（机械工程专业论文）xa5032铣床数控化改造.pdf

摘要 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展， 对旧机床的数控化改造，特别是普通机床数控化改造已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上通过对x a 5 0 3 2 旧机床的分析，结合机床 改造的总体思想，提出了数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案；针对华兴 w a 2 1 m 数控系统的特点和旧机床的要求，进行了机械传动系统的改造设计，电气系统的数控 化改造设计、数控系统、电气伺服驱动系统的选型和理论分析，剖析了内置式p l c 功能结构及其 工作情况，完成了机床数控何服驱动系统的接口匹配与连接，机床各主要参数的优化和匹配及机 床的调试运行。最后阐述了改造后机床的精度和性能以及今后尚需完善之处。 机床改造后，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性，加工精度和生产率有较大提高， 是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。 关键词：数控改造，数控系统，电气系统，x a 5 0 3 2 铣床 n ct r a n s f o r m a t i o no fx a 5 0 3 2m i l l i n gm a c h i n e a b s t r a c t n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) m a c h i n ei st h er e p r e s e n t a t i v eo f a d v a n c e de q u i p m e mi nc u n 、e n tm e c h a n i c a l m a l l b f a c t u r ei n d u s t r y w i mt h ed e v e l o p i n go fm o d e mm a n u f a c t u r ei n d u s t r y , t or e t r o f i to l dm a c h i n e w i t hn c ，e s p e c i a l l yt os t u d yt h eo r d i n a r ym i l l i n g m a c h i n e sr e t r o f i t t e dw i t hn ch a sb e c o m i n gn 1 0 r e u r g e n ta n da r d u o u sf o ru s a f t e ri n t r o d u c i n gn cm a c h i n e sh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u sa n dt h ea n a l y s i so f o l dm a t h i n ex a 5 0 3 2 an o v e ls c h e m ef o rn cm a c h i n er e t r o f i t t e da n dn e wn cr o a c h m es e l e c t i o ni s p r o p o s e dw i t ht h ef e a t u r e so f w a 之1 ma n dt h er e q u i r e m e n t so f t h es e c o n d - h a n dm a c h i n e t h ed e s i g n a n da d j u s t m e n tf o rt 1 1 ee l e c t r i cs y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e d , a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y z m go ft h es e r v o s y s t e m , a n a l y z i n gc o n s t r u c t i o na n dr u n n i n go fi n n e ri n s t a l l e dp l c m a t c h i n ga n dj o m t i n go ft h es e r v o d r i v i n gs y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e d t h em a i np a r a m e t e r so ft h em a c h i n eh a v eb e e nc o n f i r m e da n d o p t i m i z e dt o o t h ea c c u r a c ya n df u n c t i o no f m a c h i n ei nf m a l i t yh a v eb e i m p r o v e d a f t e rr e t r o f i t t e dt h ew o r ka b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es e c o n d - h a n dm a c h i n eh a db e e ne n h a n c e d g r e a t l y , s oa st ot h e i rw o r k i n gp r e c i s i o na n dp r o