（机械工程专业论文）基于双系统控制的yxc46sk数控化改造.pdf

基于双系统控制的y x c 4 6 s k 数控化改造 摘要 中国是一个传统的机械制造大国，目前一些建厂历史悠久的机械制造厂大 量使用着相当数量役龄较长的机床，设备水平落后，远远不能满足现代复杂零 件的加工要求。因此，对传统机械制造设备进行改造，解决机械制造业中的历 史遗留问题，用现代先进技术对旧设备进行改造和提升，是我国机械制造业丞 待解决的现实问题。 本文通过对y x c 4 6 s k 中间驱动双头车床的数控化改造，希望探索一种可 行的、有推广价值的设各改造方法。文章首先阐述了机床数控化改造前期的立 项准备工作，从技术和经济两个方面对机床数控化改造进行了论证，判断该机 床进行数控化改造是否合理，改造方案是否最佳；然后研究了数控化改造的具 体实施步骤，包括拟订机床数控化改造的总体方案，对机床关键部件的参数进 行确认和验算，选择合适的数控系统和进给伺服系统，以及整体性地改造设计 电控系统等。针对双头车床采用双系统、双刀架、双卡盘以及两把刀具同时切 削的特点，在数控化改造时采用了相应的技术措施。最后用空载和负载两种方 法调试机床，完成了数控化改造后的机床整机联调工作。 经数控化改造后的机床实现了预期的功能，加工出的汽车后桥壳体零件完 全符合图纸要求，生产效率比原机床提高6 0 ，经济效益显著。 关键词：双头车床；c n c ；改造；双系统 c n c r e m a n u f a c t u r i n gf o rm o d e l y x - - c 4 6 - - s kl a t h e b a s e do nd u a l s y s t e mc o n t r o l a b s t r a c t c h i n ai sat r a d i t i o n a lp o w e r f u lc o u n t r yw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e r y 。 m a n u f a c t u r i n g a tp r e s e n t ，ac o n s i d e r a b l en u m b e ro ft h el o n g e ra g em a c h i n e sa r e u s e di nm a n u f a c t u r i n go fl o n gh i s t o r ya n de q u i p m e n tl a g se x i s t i tc a nn o tm e e tt h e m o d e r nd e m a n d so fc o m p l e xp a r t sp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，t or e s o l v ep r o b l e m sl e f t o v e rb yh i s t o r y , t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tm u s tb e t r a n s f o r m e da n dw i t hm o d e r na d v a n c e dt e c h n o l o g yt ot r a n s f o r ma n du p g r a d et h e o l de q u i p m e n t t h i si sc h i n a sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h i sp a p e rh a sf o u n do u ta ne q u i p m e n tt r a n s f o r m a t i o nm e t h o dw h i c hi sa f e a s i b l ea n dv a l u a b l et op r o m o t e ，b yt h ec n cl a t h et r a n s f o r m a t i o nw i t ht h e y x c 4 6 s k d r i v e nd o u b l e h e a d e d ，i no r d e rt or e s o l v et h ec u r r e n tp r o b l e m sc a u s e d b ya g i n g i nt h ep a p e r , y x - c 4 6 一s k d r i v e nd o u b l e - h e a d e db e t w e e nc n cl a t h e t r a n s f o r m a t i o ni sc a r r i e do u tr e s e a r c hd e e p l y ，i n c l u d i n gt e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo ft h e m a c h i n et o o lt r a n s f o r m a