（机械工程专业论文）普通立式车床的数控化改造.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 数控立式车床是一种性能优良，工艺范围广泛，生产效率高的粗精加工设备。 本文针对c d 5 11 6 立式车床的结构特点，经过技术上和经济上的可行性分析，提出 了利用f a n u c0 i t 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、x 、z 向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： 首先，在充分理解机床结构及所要达到的性能基础上，根据实际需求，初步确定样 机的技术参数；同时通过对比进行数控系统、伺服电机等外购件的选择；并制订整 体的结构方案。 其次，根据整体结构方案进行主传动系统调速方案和电机的选择、主传动路线的设 计、全数字直流调速改造以及为了实现车削螺纹和恒线速切削的功能进行的主轴编 码器的安装；x 、z 向伺服进给系统控制方式的选择计算、机械部分改造方案的确 定以厕衮珠丝杠副及伺服电机的参数计算和选择。 最后，进行数控电气控制系统的设计，主要包括数控系统的改造方案确定，数控电 气控制系统的组成及连接、数控系统的设计及调试及基本参数的设定。 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，同时在生产效率和加工精度及降低 成本方面也有显著提高，完全达到了改造的目的。 关键词：立式车床；数控化改造；伺服电机匹配；传动设计；数控系统 普通立式机床的数控化改造 r e t r o f i tt h ec n cc o n t r o lo fv e r t i c a lm a c h i n e a b s t r a c t c n cv e r t i c a ll a t h ei sar o u g ha n df i r d s hm a c h i n i n ge q u i p m e n tw h i c hh a sag o o d p e r f o r m a n c ea n da w i d er a n g eo ft e c h n o l o g y t h r o u g ho nt e c h n o l o g ya n de c o n o m yf e a s i b i l i t ya n a l y s i s ，a n di nv i e wo ft h ed e s i g n f e a t u r e so fc d 5 116 ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h e p l a no f m a c h i n ei n n o v a t i o nm a k i n g u s eo ff a n u c 0 i t dc n cs y s t e m t h ei n n o v a t i o n si n c l u d ef i j l l d i 西t a ld cs p e e dc , o n t r o l l e ro fm a i n t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；) ( ，z - a x i sf e e ds y s t e mn u m e r i c a lc o n t r o l ；d e s i g na n dd e b u go fc n c e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h o r o u g h l yu n d e r s t a n d i n gm a c h i n ec o n s t r u c t i o n sa n di t sr e q u i r e d c a p a b i l i t y ，i n i t i a l l yd e f i n et e c h n i c a ld a t ao nt h ep r o t o t y p em a c h i n ei na c c o r d a n c et op r a c t i c a l r e q u e s t s ；m e a n w h i l es e l e c tc n c c o n t r o ls y s t e m ，s e r v om o t o re t c t h r o u g hc o m p a r i s o nb e t w e e n c o m m e r c i a lc o m p o n e n t s ；a n dt h e nw o r ko u tc o m p r e h e n s i v ec o n s t r u c t i o np l a n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ep l a nm e n t i o n e da b o v e ，t h ef o l l o w i n gj o b ss h o u l db ed o n e ： s p e c i f ys p i n d l es p e e dr a n g e a n dm o t o rs e l e c t i o n ，d e s i g no nt h em a i nd r i v e t r a n s m i s s i o n ，r e t r o f i to nt h ef u l l yd i g i t a l i z e dd cv a r i a b l es p e e da n dm o u n t i n