d u c t i v i t y i ti sp r o v e dt h a tr a i s i n gr a t eo f n cc o n t r o li sa f e a s i b l ew a yf o re n t e r p r i s et oe n h a n c et h e i rp r o d u c t i v i t ya n dp r o f i t k e yw o r d s ：n ct r a n s f o r m a t i o n , n cs y s t e m , e l e c 砸cs y s t e m , x a 5 0 3 2m i l l i n gm a c h i n e i 插图附表清单 页数图序号名称 图2 1数控机床组成与工作过程框图 图2 之开环控制系统框图 瞄2 3闭环控制系统框图 图2 4半闭环控制系统框图 图2 - o步进电机控制系统构成及原理图 图3 1x k a 5 0 3 2 数控铣床机械结构布局图 图3 2进给传动机构改造图 图3 3纵向丝杠安装方式 图3 4横向丝杠安装方式 图3 5升降台传动机构及平衡装置 图4 1数控系统组成框图 图4 2w a 2 l m 数控系统单元框图 图4 - _ 3机床数控体系框图 圉4 _ 4控制单元与有关部件连接框图 图4 5接口定义一览 图4 _ - 6主轴接口j 1 图4 7主轴电机控制电路 图4 _ 一8串行通信接口j 2 图4 _ 9串行通信接口接线图 图4 1 0机床零点接口信号j 3 图4 一l l 机床零点控制连线图 图4 一1 2 步进电机信号接口j 4 图4 1 3脉冲信号与脉冲信号 图4 一1 4 j 4 电源与驱动电源连接 图仁1 5i o 接口j 5 图4 1 6中问继电器与系统内外部电源连接 图4 1 7行程开关控制按钮 图4 一1 8 手轮连接示意图 图4 1 9 其他功能接口定义j 9 图4 _ - 2 0 外接启动、暂停、急停输入 图扣- 2 1 、v a 2 l m 系统内部接线图 图4 2 2 供电系统示意图 图4 _ - 2 3 铣床电器改造原理图 图4 _ - 2 4 铣床数控化改造电器原理图 图5 一l 步进电机矩频特性曲线图 图5 2d b 9 插座及管脚定义 图5 3 w d s u ) 0 l 驱动电源连接 图5 4 ，5 信号源不同输出时的连接形式 图5 6 驱动器f o 接口 图6 一l 定位精度说明图 图6 _ _ 2 双向趋近目标时误差分布图 图6 3定位精度测量原理图 图6 _ 4 数控铣床考机验收试切件 v 叮腮m b m扒筋嚣凹捞如”弛驼弛弛玎舛弘”弘弘拍”躬舭帖勰记”舛曲配 独创性声明 本人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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 引汽蕾 时间：2 0 0 6 年b 月节日 f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 导师签名 砂i 肖强 灵多样 时间：2 0 0 6 年b 月辱日 时间： 2 0 0 6 年月穸日 第一章绪论 1 _ 1 数控机床的产生和发展历程 1 1 1 数控机床的发展简史 1 9 4 6 年世界上诞生了第一台电子计算机，同期美国北密执安的小型飞机承包商帕尔森斯公 司( p a r s o n sc o r p o r a t i o n ) 为了制造飞机机翼轮廓的板状样板，提出了采用数字控制技术进行机械 加工的思想，1 9 4 9 年由帕尔森斯公司与美国麻省理工学院伺服机构研究所合作开始从事数控机床 的研制工作，1 9 5 2 年，研制出第一台实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上，成为世界 上第一台数控机床，成功实现了同时控制三轴的运动【2 5 h 2 ”。1 9 5 4 年1 1 月，在帕尔森斯专利基础上。 第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司( b e n d i xc o r p o r a t i o n ) 生产出来，从此，传统机床 产生了质的变化。 5 0 多年过去了，数控系统由当时的电子管起步，经历了两个阶段六代的发展，即：硬件逻辑 数控，简称为数控c ) 阶段经历了三代，即1 9 5 2 年第一代电子管；1 9 5 9 年第二代晶体 管和印刷电路板；1 9 6 5 年第三代一小规模集成电路，由于它体积小，功耗低，使数控系统的 可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 计算机数控( 计算机数字的控制，简写为c n c ) 阶段也经历了三代，即1 9 7 0 年第四代 小型计算机，1 9 7 4 年第五代微处理器( m n c ) 和1 9 9 0 年第六代基于p c 的阶段。 数控系统发展到了第五代以后，从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用不方便等极为关 键的问题，并在上世纪七十年代末八十年代初以后首先在美国、日本、欧洲等工业发达国家得到 大规模普及应用。 1 1 2 我国数控技术的发展 i 1 2 1 我国数控技术经过了研制开发、引进技术、消化吸收、科技攻关和产业攻关几个过程， 并得到了飞速发展 从1 9 5 8 年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发， 由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约，未能取得较大的进展。