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2044
C616卧式车床数控化改造
C616
卧式
车床
数控
改造
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2044 C616卧式车床数控化改造,2044,C616卧式车床数控化改造,C616,卧式,车床,数控,改造
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C616卧式车床数控化改造一、绪论(一)数控设备与技术现状1.数控设备近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业己有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS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年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元1，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、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。国内数控机床的特点1.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位例如:全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。去年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于8月底将一次性验收合格的8台数控铿铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣M加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。2.数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%.金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%2。3.数控机床发展的关键配套产品有了突破近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台;烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置;济南第二机床集团公司的数控龙门幢铣床、数控落地铿铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。2.国外数控机床状况分析1.国际机床市场的消费主流是数控机床1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2.国外数控机床的网络化随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化己成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例;第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANUC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。3.数控机床的发展预测1.数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变 据预测分析，到2005年我国机床的数控化率为9.5%-10.36%，到2010年将达到16.5%-19.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。2.数控金切机床的构成比逐渐趋于合理数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。3.数控机床的应用由单机向单元(系统)方向发展目前欧、美、日等国应用DNC己很普遍，柔性制造单元己占数控机床销售量的30%以上。而我国FMC, FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。4.出口前景良好1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2005年出口创汇可达到12亿美元3。4.入世对中国机械工业的结构性冲击加入WTO后，外资对我国机械工业的结构性冲击主要表现在以下几点：1.部分行业发展主导权有可能受到冲击 在以下行业将表现得更为突出:一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等;二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等;三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。2.工程成套行业将面临更严峻的竞争随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。3.我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。4.处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。(二)数控技术装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域:(1)机械制造技术;(2)信息处理、加工、传输技术;(3)自动控制技术;(4)伺服驱动技术;(5)传感器技术;(6)软件技术等。1.数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势4。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术是装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。目前高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，己经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速己达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由100um提高到51um，精密级加工中心则从3-5um，提高到1-1.5um，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(O.O1um)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 OOOh以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2.5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制5。