（机械工程专业论文）数控技术在机床改造中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础。设备性能和技术状况的好 坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。我国是一个机床拥有量大、大部分机床役 龄长、数控化程度不高的发展巾国家。用数控系统改造旧机床是提高 设备先进性的一个 有效途径。 论文讨论了如何经济实用地做好数控系统选型，实现新数控系统与旧机床的组合， 最终满足旧机床改造的要求，改善机床的技术性能。 论文介绍了当前国内外机床改造业的现状，提出了本课题的主要研究对象，完成了 一批2 0 世纪8 0 年代制造的型号为c k 3 2 6 3 b 的国产数控车床改造任务。 通过对沈阳第三机床厂生产的c k 3 2 6 3 b 数控车床改造过程的描述，论文阐述了机 床改造的主要技术要求及工作内容： 数控系统选型 电气原理图设计 p l c 程序设计 参数设置 系统联调。 论文对使用n u m l 0 2 0 数控系统改造的c k 3 2 3 3 b 型数控车床投入生产后获得的技 术经济效益进行了分析。 实践证明，利用原有的旧机床进行翻新改造，既得到了性能比改造前甚至比新机床 更优越的设备，又减少了资会投入。并且为后期维修费用的降低打下了良好基础。总之， 技术经济效益十分明显。 论文着重阐明了这样一个观点：在对旧机床进行改造时数控系统选型是整个项目 投资的关键，它实际上决定了这台机床今后的综合使用成本。论文对于今后利用数控系 统更新旧机床的技术工作有一定的指导意义。 关键词：机床改造数控系统p l c 程序设计n u m l 0 2 0 系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o r p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n ga n dr e a l i z a t i o nm a n a g e m e n ta i m s ，t h ee q u i p m e n t i st h em a t t e rb a s eo fa ne n t e r p r i s e e q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a ls t a t u si ss t a n do rf a l l ， i m m e d i a t e l yi n f l u e n c e st h eo u t p u tq u a l i t ya n de c o n o m i cb e n e f i to fa ne n t e r p r i s e a sf o rt h e d e v e l o p i n gc o u n t r i e sl i k ec h i n e s e ，t h e r ea r eal o to fm a c h i n et o o l st h a th a sl o wn c l e v e la n d m o s to ft h e mh a v eb e e nu s e df o r l o n gt i m e i t i sak i n do fa v a i l a b l e a p p r o a c h e s t h a t r e t r o f i t t i n gs o m e o l dm a c h i n et o o l sw i t hn c s y s t e mt oi m p r o v e t h e i ra d v a n t a g e t h et h e s i sd i s c u s s e sh o wt oe c o n o m i c a l l ya n d p r a c t i c a l l ys e l e c tt h et y p eo fn cs y s t e m f o ra no l dm a c h i n et o o l ，a n ds e tf o r t hh o wt or e a l i z et h ec o m b i n a t i o no fn e wn c s y s t e ma n di t ， f i n a l l y , t om e e tt h er e q u i r e m e n to fr e t r o f i t t i n ga no l dm a c h i n et o o la n di m p r o v ei t s t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e t r o f i t t i n gm a c h i n ei n d u s t r ya th o m ea n d a b r o a d ，p u tf o r w a r d st h em a j o rr e s e a r c h i n go b j e c ta n d l i s t st h ea i m st or e a l i z e ，n a m e l y , i ti st o f i n i s ht h et a s ko fr e t r o f i t t i n gs o m eo l dh o m e m a d en c l a t h e s ，t h e i rt y p ei sc k 3 2 6 3 b ，m a d ei n 8 0 s a c c o r