在改革开 放以后，经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 的引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 年) 的消化吸收 和“八五”( 1 9 9 1 - 1 9 9 5 年) 国家组织的科技攻关和“九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 年) 国家组织的产业化 攻关，才使得我国数控技术逐步取得实质性的进展，一些较高档次的数控系统( 五轴联动) ，分 辨率为0 0 0 2 p m 的高精度数控系统、数字仿形数控系统、为柔性单元配套的数控系统都开发出来， 并造出样机，开始了专业化生产和使用。 1 1 2 2 国内数控机床现状 近年来，随着机床工业的发展，我国机床一“工作母机直保持两位数增长。2 0 0 3 年产值 达2 6 0 亿元，产量居世界第四。我国的机床消费则超过5 9 亿美元( 约台人民币4 8 8 亿元) ，首次 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 i i i ii i i l l 跃居“世界第一，产值水平2 6 0 亿元，消费超出2 2 0 多亿元，其差额自然只有靠进口。据海关统 计，2 0 0 3 年我国进口机床产品金切机床及锻压设备约3 1 5 亿美元，又是一个“世界第一”! 而全 行业出口仅为进口的l n o 一一3 1 亿美元。其中出口的数控机床有数拉车床、数控磨床、数控特 种加下机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉 床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以 用“三人一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括1 2 j 【l 。 “母机”水平看“数控”。1 9 9 2 年我国年产数控机床仅4 2 0 0 多台到2 0 0 3 年这一数字已为2 4 8 万多台，比上年增长了4 1 6 i ”】。1 0 年来，我国数控金切机床产量翻了两番多，数控机床产品开 发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、 五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档 次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比， 我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到3 0 ；消费值数控化率还不到5 0 ，而 发达国家大多在7 0 左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。 我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企 业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以f m s 模式集成使用外，大都处于单机运行 状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 1 1 3 数控机床发展趋势i 1 高速、高效、高精度、高可靠性 1 ) 高速、高效加工 进入2 1 世纪，机床向高速化方向发展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的 表面加工质量和精度。上世纪9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床， 加快机床高速化发展步伐。 2 ) 高精度、超精密化加工 当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍，达到5 微米；精密加工精度提 高了两个数量级，超精密加丁精度进入纳米级( o o o l 微米) ，主轴回转精度要求达到o 0 1 o 0 5 微米，加工圆度为o 1 微米，加工表面粗糙度r a = o 0 0 3 微米等。从精密加工发展到超精密加工( 特 高精度加工) ，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级 ( l o n m ) ，其应用范围日趋广泛。 3 ) 高可靠性 是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越 好，仍然是适度可靠。对于每天工作两班的无人工厂而言如果要求在1 6 小时内连续正常工作， 无故障率p ( t ) = 9 9 以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间m t b f 就必须大于3 0 0 0 小时。 当前国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 0 小时以上，驱动装置达3 0 0 0 0 小时以上。 2 模块化、智能化、柔性化和集成化 1 ) 模块化、专门化与个性化 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价 格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 2 ) 智能化 在数控系统中智能化的内容包括：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控 制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参 数的自适应运算等：简化编程、简化操作方面的智能化；智能诊断、智能监控方面的内容等。 