经济型数控机床改造优化方案的研究.doc

本人从事论文写作多年 望有志之士与我合作 MY EMALL shaoan12345 毕毕 业业 论论 文文 20072007 届 届 论文题目 经济型数控机床改造优化方案的研究论文题目 经济型数控机床改造优化方案的研究 Optimization Scheme Research on the Transformation of Economical NC Machine Tool 学生姓名学生姓名 陈磊陈磊 学学 号号 0703301005607033010056 院院 系系 机械工程系机械工程系 专专 业业 机械制造与自动化机械制造与自动化 班班 级级 07020702 指导教师指导教师 靳瑞生靳瑞生 完成日期完成日期 2009 92009 9 1 目 录 毕业论文 设计 任务书毕业论文 设计 任务书 1 1 毕业论文开题报告毕业论文开题报告 2 2 摘要摘要 4 4 关键词关键词 5 5 第一章第一章 数控机床改造方案的选择数控机床改造方案的选择 5 5 1 1 现代数控驱动产品带来丰富的选择 5 1 2 改造对象的全面调查 10 1 3 改造对象的现状调查 11 1 4 正确的方案是改造成功的一半 14 第二章第二章 经济型数控车床钻孔工艺改进经济型数控车床钻孔工艺改进 1414 2 1 引言 14 2 2 钻头在刀台上的安装 15 2 3 自动钻孔的应用 15 第三章第三章 经济型数控机床网络通讯和控制技术研究经济型数控机床网络通讯和控制技术研究 1717 3 1 需求分析 18 3 2 系统结构 18 3 3 经济型数控机床的定位精度分析 22 3 4 经济型数控机床定位误差的补偿方法 23 第四章第四章 国产数控系统助力企业机床改造国产数控系统助力企业机床改造 2424 4 1 国产系统具备规模优势 25 参考文献参考文献 2727 致谢词致谢词 2828 2 毕业论文 设计 任务书 学生姓名陈磊专业班级机械制造与自动化指导教师靳瑞生 论文题目经济型数控机床改造优化方案的研究 研 究 的 目 标 内 容 及 方 法 目标 适应生产 使生产具有投资少 见效快等优点 内容 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 方法 1 查阅数控机床改造的相关资料 2 了解掌握数控机床改造方案的相关知识 3 找老师询问经济型数控机床改造优化方案的研究的有关知识 分 阶 段 完 成 的 工 作 1 2009 年 07 月 08 日 2009 年 08 月 28 日确定毕业论文的选题 收集材料完 成论文的任务书和开题报告 2 2009 年 08 月 28 日 2009 年 09 月 28 日撰写论文 完成第一稿 并交指导 老师 3 2009 年 09 月 28 日 2009 年 10 月 04 日指导教师阅改论文 4 2009 年 10 月 04 日 2009 年 10 月 20 日修改论文完成第三稿 并交指导老 师 5 2009 年 10 月 20 日 2009 年 10 月 25 日指导教师阅改论文 6 2009 年 10 月 25 日 2009 年 11 月 01 日修改论文完成第三稿 并交指导老 师 7 2009 年 11 月 01 日 2009 年 11 月 05 日指导老师阅改论文 确定是否参加 论文答辩 8 6 2009 年 11 月 06 日 2009 年 11 月 10 日毕业论文答辩 评定论文成绩 评出优秀论文 系部 主 任 意见 3 毕业论文开题报告 论文题目 经济型数控机床改造优化方案的研究 学生姓名 王冬冬 专业 机械制造与自动化 指导教师 靳瑞生 2009 年 9 月 20 日 二 本课题的研究目的 实现普通机床的数控化改造 确定经济型数控机床改造的方案和确定原则 使机床能适应现代生产 使生产具有投资少 见效快等优点 一 本课题的研究意义 众所周知 制造业是国民经济的基础产业和支柱产业 是推动国家技术进 步的主要力量 加入 WTO 之后 我国制造业正面临极大的考验和挑战 我国制 造业水平与发达国家相比 总体水平偏低 这直接影响到我国工业产品质量的 提高和制造成本的降低 影响到我国工业产品的国际市场竞争力 为改造这种 落后状况 必须提高制造业的装配水平 特别是机床的数控化率 购置数控机 床是提高机床数控化率的途径 对旧机床进行数控化改造 也是提高机床数控 化率的重要途径之一 我国机电行业 包括机械 电子 汽车 航空 航天 轻工 纺织冶金 煤炭 邮电 船舶等 拥有的机床结构比较陈旧 操作系统复杂 控制系统落 后 生产率底下 如果靠购置新的数控机床取而代之 显然耗资巨大 不符合 国情 因此 采用数控技术对现有机床进行改造 符合国家的产业政策 另外 从市场容量来讲 不管是汽车制造业 模具制造业 还是军工企业 机床数控 化改造都蕴藏着无限商机 4 近年来 美国 日本 德国 英国等发达国家 在制造大量数控机床的同 时 也非常重视对普通机床的数控化改造 机床的技术改造市场十分活跃 在 美国 机床改造业被称为机床再生 Remanufacturing 业 在日本 机床改造 业被称为机床改装业 Retrofitting 业 机床改造业逐步从机床制造业中分 化出来 三 主要研究依据 1 查阅数控机床改造的相关资料 2 