CA6132普通车床数控化改造论文

摘要 应用成熟的数控技术理论和成功经验，以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造，可以恢复甚至提高原机床的精度，适应工业高速跨越式发展的要求，为此机床数控化改造在国际国内作为新的经济增长行业获得了很大的发展。本文以机床为研究对象，对该机床进行了数控化改造，主要研究内容如下： 对数控伺服系统的工作原理进行分析研究，简单介绍了数控化改造过程中数控系统的选型，分析研究了 床的数控化改造方案，重点介绍了本课题采用的 统。根据机械、动力学及电气设计原理，采用交流电机变频调速，对数控机床的主传动系统进行了设计和校核。根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿轮和进给电机。对 车床电气控制部分进行了 计，绘制了主轴及伺服系统的梯形图，编制 编程控制器工作程序；给出整机电气线路改造方案。对改造后的车床精度进行了恢复，并给出伺服系统典型部件改造方案。数控化改造后的机床实际应用效果良好，取得了良好的加工质量和经济效益。此次研究，为企业技术人员实现传统 车床数控改造提供了行之有效的科学方法，对于企业其它传统设备的技术改造也有借 鉴及参考价值。 关键词：数控改造；伺服系统； 车床 by NC of be or 50 it be to of by as a In 0 on as as It of NC to D 邓 C C by In of 5 of 5 d by of ms of LC A of of 5 NC a in a ay of C of of NC 第一章绪论 1 . 1 课题产生背景 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。 数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。 随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目前我国在役机床总量约 380 万台，其中数控机床总数只有 n 万多台，数控机床占有率不足 3 % ，而一些工业发达国家早己达到 20 以上川。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率，已经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控率有 两个途径：一是增加新的数控机床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大量的普通机床，完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分机床服役龄较长，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径，是企业必走之路 。 制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控机床。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来 越积极。利用现有卧式车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。因为一方面我国卧式车床保有量大，要将卧式车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产卧式车床为主，卧式车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。因此，立项对现有的普通卧式车床进行数控化改造。 项目名称： 2 普通车床数控化改造。 项目来源：胜利高原汇森公司。 项目任务：利用数控技术改造 通车床，使之具备高 精度、高效率的性能， 第一章绪论 能够加工形状较复杂的典型的二维回转形体零件，加工精度及效率比普通卧式车床得到大幅度提高，有效降低操作者的劳动强度，缩短我国与国外在制造业上数控水平的差距。 1 . 2 机床数控改造意义 数控机床比传统机床有突出的优越性，这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的控制能力。 l ）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。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。 2 ）可以实现加工的自动化、柔性化，从 而效率比传统机床提高 3 一 7 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。 5 ）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，一次装卡长时间无人看管加工。同时降低了操作者的劳动强度，节省了劳动力，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。此外，机床数控化还是推行 柔性制造单元）、 柔性制造系统）以及 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。 1 . 3 普通车床数控化改造的研究现状 1 . 3 . 1 数控系统的类型 在普通机床的数控改造中，应根据不同的工况和用户要求，来确定是自行开发数控系统还是选用市场上现有的数控系统。自行开发数控系统大多采用 51 系列的单片机组成的应用系统。在现有数控系统的选用上，首先选用较为成热的统。如 控系统，它以高质量、低成木、高性能、较全面的功能，适用于各种机床和生产机械，在市场的占有率远远超过其它的数控系统。 控系统，以较好的稳定性和较优的性 能价格比，在我国数控机床行业被广泛应用 3 。近年来国产数控系统发展迅速，如华中 I 型 统，是由北京机床研究所和北京航空航天大学联合开发的一种通用的高性能 统平台，在这个系统平台上毋需改变系统任何软、硬件结构，即可配置各种实用的 统，适用不同类型数控的应用要求。类似的国产系统还有航人 I 型、蓝天 I 型等 。 2 中国石油大学（华东）工程硕士学位论文 综合目前市场上所用的数控系统，归纳为四种类型 5 ，改造时应根据具体情况进行选择。 