3 ) 柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点( 数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、 线( f m c 、f m s 、f t l 、f m l ) 向面( 工段车间独立制造岛、工厂自动化f a ) 、体( c i m s 、分 布式网络集成制造系统) 的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。 3 开放性 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求， 最重要的发展趋势是体系结 每的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的o m a c 、欧共 体的o s a c a 及日本的o s e c 发展开放式数控的计划等。 4 出现新一代数控加工工艺与装备 1 2 机床数控化改造业的发展及前景分析 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力， 以实现预定的加工工艺目标，它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步 而发展起来孵，它的内容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机 床的局部结构进行改造。并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机 床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。 1 2 1 美国、日本和德国等发达国家把机床改造作为新的经济增长行业 美国、日本和德国等发达国家在大量生产数控机床的同时，还非常重视普通机床的数控化改 造，机床改造正逐步从制造业中分化出来，并形成了把机床改造作为新的经济增长行业。如德国 的s c h i c s s 公司在1 9 8 1 年把一台加工直径为1 9 r n 的超重型立式车床改装成数控机床。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 y t o n 机床公司、d c 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。美国得宝公司已在中国开办公司。 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 ) 业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、 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【”。我国的机 床改造业，也从老的行业发展到以数控技术为主的新的行业。 1 2 2 机床数控化改造的内容 。 ( 1 ) 恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 选用成熟的数控系统对机床进行数控化改造； ( 3 ) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行改造设计，经大修鉴定， 对机械部分重新装配加工，恢复原精度； ( 4 ) 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，拓展其功能的更新改造。 1 2 3 机床数控化改造的优越性 1 2 3 1 机床数控化改造的技术优越性【1 ( 1 ) 数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统中计算机的作用。 犯) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 ( 3 ) 可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3 到7 倍。传统机床靠凸轮或挡块等可实 现“剐性自动化”，且只有进行大批量生产时，才经济合算；而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白动化，故称之为“柔性自动化”。 ( 4 ) 加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要“修配”。这是由于加工过程自动化， 不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响 工件精度和其一致性。数控系统中增加的机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到 进一步提高。 ( 5 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床问的频繁搬运。这是自动化带来的效果( 可以自动换 y 3 ) ，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序 是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床。 如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产 周期，并可对市场需求做出快速反应。 