t i o na n de c o n o m i cr e a s o n a b l e n e s sa n a l y s i s h o wt os e l e c t a p p r o p r i a t em a c h i n et o o lc n cs y s t e m sa n d s e r v os y s t e m si sa l s od e s c r i b e d ，o ft h e o v e r a l lt r a n s f o r m a t i o na n dd e s i g no fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y n ct u r n i n gf o rad u a l h e a ds y s t e mu s e sd u a ls y s t e m ，s y s t e m - c a r r i e r , d u a l - c h u c k ， w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft w ot o o l sc u t t i n gt h ew o r k p i e c ea tt h es a m et i m e ，t h e d e s i g ni d e ao fm a s t e r s l a v ec o n t r o li sp r o p o s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a c h i n e t 0 0 1m o d i f i e dc a na c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o na n da c c u r a c y , a n dc a na c h i e v e a u t o m a t i o no fc a rp a r t s ，s u c ha sr e a ra x l es h e l l ，a n dt h ep r o d u c t i v i t yo ft h eo r i g i n a l m a c h i n ei si m p r o v e d t h ea n t i c i p a t e df u n c t i o na n dt h ep r e c i s i o na r eb a s i c a l l ya c h i e v e da f t e rt h ec n c s t r a n s f o r m a t i o n , a n dw h i c hc a nd e f i n i t e l y r e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc o m p o n e n t s p r o c e s s i n ga n dv e h i c l er e a ra x l eh o u s i n ga n ds oo n t h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c yi s r a i s e d a p p r o x i m a t e l y6 0 t h a nt h eo r i g i n a ln c k e y w o r d s ：d o u b l e h e a d e dl a t h e ；c n c ；r e m a n u f a c t u r e ；d u a l - s y s t e m 插图清单 图2 - 1c 4 6 中间驱动双头车床一6 图2 - 2c 4 6 改造总体方案1 6 图3 - 1 进给伺服系统组成1 7 图3 - 2c 4 6 纵向进给图1 8 图3 3 伺服轴受力示意2 l 图3 4 横向进给结构图2 3 图4 lc 4 6 电控系统2 7 图4 - 2 双头车床主电路2 8 图4 3 双头车床机床启动顺序2 9 图4 4 启动电路2 9 图4 - 5 双系统选择“3 0 图4 - 6g s k 9 8 0t d 硬件超程防护“3 1 图4 7g s k 9 8 0t d 软件超程防护3l 图4 8 急停控制电路3 2 图4 9 限位控制电路3 2 图4 - 10l 系统接口3 4 图4 1 1c 4 6p l c 控制电路连接图3 7 图4 - 1 2c 4 6p l c 控制电路梯形图3 8 图4 13c 4 6 液压系统图4 1 图4 1 4c 4 6 液压系统p l c 连接图4 2 图4 - 1 5c 4 6 液压系统p l c 梯形图4 4 图5 一l 加工零件图“4 7 表格清单 表2 1 比较机床数控化改造经济性所用参数及符号8 表2 - 2 各种方案的有关指标9 表2 3 国外主要数控系统产品系列9 表2 4 国内外数控系统优缺点“l o 表3 1 切削参数表2 0 表3 2 伺服电机主要技术指标2 2 表4 1 输出信号地址分配表3 5 表4 2 输入信号地址分配表“3 6 表5 