（机械工程专业论文）基于hnc210a技术的数控车床改进设计原理及其应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新速度不断加快， 零件外形越来越复杂，精度要求也越来越高，传统的机床己不能满足生产要求，柔性加 工的重要性更加突出，数控机床的需求日益增大。而企业获得数控生产能力的途径有两 种：购买新设备或将旧设备更新改造，购买新数控设备所需资金较大，在技改资金短缺 的情况下，通过对旧设备的改造来获得数控加工能力不失为一种有效的途径，数控机床 的改造己成为一个重要的研究课题。 本文综述了机床改造的常见方案、优势特点及国内外发展趋势，对现有s s c k 2 0 a 数控车床的结构、p l c 控制和液压系统进行了分析，并分别提出了改进方案，取得了一 定的改进效果。改进结果表明： 1 、通过对s s c k 2 0 a 数控车床丝杠螺母、箱体及喷嘴的改造，机床的整体结构得到 了进一步完善，提高了生产效率，加工冷却效果大大提高，延长了刀具的使用寿命，节 约了加工成本。 2 、针对s s c k 2 0 a 数控车床改造的特点，选择三菱f x 2 np l c 作为控制器，以四 工位刀架控制为例进行说明，给出了控制电路、梯形图、外部接线等改造方案设计，并 列出了主要元器件清单。 3 、通过对s s c k 2 0 a 数控车床液压系统的改造，液压卡盘精度大大提高，自动化程 度也得到了加强，提高了生产效率并降低了劳动者的强度；对其液压尾座系统的改进设 计，提高尾座的快速反应能力。 虽然本文对s s c k 2 0 a 数控车床的改造已经取得了一定效果，但仍不能完全满足使 用需求，有待进一步深入研究及改造。本文将为s s c k 2 0 a 数控车床的改造提供实践依 据，对延长该类数控机床使用寿命，更新该类数控机床的设备技术，完善该类数控机床 的使用性能具有重要意义。 关键词：数控机床；改造；结构；p l c ；液压 a b s t r a c t w i t nt h e d e v e l o p m e n to fc h i n a sm a r k e t e c o n o m y , t h ed o r a e s t i ca n di n t e m a t i o n a l m a r k e t sl na 1 11 n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v e ，n e w p r o d u c t su p d a t ef a s t e r , t h e i rs h a p e sb e c o m em o r e c o m p l e x , a n dh l g h 盯p r e c i s i o ni sr e q u i r e d ，s ot h et r a d i t i o n a lt o o l sh a v eb e e nu n a b l e t om e e t p r o d u c t i o nr e q u l r e m e n t s ，t h ei m p o r t a n c eo f f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gi sm o r ea i l dm o r eo b v i o u s t h e l li tc a u s e st h ei n c r e a s i n gd e m a n d f o rc n c m a c h i n et 0 0 1 s 上n e r ea r et w ow a y sf o re n t e r p r i s e st oo b t a i nc n c p r o d u c t i o nc a p a c i t y ：p u r c h a s eo fn e w e q u l p m e n to ru p g r a d i n go l de q u i p m e n t t op u r c h a s en e wc n c e q u i p m e n tn e e d s1 a r g e r d s w h l j e 岫d 盯t h ec 。i l d i t i o n 。fs h o r t a g eo ff u n d sf o r t e c h n o l o g i c a lr e n o v a t i o n ，t h r o u g ht h e t r 锄s o m a t l o no f0 1 de q u i p m e n tt o g e tt h ec n c p r o c e s s i n gc a p a c i t yi sa ne 如c t i v ew a v s o t h e 打a n s f o r m a t i o no fc n c m a c h i n et o o l sh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i b i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ec o m m o n p r o g