（机械设计及理论专业论文）x5040铣床的数控化改造.pdf

哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 摘要 我国目前的机床总量约为3 8 0 万台，而且其中数控机床总数约为1 1 万台， 数控化率不到3 ，与国际上数控化率5 0 相差甚远。因此，机床数控化改 造对于我国制造业信息化是很有必要性的。 针对某厂x 5 0 4 0 型普通铣床数控化改造项目，提出了该机床数控化改造 的方案并实施了改造。 完成的主要工作如下： 1 、机械部分改造。通过对机床各部分结构、运动及参数的分析，确定了 机械部分改造方案。保留原机床主轴箱，取消进给箱的传动装置，改为用交 流伺服电机代替；导轨进行打磨、刮研；丝杠改为滚珠丝杠。 2 、数控系统选择。通过对国内外数控系统的比较，遵从性价比高、综合 成本低的原则，最后确定采用国产d t m 5 t 数控系统。 3 、电气部分改造。电气部分分别对强电和弱电进行了改造，将主轴电机 更换为交流伺服电机，实现宽的调速范围；进给部分增加交流伺服电机，实 现数控化控制。通过各项参数的设定和p l c 程序，实现机床电气控制。 4 、精度测试和标准样件试加工。机床改造后，对机床静态的几何精度进 行检测；通过标准样件的试加工，利用三坐标仪对其进行检测，从而来检查 机床的工作精度。检测的结果各项精度达到指标，因此机床改造满足客户的 要求。 关键词：数控机床；数控化改造；数控系统 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 a b s t r a o t t h en u m b e ro fm a c h i n et o o l si st h i r t ye i g h tt h o u s a n d si nc h i n an o wd a y s ， a m o n gw h i c h ，e l e v e nt h o u s a n d sa r et h en u m e r i c a lc o n t r o l o n e s t h er a t eo f n u m e r i c a lc o n t r o li sn o tu pt o3 f a rl e s st h a n5 0 i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s t h em o d i f i c a t i o no fn o n n u m e r i c a lm a c h i n et o o l si so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h e d e v e l o p m e n to fm s e si nm a n u f a c t u r i n gs e c t o r t h i sp r o j e c tw a sf o c u s e do nt h em o d i f i c a t i o no fm i l l i n gm a c h i n et y p e d x 5 0 4 0 t h ep r o c e s sw a sa sf o l l o w ： 1 m o d i f i c a t i o no fm e c h a n i c a lp a r t s a f t e rt h ea n a l y s i so fs t r u c t u r e ，m o t i o na n dp a r a m e t e r so ft h em a c h i n ei n q u e s t i o n ，t h eh e a d s t o c kw a sr e m a i n e d ，t h et r a n s m i s s i o ne l e m e n t so f f e e db o xw a s c a n c e l l e da n dr e p l a c e dw i t ha cs e r v om o t o r t h ew a y sw e r eg r i n d i n ga n d s c r a p i n g a n dt h el e a ds c r e ww a sr e p l a c e d 、撕t hb a l ls c r e w 2 s e l e c t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m c o m p a r e dw i t hr a t i oo fp e r f o r m a n c ea n dc o s ti nt h i sc o u n t r ya n da b r o a d ，t h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw a ss e l e c t e dc a l l e dd t m - 5 t 3 m o d i f i c a t i o no fe l e c t r i c a la p p l i a n c e s t h es p i n d l em o t o rw a sr e p l a c e dw i t ha cs e r v om o t o rd y n a m of o rw i d e r v e l o c i t ym o d u l a t i o n w i t hs t e pm o t o ra n ds e l e c t e dp l cp r o g r a m ，t h ee l e c t r i c a l c o n t r o lw a sc a r r i e do u t 4 m e a s u r e m e n t sa n ds p e c i m e n m a c h i n i n g t h es t a t i ca n dg e o m