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摘要 数控机床以其高效率和稳定的质量品质日益成为现代制造领域的基础装备，以 数控技术为核心的数控系统装配和制造水平已经成为衡量一个国家制造水平的标志。 中国已经把加快产品设备的更新、改造作为提升中国制造水平的手段而机床的数控改 造以其成本低、周期短，已经成为现阶段众多公司的首选方式。因此，应用新型数控 系统改造旧机床的研究具有重要的现实意义。m c v l 3 5 0 立式加工中t l , 是秦川机床厂于 1 9 9 4 年3 月出厂的，它有x ，y ，z 三个坐标轴，实行半闭环控制。该机床数控系统采用 美国a b 公司( a l l e n b r a d l e y ) 的8 4 0 0 1 p 数控系统，由于机床已经使用i o 多年， 其数控系统已经老化，故障频率高，再加上公司新产品开发，需要在该机床上配置数 控回转工作台才能满足产品加工的要求。故机床使用单位南通海狮船舶机械公司决定 对其进行改造。该课题首先对机床的原始资料( 使用说明书、操作编程手册等) 进行 深入分析，制定了改造的方案及步骤，根据机床功能扩展的要求选择了数控回转工作 台；对原机床的电气部分进行彻底改造，根据机床的结构选择了具有x 、y 、z 、a 四 个坐标轴控制能力，价位相对合理、可靠性较高的日本安1 1j 公司( y a s k a w a ) 的c 、c 控制器及该公司的伺服控制系统替代机床现有的控制装置。针对机床特点对伺服控制 器的各项参数进行了设定，针对该系统进行了整个机床电器原理图的设计及p l c 逻辑 控制程序的设计。最后进行了机床各部分的调试。经过这次改造，该加工中心完全能 满足公司提出的各项技术要求及新产品开发的需要，大大缩短了产品研发周期，为公 司产品的市场竞争赢得了时间。 关键词：数控系统数控回转工作台p l c 加工中心 a b s t r a c t w i t ht h e i rh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b l eq u a l i t y ，c n cm a c h i n et o o l sh a v ei n c r e a s i n g l y b e c o m et h eb a s i ce q u i p m e n t si nm o d e nm a n u f a c t u r i n g t h eu t i l i z a t i o no fc n c s y s t e m si s c o n s i d e r e da sal e v e lm a r ko fm a n u f a c t u r i n gf o rac o u n t r y i nc h i n a , r e m a r k i n go l d e q u i p m e n t sw i t hc n cs y s t e m sh a sb e c o m e am e t h o dt op r o m o t et h em a n u f a c t u r i n gl e v e l i nf a c t ，i th a sb e e nt h ef i r s tc h o i c ei nm a n ym a n u f a c t o r i e sb e c a u s eo fi t sl o w e rc o s ta n d s h o r t e rp e r i o d t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h er e m a r k i n gm a c h i n e sb yn e w c n c s y s t e m s m c v l 3 5 0v e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e rl e f tt h eq i n c h u a nm a c h i n e t o o lf a c t o r y o nt h em a r c ho f1 9 9 4 i th a st h r e ec o o r d i n a t es h a f t sn a m e dx ，y ，z ，a n di tw a se f l e e t e dh a l f c l o s e dc y c l i cc o n t r 0 1 t h eo l dc n cs y s t e mo ft h i st o o li sa b8 4 0 0 m pc n cs y s t e m ， b r e a k d o w n so f t e nh a p p e ni nt h eo l ds y s t e m i na d d i t i o n , ap r o v i d i n gw i t hc n ct u r n i n g a r o u n dw o r k t a b l ei sn e e d e df o rd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s o ，i ti sd e c i d e dt or e f o r mt h e m a c h i n i n gc e n t e ri nc n f cn a n t o n gh a i s h im a r i n em a c h i n e r yc o m p a n y f i r s t l y ，t h i s t h e s i sa n a l y s e dd e e pg o i n gt h eo r i g i n a lm a t e r i a la b o u tt h i sm a c h i n et o o l ( o p e r a t i o nm a n u a l 。 