1 2 3 2 机床数控化改造的客观优越性 ( 1 ) 费用低- 经济性好。改造周期短，可满足生产急需 f 可购置新机床相比，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i 3 ，以大型的龙门加工中心为例，进口 新的需要1 0 0 0 _ 一5 0 0 0 万元，而升级改造只需要1 0 0 5 0 0 万元，仅占成本的1 1 0 ，且交货期短。 ( 2 ) 改造后的机床机械性能稳定可靠、功能增强、质量好、效率高，可作为新设备继续使用多年。 ( 3 ) 降低了对操作者的技术要求，更易提高管理水平 操作者只需编程、装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也 能快速完成，省去了对技术要求的烦恼，同时提高了定额管理水平。 ( 4 ) 可以采用虽新的控制技术 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 可根据技术革新的速度，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， 将旧机床改成具有当今水平的机床。 1 2 4 机床数控化改造的现实意义与市场前景 目前在我国4 0 0 余万台机床拥有量中，数控机床总数只有1 1 3 4 万台，机床数控化率不到3 ，而陈旧普通机床占到6o 之多。这些旧装备( 机床) 大部分结构陈旧，操作系统复杂，控制 系统落后。用这种旧装备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。如果购置新机床全部去取代旧机床，显然义会导致旧机床的闲置和巨大浪费，也不现实： 况且购买一台数控机床动辄十几万、几十万，甚至上百万，在我国一些企业是很难承受的。因此 如何用较少的费用，获得具有数控功能的机床就成为一个值得探讨的问题。普通机床数控化升级 改造不失为一种行之有效的方法，并可为企业节约大量资金，具有重要的现实意义和广阔的市场 前景。如：国防科技工业完成了3 0 0 0 多台普通机床数控化改造，改造后生产效率提高约3 倍， 加工精度提高2 0 ，与新购设备相比可节约资金5 0 以上。 1 3 课题背景、意义及研究目标 1 3 1 课题背景、意义 1 ) 专家预言 专家们预言：“二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争，最终是数控人才 的竞争。”中国加入世贸组织后，正在逐步变成“世界制造中心”。制造企业已开始广泛使用先进 的数控技术。而掌握数控技术的机电复合人才奇缺，“月薪6 0 0 0 难聘数控技工”、“年薪1 6 万招 不到模具技工”成为全社会普遍关注的热点问题，从而引起了中央领导、教育部、劳动与社会保 障部等政府部门的高度重视。2 0 0 3 年，教育部已明确把数控人才列为社会四大紧缺性人才之一。 2 0 0 5 年数控人才缺口仍高达6 0 万。 2 ) 企业人才需求现状1 1 5 】 ( 1 ) 蓝领层主要从事数控机床的操作，在企业需求的数控岗位中占先7 0 1 3 ，是企业数控人 才需求量最大的部分； ( 2 ) 银领层主要指企业目前急需的人才 具有扎实的数控加工工艺及编程基本理论知识和操作技能的工艺编程人员，在企业数控 技术岗位中占1 2 6 ： 具有较强的数控设备、机械、电气调试及维护、维修动手能力的数控设备维修人员，在 企业数控技术岗位中占1 2 “= ( 3 ) 金领层主要指精通机电、机电联调、机床操作、编程及维修的数控高层次技术人才，在 企业数控技术岗位中占4 8 3 。 3 ) 数控技术教育现状 5 张家口职业技术学院在校生达3 0 0 0 多入，其中数控、机电等工科专业学生占8 0 v a 2 二。学 院有两个实习工厂，供学生机加工、钳焊等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经 济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、 数控机床的操作、维护等学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善 数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要 求，同时还能用微机控制铣削任意弧面及轮廓曲面，实习工厂以x a5 032 铣床、c a 6 l40 车床为重点技改项目，进行数控化改造。 1 3 2 设备现状及鉴定 x a 5 0 3 2 立式升降台铣床。购于上世纪8 0 年代，主要用于学生生产实习与教学实习，很少从 事对外生产，经对机床综合考察认为，尽管经历了2 0 多年，但机床的底座、工作台等基础件很 好，机床主传动系统工作正常，运转精度等尽在技术指标范田之内，进行保养即可无需大修。 存在的问题是电气系统老化，控制落后，机床进给系统传动链太长，工作中存在变速困难，经常 发出齿轮啮合、类似打齿类的噪声，升降台机动升降功能已经丧失，丝杠传动链反向间隙过大 无法保证零件质量，机加工精度大大下降，因经常要停车检查维修，生产率大受影响，虽经多次 维修，但仍不能正常运行，故需对进给系统、电气控制作彻底的改造。 1 3 3 研究目标 本人的研究目标是针对x a 50 32 铣床的特点，在满足生产、现场教学、实习实v l i 需要的 前提下。对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台x 、y 、z 轴的 三坐标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造 工程研究。 1 4 论文总体思路( 改造思想) 及研究内容 在充分调查研究和技术分析的基础上，利用数控改造成功经验和自己在机械、电气、数控技 术等方面的理论及实践基础，完成x a 5 0 3 2 铣床的数控化改造。