1 系统参数设定“4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金星墨王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲嘭涵 签字日期瑚厂引刖7 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金星里王些太堂可以将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、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 矽媚 签字日期洳7 年彭月7 日 学位论文作者毕业后去向：象芝 工作单位：麓月。工碜久善工谣扣 通讯地址：启工六舔巴 新躲孕踟 签字日期：z 功年月6 日 电话： 邮编： 3 毽毛两1 毫3 7 3 致谢 在此论文定稿之际，首先要感谢我的导师朱华炳教授，在我攻读工程硕士 学位期间，从论文的选题到思路的启发，从结构的安排到观点的提炼，从资料 的选取到文字的推敲，每一个环节都得到了朱教授的悉心指导，使我能够克服 许多困难，顺利完成论文的写作。他渊博的知识，创新的思维方式，严谨的治 学态度，永远是我学习的榜样。在工作中，朱老师同样对我孜孜不倦地耐心教 导，鼓励我学好扎实的理论并多加创新和实践，这将使我受益终生。在平时的 生活中，他为人谦和，平易近人，给了我莫大的关心和照顾。谨借此机会，向 他表达我最崇高和最真诚的谢意。 在本论文的撰写过程中，还得到了工培中心创新班组全体老师的悉心指导， 感谢浦玉明老师、任祥东老师、曹斌老师；感谢我的同事朱承龙老师、贾明浩 老师。也要感谢所有给我传授知识和给予我无私帮助的各位老师。 最后，我要感谢我的亲人，正是他们的鼓励和支持让我顺利地完成了学业。 作者：彭婧 2 0 0 9 年2 月 第一章绪论 1 1 概述 近年来，各行各业对机械加工产品的精度和形状复杂程度的要求在不断地 提高，而数控机床以其精度高、效率高和劳动强度低等诸多普通机床无法比拟 的优势，成为当今制造业的主流加工设备，同时机床设备数控化率已是衡量一 个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总 量为3 8 0 余万台，其中数控机床总数大约只有1 1 3 4 万台，即我国机床数控化 率还不到3 ，而一些发达国家早已达到2 0 9 6 以上【l 】。因此，逐步提高数控机床 的占有比例，已经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控化率有两个 途径：一是购买新的数控机床，二是对现有的旧机床进行数控化改造【l j 。针对我 们的国情，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个快速有效 而又切实可行的途径。香港理工大学的工业中心是国际上现代培训公认的楷模， 它的数控机床占机床总数的7 2 ，其中大约1o 的数控机床便是由旧机床改造 而来，从设备运行情况来看，改造后的机床取得了令人满意的效果【2 j 。 1 1 1 国内外机床数控化改造现状 1 国外机床数控化改造现状 美国、日本、德国等西方发达国家在大量生产数控机床的同时，也非常重 视普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃，相继成立了机床修 复公司、翻新公司或改造公司，承担旧机床数控改造的任务，成功地改造了一 些大型和重型机床。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。 例如，德国的西门子公司在1 9 8 1 年把一台加工直径为1 9 m 的超重型立式 车床改装成数控机床。该机床是19 2 9 年生产的，当时曾是世界上最大的机床， 其改造内容有：工作台导轨改装为静压导轨，承载能力增加了5 0 ；主传动采 用半导体可控硅控制，取代老式机组的传动；刀架的滑动导轨改为滚动导轨； 增加测量显示装置，配置数控系统等。该机床的全部改造费用仅为当时同类规 格新机床价格1 2 0 0 万马克的2 8 9 ，其中大修费用占7 9 ，数控改造费用占 2 0 。该公司还改造一台最大加工直径为1 4 m 的超重型立式车床，全部改造费 用仅为当时同类规格新机床价格8 0 0 万马克的19 1 附2 1 。 2 我国机床数控化改造现状 我国八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通 机床，尤其是普车、普铣的热潮，并逐步形成了经济型数控化改造的产业。“八 五”后期和“九五”、“十五期间，国家把旧设备的改造列入企业技术进步、工 艺更新的一个重要途径。因此很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发 展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。从而我国 的机床改造业，也从老的行业发展到以数控技术为主的新的行业，并且有许多 成功案例。 