p r o g r a mm a n u a lc t c 1a n dd i dr e f o r m i n gs c h e m ea n dp r o c e d u r e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d o fe x p a n d i n gt h et o o lf u n c t i o n s ，t h es u i t a b l ec n ct u r n i n gr o u n dw o r k t a b l ew a ss e l e c t e d t h eo l de l e c t r i cs y s t e mw a sr e f o r m e dc o m p l e t e l y 。y a s n a cj 5 0 mc n cs y s t e ma n ds e r v o c o n t r o l l e ro fy a s k a w a r e p l a c e da - b8 4 0 0 m pc n cs y s t e ma n ds e r v oc o n t r o l l e r , t h i s s y s t e mh a v et h ea b i l i t yo fc o n t r o l l i n gx y 。z ，a f o u rs h a f t s ，r a t i o n a lp r i c ea n dh i 曲 r e l i a b i l i t y a n dt h ef u n d a m e n t a lm a c h i n et o o l sp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n d s e ta c c o r d i n g t om c v l 3 5 0m a c h i n i n gc e n t e r t h ee l e c t r i cp r i n c i p l ed r a w i n g sw e r ep l a n e da n dp l cl o g i c c o n t r o lp r o g r a m e sw e r ed e s i g n e d f i n a l l y , e a c hd i v i s i o no ft h et o o lw a sa d j u s t e dd u r i n g e x p e r i m e n t a t i o n a f t e rr e f o r m i n g ，m c v l 3 5 0m a c h i n i n gc e n t e ri ss a t i s f i e df o rc o m p a n y ，i t c o n f o r mt ot e c h n o l o g i ca n dd e v e l o pn e wp r o d u c tr e q u i r e m e n t s t h ep e r i o do f d e v e l o p m e n t w a sc u td o w n , i ti sb e n e f i tf o rc o m p a n yt ow i nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n k e yw o r d s ：c n cs y s t e m c n ct u r n i n gr o u n dw o r k t a b l ep l c m a c h i n i n g c e n t e r i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：强墨童自例g 年# 月哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 l - 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：弛墨美趋州年b 月哆日 硕士论文i t _ v 1 3 5 0 加r 中心数控系统改造研究 1 绪论 1 1 数控机床的历史和发展趋势 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替 脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具 相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控 机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段 和六代的发展。 第一代数控装置是采用电子管元件，其体积大、可靠性低、价格高，因此主要用 于军工部门，没有得到推广应用，产量比较小。 第二代是1 9 5 8 年出现的由晶体管和印刷线路板组成的数控装置。虽然其可靠性 有所提高，体积大为缩小。但其可靠性还是低，得不到广大用户的认可数控机床的 产量和品种虽有所增加，但增加得不快。 第三代是1 9 6 5 年商品化的集成电路数控装置面世，它不仅大大缩小了数控装置 的体积，其可靠性也得到了实质性的提高，从而成为一般用户能够接受的装置，数控 机床的产量和品种均得到较大的发展。 以上三代数控装置实质上是一种号用的计算机，主要靠硬件来实现各种控制功 能，所以叫做数字控制装置，简称n c 装置。 1 9 7 0 年小型计算机在数控装置中得到了应用，称之谓第四代数控装置。 1 9 7 5 年微处理器的应用成为第五代数控装置。 