e t r i c a lp r e c i s i o n sw e r et e s t e dw i t ht h i sm i l l i n gt o o l ，a n d t h es t a n d a r ds p e c i m e nw a sm a c h i n e d w i t ht h em e a s u r e m e n t so fs p e c i m e nb y m e a n so ft h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e st e s tm a c h i n e ，t h et e s tr e s u l t ss h o w nt h a t t h er e q u i r e m e n t so fm o d i f i c a t i o nw e r er e a c h e d k e yw o r d s ：n cm a c h i n et o o l ；m o d i f i c a t i o no f m a c h i n et o o l ；n cs y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性说明 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 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的 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) ：迸 日期：o 叻7 年- 7 月 日 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 机床数控技术概述 机床数控技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种机床自动控制技术。3 0 多年来，随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步， 以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与 现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技 术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用【l 】，使得普通机 械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导 致了制造业发生了根本性变化。数控技术已成为现代制造技术的基础，其水 平高低和数控机床拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志1 2 j 。数 控技术在机械制造业中得到广泛的应用，是因为它有效地解决了复杂、精密、 小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企 业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著，具体表现在以下几 个方面【3 】： l 、生产效率高，比普通机床提高3 5 倍： 2 、减少工装，减少人为误差，提高加工精度，具有广泛的适用性和灵活 性； 3 、缩短新产品的试制和生产周期，易于组织多品种生产，使企业能对市 场需求做出快速响应； 4 、能加工普通机床不能加工的大型复杂零件； 5 、能减轻劳动强度，改善劳动条件，节省人力，能降低劳动成本； 6 、可实现软件误差补偿和优化控制。 据全国工业普查的统计资料介绍，截止到2 0 0 0 年底，数量较多涉及面较 宽的金属加工机床的拥有量约为3 8 4 万台，其中役龄在6 1 5 年约为1 5 3 2 万 台，约占3 9 9 ，役龄在1 6 年以上约为1 3 3 3 万台，约占3 4 8 。这表明我 国工业制造业的装备，乃至各行各业的设备仍有相当大数量比较落后，有待 改造或更新。鉴于此，采用数控技术对普通机床进行数控改造，尤其适合我 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 国机床拥有量大，生产规模小的具体国情【钔。 1 1 1 课题研究的目的、意义 众所周知，设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础，设备 的技术性能和技术状况的好坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。设 备的技术改造和更新速度又直接影响企业技术进步、产品开发和市场开拓后 劲。因此，加快设备更新和改造，以提高企业在国内、外市场的竞争力，是 企业的一项重大战略任务。 更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一 定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费 用大约为同类型新机床价格的6 0 ，尽管费用较高，但由于机床改造后使用 效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎【5 】。国内近几年才有较多的用户使用 数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床 改造还处于起步阶段。改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具 备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及 驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。 