z MOTORFANUC 8/3000i 直轴带键电机主要技术参数如表 311 所示。表 311 电机主要技术参数技术指标8/3000i(8B/3000i)额定输出功率（KM）1.6额定扭矩（Nm）8最高转速（r/min）3000电机转动惯量（）0.0026重量（）12天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计222)i 系列交流伺服电机的特点i 系列交流伺服电机具有极平稳的转动和快速加速性能，非常适合用于机床的进给轴。尺寸紧凑新的结构设计使电机轴向长度缩短，有助于机床小型化薄型高分辨率 Qi 系列位置编码器标配：高分辨率（标准：1,000,000/rev，选配：16,000,000/rev）提高了机床的精度并实现了小型化。智能化伺服电机i 系列伺服电机有电机代码信息和位置编码器信息，有助于机床的快速维护。200V 输入电压3、伺服电机驱动模块的选择控制电机采用交流伺服电动机的伺服系统称为交流伺服系统。该系统由伺服电动机和伺服驱动器两部分组成。目前将交流伺服系统根据所用的电动机不同分为两大类：即永磁交流伺服系统和异步型交流伺服系统。前者电机的主体是永磁同步式交流伺服电机，后者电机用笼型交流电机。伺服驱动器通常采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器和具有电流内环、速度外环的多闭环控制系统，其外特性与直流伺服系统相似，以足够宽的调速范围和 4 象限工作能力来保证它在伺服控制中应用。改造后机床选用的伺服电机为永磁同步式交流伺服电机，与其配套使用的伺服驱动器为 FANUCi 系列伺服放大器，型号为 SVM40i。其控制方式采用矢量变换控制。4、驱动原理(1)永磁交流伺服系统按照其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，又可分为两种伺服系统：矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统FANUCi 系列伺服放大器采用正弦波电流驱动方式，其驱动原理如图 31 所示。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计23图 3-1 正弦波交流伺服驱动原理电流环的作用主要是控制电机的三相绕组电流满足下列要求：严格的三相对称正弦函数变化关系：它们的相位分别与该相的反电动势相位同相（或反相）; 电流幅值与速度调节器的输出的指令信号成正比。直流伺服系统电流环控制与电动机转子位置无关，而永磁交流伺服系统的电流环控制却与电动机的转子位置有关，交流伺服电机运转必须有电动机转子位置传感器，它提供转子瞬时角位移信号。而且对转子位置传感器的要求是高分辨率的，这个传感器信号进入交流伺服驱动器的电流环部分，实现对电动机各相绕组的电流“换向”或对电流波形的控制。选用的i 系列伺服驱动系统恰好提供了高分辨率的i 系列位置编码器。(2) i 系列伺服放大器特点小型化宽度减少了 20%，厚度减少 11%，有利于电柜尺寸缩小。节能应用最新的节能功率模块，能量损耗减少了 10。维护方便通过电机代码和电机温度信息可方便进行维护，减少了信号电缆的配线。3.3.2 主轴驱动系统的改造1、对主轴驱动的要求机床的主轴驱动和进给驱动有很大差别。机床主传动的工作运动通常是旋转运动，对主轴要求在很宽范围内速度连续可调，并在各种速度下提供恒定的切削功率。过去，数控机床大多采用直流主轴系统，由于直流电机的换向限制，恒功率范围往天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计24往较小，满足不了现代数控机床的要求。此外，制造大容量直流电机也比较困难。80 年代初期，随着微电子技术和大功率晶体管的高速发展，开始推出交流主轴驱动系统，一方面交流电机不像直流电机那样在高转速和大容量方面受到限制；另一方面交流主轴驱动的性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，而在价格上却不比直流主轴驱动贵。主轴驱动应具有如下特点：(1) 输出功率大为满足生产率的要求，主轴和进给相比应具有更大的功率。(2) 具有恒扭矩段及恒功率段机床在加工过程中，高转速时切削力很小，为充分提高电机使用效率，一般在电机高速段实行弱磁控制，使电机输出功率恒定。(3) 具有准停控制机床在加工中常要求主轴必须停在某一固定的径向位置，因此要求伺服具有准确停在某一预先设定位置上的功能。(4) 主轴与进给的联动在机床的螺纹加工中，需要主轴和进给的联动，因此要求主轴具有和进给一样的伺服功能。(5) 恒线速切削控制机床在进行端面切削时，常要求工件与刀尖的接触点的线速度恒定，因此要求主轴具有均匀升速的功能。