到了1 9 9 0 年，p c 机( 个人计算机，国内习惯称微机) 的性能已发展到很高的阶 段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控装置从此进入了基于p c 的阶段。 第四、五、六三代因为将计算机应用于数控装置，所以叫做计算机数字控制装置， 简称c n c 装置。由于计算机的应用，很多控制功能可以用软件来实现，因而数控装 置的功能大大提高，而价格却有较大的下降，可靠性得到进一步提高，使得数控机床 的自动化程度得到很大的提高，数控机床得到了飞速的发展。 现代数控机床都采用c n c 装置。 近年来国内外在数控装置、机床结构等的研究与开发方面不断取得成果，其水平 和功能也日臻提高和完善，出现了新的发展特点。从数控系统方面看，主要有： ( 1 ) 主控机向着多位的微处理机化发展。即越来越多的数控机床采用3 2 位或 6 4 位微机，从而提高了数控系统的运算处理速度和能力。一般的数控系统郡有远距 离接口，高档系统还有d n c 接口，便于实现数据通信、联网与控制。 - 硕士论文c v l 3 5 0 加工中心数控系统改造研究 ( 2 ) 数控装置向着集成化和智能化的方向发展。新一代数控系统大量采用大规 模及超大规模集成电路、表面安装技术，使整个系统小型化、经济、可靠。还引进专 家系统和知识库，增加人工智能的功能，从而提高了排除故障的能力和精度。 ( 3 ) 数控系统采用模块化结构。即采用模块化和总线结构，更加通用、方便， 开放式模块化结构便于功能综合和扩展。 ( 4 ) 数控编程更加图形化和自动化。无论是脱机编程，还是联机编程，其编程 系统的功能更加强大，图形输入、轨迹生成与动态模拟等形象直观高效的方法的采用， 测量、编程，加工一体化的实现使数控编程更为方便、高效。 ( 5 ) 数控系统更加可靠和宜人化。由于从数控系统的可靠性设计开始，实施了 一整套的质量保证体系，采用了集成化结构、超大规模集成电路、表面安装工艺( s m t ) 新技术等，使现代数控系统的平均无故障时日j 已经达到了3 万小时，其可靠性大为提 高。 从数控机床的结构方面看，主要有： ( 1 ) 随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网 络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热 点，并成为伺服系统的发展方向。 ( 2 ) 机床床体部分的设计和制造不断选用新的材料， ( 3 ) 加工刀具等辅助工具的材料引人注目。 1 2 机床改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初 已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业( 包括军、民机械 工业) 进行技术改造。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。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。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。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造( 称 之为信息化) ，最终使得他们的产品在国际军品和民品市场上的竞争力大为增强。而 我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后2 0 年。如我国机床拥有量中， 数控机床的比重( 数控化率) 到1 9 0 5 年只有1 9 ，而日本在1 9 9 4 年已达2 0 8 ， 因此每年都有大量机电产品进口。 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数 控系统所包含的计算机的能力。它可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复 2 硕士论文m c v l 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以快速准确地计算出每个坐标轴瞬时应 该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。它可以实现加工的自动化，而 且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能 力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实 现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单 件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸 分散度小，使装配容易，不再需要“修配。可实现多工序的集中，减少零件在机床间 的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时 间无人看管加工。由以上五条派生出其它的好处。如：降低工人的劳动强度，节省劳 动力( 一个人可以看管多台机床) ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期， 可对市场需求作出快速反应等等。 机床数控化改造同购置新机床相比，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、托盘自动交换装置的制作与安装过 于费工、费钱，往往改造成本提高2 3 倍，与购置新机床相比，只能节省投资5 0 左右。