（机械工程专业论文）c5225立式车床的数控化改造.pdf

浙江工业大学工程硕士学位论文 c 5 2 2 5 立式车床的数控化改造 摘要 c 5 2 2 5 普通立式车床可以满足普通端面和外圆的切削，但不适应曲面类零件 的加工。加工曲面类零件需先根据零件的要求设计制造工装，然后利用工装进行 加工，因而存在生产成本高，产品适应性差，加工周期长等缺点。针对c 5 2 2 5 立 式车床的结构特点，经过技术上和经济上的可行性分析，本文提出了利用s i e m e n s s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统对机床进行数控化改造的方案，对机床主传动系统的全 数字直流调速改造、左刀架进给系统的数控化改造以及数控电气控制系统的设计 和调试三方面的内容进行了具体实现。 1 、主传动系统的全数字直流调速改造采用英国欧陆5 9 0 + 全数字直流调速器， 在保留原变速机构的基础上将机床原液压1 6 级手工变速改造为液压4 级无级调 速。改造内容包括调速方案和电机的选择、主传动传动路线的调整以及直流调速 器控制电路、p l c 控制程序的设计； 2 、左刀架进给系统的数控改造采用滚珠丝杠替换原滑动丝杠，半闭环控制。 改造内容包括伺服进给系统控制方式的选择、进给系统机械部分改造方案的确定； 滚珠丝杠副及伺服电机的的参数计算和选择； 3 、s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统有效实现了左刀架的x 轴和z 轴联动控制，数 控电气控制系统的设计内容主要包括数控电气控制系统的组成及连接、数控系统 中p l c 程序的设计及调试、数控系统的调试及系统基本参数的设定。 机床改造后，除可以满足普通端面和外圆的切削外，还可以加工出普通立车 无法加工的复杂曲面类零件，大大扩大了机床的加工范围，同时提高了生产效率 和加工精度，并至少节省购买数控立车的大笔资金5 0 万元，完全达到了改造的目 的。 关键词：立式车床；数控改造；全数字直流调速；滚珠丝杠；数控系统 浙江工业大学工程硕士学位论文 n u m e r i c a lc o n t r o lt r a n s f o r m a t i o no fc 5 2 2 5 v e r t i c a ll a t h e a b s t r a c t t h et r a v e r s ep l a n ea n dt o pc i r c l ec a l lb ec u tb yt h ec 5 2 2 5v e r t i c a ll a t h e b yw h i c h t h es p h e r i c a ls u r f a c ew o r kp i e c ec a l ln o tb em a c h i n e d t h et e c h n i c sf u m i s h m e n t , s h o u l db ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u e s tb e f o r em a c h i n i n gt h es p h e r i c a l s u r f a c ew o r kp i e c e ，c a u s i n gh i g hp r o d u c t i o nc o s t ，b a dp r o d u c ta p p l i c a b i l i t ya n dl o n g p r o d u c t i o nc y c l e an e wa l t e r a t i o nm e t h o da b o u tm a c h i n et o o l ，b a s i n go ns i e m e n s s u n u m e r r i k8 0 2 dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，h a sb e e nb r o u g h to u ti nt h i sp a p e r c o n c r e t e l y , t h ef u l l n u m b e rd ct i m i n ga l t e r a t i o no f m a s t e rd r i v es y s t e m ，t h en u m e r i c a l c o n t r o la l t e r a t i o no f l e f tt o o lc a r r i a g ea sw e l la st h ed e s i g na n dd e b u go f t h en u m e r i c a l c o n t r o le l e c t r i cs y s t e m , h a sb e e na c h i e v e d t h ee u r p t h e r m5 9 0f u l l - n u m b e rd ca c t i y a t o rh a db e e na p p l i e dw h e n a l t e r i i l gt h e m a s t e rd r i v es y s t e m , w h o s et r a n s m i s s i o nh a sb e e nk e p td o w nw h i l eh y d r a u l i c1 6 - c l a s