d i n g t od e s c r i b i n gt h ep r o c e s so fr e t r o f i t t i n gt h ec k 3 2 6 3 bn cl a t h em a d e b yt h e f o r m e rs h e n y a n gn o 3m a c h i n et o o l s ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h em a i nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t a n dw o r kc o n t e n t ： s e l e c t i n g t h et y p eo ft h en c s y s t e m d e s i g n i n g t h ee l e c t r i cd r a w i n g s d e s i g n i n g t h ep l c p r o g r a m s e t t i n g o ft h ep a r a m e t e r s s e t u p a l lo ft h es y s t e m t h et h e s i sa n a l y z e st h et e c h n i c a lb e n e f i ta n de c o n o m i c a lb e n e f i tt h a th a v er e c e i v e df r o m r e t r o f i t t i n gt h eo l dc k 3 2 6 3 b n cl a t h ew i t ht h en u m l 0 2 0n c s y s t e m f a c t sh a v ep r o v e dt h a t ，w i t hr e t r o f i t t i n gt h eo l do r i g i n a lm a c h i n et o o l ，w eh a v er e c e i v e d n o to n l ym o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c em a c h i n et o o lt h a nt h eo l do n e ，e v e nm o r et h a ns o m e n e wm a c h i n et o o l ，b u ta l s ol e s s e n i n ge x p e n s e i nf u t u r e ，i ti sh e l p f u lt oe s t a b l i s ht h eg o o d f o u n d a t i o no fd e c r e a s i n gt h er e p a i r i n g e x p e n s ew i t h i nu s i n gi t i naw o r d ，b o t ht h et e c h n i c a l b e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i ta r ev e r yp r o m i n e n t t h i st h e s i ss t r e s s e st h ef o l l o w i n gv i e w p o i n t ：i ti st h ek e y p o i n tt h a t s e l e c t i n gt h en c s y s t e m f o rt h ew h o l ei n v e s t i n gp r o j e c to f r e t r o f i t t i n g m a c h i n et o o l s ，w h i c hd e c i d e dt h e s y n t h e s i sc o s tu s e di nt h em a c h i n et o o li nf u t u r e t h et h e s i sh a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e o ft e c h n i c a lw o r k i n gt h a tu p g r a d eo l dm a c h i n et o o lw i t hn e wn c s y s t e m k e y w o r d s ：r e t r o f i t t i n gm a c h i n et o o l n c s y s t e md e s i g n i n g t h ep l c p r o g r a m n u m l 0 2 0 s y s t e m i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 ：作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：习协子 日期：加；年尹月廖日 学位论文版权使用授权碍 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技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 或扫描等餐嬲乎段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名：羞旃子 门期：枷，年罗月，8 目 髫垫低 指导教师签名：弓车彳南印q 日期：，年，月，占曰 华中科技大学硕士学位论文 1绪言 1 1 课题来源 众所周知，设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础，设备的技术性 能和技术状况的好坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。