（机械工程专业论文）管子车床的数控改造设计.pdf

沈睡l 工业大学硕士学德论文 揍要 g e 5 一1 0 0 0 s 嚣班矛叟产戆警予车床主要惩予魏王夏酒濑管螺纹及对嚣i 蠢油管螺纹遴 行修复。由于该机床在控制方面的设计与嗣内同类型机床有很大差异，造成操作者在实 繇操终融不习惯，导致在安装调试器戆尼年内，不g 投入搜嫣。为勰决瑟阏题，嗣瓣提 简加工的自动化稷度，我们提出列+ 该车床进行数控改造。 本文分绍7 熙n u m l 0 4 0 t 数控焱绫慰管予车庆的改造设计方法，霪点闺遴了枫藤憋 电气设计、p l c 程序编制与调试以及螺纹羹复切削功能实现三方面的问题。 n u m - 1 0 4 0 t 数控系统楚一秘开放式的功能强大豹数控系统，该系统除舆镊与其它数 控系统相同的基本功能外，还具有“螺纹煎复切削”功能，可对工件原有螺纹进行修复 劳基不出现委l 掘现象。针对该枧床的结构特点，为它配备了n u m l 0 4 0 t 数控系统及经能 良好的b p h 系列伺服电动机( x 轴：2 2 n m ，z 轴：3 6 n m ) 和姻l a 系列驱动系统，并在主 轴箱内安装7 编码器。 主电路设m 主轴变速及正、反转控制采用原西门子伺服系统进行驱动；数控刀架 厩、反转遁过改变电路相序来实现：主控电路设计主要完成数控系统、主辅电虹、数控 7 ) 架以及驱动系统供电及其控制。 利用n u m 数控系统提供的p l c t o o l 软件开发了该机床的p l c 控传4 程序，实现了p l c 输入输出端与机床面板信鸯联接、p l c 输出端与机床强电信号联结、p l c 输入端与c n c 机床数控装置i o 口的联结及c n c 加工代磁g 、m 、t 的实现。 文中分析了n 糯数控系统中特有的螺纹修复功能原理，通过对6 3 8 + 、g 3 3 编程语句 中变量的理解，完成了对损坏较轻的螺纹保证刀具对准原螺纹槽进彳亍的修复率削，有效 地提高了滴管螺纹的加工效率，同时节省了管秘和了了具。在应用6 3 8 + 功能霜，使所加 工的螺纹精度达到了a p i 标准。在嗣内首次使用n u m 数控系统提供的g 3 8 + 功能，实现 螺纹重复谫麓。 利用n u m - 1 0 4 0 t 数控系统对g e 5 1 0 0 0 s 西班牙管螺纹车床改造臌，该机床操作方 便，簿低了澡作者豹劳动强度，提离了生产率，经测试各瑗技术指标均已运疆| 工泣标 准，系统运行平稳。 关键词：n u m 数控系统、机床电气、p l c 控制、螺纹覆复切削 沈阳工业大学硕士学位论文 n u m e r i c a lc o n t r o lr e c o n s t r u c td e s i g no nt u b el a t h e a b s t r a e t t h eg e 5 - 1 0 0 0 st u b e l a t h e r , w h i c hw a sm a d ei ns p a i n ，w a sm a i n l yu s e df o rp r o c e s s i n gt h e p e t r o l e u m 7 p i p e l i n et h r e a da n df i x i n gt h eo r i g i n a lp i p e l i n et h r e a d b e c a u s et h e r ea r eq u i t e d i f f e r e n c eo f t h es a m ek i n do f m a c h i n et o o li nt h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mb e t w e e nt h a to f t h e o v e r s e a sa n do f t h el o c a l ，t h eo p e r a t o rf e e ln o tb e t t e rt ou s et h em a c h i n et o o la ta c t u a lo p e r a t i o n a sar e s u l tt h em a c h i n et o o lc o u l dn o tw o r ka f t e rt h em a c h i n et o o lw a si n s t a l la n da d j u s ti n s e v e r a ly e a r s t os o l v et h i sp r o b l e m ，a n da tt h es a m et i m et oi m p r o v et h ea u t o m a t i cd e g r e e ，w e p u tf o r w a r dt ou s et h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma l t e rt h em a c h i n et 0 0 1 、t h ea l t e r i n gd e s i g no f t h et u b e l a t h e ro f u s i n gt h en u m l 0 4 0 t ，t h en u m b e rc o n t r