改造后该铣床为x k a s 0 3 2 ，具 有数控功能，较先进的自动化加工能力。加工精度、效率、质量稳定性得以提高和保证。具体 是：保留原机床的主进给功能，增加主轴的正，反转、启动停车c n c 控制功能 具有工进、快进、 急停、显示行程、控制行程和报警及断电保护功能；实现工作台的x 、y 、z 三轴数控，三轴联 动开环控制功能。 ( 1 ) 技术鉴定和了解机床的机械传动部分改前的几何精度、尺寸精度，电气元器件及线路老化 状况，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。 ( 2 ) 机械部件测绘设计，完成x 、y 、z 向进给机构设计计算和滚珠丝杠的选型，初选步进电机。 ( 3 ) 数控系统的分析选用伺服系统和步进电机的配套选用。 ( 4 ) 机床安装调试与试运行。 6 中国农业大学硕士学位论文第二章数控机床及控制方式 第二章数控机床及控制方式 2 1 数控机床的组成及工作原理 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟 ( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i f i p ) 第五技术委员会，对数控机床作了如 下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符 号指令规定的程序【7 i 。 2 i i 数控机床的组成 图2 - l 数控机床组成与工作过程框图 数控机床通常由程序载体( 控制介质) 、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统和 机床本体组成，如图2 - i 所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图，上述系统再加上虚线部 分，就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。 l 控制介质( 信息载体) 数控机床加工时，为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度， 在加工过程中，机床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运动轨迹，都是由我们按着一定 的要求和顺序编成控制指令即加工程序，并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床 之间建立联系的媒介物，也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带，磁带、磁盘 或其他可存储物质。 2 数控装置数控装置是数控机床的中心环节，它接受控制介质输入的信息，经过处理与运算 去控制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器及一套处理数控加工的相关软件、运算 器和输出装置组成。 3 伺服系统( 英文s e r v o 的音译) 是数控装置与机床的联系环节，它把来自数控装置的指令转变 为机床部件的运动，使工作台和主轴按规定的动作运动，加工出合格产品。 2 1 2 数控机床的工作原理 ( 1 ) 在使用数控机床进行数控加工时，把零件的加工信息( 如零件尺寸、形状和技术条件) 编出工 件加工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序，按规定格式和代码记录 在信息载体上； ( 2 ) 把信息载体( 控制介质) 即工件加工程序输入计算机数控装置： 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章数控机床及控制方式 ( 3 ) 数控装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息，经过识别与译码之后送 到指定存储区，作为控制与运算的原始数据： ( 4 ) 伺服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按规定轨 迹移动或定位，加工出符合图样要求的工件： ( 5 ) 辅助装置把计算机送来的辅助控制指令，经机床接口电路转换成强电信号，用来控制机床 主轴电机的启动停车，主轴转速调整，冷却泵启停以及转位换刀； ( 6 ) 反馈系统将机床移动的实际位置，速度参数检测出来。转换成电信号。并反馈到计算机中， 使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。 零件在机床上加工过程如图2 - 1 所示，当改变加工上件时，在数控机床上只需改变加工程序即可 进行新零件加工。 2 2 数控机床控制方式选择 2 2 1 位置控制方式分类7 】【8 】 伺服系统是位置控制系统，是数控装置与机床的联系环节，位置控制按其结构分为开环控制 和闭环控制。 2 2 1 1 开环控制形式 如图2 - 2 是典型的开环数控系统，其中没有位置检测反馈装置，指令是单方向传送的，并且 指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进 行插补，发出指令脉冲，经驱动放大电路放大后，驱动步进电机转动，一个进给脉冲使步进电机 转动一个角度，通过齿轮减速，丝杠传动使工作台移动一定距离，因此，工作台的位移量与步进 电机的转角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率，可以控制工作台的移 动量和速度。 