了解掌握数控机床改造方案的相关知识 3 找老师询问经济型数控机床改造优化方案的研究的有关知识 四 参考文献 1 余英良 机床数控改造设计与实例 1998 2 何立民 单片机应用系统设计系统配置与接口技术 2001 3 刘文波 段志敏 陈白宁 机床数控技术 2000 4 浩舸 谢骐 邓奕 CA6140 车床数控改造中机械装置设计技巧 期刊论文 机床与液压 2004 7 5 李文 普通铣床的数控改造 期刊论文 机床与液压 2004 6 6 王文霞 郑耀宗 茆巍浩 普通工具磨床的数字化改造 期刊论文 上海第二 工业大学学报 2009 1 7 王永红 旧数控机床改造的意义及其技术途径 期刊论文 机械制造与自 动化 2008 6 8 刘丽云 王元娥 普通机床数控化改造中要考虑的主要问题 期刊论文 装 备制造技术 2007 04 指导教师意见 指导教师 签名 年 月 日 系部审查意见 5 系部负责人 签名 年 月 日 摘要 经济型数控机床是指具有针对性加工功能但功能水平较低且价格 低廉的数控机床 本文主要介绍了经济型数控车床钻孔工艺改进 经济型数 控机床网络通讯和控制技术研究 定位精度分析 定位误差的补偿方法 机 床数控改造的优点 分析了改造的思路 并以经济型数控车床为例阐述了改造 需注意的问题 介绍普通机床的数控化改造经验 重点介绍机床数控化改造方 案的确定 基本步骤 目的 经济合理性 数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 但数控机床一次性投资较大 对 机床进行数控化改造不失为一良策 从我国中 小型企业设备的实情出发 指出 对普通机床进行技术改造的必要性 给出了经济型数控机床改造的优化方案及其 确定原则 该方案具有投资少 见效快的优点 值得推广 Abstract Economical CNC machining refers to the targeted level of functionality but features a low and affordable CNC machine tools this article focuses on the economic type CNC lathe drilling process improvement Economical CNC network communication and control technology positioning accuracy analysis positioning error compensation method Transformation of the advantages of CNC machine tools analyzed the transformation of ideas and to economical CNC lathe as an example describes transformation should pay attention to the problem To introduce the generaltransformation of experience in CNC machine tools focusing on rehabilitation programs for CNC machine tools to determine the basic steps purpose economically rational CNC machine tools in the machinery manufacturing industry has played a huge role but a one time investment is large CNC machine tools CNC machine tools transformation may well be a sound strategy From our country in the facts of starting a small business equipment pointing out that the ordinary machine tools the need for technological transformation given the economic transformation of NC machine tools to determine optimal program and its principles The program has a small investment quick benefits worthy of promotion 6 关键词 普通机床 经济型数控机床 改造 优化方案 第一章 数控机床改造方案的选择 1 1 现代数控驱动产品带来丰富的选择 近年来 随着国内各种类型机床改造需求的扩大 机床改造已经逐渐形成了 一个产业 其中绝大部分是数控机床的改造 也有一部分业务来自非数控机床 的升级改造 现代数控驱动产品带来丰富的选择作为西门子数控产品的核心代 理和系统集成商 我们这些年来主要采用西门子产品为广大用户提供服务 西 门子产品的更新也在最近几年出现了新气象 改变了过去德国电气产品贵而娇 