（机械制造及其自动化专业论文）xk715f数控铣床技术改造研究.pdf

t h i s a r t i c l e t a k e c h i n a n a t i o n a l a v i a t i o n c o r p g ro u p 5 ,7 0 4 f a c t o r i e s x k 7 1 5 f n u m e r i c a l c o n tr o l m i l l i n g m a c h i n e s t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a ti o n s a s a n e x a mp l e , e l a b o r a t e d fr o m t h e t e c h n o l o g y a n d t h e e c o n o m i c a l t w o a s p e ct s t h e t r a n s f o r m a ti o n n e ces s i t y a n d t h e t r a n s f o r m a t i o n m e t h 喊 e l a b o r a t e d t h e o l d e q u i p m e n t t r a n s f o r m s t h e a n a l y s i s m e t h o 氏t h e e q u i p m e n t t r a n s f o r m r e q u e s t ; t h r o u g h t o t h e s e r v o s y s t e m a n d t h e n u m e r ic a l c o n t r o l s y s t e m s h a p i n g a n a l y s is , s u mm a r i z e s t h e s e r v o s y s t e m a n d t h e n u me r i c a l c o n tr o l s y s t e m s e l e c t i o n p r i n c i p l e , d e t e r mi n e d t h e t r a n s f o r m a t i o n o r d e r , p r o p o s e d t h e t r a n s f o r m a ti o n p l a n a n d p e r f o r m s t o i m p l e m e n t . a c c o r d i n g t o t h e x k 7 1 5 f p r e s e n t s i t u a ti o n , s e l e c ts t h e f a n u c o i n u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m t o c a r r y o n t h e t r a n s f o r ma ti o n t o斌 s i m u l t a n e o u s l y c a r r i e s o n t h e t r a n s f o r ma t i o n t o i t s e l e c t r i c a l s y s t e m , a n d a c c o r d i n g t o f a n u c o i t h e n u m e r i c a l c o n tr o l s y s t e m i n t e r i o r p l c f u n c t i o n , fi r s t d e t e r m i n e s p l c t h e i n p u t / o u 中 u r p o i n t s , t h e n d e s i g n e l e c t r i c a l s y s t e m p l c c o n tr o l p r o c e d u r e a n d 1 / o c o n n e ct i o n . c a r r i e s o n t h e e x a m in a t i o n u s i n g t h e d o u b l e fr e q u e n c y l a s e r i n t e r f e ro m e t e r t o t h e n u m e r i c a l c o n tr o l e n g i n e b e d p o i n t i n g a c c u r a c y , s i m u lt a n e o u s l y c a r r i e d o n t h e p i t c h t o c o m p e n s a t e c o m p e n s a t e s w i t h t h e r e v e r s e g a p , i n c r e a s e d t h e n u m e r i c a l c o n t r o l e n g i