在普铣数控化改造方面，常柴股份公司曾改造一台仿形铣床，改造费用4 0 万，节约投资近2 5 0 万元，用其加工n 4 8 5 柴油机铸造用模具，每套外协加工 费用2 7 0 万元，不到三个月时间，此台仿形铣床完成了两套n 4 8 5 模具和2 0 套 空调模具的加工。根据常柴股份公司对已完成数控化改造的1 1 台加工中心和l 台仿形铣床投入运行后统计，新增产值达到3 0 0 0 多万元，取得了良好的经济效 益【7 1 。 普车数控化改造成功案例：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 数控系统及配套驱动，选用西门子主轴电机替 换原主轴电机，选用西门子进给电动机替换原进给电动机，对这台立车进行数 控化改造，并对机械部件进行了大修，使这台停产两年的机床重新运转起来。 双刀架车床数控化改造成功案例：洛阳中重设备工具公司一台c 5 2 5 0 普通 车床采用“继电器接触器”控制系统【3 1 ，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 数字控制系统与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 m 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。该机床改造后扩大了加工范围，可以加工斜面、球面等复杂形 状的零件，为公司拓展市场打下了坚实的基础。武汉东方电机厂的一台6 3 m 普通车床【3 】，手工操作进行加工，劳动强度大，时间长，加工精度无法得到保 证，为适应较为复杂型面工件的加工，提高生产效率，保证加工精度，对该机 床进行数控改造：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 轴运动采用华中数控系统控制；采用了德国a m k 公司的交流伺 服驱动和电机；机械部分也相应地做了改动，更换了减速箱。机床改造后，可 加工内外球面和各种流线型回转面等，切削用量得到提高，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 控机床的资金。 当然，也有许多失败的例子。如：航天部国营5 0 7 厂，在八十年代曾经对 7 0 年代牡丹江厂的一台c 6 2 0 1 型旧车床进行数控化改造，但由于对机床数控 化改造工艺论证不充分，所选用的数控系统性能不稳定等原因导致失败u 引。 2 1 1 2 机床数控化改造的必要性和可能性 1 必要性 从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优 越性，这些优越性的发挥，使数控机床的性能有了质的提高，推动了制造业的 发展；同时，传统机床经过改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着 我国制造业整体水平的提高。从宏观上看，我国现有机床大约四百多万台，其 中4 0 以上是车床，多数机床役龄都很长，尤其是大型和重型机床的役龄更长， 这些机床结构一般陈旧，操作部分复杂，测量系统，控制系统落后【l 】。把这些 性能落后、生产率低的机床全部闲置或淘汰，用新的机床去取代是不现实的。 重型机床，特别是现代化的数控机床价格都非常昂贵，我国是一个发展中国家， 国家财力薄弱、资金短缺，不可能花大量的资金添置新的数控机床，因此把旧 机床改造成经济型数控机床的意义就更加明显了。 2 可能性 1 ) 国家政策的支持 我国经济增长方式正在由粗放型向集约型转变，集约型经济增长方式就是 以经济效益为中心，主要依靠科技进步和提高劳动者素质，重点放在现有企业 的挖潜改造、充实和提高上，运用高新技术对老设备进行改造，大幅度提高产 品质量，降低成本，达到提高经济效益的目的。 2 ) 有技术上的保障 近年来，微电子技术的发展、电子计算机的应用、传感技术、粘结技术等 新工艺、新产品的出现都为机床数控化改造提供了充足的后备力量。 3 ) 在经济方面，机床数控化改造针对性强、投资少，资金利用率高 因为机床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，需要改哪些地 方，改到什么程度都有的放矢，能与生产紧密结合，可以直接将科学技术转化 为生产力，使企业有积极性；同时见效快，因为旧机床数控化改造大部分床身、 立柱等主要基础件和许多传动部分不需更换，与新机床制造相比只需其 1 2 1 1 5 的时间，工期大大缩短，从而节约了成本，解决了生产急需。另外， 购买一台新的数控机床一般需几十到几百万元，改造一台只需几万到十几万元 即可，筹集资金相对容易一些，资金回收快。 1 1 3 机床数控化改造的主要内容 机床的数控化改造是应用现代的数控成熟技术和经验，以适应生产的具体 要求为目的，不改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置、新附件， 提高现有机床的技术性指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。机床数 控化改造主要内容有以下几点： 1 选择数控系统和伺服系统 根据要进行数控化改造机床的控制功能要求，选择合适的数控系统是至关 重要的。