设备的技术改造和更新 速度又直接影响企业技术进步、产品开发和市场开拓后劲。因此，加快设备更新和改造， 以提高企业在国内、外市场的竞争力，是企业的一项重大战略任务。 江钻股份公司上海分公司，现有设备1 9 9 台套，其中主要设备5 1 台，主要进口设 备1 6 台套，精大稀设备2 8 台套，设备固定资产原值4 7 8 3 万元，固定资产净值9 2 5 万 元，由于生产线上大部分设备是八十年代末，九十年代初的产品，已连续运行了十几年， 机械精度严重下降，电器元件老化，故障停机率、废品损失逐年上升，生产运行极不稳 定。为改变这种状况，方案有两种：一是生产线关键设备全部更换新的设备，这种方法 需投入资金2 0 0 0 万多元，企业难以负担：二是对现有设备进行机械大修和电器改造， 同时为满足多品种小批量的生产要求，购置部分新设备，补充钻头生产能力，这种方法 可节省投资1 0 0 0 多万元，但技术难度商、风险大。 更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外已形成一定规模和 市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机 床价格的6 0 ，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户 的欢迎。国内近几年才有较多的用户使用数控机床大多数用户当前最关心的还是怎样 用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。改造旧机床是一项高新技术，风险 大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的 数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。因此，实施设备改造的技 术难度非常高。 为此公司技改领导小组专门为9 台c k 3 2 6 3 b 型数控车床改造任务立项，成立了项 目组，经多方调研、考察和论证，最终决定采用第二种方案。 1 2 国内外设备改造的现状及特点 1 华中科技大学硕士学位论文 随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业 现代化水平的重要标志。嘲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 控机床总数只有”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 以上。i t 因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设各陈旧，技术水 平落后，严重地影响了生产力的发展。对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生 存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新 产品。采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。因此，逐步提高 数控机床的占有比，已经成为我国制造技术发展的总趋势。【 2 】 提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床进行数控 改造。嘲这对于我国一个机床拥有量极大( 其中大部分机床役龄较长) ，而当前经济财力 又不足的发展中国家来说，采用旧机床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。删即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建 维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发 达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是作为新的经济增长行业，生意盎 然，处在黄金时代。【13 】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 l s c h e 工程公司、a y t o n 机床公司、d e v u 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。从事改装业的著名公司有：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。【3 6 】 由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒” 的课题，并且正在向着更高层次发展。【3 】我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数 控技术为主的新行业。