（机械工程专业论文）移动数控立车改造研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 为适应三峡转轮加工的需要，c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车在加工工件承 重量、加工范围等方面存在一定问题，本文首先对国内外研究现状进行分析， 某公司责成基建技改部负责，决定对c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车进行技术改 造，论述了改造方案，改造的内容及措施，精度检验及效益分析。确定如下 改造方案： 改造原工作台承重量，由4 5 0 吨提高到5 5 0 吨，幅度达2 0 。 由于原工作台机械刚度设计裕度较大，可以满足承重5 5 0 吨的要求，采取增 大静压刚度( 指原工作台机械刚度能满足) 的办法。更换原工作台静压泵站 系统。对主运动部分，工作台径向采用了2 d 3 1 8 2 1 5 6 0 高精度滚柱轴承定心， 轴向采用预载恒流静压导轨并且具有油膜测厚装置和温度保护装置，从而可 以可靠地保证工作台回转精度。 新增一侧刀架，侧刀架设计在与立刀架相对称的工作台的另一边，其主 体包括立柱，床身平台、侧溜板、刀架及刀架走台、设计总重量为8 0 吨。 侧刀架轴伸1 2 5 0 m m ，上、下行程2 5 0 0 m m 。用侧刀架加工转轮下半部， 可以从根本上解决直刀架加工中的刀杆刚性不足的问题。 c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车原数控系统为f a n u c 7 系统。为该系统配套 的为6 1 1 a 型交流伺服系统。拆掉原f a n u c 7 系统的电控柜及电气连线，重 新安装s i m n e s8 4 0 d 系统的电控柜及铺设电气连线。 制造一个比原托架高度更小、刚性更好的新工作台托架，以解决原托架 过高，满足不了工件加工高度的问题。新托架只为三峡转轮加工专用，直径 0 1 1 0 0 ，高度9 8 0 。 关键词：数控立车改造；工作台承重量；侧刀架；数控系统；工作台托架 哈尔滨： 群大学硕士学位论文 a b s t r a c t ac o m p a n yl e a d e rm a d ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o na n dt e c h n i c a lr e f o r m d e p a r t m e n tm e m b e r s b ei nc h a r g eo fr e f o r m i n gs i n g l ec o l u m nn u m e r i c a lc o n t r o l v e r t i c a ll a t h e 、d i s c u s sa n dg e tt h er e f o r m i n gp l a n 、d e t a i l 、s o l u t i o n 、p r e c i s i o n i n s p e c t i o n 、p r o f i ta n a l y s i s t h e nt h ep l a nw a ss e t t l e da sf o l l o w ： i m p r o v es u p p o r t i n ga b i l i t yf r o m4 5 0 tt o5 5 0 tw h i c hr a d i u si s2 0 t h e s a f e t yc o e f f i c i e n to fp l a t f o r mr i g i d i t yi se n o u g ht om e e tt h er i g i d i t yd e m a n do f 5 5 0 t s t a t i cp r e s s u r er i g i d i t yw a si m p r o v e d ( m e c h a n i c a lr i g i d i t yo fo r i g i n a l p l a t f o r mm e ta n dt ob ei n s t e a do fo l do n es t a t i cp r e s s u r ep u m ps y s t e m ) i m p o r t e d a m e r i c a nw a gc o m p a n yh y d r a u l i cf i t t i n g sa r eu s e di nt h ew h o l er e s i g n e ds t a t i c p r e s s u r ep u m ps y s t e m t a l k i n ga b o u td r i v i n gp a r t ，2 d 3 1 8 2 1 5 6 0s u p e rp r e c i s i o n c e n t r a ls t a t o rt oh o r i z o n t a lr o l l e rb e a r i n gw a su s e da tr a d i a ld i r e c t i o nt op l a t f o r m a n dp r e l o a d e dc o n s t a n tc u r r e n ts t a t