机床数控改造所利用的床身、立柱等基础件都是重而骚固的铸造构件，而不是 那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年，机械 性能稳定可靠，可以充分利用现有地基，不必像购入新设备，需重新构筑地基。购买 新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求，改造则不然，可以精确地计算出机 床的加工能力；其次，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和 维修方面培训时间短，见效快；改造的机床安装好，就可以实现全负荷运转。机床数 控改造可根据技术革新的发展速度，及时地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。最后，机床数控化还是推行f m c ( 柔性制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等企 业信息化改造的基础。 1 3 本课题的来源及研究的意义 本课题来源于南通海狮船舶机械公司设备( m c v l 3 5 0 立式加工中心) 大修项目。 这台设备是秦川机床厂生产的第一批加工中心中的一台( 该公司已不再生产该型号机 床) 。南通海狮船舶机械公司于1 9 9 4 年购买，历经十多年的使用，其数控系统元器件 已经老化，经常发生故障，而且其操作的可靠性和安全性都得不到保障。另外，由于 公司正进行新产品开发，需要对这台机床扩展新的加工功能，而原来数控系统及驱动 装置的版本相当低，生产厂家几乎已经停产，购置备件十分困难且价格昂贵，老的数 控系统要担负这样的功能已经没有可能。针对这种情况公司提出了本课题。本课题完 3 硕士论文 m ( v 1 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 成后可以使公司在投资最小的情况下短期内完成新产品的试制任务，缩小了产品的研 发周期。同时该课题对加工中心机床改造具有普遍的应用价值。 t 4 本文的研究内容及编排 本文主要分为以下几个部分：第一部分，m c v l 3 5 0 数控改造过程总体规划。对 机床改造全过程进行了总体规划，首先是改造方案的确定，其次在改造前要进行的技 术上的准备，然后足改造的实施。最后是机床的验收和改造资料的整理和保存。第二 部分，m c v l 3 5 0 加工中心改造方案的制定。对加工中心的总体结构和传动原理进行 了分析，然后根据机床的使用现状及新的加工要求制定了改造的方案，根据数控系统 和伺服系统的选择原则，选择了安川j 5 0 m c n c 系统及安川公司的伺服驱动系统。并 对j 5 0 m 系统的组成和软件功能进行了分析。第三部分，改造前的技术准备。首先对 伺服系统进行了理论分析，然后分别设计了机床操作台和机床电气原理图。最后是 p l c 程序设计部分，该部分介绍了y a s n a cp l c 的基本特征，对主轴自动换档、自 动换刀及回转工作台的控制编制p l c 流程图。第四部分，改造方案的施行。新系统 与机械部分联结后，对伺服系统的参数进行了重新设定。第五部分结束语。对本文所 做的工作进行总结。 4 硕士论文 m c v l 3 5 0 加r 中心数控系统改造研究 2m c v l 3 5 0 数控改造过程总体规划 2 1 改造方案的确定 ( 1 ) 机械修理与电气改造相结合。首先要熟悉m c v l 3 5 0 的机械结构及传动原 理，液压、电器部分的使用现状，然后要确定修理的要求、范围、内容；既要确定因 电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容，也要确定电气改造与机械修理、改造 之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 ( 2 ) 先易后难、先局部后全局。把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行。 数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型 后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中， 应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使 人的注意力能集中到关键地方。 ( 3 ) 根据m c v l 3 5 0 的使用条件选择数控系统。确定它的环境、温度、湿度、 灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、 抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等呵提供正确的依据，使改造后的电气系统 有了可靠的使用保证。电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件 及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 ( 4 ) 落实参与改造人员和责任。m c v l 3 5 0 改造是一个系统工程，人员配备十分 重要。除了人员的素质条件外，合理地确定人数与分工是关键。人员太少不利于开展 工作，人员太多也容易引起混乱。根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有 次，便于组织与协调。本次改造任务繁重，至少需要五名人员，其中包括电气工程师 两人，电工1 人，机床修理工1 人，机床操作工1 名。最终确定的五人都是对该机床 较熟悉的人员。 ( 5 ) 改造范围与周期的确定。