选择时，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠 性，一般以性能价格比来选取，并适当考虑售后服务和故障维修等有关情况。 如选用企业内已有数控机床中相同型号的数控系统，将对今后操作、编辑、维 修等都带来较大的方便。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求 决定。若采用同一家公司配套供应的数控系统和伺服驱动系统，改造产品的质 量和维修更容易得到保证。 2 电控柜的设计和制作( 电控系统改造) 在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分一般只能报废，重新按 数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的 是，数控系统各接口信号的特点和形式要兼容或匹配，并且在设计过程中应尽 量简化强电控制线路。 3 精度恢复和机械传动部分的改进 随着机床使用役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等 都有不同程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似 于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。但机床数控化 后对机床精度的要求与普通机床的大修是有区别的，即整个机床精度的恢复与 机械传动部分的改进，都要为满足数控机床的结构特点和数控自动加工的要求 来进行，并应具有批量大修的特征。 4 数控机床辅助装置的选用 辅助装置指的是数控机床的一些必需的配套部件。如冷却系统、自动换刀 装置等。 5 整机联接调试 旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件 进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进 入联机调试阶段。 1 2 课题来源和主要研究内容 1 2 1 课题来源 y x c 4 6 s k 中间驱动双头车床( 以下简称c 4 6 ) ，是豫西机床有限公司根据 许多汽车车桥厂家加工后桥总成两端轴头外圆、端面、圆弧面、正反锥面及螺 纹的需求而研制的卧式双头机床。因c 4 6 使用年份较久，数控系统已经不能工 作，机床床身破损严重，导轨多处锈蚀，机床中间控制面板字迹模糊并有破损， 床头灯、尾架及尾架快速电机、手轮等损坏；固定刀架损坏严重；电磁阀吸合 不良，导致机床启动不正常等等。以上这些导致c 4 6 不能正常工作，影响生产 的正常进行，不能按时完成客户的任务，损害了单位的信誉。于是安徽安凯福 田曙光车桥有限公司委托我们根据桥壳粗加工工艺的需求，对现有的豫西机床 4 厂生产的c 4 6 中间驱动双头车床进行数控化改造，完成机床的电控系统的研究 开发。通过改造，其目的是使c 4 6 f l 邑, 进行正常生产，满足用户的加工要求。 1 2 2 课题主要研究内容 1 c 4 6 数控系统改造方案的拟定 c 4 6 加工时要求双刀架、双卡盘同时工作，采用一个数控系统控制，还是两 个数控系统控制左、右刀架加工，是该机床数控化改造数控系统改造研究的首 要问题。( 详见第二章) 2 机床电控系统整体改造设计 包括设计机床电气控制系统、电气元件的选型、完成电控部分的制作；完 成数控系统和伺服模块的配置、调试；实施对c 4 6 中间驱动双头车床数控系统 及电气控制部分的安装。( 详见第四章) 3 c 4 6 中间驱动双头车床进给伺服系统的改造设计 进给伺服系统的改造是机床数控化中一个重要组成部分，它的性能直接决 定数控机床加工的快速性、稳定性和精确性。需要研究的内容是确定控制方式， 伺服电机和滚珠丝杠选型并验算。( 详见第三章) 4 改造后的机床如何进行调试、试运行 数控机床是一种技术含量很高的机电仪一体化的机床，改造后的机床，是 否正确的安全地开机，调试是很关键的一步。这一步的正确与否在很大程度上 决定了这台改造后的数控机床能否发挥正常的经济效率以及它本身的使用寿 命，这对改造人员及用户都是事关重大的课题。( 详见第五章) 1 3 本章小结 本章主要介绍了国内外机床数控化改造的现状；机床数控化改造的必然 性、及数控化改造的主要内容；最后介绍了本课题的来源和主要研究内容。 5 第二章总体设计与改造方案 2 1 设计要求 21 1 概述 机床数控化改造和机床设计不同，机床设计是根据设计任务书，对机床的 整机进行设计，然后将机床的各组成零部件逐一地制造，最后组装成机床。而 机床数控化改造则是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造， 还要考虑工艺系统中的刀具、夹具及其他辅具的改进，以满足生产的需要。机 床数控化改造是一项技术性很强的工作，改造的首要工作是总体方案的拟定。 在制定总体方案时，既要考虑改造方案实施的可行性，又要结合工厂的现有实 际情况和被加工对象的工艺要求，选用经济、合理而又切实可行的改造方案。 