r a m sa n df e a t u r e so ft h et r a n s f o m a t i o na sw e l l a st 上1 e a d v a i l t a g e so fd o m e s f i ca n di n t e r n a t i o n a lt r e n d s i ta l s o a 1 1 a 1 ) ，z e dt h es t r u c t u i eo f 付1 e e x l s t m gs s c k 2 0 ac n cl a t h e ，p l cc o n t r o la n d h y d r a u l i cs y s t 锄n e i m p r o v e m e n t p r o g r a m sw e r ep u tf o r w a r da n d g o tr e s u l t s t h er e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w ： j jn f o u g ht h et r a n s f o r m a t i o no fs c r e w n u t s ，c a b i n e t sa n dn o z z l e so fs s c 怼o ac n c l a t h e , t h ep r o d u c t i o n e f j i c i e n c yo ft h ew h o l em a c h i n et o o lh a sb e e ni m p r o v e d ，w r h i c h m c r e a s 部t h ep r o c e s s i n ga n dc o o l i n ge f f i c i e n c y , a sw e l l a se x t e n d st o o l ，sl i f ea n dr e d u c e s p r o c e s s i n gc o s t s 2 a o r d m gt os s c k 2 0 ac n cl a t h ef e a t u r e s ，t h em i t s u b i s h if x 2 n p l cw a ss e l e c t e d a sac o n n d l l e r af o u rs t a t i o nt u r r e t c o n t r o la sa l le x a m p l e ，t h e l lt h ec o n 仃0 1c i r c u i t ，l a d d e r e x t e m a lw l n n ga n do t l l e rt r a n s f o r m a t i o nd e s i g nw e r es h o w n a n dt h em a i nc o m d o n e n t sw e r e l i s t e di nt h i sp a p e r 3 u 曲t h et r a n s f o r m a t i 。n 。fh y d r a u l i cs y s t e m 。f ss c k 2 0 ac n c 1 a t h e ，t 1 1 ea c 咖c v o 士 h y d r a u l l cc h u c kh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d ，t h ea u t o m a t i o n l e v e lh a sa l s ob e e n s 概g t h 吼e dt o1 m p r 0 p r o d u c t i v i t ya n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y ：t h ei m p r o v 锄e n t s d e s i g no f h y d r 肌1 1 ct a i l s t o c k8 y s t e mh a si m p r o v e dt h e r a p i dr e s p o n s ec a p a b i l i t yo ft h et a i lb 1 0 c k 刖t h o u g ht h i st r a n s f o r m a t i o no fs s c k 2 0 a c n cl a t h eh a sa c h i e v e ds o m er e s u l t s b u ti t s t l “c a nn o t 允i i ym e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，s o f 心t 1 1 e rs t u d ya n dm o d i f i c a t i o na r e t l l er e s u l t sf r o mt h i s p a p e rw i l lp r o v i d ep r a c t i c a l b a s i sf o rt 1 1 e 仃i 觚s f o m a t i o n 。