m c v l 3 5 0 加工中心的电气系统改造，包含该机床 全部电气系统的改造，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期， 要根据企业的实际情况确定。由于本次改造人员虽然技术水平较高，但都是首次参与 数控系统的改造，考虑到大家对新的数控系统还不太熟悉，而新系统有中等复杂程度。 因此，本次改造不能急于求成，匆忙停机，要做好充分的准备后，才能停机改造。考 虑到企业生产的紧迫性，停机改造的周期定为三个月。 2 2 改造前的技术准备 改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包 括： 硕士论文 m c v l 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 ( 1 ) 机械部分准备。为配合电气改造需进行的机械大修改造的测量、计算、设 计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规 划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。 ( 2 ) 新系统电气资料消化。新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造 前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、p l c 梯形图及文本、安装调试说明、 使用手册、编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译( 进1 3 系统) 、消化、 整理、核对，做到思路清晰，层次分明。 ( 3 ) 系统的电气原理图的设计及各种转换接1 3 的设计。m c v l 3 5 0 加工中心的数 控系统，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、 维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干 扰最小，备有适当裕量等。 ( 4 ) 操作，编程人员的技术培训。机床电气系统改造后，必然对操作，编程人 员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否 则将影响改造后的机床迅速投入生产。培训内容一般应包括新的操作面板配置、功能、 指示含义；新系统的功能范围、使用方法及引日系统的差别；维护保养要求；编程标 准与自动化编程等等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。 ( 5 ) 调试步骤与验收标准的确定。新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以 及确定合理的验收杯准，也是技术准备工作的重要一环。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，其他人员配合。调试步骤可从简 到繁，从4 , n 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。 2 3 改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为： ( 1 ) 原机床的全面保养。机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润 滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改造成 前的几何精度、尺寸精度测量，并记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用， 又可在改造结束时作对比分析用。 ( 2 ) 保留的电气部分最佳化调整。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气 部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝 缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆 的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好详细的最佳化调整工作，才 6 硕士论文 m c v l 3 5 0 加t = 中心数控系统改造研究 能保证改造后的机床有较低的故障率。 ( 3 ) 原系统拆除。原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作 出标记，防止遗漏或过拆( 局部改造情况下) 。在拆的过程中也会发现一些新系统设计 中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备 万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。 切忌大手大脚，乱扔乱放。 ( 4 ) 合理安排新系统位置及南线。根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置， 包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。 连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、 可靠美观。 ( 5 ) 调试。调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随 时记录，以便发现和解决问题。