因此我们决定对现有设备进行机床数控化改造。 1 1 2 国内、外机床数控化改造的现状 随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机 械制造业现代化水平的重要标志。根据最近有关资料表明，我国机床总量为 3 8 0 余万台，其中数控机床总数只有l1 3 4 万台，即我国机床数控化率还不到 3 ，而一些发达国家早己达到2 0 以上。因此，我国机械制造水平与发达国 家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展【6 】。 对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月 异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。采用先进的 工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。因此，逐步提高数控机 床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。 提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床 进行数控改造。这对于我国一个机床拥有量极大( 其中大部分机床役龄较长) ， 而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先 2 堕签鎏：矍奎堂堡堂垡堡奎 进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径。即使在发达的工业幽家， 在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床 的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不 景气的今天，它们的机床改造却是作为新的经济增长行业，生意盎然，处在 黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和 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。从事再生业的著名公司有：b o r s c h e s 工程公司、a n 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【6 j 。美国得宝 公司己在中国开办公司。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 ) x j k 。 从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工程公司、 野琦工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等【7 】。 由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一 个“永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。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。结合我国机床业的实际和当前相关 新技术的发展，采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点： ( 1 ) 减少投资、交货期短 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、刀具自动交换装置、托盘自动交 换装置的制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高2 3 倍，与购 置新机床相比，只能节省投资5 0 左右。 ( 2 ) 机械性能稳定可靠，但结构受限 由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、 立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。而铸铁件年代愈 久，自然时效愈充分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。从另一方面 来说，这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时 对环保的影响。但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做 突破性的改进。 ( 3 ) 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修 购买新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能 3 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 完全适合其加工要求。改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和 维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估 算。机床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改 造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。 这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专 业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改 造，大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对 数控机床在操作使用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可 很快投入正常全负荷运转，见效甚快。 ( 4 ) 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同 时工夹具、样板及外围设备也能再利用。以加工中心为例子，工艺装备的费 用一般要占整个机床售价的1 0 以上。 ( 5 ) 可更好地因地制宜，合理筛选功能 购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功 能，而又可能缺少某一专用的特殊功能。如向机床制造厂提出特殊订货，增 加某些专用功能，往往费用大、交货期长。而采用改造的方案，就可灵活选 取所要的功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件， 设计改造成专用数控机床。 ( 6 ) 可及时采用最新技术、充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的 社会资源来支持机械方面的改造。如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而 且交货期短：采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低 五至十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。这种塑料导轨带和粘结剂， 国内己有多家厂生产，可敞开供应。此外，国产数控系统还具有导轨精度自 动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度【引。又如，当采用其他 方式恢复主轴回转锥度有困难时，国内现己有多家专业工厂从事将主轴轴承 改造为静压或动静压轴承的业务；现己有专业的润滑系统、冷却系统、防护件 生产厂；北京机床研究所已专业化生产加工中心的刀库和机械手；洛阳轴承 研究所为北京第一机床厂和南通机床厂配套电主轴部件，不仅将电动机和主 4 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 轴制成一体，而且主轴内还包含了自动央紧和松开刀柄的机构，某些旧机床 改造时，可以用电主轴部件来替代原来的主轴等这些例子，说明有一大批社 会资源，因此可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术，提高生产 设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今高水平、 高效率的机床f 9 】。 1 1 3 数控技术概述 1 、数控n - r 原理 在数控机床上，工件加工的全过程是由数字指令控制的，在加工前要用 制定的数字代码按照工件图样编制出程序，编成数控程序，输入到数控机床 中，使之按指令自动工作【l o 】。 数控机床的加工方法就是用逼近轮廓的方法，即插补法来加工工件的。 它即可以加工直线和圆弧，也可加工出各种复杂的曲面。加工工件空间轮廓 时，可由数控机床上的溜板沿x 、y 、z 三个坐标方向上完成的合成运动。 数控机床工作时，数控装置每发出一个进给脉冲指令，工作台就移动一 个相应的距离，这个距离称为脉冲当量。其值一般为o o l m m m i n ，精度要求 高的机床为0 0 0 1m m m i n 【1 1 1 。根据数控加工的原理，可知数控机床的构成框 图1 1 所示。 图1 1数控机床的构成框图 图中数控系统通常有一台专用微型计算机构成，它接受输入的控制信号 代码，经过输入、缓存、译码、寄存、运算和存储等过程，转变成控制指令 实现直接控制；或通过可编程序控制器( p l c ) 对伺服驱动系统进行控制。 伺服机构包括驱动和执行两部分。它接受数控系统插补生成的进给脉冲 信号，经过放大的伺服驱动装置，实现机床运动。伺服驱动装置包括主轴驱 动单元，进给驱动单元、主轴电动机及进给电动机等。数控机床的本体则采 用了高性能的主轴、滚珠丝杠副及直线滚动轴承等高效传动部件，同时其结 构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，其受热不变形【1 2 】。 5 哈尔滨i 程大学硕+ 学位论文 2 、数控铣床的结构 数控铣床一般有三大部分组成，即机械部分、电气部分及数控部分等。 机械部分可以分为六部分：床身、铣头、_ 【作台、横i ；, j 纵向进给部分、 升降台部件以及冷却、润滑系统等。 电气部分分为强电和弱电。强电由电机控制丰轴、铣头、泵、润滑系统 等，通过传动系统可以实现各级转速的调整。弱电通过各种元器件控制t 轴 的正转反转、启动停止、冷却液的丌关，进而招制机床的各种加工动作。 数控部分在控制电路中采用了高速处理器及计算机技术，实现了高速度、 高可靠性的目标。系统内还配有p m c ( 即p l c ) ，实现了机械加工的高速化 及机床强电电路的简化。本部分还有r s 2 3 2 通信接口与外设计算机进行联机， 保证信息的传输。 1 2 课题背景 x 5 0 4 0 型立式升降台铣床是齐齐哈尔第二机床j1 9 7 6 年牛产的普通铣 床，如图12 所示。山于使用了很长时问，因此在效率越来越高的现代化l 产中已严重受到制约，不能满足加工需求。 罔12x 5 0 4 0 立式铣床外观罔 堕塑! 鎏! 堡查堂堡堂垡堡奎 该铣床由于长时间工作，设备老化，机械传动偏差大，造成精度不高， 速度慢，特别是在批量加工零件时的效率不高；单轴控制，电路复杂，性能 不稳定，且效率低下。因此用户提出如下改造技术要求： 1 、满足加工结构复杂，精度要求较高，批量较小的零件，使机床具备加 工任意圆弧和凸轮曲面的功能。 2 、铣床数控化改造的电器部分要求：进给轴采用交流伺服电机控制；主 轴实现正转反转和停止；实现自动冷却、润滑功能；进给轴的正、负限位控 制；急停、报警信号的输入等。 