o l ss y s t e m ， w a si n t r o d u c e di nt h i st e x t t h r e ep o i n tp r o b l e m s ，a l t e r i n go f m a c h i n et o o le l e c t r i c ，p l cc o n t r o l a n di m p l e m e n to f t h ef u n c t i o no f r e s u m p t i o no f t h r e a dc u r i n g ，w e r ee x p a t i a t e d n u m 一1 0 4 0 t n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i s a n o p e n a n d p o w e r f u l n u m e r i c a ls y s t e m b e s i d e s t h eb a s i cf u n c t i o n so f t h eo t h e r sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，i th a st h ec o n t i n u o u s l yf u n c t i o no f r e s u m p t i o nt h r e a dc u t t i n g ，w h i c hi sc u t t i n gt h et h r e a dc o n t i n u et h eo r i g i n a l l yt h r e a da n dw i t h o u t t h ep h e n o m e n o no f d i f f e r e n tt h r e a d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s6 f t h em a c h i n e ss t r u c t u r e ， t h em a c h i n eh a sb e e nc o n f i g u r e dt h en u m l 0 4 0 tn u m e r i c a lc o n t r o l ss y s t e ma n dn u m d r i v e n u m e r i c a ls e r v o t h eb p he l e c t r o m o t o rh a sb e e ni n s t a l l e di nt w oe n t e rc o o r d i n a t e sr e s p e c t i v e l y ( x ：2 2 n m ，z ：3 6 n r r l ) a n dw eh a v ei n s t a l l e dt h ec o d e ri nt h eh e a d s t o c k t h ed e s ! g n so f t h em a i nc i r c u i t ：t h es h i f tg e a r so f t h es p i n d l ea n dt h ec o n t r o lo f p o s i t i v eo r r e v e r s a li m p l e m e n t e dd r i v eb ys i m e n ss e i v os y s t e m ；t oi m p l e m e n to f t h ep o s i t i v eo rr e v e r s a l o f t h en u m e r i c a lc o n t r o lk n i f er e s t ，w es h o u l dc h a n g et h e p h r a s eo r d e ro f t h ec i r c u i t t h em a i n t a s k so f t h ed e s i g nw o r ka b o u tt h em a i nc i r c u i ta r ea sf o l l o w s ：t h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ； p r i n c i p a la x i se l e c t r i cm a c h i n e r y ；n u m e r i c a lc o n t r o lk n i f er e s ta n dc o n t r o lc i r c u i to f t h ed r i v e s y s t e m u s i n g 雠p l c t o o ls o f t w a r e ，w h i c hp r o v i d eb yt h en u mn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m w e h a v ew r i t et h ep r o g r a m so f p l cc o n t r o l ；h a v er e a l i z e dt h es i g n a lj o i nb e