（机械电子工程专业论文）xk713数控铣床系统的改造.pdf

摘要 摘要 本文阐述了一种对旧数控铣床进行改造的方法，经过实际使用的验证，该方 法是成功的，可以应用于类似数控铣床的改造。 课题的研究对象是一台数控系统基本报废、机械系统尚处于可用状态的旧数 控铣床；目的是将其改造成为一台功能比较完善、操作简单、精度、效率和自动 化程度得到较大提升的实用型机床，能更好地适应新工艺、新技术；进而探索出 一条旧数控铣床改造的新路，使具有一定剩余价值的老旧设备重新发挥作用，为 开辟旧铣床改造市场作一点技术储备，争取获得良好的经济效益和社会效益。 本文对改造的做法做了详细的说明。机械系统只进行适当的调整、修复和维 护，更换易损件；废弃原有的老旧数控系统，依据改造要求选择与购买新的主流 数控系统取而代之；按照实际需要设置、调整、设计系统的应用软件，使之符合 生产实际；按照国家标准和生产任务需求进行性能测试；通过试生产进行验收。 研究过程中参考国内外的先进经验，考虑用户的实际情况，选择合适的系统 与连接，重新进行参数设置，并在原用户程序的基础上进行了修改与开发，最后 进行了整机的调试与验收。论文分层次对这些阶段的工作内容一一加以分析，经 过试运行的验证，机床经过系统的改造后，能恢复原有功能，且精度有所提高， 达到了改造的目的。 关键词：数控铣床；数字控制系统；p l c ；改造 广东工业大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e rp r e s e n t e d ad e s i g nm e t h o dw h i c hr e f o r m e dt h eo l dn u m e r i c a l c o n t r o l l e dm i l l ，t h em e t h o do ft h i sm e t h o dh a db e e np r o v e dt ob es u c c e s s f u li n p r a c t i c e ，a n da l s oc o u l db ea p p l i e dt or e f o r mo t h e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l li nt h e s i m i l a rs i t u a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho b j e c tw a sa no l dn u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l lw h i c h w o u l dh a sb e e nd i s c a r d e d 。b u tt h em e c h a n i c a lc o n t r o l l e d s y s t e mw a ss t i l li n s e r v i c e a b l ec o n d i t i o n t h em a i nr e s e a c ha i mo ft h i sp a p e rw a st om a k et h et h eo l d n u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l lt ob eap r a c t i c a lm a c h i n et o o l sw h o s et h ef u n c t i o nq u i t e p e r f e c t ，t h eo p e r a t i o ne a s y ，t h ep r e c i s i o n ，t h ee f f i c i e n c ya n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n t oe n h a n c e ，w h i c hw o u l di m p o v en e wt e c h n i q u e s ，n e wt e c h n o l o g i e sb e t t e r l y ；a n d e x p l o r e dan e wa p p r o a c hw h i c hr e f o r m e do l dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ，e n a b l et o g a i nt h eh i g h e rs u r p l u sv a l u eo fo l dn u m e r i c a lc o n t r o l l e dm a c h i n e ，a n dt h eo b s o l e t e e q u i p m e n tr e p l a y e dt h er o l e ，t h em a r k e to fm a c h i n et o o lt r a n s f o r m sd i do n et e c h n i c a l r e s e r v e ，s t r i v e df o ro b t a i n i n gt h eg o o de c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h es o c i a lb e n e f i t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ep