1 ）传统数控系统 如 统、 统、 10 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具（如 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在逐渐减小。 2 ) 入 结构的开放式数控系统 如 81 、 1 61 系统、 40D 系统、 统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。它也具有一定的开放性，但由于它的 分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 3 ) 入 结构的开放式数控系统 它山开放体系结构运动控制卡十 构成。这种运动控制卡通常选用高速 为 具有很强的运动控制和 制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的 函数库供用户在 W 困 台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于自动化控制各个领域。如美国 司用 轴运动控制卡构造的 C 数控系统、日本司用三菱电机的 4 构造的 40 。 4 ) 开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的 件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 1 / 0 之间的标 准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、 相应的驱动程序一样。用户可以在 T 平台上，利用开放的 核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国 司的 德国 司的 。 我国的数控技术经过从“六五”一直到“十五”长达 20 多年的发展，基本上掌握 3 第一章绪论 了关键技术，建 立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“八五”攻关开发的华中 I 号、中华 I 号、航天 I 号和蓝天 I 号四种基本系统，建立了具有中国自主版权的数控技术平台。具有中国特色的经济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的改观。产品的性能和可靠性有了较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公司的 列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的 列数控系统、广州数控设备厂的 列数控系统等。这些产品的共同特点是数控功能较齐全，价格低 ，可靠性较好。我国的经济型数控机床市场，也吸引了大量国内外厂商，近几年， 司推出 8025 数控系统，大连大森公司用 式引进了日本 司的 102 数控系统。上海开通数控有限公司经过“七五”、“八五”期间的数控技术引进消化吸收和技术改造，初步建立了数控系统和交流伺服驱动系统的开发、生产基地，具有一套较完整的生产试验设备和质量保证体系。综上所述，一般用户都采用厂家成型的配套产品，从硬件设计到软件开发直至调试，都由专业厂家服务，投入费用也逐步下降，使得数控技术得到广泛应用，延 长了设备技术寿命，提高装备水平。 13 . 2 数控改造的类型 普通车床数控化改造大致可分为下列三种类型： l ）普通车床所有功能部件保留型 这种结构是由数控系统、伺服驱动、伺服电机、原有普通车床各功能部件及电动刀架等组成。该结构横向、纵向均采用伺服电机驱动。横向的伺服电机用电机座固定在床鞍的后端面上，通过一对同步带轮将运动传给普车原有横向丝杆副，实现横向快移和进给。纵向的伺服电机用电机座固定在进给箱的左端，通过联轴器将运动传给普通车床进给箱，变换普车进给箱上的手柄，使运动传给普车原有纵向丝杆，这时闭合开合 螺母，实现纵向快移和进给。 这种数控化改造结构保留了原普通车床的所有功能。如要还原普通车床，只须拆下纵向电机座和电动刀架，装上挂轮部件和普通刀架即可。此结构因利用了普通车床原有功能部件，新增零件较少，改造费用低廉，改机工作量较小。改造后，不仅能保持原有机床的精度，而且能大大提高所加工零件尺寸的一致性。因未更换丝杆，车床的各项精度取决于原有车床的精度，适用于对零件进行粗加工161 。这种改造形式在普通车床数控化改造初期曾被采用，现因精度难以保证，较少采用。 4 中国石油大学（华东）工程硕十学位论文 2 ）普 通车床部分功能部件保留型 这种普车数控化改造是将普车的挂轮、进给箱、溜板箱、三杆、托架及横向丝杆副等尽皆拆除，然后安装纵向、横向滚珠丝杆组件、数控系统、驱动装置和驱动电机，根据用户要求可以加装全防护或半防护装置。因更换了滚珠丝杆，如果床身导轨磨损了，则必须重新磨削导轨，这样才能保证纵向丝杆与导轨的平行以及纵向滑板运动的顺畅。但因为每台机床外形各异，在改造时，要对每台机床的有关尺寸仔细测量，然后才能设计横向、纵向丝杆装配图以及防护装配图。这样改机，机床的精度可以得到保证。但设计工作量较大，改机周期较长。适合于 距离较近、能较长时间停机的用户改造 。 3 ）采用 C 孔系列数控滑台机构改造型 列数控滑台，是广州数控针对多种规格的卧式车床，在积累了多年的机床数控化改造的基础上，设计出的一种新型的用于车床数控化改造的机构，并经过多次改进，追求精益求精的设计及工艺方案。并申请了国家专利，受专利法保护。该机构只需借助原机床导轨作为基础，配上广州数控生产的数控系统、驱动装置及电机便可方便地完成机床的数控化改造工作。它的主要特点是：积多年数控机床改造之经验，突破了传统机床改造之观念，方便、快捷 、可靠。吸收了斜床身式数控车床的优点，并采用贴塑导轨， Z 向导轨全防护，进一步提高了机床的精度保持性及刚性。克服了传统机床改造精度较低、可靠性较差、不耐用、周期相对较长的缺点；能快速、大规模地到现场改造，且不受距离远近的限制。适合于对盘、套类零件进行加工。 1 . 3 . 3 数控化改造国内外研究现状 美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业，美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。