2、主轴电机的分析与选用(l) 对主轴电机的要求根据上述特点，对主轴伺服电机的具体要求为：据各种机械要求，能在一定范围内保持恒转矩或恒功率输出，功率较大，约在 2.225OKW 范围。具有一定的过载能力，为额定值的 1.21.5 倍，过载时间为几分钟至半小时。在大的调速范围内速度应该稳定，且恒功率的速度范围宽。加速和减速时间短。要求电机体积小。电机温升要低，振动与噪声要小。(2) 典型主轴电机介绍目前，数控机床多采用交流主轴电机，交流主轴电机采用感应电机的结构形式，但是专门设计的。从国外较有代表性的 FANUC 公司的产品情况看，交流主轴电机有天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计25下述几种形式: 输出转换型交流主轴电机为满足机床切削的需要，要求主轴电机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率。但主轴电机由于本身特性的限制，在低速时输出功率发生变化（即为恒转矩输出），而在高速区则为恒功率输出。为此，FANUC 公司生产出一种输出转换型交流主轴电机。例如三角形星形切换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换方法格外方便，每套绕组都能设计成最佳的功率特性，得到很宽的恒功率范围，一般能达到 1:81:30。液体冷却主轴电机在电机尺寸一定的条件下，为了得到大的输出功率，必然会大幅度增加电机的发热量。为此，必须解决电机的散热问题。一般是采用风扇冷却的方法散热，但若采用液体强迫冷却法则能在保持小体积条件下获得大的输出功率。FANUC 公司生产的这类电机用强迫循环的润滑油来冷却绕组和轴承，使电机可在 20000r/min 高速下连续运行。这类电机的值功率范围也很宽。内装式主轴电机若能将主轴与电机制成一体，可使主轴驱动结构简化。降低了噪声、共振，即使在高速下运行，振动也极小。(3) 主轴电机的选择主轴电机的选择及主要参数改造机床的主轴电机也选用i 系列交流主轴电机，在选用时主要根据原机床主轴电机的参数来选择的（如转速范围、输出功率、最大转矩），最后确定型号为SPINDLE MOTOR 22/7000i。电机主要参数如表 312 所示。 i 系列交流主轴电机主要特点高速时能保持高功率的高性能交流主轴电机，特别适用于机床的主轴。高功率、高加速通过线圈优化设计和使用有效的冷却装置，电机即使在高速时也能保持恒定的功率，实现快速的加速。表 312 22/7000i 主轴电机主要技术参数技术指标22/7000i连续输出功率（KW）22（18.5）额定输出功率30 分钟输出功率（KW）26（22）基本转速（r/min）1500恒功率输出转速（r/min）6000最大转速（r/min）7000天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计26扭矩（Nm）140转动惯量（Kg）0.128注：括号里的值为在最大转速时的额定输出。可通冷却液的空心轴主轴电机冷却液可通过电机中心轴，直接连到机床的主轴上。采用简洁的主轴结构提高了主轴性能实现了高速、高精和低振动。3、主轴驱动装置数控机床的主轴驱动装置根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类，模拟量控制的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机的控制，有通用变频器控制通用电动机和专用变频器控制专用电动机两种形式。串行数字控制的主轴驱动装置是数控装置生产厂家用来驱动该厂家专用主轴电动机的驱动装置。其控制方式采用正弦波 PWM 控制（即 SPWM)。(l) 控制原理正弦波脉宽调制（SPWM）是一个交直交供电系统，由不可控整流器经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压加在逆变器上，控制逆变器功率开关器件的通和断，使其输出端获得不同宽度的矩形脉冲波形。而决定开关器件动作顺序和时间分配律的控制方法即为脉宽调制方法。通过改变矩形脉冲的宽度可控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行输出电压与频率的控制，满足变频调速对 V/f 协调控制的要求，即在电机绕组上产生幅值、频率可变的正弦波形，控制电机的旋转。(2) 主轴驱动的特点采用微处理控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。主回路采用晶体管 PWM 逆变器，使电机电流非常接近正弦波。具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。