s m a n u a ls p e e dc o n t r o lh a db e e nc h a n g e dt o4 - c l a s ss t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o n t h e a l t e r a t i o np l a n e c o m p r i s e dt h ec h o o s i n go ft i m i n gp l a n ea n de l e c t r o m o t o r , t h e t r a n s m i s s i o nr o u t ea d j u s t i n go ft h em a s t e rd r i v e , t h ed e s i g no fd ca c t i y a t o rc o n t r o l c i r c u i ta n dp l c p r o g r a m i nt h el e f tt o o lc a r r i a g ef e e ds y s t e m ，t h es l i d i n gl e a d s e r e wa n dt h es e m i c l o s e d l o o pc o n t r o lh a sb e e nd i s p l a c e db yb a l ls c r e w t h ea l t e r a t i o nc o m p r i s e dt h ec h o o s i n g o fc o n t r o lw a yt ot h es c r v of e e ds y s t e m ，t h ec o n f i r mo fm e c h a n i s mp a r ta l t e r a t i o n p l a n ea b o u tt h ef e e ds y s t e m t h ep a r a m e t e r - c o u n ta n dc h o o s i n go f t h eb a l l 翻= l 蹦p a i ra s w e l la st h es e r v om o t o r t h ec o o r d i n a t e dm o v e m e n ta b o u txa n dza x i sc o u l db ei m p l e m e n t e db y s i n u e r r i k8 0 2 dn u m e r i c a ls y s t e me f f e c t i v e l y t h ed e s i g na b o u tn u m e r i c a lc o n t r o l e l e c t r i cs y s t e mc o m p r i s e dt h ec o m p o n e n t so fh a r d w a r e ，t h ec o n n e c t i n gm e t h o d ，t h e d e s i g na n dd e b u g g i n go f t h es y s t e mp l cp r o g r a m ，t h ed e b u g g i n go f n u m e r i c a ls y s t e m a n dt h es e to f s y s t e mp a r a m e t e r s i i 浙江工业大学工程硕士学位论文 a f t e rt h ea l t e r a t i o n ，t h ec o m p l e xs p h e r i c a ls u r f a e 宅w o r kp i e c e ，b e s i d e sn o r m a l t r a v e r s ep l a n ea n dt o pc i r c l e ，c o u l db em a c l l i n e d i nt h i sw a y , t h em a c h i n i n gb o u n do f t h et o o lc o u l d b ee n l a r g e d t h ep r o d u c t i v i t ya sw e l l 够t h ep r e c i s i o nc o u l db ei m p r o v e d h i g h l ya n dt h ec o s to fn u m e r i c a lc o n t r o lt o o l ，5 0 0 ，0 0 0y u a n , w o u l db es a v e d t h i s a l t e r a t i o nw a ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：v e r t i c a ll a t h e ；n u m e r i c a lc o n t r o it r a n s f o r m a t i o n ；f u l l n u m b e rd c s p e e da d j u s t i n g ；b a l ls c r e w ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：诳乞 眺沙饵阳2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：j 沪鼋#作者签名：胪乞砧 导师签名：触 ，vu ，一 日期：沁年五月计e 1 日期：“年l 月纷日 浙江工业大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1国内外数控化改造的现状 工业发达国家在7 0 年代末、8 0 年代初已开始大规模应用数控机床。