如德国的 司在 1981 年把一台加工直径为 19m 的超重型立式车床改装成数控机床 s 。在美国机床改造业称为机床再生（ 业。从事再生业的著名公司有： 程公司、州 床公司、 得宝）服务集团、 备公司等。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 业。从事改装业的著名公司有：大喂工程集团、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 本工程公司等。 在我国大力发展机床数控化改造业，提高机床的数控化率，不仅可行，而且前景广 第一章绪论 阔。如：国防科技工业开展普通机床数控化改造“十五”期间计划改造 1 . 2 一1 . 6 万台，目前已完成 3000 多台。改造后生产效率提高约 3 倍，加工精度提高 20 % ，与新购设备相比可节约资金 50 以上 9 。中国三江航天集团对具有改造价值的 109 台普通机床进行了数控化改造，取得了良好的效果【 0 。中国兵器工业集团西南自动化研究所积极开发普通机床数控化改造技术，累计完成普通机床数控化改造 2000 余台 】 。自 90 年代开始，关于数控化改造的研究一直没有中断过，还有很多学者针对数控化改造的问题和改造过程进行了研究。 1 , 3 . 4 数控改造的发展趋势 1 ）高速化、高精度、高可靠性 目前车床和车削中心主轴转速达到 8000 r / 加工中心的主轴转速一般都在 15000 r / 20000 r / 高的达到 60000 r / 切削进给速度般达到 20 而 高的甚至达到 60 1为充分发刀具材料性能、提高加工效率、降低加工 成本，并且高加工精度和表面加工品质，数控装备将进一步向高速度或超高速方向发展。 近 来，在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度己由士 1 印 m 提高到士 5 林 m ；精密级加工中心则从士（ 3 一 5 ）脚，提高到士（ 1 一 1 . 5 ）阿；超精密加工精度已开始进入纳米级（ 0 . 001 卿）。 国外数控装置 达 60000h 以上，伺服系统 到 30000h 以上 , 2 ，表现出非常高的可靠性。 2 ）柔性化、网络化、集成化 为适应制造自动化的发展，向 供 基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，特别是依据用户的不同要求，可方便灵活地配置和集成。 3 ）工艺复合化 以减少工序辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴和多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工，以减少非加工时间。因为在零件加工过程中有大量的无功时间消耗在工件搬运、上下 料、安装调整、换刀和主轴的升降速上。因此，复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完 6 中国石油大学（华东）工程硕士学位论文 成车、铣、钻、膛、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。 4 ）智能化、绿色化、安全化 为追求加工效率和加工品质方面的智能化，设备有自适应控制、工艺参数自动生成的功能：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，具有前馈控制、电机参数自适应运算、自动识别负载自动选定模型和自整定等功能；简化编程和简化操作方面的智能化，有智能化的自动编程和智能化的人机界面等功能；具有智能诊断和 智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修；此外，还具有许多特别的智能功能，如加工运动规划、推理和决策能力，以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力（包括与人的交互）、智能编程、智能数据库和智能监控等 1131 。 随着全世界对环境问题的关注，“绿色制造”在全球兴起，相应的数控装备及其相关工艺的绿色、无公害化和更好的安全性受到人们的重视。 1 . 4 课题研究目的及主要内容 1 . 4 . 1 课题的目的 l ）该课题的研究内容是为车床数控化改造提供理论和技术支持，确定改造方案和技术路线，对改造过程进行全方位指 导。 2 ）通过与现代机床数控系统的综合比较，选择适合生产操作的数控化设备，而保持在原有机床功能的基础上，尽量增加操作的方便性和灵活性，提高生产效率。3 ）探索总结普通机床的数控化改造思路，提高设备加工精度，增加设备加工柔性，延长设备技术寿命。 4 ）通过自行设计程序和加工典型零件，掌握数控机床的基本结构与操作方法。5 ）深入掌握数控机床的原理、功能，了解市场行情，跟踪国内外数控化改造的最新技术，尽量让改造后的经济型数控化设备适应市场的需求。 14 . 2 主要研究内容 应用机电液一体化技术，将普通车床改造 成数控车床，提高精度与效率，降低劳动强度。 研究计划安排：该项目由胜利高原汇森公司完成，改造投资费用 10 万元。本人在项目中为技术总负责人，负责系统的整体设计，方案选择，现场安装、调试等。 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 2 . 1 数控系统控制原理 数字控制（ N 姗 C ）是指用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相对于模拟控制而言的，其中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。数字控制与模拟控制相比有许 多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改变电路和机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性” 1 礴 l 。因此，数字控制己被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关最控制。