调试中首先测试安全保护系统灵敏度，防止人身、设 备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心 位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先 手动后自动。 2 4 验收及后期工作 验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期 工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。验收及后期工作包 括： ( 1 ) 机床机械性能验收。经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械 性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。 ( 2 ) 电气控制功能和控制精度验收。电气控制的各项功能必须达到动作正常， 灵敏可靠。控制精度应用系统本身的功能( 如步进尺寸等) 与标准计量器具( 如激光干涉 仪、坐标测量仪等) 对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功 能和精度作出对比，获得量化的指标差。 ( 3 ) 试件切削验收。可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的 操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运 动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。 ( 4 ) 图纸、资料验收。机床改造完后，应及时将图纸( 包括原理图、配置图、接 线图、梯形图等) 、资料( 包括各类说明书) 、改造档案( 包括改造前、后的各种记录) 汇 总、整理、移交入档。保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是 十分重要的。 ( 5 ) 总结、提高。改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平， 7 硕士论文 r v l 3 5 0 加r 中心数控系统改造研究 也有利于整个企业的技术进步。 8 硕士论文m c v l 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 3 c v l 3 5 0 加工中心改造方案的制定 3 1m c y l 3 5 0 加工中心总体结构及主要技术参数 中水南通海狮船舶机械公司的m c v l 3 5 0 立式加工中心是秦川机床厂9 0 年代初 期生产的设备，属于中型数控设备。m c v l 3 5 0 立式加工中心足机电一体化产品，是 高效率、高柔性、高刚度之机床。工件装夹后能自动完成钻、铣、镗、攻丝等多种工 序加工，具有在一次装夹中完成箱体孔系和平面多工序精确加工的良好性能，能保证 箱体上孔的位置度和尺寸公差达到7 级精度，还能完成二维曲面的加工，该机床非常 适合于箱体类零件和各类模具的加工。 机床总体布局如图3 - 1 和图3 2 所示，带有刀库和自动换刀装置，主轴箱安装在 立柱正面，用导轨和滚柱丝杆副与立柱相连。主轴为数控伺服主轴，采用闭环控制 刀库安装在立柱侧面，为圆盘式刀库，通过位置地址识别刀具，容量2 4 把：机床设 有自动排屑装置；机床主轴配有2 个冷却喷嘴，用户可以根据需要直接编程使用。主 电机采用交流伺服电机实现无级传动，x 、y 、z 进给坐标采用交流伺服电机带动滚 珠丝杠实现。 图3 - im c v | 3 5 0 立式加i t 中心正面图 9 硕士论文 m c v l 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 图3 - 2m c v l 3 5 0 立式加工中心侧面图 m c l 3 5 0 加工中心规格和参数州如下： 工作台面积 1 7 0 0 6 8 0 m m z 工作台最大负荷量 1 5 0 0 k g t 型槽宽度槽数 2 2 m m 5 x 轴行程 1 3 5 0 m m y 轴行程 6 8 0 m m z 轴行程 7 0 0 m m 切削进给l - - - 4 0 0 0 m m m i n 快速移动 1 0 0 0 0 m m m i n 最小脉冲指令0 0 0 1 m i l l 主轴锥度 b t 5 0 主轴转速3 5 3 5 0 0 r p m 主轴端至工作台面距离 1 9 0 - - 8 9 0 m m 主轴中心至立柱导轨面距离 7 1 0 m m 刀库容量2 4 把 最大刀重 1 5 k g 最大刀位和长度 1 1 0 + 3 5 0 m m 换刀方式 随机 主轴电机 7 5 1 l k w 机床重量 9 8 0 0 k g 3 2m c v l 3 5 0 传动系统原理 机床传动原理图【9 l ( 图3 3 ) ： i o 硕士论文 c v l 3 5 0 加工中心数控系统改造研究 图3 - 3 机床传动原理图 ( 1 ) 机床主运动：由交流主轴电机驱动，通过齿轮与中间轴齿轮啮合将运动传 至中间轴，再通过中间轴的滑移齿轮分别与主轴上两齿轮啮合，将运动分低高两档传 至主轴。齿轮滑移运动由油缸完成。主轴定位由装在主轴上的电磁定位元件发指令。 ( 2 ) 主轴拉刀与脱刀动作：拉刀杆的拉刀动作由碟形弹簧组完成，脱刀动作通 过松刀缸向下推拉刀杆完成。 ( 3 ) 机床进给运动； x 轴向运动由交流伺服电机驱动，通过采用锥形夹紧环的消隙联轴器直接与滚珠 丝杠联接，将运动传给工作台面。 y 轴向运动由交流伺服电机驱动，通过采用锥形央紧环的消隙联轴器直接与滚珠 丝杠联接，将运动传给下台面。 z 轴向运动由交流伺服电机驱动，通过采用锥形夹紧环的消隙联轴器直接与滚珠 丝杠联接，将运动传给主轴箱。主轴箱的重力平衡由液压缸完成。 