目前工 业化发达国家机床拥有量和数控化率有的已高达3 0 以上，我国仅为2 8 ( t g 括 以单板机和步进电机为特征的经济型数控机床) ，和发达国家相比，差了一个数量 级【lo 】。无疑，每提高一个机床拥有量和数控化率的百分点，制造业的技术水平将 会向前跨跃一大步。同时机床数控化也是推行c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算 机辅助制造) 、c i m s ( 计算机集成制造系统) 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。当前，衡量一个国家机械制造业现 代化水平的一个重要指标是，机床拥有量中的数控化机床的比重( 数控率) 。在这 方面，我国与发达国家存在着极大的差距。这正是我国机械工业在国际市场竞争 中不如过国外对手的重要因素之一。 我国是一个传统的机械制造大国，装备落后，设备陈旧。为尽快改变我国机 械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时， 积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生 产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一 切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是我们要在拥有量的数控 化率上赶上国外对手，仅仅依靠添置新的数控机床，是我们这样的发展中国家的 财力所不能承受的。我国现有数以万计的陈旧落后的普通机床，大量进口的现已 陈旧的数控机床包括一些进口的二手设备，为此投入少、收效大的机床数控化改 造是提高机床数控化率的捷径和有效手段，符合中国的国情。 显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力。对于企业来说， 只需花费购买相同新机床3 0 9 6 以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该 行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机 床6 0 左右的价格。国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在 先进国家已经形成了一定的规模和市场。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 浙江工业大学工程硕士学位论文 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( r e m a n u f a c t u r i n g ) 业。从事再生业的著名公司有： b e r t s c h e 工程公司、a y t o n 机床公司、d e v l i e g b u l l a v d ( 得宝) 服务集团、u s 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( r e t r o f i t t i n g ) 业。从事改造业的著名公司有：大隈工程集团、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。而在我 国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。相信不久的将 来，通过努力，一批具备较强实力和较大规模的机床改造、翻新的专业化企业会 发展壮大起来【1 0 】。 1 2 项目的来源及研究意义 1 2 1 项目的来源 立式车床是生产水轮机的重要设备，电气设备较为复杂。浙江金轮有限公司 一台8 7 年由齐齐哈尔机床厂生产的2 5 m 立式车床( c 5 2 2 5 ) ，原采用“继电器一 接触器”控制系统，采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，主 轴和迸给系统采用交流电机拖动，齿轮变速手工调速。随着近二十年的运行，产 品适应性差、工作效率低下、机床操作与调整不方便、设备维护困难等一系列缺 点逐步体现出来，影响了该机床运行的经济效益。 随着数控技术在生产中的应用越来越广泛，数控立式车床的生产优势也越来 越明显，广大机加工用户都开始考虑对原有普通立式车床进行更新换代。由于数 控立式车床的购置费用较高，一次性投入大，而利用原有普通立式车床进行数控 化改造费用低、质量高，因此对普通立式车床进行数控化改造是机加工用户的一 种理想选择。应厂方要求，对该立式车床进行数控化技术改造，使该机床能经济 有效运行。 1 2 2c 5 2 2 5 立式车床概述 c 5 2 2 5 立式车床由立柱、横梁、滑座、滑枕、刀架、圆形工作台等组成如图 卜1 所示。 