go fs p i n d l e e n c o d e rf o rc s s ( c o n s t a n ts u r f a c es p e e d ) a n dt h r e a dc u t t i n g ；c a l c u l a t i o no nt h ex a x i sa n d z a x i sc o n t r 0 1m e t h o d ；m o d i f i c a t i o np l a no nt h em e c h a n i c a lp a r t ；s e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no f b a l ls c r e wp a i ra n ds e r v om o t o r s f i n a l l y , e l e c t r i c a le n 酉n e e r i n go nt h ec n cs y s t e ma lea sf o l l o w s ；c n cm o d i f i c a t i o np l a n ； c n ce l e c t r i c a lc o m p o n e n t sa n dc o n n e c t i o n s ；c n cs y s t e mi n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n g ； d e f i n i t i o no f b a s i cp a r a m e t e r sv a l u e s a f t e ri n n o v a t i o n , t h em a c h i n e sc a nn o to n l yc u t t i n gn o r m a le n df a c ea n de n c i r c l e ，b u t m a c h i n i n gs o m ec u r v e ds u r f a c ew o r kp i e c e st h a tt h ec o m m o n v e r t i c a ll a t h ec a nn o tm a c h i n e i t h a st h ea d v a n t a g e so fh i g l lp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , h i g hm a c h i n i n ga c c u r a c ya n dl o wc o s t k e yw o r d s ：v e r t i c a ll a t h e ；c n ct r a n s f o r m a t i o n ；s e r v om o t o rm a t c h i n g ， t r a n s m i s s i o nd e s i g n ；n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：整通童盍主鏖鲍数控焦送造 作者签名： 趣盔趣 日期： 巡年阜月卫日 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 沦文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 苯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、 宿印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：整通童式主鏖鲍数控焦邀造 乍者签名。：盈盘整日期：巡年l 月生日 导师签名 大连理工大学专业学位硕十学位论文 1绪论 1 1 数控机床的发展 随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电 一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经 济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效 应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从2 0 世纪8 0 年代才开始起步。 在国家政策的大力扶持下，近几年国内数控机床发展迅猛。“十五 期间，中国数 控机床行业实现了超高速发展。2 0 0 5 年国产数控机床产量5 9 6 3 9 台，接近6 万台大关， 是“九五”末期的4 2 4 倍。2 0 0 6 年，中国数控金切机床产量达到8 5 7 5 6 台，同比增长 3 2 8 。2 0 0 7 年，中国数控机床产量达到1 2 3 万台，比上年同期增长了3 2 5 7 。提前 三年超额完成“十一五”规划年产1 0 万台的目标，数控机床年产量已居世界首位。 行业规模不断壮大，国产高档数控机床明显进步，国产中高档数控系统取得重大突 破，这些都充分说明，中国数控机床整体水平全面提升。在数量持续增长的同时，数控 机床的质量也在追赶世界的进程中不断加速。 装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业。相信未来 1 帖1 5 年，中国的装备制造业将实现持续快速的增长。数控机床是装备制造业的工作母 机。纵观振兴装备制造业的1 6 个关键领域，每个领域的振兴都需要大批先进的数控机 床来装备。中国数控机床仍处于发展周期的起步阶段。随着中国发展成为世界工厂以及 政府对机械制造行业逐步升级，预计未来1 0 1 5 年数控机床将以年均2 0 2 5 的速度快 速增长。未来几年数控机床占全行业销售收入的比重将可能大幅提升。