工作台 图2 - 2 开环控制系统框图 开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，但控制精度不高，适宜于经济型数控 机床及数控改造。 2 2 1 2 闭环控制形式 安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位移量相比 较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止，从而使精度大大提高，如图2 - 3 所示。闭环控 中国农业太学硕士学位论文 第二二章数控机床及控制方式 制加r 精度高，移动速度快，但电机控制电路比较复杂，检测原件价格昂贵，调试维修费用高。 工作台 2 2 1 3 半闭环控制形式 围2 - 3 闭环控制系统框图 工怍台 图2 _ 4 半闭环控制系统框图 半闭环控制没有直接检测工作台的位移量，原因是检测元件安装在电机的端头或丝杠的端 头，闭环环路内不包括丝杠螺母副工作，所以可获得较稳定的控制特性。控制精度比闭环控制的 要差，但控制系统调试维修方便。如图2 _ 4 所示。 2 2 1 - 4 结论 目前，机床数控化改造大多采用经济型数控改造即开环数控系统来提高机床的自动化程度和 机床的加工精度，x a 5 0 3 2 升降台铣床数控化改造采用的即是开环控制形式。 2 2 2 步进电机的开环控制 步进电机是典型的开环驱动装置，与所选定的w a 一2 1 m 数控系统相匹配，是将电脉冲信号 转换成机械角位移的电磁机械装置。其角位移量和输入脉冲的个数严格的成正比，在时间上与输 入脉冲同步。 2 2 2 1 步进电机的工作原理川【9 】 2 6 1 ( i ) 步进电机的定子绕组每换接一次通电相序 角驴。 3 6 0 。 口= 一 m z k 步进电机转子就沿某旋向旋转个角度即步距 其中p 一步距角；m 一定子绕组相数，通常有由三相、 七与通电方式有关的系数，七= 拍数相数。 9 ( 2 一1 ) 四相、五相等：= 转子齿数： 中国农业大学硕士学位论文第二章数控机床及控制方式 ( 2 ) 步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格的成正比例，控制输入步进电机的脉冲个数就 能控制位移量。 ( 3 ) 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 n ：i - 6 0 f ：堕( 2 2 ) 3 6 0 。6 。 其中n 一转速( “i i l i n ) ；f 一控制脉冲频率( h z ) ；妒一步距角( 度数) 。 ( 4 ) 改变通电相序即可改变电机转向。 2 2 2 2 步进电机开环控制系统构成 图2 - 5 步进电机控制系统构成及原理固 如图2 - 5 是步进电机开环控制系统的构成及原理框图吲，它由脉冲信号源、脉冲分配器、功 率放大器、步进电机组成。 脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控 制信。引空制。在c n c 系统由计算机根据程序控制脉冲个数和脉冲频率，对步进电机实行各种运 行状态的控制。 脉冲分配器一方面接受输入脉冲和方向指令，另一方面面向功率驱动器供给控制信号。在 方向指令的作用下，脉冲分配器将输入c p 脉冲信号按定顺序分配，然后送到驱动器进行功率 放大，驱动步进电机使其转子按顺时针或逆时针方向转动。 功率驱动器是一功率开关电路，其作用就是将从脉冲分配器送来的弱电信号经功率放大， 控制步进电机各项绕组电流按一定的顺序切换，步进电机按要求运转。 步进电机是拖动负载的执行元件。 2 2 3 数控机床开环系统速度计算 在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，系统每 发出一个脉冲，步进电机就转过一个角度，从而驱动坐标轴移动定距离即脉冲当量( 8 r a m ) 。 插补程序根据零件轮廓要求向各个坐标轴分配脉冲，提供位置指令。而脉冲发送到步进电机的 频率则确定了进给速度，进给速度v 与脉冲发送频率f 有如下关系： v = 6 0 x 占x f m n ：l ，m i n = b x f xl o 。r i g s ( 卜3 ) 其中v - 进给速度( f n s ) ； f - 脉冲发送频率( h z ) ；占脉冲当量( r a m ) 。 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章机械传动系统的改造设计 第三章机械传动系统的改造设计 在机床数控化改造中，很莺要的丁作之一便是进行机械传动系统的改造设计，这里所提到的 机械传动系统与一般的机械系统相比，除要求有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特 性，就是说响应要快。稳定性要好。为此在设计中，常提出无间隙，低摩擦低惯量，高刚度， 高谐振频率，适当的阻尼比要求。 机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件，以及连杆机构、 凸轮机构等非线性传动部件、导向支承件、旋转支承件、轴系及架体等机构组成。常用的机械传 动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带以及各种非线性传动部件等。 3 1 机械传动系统改造设计方案 3 i 1 改造设计任务 将一台x a 5 0 3 2 普通升降台立式铣床，改造成三坐标控制，三轴联动加工的数控铣床，用以 实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工。 