r o c e d u r ea n dd e t a i l so ft r a n s f o r m ，i td o e sn o td ot h eb i g c h a n g e t ot h em e c h a n i c a l s y s t e mi nt h eo v e r a l l ，o n l yc a r r i e do nt h es u i t a b l e a d j u s t m e n t ，t h er e c l a m a t i o n a n dt h e m a i n t e n a n c e ，r e p l a c e m e n tv u l n e r a b l ep a r t ， a b a n d o n e dt h eo r i g i n a lo b s o l e t en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，c h o o s e sa n dp u r c h a s e st h e n e wm a i n s t r e a mn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h et r a n s f o r m a t i o nr e q u e s t d i s p l a c e m e n t ；a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ln e e d so fe s t a b l i s h m e n t ，s y s t e ma p p l i c a t i o n s o f t w a r eh a sb e e na d j u s t e da n dd e s i g n e d ，m a k e di tt oc o n f o r mt h ep r o d u c t i o nr e a l i t y ； c a r r i e do nt h ep e r f o r m a n c et e s ta c c o r d i n gw i t ht h en a t i o n a l s t a n d a r da n dt h e p r o d u c t i o nt a s kd e m a n d ；c a r r i e do nt h ea p p r o v a lt h r o u g ht h et r i a lp r o d u c t i o n i nt h er e s e a r c hp r o c e s s ，t h ed o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e de x p e r i e n c e st ob e r e f e r e d ，a n dt h eu s e r sa c t u a ls i t u a t i o nt ob ec o n s i d e dt o o ，t h ec h o i c ea n dt h e c o n n e c t i o no ft h es y s t e mh a db e e nc o m p l e t e db a s e d ，a n dc a r r i e do nt h ep a r a m e t e r e s t a b l i s h m e n t ，c a r r i e do nt h er e v i s i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt ot h eu s e rp r o c e d u r e ，a s w e l la se n t i r em a c h i n ed e b u g g i n ga n da p p r o v a l i nt h ep a p e ri na d m i n i s t r a t i v el e v e l s p e r f o r m e dt o t h e s es t a g e sw o r kc o n t e n t st o a n a l y z e ，a n df o u n dan e wa p p r o a c hi n t r a n s f o r m e dd o m a i no ft h e o l dn u m e r i c a lc o n t r o l l e dl a t h e t h i sa p p r o a c hw a s p r a c t i c a l f e a s i b l eb yt h et r i a lm o v e m e n tc o n f i r m a t i o n ，a n dp r o v i d e ds o m en e w a b s t r a c t i n s p i r a t i o n sf o rt h ee n t e r p r i s e sw h i c hh a dt h es i m i l a rq u e s t i o n s ，a l s op r o v i d e dan e w i d e af o rt h em a r k e t k e yw o r d s ：t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l l ； n u m e r i c a lc o n t r o l l e ds y s t e m ；p l c ； r e f o r m a t i o n i l l 独创件声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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过的研究成果，不包 含本人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任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一些相关责任，特此声明。 