同时，高档数控 机床主要品种将基本立足于国内。功能部件配套齐全，自给率达6 0 ；有自主版权的 数控系统将占数控机床总产量的7 5 。 1 2 机床数控化改造研究现状 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一 定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。他是根据实际生产需要提出并随着机床 行业以及技术的不断进步而发展起来的，对现有机床局部结构进行改造并安装上新部件 新装置新附件用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部 达到近似数控机床的水平u 吲。 普通立式机床的数控化改造 1 2 1 机床数控化改造市场研究 1 非数控设备的高使用率为数控化改造的市场提供了巨大的潜力 我国目前机床总量3 8 0 余万台，而其中数控机床总数只有11 3 4 万台，即我国机床 数控化率不到3 。近十年来，我国数控机床年产量为0 伽8 万台，年产值约为1 8 亿 元，机床年产量数控化率为6 。我国机床役龄l o 年以上的占6 0 以上；1 0 年以下的 机床中，自动半自动机床不到2 0 ，f m c f m s 等自动化生产线更屈指可数。制造行业、 加工装备业绝大多数是传统的机床，而半数以上是役龄在1 0 年以上的旧机床。国内传 统旧机床数控化改造是一个潜力巨大的市场。 2 进口设备和生产线的数控化改造也是数控化改造的一个重要市场 我国白改革开放以来，很多企业从国外引进设备、技术和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从1 9 7 9 1 9 8 8 年1 0 年间，全国引进技术改造项目就有1 8 4 4 6 项，大约 1 6 5 8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但有些 引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影 响。一些设备由于备件不全维护不当结果运转不良；造成项目不完整，设备潜力不能发 挥。这也是一个极大的改造市场。 1 2 2 国内外数控化改造的现状 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。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。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床 和生产线的新的行业和领域。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3 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 项目研究的意义及效益分析 1 3 1 项目研究的意义 普通立式车床采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，主轴和进给 系统采用交流电机拖动，齿轮变速手工调速，电气设备较为复杂。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，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，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。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。 1 3 2 经济效益分析 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，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。 由于立式机床本身的特点，机床改造所利用的床身、立柱等基础件多数都是重而 坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。一方面铸铁件年代越久远自然时效愈充分，内应力 的消除使得稳定性比新铸件更好。另一方面，机床大部分铸铁件的重复使用，节约了社 会资源，减少了重新生产铸铁时对环境的污染。改造机床还可以充分利用原有地基，同 时一系列外围设备也可以利用可节约大量社会资源。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n 胡。 1 4 本论文主要研究的内容 本文是侧重于机械应用领域的文章。其根据作者在主管设计c d 5 11 6 型普通立式车 床的基础上，满足机床参数要求对c k 5 11 6 型数控立式车床的设计过程，所进行的伺服 电机选择、x ，y 轴进给部分机械设计、液压系统改造，电气系统设计等。 本文首先对数控机床的发展应用进行了概括性介绍，通过对c k 5 11 6 型数控立式车 床主要参数的描述，运动状态的分析。对通过扭矩、惯量匹配选择伺服电机进行了一般 性研究，然后，对x 、y 向进给、主轴等进行了改造设计，液压系统设计等。 普通立式机床的数控化改造 本文在绪论中对普通机床数控改造的发展应用趋势作了概括性的总结；第二章，普 通立式车床改造方案的确定；第三章，立式车床主传动系统的改造；第四章，进给系统 机械部分改造设计。依据机床参数和运动特性，通过扭矩、惯量等多方面，进行伺服电 机，滚珠丝杠副的选择与计算；第五章，编写了c k s l1 6 数控立式车床的数控系统的改 造设计；第六章，应用效果。 1 5 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。