t w e e nt h ei oo f p l c a n d t h e c o n t r o l p a n e l ；t h e j o i n t b e t w e e n t h e p l ce x p o r t a n d t h e p o w e re l e c t r i cs i g n a lo f t h e 一2 婆里三些- 大堂堡主堂垡丝茎 m a c h i n et o o l ；t h ej o i n tb e t w e e nt h ep l ci n p u ta n di oo f t h en u m e r i c a lc o n t r o li n s t a l l a t i o no f c n cm a c h i n et o o la n dt h ei m p l e m e mo f t h ec n cp r o c e s sc o d ea n dg ，m ，t t h ed i s t i n c t i v ef u n c t i o na n dt h e o r yo f r e s u m p t i o no f t h r e a dc u t t i n go f t h en u ms y s t e m w e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r u n d e rt h ec o m p r e h e n s i o no f t h eg 3 8 + ，g 3 3p r o g r a m sv a r i a b l e ， c u t t i n gt 0 0 1a i ma tt h e o l dt h r e a d ，w eh a v ef i n i s h e dt h er e s u m p t i o no f t h r e a dc u t t i n go f t h e o l d t h r e a d ，w h i c hw a sl i g h t l yd e s t r o y e d i th a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo f p r o d u c i n g t u b e t h r e a d 砒t h es a m et i m e ；i th a ss a v et h et u b em a t e r i a l sa n dc u t t i n gt o o l s a f t e ra p p l i e dt h eg 3 8 + f u n c t i o n s t h ep r e c i s i o no f t h ea r t i f a c tt h r e a dh a sr e a c h e dt ot h ea p is t a n d a r d t h er e s u m p t i o no f t h r e a dc u t t i n go f u s i n gg 3 8 + f u n c t i o nw h i c hp r o v i d e db yn u mn u m e r a lc o n t r o ls y s t e mw a s f i r s t l yc a n yo u ti no u rc o u n t r y u s i n gt h es p e c i a lf u n c t i o n so f r e p a i r i n gt h r e a do f t h en u ms y s t e m ，c o r r e c tu s i n gt h e p r o g r a m sd i c t a t eo f g 3 8 + ，w ec a nr e p a i rt h eo r i g i n a lt h r e a d s ，w h i c hl i g h td e s t r o yt h r e a db y e n s u r i n gt h ek n i f ea i m a tt h eo r i g i n a lt h r e a d k e y w o r d s ：n u mn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；m a c h i n et o o le l e c t r i c ；p l cc o n t r o l ；r e s u m p t i o no f t h r e a dc u t t i n g 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示r 谢意。 签名：苍墨日期：丝! 圣坦! ! 旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文韵复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盔垂 导师签名：j 盘墨日期：趔圣! 堕! ! ! 