机床最大加工工件直径2 5 0 0 m ，最大加工工件高度1 6 0 0 n a n ，最大加工工件 重量l o 吨，工作台直径2 2 5 0 m ，工作台转速1 6 级，工作台转速范围2 6 3 r m i n ， 2 浙江工业大学工程硕士学位论文 工作台的最大扭矩m = 6 1 7 4 0 n m ，交流主电机功率为5 5 k w ，刀架水平行程1 4 0 0 m m ， 刀架垂直行程1 0 0 0 m m 。该机床系属万能性双立柱立式车床，可以车削圆柱、圆锥 和平面，镗圆柱与圆锥孔，供铸铁、钢及有色金属零件的粗精加工之用。机床操 纵皆集中在悬挂操纵箱上进行。 图卜1c 5 2 2 5 立车结构简图 随着产品的变化和发展，普通立车的功能已不能满足新市场、新产品的要求。 主要表现在： 1 、无法完成或很难完成具有复杂曲面零件的加工。 2 、产品的适应性差，生产效率低。对不同零件的加工，需要先根据零件的 实际要求设计工装设备，然后再进行实际加工。因而生产成本高，供货周期长， 已跟不上市场的要求。 1 2 3 项目研究的意义 立式车床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机床机械部分相对比较稳 定，使立式车床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。传统的普通 立式车床其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的 水平，但其电气控制和驱动部分则显得不同程度的老化，与先进制造技术相比显 得较为落后，这对加工性能及成本有很大的影响，甚至无法在一些加工要求稍高 的工件场合下使用，本文通过对原系统以及c 5 2 2 5 立式车床加工运行性能和要求 进行分析研究，设计一套低成本高性能的数控化改造方案，最大限度发挥机床的 加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对c 5 2 2 5 立式车床加工性能的提高和使 用有很大的实际意义。 c 5 2 2 5 立式车床加工存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题。由 于数控立车的成本较高，重新购买新设备，至少需要资金8 0 1 5 0 万元，企业难 浙江工业大学工程硕士学位论文 以承受。将普通立车改造成数控立车有以下好处： 1 、减少投资额。同购置新机床比，可节省大笔费用，而且可根据企业产品的 要求进行局部或单项功能的改造。通过对床的数控化改造，在节省资金的前提下， 有效提高了机床的精度和效率，实现了原有设备的技术升级。 2 、解决复杂零件的加工精度控制。改造后的数控立车除可以满足普通端面 和外圆的切削外，还可以加工出普通立车无法加工出来的复杂曲面类零件，大大 扩大了机床的加工范围。 3 、自动化程度高，提高生产效率。可以实现加工自动化，而且是柔性自动 化，从而使生产效率比普通立车有效提高，对复杂零件生产效率的提高则更为明 显。 4 、提高产品质量。加工出来的零件精度高、尺寸一致性好、废品率低。 5 、节约工装费用，降低成本。改造后的数控立车可以不用工装或少用工装， 有效降低工人的劳动强度，减少劳动力，从而降低生产成本。 6 、适合于多品种、小批量生产的自动化加工，对产品的适应性强。对不同 零件的加工，只需要改变不同的加工程序和刀具即可，有效缩短新产品的试制周 期，提高企业对市场的应变能力。 1 3c 5 2 2 5 立式车床数控改造的总体方案 1 3 1 国内立车数控改造的成功案例 武汉东方电机厂的一台6 3 m 普通立车【2 5 】，手工操作进行加工。手工操作一 是劳动强度大，时间长，二是精度无法得到保证。为适应较为复杂型面工件的加 工，提高了生产效率，保证加工精度对6 3 m 普通立车进行数控改造。保留原右刀 架、横梁和主轴的手动加工操作功能。对其左刀架的x 轴和z 轴运动采用数控。 机械部分也相应地做了改动，更换了减速箱。采用h z c n c 一1 t 华中数控系统，采 用了德国a m k 公司的6 5 n m 交流伺服驱动和电机。机床改造后，可加工内外球面 和各种流线型回转面等。依据伺服电机输出的转矩以及传动比的调整，切削用量 可较以前得以提高。多道工序编程后可一次完成加工，测量、对刀与找正等辅助 时间减到最少。定位精度和加工精度要好于机床改造前。提高了产品的技术含量 和附加值，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。 洛阳中重设备工具公司一台c 5 2 5 0 普通立车采用“继电器一接触器”控制系 4 浙江工业大学工程硕士学位论文 统1 2 们，为满足加工大型球面瓦的全部工艺要求，全面提高机床性能满足高效加 工各类工件的工艺要求和降低设备故障率，用n u m l0 4 0 tc n c 数字控制系统与 n u m d r i v e 数字驱动系统对左右两个刀架进行数控改造，原普通丝杠更换为滚珠丝 杠；利用n u mp o w e r1 0 4 0 tp l c 的远程输入输出模拟量模块实现双刀架的自动与 手动功能结合。对公司的产品扩大加工范围、加工斜面、球面等起到了必要的保 证。为公司拓展市场打下了坚实的基础。 哈尔滨汽轮机厂一台罗马尼亚的2 2 m 数控立车数控设备运行十几年后出现 数控系统老化、系统运行稳定性差及故障率高的问题【3 0 】，通过使用西门子8 4 0 d 数控系统及6 1 1 d 驱动对一台罗马尼亚的2 2 m 立车进行了改造，选用西门子主轴 电机1 p h 7 1 8 6 2 n e 0 3 一o 从l 替换原主轴电机，选用西门子进给电动机l f t 6 0 8 6 8 a f 7 1 1 a h l 替换原进给电动机，机械部件进行大修，使这台停产两年的机床重 新运转起来。 