f s s c k 2 0 ac n c 1 a t h e s i ta l s 。s h o w st h e i m p 。r t a n c et 。e x t e n dt h el i f e 。fc n c m a c h i n et 0 0 1 s a b s t r a c t t ou p d a t et h ee q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g ya n dt oi m p r o v et h e i r p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c n cm a c h i n e t o o l s ；t r a n s f o r m a t i o n ；s t r u c t u r e ；p l c ；h y d r a u l i c 第1 章绪论 第1 章绪论 随着我国市场经济的不断发展与完善，产品更新速度不断加快，市场竞争日益激烈， 中、小批量零件的生产需求不断增大，已逐步占据产品生产总量的主流，同时，零件外 形要求越来越复杂，精度要求也在不断提高【l 之】。现代化工业中，产品柔性加工的重要 性不断突出，产品质量要求不断提高，传统机床己很难满足生产要求，因此，零件加工 企业对数控机床的需求日益增大1 3 j 。而传统零件加工生产企业获得数控生产能力的途径 只有两种：购置新的数控机床设备或改造更新现有零件加工设备，购买新数控设备所需 资金较大，在企业技改资金普遍紧缺的情况下，通过对原有设备的改造来获取数控加工 及其他特殊零件加工的能力，从而满足生产加工需求，不失为一种有效的途径，数控机 床改造已成为一个重要的研究课题。 1 i 数控机床改造的概况 1 1 1 数控技术与数控机床 数字控制技术( n u m e r i c a lc o n t r o l ，缩写为n c ) 简称数控【4 1 ，是指用数字指令来控 制一台或多台机床等设备动作的技术，是自动控制技术的一个重要分支，是实现生产自 动化的核心技术。 随着机床的动作控制与数控技术密紧密结合及共同发展，零件加工的精度及效率等 各项加工能力均得到的飞跃式的提高，通常把采用数控装置来实现高效率、自动化零件 加工的机床统称为数控机床【5 j 。数控机床就是用数字化的代码表示机床加工过程中的各 项控制信息，通过信息载体输入数控装置，再经运算处理由数控装置发出各种控制信号， 从而控制机床按图纸要求，自动完成零件加工过程的所有动作1 6 j 。数控机床是一种柔性 的高效能自动化零件加工设备，其较好地解决了高精密、多品种、小批量的零件加工难 题，代表了现代可控自动化机床的发展方向，是一种典型的机电一体化产品【7 】。 数控技术主要控制的有以下几个方面【扣刿： 1 、机床加工周期动作顺序的程序控制； 2 、主轴、坐标进给速度、刀具更换、开闭冷却液等辅助功能控制； 3 、有关部件位移量和相对位置关系的坐标控制。 数控技术及数控机床的发展决定了一个国家装备制造能力和水平，在一个现代化的 工厂中从机床、生产线、工业机器人、到仓库物流等各项环节，无不渗透着数控技术的 应用。随着相关基础学科的不断发展，数控技术也被不断地推向新的高度，已逐步显现 第1 章绪论 出其在现代化工业生产中的重要地位【l o 】，在农业生产、矿产开发、车辆制造、航空航天 及武器装备等国民生产的各个领域均扮演着重要的角色，数控技术在国家装备制造业发 展中具有战略地位的技术。 1 i 2 机床改造简介 机床改造是利用加工能力达不到生产需求或闲置的原有机床，有针对性的进行一些 技术改造，从而达到能够合理使用切削刀具、工序及工步集中化、某些循环工作自动化、 缩短加工辅助时间、提高产品加工精度、改变原有工艺用途、扩大工艺可能性、提高机 床操作的安全性等目的，使得普通机床专业化的一项新兴技术【l 。 普通车床是机械加工工业中最普通、最基本、最常见的一种加工设备，也是在实际 生产加工现场，数量最多然而也是闲置量最大、最陈旧的机床加工设备。然而，随着数 字控制技术在机械加工行业的逐步应用和推广，数控机床己成为生产企业的主要加工设 备。面对原有设备的大量闲置，以及机械加工技术的更新、产品要求的提高，企业机械 加工设备的数控化替换迫在眉睫。但是由于数控机床制造技术要求高、制造成本大、国 内数控机床生产能力有限，同时，机械加工企业一次性投资较大且企业技改资金普遍缺 乏，以及某些特定功能的专用机床很难在市场上购买等诸多因素影响，以购置新的先进 数控机床全面替换现有的普通机床，不论对数控机床生产企业还是对机械加工企业来说 都无法实现，特别是在我国中小型机械加工企业中更是根本不可能实现【l 1 3 】。 由此可见，为实现数控化而对原有普通机床的改进设计，以及为具备特殊性能而对 普通数控机床的改进设计，可做到投入较少资金而获得具有较高加工精度和生产能力的 数控机床或是具有一些特定功能的专用机械加工机床，这不但可以提高机床的加工精度 和表面质量，扩大机床的加工能力和工艺范围，而且有效提高了机床的生产效率和自动 化程度、减轻了操作者的操作风险和劳动强度，将大大提高生产企业的市场竞争力，给 企业带来可观的经济效益和社会效益。机床改造是企业提高加工能力和改变加工现状的 一条有效途径。对旧机床进行技术改造是加工生产企业常用的一种扩大加工能力的方 法。