c 4 6 是用于桥壳加工的专用车床床身结构采用整体铸造，工件采用中间 驱动，主轴箱置于机床中部，通过夹具带动工件旋转。床身两端各有一个尾座 和一个刀架。尾座通过顶尖支撑工件，保证工件两端同轴，用来加工外圆、端 面、圆锥及圆弧面。左、右刀架可对工件的两端同时进行加工。 r r -_1 凹21c 4 6 中间驱动敢头车床 212 改造的可行性分析和论证 并不是所有机床都适合作数控化改造，是否适宜数控化改造需要进行改造 前的可行性分析和论证。通常需从技术性和经济性两方面对机床数控化改造进 行论证，判断该机床进行数控化改造是否合理，所选方案是否最佳。决定改造 的基本原则是：把技术可行性和经济合理性有机地结合起来a 技术可行性是技 术实用性；经济合理性是以最少的投资获取最大的效益。 1 技术可行性论证 机床改造的技术可行性论证，是对机床改造在技术上是否能够保障改造成 功，以及从改造后维护的角度来进行论证。具体的，应从机床本身、加工对象、 技术性和市场可供性四方面进行分析： 1 ) 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：机床的磨损程 度、刚度以及机床的技术寿命等。 c 4 6 中间驱动双头车床使用年限虽久，但机床的基础件具有足够的刚性， 几何精度一直保持较好，通过保养和修复，其基本性能可达到现代同类机床的 总体水平，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。 2 ) 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和公差要求。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 精度与脉冲当量。 改造后的机床主要进行汽车后桥壳体零件的粗加工，尺寸公差要求不高， 精度要求不超过0 1 m m 。现在市场上出售的经济型数控系统，脉冲当量一般都 能达到0 0 1m m 步，能够满足上述加工要求。 3 ) 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。c 4 6 的改造可以充分利用现有的成功经 验与技术基础，完成本课题在技术上也是可行的。 4 ) 市场可供性 市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造所使用的各种配 件，以保证配件的供应。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 本课题而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品销售机构，c 4 6 改造市 场可供性好。 综上所述，c 4 6 数控化改造符合技术可行性要求。 2 经济合理性论证 在机床数控化改造中，不仅要考虑到数控机床的技术可行性，同时还必须 考虑到它的经济效益和社会效益。在确定总体方案时要进行慎密论证和科学分 析。如果在机床数控化改造时只偏重于定性分析，缺少定量分析，就会造成论 证不充分，导致改造失败或制定方案不经济。鉴于此，本文采用定性分析和定 量分析相结合的方法，为c 4 6 数控化改造方案的确定提供科学的依据。 机床的数控化改造是广义上的设备更新的一种方法，因此，机床数控化改 7 造的方案应与机床大修以及机床更新作对比，以确定最佳方案。常用的评价方 法有：最低成本法、追加投资回收期法和机床改造效果系数法。选择哪一种方 法取决于相关参数的获取是否方便。经过分析比较，本文采用追加投资回收期 法进行论证。 1 ) 论证理论依据【3 7 】 机床更新、机床大修和机床数控化改造的经济性分析所用参数及符号如表 2 1 所示。 表2 1 比较机床数控化改造经济性所用参数及符号 指标名称 大修理数控化改造更新 基本投资( 元) k rk mk n 设备生产率( 件年) q r0 m 0 n 单位产品成本( 元件) c r c mc n 在多数情况下，机床数控化改造与更新、大修之间有下列关系： k r k r n k n d c m c n ( 2 1 ) 纱 c m ，采用数控化改造方案比较好； 篝 c m ，采用追加投资回收期方案较好； k mk r 丁：麴堡( 2 2 ) c r - c m ( 2 1 ) 式中丁为投资回收期( 年) ，如果t t n 时，选择机床大修方案最佳。其中砌为企业或部门规定的标准投资 回收期； 茜，锄 凸时，机床更新是最佳方案； 刍，锄 砌时，同样用追加投资回收期指标进行决策。 k n 犬：，打 r ：丝丝( 2 3 ) c m - c n 如果t 砌时，选择机床改造方案最佳。 2 ) 经济合理性论证 针对c 4 6 中间驱动双头车床，假设具体各种方案指标如表2 2 ( 具体数据 涉及商业机密不便公开) 。 8 垒跏垒跏 表2 - 2 各种方案的有关指标 指标名称大修理数控化改造更新 基本投资( 万元) l o3 0 1 4 0 设备生产率( 件天) 84 06 4 单位产品成本( 元件) 5 4 2 01 2 坐：1 2 5 ，塑：0 7 5 ，c r = 5 4 ，c m ：2 0 ， 纱o m 竽 竽，且c r c 锄所以，采用数控化改造方案比较好。 