3 3m c v l 3 5 0 加工中心的改造方案 由于该加工中心机械、液压部分性能良好，通过对机床导轨和滚珠丝杆及主轴传 动部件检查磨损较少，因此只对这些机械和液压部件进行保养。对刀库及换刀部分的 机械和液压部件应重点保养。公司新产品开发的需要在该机床上扩展新的加工功能， 其机械部分要增加一个回转工作台，该回转工作台安装在机床工作台上，应具有精确 分度及无级变速匀速旋转功能。根据原机床的技术参数选定了烟台机床附件厂生产的 t k l 3 3 1 5 数控回转工作台作为机床的第四进给轴。 该机床原数控系统配置为美国a l l e n b r a d l e y 公司生产的a b8 4 0 0 m p 系 硕士论文m c v l 3 5 0 加r 中心数控系统改造研究 统，x 、y 、z 轴及主轴驱动均为a b 公司的驱动装置。由于设备购置早、使用时间 长，电器及控制系统严重老化，故障频繁发生。另一方面，数控系统及驱动装置的版 本相当低，生产厂家几乎已经停产，购置备件十分困难且价格昂贵。板级上的元器件 虽经多次修复，仍故障频频。现在要在系统上增加一个伺服控制轴更难实现。因此， 决定对原数控系统彻底拆除，用新的数控系统代替。 另外，由于各电器元件都已经全面老化，且在改造中对系统及驱动部作了完全改 动，同时，为了机床改造后在运行中的稳定性打好基础，需要新设计电气控制原理图， 重新进行元器件的选型，并配置新的电器柜和操作面板等设施。 3 4m c v l 3 5 0 加工中心数控系统选型 3 4 1 数控系统选择原则 为了使数控系统与机床相匹配，在选择数控系统时应遵循以下几条基本原则。 ( 1 ) 根据数控机床类型选择相应的数控系统。一般说来，不同类型的数控系统足 适应于车、铣、镗、磨、冲压等不同的加工类别，选择时要有针对性。根据以上对 m c v l 3 5 0 机床结构的介绍，可知该机床数控系统应选择铣、钻、镗的加工类别的加 工中心数控系统。 ( 2 ) 根据数控机床的设计指标选择数控系统。数控系统的性能差别很大，价格 上可相差数倍。选用时应该对系统的性能和价格等做一个综合分析。 ( 3 ) 根据数控机床的性能选择数控系统功能。一个数控系统具有许多功能，有的 属于基本功能，系统中本来已经具备，有的属于选择功能，用户选择后由供方提供。 数控系统生产厂对具有基本功能的系统定价便宜，而对由选择功能要求的系统却较 贵。所以，对于选择功能一定要根据机床性能需要加以选择，否则会使产品成本大幅 度增加。 ( 4 ) 订购系统时要考虑周全。订购时把需要的系统功能考虑全面，对于那些价格 增加不多，但对使用会带来许多方便的功能，应该适当配置齐全，附件也应成套配置， 保证机床到厂后可立即投入生产。切忌因漏订功能面使机床功能降级或不能使用。用 户选用机床数控系统种类不易过多、过杂，否则会给使用和维修带来极大困难。 3 4 2 伺服系统的选择原则 数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠 性等技术指标，主要由伺服系统的动态和静态性能决定，数控机床的故障也主要出现 在伺服系统上。因此，是否选择高性能和可靠性的伺服系统对m c v l 3 5 0 加工中心数 硕士论文m c v l 3 5 0 加工中心数控系统改造研究 控系统的改造的成败起关键作用。 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不尽相同。 本机床改造后不但要能完成曲面的加工而且要求达到机械加工精度达7 级以上。针对 这种情况，要求选择的伺服系统具有以下的技术要求； ( 1 ) 伺服系统能实现正反向灵活运行 3 q 在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实 现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量 角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电功机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。 ( 2 ) 伺服系统要具有较宽的调速范围。 为适应不同的加工条件，例如：所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具 的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给速度能在很宽的范围内无级变化。这 就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。经过机械传动后，电机转速 的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。目前，最先进的水平是在进给脉冲当量 为l p m 的情况下，进给速度在o - - - 2 4 0 m m i n 范围内连续可调。 对一般数控机床而占，进给速度范围在o _ _ 2 4 州m i n 时，都可满足加工要求。通 常在这样的速度范围还可以提出以下更细致的技术要求。 ( a ) 在1 m m m i n - - 2 4 0 0 0 m m m i n 即1 ：2 4 0 0 0 调速范围内，要求速度均匀、稳定、 无爬行，且速降小。 ( b ) 在1 m m m i n 以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。 ( c ) 在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使 定位误差不超过系统的允许范围，即电机处于伺服锁定状态。 