气的形象 形成了与日本数控产品双雄整天下的局面 1 1 1 SINUMERIK 802S C 系统 802S 和 802C 系统标准配置包具备了所有的必要组成单元 NC PLC 操作 面板 机床控制面板 输入 输出单元及系统软件 操作编程极其简便 免维护 性能价格比高 是专门为低端 CNC 机床市场而开发的经济型 CNC 控制系统 在 中国的销售非常成功 802S C 两个系统具有同样的显示器 操作面板 数控功能 PLC 编程方法 等 所不同的只是 SINUMERIK 802S 带有步进驱动系统 控制步进电机 可带 3 个步进驱动轴及一个 10V 模拟伺服主轴 SINUMERIK 802C 带有伺服驱动系 统 它采用传统的模拟伺服 10V 接口 最多可带 3 个伺服驱动轴及一个伺服 主轴 最新推出的 802Se Ce 更是将 CPU 输入输出点 控制接口等所有部件 集成在面板背后 一体化的设计使得使用维护更为方便 因此 802S 和 802C 系 统非常适合于普通机床 数显机床的数控化改造以及低档数控机床的数控配套 和改造 我们曾经应用的场合有数控车床 数控镗铣床 数控磨床 枪钻机床 专机等 其中 SINUMERIK 802C 在车 铣加工应用技术上具有优势 配的是新型的西 门子 SIMODRIVE 611U 这种系统甚至可以连接 3 个坐标轴的光栅尺 形成闭环 控制 所以我们也曾把它应用在座标镗床 坐标磨床 性能价格比很高 1 1 2 SINUMERIK 802D 系统 西门子公司在新世纪推出了 802D 数控系统 该系统属于中低档系统 其 特点是 全数字驱动 中文系统 结构简单 通过 Profibus 连接系统面板 I O 7 模块和 伺服驱动系统 调试简单 通过 PCMCIA 卡批量调试 具有免维护 性能的 SINUMERIK 802D 核心部件 控制面板单元 PCU 具有 CNC PLC 人机界面和通讯等功能 集成的 PC 硬件可使用户非常容易地将控制系统安装 在机床上 SINUMERIK 802D 可控制 4 个数字进给轴和 1 个主轴 主轴完全通过 PCU 控制 既有数字接口 也可通过模拟接口控制 使用 Profibus 总线可非常简洁 地将伺服和 I O 模块等系统各部件直接相连 模块化的驱动装置 SIMODRIVE 611 UE 可以根据数控车床或数控铣床的需要配置各种驱动和电机 强大的 Windows 工具可非常轻松地设置驱动参数 位置测量可用电机端编码器 也可 以选用光栅尺 SINUMERIK 802D 具有功能强大的 PLC SIMATIC S7 200 其 编程工具可运行在任何 PC 机上 其诊断功能也非常完善 梯形图编程和经典 的 PLC 程序举例可非常方便地应用于机床控制 SINUMERIK 802D 系统虽属于低档系统但是基本上已经是标准的数控系统 最适合于数控车床 铣床 磨床和带小型刀库的数控加工中心的配套及改造 1 1 3 SINUMERIK 840D 810D 840Di 系统 840D 810D 是几乎同时推出的 具有非常高的系统一致性 显示 操作面板 机床操作面板 STEP7 300PLC 输入 输出模块 PLC 编程语言数控系统操作 工件程序编程 参数设定 诊断等 伺服驱动的许多部件 由于以上的特点 该系列产品在许多企业应用及其广泛 尤其在汽车 航 空 机械等行业 采用 810D 840D 系统 S7300 Profibus HMI 等产品 客户 的利益得到了非常好的维护 操作的一致性 编程的一致性 备件的一致性 培训 维修方便等 都可显示中文 SINUMERIK 840D 它在复杂的系统平台上 通过系统设定而适于各种控 制技术 840D 与 SINUMERIK 611D 数字驱动系统和 SIMATIC S7 可编程控制 器一起 构成全数字控制系统 它适于各种复杂加工任务的控制 具有优于其它系统的动态品质和控制精 度 标准控制系统的特征是具有大量的控制功能 如钻削 车削 铣削 磨削 以及特殊控制 这些功能在使用中不会有任何相互影响 8 由于开放的结构 这个完整的系统也适于其它技术如剪切 冲压和激光加 工等 SINUMERIK 840D 的突出之处在于其不断扩展的特性 其自学习 自优化 系统使系统的调整时间大为缩短 精调也可按机床用户的要求简单自动地进行 远程诊断使其故障的分析解决更加方便快捷 SINUMERIK 840D 最大限度集成在与 SIMODRIVE 611 控制模块相同的 50mm 宽框架中 将 SINUMERIK 840D SIMODRIVE 611D 加上先进的 SIMATIC S7 系统 即为机床的自动化提供了全方位的解决方案 全数字化的 系统 革新的系统结构 更高的控制品质 更高的系统分辨率以及更短的采样 时间 确保了一流的工件质量 840D 采用了当今最先进的控制概念 适用于钻削 铣削以及车削和磨削机 床加工的控制 例如 具有数控系统和 SIMODRIVE 间数字通讯的车床可以达 到磨床的加工精度 SINUMERIK 840D 还可以实现许多特殊的 NC 功能 这 在同类系统中是难以看到的 SINUMERIK 810D 是 840D 的 CNC 和驱动控制集成型 NC CPU 和驱动 集成在在一块板子上 驱动的功率部分又可提供 3 个坐标和 2 个坐标两种 