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 随着机电一体化技术的迅猛发展，数控机床的应用已腭趋普及，机械制造业壕在越 来越多地采用数控技术来改善其擞产加工方式，用以解决现代机械制造中结构复杂、精 密、批量小、多变零件的= ! b 工阀题。然藤，从垦翦企业薅冁的情掇藿，嚣数控极床价格 昂贵，次性投资较大，使有些众业难以承担。因此，对蒋通机床的数控化改造就驻得 # 豢必要，这秘努要瞧圭蔡体璎在： 数控机床可以加工出传统机床加工不出来的瞌线、曲面等复杂的零件。 鬻疆实瑗勰王豹蠢动征，褥显是豢经自动纯，获嚣效率霹魄传统褫寐提高3 7 倍。 鸯h 工零件的精度离，尺寸分散度小，使装配容易，不再需鞭“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件谯机床闯的频繁搬运。 拥商自动报警、自幼监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间羌人看 蛰加工。 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 数控纯率不蘩3 。我瘸静大多数露遥雩亍潼帮企盈豹生产、翱工装餐绝大数跫传统静机 床，而且半数以上是役龄在l o 年以上的i 日机床。用这种装备加工出来的产鼯普遍存在 臻量差、黼种少、档次低、成本高、供货潮长，从而在国际、国内黼场上缺乏竞争力， 奠接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存秘发展。所以必须大力提寒褪 床的数控化率。 我国是改革嚣赦鞋来，投多金渡铁重赡零| 进技本、设鍪帮生产线遴嚣按零改造。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 纪美元。 这些项目中，大部分项目为我园的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目 出于种种鞭因，设备或生产线不能正常运转，葚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重 的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不 全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意碍i 迸设备、仪器、生产线，忽视软 沈簿；l 工业大学硕士学键论文 黪、工艺、管理等，造成瑗霆不宠整，竣锈潜力不缝发箨，套魏甚至不髓囊魂运行，没 有发挥应有的作用。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不辘佼蒡l 豹设备、生产线是个毽袱，也蹩一孰缀大豹存量凌产，骖好了藏怒财 富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量 资产，争取至0 最大的经济效益和社会效益。 在美网、日本靼德国等发达国家，它们的机床改造 乍为凝的经济增长行渡，生爨盎 然，正处在黄余时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。 我国敬极臻改造业，也从豢数行业避入到以数控接零失主熬掰戆嚣黢。在美骧、蜀零、 德圈，用数控技术改造机脒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 静耨瓣露渡。在美瓣，辍臻改造曼稼为疆。霖孬生( r e m a n u f a c t u r i n g ) 盈。觚事再生她 的藉名公司有：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 集濯：淄设备公蠲簿。美黼得宝公司已在中国开办公司“。 我们撼出的对职班牙管螺纹车床的数控改造是一个典型的车床数控改造安饿，对于 改善生产环境，降低劳动强度，提高零件加工精度及自动化程度具肖重要的意义，可以 仓q 造一定的经济效蘸秘社会效蓝。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 缝论 1 1 问题的提出 随着枫窀一体纯技术的迅猛发展，数控祝床韵成用已蠲趋普及，机械制造业正税越 来越多邋袋攘数控技术采改善其生产妻鞋王方式，用爨解决现代撬皱剁造孛缝将复杂、精 密、批量小、多变零件韵加工问题。然而，从目前企业面临的情况肴，因数控机床价格 臻爨，一次性投资较大，谈寿些金鼗难滚承据。戮簸，黯謦逐瓿寒酌数控纯改造就显褥 非常必要。 奉漂趱髂蘑熬；蛰霹g e 5 - 1 0 0 0 s 露班嚣：生产鹣镣予车菰静特熹秘竣遥要求，逡择器 卷“螺纹墼复切削”功能的n u m1 0 4 0 t 数控羝统，虚用电气控制理论，对该车床进行改 逡设计，掰决原税寐操作不习惯、对内表面瀚弧加工难及螺纹修复费时、效率低等问 题，从嚣提离生产搴及零孝 宓g 工跨度。 1 2 对管予车床的认识 孛海演露公司天津努公霹予1 9 9 6 年魏鬣酶秀褒雾产车凑是一套磐逶懿管子车臻。 该机床在滑板上的墩大j n i 嶷径为m7 0 0 m ，最大加工长度为3 0 0 0 m m 。主轴变速采用存 缀、无缀绻裔酶方式，有缀调速为魏挡，瓷每禚串又采焉了无缀变逮。迸给运动由奎 辘提供，溅霹通过光枉傲避绘运动。爆露逐避丝枉妻# 王螺纹。该极床在托扳的居部安装 了锥度尺，通过调节尺豹锥艘便可加工不 司锻度的工件。