3 1 2 总体设计方案的确定 根据设计任务要求，有三种方案可供选择 1 z 3 - _ x ，kz 向步进电机 4 一$ 恸平衡装置j _ 主轴电机 图3 - ix k a s 0 3 2 数控机床机械结构布局圈 方案一：将工作台升降( z 向) 、纵向( x 向) 、横向( y 向) 的进给改为微机控制，实现三 坐标控制，三坐标联动的开环控制。 中国农业大学硕士学位论文 第三章机械传动系统的改造设计 l 方案= ：将主轴升降( z 向) 、纵向( x 向) 、横向( y 向) 的进给改为微机控制，实现三坐 标控制，任意两坐标联动的开环控制。 方案三；仅将工作台x 、y 轴进给运动改为微机控制，实现两坐标控制，两坐标轴联动的开 环控制。 对上述三个改造方案综合考虑，结合铣床升降台需要修理等实际情况，在符台经济型数控改 造般原则的前提下选择确定第一方案，如图3 - 1 所示。其具体方案如下： ( 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珠丝杠副，并改装减速 齿轮箱、减速齿轮、步进电机。对机床结构进行测绘，传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠 安装方式，完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等，垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠 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 ) 选择经济型开环数控系统、电气伺服驱动系统，确定步进驱动元件，实现机床工作台x 、y 、 z 轴3 ，3 数控，主轴的部分数控功能要求。x 、y 、z 向步进精度为0 0 0 5 0 0 0 5 0 0 1 m m s e t p ：轴 向定位精度0 0 1 5 m m ；重复定位精0 0 0 8 r a m 。 3 2 机械传动系统改造设计与计算 3 2 1 已知条件 l 原x a 5 0 3 2 铣床数据【1 1 】d 2 f 1 4 】 进给电机额定功率1 5 k w额定转速 1 4 1 0 r p m 晟大水平拖动力 1 5 0 0 k g = 1 5 k n 最大进给速度纵向2 3 m m i n ：横向1 5 4 m r a i n ；垂向( 升降台) 0 7 7 m r a i n 工件最大重量 2 0 0 k g 机动范围纵向6 8 0 m m ； 横向2 4 0 m m ；垂向( 升降台) 3 5 0 m m 主轴轴向( 垂向) 移动距离7 0 m m 2 工艺数据 根据3 1 1 1 改造设计任务的要求，参考切削用量手册【6 1 ，确定选择用y t l 5 硬质合金端 铣刀铣削，铣刀直径a o = o 1 2 5 m ：齿数z = 4 ； 铣削宽度a c = 0 0 7 m ；铣削深度a 。_ h = 3 7 1 0 。m ； 每齿进给量a 严2 1 0 m z ：刀具耐用度t = 1 0 8 x 1 0 3 s ；主轴转速n 一( 4 1 7 5 0 ) r s = ( 2 s 0 3 0 0 ) r p m ； 切削速度v = ( 1 6 4 1 9 6 ) m s ；进给速度v ，= ( 3 5 3 9 2 ) 1 0 f n s 。 3 机床进给部件重量估算 纵向。( 轴) 工作台长1 3 3 5 m m 约重2 2 0 k g = 2 2 0 0 n 横向轴) 工作台约重4 5 0 k g = 4 5 0 0 n 升降( z 轴) 部分运动件约重1 0 0 0 k g = 1 0 0 0 0 n 3 2 2 纵向( x 向) 进给系统的设计 2 中国农业大学硕士学位论文 第三章机械传动系统的改造设计 3 2 2 1 纵向( x 向) 进给系统概述 x a 5 0 3 2 经济型数控改造纵向进给系统采用步进电机一级减速齿轮传动，带动滚珠丝杠转动， 并通过丝杠一螺母副带动工作台移动。一般把步进电机安装在纵向丝杠的右端，如图( 3 2 ) 。 础 霸 2 一 3 | 蓬蝤 i 豌 1 - - 穰睬丝柱2 碱速齿轮3 步进电机 图3 - 2 进给传动机构改造图 3 2 2 2 纵向o 【向) 进给系统的设计f 4 】【5 】p 1 】【3 3 】p 9 1 1 铣削力的计算 根据切削用量手册【6 1 ，对y t l 5 硬质合金端铣刀，切削力为【”1 ： c = 9 8 1 ( 7 8 9 3 ) 越。1 拉；”a p z 力1 3 n “2k e 考虑修正系数 k f ，= ( i ；劬“( 式：p o - b 的单位为g p l ) 将相关参数代入( 3 一1 ) 得：f z 2 2 2 4 2 n 对硬质合金端铣刀加工时作用于工件或工作台上的各切削分力有： 纵向水平分力 只= ( o 3 o 4 ) f 2取只= o 3 5 只 横向分力 只= ( o 8 5 o 9 5 ) f z取只= o 9 垂直分力 ；( o 5 o 5 5 ) f z取只= o 5 2 5 于是得：p ，= 7 7 8 4 7 n 只：2 0 0 1 7 8 n = 1 1 6 7 7 1n 2 滚珠丝杠的设计计算 对于燕尾型导轨工作时的轴向力己为： 只= 七只+ ，( 巴+ 2 只+ g ) 其中 e 、只、只为x 、y 、z 方向上的铣削分力，单位牛顿( n ) k 为考虑颠覆力矩影响的实验系数，k = 1 4 ： 厂为导轨上的摩擦系数，厂7 = o 2 ； g 为移动部件的重量( 考虑最大承载重量2 0 0 k g ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 中国农业大学硕上学位论文第三章机械传动系统的改造设计 所以 己= 1 4 x 7 7 8 4 7 + 0 2 ( 1 1 6 7 7 1 + 2 2 0 0 1 7 8 + 4 2 0 x 9 8 )