妙t m c 4 6 原机床破损严重，无法完成汽车壳体的粗加工。如果购买新设备，资 金投入多，时间也较长。企业希望通过机床数控化改造有效解决以上问题。同 时数控化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，花费时间短。而且通过改造可以提升机床的加工性能，改善精度， 提高效率，实现c 4 6 的技术升级。 综合以上分析，本课题对c 4 6 中间驱动双头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。 2 2 改造方案的拟定 2 2 1 数控系统的选择 在机床数控化改造方案的拟定中，数控系统的选择至关重要。机床改造后 的可靠性和性能都和数控系统有关。下面简要介绍国内外常用的数控系统。 1 国内外数控系统比较 1 ) 国内外主要数控系统产品介绍 国内目前研制开发与生产的数控系统基本上分为两大类：一类是从国外引 进技术及许可证所制造的产品，如北京数控设备厂生产的f a n u c - b e s k0m a t ee ； 另一类是在引进、消化、吸收的基础上自行研制、开发、生产的数控装置，如： 广州数控的g s k 系列、华中数控的华中i 型、华中i i 型等。国外数控系统，具 有代表性的有日本f a n u c 公司和德国s i m e n s 公司的产品，另外还有美国a b 公司、西班牙f a o g o 公司和法国n u m 公司的产品，详见表2 3 。 表2 3 国外主要数控系统产品系列 生产厂家产品系列 日本f a n u c 公司3 ，6 ，9 ，0 ，15 ，1 6 德国s i m e n s 公司3 ，8 ，8 1 0 ，8 2 0 ，8 5 0 ，8 8 0 ，8 4 0 法国n u m 公司 1 0 2 0 ，1 0 4 0 ，1 0 6 0 ，1 0 5 0 美国a - b 公司 b 8 4 0 0 ，b 8 6 0 0 m t m c ，b 8 6 0 0 a t 9 0b 8 6 0 0 w s 西班牙f a o g o 公司8 0 1 0 ，8 0 2 5 ，8 0 5 0 9 2 ) 国内外数控系统的优劣 对比国内外性能相当的数控系统，可以发现其优缺点非常明显，见表2 4 。 表2 - 4 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 国内产品价格低可靠性低，故障率高 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 国外产品可靠性高，故障率低备件供应、售后服务不及时 使用寿命长部分产品无中文显示 从表2 4 可以看出，国外产品虽然在性能、可靠性、使用寿命上占有很大 优势，但c 4 6 主要进行的是粗加工，精度要求不高，功能简单，自动化程度不 高，选用国内的数控系统价格低，使用和售后服务也是国外数控系统无法比拟 的。因此，c 4 6 数控化改造数控系统的选择定位在采用国内系统上。 2 数控系统选型 1 ) 档次的选择 根据性价比，把数控系统划分为三个档次：经济型数控系统、标准型数控 系统、全功能型数控系统。各种档次系统的选择，需要根据机床所要求的功能、 机床本身的状况以及改造单位的投资状况而定。选择数控系统不仅要重视机床 的功能和精度，也要关注产品价格和售后服务。应仅仅围绕自己的需要，做到 功能、精度不闲置、不浪费，不选择与自己无关的功能。 经济型数控系统 经济型数控系统亦称简易数控系统，其功能简单、价格便宜，适用于设备 技术改造和自动化程度要求不高的场合，如步进电机驱动的开环数控系统和伺 服电机驱动的半闭环数控系统等。目前经济型数控系统生产的厂家很多，如： 广州数控、南京清华通用数控、南京华兴数控、青海高原数控等。 标准型数控系统 标准型数控系统属于中档数控系统，在国产的标准型数控系统中，绝大多 数为引进国外技术在国内组装生产的。这类数控系统的技术较成熟，功能齐全、 价格适中，如伺服电机驱动的全闭环控制、恒线速度、全屏幕菜单式编程、彩 色c r t 模拟或实时动态显示、镜像以及用户宏程序等，多用于多功能数控机床 和加工中心。属于这类系统的有从日本引进的f a n u c 系统；从德国引进的 s i e m e n s 系统；国内自行开发的l t 8 5 0 1 m 、h n c i - t 和s g 5 3 1 m 等。 高档型数控系统 高档型数控系统主要应用于高档加工中心、柔性制造系统和计算机集成制 1 0 造系统。这类系统价格昂贵、功能齐全，如多轴控制、曲面直线插补、彩色显 示、几何图形编程、高级语言编程和很强的通讯网络功能等。国外的高档数控 系统有日本f a n u c 系统、德国s i m e n s 系统等，国内自行开发的l t 8 5 3 0 、h n c i m 和c m e 9 8 8 等。 考虑到y x c 4 6 s k 双头车床主要进行的是粗加工，而且加工零件比较单 一，精度要求不高，功能简单，自动化程度不高，我们选择经济型数控系统。 2 ) 厂家的选择 在选择厂家时，需根据数控厂家的生产能力、是否已批量生产、系统是否 结构合理、制造是否精良、厂家的信誉、售后服务以及用户所反馈的信息等方 面综合考虑。