3 、x y z 向交流伺服电机精度为0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 1 m m s t e p 定位精度 0 0 1 5 m m ；重复定位精度0 0 1 m m 。 机床结构基本参数为：工作台纵向行程( 手动机动) 为1 0 0 0 9 9 0 m m ， 工作台横向行程( 手动机动) 为3 7 5 3 6 5 m m ，工作台垂向行程( 手动机动) 4 5 0 4 4 0 m m 。主轴转速18 级【1 3 1 。为适应现代制造工业发展，合理利用资源， 提高精度与自动化综合效率，故对该机床进行了改造。 1 3 课题研究的主要内容 1 、机械部分改造。通过对机床机械部分的分析和计算，在利用原机床的 基础上，通过对导轨的维修和滚珠丝杠的更换，来设定机械部件的规格、性 能，以便数控系统正确且准确的控制整部机床的机械部件，达到机床n c 化。 基于以上数控机床的工作原理和结构特点，对于x 5 0 4 0 铣床机械部分改造的 内容如下： ( 1 ) 导轨与丝杠。由于长时间的磨损，导轨面产生摩擦致使产生了凹凸 不平的现象，从而影响加工精度，因此要对导轨面进行加工，如精磨、精刨、 刮研等；丝杠方面，为了提高传动精度，把普通丝杠换为滚珠丝杠。滚珠丝 杠的最大特点是可以减小正反向的传动间隙和减小传动阻尼，可大大提高传 动精度。 ( 2 ) 保留原机床主传动系统的基础上，通过改造实现主轴正反转，启 动停车的n c 控制；将工作台实现垂直、横向和纵向三个方向拖板的进给传 动装置取消，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、交流伺服 电机。垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠副后会因失去自锁而自动下 7 堕签鎏! 堡奎堂堕堂堡垒塞 滑，必须增加平衡装置和制动装置；电机通过减速齿轮带动滚珠丝杠，从而 带动拖板移动。因此机械结构更为简单，减少了传动误差。 2 、数控系统的选择。从性价比高、综合成本低这两个主要的原则出发， 在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。 不选择那些已经或将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新， 也不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑 价格因素，除产品本身的价值外，还要顾及与其配套的配件的采购、维修成 本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。 3 、电气部分改造。对机床电气进行数控改造，需拆除原机床工作台进给 电机及其相应强电线路，由交流电动机及光电编码器输出控制信号，设计由 k a l k a 4 个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相 连，接受系统的控制，可实现机床紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴限 位、主轴的正反转、启动停车、冷却泵控制等功能。 4 、测试机床精度。通过机床静态测试和对标准样件的试加工，来测试机 床的各项精度，包括机床几何精度和机床工作精度两项。最后对改造后的机 床和新机床的各项指标做以对比，来考核改造是否成功，并得出结论。 8 哈尔滨t 程大学硕七学付论文 第2 章x 5 0 4 0 铣床改造的方案设计 2 1 机床数控化改造流程 实地开展调查研究。查找x 5 0 4 0 型铣床的使用说明书和机床数控化改造 有关的资料，由于这台设备使用时间长，使用说明书等相关文献已经遗失， 因此到原生产厂家齐齐哈尔第二机床厂参观学习，了解机床的工作性能和各 项要求，正确估算机械残留价值，确定x 5 0 4 0 型立式铣床改造的目的，从而 更加明确了改造任务，为改造工作做好准备。 设备整体的测绘。对原机床的结构、整体尺寸、主轴状态、导轨磨损情 况、润滑等有清楚的了解和记录。收集整理了机械部分和电气部分的各项资 料，对机械部分的传动系统、冷却、润滑系统和电气系统控制等设备现状进 行了分析。 改造方案的设计。综合各项信息最终确定机床改造的总体方案，制定了 具体的实施方案，开始对机床进行改造。在机床改造后，进行数控系统的调 试，当各项参数稳定后，通过对标准样件的加工来测试机床各项精度参数， 并得出了改造后的铣床已经满足各项要求的结论，能够开展正常的数控加工 工作。x 5 0 4 0 铣床数控化改造流程图如图2 1 所示【1 4 】。 介 阅 技 术 资 料 改造设计侄务 调研ll 设器会诊装定 忝 秽l 械青$ 分ll 乜黔部分 囊l | 蓁| | 翼| | 冀ll 冀耄ll 翥萋 图2 1x 5 0 4 0 铣床数控化改造流程图 9 一一一一一一一一委| 堕签鎏! 矍叁堂堡主里垡丝窒 2 2 总体改造方案设计 在测绘的基础上，根据用户的要求，确定总体设计方案，其中包括：机 床技术规格、机械传动系统和冷却、润滑系统、机床的防护系统等，机床数 控系统的选择、电气控制系统等。 1 、机床的技术规格 机床技术规格见表2 1 所示。 