CA6136普通车床纵向进行的数控改造论文

第一章 绪论 床的数控化改造 目前，关于机床改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在 : 可以进行智能化数控机床改造。 不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。但目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类机床存 在的问题，比如 :现在的机床普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生电路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。针对目前同类数控机床使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造机床时所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生；设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。这一技术已经申请了国家发明专利。 另外，我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场 竞争能力的 4个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闭值的大批量的规模生产才能取得上述 4 个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。 为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系 统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。 因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。如何达到上述要求，进一步提高其生产的柔性化，达到操作的简便易行，在改造过程中利用成组技术，来把单件多品种生产转变成变品种 的批量生产，设计共用化的程序存入系统，减少编程的麻烦，提高了加工效率。这一创新思路是目前市场上没有的，该技术己申请专利。同时采用无级变速方式，使其转速提高到 2000r/现了高速化。 1宏观看改造的必要性 宏观上看，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。其本质是，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、 ，还包括在产品开发中推行 拟 制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 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竞争力大为增强。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。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 而日本在 1994 年已达 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。 2微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，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 37 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。 以上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 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1. 2数控机床与数控技术 1. 2. 内数控机床现状 由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长 30，带动了机床市场需求 30以上的增长。从 2002 年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。 2004 年国产金属切削机床年产量达到 台、数控机床产量 台； 2005 年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到 台和 台。 由于数控机床的增长速度明显快于普通金属切削机床，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高。 2001 年，机床数控化率为 2004 年上升为 2005 水平。 另外，我国机床出口增长较快。 2001 年我国出口金属加工机床 台，金额 美元； 2004 年出口 台，价值 美元。 2005 年前三季度，出口分别达到 台和 美元，同比增长 过去几年我国机床出口数量和金额年均增速分别达到 我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。 但值得注意的是高档数控机床仍大量进口。从 2001 年开始，我国就成为世界上最大的机床进口国。最近几年我国用于机床进口的外汇高速增长，进口用汇是出口收汇的近 10 倍。 2004 年我国进口金属加工机床 台，价值 比分别增长 2005 年前三季度，进口量达 台，价值 美元。 内数控机床的特点 术含量高的产品占据主导地位 例如 :全长 33 公里的上海磁悬浮快速列车线，是 “十五 ”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的 2550 根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6 个月、标的 6200 万元在磁悬浮轨道专用数 控机床项目公开招标中折桂，并一次性验收合格的 8 台数控膛铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，确保了轨道梁的加工精度和速度。 控化率显著提高 2001 年国内数控金切机床产量已达 1. 8 万台，比 2000 年增长 28. 5%，金切机床行业产值数控化率从 2000 年的 17. 4%提高到 2001 年的 22. 7%。 近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台 ;烟台第二 机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置 ;济南第二机床集团公司的数控龙门铿铣床、数控落地锉铣床及数控锻压设备等 30 多个系列 100 多个品种的数控配套产品。 1. 2. 1. 3 国内控机床的发展趋势 1、数控机床推广应用逐步加深 据分析， 2005 年我国机床的数控化率为 9. 5% 10. 36%，到 2010 年将达到16. 50% 19. 27%。 2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理 数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数 控机床的构成比不同于传统的机床构成比。 3、数控机床的应用由单机向单元 (系统 )方向发展 目前欧、美、日等国应用 很普遍，柔性制造单元己占数控机床销售量的 30%上而我国 拥有量不足 50 套，相当于日本 80 年代的水平，占数控机床消费额不到 5%。 4、出口前景良好 1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元左右， 2000 年上升到 7. 85 亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入 后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。 2005 年出口创汇 达到 12 亿美元。 1. 2. 1. 4 国外数控机床的特点 一是利用二进制数学方式输入， 加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有“易变、多变、善变 ”的特点换批调整方便可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性。 二是利用硬件与软件相结合。能实现信息反馈补偿、自动和减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率和自动化程度。 三是以电子控制为主的机电一体化机床充分发挥了微电子和计算机 技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化， 可较容易地组成各种先进制造系统， 如 F M S、 F T L、 F A， 甚至将来的 最大限度地提高工业生产率、劳动生产率。 1. 2. 1. 5 国际对中国机械工业的冲击 外资对我国机械工业的结构冲击主要表现在以下几点： 1、部分行业发展主导权有可能受到冲击 在以下行业将表现得更为突出：一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠 有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。 2、工程成套行业将面临更严峻的竞争 随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业 务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。 