3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等:还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC欧共体的OSACA、日本的OSEC，中国的ONC等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制。系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EM02001展中，日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center(智能生产控制中心，简称CPC)6 ;日本大限(Okuma)机床公司展出“IT plaza(信息技术广场，简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的。4.重视新技术标准、规范的建立 (1)关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC, OSACA, OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。(2)关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于工S06983标准，即采用G, M代码描述如何(how)加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他己越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准IS014649 (STEP-NC)7，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。5.数控设备更注重安全性、操作性数控设备是集机电一体化的产品，由于其自动化程度高，所以对其安全性和可操作性有了更高的要求。2.对我国数控技术及其产业发展的基本估计1.我国在数控技术方面所取得的成绩我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段:第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在 “九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50%，配国产数控系统(普及型)也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩8。 (1)奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术我国现在己基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 (2)初步形成了数控产业基地在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。(3)建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比(与国外对比)不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。2.从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计(1)技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。(2)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产;功能部件专业化生产水平及成套能力较低;外观质量相对差;可靠l性不高，商品化程度不足;国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(3)可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱;数控技术应用领域拓展力度不强;相关标准规范的研究、制定滞后。3.存在差距的主要原因(1)认识方面对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足;对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足;对我国数控技术应用水平及能力分析不够。(2)体系方面从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少;没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 (3)机制方面不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。(4)技术方面企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。(三)对我国数控技术和产业化发展的战略思考1.战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定;其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”9就是最好的例证。2.发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品;当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。(四)设备数控化改造的现状目前，关于设备改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在:1.根据用户的需求可以选择不同的数控系统。2.根据要求可以进行经济性数控化改造，也可以进行智能化数控设备改造。不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。但目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类设备存在的问题，比如:现在的设备普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生电路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。