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， 降低生产成本。本章通过对数控机床的发展，国内外数控化改造的研究现状，提出了本 论文研究的意义和研究的主要内容，提出了对普通立车进行数控化改造的现实意义，同 时对本文所设计的数控立车进行了比较详细的介绍。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2c d 5 1 1 6 普通立式车床总体改造方案 2 1数控机床改造的步骤 数控机床的成功改造一般分为3 个阶段。 1 调研及系统选型 改造前必须对机床的结构、性能、运行状态、现有加工精度、特殊功能以及改造后 要求达到的性能进行详细了解。数控系统主要由控制、驱动和测量系统3 部分组成。究 竟是整体改造还是局部改造取决于上述3 大系统的状况以及用户的经费。系统的选型与 配置需综合考虑机床状况、用户对功能的要求、改造经费及各种数控系统的特点。系统 配置时，需对电缆长度、电机扭矩及额定转速、主轴功率、系统安装空间等细节予以充 分考虑。 2 准备阶段 包括改造部分电路设计、机械设计、控制程序编制及技术培训。电路设计主要是 设计新系统硬件与非改造部分的接口，然后根据加工时机床动作的控制逻辑，对p l c 进行编程，确保机床动作正确并实现最佳控制，在可能的条件下进行实验室模拟。为了 保证用户能正确使用、编程与简单的维修，需要对用户进行操作、编程、维修等培训。 机械设计部分主要满足力n - r _ 需要。机床的原始资料是我们了解机床状况的最基本资料， 其中电气原理图、电气维修手册、控制程序，都是我们需要仔细研究的。特别需要注意 的是原始资料提供的信息不完全是正确的。这就要求我们一定要对照机床实物，把关键 环节的每个细节一一落实，避免犯错误。 3 安装、调试、验收 现场安装指安装新系统，部分或全部更换强电回路，重新设计机床操作面板，制 作新法兰盘与联轴节，输入输出线改接等。调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传 感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大， 从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考 核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦 确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。完成上述工作后， 即可通电调试机床，优化机床参数，调试各轴动作及辅助动作等。调试结束后，应进行 试加工，最终验收睁7 | 。 普通立式机床的数控化改造 2 2 数控系统及进给伺服驱动系统的选择 2 2 1 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；国内公司如武汉华中数控股份有限公司、广州数控设 备有限公司。 1 日本f a m ，c 公司 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 rm a t e o 系列、普及 型c n c o d 系列、全功能型的o c 系列、高性价比的0 i 系列、具有网络功能的超 小型、超薄型c n c l 6 1 1 8 1 2 11 系列。 2 德国s i e m e n s 公司 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 3 ) 速度控制可以实现最短的加速度及制动。 4 ) 编程简单，操作方便。 5 ) 调整时间短，调试方便。 6 ) 对位移测量系统、驱动装置、主轴、温度、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。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 武汉华中数控股份有限公司 自主知识产权的中高档数控系统一华中“世纪星 h n c 2 1 2 2 数控系统华中“世纪 星h n c 2 1 2 2 数控系统具有低价格、高性能、简单、可靠、结构牢靠，造型美观，体 积小巧等特点。采用彩色液晶显示器，具有高亮度、高对比度，色彩明亮，视角宽广等 优点。支持6 轴联动和全闭环控制，适用于各种车、铣床加工中心等机床的控制，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，具有极高的性价 比。 华中数控自主开发了具有当今国内领先水平的h s v 1 6 0 、h s v 1 6 2 、h s v 1 8 d 数 字交流伺服驱动单元、h s v 1 8 5 数字交流伺服主轴单元，采用模块化结构，具有精度高、 响应快、超低速性能好，技术性能达到国际先进水平。 4 广州数控设备有限公司 广州数控为配合中国机械装备市场的发展形势，精心打造高性价比，高可靠性数控 系统。2 0 0 7 年研发生产了普及型中档车床数控系统g s k 9 8 0 t d 1 ，适用于控制数控铣 床、加工中心等可编程自动化机械加工设备g s k 9 9 0 m a 、g s k 9 8 0 m d 、g s k 2 1 8 m 及 g s k 9 8 3 m 等铣床加工中心数控系统。 g s k 9 8 3 m 系统是中高档数控系统产品，该系统最多可实现5 轴4 联动，可实现高 速高精闭环加工，最高移动速度达2 4 m m i n ，精度达0 0 1 m m 。可实现1 2 种固定循环， 空间螺旋线插补，刀补c ，螺补，用户宏a f b ，比例缩放，坐标系旋转等等功能；内嵌 式p m c ，1 9 2 个1 2 8 个i o 点，5 0 0 0 步容量，梯图编程，大大方便和简化机床强电设 计并可由用户自行二次开发。