n e b e d . t h r o u g h t r a n s f o r m s t h e e n g i n e b e d e a c h p r e c i s i o n t a r g e t t o c o n f o r m t o t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t , s a ti s fi e s t h e e x i s t i n g p r o d u ct t h e p r o c e s s i n g p r e c i s i o n r e q u e s t . k e y w o r d s : n u m e r i c a l c o n t ro l . 川 i n g m a c h i n e p r o ce s s i n g p r e c i s i o n d u a l - f r e q u e n c y l a s e r i n t e r f e rome t e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重 声明: 所呈交的硕士学位论 文 x k 7 1 5 f 数控铣床技术改 造研究 是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作 所取得的成果. 除 文中已 经注明引用的内 容外， 本论文不包含任何其他个人 或集体己 经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的 研究 做出 重要贡献的个人和集体， 均己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。 作者签名: 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论 文作者及指导 教师完全了 解“ 长春理工大学 硕士、 博士学 位论文版权使用规定” ，同意长春理工大学保留并向国 家有关部门 或机 构送交学位论 文的 复印 件和电 子版， 允许论 文被查阅和借阅。 本人授权 长春理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可 采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存和汇 编学 位论文。 作者签名: 指导导师签名: 第一章绪 论 1 . 1数控技术概述 数控技 术的 应用及发展对机械制造业是一次革命， 工 业发 达国 家和 发展中国家， 都把数控技术作为实现机械工业技术革新的战略 重点。 数 控机床的技术水平、 技术构成状况和拥有量的多少，成为衡量一个国家 工业现代化的重要标志。 近年来，国 外在数控装置的研究和开发方面取得了 显著成 绩。日 、 德、 美、 法、 西班牙 等国的 厂家不断推出 数控系统的新产品， 数控机床 的产 量逐 年递增， 数控装置早己 进 入成熟 应用阶段， 并正 在向高 级阶段 发展。 我国数控机床占机床总拥有量的比重( 即数控化率) 大体相当于工 业发 达国 家上个世纪7 0 年代水平， 拥有的数量相当于工业 发达国 家上个 世纪8 0 年代水平。 近几年， 数控技术在国内机械制造行业， 石油化工行业， 冶金行业， 交通运输行业， 医药 行业， 军事领域等方面得到迅速而广泛地应用。 数 控机床己 经覆盖金属切割机床的大多数品种， 为国民经济 提供了 一批先 进适用的技术装备。 互 1 . 2数控技术的发展现状及趋势 1 . 2 . ，数控系统发展历程 随着计算机技术应 用到 机床上， 机械产品的 质量在很大程度上不再 依赖于机床操作者的 操作水平，能实 现复杂零件的加工。 近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代的发展。 1 . 硬件数控阶段 5 0 年代至7 0 年代 初期， 计算机的 运算速度低， 不能适应对机 床进行 实时控制的要求，人 们不得不采用 数字逻辑电路搭成机 床专用的计算 机， 作为数 控系统， 被称为 硬件数控系统。 随着元器件的发展， 这个阶 段经历了三代，即1 9 5 2 年开始的第一代电子管元件;1 9 5 9 年开始的 第二代 晶体管元 件:1 9 6 5 年开始的第三代 小规模集成电路。 。 2 .软件数控阶段 软件数控阶段也叫 计算机数 控( c n c ) 阶段，是数 控系 统的 第二阶段 ( 1 9 7 0 年现在) ， 这个阶段同 样经历了 三代， 1 9 7 0 年开始的第一 代 小型计算机; 1 9 7 4 年开始的第二代一 微处理器; 1 9 9 0 年以 后的 第三代 -p c 机。 从1 9 7 0 年开 始， 通用小 型计算 机业已出 现， 并成批生产， 它比 专用 计算机成本低， 可靠性高， 数控系 统进入c n c 阶段。