针对目前同类数控设备使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造设备时所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生;设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。这一技术已经申请了国家发明专利。另外，我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的4个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闭值的大批量的规模生产才能取得上述4个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心,用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境;其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。如何达到上述要求，进一步提高其生产的柔性化，达到操作的简便易行，在改造过程中利用成组技术，来把单件多品种生产转变成变品种的批量生产，设计共用化的程序存入系统，减少编程的麻烦，提高了加工效率。这一创新思路是目前市场上没有的，该技术己申请专利。同时采用无级变速方式，使其转速提高到2000r/min，实现了高速化。(五)本文的选题及主要研究内容对已报废的两台C616普通废旧车床进行数控化改造。通过改造，其目的就是要创新一些技术，以便进行推广。课题组接到任务后，认真仔细的研究改造方案，分析现在经济型数控车床容易出现安全性故障的原因，经过反复的论证，在设计过程中，所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生;设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。合理的设计控制系统，利用原机床的电机作为主电机，节约了购买电机的费用。要求改进后的设备能提高精度达到数控行业标准(JB2670-82)10，同时满足操作方便，对使用人员要求不高的要求。1.主要研究内容1. C616车床数控化改造总体机械部件设计。2.主要部件的设计和选用。3.创新设计数控机床限位保护装置。使设备发生电路开路或接触不良时，应立即报警，防止意外事故发生，提高设备使用的安全性。4.设计双限位保护开关，使刀架在特定的位置不能换刀。5.满足设备的各项性能指标。6.对完成改造后的机床进行安装、调试，使其达到用户使用要求。二、 西门子802S数控系统介绍(一)西门子802S数控系统的基本功能德国西门子公司生产的802S数控系统是一种专门针对中国市场开发的经济型机床数控系统。它采用32位的微处理器(AM486DE2 )、集成PLC，分离式小尺寸操作面板、液晶显示器和机床控制面板。802S可以控制2-3个步进电机驱动的进给轴和一个主轴。802S数控系统的基本功能如下:1.线性插补轴最多3轴(开环)。2.一个变频器驱动的主轴，具有主轴编码器反馈接口11。3.PLC模块具有16个输入点和16个输出点，经扩展可以达到64个输入点和64个输出点。4.支持中/英文转换。5.螺距补偿和间隙补偿。6.具有故障报警信息显示和诊断数据显示。7.支持车削循环和铣削循环。8.刀具补偿功能。9.螺旋插补功能。10.用户程序存储器256K.11.可以扩展两个电子手轮。12.通过特定的参数设置可以获得示教功能。(二)系统配置方案研究1.西门子802S数控系统配置802S数控系统配置和连接图如图2-1所示。图2-1数控系统配置和连接2.系统配置方案研究根据用户使用要求，经过严格的分析计算，确定系统配置如下:1.按照用户的要求，选用802SSNC系统，含显示和操作面板。2.根据Z轴的进给功率要求，通过计算，选择12N.M的步进电机。3.X轴和Z轴驱动器，选用SETP DRIVE C型驱动器。4.主轴变频器采用ATV 28HU90N4变频器。5.主轴编码器采用1024线变频器。6.采用100VA的系统电源隔离变压器。7.系统电源采用24V/4. 5A电源。8.主电机仍采用原来旧机床的电机。9.选用LD4-CK6132电动刀架。具体情况如表2-1所示。表2-1系统配置序名称型号数备注 1 NC802SI含显示、操作面板2步进电机9N.m1 X轴 3步进电机12N.m1 Z轴 4驱动器SETP DRIVE C1 5驱动器SUP DRIVE C1 6变频器TV 28HU90N4I 7主轴编码器1024线1 8系统电源隔离变压器1 OOVA1 9系统电源24V/4.5A1要求无关机荡机 10主轴电机1 11油泵电机1 12电动刀架1 三、 控制电路设计(一)电路设计1.主轴电路C616数控车床主轴采用变频器驱动三相交流异步电机实现主轴无级调速，去除机床原有的主轴变速箱，可以获得更好的操作性能和切削性能。1.变频器采用德国Schneider Electric公司的Altivar 28通用变频器，型号为ATV 28HU90N4，功率5.5KW。2.802S数控系统的主轴速度模拟量控制电压802S数控系统的主轴速度模拟量控制电压为DC-1OV1OV。其中0lOV为主轴正转速度控制(执行M3指令)，0-10V为主轴反转速度控制(执行M4指令)。而变频器的速度控制电压为0+lOV，其正/反转由变频器的1/O端口输入的状态控制。如果直接把数控系统的速度控制模拟电压输出端直接与变频器连接，将导致变频器不能识别反转控制电压而不能实现反转。电路KA 1, KA2用于控制变频器的正反转，KA3用于对速度控制电压的极性进行转换，保证变频器的速度控制电压在反转时也为0-+1 OV。3.变频器故障报警输出变频器的故障报警输出作为系统的报警输入，如果主轴出现过流、短路、过热等故障时均可及时停止系统的运行，并发出报警信号。(二)X、Z轴限位和参考点返回电路1.x、z轴的限位输入端设置为负逻辑经过分析现有数控机床的限位控制电路的缺陷，研制出一种新的限位控制方式，即负逻辑控制。其基本思路是:使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下时I/0点与24V接通，当限位开关被压下1/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。采用负逻辑输入的方法，这样有利于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继电器、接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器、接触器处于始终通电状态。这会造成损耗大、元件升温、寿命缩短等问题，并且元件间机械接触，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统其控制逻辑由逻辑电子线路实现，不会出现以上问题。本次数控改造使用的数控系统为西门子802S数控系统，实现负逻辑输入要软件、硬件两方面配合才能实现。硬件连接数控机床中PLC的输入点有以下两种连接方法，其中图3-2所示的连接方法是正逻辑输入，其原理是:当机床运动超程时压下行程开关SQ1, SQI闭合PLC内的光电藕合器件得电，PLC认为该点的逻辑值为“1，信号有效，PLC执行相关操作。