简 单来说 也就是 SINUMERIK 810D 系统没有驱动接口 SINUMERIK 810D NC 软件选件的基本包含了 840D 的全部功能 例如 1 同样的钻 铣 车等加工循环 2 提前预测功能 可以在集成控制系统上实现快速控制 3 坐标变换功能 4 固定点停止可以用来卡紧工件或定义简单参考点 5 模拟量控制控制模拟信号输出 6 刀具管理也是另一种功能强大的管理软件选件 7 样条插补功能 A B C 样条 用来产生平滑过渡 8 压缩功能用来压缩 NC 记录 9 多项式插补功能可以提高 SINUMERIK 810D 810DE 运行速度 10 温度补偿功能保证您的数控系统在这种高技术 高速度运行状态下保持正 常温度 由此可见 SINUMERIK 810D 的功能和选件非常强大 并不低于 9 840D 只是它的应用场合有其特殊性 合理的利用它内部集成的驱动系统 可 以减少成本并且获得高性能 因而它不仅仅局限于数控机床配套 在木加工 石材处理或包装机械等行业也有广阔的应用前景 在我们的改造实践中 近 2 年来 运用最多的就是 SINUMERIK 840D 810D 尤其是 810D 在强力磨床 外圆磨床 瓦楞辊磨床等机型应用上 颇有心得 最近随着采用 PROFIBUS DP 现场总线结构西门子 840Di 系统的推出 我们又 多了一种颇有竞争力的选择 1 全 PC 集成的 SINUMERIK 840Di 数控系统为您提供了一个基于 PC 的 新潮的控制概念 得益于此概念的主要用是那些以某种方式使用了 PC 的场合 或者使用分布式驱动和 I O 的自控方案 应用领域包括木制品 玻璃 制陶 包装 贴片机 冲压机 弯曲机 以及各种机床和类似机床的机械 除了高度 的软 硬件开放性 SINUMERIK 840Di 的显著特点是 CNC 控制控制功能与 HMI 功能一起都在 PC 处理器上运行 也就是说 可以省略传统控制系统中所 需的 NC 处理单元 这种控制系统包含大量的标准化部件 带接口卡的工业 PC 机 PROFIBUS DP Windows NT 操作系统 OPC 用于过程控制的 OLE 用 接口和 NC 控制软件 2 SINUMERIK 840Di 可提供给您的还很多 特别有利的是其在 SINUMERIK 家庭中的地位 例如 SINUMERIK 840D 与 SINUMERIK Di 的 NC 和 PLC 功能 操作者功能和机床数据是兼容的 相应的 NC 程 序和 PLC 程序在这两个系统上都可运行 而且由于系统高度开放 软件应用可 同样适用于两个系统 SINUMERIK 840Di 是 SIMATIC 和 SIMODRIVE 自动化 控制环境的一部分 3 利用 PROFIBUS DP 实现分布式配置 如今系统朝着分布式方向发展的 趋势是十分明显的 而 SINUMERIK 840Di 的另一个重要特点就是带有位置控 制的 PROFIBUS DP 這是一种用于驱动和 I O 的统一的现场总线 它允许数个 系统实现分布式配置 10 4 SIMATIC ProTool Pro 配置工具加上附属的 SINUMERIK ProTool Pro 选件 为您提供了特殊便利 即 用户可利用其来生成自己专用的用户界面而 不必掌握额外的软件技能 5 全部功能集于同一模块 实现最佳通讯 MCI 板是一块 PCI 式的插板 该模块包含了集成的 SIMATIC S7 315 2 DP PLC CPU 及用于 MPI 多接口 和 PROFIBUS DP 接口接和 I O 可连接 SIMODRIVE611 通用型驱动装置 SIMATIC DP ET200 模块则可作为 I O 1 1 4 SINUMERIK 840C 系统 SINUMERIK 840C 系统一直雄居世界数控系统水平之首 内装功能强大的 PLC 135WB2 可以控制 SIMODRIVE 611A D 模拟式或数字式交流驱动系统 适合于高复杂度的数控机床 虽然已经推出很多年 但依然表现良好 深受用 户欢迎 我们的应用主要是在复杂的数控镗铣床 加工中心 龙门加工中心 五面 体加工中心 高档磨床 1 1 5 与数控系统相配套地西门子先进的交流驱动系统 SIMODRIVE 交流驱动系统采用了统一的伺服控制技术 进给伺服电机扭矩 从 0 33Nm 至 185Nm 交流主轴电机从 3 7KW 100KW 适应不同的驱动系统解 决方案 SIMODRIVE611A 模拟式伺服 配合 1FT5 系列进给驱动电机 600V 和 1PH7 主轴电机 可控制主轴 进给轴 及普通异步电机 SIMODRIVE 611D 数字式伺服 配合 1FT6 1FK6 系列进给驱动电机和 1PH7 主轴电机 可控制主轴 进给轴等 只能配合 810D 840D 840C 数控 系统 SIMODRIVE 611U 可接收模拟信号或数字信号 Profibus 可以进行位置控 制 速度控制及转矩控制 配合 1FT6 1FK6 和 1PH7 电机 是理想的驱动系 统解决方案之一 1 2 改造对象的全面调查 1 2 1 机床的来源及改造需求 1 进口数控机床 80 年代以来我国政府为满足军工生产需要 进口了大 量的数控机床 尤其在航空 兵器等行业 这些机床基本都是精密高档设备 11 绝大部分是当时的所谓部管设备 