改机床外形蒺观，结构合瓒， 售髓张装嚣糖度毫，具有是够熬嚣骥鞍强度，艇王落霭宽，笺适应较大静餐粼力，麓工 工件的精度也较高。 在装测上，滚税滚没菇嚣蠹撰窳繇毖酝的揉缀稃，圭辍瓣超、簿、歪转，爱转虢获 进给运动的快速左、右移动都是采用位于床热箱的麟板和托擞上操纵台面板上的按钮开 关米实魂。主轴调蘧系统采瑟瑟门予静6 t l a 系列主辅筒驻系统，在未轴箱串蟹放了光 电嚣关，使褥讽速矍为精确和平稳。 正是甜于该杌廉在控制上的这种与国内间类型机床的差别，造成操作者猩实际操作 对的不习惯，导致该摄疼在安装通试爨酶见每态，不戆投入燕索整豫。 ”3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 数控改造的意义及要求 对颈班牙产管子车床进行技术改造的出发点是使该车床能正常投入运转，以发挥其 功效，炎企业创造馀毽。改造懿蓥本思路楚黠该极庆进 爹数控改逡。 数投机床在械制造业中已得到日益广泛的应用，具特点为： ( i ) 燧适应不弱零耱豹螽囊翔工。生产准备鼹麓短，蠢穗子瓶械产麓豹受藜羧代。 ( 2 ) 生产效举和加工精度高，加工质援稳定。 ( 3 ) 能高效傀矮完成复杂蝥灏零件酌绷工，其生产效率眈普通机床寓国十凡饕至几 十倍。 ( 4 ) 2 1 2 序集中，一枫多用。 数控摄床鸯罄普逶规床艨没蠢的诸多优点，融逐步代替7 誓逶壤床孝撬禳皋l 选鼗躲 主导地位，为提高生产效率和保证零件加工质量提供了有利的保障。是否拥有和拥有多 少数控壤庆已残为裁禳露造鼗译定一令众泣是否荚毒实力熬一个美捷毪豢标。 进行数控改造后的管予车床威既保留该机床原有优点，还应利用数控机床的特点， 虢数控梳床翡搡作方式替代骧税寐操作方式，麸褥充分获挥该枫臻豹律用，为企救宅l 造 照大的经济效益。 对该机床进行数控改造还有助于促进工人去适应现代制造业的飞速发展。可以通过 改造后的机床，了按数控枧床斡构残及工作原理，掌握数控鸯& 工方法。这辫子提裹工久 素质，提高企业形象以及在市场中的竞争能力都题极有意义的。 改逡鑫豹瑟凝牙车臻瘟达裂疆下基本簧求： ( 1 ) 保持原有机床本身的制造精度和朦机床加上工件时所能达到的精度。 ( 2 ) 麓实现工箨麓工静自动循环要求，缩短辅助时阋，提高热工效率。 ( 3 ) 保持车床所具有的切力n 工性能，即具有加工内、外圆柱蕊及曲蕊、端平蕊， 内、外瞬锥面及公制、英制螺纹等的能力。 ( 4 ) 搬据工传表面粗糙度的要求，允谗掇庆在飚一工终援环中袋用毫遗精加工操 作。 ( 5 ) 鬟毒骖复王终骧蠢镶螺纹瓣戆力，并不缮爨瑗秀招蕊象。 ( 6 ) 控制系统可靠，具有一定先进性。 浣雕f ：业丈学琰七学像论文 ( 7 ) 车霖憨钵逡登要美躐、大方。 提出上述基本要求的出发点是因为机床数控改造并非从本质上对原机床的结构进行 了改造，丽只是禳獭数控辊霖的特征增加了数控系统稻伺服系统，以及与诧耩应酶传动 系统，其目的是为了满足数控机床的工作性熊要求，提高自动化能力，保证被加工工件 精度致性的要求。 1 4 车痣数控改遣方案设计 原管予车床 强肘 ：对输汕篱道的油管及汕管螺纹进行加工，其加工工艺要求机床 应究袋戆工佟蠹骞有：控麓主轴歪爱转稻实臻英不溺甥鸯速度瓣主辜蜜交邃；刃絮裁实联 纵向和横向的进给逡动，并具备在换刀点自动改变四个刀位毙成选择刀具：冷却泵、润 淆泵的启停：身b 工螺纹时，液保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹静螺距或导 程。这些工作内容，就是改造后数控系统控制的对象。查看原车床及肖关资料”1 ，并且 参照数控车床的改造经验，确定主体方案为：对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和 小撼扳装上数控刀絮；括捧黪通丝枉、光桎、避绘镣、溜板簌，换上滚珠丝枉螺母副； 主轴后端加光电编码器，供加工螺纹使用。数控系统选用法国n u m l 0 4 0 t 擞数控系 统。驱动豸 统载波诗，圭霉痿| 系统保熬藤捉藤采蘑豹嚣门子圭辜囊翻l 受系统，筵 绘稼受系 统选用与n i _ | i 1 0 4 0 t 相配套的交流伺服系统。 ： 祝械部分设诗：在主辖籍瘫安装编露器及编码器支架，阪及e 轴零位开关及支絮。 编码器前端经弹性联轴器与支承的齿轮同轴涟接，该齿轮z = 2 0 ，m = 5 ，与主轴大齿轮 ( z = 1 2 8 ，m = 5 ) 啮合，作为c 轴的反馈元件。另在主轴大齿轮的锁紧螺母上装一挡块， 乍为c 轴零饿开关的发信装鼹。 刀架的改造。选用烟台机床附件厂生产的a k 2 1 2 4 0 x 4 型电动刀架。 遴绘系统戆致造。将暴撬寐的邃绘麓、藏叛箱、殷挺、巍秘、淫投及刀絮全部拆 除，只保留溜板。纵向进给由固定在床身上的伺服电机经齿轮箱与滚珠丝杠连接，再缀 螺母带动灞投焉实残。其中，齿轮褡鹣俸震怒增大巍雉秘谖熬筒联毫橇与滚珠丝程静像 置。齿轮箱中为一级无隙齿轮传动，速比为1 ；2 。 政造盾的梳床有如下特点：具有与原梳床一致的两度与强度。具有与原卡冗床一 致的加工范围。纵向进给巍线度与原机床样，其运动精度则出数控系统和纵向电 沈i i n _ e 业人学硕士学位论文 机、滚珠丝杠的精度保证。横向进给的直线度和运动精度全部由改造郏分的制造和装 配精度保证。可充分嗣用原梳床床身部分的已加工表筒作为改造部分的定位和测量基 _ 准。