5 7 指导教师签名： 论文作者签名：1 t 夏) 加 2 0 0 9 年 12 月5 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的意义 11 1 课题来源 我院数控车间有一台基本失去生产能力的数控铣床x k 7 1 3 如图1 1 所示，现 学院为了使学生增加数控机床实操练习机会且提高机床的使用率，故决定对其投 入数万元进行改造，使其恢复原有的加工能力，并希望能相应提高其加工精度。 1 1 2 课题研究的意义 通过对机床进行全面检修、改造和调试，更换已经报废的数控系统，恢复机 床的正常使用功能，并提升系统性能。如果成功，其经验和开发内容一方面可以 直接用于其余较简单的教学型数控机床的改造；另一方面也可在较短时间内，以 较低的费用，基本恢复和提高整体生产能力，提高单位的技术水平，减少投资损 失。 图1 1 x k t l 3 数控铣床 f i g i1x k 7 1 3n u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l l 广东t 业大学硕i ：学位论文 1 2 课题研究的技术背景 1 2 1 我国数控机床的情况 我国近1 0 年来，数控机床年产量约为0 6 0 8 万台，但机床的年产量数控 化率为6 。我国机床役龄1o 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 。国内大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统 的机床，而且半数以上是役龄在1 0 年以上的旧机床，加工出来的产品普遍存在质 量差、品种少、档次低、成本高、供货期长的缺点，从而在国际、国内市场上缺 乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进、基于数控技术的设备和生产线来 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18 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。但是有的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，严重的使企业陷入困境。一些设备和 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；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造 成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作 用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能 耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种 种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了 就是财富。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，争取到最大的经济效益和社会效益。将本校旧机床改造的成 功经验，用于这些不能使用的设备、生产线，以提高其质量和档次，这将是一个 极大的市场。 1 2 2 数控机床改造的特点 数控改造技术在机械加工行业中的应用越来越广泛，这主要是由于数控改造有 以下几方面突出特点和优点： 2 第一章绪 论 ( 1 ) 投资额少、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6 0 一- 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 是新机床购置费用的1 3 ，交货期短。 ( 2 ) 机械性能稳定可靠所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的 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。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 ( 3 ) 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，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；另外，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。