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统 统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数宇信息的处理过程，从而具有真正的“柔性” , 并可 以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高 2 . 1 , 1 计算机数控系统的工作原理 1 ）输入：输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 2 ）译码：输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等）、要求的加工速度以及其它的辅助信息（换刀、换挡、冷却液开关等）、计算机依靠译码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。 3 ）数据处理：数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算和辅助功能的处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨 迹。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确定是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。 另外，辅助功能如换刀、换挡等亦在这个程序中实现。 4 ）插补：即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插 补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。 中国石油大学（华东）工程硕士论文 5 ）伺服控制：将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。 6 ）管理程序：当一个数据段开始插补时，管理程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的 过程中完成 习。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 2 . 1 . 2 计算机数控系统的组成 计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、 键盘、操作面板、机床接口等。光电阅读机是输人系统程序和零件加工程序； 显示和监控用；键盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段 ，也可输入零件加工程序：操作面板可供操作人员改变操作方式、输入间隙补偿系数、启停加工等；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入输出接口。伺服驱动接口主要是进行数模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成。数控装置控制机床的动作可概括为： 机床主运动，包括主轴的启动、停止、 转向和速度选择； 机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向和进给速度的选择等： 刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径） ; 其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开、停等。 2 . 1 . 3 数控机床的组成 根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体和测量装置等五部分组成 9 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 l ）控制介质 它是用于记载各种加工信息的载体，以此来控制机床的运动，从而实现零件的加工。在普通机 床上加工零件时，由操作工人按图样和工艺要求手工操作完成。在数控机床上加工时，则把加工零件所需的全部动作、相关数据及刀具相对于零件的位里等参数，用数控装置所能接受的数字和文字代码来表示，并将这些代码存储在控制介质上。控制介质可以是穿孔纸带、穿孔卡、磁带、软磁盘或其它可以存储信息的载体。对于经济型数控系统，一般直接用存储器作为载体，用操作面板上的按键和键盘将加工程序直接键入，并且可以在数码显示器或 示器上显示出来。 2 ）数控装置 数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置 组成。它的功能是接受输入装里输入的加工信息，经过数控装置的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作数控装置己由 展到 ，其高性能价格比促进了数控机床的迅速发展。 置由硬件和软件组成。其硬件为一专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，通过改变软件很容易更改或扩展其功能。 置的基本工作有：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、 1 / 0 处理、显示和诊断等。 3 ）伺服系统 机床伺服系统是数控装置与机床的连接环节，它是以机床移动部件（工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，用来接受数控装置（或计算机）插补生成的进给脉冲或进给位移量，驱动机床执行机构运动。它包括主轴驱动单元 主要是速度控制）、进给驱动单元（主要是速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。一般来说，数控机床的伺服系统要求有良好的快速响应特性，进给速度范围要大，灵敏而准确地跟踪指令功能和转速，在较大范围内有良好的工作稳定性。现在常用的是直流伺服系统和交流伺服系统，且交流 伺服系统正在取代直流伺服系统。 4 ）测量反馈装置 该装置可以包括在伺服系统中。它由检测元件和相应的电路组成，其作用主要是检测速度和位移，并将信息反馈回控制系统，构成闭环控制。无测量反馈装置的系统称为开环系统。