改造屠的机床外形将类似予国产经济型数控车廉，整体较美鼹、大方。 改造后的机床外形如图1 - 1 所示。 图1 - 1 改造后的管子车床 1 5 数控系统的发展 数篷羟潮( 简称“数控”鬣“磁”) 翡概念是挺被翔工的机械零件的要求，如形 状、尺寸等信息转换成数值数搬指令信号传送到电子控制装置，幽淡转餐控制驱动机床 刀具的运动而身n 工出零件。而在传统的手动机械加工中，这些过程都需婺经过人工操纵 机械而实现，缀难满足复杂零尹 ：对加工蛉要求，特另列专：多晶秘、小批鬣浆零件，加工 效率低、精度差。 1 9 5 2 年，美国窳省理工学熬与骧豢焱公司邀雩亍台终，发唆了 筵：零上第一台三辍糠数 控铣床。这台n c 机床的研制成功标志着n c 技术的开创和机械制媸的一个新的、数值控 露l 薅佼鹣开始。褒代铡e 系统静场能、镶髓大大摄高，敬簿率已洚至0 棚次( 簿， 台) 。以f a n u c 公司为例，1 9 9 1 年开发成功的f s l 5 系统与1 9 7 1 年开发的f s 2 2 0 系统 沈冁工业大学硕士学镶论文 攘魄，体积只煮藤者兹卡分之一，瑟燕王穗度挺蹇了l o 繁，热工速度提巍了2 0 倍，可 靠性提高了3 0 倍以上。现在，n c 技术已成为先进制造技术的基础和关键技术。 黼技术靛发袋已有翰多年鹃弱变，窀是在多耱技来交叉豹基襁上发袋超来酶。其 中主要的必键技术有： ( 1 ) 墩子元 牛技术豹发展：徽电子技术的发展，对数控技术起着极大的推动作用。 同本f a n u c 公司农1 9 5 6 年开始采用电子譬瞬究n c ，1 9 6 3 年采焉髓藩俸管研制出 f s 2 2 0 、f s 2 4 0 等系统。1 9 9 6 年，f a n u c 采用最新专用芯片3 5 2 p i n 的微电子工艺b g a 封 装及采用瓣强工装生产憨微处理爨，雄凑了夺型键凑蠖戆瓣i 系列数控系绫，大奎廷有 原有系统的1 4 ，大大减小了占用的空间，提高了系统的性能和可靠性。， 2 ) 软俘赘巍怒：1 9 7 4 年，美、蠢等鏊糖缝蹬潮出戮徽处理器为核心翡c n c ，它运 用计算机存储器里的程序完成数控鬻求的功能。其全部和部分控制功能由软件实现，包 括译码、刀其补偿、速度静理、攒补、位鬣控制等。采用半导体存储器存储零件加工程 序，可以载替打魏的零件纸带程序进行加工，这种程序便予显示、捻查、修改和编瓣， 因而可以减少系统的硬件配置，掇高系统的可靠性。采用软件控制大大增加了系统的柔 投，降低了系统黪巷l 造成本。 ( 3 ) 伺服技术的发展：伺服装鬣是数控聚统的堂臻组成部分。2 0 世纪5 0 年代初，世 赛第一台粒撬床豹迸绘驱动采蠲滚篷驱魂。7 0 年代裙麓，由于石灞危橇，翻上滚趱霹 环境的污染以及系统笨重、效率低蹲原因，美国6 e i t y s 公司开发出巍流大惯量伺服电 动枫，静力矩酾趋动力矩大，性熊鼹好，f a n u c 公司很快子1 9 7 4 年弓| 迸并在n c 机床上 得到了应用。从此，开环的系统逐濒被闭环的系统所取代，液压饲目骚系统逐濒被电气伺 服系统所取代。 。 电气饲服技术的翅期除段先摸羧控铡，这秘控制方法曦声大、漂移大。穗着徽鲶理 器的采用，引用了数字控制。它有以下优点：无漂移，稳定性好。基于数值计算， 精度毫。逶遂参数对系统没定，溪整减少。对瑷代数控系统，稼簸技术取褥静最大突 破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制。2 0 世纪9 0 年代，许 多公霉叉磷麓了直线毫动撬，莲l 全数字谪粮驱动，嚣毪好，频嗣好，因两可获得离速 度。 淀陋王盈大学矮士学霞论文 ( 4 ) 蠢动编稷的采用：自动编穗需要肖磨动纯编程语京，寐省灌工学躐磷裁斡a p t 滔言是最典型豹一秘数按溪言，它太太域撼亵了缡程效率。从7 0 颦代开始出现的阁象 数控编稷技术有散地解决了几何造型、零件几何形状的最示、交蕊设计、修改及刀具轨 迹生或、走露过稷鹣费冀显暴、验涟等，瓢嚣黎渤7c a d 器挠耩囱一体纯穷彝发鼹。 ( 5 ) 可编程控制器的浆用：张2 0 世纪7 0 年代以前n c 控制器岛机床强电顺序控制主 簧靠整惑耱送孬。1 9 6 9 圣荽美藿d e c 公司彩 髓窭整器主繁一裔莓籁箨序控铡器p l c 。p l c 报快就照示出优越性：设计的图烨与继甑器电路相似，形氟直观；可以方便地实现程序 的显示、编辑、诊断、存储帮传送；p l c 没有继魁器电路鄹稃接触不良，触藤溶簿、簿 损、线嬲烧叛等缺点。因此很抉在n c 机球上愿到应用。使用p l c 还可以太大减少寨统 的占用窝间，掇i 葡系统的快速性和可靠髓鳓。 辫传惑器技术嚣发展：一条黼系统爨蠛连接在一起葬重，它缝控鸯的是露鞲嶷除 照机械因索的影q 移 ，闭环系统逑主要取决于所采用的传感器，特别是位躐和速廉传感 嚣，蟊可灞蠢鸯线位移和旋转是度嚣壹线感痰同步器窝嚣感应司步爨、塞缝窝蚕党耱、 黻尺、利用磁阻的传感器等这些传感器凼_ 光学、精密仪器、电子部件组成，一般分辨率 海氇0 1 - 0 l 黼，澜耋糖度秀土o 。0 2 - 0 + 钮龟蕊祝5 蠢王侔台速度隽2 0 r e r a i n 骧- f 。 髓着枧臻糖疫的不断提麓，对传感器豹分辨率和糙度也提出了更高的要求。于是出现了 具有“潮分”电路的高分辨率传感器，暾蛔f a n 游公司番糯g 的编码器通：醴缏分可徽掰分 辨率梵。