这些机床已经到了电气升级换代的时候 前 几年由于机械行业的不景气 改造工作欠债很多 大部分此类机床面临电气备 件的匮乏 甚至已经处于停机状态 不改造是没有出路的 2 进口二手数控机床 近年来 这类机床由于多为企业考虑生产实际需 要 自筹资金进口 相对采购成本较低 进口量比较大 其中有些机床进口时 就考虑了改造的要求 有些则是进口后 运行了一段时间候就面临着改造的需 求 3 国产数控机床 我国自 90 年以后生产的数控机床 大多为中低档数控 机床 也同样面临电气系统老化 需要改造 4 普通机床 我国大量的普通机床应用于生产第一线 这几年 国家加 大了对这类机床的改造力度 国防科工委更是推行了万台机床数控化计划 车 床 铣床的数控化改造需求量很大 另外则是有些特殊类型或者大型普通机床 由于本身特点以及良好的机械基础 具有生机改造的价值 上述 4 大类中 1 2 类的改造需求大多是中高档系统 3 4 类则是中低档 数控系统比较理想的改造对象 1 3 改造对象的现状调查 对于数控机床的改造 我们将从以下几个方面加以详细调查 以制定相应 的改造方案 1 数控系统的分析 数控机床改造 首当其冲的是系统的改造 根据我们的调查 老系统有 西门子 SINUMERIK 7 3 8 850 880 810 早期型号 发那科 FANUC 7 6 3 这两大品牌的系统占有了目前我国目前老数控机床的 绝大多数 目前多数系统的电气备件已经停止供货 改造时候基本上不考虑保 留老系统 我们采取的方案是根据机床的现有控制等级 产品生产要求 企业 资金状况 选择相应的低 中 高档系统 这些系统大部分带有老型号的 PLC 逻辑控制系统 在改造方案的制定中 要考虑新老系统替换时候的差别 对 PLC 部分输入输点的数量和性质作出比较精确的估算 2 老主轴伺服系统的价值分析和改造方案 改造对象的主轴系统有两大类 直流伺服主轴和交流伺服主轴 12 改造方案如下 保留驱动装置和电机 老的主轴伺服采用的基本都是 10V 的模拟信号接 口 对于状态良好 价值很高的主轴可以采用保留的方案 适用的系统有 SINUMERK 802C 802D 810D 840D 840Di 840C 只保留直流主轴电机 有些大型机床主轴电机功率相当大 价格比较贵 安装比较麻烦 同时电机状况良好 这个时候可以采用保留电机 改造驱动系 统 采用西门子新的直流伺服控制装置 6RA70 替代劳驱动装置 适用的系统有 SINUMERK 802C 802D 810D 840D 840Di 840C 不保留驱动装置和电机 采用西门子新型 1PH 系列主轴电机和相应的驱动 装置替代老电机和驱动装置 3 老进给伺服系统的价值分析和改造方案 保留驱动装置和电机 同样 老的进给伺服采用的基本都是 10V 的模拟 信号接口 对于状态良好 价值很高的进给装置和电机可以采用保留的方案 适用的系统有 SINUMERK 802C 802D 810D 840D 840Di 840C 不保留驱动装置和电机 采用西门子新型 1FK6 7 1FT6 1FE1 系列进给轴电 机和相应的驱动装置替代老电机和驱动装置 4 测量系统系统的价值分析和改造方案 旋转变压器 基本不能保留 可以采用新型旋转编码器替代 感应同步器 尺 感应同步器 尺的情况略为复杂一些 我们采取的对策是能 够改 掉尽量改掉 用新型海德汉光栅尺和圆光栅加以替代 但是在某些场合 如精密转台 会面临新的圆光栅安装不能实施的难题 西门子为此提供了感应 同步器 尺信号到新系统的转换装置 但是这个装置的价格比较昂贵 非到万不 得已不选用 光栅尺 我们接触的进口机床大部分采用海德汉光栅尺 对于这些老尺子 其 中方波信号可适用的新系统有 SINUMERK 802C 840C 电压信号适用的新 系统有 SINUMERK 802C 802D 810D 840D 840Di 840C 但是大量的 老尺子的信号是电流信号 西门子和海德汉分别提供了电流信号到电压信号的 转换装置 而且价格不太贵 13 5 其他电气相关部件 电气柜 操作站 很多情况下 用户会提出电柜改造的问题 对此我们和 用户会做充分的交流 按照电气控制柜以及柜内元器件的状态作出合理的选择 一般来讲 进口数控机床电气柜以及柜内的元器件即便使用了相当年限 也要 比国产的甚至是合资的元器件状态好 所以在改造高档进口数控机床一般电气 柜不作大拆大改 一些二手机床的电气柜状态比较差 或者用户认为电气柜元器件故障率太 高都可以采取全套更换的方式 采用 RITTAL 或者相当的国际名牌还是国产合 资品牌 取决于用户的投入 数控操作站可以是改造给人的第一印象 所以在用户资金许可的前提下 尽 量选用西门子配套的国际名牌 如 MECANO 等品牌 质量和外观都能与进口 机床匹敌 电缆 在方案指定初期就按照电气相应方案测定需要的电缆长度 在我们的 改造项目中 凡是与数控驱动测量系统直接相关的电缆 我们只选择原装电缆 但是大型主轴电机的电力电缆由于价格过于高昂 而不考虑原装电缆 外围元器件 除了老化和损坏的外围元器件 一般我们不建议用户更换外围 元器件 有个情况除外 少部分机床采用了交流 110V 电气元件 而新系统又 无法与之匹配 6 原始资料 机床的原始资料是我们了解机床出厂状况的最基本资料 其中电气原理图 电气维修手册 控制程序 都是我们需要仔细研究的 