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 ( 4 ) 可充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像购入新设 备时那样需重新构筑地基。 ( 5 ) 可以采用最新的控制技术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，扩大机床数控化改造的市场。 ( 6 ) 提高产品质量和工效可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的 产品尺寸一致性好、合格率高、废品率低、生产效率高。如经济型数控机床一般 可提高工效3 7 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效越明显 ( 7 ) 减轻工人的劳动强度，提高工人素质促进科技成果的普及和应用， 为“体力型 向“智能型 转变创造条件。 对数控机床的改造主要是对其控制系统及控制电路及元器件的更换及调整，及机械系 统的改造和调整，同时改造后的机床的机械部分也必须要经常的保养及维护，否则机械部 分的故障亦会大大增加。 1 2 3 数控化改造在国外的应用现状 在美国、日本和德国等发达国家，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 的新的行业。在一些发达国家，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场， 已形成了机床数控改造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 v t o n 机床公司、d e v li e g - b u ll a r d ( 得宝) 服务集团。u s 设备公司等。美国 得宝公司已在我国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装业 3 广东t 业大学硕 ：学位论文 ( r e t r o f it tin g ) 。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、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。 在德国，机床改造业已经成为一个新兴的工业部门。在不太景气的机床市场 上，二手机床的销售相当红火，据德国机床制造协会统计，早在1 9 9 8 年德国二手 机床销售额就达到2 5 亿马克。由于改造后的旧机床的质量和性能做得与新机床差 不多，而且，改造后的二手机床的用户也同样能够得到供应商或改造厂提供的配 套服务。这样，可以消除二手机床用户的后顾之忧，他们也就乐意改造本厂原有 的旧机床或者从市场上购买改造过的二手机床，从而更有力地推动了机床改造行 业的发展。 1 3 机床数控化改造的需求 1 3 1市场需求 大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数 以上是役龄在1 0 年以上的旧机床，加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档 次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个 企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数 控化率。 1 3 2 必要性和迫切性 l 、数控机床有以下突出的优越性： 1 )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。 2 )加工零件的精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修 配 3 )可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。多道工 序是在一次定位、一次装夹下实现的。 4 )拥有自动报警、自动检测、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。因此劳动生产率提高和生产周期缩 短，效益非常明显。 2 、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益 4 第一章绪论 我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后2 0 年。因此每 年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必 要性和迫切性。上世纪8 0 年代，陆续从国外引进了很多中高档数控机床， 有的服役期满；有的不能正常工作，处于闲置状态，造成巨大的资源浪 费。这些机床共同之处在于机械部分基本完好，精度较高，主要由于数 控系统出现问题而又难以购置配件，不能满足正常生产的需要和现代高 精度、高速度和高可靠性的加工要求。如果利用主流国产或进口数控系 统对现有数控设备进行数控化改造，只需几十万，十几万甚至更少就能 发挥现有设备的作用，而购置一台新的同性能的数控机床需要十几倍甚 至几十倍的价钱，因此，对我国的数控机床的数控化改造，具有明显的 经济效益与社会效益，非常迫切。 