结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展，采用数控技术 改造旧机床主要有下述适应性和特点： ( 1 ) 减少投资、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6 0 8 0 的费用，改造费用低。特别是大型、 特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1 3 ，交货期短。但有 些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于 华中科技大学硕士学位论文 费工、费钱，往往使改造成本提高2 3 倍，与购置新机床相比，只能节省投资5 0 左 右。f 2 4 】 ( 2 ) 机械性能稳定可靠，但结构受限 由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、立柱等 基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。而铸铁件年代愈久，自然时效愈充 分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。从另一方面来说，这些铸铁件的重复使用， 即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的影响。但旧机床的改造，由于受到 原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改进。1 2 5 】 ( 3 ) 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修 购买新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能完全适合 其加工要求。改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人员已对其机械性 能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。机床数控改造时，可根据企业自 身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员 参加相结合的方法进行。这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水 平和有关专业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造， 大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使 用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷运转，见效 甚快。1 5 l ( 4 ) 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工夹具、 样板及外围设备也能再利用。以加工中心为例子，工艺装备的费用一般要占整个机床售 价的1 0 以上。1 1 0 】 ( 5 ) 可更好地因地制宜，合理删选功能 购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，而又 可能缺少某一专用的特殊功能。如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些专用功能，往 往费用大、交货期长。而采用改造的方案，就可灵活选取所要的功能，并可根据生产加 工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成专用数控机床。1 2 2 1 ( 6 ) 可及时采用最新技术、充分利用社会资源 华中科技大学硕士学位论文 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社会资源 来支持机械方面的改造。如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交货期短：采用贴 塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还使 得刮研极为容易。这种塑料导轨带和粘结剂，国内已有多家厂生产，可敞开供应。此外， 国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度。 又如，当采用其他方式恢复主轴回转精度有困难时，国内现已有多家专业工厂从事将主 轴轴承改造为静压或动静压轴承的业务；现已有专业的润滑系统、冷却系统、防护件生 产厂；北京机床研究所已专业化生产加工中心的刀库和机械手；洛阳轴承研究所为北京 第- - 4 j l 床厂和南通机床厂配套电主轴部件，不仅将电动机和主轴制成一体，而且主轴内 还包含了自动夹紧和松开刀柄的机构，某些旧机床改造时，可以用电主轴部件来替代原 来的主轴。等等这些例子，说明有一大批社会资源，因此可根据技术更新的发展速度， 及时地采用最新技术，提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧 机床改成当今水平的机床。1 1 1 1 3 我公司所采取的策略 上海江钻分公司有9 台c k 3 2 6 3 b 型数控车床，是上海江钻生产线上的关键设备， 1 9 8 9 年到1 9 9 2 年间陆续从沈阳数控机床厂购进，其数控和驱动系统是美国桥堡公司八 十年代的产品，集成度低，技术落后，九十年代初期就已经被淘汰，随着使用年限的增 加，电器元件老化，故障率逐年升高，可靠性、稳定性越来越差，不但严重影响生产， 而且废品损失严重；维修配件短缺，维修成本高；液压、润滑系统也已超过使用寿命， 设备效率大幅f 降。