i cp r e s s u r eg u i d ew a yw i t h0 i ls l i c kt h i c k n e s s m e a s u r e m e n t d e v i c e t e m p e r a t u r ep r o t e c t i n g d e v i c ew a su s e di na x i a l d i r e c t i o n s or o t a t e dp r e c i s i o ni sa s s u r e dr e l i a b l y a d d i n gs i d et o o lp o s t s i d et o o lp o s ti sd e s i g n e dt ol o c a t es y m m e t r i c a lt o v e r t i c a lt o o lp o s t s oa tt h eo t h e rs i d eo fp l a t f o r m ，i t s m a j o rb o d yi n c l u d e sv e r t i c a l c o l u m n 、l a t h eb o d yp l a t f o r m 、s i d es l i d ep l a t e 、t o o lp o s ta n dt o o lp o s tw a l k i n g p l a t f o r mw h i c hd e s i g n e dg r o s sw e i e # ti s8 0 t s i d et o o lp o s ts h a f to u ti s1 2 5 0 m m i ti su pa n dd o w nt r a v e li s2 5 0 0 m m i ti s u s e dt om a c h i n er u n n e rl o w e rh a l fp a r t t h eq u e s t i o nt h a tr i g i d i t yo fa r b o ri sn o t e n o u g hd u r i r i gm a c h i n i n go fv e r t i c a lt o o lp o s ti ss o l v e db a s i c a l l y 。 s i e m e n s8 4 0 ds y s t e mi sa d a p t e dt oc h a n g eo r i g i n a lf a n u c 7s y s t e m 6 1 1 aa cs e r v oi sf i t t e df o rg e r m a ns y s t e m o l ds y s t e mw a sr e m o v e d s i m n e s 8 4 0e l e c t r i c a lc o n t r o lc a b i n e tw a sr e i n s t a l l e da n dr e l o c a t e de l e c t r i cc o n n e c t i o n an e ww o r kp l a t f o r m - w o r k r e s tw a sm a n u f a c t u r e d i ti ss h o r t e rt h a no l dt o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s o l v et h eq u e s t i o nt h a tw o r k r e s tc a n tm e e tm a c h i n i n gh e i 曲to fw o r kp i e c e b e c a u s et h eh e i e a to fo r i g i n a lw a st o om u c h t h en e wo n ei sp r o f e s s i o n a lf o r m a c h i n i n gt h r e eg o 曜e r u n n e rw h i c hi s f1 1 0 0 m m 、9 8 0m m h i g h k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lv e r t i c a l l a t h er e f o r m ；w o r kp l a t f o r ms u p p o r t ； s i d et o o lp o s t ；n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；w o r kp l a t f o r mw o r kr e s t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨- 1 = 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的目的和意义 c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车系某重型机床厂设计、制造，1 9 9 0 年l o 月 安装调试并投入使用。十几年来，先后完成了广西盐滩、湖南五强溪、湖北 清江隔河岩、黑龙江莲花、福建水e l 及吉林丰满等水电站转轮的加工任务。 