l 秘强。潮雳它擒成熬褰糨度数控系统为越鬻控刳及趣工剑造了条串。 ( 7 ) 制造技术的发展；c n c 机床的发展建立在n c 技术、机械构造技术和制造技术的 基整主。耀量，黼奉骞懿发震遵怒建立在瓿攘鹃发震基酸圭。枫械热工速度释耩嶷 的提高。要求n c 系统的功能不断扩大、改进和完善，特别是高速黼精加工的要求产生 了高速离精控制系统，趣播沃逮禚跨潆入、赛速离精捶於、控懿及输感。秘藏缝拷鲢 趟化与敬进及瓤加工功能的完善，要求n c 的软件功能越米越复杂，元部件性能越来越 商。梳械加工的连续运行、述线、协调，要求n c 系统霹靠侄不断提高，船工和系统 信息不瞧霹 ；乏控铡、处理、 睾邀、警理赋虽逶过斓络可以共享。 目前，我国的机床工业正从生产大围变为帆廉强国，主要体揽在数控机床产晶的技 术瘩孚辩凑量不隧发器及提毫；箕孛，特疑蓬数控系统耪数控錾辣鳃霹黎注不颧提嵩。 沈黻i ：监大学硕士学位论文 2 机床的电气谶造 2 1 数控系统的选择 壤窳羧控系统( c n c 系统 楚数控瓿寐靛控制棱心，隧藿辊藤数控接拳熬不断发震 与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为涩 藩，现奁，数控棍床已森秘壤工她生产孛褥蓟广泛威蘑。 目前市场上溅行的数控系统，如f a n u c 、西门子等都配翟有车床数控系统，能 够胜任车渐加j ：的大部分工作，并其有价洛低廉、可靠髋程、翡能强大等特点，键 龆不具餐螺纹穆鳋功能，麓鞋寸在螺纹搬王过程中，不允许主鞋变速。缀显然，不能 满足管予车床改造的全部基本要求。 在对多家数控系统缀镑藏遴 亍考囊磊，我 】邃撵了法毽藜n u mt 0 4 0 t 型数控系缝。 n u m l 0 4 0 t 数控系统题n u m 公词于1 9 9 5 年开发出的全新数控系统，是紧凑且功熊完 蛰懿鼹使鼗控系凌。箕爨俸茨技零特点如下辑 ( 1 ) 硬件缩构 采用e i s c ( 越大规蒗集成电褥) 接拳辩g s p 主皈。主缀上连接可插接( 分离於) 小模叛。 对予数控系统。由于其是弱电电路，如果采用+ 2 4 v o c 为电源输入，可以大大降低 葵煞滚帮不稳定爨囊。瑶户霹激恕+ 2 4 v d c 稔蓬露潦敦在慧气柱肉。太太掇嵩了整个数 控系统的可靠性能。 p l c 萌麓静内部集或。p l c 葫麓戆内部集藏氇，提离tp l c 鞍e 鼯酌蠹部透谖姥 力，增强了机床的逻辑控制。 p l e 瓣3 2 输入裙2 4 输击模获。k 蹶鹣3 2 输入耱2 4 输岛漠块，霹陵稼辨嚣斡瞧路 攘连接，藤这种模块，通过n u m 提供韵电缆和n u m 数控泵绞连接。这就提黼了整个机 徕的可靠性。同时又提高了数控系统的保护( 如果有问题，只能损坏这种模块，不会砖 数控系统造戎戳坏) 。 光纤技术的通讯，对于扩展p l c 输入输出点，逝过光纤进行避接，简化和线路的连 接。 洗翮= c 娃大学硬士擎筏论文 轴转按模块。n 晰提供了轴转搂模块，机床酶编礴器霹鼹l 侮弦的线路可 ；i 蛊接联弼 魏模块，逶避宅再和数控系统数轴叛避霉逡接。提巅了数控系统豹司。靠性。 另外：，n l m 的辅连接和其它数控系统不同。n i a i 的轴模块连接此轴的所有惰息 鲡；臻鹞嚣，速发信号，馥零嚣美) ，螽聚懿瘩鸹辘毒翔遥，哥浚蛊揍怒转嚣激上姻 捅头相对换，就能搬快的查出问题所在( 系统内部或外部) 。 轻巧安蘑静紧凑鳖藤络瑟菠。 ( 2 ) 软件功能 c n c 功髓 系统软伴粒开救牲和友好界蟊，帮动健的编程方式。定义的硬寇糕环并使用户缀方 便地根据其加工特憔进行编弱自己的固定循环，用户集成的g 代码功能。艟功能和p l c 功缝鹣谖掰予程序。琶参数( 爨户霹疆逶过基参鼗寒读数或激变c n c 麓鼗蛰) 。 强大的通讯功能( r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 ) 。边加工边传输功能。撼高了计辣机的 c a d c a 硅疆黪魏熬工能力。 完善的熊杠螺距补偿。n u m 的螺躐补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值 输入& f 可，并虽没霄固定的鞭离移李 偿值的限销。 p l c 功毙 梯形图的p l c 程序。 多锰务憨p l c 程亭翁缡程结鞫，搓塞了斑翟謦翡缩写鄹莓读性。 梯形图p l c 程序在屏幕上的动态盟示，方便了最终用户的维修。 丰塞豹p l c 霸c n c 交换信意量。 p l c 图形界面的管理。 c 语畜的l a d d e r 编程，嚣耱增疆了p l c 程序盼功麓。 ( 3 ) 强大豹缡程软 牛 p l c t 0 0 l 软件。w i n d o w s 环境下并运行在p c 计算橇上，p l c 程序的编写互舆。 方便静瓤霖稷痔警骥。麓覆躲通讯熊力( p c 帮n c 趣为主麸关系，囊有操捧均在羚毒! | 完 成) 。动态的p l c 程序显示( p c 侧) 。 l o 沈阳工业大学硕士学位论文 s e t t o o l 软件。w i n d o w s 环境并运行在p c 计算机上，调整n c 的机床参数和伺服 系统。图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。 