公司经过技术论证后认为：这些数控机床除床身的寿命比较长，特 别是一些机械大铸件己完成时效，不会再发生应力变形，性能优于新机床外，其他电气、 机械、液压、润滑部份的使用性能已远远达不到机床的出厂精度。通过对机床导轨的修 整，更换传动部件，可以恢复机床精度。即使机械精度不能完全恢复，还可以通过电气 进行补偿。九十年代以后的数控和驱动系统大量采用了当今微电子技术、计算机技术的 最新成果，不但技术先进，控制精度高，功能强大，而且集成度高，故障率低，使用寿 命长，工作稳定可靠。用这些系统对旧机床进行改造后，机床性能将超过原机床出，一指 标，可以达到九十年代数控机床的水平，并且投资不大。公司决定对其进行改造。我们 4 华中科技大学硕士学位论文 充分利用机床的机械潜力，选择生产厂家对机床进行机械大修，选用法国进口的 n u m l 0 2 0 数控系统和大功率、高速度交流驱动系统，提高数控机床的工作效率；还利 用当今数控和驱动系统的先进技术，扩展机床功能；通过优化p l c 用户程序设计，纠 正原机床设计上的缺点，使机床的控制更加合理。从1 9 9 9 年到2 0 0 3 年，公司共对生 产线上9 台c k 3 2 6 3 b 型数控车床进行了机械大修和数控系统改造，投入改造资金3 6 0 万元，节省了大量的设备更新资金。改造完成后的设备，可靠性都得以提高，机械、电 气精度恢复到了设备出厂标准，故障率大为降低。实现了设备利用率8 5 ，设备综合完 好率9 5 以上，产品加工废品率由改造前的1 2 降到了改造后的1 5 2 ，与购入的新 设备相比处于同一水平，实现了均衡生产。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 数控机床改造中需做的基本工作 2 1 数控机床改造的基本过程 由于数控机床改造是一项技术性很强的工作，即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、可行的改造 方案，是保证数控机床改造能否获得较好效益的重要前提。因此，数控机床改造从方 案选择到整机安装调试，一般需要经过如下过程： 1 、对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案 被加工工件既是机床改造的依据，叉是机床改造后加工的对象。不同外形尺寸， 不同技术要求的工件，其加工方法就不同，对机床的要求也不相同。在工艺分析基础上， 绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，计算( 或估算) 生产率。然后计算切 削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件 的依据，目前多用类比法或测定法完成。 2 、分析被改造机床，确定被改造机床类型 改造机床和设计机床是不同的，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，最后装成机床；而机床改造则是围绕 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 及其它辅具的改进，以满足生产的需要。在制定机床改造方案时，可先根据制定的工艺 方案，初步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机 床的技术规格，技术状况，各部分相关尺寸等，分析机床强度和刚度，分析被改造机床 能否适应改造要求以及经济性等，最后确定被改造机床的型号。 3 、拟定技术措施，制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际隋况，拟定应采取的技术措施，制定出 机床的改造方案，初步确定所需外购件和自制件项目，由此估计出机床改造的基本费用， 以便在拟定技术措施，制定改造方案的过程中，能充分进行技术经济分析，力求使改造 的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济 的合理性较好地统一起来。为此在制定改造方案的过程中，往往要选择多种方案进行比 6 华中科技大学硕士学位论文 较，以便最后制定出最佳改造方案。对所拟定的技术措施一定要结合实际情况确定其可 行性。对数控机床改造中应采取的技术措施，一般主要有下述4 9 几点，这也是在方案 确定后，在实际改造过程中所要做的一些技术工作。 4 、机床精度恢复和机械传动部分的改进 机床精度的恢复主要针对| 日机床改造而言，随机床役龄的增加，机床的机械传动 部件，包括导轨、丝杠、轴承等都有不同程度的磨损。此时，为确保加工精度要求，需 通过对机床大修来恢复其机床精度。因此，机床数控改造正好结合机床大修来进行。但 数控改造对机床精度恢复的要求与普通机床的大修也是有区别的。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n t 的要求来进 行，所要做的工作主要有下面几点： ( 1 ) 机床导轨 普通机床一般采用滑动导轨，大修时通过在导轨磨床上重磨与研刮相结合的方法 来恢复其精度，但由于滑动导轨一般采用表面淬火，当表面层磨去较多时，表面硬度降 低，这样需重新淬火。而对于数控机床导轨，为提高其进给伺服性能，比较多地采用滚 动导轨、静压导轨或塑料滑动导轨。但对t - i e i 机床改造来说，情况又不一样，它受到原 机床结构的限制。