由于将承担起三峡转轮的建造及加工任务，这就提出了现有数控立车的规格 及技术指标能否满足此转轮加工需要的问题? 经过与初步设计的此转轮基本 参数相对照，发现现有的数控立车主要在工作台承重量上，工件加工高度上， 以及立刀架刀杆刚度上满足不了此转轮加工的需要。现有立车要完成三峡转 轮的加工，必须进行必要的改造。 c k 5 3 1 6 0 g 单柱移动数控立车改造将历时近两年，总投资为7 2 5 万元， 是大件公司扩建改造工程中的一个拳头项目。它的改造成功与否关系到我们 能否干“大三峡”的问题。现在可以乐观地说，机床改造的成功是肯定的。 c k 5 3 1 6 0 g 单柱移动数控立车改造成功，其经济效益将随着时间的推移 而日益显现出来，然而其政治影响却远远大于经济效益，这主要表现在： 按照三峡转轮的生产计划安排，三峡第一台转轮钳转轮在大件公 司顺利交工，这台转轮的交工，为国人争了光。而且质量一台比一台好，创 造了巨大的经济效益。这一事实向世界展示：中国有能力制造世界上最好的 转轮! c k 5 3 1 6 0 g 单柱移动数控立车改造成功，将使滨海大件公司在机加工 能力上又朝着“更大”“更重”的方向登上了一个新台阶。为公司的生产经 营开拓了更加广阔的天地。 c k 5 3 1 6 0 g 单柱移动数控立车改造成功，满足了近几年加工三峡左岸6 台转轮的要求，而这也仅仅是开始。“风物长宜放眼量”，还有三峡右岸，还 有世界市场。可以预见，滨海大件公司必将为中国乃至世界的水电事业的发 。 1 哈尔滨t 秤大学硕士学位论文 展，做出越来越大的贡献。 1 2 国内外研究现状及发展 车床行业企业坚持深化改革、瞄准国内外两个市场、不断调整产品结构 产业结构和企业内部结构、积极发展适销对路和国防急需产品，努力提高产 品的市场竞争力和市场占有率，特别是数控车床产品的开发、质量和可靠的 提高，在一些企业中取得了显著成效，得到了广大用户认可，生产增长较快。 1 9 9 9 年以来，出现了止滑回升的好势头。去年1 8 月车床行业工业总产值同 比增长1 1 3 3 、其中数控车床产量，同比上升1 4 6 4 ，销售量上升3 0 2 6 ； 1 9 9 9 年1 7 月车床出口额同比增长7 4 3 、其中数控车床出口额同比增长 2 3 8 7 。 数控车床是当代机械制造业的主流装备。用数控车床提高传统制造业装 备水平的重大意义。已经成为有关各界人士的共识。使大家进一步认识到， 数控车床的发展不仅关系到我国经济实力的增强，还关系到国家的安全。担 负着我国车床数控化重任的我国数控机床和数控系统行业的状况怎样，己成 为普遍关心的重点。 这几年来，车床行业向国民经济各部门提供了一大批先进适用的数控机 床。 1 ) 向航天等国防尖端、造船、大型发电设备制造、冶金设备制造、机 车车辆制造等重要用户提供了一批高质量的数控机床和柔性制造单元。 如齐齐哈尔第机床厂提供的c k 4 0 1 2 型数控旋风车床，用于加工直径 1 2 m 、长1 2 m 重1 2 0 1 的船用柴油机大型曲轴。 武汉重型机床厂为加工3 0 万k w 水轮发电机组提供厂1 6 m 数控立车。 最大加工直径1 6 m 承重4 5 0 t ，加工精度0 0 2 m m ，达到国际水平；另一台1 6 m 数控立车、经多年使用，不仅为用户解决了加工关键，还创造了巨大的经济 效益、被用户誉为“功勋机床”。为我国大型水力发电站建设作出了卓越贡献。 齐齐哈尔第一机床厂和大连第二机床厂为铁路车辆的车轮加工提供了数 2 哈尔滨t 稃大学硕七学位论文 控车床。齐一的q 1 l x 火车车轮柔性加工单元、由两台数控立车和上下料机 械手组成。为上海重点工程作出了贡献。 ( 2 ) 为汽车、摩托车等大批量生产的用户提供了一批可靠性高，精度保 持性好的数控机床和柔性生产线。 大批量生产的汽车工业，特别是轿车工业对数控机床的可靠性要求极为 严格，如果由于机床故障停车1 分钟，也会造成巨大的损失；另外还要求很 高的精度( 轿车零件精度一般比载重车高l 一2 级) 和精度保持性【1 】。所以，一 般在验收时要进行工序能力指数( c p 值) 考核。国产机床能否进入轿车工业是 一场极为严格的“考试”。可喜的是，近几年来已有一批机床和柔性生产线通 过了“考试”。当前国内一些知名的轿车品牌，如奥迪、捷达、夏利、桑塔那 直到最近的上海通用别克都有国产数控机床参与制造。 上海二机床生产的h m - - 0 7 7 2 5 t 高精度高速数控车床，采用电主轴， 近今年来在汽车行业中己销售近3 0 0 台。 除柔性生产线外、还为汽车、摩托车行业，提供了大批数控单机。如沈 阳第一机床厂等1 0 家机床厂一次为捷达汽车项目提供厂1 4 1 台数控机床，其 中南京机床厂2 5 台数控车床，济南第一机床1 8 台数控车床，长城机床厂6 台数控车床都在生产线上正常使用。常州机床总厂为上海纳铁福汽车传动轴 厂，上海汽个曲轮厂、一汽等提供1 0 多台数控平端面钻中心孔机床，带自动 上下料，高效可靠，可满足汽车轴类件年产4 0 万件的要求。 至于为汽车零部件行业提供的数控机床数量就更多厂，不胜枚举，仅长 城机床厂为上海汽车齿轮厂就提供了8 9 台数控车床。 ( 3 ) 数控机床的技术水平有了明显进步。 在第六届中国国际机床展览会( c i m t 9 9 ) 上，中国机床工业企业以精品登 场、新貌亮相，展示行业在数控机床并发中的最新成就。 