哈尔滨电机厂7 1 m 大型立车原采用f a n u c3 t c 数控系统【2 ”，控制直流调速 装置和直流电机；主轴驱动采用湖北襄樊上世纪8 0 年代生产的可控硅驱动系统； 电器由继电器、接触器控制。由于长年运行，元器件老化，可靠性差、故障率高， 严重地影响了生产。为此，决定进行技术改造，采用f a n u co t c 数控系统控制交 流伺服进给及交流伺服电机，配有内装型p m c 完成数控系统的逻辑控制；采用西 门子6 r a 7 0 主轴驱动系统驱动转台直流电机；采用欧姆龙c 2 0 0 h ep l c 控制机床 电器。 西安飞机国际航空制造有限公司一台s k i q l 6c n cb 数控立式车削中心是捷 克h u l i n 公司于上世纪9 0 年代制造 3 4 1 ，采用f a n u c b a s k6 t 数控系统。由于该 机床已经使用1 0 余年，加之数控系统更新换代，f a n u c - b a s k6 t 数控系统早已停 产，系统板件老化，备件昂贵。采用新型数控系统对该机床进行改造势在必行。 该机床原有功能齐全，包括主轴( 工作台) 和铣磨轴的旋转运动、x 、z 轴坐标运动、 1 5 个刀位的刀库系统，还有诸如冷却系统、液压系统、润滑系统、排屑系统等机 床功能。主轴和铣磨轴采用直流电动机及直流调速器。x 、z 轴坐标也采用直流伺 服电机及直流伺服调速器。刀库采用普通三相异步交流电动机，由5 位二进制凸 轮定位。该机床的机械部分各方面机械性能良好稳定、精度尚可、液压系统工作 正常，在数控改造中上述部分基本保持不变。数控改造更换数控系统和电气控制 部分，采用s i e m e n ss i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统。x 、z 轴和刀库伺服驱动系统采 浙江工业大学工程硕士学位论文 用s i i m o o r i v e6 1 1 u e 变频驱动系统和1 f k 7 伺服电机，选用脉冲编码器作为位置 检测元件，达到数字伺服驱动系统闭环控制。主轴和铣磨轴驱动系统采用英 国e u r o t h e r m 公司的5 9 0 + 系列直流电动机调速装置。通过数控化改造，极大地拓 宽了机床加工零件的范围，更好地保证了零件加工的一致性和产品质量。 1 3 2 数控系统及进给伺服驱动系统的选择 一、数控系统的选择 数控装置的选择是数控改造的关键，性能过高，功能过多，会造成改造成本 的增加，反之如果性能较低，功能较少，则不一定能够满足加工需要，因此，需 要结合机床的性能要求进行合理选用。另外数控系统的使用和维护也是数控改造 需要考虑的重要内容之一。 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国s i e m e n s 公司、 法国n u m 公司、日本f a n u c 公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控 系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 日本f a n u c 公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床 和生产机械的特点，主要体现在以下几个方面。( 1 ) 系统在设计中大量采用模块 化结构。( 2 ) 具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。( 3 ) 有较完善的保护措施。 ( 4 ) f a n u c 系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一 般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。( 5 ) 提供丰富的维修报警和诊断 功能。主要系列有：高可靠性的p o w e r m a t e0 系列、普及型c n co _ - d 系列、全功 能型的o _ _ c 系列、高性价比的o i 系列、具有网络功能的超小型、超薄型c n c 1 6 i 1 8 i 2 1 i 系列。 德国s i e m e n s 公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准 硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要。其主要 特点是：( 1 ) 采用模块化结构设计，模块由多层印制线路板制成，经济性好。( 2 ) 优良的机床使用性。高的进给速度，位置控制回路具有很高的分辨率。中央c p u 速度控制可以实现最短的加速度及制动。( 3 ) 编程简单，操作方便。( 4 ) 调整时间 短，调试方便。( 5 ) 对位移测量系统、驱动装置、主轴、温度、电压( 欠压、过压 x 微处理器、数据传输系统以及用户程序存储器实行监控，其次p c b 数量少，结 构紧凑，运行可靠。s i e m e n s 公司c n c 装置主要有s i n u m e r i k 3 8 8 1 0 8 2 0 8 5 0 8 8 0 8 0 5 8 0 2 8 4 0 系列。 