由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速 度控制系统也过分地追求像位置伺服控制系统那么大的调速范围而又要可靠稳定地 工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。 一般来说，对于进给速度范围为l ：2 0 0 0 0 的位置控制系统，在总的开环位置增 益为2 01 s 时，只要保证速度控制单元具有l ；1 0 0 0 的调速范围就可以满足需要， 这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。 ( 3 ) 伺服系统要具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 要具有这个特性的伺服系统必须要具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统 在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系 统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变化时，静态速降应小 于5 ，动态速降应小于1 0 。 一方面根据以上公司所提出的改造要求及数控系统的选择原则。另一方面通过认 硕士论文m c v l 3 5 0 加工中心数控系统改造研究 真的市场调查和比较，发现日本安川公司( y a s k a w a ) 的j 5 0 m c n c 系统适合车间 开放式的环境，南通位于长江下游地区，雨水较多，生产车间空气湿度较大。安川生 产的j 5 0 m 型c n c 与安川的伺服系统及稀土永磁交流伺服电机、主轴驱动系统和主 轴电机可靠性高，性能卓绝，能长久使用免维护。西门子公司的系统不但价格较高而 且对环境要求相比日本公司的系统要高，而同样功能的f u n u c 系统价格比安川的要 高5 - - - 6 万，因此，选用安川的c n c 系统与其伺服系统相配套，既经济又具有良好的 性能，是这次改造的最佳选择。 3 4 3 伺服元件的选用 m c v l 3 5 0 加工中心有1 个主轴、4 个进给轴。4 个进给轴均为半闭环控制，控制 模块相同，功率模块的功率不同，各模块的功率根据原机床的设计功率选择。表3 1 列出了构建各轴伺服驱动系统所用的电气元件。 进给轴所用电动机是永磁式交流同步伺服电动机，主轴电动机选用感应式交流异 步伺服电动机。直流伺服电动机具有优良的调速性能，但由于它的电刷和换向器容易 磨损，有时产生火花，电动机的最高速度受到限制；且直流伺服电动机结构复杂，成 本较高，所以在使用上受到一定的限制。在某些场合下，直流伺服电动机己逐渐被交 流伺服电动机代替。交流伺服电动机无电刷，结构简单，动态响应好，输出功率较大， 因而在数控机床上已被广泛应用。 表3 1 伺服驱动元件 控制模块 控制轴功率模块交流伺服电机反馈元件 j a n c d v s 石5 6 m r 5 ( c i m r m r 5 a 4 0 1 1 ) 、编码器及 主轴u a a s k a i if z v s - 6 2 6 m 5 电磁定位元件 s r 5 m 2( c i m r - m 5 a 4 0 11 ) x 1 3 比特增量犁编 ys g d m 3 0 a d as g m g h 一3 0 a 码器 z 1 3 比特增量犁编 as r 5 1s g d m 1 0 a d as g m g h o g a 码器 1 4 硕七论文m c v l 3 5 0 加工中心数控系统改造研究 3 5j 5 0 m 数控系统的介绍 3 5 1 系统硬件组成 安川j 5 0 m 数控系统的硬件总体结构，如图( 3 4 ) 所示，该数控系统包括数控装 置( c n c ) ，内装式可编程控制器( j a n c d p c 5 0 ) ，伺服驱动装置和检测装置( 编码 器) 。其中c n c 系统的结构特点是大板式结构，p l c 板( 即图中的j a n c d p c 5 0 板) 、 c p u 板( 即图中的j a n c d - c p 5 0 板) 、轴控制板( 即图中j a n c d - s r 5 0 - 2 ) 、电源模 块( c p s 一1 8 f b ) 、电池( j a n c d b 8 5 1 ) ，风扇( f a n ) 都插在底板( j a n c d b 8 5 0 ) 上。 另外，在c p u 板上扩展一块轴控制板( j a n c d s r 5 1 ) 、p l c 板上扩展一程序存贮器块 ( j a n c d m m 5 1 ) 。c n c 、可编程控制器及机床三者之间通过输入输出接口来交换 信息，其中j a n c d - s p 5 1 为基本输入，输出模块。其余三个模块根据在基本模块上的 接口不够 图3 - 4j 5 0 m 数控系统的硬仲总体结构图1 2 1 硕士论文m ( v 1 3 5 0 加t 中心数控系统改造研究 数控装置是用于机床数字控制的特殊用途的计算机，它能接收零件图纸加工要求 的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量。 伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，带动机床各坐杯轴运动，同时能 提供足够的功率和扭矩。伺服驱动装置按其工作原理可分为两种控制方式：关断控制 和调节控制。关断控制足将指令值与实测值在关断电路的比较器中进行比较，相等后 发出信号，控制结束。这种方式用于点值控制。调节控制足数控装置发出运动的指令 信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装冒将位移的实际值检测出来，反 馈给数控装置中调节电路比较器，有差值就发出信号，不断比较指令值与反馈的实侧 值，不断地发出信号，直到差值为零，运动结束。这种