表2 1 机床的技术规格 项目单位数值 工作台t 作面宽度m m 4 0 0 工作台工作面长度 m m1 7 0 0 _ t 作台t 型槽数个 3 工作台t 型槽间距m m 1 0 0 工作台t 型槽宽度m m 1 8 工 工作台行程纵向x m m1 0 0 0 作 工作台行程横向y m m3 7 5 厶 上作台行程垂向( 手动) m m4 5 0 口 工作台垂向快速移动速度 m m m i n8 0 0 上作台后向全垂直导轨距离最小m m 6 0 工作台后回全垂百导轨距离最大m m 5 1 0 上作台承载重量 k g 2 3 0 主轴锥孔 4 0 ；g b 3 8 3 7 1 - 8 3 主 主轴中心线至导轨距离 m m3 8 5 轴 主轴转速( 无级) r m i n3 0 1 5 0 0 主轴套筒行程m m 1 4 0 5 5 k w3 8 0 v5 0 h z 主轴电机 l4 4 0 r m i n 1 1 k w3 8 0 v5 0 h z 升降台快速电机 9 1 0 r m i n o 1 2 5 k w3 8 0 v5 0 h z 电 冷却泵电机 2 8 0 1 3 i r m i n x 伺服电机 1 2 k w5 n m a c 机 y 伺服电机 1 2 k w5 n m a c z 伺服电机 1 4 k w5 n m a c 进给速度( x ，y ，z ) m m m i n l o 一1 5 0 0 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 续表2 1 机床的技术规格 项目单位数值 快速移动速度( x ，y ，z ) m m m i n2 4 0 0 8 0 0 最小设定单位 m m 0 0 0 l 控制系统 d t m 5 t 机床外形尺寸( 长宽高)m m 2 5 5 8 2 3 8 0 2 4 5 0 机床净重 k g 4 9 0 0 2 、总体改造方案 经过察看x 5 0 4 0 铣床本体及有关资料，并且参照数控铣床的改造经验， 确定总体改造方案，如图2 2 所示。 图2 2x 5 0 4 0 铣床总体改造方案 1 、保留机床原主轴运动系统，通过改造实现主轴正反转，启动停车的 n c 控制； 2 、拆除机床工作台x 、y 、z 轴原进给系统，将滑动丝杠副更换为滚动 丝杠副，并改装减速齿轮、交流伺服电机。垂向工作台传动升降机构在更换 滚珠丝杠副后会因失去自锁而自动下滑，必须增加平衡装置和制动装置； 3 、数控系统选用北京帝特马数控设备有限公司生产的d t m 5 t 数控系 统： 堕签堡! 堡叁兰堡堂垡丝塞 i i i 4 、电气系统的设计。在进给驱动中使用交流伺服电机，并安装编码器作 为检测反馈元件。由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案 时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低 成本。 2 3 机械部分改造方案设计 1 、进给传动系统改造方案 改造后取消其齿轮传动，工作台的纵向、横向、垂向进给均由伺服电机 拖动，通过减速齿形带动纵、横向、垂向滚珠丝杠副转动实现，进给速度由 伺服交流伺服电机给定；在交流伺服电机尾端加入编码器，完成位置反馈， 构成半闭环控制系统。进给系统改造后的结构，如图2 3 所示。 图2 3 进给系统改造后的结构图 l 、2 、3 一x ，y ，z 向交流伺服电机；4 一制动平衡装置 2 、其他机械部分 ( 1 ) 床身 经对照原机床的使用说明书和机床安装的情况，决定保留x 5 0 4 0 铣床原 有的床身，机床床身其内部加强筋布置合理，具有良好的刚性，底座上设有 四个调节螺栓，便于机床调整水平，冷却液储液池设在床身内部。 1 2 堕垄! 鎏一! ：堡奎堂堡堂堡堡茎 i 一i _ _ _ _ _ ( 2 ) 铣头 由有级变速箱和铣头两个部件组成。铣头主轴制成在高精度轴承上，保 证主轴具有高回转精度和良好的刚性。主轴装有快速换刀螺母，前端锥孔采 用i s o3 0 。锥度。主轴采用机械传动装置变速，共有1 8 级，传动平稳、操 作方便。如图2 4 所示。 故此，在满足主轴调速范围的基础上，主轴变速箱和铣头不改变。 且 厂 ( a ) 铣头俯视图( b ) 铣头剖视图 图2 4 铣头结构图 ( 3 ) 工作台 工作台与床鞍支承在升降台较宽的水平导轨上，工作台的纵向、横向、 垂向进给拖板的进给传动装置取消，改为由伺服电机驱动，通过内齿带轮带 动精密滚珠丝杠，从而使工作台获得纵向进给。工作台左端原有的手轮和刻 度盘保留，以便进给手动操作。 ( 4 ) 冷却、润滑部分 冷却部分由切削液泵、出液泵、回液管、开关及喷嘴等组成。切削液泵 安装在机床底座的内腔里，将切削液从底座内储液池泵至出液管，在经喷嘴 喷出，对切削区进行冷却。润滑部分采用机动润滑方式，用润滑油泵通过分 油器对主轴套筒、刀轨及滚珠丝杠进行润滑，以提高机床的使用寿命。 冷却、润滑部分线路良好，可以继续使用。 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 电气部分改造方案 铣床的数控化改造电气控制图如图2 5 所示。在交流伺服电机控制下， 驱动控制执行元件运动，完成进给轴的快速移动、启动停止等运动。用四幅 驱动元件控制工作台的移动，进给轴的转速有两部分控制组合而成，一部分 由交流电机通过减速齿轮对转速进行调速，另一部分由机械手柄和带轮进行 有级调速。强电电路有主电路、冷却系统、润滑系统等三部分组成。 图2 5 铣床的数控化改造电气控制图 机床上电采用三相3 8 0 v 交流电源供电，由空气开关控制机床总电源的 切断。空气开关还同时受钥匙开关和开门断电开关的保护控制，使机床只有 在钥匙打开和电气箱关闭的情况下才能通电。 1 4 堕玺堡! 堡盔堂堡堂垡笙塞 主电路为下列部件供电：伺服单元主电路、伺服单元控制回路、主轴电 动机、切削泵电动机。控制电路使用的电源分别有两个电源变压器提供。一 个电源变压器电源模块提供单相2 0 0 v 交流电源，另一个电源变压器输出三 组单元交流电源。1 i o v 组为自动润滑、轴流风扇、电磁阀供电，并为交流控 制回路提供i o o v 电源。2 8 v 组为2 4 v 直流稳压电源提供交流输入电源。2 4 v 组为机床工作提供照明电源。 2 5 数控系统的方案 1 、数控系统的控制方式 数控系统的控制方式通常分为三种，开环控制半闭环控制、闭环控制。 在制定机床数控化改造总体方案时，应根据产品的加工要求，又要考虑数控 系统的性能价格比，正确选择数控系统的控制方式【1 5 】。 