可实现d n c 加工，程序及参数传输功能，极大方便于加工 程序备份保存和机床调整。图形显示，中英文菜单，后台编辑；配备1 0 4 寸t f t 液 晶显示器。具有低价格、高性能j 高可靠性，等等优点，较适合用于铣床和小型加工中 心。 考虑到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f a n u c 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f a n u c 公司中属于中档系统f a n u c0 i t d 系统。该系统性能强大，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。 2 2 2 伺服驱动系统的选择 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部 件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作 普通立式机床的数控化改造 转换和放大后，经伺服驱动装置( 直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲 马达等) 和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给和快速运动。 数控机床进给系统要求具有较高的定位精度，还有良好的动态响应特性，即系统跟 踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为了确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳 定性，要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度、高谐振频率以及有适宜的阻尼等。 数控机床的进给伺服驱动常用的有以下三种： 1 步进电动机一开环控制 2 直流或交流伺服电动机一半闭环控制 3 直流或交流伺服电动机一闭环控制 选用步进电动机一开环控制，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一闭环控制，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难 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n 2 。1 羽。 综合以上分析本次改造采用f a n u c0 i t d 数控系统的半闭环控制。 2 3 机械部分改造方案 c d 5 11 6 普通立式车床的结构特征 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 1 普通立式车床外观图 f i g 2 1v e r t i c a lm a c h i n es t r u c t u r e 一9 一 普通立式机床的数控化改造 2 3 1主传动改造方案 1 、交流调速和直流调速的选择 目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调 速电机，他们已逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。 对于交流主轴电机，采用变频调速控制。其特点是调速和起动性能好，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，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。 立车为大功率、大扭矩加工机床，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3 0 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直流数字化调速系统。 2 、主轴传动系统的改造方案 数控机床的主运动一般要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用 量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。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很难直接与机床的功率及转矩特性要求完全 匹配。因此，需要在无级调速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。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动 操作的要求。 数控机床主传动主要有三种配置方式： 1 ) 带有变速齿轮的主传动 这是大、中型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出 扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床采用此种传动方式，以 大连理工大学专业学位硕士学位论文 获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带 动齿轮实现。 2 ) 通过皮带传动的主传动 这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动而引起的振动与噪声。 3 ) 由调速电机直接驱动的主传动睁 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。 