可以说：为实现数控化而进行的改进设计是有强大生命力的，是提升我国机械制造 业整体实力的有力举措。 1 1 3 数控机床改造的特点及优势 数控机床改造技术在机械加工行业中的作用越来越重要，应用越来越广泛，这都归 功于数控机床改造具有如下突出的特点及优势 1 4 - 1 6 】： 1 ) 投资少、起效快。 较购置新机床而言，在达到同样设备技术水平情况下，改造机床不但交货期短，而 且可以节省大量开支，特别是大型机床尤为明显，所需费用仅为购置新机的1 3 左右。 第1 章绪论 2 ) 结合自身条件。 根据机床存在的生产技术问题提出改造方案，紧密结合企业生产及场地现状，有的 放矢，企业便可把握主动权。 3 ) 技术更新灵活。 根据数控技术革新的发展方向，及时提出生产设备改造方案，提高设备档次，保持 企业生产设备及技术的先进性。 4 ) 便于维修保养。 经多年使用磨合，操作者对原有机床的特性非常熟悉，虽然经过部分改造，但在操 作使用和维修保养等方面，不再需要长时间培训，待改造调试好之后，便可实现全负荷 运转。 5 ) 增强综合能力。 提高工人素质，促进科技成果的普及和应用。可以充分调动技术人员的积极性，发 挥企业现有技术力量，为企业从“体力型”向“智能型”转变创造条件。 1 1 4 数控机床改造常见方案及效果检查 1 、数控机床常见改造方案【1 7 - 1 9 】： 1 ) 落后机床的再生改造。 对落后数控机床的再生改造主要是重新装配机床机械部分，同时，翻新机床电气部 分。通过改进原数控机床结构，更新设备技术，提高数控机床的精度、效率及自动化程 度。 2 ) 技术更新及创新改造。 为适应数控设备技术发展、完善设备性能、保持企业设备的技术先进性，在原有设 备基础上，进行的技术更新或技术创新。 3 ) 机床的数字显示改造。 在机床上增置位置检测等数显装置，实现加工过程中，各类信息实时监测、反馈、 监控等功能。这类改造方案相对技术要求不高，且费用低、见效快，应用较普遍。 4 ) 特殊要求的专用改造。 为满足某单一批次或特殊结构零件加工等需要，在原有设备上，增加相关控制部件 或结构部件的专用数控机床改造。 5 ) 调速系统的变频改造。 将直流电动机调速替换为交流变频器，可显著提高机床调速性能，同时，降低电能 消耗，有一定的节能效果。 6 ) 设备控制的p l c 改造。 随着数控机床自动化要求的不断提高，传统继电气控制装置将变得越来越庞大，且 第1 章绪论 很难满足实际需求。可选用结构简单、操作方便的p l c 可编程控制器替取而代之，不 仅显著提高了控制系统可靠性，而且大大缩小了控制装置体积。 2 、改造后效果的检查【2 0 2 3 1 1 ) 检查输入电源。 检查电源电压、频率及相序。 2 ) 检查机床状态。 检查系统是否报警，预防因伺服电动机反馈线的断线或反接造成的机床暴走。需反 复接通、断开电源，确认电动机是否正常。 3 ) 检查各轴运转。 用手动连续进给检查各轴的运动方向是否正确，用m d i 操作检查各轴运动距离是 否准确，用手动低速或高速进给检查行程限位是否可靠等。 4 ) 检查返回基点。 反复校验确保返回基准点准确。检查机床的基本功能如直线、圆弧、控制轴联动、 固定循环等是否正常。 5 1 检查输出电流。 确认直流电压输出端对地短路。 6 1 检查接口连接。 确认数控系统接口连接准确。 7 ) 确认参数设定。 根据改造设计要求及随机附带的参数表进行设定，良好的参数设定可使机床达到最 佳工作性能。 1 1 5 国内外数控机床改造的研究现状 在许多发达国家，新机床销售市场不太景气的情况下，二手机床的销售往往出人意 料的相当红火，据统计，早在1 9 9 8 年德国二手机床销售额就达到2 5 亿马克【2 4 】。 在德国，为有效促进及规范机床改造业持续发展，已为之成立了一个新兴的工业部 门1 25 1 。有了政府的支持、鼓励与市场规范，许多企业非常乐意从市场上购买改造过的二 手机床或者改造本厂原有的闲置及落后机床，这些经过改造更新的旧机床不论从质量上 还是性能上都能得到相应保证，也同样能够获得供应商或改造厂商提供的配套服务。这 样，不但有力推动了机床改造行业的持续发展，而且消除了二手改造机床用户的后顾之 忧【2 6 1 。另外，联邦政府和各州政府都会拨出专项资金支持该数控机床改造的研究开发工 作，不仅考虑到如何通过机床改造升级来适应现代化的生产技术，而且还系统考虑到如 何充分利用技术工人现有的经验知识。除了相关企业有专门人员从事机床改造工作及研 究外，还有许多高校、研究机构等也积极参与机床改造升级的工作及研究【2 7 1 。 第1 章绪论 在许多发达国家，采用数控技术改造原有机床及生产线的新兴行业具有广阔的市场 发展前景，已经初步形成了数控化改造机床及生产线的系统化行业【2 8 】。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 ) 、_ l k 。从事该行业的著名公司有：u s 设备公司、 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) 服务集团等 2 9 - 3 0 】。美国 d e v l i e g - b u l l a v d ( 得宝) 服务集团已在中国开设分公司。在日本，机床改造业称为机床 改装业 e t o m t t i i l g ) 。