1 3 3 可行性 1 、数控机床改造存在很大的市场需求； 2 、数控系统的技术日趋成熟，进口和国产系统功能齐全、性能稳定，非 常适合机床改造； 3 、数控机床改造的优点很多，可以升级机床的功能，最重要的是可以节 省大笔的资金； 4 、机床功能模块化技术已经成熟，更换方便； 综上所述，数控机床的改造具有可行性。 1 3 4 数控化改造主要做法有 恢复原功能。对机床、生产线存在的故障部分进行诊断与维修，使其恢复 原有功能； n c 化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成n c 机床、c n c 机床； 翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对 机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的c n c 系统以最新c n c 进行更新； 技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术， 在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次 的更新改造。 5 广东工业火学硕士学位论文 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 课题研究的基本思想和应达到的技术指标 我院的数控铣床x k 7 1 3 ，由于年久失修原因，已基本失去生产能力，学校为 了教学的需要，希望对机床进行全面检修、改造和调试，恢复机床的正常使用功 能，提高系统性能，并对此已经立项( 项目编号：2 0 0 6 一z 一0 5 ) 。这样一方面可以 将其经验和开发内容直接用于其余较简单的教学型机床改造，节约学校的设备投 入费用；另一方面也可以可借此探索校企合作、产学研结合的新模式，培养、锻 炼教师队伍；亦同时为单位开辟一条社会服务之路作部分准备。 基本思想是保持机床的机械部分基本结构不变，将原先的简易数控系统、老 化失效电气控制部分拆除，用国产主流数控系统替代，维修或更换变频调速主轴 单元，用数字式交流进给伺服系统替代原x 、y 、z 轴步进驱动系统，用光电编码 器替代原感应同步器位置反馈，以半闭环控制结构取代原开环控制结构，开发、 使用p l c 及其应用程序以取代接触器、继电器控制电路，实现开关量和动作量的 逻辑控制，提高控制精度和能力。 应达到的技术指标： 本课题完成后使机床达到如下技术指标： 重复定位精度由以前0 0 3 m m 1 0 0 提高到改造后0 0 i m m 1 0 0 ( 以下) 。 加工效率的提高，由改造前的只能连续工作8 小时变化到连续工作2 4 小 时。 维修、更换主轴和进给伺服系统使其恢复正常工作状态，重新调整工作台， 使机床的刚性得以恢复，效率得到进一步的提高。 增加新的功能：主轴点动、图形模拟、手轮、d n c 等功能，扩大机床的加 工范围，使操作与维修更加简单、方便；同时为加入车间生产网络( 采用d n c 方 式) 准备条件。 1 4 2 课题研究的方法和技术路线 ( 1 ) 进行充分的调研。了解现有主流数控系统的类型、性能、优缺点。 ( 2 ) 机床检测。通过检测摸清该机床的状况，确定系统升级、电气改造、机 械结构改造的要求、内容；确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。 ( 3 ) 确定改造过程和基本方案。整个电气部分改造先分成若干个子系统进行， 待各系统基本成型后再互联完成全系统工作，使改造工作减少遗漏和差错。在每 6 第一章绪论 个子系统的改造工作中，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。 ( 4 ) 根据使用条件选择数控系统。选用电气控制系统各部件的选型、标准， 解决电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能参数匹配等 问题，使改造后的电气系统有可靠的使用保证。电气系统选择时必须考虑成熟产 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。 ( 5 ) 根据选择结果，设计控制系统的整体结构；开发逻辑控制装置的应用内 容。 ( 6 ) 进行各子系统的连接、安装、调试，与机床本体进行连接。 ( 7 ) 控制系统的联调与整机联调。根据项目的验收标准，进行调试，内容涉 及机械、液压、电气、控制、传感器等，调试步骤从简到繁，从小到大，从外到 里，先局部后全局，先子系统后整系统进行。 ( 8 ) 验收、鉴定及总结和材料汇总工作。 1 5 本章小结 本章通过对国内外数控改造市场的现状和趋势的分析，得出机床数控改 造的必然性和可行性，同时提出了本课题研究的基本方法和应达到的技术指 标。 7 广东工业大学硕i ：学位论文 第二章x k 7 13 数控系统改造方案设计 2 1 改造对象的概况 该x k 7 1 3 数控铣床原产于北京第三机床厂，1 9 9 9 年购置，投资3 0 万元左右， 购买后近6 年仅轻微使用数十天，基本一直处于闲置状态，期间曾维修过一次， 现已无法使用。经检查，现机床状态如下： 2 1 1 数控系统的状态 1 系统本身完全损坏，无法启动； 2 大部分接口老化，规格与市场现有的h n c 一2 1 系统无法兼容，失去维修价 值； 3 操作面板有1 3 左右的按键失灵，信号灯全部损坏； 4 手摇脉冲发生器反应不灵敏，怀疑内部触点存在问题； 5 c r t 显示器损坏，无显示； 6 d n c 无法使用，怀疑其软件丢失； 7 软盘驱动器正常。 