这种方法的缺点在于当从+24V端子到PLC输入点之间的线路接触不良或开路则会造成SQI无效 (即使SQI被压下闭合)，而导致机床出现重大事故12。 图3-1负逻辑输入 图3-2正逻辑输入（1）图3-1所示的是负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点在正常情况下SQI是闭合的，该输入点的逻辑值为“1，当SQI被压下断开时输入点逻辑值为“0。这时要求通过数控系统的参数设置或修改PLC程序把该点逻辑值“1”设定为无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从+24V端子到PLC的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，必须在电路连接良好的情况下机床才能正常运行。这种方法排除了因限位电路开路而造成故障的可能性，机床的安全性得到提高。软件设置负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态，其方法有两种:第一，在PLC编程时通过程序实现。第二，通过设定机床参数实现。（2）在两种方法中，要求数控系统具有可以对其PLC输入、输出端口的逻辑有效状态进行修改的功能。西门子的SINUMERIK 802S数控系统具有此功能。本次改造对限位等影响机床安全的输入点采用负逻辑就是采用的第2种方法。(3)采用负逻辑存在的问题及对对策数控机床的PLC输入点采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电祸合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小(只有几毫安，输入电路只消耗几十毫瓦)，因此系统的功耗的增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光电藕合器的工作寿命大于10万小时，以每台机床每天连续工作12小时计，可以保证机床正常工作20多年，对机床的寿命也不会造成影响。2.参考点返回采用双开关方式用行程开关做参考点返回减速开关，用接近开关作为参考点检测开关。在各轴返回参考点时，先高速运动到参考点返回减速开关，将其压下后反向慢速逼近参考点，到参考点检测开关后完成参考点返回。由于这种方法使各轴在达到参考点前速度较低(可通过参数设定改变)，所以精度较高并且可以消除丝杠的反向间隙。3.电动刀架控制电路电动刀架的刀位检测霍尔元件为输出电路为集电极开路输出方式，不能与数控系统直接相连，需要在各刀位检测电路输出端添加集电极上拉电阻。如图3-3所示。图3-3刀架电路4.驱动器与步进电机的连接线路驱动器与步进电机的连接如图3-4所示，连接电缆采用数控系统配置的专用动力电缆。图3-4驱动器与步进电机的连接图为保证步进电机的相序准确，必须按照系统说明书的要求连接，否则步进电机不能正常运转。驱动器所使用的85V交流电源由380V交流电驱动变压器压降压产生，为克服步进电机起动时大电流的冲击，驱动变压器必须有足够的功率余量，实际改造中选用的是1.5KVA的变压器。为防止电源干扰，在驱动变压器原边与副边之间绕有屏蔽层并接地。驱动器与数控系统之间的连接电缆由于深入强电柜，因此要求有良好的抗电磁干扰性能，一般采用西门子系统厂商提供的屏蔽多芯双绞电缆，但其长度不能满足要求，换用了同规格的自购电缆也可以满足要求。5.系统接地电路接地包括系统电源接地和步进电机驱动系统接地。分别如图3-5 ,图3-6所示。图3-5系统电源接地良好合理的接地是系统可靠工作的重要保证。为提高系统抗干扰能力各须接地的设备均通过1Omm2的接地线直接与接地排相连，地线排再通过16mm2的接地线与电源系统的地线相连接。这种接地方法可以抑制各设备间的共态干扰。图3-5、图3-6是系统主机、驱动的接地示意图，其他各部分的接地在电路图中有详细的描述。图3-6步进电机驱动系统接地(三)机床参数设置1.通用机床数据根据机床使用要求和电路设计情况，进行机床参数设置。(四)控制元件清单根据设计要求，所采用的控制元件清单如表3-1所示表3-1 元件清单序号元件名称规格数量备注1802S数控系统X轴9N.M,Z轴12N.M2套主机、操作面板、驱动单元、步进电机2航空插件16P4328P8410P强电5继电器两组触点206空气开关DZ47-380V/20A23P7DZ47-380/15A23P8DZ47-380/2A63P9DZ47-380/10A21P10DZ47-380/8A21P11DZ47-380/5A41P12DZ47-380/20A21P13接触器CJT1-380V/20A2主电源14CJT1-380V/10A6刀架及冷却15起停按钮红色、绿色416急停开关红色417小按钮红色、绿色418三相吸收器619变压器220V/85V 1.5KW2步进驱动器电源20380V/24V 100W2照明21导线黑色25m22黄绿相间10m接地线23蓝色1圈24蓝色1圈25电缆4芯10m264芯15m2715芯屏蔽线3m2830芯25m29风扇/35W2强电阻散热30风扇/35W2操作柜散热31热缩管32线号管33电源指示灯红色234蜂鸣器2声音报警35线槽、20m36卡轨L:600mm5固定元件(五)控制电路安装接线图机床外部控制电路的安装和接线是一个重要的环节，要保障外部干扰小。我们采用了机床电气控制柜与主机分离，同时选用了屏蔽线连接，达到了很好的屏蔽效果。各电路安装连接线图在此不再提供。四、 数控车床总体改造方案及机械部分设计(一)设计要求1.设计基本思路改造C616车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布置各传感器。数控系统采用国际通用的SIEMENS系统，可靠性好，功能强大。并根据用户的要求设计了新颖的外观。该设备改造后取名“CK616A数控车床”。2.设备改造前后各项性能指标 各项性能指标完全达到JB2670-82标准。 改造前后的设备情况如下: C616改装前的主要参数: 床身上最大工件回转直径320mm 最大工件长度750mm 刀架以上最大工件回转直径175mm 主轴转速种数正反转各12种 主轴转速范围45-1980转/分 主轴每转刀架进给量范围横向0.04-2.45mm 纵向0.06-3.34mm C616改装后的主要参数: 主轴转速:无级调速10-2000r/min 脉冲当量X轴0.001 mm Z轴0.001 mm 行程:X轴1 l omm Z轴650mm 最大工件直径:200mm 最大工件长度:500mm(二)改造方案的确定C616车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有:控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速;刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具:冷却泵、润滑泵的启停;加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案为:对机床的改造部位是:拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架;拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副;主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用;数控系统选用德国西门子公司生产的SIEMENS802S数控系统:驱动系统的设计。