沈阳机床集团展出的h s 6 0 卧式加工中心、主轴最高转速达1 8 0 0 0 r m i n ，快移速度高达6 0 m r a i n ，加速度达1 9 此外还展出了1 a c 1 2 系列的 数控立车、高速数控立车，c k 6 1 2 5 高速卧式车削中心，s m - 0 0 1 数控活塞车 3 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 床，曲轴质量定心机等；北京机床研究所展出世界先进水平的高精度高速数 控车削中心，主轴回转精度小于0 2 # m ，主轴最高转速8 0 0 0 r r a i n ；宁江机 床厂展出的高精度卧式加工中心和中功能型数控纵切自动车床等。 从上面介绍的第六届中国国际机床展览会展品中，可以看到中国数控机 床产业在技术上已有六个方面的跨越。 ( 1 ) 已可供应网络制造，也即网络化、集成化、柔性化的制造装备。 如上述北京机电研究院和北京航主航天大学联合开发的产品，在3 号馆 北京展团上展出内6 台机床联成局域网，使用光纤通信和多媒体技术，在网 络控制器( 服务器) 上实现信息集成、资源共享、实时图象监视和实时管理。 还可在服务器上实现加工对象的实体造型，生成刀具路径文件和加工程序通 过网络，自动传送至各台数控机床。 这种网络化、集成化、柔性化的数控制造成套装备是技术上的新突破， 进入了当今世界数控装备最高一档水平。 ( 2 ) 五轴联动数控技术更加成熟 除展出北京机电研究院、华中数控公司，汉江机床厂和常州机床，总厂 四台五轴联动数控加工中心外，另外早已有多台国产5 联动数控系统在沈阳、 济南等地长期使用。 ( 3 ) 进入世界高速数控机床生产国行列 除展出一批主轴转速在80 0 0 - - 1 0 , 0 0 0 r r a i n 以上d b 一、北三、北京机 床所、桂林、南通产品) 、最高转速达4 0 ，0 0 0 r r a i n ，( 沈阳机床集团) 的高速 铣床、加工中心以外，还展出了快速移动达6 0 m m i n ，加速度达l g ( 沈阳机 床集团产品) 和快移速度4 0 m m i n 的机床( 北京机床所产品) 。北京第二机床 厂展出了c b n 砂轮线速达8 0 m s 的数控高速外圆磨床。 ( 4 ) 进入高精度精密数控机床生产国行列 如北京机电研究院的定位精度达和m 的立式加工中心和宁江机床厂定 位精度为8 z m 的卧式加工中心以及北京机床所主轴回转精度达0 2 p m 的车削 中心等。 4 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 ( 5 ) 进入全数控化螺旋齿锥齿轮铣齿机生产国行列 如秦川机床集团与西安交通大学和长沙铁道学院展出两台不同规格的六 轴五联动的全数控化的螺旋齿锥齿轮铣齿中心和铣齿机，使得机械结构最复 杂的传统机床得以数控化，其软件的复杂度极高，使得中国成为继美国、瑞 士、德国、日本之后，第5 个能生产这类机床的国家。 ( 6 ) 并联杆系( 虚拟轴) 机床研制有了新进展 展出的6 条腿和3 条腿机床中，其中3 条腿机床经过切削加工试验表明， 已可开始步入实用化的水平。这样的事例在世界范围内也属于少数。 经过多年的努力，我国数控机床存生产能力上形成了一定的基础，在技 术水平上有了相当的进步，但在某些高水平的数控产品方面、与发达国家相 比还存在差距。我们有信心在国家政策的导引下和在有关部门的继续支持个， 通过全行业的积极努力以及全国广大用户的鼎力支持，我国机床工具工业一 定能在迸一步满足国家建设和国防建设等机械制造业的发展需要方面，作出 令用户满意的新贡献 1 3 论文主要工作 为适应转轮加工的需要，某公司责成基建技改部负责，决定对c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车进行技术改造，并把它列为大件公司扩建改造工程中的一 个重点项目。某公司基建技改部迅速组织相关人员及原生产厂家武汉重型机 床厂的技术人员对改造方案进行了充分的论证，最后确定如下改造方案： ( 1 ) 改造原工作台承重量，由原4 5 0 吨增加到5 5 0 吨。 ( 2 ) 新增一侧刀架，三峡转轮下半部由侧刀架加工，以改善原立刀架下 伸过长，刚性不足的问题。 ( 3 ) 更换原f a n u c - 系统为s m m e n s8 4 0d 系统。 ( 4 ) 制造一个比原托架高度更小、刚性更好的新工作台托架，以解决原 托架过高，满足不了工件加工高度的问题。 哈尔滨t 稃大学硕+ 学停论文 第2 章c k 5 3 1 6 0 单柱移动式立式车床改造方案 改造老机床与购买新机床相比，减少投资额、交货期短，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。机械性 能稳定可靠，而且又能增强系统功能，提高机床设备的技术水平与性能。提 高原机床设备的生产效率，熟悉了解设备、便于操作维修，给用户带来巨大 的经济效益。 2 1 数控机床改造的步骤 对一台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 以及用户对系统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 准备阶段的工作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 满足用户加工。