6 浙江工业大学工程硕士学位论文 结合国内立车改造的成功案例，考虑到公司原有的两台数控立车都采用西门 子s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统，机床能有效经济运行；另外公司中的其它数控设备 如数控车床、数控铣床和加工中心的数控系统大多采用s i e m e n s 系统，为了保证 数控系统使用和维护的方便性，本次数控改造选用s i e m e n s 公司中属于中低档系 统但基本上已是标准数控系统的s i n u m e r i k8 0 2 d 系统。该系统性能强大，价格实 惠，最适合于数控车床、铣床、磨床和带小型刀库的数控加工中心的配套及改造。 二、伺服驱动系统的选择 数控机床的进给伺服驱动常用的有步进电动机一开环控制、直流或交流伺服 电动机一半闭环控制和直流或交流伺服电动机一闭环控制。 选用步进电动机，须相应地降低机床的某些性能，主要是快速性。由于步进 电动机在低速工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且其激振频率很可能落入立 车车削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，造成工件超差。此外， 由于步进电动机没有过载能力，高速时转矩下降很多，容易丢步，大功率步进电 动机的驱动较困难。立车为大功率、大转矩加工机床，因此选用步进电动机不适 合立车改造。 采用直流或交流伺服电动机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试 和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传 动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的 数控设备中。由于所改造数控立车工件的加工精度不很高，采用闭环系统的必要 性不大。 采用直流或交流伺服电动机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之 间。由于其调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电 动机的开环控制。其反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系 统的稳定性较易保证，比闭环容易实现。 综合以上分析本次改造采用西门子s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统的半闭环控 制。 1 3 3 主轴改造方案的选择 一、交流调速和直流调速的选择 数控机床的主运动广泛采用无级变速，这不仅能使其在一定的调速范围内选 7 浙江工业大学工程硕士学位论文 择合理的切削速度，而且还能在运转中自动变速。无级调速有机械、液压和电气 等多种形式数控机床一般都采用由直流或交流调速电机作为驱动源的电气无级调 速。 对于交流主轴电机，采用变频调速控制。其特点是调速和起制动性能好，高 效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认 为最有发展前途的调速方式。，采用变频器变频的最大优点是可以采用机床原来的 主轴普通电机，方便的进行转速调控，因而改造成本较低；缺点是交流电机通过 变频在较低转速运行时，运行稳定性较差，不利于提高零件的加工精度，因此， 采用此种方法进行主轴变速时不能设定太低的转速。如果零件加工确实需要在低 转速情况下进行，且加工精度有一定要求，则应将主轴电机更换为专用变频电机。 对于直流主轴电机，一般采用全数字直流调速装置进行调速系统。特点是全 数字控制装置，体积小、结构紧凑，本身带有参数设定单元，不需要其它的任何 附加设备即可完成参数的设定，并且所有的控制、调节、监视及附加功能都由微 处理器来实现。直流调速控制力度和精度比交流变频调速要好，调速性能更稳定 一些。原因很简单，直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，这样对电枢 电流和励磁电流能够做到精确控制。而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的， 是无法做到精确控制的，尽管目前的变频调速具有矢量控制，运用现代控制理论， 通过矢量转换，将交流电机中耦合的电枢电流和励磁电流解开，从而对其进行控 制，也就是仿真直流调速的原理。但是要做到直流调速的控制特性目前是很困难 的。 立车为大功率、大转矩加工机床，若主轴采用交流变频调速为保证低速时的 运行稳定性和加工精度，需采用专用变频电机和大功率变频器，相对直流调速反 而成本较高，经济不合算。对于5 5 k w 的主轴控制采用交流变频调速成本在7 8 万元，而采用直流数字化调速成本在5 万元左右。再考虑到直流调速的优点，本 次改造我们选用了直流电机和英国欧陆5 9 0 + 直流数字化调速系统。 二、主轴电气控制方案的选择 主轴电气控制方案有三种：一是保留原继电器电气控制系统不变；二是由数 控系统来控制主轴的工作；三是将继电器电气控制系统进行p l c 控制改造。第一 种方案虽然成本低，但是机床工作十几年后，电气系统已老化，故障几率高，工 作不稳定，而且排故困难。若更换新的继电器电气控制系统控制柜内部的安装、 8 浙江工业大学工程硕士学位论文 接线工作量极大，改造的工期长，费用高，而且控制方式相对落后。第二种方案 将主轴电气进行数控化改造，通过程序便可控制主轴的速度，性能先进，而且可 充分利用数控装置的控制功能。但是对于只对一个刀架进行数控化改造的情况还 要考虑到横梁和常规刀架的工作。