特别需要注意的是原始 资料提供的信息不完全是正确的 国外机床厂有的提供的是系列型号的通用图 纸 有的时候机床出厂前的电气硬件改动没有在电气资料上体现 这就要求我 们一定要对照机床实物 把关键环节的每个细节一一落实 避免犯错误 7 控制要求和特殊选件 对于一台要改造的机床 控制要求 主轴数 坐标轴数 测量元件 机床 现状几大要素基本可以确定改造可以选择的系统和相应的驱动和测量系统方案 但是这并不是绝对的 有些特殊类型机床或者用户需要的一个特殊功能往往就 决定了系统的选择 比如 14 1 图形显示和图形模拟 2 双 多通道功能 用于双车 车削中心和其他具有两个加工单元的机床 3 龙门轴功能 龙门式镗铣床 加工中心 要求两个龙门轴能够完全实现 同步 只有这个功能才能做到实时监控两个坐标的跟随误差 实现同步 4 配对轴功能 两个坐标可以实现要求不是很高的同步 5 激光加工的距离控制 6 同步主轴功能 用于车削中心两个主轴之间的工件交接 7 砂轮恒线速控制 8 砂轮的在线修整和补偿 9 斜轴磨床 10 DNC 功能 11 前馈控制 12 进给轴齿轮插补 用于齿轮加工机床 13 凸轮插补 14 镗床镗杆低头补偿 15 网络和远程诊断功能 用户提出的特殊功能 系统厂家一般都有相应的选件满足需要 从而也就 决定了用户需要的相应档次的数控系统及选件 然而一般令用户比较难受的问 题主要是这些选件往往价格很高 同时有的时候由于某个选件只有在高一个档 次的系统上才提供 也使用户必须选购高一挡的系统 而付出相应的代价 这个时候 我们作为熟练应用系统从事改造的公司 站在用户立场上 我们 一般都会采取这样的立场 系统选用尽量以够用为限 能用低档不用中档 能 用中档不用高档 能够自己开发的特殊功能尽量自主开发 一切为用户考虑 近几年来 我们在数控瓦楞辊磨床的双辊特殊加工 数控强力磨床的修整 补偿和恒线速度控制 龙门式大型加工中心改造等项目上 投入开发力量 取 得了很好的效果 赢得了用户的认可 1 4 正确的方案是改造成功的一半 在每一个改造课题被提出来之后 我们的工程人员会对改造的对象进行充分 深入的调查研究 为此我们一方面采用标准的机床状况调查表来做机床的信息 15 的收集 充分利用用户对机床熟悉的实际情况 另一方面我们挑选最有经验的 人员做好这第一个环节的工作 保证方案的合理和准确 良好的开端是成功的一半 这几年 我们在改造市场闯出了一片天地 我们 的经验告诉我们 只有把好这一关 改造的成功才有保障 第二章 经济型数控车床钻孔工艺改进 2 1 引言 数控车床是按照输人的零件加工程序运行工作的 零件的加工程序中 包括 刀具和工件的相对运动轨迹 主轴的启停 主轴转数 吃刀深度 走刀量 刀 具的自动更换以及冷却液的开关等 功能十分强大 但在 CK6140 I 经济型数控 车床上钻孔 仍然是在车床尾座上安装钻头 通过转动尾座手轮进行钻孔的 因尾座没有自动进给功能 所以操作者劳动强度大 生产效率低 而且钻孔深 度不易控制 在批量生产中尤为突出 现拟将钻头安装在刀台上 利用刀台的 自动转位和自动进给的功能完成钻孔 2 2 钻头在刀台上的安装 CK6140 f 经济型数控车床的刀台是 4 把刀具容量的自动转位刀台 刀具在 刀台上的安装与普通车床上的相同 也是通过螺幻将刀杆压紧在刀台上进行安 装 为了安装钻头 先制作一个钻夹座 如图 1 所示 钻夹座通过螺钉被压紧 安装在刀台上 然后将钻夹头装在钻夹座的锥孔内 最后将钻头夹紧在钻夹头 内即可 图图 1 1 钻夹座钻夹座 钻夹座的 A B 面为定位安装面 A 面距锥孔中心线尺寸为 25mm 是刀台安 装面到车床主轴中心线的中心高 同时保证锥孔中心线与 A 面的平行度为 16 0 02mm 主要控制钻头安装后钻头轴线与车床主轴轴线在竖直面内的平行度 锥 孔中心线与 B 面平行度为 0 02mm 主要控制钻头安装后钻头轴线与车床主轴轴 线在水平面内的平行度 钻头在刀台上安装后 钻头与车床主轴在水平面内的 位置由车床的自动对刀保证 5 号莫氏锥孔与钻夹头的锥度相同 2 3 自动钻孔的应用 如图 2 所示为依锥柯汽车真空助力器中的柱塞 原钻孔工序为 图图 2 2 柱塞柱塞 工序 1 棒料夹于车床主轴卡盘上 车削零件左端全部尺寸达要求 切断 保证长度 30 7mm 留余量 0 3mm 工序 2 工件调头以 f25 5mm 台肩左端面定位夹于车床主轴卡盘上 车右端 面保证长度 30 7mm 工序 3 手动钻孔 f9 4mm 深为 16 6 mm 钻头端部磨成 f9 4 mm 的球面 工序 4 仍以 f25 5 mm 台肩左端面定位 用内孔车刀键内孔全部尺寸达要 求 换外圆车刀车削 f17 6 mm 直径达要求 17 为了批量生产 需要对工件进行批量手动钻孔 然后进行工序 4 这就增 加了工件装夹次数 降低了生产效率且加工精度难以保证 工艺改进后工序 工序 1 与原工序 1 相同 工序 2 定位与改进前相同 用外圆车刀车右端面长度尺寸 同一把车刀车 f17 6 mm 直径 换钻头钻 f9 4mm 孔 深 16 6 mm 换内孔车刀幢内孔全部尺寸 从改进前 后的工序安排可见 将工件原来的 2 3 4 道工序合为一道工序 减少了一次工件的装夹工作 原来 2 3 4 三道工序用时 4min 合为一道工序 后用时 2 5min 节约了 1 