半闭环控制通常是指数控坐标轴为伺服电机驱动，它由伺服电机、检测 器、比较线路、伺服放大线路等部分组成，它根据来自检测器的反馈信号与 指令信号比较的结果来进行速度和位置的控制，对大部分数控机床来说，其 检测反馈信号是从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得。半闭环控制已经广泛的应 用在数控机床上。 2 、数控系统的选择 在进行数控系统选型时，一般应遵从性价比高、综合成本低这两个主要 的原则。在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的 数控系统。 ( 1 ) 性价比高的原则 一般在选择数控系统时，应考虑数控系统的先进性，不要选那些已经或 将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，而要尽量选择先进 的、能代表当前主流技术的产品。先进的产品代表更加强大的功能，但并不 是越先进的越好，随着性能的提高，其价格必然越贵，但是在实际应用中， 众多强大的功能是否必要，要视使用情况而定【1 6 】。不要一味追求高性能而增 加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素，对产品的性能价 格比进行比较，在同样能满足技术要求的情况下，选择价格低的产品。 ( 2 ) 综合成本低的原则 哈尔滨t 释大学硕十学位论文 所谓综合成本，是指除产品本身的价值外，其配套的配件采购、维修成 本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。在进行数控系统选型 时，要充分考虑以上因素，选择故障率低、配件价格低、售后服务及时、寿 命周期长的产品。 ( 3 ) 国内外数控系统比较与选择 我国国内目前研制开发与生产的c n c 装置基本上分为两大类：一类是从 国外引进技术制造的产品，如发那科生产的f a n u c 0 i m a t e 、德国s i m e n s 公司的s i n u m e r i k d m t - 5 t e c e 1 7 】；另一类是在引进、消化、吸收的基础上 研制、开发、生产的数控装置，如华中数控生产的华中i 型、i i 型。近年来， 我国引进了一些国外的数控系统，具有代表性的有日本f a n u c 公司和德国 s i m e n s 公司的产品，另外还有美国a l l e n b r a d l e y 公司、西班牙f a o g o 公 司、法国n u m 公司的产品【1 8 】。对比国内外性能相当的数控系统，可以发现 其优缺点非常明显，详见表2 2 。 表2 2 国内外数控系统优缺点 优点缺点 国内 有中文显示，操作方便 无配套大转矩、大功率伺服电机 产品价格低可靠性低，故障率高 备件供应、售后服务及时寿命短 国外性能更全面，配套齐全价格高 产品 可靠性高，故障率低备件供应、售后服务慢 使用寿命长部分产品无中文显示 从表2 2 可以看出，国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优 势，但价格很高，使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电 机的能力没有国外产品强大，但也能满足我们的要求，而且综合成本低。最 终我们将机床电气改造数控系统的选择定位在采用国内系统上，其中 d t m 5 t 数控系统是一款能满足以上要求的数控系统，所以我们选择这款专 门为中国数控机床市场而开发的经济型c n c 控制系统。数控系统如图2 。6 所 示。 1 6 哈h d 7i 程人学硕十学位| 文 图26d t m 一5 l 数控系统 3 、d l m 5 t 数控系统特点及主要技术指标 ( 1 ) 魁以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统； ( 2 ) 聚川中文式菜单目录，便于操作； ( 3 ) 最小输山增量：x 轴00 0 5 ，x 轴00 0 5 ，z 轴0 0 ( 4 ) 具有a 线、网弧、插补和川隙、，j 具补偿功能； ( 5 ) 稃j f 输八方式：键盘、r s 2 3 2 c 接【j 。 堕堡堡：堡奎堂堡堂垡堡奎 d t m 5 t 数控系统控制原理，如图2 7 所示。 d t m 一5 t 数控系统i o 接口主要实现与编码器接口、交流伺服电机控制 接口、开关量输入输出接口。 主轴编码器反馈信号接口。9 芯d 型插座，接受主轴编码器的头脉冲、 码道脉冲，所选编码器每转脉冲应为1 2 0 0 p 或2 4 0 0 p 。 图2 7d t m 5 t 数控系统控制图 x 轴、y 轴、z 轴及主轴控制接口。1 5 芯d 型插座，用来控制x 轴、y 轴、z 轴交流伺服电机的运动和主轴的转速。 开关量输入输出接口。3 7 芯d 型插座，开关量输入输出类型：冷却液 控制口；辅助输入输出口；刀架控制信号；主轴控制信号；主轴换 档控制口；超程信号输入口；回零信号输入口。 r s 2 3 2 通讯接口。2 5 芯d 型插座，用于连接r s2 3 2 c 接口的计算机或 外部设备，如图2 8 所示1 1 9 j 。 1 8 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 数 2 6 本章小结 图2 8r s 2 3 2 引脚接口 保护地 发送数据 接收数据 请求发送 允许发送 数据置位就绪 信号地 振波检测 仅作；9 1 l l 试用 未用 第二路发送检测 第二路清除发送 通过对机床的测绘和机床整体的分析，根据用户的要求，制定了切实可 行的改造总体方案。针对机械部分、电气部分和数控系统的选择都作了具体 的方案设计，为改造的实施作了充足的准备。 1 9 哈尔滨j r 程大学硕士学位论文 第3 章系统运动参数的确定 方案确定后，就可以着手对机床进行数控化改造。在改造前要计算和确 定机床的机械部分运动参数，从而确定选择相关部件的型号和规格；为了满 足数控系统加工过程中的稳定、快速、准确，就要分析控制系统的特性，确 定影响系统的因素，以保证系统的正常工作。