由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方一案时，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。总体改造如图4-1所示。图4-1总体改造方案对该机床进行机械修理以便恢复机械精度要求，修理的主要目的是恢复机床导轨、主轴、拖板的精度，撤除机床主轴箱和溜板箱内的传动部件以及传动丝杠，只保留导轨、主轴、溜板、尾座。修理后己恢复其主要部件的精度。1.设计目的利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.006mm/脉冲，横向脉冲为0.004mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。2.总体方案设计由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据C616车床有关资料，总体方案的确定如图22所示:采用西门子经济型数控系统对数据进行计算处理。步进电动机经同步带轮传动或直接传动后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。主轴变速采用变频器调速控制。(三)传动系统改装设计与计算1.纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计如图4-2图4-2纵向进给系统装配图2.纵向进给系统的计算己知条件:工作台重量:W = 80Kg=800N时间常数:T=25ms滚珠丝杠导程:L=6mm行程:S=650mm脉冲当量: 步距角: 快速进给速度:Vmax =2m/min1.切削力计算由可知，切削功率为又因为Pc = FzV/6120所以Fz =6120Pc/V取V=100M/min，则主切削力 Fz=6120*2.496/100=152.76kg=1527.6N由可知，主切削力 查有关手册得Cfz=188kg/mm2=1880Mpa, Xfz=1 ,Yfz=0.75, Kfz=1 从机床设计手册中可得知，在一般车削外圆时 取 则 2.滚珠丝杠设计与计算 综合导轨车床丝杠的轴向工作负载采用下面公式计算 1)强度计算(滚珠丝杠) 寿命值L=60nT/1000000 =1000*100*0. 3/ (3.14*80*6) =20r/min L=60*20*15000/1000000=18000000r 最大动负载 选用FCIB32X6-5-E2滚珠丝杠，其额定动负荷为10689N，与上面计算结果相比，强度足够。2)效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为3)刚度验算滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量 因扭矩M引起的导程变形量L2很小，可忽略，即L=Ll。所以丝杠长度为1000mm时，导程变形总误差为查有关手册得知E级精度丝杠允许的螺距误差为1511m/m，故刚度足够。4)稳定性验算由于机床原丝杠直径为30mm，现选用的滚珠丝杠直径为32mm，支承向式不变，所以稳定性不存在问题。3.齿轮及转矩的计算采用同步带轮1)有关带轮计算传动比取 (带轮壁厚)2)转动惯量计算工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 丝杠的转动惯量: 带轮的转动惯量:电动机转动惯量很小，忽略不计。总的转动惯量J为 3)所需转动力距计算快速空载启动时所需力距M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力距M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力距M=Mf十Mo式中Mamax一空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;Mf一折算到电动机轴上的摩擦力距;M。一由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩Mat一切削时折算到电动机轴上的加速度力矩;Mt一折算到电动机轴上的切削负载力矩。则当n=时(为切削时电动机转速)，Ma= Mat又因为则 快速空载启动时所需力距 M=Mamax+Mf+Mo=13.1923+1.528+0.5777=15.298kg.cm 最大切削负载时所需力距 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.787+1.528+0.5777+9.122=12.0147kg.cm 快速进给时所需力距 M=Mf+Mo=1.528+0.5777=2.1057kg.cm 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时: Mmax=15.298kg.cm=152.98N.cm3.横向进给系统的设计与计算1横向进给系统的设计(如图4-3) 图4-3横向进给系统图2横向进给系统的设计计算己知条件:工作台重量W =3Okg=300N时间常数T=25ms滚珠丝杠导程L=4mm左旋,行程S=200mm脉冲当量: =0.004mm/P步距角:快速进给速度:Vmax= lm/min3.切削力计算 横向进给量为纵向的1/2 ,1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/20 Fz=1/2*152.76=76.38kg=763.8N 在切断工件时:Fy=0.5 Fz=0.5*76.38=38.19kg=381.9N4.滚珠丝杠设计计算1)强度计算对于燕尾型导轨 P=KFY +f(Fz+W) =1 .4*38. 19+0. 2 (76.38+30) =74.74kg=747.7N 寿命值: L=60NT/1000000=60*1515000/1000000=13500000r 最大动负载: 根据最大动负载C的值，可选择滚珠丝杠型号为FC1B204-E2D左，其额定动 负荷为5393N，所以强度足够用。2)效率计算3)刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量 因扭矩M引起的导程变形量L2很小，可忽略，即。所以导程变形总 误差为: 查表知E级精度丝杠允许螺距(1米长)为151 m/m，故刚度足够。