综上所述，随着数字控制的 SPWM 变频调速系统的发展，数控车床主轴驱动采用变频器比较多，特别是在老式数控机床的改造中。在本设计中主轴驱动装置选用日本的安川变频器。图 32 为改造后数控驱动装置的接线图。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计27图 32 数控机床主轴驱动装置的接线图3.3.3 伺服系统连接图1、伺服电源模块伺服电源模块选用 PSM30i，其技术数据如表 313 所示。表 313 伺服电源模块技术数据技术指标PSM 30i电源220VAC+10%-15%，50HZ1HZ电源设备容量（KVA）37额定输出功率（KW）26最大输出功率（KW）40短时间最大输出功率（KW）662、伺服系统连接示意图如图 3-3 图示。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计28图 3-3 系统连接图天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计294 4 机床强电设计机床强电设计41 机床强电柜的设计和安装条件在电气柜的设计中，除了必须符合上述的环境条件要求之外，还必须考虑 CRT屏幕的电磁干扰，预防噪声和维护方便。电柜的设计必须符合如下条件：(1) 电气柜必须是全封闭的，有效的防治灰尘、冷却液和有机溶液的进入。同时还必须考虑伺服放大器和伺服变压器的安装：在空气入口处使用空气过滤器；将换气扇安装在空气不能直接吹到单元的地方；控制气流以保证灰尘和冷却不能进入空气入口。(2) 需考虑当电柜内的温度上升时，必须保证柜内和柜外的温度差不能超过10。(3) 必须安装风扇以保证内部空气的循环。风扇需作调整以保证空气以0.5m/sec 的速度流过每一个安装单元的表面。因为如果空气由风扇直接吹向单元，灰尘就很容易附着在单元上，这可能引起单元出故障。(4) 为了使空气流动更容易，应该在每一个单元之间以及单元和电柜的内壁之间留出 100mm 的空间。(5) 由于机床和 CNC 单元的尺寸在减小，在电柜内，产生噪声的元件就有可能安装在对噪声比较敏感的元件旁边，所以在电气柜的设计时还必须考虑到尽量降低噪声，并且防止噪声向 CNC 单元的传送。(6) 显示器有可能因为外部电磁干扰而变得扭曲。在安装中，如果有电磁辐射的元件（比如变压器、风扇电机、电磁接触器、线圈和继电器）安装在显示器附近，它们经常会干扰显示器的显示。为防止这种情况的产生，电磁元件和显示器之间的距离通常至少保持 300mm。3、防止噪音的方法机床电气控制部分分为机床电器柜、LCD/MDI 单元操作面板、机床操作面板。4.1.1 防止噪音的方法CNC 的体积己经因为表面安装和大规模集成电路的应用而得到恒定的减小。CNC的设计也可以防止外部的噪声对 CNC 本身的损坏。但由于噪声有很多不确定的因素，所以防止内部噪声的产生和防止外部噪声传入 CNC 都非常重要。如果注意到这些，天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计30就会提高 CNC 工作的稳定性。要防止噪声，主要从以下几个方面着手：信号线的分离接地采用噪音抑制器电缆卡紧及屏蔽(1) 信号线的分离CNC 机床中使用的电缆种类及处理方法如表 41 所示。表 41 机床中使用的电缆种类及处理方法组信号线处理办法初级交流电源线次级交流电源线交流/直流电源线（包含伺服和主轴电机的电源线）交流/直流线圈A交流/直流继电器将 A 组电线与 B 组和 C 组分开捆绑将 A 组电缆进行屏蔽在线圈或者继电器上安装灭弧装置或者二极管直流线圈（24VDC）直流继电器（24VDC）CNC 和强电柜之间的 DI/DO 电缆BCNC 和机床之间的 DI/DO 电缆将直流线圈和继电器与二极管连接起来将 B 组电缆与 A 组分开捆绑B 组和 C 组电缆分离将 B 组电缆屏蔽处理CNC 与伺服放大器之间的电缆用于位置和速度反馈的电缆CNC 与主轴放大器之间的电缆位置编码器的电缆手摇脉冲发生器的电缆CNC 与 CRT/MDI 之间的电缆CRS-232-C 用的电缆将 C 组与 A 组电缆分开捆绑将 C 组电缆进行屏蔽C 组电缆与 B 组电缆分离注：将电缆按照分组捆绑时，保留他们之间的距离为 1Ocm。电磁屏蔽是指用接地金属板在两组电缆之间的屏蔽。(2) 接地提供给 CNC 机床的接地系统主要有如下几种: 信号地系统：信号地提供了电信号系统的参考电压框架地系统：用于安全方面，并且抑制内部和外部噪声。在框架地系统中，将框架单元的外壳、面板和单元之间接口电缆的屏蔽连接在一起。天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计31 系统地系统：用来将设备和单元的框架地系统和大地连接起来。