从事该行业的著名公司有：滨田工程公司、千代田工机公司、大 隈工程集团、野崎工程公司、山岗三机械公司、本工程公司等【3 1 1 。 在美国、日本和德国等发达国家，作为新兴经济增长行业的机床改造技术，正蓬勃 发展，生意盎然，处于发展的黄金时代。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。随着科学技术的不断进步，数控技术也随之日新月异，机床的 数控改造技术已是当今热点的研究课题。 1 1 6 数控机床改造技术的发展趋势 随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断发展，数控机床也在 迅猛发展与演变，数控技术已迎来了计算机数字控制时代【3 2 】。数控机床的改造，带动了 周边的相关行业企业的发展，具有广阔的市场前景，越来越受到人们的关注。 在许多发达国家，改造后的二手机床用户同样能够获得供应商或机床改造厂商提供 的配套服务，同时，国家及地方政府划拨专项资金支持该领域的研究工作，一些高校及 研究机构也积极参与机床改造的研究，这样不但消除二手机床用户的后顾之忧，打开了 市场，同时强有力地推动了二手机床及机床改造行业的发展【3 3 】。 纵观数控机床的发展历程，数控机床的改造正向着高精度、高效率、多功能、智能 化、人性化的方向迈进，其特点表现为【3 4 粕】： 1 ) 高精度化。 目前以航空航天业为代表的许多行业的加工产品的对精度要求越来越高。随着科学 技术的不断发展，也推动了数控技术的前进，各种加工精度的补偿技术不断的涌现并得 以应用，机床的加工精度得到了大大的提升：与此同时，各种高性能新型材料在数控机 床的生产过程中得以应用，使得数控机床的各项精度指标得到明显的提高。 2 ) 高柔性化。 现代的加工产品的多样化和个性化的特点非常突出，对数控机床的柔性化要求比较 高，所以现代的数控机床推出了柔性制造单元( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) ，这两 种技术在数控机床上应用能够满足现代产品的加工需要，不但提高了机床的加工效率， 而且也方便了操作人员对机床的控制。 3 ) 高自动化。 传动机床对零件的加工需要操作者不停的控制机床的运动来实现，而数控机床只需 第1 章绪论 要把工件装夹固定以后，通过程序来控制机床的运动，这样不但提高了机床的加工效率， 也减轻了劳动者的负担。 4 ) 高速度化。 以往的机床通过步进电机来驱动滚珠丝杠螺母副，从而来实现机床的运动，而数控 机床则以伺服电机来驱动滚珠丝杠螺母副。伺服电机相比步进电机而言，一是最高转速 得到明显的提升；二是对转速的调控精度得到明显的加强。机床的主轴单元也发生了改 变，目前数控机床采用一体式的电主轴，主轴转速能达到两玩转以上。 5 ) 高人性化 现代的数控机床从设计到生产，无时无刻都在考虑操作者的使用情况，为方便操作 者对机床进行操作，从很多细节部分都在不断的创新。例如，原来数控机床的操作面板 是固定在数控机床上，不能移动或者转动，而现在数控机床的面板可以移动和转动，方 便操作者的试用，更加体现了人性化的特点。 随着数控机床的优势越来越明显，使得数控机床在市场的占有率越来越高。与此同 时，随着加工需求对象不断增加，一些普通设备的数控化不能满足加工的需求，所以机 床的数控化改造从以车、铣、钻等传动机床，向磨、切割机等专用设备上进行扩展，数 控化设备在市场的普及率越来越高。但由于数控机床的成本比较高，所以目前在我国数 控化设备的普及率远远落后其他发达国家，但发展前景比较可观，而且近几年发展也比 较迅猛。 1 2 数控机床改造的需求 1 2 1 市场需求 1 、普通机床数控化改造的市场需求 目前，国内机械加工设备仍以传统普通机床为主，其中役龄1 0 年以上的老机床的 数量较大【37 1 。这些传统机械加工设备生产的产品普遍存在着品种少、成本高、档次低、 质量差、加工周期长等缺点，这些原因都归根于机械加工设备的陈旧落后，无法满足市 场的需求，影响企业在市场的竞争力，所以必须对这些设备进行升级改造或者更替。 2 、进口生产线和机床设备的改造市场 自从上世纪八十年代起，国内很多企业从国外进口一批当时高档的生产线和机床设 备，而这些当时进口的先进生产线和机床设备，对我国工业生产做出了应有的贡献。但 随着时间的推移，技术的再次发展和更新，很多当时进口的高档生产线和机床设备运行 情况出现了问题。一些机床设备或生产线从国外引进以后，技术内化吸收不好，备件不 全，维护不当，造成运转不良；有的设备在引进时只注意到硬件的安装使用，忽视软件、 第1 章绪论 工艺及管理维护等配套技术的学习，以致设备及生产线潜力不能完全发挥，甚至已不能 正常运行，无法发挥其应有的作用；有的设备引进时间较长，需要进行技术更新，或结 构更新以适应生产发展需要；有的机床设备或生产线生产的产品比较畅销，生产符合量 较大，但因部门结构、零件坏损，而不能正常运转，甚至瘫痪，使企业效益受到影响， 使企业陷入严重困境1 3 8 _ ”j 。 这些不能正常使用的生产线和机床设备，对企业来说是一批很大的存量固定资产， 但却又是严重的包袱，不但占用厂房资源，而且不能给企业带来相应的经济效益。