2 1 2 控制电柜的状态 1 z 轴驱动模块损坏不工作，x 、y 驱动模块工作不稳定，存在较严重的“丢 步 现象； 2 主轴变频器工作状态不稳定，怀疑参数丢失或部分模块失效至使性能下降； 3 变压器组输出电压波动率1 0 ，发热明显( 通电测试约3 0 m i n ) ，继续 使用有危险性； 4 8 个继电器中4 个不工作，缺少2 个h n c 一2 1 系统所需的系统控制继电器 ( 新系统需要1 0 1 1 个) ； 5 自动空气开关和交流接触器工作不稳定，怀疑是积尘过多或元件老化引起； 6 接线板积尘、生锈现象严重，开关量接线板规格与h n c 一2 1 系统不同； 7 大部分线缆老化： 8 除尘过滤装置基本失效； 9 缺少开关电源； 8 第二章系统方案设计 1 0 电柜箱体正常，接地端稍有锈蚀，需要按h n c 一2 1 系统接线要求进行改 造和维修。 2 1 3 电机与检测装置状态 1 主轴电机转速偏差太大( 理论2 5 0 0 r m i n ，实际测速为1 8 0 0 r m i n ) ，拆 卸后发现电机线圈老化，有断相现象。 2 各轴的进给电机完好，但接口与h n c 一2 1 系统不匹配； 3 电机配置的编码器工作状态不明( 因系统损坏无法启动， 接口与h n c 一2 1 系统不匹配，需要另行制作； 2 1 4 其它系统状态 1 系统刚性良好，主要机械部件各部分未见明显变形： 2 主轴旋转噪音过大，跳动明显，怀疑为主轴轴承组松动， 真正确定故障原因及维修方法； 故无法检测) ， 需要拆卸后方可 3 进给系统运动基本正常，部分部位有积尘和锈蚀现象，需要适当维护； 4 各运动部分润滑严重缺乏，需要作全面的维护； 5 松、夹刀装置锈蚀严重； 6 防护板完好； 7 手动润滑液压泵需要更换为由系统控制的自动泵； 8 外部切削液喷注管缺失； 9 回油路渗漏严重，压力不足，怀疑密封或背压阀损坏： 1 0 部分油管老化，需要更换； 1 1 油箱过滤装置已经堵塞，基本失效，油箱本体基本完好； 1 2 液压变速装置状态不明，需要打开主轴箱方可确认； 1 3 缺少进气管和接头； 1 4 气压装置压力不足，怀疑密封或气压阀损坏； 1 5 气压松、夹刀装置状态不明( 因松、夹刀装置锈蚀严重，刀具无法取下) ； 1 6 照明灯全部缺失，原因不明； 17 无气压除尘装置，可附加； 1 8 车间外部供电电源正常。 9 广东t 业大学硕十学位论文 2 2 改造方案设计 2 2 1 机械部分的处理方案 ( 1 ) 维护 各处的积尘和污垢清理干净，更换损坏的垫圈、垫片、密封件、皮带等，修 复接触不良的灯具，重新更换润滑油，清洗或更换油箱、油管、接头、过滤器、 气管、控制阀及元件【9 1 ，放空切削液，清理切削液循环装置。 ( 2 ) 调整 调节并锁紧主轴前后支撑轴承组，调节进给丝杠间隙，调整导轨与工作台之 间的镶条，以获得合理的运动间隙并锁紧。 ( 3 ) 维修 更换主轴及进给电机，更换自动润滑液压泵，拆卸主轴部件进行维修，配装 照明灯，加装气动除尘装置。 2 2 2 电气控制系统的处理方案 ( 1 ) 数控系统 将原先的简易数控系统、电气控制部分拆除，用国产主流数控系统替代，维 修变频器，调整变频器参数适应新的系统，用数字式交流进给伺服系统替代原x 、 y 、z 轴步进驱动单元，用光电编码器检测装置替代原感应同步器反馈，选择内装 型p l c 及其应用程序以取代接触器、继电器控制电路，实现开关量和动作量的逻 辑控制，提高控制精度和能力。系统总体控制结构如图2 1 所示( 只画出一个进 给轴) 。 l o 第二章系统方案设计 图2 1c n c 控制系统总体结构 f i 9 2 1w h o l ef l r a m eo fc n cc o n t r o l l e ds y s t e m ( 2 ) 电柜 重新设计电柜，按照新系统的要求配置、布局，并考虑冷却、除尘、安全保 护和维护的方便性等因素。 2 3 本章小节 本章主要是对改造对象在改造前的状况进行概括，分析其在数控系统、电 气控制、电机及检测装置等方面出现的问题，根据各部分的实际问题，确定 相应的改造方案 机械部分基本以维修、调整为主，恢复、提高其精度，满足数控改造的需 要；更换数控系统及伺服电机，重新设置p l c 参数，并安装调试 广东工业人学硕士学位论文 第三章x k 7 13 数控系统的选型 由于原有的数控系统已经瘫痪，需要依据机床现有的功能，重新选择一款合 适的数控系统，故根据比较当前市场上的主流数控的优缺点，结合对本机床功能 的要求，对各类数控系统做详细的分析比较。 3 1 数控系统基本性能要求 数控系统的核心是计算机数字控制装置，即c n c 装置。改造后c n c 装置的基 本性能概括起来如下： 控制轴数：即c n c 最多可以控制多少坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。项 目要求基本坐标轴是x 、y 、z 三个移动轴。 联动轴数：表示c n c 可同时控制按一定规律完成相应轨迹插补的协调运动的 坐标轴数，项目要求的联动轴数为3 个。 插补功能：此次改造要求c n c 具有直线、圆弧、抛物线、椭圆、螺旋曲线、 样条函数等插补功能，插补坐标系包括直角坐标系和极坐标系。 脉冲当量( 分辨率) ：脉冲当量是c n c 很重要的精度指标，一是机床坐标轴可 达到的控制精度( c n c 每发出一个脉冲，坐标轴所移动的距离) ，即实际脉冲当 量或外部脉冲当量，要求0 0 0 5 m ；二是内部运算的最小单位，称为内部脉冲当 量，要求0 0 0 3 m 以便在运算过程中不损失精度。 