5min 而且钻孔的深度尺寸一致 质量稳定 综上所述 通过工艺改进大大提高了劳动生产率 充分发挥了数控车床自 动加工的优势 不但可完成钻孔的自动加工 而且可通过更换刀具在车床上完 成不同直径的钻孔 扩孔 铰孔的自动加工 不用时可将钻夹座从刀台上取下 不影响其它刀具的安装 在经济型数控车床上完成了标准型数控车床的工作 18 第三章 经济型数控机床网络通讯和控制技术研究 近年来 随着计算机和网络通讯为代表的信息技术的飞速发展和广泛应用 制造业无论是观念 还是技术都发生了很大的变化 传统的以相对固定的机器 和生产场所为中心 由上至下进行管理控制的大批量制造生产模式正逐步向以 人为中心 基于技术的先进制造生产模式转变 全球制造的思想就是利用异地 的资源 设备 知识 人力 来制造市场所需产品 从而加工单元的远程监控技 术就成为它的重要组成部分 要实现加工单元的远程监控 首要解决的问题是 数控机床的网络通讯和控制技术问题 本项目就是解决传统经济型的数控机床的网络通讯和控制技术问题 通过 网络来实现 NC 程序的中央服务器集中管理及网络通讯 从而适应现代先进制造 技术的发展 3 1 需求分析 3 1 1 传统经济型数控机床存在的问题 传统经济型的数控加工设备按数控系统分类主要有 FANUC 系统 其中包括 3T 7M HC 6 6MB 等 AB 公司系统 国产 3B 线切割系统等 按数控程序输 入 输出通讯接口类型分有三类 一类为仅有 RS232 RS422 串行口 二类为仅有 纸带阅读机 8 5 单位并行口 三类同时包括前两类接口 这三类机床同时还存 在同样的问题就是 内存容量较小 不适应复杂 大型面 高精度 长程序零 件的加工 它们的对外接口能力差 没有 DNC 功能 不能实现在线加工以及网 络控制等问题 3 1 2 希望的解决方案 本着满足最基本的应用需求 且留有一定的可扩充性及性能提高的潜力的 前提 来改善数控加工技术应用环境 就此提出了以下解决方案 机床通讯接 口的硬件改造 针对各类机床设计相应的通讯接口板卡 通讯控制软件的开发 以实现各机床的单机通讯功能 开发其它辅助功能 如 数控程序中加工信息的 提取 数控程序图形模拟 长程序的在线加工等 弥补和增强原数控系统功能 19 网络体系的选择与通讯协议的定义及网络系统控制软件的开发 实现数控程序 的中央服务器集中管理和网络通讯 3 2 系统结构 3 2 1 网络系统构成及功能 整个网络系统是由中央服务器 网络接口 双向数据转换器 现场服务器 1 分 N 口并行数据收发器 数据接收器以及经济型数控机床等组成 中央服务器是整个网络的中枢部分 它主要完成的是对各级服务器的整体 控制 它采用后台中断工作模式 不需要人的干预 而且其前台还可以进行其 他工作 现场服务器是客户端 既担任起数控服务器的功能 又具有强大的网络通 讯功能 它接受中央服务器下达的各项任务 从网络上获取由中央服务器传来 的数控加工程序的数据信息 并把这些数据信息传送到 NC 文件库 将已加工过 的数控程序反馈到中央服务器 能从系统的 NC 文件库中提取相应的数控代码 并从中提取有关的加工零件数据和信息 对其进行处理 实现 NC 程序的图形模 拟等工作 另外 对需用长程序的零件加工 现场服务器还完成长程序的在线 加工任务 现场服务器可同时服务于多台数控设备 根据需要在车间一定的空间范围 内 比如 一个小的工作间 一个小的局部区域 设置网络节点 放置一台 PC 机 作为现场服务器 一台服务器根据实际需要靠选用 1 分 N 口并行数据收发器来 服务于多台数控设备 3 2 2 系统网络体系结构及通信协议的选择 系统中的各种信息都是通过网络来传输的 在计算机网络发展上 影响较 大的网络体系主要有 OSI 七层参考模型和 TCP IP 体系结构模型 OSI 参考模 型是 ISO7498 国际标准 TCP IP 体系结构是当前流行的 Internet 网络所使用 的体系结构 尽管它不是国际标准 但在计算机网络体系结构中却占有非常重 要的地位 这是因为虽然 OSI 的体系结构从理论上讲比较完整 其各层协议也 考虑得很周全 但事实上 完全符合 OSI 各层协议的商用产品却极少进入市场 远远不能满足各种用户的需求 然而使用 TCP IP 协议的产品却大量涌入市场 20 几乎所有的工作站都配有 TCP IP 协议 并已成为计算机网络事实上的标准 通 称 工业标准 为此 我们在数控机床的网络通讯系统中 采用的是 TCP IP 的网络体系结构 该体系把计算机网络分为四层 即应用层 传输层 网络层 和网络接口层 TCP IP 体系结构为传输层制定了两种协议即 传输控制协议 TCP 和用户 数据包协议 UDP UDP 为用户提供进程无连接的数据报协议 数据包以独立包 的形式传送 服务不提供无错保证 数据可能丢失 重复或失序 数据包的长 度也受一次处理最大长度的限制 默认值为 8192 字节 最大值为 32768 字节 不进行包的拆分和重组操作 而 TCP 协议是一个可靠的全双工的字节流的面向 连接的协议 TCP 和 UDP 相比传输可靠 数据无差错 无重复 可按发送顺序 接收 数据为字节流 其长度不受限制 为用户提供虚电路服务 并为数据的 可靠传输提供检验 根据数控加工的特点 尽管数据包在传输量小于 2048 个字 节时 UDP 可靠性更好 