若主轴控制数控化，当数控系统发生故障时， 主轴无法工作，常规刀架也就无法进行常规加工。第三种方案将主轴电气进行p l c 改造，有以下好处： 1 、可靠性高，硬接线少，p l c 具有掉电保护、监控、报警、故障检测等功能， 能够及时发现和排除故障。 2 、柔性好，采用程序控制方式，p l c 模块式结构具有扩展的灵活性。 3 、功能强大，使用方便。 4 、可以同时将横梁和常规刀架进行p l c 改造，不仅可以降低机床改造的成 本，同时可以简化机床电气控制线路，提高机床的工作性能。 综合以上分析本次改造主轴电气控制方案为p l c 控制，保留主轴的手动加工 操作功能。在对主轴p l c 改造的同时将横梁和常规刀架进行p l c 改造，采用日 本三菱f x 2 n - 8 0 m rp l c 来进行控制。 三、主轴传动系统的改造方案 由于数控机床主运动的调速范围较宽，一般情况下单靠调速电动机无法满 足；另一方面调速电机的功率和转矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求完 全匹配。因此，需要在无级调速时机之后串联机械分级变速传动，以满足调速范 围和功率、转矩特性的要求。 考虑到改造的成本和加工需要，将原来四轴1 6 级变速的机械有级主轴传动 改造为采用全数字直流调速装置进行无级调速的直流主轴电机串联二轴4 级变速 的主轴传动。 。 1 3 4 刀架改造方案的选择 常用的方法有两种：一是左右两个刀架都进行数控化改造，二是只对其中一 个刀架进行数控化改造。 左右两个刀架都进行数控化改造这种改造方案成本较高，改造的工作量大， 改造的周期相对要长些，而且改造以后两个刀架的数控功能未必能得到充分的发 挥，普通刀架的功能优势又被丧失。所以立车数控化改造采用对左右两个刀架都 进行数控化改造的情况较少。 9 浙江工业大学工程硕士学位论文 只对其中一个刀架进行数控化改造这种改造方案成本相对较低，改造的工作 量相对较少，改造周期短。数控刀架可进行数控加工，可以完成复杂曲面零件的 加工，可满足在不断开发新产品时，实现多品种、单件和小批量生产的要求。普 通刀架保留手动加工操作功能，作常规加工之用，能保证以往产品的加工工艺路 线不致有较大变化，符合传统生产习惯。在加工安排上可以合理安排两个刀架的 使用，使性能得到充分发挥。 刀架数控化机床的机械部分要相应地做改动，需将原来的普通t 形丝杠替换 为滚珠丝杠并更换减速箱。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在9 0 9 6 以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。 因此可满足较高精度零件加工要求。对于大型机床，由于刀架比较重，惯性大， 若采用伺服电机直接与丝杆相连，伺服系统的驱动功率要求很大。虽然这样可以 提高进给速度，但系统的成本将会非常高。对于大型回转体加工，进给速度一般 要求比较低，因此，机床进给轴采用一定速比的机械降速传动，以降低进给轴伺 服电机驱动力矩的要求，从而降低改造成本。 综合以上分析本次刀架改造方案为：对左刀架进行数控化改造，将原来的t 形丝杠替换为滚珠丝杠；除去左刀架减速箱，将原有的齿轮传动系统改造为一对 减速齿轮，右刀架原机械结构和操作功能保留不变。 1 3 5c 5 2 2 5 立式车床数控改造的总体方案 c 5 2 2 5 立式车床是8 7 年制造的设备，其主传动采用交流电机，液压变速1 6 级，采用停车手工变档方式，比较费时繁琐，并且影响加工精度；进给轴x 轴( 滑 座进给) 和z 轴( 滑枕进给) 只能互相切换，不能联动，无法加工具有复杂曲面 的零件。根据用户要求、参考成功案例和以上分析，在保留左滑座体、左刀架体 和左滑枕的基础上对左刀架作数控化改造，主传动系统进行直流数字化调速改造， 总体方案如下： 1 、左刀架的x 轴和z 轴运动采用数控控制。将原来的t 形丝杠替换为滚珠 丝杠，以满足较高精度零件加工要求。将左刀架原有的齿轮传动系统改造为一对 减速齿轮，x 、z 轴伺服电机通过减速齿轮与丝杆相连以降低对驱动力矩的要求。 2 、采用西门子s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统。x 轴和z 轴伺服驱动系统采用 s i i m o d r i v e6 1 1 u e 双轴驱动模块和i f k 7 交流伺服电机，x 轴和z 轴伺服电机均带 有内装式脉冲编码器，采用半闭环控制。 1 0 浙江工业大学工程硕士学位论文 3 、主传动变速档由1 6 级改造为4 级，由手工变档改造为无级调速，采用直 流电机和英国欧陆5 9 0 + 直流数字化调速系统。 4 、保留原右刀架、横梁和主轴的手动加工操作功能。右刀架留作常规加工 或备用。 5 、右刀架、横梁和主轴采用日本三菱f x 2 n - 8 0 m rp l c 来控制，保证在数控 系统发生故障，左刀架不能进行数控加工时，机床能利用右刀架作常规加工。 1 4 改造的可行性分析 c 5 2 2 5 立式车床是8 7 年制造的设备，使用年限虽有2 0 年之久，但机床的基 础件具有足够的刚性，几何精度一直保持较好，通过修复和保养，其基本性能可 达到现代同类机床的机械水平，所以实施机床数控化改造的机械条件和适用性是 相当好的，估计设备实施改造后使用1 0 年没有问题。 c 5 2 2 5 普通立车无法完成或很难完成具有复杂曲面零件的加工，产品的适应 性差，生产效率低，成本高，供货周期长。功能已不能满足新市场、新产品的要 求。