机床的原始资料是我们了解机床出厂状况的最基本资料，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 5 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 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，过商 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，考机并最终验收。 2 2 机床改造方案 2 2 1 机械部分的改造 1 侧刀架 由于三峡转轮直径1 0 0 2 0 m m ，高度5 0 6 0 r a m ，而机床工作台直径 8 0 0 0 1 r i m ，由于卡盘小，需将三峡转轮置于托架上，而主刀架滑枕加工行 程范围为3 0 0 0 r a m ，转轮下部约2 0 0 0 1 r i m 范围不能加工。故此新增一侧 刀架。新增加的部分包括工作台支承座立柱，侧溜板，侧刀架走台，侧 刀架。增加机床的加工范围，以便能更好、更快地完成三峡转轮的加工 任务。在设计中需考虑问题是： ( 1 ) 滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还 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 7 哈尔滨t 槔大学硕十学位论文 护和润滑。 ( 2 ) 齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度， 数控机床上使用的齿轮精度等级高。在结构上要能达到无间隙传动，因 而设计时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精 度。 ( 3 ) 滑动丝杠与滚珠丝杠 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。 ( 4 ) 安全防护 改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相 应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特 别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。侧 溜板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进 入滑动面损伤导轨。 ( 5 ) 基础 基础要承担机床所有的重量。设计要考虑基础的承重、防水、防振 能力。 2 工作台与托架 改造前工作台承重曲线图如图2 1 。由图可知原工作台承重量最大为4 5 0 吨，现三峡转轮重量超过4 5 0 吨，工作台承重量无法满足加工条件。针对这 种情况要使转轮能够加工，有两种可实现的方案： 8 啥尔滨f 程大学硕十学位论文 一是重新制造一个新工作台( 指原工作台机械刚度不足) ，二是增大静压 刚度( 指原工作台机械刚度能满足) 。 第二种方案是最经济的办法，由于三峡转轮重量超过原工作台承重量， 所以要增加到5 5 0 吨。 o ( t ) 图2 1 改造前工作台承重曲线图 新托架只为三峡转轮加工专用。由于三峡转轮直径1 0 0 2 0 r a m ，高度6 0 3 0 n l n l ，重量达4 5 0 吨以上。而机床工作台直径8 0 0 0 1 1 1 1 1 1 ，转轮直径超过工作台 范围，必须使用托架，而原有托架承重为3 0 0 吨，刚度不够，无法承担转轮 重量，为此需对原有托架改造或设计。受到转轮加工装配要求及转轮重量、 工作台承重影响，托架的高度尺寸，托架的承载网4 度，托架的重量必然限定 在很小的范围内。设计托架时要充分考虑托架的结构，材料的选择。并且要 考虑切削工件时刀具对托架受力情况。 2 2 2 数控系统 1 数控系统的分析 9 量 鲫 湖 珊 瑚渤抛 埘 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 数控机床改造，首当其冲的是系统的改造，根据调查，老系统有： 西门子：s d m e r i k 7 ，3 ，8 ，8 5 0 8 8 0 ，8 1 0 ( 早期型号) 发那科：f a n u c 7 ，6 ，3 这两大品牌的系统占有了目前我国目前老数控机床的绝大多数，目前多 数系统的电气备件已经停止供货 s l ，改造时候基本上不考虑保留老系统，我 们采取的方案是根据机床的现有控制等级、产品生产要求、企业资金状况， 选择相应的s 矾u m e r i k 8 4 0 d 系统。c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车数控系统是 f a n u c7 。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、 驱动电机的功率和用户的要求。由于资金许可，数控操作系统，选用西门子 8 4 0 d ，质量和外观都较好川。在更换中需考虑问题是： ( 1 ) 电缆：在方案指定初期就按照电气相应方案测定需要的电缆长度， 在改造项目中，凡是与数控驱动测量系统直接相关的电缆，只选择原装电缆， 但是大型主轴电机的电力电缆由于价格过于高昂，而不考虑原装电缆。 ( 2 ) 老主轴伺服系统的价值分析和改造方案 改造对象的主轴系统有两大类：直流伺服主轴和交流伺服主轴，改造方 案如下： 保留驱动装置和电机：老的主轴伺服采用的基本都是+ - 1 0 v 的模拟 信号接口，对于状态良好、价值很高的主轴可以采用保留的方案，适用的系 统有：s i n u m e r k8 0 2 c 、8 0 2 d 、8 1 0 d 、8 4 0 d 、8 4 0 d i ，8 4 0 c 。 只保留直流主轴电机：本机床主轴电机功率相当大，价格比较贵、安 装比较麻烦，同时电机状况良好，这个时候可以采用保留电机，改造驱动系 统，采用西门子新的直流伺服控制装置6 1 1 替代劳驱动装置，适用的系统有： s d 哪m e r k8 0 2 c 、8 0 2 d 、8 1 0 d 、8 4 0 d 、8 4 0 d i ，8 4 0 c 。 不保留驱动装置和电机：采用西门子新型1 p h 系列主轴电机和相应 的驱动装置替代老电机和驱动装置。 本机床优先选“只保留直流主轴电机”方案。 2 数控系统的选择 l o 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 ( 1 ) 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。 由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电 机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、 频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这 种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统【6 l ， 该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件 的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便， 工作可靠，成本低，易改装成功。 ( 2 ) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实 际位置反馈信号。随时与给定值迸行比较，将两者的差值放大和变换，驱动 执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的 实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂， 成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得 比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根 据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 ( 3 ) 交，直流伺服电机拖动。编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中问传动件上，间接测量执行部件的位置。它只 能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低， 但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元 件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 本机床优先选“直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统”方案。 2 3 机床改造方案的确定 数控设备以其高精度、高效率、编程灵活、能实现自动加工等优点。本 n 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 机床是单柱柱移动式数控立车，可以用来车削各种铁金属及其合会，有色金 属，非金属材料等工件，可以车削内外园柱，内外园锥沟槽、平面，螺纹以 及各种旋转曲面体。 一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间 的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修1 9 】。机床数控改造时 应尽量达到上述要求。c k 5 3 1 6 0 单柱移动式立式车床改造方案如框图2 2 。 图2 2c k 5 3 1 6 0 移动立车数控系统的总体框架配置 1 p c 机可采用工控p c 机，可满足该控制系统的控制要求。 2 s i n u m e r 啪d 数控系统 哈尔滨r 程大学硕士学何论文 我们采用s i n u m e r l k8 4 0 d 以满足车床x ，z 轴联动，实现直线，圆弧 插补。 3 光电耦合电路是自己设计的，它的作用是能够隔离外部干扰信号的冲 击，提高系统的稳定性。 4 机床本体是由原机床改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。 5 步进电机及其驱动器是西门子公司的。 6 各种限位开关，减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关是 起着硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加 工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被 开启并通知车床减速走到零位置。 