接地系统中的注意事项：在 CNC 控制单元中将信号地与框架地连接起来；系统地的电阻为 100ohms；使用带有接地线的交流电源线，以保证供电时地线接地。在抑制噪声方面除了采用上述方法外，还将噪音抑制器安装在电机或继电器线圈附近及采用专用的电缆夹子将屏蔽电缆夹紧等。4.2 改造后机床强电原理图原理图如图 4-1 所示：1、三相 380V 电源（1L1、1L2、1L3）经空气开关 QF2 到变压器 TC1 变压为三相AC200V 为伺服系统提供动力电源，两相 380V 电源（1L1、1L2）经空气开关 QF01 到TC0 变压为两相 220V（110）为开关电源提供控制电源。2、变频器的供电：三相 380V 电源经空气开关 QF4 直接给变频器供电。U、V、W 三相给主轴电机供电。4.2.1 主电路控制元器件的选型1、伺服变压器变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。本设计中将采用三相变压器和机床控制变压器，三相变压器的作用是给伺服驱动系统供电；控制变压器用于电气设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。变压器选择应考虑以下要求：根据实际情况选择初级（原边）额定电压（380V,220V），再选择次级额1U定电压； ,32UU 次级额定容量由总容量确定。总容量算法如下： (4-1) 4433222IUIUIUP伺服变压器的选择：伺服变压器通过将 AC380V 电源电压转换为 AC200V 工作电压提供给伺服驱动装置，因此伺服变压器的初级（原边）额定电压=380V，次级额定电压1U=200V。2U 伺服变压器的总容量由次级额定容量确定,而次级额定容量通过负载的容量确定,次级额定容量应大于等于负载容量，伺服驱动装置的最大功率为 (4-2)llUIPmax13为伺服驱动装置的最大短时电流，=10.4AmaxlImaxlI天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计32为伺服驱动装置的额定电压，=200VlUlU天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计33图 4-1 改造后机床强电原理图天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计34所以，KWWVAUIPll7 . 356.36022004 .1033max1因此次级额定容量应为 3.7，由于伺服变压器只有一个次级线圈，所以总容KW量也为 3.7。KW 伺服变压器的型号确定通过以上计算可确定伺服变压器为“九川”三相 AC380V/AC200V/3.7KW 变压器。表 42 伺服变压器主要技术参数产品型号三相 AC380V/AC200V 3.7KW额定容量3.7KW输入额定电压AC380V输出额定电压AC200V2、低压断路器低压断路器又称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。其作用串接在强电回路及电源回路中作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效的保护串接在它后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。数控机床常用塑料外壳式断路器及小型断路器，其结构由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成，均安装在塑料外壳内组成一体。使用低压断路器实现短路保护要比使用熔断器优越，因为当电路短路时，若采用熔断器保护，很有可能只有一相电源的熔断器熔断，造成缺相运行；对于低压断路器来说，只要短路都会使开关跳闸，将三相电源同时切断。低压断路器的选择应考虑以下要求：低压断路器的额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压；低压断路器的额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电流；低压断路器的选择:(1) QF2 的选择QF2 串接在伺服强电支路中,保护伺服变压器工作在安全状态下；此支路的线电压为=380,所以选择断路器额定电压为 400；lUVV 此支路的最大线电流可通过下式计算: (4-3)llUPI3为伺服变压器的容量, =3.7 PPKW天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计35为支路线电压, =380lUlUV所以,AVKWUPIll6 . 5380310007 . 