1 9 7 1 年， 产生了 微 处理器， 1 9 7 4 年， 微处理器被应用于数控系统， 1 9 9 0 年， p c 机的 性能己 发展到很高的阶段， 可满足作为 数控系统核心部件的要求， 而且p c 机生 产 批 量 大， 价 格 便宜 ， 可 靠 性高 ， 数 控 系 统 从 此 进 入 基 于 p c 的 阶 段。 图 数控系统经历了几十年来的发展， 到了2 0 世纪7 0 年代后期， 才从根 本上解决了 可靠 性低、 价格昂贵、 应用不便等关键问 题。 因此，即 使在 工业发达国家， 数控机床也是在7 0 年代末8 0 年 代初才开始得到大规模应 用和普及的。3 1 1 . 2 . 2我国数 控技术的 发展 1 .发展过程 我国从1 9 5 8 年起， 着手进行数控系统的研制和开发工 作。 由 于当时 国产电子元器 件水平较低， 在很长时 期内， 未能 取得较大的进展， 只是 在改革开放以 后， 我国 数控技术才逐步取得实质性进展。 通过国家 “ 六五”( 1 9 8 1 - 1 9 8 5 年) 引进，“ 七五”( 1 9 8 6 - 1 9 9 0 年) 消化和 “ 八五”( 1 9 9 1 - 1 9 9 5 年) 的科技攻关，以及 “ 九五”( 1 9 9 6 - 2 0 0 0 年) 产业化 攻关团 。 我国的 数控技术目 前已 取得突破性的 进展，获得了 质的飞跃。八十年代初期， 我国已开发成功以步进电机驱动为特征的经 济型数控系统， 早期只用于旧机床的改造， 以后批量生产与新机床匹配， 并且每年还有少 量出口。 00年代初期和中 期， 国家 科技攻关中， 开发了 以中华1 型、 航天 1 型、 华中i 型 和蓝天 1 型为 代表的基本系统， 这些 系统均 采用了总 线式、 模块化、 多 通道的软 硬件结构。 这种结构既可向 上升为高级型， 直到f m c 的单元控制机，又可向 下简 化为普 及型、 经济 型， 这些系统均建 立在通用微机的 平台 上， 具有开 放性， 符合当 前国 际 数控技 术的最 新发 展趋势， 达到了 国际9 0 年代的先 进水 平。 这些基本系 统的升档型，最多控制轴数可达2 4 轴，联动轴数达5 - 9 轴，具有联网、 高速远 程通信、图 形、 人机会话、 高级编程等功能.(6 目 前， 我国已自 主开发了 直流伺服和主轴驱动 装置， 其新产品己 优 于日 本 8 0 年代 f a n u c 公司产品。 随着技术的进步，相 继引进 和开发了 交 流数字 和模拟混合数字伺服技术， 在 “ 八五” 攻关中， 又攻下了 交流全 数字伺服和主轴驱动装置， 技术水平己赶上了国外先进水平， 但工程化 和产业化进展仍很不理想， 因此，与国产数控系统配套仍多数是直流伺 服或交流模拟伺服与主轴驱动装置，还不能配备交流全 数字伺 服系统 6 2 . 第六代数控系统的优势m ( 1 ) 元器件 集成 度高， 可靠性好，性能高; ( 2 ) 技术进步 快、 升级换代容易 ; ( 3 ) 提供了开 放式的 基础: 可供利用的软件、 硬件资 源极为 丰富， 这样， 数控功能得到 相应的 扩展。凡是在计 算机上可运行的 c a d , c a m , c a p p 等 软件， 在第 六代数控 系统上均可运行。 同样凡是 在计 算机上可插入的 硬件模块和可 接上的外部设备， 如网 卡、图形加速卡、声卡和打印机、 摄像机等， 在第六代数控系统上也均 可插入接上。 如果插上网卡和摄像机，坐在办公室里就可看到任何一台 机床的工作 情况。 同 时还方便进行维护维修， 所有备品备件都 可以 通过 互联网轻易 在市场上买到， 价格也较便宜。 ( 4 ) 可使用高级语言进行开发: ( 5 ) 档次全、品 种多: 三轴及三轴以下联动，采用直流伺服驱动，分辨率为l u m ;高级型 三轴以 上联动， 分辨率一般高于l u m ， 采用交流伺 服驱动. 。 3 .国 产数控系统的可靠性(9 ) 在发 展过程中， 国产系统可靠性曾经较差， 有些用户至今仍心有余 悸。 当今， 国产数控系统的可靠性己不低于国外产品的水平， 这是因为: ( 1 )国 产数控系统己进入 基于p c 的 第六 代， 其核心部件一一p c 机 的主板均购自世界名牌的工控机， 其可靠性指标m t b f ( 平均无故障时间) 已 达3 万多 小时。 ( 2 )由 于集成度提高，使得自 制线路板的 可靠性也大为提高。最 近十年间，电力电子器件得到很大发展，性能不断提高功能更加完善。 这使得国 产伺服和主 轴驱动 单元可 靠性大为 提高。 ( 3 ) 通过国家的 投入，密云 “ 国 家机床质量监督检验中 心” 企 业 已 拥有良 好的可靠性 测试( 电磁兼容 测试速瞬 变脉冲群干扰， 抗浪涌 冲 击等) 手段。 ( 4 ) 不少企 业强 化了 元器件筛选和质量保证体系。如航天数控 集 团，己通过i s 0 9 0 0 0 质量认证。 1 . 2 . 3数控技术未来 发展的 趋势 数控技术未 来发 展的 趋势i l a 1 . 开放式、 低成本、 高可靠性 p c 机所具 有的 人机界面将普及到所有的 数控系统， 远程 通讯 诊断和 维修将更加普遍。 2 .高 速化、 高精度 数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量， 并要求伺服电机能 高 速度地做出 反应， 为使 在极短的时间内 达到高速度和高速度下实 现高 定 位精度， 必须具备高加减速和高精度的位置检 测系统和伺服品质. 