所以 必须尽快的发现机床改造过程中的技术难题，并且找出解决这些难题的相关办法，就可 以花少量的钱把原有的生产线和机床设备进行升级改进，满足机械加工市场的产品需 求，优化原有生产线和机床设备的m i 性能，这样就可以节省一比不菲的生产线和机床 设备更替的资金，而我国像这样的企业数量不占少数，所以我国的生产线和机床设备改 造市场非常大。 1 2 2 必要性和迫切性 1 、数控机床相比传统机床有以下几点突出的优势。 1 ) 面对数控机床加工的拥有很多复杂曲面零件，普通机床束手无策，这是因为数 控机床通过伺服系统能够准确的计算出曲面中无数个坐标节点，通过伺服机构进行插补 运动，完成刀具加工中的定位工作，从而实现对零件的加工，而这些非常精细的工作， 通过人力是无法简单完成的。 2 ) 数控机床通过程序控制刀具运行的轨迹，自动化程度比普通的传统机床提高很 多，而且数控机床对机械产品的适应程度比普通的传统机床也高出很多。 3 ) 数控机床加工出的零件不论是尺寸精度、形状和位置精度以及表面粗糙度都可 以达到很高，并且加工多个产品时波动较小，这些都非常利于后期产品的装配工作。 4 ) 有些数控机床还可实现多工序的集中，一次装夹定位多工序在一台机床完成， 甚至有些柔性制造系统还可以实现零件的自动传输，大大的减轻了操作者的工作强度。 5 ) 现代的数控机床研发出了很多先进的功能，比如刀具的自动补偿功能，机床不 问断的对刀具进行测量，发现有磨损会立刻进行补偿，来满足零件加工的要求，这样操 作者就不用在机床旁进行看守，从而减少了劳动者的劳动强度，同时提高了生产率和缩 短生产周期。 2 、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益 我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后2 0 年【4 们，因此每年都有大量机 电产品从国外进口，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。自改革 开放以来，我国不少企业从国外进口了很多当时高档的数控机床，随着时间的推移，有 些设备由于部分元器件老化，有些设备部分零部件损坏，导致这些设备目前不能正常使 第1 章绪论 用，处于闲置状态，即给企业带来了机床占地和保养问题，同时也是一种资源的浪费。 这些机床如果机械部分更换的不多，甚至不用更换的话，而只是数控系统出现问题或者 数控系统的加工精度已经达不到现在的数控产品的需求。那么对这些数控机床进行数控 化的重新改造势在必行，因为只需要花少量的钱把这些设备的数控装备进行改造，就可 以让这些设备正常的运行工作，就可以省下一大笔购买新设备的资金，同时也解决设备 的占地问题。因此，对这些企业来说，对陈旧的设备进行数控化升级改造具有非常显著 的经济效益。 1 2 3 可行性分析 1 、在我国数控机床升级改造的数量非常庞大，从而该方向的市场也非常巨大； 2 、数控机床的改造可以在节省企业大笔技改资金的同时，有效提升机床加工能力、 增强企业市场竞争力，对企业提高产品加工能力和加工范围具有重要意义； 3 、数控技术发展至今也是一个非常成熟的技术，特别是数控系统都已经具备了强 大齐全的功能，能够满足现在的数控化机床改造工作对数控技术的需求： 4 、机床功能模块化技术已逐步成熟，给机床改造提供了诸多便利； 5 、经过企业多年的摸索研究，对机床结构和数控技术的深入了解，现代数控机床 改造技术已逐步被普及，在改造机床方面的技术已向成熟化和系统化发展。 综上所述，数控机床的改造具有可行性。 1 3 课题来源及研究意义 1 3 1 课题来源 本课题是在九江职业技术学院校企合作背景下，以就业为导向的办学理念下，促进 校企数控加工技术及数控加工设备同步的产物。虽然示范性建设逐步完善了学校数控教 学设备，但随着数控技术的迅猛发展，并不可能持续与企业数控设备保持同步，这对教 学及学生就业产生了一定的影响。同时，在教学过程中，提高教师改改进数控设备能力， 不但节省了办学经费开支，而且对学生透彻了解数控技术、数控设备结构及维修有不可 估量的帮助。 s s c k 2 0 a 数控车床是沈阳机床厂与德国m a xm u l l e r 公司共同研制生产的较先 进的数控车床。该数控车床九江职业技术学院于2 0 0 4 年引进的当时较先进的数控设备， 随着近几年数控设备的迅猛的发展，现在该设备相对某些先进企业生产设备，全国数控 大赛要求设备，及本校社会服务的需求，已体现不出设备先进性优势。因学生就业企业 所使用数控设备及全国数控大赛所用数控设备均在不断更新，同时，为保证本校数控实 第1 章绪论 训基地的社会服务能力，校方决定逐步改进设计该数控车床，以完善性能，保持设备的 技术先进性。 1 3 2 设备现状 s s c k 2 0 a 数控车床是目前较先进的数控设备，但相对某些先进企业生产设备，全 国数控大赛要求设备，及本校社会服务的需求，已体现不出设备先进性优势。s s c k 2 0 a 数控车床的各项配置参数见附录l 。 1 3 3 研究意义 对s s c k 2 0 a 数控车床改造的研究，不但有助于与先进企业生产设备及全国数控大 赛要求设备保持技术先进性的同步，增强本校社会服务能力，而且增强了教师对数控设 备了解及改造的能力，帮助教学，同时，为校方节省的高昂的设备更新开支。 本文将为s s c k 2 0 a 数控车床的改造提供实践依据，对延长该类数控机床使用寿命， 更新该类数控机床的设备技术，完善该类数控机床的使用性能具有重要意义。