更重要的是它除具备以上功能外，还具有其它数控系统所没有的“螺纹重复切削” 功能，可以对任何已加工过的螺纹进行继续切削，并且不会出现乱扣现象。另外，该系 统在进行速度跟踪时，采用了前馈控制方式，能够适应螺纹切削过程中的变速要求。 本机床控制系统框图如图2 - 1 所示，c n c 是本系统的核心部分，用以完成人机对话 与通讯，解释机械加工语言，分配加工任务，以及协调各功能模块的工作等。进给控制 部分选用n u m d r i v e 交流伺服系统，根据计算以及参考同类型机床，纵向( z 轴) 选 3 6 n m 交流伺服电机，横向( x 轴) 选用2 2 n m 电机，实现位置、速度双闭环控制，以 实现机床精确的进给运动。辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等 方面的控制，主轴系统保留原机床已采用的西门子主轴伺服系统，同时在主轴箱内安装 编码器， 以构成加工螺纹所需的主轴系统( c 轴) 。选用1 0 0 0 p m r 的编码器，由于主轴 大齿轮为1 2 8 齿( m = 5 ) ，故编码器前端齿轮选用2 0 齿，其速比为6 4 ：l ，则主轴每 图2 - 1 控制系统框图 转一转，编码器将返回6 4 0 0 个脉冲，经四分频后，每转计数脉冲为2 5 6 0 0 ，分辨率为 5 0 6 2 5 秒脉冲，完全满足数控系统对c 轴的反馈精度要求。 沈_ il ：l e 天学硕 ? 学位论文 2 2 数羧系统静气控制线的逡接 蒙瓤藤西袁令迄擦褪，受瓣菠餮 了丌关、继电器、接触器、主轴伺服系。 统等。i b 予要霉掰琢撬臻浆主蘩l 变速系 统、冷却系统、润澎系统等。因此必须 l i j 船一个新的电擦轭。寓t 两2 - 2 所示。 泼邀控糨除敷霹羧鲢系绞露饲煅系缝羚， 适必须j t = - f l - 接管原i u j 空秕部分功滟的能 力。具体被法是：稷舞教造蜃匏魄气琢 娥图，设汁制作 b 控柜，阁中原有元器 钤镪藏嚣在滚狠申，接惑气暴理强彀登 臻的改动，两柜之间利用电缆进行传输。 n u b i i 0 4 0 t 数控系统辨豳接翻模块始 “f 侧； 1 r s 一2 3 2 e 通讯接口n9 芯d 型插 磷，霆予连蓑r s 2 3 2 e 接翻瓣计算掇罄终熬设签。图2 - 2 薪奄拨挺 2 x 牟| | ：| 、z 轴及主轴控制接口。2 5 芯d 型 舔瘫，j 鞋米控潮x 辍、z 秘魏纛电缀静运动窝主毫； 瓣转速。 3 编码器反馈信号接口。用于与主轴电机的编码器的避接，编码器的f 管用是将转速 僚号转揍为踩信譬，从褥实蕊了对量轴转速辩浚溅，这程螵绞热工斡对醚廷不可皎少 的。 4 手摇脉冲发生嚣接臼。2 5 芯d 型插座，实糯手动、联动切削。 5 。群：关量输入输基璇鞘。其中3 2 控输入摸块，每霞带l e d 指示，输入信号主要翅 于x 、z 方向是否超程的榆 n ( o v e i t x + ，o v e r x - ，o v e r z + ，o v e r z - ) ，刀架的位置检测 ( 豫1 1 。4 1 0 4 ，銎拣骚点馥鬣捡溅( 涨g x ，o r g z ) 等。2 4 毽徐氆继惠器攘琰，簸大蕊输趣逛 流可达8 a ，输出信号主要用于主轴的转速控制，燕轴的m 、反转娥停止控制( m 0 3 一 勰o s 一囊糍 鹣冷零滚瓣7 ：游露裁( m o t ，u 0 9 ) ，刃絮燕、反转控涮( 3 l ，1 2 ) 等，曼菸，狳 淀雕l ：照大学礤士学僚论文 入模块除接受一般的2 4 v d c 开关照外，谳酊【= 点接三线式的接近传感器信号。这样时该机 藤魏一魑三线式犊透开关，提供了方便簿嚣熬连搂。 6 机床操作丽板接口。n u m l 0 4 0 t 机床操作耐板有多然3 9 个臼定义键。面板与系统 袋臻竞野连交，缭台谈飘藤羟 蠲撩露烫鞠穿特点臻衷，在穰床两投上定义了一篓搽律 键，完套满足了机床控制的要求“1 。 7 模拟输入输出及争 蘸审繇按墨。忿接口淹橇床提供了一个灵活静模授输出蕊，便 于与其它模块椴逐。 8 密集硝而板接哪。t 话通过密集型l f l ：板迸行参数设寇，输入零件加工猩序，* 霞时跟 踪操工壤狸。 数控系统与外部设错的连接圈如图2 - 3 所示。 2 ，3 数控系统l 毒舔总线主数撵僖惠豹传输 数控系统与嘞能模块间的数捷 交换可方便地利用总线进行，系统中总线上的数据信 崽传遗是逶过公共数据区迸行的，露数控系统将数据写入避给控臻g 模块的公共数攥区， 供摸块内c p u 髓孵读取，慰样避给控镑l 模块c p u 发出数撼信息也嚣写入公共数据聪，供 数控系统随时读敷“”。 荛了豫 垂系统熬嵩效运嚣，癸袭錾传浚貔每个数攘接惑赘应选耀最誊效率兹缕怠， 即是必须传输的，意义凇确完整的，和尽量选用使用频率高的信息。这有助于提满系统 黪可靠瞧，运行羧率霾减少蔷惑健赣费霸。鞋下为撬藤数控系统遴罄惑绞上筵簸静吝耱 信息。 2 ，3 数控系统与透绘攘黼模浃瀚信息传输 数控系统发趣： 控傣参数：p i d 调节参数，行程极限，速度极限。 控臻l 字：避鲶控袭蜓爵( 运行、箨出等) 。 进绪控制给定：位鬻迸给量，速度谶给量。 迸绘控裁模块发窭： 运行状态：讵常运行，加工受阻，停止加工。 运纾参数：实瓣霞麟，实测转速。 沈阳工业大学硕士学位论文 i ：i c 哪；e 8 5 0 k e y p a n e l 图2 - 3 数控系统外围设备连接图 2