常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光位移检测系统等。 中国石油人学（华东）工程硕士论文 5 ）机床主机 主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件数控机床主机的结构有下面几个特点： 由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控 机床的机械传动结构，传动链较短；数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工；较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（编程机和对刀仪等）。 2 . 2 数控系统选型 按数控系统的功能水平通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方式在我国用的较多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的发展 水平来看，可以根据表 2 . 1 的一些功能及指标，将各种类型的数控系统分为低、中、高档三类。其中中、高档一般称为全功能数控或标准型数控 。 l ）开环控制系统 开环控制数控机床的特点是不带检测反馈装置，该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等。数控装置将下件加下程序处理后，输出指令脉冲信写，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，驱动执行部件。步进电机只要改变指令脉冲的数量、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。这种系统不将所测 得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮、丝杠等传动元件的精度，所以系统的位移精度较低。 表 2 . 1 数控系统的功能及指标 1 序号功能低挡中档高档 l 分辨率 2 度 3 伺服类型 10 林 m l 林 m 0 . 1 林 m 3 ? m 10 ? 24m / I 24 ? 100m / 环及步进电机半闭环及直交流 伺服 闭环及直交流伺服 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 4 联动轴数 2 一 3 轴 2 ? 4 轴 5 轴或 5 轴以上 5 通信功能无 或例 c 显示功能数码显示 图形或人机对话三维图形、自诊断 7 内装 有强功能内装 主 、 16 位 6 位、 32 位2 位、 64 位 结构单板机或单片机单或多微处理机分布式多微处理机开环控制系统因为没有检测装置，也就没有纠正偏差的能力，因此它的控制精度较低 ? l 。但 该系统具有机床结构简单、调试维修方便、工作可靠度高、成木价格低，易改装成功等优点，现仍广泛应用于经济型数控机床与旧机床的数控化改造上。 2 ）半闭环数控系统 半闭环数控系统与闭环数控系统相类似，它们的主要区别在于半闭环数控系统不是直接检测工作台的位移量，而是把检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。 半闭环数控系统由于检测元件的安装位置位于传动链的中部，存在着螺距误差，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量，还不能精确地反映进给轴的自线运动位置。决定了它只能补偿系统环路内部部分元件的误 差，但是，经过数控系统对螺距误差的补偿后，它们也能达到相当高的位置控制精度【 ”】 。但是与全闭环系统相比，它们的价格较低、结构与调试都较闭环系统简单。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。安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。 3 ）闭环数控系统 闭环控制数控系统的特点是装有位置检测反馈装置，由光栅、感应同步器等位置检测装置测得实际位置反馈信写。并随时将反馈信写与指令给定值进行比较， 将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着减少偏差的方向运动，自到指令给定位置与反馈的实际位置的差值为零。同此可见闭环控制数控系统可以消除机械传动的各种误差及在加下过程中产生干扰的影响，使加工精度大大提高。 闭环控制数控系统在结构上比开环进给系统复杂，相对成木也高，对使用环境要求严。系统的设计和调试都比开环系统难度高。但是可以获得比开环进给系统更高的精度， 中国石油大学（华东）工程硕士论文 更快的速度，驱动功率更大的特性指标 91 。主要用于一些精度要求高的键铣床、超精车床、超精铣床等 ，改造中可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。在我国还有经济型数控的提法。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，其功能简单，是以步进电机为驱动元件，双轴联动控制，分辨率为 0 . 01 ? ，为开环控制系统 120 。具有代表性的产品有：南京微分电机厂的数控系统 15T 型，上海开通数控有限公司的 列经济型数控系统，该类产品使用比较普及，用于控制步进电机的经济型数控系统，它操作使用方便，具有较高的性能价格比，适用于经济型数控车床、铣床、火焰切割机、轧辊磨床等。 一般用于自购配件，自行组装。 根据本课题要求，选择广州数控设备有限公司设计的 统机构，该机构只需要借助原机床导轨作为基础，配上广州数控设备有限公司生产的数控系统、驱动装置及电动机，取消自动进给依靠主传动带动光杠的方式，拆除进给箱、溜板箱及丝杠及光杠、小拖板改为滚珠丝杠加伺服电机， Z 相用广数 75 电机， X 相用 60 电机，使用广数两个 数字伺服驱动器。 2 . 3 统 2 . 3 . 