因此，除了被改造机床要求较高时，可考虑改装成滚动导轨的结构形 式外，一般较多地采用贴塑导轨或另一种镶钢导轨，镶钢导轨的结构是将原已磨损的导 轨刨去一层，然后将钢块分段拼镶在导轨面上，最后再经磨削成形。镶钢导轨的晟大特 点是耐磨性好，并且主要用于旧机床的导轨精度恢复中，但由于贴塑导轨工艺的成熟， 目前已较少采用。由于采用贴塑导轨，零部件不需更换，加工部位少，改造工作量小， 周期短，费用少，因此是目前数控机床改造中用得最广泛的一种。塑料导轨带及其粘结 剂，以及滚动导轨副，目前国内都有专业厂家生产供应，用户只需按规格要求选用。 ( 2 ) 传动丝杠 由于数控机床一般采用滚珠丝杠较多，并且大修时大多数已磨损，所以一般都要 求换用滚珠丝杠。目前国内也已有好多厂家生产供应滚珠丝杠，在使用中主要注意正确 选择滚珠丝杠的规格、型号，合理设计滚珠丝杠的支承型式，以及安装时正确调整滚珠 丝杠螺母副的预紧。 ( 3 ) 进给箱 ， 华中科技大学硕士学位论文 普通机床的进给箱多为齿轮结构，随着进给变换级数增多，齿轮对数和操纵机构 显著增加。传动链的增长，不仅使进给箱结构复杂，还因齿轮间隙的多个累积，使反向 间隙增大，急骤地降低了反向精度。进给系统的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数， 缩短进绘传动链，增加传动元件消除问隙的装置，提高反向定位精度。普通机床在数控 化改造时。往往是取消原进给箱或换成仅一级减速的进给箱。而数控机床一般都没有进 给箱，因此在进行改造时，就不存在这个问题。 ( 4 ) 主传动机械部分的改进 普通机床的主轴变速，傲通过主轴齿轮箱实现有级变速，并且变速时有的还需 由手工拉动拨叉来进行换档。为了满足各种加工要求，要使主轴从低到高获得多种不同 转速。一般机械齿轮挡数较多，变速箱结构复杂，体积庞大，在运转过程中，尤其高速 时，振动和噪声都较大，对零件的加工精度也会产生不良影响，而数控机床是采用交流 或直流电动机无级调速，并为扩大输出扭矩，增加2 - 4 档齿轮减速。对于旧机床进行数 控改造，可考虑采用交流变频调速，即仍利用原主轴交流电动机，再配上相应的交频器， 而对原主轴齿轮箱部分，应根据其齿轮箱的结构和机械磨损的程度，考虑改装或更换主 轴齿轮箱，齿轮档数由于采用了无级变速，应减少变换档数，对于用手动换档的应考虑 采用电气自动换档。一般在机床改造中，主要采用电磁离合器换档。对于要求实现每转 同步进给切削功能( 如螺纹切削) 时，还需要在主轴传动的相应部位上安装一主轴位置 编码器。 5 、主轴变频调速系统的配置 变频器能方便地与c n c 系统连接，控制电动机的正转、反转、停止和变速。变频 器的控制电压般为0 i o v ，可与c n c 系统的模拟输出口连接，根据主轴设计转速范 围计算出电动机转速范围和电动机调频范围，对变频器进行参数设定。最高转速对应最 高控制电压输出，而变频器将根据输入控制电压值成比例输出对应频率的电流，驱动交 流异步电动机输出对应转速，实现主轴的自动无级调速。 6 、选定数控系统和伺服系统 根据被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。由于数控 系统是整个数控机床的指挥中心，在选用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 一_一一 r 华中科技大学硕士学位论文 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、编程、维修 等都带来较大的方便。伺服驱动系统的选取，一般按所选数控系统的档次和进给伺服所 要求的驱动扭矩大小来决定，如低档经济型数控系统在满足驱动力矩情况下，一般都选 用步进电动机驱动方式，并且一般数控系统和伺服驱动系统由一家公司配置供应。 7 、数控机床辅助装置的选取 数控机床改造中，辅助装置要根据机床的控制功能要求来适当选取。如在数控车 床改造中，一般选取四方或六角电动转换刀架来实现刀具自动转换功能，刀位数的选择 则主要按被加工工件的工艺要求来决定。由于大部分数控机床的辅助装置目前在国内已 有不少生产厂家配套供应。选取时按其产品说明书在机床相应位置上进行安装、调整。 8 、自制件的设计和制作 在旧机床改造中，有一些机械零部件需要根据原机床结构的相关尺寸和配套件的 有关尺寸，由自己进行设计并制作，如固定伺服电动机的法兰盘或电动机座、连轴器、 部分传动齿轮、支架、防护挡板等。 9 、强电控制柜的设计和制作 由于普通机床豹电器控制功能要求与数控机床不一样，对于旧机床改造来讲，一 些电气元器件也已老化，所以对原机床的电气控制部分只能报废，重新设计制作。数控 改造时。强电控制部分的电气线路设计，主要根据数控系统输入输出接口的功能和控制 要求来进行当控制功能较复杂时，为简化强电控制部分的电气线路，需配备p l c 可 编程控制器。数控机床的强电控制部分设计与一般机床电气基本类同，设计中所要特别 注意的是，首先要弄清各类接口信号的特点和形式，例如是低电平有效还是高电平有效， 信号是突跳的脉冲形式还是持续的电平形式，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线 路。有些功能如能通过更改数控系统软件等方式能由系统直接实现的，应尽董设法由弱 电控制来完成，也就是说通过弱电控制能完成的功能，尽量不用强电控制来实现，这是 因为强电控制线路的增加，不仅增加了所需元器件和强电控制柜的体积，更主要的也增 加了外部联线的接点数，从而也就增加了可能产生故障的概率，另外在强电控制系统的 元器件选择时，一定要注意器件本身的可靠性和产品质量；强电控制柜制作时，每一接 点的联结一定要可靠。 