为自行改 造数控车床闯出了一条新路子。 1 4 本文研究内容、拟解决的关键问题 1 4 1 研究内容 本课题将以华中数控h n c 2 1 0 a 技术改进设计现有数控车床，根据h n c 2 1 0 a 系 统的需求对现有的机床进行必要性的改造： 1 、针对华中数控股份有限公司h n c 2 1 0 a 数控技术以及s s c k 2 0 a 数控车床的结 构、p l c 控制及液压系统等自身的结构特点，以找到可突破环节，拟定改进设计的方案； 2 、对s s c k 2 0 a 数控车床丝杠螺母、箱体及喷嘴等结构进行改造，以提高加工冷却 效果，节约加工成本，延长了刀具使用寿命。 3 、针对s s c k 2 0 a 数控车床改造的特点，选择使用合适的控制器，并给出了控制电 路、梯形图、外部接线等改造方案设计，同时，列出了主要元器件清单； 4 、通过对s s c k 2 0 a 数控车床液压系统的改造，液压卡盘精度大大提高，自动化程 度也得到了加强，提高了生产效率并降低了劳动者的强度；对其液压尾座系统的改进设 计，提高尾座的快速反应能力。 5 、总结出一条改造数控车床的可行技术路线，为进一步改造打下结实基础。 第1 章绪论 1 4 2 拟解决的关键问题 本课题拟解决的关键问题主要是从华中数控h n c 2 1 0 a 系统的适应性出发，把现有 机床设备的机床机械结构、数控装置、p l c 控制系统、液压系统、刀架等一系列机床的 组成部件改造成适应华中数控h n c 2 1 0 a 系统的组成部件，把该系统的先进性发挥出 来。针对现有机床的技术参数指标与h n c 2 1 0 a 系统的参数指标的差异性，找出解决技 术参数的硬件与软件部件，并通过修改或替代的方式进行改造。 1 5 预期成果及创新之处 1 5 1 预期成果 1 、课题研究内容应系统完整；提供一套改造数控车床确实可行的方案； 2 、针对现有的s s c k 2 0 a 数控车床提供一套改进设计的案例； 3 、研究成果应达到国内先进水平。 1 5 2 创新之处 1 、目前国内外对普通机床改造数控机床的案例较多，而对于数控机床的改造升级 的案例较少，本课题通过改进设计现有的s s c k 2 0 a 数控车床改造为数控车总结出一条 可行的技术路线。 2 、利用华中数控h n c 2 1 0 a 技术对数控车床的改造尚属首例。 1 0 第2 章总体改进设计技术路线 第2 章总体改进设计技术路线分析 2 1 数控系统的选择 数控技术是关系到我国产业安全、经济安全和国防安全的战略高技术。数控系统是 数控机床的“大脑”，长期以来，美国、日本、德国等先进制造国对我国高档数控系统 进行封锁限制。中国机械制造行业从整体来说大而不强，数控机床发展滞后己成为制约 机械制造行业发展的瓶颈。 2 1 1 数控系统的分类 数控系统主要有硬件和软件所组成，并根据硬件设备和软件设备结构形式不同可以 分为四大类： 1 ) 传统专用型数控系统； 这类数控系统是由数控生产厂家独立开发并生产而成，用于一些专用机床，具有很 强的专用性，虽然其质量和稳定性非常突出，但其采用了完全封闭的结构体系，所以自 身存在很多的缺点，不利于同外界联通。目前这种类型的数控系统已经慢慢的被市场所 淘汰。 2 ) p c 嵌入n c 结构的数控系统 这类数控系统是架构在工业p c 机的基础上开发出的数控系统，其功能非常强大， 系统的硬件和软件结构也非常复杂，价格比较昂贵。这种数控系统的结构如图2 1 所示。 工蛔c 机 操作系统 c n c 软件 图2 1p c 嵌入式数控系统 3 ) n c 嵌入p c 结构的数控系统 这种数控系统的是基于p c 的基础上开发n c 系统，主要的硬件结构和普通p c 非 常相似，所以这种系统的开放性比较好，性价比也比较高，功能的需求和改进也比较方 便，系统的控制部分主要有运动控制卡来实现。 4 ) 全软件型数控系统 第2 章总体改进设计技术路线 这种数控系统是全开放式的数控系统，所有的数控功能全部由计算机开发的软件来 实现的。所以在硬件基础上比较简单，但最有挖掘的潜力。 2 1 2 华中数控股份有限公司介绍 华中数控股份有限公司成立于1 9 9 4 年，于2 0 1 1 年0 1 月1 3 日成功上市，目前公司 总资产达到1 1 7 亿元人民币，是中国机床工具协会副理事长单位、数控系统分会理事长 单位、全国机床数控系统标委会秘书长单位。华中数控股份有限公司生产的华中数控系 统是我国自主研发系统中的佼佼者，被列入首批自主创新产品目录，在全国的各种加工 企业和高等院校、职业院校等学校使用的非常多。众所周知，数控系统是数控机床的“大 脑”，华中数控系统提倡用中国自己研发的“大脑”来装备中国自己生产的机床。华中 数控系统于2 0 0 4 年开始一直是全国数控技能大赛的赞助商之一，可以与国外的发那科、 西门子等国外知名的数控系统同场竞技，足以证明华中数控系统在我国数控系统界的地 位。 华中数控系统进过近2 0 年的科技研发，通过五代产品的先后更替，目前具有十分 成熟的数控设备的研发、设计、生产等技术。由于数控系统具有很强的时效性，所以在 生产的同时，还在不断的学习国外高档数控系统的先进技术，并且在自主的数控产品中 进行研发再生产：具有自主知识产权的伺服驱动和主轴驱动装置性能指标达到国际先进 水平，自主研制的5 轴联动高档数控系统已有1 5 0 多台在汽车、能源、航空等领域成功 应用。