定位精度和重复精度：定位精度是指实际位置与指令位置一致的程度，重复 精度指在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所得到的连续结果的一 致程度；要求定位精度0 0 0 5 r a m 和重复精度0 0 1 r n m 。 进给速度和调节范围：用f 指令以每分钟进给距离的形式指定刀具切削速度， 要求其中最大进给速度2 m m i n ，进给速度调整范围为l o 2 0 0 ，每档间隔1 0 。 主轴转速和调节范围：用s 指令以每分钟转数的形式指定的主轴转速，要求其 中最大转速2 5 0 0 r r a i n ，机床操作面板设有主轴转速倍率开关，做到不修改程序 而改变主轴转速，调节范围是5 0 - - - 1 2 0 ，每档间隔1 0 。 准备功能( g 功能) ：指令机床动作方式的功能，包括基本移动、程序暂停、 平面选择、坐标设定，刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等。所有 g 代码应分成一次性和模态两种。在程序中，一次性的g 代码限于在指令的程序段 内有效，而模态的g 代码直到出现同一组的其他g 代码前一直保持有效。 1 2 第三章数控系统的选型 辅助功能( m 功能) ：辅助功能应包括主轴的起、停、换向、切削液的接通与 断开等。m 功能的使用分成立即型( 在指令的程序段开始动作时立即执行) 和段后 型( 在指令的程序段完成时才起作用) 两种。 刀具管理功能和刀具补偿：用t 指令来选择刀具的功能。要求c n c 能够以“m 0 6 + t 指令”的格式选择加工时所需要的刀具，并进行刀具的半径和长度补偿。 零件程序管理和编程：c n c 中可同时存储的零件程序容量4 m 。 c n c 提供的编程方式：m d i ( 手动输入单步执行) 、对话编程、参数化编程、 蓝图直接编程等。 零件程序结构：零件程序结构包括程序名位数、程序号位数、子程序、子程 序的嵌套层数、用户宏程序等【8 】。要求c n c 提供的零件程序结构灵活，用户使用 方便，便于简化零件程序。 操作功能：c n c 能进行条件程序段的执行、程序段跳步、机械闭锁、辅助功 能闭锁、单段、试运行等操作。 误差补偿功能：c n c 具备采用反向间隙补偿和螺距误差补偿功能，能够把误 差的补偿量输入c n c 的存储器，按补偿量重新计算刀具的坐标尺寸，从而加工出符 合要求的零件。 自动加减速控制：c n c 系统用软件实现自动加减速控制，对送到伺服电动机 的进给频率或电压进行控制，以保证伺服电动机在起动、停止或速度突变时不产 生冲击、失步、超程或振荡。 开关量接口：c n c 的m 、s 、t 功能不仅在c n c 内部处理，而且要以b c d 码的 形式输出，另外，c n c 还应具备其他一些开关量接口，如外部的急停信号、循环 起动信号、进给保持信号等。 机床顺序控制：机床顺序控制用可编程逻辑控制器p l c ( 也称p m c ) 实现。 字符图形显示：c n c 配置单色或彩色c r t ，通过软件和接口实现字符和图形 显示。可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信号、人机对话编辑 菜单、零件图样、动态刀具轨迹( 表示实际切削过程) 等，以中文显示功能为主。 通信与通信协议：c n c 有r s 2 3 2 c 接口，最好配有d n c 接口，并设有缓冲区， 能够与计算机进行高速传输，接入车间通信网络，以适应c a m ( 计算机辅助制造) 的要求。 1 3 自诊断功能：c n c 中设置各种诊断程序，在故障发生后可迅速查明故障类型和 部位，及时排除以减少故障停机时间和防止故障的扩大。故障诊断程序可以包含 在系统程序中，在系统运行过程中进行诊断，也可以作为服务性程序，在系统运 行前或故障停机后进行诊断。 3 2 主流c n c 装置性能比较与选型结论 ( 1 )主流c n c 装置性能比较 主流c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 装置性能比较见表2 1 所示。 按照上述基本要求，根据目前我国数控机床市场的系统使用情况，初步选择 s i e m e n s8 0 2 d 、北京f a n u co im a t et b 和华中“世纪星”h n c 一2 1 铣床系统进 行比对【4 卜【7 1 ，从中选出适合项目需要的系统。 表3 1三种数控系统性能比较 t a b 3 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nf o rt h r e en u m e r i c a lc o n t r o l l e ds y s t e m f a n u co im a t e “世纪星”h n c 一2 1 铣 功能s i e m e n s8 0 2 d t b 床系统 控制轴数 433 联动轴数 43 3 ( 具有第四轴的扩展能 力) 最大编程尺寸8 位 8 位9 位 最小设定单位0 0 0 1 毫米0 0 0 1 毫米0 0 0 1 毫米 程序数据断电保护与有按用户要求另配 有1 6 m b 电子盘 存贮功能 进给轴类型半闭环控制半闭环控制( 全半闭环控制 闭环控制为选 件) 进给轴驱动系统 si m o d r i v e伺服控制f s s b数字交流伺服驱动装置+ 6 1 1 u e + 带编码器 ( 0 系列) + 交流永磁同步交流无刷伺服 的i f k7 伺服电 伺服电机( b 系电机 机 列) 主轴系统有有( a c 主轴电机有( 变频器+ 