3 .智能化 ( 1 ) 应用自 适应控制技术、数字伺 服驱动装置 数控系统能检测加工过程中的一些重要 信息并自 动调整系统的 有 关参数， 使机床处于最佳工作 状态。 ( 2 ) 引入专家系统指导加工、故障诊断 将熟练工人和专家的经验、加工的一般 规律与特殊规律存入系统 中 ， 以工艺参数数据库为 支撑，建立具 有人工智能的专家系统。 4 .网络化 通过网络连接， 构成一 个整 体的系 统解决 方案， 通过网络高 速传输 数据，进行整体化、一元化管理。 5 .直线交流伺服系统 直线交流伺服系统是2 1 世纪数控机床不可缺少的功能部件。目 前我 国还没有成熟产品，因此应加强 研究，开发 和推广应用. i i i 夸 1 . 3旧 数控机床改造的必要性与迫切性 3 . 1改造的必要性 有重点有步骤的对老工业基地进行技术改造， 充分发挥现有国有企 业的作用，是迅速发展我国工业生产的必由之路。 1 .对国有大中型企业进行技术改造，是搞活国有企业、保持国民 经济持续稳步增长的重大举措。国有大中型企业是国民经济的支柱， 搞 好国有 大中型企 业，是国家经济发展、 政治 稳定的根本保证.m 2 ，对国有企业数控设备进行技术改造，是加快我国高技术发展和 实 现现代化的重 要途径。 而今我国国 有工业企业数目 相当可 观， 扩大再 生 产应主 要依靠发 挥现 有企业的 潜力， 积极地对旧数 控设备进行技术改 造，是投资少、见效快、效益高的良策。 3 . 对现有国有大中型 企业旧数 控设 备进行技术改造，是由数 控设 备的固有特点和数控技术发展的需要而决定的。 作为固定资产的数控设 备， 它的特点是价值大、 生产使用时间 长， 使用到一定时间， 磨损到一 定 程度， 可靠性和可维护性就会降低， 就需要进 行改 造。同 时，由 于微 机技术的迅速发展， 新的数控技术和设备不断被创造出来，势必要代替 落后的技术装备， 任何种类的旧 数控设 备， 它的效率一 般都可以 通过技 术改造得以 提高。l : 4 ，加 速国 有企业的 技术改造，可以扩大企业的服务 领域， 增加企 业的 生产能 力。 而进一步提高国有企业的技 术装备 水平， 促进企业现代 化进而把整个国民 经济转移到新的技术基础上来， 这对发展国民 经济具 有一定的战略意义. 1 . 12改造的迫切性 工业发达国家在七十年代 末及八 十年代初， 即已 开始大规 模应用数 控机床。 由于采 用信息 技术对机械工业进行深入改造( 信息化) ， 大大增 强了其产品在市 场上的竞争力。 我国是发 展中国 家， 财力有限， 将机床 作数控化改造，可以做到花钱少，效果大， 更适合我国国情。所以数控 改 造不但能使旧 设备起死回 生， 而且经济效益十分显著。 1 .许多企业的固定资产和设备的改造急需解决。 因缺 乏必要的 技术改造， 设备陈旧 ， 工艺落后， 产品 几十年一贯制。 如中国航 空工业第一集团公司五七零四厂的机床设 备使 用二十年以 上 的占 7 0 % 以 上 1 4 1 ， 许多机床经过多次维修，性能大 大下降。目 前企业的 设备现状是基础不小， 潜力很大， 急需改造。 2 。扩大生产规模的同时，设备的更新改造跟不上。 在原 来的 计划经济体制下，企业资金投 入基本 上是粗放型经营方 式。重视扩大生产规模的同时，设备更新改造投入不足。 3 .改造资金投入不足，以致设备陈旧，严重制约企业的发展。 近年来， 中国 航空工业第一集团 公司五七零四厂的数控机 床状况由 于在数控技术上加大 技改力 度， 加强国际 合作， 提高了国际竟争的能 力， 经过前些年的技 术改 造，目前已 初见成效。 1 . 4主要研究内 容 .中航一集团五七零四厂 自 8 0 年代中期， 就陆续引进了一些当时在国 内 外处于 领先地位的 数控机床， 这些设备 在该厂的 生产中 都发 挥了 很大 的 作用， 但由于数 控技术的 飞速发展， 不要说向国 外水平靠拢， 就是与 国内同行业相比，也被远远地抛在了后面。 为了 解决这一焦点问题， 选取 x k 7 1 5 f 数控铣 床进行数控改 造。 目 前， 国内 外如何根据旧 机床技术状态进行改造尚无 成熟统 一的方 法， 如何根 据旧 机床技术状态进行改造并利用双频激光千 涉仪进行检测是主要研 究内 容。 以可靠 性、 可维修性、 先进性、 简便性、 有效性作为数控机床 技术状态的评估指标， 对数 控机床的 技术 状态进行评估; 提出改造顺序， 从理论上判定了数控机 床改 造的重要性， 根据重要性， 确定改 造方案并 加以实施。 1 . 5本章小结 通过分析数控技术的发展现状和 趋势， 进而说明了旧 机床改造的必 要性和迫切性，最后介绍了研究的主要内容。 第二章 x k 7 1 5 f 数控铣床改造方案研究 2 . 1 设备改造要求 随着科学技术的不断进步和发展， 数控设备从设计、 研制到成批生 产的 周期不断缩短， 随着电 子 元器件制造水平的 不断提高和计算机技术 的飞速发展，使得数控技术日 臻完善，可 靠性得 到了 大大提高，同时 ， 成本却大幅下降， 这都为数 控设备的改 造创造了 有利条件。 