4)稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定、一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。5)转矩计算 A.转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 丝杠的转动惯量: 电动机转动惯量很小，忽略不计。电动机转动惯量很小忽略，因此，总的转动惯量 B.所需转动力距计算 = Vmax/Li=1000/4*1=250r/min =0.0679N.m =0.693kg.cm当n=时(为切削时电动机转速)，Ma= Mat又因为 f/Li=1000vf/(3.14*D*L*i)= 1000*100*0.15/(3. 14*60*4*1) =19. 9 r/min 则:=0. 055kg. cmMf= =(0.2 x 30 x 0.4 x 1) /(2 x 3.14 x 0.8) =0. 478kg. cm=0. 0468N. m =0.193kg.cm=0.0189N.m =0.298N. m 快速空载启动时所需力距 M=Mmax+Mf+Mo=0.693+0.478+0.193=1.364kg.cm 最大切削负载时所需力距 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.055+0.478+0.193+3.04=3.766kg. cm 快速进给时所需力距 M=Mf+Mo=0.478+0.193=0.671 kg. cm 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在最大切削负载时: Mmax=3.766kg.cm=36.91N.cm(四)步进电动机的选择1.纵向进给系统步进电动机的确定 一般启动力距选取为 Mq取Mq = /0.4 = Mmax=152.98N.cm 则:Mq=152.98/0.4=382.45 N.cm 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则 Mq/Mjm=0.951，所以步进电动机最大静转距 Mjm= Mq/ 0.951=382.45/0.951=402.16 N. cm 步进电动机最高工作频率 fmax=Vmax/60=2000/60*0.006=5555. 55Hz 综合考虑，选用110BYG007五相混合式步进电动机，能满足使用要求。2.横向进给系统步进电动机的确定 Mq = /0.4 = Mmax=36. 91N. cm 则:Mq=36.91/0.4=92.275 N. cm 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则 Mq/Mjm=0.951，所以步进电动机最大静转距 Mjm= Mq/ 0.951=92.275/0.951=97.03 N. cm 步进电动机最高工作频率 fmax=Vmax/60 =1000/60*0.004=4166.66Hz 综合考虑，选用110BYG007五相混合式步进电动机，能满足使用要求。(五)电动刀架的选择 选用常州宏达机床数控设备厂生产的四工位电动刀架，型号LD4-CK6132。五、 数控机床操作(一)数控机床操作指南1.控制面板解释图5-1控制面板解释2.操作说明1.当前操作区域加工;参数;程序;通一讯;诊断。可以在主菜单上通过选择不同的软键进行操作。程序状态:程序停止;程序运行;程序复位程序停按“CYCLE STOP”键后程序停止运行；程序运行按“CYCLE STARE”键后程序开始运行；程序复位一按“RESET”键后程序复位运行方式:点动方式;自动方式;MDA方式点动方式按“JOG”键进行点动方式运行自动方式按“AUTO键进行自动方式运行；MDA方式按“MDA”键进行MDA方式运行；程序控制状态:程序段跳跃;空运行;快速修调;单段运行;程序停止;程序测试;步进增量2.开机步骤开机步骤见图5-2所示。图5-2开机步骤3.回参考点一“加工”操作区1)操作步骤“回参考点”只有在JocT方式下刁可以进行;用机床控制面板上回参考点键“REF PO工NT”启动“回参考点”:O坐标轴未回参考点坐标轴已经到达参考点;按坐标轴方向键+X , +Z ;如果选择了错误的,1参考点方向，则不会产生运动;给每个坐标轴逐一回参考点;通过选择另一种运行方式(如MDA, AUTO或JOG)可以结束该功能。4.刀具补偿1)建立新刀具操作步骤按“参数”“刀具补偿”一“”一“新刀具”键，建立一个新刀具。 出现输入窗口，显示所有给定的刀具号; 输入新的T一号(1-32000)，并定义刀具类型; 按确认键确认输入，刀具补偿参数窗口打开;2)刀具补偿参数 刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具/刀尖半径补偿。参数表结构因刀具类刀同而不同。操作步骤按照下列步骤输入刀补参数;移动光标到要修改的区域;输入数值;按输入键确认。5，输入/修改零点偏置值一“参数”操作区1)功能 在回参考点之后实际值存储器以及实际值的显示均以机床零点为基准，而工件的加工程序则以工件零点为基准，这之间的差值就作为可设定的零点偏移量输入。2)操作步骤通过操作软键“参数”和“零点偏移”可以选择零点偏置;屏幕上显示出所有可设定零点偏置的情况;把光标移到待修改的范围;输入数值;按“向下翻页”键，屏幕上显示下一页零点偏置窗:G56和G57;按返回键不确认零点偏置值，直接返回上一级菜单。6.JOG运行方式一“加工”操作区1)功能在JOG运行方式中，可以使坐标轴点动运行;坐标轴行驶速度可以通过修调开关调节;2)操作步骤可以通过机床控制面板上的JOG键选择JOG运行方式。操作相应的方向键可以使坐标轴运行;只要相应的键一直按着，坐标轴就一直连续不断地以设定数据中规定的速度运行，如果设定数据中此值为“零”，则按照机床数据是存储的值运行;需要时可以使用修调开关调节速度;如果同时按动相应的坐标轴键和“快进”键，则坐标轴以快进速度运行;在选择“增量选择VAR”以步进增量方式运行时，则坐标轴以所选择的步进增量行驶，步进量的大小在屏幕上显示。再按一次点动键就可以去除步进方式;在“JOG”状态图上显示位置、进给值、主轴值和刀具值。7.选择和启动零件程序一“加工”操作区1)功能在启动程序之前必须要调整好系统和机床，因而在此也必须注意机床生产厂家的安全说明。2)操作步骤操作“自动方式AUTO”键选择自动工作方式;打开“程序目录窗口”窗口;在第一次选择“程序”操作区时会自动显示“零件程序和子程序目录”:把光标定位到所选的程序上;用“选择”键选择待加工的程序，被选择的程序名称显示在屏幕区“程序名”下;按动“CYCLE START”键执行零件程序。8.“停止”、“中断”零件程序一“加工”操作区1)功能零件程序可以停止和中断。2)操作步骤用“NC停止”键停止加工的零件程序可以通过按“NC启动”键恢复程序运
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