最后对原机床等硬件设施做以 保养工作，为改造做好准备工作。 3 1 主运动转速范围分析 主运动由5 5 k w 、1 4 4 0 r m i n 的主电机驱动，如图3 1 所示。经矽1 1 5 矽2 4 0 的带传动，再经i i i 轴间的三联滑移齿轮、i i i 轴间的三联滑移齿轮、i i i 轴建的两联滑移齿轮和v 轴间的圆锥齿轮副2 9 2 9 及v 轴间的齿轮副 6 3 4 7 传至主轴，使之获得1 8 级转速，如图3 2 所示。 图3 1x 5 0 4 0 铣床传动系统图 2 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 主运动的传动路线表达式如式( 3 1 ) 所示： 电动机一面矽1 1 5 石一i 一口z 4 u 1 6 3 9 1 9 3 6 2 2 3 3 一i i 一 1 8 4 7 2 8 3 7 3 9 2 6 一i 一 一一丝一v 一一6 3 一( 主轴) 2 94 7 1 9 7 1 8 2 3 8 【1 ) 霉氯a ，。赵a 婚乃 、 o ) 一心：吵轧， 焱s 蟛蚁， 哆。炎钐心vn 一氛v玲、涨 。场厂 。 飞淀猕仗蚁v 蛩 、o 舣 、6州弋 a 蛩6m l 箩 v1 ii10 llil 多 b iil 箩 i 多 每n c 7 弋 图3 2 主传动1 8 级转速 ( 3 _ 1 ) x 5 0 4 0 其主轴转速1 8 级分别为：3 0 、5 0 、6 3 、8 0 、1 0 0 、1 2 5 、1 6 0 、2 0 0 、 2 5 0 、3 1 5 、4 0 0 、5 0 0 、6 3 0 、8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 5 0 、1 3 2 0 、1 5 0 0 r m i n ，其公比为 2 1 体” 话坫 “n 像n m 9 8 7 6 5 4 ， 2 甩 疗 豫 刀 刀 刀栉 刀 疗 玎 席 刀 力 刀刀 疗 疗 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 6 ，符合机械工业部机床专业标准g c 5 8 6 0 规定的7 个标准公比，其优点 是便于采用双速电机驱动，可简化机床的变速机构【2 0 l 。 3 2 进给系统方案的设计 3 2 1 对进给传动系统的要求 l 、高的传动精度和定位精度 传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，也是机床特 蠡 征的指标之一。在设计中在进给传动链中加入减速齿轮，以减少脉冲当量( 即 伺服系统接收一个指令驱动工作台移动的距离) ，预紧传动滚珠丝杠，消除 齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的 2 5 1 o 2 、宽的进给调速范围 伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围， 以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可到 3 - - 6 0 0 0 m m m i n ( 调速范围1 ：2 0 0 0 ) 1 2 。为了完成精确定位，伺服系统的 低速趋近速度达0 1 m m m i n ：为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动 速度应高达15 m m i n 。 3 、响应速度快 所谓快速响应特性是指迸给系统对指令输入信号的相应速度及瞬态过程 结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快【2 2 】；定位速度和轮廓切削进给 速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令， 进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统响应速度 的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。 4 、无间隙传动 进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个 传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。 5 、稳定性好，寿命长 稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给 情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振【2 3 】。稳定性与系 2 2 堕垄! 鎏! 堡奎堂堡堂焦丝塞 统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最 佳的工作性能。 6 、使用维护方便 数控铣床是高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及 复杂间的生产) j h - r ，机床的开机率相应就高，因而进给系统的结构设计应便 于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率【2 4 1 。 拆除铣床原有的手柄和滑动丝杠螺母副，更换为滚珠丝杠副和减速齿轮 及交流伺服电机。纵向工作台( y 轴) ：约8 0 k g ，横向工作台( x 轴) ：1 0 0 k g ， 升降工作台( z 轴) ：约3 0 0 k g 。 3 。2 2 滚珠丝杠螺母副的选用与设计 ( 1 ) 铣削力的计算 对高速钢圆柱铣刀，切削力的计算公式为【2 5 】： fz ：! 坚g 上等害k f ， (3-2)d6 0 ， 一 = 一 一 j 一二， ? (n ) 蚧 “ 式中： c f 一系数，其值取决于切削条件和工件材料。当工件为碳钢时，取 c e2 6 5 ，a 。= 4 m m