2 。3 。2 刀架改造方案 c d 5 11 6 普通立车正常有两个刀架，立刀架和侧刀架，每个刀架分别用两台三相异 步电机驱动，控制x 、z 方向的快速移动及进给控制。改造方式有两种：一是对侧刀架、 立刀架部分同时进行数控改造。二是取消侧刀架，只对立刀架进行数控化改造。 如果对立刀架、侧刀架部分同时进行数控改造，也就是需要相应增加4 个伺服驱动 轴。这样就必须选择与其相配套的双通道的数控系统。控制方式十分复杂，并且相应成 本增加太大。并且侧刀架也只能解决车外圆问题。实际意义不大。所以采用取消侧刀架， 只对立刀架进行数控化改造。 刀架数控化机械部分的改动，由于数控机床要求精度相应提高，所以要求导轨要有 良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致的死区。同时要有足够的刚度，以减 少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖 动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，要充分考虑螺距误差及螺距 累计误差以及相配螺母间隙。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度 较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在9 0 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。 伺服电机的瞬间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，由于刀架重，转动惯量大，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。 普通立式机床的数控化改造 综合以上分析本次刀架改造方案为：取消侧刀架，对立刀架进行数控化改造，将原 来的普通t 形丝杠替换为滚珠丝杠并由伺服电机经过一级降速驱动来代替减速箱多级 变速。增加相应的导轨丝杠防护。 2 4 车床总体改造方案的确定 c d 5 11 6 立式车床的主传动采用交流电机，手动转阀1 6 级变速，采用停车手工变 档方式，比较费时繁琐，并且影响加工精度：侧刀架和立刀架只能互相切换，不能联动， 无法加工具有复杂曲面的零件。根据市场要求和以上分析，在取消侧刀架的基础上对 立刀架部分作数控化改造，主传动系统进行直流数字化调速改造， 总体方案如下： 1 主传动系统的直流数字化调速改造。主要是主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 立刀架的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。 3 采用f a n u c 0 i t d 数控系统。x 轴和z 轴伺服驱动系统采用f a n u c 0 i t d 驱动 模块和a 1 2 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。 4 刀架采用环球公司制造的a k 2 7 q y 系列四工位数控转塔刀架。采用国际上流行的 电机内藏式结构齿端盘作为分度元件，分度工位由定位盘、传感器元件控制、可任 意工位定位。具有定位精度高、锁紧力大承载能力强、稳定可靠、结构紧凑等特点 5 在主轴上安装增量式编码器。利用驱动模块对主轴进行控制，实现车螺纹和恒线速 切削的功能。扩大加工范围。 6 取消原侧刀架、横梁和主轴的手动加工操作功能。 7 由于横梁移动几率很小，故横梁仍采用普通电机驱动t 型丝杠移动的结构。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 改造前后参数对比如下： 表2 1 立车改造前后参数对比表 t a b 2 1p a r a m e t e r sc o m p a r i s o nc h a r ta f t e ru p g r a d e 型号单位c d 5 1 1 6c k 5 1 1 6 工件最大切削直径 m m1 6 0 0 工作台直径 n 皿1 4 0 0 工件最大高度 m m1 0 0 0 工件最大重量 t5 工作台转速；级数 r r a i n 5 1 6 0 ：1 6 级 工作台转速控制方式 手动转阀控制电磁阀控制 刀台形式 五角机械刀架四工位电动刀塔 侧刀架有无 立刀架进给量范围 r a m r a i n0 8 8 6o 1 1 0 0 0 刀架快移速度 m m i n 1 85 0 0 0 横粱升降速度 m m i n6 6 0 横梁行程 l i 衄6 5 07 6 0 立刀架垂直行程 m m8 0 0 立刀架水平行程 m m 9 0 09 5 0 立刀架同转角度 5 垂直刀架最大切削力 k n2 5 进给电机普通电机1 3 1 7 k w伺服电机f a n a ca 1 2 主电机功率k w 3 0 此次数控化改造的机床是在我公司成型产品c d 5 11 6 普通立式车床的基础上，采用 f a n u c 0 it d 数控系统配套的伺服电机通过减速装置驱动x 、z 轴滚珠丝杠运动；机 床的主传动由原来四轴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。控制方式由电磁换向阀和 液压油缸控制替换原来的手动转阀调速，实现工作台的转动；为了提高机床液压系统及 普通立式机床的数控化改造 主传动变速的可靠性，取消原c d 5 1 1 6 立式车床一体式的液压箱，在c k 5 11 6 数控立式 车床的设计中按独立泵站布局，以提高油箱的清洁；采用横梁移动式结构，且横梁移动 的驱动完全与普通立式车床c d 5 11 6 相同，提高了零部件的通用化程度，扩大了机床的 加工范围。 