变频主轴电 1 3i 系列) 机， 1 4 第三章数控系统的选型 修调功能进给修调和主轴 进给修调、快速进给修调、快速修调和主 转速修调两种控修调有0 、2 5 、轴转速修调三种控制功 制功能，修调范围5 0 和1 0 0 四能，修调范围达到0 1 0 一1 2 0 档，主轴转速修1 5 0 ，为连续实时多档修 调0 2 5 4 调 自动加减速控制方式s 型加减速度控制快速进给0 型加快速进给、切削进给s 减速度控制、切型加减速度控制 削进给指数加减 速度控制 系统参数备份与恢复有有有 功能 显示器1 0 4 英寸t f t 彩9 英寸黑白l c d7 5 英寸彩色液晶显示 色液晶显示器( 彩或7 2 英寸黑白器 色选件)l c d 显示屏亮度调节方式手动调节功能无手动和自动调节功能 图形显示有轨迹显示( 选有轨迹显示( 选彩色实体图形实时动态 件)件)显示 空运行、模拟图形化有有有 程序校验 实时加工参数显示功 有有有 能 菜单显示语言 中英文菜单汉字菜单 汉字菜单( 可选为英文) 编辑功能有有有 蓝图编程功能有有( 选件)有( 选件) 在线帮助功能有有有 断点保存与恢复功能有有有 从指定的任意行运行有有有 加工功能 程序跳段功能 有有 有 故障监控、诊断与报有有有 警功能 历史故障记忆功能有有有 间隙及螺距误差补偿 有有有( 单、双向螺距误差补 功能偿功能) 1 5 广东工业大学硕l ：学位论文 跟踪误差允差设定与有 有有 报警功能 工作状态显示灯 有有有 手动自动单步m d i有有有 等方式 行程极限的软、硬件 有有有 限位功能 对刀操作方式一种对刀操作方 一种对刀操作方支持绝对刀偏和相对刀 式( 绝对刀偏)式( 相对刀偏)偏两种对刀操作方式( 可 自动计算工件坐标值) 主轴编码器有有有 电子手轮有有有 局域网( 以太网) 连无 无有( 可实现机床联网) 接功能 d n c 接口通讯功能有有有( w i n d o w s 操作界面) 外接1 0 1 键盘的接口无无 有 功能 硬盘存储器接口无无有( 可配1 0g b 以上标准 硬盘驱动器) 软驱接口无( 可扩展)无( 可扩展)有( 1 4 4 m b 标准软盘驱 动器) ( 选件) 二次开发工具无无有 插补功能直线、圆弧、极坐直线、圆弧、极直线、圆弧、螺旋线、正 标、圆柱插补坐标、圆柱插补弦线插补 螺纹功能( 公制，英有( 多头、变螺距有( 不支持变螺有( 多种螺纹切削固定循 制) 螺纹加工功能)距螺纹加工)环、多头、变螺距螺纹加 工功能) 粗、精车固定循环、有 有有 复合循环 公制英制输入功能有有有 直径半径编程有 有有 绝对值增量值编程有 有有 每分钟每转进给功有 有有 能 1 6 第三章数控系统的选型 刀具偏置和补偿功能有( 刀具数：3 2 ，有( 根据要求配有( 刀具把数：9 9 把， 刀具偏置存储器：备)刀具偏置存储器：9 9 个) 6 4 ) 刀具半径补偿、长度有有有 补偿 自动换刀功能有有有 倒直角、圆角功能有无倒圆角有 小线段连续高速加工有无有 功能 恒线速切削功能有有有 坐标系可编程的零点有无有 偏置功能 子程序调用功能有( 8 重子程序)有有( 8 重子程序调用功 能) 参数编程、宏程序编 有有有 程 编程语言标准的g 功能、m标准的g 功能、标准的g 功能、m 功能、 功能、t 功能m 功能、t 功能t 功能 ( 2 ) 选型结果 根据上述三个厂家的c n c 装置性能和本项目改造后对c n c 装置的性能要 求，且由于我校一直是使用华中数控系统，其系统的稳定性及操作的便利性能都 较熟悉，再参考系统厂家的服务承诺，决定选择华中“世纪星 h n c 一2 lm d 铣床 数控系统作为此次改造的应用系统，相应的具体配备如表3 2 所示，系统结构配置 如图3 1 。 表3 2数控系统主要器件 t a b 3 2m a i nc o m p o n e n t so fn u m e r i c a lc o n t r o l l e ds y s t e m 器件名称规格主要用途备注 h n c 一2 i m d ( 配内装型 数控装置铣床控制系统 p l c ) 外部接口单元 h f d 一2 0 0 1 外设接口，数据交换 伺服驱动器 h s v l6 0 一0 2 0 进给电机控制 2 伺服电机 g k 6 0 6 3 6 a c 31x 、y 、z 轴进给电机7 5 n m 主轴变频器 f r e n i c5 0 0 0 g 9 s主轴电机驱动控制5 5 k w 主轴电机 矢量控制变频电机主轴驱动 4 5 k w 1 7 伺服电源模块h s v 1 1 p为伺服驱动器供强电 伺服变压器 3 pa c 3 8 0 2 0 0 v 为伺服电源模块供电 7 5 k w 开关电源 a c 2 2 0 d c 2 4 v开关量及中间继电器1 0 0 k w 伺服控制电源、开关电 a c 3 8 0 2 2 0 v3 0 0 w 源 控制变压器1 1 0 v交流接触器电源2 5 0 w 2 4 v 照明灯电源 1 0 0 w 2 4 v 数控装置电源 1 0 0 w h n c2 1 ( 内装p l c ) x s l o 、x s l l输入开关量 r $ 2 3 2 cx s 5 x $ 2 0输出开关量 p c 键盘x s 2 x $ 3 0 上 软驱 - -x s 4 i 伺服x yh 伺服电机x y x y 轴编码器 i 、3 l 网口 y g 气l 上 “叩f 伺服z伺服电机zz 轴编码器x $ 3 2 手持单元卜卜 x s 8 上 x s 9 - i 主轴变频器l叫主轴电机 主轴编码器 图3 1系统配置结构图 f i g 3 1