国 外数控机 床的改造称之为 “ 机床翻新”( m a c h i n e r e f i t ) 。 在美国， 机床改造业 被称为机床的再生业;在日本，机床改造业被称为机床改装业。 数控机 床改造是克服 现有设备的技术陈旧 状态， 促进现有技术进步的方法之 一，也是扩大设备的生产能力， 提高设备质量的 重要途径. 川 数控机床在改造具体实践中需注意: 1 .设 备的 役龄对数 控机床改造的技术有着具体 影响。 现有设 备技 术特性的 完善 程度与 役龄有很大的 关系。 对役龄大的特别陈旧的 设备进 行改造， 技术上常常是 很困 难的， 所需费 用也较高， 对这类设备尽量采 取更换的方针。役龄较小的设备进行改造，技术比较容易。一般说来， 役龄1 0 - 2 0 年的设备应是现代化改装的主 要对象。 !m : 2 . 尽可能结合设备大修理 进行改 造，以 缩短停机时间，降 低费用 和工时消耗等。 3 . 要改善设备的技术安全 和操作的 方便性。 中 航一集团五七零四厂从 上世纪8 0 年代至上世纪末， 陆续引进了一 批数控机床。从机床的性能指标上看，这些机床有相当一部分电气控制 元件老化， 损坏严重， 而且 许多电 气元件己 经淘汰， 很难买到， 即 使能 买到价 格也十 分昂贵。 为了 充分利用现有设备， 以最 短的时间和 较小的 投入取得 最大的经济效 益， 工厂决定对旧数 控机床 进行改 造， 利用现代 先进的、 功能更强的数 控技术改造旧 机床中过时的、 损坏的部分。 对数 控机床进行改造时， 首先必须对旧机床进行深入的了解， 主要包括以下 几个方面: ( 1 ) 机床原有的 功能以 及加工工件的范围; ( 2 ) 机床机械部分的使用情 况及现有状态; ( 3 ) 机床辅助机构如冷却液 压等机构的 现状: ( 4 ) 机床原控制系统包括数 控系统、 伺服驱动系统、侧量系统以 及其它部分的情况; ( 5 ) 以前机床出现故障的 情况等。 综合以上的 基本情况， 根据实际需要确定机床 哪些部分需要改 造， 哪些部分不需要改 造。 一项技术改造工程，不仅要 从技术角 度去 考虑， 同时还要考虑到经济性， 一个最佳的 技术改造方案， 在 技术上 不一定最 先 进，但 应是投入和产出比 较高的 一种方案。 互 2 . 2伺服系统的改造 伺服驱动技术是机电 一体化产品 中重要环节， 其控制性能最终反映 了 机电 一体化产品的 控制质量。 高性能的伺服系统 可以 提供方便、 灵活、 准确、 快速的 驱动。 数控机床的 驱动系 统主要有两种: 即进给驱动系统 和主 轴驱动系 统。 从作用上看， 前者是控 制机床各坐标的 进给运动， 后者是控制机床 主轴的 旋转运动。 驱动系统的性能， 在较大 程度上决定了 数控机床的性 能。 数控机床的 最大移动速度、 定 位精度 等各 项指标主要取决于驱动系 统及c n c 位置控制部 分的 动态和静态性能。 驱 动系统与c n c 位置控制部分 构成位置伺服系统。 在数控机床上， 不仅 对单个轴的运动速度和精度的 控制有严格要求， 而且在多轴联动时还要求各 坐标轴有较好的动态配 6 口. 不论是进给驱动系统还是主 轴驱动系统， 其电 气控制原理均可分为 直流和交流两种。 直流驱动 系统在7 0 年代初至8 0 年代中期 在数 控机 床上 占据主导地位，这是由于直流电机具有 良 好的调速性能，输出力矩大， 过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。 随 着微 电 子 技 术的 迅 速 发 展 ， 加 之 交 流 伺 服电 裁 材 料 、 结 构 及 控 制 理论有了突 破性的进展。 8 0 年代初期推出了 交流驱动系统， 标 志着新一 代驱动系 统的诞生，由 于交 流驱动系统保持了 直流驱动系统的 优越 性， 而且交流电 机无需维修， 便于 制造， 不受恶劣环 境影响， 与直流驱动相 比， 功率/ 重量比提高了 5 0 % 左右， 所以目 前直流驱动系 统已 逐步被交 流 驱动系统所取代。叨 从9 0 年代开始， 交流 伺服系统已 走向 数字化， 驱 动系统中 的电 流环、 速度环的反馈控制全部数字化， 系统的控制模型和动态补偿均由高速微 处理器实时处理， 缩短了 采样时间， 增强了 系统自 诊断能力， 提高了 系 统的快速性和精度。 2 . 2 . 1伺服系统的 种类 1 .目 前市场上主要进给驱 动系统 有: ( 1 )日 本的 f a n u c公司 该 公司在8 0 年代中 期推出了晶 体管p w m控 制的 交流驱动系统和永 磁式 三相异步电 机，电 机有四 个系列: s 系列、 l 系列、 s p 系列、 t系 列， 用户可根据使用要求选择不同类型的电机，目前使用较多的是 l系 列 。 。:。， ( 2 )德国s i e me n s公司 1 9 8 3 年以 来， 西门 子公司开始推出 交流伺服系统，由6 s c 6 1 0 系列 晶体管、p wm变频器 和 wo 系列 永磁式同步电 机组成调速器， 采用 模块化设计， 运用晶 体管 p wm调制技术，带有热 监控，m 5系列永 磁式同步电机， 有标准型和短型两 种系列， 额定转矩范围0 . 