但数据包服务是单包 无序传送 而系统的网络通信显 然不能保证所有传输的信息都小于 2048 个字节 因此 只能选用 TCP 作为系统 的传输层协议 应用层的通讯协议的选择既要考虑到数控加工的特点又要具备实时性 可靠性 以及数据传输量大等特点 本系统另行开发了基于 TCP IP 协议族的相应协议 制定了应用进程之间传输的信息的特殊含义 3 2 3 通讯协议的实现 系统协议 就是保证客户端和服务器端的应用线程之间能相互准确 及时 有序地传送信息 并能彼此毫无差错地对信息进行语法分析和解释 对于网络控制系统 其传输信息有自己独特的含义 在客户端和中央服务器间 传递的信息 主要有客户端的请求信息 数据信息和中央服务器端的状态信息 客户端的控制信息又分为两种 网络控制信息和加工控制信息 服务器端的状 态信息也分为两种 连接状态信息和客户端的状态信息 在系统的协议中 这些信息都规定了相应的格式规范 客户端的网络控制 信息主要用于与服务器连接的建立 维持和释放 加工控制信息由控制命令字 控制参数组成 网络通讯协议格式为 cmd 1byte 命令代码 1byte 命令长 21 度 命令参数 4 字节的校验码 XC cmd 为命令引导码 用以标识命令 的开始 命令长度 只包括命令参数及校验码的长度 若无命令参数 则为 4 校验码将无意义也不被检验 但还是必须发送 传输的数据包的末尾 4 字节为校验码 前 3 字节为该包的所有字节的和 第 4 字节为所有字节的异或值 若发送过程中有数据发生错误 则第 4 字节的 校验码一定不正确 因此 靠监测第 4 字节校验码来保证通讯数据的可靠性 3 2 4 硬件设计原理 系统在服务器端使用 2 4 8 口 RS422A 接口卡进行转接 进入现场后采用 RS 422 RS 485 双向数据转换器转接至现场服务器 2 4 8 口 RS422A 接口卡与 RS 422 RS 485 双向转换器均采用工业控制标准接口板卡 当现场服务器服务于多台数控机床时 采用 1 分 N 口并行数据收发器 分接于多台机床 数据接收器 是专门针对仅有纸带阅读机 8 5 单位并行口 的机床 如线切割机 而设计的 它完成机床与 PC 机的通讯以及实现数控程序的 在线加工 使用数据接收器时 在机床接线上要作相应改动 即 在原纸带阅读机的 输出信号线上通过三态门并入相应的 3B 代码数据信号 将原系统发送给纸带阅 读机的步进信号作为控制系统写入数据的定时信号 系统设计时 设置了控制 开关 用于选择使用原纸带阅读机还是使用数据接收器 3 2 5 软件开发原理 系统的软件由两部分组成 一是网络控制系统的控制软件 再一个就是现 场服务器与各类机床的通讯软件 1 网络控制系统控制软件的开发原理 网络控制系统的控制软件安装于中央服务器中 其设计原理是 中央服务 器不停地接收并分析从各端口送来的请求 命令 信息等数据包 当一个数据 包接收完毕后 它将首先通过包中的校验码进行验证该包在传送过程中是否出 错 若出错 它将发出 重发 命令给原发客户端 若正确则进行相应的处理 2 现场服务器与各类机床的通讯软件开发原理 针对各类机床与现场服务器的通讯 软件开发的基本原理是 要将数控程 序传入数控机床 首先将数控程序转换为机床能识别的代码 EIA 码或 ISO 码 22 然后以数据包的方式读入现场服务器内存 再逐字节地向数控机床控制系统发 送 同时计算机不停地监测机床接口的状态寄存器的状态 从机床传出数据 通讯控制软件总是从其程序代码的末端开始至常规内存的顶端 0A0000H 作为接 收数据的缓冲区 综上所述 此项研究解决了经济型数控机床的网络通讯和控制技术问题 实现了数控加工程序的中央服务器集中存储 管理 网络查询及下载功能 解 决了不具备直接通讯接口功能的数控机床的数控程序输入难题和在线加工问题 实践证明 该系统具有操作简单 使用方便 运行稳定可靠 性能优良等特点 它的投入使用 大大地改善了数控加工程序的存储 管理和传输条件 从而有 效地提高了实际生产效率 对于类似的 不具备远程监控和上线能力的数控机 床的改造 具有重要的意义和参考借鉴价值 3 3 经济型数控机床的定位精度分析 3 3 1 开环系统的定位精度 在开环伺服系统中 指令脉冲分配器 功率放大器 步进电动机 减速齿轮 滚 珠丝杠螺母副转换为机床工作台的移动 机床工作台的定位精度受所有这些电 气或机械装置及元件结构设计和制造精度的综合影响 在机床使用过程中 定 位精度进一步受到振动 热变形 机床导轨和丝杠螺母副的磨损 以及数控装置 元件特性变化等的影响 其中 主要影响因素有 1 步进电机的误差 包括步距角的误差 伺服式步进电动机步距角误差一 般为 10 3 动态误差 步进电动机单步运行有共振现象 起停误差 在步进 电动机起动和停止的过渡过程中 电动机的转动滞后于控制脉冲 2 机械传动部分的几何误差 包括齿轮副的传动误差 齿轮副的传动误差 主要由齿轮本身的各种制造误差 如几何偏心 运动偏心 齿形误差 调节误 差等因素形成 此外还与齿轮安装轴的偏心和齿轮孔轴的安装误差 间隙等有 关 另外 还有齿轮副的传动间隙 它主要由齿轮的固有侧隙产生 同时还受 齿轮副的中心距误差和齿轮的安装误差等因素的影响 滚珠丝杠螺母副的传动 误差及传动间隙 滚珠丝杠螺母副由于处在进给系统传动链的末端 它的传动 误差将直接影响定位精