33因此选择断路器线电流为 12A通过以上计算可确定为“九川”DZ47-60(C)型断路器(额定电流=140A 可调)。eI(2) QF4 的选择QF4 串接在主轴强电支路中,保护主轴变频器和主轴电动机工作在安全状态下；此支路的线电压为=380,所以选择断路器额定电压为 400；lUVV 此支路的最大线电流由主轴变频器的最大瞬时电流决定,=16.4A；maxImaxI通过以上分析可确定为“九川”DZ47-60(C)型断路器。(3) QF3 的选择QF3 串接在冷却强电支路中,保护冷却电动机工作在安全状态下；此支路的线电压为=380,所以选择断路器额定电压为 400；lUVV 此支路的最大线电流可通过下式计算: （4-cos3llUPI 4）为冷却电动机的功率,=500PW为支路线电压,=380lUlUV为支路的功率因数,设=0.8coscos所以,AVWUPIll95. 08 . 03803500cos3通过以上计算可确定为“九川”DZ108-20/211 型断路器(额定电流0.95A)。eI(4) QF1 的选择QF1 串接在强电回路的主干路中,用来保护整个电气电路工作在安全状态下；主干路的电压为=380,所以选择断路器额定电压为 380；UVV 主干路的最大线电流可通过公式(6-5)计算:为所有负载的总功率,=(是伺服变压器容量,=3.7；PP4321PPPP1P1PKW是主轴驱动器容量,=；=0.082P2PKWWAVIUll3 . 553002 . 8380333P；为控制变压器容量,=1.3。)KW4P4PKW=3.7+5.3+0.08+1.3=10.38P4321PPPPKWKWKWKWKW天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计36为主干路线电压, =380lUlUV所以,AVKWUPIll8 .153803100038.103通过以上计算可确定为“九川”DZ15-3902 型断路器。表 43 各断路器主要技术参数代号产品型号脱扣器额定电流/A壳架额定电流/A额定电压/V极数短路通断能力/KAQF1DZ15-390220403803P3QF2DZ47-60(C)10/4003P6QF3DZ108-20/211(C)1.5/4003P6QF4DZ47-60(C)20/4003P63、接触器的选择接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，数控机床上应用最多的是交流接触器。其作用是串接在强电回路及电源回路中用来频繁地接通或分断电路带有负载的自动控制电器。交流接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。交流接触器的选择应考虑以下要求：根据交流接触器所控制的工作任务来选择相应使用类别的型号；交流接触器的额定电压（指触点的额定电压）一般为 500V 或 380V 两种，要大于或等于负载电路的电压；如负载为电动机要根据其功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级；交流接触器线圈的电流种类和电压等级应与控制电路相同。交流接触器的选择:(1) KM1 的选择KM1 串接在伺服强电支路中的变压器次级线圈上,用来控制伺服驱动器的通、断电；接触器的使用类别代号通常标注在产品的名铭牌上或工作手册中,分为以下几种:(a) AC1 和 DC1 类允许接通和分断额定电流；(b) AC2、DC3 和 DC5 类允许接通和分断 4 倍额定电流；天津工程师范学院 2008 届本科生毕业设计37(c) AC3 类允许接通 6 倍额定电流和分断额定电流；(d) AC4 类允许接通和分断 6 倍额定电流；所以,考虑到 KM1 是控制伺服电动机的,电动机的启动电流大于其额定电流 23 倍,选择 AC3 类交流接触器。此接触器触点串接在 AC200V 的负载电路中,选择触点额定电压为 AC220V；此接触器触点的额定电流可根据伺服驱动器的最大电流求得, maxI=10.4A,选择触点额定电流为 16A；maxI 此接触器线圈在 AC220V 交流控制回路中工作,选择线圈额定电压为AC220V；通过以上分析可确定为“九川”CJX1-16 型交流接触器。(2) KM2 的选择KM2 串接在冷却强电支路中,用来控制冷却电动机的通、断电；考虑到 KM3 是控制冷却电动机的,电动机的启动电流大于其额定电流 23 倍,选择 AC3 类交流接触器；此接触器触点串接在 AC380V 的负载电路中,选择触点额定电压为 AC380V；此接触器触点的额定电流可根据主轴驱动器的最大电流求得, maxI=0.95A,选择触点额定电流为 5A；ma

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