由于c k 5 11 6 数控立式车床的主体结构和c d 5 11 6 立式车床变化甚小，使得机床的 刚性、扭矩、结构等方面都趋于合理，机床具备较强的刚性和承载能力，能满足用户重 载、大扭矩切削的需要。分析c k 5 11 6 数控立式车床的整体刚性，与同类型、同等规格 的其他厂家加工机床相比，床身刚性基本相当。在工艺方法上已经有了成熟的经验，在 技术上是成熟的，可保证该产品的试制成功。 2 5 本章小结 本章首先阐述了机床数控化设计的步骤，为此次立式机床数控化改造提供理论指 导；其次通过对数控系统、进给伺服驱动系统的分析和探讨，按照机床预期的技术规格 和性能的阐述，确定了c d 5 11 6 立式车床数控化改造主传动、刀架、进给等方案及可行 性分析、改造前后性能对比分析等，使得后续的立式车床各部分机构设计有据可依。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 主传动系统的设计 c k 5 11 6 数控立式车床是大连机床集团公司在现有普通立式车床机型的基础上，为 满足市场需要，自行研制开发生产的数控立式车床。该机床将广泛应用于军工、航天、 汽车、模具、机械制造等行业的箱体零件、壳体零件、盘形零件的加工。用于内外圆柱 面、圆锥面、端面、切槽、粗精车削加工等工序加工，具有大切削力、高承重、操作简 单、整体造型美观大方等特点。机床配有数控四工位刀塔，集中润滑系统、自动排屑装 置，液压站及便携式手动操作装置( m p g ) ，采用半封闭式防护罩。 本章主要介绍c d 5 11 6 立式车床原主传动变速机构的传动路线和液压回路的工作 状态；通过对直流调速和交流调速两者特点的比较确定机床调速方案；直流电动机的功 率计算和型号选择；直流电动机与机床主轴功率特性的匹配计算；主传动系统传动路线 和液压回路工作状态的改造。 3 1机械结构的设计组成 数控机床的机械结构特点： 1 高刚度和高抗震性 2 传动系统的机械结构大为简化 3 高传动效率和无间隙的传动装置 4 数控机床在很高的进给速度下要求工作平稳，并有高的定位精度。因此要求进给系 统中的机械传动装置要求具有高寿命、高刚度、高灵敏度、无间隙和低摩擦等特点。 目前，数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有滚珠丝杠，静压蜗杆 蜗轮和预加载荷双齿轮齿条三种。 5 低摩擦因数的导轨 6 机床导轨是机床基本结构的要素之一。 从机械结构方面说，机床的加工精度和使用寿命在很大程度上决定于导轨的质量， 而对数控机床的导轨则要求更高。例如：高速进给时不振动，低速进给时不爬行， 具有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作。高耐磨性、高精度保持性等。 从类型上分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。 对现有车床进行数控改造时应主要解决的问题： 1 如何将机械传动的进给机构和手工控制的刀架转位进给部件改造成由数控系统控制 的刀架自动转位以及自动进给。 普通立式机床的数控化改造 2 提高被加工零件的精度：控制系统的精度，机床本身的机械传动精度。纵向滚珠丝 杠必须采用三点支承形式。步进电机的布置可放在丝杠的任意一端。 3 主轴脉冲发生器的改造。需要自动加工螺纹时可以在主轴后端同轴安装一个主轴脉 冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件，通过检测主轴转角的位置，反馈到数控 系统使其能按照所需加工的螺距进行处理啦朝。 3 2c d 5 116 普通立车主传动系统概述 c d 5 11 6 普通立式机床主传动采用交流电机手动转阀1 6 级变速，采用停车手动变 速方式。机床通过手动转阀旋转推动相应的活塞杆带动拨叉上的滑移齿轮来获得不同的 传动路线，从而获得1 6 级变速。 本次改造在保留原变速箱机构基础上，将c 5 11 6 立式车床液压1 6 级手工变速改造 为液压4 级无级变速，缩短了改造周期，减少了改造的工作量，降低了改造成本。无级 变速传动可以使c 5 11 6 立式车床在加工中得到最有利的切削速度；能在运转中变速；能在 负载下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。 图3 1c d 5 1 1 6 立式车床主传动原理简图 f i g 3 1 c d 5 11 6l a t h em a i nd r i v es y s t e md i a g r a m 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 7 0 o i 电帆 _ 、， v v 淤 ( 4 泌 j f 、一j ，r 1 9 1 9 毫一妄。一巡、多 、 。t 、 、 j ? i 岛警 | j | e 1 、夕誓+j j 鼍7 i tli 、 彳、川； 、7 j i |、 、 、 、 川一， 7 、 i 、j 7 j 沁川| 心玲以| 一， ，饼、 、，戳i 川川| ， 川|、 川| ，川| 每川| 川| 詈| 至 | | | 图3 2c d 5 11 6 立式车床主传动系统的转速图 f i g 3 2 c d 51 16m a i nd r i v es p e e dd i a g r a m 一1 7 一 1 5 7 1 2 5 9 8 7 8 6 3 5 0 3 9 3 1 2 5 2 0 1 6 1 3 1 0 8 6 5 r d n 普通立式机床的数控化改造 变 1 8 4 s 4 5 18 速 1 8 4 s 油 2 1 4 22 8 3 52 1 4 22 8 3 s 箱 2 1 4 2：8 3 s2 1 4 2 2