各改造部分基本安装调试完毕，改造后的机床型号变为c k 5 3 1 6 0 g ，其 外观示意图如图2 3 。 图2 3 外观示意图 哈尔滨r 稃大学硕十学伊论文 2 4 本章小结 本章通过对机床预期主要规格和性能的阐述，确定了对机床的改造方案 为机床改造方案的实施提供了可靠的理论依据。 在改造实践中，我们始终认为一个好的改造方案是改造成功的重要基础， 并在这个环节严格把关，保证了改造的成功实施；本文将就改造方案的选择 进行阐述。 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第3 章c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车机械改造 c k 5 3 1 6 0 单柱移动数控立车机械改造部分包括： ( 1 ) 改造原工作台承重量，由原4 5 0 吨增加到5 5 0 吨。 ( 2 ) 新增一侧刀架，三峡转轮下半部由侧刀架加工，以改善原立刀架下 伸过长，刚性不足的问题。 ( 3 ) 制造一个比原托架高度更小、刚性更好的新工作台托架，以解决原 托架过高，满足不了工件加工高度的问题。 3 1 提高工作台承重量 工作台导轨平均直径t 6 1 0 0 毫米，导轨宽4 0 0 毫米，当工件重量超过1 2 5 吨，应注意将工件支承在导轨直径范围时，用支承座装卡工件时，其重量与 工件直径的关系见表3 1 ，按1 6 个支座考虑，包括支承座重量。 表3 1 重量与工件直径的关系表 工件支承点分布直径( 米) 工件支承座上工件重量 1 05 5 0 1 23 3 0 1 41 8 0 1 61 2 0 经校验，原工作台机械刚度设计裕度较大，可以满足承重5 5 0 吨的要求， 能满足三峡转轮加工要求，故决定采取第二种方案。更换原工作台静压泵站 系统。重新设计的工作台静压泵站系统中，全部采用进口美国威格士液压件。 考虑到提高静压后会引起油液发热，系统中增设了油冷却热交换器。为了节 水，我们又增设了1 2 m 3 冷却水箱及循环泵站，并且安装了电加热器，这样 就可实现夏季冷却，冬季加热的双重作用。为了保证静压质量，对上、下工 哈尔滨t 群大学硕七学位论文 作台进行了拆卸、刮研，更换了所有的油管及接头，增加了一条回油管路。 对主运动部分，工作台径向采用了2 d 3 1 8 2 1 5 6 0 高精度滚柱轴承定心，轴向 采用预载恒流静压导轨并且具有油膜测厚装置和温度保护装置，从而可以可 靠地保证工作台回转精度1 1 5 l 。工作台承重量最大为5 5 0 ，提高幅度达2 0 。 具体实施为： 本机床工作台静压导轨设计由8 组定量泵通过两组多头泵分别向各个油 腔供油，一组多头泵给单数油腔供油，一组多头泵向双数油腔供油。单独使 用一组多头泵，工作台上承载也是均匀的，8 组泵站分别为流量4 0 升，分和 8 0 升分，各四组。8 0 升，分泵站电机后端均分别带有一飞轮，以备突然断电 时作静压保护用，在断电后1 5 秒钟仍能保证静压导轨供油，按工件重量选用 多组泵站时，注意至少要有一组8 0 升分参加工作。本静压导轨正常工作时， 只允许增加泵站数，停车后才允许减少泵站数，以免误操作研坏导轨，导轨 面上设计有油膜测厚装置厚度，油膜测厚装置厚度设计以0 1 2 - 0 1 5 m m 为佳， 操纵台上有油膜测厚显示装置，即可用来观察导轨面上倾角和工作台面的倾 斜度，也可用作重工件装卡时，检查工作台导轨上受力的均匀性。导轨面上 设计有油温检测传感器，用来检测导轨面的工作温度，在操纵台上可读出导 轨油温。操作机床时，就可根据不同工件重量和油温，选择同时工作的泵组 数，工作台面的浮升量可以用油膜测厚装置显示值为依据，也可用千分表测 量工作台面的浮升量为准，而当油温达到6 0 时，自动停止工作台旋转，根 据工件重量和油温与选择油泵流量的关系设计见下表3 2 。 表3 2 供选择参数用，工件精度较高可略低于此值，粗加工可选用较大 流量值，但注意油膜厚度不要低于0 1 毫米。 工作台导轨上增加3 个测量点，可以利用操纵台上钮把，分别检查任一 点的油膜厚度，系统中溢流阀在出厂时已经调好，用户不得自己随便调整， 否则将影响导轨油膜厚度读数的准确性，溢流的油供主轴润滑用，在安装时 应检查主轴润滑是否有油。 在本系统油路中每一泵站均采用有两个精滤器和两个单向阀，机床允许 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 在工作过程中清洗精滤器，液压系统内压力表的读数取决于负载在 0 3 1 5 m p a 之间，4 个y 1 6 0 溢流阀是起保险作用的，在转阀不通时，调整到 8 m p a ，正常时不允许溢流阀溢油。主变速箱变速压力调整到3 m p a 溢油。 立柱卡紧油缸放松压力调整到5 m p a 溢油。 表3 2 工件重量和油温与选择油泵流量的关系表 工件重量 ( 1 ) 1 0 01 8 02 5 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 油温( ) 1 0 01 8 02 5 03 5 04 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 1 0 0 l l 2 5 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 1 0 0 1 0 01 8 02 5 03 5 04 0 04 5 05 0 0 5 5 0 1 0 0 1 0 0l 2 5 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0l o o 1 1 8 0 2 5 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 1 刀架和滑枕进给前给泵压力调整到1 1 5 m p a 溢油。 