1 0 、整机联接调试 q 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = 。自# ；= = = = # = = ! 机床各个部件改装完毕后就进入调试阶段。一般先对电气控制部分进行脱机调试， 看各个动作是否都正常。然后再进入联机调试。 由于机床数控改造有多种方案，机床类型不同，改造的内容也不同。所以以上所 述的各步也并非一成不变，而要根据实际情况，相互穿插，有时还需要反复进行，直至 达到改造要求为止。 2 2 c k 3 2 6 3 b 型数控车床改造的主要工作 1 、典型加工件数据分析 本次机床改造的对象是我公司主力车加工设备c k 3 2 6 3 b 型数控车床，该型号 机床在我公司应用已有很长的时间，其加工的工件主要为我公司三牙轮钻头中的牙轮和 牙掌两类零件。从长时间的使用情况来看，该机床能很好地完成这两类零件的加工，改 造中也未对机床的机械结构提出改进的需求，因此在本次机床改造中只需要对机械部件 进行精度恢复，而关键的工作在于机床的电气改造。 鉴于以上情况，在本次机床改造中对于加工件的数据分析可以省略，本文也就不 在此叙述有关加工件数据分析的过程。 2 、改造对象分析 本次机床改造对象是8 0 年代末生产的c k 3 2 6 3 b 型数控车床，其主要参数：加工 工件直径6 3 0 m m ，x 轴行程8 0 0 m m ，z 轴行程1 0 0 0 m m ，x 轴、z 轴电机额定扭矩为 3 6 n m ，主轴转速2 0 0 0 r m n ，主轴功率3 7 1 0 , n ，刀架装刀数量为8 。 原数控系统采用d n a p a 丁h 1 0 t 系统，主要参数见表2 1 ： 表2 1d n a p a t h - 1 0 t 数控系统主要参数 功能描述 联动轴数 2 移动单位0 0 0 1 m m 最大指令值9 9 9 9 9 9 m m 快移速度 10 0 0 m m m i n 进给速度范围 10 15 0 0 m m l m i n 进给修调 0 1 2 0 1 0 华中科技大学硕士学位论文 续表2 1 程序存储容量6 4 k 编程座标x 、z 手动方式 自动方式 编程方式 显示程序方式 方式选择 设定方式 刀具偏置补偿 刀具半径补偿 学习方式 机床i ，o 接口6 4 1 3 2 0 p l c 可编程控制器内置式 3 、改造方案的设计与实施 完成对机床原有数控系统的分析后，即进入改造方案的设计阶段。这一阶段的主 要工作是： 数控系统选型 电气原理图设计 p l c 程序设计 参数设置 以上设计完成后，再根据设计资料进行改造方案的实施。 下面的章节将重点对改造方案的设计与实施进行深入的探讨。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 3 数控系统选型 我公司使用的c k 3 2 6 3 b 数控车床是沈阳第三机床厂8 0 年代末生产的数控车床， 其电气元件老化严重，故障率很高，且配件供应短缺，故障停机时间越来越长，即可靠 性大副下降，严重制约了公司生产经营活动的正常进行。为适应生产加工的需要，机床 改造时必须需将电气系统全部更换，达到或接近新机床的可靠性，其首要工作就是数控 系统选型。 3 1 数控系统选型原则 在进行数控系统选型时，一般应遵从性价比高、综合成本低这两个主要的原则， 在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。 1 、性价比高的原则 一般在选择数控系统时，应考虑数控系统的先进性，不要选那些已经或将要被淘 汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，而要尽量选择先进的、能代表当前主流 技术的产品。先进的产品代表更加强大的功能，但并不是越先进的越好，随着性能的提 高，其价格必然越贵，但是在实际应用中，众多强大的功能是否必要，要视使用情况而 定。不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素， 对产品的性能价格比进行比较，在同样能满足技术要求的情况下，选择价格低的产品。 2 、综合成本低的原则 所谓综合成本，是指除产品本身的价值外，其配套的配件采购、维修成本，因故 障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。 在进行数控系统选型时，要充分考虑以上因素，选择故障率低、配件价格低、售 后服务及时、寿命周期长的产品。 3 2 国内外数控系统比较 1 、国内外主要数控系统产品介绍 我国国内目前研制开发与生产的c n c 装置基本上分为两大类：一类是从国外引进 1 2 华中科技大学硕士学位论文 技术及许可证制造的产品，如北京数控设备厂( b e s k ) 生产的f a n u c b e s k 0m a t ee ： 另一类是在引进、消化、吸收的基础上自选研制、开发、生产的数控装置，如：华中数 控生产的华中i 型、华中型。目前，国内领先的几家数控系统生产单位有华中数控、 沈阳计算所、辽宁精密机器厂、广州数控等等。 近年来，我国引进了一些国外的数控系统，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 l l e n b r a d l e y ( a b ) 公司、西班牙f a o g o 公 司、法国n u m 公司的产品，详见表3 1 。 