1 5 1 1 5 n m , 控制箱配置最大能 控制6 轴。阴 ( 3 )德国i n d r a m a t公司 . 1 9 7 8 年， 该公司就推出了 交流伺服驱动系统， 应用 领域较广泛， 主 要有 i n d r a m a t 交流伺服电机m a c 系列和与之配套的交流伺服控制器t d m 系列等。i n d r a m a t 交流伺 服系 统具有下列特点。 动态特性强; 过载能力强: 完整的伺服电 机系列: 在额 定转速1 5 0 0 -6 0 0 0 r / m i n 下， 连续转 矩 为0 . 8 -r 1 0 0 n m . ( 4 )日本安川公司 据日 本富士经济 杂志统计， 在日 本， 安川电 机公司 伺服市场占有率 为2 4 % ，可以 认为安川电 机公司的发展历程基本上 代表了日 本伺 服产品 的发展过程，同时 也反映了 世界伺服产品的发展变化。 日本安川电机公司创建于 1 9 1 5年，该公司自 创立以来，一直以电 机为其主要产品。 该公司自1 9 5 0 年开始生产伺服系 列产品， 先后推出 了四代伺服产品 圆. 2 .目 前市场上主 要的 主轴驱动系统有: ( 1 )日本 f a n u c 公司 从8 0 年代开 始， 该公司用交流主轴驱动系统 取代了 直流驱动系统。 目前有三个系列交流主轴电机， 即 s 系列电机， 额定输出功率范围 1 . 5 - 3 7 k w. 它们具有如下特点: 可靠性高; 具有高 效的 冷却系统。 ( 2 )德国s i e me n s 公司 8 0 年代初期， 该公司 推出i p h 6 两个系列的交流主 轴电机。 功率范 围为3 - - -6 3 千瓦，最高转速为 8 0 0 0 转/ 分钟。采用 f 级绝缘，带有风冷 方式。 控制器 采用6 s c 6 5 系列交流主 轴驱动器， 主回 路也采用了晶 体管 p w m 变频器，具 有能 量再生制动功能 u 二者在 性能 上大体相当， 只是西门 子的 主轴驱动系统价格要略微高 一些。圈 2 . 2 . 2伺服系统的 选择原则 数控机床是机电一体化高技术、 高精度、 高效率的 产品。 如果仅有 一台 先进的 n c 系统， 而没有 一套好的驱 动系统与 之配套， 也不能成为一 台 先进的 数控机床。 而 数控机床技术水平的提高 首先依 赖于 进给和主轴 驱动特性的 改善及功能的扩 大。选择 进给伺服系 统应满足如下的要求: 1 .精度高 进给驱动系统与 c n c 位置控制部分以 及位置 检测元件构成位置伺服 系统。 其中要求驱动系 统有高的调 速精度和最佳性能。 一 般数控机床对 伺服系统的精度要求为 0 . 0 0 1 m. 2 .快速反应 为了保证满足数 控机床加工零 件的 各项指标， 要求进给驱动系统有 良好的快速反应，过渡时间短，一般从零速到设定转速的时间小于 2 0 0 m s ，同时无超调。 3 .调速范围宽 在数控机 床中， 由于各 种零 件、 刀具工艺要求 不同， 而又要 保证在 任何转速下得到最佳加工条件，这就要求进给系统具有较宽的调速范 围。目 前进口 的 驱动系统调 速范围 在1 : 1 0 0 0 0 左右。 4 .力 矩波动小 由 于数控 机床加工零件时主要工作在切削状态， 这就要求进给驱动 系统在低速时 仍然保持恒扭矩， 无爬行现象。 另 外， 驱动系统应具有较 强的过载能力，一般允许的波动系数在3 % 左右。 5 .高 可靠性 进给驱动系统频繁工作在启动和制动状态， 工作时器件承受的电 流 较大， 容易损 坏， 故影响到数 控机床的 可靠性， 可能给用户带来较大的 经济损失。因此， 在选型时除了满足机床性能的要求外，还要考虑驱动 系统的可靠性及环境适应能力。 6 .高 刚性 伺服在不同 的负载情况下或切削条件发生变 化时， 进给速度应保持 恒定， 要求伺服具有优良 的静态与动态负载 特性。回 主轴伺服作为调速装置除具有上述进给伺服的 特性之外， 还应具有 如下特点: ( 1 ) 输出功 率大 为了满足生产率的要求，主轴和进给 相比 应具有更大的功率。 ( 2 ) 具有恒 扭矩段 及恒功率段 机 床在加 工过程中， 高 转速时 切削 力很小， 为充分提高电 机使用效 率，一 般在电 机高 速段实 行弱磁控制， 使电 机输出 功率恒定。 ( 3 ) 具有 准停控制 机床在加工时 常要求主 轴必须停在某 一固定的 径向 位置， 因 此要求 伺服具有准确停在某一预先设定位置上的功能。 ( 4 )主轴与进给的联动 在机床的 螺纹加工中， 需要主轴 和进给的联动， 因此要求主 轴具有 和进给一样的伺服功能。 ( 5 ) 恒线 速切削 控制 机床在 进行端面切削时， 常要求 工件与刀尖的接触点的线速度为恒 值，因 此要 求主轴具有均匀升速功能。 机床的主轴驱动和进给驱动系统有较大的区别。 主轴驱动系统主要 用于 控制机 床的 主轴旋转运动， 机床对主轴要求在很宽范围内 速度连续 可调， 并在各 种速度下提供恒定的切削功 率。 过去， 数控机床大多采用 直流主轴系统，由于直流电机的换向限制， 恒功率范围往往较小，满足 不了现代数控机床的要求。此外，制造大容量的直流电机也比较困难. 