公司研制的6 0 多种专用数控系统，应用于纺织机械、木工机械、玻璃机械、注 塑机械以及雷达、火炮等武器装备。公司红外热像仪产品已广泛应用于钢铁、能源、化 工、医疗等行业。 2 0 1 1 年1 月1 3 日，华中数控以良好的业绩和成长性获得政府主管部门认可，成功 登陆深圳证券交易所创业板，募集资金7 0 2 亿元，成为数控系统行业首家上市企业，实 现企业的历史性飞跃。华中数控的目标是：做世界一流的数控系统企业，用“中国大脑”， 装备“中国制造”，装备“世界制造”。 华中数控曾经有向国内多家厂家进行数控设备的生产与改造的成功先例： l 、武汉重型机床集团七轴五联动立式车铣复合力d - r - 中心； 2 、无锡神龙洛林精密机械有限公司五轴联动数控铣床； 3 、上海黑格数控科技公司五轴数控工具磨床； 4 、湖北三环汽车方向机有限公司批量配套数控车床； 5 、桂林机床股份有限公司五轴联动x k 2 3 1 63 - 5 x 龙门铣床； 6 、深圳富士康公司五轴工具磨床。 通过以上的成功改造数控机床的先例，以及华中数控系统目前在我国数控领域的特 殊地位都充分的说明利用华中数控系统改造现有数控车床是条可行之路。 第2 章总体改进设计技术路线 2 1 3 华中数控h n c 2 1 0 a 系统介绍 华中数控h n c 2 1 0 a 系统是华中数控股份有限公司于2 0 0 7 开始研发生产，2 0 0 9 年 实际投入生产使用，并在全国各地多个机床生产厂家进行合作生产数控机床，并赞助了 2 0 1 0 年第四届全国数控大赛，是我国最先进的数控设备之一。 华中数控h n c - 2 1 0 a 系统面板是采用一体化的模具设计，采用独立安装的形式。集 成了主轴接口、进给轴接口、手持单元接口、内嵌式p l c 接口于一体，支持远程i o 扩 展功能，采用电子盘程序存储方式以及c f 卡、u s b 盘、d n c 、以太网等程序扩展及数 据交换功能。并有以下特点： 1 、最大联动轴数为3 轴。 2 、可选配各种类型的脉冲接口式交流伺服驱动单元( 闭环) 或进步驱动单元( 开环) 。 3 、配置手持单元接口、主轴控制与编码器接口。 4 、外部p l c 输入输出全部采用基于总线的p l ci o 扩展模块，最多可扩展5 1 2 5 1 2 。 5 、采用8 4 ”彩色液晶显示器( 分辨率为6 4 0 * 4 8 0 ) ，全汉字操作界面、故障诊断与 报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。 6 、采用国际标准g 代码编程，与各种流行的c a d c a m 自动编程系统兼容，具有 直线插补、圆弧插补、固定循环、螺纹切削、刀具补偿、用户宏程序等功能。 7 、加工断点保存恢复功能，方便用户使用。 8 、反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。 9 、内置r s 2 3 2 通讯接口，轻松实现机床数据通讯。 1 0 、支持高速以太网数据交换。 1 1 、8 m bf l a s h r a m 程序断电存储区。可采用c f 卡扩展、最大至2 g b ( 选件) 。 1 2 、支持u s b 热插拔。 1 3 、6 4 m br a m 加工内存缓冲区。 1 4 、自定义g 代码后台编辑和蓝图编程功能( 选件) 。 具体面板如图2 2 所示。 第2 章总体改进设计技术路线 2 1 4 数控系统的选择 图2 2 华中数控h n c 2 1 0 a 系统面板 通过以上的分析，对于数控系统的改进升级有很多选择，但根据s s c k 2 0 a 型数控 车床自身的特点，我们最终选择了华中数控h n c 2 1 0 a 数控系统。原因有三点：第一， 性价比较高，国外的数控系统的价格是国内的几倍甚至几十倍，在满足条件的基础上， 考虑价格更为优惠的华中数控系统。第二，技术方面，s s c k 2 0 a 型数控机床的电机等 硬件部分的参数与华中数控h n c 2 1 0 a 数控系统比较匹配，更换硬件会较少一些，而且 安装方面也比较简单，三是，操着方面，我们现有的设备有一些就是华中数控系统，对 该系统的设备比较熟悉，操作比较顺手，从而使我们选择有了针对性。 2 2 改进设计的总体技术方案的确定 选定数控系统之后，根据华中数控h n c 2 1 0 a 数控系统的特点以及s s c k 2 0 a 型数 控车床现状的分析对比，主要通过三个方面来对s s c k 2 0 a 型数控车床进行改造。总体 技术方案设计图如2 3 所示。 第2 章总体改进设计技术路线 丝伺 - l l g 。j 母副改造 f 二七士h 】，r ：毗1 机床结构改造 【兰古恻烈道j 数 控 冷却喷n 觜改造 盔 床 伺服驱动改造 i i _ m 气改造】 p l c l ：；【造 j l 、 体 改 荆_ 也器改造 造 。刀 液压回路改造 檠 - f 。腐n ：，】冉：中1 i 7 殳l ：腻义馗j 液眶卡蕊改造 、扮i j 二r ii 矗j i ：，卜 7 i 捌蠢圮雌以馗 图2 3s s c k 2 0 a 型数控车床改进设计总体方案 s s c k 2 0 a 型数控车床主要用于力n t d , 型轴套类零件，能够完成内外圆柱