1 统简介 本次改造主要采用的是 统， 广州数控设备公司的新一代普及型数控有以下特点： l ）采用 32 位高性能和超大规模可编程器件 运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现卜 m 级精度运动控制和 辑控制； 2 ) 文全屏幕编辑界面，操作方便； 3 ）卜 m 级插补精度，高速 16m / 可选配 32m / ; 4 ）具有攻丝功能、多头螺纹和变螺距加工功能； 5 ）支持 间双向通讯，系统软件和 序可通讯升级； 6 ）具有 S 型、指数型加减速功能适合高速、高精加工。 2 . 3 . 2 统主要技术参数 统主要技术参数如表 2 . 2 所示： 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 表 2 . 2 80统主要技术参数 2 内容 单位 参数值 备注 最大回转直径最大加下直径最大加工长度横向行程（ X 向）纵向行程（ Z 向）横向（ x 向）最小设定单位 纵向（ Z 向 ）混合式横向驱动电机 交流伺服混合式纵向驱动电机 交流伺服可配刀架 可配数控系统驱动滑台外形尺寸（长宽高）滑台净重量 20 与原机床参数有关 80 50 65 50 . 005 或 0 . 0005 与选配系统有关 . 01 或 0 . 001 与选配系统有关 24A / 8 1 1030 8A / 1 1 3305 下 工位立式刀架 S 列 6 或 8 工位卧式刀架 D 州数控 170 825 ）括号内为含支架高度 650 2 . 4 控化改造方案 数控车床主要用于轴类盘类零件的加工，能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生 产率。本课题研究对象为 床，主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。 1 ）数控车床的结构改造要求：主轴进给系统采用伺服电机驱动，实现了无级调速。主轴和进给系统结构得到简化，传动刚度也大为提高。主轴后端安装了同步运转的脉冲编码器，用于加工各种螺纹。 2 ）数控机床的布局要求：结构要紧凑以节省占地面积和空间，并采用全封闭或防护装置。 中国石油大学（华东）工程硕士论文 3 ）床身的结构布局要求：床身是机床主要承载部件，本改造采用平床身，因为平床身是在普通机床上稍加改造而成的，价格相对较低，而目 它的工艺性好，加工方便，并目刀架处于水平位置，易于保证刀具运动精度。 4 ）数控车床的进给系统要求进给调速范围大、定位准确、无间隙误差、有较高的传动效率。所以，为满足低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件，伺服电机与丝杠间采用一级减速器连接，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传动链误差。丝杠、电机与联轴器之间采用凸轮联轴器连接。采用 2 台伺服电机分别驱动纵向 ( z 轴）和横向（ x 轴）的滚珠丝杠带动刀架完成进给运动。 5 ）刀架系统采用电机转塔式刀架，可使机械结构简单，省去大量液压管路。 6 ）数控系统采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环伺服系统主要由步进电机驱动，结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维护比较方便简单，己广泛应用于经济型数控机床。 2 . 4 , l 改造内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 ，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 床、 床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 统以最新 行更新；其四是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的更新改造。 24 . 2 改造步骤 1 ）对加工对象进行工艺分析，确定动议方案加工对象是机床改造的依据，不同工件和技术要求其加工方法不同，一般是在分析零件基础绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，估算生产力率，计算切削力、切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩，作为选择主轴及进给系统的依据。 2 ）分析被改造机床，确定改造类型 改造机床是围绕机床本身系统加以改进，即考虑原有结构的改进，又考虑附件的改进，根据对原机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床为经济型数控车床 ，主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹功能不变。 第二章数控系统控制原理及数控系统选型 2 , 5 本章小结 介绍了现代数控系统控制原理，数控系统的分类及选型，重点介绍了本次数控化改造选用的数控设备 统的特点，确定了机床数控系统构成和数控化改造方案。 中国石油大学（华东）工程硕士论文 第三章传动与进给系统设计 3 . 1 传动系统设计 3 . 1 . 1 数控机床传动系统 数控机床是高度自动化机床，其传动系统的特点是：转速高、功率大、转速自动变换迅速可靠、主轴刚度和回转精度高、主轴转速范围广、能进行高效率加工 2 1 。所以对被改进机床的传动精度有一定的要求。 l ）数控机床传动系统的特点 机床的传动机构是将机器原动机的运动和动力传递给机器执行机构的中间环节，传动机构中各传动件因制造和装配不准确及运行中产生的磨损、受外力、温度变化引起的变形等因素会影响传动机构的精度。 有较大的调速范 围并实现无级调速。为了适应不同工件、材料及刀具等各种切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围指标主要由各种加工工艺对主轴最低速与最高速的要求来确定 22 。目前一般标准型数控机床主轴速比均在 1 : 100 以上。功率满足各转速段。要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩，特别是满足机床强力切削时的要求，并且有一定的过截能力和较硬的调速机械特性。动态响应性强，变速迅速可靠。传动平稳， 操作灵活。结构简单紧凑，工艺性好，满足经济性要求。 2 ）传动系统传动误差产生的因素 a