3、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制 由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。 4、处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻 由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采 购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。 1 2数控技术 控技术国内外现状 1 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的 机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种基本结构： (1)C 主板：把一块 板插入传统的 器中， 主要运行实时控制， 要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 (2)动控制板：把运动控制板插入 的标准插槽中作实时控制用，而 主要作非实时控制。开放结构在 90 年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第 (2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象 存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可 靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用 (1)方案，即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块 ，提供键盘使用户能把 系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如 150/160 180 210 系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统 (由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。 2 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采 用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为 “软件伺服 ”。它有以下优点： (1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。 (3)通过参数对设定，调整减少。 (4)容易做成 70 年代，美国 司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制； (2)换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术 的发展， 1971 年，德国西门子的 明了交流异步机的矢量控制法； 1980 年，德国人 首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70 年代末， 数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行 “里翻外 ”的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从 80 年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度， 90 年代，许多公司又研制了直线 电机。它由两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广 泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理 器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是 应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 3 统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级： (1)工厂管理级。一般由以太网组成。 (2)车间单元控制级。一般由 能进行控制。通过 数据： 据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的 可以对及 程序进行传送和分级管理。 通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与 产厂直接鴀 ?通信：进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。 (3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及 I 0 控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传 送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及 统的基础。传统的现场级大多是基于 分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个 I/0 点对设备的一个测控点。所谓 I 0 接线方式为传递420拟量信息 )或 24关量信息 )。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为 网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向：工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代420拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化 (可编程或可参数化 )：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有 S， 的公司还有自己的总线，比如 I 当于1)， 。目前比较活跃的是 了允许更快的数据传送速度，它由 0S 工的七层结构省去 3构成。西门子最新推出 802D 的伺服控制就是由 制的。 4 功能不断发展和扩大 术经过 50 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以 制系统 15i 150i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性， 4 通道、最多控制轴数为 24 轴、最多联动轴数为 24 轴、最多可控制 4 个主轴的 统。其快移速度与分辨率关系如下表 1 表 1移速度与分辨率 快速移动速度 m 分辨率 240 1 100 0 1 10 0 01 l 0 001 它的技术特点反映了现代 展的特点： a . 开放性： 系统可通过光纤与 连接，采用 容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心，并具有智能控制。特别适合於加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件，各种模具和复杂的需 5 轴加工的零件。 15i 150 主具有高精纳米插补功能；即使系统的没定编程单位为 1过纳米插补也可提供给数字伺服以 单位的指令，平滑了机床的移动量，提高了加工表面光洁度，大大减少加 工工表面的误差。当分辨率为 ，快速可达 240m/度；系统还具有高速高精加工的智能控制功能： (1)预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。 (2)智能控制，计及机床的机械性能，可按最佳的允许进给率和最大的允许加速度使机床的功能得到最大的发挥。以便降低加工时间，提高效率，同时提高加工精度。 (3)系统可在分辨率为 1工作，适用於控制超精机械。 b . 高级复杂的功能： 15i 150i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插补。也可以进行 on 补。采用 补可以人人减少 序的数据输入量，减少加工时间，特别适用模具加工。 补不需任何硬件。 c . 强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要，支持标准 络及 （ 1）工厂干线或控制层通信网络：由 通过以太网控制多台 15i 150以传送数据、参数等。 (2)设备层通信网络： 15 150i 采用 I 0 日本标准 相对应的一种现场总线。（ 3）通过 85 接口传送 I 0 信号： 或且也可采用 P(符合欧洲 1 标准 12行高速通信。 d. 具有高速内装的 的厂商称为 以减少加工的循环的时间： (1)梯形图和顺序程序由专用的 理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。 (2)基本 令执行时间为： 0 085大步数： 32， 000 步。(3)可以用 C 语言编程； 32 位的 C 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的 理器并行工作。 (4)可在 上进行程序开发。 e. 先进的操作：性和维修性。 (1)具有触摸面板，容易操作。 (2)可采用存储卡改变输入输出。 控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统