选择厂家实际上就是选择数控系统的可靠性，可靠性是产品质量 和生产率的保证。我国生产经济型数控系统的厂家在19 8 9 年就达到4 8 家，现 在已达几百家，国家有关部门每年组织专家进行测试评审。比较优秀的经济型 数控系统生产厂家有：广州数控、南京清华通用数控、南京华兴数控、四川绵 阳圣维数控、青海西宁高原数控等。他们都有较强的研制开发、生产制造能力。 对于同一档的经济型数控系统其功能基本相似、价格差别不大，通过对国 内几家比较优秀的经济型数控系统生产厂家的考察，我们这次选用广州数控设 备有限公司研发的数控系统。广州数控( g s k ) 是中国南方数控产业基地，广东省 2 0 家重点装备制造企业之一，国家8 6 3 重点项目中档数控系统产业化支撑技 术承担企业，拥有全国最大的数控机床连锁超市。可以提供g s k 全系列机床 控制系统、进给伺服驱动装置和伺服电机、大功率主轴伺服驱动装置和主轴伺 服电机等数控系统的集成解决方案，积极推广机床数控化改造服务，开展数控 机床贸易。g s k 拥有国内最大的数控系统研发生产基地，国内一流的生产设备 和工艺流程，科学规范的质量控制体系保证每套产品合格出厂。g s k 产品批量 配套全国五十多家知名机床生产企业，是全国主要机床厂家数控系统首选供应 商。 3 ) 型号的选择 在选择型号时主要根据机床的性能、加工范围、主要特征和数控系统的结构形式。 c 4 6 的加工对象是汽车的桥壳；进行的加工是粗加工，改造后机床主要机械参数如表 2 5 。 表2 5 原机床主要机械参数 机床型号 y x c 4 6 一s k 主轴通孔径 5 8 6 m m 主轴中心到床身距离4 6 3 m m 电动刀架工作行程 x 向3 0 0 m m z 向 6 0 0 m m 机床外形尺寸 6 3 0 0 x 2 2 0 0 2 3 0 0 m m 综上所述，c 4 6 数控化改造选用广州数控设备有限公司生产的g s k 9 8 0t d 型数控系统，该系统适用于普通精度机床的数控化配置。 3 g s k 9 8 0t d 数控系统简介 广州数控研制的新一代经济型车床数控系统，g s k 9 8 0t d 是g s k 9 8 0t a 的 升级产品，采用了3 2 位高性能c p u 和超大规模可编程器件f p g a ，运用实时多 任务控制技术和硬件插补技术，实现1 tm 级精度运动控制和p l c 逻辑控制。 1 ) 产品的技术特点 x 、z 二轴联动、1 tm 级插补精度，最高速度1 6 m m i n ( 可选配3 0m m i n ) 。 内置式p l c ，可实现各种自动刀架、主轴自动换档等控制，梯形图可编 辑、上传、下载；i o 口可扩展( 选配功能) 。 具有螺距误差补偿、反向间隙补偿、刀具长度补偿、刀尖半径补偿功 能。 采用s 型、指数型加减速控制，适应高速、高精加工。 具有攻丝功能，可车削公英制单头多头直螺纹、锥螺纹、端面螺纹， 变螺距螺纹，螺纹退尾长度、角度和速度特性可设定，高速退尾处理。 集成中文、英文显示界面，由参数选择。 零件程序全屏幕编辑，可存储6 1 4 4 k b 、3 8 4 个零件程序。 提供多级操作密码功能，方便设备管理。 支持c n c 与p c 、c n c 与c n c 间双向通讯，c n c 软件、p l c 程序可通讯升级。 安装尺寸、电气接口、指令系统、操作显示界面与9 8 0 t a 兼容。 2 ) 技术规格 控制轴 控制轴：x 、z 两轴；联动轴：x 、z 两轴； 坐标值范围：9 9 9 9 9 9 m m ；最小指令单位：0 0 0 1 m m 。 电子齿轮 指令倍乘系数( c m r ：电子齿轮比分子) ：1 1 2 7 ； 指令分频系数( c m d ：电子齿轮比分母) ：1 1 2 7 。 坐标系 x 、z 直角坐标系，x 轴与主轴轴线垂直，z 轴与主轴轴线方向平行，靠近 工件的方向为负方向，远离工件的方向为正方向； 机床坐标系：回机械零点后，以该点为坐标原点建立机床坐标系； 工件坐标系：执行g 5 0 x z 一后建立工件坐标系( 又称浮点坐标系) ； 绝对坐标：以x 、z 表示； 相对坐标：以u 、w 表示。 迸给功能 a 快速移动 1 2 x 轴、z 轴以各自的快速移动速度( 由参数设置) 运动，实际快速移动倍 率( f 0 、2 5 、5 0 、1 0 0 四级) 实时调节；最高快速移动速度：7 6 0 0 m m m i n ( 最高脉冲输出频率为1 2 7 k h z ) 。 b 切削进给 f 给定的切削进给速度为插补轨迹的切线速度，x 轴、z 轴的瞬时速度为 切线速度在x 轴、z 轴方向的分量，实际的切削进给速度由进给倍率( 0 1 5 0 十六级) 实时调节； g 9 8 ( 每分进给) f ：1 - 7 6 0 0m m m i n ( 电子齿轮比为l ：1 时) ； g 9 9 ( 每转进给) f ：0 0 1 5 0 0 0 0m m r e v 。 c 手动快速移动 手动方式下x 轴或z 轴( 不能两轴同时) 按各自的快速移动速度( 由参数 设置) 运动，实际快速移动倍率( f 0 、2 5 、5 0 、10 0 四级) 实时调节。 d 手动连续进给 手动方式下x 轴或z 轴( 不能两轴同时) 按当前的手