8 0 年代初期， 随着微电子技术 和大功率晶 体管的高速发展， 开始推出 交 流主 轴驱动系统， 它克服了 直流电 机高转速和大容量的缺点， 并且控制 性能已达到很高的水平: 恒功率范围宽，保证了 切削 精度和刀具的利用率; 加速和减速时间短; 调 速 范 围 宽 ， 一 般在 1 : 1 0 0 0 0 左 右 ; w 电 机过载能力强; 电机温度低，噪声小。 2 . 3 x k 7 1 5 f 的技术改造 2 . 3 . 1数控系 统的 选型 经验表明， 以 往的 数控机床中， 一 套数控系统的 有效使用寿 命在6 - 8 年。由于电子技术迅速发展， 世界上名牌的数控系统制造公司基本上都 在3 - 5 年内更 换一代产品， 所以 数控系统 使用到 6 - 7 年后， 即使想 修理也 很难找到零部 件。 随着电 子技术制造水 平的发 展， 数控系 统及其 配套装 置的价 格在整台 机床中越来越低。 例如: 7 0 年代时 达到5 0 % , 8 0 年 代后， 逐步降至1 / 3 到1 / 4 以 下。 因 此， 只要花少量投入， 就可以 使许多 关键设 备重新恢复 “ 青春”。 一 般来说， 针对不同的 机床结构， 所配数控系统应能实现开环、 半 闭 环或 全闭 环的控制要求， 至少需同时 控制两轴联动完成圆弧插 补、 刀 具补偿等功能。为便于联网，数控系统应具备通讯接口。 国际上， 德国 s i e m e n s 和日 本f a n u c 公司在数控系统方面占据 着主导 地位。 法国的n u m 也占有一席之地。 1 . s i e m e n s 数 控系统 德国 s i e m e n s 公司是 世界 上最大的电 气产品公司 之一， 其数控系 统 在欧洲占 据主导地位， 在世 界上也享有盛誉，在我国 也有大量的用 户。 其 产 品 序 列 如 表 2 - 1 . m 表2 - 1 s i b u m数控系统产品系列 年代 7 0 年代初期 一中期 7 0 年代末期 8 0 年代初期 8 0 年 代中期 8 0 年代末期 9 0 年代初期 9 0 年代末期 s i e m e n s产品 s i n u m e r i k 5 0 0 , 5 , 5 0 0 0 , 8 3 8 1 0 / 8 2 0 8 5 0 / 8 8 0 / 8 0 5 s i n u m e r i k r 4 0 . 8 4 0 c 8 4 0 d，8 1 0 d 下面对我国应用最多的8 1 0 系统、 8 5 0 / 8 8 0 系统和最新推出的系统作 以简单的介绍。 8 1 0 系统按功能分有8 1 0 t 一车床用数控系统;8 1 0 m -铣床用;8 1 0 g 一磨 床用数控系统; 8 1 0 n - 一 冲 床用数控系统。 按型号分有8 1 0 ( g a 1 , g a 2 , g o 三种。 8 1 0 三种型号数控系统功能的 主要差别见 表2 - 2 . 表2 - 2 8 1 0 三种型号数控系统特点 系统 g a 1 g a 2g a 3 种类t m t m gt m g 控制轴数 3 45 联动轴数 2 - 333 p l c 扩展 小型e u小 型 e u小 型 e u 存储器容量 3 2 k6 4k1 2 8 k 由此可见，对于中低档的机床改造，应选用8 1 0 系统，而高档的则 选用8 4 0 系 统。 8 5 0 与8 8 0 的 数控系统主要功能 差别见表2 - 3 . n 功能 控制轴数 n c 通道数 控制主轴数 测量电路 可接p l c 数 表2 - 3 8 5 0 与8 8 0 系统功能 8 5 0 系统 最多1 2 个 n c 轴 最多8 个 最多4 个 1 2 个 2 个 8 8 0 系统 最多2 4 个 最多1 6 个 最多3 6 个 3 0 个 4 个 系统 81 0 3 8 8 5 0 / 8 8 0 8 4 0 d 2 . n u m 数控系统 表2 - 4西门子各种数控功能比较 i c p u i 单8 0 1 8 6 单8 0 8 6 多8 0 8 6 多3 0 3 8 6 兼容i b m / p c 控制轴数 2 - 5 4 1 2 5 - 2 4 8 nu m 公司是法国 一家著名的国际 性公司， 专门从事 c n c 数控系 统的 开 发和研究。 是s c h n e i d e r 集团的 子公司， 欧洲第二大数控系统供应商， 其产品覆盖诸多行业，如汽车制造业、航空及航天业、发电设备行业、 电子业、精加工业等。该公 司在近年推出 的1 0 2 0 / 1 0 4 0 / 1 0 6 0 系统 c n c 是 其 主 流 产 品 。 n u m 产 品 的 类别 见 表 2 - 5 e 表2 - 5 n u m 产品比 较 系统 1 0 2 0 1 0 4 0 1 0 6 0 轴数 2- 4 1 -6 2- 32 它 们三者 在结构 上具有一致性，除了硬件在 c p u 的数量、 配置 上有 所差别 外， 它 们在软 件的 结构、 功能上大致相同。 它们与该公司的 其他 系列7 2 0 / 7 5 0 / 7 6 0 在p l c 、 报普信息、 机床数 据方面兼容。 