通过机床数控化改造可以有效解决以上问题；并且通过改造可以提高机床的 加工性能，提高机床的精度和效率，实现原有设备的技术升级。 预计整个技术改造需投资4 0 5 0 万元，而购买一台类似的国产数控立车需花 费8 0 1 5 0 万元，同时购买新设备的时间也较长。数控改造可以根据企业的生产 情况合理安排时间，在不影响生产的基础上进行改造，而且改造时间短。 在改造c 5 2 2 5 立车之前，企业已对厂里的一台c q 5 2 5 0 立车进行过两次技术改 造一次是对左刀架进行数控化改造，一次是对主轴进行直流数字化无级调速改造。 两次技术改造为企业这次的机床改造提供了宝贵的经验。 综合以上分析，对c 5 2 2 5 立式车床进行数控化改造，生产上是必需的，技术 上是可行的，经济上是合算的。 1 5 本文研究的主要内容 设计、制造各类用途的数控机床是提高我国机床数控化率途径之一，而对现 有机床进行有目的的、有针对性的数控化开发，更是一条多、快、好、省的，符 合我国国情和产业政策的重要途径。本文根据c 5 2 2 5 立式车床的功能特点，结构 以及用户的要求对c 5 2 2 5 立式车床的数控改造进行了较为详细的论述，具体内容 浙江工业大学工程硕士学位论文 如f ： 1 、主传动系统的直流数字化调速改造。主要是直流电机的功率计算和型号 选择、主传动传动路线与变速液压系统电磁铁工作状态的调整以及直流调速器控 制电路、p l c 控制程序的设计。 2 、进给系统的数控化改造。主要是伺服进给系统控制方式的选择、进给系 统机械部分改造方案的确定；滚珠丝杠副及伺服电机的参数计算与选用；x 轴和z 轴滚珠丝杠副零件图的设计。 3 、c 5 2 2 5 立式车床数控电气控制系统的设计。主要是数控电气控制系统的组 成及连接、数控系统中的p l c 程序设计及调试、数控系统的调试步骤及系统基本 参数的设定。 4 、结论。机床改造后扩大了机床的加工范围，提高了生产效率和加工精度， 机床的可操作性和可维修性得到提高，并节省下购买大型数控机床的大笔投资。 本次改造的成功也为今后的机床改造工作积累了经验。 1 6 本章小结 数控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通 机床无法比拟的优势，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高。机床 数控化改造不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。通过对c 5 2 2 5 立式车床的数控化改造，可以加工原来无法加工的具有复杂曲面的零件，节约工 装费用，降低生产成本。在本章节主要介绍了机床数控化改造的必然性及国内外 机床数控化改造的现状；介绍了c 5 2 2 5 立式车床存在的不足及改造的目的意义； 介绍了c 5 2 2 5 立式车床数控化改造方案的确定及可行性分析；最后介绍了本次改 造的主要内容。 1 2 浙江工业大学工程硕士学位论文 第二章c 5 2 2 5 立式车床主传动变速系统的改造 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速( 速度) 和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同 要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 在数控机床的主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机 无级调速系统，可以大大简化机械机构，便于实现自动变速、连续变速和负载下 变速。为扩大调速范围，适应低速大扭矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电 动机无级调速相结合的调速方式。 2 1c 5 2 2 5 立式车床主传动系统概述 c 5 2 2 5 立式车床主传动采用交流电机，液压变速1 6 级，采用停车手工变档方 式，图2 - 1 是它的主传动系统简图。 其传动路线表达式是： 图2 - 1c 5 2 2 5 主传动系统简图 浙江工业大学工程硕士学位论文 。l 茹0 0 0 r m 机i n f ，嚼嚼驴卜和 | | 哮喵一蝴 图2 - 2c 5 2 2 5 主传动转速图 1 4 咖咖哪湖枷撕脚珊瑚踊啪 跎巧垢2i m es：；l2 浙江工业大学工程硕士学位论文 图2 - 3 变速机构液压控制回路 电磁阀工作情况 工作台转速齿轮啮合情况 y h ly h 2 y a 3 y a 4 6 32 8 4 3 3 5 3 5 + 5 0 2 4 4 7 3 5 3 5 4 02 8 4 3 2 7 4 3 + + 3 2 2 4 4 7+ 6 0 2 4 2 5 2 8 4 3 3 5 3 5 + 2 0 2 4 4 7+ 2 0 5 0 1 6 2 8 4 3 2 7 4 3 + + 1 2 5 2 4 4 7+ 2 4 6 0 1 0 2 8 4 3 3 5 3 5 + 8 2 4 4 7+ 3 5 3 5 6 32 8 4 3 2 7 4 3 + + 5 2 4 4 7+ 1 8 4 5 4 2 8 4 3 3 5 3 5 + 3 2 2 4 4 7+ + 2 0 5 0 2 52 8 4 3 2 7 4 3 + + 2 2 4 4 7+ + 图2 - 4 转速与电磁铁工作状态的对应关系表 1 5 浙江工业大学工程硕士学位论文 2 2 主轴电动机的