刀架和滑枕传动件润滑油路调整到0 5 m p a 溢油。 油膜测厚装置系统压力o 5 m p a 溢油。 设计工件重量与工作台转速关系，不要高于表3 3 。 表3 3 工件重量与工作台转速选用表 工作台转速 1 52 53 556 581 01 21 41 5 5 ( 转分) 工件重量 5 5 0 4 5 04 0 0 3 5 03 0 02 5 02 0 01 5 0 1 0 05 0 ( 吨) 工件装卡时应注意；工作台导轨平均直径q b 6 1 0 0 毫米，导轨宽4 0 0 毫米， 当工件重量超过1 2 5 吨，应注意将工件支承在导轨直径范围时，用支承座装 卡工件时，其重量与工件直径的关系见表3 4 ，按1 6 个支座考虑，包括支承 座重量。图3 1 为改造后工作台承重曲线图。 1 7 哈尔滨f 稃大学硕十学位论文 表3 4 蘑量与工件直径的关系表 工件支承点分布直径( 米)工件支承座上工件重量 1 05 5 0 1 23 3 0 1 41 8 0 1 61 2 0 q ( t ) 图3 1 改造前工作台承重曲线图 3 2 侧刀架设计 新增一侧刀架，三蛱转轮下半部由侧刀架加工，不仅改善原立刀架下伸 过长，刚性不足的问题，也解决了工件高度超过3 0 0 0 m m 时，工件下部加工 问题。图3 2 为c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架传动系统图。图3 3 为c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架 滚动轴承分布图。 侧刀架设计在与立刀架相对称的工作台的另一边，其主体包括立柱，床 身平台、侧溜板、刀架及刀架走台、设计总重量为8 0 吨。 鲫 姗 枷 姗瑚瑚 埘粥 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 立柱在床身平台上为非机动移动( 用吊车移位) ，立柱内有平衡锤，以平 衡侧刀架及侧溜板的重量，侧溜板移动( w 轴) 采用滑动导轨，其导轨面贴 软带，u 轴( 刀杆) 及w 轴均为滚珠丝杆副传动，且两轴可联动，侧刀架滑 枕移动采用滚动块及软带的复合导轨，导向面用滚动块，主受力面用软带， u 、w 轴的进给箱及导轨全部采用定程润滑，立柱油箱供给全部润滑油，同 时，侧溜板上的抽油电机则把油抽回此油箱。调整侧刀架液压润滑装置时， 将电磁阀接通，使润滑油路通油。保证各润滑点始终有油再调整溢流阀，溢 流压力为5 r , g c m 2 。调整侧溜板镶条时，调整各镶条的调整垫，使各镶条与 立柱导轨面间的间隙单面为o 0 2 - 0 0 2 5 r a m 。 图3 2c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架传动系统图 侧刀架轴伸1 2 f o r u m ，上、下行程2 5 0 0 r a m 。用侧刀架加工转轮下半部， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 可以从根本上解决直刀架加工中的刀杆刚性不足的问题。 侧刀架安装的地基工程由辽河油田天工集团承建。地基四周及底部设有 防水隔层，并设有防振隔墙。整个地基的基础在侧刀架安装前进行了2 5 倍 于侧刀架重量的加载预压。表3 5 为c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架滚动轴承零件表。图 3 4 为侧刀架滑枕受力伸长曲线图。 3 1 8 ( 9 0 1 9 0 x 4 3 ) ( 8 件) 图3 3c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架滚动轴承分布图 哈尔滨 r ：稃大学硕十学t ：) ：论文 表3 5c k 5 3 1 6 0 g 侧刀架滚动轴承零件表 部件号部件名名称型号规格件数 深沟球轴承3 1 89 0 x l g o x 4 38 1 组合轴承 z a r n 6 0 1 2 0 1 n6 0 x 1 2 0 8 21 径向球轴承 b 6 0 0 6 3 0 5 5 x 1 32 2 水平进给箱 组合轴承 z a r n 6 0 1 2 0 n 呵6 0 k 1 2 0 s 2l 径向球轴承 b 6 0 0 63 0 x 5 5 x 1 32 3 垂直进给箱 组合轴承z a r n 6 0 1 2 们r n6 0 x 1 2 0 x 8 21 滚动块s r s4 0 1 2 6 s g x l4 0 x 1 2 6 x 3 08 4 刀架 组合轴承 z a r n 6 0 1 1 0 t n5 0 x l l o x 8 21 p a c r e 4 0 08 0 0 1 2 5 0 u 衄) 图3 4 侧刀架滑枕受力伸长 哈尔滨t 程大学硕十学t 7 ：论文 3 3 工作台托架设计 制造一个比原托架高度更小、刚性更好的新工作台托架，以解决原托架 过高，满足不了工件加工