n u m 数控系统除了 在传统的车、磨、 铣、 加工中心和复 合机床应用 外， 在传输机械、电 火花加工、研磨、切 齿、 激光或高压水 射流切割、 火焰切割等特殊领域具有独特的优 势。 对低档的 机床改 造， 选用1 0 2 0 系列，中档选用1 0 4 0 系列，高档选用1 0 6 0 系列。 3 . f a n u c 数控系统 日 本f a n u c 公司是专门从事生 产数控系统及工业 机器人的 著名厂 家， 也是世界上最有影响的一 个专业厂。 该公司自 5 0 年代末期生产数 控 系统，7 0 年代中期该公司的 c n c 系统大量进入中国市 场。 8 0 年代，该公 司较有 代表性的系统是f 6 和f 1 1 。 目 前主要产品 有f o 和f 1 5 系列， 结 构上 差别如表 2 - 6 . f a n u c 公司c n c 系统平均故障见表2 - 7 0 . 表2 - 6 f a n u c 数控系统比 较 结构 大板 主板:大板 模块化多总线 主板:小板 c p u 多8 0 8 6 多6 8 0 0 0 3 2 位6 8 0 2 0 8 0 1 8 6 塑f6fllf15fo 表2 - 7数控系统平均故障 产品年代 7 0 年代末 8 0 年代中 8 0 年代末 9 0 年代初 根据前面所述， 平均故障率( 次/ 月) 1 平均无故障率( 次/ 月) 103350100 0八jc11 己10110 .- 0000 对于中档的数控机床可选用f o 系列， 而高档的选用 f 1 5 系 列。 三种国外数 控系统的比较见表2 - 8 . 表2 - 8三种进口 数控系统特点 厂家特点 s i e me n s 采用模块化设计;通道式结构:优 良的使用性能;方 便的编程设计 n u m 系统一致性好;具有强大的功能软件;光纤技术通讯 f a n u c 可靠性高:系统功能强;有多种特殊曲线的插补软件 这三种主要国外数控系统，f a n u c 数控系统由于可靠性高、操作性 强、性能价格比 好而被广泛采用， 但开 放性不够好。 s i e men s 的数控系 统价格较高，而 且使用起来比 较复杂。 而n u m 系统介于二 者之间。 数控机床的改 造中， 数控系统的选型非常重要， 它关系着改造后 数 控机 床的技术 水平，所选的数控系统满足以 下几点: 具备良 好四轴联动功能; 具备内 部可编程序控制器( p l c ); 可实现对主轴的模拟量控制; 可在 线加工。 x k 7 1 5 f 采用国 外先进的数控系统以 及宽调速伺服电 机， 配有精密滚 珠丝 杠， 所 有导 轨面均经淬硬磨削并配以 贴塑导轨， 摩 擦特性稳定， 精 度保持 性好， 适用于各种复杂型面和型腔的 零件加工。 进口的主轴电机通过齿轮变速，可提供大扭矩和高功率， 满足用户 的切削需求。 进口 的 控制系统和方便的操作功能， 使机 床的 安全性和可 靠性得到保证。 配置数控回转台后，可加工需多轴联动的复 杂零件。 x k 7 1 5 f 的 基本参数如表2 - 9 所示团。 表 2 - 9 x k 7 1 5 f 的参数 工作台: x k 7 1 5 f 5 0 0 x 2 0 0 0 1 00 0 画-掩 台面尺寸( 宽 x 长) 最大承载( 均布载荷) 行程: x轴】 皿 】1 3 2 0 y轴四 皿5 5 0 z轴 皿 目6 0 0 主轴中心线至立柱压板面距离 血 目6 2 0 主轴端面至工作台面距离 】 功 田2 5 - 6 2 5 主轴中心线至工作台面距离n 皿 主轴箱: 主轴锥孔5 0 7: 2 4 主 轴 转 速 r / m i n 3 6 -1 6 0 0 主电机功率 k w a c 1 1 / 1 5 进给: 工作进给m m 加 i n20 - 2 4 0 0 快 速 进 给 m / m i n 1 0 控 制 系 统 根 据 用 户 .要 求 进 行 配 置 机 床 总 功 率一 k w 30 机床重量 k g 7 5 0 0 ( 1 ) 基本配置: 侧 q 1 f a n u c o i - m a 型数 控系 统标准型基本控制轴 4 轴; i / 0 l i n k 轴2 轴: 零件程序存储长度6 4 0 m ;内 装1 / 0 卡d i / d o 为9 6 / 6 4 ; 8 . 4 彩色l c d ; p m c - s a 3 带手摇脉冲发生器一部。 驱动 单元f a n u c 交流数字伺服单元，s v m 系列: x , y 轴电 机选 用f a n u c 交 流数 字伺服电 机。 3 0 型， 3 0 n m ; z 轴电机为 单元a 4 0 型， 4 0 n m ; b 轴为a 2 2 型，2 2 n m , 主 轴驱动单元 选用f a n u c 交流数字式主轴单 元及电机，电 机规 格为。 巧型， 功率为1 5 k w . .3 / 4 轴卡， 手摇脉冲发生器配标准机床操作 面板。 内装i / 州 渝入输出接口4 个，共%点输入/ 6 4 点输出。 ( 2 ) f a n u c o i - m a 数控系统的功能特点a 提前的预测控制 提前的预测控制可以 预读多个 加工程序段， 实 现切削速度最佳的加减速 控制， 从而有效地减小工件形 状的