袭3 1 国外主要数控系统产品系列 l生产厂家产品系列 1日本f a n u c 公司3 、6 、9 、0 、1 5 、1 6 德国s l 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 b 8 4 0 0 、b 8 6 0 0 m t 厂r c 、b 8 6 0 0 a t 9 0 美国a b 公司 b 8 6 0 0 n v s 西班牙f a o g o 公司8 0 1 0 、8 0 2 5 、8 0 5 0 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3 2 ： 表3 2 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、售后服务慢 使用寿命长部分产品无中文显示 从表3 1 可以看出，国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势。国内产 品虽然完全可以满足我们的) j n i 要求，但有一个致命的弱点：即这些厂家还没有生产大 华中科技大学硕士学位论文 转矩、大功率伺服电机的能力。当然，也可以选择国内的数控系统配国外的伺服电机和 伺服系统。但在同一台设备上同时配用几个厂家的数控系统、伺服系统以及伺服电机的 做法是不明智的，不同厂家的产品不能完全兼容，会导致故障频繁，降低使用效率，同 时增加维护成本。 因此在国内厂家没有解决大转矩、大功率伺服电机加工能力之前，不要选择国产 的数控系统。最终我们将机床电气改造数控系统的选择定位在采用国外系统上。 3 3 主流数控系统比较及选型确认 1 、s i m e n s8 4 0 d 、f a n u c o t 、n u m l 0 2 0 系统比较 目前，德国s l m e n s 、日本f a n u c 公司是世界上最强的专业生产数控系统的厂 家，他们依靠率先打入中国市场的战略及其全系列、优质的产品质量，在国内的占有量 排在前两位，随后法国n u m 公司、美国a b 公司、西班牙f a o g o 公司相继进入中国 市场，也在国内占有一定的市场份额。 按照价格比高、综合成本低的原则，我们对s i m e n s 、f a n u c 和n u m 的产品进 行了比较，分别是适合c k 3 2 6 3 b 使用的s i m e n s8 4 0 d 、f a n u c o t 、n u m l 0 2 0 系统。 首先，对这三种产品的性能进行比较，详见表3 3 ： 表3 3s i m e n s8 4 0 d 、f a n u c o t 、n u m l0 2 0 系统性能比较 比较项目s i m e n s8 4 0 dn u m1 0 2 0f a n u c o t c p ui n t e l 4 8 6m o t o r o i a 6 0 8 6 0 采样周期 2 m s2 m s4 m s 可连接计算机 外设硬盘、软驱无 键盘、显示器 图形显示基本功能基本功能选项 2 维c a d c a m 软件基本功能基本功能选项 p r o c a m有有无 固定循环有有无 用户集成g 代码有有无 m 功能调用子程序无有无 1 4 华中科技大学硕士学位论文 续表3 3 参量编程有有无 结构式编程有有无 边加工边传送有有有 e 参数无有无 编程结构分时、多任务分时、多任务单一任务、不分时 p l c 子程序调用功能有有无 p l c 编写方式语句表、梯形图语句表、梯形图梯形图 p l c 程序动态显示无有有 p l c 与c n c 信息交换多最多少 图形界面有有无 c 语言编程无有有 主从方式主从方式传统方式 通讯软件 方便方便不方便 从表3 3 可以看出。因为s l m e n s 8 4 0 d 采用i n t e lc p u ，其硬件特性最佳， n u m l 0 2 0 次之，f a n u c o t 最差；而n u m l 0 2 0 和s i m e n s 8 4 0 d 的软件功能相当， f a n u c o t 最差。 然后，按照c k 3 2 6 3 b 的配置：2 个n c 轴、一个主轴、3 2 1 2 4 0 的p l c 、3 6 n m 电机两个( 其中一个带抱闸) 、3 6 k w 主轴电机一个，对这三种产品的价格进行了比较， 见表3 4 ： 表3 4s i m e n s8 4 0 d 、f a n u c o t 、n u m l 0 2 0 系统价格比较 n c 系统价格主轴系统价格进给系统价格总额 s i m e n s 8 4 0 d9 万9 万6 万2 4 万 f a n u c o t4 5 万9 5 万6 万2 0 万 n u m l 0 2 058 万5 万 1 8 万 从表3 4 可以看出，s i e m e n s 8 4 0 d 系统和配套价格最高，n u m l 0 2 0 系统及配套 价格最低，f a n u c o t 系统价格最低，但其驱动系统价格最高，导致其配套价格比 1 5 华中科技大学硕士学位论文 n u m l 0 2 0 系统还高。使用n u m l 0 2 0 系统的价格比s l m e n s8 4 0 d 、f a n u c o t 分别 便宜1 0 和2 5 。 最后。对这三种产品的综合成本进了比较，从使用寿命来看，三者相差不大，但 是从配件供应、售后服务的及时性来看，以n u m 为最好，s l m e n s 次之，f a n u c 最 差。 2 、选型确认 通过以上在三个方面的比较，不难看出，s i m e n s8 4 0 d 是功能最强大的产品， n u m l 0 2 0 次之。f a n u c o t 最低。但是从性价比和综合成本两个选型基本原则来看， n u m l 0 2 0 系统无疑是最佳选择。因此，最终我们将c k 3 2